甲烷氯化物的工艺发展与国内外市场
  甲烷氯化物是一氯甲烷(氯甲烷)、二氯甲烷、(氯仿)、四氯化碳四种甲烷氯化物的总称,是重要的有机氯产品。甲烷氯化物除可作溶剂、脱脂(漆)剂、萃取剂、气雾剂、致冷剂、灭火剂、麻醉剂等以外,还是生产医药、农药、合成纤维、塑料、有机硅和有机氟系列产品等的原料。

  为了保护大气臭氧层,国际上签署了《蒙特利尔议定书》,我国是签字国之一。四氯化碳及其衍生物CFC-11CFC-12均被列为受控物质,行将被禁止生产和使用。美国等发达国家对二氯甲烷在某些领域(如气雾剂、发泡剂)的应用已进行了限制,使世界上甲烷氯化物的生产和消费总量受到一定影响。但一氯甲烷作为有机硅的原料、作为HCFC-22的原料,其消费仍然呈现增长的势头。中国属发展中国家,除四氯化碳外,其他甲烷氯化物产品市场均处于生长期,需要继续发展到一定规模。

1 工艺技术方案选择
1. 1原料路线的选择
国外先进的甲烷氯化物生产技术有甲醇法和甲烷法,都可联产四种甲烷氯化物。
甲烷法是甲烷氯化物生产的传统方法,而甲醇法是随着甲醇工业的发展而迅速崛起的甲烷氯化物生产方法,美国、西班牙、南朝鲜相继投产的几套装置都采用了甲醇法,大有取代甲烷法之势,有其技术上和经济上的原因:
1.1. 1对原料的要求
甲醇法对甲醇中的乙醇含量虽有一定限制,但比较容易达到,一般用国际一级品;甲烷法对原料天然气纯度要求很高,天然气中所含的硫、氧、C2C2以上组分,不仅影响氯化反应过程,增加氯耗,而且影响产品质量。国外甲烷法一般要求含硫为痕迹量、含氧0.01%C2C2以上组分0.01%。由于C1C2组分的分子直径相近,采用分子筛吸附很难达到产品纯度要求,故需要配置复杂的天然气精制系统。
1.1. 2产品纯度
甲醇法只要控制住甲醇中的乙醇含量,很容易从氢氯化反应产物分离出高纯度一氯甲烷,可满足有机硅单体的原料要求。美国有机硅单体生产所需的高纯度一氯甲烷几乎100%以甲醇为原料。高纯度一氯甲烷再深度氯化,副反应少,容易分离,所得其他三种产品纯度也高,一般三种产品纯度均在99.5%以上,尤其是纯度可达到医药级,适宜作为四乙烯的
原料。
甲烷法采用天然气一步氯化,同时生成四种产品,天然气中杂质造成反应生成的副产物精制过程复杂,产品纯度较低,很难满足有机硅单体的原料要求和四氟乙烯生产的原料要求。
1.1. 3氯消耗和副产盐酸
甲烷法理论上氯的利用率50%,实际上只有45%,大量的副产氯化氢以盐酸形式排出,其中含有较多的有机物,需要经过精制方能达到工业级盐酸标准。
甲醇法采用两步反应,深度氯化反应的副产氯化氢可部分或全部返回氢氯化反应器,若氯化氢全部返回氢氯化反应器生产一氯甲烷,氯的利用率可达85%以上。不循环的氯化氢采用干法分离,氯化氢纯度高,可作食品级盐酸或作合成氯乙烯原料。
1.1. 4产品比例调节
甲醇法产品比例调节范围大,一氯甲烷产量不受限制,尤其是主产时,和四氯化碳的比例可作到12/1或更些。
甲烷法对主产四氯化碳有利,同时生产四种产品时,比例调节范围相对要小,尤其是主产时,和四氯化碳的比例仅能作到4/1
1.1. 5投资与生产成本
据报导甲烷法若不包括天然气净化投资,则两法投资相当,否则甲醇法明显低于甲烷法。考虑副产品收益时,两法成本相当,若不考虑副产品(盐酸)收益,甲醇法成本比甲烷法低20%
总之,甲醇法优于甲烷法。随着石油化工、天然气化工和煤化工的发展,甲醇生产技术的现代化和生产规模的大型化,甲醇的价格会进一步降低,将使甲醇法经济上更加具有竞争性。
1. 2甲醇法工艺技术路线的选择
各家甲醇法生产工艺的区别主要表现于甲醇氢氯化和一氯甲烷深度氯化工艺,精馏部分则大体相同。实际生产中,各家采用不同的甲醇氢氯化和一氯甲烷深度氯化的组合,形成各自不同的特。
甲醇氢氯化技术主要有液相催化法和气固相催化法。
液相催化法反应温和、操作稳定,工业上长期而广泛的使用,但腐蚀性强。气固相催化法工业比较晚,具有操作方便、选择性好、腐蚀性弱等特点。
一氯甲烷深度氯化技术主要有气相热氯化法、液相(或气相)光氯化法和液相催化氯化法。
气相热氯化法是传统技术,有严重缺点:反应选择性差、副反应多、重组分残液量大,反应温度高、易结焦、堵塞管道,低氯甲烷大量循环造成设备体积大、能耗高,产品比例调节范
围窄。
日本德山曹达公司和法国阿托公司分别开发了液相催化氯化法和液相加压光氯化法,均克服了上述缺点。见表(1)。
表(1)日本德山曹达公司和法国阿托公司工艺技术概况
法国阿托 日本德山曹达
氢氯化反应深度氯化反应原料消耗(/吨) 1 反应方法2 反应温度3 反应压力1 反应方法2 反应引发方式3 反应温度甲烷与反应4 反应压力1 甲醇2 液相氢氯化1450.2MPa液相光氯化光引发601.5Mpa0.2471.305 气相固定床催化氢氯化法250~3000.15Mpa液相催化氯化化学引发剂引发95~1103.7Mpa0.2501.302
注:主要原料耗对应于CHCl3CCl4规模分别为16000t/a14000t/a
日本德山曹达公司和法国阿托公司尽管工艺技术不同,但原料消耗基本相当,都可以作为技术引进对象。我国已有三家企业引进了德山曹达公司的技术。其主要工艺如下:
1.2. 1甲醇氢氯化(液相催化)
甲醇与返回的氯化氢在催化剂溶液作用下反应生成一氯甲烷,一氯甲烷气相经水洗、碱洗、硫酸干燥、压缩、冷凝后送储罐。副产31%盐酸和78%左右的硫酸。
1.2. 2一氯甲烷深度氯化(光氯化)
一氯甲烷及循环物料在紫外光照射的光氯化反应器中与反应生成混合气体。分离氯化氢和一氯甲烷后的混合气体经碱洗、水洗、共沸脱水,送精制。
氯化氢气体返回氢氯化反应器或制31%盐酸。
经脱酸和干燥后的粗氯化物通过三个精馏塔依次分馏出二氯甲烷、、四氯化碳,重组分送焚烧。

2 国外市场

与其它氯产品相比,甲烷氯化物的生产及消费是受政府控制的,大部分发达国家1990年代四氯化碳已经不准再生产。在甲烷氯化物中,氯甲烷可以说是最有前途的。1999年世界主要地区甲烷氯化物的总产量为258.3吨,其中一氯甲烷127.7万吨,二氯甲烷51万吨,65.3万吨,四氯化碳14.3万吨。
国外甲烷氯化物的生产和消费主要集中在美国、西欧和日本。2000年世界这三个地区的甲烷氯化物的总生产能力为238万吨,由于氯甲烷相对独立,其它几个甲烷氯化物可根据市场情
况调节生产量,因此世界总产量难以统计。
2.1一氯甲烷
国外一氯甲烷生产方法以甲醇法为主,少量采用甲烷法。2000年世界一氯甲烷总生产能力约为98.2万吨,其中美国40.7万吨,西欧46.7万吨,日本9.8万吨。主要用于有机硅工业。消费构成的变化表现为有机硅对一氯甲烷的需求量增长快。1996~2003年世界一氯甲烷需求量年平均增长率为3.0%,预计1996~2008年的年平均增长率为1.6%,主要用于有机硅的生产。
2.2二氯甲烷
国外二氯甲烷生产方法以甲醇法为主,少量采用甲烷法。2000年世界二氯甲烷总生产能力约为68.9万吨,其中美国24.1万吨,西欧35.1万吨,日本 8.7万吨。1999年世界二氯甲烷总产量约41.4万吨,消费量58.6万吨,主要用于脱漆剂、金属清洗剂。美国和西欧由于受环保法的限制,二氯甲烷在气雾剂和聚氨脂发泡剂等方面的用量持续减少,但在金属脱脂、脱漆方面的用量逐年上升。预计1996~2003年世界二氯甲烷的消费量仍将以3.2%的速度增长,1996~2008年以0.2%的速率递减。
2.3
国外生产方法以甲醇法和甲烷法为主。2000年世界总生产能力为61.8万吨,
其中美国22.9万吨,西欧28.8万吨,日本9.1万吨。
1999年世界总产量约65.3万吨以上,主要用于生HCFC22。由于聚四氟乙烯的需求增长及HCFC22被确定为CFC11CFC12R502的过渡替代品,因此对需求量增加。预测世界1996~2003年对需求量以0.5%的速度增长,2003年之后由于发达国家对 HCFC22的使用限制,尽管PTFE 需求增长,但难以弥补HCFC22下降的量,故总的趋势是递减,预计1996~2008年世界将以3.5%的速度递减。
2.4四氯化碳
国外四氯化碳生产方法为四氯乙烯联产法、CS2法、C1~C4废烃氯解法。2000年世界四氯化碳总生产能力为12.1万吨,其中美国5万吨,西欧2.6万吨,日本4.5万吨。
1999年世界四氯化碳总产量约14.3万吨,因用于生产CFC11 CFC12受到限制,发达国家主要用于非排放性用途。
四氯化碳系消耗大气臭氧层物质之一,其对臭氧层破坏潜能为1.1,蒙特利尔议定书规定,发达国家于1996年停止生产和消费,对大气臭氧层物质人均消耗量低于0.3公斤的发展中国家,自1999年开始限制使用,2010年停止使用。预测1996~2003 世界四氯化碳的消耗量以每年13.5%的速度递减。1996~2008年以10.6%的速度递减。
3、国内市场
我国甲烷氯化物生厂40多个,生方法以甲烷法、乙醛法和甲醇法为主。估计总生产能力目前已接近20万吨,其中一氯甲烷约3万吨,二氯甲烷约2万吨,约7万吨,四氯化碳约8万吨。
3.1一氯甲烷
我国现有一氯甲烷生产企业10多个,目前生产能力约3万吨,统计表观消费量近万吨。现状调查结果,我国有机硅单体实际产量耗一氯甲烷1.5万吨,中间体进口折一氯甲烷6.5万吨,再加上其他需求量,目前国内对一氯甲烷的折算需求量应为8~9万吨。有机硅生产厂几乎都有一氯甲烷配套生产装置,随着有机硅工业的快速发展,要求使用高质量的一氯甲烷作原料,有机硅生产厂为改进产品质量、提高收率,必需对自己配套或外购高质量的一氯甲烷原料作出选择,这对于可以生产高质量一氯甲烷商品的生产企业是个机遇。
目前已有三个企业拟引进有机硅单体生产技术,预计2001~2006年可能分别形成5~15万吨有机硅单体生产能力,消耗一氯甲烷分别为5.0~13.5万吨。
近年来,医药、农药、甲基纤维素和季胺化合物需求增长较快,2001~2006年对一氯甲烷需求量分别为1~1.5万吨。因此,预计2001~2006年一氯甲烷折算需求量分别为9~14万吨,国
内实际对一氯甲烷需求量将取决于有机硅单体技术引进与行业的技术进步。
3.2二氯甲烷
我国能够生产二氯甲烷的企业少,目前生产能力约2万吨,产量近万吨。我国二氯甲烷主要用于醋酸纤维胶片片基,其次是用作脱漆剂和医药生产的萃取剂。
为适应市场需要,巨化公司3t/a甲烷氯化物装置已能生产2000t/a高纯二氯甲烷,填补了国内空白。
我国目前二氯甲烷市场需求量4万吨,其消费构成与国外发达国家差别较大,估计目前医药生产尚缺口1t/a;聚氨酯发泡已开始使用,估计其用量1t/a左右;金属脱脂、脱漆是市场开拓的重点,随着我国汽车、航空和航天工业的发展,金属脱脂、脱漆方面的二氯甲烷用量必将上升,市场潜力更大。总之,二氯甲烷特别是高纯二氯甲烷急待发展,以满足日益增长的国内需求。我国与发达国家情况不同,不能因看到美、欧诸国情况而停滞不前。目前我国在建项目均以为产品发展重点,因此,有必要规划以高纯二氯甲烷为重点产品的项目。初期规模以2~3t/a为宜。
3.3
我国现有生产企业10多家,目前生产能力约7.5万吨,主要用途是作为生产HCFC-2
2的原料,其消费量约占总消费的70%,另外,医药工业主要用于萃取剂、兽药的麻醉剂、还原染料的溶剂。目前的消费量12t左右,预计2005年需求量20万吨。
3.4四氯化碳
四氯化碳是蒙特利尔议定书规定的受控物质,我国正步入限制使用期,按蒙特利尔议定书规定的要求,将于2010年停止使用,故其用量将逐年递减。
综上所述,2000年以后,我国甲烷氯化物仍会有较大的市场缺口,但一氯甲烷商品需求量前途难卜;尽管美国、西欧二氯甲烷消费量已经递减,但我国消费尚处于上升期,有一定的发展前境,项目建设的市场风险不太大;估计在2016年之前其消费将呈增长势头,即使到2030HCFC-22停止作致冷剂和发泡剂使用,其作聚氟乙烯原料的用量仍将会继续增长,故2005年以前仍处于有利的发展期,也正是我国市场发育快的时期;四氯化碳市场将会萎缩,Dow Chemical公司将其转化为四氯乙烯,以适应四氯化碳市场的变化。

4 建议

A CCl4市场会在近几年萎缩,可考虑引进转化为四氯乙烯的技术。将EDC/VCM/PVC大项目
建成后,可考虑利用EDC/VCM及其重组分生产三/四氯乙烯,形成全国大规模的三/四氯乙烯生产基地,电石法被取代是必然趋势。
B F-22的主要原料,而F-22除了作制冷剂之外还是聚四氟乙烯的单体。聚四氟乙烯在我国很有发展前景,因此建议上甲烷氯化物以为主,并建成离我国氟化工近并且交通便利的地区。