環氧氯丙烷的發展、生產路線比較以及市場展望

郭 萌

（中國天辰工程有限公司工藝系統部，中國 天津 300400）

0 概述

環氧氯丙烷（Epichlorohydrin）又名表氯醇，1-氯-2，3-環氧丙烷，氯甲代氧丙環。是丙烯衍生物中的一個大品種產品，分子式C3H5ClO，分子量92.52。外觀為無色、易燃、揮發性液體，具有與氯仿相似的刺激性氣味。能與乙醇、乙醚、氯仿、三氧乙烯、四氯化碳混溶，環氧氯丙烷分子結構中具有不對稱碳原子，一般以含有等量右旋和左旋結構的外消旋化合物的形式存在。

以環氧氯丙烷為原料制得的環氧樹脂具有粘結性強，耐化學介質腐蝕、收縮率低、化學穩定性好、抗沖擊強度高以及介電性能優異等特點，在涂料、膠粘劑、增強材料、澆鑄材料和電子層壓制品等行業具有廣泛的應用；由環氧氯丙烷水解制得的合成甘油，廣泛用于醇酸樹脂、醫藥、煙草、食品以及炸藥等工業中；由環氧氯丙烷均聚或與環氧乙烷、環氧丙烷二聚、三聚生成的氯醇橡膠，兼有耐熱、耐油、耐燃、耐臭氧、耐透氣性、耐氣候老化等性能，綜合平衡性能優于丁腈橡膠、氯丁橡膠和丁基橡膠，廣泛用于生產汽車工業和航空工業使用的密封材料和油路軟管；由環氧氯丙烷和醇在催化劑作用下進行縮合反應，然后再用氫氧化鈉脫氯化氫可以制得縮水甘油醚類產品，主要用作環氧樹脂的反應性稀釋劑，可以改善環氧樹脂的加工性能，使其易于澆鑄、罐封和涂刷，并可以提高其加工性能。還可用于制備無溶劑漆及改性樹脂，用作粘接劑以及電子工業的其他產品。此外，環氧氯丙烷還可用于合成硝化甘油炸藥、玻璃鋼、電絕緣品、表面活性劑、醫藥、農藥、涂料、膠料、離子交換樹脂、增塑劑等多種產品，用作纖維素酯、樹脂、纖維素醚的溶劑，用于生產化學穩定劑、化工染料和水處理劑等。

1 環氧氯丙烷的一般生產路線

1.1 丙烯高溫氯化法

丙烯高溫氯化法又稱氯丙烯法，由美國Shell公司于1948年首次開發成功[1]，主要原料是丙烯、氯氣和石灰，包括三步：

（1）丙烯在470～500℃高溫下氯化生產氯丙烯，副產的1，2-二氯丙烷和1,3-二氯丙烷簡稱D-D混劑。要控制好主反應一氯化反應的溫度，丙烯與氯氣的混合盡可能均勻。降低溫度可抑制析碳反應，但溫度偏低有利于加成反應，產品收率相對降低；反之，溫度過高，如超過500℃，雖然收率提高，但副作用也加劇，反應器、換熱器等嚴重結碳，影響反應的順利進行，需停車清碳，實際上還使收率降低。

（2）氯氣在水中生成次氯酸，再與氯丙烯反應生成二氯丙醇。該反應通常稱為飽和氯水法，美國Shell、日本鹿島、意大利Conser等公司均采用此法。要制取質量分數為4.0%～5.0%的二氯丙醇溶液，必須加大反應過程中的溶液循環量。氯氣可逐級加入，并控制好溶液的酸度，盡量減少副產物的生成量。

（3）二氯丙醇與氫氧化鈣發生皂化反應生成環氧氯丙烷。皂化后的粗ECH經蒸餾后可得到ECH成品。

該法ECH收率為70%～75%。該法目前仍是世界上環氧氯丙烷的主要生產方法，全球95%以上的環氧氯丙烷均是采用此法生產[2]。該生產工藝的優點是操作穩定，彈性大，自控水平高，中間產物氯丙烯可作為精細化工原料出售；但存在收率低、能耗高、“三廢”多、環境污染嚴重等缺點[3]。

1.2 醋酸丙烯酯法

20世紀80年代，原蘇聯科學院與日本昭和電工公司各自成功開發了醋酸丙烯酯法[4]。1985年，日本昭和電工公司開始以丙烯為原料經醋酸丙烯酯和丙烯醇生產環氧氯丙烷，從而打破了完全依賴高溫氯化法的格局。該法分4步進行：

（1）在鈀和助催化劑及醋酸的存在下，采用乙酰氯化技術。使用丙烯與氧在150～190℃反應，生成醋酸丙烯酯；在上述反應條件下，醋酸丙烯醇的選擇性大于90%。

（2）醋酸丙烯酯經水解反應制得丙烯醇。該反應為可逆反應，根據化學平衡原理，醋酸丙烯醇的轉化率取決于化學平衡常數。反應過程中增加水量，有利于丙烯醇的生成。在工業生產中，用大量混合溶液作為循環液。

（3）丙烯醇與氯通過加成反應生成二氯丙醇。該反應中加入了高濃度鹽酸，在較低溫度下抑制了副產物甘油、一氯化物和三氯丙烷的生成。

（4）二氯丙醇經皂化反應生成環氧氯丙烷產品（與丙烯高溫氯化法皂化反應相同）。

該法具有反應條件溫和、消耗低、產率高、副產物少、污水量少等特點。各項技術經濟指標[5]表明：該法明顯優于丙烯高溫氯化法。但該工藝流程長，催化劑壽命短，需用耐乙酸腐蝕的不銹鋼材料，投資費用相對較高。

1.3 丙烯醛法

Dow化學開發了丙烯醛制環氧氯丙烷的工藝，首先將丙烯醛氯化生成2,3-二氯丙醛，然后將2,3-二氯丙醛加氫生成2,3-二氯丙醇，最后2,3-二氯丙醇脫去氯化氫生成ECH。該工藝的原料丙烯醛是由丙烯催化氧化制取的。

1.4 甘油氯化法

目前原油價格居高不下，世界各國大力發展生物柴油工業[6-7]，隨之副產大量生物甘油（占生物柴油量的10%），造成甘油市場過剩、價格大跌，在這種背景中，甘油氯化法制環氧氯丙烷獲得新生。國際上只有陶氏、蘇威2家擁有甘油氯化法技術，其中，蘇威2006年2月初在法國Tavaux建立甘油氯化法環氧氯丙烷工廠，2007年上半年投產，生產能力1萬t/a[8-9]。中國揚農化工集團建成6萬t/a甘油氯化法環氧氯丙烷裝置，滕州市國寧化工有限公司建成3000t/a甘油氯化法環氧氯丙烷裝置。中國環氧樹脂行業協會專家指出，甘油氯化法將成為下一時期的主角，環氧氯丙烷 有望成為甘油的最大應用領域。

甘油氯化法工藝是將甘油與4%～6%冰醋酸均勻混合，通入干燥氯化氫氣體制成二氯丙醇，再與氫氧化鈉作用制成環氧氯丙烷[10]。

甘油氯化法生產環氧氯丙烷的工藝過程可以分為5個階段。

（1）氯化氫的制備和干燥。氯化氫一般由氯堿廠生產，經干燥后送氯化工段使用。個別公司用三氯化磷水解生成氯化氫氣體。

（2）氯化。將甘油和冰醋酸（按甘油質量的4%～6%）加入氯化反應中，升溫至90℃，即開始通入氯化氫氣體，保持反應溫度在90～120℃。甘油氯化是放熱反應，若溫度超過120℃，可以少通氯化氫和加強冷卻來調節。維持反應16h后，可隨時取樣相對密度及分層率來控制反應終點。分成率的測定方法是取10mL試樣加入純堿，中和到pH=6.0～7.0待分層后，下層粗二氯丙醇體積超過8mL即為反應終點，此時料液相對密度達1.3以上。反應結束，停止通氯化氫，冷卻到室溫用壓縮空氣打入中和槽進行中和。

（3）中和。將氯化后的混合液用氫氧化鈉中和過量的氯化氫和催化劑冰醋酸并調節液體的酸堿度，使二氯丙醇和其他液體分離。一般中和到 pH=6.0～7.0時，加一定量的水，停止攪拌，靜止分層，下層的粗二氯丙醇放入儲槽或加到二氯丙醇蒸餾釜中，在真空下進行蒸餾（余壓 1.866kPa），75℃以前蒸出二氯丙醇及水，75～110℃蒸出一氯丙二醇。釜中殘液為甘油及雜質。如果生產的二氯丙醇全部作為生產環氧氯丙烷用，則中和液不經粗蒸餾而進行環化蒸餾。

（4）環化反應。環化反應在環化反應釜（減壓蒸餾）中進行（余壓約為7.998kPa以下）。將二氯丙醇和氫氧化鈉按1:1（分子比）定量地抽入環化反應釜。加完后保持此真空度，如液溫低于30℃可略加熱，一般在30～40℃時開始有環氧氯丙烷蒸出，收集此餾出物，待分去水分后即得粗品環氧氯丙烷。

（5）環氧氯丙烷的精餾。環化反應所得粗環氧氯丙烷純度較低（約90%～95%），內含5%～10%水分和少量雜質酮。為提高純度，可采用精餾塔精餾。控制塔頂溫度114～120℃，收集此餾分，即是精品環氧氯丙烷。

2 工藝路線的比較

3 種工藝路線的比較見表1

表1 環氧氯丙烷工藝路線比較

4 結論和展望

由于丙烯高溫氯化法及醋酸丙烯酯法都以丙烯為原料，受石油緊缺和世界油價高漲的影響大。其中，高溫氯化法需要高溫條件，設備長時間在高溫下運行，面臨安全隱患；醋酸丙烯酯法受催化劑技術問題和關鍵設備問題困擾。從國內廠家情況看，開車時間較長，裝置建成后需經過1～2年的磨合才能正常運行。甘油氯化法制備環氧氯丙烷面臨著發展機遇，主要是原料甘油價格便宜，利用甘油制備環氧氯丙烷可以擺脫丙烯緊缺的制約。

甘油法相對于丙烯高溫氯化法和醋酸丙烯酯法具有明顯的成本優勢和環保優勢，不消耗丙烯，無需使用氯氣，不需要昂貴的催化劑；操作條件緩和，成本低，投資少；“三廢”少，可實現清潔生產；符合國家環境保護和可持續發展的基本國策，具有較大的市場競爭力。

環氧樹脂等環氧氯丙烷下游產品市場需求量的快速增長，推動了環氧氯丙烷的市場，其需求量越來越大，隨著石油價格的大幅上漲，以丙烯為原料的生產路線面臨越來越大的經濟壓力，大力發展環氧氯丙烷的新生產技術已迫在眉睫。我國是能源消費大國，大力發展生物能源是國家既定的長遠目標，隨著國內外生物柴油產量的逐漸倍增，副產甘油的市場供應量將不斷增加，必將促進甘油法生產環氧氯丙烷路線的發展。

［1］魏文德.有機化工原料大全（上卷）[M].2 版.北京：化學工業出版社，1999.

［2］王晶.國內外環氧氯丙烷生產技術和市場發展趨勢的研究[J].上海化工，2006（12）:32－35.

［3］徐偉箭，陳康莊.淺議環氧氯丙烷生產技術及其發展[J].氯堿工業，2006（9）：296－33.

［4］徐克勛.精細有機化工原料及中間體手冊[M].北京：化學工業出版社，1998.

［5］聶穎，燕豐.環氧氯丙烷的生產技術及國內市場分析[J].四川化工，2005（1）：23－27.

［6］王建勛.生物柴油發展現狀[J].當代化工，2007（2）：128－133.

［7］孫尚德.生物柴油研究與開發進展[J].糧食與油脂，2007（4）：8－13.

［8］國內外動態[J].精細石油化工進展，2007（4）：53－54.

［9］錢伯章.環氧氯丙烷生產的直接法路線[J].化學反應工程與工藝，2006（2）：6.

［10］上海樹脂廠.環氧氯丙烷生產與應用[M].北京：石油化學工業出版社，1974.