[科普中国]-转化率

转化率是指某一反应物转化的百分率或分率，转化物是针对反应物而言的。如果反应物不止一种，根据不同反应物计算所得的转化率数值可能是不一样的，但它们反映的都是同一客观事实。因此按哪种反应物来计算转化率都是可以的。

浅谈提高氯乙烯转化率的影响因素及对策聚氯乙烯(PVC)是国内外常用的热塑性合成树脂，其性能优、价格低，在塑料应用中占有很大的份额。聚氯乙烯具有优良的耐化学腐蚀性、电绝缘性，广泛用于工业、农业、建筑、电子电气、交通运输、电力和包装等领域。

聚氯乙烯最常用的生产工艺以乙炔法为主。氯乙烯单体的质量决定了聚氯乙烯的质量。常见的氯乙烯生产工序主要有转化、水碱洗、精馏等。转化作为氯乙烯单体形成的第1步，在整个氯乙烯生产中占有很重要的位置。提高氯乙烯转化率有助于提高氯乙烯单体的纯度，并可以减轻后续设备的生产负荷，对于节约能耗、降低危险具有重要意义。

氯乙烯基本生产工艺氯乙烯合成原理是将乙炔与氯化氢气体经过充分脱水混合后预热，气体达到一定温度后通过转化器一段和转化器二段合成氯乙烯气体。其主要反应及副反应如式（1）～式（3）。

主反应：

副反应：

氯乙烯转化工序工艺流程是，将从乙炔车间送来的乙炔气体经过冷却脱水后，与从盐酸车间送来经冷却脱水后的氯化氢气体，按一定分子比在混合器中充分混合；混合后的气体再次经过冷冻脱水后经混合气预热器换热升温，最后，通入一、二组固定床式转化器反应，转化成粗氯乙烯气体。

提高氯乙烯转化率的工艺控制氯乙烯转化工段主要工艺流程如图1所示。

提高氯乙烯转化率，应从原料气的纯度及脱水效果、混合气的配比、转化反应温度以及催化剂活性方面控制。

原料气的纯度及脱水效果对转化率的影响

由乙炔与氯化氢的制备工艺可知，这2种原料气体制备中必然会含带一定的水分及杂质。如，乙炔中含有水分、硫、磷杂质，氯化氢气体中含有游离氯、氢气、水等。这些杂质对氯乙烯的转化率有严重的影响。

首先，乙炔中含硫、磷将堵塞转化器内附着氯化汞的活性炭触媒微孔，导致混合气体与催化剂的接触面积减小，不利于反应。同时，由于氯化氢气体极易溶于水的特性，若在进入混合器前端未对乙炔与氯化氢气体中含有的水分进行有效的脱除，那这2种气体在混合器中使氯化氢气体溶于水形成盐酸，导致氯化氢气体减少，最终导致配合比出现误差。再者，由于氯化氢制备段操作失误使氯化氢气体中产生游离氯，大量的游离氯会在与乙炔气体混合后产生剧烈反应，产生大量的热致使爆炸事故。因此，控制原料气的纯度及杂质的含量对提高转化率具有重要的影响。

提高原料气的纯度，第一步，应严格控制原料气生产装置的运行及工艺参数；其次，在原料气进口段设置取样点，定期对原料气纯度进行检测，若乙炔气体有异常，及时通知乙炔制备车间采取措施，若氯化氢游离氯超标且混合器温度升高，应果断启动紧急停车预案，防止事故发生。

合理设计原料气配比对转化率的影响

2种气体配合比的设计对氯乙烯转化率存在较大影响。由主反应（1）可知，增加乙炔或氯化氢的量可以促使反应正向移动，有利于提高转化率。但由副反应（3）可知，若乙炔过量会使催化剂变性失活，同时，过量的乙炔会增加精馏工段的负荷，同时，对变压吸附工序产生影响。因此，在实际操作中选用氯化氢气体过量。通常在实际生产中，与HCl配比按分子比1.00:(1.02～1.10)进行操作，并确保前期混合脱水效果良好。

关于配合比的调控应根据以下测试参数进行控制。根据流量计合理控制乙炔气体与氯化氢气体的流量。通过分析每组转化器的转化率调控配合比。同时，必要的时候可以在混合气冷却器总管处设取样口，利用氯化氢易溶于水的性质进行配合比分析。

转化反应温度对转化率的影响

通常在氯乙烯合成中选用的转化器为列管式固定床反应器。列管内装有触媒，提供反应所需的自由基，夹套内为97℃左右的循环热水，提供转化所需的热量及带走由于反应而产生的热量。为测试转化器内部的反应温度，通常在列管内设有相互对称的2组热电偶测温计，并且每个热电偶测温计分别设置4个测温点测试转化器温度。一般要求转化器相互对称的2个测温点的温度在120℃为宜，单点温度不得超过160℃。

对于转化器反应温度控制应采取适当的方式，过低不利于反应，过高副反应增多同时会导致触媒着火发生爆炸事故。转化器温度控制主要有2种方式：第1种控制混合气的通入流量，流量过大会导致反应过于剧烈，同时也会导致部分气体未参与反应；流量过小会导致产量减小。第2种控制循环热水的温度与流量。转化器循环热水温度过低将导致无法提供转化所需的热量，不发生反应或反应不完全；若热水温度高导致热水无法带走反应热。同理，热水流量大，反应热带走快；流量小则导致转化器温度升高易出现事故隐患。

触媒活性对转化率的影响

触媒是为整个反应提供自由基的催化剂，对转化率有很大的影响。通常聚乙烯生产中，为提高转化率一般采用2组转化器串联使用。这2组转化器内所放置的触媒有效成分的含量是不一样的。第1组转化器由于原料气纯度含量高，反应剧烈，通常该组转化器内触媒有效成分含量较低，一般控制在6%～8%。而第2组转化器由于混合气中成分复杂，为提高转化率一般控制触媒有效成分含量较高，约在12%左右。

由于原料气中脱水不充分导致混合气中含水，在通入转化器时必然会导致触媒结块导致触媒接触面积减少。因此，一般转化器在使用一定时间后应对触媒进行更换或重装。常用方式是1组与2组转化器分别对称更换。更换的2组触媒可直接用于1组转化器，1组转化器使用过的触媒应封存交有关单位处理，防止对环境的污染。同时，为提高触媒活性，应在通入混合气前对触媒进行活化，活化介质为氯化氢气体，其作用一是干燥触媒，二是为使触媒处于酸环境中，增加触媒活性。

除以上4种主要影响聚乙烯转化率的因素外，还有例如，系统压力、流量以及预热器温度等均会对转化率产生影响。在实际生产中应根据具体情况综合考虑，认真分析。

结语聚氯乙烯的质量与聚乙烯的纯度有较大的关系。提高聚乙烯的纯度可以促进原料高效利用，同时减少不必要的经济浪费。聚乙烯生产提高转化率对减小水碱洗与精馏工序的负荷、节约能源、减少环境污染有很大作用。提高聚乙烯转化率不仅要从工艺参数控制上解决，还应从加强车间管理，提高员工的技术水平做起。聚氯乙烯生产是对我国煤炭、石灰、盐矿资源的进一步综合利用，对我国经济发展将起到很大促进作用。1

本词条内容贡献者为:

刘军 - 副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所