Хлористый винил (винилхлорид): свойства, формула, промышленное производство в России

Хлористый винил является одним из простейших производных ацетилена, получаемого присоединением хлороводорода. Основным видом химических реакций, в которых участвует это вещество, служит процесс полимеризации. Конечный продукт – ПВХ – находит широкое применение во всех сферах человеческой деятельности. Процесс изготовления соединения и его производных сопровождается выделением летучих веществ, которые оказывают сильное токсическое действие на организм человека.

Общее описание

Хлористый винил (винилхлорид) – одно из самых широко используемых химических соединений, так как оно является сырьем для производства ПВХ. Впервые это вещество было получено Либихом в 1830 г. в Германии из дихлорэтана и спиртового углекислого калия. Через 42 года другой немецкий химик, Ойген Бауманн, обратил внимание на то, что при хранении на свету из хлористого винила начинают осаждаться хлопья. Этого ученого считают первооткрывателем поливинилхлорида.

Вам будет интересно:Оборудование для газлифтной эксплуатации скважин

Первое время данное соединение не вызывало никакого интереса в среде коммерсантов и производителей химической продукции. Его производство в промышленных масштабах началось в 30-е гг. XX в.

Эмпирическая формула хлористого винила имеет вид: C2H3Cl. Структурная формула представлена на рисунке ниже.

Вам будет интересно:Синтетические смолы: производство, состав, структура и область применения

При нормальных условиях винилхлорид является бесцветным газом, но так как температура его кипения составляет -13 °С, то с ним обычно работают в жидком состоянии.

Химические свойства винилхлорида

Основными реакциями, присущими данному веществу, являются:

• Полимеризация.
• Замещение по связи углерод-хлор. Этот процесс позволяет получить алкоголяты и эфиры винила. Атом хлора замещается в присутствии катализаторов: галогенидов, палладия и солей других металлов. Если в качестве растворителей используется спирт, то синтезируются сложные эфиры.
• Окисление кислородом в газовой фазе. Продуктами этой реакции являются формилхлорид, угарный газ, соляная и муравьиная кислота. Полное окисление наблюдается при участии катализатора хромита кобальта или в водном растворе с использованием перманганата калия. Реакция с озоном в жидком и газообразном состоянии винилхлорида приводит к образованию формилхлорида и муравьиной кислоты. При самовозгорании выделяются угарный газ, соляная кислота и токсичный фосген (в небольшом количестве).
• Реакции присоединения. Для получения трихлорэтана, использующегося в качестве растворителя, проводят реакцию присоединения хлора: по ионному механизму (в жидкой фазе, при отсутствии света, с использованием катализатора на основе переходных металлов) или по радикальной реакции (при повышенной температуре). Полезные продукты винилхлорида синтезируют также при кислотном катализе и гидрогенизации.
• Фотодиссоциация. Под действием света с длиной волны 193 нм из молекулы хлористого винила происходит отщепление группы HCl и Cl.
• Пиролиз. Винилхлорид является более устойчивым соединением при термическом разложении, чем другие галогеналканы такого типа. Пиролиз начинается при температуре 550 °С. При 680 °С выход ацетилена, соляной кислоты, хлоропрена и винилацетилена составляет порядка 35%. В присутствии воды хлористый винил разъедает железо, сталь и алюминий из-за выделения HCl.

Реакция полимеризации

Вам будет интересно:Признаки и норма браковки стальных канатов

Монономер винилхлорида может существовать длительное время при обычных условиях. Появление радикалов в результате фото- или термохимических реакций приводит к активизации полимеризации.

Этот процесс протекает в 3 этапа и представлен на рисунке ниже.

Физические характеристики

Основными физическими свойствами соединения при нормальных условиях являются следующие:

• молекулярная масса – 62,499;
• температура плавления – 119 К;
• температура кипения – 259 К;
• теплоемкость в жидком состоянии – 84 Дж/(моль∙К);
• давление паров при 0 °С – 175 кПа;
• вязкость при -20 °С – 0,272 мПа∙с;
• нижний предел взрываемости – 8,6 % (по объему);
• температура самовоспламенения – 745 К.

Вещество обладает хорошей растворимостью в углеводородах, нефти, спиртах, органических жидкостях; практически не смешивается с водой.

Получение

Существует несколько промышленных способов, как получить винилхлорид:

• в результате реагирования соляной кислоты с ацетиленом;
• из этилена и хлора (прямое хлорирование этилена, получение этилендихлорида, его пиролиз до винилхлорида);
• оксихлорированием этилена;
• комбинированным способом (прямое хлорирование, пиролиз этилендихлорида, оксихлорирование) – равновесным процессом из этилена и хлора без образования или потребления соляной кислоты.

В настоящее время последний вариант является наиболее распространенным и экономически рентабельным. Количество хлорида винила, полученного по данной технологии, составляет более 95% всего мирового производства. Химизм реакций представлен на рисунке ниже.

Весь объем кислоты, который получают при пиролизе этилендихлорида, применяется в качестве сырья на следующем этапе производства (оксихлорирование). Полученный продукт очищают перегонкой, побочные вещества используют при производстве растворителей или реутилизируют.

Производство в России

В России производство хлорида винила из ацетилена производится на следующих предприятиях:

• АК «Азот», (Новомосковск, Тульская область).
• ОАО «Пласткард» (Волгоград).
• ОАО «Химпром» (Волгоград).
• ОАО «Усольехимпром», (Усолье-Сибирское, Иркутская область).

На основе этилена синтез вещества осуществляется в таких организациях, как:

• ОАО «Саянскхимпласт» (Саянск).
• ОАО «Сибур-Нефтехим» («Капролактам», Дзержинск).
• ЗАО «Каустик» (Стерлитамак).

Синтез из ацетилена считается устаревшей технологией. Использование этилена в качестве исходного материала обладает следующими преимуществами:

• более дешевое и доступное сырье;
• высокая степень выхода готового продукта;
• малое энерго- и водопотребление;
• возможность строительства производственных линий высокой мощности.

Этот способ применяется ведущими мировыми производителями уже в течение 40 лет. Основными перспективными направлениями развития промышленного производства винилхлорида в России являются введение новых мощностей, переход на этановое сырье, распространение технологии оксихлорирования с использованием кислорода и развитие смежных отраслей для сбыта каустической соды, образующейся в качестве побочного продукта.

Применение

Подавляющее количество производимого хлорида винила используется для изготовления поливинилхлорида (ПВХ). По данным статистики более 50% производства этого полимера находится в Азии.

Поливинилхлорид является самым разноплановым материалом из всех полимеров. Из него могут изготавливаться как жесткие строительные конструкции (трубы, внешние стеновые обшивки, профили), так и эластичная продукция (провода, кабеля, кровельные материалы). В отличие от других полимерных материалов, у поливинилхлорида под воздействием ультрафиолетовых лучей, окисления и жидких углеводородов происходит не только распад, но и частичная сшивка полимерных цепей. Это свойство связано с наличием в структуре соединения атомов хлора. Высокая конкурентоспособность поливинилхлорида объясняется также его низкой ценой.

ПВХ применяется для изготовления следующих видов продукции (в порядке убывания по объему производства):

• трубы и их соединительные части;
• сайдинг;
• окна, двери;
• профили (в том числе заборы и настилы);
• напольные покрытия;
• кровельные материалы;
• потребительская продукция;
• упаковка;
• кабели и провода (оболочка, изоляция);
• медицинские принадлежности;
• покрытия, клеи.

Другие сферы использования

Небольшая доля хлорида винила (порядка 1%) используется для производства сополимеров, из которых практическое значение имеют комбинации с винилацетатом, винилиденхлоридом, мономерами акрилового ряда и альфа-олефинами. Первый вид сополимеров получил наибольшее распространение. Эти материалы носят следующие торговые названия:

• вестолит;
• хосталит;
• виннол;
• люковил;
• корвик;
• джеон;
• сикрон и другие.

Они применяются для изготовления такой продукции, как:

• линолеум и другие покрытия для полов;
• оконные рамы;
• облицовочные плитки;
• искусственная кожа;
• пленка;
• лаки;
• нетканые материалы.

Токсичность

Хлорид винила относится к высоко опасным соединениям, которые приводят к серьезным ухудшениям в организме человека. Вещество является летучим и основной путь проникновения – ингаляционный. Источником является производство винилхлорида, ПВХ и изделий из него.

Хлорид винила вызывает нарушения в следующих органах и системах:

• угнетение ЦНС (головокружение, потеря ориентации, токсическая кома);
• поражение соединительной ткани и кровеносных сосудов;
• ухудшение репродуктивной функции;
• канцерогенное действие (наиболее часто выявляется ангиосаркома печени, развиваются опухоли и других локализаций);
• система органов пищеварения – гепатит, холецистит, холангит, гастрит, язвенная болезнь;
• система кровообращения и кроветворения – гипертония, ишемическая болезнь сердца, эозинофилия, тромбоцитопения;
• нарушение холестеринового и общего обмена веществ;
• мутагенный эффект, формирование хромосомных аберраций;
• угнетение антимикробной защиты, снижение иммунных сил.

При длительном воздействии (от полугода до 3 лет) токсических доз этого вещества возникает «винилхлоридная болезнь». Ее развитие проходит через 3 стадии, для которых характерны следующие признаки:

Источник