Производство метилового спирта
Метанол как один из важнейших по значению и масштабам производства органический продукт, выпускаемый химической промышленностью. Производство исходного газа для его синтеза и характеристика целевого продукта. Свойства метанола и его водных растворов.
| Рубрика | Химия |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 26.06.2013 |
| Размер файла | 425,3 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Свойства растворов метанола в смеси с другими веществами значительно отличаются от свойств чистого метилового спирта. Интересно рассмотреть изменение свойств системы метанол--вода. Температура кипения водных растворов метанола закономерно увеличивается при повышении концентрации воды и давления. Температура затвердевания растворов по мере увеличения концентрации метанола понижается: -54 °С при содержании 40% СНзОН и --132°С при 95% СНзОН. Плотность водных растворов метанола увеличивается при понижении температуры и почти равномерно уменьшается с увеличением концентрации метанола от плотности воды до плотности спирта при измеряемой температуре. Зависимость вязкости от концентрации метанола имеет при всех исследованных температурах максимум при содержании СНзОН около 40%. В точке максимума вязкость раствора больше вязкости чистого метанола.
Метанол смешивается во всех отношениях со значительным числом органических соединений. Со многими из них он образует азеотропные смеси -- растворы, перегоняющиеся без изменения состава и температуры кипения, т. е. без разделения; К настоящему времени известно свыше 100 веществ, в числе которых имеются и соединения, обычно присутствующие в метаноле-сырце. К этим веществам, например, относятся ацетон, метилацетат, метилэтилкетон, метилпропионат и некоторые другие. Необходимо отметить, что азеотропные смеси с содержанием таких соединений, как ме-тилэтилкетон, метилпропионат, пропилформиат, изобутилформиат и ряд других имеют температуру кипения, близкую к температуре кипения чистого метанола 62°С.
Метанол сочетает свойства очень слабого основания и еще более слабой кислоты, что обусловлено наличием алкильной и гидро-ксильной групп. При окислении метанола кислородом в присутствии катализатора образуется формальдегид:
СНзОН + 0,5СО2 - НСНО + Н2О
На этой реакции основан широко применяемый в промышленности метод получения формальдегида, который используют в производстве пластических масс. При действии щелочей металлом водород гидроксильной группы метанола замещается с образованием алкоголята
2СНзОН + 2Na ----> 2CH3ONa + 2Н2
который стоек только в отсутствие воды, так как вода омыляет его до метанола и щелочи:
СН3ОNa + Н2О СНзОН + NaOH
С аммиаком метанол образует метиламины:
СНзОН + NH3 ----> CH3NH2 + Н2О
СНзОН + СНзNН2 ----> (CH3)2NH2 + Н2О
CH3OH + (СНз)2NH2 ----> (СН3)3NH2 + Н2О
Эти реакции протекают в паровой фазе в присутствии катализаторов при 370--400 °С и повышенных давлениях.
Дегидратацией на катализаторе при повышенных температурах получают диметиловый эфир:
2СН3ОН ----> (СНз)2О + Н2О
При взаимодействии метанола и минеральных кислот образуются сложные эфиры.
Этот процесс называется этерификацией, и его широко используют в промышленной практике для получения различных метиловых эфиров -- метилхлоридов, метилбромидов, метилнитратов, метилсульфатов и др.:
СНзОН + H2SO4 ---->- СНзSОзОН + Н2О
Органические кислоты также реагируют с метанолом с образованием сложных эфиров:
СНзОН + СНзСООН ----> СНзСООСНз + Н2О
4. Физико-химическое обоснование основных процессов производства целевого продукта.
2.2 Основные закономерности процесса синтеза метанола
Равновесие реакции образования метанола. Процесс получения метанола основан на взаимодействии водорода и окиси углерода:
2Н2 + СО СНзОН + 21,67 ккал
Реакция может протекать как в прямом, так и в обратном направлениях. В соответствии с законом действующих масс скорость любой химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. Тогда скорости прямой и обратной реакций выразятся уравнениями
1 = k1 [Н2]2 [СО] 2 = k2 [СНзОН]
где [H2], [СО] и [СНзОН]--концентрации водорода, окиси углерода и метанола; k1, k2--константы скорости прямой и обратной реакций, значения которых зависят от температуры.
При условии равновесия скорости прямой и обратной реакций становятся равными
k1 [Н2]2 [СО] = k2 [СНзОН] откуда:
где К--константа равновесия реакции.
Значение константы равновесия необходимо для расчета равновесного выхода метанола. Равновесный выход--это теоретический максимальный выход метанола, который может быть получен из водорода и окиси углерода, взятых при данных концентрациях, температуре и давлении процесса. Константу равновесия можно определить как теоретическим, так и экспериментальным путем.
Давление. В технических расчетах обычно пользуются выражением константы равновесия через парциальное давление компонентов. При повышении давления и понижении температуры равновесие сдвигается в сторону увеличения выхода метанола. В промышленных условиях синтез метанола осуществляется из газовой смеси, содержащей кроме водорода и окиси углерода также двуокись углерода. Поэтому при расчете равновесия синтеза метанола из смеси газов Н2--СО--CO2 необходимо учитывать следующую реакцию:
СО2 + Н2(г)-СО + Н2О -- 9,8 ккал;
Равновесный выход метанола, степень превращения окиси и двуокиси углерода в значительной мере меняются в зависимости от давления, температуры, отношения Н2: СО и содержания двуокиси углерода в газе. Влияние давления и температуры на равновесный выход метанола определено для следующего состава газа: 1,25 объемн.% СО2; 10,6 объемн.% СО; 74,2 объемн.% Н2;-13,95 объемн.% (CH4+N2).
При повышении давления выход метанола почти прямо пропорционально увеличивается и резко возрастает степень превращения окиси и двуокиси углерода (при 380°С):
Давление, кгс/см2 .......... 50 100 200 300 400
Выход СН3ОН, объемн. %...... 0,37 1,56 5,54 9,31 11,68
Следует заметить, что с увеличением давления более резкий рост равновесного выхода метанола наблюдается при пониженных температурах. Так, при изменении давления от 50 до 300 кгс/см5 равновесный выход метанола при 280 °С увеличивается в 2,4 раза а при 380 °С -- в 2,3 раза (отношение H2: СО =4: 1).
Температура. С повышением температуры равновесный выход метанола понижается. Наиболее резкое понижение наблюдается при температурах выше 340°С. В этих условиях (при 300 кгс/см2) начинает снижаться степень превращения окиси и двуокиси углерода в метанол, причем более резко окиси углерода:
Температура, °С ....... 250 300 340 360 380 400
Выход метанола, объемн. %. . 15,44 14,81 12,88 11,37 9,31 7,40
Степень превращения, %
СО ........... 99,75 97,20 87,52 78,96 66,19 53,29
СО2 ........... 98,00 89,80 77,00 71,50 66,61 64,00
При давлении 50 кгс/см2 и повышении температуры от 180 до 300 °С равновесный выход метанола снижается более чем в 7 paз (отношение Н2:СО=3,6, содержание двуокиси углерода 6,0 объемн. %). При этом степень превращения окиси и двуокиси углерода в метанол уменьшается с 75,3 до 14,6%.
При повышении отношения Н2: СО степени превращения окиси и двуокиси углерода возрастают, причем степень превращения СО2 в большей мере, а равновесный выход метанола снижается. При 300 кгс/см2 и 380 °С равновесный выход метанола и степень превращения окислов углерода в зависимости от отношения Н2: СО меняются следующим образом:
Отношение Н2:СО . ......... 2 4 8 10 14
Выход СН3ОН, объемн. %,..... 17,25 13,80 8,39 7,05 5,40
Степень превращения, %
СО ............... 44,50 60,39 66,85 67,80 67,97
СО2 .............. 19,50 45,71 70,52 76,15 82,39
При увеличении содержания окиси углерода в газе, т. е. уменьшении отношения Н2: СО, равновесный выход метанола возрастает пропорционально при 50 кгс/см2 и 6 объемн. % СО2). Так, при 8 объемн. % СО, равновесный выход метанола составляет 5,71 объемн. %, при 16 объемн. % СО--11,41 объемн. %, а при 24 объемн, % СО--16,82 объемн. % СНзОН.
Двуокись углерода. Реакция восстановления двуокиси углерода водородом до окиси углерода в промышленных условиях синтеза метанола протекает практически до равновесного состояния и пренебрегать ею при расчете равновесных выходов метанола нельзя. При повышении содержания двуокиси углерода в газе равновесный выход метанола меняется незначительно. Степень превращения окислов углерода в метанол при этом снижается с 42,2% при 6 обьемн.% СО2 до 32,7% при 12 объемн.% СО2.
Инертные компоненты. В промышленных условиях синтез метанола протекает в присутствии инертных к данному процессу газов (метан, азот). Они в реакции не участвуют и не оказывают прямого влияния на равновесие реакции образования метанола. Однако наличие их в газе снижает парциальное (эффективное) давление реагирующих веществ, что ведет к уменьшению равновесного выхода метанола. Поэтому концентрацию инертных компонентов необходимо поддерживать на минимальном уровне.
Кинетика синтеза метанола. В гомогенных условиях (без катализатора) скорость взаимодействия окиси углерода и водорода ничтожно мала, и получить метанол в больших количествах невозможно. Для увеличения скорости реакции взаимодействия исходных компонентов используют вещества, которые, способствуя ускорению процесса, сами к концу реакций остаются химически неизменными. Для оценки этого ускорения, или иначе активности катализатора, необходимо знать скорость химического взаимодействия реагирующих компонентов. Если реакция протекает в гомогенных условиях, то скорость ее зависит от температуры, давления и концентрации реагирующих веществ. В гетерогенном, каталитическом процессе скорость реакции будет определяться также типом катализатора и состоянием его поверхности. Синтез метанола является гетерогенным каталитическим процессом, протекающим на границе раздела твердой (поверхность катализатора) и газообразной (смесь окиси углерода и водорода) фаз. До начала реакции окись углерода и водород концентрируются на поверхности катализатора (происходит