Производства этилового спирта каталитической гидратацией этилена в паровой фазе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

Тема:

«Производства этилового спирта каталитической гидратацией этилена в паровой фазе»

Введение

Этиловый спирт широко применяется в различных отраслях промышленности: Пищевая промышленность:

? ликероводочная промышленность

? производство бальзамов, настоек

? консервная промышленность

? виноделие

? производство уксусной кислоты

? кондитерская промышленность.

Парфюмерная промышленность (более 85% парфюмерной продукции содержит раствор спирта).

Фармацевтическая промышленность (40% всех лекарственных препаратов приготовлено с использованием этилового спирта).

Медицина

? дезинфекция инструментария

? процедуры

Химическая промышленность

? производство синтетического спирта

? производство эфиров, этилена, этила

? производство растворителей, политуры

? производство искусственного волокна

? производство лаков и красок

? производство стекла

? производство антифриза

? производство носителей информации (аудио-, видео-фотопленка)

? производство синтетического каучука, ацетальдегида, хлороформа, этилацетата и др. органических продуктов

? производство взрывчатых веществ

? производство топлива для реактивных двигателей и др.

Радиоэлектронная промышленность

? обслуживание приборов

? производство микросхем

Кожевенная промышленность

? дубление кожи

Таким образом, этиловый спирт относится к числу многотоннажных продуктов основного органического синтеза, мировое производство этилового спирта составляет свыше 2,5 млн. т/г (по объему производства занимает первое место в мире среди всех органических продуктов).

В качестве исходного сырья в производстве этилового спирта используется этилен. В настоящее время основным способом его получения является пиролиз (высокотемпературный крекинг) углеводородов. Пиролизу подвергают фракции прямой перегонки нефти, состоящие алканов, циклоалканов, аренов, природные и попутные нефтяные газы, содержащие алканы.

Этилен образуется в результате реакций распада тяжелых алканов и дегидрирования низкомолекулярных алканов. Потенциальный выход этилена зависит от вида исходного сырья. Виды сырья, используемые в мировом производстве этилена, и их доля в общем балансе производства следующие:

Лучшим сырьем являются парафины, поскольку с повышением содержания водорода в исходных углеводородах выход алкенов возрастает.

До недавнего времени производство этилового спирта основывалось на пищевом сырье - сбраживание крахмала из некоторых зерновых культур и картофеля с помощью ферментов, вырабатываемых дрожжевыми грибками. Другой метод, также основанный на переработке растительного сырья, заключается в переработке древесины (гидролизный спирт). Древесина содержит до 50% целлюлозы, и при ее гидролизе водой в присутствии серной кислоты образуется глюкоза, которую подвергают затем спиртовому брожению.

Синтетический этиловый спирт получают гидратацией этилена.

Этанол C2H5OH является жидкостью, кипящей при температуре 78,39⁰С, с воздухом образует взрывоопасные смеси в пределах концентраций 3-20% (по объему). С водой дает азеотропную смесь, содержащую 95,6% спирта и кипящую при температуре 78,1⁰С. В виде такого ректификата этиловый спирт обычно и употребляют в технике.

1. Парофазная гидратация этилена

Наиболее разработанным применительно к имеющимся промышленным установкам в настоящее время является процесс газофазной гидратации:

CH2=CH2 (г.) + H2O (г.) = C2H5OH (г.) + 41868Дж/моль.

Механизм:

CH2=CH2 + Н+> СН3-СН2+,

СН3-СН2+ + Н2О > СН3-СН2-ОН2+,

СН3-СН2-ОН2+> СН3-СН2-ОН + Н+.

Но наряду с основной реакцией идут параллельные и последовательные побочные реакции (образование диэтилового эфира и полимеризация этилена):

C2H4 + H2O = C2H5OC2H5,

n(C2H4) = (-CH2-CH2-) n.

Таким образом, процесс сложный, обратимый, экзотермический, протекает с уменьшением объема.

Следует обратить внимание на два физико-химических фактора, которые определяют основные технологические параметры процесса. Прежде всего, это активность катализатора, которая имеет решающее значение для определения температуры процесса. Катализаторами прямой гидратации могут служить фосфорная кислота и ее соли. Чаще всего используется фосфорная кислота концентрацией 85-87% на таких носителях, как алюмосиликаты, силикагели, пемза и др.; значительная часть кислоты (до 35%) находится в свободном состоянии. Активность этого катализатора является невысокой. Только при температуре 280-300⁰С ее можно считать более или менее приемлемой для промышленных условий. При более высокой температуре в значительной мере развиваются побочные процессы: полимеризация этилена, усиленное образование эфира и т.д.

Другим отправным фактором в газофазном процессе выступает весьма низкая по сравнению с этиленом летучесть воды, которая имеет решающее значение для определения давления процесса. Последнее, при прочих равных условиях, зависит от парциального давления паров воды, т.е. тоже от температуры.

Таким образом, температура становится важнейшим параметром, определяющим не только скорость, но и общее давление процесса. Так, в соответствии со стехиометрическим уравнением реакции, для эквимолярной смеси этилена и паров воды, парциальное давление последних должно составлять примерно половину от общего давления. Однако с целью предотвращения конденсации водяного пара в самом реакторе, что приводит к разбавлению фосфорной кислоты и парализует действие катализатора, парциальное давление паров воды, а, значит, и общее давление, должно быть несколько ниже. И действительно, в промышленности применяют общее давление около 8,0МПа.

Имеются и другие пути, предотвращающие появление водяного конденсата. Во-первых, это повышение температуры. Однако, в силу экзотермичности процесса, этот путь принципиально непригоден, т.к. приводит к снижению конверсии этилена и интенсификации побочных процессов. Во-вторых, это снижение парциального давления паров водяного пара за счет повышения парциального давления этилена. Однако, этот путь тоже непригоден. Он также приводит к снижению выхода этанола, т.к. оптимальным соотношением между реагирующими компонентами является эквимолярное. Мольное соотношение, используемое в промышленности, этилен - пары воды равно 1: 0,6-0,8.

Выбранное соотношение компонентов диктует выбор общего давления:

Р_общ = Р_С2Н4 + Р_Н2О + Р_инерт.

Известно, что давление паров воды над 85%-ной фосфорной кислотой при температуре 280⁰С составляет 2,7МПа. Принимая во внимание мольное соотношение между компонентами, видно, что давление паров этилена составляет около 4,7МПа. В таком случае концентрация инертных примесей должна быть порядка 15% (Р_инерт = Р_С2Н4*0,15/0,85). Давление больше 8МПа нежелательно т.к. происходит конденсация водяного пара.

В настоящее время процесс гидратации этилена реализуется в промышленности при следующих условиях: t = 280-300⁰С; Р = 8,0МПа; мольное соотношение пары воды: этилен = 0,6: 0,8; катализатор - фосфорная кислота и фосфаты на алюмосиликате или силикагеле при содержании Н₃РО₄ до 35% в свободном состоянии, объемная скорость циркулирующего газа 1800-2000 ч^-1, что соответствует продолжительности контакта 18-20с и производительности 180-200 кг этанола с 1м³ катализатора в 1 ч.

При этих условиях этилен расходуется примерно следующим образом: 95% - на образование этанола; 2-3% - этилового эфира; 1-2% - ацетальдегида; 1-2% - полимеров и др. продуктов.

В приведенных условиях гидратации максимальный выход (равновесный) за один проход может составить только 10%; практически он достигает лишь 5%, что приводит к необходимости многократной циркуляции реакционной газовой смеси через слой катализатора.

Увеличение объемной скорости является методом интенсификации рециркуляционного процесса, поэтому процесс синтеза этанола ведут с большими объемными скоростями.

Малая конверсия этилена и низкая производительность катализатора обусловили необходимость работы не с разбавленным, а с концентрированным 98-99% этиленом. Даже при таком концентрированном этилене, т.е. при содержании в нем до 2% инертных примесей, они накапливаются в рециркулирующем газе, что приводит к снижению содержания этилена. Нижний предел концентрации этилена принят сегодня 85%, что соответствует содержанию инертных примесей до 15%. Поэтому необходим отвод последних с частью рециркулирующего газа (отдувка), которая составляет 13% от подачи свежего 98%-ного этилена.

Из рециркулирующей реакционной газовой смеси необходим непрерывный отвод получаемого этанола. Практически удаление этанола производится обычным методом конденсации, при этом вода как менее летучий компонент конденсируется с большей полнотой. Это приводит к огромным затратам тепла (учитывая крупнотоннажность производства этанола) на получение водяного пара, из которого только 5% расходуется на конденсацию этанола, а остальные 95% - на конденсацию воды. Поэтому возникает острая необходимость в утилизации тепла непрореагировавшего водяного пара путем эффективного теплообмена между потоками выходящего из реактора и входящего в него газовых смесей, а также путем генерации вторичного водяного пара в котлах-утилизаторах. Относительно низкий температурный потенциал тепла (250-300⁰С) приводит к громоздкой системе теплообмена и теплоиспользующих аппаратов.

Однако интенсивная циркуляция реакционной газовой смеси, кратность которой (при выходе этанола около5%) достигает 20, и сравнительно невысокая теплота реакции позволяет весьма просто реализовать процесс в адиабатическом реакторе колонного типа. Выделяющаяся теплота реакции повышает температуру реагирующего газового потока лишь на 15-20⁰С, что допустимо.

Несмотря на весьма малую летучесть фосфорной кислоты, унос ее в виде паров при такой значительной рециркуляции реакционной газовой смеси и высокой температуре достигает 0,4-0,5 кг/ч с 1м³ катализатора, что может вызвать коррозию аппаратуры и ограничивает длительность нормальной работы катализатора до 500-600 часов. В связи с этим была разработана технология непрерывной подачи свободной фосфорной кислоты в реакционную газовую смесь на входе в реактор, нейтрализации ее щелочью на выходе из реактора и регенерация из полученных при нейтрализации солей. Это позволило увеличить длительность работы катализатора до 1500 часов, заметно сократить расход фосфорной кислоты и значительно уменьшить коррозию оборудования. Такой процесс можно проводить в стальной аппаратуре.

2. Технологический процесс

Технологическая схема приведена на рис. 1. Рециркулирующий газ смешивается со свежим этиленом, проходит теплообменники 2, 3 и подогреватель 4, смешивается в заданном соотношении с паром высокого давления и подается в реактор гидратации, который представляет собой цилиндрическую колонну с зернистым катализатором, футерованную красной медью или угольными брикетами. Подогрев газа в аппаратах 2, 3 производится за счет теплоты потока, выходящего из гидрататора 5, а в аппарате 4 глухим паром.

Реакционная смесь, выходящая из реактора с температурой 580 К, нейтрализуется и охлаждается до 510 К путем впрыска в нее подщелоченного водно-спиртового конденсата (ВСК), охлаждается до 420 К в теплообменнике 3, котлах-утилизаторах 8, 9 и поступает в сепаратор 10. Газ из сепаратора 10 через теплообменник 2 и холодильник 11 поступает в сепаратор 12, затем в скруббер 13 где из него при температуре 310 К водой отмывается несконденсировавшийся спирт. ВСК из сепараторов 10 и 12 передается в отделение ректификации.

Для сохранения активности катализатора в исходную смесь непрерывно добавляют небольшое количество фосфорной кислоты.

Рис. 1. Технологическая схема производства этилового спирта каталитической гидратацией этилена в паровой фазе: 1 - циркуляционный компрессор; 2, 3 - теплообменники-рекуператоры теплоты; 4 - теплообменник-подогреватель; 5 - гидрататор; 6 - нейтрализатор; 7 - насос для подачи подщелоченного раствора; 8, 9 - котлы-утилизаторы теплоты; 10, 12 - сепараторы высокого давления; 11, 14 - холодильники; 13 - скруббер; I - свежий этилен; II - пар (10 МПа); III - водно-спиртовой конденсат со щелочью; IV - пар; V - отдувка; VI - вода, VII - водяной конденсат; VIII - водно-спиртовой конденсат на ректификацию

Заключение

В данной работе представлен технологический процесс производства этилового спирта каталитической гидратацией этилена в паровой фазе. Описаны условия проведения синтеза, свойства сырья и целевого продукта. Приведена технологическая схема, описано оборудование.

В ходе данной работы убедились, что гидратация этилена - наиболее эффективный способ производства этилового спирта, позволяющий экономить по сравнению с его получением из пищевого сырья. Кроме того, процесс прямой гидратации этилена протекает в одну стадию, что обуславливает более высокий выход спирта.

гидратация этилен спирт этиловый

Список источников

1. Основы химической технологии. Под ред. И.П. Мухленова - М.: Высшая школа. 1991. - 463 с.

2. Тимофеев B.C., Серафимов Л.А. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза. - М.: Высшая школа. 2003. - 363 с.

Размещено на Allbest.ru