Производство этилового спирта
Дипломная работа - Химия
Другие дипломы по предмету Химия
зованием спирта;
выделение спирта и его ректификация;
концентрирование серной кислоты;
Взаимодействие между этиленом и серной кислотой состоит из двух этапов: первый - физическое растворение этилена (при 70-90С) в серной кислоте (96-98%) и второй - гомогенное взаимодействие обоих компонентов с образованием алкилсульфатов с их последующим гидролизом:
С2Н4 + Н2SО4 С2Н5ОSО3Н
С2Н4 + С2Н5ОSО3Н (С2Н5)2SО2;
С2Н5ОSО3Н + Н2О С2Н5ОН + Н2SО4;
(С2Н5)2SО2 + 2Н2О 2С2Н5ОН + Н2SО4.
Кроме основных реакций идет образование диэтилового эфира, ацетальдегида, а также наблюдается полимеризация этилена:
(С2Н5)2SО2 + С2Н5ОН С2Н5ОС2Н5 + С2Н5ОSО3Н;
(С2Н5)2SО2 + Н2О С2Н5ОС2Н5 + Н2SО4.
Для подавления этих реакций необходимо при гидролизе удалять образующийся спирт.
Оставшаяся после гидролиза кислота имеет концентрацию 40-50% (до 25 тонн на 1 тонну этанола). Ее используют для получения сульфата аммония или концентрируют, чтобы вернуть на абсорбцию и организовать ее рециркуляцию. В наличии этой отработанной кислоты и необходимости ее утилизации состоит главный недостаток сернокислотной гидратации олефинов, так как необходимы большие капиталовложения на сооружение установок по концентрированию серной кислоты и их эксплуатация. По сернокислому методу из 1 тонны этилена вырабатывается 1,2 тонны спирта-ректификата и около 100 кг этилового эфира. Превращение этилена в спирт достигает 90%
Главным преимуществом сернокислотной гидратации по сравнению с прямой гидратацией является возможность применения неконцентрированной этиленовой фракции, так как её концентрирование связано с большими капитальными и эксплуатационными затратами. Однако метод сернокислотной гидратации имеет и недостатки, среди них можно отметить следующие:
- сложная и громоздкая конструкция тарельчатого абсорбера;
- малоэффективность однократного экстрагирования полимеров зеленым маслом
- При принятом методе экстрагирования в экстракт переходит 70 - 75% полимеров. Значит, до 30% полимеров остаётся в раздавленной серной кислоте и проскакивает в аппараты концентрирования, где в условиях высокой температуры взаимодействуют с кислородом серной кислоты с выделением SO2 в атмосферу и соответствующими потерями серной кислоты;
- Концентрирование отработанной серной кислоты в аппаратах Хемико
Эта часть технологического процесса является самым слабым звеном во всё методе сернокислотной гидратации. Во-первых, концентрировать серную кислоту удаётся лишь до 88 - 90%, а во-вторых, такой процесс концентрирования из-за высокой температуры топочных газов приводит к ощутимым потерям серной кислоты от раскисления, сопровождающегося выбросом вредного диоксида серы в атмосферу.
4. Прямая гидратация этилена
Данный процесс может быть реализован в двух вариантах: парофазном и жидкофазном. В промышленности преимущественно используют парофазный каталитический процесс, осуществляемый по циклической схеме. Этот способ - прямая каталитическая гидратация этилена перегретым паром - является более экономичным, в отличии от сернокислотной гидратации (отсутствие расхода серной кислоты или установок по ее регенерации, более высокий выход спирта ( 95%), меньшая коррозия аппаратуры).
Химическая схема процесса
Процесс прямой гидратации основан на обратимой реакции, протекающей с уменьшением объема и выделением теплоты (экзотермическая реакция). Данный процесс iитается сложным, так как наряду с основной реакцией:
С2Н4(г) + Н2О(г) С2Н5ОН(г) + Q; DН = - 41,87 кДж/моль; (1)
протекают и побочные реакции, приводящие к образованию диэтилового эфира (2), уксусного альдегида (3) и других соединений (4):
С2Н4 + Н2О (С2Н5)2О + Q; (2)
С2Н5ОН СН3СОН + Н2 - Q; (3)
mС2Н4 (С2Н4)m, где m > 2; (4);
что вызывает не только загрязнение этилового спирта, но и потери сырья и целевого продукта, а также приводит к уменьшению срока службы катализатора. Полезное использование этилена составляет 94-96%.
Термодинамика процесса
Величина теплового эффекта практически не меняется с изменением температуры реакции: (Значения констант равновесия приведены на графике 1.) Константу основной реакции (1) можно вычислить по уравнению:
lgКр = (2100/Т) - 6,195;
Как следует из уравнения реакции, термодинамических данных и, учитывая, что реакция протекает также и с уменьшением числа молей, увеличение давления благоприятно скажется на равновесном выходе этилового спирта (см. таблицу 1).
Чтобы сместить равновесие в сторону гидратации этилена, необходимо понижение температуры и повышение давления, однако при температуре ниже 280С скорость гидратации очень мала, что делает совершенно неприемлемым реализацию процесса в промышленности, а применение давления свыше 8МПа повышают себестоимость спирта, что экономически не рентабельно. Также, одним из исходных реагентов является перегретый пар, то в указанных условиях вряд ли удастся избежать конденсации водяного пара, так как при условиях получения высокого выхода этанола одновременно являются благоприятными и для процесса конденсации паров воды. Последнее приводит к снижению активности катализатора вследствие поглощения паров воды фосфорной кислотой с ее последующим разбавлением.
Таблица 1. Значение равновесного выхода () этилового спирта при стехиометрическом соотношении этилена и водяного пара
ТРавнове