Московская Государственная Академия
Тонкой Химической Технологии
им. М.В. Ломоносова
Кафедра общей химической технологии
Курсовая работа
на тему: «Производство этилового спирта»
Москва
2003 г
Содержание
1. Введение
2. Исходное сырьё
3. Характеристика целевого продукта
4. Физико-химическое обоснование основных процессов производства этилового спирта
5. Описание технологической схемы процесса производства этилового спирта
6. Материальный баланс ХТС производства этанола на 9000кг 100% С2Н5ОН
7. Расчет основных технологических показателей процесса
8. Литература
1. Введение
Этиловый спирт находит широкое применение в народном хозяйстве в качестве растворителя, также применяется в производстве дивинила, в пищевой и медицинской промышленности, в качестве горючего для ракетных двигателей, антифриза и т.д., является важным промежуточным продуктом органического синтеза (в производстве сложных эфиров, целлулоида, искусственного шелка, ацетальдегида, уксусной кислоты, хлороформа, хлораля, диэтилового эфира и других продуктов).
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).
2. Характеристика исходного сырья
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:
| Сырье | Этан | Пропан | Бутан | Бензин | Газойль |
| Доля, % | 36 | 11 | 3 | 47 | 3 |
Лучшим сырьем являются парафины, поскольку с повышением содержания водорода в исходных углеводородах выход алкенов возрастает.
3. Характеристика целевого продукта
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.
4.Физико-химическое обоснование основных процессов производства этилового спирта
До недавнего времени производство этилового спирта основывалось на пищевом сырье – сбраживание крахмала из некоторых зерновых культур и картофеля с помощью ферментов, вырабатываемых дрожжевыми грибками. Этот способ сохранился и до сих пор, но он связан с большими затратами пищевого сырья и не может удовлетворить промышленность. 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:
(C6H10O5)x + xH2O - xC6H12O6,
C6H12O6 - 2C2H5OH + 2CO2.
Синтетический этиловый спирт получают гидратацией этилена.
Гидратация этилена осуществляется двумя методами: при помощи серной кислоты (сернокислая гидратация) и непосредственным взаимодействием этилена с водяным паром в присутствии катализатора (парофазная каталитическая гидратация).
Сернокислый способ, предложенный А.М. Бутлеровым, получил промышленное осуществление только в послевоенные годы. Он состоит из следующих четырех стадий: 1) абсорбция этилена серной кислотой с образованием сернокислых эфиров; 2) гидролиз эфиров; 3) выделение спирта и его ректификация; 4) концентрирование серной кислоты.
Взаимодействие между этиленом и серной кислотой состоит из двух этапов: первый – физическое растворение этилена в серной кислоте и второй - гомогенное взаимодействие обоих компонентов с образованием алкилсульфатов по уравнениям:
C2H4 + H2SO4 = C2H5OSO3H
C2H5OSO3H + C2H4 = (C2H5O)2SO2.
Поглощение (абсорбция) этилена серной кислотой – процесс обратимый, экзотермический (DH=-50232 кДж/моль), протекает с уменьшением объема.
Скорость абсорбции этилена описывается уравнением:
dG/dt = K*F*P*f(с),
где G – количество поглощаемого этилена, t – время, К – коэффициент, зависящий от интенсивности диффузии, и, следовательно, от интенсивности контакта реагентов (барботаж, перемешивание и т.д.), F – поверхность контакта реагентов, Р – парциальное давление этилена, f(c) – множитель, зависящий от концентрации серной кислоты.
Так, абсорбция этилена 93%-ной кислотой протекает в 10 раз медленнее, чем при концентрации 97,5%. Однако, применение для абсорбции этилена олеума нецелесообразно, т.к. при этом снижается выход этанола из-за образования побочных продуктов – сульфосоединений и повышенного образования полимеров.
При прочих равных условиях скорость абсорбции этилена увеличивается с ростом температуры и парциального давления, однако, при температуре выше 900С начинается интенсивное образование полимеров. Увеличение парциального давления этилена выше 2 МПа становится тоже малоэффективным.
Фактором, ускоряющим процесс абсорбции, является наличие в исходной серной кислоте этилсульфатов, которые, обладая свойствами эмульгаторов, увеличивают поверхность контакта вследствие пенообразования, и тем самым способствуют более быстрому и полному растворению этилена.
В настоящее время в промышленных установках приняты следующие условия абсорбции этилена: концентрация серной кислоты 97-98%, температура 80-850С, парциальное давление этилена на входе в абсорбер 1-1,5МПа, содержание пропилена и высших олефинов в исходной этилен-этановой фракции <0,1%. В ходе второй стадии идет гидролиз этил - и диэтилсульфата по уравнениям:
C2H5OSO3H + H2O - C2H5OH + H2SO4,
(C2H5O)2SO2 + 2H2O - 2 C2H5OH + H2SO4
Эта стадия также обратима, для обеспечения ее протекания необходим избыток воды, и, по возможности, быстрое удаление спирта из зоны реакции, т.к. кроме основной реакции идет образование диэтилового эфира:
(C2H5O)2SO2 + C2H5OH - C2H5OC2H5 + C2H5OSO3H,
(C2H5O)2SO2 + H2O - C2H5OC2H5 + H2SO4.
Главным преимуществом сернокислой гидратации по сравнению с прямой гидратацией является возможность применения неконцентрированного этилена, т.к. его концентрирование связано с большими капитальными и эксплуатационными затратами.
Однако, метод сернокислой гидратации имеет ряд недостатков. Среди них можно отметить следующие:
- применение сложных и громоздких конструкций;
- малоэффективное удаление полимеров однократным экстрагированием. При принятом методе экстрагирования в экстракт переходит 70-75% полимеров, значит, до 30% полимеров остается в разбавленной кислоте;
- концентрирование отработанной серной кислоты. Эта часть технологического процесса является самым слабым звеном во всем методе сернокислой гидратации. Во-первых, концентрировать кислоту удается 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 SO2 в атмосферу;
- неиспользованные возможности экономии энергетических средств.
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:
C2H4 + H2O = C2H5OC2H5,
n(C2H4) = (-CH2-CH2-)n.
Таким образом, процесс сложный, обратимый, несмещенный (см. таблицу), экзотермический, протекает с уменьшением объема.
Таб. Равновесный выход этанола.
| Отношение количеств веществ: МH2O/MC2H4 | Равновесный выход за один проход при давлении 8Мпа при температуре: | |
| 2800С | 2900С | |
| 0,6 | 15,4 | 8,53 |
| 0,8 | 18,3 | 10,15 |
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.