Синтез этилового спирта

МИНОБРНАУКИ РФ

ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра технологии полимерных материалов

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине «Общая химическая технология»

на тему:

СИНТЕЗ ЭТИЛОВОГО СПИРТА

Выполнила: ст.гр. ХТВМС-0902

Брякина Н.Е.

Принял: доцент кафедры ТПМ

Лагусева Е.И.

 

Тверь 2012

 

Содержание

 

 

              

 

 

Задание

 

 

Произвести технологический расчёт процесса производства синтетического этилового спирта.

Дано:

производительность – 16 тонн в час;

состав этиленовой фракции: этилен – 85%, этан – 15%;

соотношение Н2О : С2Н4 = 1 :0,73 ,

степень превращения по этилену  - 94%; воде – 6%.

Введение

 

 

 

Этилен СН2=СН2, пропилен СН2=СН=СН2, бутилен СН3-СН2-СН=СН2, бутадиен (дивинил) СН2=СН-СН-СН2 будучи очень реакционноспособными соединениями, играют важную роль в промышленности органического синтеза. Из многочисленных реакций, в которые вступают олефины, наибольшее практическое значение имеют процессы полимеризации ( полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, и др. ), гидратации (спирты), хлорирования ( дихлорэтан, хлористый аллил и т.п.), окисления (окись этилена),оксосинтеза и некоторые другие реакции. Широкое распространение получили процессы гидратации олефиновых углеводородов. Таким способом получаются этиловый, изопропиловый, и другие спирты. Этиловый спирт (этанол, метилкарбинол, винный спирт) С2Н5ОН, молекулярны вес 46,07 – важнейший представитель предельных одноатомных спиртов. Этиловый спирт – бесцветная, легко подвижная жидкость со жгучим вкусом и характерным запахом;Тпл =114,15°C ; Ткип = 78,39°C; Твоспл=426°C; границы взрывоопасных концентраций э.с. в воздухе 3,28 - 18,95 об.%; предельно допустимая концентрация паров этилового спирта в воздухе 1000 мг/м. Э.С. смешивается в любых соотношениях с водой, спиртами, эфиром, глицерином, бензином и др. Органическими растворителями, горит бесцветным пламенем.

Этиловый спирт по объему производства занимает первое место среди всех других органических продуктов.

 

1 Литературный обзор

 

 

1. Общая химическая технология и основы промышленной экологии: учеб. для вузов по хим.-технол. спец. / Ксензенко, В.И., Кувшинников, И.М., Скоробогатов, В.С., [и др.] ; под ред. В.И. Ксензенко - М.: КолосС, 2003. - 328 с.
2. Кутепов, А.М. Общая химическая технология: учеб. для вузов по спец. хим.-технол. профиля / Кутепов, А.М., Бондарева, Т.И., Беренгартен, М.Г. - М.: Академкнига, 2003. - 528 с.
3. Бесков, В.С. Общая химическая технология [Текст]: учеб. для химико-технол. спец. вузов - М.: Академкнига, 2005. 452 с.
4. Общая химическая технология и основы промышленной экологии [Текст]: метод. указ. / Тверской гос. техн. ун-т; сост.: А.М. Комаров, А.И. Голубев - Тверь: ТГТУ, 1990. 26 с.
5. .Кузнецова, И.М. Общая химическая технология: материальный баланс химико-технологического процесса [Текст]: учеб. пособие для вузов по напр. "Хим. технология и биотехнология" и хим.-технол. напр. подготовки дипломир. спец. / Кузнецова, И.М., Харлампиди, Х.Э., Батыршин, Н.Н. - М.: Логос, 2007. - 263 с. - (63532-20)  (66; К 89)
6. Закгейм, А.Ю. Общая химическая технология [Текст]: введение в моделирование химико-технологических процессов;учеб. пособие - М.: Логос, 2009. - 302 с.
7. Общая химическая технология [Электронный ресурс]: учеб. пособие. Ч. 2 / рянкин, К.В., Утробин, Н.П., Орехов, В.С., Дьячкова, Т.П. ; Тамбовский гос. техн. ун-т - Тамбов: Тамбовский гос. техн. ун-т, 2006. - Внешний сервер.
8. Патент о производстве этилового спирта [Электронный документ] (http://www.fips.ru/cdfi/Fips2009.dll/CurrDoc?SessionKey=GLSOBB0ESC07X8CUP0HM&GotoDoc=8&Query=2).
9. Патент о производстве этилового спирта[Электронный документ]. (http://www.fips.ru/cdfi/Fips2009.dll/CurrDoc?SessionKey=GLSOBB0ESC07X8CUP0HM&GotoDoc=6&Query=2).

 

1. Методы получения

 

 

На сегодняшний день существует два основных способа получения этилового спирта – микробиологический и синтетический. Первый способ предусматривает выделение спирта в процессе брожения органических продуктов. Раствор получается не слишком концентрированным – до 15%, и нуждается в очистке. Синтетический способ – это гидратация этилена, может осуществляться двумя методами: при помощи серной кислоты (сернокислая гидратация) и непосредственным взаимодействием этилена с водяным паром в присутствии катализатора.

 

1.1.1 Получение этилового спирта сбраживанием пищевого сырья

 
            Сбраживание пищевого растительного сырья - наиболее древний способ получения этилового спирта, известный с доисторических времен. Передброжением сырье (сок плодово-ягодных культур, зерно, картофель, меласса - отход сахароварения) очищают, толстокожурное зерно дробят и разваривают 1-2 ч острым паром при давлении 0,4-0,5 МПа для разрушения клеточных оболочек. Крахмалсодержащее сырье перед подачей на брожение осахаривают ферментсодержащим препаратом (солодом или микробными ферментами) при 60 °С. При необходимости сырье подкисляют, добавляют водный раствор аммиака и фосфаты. Брожение происходит в присутствии дрожжей при 15-30 °С, длительность от 10-15 ч до 2-3 сут. Теоретический выход этилового спирта определяется уравнениемнием реакции:

 

С6Н12О6  2С2Н5ОН + 2СО2;

 

     Практический выход 90-93%. Побочно при брожении образуются метанол, спирты С3-С5, глицерин, янтарная кислота, ацетальдегид, сложные эфиры и др. Реакционная смесь после брожения (бражку) очищают на ректификационных установках; остаток от перегонки (барда) идет на корм скоту. Расход пищевого сырья на получение 1 т этилового спирта: картофеля 10-13 т, ячменя 4-5 т, пшеницы и кукурузы 3,5-4 т.

 

1.1.2 Получение этилового  спирта из сульфитных щелоков

Сульфитный щелок, получаемый при сульфитном способе производства целлюлозы после ее отделения, содержит пентозные и сернистую кислоту и др. вещества. Сернистая кислота, фурфурол и формальдегид, препятствующие сбраживанию сахаров  и снижающие биологическую активность дрожжей, удаляются продувкой щелоков воздухом или паром с последующей нейтрализацией раствора известковым молоком гексозные сахара, фурфурол, муравьиный альдегид, свободную до рН 4,2-4,5. После отделения гипсового шлама сульфитный щелок направляется на брожение. Процесс проводят при 30-32 °C

1.1.3 Сернокислотный способ гидратации  этилена.

В 1873 г. А.М. Бутлеров и В. Горяинов  детально изучили сернокислотную гидратацию этилена и предсказали техническое значение этого процесса.  В начале 30-х годов в Советском Союзе М. А. Далиным с сотрудниками были проведены исследования сернокислотной гидратации олефинов, а в 1936 г. в г. Баку была создана первая в СССР промышленная установка по получению этанола из нефтяных газов.

Сернокислотный способ гидратации этилена состоит из следующих основных этапов: 

• взаимодействия этилена с серной кислотой

1 (1)

1 (2)

• гидролиза этих образующихся сложных эфиров водой до этилового спирта и серной кислоты:

1 (3)

1 (4)

Наряду с этими основными реакциями происходит образование диэтилового эфира, ацетальдегида, полимеризация этилена и др. Процесс проводится при следующих условиях:

• Взаимодействие этилена с серной кислотой : темп-ра 75 -80оC ; концентрация Н2SО4 97-98 %; давление 23 -24атм при содержании этилена:65-75%; содержание этилена в отходящем газе 2-5%, плотность экстракта не выше 1,35. Процесс проводят в абсорберах с 20 тарелками, снабженных холодильниками для отвода выделяющегося при реакции тепла. 
• Гидролиз образовавшихся эфиров темп-ра  100-102°C, давление 3-4 атм.; концентрация кислоты в гидролизате  43-47%; время гидролиза 30 мин. Продукты реакции, содержащие воду, серную кислоту, спирт, эфир, полимеры и часть неразложившегося этилсульфата , направляются на отпарную  колонну, откуда кислая парогазовая смесь поступает на промывку, нейтрализацию и конденсацию. Спирт-сырец,  содержащий 30-40% этилового спирта,  4-5% диэтилового эфира и 60 - 65 % воды, направляется на ректификацию. Отработанная кислота упаривается до концентрации 74-75% и используется далее в производстве суперфосфата. Диэтиловый эфир либо гидратируется в этиловый спирт , либо возвращается в цикл производства. Превращение этилена в этиловый спирт составляет около 90 % ( с учетом использования эфира).

В то же время был разработан новый способ получения этанола – прямая гидратация этилена, который не требовал использования серной кислоты, что позволяло исключить одну из стадий процесса, сделав его тем самым более экономичным. Более того, прямая гидратация позволяет получить более высокий выход продукта и отличается высокой экологичностью.

1 (5)

Прямая гидратация этилена имеет ряд преимуществ перед сернокислотным методом: исключение расхода серной кислоты и минимальные потребности в других реагентах, кроме этилена и водяного пара, одностадийность процесса, более высокий выход спирта. Недостатками прямой гидратации является частая замена катализатора и использование более дорогих концентрированных этиленовых фракций. Процесс синтеза этилового спирта прямой гидратацией этилена технически более прогрессивен, чем сернокислотной гидратацией, поэтому он получил значительно большее распространение в промышленности. Характерной особенностью процесса прямой гидратацией этилена является низкая конверсия исходного сырья – порядка 5% за один проход. Таким образом, для полного использования этилена он должен быть пропущен через систему 18-20 раз.

Другой метод, основанный на переработки растительного сырья, заключается в гидролизе древесины. Древесина содержит до 50% целлюлозы, и при её гидролизе водой в присутствии серной кислоты образуется глюкоза, которую затем подвергают спиртовому брожению:

1 (6)

1 (7)

 

 

 

2. Сферы применения.

 

 

Спирт этиловый имеет очень широкое применение; в зависимости от сферы его использования различают технический и пищевой спирты:

• Широко применяется спирт в пищевой промышленности, значительная его часть идет на изготовление алкогольных напитков, также он используется как консервант для хлебобулочного и кондитерского производства.
• Кроме того, спирт является одним из компонентов для изготовления одеколонов, аэрозолей и духов, некоторой косметики.
• Очень важную роль спирт этиловый играет в медицине: для дезинфекции и как сосудорасширяющее средство, при лечении ожогов, для приготовления различных настоек.
• В химической промышленности спирт применяется как растворитель для лакокрасочных материалов, как сырье для изготовления хлороформа, уксусной кислоты, диэтилового эфира и других веществ. Входит в состав антифриза и некоторых средств бытовой химии.
• Также спирт этиловый используется в автомобильном топливе и топливе для реактивных двигателей. Применение этанола как компонента топлива повышает октановое число и снижает концентрацию вредных веществ в выхлопных газах. Содержание спирта в топливе может быть различным: от 10 до 85%. Наиболее широкое применение топливо с 85% содержанием этилового спирта - Е85 - получило в Бразилии, где очень популярны «гибридные» автомобили, способные работать и на бензине и на Е85. Топливо с содержанием этанола до 20% применяется во многих европейских странах и может быть использовано в любых авто.

 

 

3. Источники сырья.

 

 

Исходным  сырьем при получении спирта из пищевых материалов являются

растительные продукты, содержащие углеводы: моно- или дисахариды, главным образом глюкозу и сахарозу, а также полисахариды – крахмал. Позже стали применять древесную целлюлозу, которая гидролизом превращается в глюкозу.

Непосредственно сбраживанию с образованием этилового спирта подвергаются только моносахариды, поэтому сахар или крахмал под влиянием ферментов, содержащихся в дрожжах, превращаются в моносахариды:

1 (8)

Процесс брожения с образованием этилового спирта

1 (9)

происходит под влиянием бактерий. Наряду с этиловым спиртом в небольшом количестве получаются высшие спирты.

Глюкоза может быть получена и из древесной целлюлозы гидролизом. Гидролиз осуществляется при действии концентрированной соляной кислоты (41% -ной) или разбавленной серной кислоты (0,4 % -ной) при 150-170º С:

1 (10)

Таким образом, сырьем для производства технического этилового спирта могут быть крахмалосодержащие вещества ( различные виды зерна, картофель) или сахаросодержащие продукты ( сахарная свекла, сахарный тростник и отходы от производств сахара). При производстве гидролизного этилового спирта исходным сырьем являются отходы деревообрабатывающих заводов – опилки.

При производстве синтетического этилового спирта сырьем служит этилен, который получается при пиролизе газового сырья или нефтяных дистилляторов. Для получения этилового спирта этилен подвергается сернокислотной или прямой гидратации на твердых фосфорнокислых катализаторах:

1 (11)

Трудовые затраты при производстве этилового спирта из пищевых продуктов или древесных опилок очень велики, поэтому значительно выгоднее исходить из дешевого углеводородного сырья и получать спирт гидратацией этилена.

 

2. Физико-химические основы процесса.

 

 

1. Механизм процесса.

 

 

Присоединение воды к олефинам всегда происходит по правилу Марковникова. Поэтому первичный спирт можно получить только из этилена; из других олефинов получаются вторичные или третичные спирты.

Механизм прямой гидратации олефинов в присутствии фосфорной кислоты был предложен Н.М.Чирковым. По его мнению,при контакте этилена с пленкой кислоты происходит образование карбониевого иона.

Первая стадия заключается в физическом растворении этилена в пленке фосфорной кислоты на поверхности носителя. Затем происходит отщепление протона от молекулы кислоты:

1 (12)

Известно, что олефины , как и ароматические углеводороды, являются слабыми основаниями, поэтому прямую гидратацию этилена можно рассмтривать как реакцию электрофильного присоединения. Этилен образует с протоном П-комплекс, который переходит в более стабильный ион карбония:

1 (13)

Далее ион карбония взаимодействует с водой за счет неподеленной электронной пары атома кислорода; в данном случае проявляется нуклеофильность воды, обладающей амфотерными свойствами. В результате образуется ион алкоксония, который отщепляет протон с образованием спирта:

1 (14)

В последней стадии происходит отщепление протона: