Автор работы: Пользователь скрыл имя, 26 Марта 2014 в 15:26, курсовая работа
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.
Технологические схемы синтеза этанола различаются способами получения водяного пара и системами утилизации тепла. В наиболее совершенных схемах водяной пар для синтеза получают путем рецикла воды после отделения этанола и использованием парового конденсата.
Свежий и оборотный этилен сжимается в компрессорах (1), (2) до 8,0 Мпа, смешивается с водяным паром, поступающим обычно с ТЭЦ, подогревается в теплообменнике (4) теплом отходящей из реактора смеси и перегревается в трубчатой печи (3) до 275°С, после чего подается в реактор-гидратор (5). Перед входом в реактор в поток «вбрызгивается» фосфорная кислота для подпитки катализатора, что продлевает срок его службы (реакционная газовая смесь смешивается с подаваемой фосфорной кислотой при температуре 280-300°С).
Реактор представляет собой полую колонну высотой 10 м и диаметром 1,5 м, работающую в режиме идеального вытеснения. Для исключения влияния коррозии от фосфорной кислоты он выложен листами красной меди.
Реакционные газы содержат пары унесенной фосфорной кислоты, которая нейтрализуется гидроксидом натрия, а образующиеся соли выделяются в солеотделителе (6). Отток фосфорной кислоты составляет 0,4 – 0,5 т/час с 1 м3 катализатора.
Теплота отходящих реакционных газов регенерируется в теплообменнике (4) для нагрева входящей смеси. В холодильнике (7) происходит конденсация продуктов реакции, а в сепараторе (8) разделяются жидкие и газовые потоки. Вода, как менее летучий компонент, конденсируется с большей полнотой. Поэтому для дополнительного выделения спирта производится его отмывка водой в абсорбере (9). Непрореагировавший газ, содержащий 90 - 92% этилена, рециркулируют компрессором (2), а часть его сбрасывают, чтобы избежать накопления примесей в системе.
Отдувка составляет примерно 20% от введенного этилена и направляется на установку газоразделения для выделения этилена.
Водный конденсат после сепаратора (8) и жидкость из абсорбера (9) дросселируют, в результате чего выделяются растворенные газы, отделяемые в сепараторе низкого давления (10) и направляемые в топливную линию.
Жидкая фаза из сепаратора (10) представляет собой 15%-ный водный раствор этанола, содержащий примеси диэтилового эфира, ацетальдегида и низкомолекулярных полимеров этилена. Этот раствор подвергают ректификации в ректификационных колоннах (11) и (12). В первой отгоняют наиболее летучие диэтиловый эфир и ацетальдегид, а во второй – этиловый спирт в виде азеотропной смеси, содержащей 95% этанола и 5% воды. Обогрев колонны осуществляется острым паром. В кубе колонны (12) остается вода, которую очищают от соли в ионообменной установке (13) и возвращают на гидратацию, организуя замкнутый цикл по технологической воде. Это позволяет значительно снизить расход свежей воды, исключить сброс отработанной воды в стоки и сократить потери этанола.
При необходимости получения безводного спирта этанол-ректификат направляют в дегидратор. Расход этилена на производство 1 т этилового спирта составляет 0,7 т (теоретический расходный коэффициент 0,61 т C2H4). В структуре себестоимости спирта 30% приходится на стоимость сырья.
Рис 1. Технологическая схема процесса получения этилового спирта
1,2-компрессоры; 3 - трубчаная печь; 4 – теплообменник; 5 – реактор; 7 - холодильник; 8,10 – сепараторы; 9 – абсорбер; 11 – колонка отгонки легкой фракции; 12 – этанольная колонка; 13 – установка ионообменной очистки оборотной воды
Реактор (гидрататор) представляет собой пустотелый цельнокованный цилиндрический стальной аппарат внутренним диаметром 1260-2200 мм и толщиной стенки 70 мм, футерованный слоем меди толщиной 12-15 мм В качестве усовершенствования реактор может быть изготовлен из биметалла сталь-медь. Высота слоя катализатора 7 м. Кроме того, для снижения уноса кислоты в нижнюю часть реактора загружают слой чистого носителя (без кислоты) высотой 1 м. Линейная скорость газа 0,2 м/с; потеря напора 0,3-0,4 Мпа в начале цикла работы и до 0,6 Мпа в конце.
Исходная парогазовая смесь поступает сверху. Снизу отводятся продукты реакции и непрореагировавший этилен. Реакция гидратации экзотермична. Ее тепловой эффект - 1000 кал/моль. Однако в связи с тем, что процесс идет с относительно низкой конверсией этилена, перепад температуры по высоте гидрататора не превышает 15-200 С.
Рабочие условия в гидрататоре являются жесткими. Температура процесса - 270-310° С, давление 75-80атм, среда сильнокоррозионная.
Фосфорная кислота, находящаяся в гидрататоре и являющаяся катализатором процесса синтеза спирта, относится к числу коррозионноактивных кислот. Ее высокая коррозионная способность в процессе гидратации этилена объясняется довольно значительной концентрацией кислоты в гидрататоре и высокой температурой процесса, ускоряющей скорость и глубину коррозии. Для защиты от коррозии стенки и днища гидрататора выложены изнутри листами красной меди. Однако медь теряет свою коррозионную стойкость, если в циркулирующий газ попадает кислород, который способствует окислению меди. Поэтому одним из требований безопасной эксплуатации гидрататора является недопустимость даже небольших примесей кислорода в газовой смеси, поступающей в реактор, а также наличие в газовой смеси ацетилена, образующего с медью взрывчатую ацетиленистую медь.
Коррозионная стойкость меди в условиях высоких температур и значительных концентраций фосфорной кислоты во многом определяется тем, что исходная смесь и образующиеся продукты реакции находятся в парогазовой фазе. Поэтому для сохранения коррозионной стойкости медной футеровки нельзя допускать конденсации паров воды и спирта в гидрататоре, приводящей к вымыванию фосфорной кислоты. Кислые продукты реакции должны свободно выходить из нижней части аппарата.
Кроме кислотной коррозии в гидрататоре может иметь место и водородная коррозия. Она происходит при воздействии водорода на неметаллические примеси металла (углерод в стали, кислород в меди). Чем больше свободного водорода и чем выше давление и температура в аппарате, тем быстрее водород проникает через поры металла и начинает взаимодействовать с содержащимися в нем примесями, что вызывает образование трещин в стенках аппарата. Для устранения водородной коррозии в качестве основного материала гидрататора используются малоуглеродистые стали, кроме того необходимо предотвращать попадание водорода в систему путем глубокой очистки исходной газовой фракции и др.
Основная опасность процесса гидратации этилена связана с одновременным наличием высокой рабочей температуры и давления. По существующей классификации гидрататор относится к аппаратам, работающим под повышенным давлением до 100 атм. Такого рода аппараты рекомендуется изготавливать из цельнокованных и литых деталей. Днища в таких аппаратах делают сферической формы.
Основным сырьем для производства этилового спирта методом прямой гидратации является этилен.
Этилен СН2=СН2 мол.вес.28,05 бесцветный газ со слабым запахом; т.пл. 169,5°C; т.кип. - 103,8°C; теплота сгорания 333,5 ккал/моль; т.воспл. 546°C (в воздухе); растворимость газообразного этилена в одном объеме растворителя: 0,25 в воде, 3,59 в спирте, хорошо растворим в эфире. Пределы взрывоопасных концентраций в воздухе 3-34 об.%.
При нагревании выше 350-400о разлагается:
1 (19)
При температуре белого каления этилен преимущественно дегидрируется:
1 (20)
В светильном и коксовом газе находится 3-5% этилена; в некоторых газах нефтепереработки его содержание достигает 20%.
Этилен - очень реакционноспособное соединение; его химические свойства обусловлены главным образом межуглеродной двойной связью и проявляются в большой склонности к реакциям присоединения. Этилен - один из важнейших исходных продуктов синтеза органических соединений.
При действии хлора на этилен в органическом растворителе ( обычно в дихлорэтане) в присутствии металл.или хлорного железа гладко образуется дихлорэтан:
1 (21)
Дихлорэтан широко применяют как растворитель и сырье для получения винилхлорида и др. В присутствии АLСI3 этилен алкилирует бензол и образует этилбензол. В присутствии ионных катализаторов типа АLСI3 или ВF3 возможно алкилирование этиленом изопарафинов с образованием сильно разветвленных алканов, представляющих интерес в качестве авиационного топлива.
С НСl этилен при -30о дает этил хлористый, применяемый для этилирования, например, в производстве тетраэтилсвинца.
С хлоридами серы этилен образует дихлордиэтилсульфид (иприт) (СIСН2СН2)2S. Реакцией этилена с формальдегидом в уксусной кислоте в присутствии Н2SО4 можно получить ацетат триметиленгликоля его омылением - триметиленгликоль. Реакцией этилена с СО и Н2 можно получить пропионовый альдегид, а с СО2 - пропионовую кислоту.
К числу производств, основанных на использовании этилена и получивших широкое промышленное развитие, относятся в первую очередь его полимеризация, его окисление в окись этилена, гидратация в этиловый спирт.
Из общего количества используемого в различных странах этилена 25-40% расходуется на производство полиэтилена, 20-40% перерабатывается в спирт, до 25% идет на получение окиси этилена, »10% приходится на долю производства стирола (через этилбензол), примерно столько же на дихлорэтан и другие хлорпроизводные.
При содержании в воздухе около 0,1% этилена фрукты и овощи (особенно лимоны, виноград, помидоры) ускоренно созревают. В медицине этилен применяют для общего наркоза при хирургических операциях.
Этилен можно получать многими способами, в частности дегидратацией спирт, пропуская его пары над Al2O3 при 350о-400о. При этом образуется сравнительно чистый этилен. Метод применяется не только в лабораторной практике, но и в небольшом масштабе и в производстве. В странах, бедных нефтью, этилен иногда производят частичным гидрированием ацетилена при 180 - 320о над Рd - катализатором на силикагеле. Этилен можно также получать реакцией этана с избытком окиси углерода над Fе2О3 при 800 - 900о,образующаяся смесь этилена с СО пригодна для непосредственного получения пропионового альдегида.
Однако основные методы получения дешевого этилена в крупном масщтабе связаны с переработкой нефти и природного газа. Так, газы парофазного или жидкофазного крекинга нефтепродуктов при 700 - 800о содержат 17 - 20 % этилена. После разделения газов методами дробной абсорбции, глубокого охлаждения и ректификации под давлением выделяют этиленовую фракцию, с 90 - 95% этилена и примесью 1-3% пропилена, 1-4% метана и 3-6% этана.
В настоящее время основным источником низших олефинов является пиролиз углеводородного сырья, проводимый с целью производства этилена. Попутно при пиролизе получают другие ненасыщенные газообразные углеводороды - пропилен, бутены и бутадиен. Одновременно образуются жидкие продукты (смола пиролиза), которые содержат также ценные углеводороды, как изопрен, циклопентадиен, бензол, толуол, ксилолы и нафталин.
Основным сырьем процесса пиролиза с целью получения газах, газовые бензины прямой перегонки нефти, а также рафинад каталитического риформинга, остающийся после удаления ароматических углеводородов. В качестве сырья пиролиза применяют также средние и тяжелые нефтяные фракции и даже сырую нефть.
Процесс производства этилена и других олефинов из углеводородного сырья включает стадии пиролиза углеводородов, компримирования газа пиролиза, удаления тяжелых углеводородов, осушки, разделения (газофракционирование), удаление сероводорода, диоксида углерода и ацетилена. этилена являются этан, пропан и бутан, содержащиеся в попутных газах нефтедобычи и в нефтезаводских
Этиловый спирт - конечный продукт производства. Физические свойства этилового спирта описаны во введении данной работы. Рассмотрим теперь, что же представляет этиловый спирт по своим химическим свойствам. При взаимодействии этилового спирта с щелочными металлами образуются этилаты:
1 (22)
водой этилаты омыляются до С2Н5ОН и NаОН. При действии на этиловый спирт кислот образуются сложные эфиры. Концентрированная H2SO4 образует с этиловым спиртом этилсерную кислоту:
1 (23)
При взаимодействии этилового спирта с уксусной кислотой в присутствии конц. серной кислоты или других катализаторов получается этилацетат:
1 (24)
При дегидрировании этилового спирта в присутствии катализаторов(серебро, медь) образуется ацетальдегид:
1 (25)
Если пропускать пары этилового спирта над сложным катализатором при 380-400о нормальном давлении, происходит дегидратация и дегидрогенизация этилового спирта (способ С.В. Лебедева) с образованием бутадиена - 1,3 (дивинила):
1 (26)
Нагреванием этилового спирта до 140о в присутствии Н2SО4 образуется диэтиловый эфир:
1 (27)
Над активированной окисью алюминия этиловый спирт дегидратируется до этилена:
1 (28)
При каталитическом взаимодействии этилового спирта с аммиаком образуются моно-, ди- и триэтиламины.
Этиловый спирт - наркотик, возбуждающе действующий на организм. Длительное воздействие больших доз может вызвать тяжелые органические заболевания нервной системы, печени, сердечно-сосудистой системы, пищеварительного тракта и т.д.
Предельно-допустимая концентрация этилового спирта в воздухе рабочей зоны 1000 мг/м3 .
1 (29)
На образование 1кмоль спирта идёт 22,4 м3 этилена:
1 (30)
С учётом степени превращения на стадиях процесса:
1 (31)
Вместе с этиленом будет подано этана в количестве:
Всего этан – этиленовой фракции:
м3 +8288,621м3 = 9751,319м3
Определим расход этилена:
G (C2H4) = (*28)/22,4 = 10360,776 кг
Определим расход этана:
G (C2H6) = (1462,698*30)/22,4 = 1958,971 кг
Всего этан – этиленовой фракции:
10360,776 кг + 1958,971кг =12319,747кг = 12,320 тонн
Для получения 1 кмоль этанола требуется 1 кмоль воды. Определим расход воды для производства 16000 кг этилового спирта: