Производство этилового спирта

Московский  государственный университет

тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова

 

 

 

 

КАФЕДРА ОБЩЕЙ  ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая  работа на тему:

«Производство этилового спирта»

2 вариант

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Студентка: Ложкина Л. Е.

Группа: МТ-41

Преподаватель: Брук Л. Г.

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2013

Содержание

 

1. Введение………………………………………………………………………...3

2. Свойства целевого продукта  ………………………………………….………5

2.1 Физические свойства                                                    

2.2 Химические свойства                                                                          

3. Методы получения……………………………………………………………..6

4. Физико-химическое обоснование  основных процессов производства  целевого продукта и экологической  безопасности производства……………..9

5. Описание технологической схемы процесса……………………….….……12

6. Расчет материального баланса ХТС…………………………………............15

7. Расчет основных технологических  показателей процесса……….………...19

8. Поточная диаграмма…………………………………………………………..20

9. Список использованной литературы……………………….………………..21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Введение

Этанол  является одним их наиболее важных и крупномасштабных продуктов основного  органического синтеза. В настоящее  время этиловый спирт по объему производства занимает одно из первых мест среди  продуктов органического синтеза. Он широко применяется в пищевой, медицинской и парфюмерной промышленностях.  В последнее время резко возросло потребление этанола в микробиологической промышленности при производстве кормовых дрожжей для животноводства.

Мировое производство спирта составляет около 4 млн. тонн в год. В этой связи  производство этилового спирта относится  к разряду крупнотоннажных, что следует учитывать при выборе способа производства. Последнее должно отвечать экологическим требованиям и быть экономически оправданным.

 Ниже  представлены основные области  применения этанола в народном  хозяйстве: 

• Топливо. Этанол может использоваться как топливо для ракетных двигателей, двигателей внутреннего сгорания в чистом виде. Применяется для выработки высококачественного топлива и компонента бензинов — трет-бутилэтилового эфира.
• Химическая промышленность. Служит сырьём для получения многих химических веществ, таких, как ацетальдегид, диэтиловый эфир, тетраэтилсвинец, уксусная кислота, хлороформ, этилацетат, этилен и др.; широко применяется как растворитель (в лакокрасочной промышленности, в производстве товаров бытовой химии и многих других областях); является компонентом антифриза и стеклоомывателей. В бытовой химии этанол применяется в чистящих и моющих средствах, в особенности для ухода за стеклом и сантехникой. Является растворителем для репеллентов.
• Медицина. По своему действию этиловый спирт можно отнести к антисептикам; как обеззараживающее и подсушивающее средство; подсушивающие и дубящие свойства 96%-го этилового спирта используются для обработки операционного поля или в некоторых методиках обработки рук хирурга; растворитель для лекарственных средств, для приготовления настоек, экстрактов из растительного сырья и др.; консервант настоек и экстрактов (минимальная концентрация 18 %); в согревающих компрессах; для физического охлаждения при лихорадке (для растирания); возможно применение как компонента парентерального питания (в виде 5 % раствора) у ослабленных больных с учётом высокой энергетической ценности вещества; компонент общей анестезии в ситуации дефицита медикаментозных средств. Этанол является противоядием при отравлении некоторыми токсичными спиртами, такими как метанол и этиленгликоль. Его действие обусловлено тем, что фермент алкогольдегидрогеназа, при наличии нескольких субстратов (например, метанол и этанол) осуществляет лишь конкурентное окисление, благодаря чему после своевременного (почти немедленного, вслед за метанолом/этиленгликолем) приёма этанола уменьшается текущая концентрация токсичных метаболитов.
• Парфюмерия и косметика. Является универсальным растворителем различных веществ и основным компонентом духов, одеколонов, аэрозолей и т. п. Входит в состав разнообразных средств, включая зубные пасты, шампуни, средства для душа.
• Пищевая промышленность. Наряду с водой, является необходимым компонентом спиртных напитков (водка, виски, джин и др.). Содержится в ряде напитков, получаемых брожением, но не причисляемых к алкогольным (кефир, квас, кумыс, безалкогольное пиво и др.). Содержание этанола в свежем кефире ничтожно (0,12 %), но в долго стоявшем, особенно в тёплом месте, может достичь 1 %. В кумысе содержится 1—3 % этанола (в крепком до 4,5 %), в квасе — от 0,6 до 2,2 %. Растворитель для пищевых ароматизаторов. Может быть использован как консервант для хлебобулочных изделий, а также в кондитерской промышленности. Этанол зарегистрирован в качестве пищевой добавки E1510.

 

2.  Свойства целевого продукта

• 2.1 Физические свойства:

Этанол С₂Н₅ОН является бесцветной легко подвижной жидкостью с характерным запахом и жгучим вкусом, кипящей при температуре 78,39°С. Физические константы для этанола:

tпл = –114,15°С d204 = 0,78927 кг/м3 n20D = 1,3611 с20Р = 2,428 кДж/кг*К.

tкрит = 243,1°С dкрит = 0,275 кг/м3 DНпл = 4,81 кДж/моль hпл = 1,17 мПа*с

Этиловый спирт смешивается  во всех соотношениях с водой, спиртами, диэтиловым эфиром, глицерином, хлороформом, ацетальдегидом, бензином и др. С воздухом образует взрывоопасные смеси в пределах концентраций 3–20% (об.). Образует азеотропные смеси: с водой дает азеотропную смесь, содержащую 95,6% спирта и кипящую при 78,1°С (в виде такого ректификата этанол обычно употребляют в технике); с бензолом (32,4%; 68,24°С); с гексаном (21%; 58,7°С); с этилацетатом (30,8%; 71,8°С).

Этиловый спирт горит бледно–голубым пламенем. Коэффициент растворимости паров в воде 1412 (при 40°С); в крови человека 1370 – 1580 (при 37°С). В соответствии с ГОСТ 8314-57, содержание примесей в спирте, полученном из древесины (гидролизом) резко ограничено. На этиловый спирт синтетический ГОСТ 9674-61.

Температура воспламенения 13°С, температура самовоспламенения 404°С; пределы взрываемости: температурный предел 11 ¸ 41°С, концентрационный предел 3,6 ¸ 19% (об.). ПДК в атмосферном воздухе 5 мг/м³; ПДК в воздухе рабочей зоны 1000 мг/м³.

Общий характер воздействия на организм: наркотик, вызывающий сначала возбуждение, а затем паралич центральной  нервной системы. Острое отравление парами этилового спирта в производственных помещениях (без приема внутрь) за семичасовой  рабочий день практически невозможно.

• 2.2 Химические свойства:

Этанол – типичный одноатомный  алифатический спирт. С металлами  образует этилаты, например, С₂Н₅ОNa; с неорганическими и органическими кислотами, галогенангидридами – сложные эфиры. Реакция с эпоксидами приводит к раскрытию кольца и образованию гидроксиэфиров:

С₂Н₅ОН + эпоксид = С₂Н₅ОСНRСН₂ОН

Гидратация этилового спирта приводит к этилену или диэтиловому эфиру; реакция с альдегидами и кетонами RR¢CO – к ацеталям RR¢C(ОС₂Н₅)₂; с NaClO – к хлоралю; при пропускании паров этанола над сложным катализатором при 380 – 400°С образуется 1,3-бутадиен; при взаимодействии этилового спирта с ацетиленом – винил этиловый эфир С₂Н₅ОСН=СН₂; взаимодействие с NН₃ – к моно-, ди- и триэтиламинам.

Реакция с РОСl₃ или SO₂Cl₂ в присутствии третичных аминов приводит к образованию эфиров фосфорной или серной кислоты.  Табл.1 Свойства этанола.

Общие свойства
Молекулярная  формула	C2H5OH
Молярная  масса	46,069 г/моль
Внешний вид	бесцветная  жидкость
Физические свойства
Плотность и агрегатное состояние	789,3 кг/м³  при 20 °C, жидкость
Растворимость в воде	Неограниченно смешиваются
Температура плавления	−114,3 °C (158,8 K)
Температура кипения	78,4 °C (351,6 K)
Тройная точка	−114,3 °C (158,8 K)
Критическая точка	241°C (514,15 K), 63 бар
pKa	15,9
Вязкость	1,2 сПз при 20 °C
Поверхностное натяжение	22,39×10−3  Н/м при 20 °C
Дипольный момент	1,69 D (газ)
Показатель  преломления	1,3611
Стандартная энтальпия образования ΔH	−234,8 кДж/моль (г) (при 298 К)
Опасность (в том числе токсическая)
Температура вспышки	13 °C (286,15 K)
Температура самовоспламенения	363 °C (636,15 K)
Пределы взрываемости	3,28 — 18,95 %
Класс опасности	III

 

3. Методы получения

а). Сырьевая база

     Для получения этилового  спирта могут быть использованы  различные методы:

1)   ферментация (брожение) различных  природных продуктов, содержащих  в своем составе крахмал или  сахар, например, картофель, зерно  и др.;

2)    сернокислая жидкостная гидратация  этилена (открыт                 А.М.Бутлеровым);

3. прямая гидратация этилена.

В промышленности для технических  целей реализуются два последних  метода (первый способ сохранился и  до сих пор, но он связан с большими затратами пищевого сырья и не может удовлетворить промышленность), из которых предпочтение в настоящее  время отдается прямой гидратации.

Основными источниками низших олефинов являются:

• промышленные газы нефтеперерабатывающих заводов, образующиеся при деструктивной переработке нефтяного сырья. Так, пиролизный газ содержит до 45–50% олефинов и в том числе более 20% этилена;
• газы, получаемые дегидрированием при высокой температуре газообразных парафиновых углеводородов, как природных, так и промышленных;
• коксовый газ с содержанием до 2% этилена, из которого при фракционном глубоком охлаждении получают, в частности, этан – этиленовую фракцию с содержанием этилена 25–35%.

     Концентрирование и  выделение этилена из газовых  смесей осуществляется с помощью  сорбционных, хемосорбционных методов и конденсационной ректификации. Последняя получила наибольшее распространение, т.к. позволяет из сложной смеси водорода, предельных и непредельных углеводородов, содержащей 20–35% этилена, получить этиленовую фракцию с концентрацией 96–99% этилена.

 

б) Методы получения

 

Сернокислотная гидратация этилена

Этот  способ, открытый А.М.Бутлеровым, состоит  из следующих четырех стадий:

1.абсорбция  этилена серной кислотой с  образованием сернокислотных эфиров;

2.гидролиз  эфиров с образованием спирта;

3.выделение  спирта и его ректификация;

4.концентрирование  серной кислоты.

Взаимодействие  между этиленом и серной кислотой состоит из двух этапов: первый -физическое растворение этилена (при 70-90°С) в серной кислоте (96-98%)и второй — гомогенное взаимодействие обоих компонентов с образованием алкил сульфатов с их последующим гидролизом:

С₂Н₄ + Н₂SО₄ Û С₂Н₅ОSО₃Н

С₂Н₄ + С₂Н₅ОSО₃Н Û (С₂Н₅)₂SО₂;

С₂Н₅ОSО₃Н + Н₂О Û С₂Н₅ОН + Н₂SО₄;

(С₂Н₅)₂SО₂ + 2Н₂О Û 2С₂Н₅ОН + Н₂SО₄

Кроме основных реакций идет образование диэтилового эфира, ацетальдегида, а также наблюдается полимеризация этилена:

(С₂Н₅)₂SО₂ + С₂Н₅ОН Û С₂Н₅ОС₂Н₅ + С₂Н₅ОSО₃Н;

(С₂Н₅)₂SО₂ + Н₂О Û С₂Н₅ОС₂Н₅ + Н₂SО₄.

Для подавления этих реакций необходимо при гидролизе  удалять образующийся спирт.

 

Недостатки  процесса.

1) Основной недостаток рассматриваемого  процесса - полученный продукт сильно  загрязнен серной кислотой.

2) 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. Концентрировать  серную кислоту удаётся лишь  до 88 - 90%, кроме того, процесс концентрирования  из-за высокой температуры топочных  газов приводит к ощутимым  потерям серной кислоты. Наличие  этой отработанной кислоты и  необходимости ее утилизации  — еще один существенный недостаток  сернокислотной гидратации олефинов, так как необходимы большие  капиталовложения на сооружение  установок по концентрированию  серной кислоты и их эксплуатация.

3) 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;

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%

 

Преимущества процесса

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.

•  Прямая гидратация этилена.

 

В настоящее  время для получения этилового  спирта в промышленности используется метод прямой парофазной гидратации этилена в присутствии

Процесс прямой гидратации этилена 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 считается  сложным, так как наряду с основной реакцией:

C₂H₄(г) + H₂O(г) ↔ C₂H₅OH(г) + Q;

 ∆Н = –  41,87 кДж/моль; (1)

протекают и  побочные реакции, приводящие к образованию  диэтилового эфира (2), уксусного альдегида (3) и других соединений (4):

2 C₂H₄ + Н₂О → (C₂H₅)₂О + Q; (2)

C₂H₄ + Н₂О = C₂H₄О +Н₂

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