Получение этиленгликоля

  МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ

СТЕРЛИТАМАКСКИЙ ФИЛИАЛ

ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Естественнонаучный факультет

Кафедра химии и химической технологии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

ПОЛУЧЕНИЕ ЭТИЛЕНГЛИКОЛЯ

 

 

 

 

 

Работа допущена к защите	Выполнил:
Заведующий кафедрой	Студент 2 курса, гр. ХТ-21
Абдрашитов Я.М., д.т.н., профессор	Дневного отделения
______________________________	Данилов В. А.
(подпись)	___________________________
«____»______________20 __ г.	(подпись)
Научный руководитель:
Залимова М.М., к.х.н, доцент
______________________________
(подпись)

 

 

 

 

 

 

Стерлитамак 2013

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Этиленгликоль — простейший двухатомный спирт ряда гликолей, масштабы производства которого в мире составляют 8 млн тонн/год (по состоянию на 2008 год).

В основном, производимый этиленгликоль применяется:

• как компонент автомобильных антифризов и тормозных жидкостей, что составляет 60 % его потребления;
• как исходный компонент при получении нитрогликоля;
• в качестве теплоносителя в виде раствора в автомобилях, в системах жидкостного охлаждения компьютеров;
• для поглощения воды, для предотвращения образования гидрата метана, который забивает трубопроводы при добыче газа в открытом море;
• для получения полиуретана, используемого для производства защитных покрытий, клеев, изоляторов, имплантатов;
• как интермедиат при получении 1,4-диоксана, диэтиленгликоля и других олигомеров этиленгликоля [http://rushimset.ru/products/58/194].

ОАО «Сибур-Нефтехим», ОАО «КАЗАНЬОРГСИНТЕЗ», ОАО «НИЖНЕКАМСКНЕФТЕХИМ» и ОАО «САЛАВАТНЕФТЕОРГСИНТЕЗ» методом гидратации этиленоксида производят 650 тысяч тонн этиленгликоля в год (данные на 2010г), 55% которого импортируется в Белоруссию и Казахстан.

Этиленгликоль выступает не только в качестве исходного компонента, но так же является важным полупродуктом в производстве синтетических смол, растворителей и взрывчатых веществ.  
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Физические и химические свойства

Этиленгликоль - (1,2-диоксиэтан) - С2Н4(OH)2, бесцветная, прозрачная, сладковатого вкуса жидкость без запаха. Плохо растворим в эфире, не растворим в хлороформе, алифатических и ароматических углеводородах. Растворимость в воде – неограниченная. Температура кипения – 470°C [http://chemport.ru/ethyleneglykol].

Этиленгликоль с большим числом соединений образует азеотропные смеси.

Этиленгликоль токсичен при вдыхании, контакте с кожей и попадании внутрь [http:// lekmed.ru/info/literatura/otravleniya-9].

Химические свойства многоатомных спиртов:

1. Этиленгликоль может вступать в любые реакции, характерные для одноатомных спиртов. При действии на него щелочных металлов или щелочей этих металлов образуются гликоляты:

 

С2Н4(OH)2 + Mg → С2Н4O2Mg + H2. 

2. При взаимодействии с органическими кислотами или их ангидридами этиленгликоль образует сложные эфиры:

 

С2Н4(OH)2 + СН3COOH → СН3СООСН2СН2ОН + H2O.

 

        3. При реакции  этиленгликоля с гидратом окиси  натрия образуется монозамещённый гликолят натрия:

 

С2Н4(OH)2   + NaOH  → HOCH2CH2ONa + H2O.

 

 

4. Поликонденсацией  этиленгликоля с терефталевой  кислотой или её диметиловым эфиром в промышленности получают этиленгликольные полиэфиры :

 

       5. Помимо производства  полиэфиров этиленгликоль используют  так же для получения диоксанов:                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               

1.2. Основные способы получения

1. Основным способом получения этиленгликоля является гидратация окиси этилена в присутствии 0,1-0,5% серной или ортофосфорной кислоты. В реакции образуется смесь этиленгликоля и триэтиленгликоля в соотношении 9:1. Этот метод находит широкое применение в промышленности:

 

CH2-CH2 + H2O → HOCH2-CH2OH

 

Условия реакции : 50-100°С, 1 атм.

2. Этиленгликоль  так же может быть получен  щелочным гидролизом 1,2-дихлоэтана, а 1,2-дихлорэтан – хлорированием  этилена:

 

  3. Окисление  этилена в водном растворе:

  4. Каталитическое  окисление этилена кислородом  в уксусной кислоте. Неполное  использование этилена в процессе  получения ОЭ,  а следовательно,  и ЭГ привело к разработке прямого окисления этилена в этиленгликоль. Процесс проводят в среде уксусной кислоты.  Этилен превращается в моно-  и диацетат с селективностью 98%.  Вторая стадия -  гидролиз ацетатов в этиленгликоль [Ошанина, 2002, с. 242]:

 

CH2=CH2 + 2AcOH + O2 → AcOCH2CH2OAc

AcOCH2CH2OAc + 2H2O → HOCH2CH2OH + 2AcOH

 

Стадию окисления этилена проводят в присутствии катализатора ТеО2, HBr, при температуре 160°С и давлении 2,5 МПа. Выход ЭГ>90%. Механизм процесса включает следующие стадии:

 

Br2 + H2C=CH2 → BrCH2CH2Br

BrCH2CH2Br + 2AcOH → AcOCH2CH2OAc + 2HBr

2HBr + O2 → Br2 + H2O

Использование каталитической системы PdCl2, LiCl, NaNO3 в уксусной кислоте или уксусном ангидриде позволяет получать моно- и диацетат этилена с селективностью 95%.

 

        1.3. Применение. Значение для промышленности

       Отечественная промышленность изготовляет  этиленгликолевые Антифризы марок 40 и 65 (температуры замерзания соответственно  —40°С и —65°С) с фосфорнокислым натрием и марки 40 м с молибденово-кислым натрием.

        Этиленгликоль  используют в производстве целлофана, полиуретанов и ряда других полимеров.

В органическом синтезе этиленгликоль используется в качестве высокотемпературного растворителя.

Для защиты карбонильной группы путём получения 1,3-диоксалана. Обработкой вещества с карбонильной группой в бензоле или толуоле этиленгликолем в присутствии кислого катализатора (толуолсульфоновой кислоты, BF3•Et2O и др.) и азеотропной отгонкой на насадке Дина-Старка образующейся воды. Например, защита карбонильной группы изофорона.

1,3-диоксоланы  могут быть получены также  при реакции этиленгликоля с  карбонильными соединениями в  присутствии триметилхлорсилана или комплекса диметилсульфат-ДМФА 1,3-диоксалана устойчивы к действию нуклеофилов и оснований. Легко регенерируют исходное карбонильное соединение в присутствии кислоты и воды.

         

 

 

2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

            2.1. Промышленное производство этиленгликоля

 

Для получения этиленгликоля, оксид этилена синтезируют прямым окислением этилена.

Окись этилена это бесцветный газ со сладковатым запахом, имеющий формулу C2H4O и являющийся простейшим эпиксидом – трёхчленный гетероцикл с одним атомом кислорода и двумя метиловыми группами. Благодаря особенностям молекулярной структуры, окись этилена вступает в реакции присоединения с раскрытием цикла, и таким образом легко подвергается полимеризации.

Вещество является чрезвычайно огне- и взрывоопасным. Окись этилена обладает дезинфицирующими свойствами, а также является сильным ядом для человека, проявляя канцерогенное, мутагенное, раздражающее и наркотическое действие.

Окись этилена является одним из важных объектов основного органического синтеза и широко используется для получения многих химических веществ и полупродуктов, в частности этиленгликолей, этаноламинов, простых и сложных гликолевых и полигликолевых эфиров и прочих соединений [Мухленов, 1982, с. 212].

В промышленности окись этилена получают прямым окислением этилена в присутствии серебряного катализатора:

                  

 

Несмотря на существование единого фундаментального химического процесса каталитического окисления этилена, на практике существуют две различные технологические схемы окисления: более старая, предполагающая использование воздуха, и новая с использованием кислорода (>95 %).

Сравнительный анализ двух схем представлен в нижеследующей таблице:

Параметры                                                                                    ‘                                                                                                                Содерж-ие этилена в газовой смеси, % молярных Температура процесса, °C Рабочее давление, МПа Конверсия (по этилену), % Фактический выход окиси этилена, % молярных

Окисление воздухом 2-10 220-277 1-3 20-65 63-75

Окисление кислородом 20-35 220-235 2-3 8-12 75-82

Помимо общеэкономических соображений, преимущество окисления этилена кислородом заключается в следующем:

Процессы, использующие высокое давление, имеют меньшие издержки по сжатию кислорода по сравнению с воздухом;

Каталитические процессы с низкой конверсией по кислороду являются более дорогими в случае использования воздуха из-за необходимости удаления азота во время рециркуляции реакционной газовой смеси;

Процессы, в результате которых образуются опасные химические вещества, более управляемы в случае использования кислорода;

Более простое разделение продуктов реакции из-за отсутствия необходимости отделения азота;

Более быстрое и эффективное протекание реакции из-за отсутствия эффекта разбавления [ru.wikipedia.org/wiki/Окись этилена].

Присоединяя молекулу воды окись этилена образует этиленгликоль. Этиленгликоль именно так и получают в промышленности, гидратацией окиси этилена:

Реакцию проводят при 10 атм и 190—200°С или при 1 атм и 50—100°С в присутствии 0,1—0,5 % серной или ортофосфорной кислоты, достигая 90% выхода. Побочными продуктами при этом являются триэтиленгликоль незначительное количество высших полимергомологов этиленгликоля.

 

2.2. Технология и принципиальные схемы синтеза этиленгликоля путём гидратации оксида этилена

Процесс проводят без катализаторов при температуре 200°С под давлением, обеспечивающим сохранение смеси в жидком состоянии. Исходную шихту готовят из свежего и оборотного водного конденсата и оксида этилена, причем концентрация оксида 112-14%   (масс.), что соответствует  примерно 115-кратному мольному избытку воды по отношению к α-оксиду.

Оксид этилена, свежий и оборотный конденсат подают под давлением в смеситель 1 и затем в паровой подогреватель 2. Там шихта нагревается до 130—150°С и поступает в реактор 3 адиабатического типа. Смесь проходит вначале по нейтральной трубе аппарата и дополнительно подогревается горячей реакционной массой, находящейся в объеме реактора, где и протекает образование продуктов. Кроме этиленгликоля, ди- и триэтиленгликоля, побочно получаются ацетальдеги  (за счет изомеризации оксида этилена) и продукты его уплотнения.  По  выходе из реактора жидкость, нагретую до 200°С, дросселируют до атмосферного давления, причем часть воды испаряется, а жидкость охлаждается до 105—110°С.

Смесь  поступает в  аппарат 4,  являющийся первой ступенью многокорпусной выпарной установки, следующие ступени которой работают при все более глубоком вакууме (вплоть до 133 Па) и обогреваются за счет сокового пара с предыдущей стадии. Выходящую из аппарата 5 кубовую жидкость  для  отделения остатков воды подвергают ректификации в вакуумной колонне 7, причем все водные конденсаты объединяют и возвращают на приготовление исходной шихты и затем на реакцию. Смесь гликолей из колонны 7 поступает в вакуумную колонну 8, где отгоняют достаточно чистый этиленгликоль, а в кубе остается смесь ди- и триэтиленгликоля. Эти продукты также представляют большую ценность, и их разделяют на дополнительной вакуум-ректификационной установке.