Курсовая работа: Производство этилового спирта
3
Лучшим сырьем являются парафины, поскольку с повышением содержания водорода в исходных углеводородах выход алкенов возрастает.
3. Характеристика целевого продукта
Этанол C2 H5 OH является жидкостью, кипящей при температуре 78,390 С, 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 78,10 С. 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:
(C6 H10 O5 )x + xH2 O - xC6 H12 O6 ,
C6 H12 O6 - 2C2 H5 OH + 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).
Сернокислая гидратация этилена
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:
C2 H4 + H2 SO4 = C2 H5 OSO3 H
C2 H5 OSO3 H + C2 H4 = (C2 H5 O)2 SO2.
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 900 С 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 80-850 С, 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:
C2 H5 OSO3 H + H2 O - C2 H5 OH + H2 SO4 ,
(C2 H5 O)2 SO2 + 2H2 O - 2 C2 H5 OH + H2 SO4
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:
(C2 H5 O)2 SO2 + C2 H5 OH - C2 H5 OC2 H5 + C2 H5 OSO3 H,
(C2 H5 O)2 SO2 + H2 O - C2 H5 OC2 H5 + H2 SO4.
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;