Синтез этилового спирта

Министерство образования и науки РФ

Тверской государственный технический университет

Кафедра технологии полимерных материалов

Курсовая работа по теме:

«Синтез этилового спирта»

Выполнила: Дмитриева А.В.

БТ-0609

Принял: Лагусева Е.И.

ст.препод. кафедры ТПМ

Тверь 2008

 СОДЕРЖАНИЕ

Задание к курсовой работе

Введение

1 Литературный обзор

1.1 Методы получения

1.1.1 Получение этилового спирта сбраживанием пищевого сырья

1.1.2 Гидролиз древесины с последующим брожением

1.1.3 Получение этилового спирта из сульфитных щёлоков

1.1.4 Сернокислотный способ гидратации этилена

1.2 Направления использования

1.3 Источники сырья

2 Физико-химические основы процесса

2.1 Механизм процесса

2.2 Кинетика и термодинамика процесса

2.3 Влияние основных параметров на скорость процесса

2.3.1 Температура

2.3.2 Влияние давления

2.3.3 Концентрация исходных веществ (реагентов)

2.3.4 Влияние мольного соотношения воды и этилена

2.3.5 Катализаторы

2.4 Методы выделения продукта из реакционной смеси

3 Технологическая часть

3.1 Описание принципиальной технологической схемы производства

3.1.1 Отделение гидратации этилена

3.1.2 Отделение ректификации водно-спиртового конденсата

3.1.3 Катализаторное отделение

3.2 Основное и вспомогательное оборудование, его характеристика и обслуживание

3.2.1 Реактор и колонные аппараты

3.2.2 Теплообменная аппаратура

3.2.3 Емкостное оборудование

3.2.4 Оборудование катализаторного отделения

3.2.5 Компрессоры и насосы

3.2.6 Вспомогательное оборудование

3.3 Характеристика сырья и продукта

4 Расчётная часть

4.1 Материальные расчёты и составление материального баланса процесса

4.2 Тепловые расчёты и составление теплового баланса процесса

4.3 Термодинамический расчёт

5 Отходы и их обезвреживание

6 Мероприятия по технике безопасности, промсанитарии, пожарной безопасности и охране труда

6.1 Характеристика производства по взрыво- и пожароопасности

6.2 Свойства сырья и вспомогательных материалов

6.3 Основные правила работы с токсичными газами и едкими веществами

6.4 Основные правила пожарной безопасности

Заключение

Список использованных источников

Приложения

Задание к курсовой работе

Произвести технологический расчёт процесса производства синтетического этилового спирта.

Данные

производительность – 12 тонн в час;

состав этиленовой фракции: этилен – 75%, этан – 25%;

соотношение Н₂О : С₂Н₄ = 0,65 :1 ,

степень превращения по этилену - 94%;

в побочные продукты – 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, мол.в. 46,07 - важнейший представитель предельных одноатомных спиртов. Этиловый спирт - бесцветная, легко подвижная жидкость со жгучим вкусом и характерным запахом; т. кип. 78,3° С; т. затв. —112°С; плотность 0,789 г/см³; границы взрывоопасных концентраций этилового спирта в воздухе 3,28 - 18,95 об.%; предельно допустимая концентрация паров этилового спирта в воздухе 1000 мг/м. Этиловый спирт 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. Он широко применяется как растворитель и как исходное соединение для различных синтезов. Особенно большие количества этилового спирта расходуются в производстве синтетического каучука. Этиловый спирт используется также как исходный продукт для производства хлораля, этилацетата, диэтилового эфира и многих других продуктов органического синтеза.

1 Литературный обзор 1.1 Методы получения

Этиловый спирт может быть получен одним из следующих методов: брожением пищевого сырья (зерна, картофеля и др.), а также отходов сахарного производства – мелассы; гидролизом растительных материалов, переработкой сульфитного щелока, гидратацией этилена. Наибольшее значение имеют получение этилового спирта гидратацией этилена и сбраживанием сельскохозяйственного сырья и продуктов его переработки.

1.1.1 Получение этилового спирта сбраживанием пищевого сырья

Сущность спиртового брожения состоит в том, что виноградный сахар (глюкоза) С₆Н₁₂0₆ в присутствии вещества, вызывающего брожение, через ряд стадий превращается в этиловый спирт и двуокись углерода:

зимаза (дрожжи)

С₆Н₁₂0₆ 2С₂Н₅ОН + 2С0₂

 

В промышленности для получения спирта пользуются не природным виноградным сахаром, а крахмалом картофеля, хлебных злаков, отходами сахарных заводов. Крахмал предварительно осахаривают под действием особого энзима — диастаза, находящегося в солоде (проросших зернах ячменя или ржи). Осахаривание идет с присоединением воды к крахмалу; при этом образуется дисахарид — мальтоза С₁₂Н₂₂О₁₁:

 

диастаз (солод)

m(С₆Н₁₀О₆) + 0,5mН₂О 0,5m(C₁₂H₂₂O₁₁)

В процессе брожения под влиянием энзима мальтоза гидролизуется в глюкозу:

мальгаза (дрожжи)

С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂0 2С₆Н₁₂О_в

мальтоза глюкоза

Глюкозу потом подвергают спиртовому брожению. Мальтаза, как и зимаза, вырабатывается быстроразмножающимися дрожжевыми грибками.

Основными видами пищевого сырья для получения этилового спирта являются картофель и зерновые культуры.

Пищевое сырье вначале очищают от пыли, грязи и механических примесей, оболочку толстокожурного зерна разрушают на вальцах, жерновах или других приспособлениях, после чего очищенный материал разваривают острым паром под давлением в течение 45-110 мин (в зависимости от вида сырья); при этом к зерну прибавляют воду. После разваривания массу выпускают через выдувное отверстие разваривающего аппарата; при этом происходит перепад давления от 4-5 ат до 0,2-0,5 ат (избыточных), вследствие чего оболочки клеток разрываются и сырье превращается в однородную жидкую массу, поступающую в заторный чан. В этот же чан для осахаривания крахмала вводят ферментативный препарат - солод, который получают из проращенного в особых условиях зерна (ячменя, ржи, проса). После добавления солода массу выдерживают 10-15 мин при 61 для ее стерилизации, а также растворения и осахаривания крахмала. По окончании осахаривания массу охлаждают до 30, после чего в нее вводят дрожжи. Полученную массу охлаждают до 22-26 град. (двухсуточное брожение) или 15-18 град. (трехсуточное брожение) и перекачивают в бродильные чаны. Кроме этилового спирта при брожении образуются: глицерин, янтарная кислота, метиловый спирт, сивушные масла, сложные эфиры и др. Длительность брожения при непрерывном методе составляет 60-65 часов, содержание э.с. в зрелой бражке 8-10об.%. Бражка поступает в брагоперегонный аппарат, из которого отгоняют этиловый спирт и летучие примеси. Остающийся в аппарате твердый продукт - барда (4,5-7,4%), используется на корм скоту. Крепость получаемого при перегонке спирта-сырца должна быть не менее 88% (объемн.) Из спирта-сырца очисткой его от примесей получают спирт-ректификат (95,5%). На рис.1 приведена схема производства этилового спирта из пищевого сырья, включающая процессы разваривания и осахаривания крахмала.

1.1.2 Гидролиз древесины с последующим брожением

Древесина состоит из целлюлозы, гемипеллюлозы (пентозаны и гексозаны) и лигнина. В состав древесины входят также минеральные вещества (зола), смолы и жиры, дубильные вещества и т. д. На целлюлозу приходится около половины массы древесины.

Для получения спирта древесину обрабатывают (гидролизуют) серной или соляной кислотой. При этом из целлюлозы образуется глюкоза

(С₆Н₁₀О₅)_х + хН₂О хС₆Н₁₂О₆

целлюлоза глюкоза

 

которая затем проходит стадию спиртового брожения. При гидролизе концентрированной (41%-ной) соляной кислотой получается раствор, содержащий до 30% сахаров. Однако этот способ из-за сильной коррозии оборудования, а также трудностей при получении и регенерации 41%-ной соляной кислоты не нашел широкого развития.^J

Распространение в промышленности получил гидролиз древесины разбавленной серной кислотой. По этому методу древесные опилки обрабатывают в соединенных последовательно аппаратах (перколяторах) 0,1— 0,4%-ной H₂S0₄ при 7—15 кгс/см² и 150—170°С. Получаемый 4%-ный раствор сахара выпаривают, нейтрализуют гашеной известью и после фильтрования сбраживают. Внедрен также гидролиз 0,4%-ной серной кислотой в трубчатых аппаратах непрерывного действия при нагревании паром под давлением 25—30 кгс/см².

Наряду с этиловым спиртом на гидролизных заводах получают ценные побочные продукты — фурфурол, метиловый спирт, уксусную кислоту, скипидар, белковые дрожжи, лигнин и т. д. Из 1 т древесных опилок можно получить до 200 кг гидролизного спирта (в расчете на 100%-ный).

1.1.3 Получение этилового спирта из сульфитных щёлоков

Этиловый спирт, получаемый на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности при сульфитной варке целлюлозы, принято называть сульфитным спиртом.

При сульфитном способе выделения чистой целлюлозы большие количества древесной щепы обрабатывают при повышенной температуре раствором бисульфита кальция или магния, содержащим некоторый избыток свободного сернистого ангидрида. Жидкость, оставшуюся после обработки щепы, называют сульфитными щелоками. Это — отход целлюлозно-бумажного производства. На каждую тонну вырабатываемой целлюлозы получается 8—12 кг сульфитных щелоков, содержащих 10— 12% сухого вещества (лигнин, углеводороды, белки, смолы, жиры, окись кальция и др.). Примерно 25% сухого. вещества относится к сахарам, причем ²/₃ из них способны сбраживаться, давая этиловый спирт.

Из щелоков острым паром отгоняют сернистый ангидрид и другие летучие вещества, затем нейтрализуют щелок известковым молоком и направляют его в батарею бродильных чанов, где щелок последовательно перетекает из одного чана в другой. Брожение проводят при 30 °С в течение примерно 20 ч при .интенсивном перемешивании щелока с дрожжами. По окончании брожения дрожжи отделяют в сепараторах от сахарного раствора (бражки). Бражка получается слабой (около 1% спирта). Ее подвергают ректификации с получением 95%-ного этанола.

 

1.1.4 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 сотр. 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.

Концентрированная серная кислота способна реагировать с этиленом, образуя моно- и диалкилсульфат:

С₂H₄ + H₂S0₄ С₂H₅OSO₂OH

моноалкилсульфат

2С₂Н₄ + H2S0₄ (C₂H₆О)₂SО₂

Диалкилсульфат

Эти эфиры при взаимодействии с водой превращаются в этиловый спирт, выделяя кислоту:

С₂H₅OSO₂OH + Н₂О C₂H₅OH + H₂SО₄

(С₂H₅О)₂SO₂ + 2H₂О 2С₂H₅OH + H₂SО₄

При этом методе можно использовать достаточно разбавленные газы (содержащие всего 30—40% этилена), что позволяет упростить процессы газоразделения. Содержание высших олефинов в газе должно быть минимально, так как они под действием серной кислоты полимеризуются с образованием нежелательных смолистых веществ.

Ниже приводится описание принципиальной технологической схемы процесса. Газ при 25 кгс/см² и 80 °С подают в нижнюю часть колонны (абсорбера), орошаемой 96—98%-ной серной кислотой. Абсорбер представляет собой освинцованную и футерованную изнутри колонну; в ней имеется 15—20 ферросилидовых тарелок с колпачками для барботирования газа и с трубами для перелива жидкости. Температура абсорбции поддерживается 70°С за счет снятия реакционного тепла трубчатыми холодильниками, имеющимися на каждой тарелке. По трубкам холодильников пропускают холодную воду. Отходящие из абсорбера газы, содержащие примерно 90% этана и 4—6% этилена, дросселируют до 10 кгс/см², отмывают водой от унесенной кислоты, нейтрализуют 5—10%-ным раствором щелочи, вновь промывают и направляют на пиролиз этана в этилен. Из нижней части абсорбера выводится смесь моно- и диэтилсульфата с непрореагировавшей серной кислотой. Смесь охлаждают до 50 °С и после дросселирования до 5— 6 кгс/см² направляют в специальный аппарат (гидролизер) для гидролиза водой, отделенной при ректификации этилового спирта.

При гидролизе кроме этилового спирта образуются диэтиловый эфир, полимеры и т. д. Газы, выделяющиеся при дросселировании жидкости, отмывают, нейтрализуют и присоединяют к газам, идущим на пиролиз этана. Гидролиз проводят при 4,5—5 кгс/см² и 92—96 °С. Вытекающая из нижней части гидролизера жидкость состоит из этилового спирта, воды, серной кислоты, диэтилового эфира и негидролизованного этилсульфата. Эта смесь поступает в отпарную колонну, в нижнюю часть которой вводят острый пар для завершения гидролиза и отгонки спирта и эфира. Отпарку в кубе ведут при 125 °С и —1,5 кгс/см². Из куба отпарной колонны отводят 47%-ную серную кислоту, которую после очистки от смолистых веществ направляют на концентрирование.

Парогазовая смесь из верхней части отпарной колонны, содержащая пары воды, этилового спирта, диэтилового эфира и кислоты, этан и этилен, поступает в нейтрализационно-отпарную колонну. Барботируя через щелочной раствор, смесь нейтрализуется и далее промывается водой; поступающей с верха колонны. В куб этой колонны подают острый пар для отгонки паров спирта из стекающего в куб щелочного раствора. Нейтрализованные пары, отходящие из верхней части колонны, конденсируются в холодильниках и направляются на ректификацию в очистную колонну. В этой колонне происходит разделение эфира и спирто-водного конденсата. Эфир дополнительно отмывают водой от спирта и направляют в ректификационную колонну. С верха этой колонны отводится товарный эфир. Количество его составляет ^10% от количества спирта-ректификата.

Кубовый продукт колонны разделяют на следующей ректификационной колонне на спирт и воду, используемую на стадии гидролиза. Кубовый продукт очистной колонны также проходит ректификацию; в результате получают товарный спирт-ректификат.

Экономичность данного процесса определяется в первую очередь методом концентрирования серной кислоты. Обычно концентрирование проводят в две стадии: упаривание до 88—93%-ной концентрации дымовыми газами в барабанных концентраторах и добавление олеума с доведением концентрации кислоты до требуемой. Для уменьшения потерь кислоты при упаривании и для предотвращения выделения ее паров в окружающий воздух из газов, выходящих из концентрационных аппаратов, улавливают туман серной кислоты на мокрых электрофильтрах в электрическом поле высокого напряжения. Сернокислотный конденсат из электрофильтров вновь поступает в производство. Недостатками метода являются большой расход серной кислоты, необходимость применения кислотостойкого оборудования и недостаточная селективность процесса.

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.

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.

1.2 Направления использования.

Этиловый спирт широко применяется в различных отраслях промышленности:

Пищевая промышленность (главный потребитель спирта).

·    ликероводочная промышленность

·    производство бальзамов, настоек

·    консервная промышленность

·    виноделие

·    производство уксусной кислоты

·    кондитерская промышленность.

Парфюмерная промышленность (более 85% парфюмерной продукции содержит раствор спирта).

Фармацевтическая промышленность (40% всех лекарственных препаратов приготовлено с использованием этилового спирта).

Медицина

·    дезинфекция инструментария

·    процедуры

Химическая промышленность

·    производство синтетического спирта

·    производство эфиров, этилена, этила

·    производство растворителей, политуры

·    производство искусственного волокна

·    производство лаков и красок

·    производство стекла

·    производство антифриза

·    производство носителей информации (аудио-,видео-фотопленка)

·    производство синтетического каучука, ацетальдегида, хлороформа, этилацетата и др. органических продуктов

·    производство взрывчатых веществ

·    производство топлива для реактивных двигателей и др.

Радиоэлектронная промышленность

·    обслуживание приборов

·    производство микросхем

Кожевенная промышленность

·    дубление кожи

 

Таким образом, спиртовое производство тесно связано, с одной стороны, со многими отраслями, в которых спирт служит сырьем, основным и вспомогательным материалом, с другой - с сельским хозяйством. Оно является единственным производством, способным превращать дефектные (порченые) зерно и картофель и другие материалы в доброкачественные продукты.

1.3 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:

С₁₂Н₂₂О₁₁ + 2 Н₂О С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆

 сахар глюкоза фруктоза

2(С₆Н₁₀О₅) + 2x Н₂О →xС₁₂Н₂₂О₁₁ 2x С₆Н₁₂О₆

крахмал дисахарид глюкоза

Процесс брожения с образованием этилового спирта

С₆Н₁₂О₆ 2С₂Н₅ОН + 2 СО₂

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 и 15-30 ат:

 

(С₆Н₁₀О₅) + x Н₂О x С₆Н₁₂О₆

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:

+H₂SO₄ +H₂O

C₂Н₅OSO₃ H C₂H₅OH + H₂ О

СН₂ =СН₂ — +H₂O

C₂H₅OH

H₃PO₄

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.