Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования

МОСКОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт тонких химических технологий

Кафедра общей химической технологии

Курсовая работа

по теме: «Производство этилового спирта»

Выполнил:

студент группы ХЕБО-13-14

Першина А.В.

Преподаватель:

Устюгов А.В.

МОСКВА 2017



Оглавление

• Введение
• 1. Исходное сырье
• 2. Характеристика целевого продукта
• 2.1 Физические свойства
• 2.2 Химические свойства
• 3. Сернокислотная гидратация этилена
• 4. Прямая гидратация этилена
• 4.1 Термодинамика процесса
• 4.2 Кинетика процесса
• 4.3 Физико-химическое обоснование выбора основных технологических параметров процесса
• 5. Технологическая схема процесса
• 6. Структурная блок-схема
• 7. Балансовая математическая модель
• 8. Материальный баланс ХТС
• Список литературы


Введение

В мировой химической промышленности производство этилового спирта занимает одно из первых мест. Так, в 2009 году в мире было произведено почти 59 миллионов тонн. Такие объемы производства позволяют отнести производство этанола к разряду крупнотоннажных.

Этиловый спирт широко применяется в различных отраслях промышленности. Его используют в медицине в качестве растворителя для лекарственных средств, для обеззараживания, как пеногаситель в системах подачи кислорода, для лечения отравления метиловым спиртом. Этанол широко применяется в пищевой промышленности для производства различных видов спиртных напитков, в парфюмерии в качестве основного компонента для духов, одеколонов.

В последнее время в мире широко развивается производство биотоплива на основе этилового спирта. Так же этанол используют как компонент ракетного топлива. Этиловый спирт широко применяется в химической промышленности в качестве полупродукта в основном органическом синтезе.



1. Исходное сырье

В промышленности для получения этилового спирта в качестве исходного сырья используют растительные продукты, в составе которых есть крахмал или сахар, и этилен. Отдается предпочтение методу прямой гидратации этилена.

Основными источниками этилена являются промышленные газы нефтеперерабатывающего производства, которые образуются при переработке нефтяного сырья, газы, получаемые дегидрированием газообразных парафинов, коксовый газ.

Из газовых смесей этилен необходимо сконцентрировать и выделить. Для этого применяют сорбцию, хемосорбцию и конденсационную ректификацию. В промышленности наиболее распространен последний способ, так как позволяет из сложной смеси водорода, предельных и непредельных углеводородов, получать этиленовую фракцию с концентрацией 96-99% этилена.



2. Характеристика целевого продукта

2.1 Физические свойства

Этиловый спирт представляет собой бесцветную прозрачную легкоподвижную жидкость с характерным запахом. Значения физических свойств:

Свойство	Значение

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 78,1С (в виде такого ректификата этанол обычно употребляют в технике); с бензолом (32,4%; 68,24С); с гексаном (21%; 58,7С); с этилацетатом (30,8%; 71,8С).



2.2 Химические свойства

Этанол - одноатомный алифатический спирт. Горит светлым голубоватым пламенем, образуя диоксид углерода и воду.

Является слабой ОН-кислотой, по кислотности мало отличаясь от воды. Взаимодействует со щелочными металлами, образуя при этом этоксиды:

Реагирует с кислотами. Будучи первичным спиртом, реагирует без осложнения с неорганическими кислотами, образуя сложные эфиры:

С галогенводородами вступает в обратимые реакции нуклеофильного замещения, реагирует с тионилхлоридом:

При нагреве до 170-200 С дегидратируется в присутствии серной кислоты:

Реагирует с , образуя моно-, ди- и триэтиламины:



3. Сернокислотная гидратация этилена

Сернокислотная гидратация этилена впервые была предложена А.М. Бутлеровым. Данный способ получения этанола состоит из четырех стадий:

1. абсорбция этилена серной кислотой с образованием сернокислотных эфиров

2. гидролиз эфиров с образованием этилового спирта

3. выделение этилового спирта и его ректификация

4. концентрирование серной кислоты

Взаимодействие серной кислоты с этиленом происходит в 2 стадии. На первой стадии идет растворение этилена в кислоте. Температура процесса составляет порядка 70 - 90 , концентрация серной кислоты 96 - 98%. На второй стадии идет образование алкилсульфатов, которые в дальнейшем подвергаются гидролизу.

Кроме данных основных реакций, также протекают побочные:

Помимо образования диэтилового эфира также идет реакция полимеризации этилена.

Для предотвращения побочных реакций образования диэтилового эфира необходимо отводить получающийся спирт в процессе гидролиза. Этиловый спирт получается разбавленным, его необходимо фракционировать в ректификационных колоннах.

Главным преимуществом сернокислотной гидратации по сравнению с прямой является возможность использования неконцентрированного этилена, чье концентрирование связано с большими затратами.

Среди недостатков данного метода можно выделить сложную конструкцию тарельчатого абсорбера. Абсорбер изготавливают из различных конструкционных материалов, обладающих разными физическими свойствами. Охлаждающие элементы являются труднодоступными для осмотра, что осложняет эксплуатацию аппарата.

Образование полимеров снижает выход этилового спирта. Полимеры однократно экстрагируют «зеленым маслом». При этом процессе в экстракт переходит не 100% полимеров. Часть из них остается в разбавленной серной кислоте, которую необходимо концентрировать. Из-за высокой температуры топочных газов полимеры реагируют с кислородом серной кислоты, происходят потери кислоты от раскисления, которое сопровождается выбросом диоксида серы в атмосферу.



4. Прямая гидратация этилена

Данный процесс может быть реализован в двух вариантах: парофазном и жидкофазном. В промышленности преимущественно используют парофазный каталитический процесс, который осуществляется по циклической схеме. Этот способ получения этилового спирта является более экономичным, в отличии от сернокислотной гидратации.

Процесс прямой гидратации этилена является сложным, так как помимо основной реакции протекают побочные с образованием диэтилового эфира, уксусного альдегида и полимеров:

4.1 Термодинамика процесса

Из уравнения реакции, термодинамических данных и, учитывая, что реакция протекает также и с уменьшением числа молей, увеличение давления благоприятно скажется на равновесном выходе этилового спирта. Для смещения равновесия в сторону гидратации этилена необходимо понижение температуры и повышение давления. Но при температуре ниже 280С скорость гидратации очень мала, а повышение давления свыше 8МПа повышают себестоимость спирта, что экономически нерентабельно. Также одним из исходных реагентов является перегретый пар, следовательно при таких условиях не удастся избежать конденсации водяного пара. Конденсация воды приводит к снижению активности катализатора вследствие поглощения ее паров фосфорной кислотой с ее последующим разбавлением.

4.2 Кинетика процесса

Для обеспечения высокой скорости и селективности процесса используют катализатор. В качестве него применяют фосфорную кислоту, нанесенную на пористый носитель (силикагель или таблетированный синтетический алюмосиликат). Катализатор активен при 280 - 300С и обладает высокой селективностью. Полезная конверсия этилена при использовании фосфорной кислоты достигает 95%.

Механизм процесса прямой гидратации этилена на данном катализаторе описывается следующими стадиями:

1. Стадия физического растворения этилена в пленке фосфорной кислоты на твердом носителе;

2. Стадия образования этилкарбокатиона

3. Стадия взаимодействия этилкарбокатиона с водой

4. Стадия образования спирта и протона

4.3 Физико-химическое обоснование выбора основных технологических параметров процесса

Активность катализатора определяется концентрацией фосфорной кислоты на поверхности носителя. В промышленности берется 83 - 85% кислота.

Катализатор определяет температурный режим процесса. При температуре ниже 280С скорость процесса небольшая, так как активность фосфорной кислоты мала. При температурах выше 300С снижается селективность. Срок службы катализатора 400 - 500 часов. Замена его требует около 50 часов. Для увеличения срока службы катализатора необходима его подпитка фосфорной кислотой, а также очистка циркулирующего газа от побочных продуктов реакции: альдегидов, высших спиртов, полимерных соединений. На его поверхности со временем появляются смолистые отложения, а носитель становится чрезмерно хрупким. Свежий катализатор готовят пропиткой носителя 60 - 65% фосфорной кислотой с последующей сушкой при 100С. Он содержит 35% свободной фосфорной кислоты.

Основная реакция гидратация этилена - экзотермическая, протекает с уменьшением объёма и, следовательно, понижение температуры и повышение давления будет способствовать увеличению равновесного выхода этилового спирта. Работа при атмосферном давлении исключается из-за низкого равновесного выхода этанола. В тоже время, применение высокого давления (при выбранном температурном режиме) ограничено содержанием водяного пара в реакционной смеси, т.к. процесс проводят при температуре ниже критической (точка росы 374С) и возможна конденсация водяных паров в реакторе. Последнее приводит к снижению активности катализатора вследствие поглощения паров воды фосфорной кислотой с её последующим разбавлением. Поэтому решающее значение в выборе давления определяет низкая летучесть воды по сравнению с этиленом.

В промышленных условиях наилучшие результаты, при использовании кислотного катализатора (83 - 85% ), получают при температуре 280 - 290С, отношении и давлении 8 Мпа. В этих условиях равновесный выход этилового спирта по этену составляет порядка 10%.

Так как процесс циркуляционный, для его интенсификации и уменьшения количества побочных продуктов повышают объёмную скорость подачи сырья. При процессе прямой гидратации этилена это 1800 - 2000 , что соответствует времени контактирования 18 - 20 сек.

При этих условиях процесс - сложный, обратимый несмещенный, гетерогенный каталитический. Перечисленные условия позволяют получать водно-спиртовой раствор концентрацией спирта 15 - 16% при конверсии этилена за один проход 4 - 6%. Полезное использование этилена составляет 95%. Остальные 5% расходуются на получение диэтилового эфира (2%), ацетальдегида (1%), димеров и полимеров (2%).

На основе химической концепции метода можно представить функциональную (принципиальную) схему ХТС:

этиловый спирт сернокислотная гидратация

Рассмотренные физико-химические характеристики процесса вызывают необходимость при разработке технологической схемы учитывать следующие положения:

1. т.к. ХТП обратимый несмещенный (в таких процессах часто используется рецикл), то для него целесообразна организация технологической схемы по принципу многократной циркуляции непрореагировавшего сырья (т.к. это снижает себестоимость продукта);

2. исходное сырьё должно содержать минимальное количество примесей, в том числе и инертных;

3. отвод из системы накапливающихся при циркуляции инертных примесей («отдувка»);

4. «подпитка» катализатора и нейтрализация фосфорной кислоты на выходе из реактора;

5. наиболее полная регенерация тепла.



5. Технологическая схема процесса

Свежий и оборотный этилен сжимают в компрессорах 1,2 до 0,8 Мпа, смешиваются с водяным паром, подогреваются в теплообменнике 4 теплом отходящей от реактора смеси и перегреваются в трубчатой печи 3 до 275С, после чего подаются в реактор-гидрататор 5. Перед входом в реактор в поток вбрызгивается фосфорная кислота для подпитки катализатора, что продлевает срок его службы.

Реактор представляет собой полую колонну высотой 10м и диаметром 1,5м, работающую в режиме идеального вытеснения. Для исключения влияния коррозии от фосфорной кислоты изнутри он выложен листами красной меди.

Реакционные газы содержат пары унесенной фосфорной кислоты, которая нейтрализуется гидроксидом натрия, а образующиеся соли выделяются в солеотделителе 6. Унос фосфорной кислоты составляет 0,4 - 0,5 т/час с 1 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 дроссилируют (сбрасывают давление), 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% 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 летучий 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 дегидрататор.



Операторная схема:



6. Структурная блок-схема

Таблица №2: Условно постоянная информация для расчета

Показатель	Обозначение	Значение	Единицы измерения
Концентрация этилена в этиленэтановой фракции		98,6	% (по объёму)
Количество этилового спирта в ректификате (базис)		1000	кг
Содержание этанола в ректификате		93,0	% (по массе)
Норма расхода водяного пара		0,7
Конверсия этилена		5,5	%
Селективность		95,0	%
Селективность превращения этилена в диэтиловый эфир		3,0	%
Селективность превращения этилена в ацетальдегид		2,0	%
Содержание инертов в циркуляционном газе		15,5	% (по объёму)

7. Балансовая математическая модель

Составим систему уравнений:

по 1 блоку:

по контуру (2 и 3 блоки):

по 4 блоку:

баланс по инерту:

Таблица №3: Соответствие переменных потокам

Условное обозначение		Размерность
		кмоль
		кмоль
		кмоль
		кмоль
		кмоль
		кмоль
		кмоль
		кмоль
		кмоль

Переименование и упорядочивание переменных.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

Составим матрицу для расчета на ЭВМ

0,986	0	0,845	-1	0	0	0	0	0	0
0	+1	0	0	+1	-1	0	0	0	0
0	0	0	-0,7	0	+1	0	0	0	0
0	+1	0	-0,0542	0	0	0	0	0	4,1816
0	0	-0,845	0,945	0	0	-0,845	0	0	0
0	0	0	0,05225	0	0	0	0	0	21,739
0	0	0	-0,0011	0	0	0	1	0	0
0	0	0	-0,000825	0	0	0	0	1	0
0,014	0	0	0	0	0	-0,155	1	0	0

Таблица №4: Полученные значения переменных

Условное обозначение		Размерность	Значения
		кмоль	27,89798
		кмоль	26,73191
		кмоль	459,8225
		кмоль	416,0574
		кмоль	264,5083
		кмоль	291,2402
		кмоль	5,472483
		кмоль	0,457663
		кмоль	0,343247



8. Материальный баланс ХТС

Приход:

этилен:

этан:

вода:

Расход:

этанол в ректификате:

вода в ректификате:

составляем пропорцию:

- масса всего ректификата

диэтиловый эфир:

ацетальдегид:



отдувка:

этан:

этилен:

водород:

Таблица №5: Материальный баланс

Приход	Расход
Наименование	m, кг	%	Наименование	m, кг	%
этилен	770,2027	60,984	этанол	1000	79,179
этан	11,7171	0,92775	диэтиловый эфир	25,400278	2,01118
вода	481,17438	38,099	ацетальдегид	20,137172	1,59445
			вода	75,268817	5,9597
			отдувка:
			этан	11,7171	0,92775
			этилен	129,4789	10,2521
			водород	0,915326	0,072475
			невязка	-0,143153	-0,01133
Всего	1262,955527	100	Всего	1262,955527	100



Материальный баланс по 1 блоку

Приход:

в потоке 011: этилен + этан, где масса этилена равна 770,2072 кг, масса этана равна 11,7171 кг.

в потоке 012: вода, где ее масса равна 481,17438 кг

в потоке 31: этилен + этан + водород, где масса этана равна 11,7171 кг

масса этилена:

масса водорода была найдена ранее, равная 0,915326 кг

в потоке 41: вода

Всего: 16916,280856 кг.

Расход = 16916,280856 кг

Материальный баланс по контуру (блоки 2 и 3):

Приход:

в потоке 12: этилен + этан + вода + водород

масса этана = 11,7171+11,7171 = 23,4342 кг

масса водорода = 0,915326 кг

масса этилена = 770,2072 + 10879,40035 = 22649,60755 кг

Расход:

в потоке 31: этилен + этан + водород

масса этилена = 22649,60755 кг

масса этана = 11,7171 кг

масса водорода = 0,915326 + 0,915326 = 1,830652 кг

в потоке 30: этилен + этан + водород

масса этана = 11,7171 кг

масса этилена = 129,4789 кг

масса водорода = 0,915326 кг

в потоке 41: вода, ее масса 4761,1494 кг

в потоке 401: вода + этанол

масса этанола = 1000 кг

масса воды равна 75,268817 кг

в потоке 402: ацетальдегид, его масса 20,137172 кг

в потоке 403: диэтиловый эфир, его масса 25,400278 кг

Поток 23: этилен + этан + водород + вода + диэтиловый эфир + ацетальдегид + этанол. Масса потока равна 16916,280856 кг

Поток 34: вода + диэтиловый эфир + ацетальдегид + этанол. Масса потока равна поток 23 - отдувка - поток 31 = 5881,219494 кг

Технологические показатели



9. Выводы о реализации основных технологических принципов

На современных установках производства этилового спирта реализуются пять принципов химической технологии.

.Принцип наилучшего использования сырья воплощается благодаря использованию в процессе строго заданного соотношения реагентов, этилэтановой фракции и воды, в исходном сырье. Это, а так же применение рецикла реактивов, позволяет минимизировать отходы исходного сырья после использования в технологической схеме производства.

Принцип наилучшего использования энергии состоит в том, чтобы минимизировать энергетические затраты на проведение процесса. В данном случае для этого используется рекуперация тепла, отходящие горячие потоки подогревают теплообменники.

Принцип максимальной интенсивности процесса заключается в увеличении скорости производства для минимизации условно-постоянных расходов и увеличения экономической выгоды производства. Процесс производства этилового спирта проводят при оптимальных условиях для удовлетворения этим требованиям, для этого используются большие объемные скорости, повышенное давление, повышенную температуру и катализатор.

Принцип экологической безопасности реализован в том, что отходы производства этанола, диэтиловый эфир и ацетальдегид, можно собирать и использовать в различных отраслях промышленности.

Принцип технологической соразмерности представляет собой качественную оптимизацию условий проведения процесса. Такая оптимизация проводится с развитием технологий, появлением новых катализаторов, аппаратов и технологических приспособлений. Кинетика противоречит термодинамике. Эти противоречия решаются рециклом и использованием катализатора.

Список литературы

1. http://newchemistry.ru/letter.php?n_id=7275

2. Органическая химия: учебник / Н.А. Тюкавина [и др.]; под редакцией Н.А.Тюкавиной. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2015. - 640 с.: ил.

3. Кутепов А. М. и др. «Общая химическая технология». М. Высш. Шк., 1990.

4. Мухленов И. П. И др. «Общая химическая технология». М. Высш. Шк., 1984.

5. Тимофеев В. С., Серафимов Л. А. «Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза». М. Химия, 1992.

6. Лебедев Н. Н. «Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза». М. Химия, 1988.

Размещено на Allbest.ru

...