Производство этилового спирта

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.

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 78,10С.

Этиловый спирт - конечный продукт производства. Физические свойства этилового спирта описаны во введении данной работы. Рассмотрим теперь, что же представляет этиловый спирт по своим химическим свойствам. При взаимодействии этилового спирта с щелочными металлами образуются этилаты: 2С2Н5ОН + 2Nа2С2Н5ОNа + Н2; водой этилаты омыляются до С2Н5ОН и NаОН. При действии на этиловый спирт кислот образуются сложные эфиры. Концентрированная H2SO4 образует с этиловым спиртом этилсерную кислоту

С2Н5ОН + Н2SО4 С2Н5НSО4 + Н2О;

При взаимодействии этилового спирта с уксусной кислотой в присутствии конц. серной кислоты или других катализаторов получается этилацетат:

С2Н5ОН + СН2СООН С2Н5ОСОСН3 + Н2О

При дегидрировании этилового спирта в присутствии катализаторов(серебро, медь) образуется ацетальдегид:

С2Н5ОН СН3СНО

Если пропускать пары этилового спирта над сложным катализатором при 380-400о нормальном давлении, происходит дегидратация и дегидрогенизация этилового спирта (способ С.В. Лебедева) с образованием бутадиена - 1,3 (дивинила):

2С2Н5ОН СН2 СН - СН = СН2 + 2Н2О + Н2

Нагреванием этилового спирта до 140о в присутствии Н2SО4 образуется диэтиловый эфир:

2C2Н5ОН (С2Н4)2О + Н2О

Над активированной окисью алюминия этиловый спирт дегидратируется до этилена:

С2Н5ОН СН2=СН2 + Н2О

При каталитическом взаимодействии этилового спирта с аммиаком образуются моно-, ди- и триэтиламины.

Этиловый спирт - наркотик, возбуждающе действующий на организм. Длительное воздействие больших доз может вызвать тяжелые органические заболевания нервной системы, печени, сердечно-сосудистой системы, пищеварительного тракта и т.д.

Предельно-допустимая концентрация этилового спирта в воздухе рабочей зоны 1000 мг/м3 .

2.1 Направления использования этилового спирта

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.

3. 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:

(C6H10O5)x + xH2O xC6H12O6,

C6H12O6 2C2H5OH + 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).

3.1 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.

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;

- малоэффективное удаление полимеров однократным экстрагированием;

- концентрирование отработанной серной кислоты;

- неиспользованные возможности экономии энергетических средств.

3.2 Парофазная гидратация этилена

Наиболее разработанным применительно к имеющимся промышленным установкам в настоящее время является процесс газофазной гидратации:

CH2=CH2(г.) + H2O(г.) = C2H5OH(г.) + 41868Дж/моль.

Механизм:

CH2=CH2 + Н+ СН3-СН2+,

СН3-СН2+ + Н2О СН3-СН2-ОН2+,

СН3-СН2-ОН2+ СН3-СН2-ОН + Н+.

Но наряду с основной реакцией идут параллельные и последовательные побочные реакции:

C2H4 + H2O = C2H5OC2H5,

n(C2H4) = (-CH2-CH2-)n.

Таким образом, процесс сложный, обратимый, несмещенный (см. таблицу), экзотермический, протекает с уменьшением объема.

4. Технологическая схема производства этанола методом сернокислотной гидратации

Технологическая установка производства этанола прямой гидратацией этилена состоит из трех отделений: гидратации этилена, ректификации водно-спиртового конденсата, катализаторного отделения.

Этиловый спирт-- (этанол) кипит при 78,3 °С; смесь C2H5ОН [30% (об.)] с воздухом взрывоопасна; с водой спирт образует азеотропную смесь, содержащую 95,6% C2H5OH; кипящую при 78,1 °С. Этиловый спирт широко применяется в пищевой и медицинской промышленности, является компонентом жидкостного ракетного топлива, антифризом и т. д. Особенно широко этанол используется как полупродукт органического синтеза, и, в частности, для получения сложных эфиров, хлороформа, хлораля, ацетальдегида, уксусной кислоты, бутадиена и других продуктов. По объему производства синтетический этиловый спирт занимает первое место среди других органических соединений. Ранее этиловый спирт получали из пищевого сырья -- картофельного крахмала и некоторых зерновых культур, однако этот способ связан с большими затратами пищевого сырья. Кроме того, его получают гидролизом древесины (гидролизный спирт). Этанол получают сернокислотной и прямой гидратацией этилена. При сернокислотном способе получения этанола (рисунок 1) этилен под давлением 1,5--2,5 МПа поступает в абсорбер барботажного типа, орошаемый 97%-ной серной кислотой. Температура в абсорбере 65--75 °С. Серная кислота в этом процессе является катализатором и реагентом, Этилен взаимодействует с серной кислотой с образованием моноэтилсульфата C2H5OSO3H и диэтилсульфата (C2H5O)2SO2

C2H4 + H2SO4 > С2H5OSO3H + Q

2C2H4 + H2SO4 > (C2H5O)2SO2 + Q

Газы, не поглощенные в абсорбере 1, проходят водяной 2 и щелочной 3 скрубберы и далее могут быть использованы как топливо.

Этилсульфаты и серная кислота из абсорбера 1 поступают в гидролизер 6, в который подается вода. В гидролизере при давлении 1 МПа и температуре 70--90 °С происходит гидролиз этилсульфатов

С2Н5ОSO3H + H2O > С2Н5ОН + H2SO4

(С2Н5О)2SO2 + 2H2O > 2С2Н5ОН + H2SO4

1-- тарельчатый абсорбер; 2, 3 -- скрубберы; 4 -- холодильник; 5 -- колонна; 6 -- гидролизер.

Рисунок 1 - Схема производства этилового спирта сернокислотной гидратацией этилена

Пары спирта и воды далее проходят холодильник 4, где они конденсируются; конденсат поступает в ректификационную колонну 5 для разгонки и очистки от примесей. Разбавленная кислота (50%) выводится из гидролизера, направляется на концентрирование и снова возвращается в процесс. При ректификации концентрация этилового спирта достигает 95--96%. По этому способу из 1 т этилена получают 1,2 т этанола и около 100 кг этилового эфира.

Список использованной литературы

этиловый спирт гидратация

1 Мухленов И. П., Авербух А. Я., Кузнецов Д. А. и др. Под редакцией И.П. Мухленова. Важнейшие химические производства /. - М. : Высш. шк.,1984.

2 Тимофеев В. С., Серафимов Л.А. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза / В. С. Тимофеев, Л. А. Серафимов. М. : Химия, 1992.

3 Лебедев Н. Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза / Н.Н. Лебедев. М. : Химия, 2005. - 736 с.

4 Юкельсон И. И. Технология основного органического синтеза / И. И. Юкельсон. М. : Химия, 2008. - 846 с.

Размещено на Allbest.ru