Синтез этилового спирта

Процесс производства этилена и других олефинов из углеводородного сырья включает стадии пиролиза углеводородов, компримирования газа пиролиза, удаления тяжелых углеводородов, осушки, разделения (газофракционирование), удаление сероводорода, диоксида углерода и ацетилена. этилена являются этан, пропан и бутан, содержащиеся в попутных газах нефтедобычи и в нефтезаводских

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:

1 (22)

водой этилаты  омыляются до С₂Н₅ОН и NаОН. При действии на этиловый спирт кислот образуются сложные эфиры. Концентрированная H₂SO₄ образует с этиловым спиртом этилсерную кислоту:

1 (23)

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

1 (24)

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

1 (25)

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

1 (26)

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

1 (27)

Над активированной окисью алюминия этиловый спирт дегидратируется до этилена:

1 (28)

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 .

4. Расчётная часть.

4.4.1 Расчет материального баланса процесса

1 (29)

На образование 1кмоль спирта идёт 22,4 м³ этилена:

1  (30)

 

С учётом степени превращения  на стадиях процесса:

1 (31)

 

Вместе с этиленом будет подано этана в количестве:

 

Всего этан – этиленовой фракции:

м³ +8288,621м³ = 9751,319м³

Определим расход этилена:

G (C₂H₄) = (*28)/22,4 = 10360,776 кг

Определим расход этана:

G (C₂H₆) = (1462,698*30)/22,4 = 1958,971 кг

Всего этан – этиленовой фракции:

10360,776 кг + 1958,971кг =12319,747кг = 12,320 тонн

Для получения 1 кмоль этанола требуется 1 кмоль воды. Определим расход воды для производства  16000 кг этилового  спирта:

G (Н₂O) = 18*16000 / 46 = 6260,870кг

Таблица 2. Материальный баланс.

Приход	кг	Расход	кг
Этиленовая фракция Вода	12319,747 6260,870	Этанол Этан	16000 1958,971
Итого:	18580,617	Итого:	17958,971

 

 

4.4.2 Расчёт теплового баланса процесса.

Тепловой  баланс процесса рассчитываем на основании уравнения

,1  (32)

где G – количество вещества, с – средняя теплоемкость этого вещества, t – температура, отсчитанная от какой-либо точки (обычно от 0⁰С).

Рассчитываем количество теплоты, вносимое водой:

 

 

Рассчитывает количество теплоты, вносимое этиленовой фракцией:

Теплоёмкость этиленовой фракции рассчитываем по уравнению

1 (33)

 

 

 

 

Определим количество теплоты, уносимое этаном:   t=220⁰С

Q (С₂H₆) = 1958,971*(5,75+175,11*10^-3*493 - 57,85*10^-6*493²)*(300-220) =22086,3 кДж/час

Определим количества теплоты, уносимо этанолом:

Q (C₂H₅OH) = G*с*t,        t=220⁰С

G (C₂H₅OH) = 16000 кг/час

с = (10,99 + 204,7*10^-3 *493 - 74,2*10^-6 *493²) =93,88 Дж/моль*К

Q (C₂H₅OH) = G*с*t = 16000*93,88*(300-220) = 120166,4кДж/час

Количество  теплоты, уносимое из реактора с помощью  холодильников:

Qп =Q (H₂O) + Q (эт.фр.) – Q (C₂H₆)-Q (C₂H₅OH)=

=30294,125+ 123781,4-22086,3- 120166,4=27822,8кДж/час

Расход воды в холодильниках:

с (Н₂О) = 33,61 Дж/моль*К

G(воды в холодильниках) = Qп/(с(воды)*(t_кон – t_нач)) =

 =27822,8*1000/33,61*(300-220)= 10347,7кг/час

 

  Таблица 3. Тепловой баланс.

Приход	кДж	Расход	КДж
Этиленовая фракция Вода	123781,4   30294,1	Реакционная смесь Этан Вода в холодильниках	120166,4 22086,3 10347,7
Итого:	154075,5	Итого:	152600,4

 

4.4.3 Термодинамический расчет

1 (34)

Зависимость удельной изобарной теплоемкости от температуры выражается уравнениями

с_р = а + bТ + сТ²         ( для органических веществ) (35)

с_р = а + bТ + сТ^-2        (для неорганических веществ) (36)

Изменение удельной изобарной теплоемкости считается  по уравнению:

Δс_р = Δс_р(продуктов) – Δс_р(исходных веществ)

 

Изменение удельной изобарной теплоемкости для данной реакции:

Δс_р = с_р(C₂H₅O H) – с_р(С₂Н₄) -  с_р(Н₂O) = Δс_р (органич.) – с_р(Н₂O) (37)

Δа = 11,32

Δb =  122,1*10^-3

Δс =  -37,90*10^-6

Δс_р (органич.) =11,32+ 122,1*10^-3 Т – 37,9*10^-6 Т²

 

Энтальпия реакции при данной температуре  рассчитывается по формуле:

ΔН⁰₄₉₃ = ΔН⁰₄₉₃ (C₂H₅OH) - ΔН⁰₄₉₃(С₂Н₄) - ΔН⁰₄₉₃(Н₂O) =  ΔН⁰₂₉₈ + ∫Δс_рdT =

= ΔН⁰₂₉₈ + ∫(Δс_р (органич.) – с_р(неорганич.) )dT

ΔН⁰₂₉₈ = ΔН⁰₂₉₈ (продуктов) - ΔН⁰₂₉₈ (исходных веществ)

ΔН⁰₂₉₈ = ΔН⁰₂₉₈ (C₂H₅OH) - ΔН⁰₂₉₈(С₂Н₄) - ΔН⁰₂₉₈(Н₂O) = -276,98-52,30+241,81=                                         

= -87,47 кДж/моль

ΔН⁰₄₉₃ = -87,47 кДж/моль + ∫( (11,32+ 122,1*10^-3 Т – 37,9*10^-6 Т² ) –

• (30,00 + 10,71*10^-3 Т + 0,33*10⁵Т^-2) )dT Дж/моль = -87,47кДж/моль + 11,32*(573-493) + 0,5*122,1*10^-3*(573² – 493²) –0,33*37,9*10^-6*(573³ – 493³) – (30,00*(573-493) + 0,5*10,71*10^-3*(573²- 493²) - 0,33*10⁵*(573^-1 – 493^-1)) =

= -87,47 кДж/моль +2,41 кДж/моль = -85,06 кДж/моль

 

Энтропию реакции при 493 К рассчитаем по уравнению:

ΔS₄₉₃ = ΔS₄₉₃ (C₂H₅OH) – ΔS₄₉₃(С₂Н₄) -Δ S₄₉₃(Н₂O) (38)

ΔS₄₉₃ = ΔS₂₉₈ + ∫Δc_p/T dT = ΔS₂₉₈ + ∫(Δc_p(орг.)/T - c_p (Н₂O)/T )dT

ΔS₂₉₈ = ΔS₂₉₈ (C₂H₅OH) – ΔS₂₉₈(С₂Н₄) -Δ S₂₉₈(Н₂O) 

ΔS₂₉₈ = ΔS₂₉₈ (C₂H₅OH) – ΔS₂₉₈(С₂Н₄) -Δ S₂₉₈(Н₂O) = 160,67 - 219,45-188,72 =

         = -247,5 Дж/моль*К

ΔS₄₉₃ = ΔS₂₉₈ + ∫(Δc_p(орг.)/T - c_p(Н₂O)/T ) dT = -247,5 + ∫(11,32*Т^-1 + 122,1*10^-3 – 37,9*10^-6 Т) - (30,00 *Т^-1+ 10,71*10^-3  + 0,33*10⁵Т^-3) dT = -247,5 + ∫(-18,68*Т^-1 + 111,39*10^-3 – 37,9*10^-6*Т - 0,33*10⁵*Т^-3)dT = -247,5 -18,68 ln |573-493| + 111,39*10^-3 (573-493) –0,5*37,9*10^-6*(573² – 493²) –0,5* 0,33*10⁵* (573^-2 – 493^-2) =-247,5-81,86+8,9-1,62+0,02= -322,06 Дж/моль*К

Энергия Гиббса для реакции при 493К вычисляется по уравнению:

1 (39)

ΔG₄₉₃= ΔН⁰₄₉₃ – ΔS₄₉₃* 493 = -85,06 –(-0,32206)*493 = -73,72 кДж/моль

Так как реакция является обратимой, найдём значение константы равновесия:

при Т=573 К (на выходе):

1 (40)

 

 

5. Отходы и  их обезвреживание.

 

 

 

Процесс производства синтетического этилового  спирта методом прямой гидратации этилена  связан с применением и образованием токсичных, взрывоопасных и пожароопасных веществ.

Для уменьшения и предотвращения вредных выбросов в атмосферу газов, содержащих токсичные углеводороды,(этилен, диэтиловый эфир, ацетальдегид и др.) имеются следующие возможности:

- строгое  соблюдение технологического режима ( при этом снижается количество  выбросов через предохранительные  клапаны и воздушники, уменьшаются частота остановок и связанное с ними сбрасывание газов );

- монтаж и  эксплуатация оборудования в  соответствии с правилами (это  предупреждает газовые выбросы через неплотности).

Процесс синтеза этилового спирта сопровождается значительным уносом фосфорной кислоты, которая может вызвать коррозию оборудования и трубопроводов. Поэтому одной из стадий процесса является нейтрализация продуктов реакции, выходящих из гидрататора в парогазовой фазе путем взаимодействия с подщелоченным водно-спиртовым конденсатом. Образующиеся при нейтрализации соли фосфорной кислоты (0,4-0,5 кг на 1 т спирта) растворяются в водно-спиртовом конденсате и пройдя вместе с продуктами реакции через теплообменник-рекуператор, котлы-утилизаторы, сепараторы и т.д. поступают на узел ректификации и выводятся из системы вместе с обратной промывной водой в канализацию.

В процессе гидратации этилена образуются побочные продукты: диэтиловый эфир, ацетальдегид, полимеры этилена, являющиеся отходами производства. Значительная часть этих соединений удаляется при ректификации и очистке этилового спирта.

Основным  методом очистки синтетического этилового спирта от примесей является гидрирование его в паровой фазе на никельсодержащих катализаторах  при температуре до 105^о и давлении до 5 атм, а также ректификация этилового спирта в присутствии щелочи.

С целью улучшения качества спирта и снижения содержания углеводородов  в сточных водах производства синтетического этанола в настоящее  время на стадии переработки спирта-сырца проводится отвод жидкостной фазы (в составе которой отходы производства - полимеры) с содержанием спирта 40 - 80 об. % с последующим ее разбавлением до содержания спирта 10 - 20 об. % и направлением в отстойник.

Полимеры, являясь водонерастворимыми органическими продуктами, хорошо растворяются в этиловом спирте и в процессе ректификации накапливаются в колонне, достигая максимальной концентрации (17 - 35 об. %) в той части колонны, где концентрация спирта 40 - 80 об.%.

Выделившиеся  при разбавлении полимеры отделяют от водноспиртового слоя во флорентийском  сосуде, выводят в сборник и далее в канализацию, а водноспиртовой слой направляют обратно в колонну на тарелку питания.

Способ позволяет  улучшить качество стоков по химическому  поглощению кислорода на 60 - 65 %, что облегчает очистку сточных вод на биоочистных сооружениях.

Для поддержания высокой концентрации этилена (98,5 %)в процессе гидратации проводят отдувку циркулирующего газа, который после отмывки паров спирта в скруббере, поступает в цех газоразделения для переработки совместно с газом пиролиза.

Для вывода с установки инертных газов (метан, этан и др.) часть газа из верхней части кольцевого коллектора при 40 - 45 кгс/см² передают через подогреватель в цех газоразделения для переработки.

 

6. Мероприятия по технике безопасности.

 

 

1. Общие положения.

 

Производство  синтетического этилового спирта относится  к пожаро- и взрывоопасным производствам. Кроме того, в цехе используются токсичные и едкие вещества. Основными моментами, определяющими опасность в производстве, являются:

• наличие жидких и газообразных продуктов, образующих с воздухом взрывоопасные смеси с низким пределом взрываемости,
• ведение процесса при высоких давлениях (до 100кгс/см²) и высоких температурах ( до 450⁰ С );
• наличие тока высокого напряжения для электродвигателей;
• токсичность сырья, вспомогательных реагентов и готовой продукции;
• образование статического электричества при движении газов и жидкостей по трубопроводам и аппаратам.

Поэтому проведение всех производственных процессов  требует строжайшего соблюдения правил и инструкций по технике безопасности для взрыво- и пожароопасных химических производств.

К самостоятельной работе допускается  только обученный и аттестованный  квалификационной комиссией персонал. В процессе работы производят проверку знаний техники безопасности и безопасного ведения технологического процесса для обслуживающего персонала по рабочим местам не реже одного раза в год и не реже одного раза в три года для ИТР.

Персонал, обслуживающий оборудование, работающее под давлением, обучают и аттестуют согласно «Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением».

Следят, чтобы содержание вредных веществ в рабочей зоне производственных помещений не превышало предельно допустимых концентраций (ПДК). Для этого всю технологическую аппаратуру тщательно герметизируют.

Во избежание  пожаров строго соблюдать «Инструкцию по применению противопожарных средств». На всех рабочих местах содержать в исправном состоянии и постоянной готовности противопожарный инвентарь, первичные и стационарные средства пожаротушений.