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.

Рисунок 1. Схема производства этилового спирта сернокислотной гидратацией этилена

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

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

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.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Задание:

1. Составить и описать технологическую схему производства этанола методом сернокислотной гидратации

2. Составить материальный баланс процесса

3. Рассчитать технологические и технико-экономические показатели

4. Реклама

В основу расчета принять следующие реакции:

C2H4+H2O > C2H5OH

2C2H5OH > (C2H5)2O + H2O

Исходные данные:

Пропускная способность этан-этиленовой фракции, кг/ч	300
Потери этанола в побочной реакции, % масс	7
Конверсия этилена, %	97
Состав этан-этиленовой фракции, % мас. 1. этилен 2. этан	67 33
Мольное соотношение этилен - водяной пар	1 : 1.5
Потери этилена, % масс	0,5

Расчет:

Материальный баланс:

Схема потоков:

	Приход	Расход
	кг/час	кмоль/час	кг/час	кмоль/час
C2H4	201	7.18	6 + 1потери	0,21 + 0,04потери
C2H5OH	0	0	296.41	6.44
(C2H5)2O	0	0	18.13	0,245
С2Н6	99	3.3	99	3.3
H2O (1)	193.86	10.77	69.12	3.84
H2O (2)	0	0	4.41	0,245
	1=493.86	2=494.07

Mr(C2H4)=12*2+1*4=28 кг/кмоль

Mr(C2H6)=12*2+6*1=30 кг/кмоль

Mr(C2H5ОН)=12*2+1*6+16*1=46 кг/кмоль

Mr((C2H5)2О)=12*4+1*10+16*1=74 кг/кмоль

Mr(H2О)=1*2+16*2=18 кг/кмоль

m(фракции)=300 кг/ч;

Масса этилена поданного на реакцию:

m (С2H4) - 67%

300 - 100%

mвсего(С2H4)=300*67/100=201 кг/ч

wвсего(С2H4)=201/28=7.18 кмоль/ч

m(С2Н6)= m(фракции) - m (С2H4) = 300 - 201 = 99 кг/ч

w(С2Н6)=99/30 = 3.3 кмоль/ч

Поданный водяной пар:

w( H2O(1)) = 1.5wвсего(С2H4) =10.77 кмоль/ч

m( H2O(1))= 10.77*18=193.86 кг/ч

Поданный этилен, учитывая потери:

mпод(С2H4) - 100 %

mп(С2H4) - 0.5%

mпотери(С2H4) = 201*0,5/100 = 1 кг/ч

wпотери (С2H4) = 1/28 = 0,04 кмоль/ч

mобщ (С2H4) = mвсего(С2H4) - mпотери(С2H4) = 201 - 1 = 200 кг/ч

Прореагировавший этилен:

mпрор(С2H4) - 97 %

200 - 100%

mпрор(С2H4) = 200*97/100 = 194 кг/ч

wпрор (С2H4) = 194/28 = 6.93 кмоль/ч

Непрореагировавший этилен:

mнепр(C2H4) = mобщ(C2H4) - mпрор(C2H4) = 200 - 194 = 6 кг/ч

wнепр(C2H4) = 6/28 = 0,21 кмоль/ч

Количество и масса этанола:

wвсего(C2H5ОН) = wпрор(C2H4) = 6.93 кмоль/ч

mвсего(С2H5ОН) = 6.93*46 = 318.78кг/ч

Прореагировало этанола:

mпрор(C2H5ОН) - 5 %

192,05-100 %

mпрор(C2H5ОН) = 192,05*5/100 = 9,603 кг/ч

wпрор(C2H5ОН) = 9,603/46 = 0,209 кмоль/ч

Непрореагировавшего этанола:

mост(C2H5ОН) = mвсего(C2H5ОН) - mпрор(C2H5ОН) = 192,05 - 9,603 = 182,447 кг/ч

wост(C2H5ОН) = 182,447/46= 3,966 кмоль/ч

Количество воды пошедшей на образование этанола:

wпрор( H2O(1)) = wвсего(C2H5ОН) = 6.93 кмоль/ч

Количество не прореагировавшей воды:

wост( H2O(1)) = wпод( H2O(1)) - wпрор( H2O(1)) = 10.77 - 6.93 = 3.84 кмоль/ч

mост( H2O(1)) = 3.84 * 18 = 69.12 кг/ч

Масса и количество этанола, пошедшее на образование диэтилового эфира:

mпрор(C2H5ОН) - 7 %

mвсего(C2H5ОН) - 100 %

mпрор(C2H5ОН) = 318.78 * 7/100 = 22.31 кг/ч

wпрор(C2H5ОН) = 2.31/46 = 0.49 кмоль/ч

Масса и количество не прореагировавшего этанола:

mост(C2H5ОН) = mвсего(C2H5ОН) - mпрор(C2H5ОН) = 318.48 - 22.31 = 296.41 кг/ч

wост(C2H5ОН) = 296.41/46 = 6.44 кмоль/ч

Полученно диэтилового эфира: на 2 моль (C2H5ОН) - 1 моль (С2Н5)2О

wпрор (C2H5ОН) - w ((C2H5)2О)

w ((C2H5)2О) = 0.49*1/2 = 0,245 кмоль/ч

m ((C2H5)2О) = 0,245 * 74 = 18.13 кг

Найдем количество и массу воды, образовавшейся во второй реакции:

w( H2O(2)) = w((С2Н5)2О) = 0,245 кмоль/ч

m( H2O(2) ) = 0,245 * 18 = 4.41 кг/ч.

Технологические и технико-экономические показатели процесса

1. Пропускная способность установки: 493.86 кг/ч

2. Конверсия этилена : 97 %

3. Выход на поданное сырье:

1) Фактический выход:

QФ = m(C2H5ОН) = 296.41 кг;

2) Теоретический выход:

Mr(СН2) Mr(C2H5ОН), 28 46,

m(C2H4) QТ; 201 QТ ;

QТ = 330.21 кг;

Выход C2H5ОН по C2H4

СН3СОН = QФ / QТ * 100% = 89.76 %

4. Теоретический выход на превращенное сырье:

Mr(C2H4) Mr(C2H5ОН), 28 46,

mпр(C2H4) QТ'; 194 QТ' ;

QТ' = 318.71 кг;

' СН3СОН = QФ / QТ' * 100% = 93 %

5. Теоретические расходные коэффициенты по сырью:

по C2H4 :

т = Mr(C2H4) / Mr(C2H5ОН) = 28 / 46 = 0,61 кг/кг;

по Н2О:

т : = Mr(Н2О) / Mr(C2H5ОН) = 18/46 = 0.39 кг/кг.

6. Фактические расходные коэффициенты:

по C2H4:

ф = mтехн(C2H4) / m(C2H5ОН) = 300/296.41 = 1.01 кг/кг;

по Н2О:

ф = mтехн(C2H4) / m(C2H5ОН) = 193/296.41 = 0.65 кг/кг.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. Изд. 2-е, пер. М., "Химия", 2005, 736 с.

2. Юкельсон И.И. Технология основного органического синтеза. М.: "Химия", 2008, 846 с.

3. Общая химическая технология /Под ред. А.Г.Амелина. М.: "Химия", 2007, 400 с.

4. Расчеты химико-технологических процессов /Под ред. И.П.Мухленова. Л.:Химия, 2008, 300 с.