Синтез этилового спирта
70 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%. ВведениеЭтилен 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 обзор1.1 Методы полученияЭтиловый 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 сырьяСущность 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 + 2С02В 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 2С6Н12Овмальтоза глюкозаГлюкозу 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 брожениемДревесина 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 хС6Н12О6целлюлоза глюкозакоторая 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.JРаспространение 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 щёлоковЭтиловый 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 С2H5OSO2OHмоноалкилсульфат2С2Н4 + H2S04 (C2H6О)2SО2ДиалкилсульфатЭти эфиры при взаимодействии с водой превращаются в этиловый спирт, выделяя кислоту:С2H5OSO2OH + Н2О C2H5OH + H2SО4(С2H5О)2SO2 + 2H2О 2С2H5OH + H2SО4При 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.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
|
