Реферат: Производство этилового спирта

Производство этилового спирта

Федеральное агентство по образованию

Томский государственный университет (ТГУ)

Химический факультет

Реферат

Тема: Производство этилового спирта

Выполнила:

Солтыс Е.В.

Томск 2013

План

Введение

. Характеристика целевого продукта

. Транспортировка и хранение

. Экологическая безопасность

. Характеристика исходного сырья

. Физико-химическое обоснование основных процессов производства этилового спирта

.1 Спиртовое брожение

.2 Сернокислая гидратация этилена

. Описание технологической схемы процесса производства этилового спирта

.1 Структурная схема процесса

.2 Операторская схема процесса

. Расчет материального баланса ХТС

.1 Блок-схема

.2 Пересчет единиц

.3 Условная постоянная информация

.4 Балансовая математическая модель

.5 Соответствие переменных потокам

.6 Упорядочение переменных

.7 Материальный баланс ХТС производства этанола на 7900 кг этиленэтановой фракции

.8 Расчет основных технологических показателей процесса

.9 Поточная диаграмма

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Спиртами называются органические вещества, молекулы которых содержат одну или несколько функциональных гидроксильных групп, соединенных с углеводородным радикалом.

Этиловый спирт широко используют в различных областях промышленности и прежде всего в химической. Из него получают синтетический каучук, уксусную кислоту, красители, эссенции, фотопленку, порох, пластмассы. Спирт является хорошим растворителем и антисептиком. Поэтому он находит применение в медицине, парфюмерии. В больших количествах этиловый спирт идет для получения спиртоводочных изделий.
Таким образом, этиловый спирт относится к числу многотоннажных продуктов основного органического синтеза, мировое производство этилового спирта составляет свыше 2,5 млн. т/г (по объему производства занимает первое место в мире среди всех органических продуктов).

1. Характеристика целевого продукта

Этанол C2H5OH (метилкарбинол, этиловый спирт) - бесцветная подвижная жидкость с жгучим вкусом и характерным запахом, температура кипения 78,39°С, температура плавления -114,15°С, плотность 0,794 т/м3. Этанол смешивается во всех отношениях с водой, спиртами, глицерином, диэтиловым эфиром и другими органическими растворителями. С некоторыми из них (водой, бензолом, этилацетатом, хлороформом) он образует азеотропные смеси различного состава. С водой дает азеотропную смесь, содержащую 95,6% спирта и, кипящую при температуре 78,1°С. В виде такого ректификата этиловый спирт обычно и употребляют в технике. Температура самовоспламенения этанола составляет 422,8°С. С воздухом образует взрывоопасные смеси в пределах концентраций 20% (по объему). Температура вспышки 13,0°С.

А спирт содержащий только доли процента воды - абсолютным спиртом. Такой спирт получают химической обработкой в присутствии водоотнимающих средств (например, свежепрокаленного СаО). Этанол образует алкоголяты с солями кальция и магния, например: CaCl2*4C2H5OH и MgCl2*6C2H5OH.

2. Транспортировка и хранение

Этиловый спирт перевозится в железнодорожных цистернах, автоцистернах, в бочках, бутылях и во флягах автомобильным транспортом в соответствии с Правилами перевозки опасных грузов. Этиловый спирт хранят на складах в специально оборудованных и предназначенных для него металлических резервуарах в соответствии с правилами приемки, хранения, отпуска, транспортирования и учета этилового спирта. Допускается хранить этиловый спирт на складах, предназначенных для хранения огнеопасных продуктов, в упаковке изготовителя.

3. Экологическая безопасность

Этиловый спирт - сильный наркотик. Попадая в организм, он быстро всасывается в кровь и приводит организм в возбужденное состояние, при котором человеку трудно контролировать свое поведение. Употребление спирта часто является основной причиной тяжелых дорожно-транспортных аварий, несчастных случаев на производстве и бытовых преступлений. Спирт вызывает тяжелые заболевания нервной и сердечно-сосудистой систем, а также желудочно-кишечного тракта. Спирт опасен в любой концентрации (водка, настойки, вино, пиво и т.д.). Этиловый спирт, применяемый для технических целей, специально загрязняют дурно пахнущими веществами. Такой спирт называют денатуратом (для этого спирт подкрашивают, чтобы отличить его от
чистого спирта).

4. Характеристика исходного сырья

В качестве исходного сырья в производстве этилового спирта используется этилен. В настоящее время основным способом его получения является пиролиз (высокотемпературный крекинг) углеводородов. Пиролизу подвергают фракции прямой перегонки нефти, состоящие алканов, циклоалканов, аренов, природные и попутные нефтяные газы, содержащие алканы. Этилен образуется в результате реакций распада тяжелых алканов и дегидрирования низкомолекулярных алканов. Потенциальный выход этилена зависит от вида исходного сырья. Виды сырья, используемые в мировом производстве этилена, и их доля в общем балансе производства следующие:

Лучшим сырьем являются парафины, поскольку с повышением содержания водорода в исходных углеводородах выход алкенов возрастает.

5. Физико-химическое обоснование основных процессов производства этилового спирта

.1 Спиртовое брожение

Известный с давних времён способ получения этанола - спиртовое брожение органических продуктов, содержащих углеводы (виноград, плоды и т. п.) под действием ферментов дрожжей и бактерий. Аналогично выглядит переработка крахмала, картофеля, риса, кукурузы, источником получения топливного спирта является вырабатываемый из тростника сахар-сырец и проч. Реакция эта довольно сложна, её схему можно выразить уравнением:

C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2

В результате брожения получается раствор, содержащий не более 15 % этанола, так как в более концентрированных растворах дрожжи обычно гибнут. Полученный таким образом этанол нуждается в очистке и концентрировании, обычно путем дистилляции.

Современная промышленная технология получения спирта этилового из пищевого сырья включает следующие стадии:

Подготовка и измельчение крахмалистого сырья - зерна (прежде всего - ржи, пшеницы), картофеля, кукурузы и т.п.

Ферментация. На этой стадии происходит ферментативное расщепление крахмала до сбраживаемых сахаров. Для этих целей применяются рекомбинантные препараты альфа-амилазы, полученные биоинженерным путем - глюкамилаза, амилосубтилин.

Брожение. Благодаря сбраживанию дрожжами сахаров происходит накопление в бражке спирта.

Брагоректификация. Осуществляется на разгонных колоннах (например, «Комсомолец»).

Отходами бродильного производства являются углекислый газ, барда, эфиро-альдегидная фракция, сивушный спирт и сивушные масла.

Спирт, поступающий из брагоректификационной установки (БРУ) не является безводным, содержание этанола в нем до 96,6 %. В зависимости от содержания в нем посторонних примесей, его разделяют на следующие категории:

сорт

базис

Экстра

Люкс

Альфа

Производительность современного спиртового завода около 30000-100000 литров безводного спирта в сутки. Этот способ сохранился и до сих пор, но он связан с большими затратами пищевого сырья и не может удовлетворить промышленность.

В промышленных масштабах этиловый спирт получают из сырья, содержащего целлюлозу (древесина, солома), которую предварительно гидролизуют. Образовавшуюся при этом смесь пентоз и гексоз подвергают спиртовому брожению. В странах Западной Европы и Америки эта технология не получила распространения, но в СССР (ныне в России) существовала развитая промышленность кормовых гидролизных дрожжей и гидролизного этанола.

5.2 Сернокислая гидратация этилена

Сернокислый способ, предложенный А.М. Бутлеровым, получил промышленное осуществление только в послевоенные годы. Он состоит из следующих четырех стадий: 1) абсорбция этилена серной кислотой с образованием сернокислых эфиров; 2) гидролиз эфиров; 3) выделение спирта и его ректификация; 4) концентрирование серной кислоты.

Взаимодействие между этиленом и серной кислотой состоит из двух этапов: первый - физическое растворение этилена в серной кислоте и второй - гомогенное взаимодействие обоих компонентов с образованием алкилсульфатов по уравнениям:

C2H4 + H2SO4 = C2H5OSO3HH5OSO3H + C2H4 = (C2H5O)2SO2.

Поглощение (абсорбция) этилена серной кислотой - процесс обратимый, экзотермический (DH=-50232 кДж/моль), протекает с уменьшением объема.

Скорость абсорбции этилена описывается уравнением:

dG/dt = K*F*P*f(с),

где G - количество поглощаемого этилена, t - время, К - коэффициент, зависящий от интенсивности диффузии, и, следовательно, от интенсивности контакта реагентов (барботаж, перемешивание и т.д.), F - поверхность контакта реагентов, Р - парциальное давление этилена, f(c) - множитель, зависящий от концентрации серной кислоты.

Так, абсорбция этилена 93%-ной кислотой протекает в 10 раз медленнее, чем при концентрации 97,5%. Однако, применение для абсорбции этилена олеума нецелесообразно, т.к. при этом снижается выход этанола из-за образования побочных продуктов - сульфосоединений и повышенного образования полимеров.

При прочих равных условиях скорость абсорбции этилена увеличивается с ростом температуры и парциального давления, однако, при температуре выше 900С начинается интенсивное образование полимеров. Увеличение парциального давления этилена выше 2 МПа становится тоже малоэффективным.

Фактором, ускоряющим процесс абсорбции, является наличие в исходной серной кислоте этилсульфатов, которые, обладая свойствами эмульгаторов, увеличивают поверхность контакта вследствие пенообразования, и тем самым способствуют более быстрому и полному растворению этилена.

В настоящее время в промышленных установках приняты следующие условия абсорбции этилена: концентрация серной кислоты 97-98%, температура 80-850С, парциальное давление этилена на входе в абсорбер 1-1,5МПа, содержание пропилена и высших олефинов в исходной этилен-этановой фракции <0,1%. В ходе второй стадии идет гидролиз этил - и диэтилсульфата по уравнениям:

C2H5OSO3H + H2O à C2H5OH + H2SO4,

(C2H5O)2SO2 + 2H2O à 2 C2H5OH + H2SO4

Эта стадия также обратима, для обеспечения ее протекания необходим избыток воды, и, по возможности, быстрое удаление спирта из зоны реакции, т.к. кроме основной реакции идет образование диэтилового эфира:

(C2H5O)2SO2 + C2H5OH à C2H5OC2H5 + C2H5OSO3H,

(C2H5O)2SO2 + H2O à C2H5OC2H5 + H2SO4.

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. При принятом методе экстрагирования в экстракт переходит 70-75% полимеров, значит, до 30% полимеров остается в разбавленной кислоте;

концентрирование отработанной серной кислоты. Эта часть технологического процесса является самым слабым звеном во всем методе сернокислой гидратации. Во-первых, концентрировать кислоту удается лишь до 88-90%, а, во-вторых, такой процесс концентрирования из-за высокой температуры топочных газов приводит к ощутимым потерям серной кислоты от раскисления, сопровождающегося выбросом вредного SO2 в атмосферу;

неиспользованные возможности экономии энергетических средств.

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

Таким образом, процесс сложный, обратимый, несмещенный (таблица 1), экзотермический, протекает с уменьшением объема.

Таблица 1. Равновесный выход этанола.

Следует обратить внимание на два физико-химических фактора, которые определяют основные технологические параметры процесса. Прежде всего, это активность катализатора, которая имеет решающее значение для определения температуры процесса. Катализаторами прямой гидратации могут служить фосфорная кислота и ее соли. Чаще всего используется фосфорная кислота концентрацией 85-87% на таких носителях, как алюмосиликаты, силикагели, пемза и др.; значительная часть кислоты (до 35%) находится в свободном состоянии. Активность этого катализатора является невысокой. Только при температуре 280-3000С ее можно считать более или менее приемлемой для промышленных условий. При более высокой температуре в значительной мере развиваются побочные процессы: полимеризация этилена, усиленное образование эфира и т.д.

Другим отправным фактором в газофазном процессе выступает весьма низкая по сравнению с этиленом летучесть воды, которая имеет решающее значение для определения давления процесса. Последнее, при прочих равных условиях, зависит от парциального давления паров воды, т.е. тоже от температуры.

Таким образом, температура становится важнейшим параметром, определяющим не только скорость, но и общее давление процесса. Так, в соответствии со стехиометрическим уравнением реакции, для эквимолярной смеси этилена и паров воды, парциальное давление последних должно составлять примерно половину от общего давления. Однако с целью предотвращения конденсации водяного пара в самом реакторе, что приводит к разбавлению фосфорной кислоты и парализует действие катализатора, парциальное давление паров воды, а, значит, и общее давление, должно быть несколько ниже. И действительно, в промышленности применяют общее давление около 8,0МПа.

Имеются и другие пути, предотвращающие появление водяного конденсата. Во-первых, это повышение температуры. Однако, в силу экзотермичности процесса, этот путь принципиально непригоден, т.к. приводит к снижению конверсии этилена и интенсификации побочных процессов. Во-вторых, это снижение парциального давления паров водяного пара за счет повышения парциального давления этилена. Однако, этот путь тоже непригоден. Он также приводит к снижению выхода этанола, т.к. оптимальным соотношением между реагирующими компонентами является эквимолярное. Мольное соотношение, используемое в промышленности, этилен - пары воды равно 1 : 0,6-0,8.