Получение этанола прямой гидратацией этилена

Министерство образования  и науки РФ

Федеральное государственное  автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Московский ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт нефти  и газа

Кафедра ТПН  и ПЭ

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

по дисциплине: «Технологии основных производств»

на тему: «Получение этанола прямой гидратацией этилена»

 

 

 

 

                                                                                                           

 

 

 

 

Выполнила: Пушкина О. Д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Ставрополь 2013г

 

Содержание

 

 

Введение

 

Этанол принадлежит к  числу многотоннажных и широко применяемых  продуктов органического синтеза. 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.

Этиловый спирт, применяемый для технических целей, специально загрязняют дурно пахнущими веществами. Такой спирт называют денатуратом

(для этого  спирт подкрашивают, чтобы отличить  его отчистого спирта).

Так же спирт широко используется в топливной промышленности. Спирт вместо бензина – это двойная выгода. Большинство стран в мире планируют перейти с бензина на этанол в национальных масштабах.

 

1. Теоретические основы процесса

1. Назначение процесса, характеристики сырья и получаемых продуктов

 

В качестве исходного сырья в производстве этилового спирта используется этилен. Является простейшим алкеном(олефином), изологом этана. При нормальных условиях — бесцветный горючий газ со слабым запахом. Частично растворим в воде (25,6 мл в 100 мл воды при 0°C), этаноле (359 мл в тех же условиях). Хорошо растворяется в диэтиловом эфире и углеводородах. Содержит двойную связь и поэтому относится к ненасыщенным или непредельным углеводородам. Играет чрезвычайно важную роль в промышленности, а также является фитогормоном. Этилен — самое производимое органическое соединение в мире. В настоящее время основным способом его получения является пиролиз (высокотемпературный крекинг) углеводородов. Пиролизу подвергают фракции прямой перегонки нефти, состоящие из 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:

Таблица 1 – Баланс производства этилена

Сырье	Этан	Пропан	Бутан	Бензин	Газойль
Доля, %	36	11	3	47	3

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

Этанол (метилкарбинол, этиловый спирт) – бесцветная подвижная жидкость с жгучим вкусом и характерным запахом. Температура кипения этанола 78,4˚C, температура плавления -114,15˚C, 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. Азеотропная смесь с водой, содержащая 95,6% об. этанола, кипит при постоянной температуре 78,1°С. Поэтому, для получения безводного ("абсолютного") этанола в промышленности используют специальные методы его обезвоживания, например, абсолютирование бензолом. Этанол образует алкоголяты с солями кальция и магния, например: СаСl₂∙4С₂Н₅ОН и МgСl₂.6С₂Н₆ОН.

Температура самовоспламенения этанола составляет 422,8°С. С воздухом пары его образуют взрывчатые смеси с температурой вспышки 13,0°С в достаточно узких пределах взрываемости: нижний 3,28% об. и верхний 18,95% об. Этанол обладает наркотическим действием, ПДК этанола равна 1000 мг/м³. Длительное воздействие этанола на организм вызывает тяжелые органические заболевания нервной системы, пищеварительного тракта и печени, сердечно-сосудистой системы.

Промышленные  методы производства этанола

 

Промышленные способы  производства этанола, а вместе с тем и структура потребляемого для этой цели сырья, непрерывно изменялись. На смену ректификации вина (отсюда название этанола — винный спирт) пришли методы, основанные на химической переработке сырья. В настоящее время все промышленные методы производства этанола и, соответственно, сорта производимого продукта делятся на 2 метода: микробиологический( брожение и гидролиз) и синтетический.

К синтетическому методу относится гидратация этилена(I). Гидратацию можно вести по двум схемам:

1. Прямая гидратация этилена при температуре 300°С и давлении 7 Мпа:

                          + H₂SO₄                                               +H₂O

                       ┌───────────►  C₂H₅OSO₃H   ───────► C₂H₅OH  CH₂=CH₂ ──│    + H₂O (H₃PO₄)                                - H₂SO₄

                      └───────────►   C₂H₅OH

2. Гидратация через стадию промежуточного эфира серной кислоты, с последующим её гидролизом(сернокислотная гидратация):

CH₂=CH₂  + H₂SO₄ CH₃ – OSO₂OH(этилсерная кислота),

CH₃ – OSO₂OH + H₂O C₂H₅OH + H₂SO_4.

К микробиологическому методу следует  отнести:

1. гидролиз древесины (II),
2. осахаривание крахмала (III),
3. переработка сульфитньтх щелоков (IV).

На рисунке 1 представлена взаимосвязь промышленных методов производства этанола:

Рисунок 1 – Промышленные способы  производства этанола

При использовании в  качестве сырья древесины и сульфитных щелоков помимо этанола образуются дрожжи, фурфурол, лигнин и лигниносульфонаты  и гипс. Во всех вариантах биохимического метода производства этанола выделяется оксид углерода (IV).

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).

Производство  этанола гидролизом древесины

 

Получение гидролизного этанола складывается из двух последовательных стадий: гидролиза древесины и  брожения гидролизата.

Гидролиз древесины представляет каталитический процесс взаимодействия полисахаридов (целлюлозы, пентозанов и гексозанов гемицеллюлоз) с водой с образованием соответствующих моносахаридов — ксилозы, α-D-глюкозы и т.д., например:

 (С₅Н₈О₄)_n + nН₂О nС₅Н₁₀О₅

 (С₆Н₁₀О₅)_n + nН₂О nС₆Н₁₂О₆

Процесс гидролиза протекает  в несколько стадий и катализируется кислотами и кислыми солями, причем каталитическое действие кислот тем  сильнее, чем выше степень их диссоциации. Скорость гидролиза возрастает с  увеличением концентрации кислоты  и температуры и зависит от природы гидролизуемого полисахарида. Полисахариды делятся на легко и трудногидролизуемые, располагаясь в ряд по скорости гидролиза:

галактан > ксилан > маннан> целлюлоза.

Условия процесса гидролиза  и качество получаемого гидролизата  существенно зависят от природы катализатора. Катализ в присутствии разбавленной серной кислоты концентрацией 0,4—0,7% об. проводится при температуре 120—190°С, и давлении 6—12 МПа. В результате образуется гидролизат, содержащий фурфурол, органические кислоты и другие примеси. Это объясняется тем, что параллельно с гидролизом протекают реакции разложения образовавшихся моносахаридов; скорость реакций с повышением температуры также возрастает. Поэтому, несмотря на то, что константа скорости реакции гидролиза больше константы скорости реакций разложения, выход гексоз в этом случае не превышает 70% при степени гидролиза около 0,9. Гидролиз в присутствии концентрированных кислот, таких как 70—80%-ная серная кислоты или 31—41%-ная соляная кислота, проводится при температуре не выше 60°С и атмосферном давлении. Он дает более чистый гидролизат с выходом моносахаридов до 95%.

Брожение или  ферментация — процесс разложения углеводов под воздействием микроорганизмов или выделенных из них ферментов. В производстве этанола методом гидролиза (так же, как и в методах осахаривания крахмала и из сульфитных щелоков) используют один из видов брожения — спиртовое брожение, вызываемое ферментом зимазой, содержащемся в дрожжевых клетках. Из моносахаридов брожению подвергаются только гексозы. Процесс спиртового брожения α-D-глюкозы, являющейся структурной единицей глюкозы, происходит без доступа кислорода (анаэробное брожение) и состоит из ряда стадий с участием фосфорорганических соединений, играющих роль переносчиков фосфора. В результате сложных превращений из глюкозы образуется этанол и оксид углерода (IV), что может быть выражено суммарным уравнением:

С₆Н₁₂O₆ = 2С₂Н₅OН + 2СO₂

Параметры процесса брожения выбирают исходя из оптимальных условий  жизнедеятельности дрожжевых клеток и подавления развития их спутников — кислотообразующих бактерий молочнокислого и уксуснокислого брожения. Оптимальные температуры размножения дрожжевых клеток и развития бактерий практически совпадают. Чтобы подавить развитие бактерий повышают киcлотность среды, вводя в гидролизат серную или молочную кислоты. При рН≤4,2 дрожжевые клетки интенсивно растут, а бактерии не размножаются. Поэтому в производстве процесс брожения проводят при температуре 27— 30°С, атмосферном давлении и в слабо кислой среде (pH = 3,8— 4,0).

 

Получение спирта из картофеля

Система производства спирта из картофеля несколько отличается от зерновой, и поэтому полученные спирты отличаются по органолептике.

Производство спирта состоит из трех основных этапов:

1. подготовительного – очистка сырья от примесей, приготовление солода или культур плесневых грибов;
2. основного – разваривание крахмалистого сырья, осахаривание крахмала, сбраживание осахаренной массы, перегонка бражки и получение сырого спирта;
3. завершающего – ректификация.

Этиловый спирт из пищевого сырья и древесины получают по одному и тому принципу путем сбраживания сахаров под действием ферментов дрожжей. Отличие состоит лишь в способах гидролиза полисахаридов сырья до сбраживаемых сахаров: крахмал пищевого сырья гидролизуют биохимическим путем с помощью ферментов (амилаз), а целлюлозу древесины — химическим способом, воздействуя на нее минеральными кислотами.

В основе производства этилового  спирта из клубней картофеля лежат  два биохимических процесса:

1. гидролиз (осахаривание) крахмала, содержащегося в сырье, и сбраживание образующихся сахаров в спирт и углекислый газ,
2. и физический процесс разделения жидкостей по точкам кипения.

Производство спирта из крахмалистого сырья складывается из следующих основных технологических  процессов:

1. подготовки сырья — мойки, очистки от посторонних примесей;
2. тепловой обработки (разваривания) с водой при температуре

120—150°С и давлении  не менее 588 кПа (6 атм) для  разрушения клеточной структуры  и растворения крахмала;

3. охлаждения разваренной массы;
4. осахаривания крахмала под действием амилолитических ферментов, содержащихся в солодовом молоке или чистой культуре плесневых грибов, в течение 5—10 мин при температуре 57—58°С;
5. сбраживания мальтозы и декстринов (после превращения их в мальтозу) в этиловый спирт и углекислый газ под действием ферментов дрожжей для получения зрелой бражки, содержащей 7—10% спирта;
6. выделения из бражки путем ее перегонки с паром в специальных колонках спирта-сырца, содержащего 88% об. этилового спирта и получаемые в процессе брожения примеси;
7. повторной перегонки спирта-сырца на ректификационном аппарате периодического или непрерывного действия для получения ректификованного спирта крепостью 96— 96,5% об. Спирт-ректификат получают также непосредственно из бражки на непрерывно действующих брагоректификационных аппаратах, где из спирта-сырца выделяют примеси.