Физико-химическое обоснование основных процессов производства этилового спирта

- неиспользованные возможности экономии энергетических средств.

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,

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

Таким образом, процесс сложный, обратимый, несмещенный (см. таблицу), экзотермический, протекает с уменьшением объема.

Таб. 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.

Выбранное соотношение компонентов диктует выбор общего давления:

Робщ = РС2Н4 + РН2О + Ринерт.

Известно, что давление паров воды над 85%-ной фосфорной кислотой при температуре 2800С составляет 2,7МПа. Принимая во внимание мольное соотношение между компонентами, видно, что давление паров этилена составляет около 4,7МПа. В таком случае концентрация инертных примесей должна быть порядка 15% (Ринерт = РС2Н4*0,15/0,85). Давление больше 8МПа нежелательно т.к. происходит конденсация водяного пара.

В настоящее время процесс гидратации этилена реализуется в промышленности при следующих условиях: t = 280-3000С; Р = 8,0МПа; мольное соотношение пары воды: этилен = 0,6 : 0,8; катализатор – фосфорная кислота и фосфаты на алюмосиликате или силикагеле при содержании Н3РО4 до 35% в свободном состоянии, объемная скорость циркулирующего газа 1800-2000ч-1, что соответствует продолжительности контакта 18-20с и производительности 180-200кг этанола с 1м3 катализатора в 1 ч.