Курсовая работа: Методические разработки урока по теме "Спирты"
Курсовая работа: Методические разработки урока по теме "Спирты"
ВВЕДЕНИЕ
Получение этанола — одно из крупнотоннажных промышленных
производств основного (тяжелого) органического синтеза. При его изучении можно
проследить основные тенденции технического прогресса в химической промышленности.
Большие масштабы производства этанола предъявляют определенные требования к
экономике производства, в первую очередь в решении проблемы выбора сырья (в
себестоимости химической продукции доля сырья достигает 70 %) и рационального
оформления технологического процесса. Кроме того, эти требования направлены на
сокращение числа стадий производства; укрупнение единичных Мощностей аппаратов
и установок в целом; повышение комплексности использования сырья; создание
малоотходных технологических процессов; обеспечение необходимых мер по охране
окружающей среды; максимальное внедрение на всех стадиях производства АСУ.
ГЛАВА 1. ПРОИЗВОДСТВО
ЭТАНОЛА ФЕРМЕНТАЦИЕЙ БИОМАССЫ
Получение
этанола. Обычно
этанол получают отгонкой, и, по всей вероятности, этот способ будет применяться
и в ближайшем будущем. Отгонка производится в колоннах путем последовательного
отделения этанола от других компонентов жидкой фазы.
Отделение
барды. В первой колонне отделяются продукты ферментации (главным образом
этанол) и некоторое количество воды от неферменти-рующихся твердых веществ в
жидкой фазе (барде). Эта колонна обычно называется «пивным перегонным кубом».
Желательно, чтобы на этом этапе из жидкой среды был отогнан весь этанол. В
некоторых конструкциях колонн возможно увеличение концентрации этанола в
верхнем погоне путем ректификации. Для отделения твердых веществ из жидкой
фазы, движущейся вниз, предусмотрена отпарная секция.
Производство
безводного этанола. Последовательность перегонки после «пивного перегонного куба»
зависит от требований, предъявляемых к этанолу. При производстве пищевого
этанола последний должен быть очищен в соответствии с требованиями спецификаций
на этанол или продукт, в котором он будет использован. При производстве этанола
промышленного назначения необходимо удалить из него все загрязняющие вещества,
в том числе сивушные масла, которые являются побочными продуктами ферментации.
При получении безводного к очищенному продукту добавляют вещества, разрушающие
водно-этанольную азеотропную смесь. Этанол и азотообразующую компоненту
отделяют друг от друга в следующей колонне. В стандартных условиях для
производства безводного этанола требуется по крайней мере четырехкратная
перегонка.
Этанол,
предназначенный для использования в качестве топлива, не должен содержать воду
[8]. Вместе с тем предполагается, что из такого этанола нет необходимости
отделять сивушные масла. Поэтому перегонная система для получения этанола,
предназначенного для использования в качестве топлива, включает «пивной
перегонный куб» с ректификацией и колонны для азеотропной перегонки и отпарки.
Спецификации на готовый продукт. Количество энергии, расходуемой на очистку
этанола, определяет числа действующих колонн. В каждой колонне для поддержания
заданного равновесия паров и жидкости над тарелками расходуется значительное
количество тепловой энергии. Поэтому с энергетической точки зрения важное
значение имеет спецификация на готовый продукт. В зависимости от спецификации и
гибкости установки для производства более широкого ассортимента продуктов
эксплуатационные расходы могут возрасти больше или меньше.
Глава 2. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОИЗВОДСТВА ЭТАНОЛА
Получение этанола — одно из крупнотоннажных промышленных
производств основного (тяжелого) органического синтеза. При его изучении можно
проследить основные тенденции технического прогресса в химической
промышленности. Большие масштабы производства этанола предъявляют определенные
требования к экономике производства, в первую очередь в решении проблемы выбора
сырья (в себестоимости химической продукции доля сырья достигает 70 %) и
рационального оформления технологического процесса. Кроме того, эти требования
направлены на сокращение числа стадий производства; укрупнение единичных
Мощностей аппаратов и установок в целом; повышение комплексности использования
сырья; создание малоотходных технологических процессов; обеспечение необходимых
мер по охране окружающей среды; максимальное внедрение на всех стадиях
производства АСУ.
Этанол (метилкарбинол, этиловый, винный спирт) известен человеку с
глубокой древности. Первые упоминания о нем относятся к VIII в. В арабских источниках
(950 г.) описано получение водного этанола. В 1050—1150 гг. этанол получали
ректификацией вина, в котором он образуется при брожении глюкозы, и
использовали под названиями «aqua ardens» («вода горючая»), «aqua vitae («вода жизни»), «spiritus vinb («дух вина»). Последний
термин удержался в фармакологии до настоящего времени,
С XIII в. этанол стали применять в медицине под названиями «мать»,
«государыня», «царица всех, лекарств». К 1440 г. относится исследование состава спирто-водных смесей (водки). С 1600 г. этанол используют в химических опытах для
экстракции органических веществ. В книге А. Либавия «Алхимия» (1597) приведен проект
химической лаборатории, в которой предусмотрен «винный погреб».
В 1682 г. И. Бехер впервые описал метод получения водного этанола
(водки) из картофеля, а в 1748 г. он опубликовал сообщение Шведской академии
наук о промышленном способе получения этанола из картофеля. Попытка получить в 1775 г. Т. Бергманом. Впервые безводный этанол получил Т. Е.Ловиц в 1796 г. В 1798 г. А. Арганд описал применение метода ректификации для перегонки этанола. Однако
только в 1820 г. для этой цели была сконструирована промышленная ректификационная
колонна.
В 1783 г. А. Лавуазье установил элементный состав этанола и
попытался объяснить природу спиртового брожения. Окончательно химизм этого
процесса был выяснен в XIX в. Исследование Д. И. Менделеевым в 1864 г. систем «этанол — вода» стало основой для разработки им гидратной (химической) теории
растворов.
До 1934 г. в стране этанол получали исключительно из пищевого
сырья. В 1934 г. было освоено производство этанола гидролизом древесины, а в 1935 г. построен первый гидролизный завод в Ленинграде. С 1930 г. в стране велись работы по получению этанола сернокислотной гидратацией этилене, ив 1936 г, вступил в строй опытный завод в Баку. Поиски технологического решения производства этанола
методом прямой f-идратации этилена были прерваны войной. В 1952 г. поэтому методу началось освоение производства этанола в г. Сумгаите, а в период с 1953 по 1958 г. вошли в строй заводы в Саратове, Уфе, Грозном, Самаре.
В результате этих работ к 1960 г. доля синтетического этанола достигла уже 25 % в общем объеме его производства. В 1988 г. на основе этилена было получено 26,5 дал. этанола, что эквивалентно 2,7 млн. тонн картофеля
или 0,86 млн. тонн зерна. Однако, несмотря на более низкую себестоимость
-синтетического этанола, его доля в общем балансе продукции возрастала
медленно. Так, в 1975 г. в СССР пищевой этанол составлял 60,0%, синтетический —
26,7%, гидролизный — 8,3%, в то время как в США уже в 1970 г. производство синтетического этанола достигло 83 %. С 1964 г. в стране было полностью прекращено использование для технических целей этанола, полученного из пищевого сырья,
что отвечало решению общей задачи по сокращению доли пищевого сырья в сырьевом
балансе химической промышленности.
Разработка промышленных методов производства этанола из этилена и
гидролизом древесины позволила в свое время решить в стране важнейшую
народнохозяйственную задачу по увеличению производства мономеров для
синтетических каучуков (бутадиен-1,3) и переводу производства на дешевое
непищевое сырье. В настоящее время перевод производства бутадиена на углеводородное
сырье (бутана и бутилен-дивинильная фракция продуктов пиролиза) высвобождает
значительное количество синтетического этанола. Его предполагается использовать
как сырье для производства кормовых дрожжей — белковых добавок к кормам, по
качеству значительно превосходящих кормовой белок из парафина, а само производство
не будет столь вредным в экологическом аспекте. В этой связи экономически
целесообразна схема производства, основывающаяся на этане природного газа,
который у нас в настоящее время не находит должного применения и, как правило,
его сжигают. Таким образом, значение технологического процесса получения
синтетического этанола не только сохраняется, но и возрастает, так как
потребность в этом продукте для указанной цели в 5—10 раз превышает уровень его
современного производства.
В связи с этим гидролизные заводы переводят на производство
кормовых дрожжей и производство гидролизного этанола прекращается.' Это в свою
очередь вызывает необходимость вновь использовать часть мощностей по
производству этанола из пищевого сырья для получения спирта высокой чистоты для
специальных технических целей.
Этанол образует с водой азеотропную смесь (95,67 % этанола),
кипящую при 78,15 °С, поэтому получение безводного (абсолютного) этанола
требует специальных методов обезвоживания! Он обладает наркотическим действием
(ПДК=1000 мг/м3).
Этанол относится к числу важнейших продуктов основного
органического синтеза. Это сырье для производства ацетальдегида, хлороформа,
диэтилового эфира, сложных эфиров органических кислот, пищевой уксусной
кислоты, бутадиена, лекарственных препаратов. Его используют в качестве растворителя,
антисептика, компонента моторных топлив, применяют в пищевой и парфюмерной
промышленности. На основе разбавленных растворов этанола разработано производство
кормовых дрожжей методы производства, этанола.
В основу классификации всех существующих промышленных методов
производства этанола могут быть положены виды используемого сырья
(углеводородные газы, древесина, пищевые продукты, отходы производства) и
химизм превращений (гидратация, брожение), лежащих в основе технологических
процессов (схема 1).
В соответствии с этой классификацией различают производства
синтетического (I), гидролизного (II), ферментативного (пищевого) (III) и
сульфитного (IV) этанола.
Выход этанола существенно зависит от вида сырья и составляет (в л
на 1 т сырья): для этилена — 740, картофеля -г 93— 117, зерна — 185—361,
мелассы — 270—300, древесины — 160—200, сульфитных щелоков — 90—110 (в расчете
на 1 т древесины). При использовании в качестве сырья древесины и сульфитных щелоков
помимо этанола образуются дрожжи, фурфурол, лигнин и лигниносульфонаты, гипс.
Во всех вариантах биохимического метода производства этанола выделяется оксид углерода
(IV).
В настоящее время синтетический этанол получают исключительно
прямой гидратацией этилена. Метод сернокислотной гидратации сохранил значение
только для производства изопропанола и бутанолов вследствие низкой
экономичности процесса.
Производство
этанола прямой гидратацией этилена
Этилен как сырье в этом методе производства этанола может быть
выделен из пирогаза, полученного пиролизом низкооктанового бензина, из газов
нефтепереработки или попутного газа, из этиленовой фракции обратного коксового
газа (ОКГ), а также получен пиролизом этана (Схема 2).
Основную массу этилена в настоящее время получают пиролизом
нефтяного сырья, преимущественно бензина.
Физико-химические основы прямой гидратации этилена;
Из уравнения реакции следует, что равновесный выход этанола зависит
от условий гидратации и растет с понижением температуры, повышением давления и
увеличением мольного отношения воды и этилена.
Процесс
гидратации катализируется кислыми и нейтральными катализаторами, среди которых
наибольшее применение получила фосфорная кислота на носителе в виде кизельгура
или силикагеля. В присутствии фосфорной Кислоты происходит электрофилыюе
присоединение воды к этилену по схеме:
Катализ осуществляется свободной фосфорной кислотой, которая в
жидком состоянии находится на поверхности зерен носителя. Таким образом,
активность катализатора зависит от концентрации кислоты. При концентрации
кислоты ниже. 83% активность катализатора резко падает. В свою очередь, концентрация
кислоты зависит от парциального давления паров воды в системе и температуры.
Поэтому, вопреки, требованиям термодинамики данного процесса, его нельзя вести
при большом мольном отношении воды (пара) и, этилена, так как это снижает
концентрацию кислоты, а следовательно, и активность катализатора. На практике
это отношение' поддерживают в пределах (0,6-0,7):1.
Время работы катализатора — около 500 ч, после чего его активность
падает, так как часть кислоты уносится током продуктов. Это вызывает
необходимость непрерывного добавления фосфорной кислоты в процессе работы
установки. При соблюдении этого условия и применении в качестве сырья газа с
высоким содержанием этилена интенсивность катализатора составляет 180—200 кг
этанола с 1 м3 катализатора в час. В качестве побочных продуктов при
гидратации этилена образуются ацетальдегид, диэтиловый эфир и различные
олигомеры.
Технологическая схема прямой гидратации этилена. В промышленности процесс
гидратации может осуществляться- в двух вариантах: в жидкой и паровой фазах. На
практике реализован, преимущественно второй вариант. В этом случае процесс
ведут при температуре 290 °С и давлении 8 МПа, что позволяет обеспечить степень
конверсии этилена за один проход до 6% при выходе этанола по этилену около 95
%.
Технологический процесс получения этанола прямой гидратацией
этилена в паровой фазе строится по циклической схеме. В ней', предусмотрены
приготовление, парогазовой смеси (этилен и водяной пар), пополнение потерь
катализатора, нейтрализация уносимой с газовым потоком фосфорной кислоты,
периодическая отдувка циркуляционного газа для удаления из него примесей и
рациональный теплообмен с использованием теплоты реакции гидратации.
Парогазовую смесь готовят совместным нагреванием паров воды и этилена
в теплообменниках и трубчатой печи или смешением этилена с перегретым паром
высокого давления.
В промышленном масштабе реализованы обе схемы, однако вторая,
используемая в нашей' стране, экономически целесообразна при наличии ТЭЦ вблизи
производства этанола, В последнее время для приготовления парогазовой смеси
вместо пара высокого давления рекомендуют использовать рецикловую воду и
паровой конденсат.
На рис. 1 приведена схема гидратации этилена в паровой фазе.
Вводимый этилен сжимают в компрессоре 1до 8 МПа и смешивают с
циркуляционным газом. Так как давление циркуляционного газа ниже, чем этилена
(объем газа уменьшился за счет образования этанола), его дополнительно сжимают
в компрессоре 2. Смесь свежего этилена с циркуляционным, газом подогревают до
300 °С в теплообменнике 3 продуктами реакции и смешивают с перегретым да 450 °С
паром при давлении 8 МПа. Парогазовая смесь поступает в гидрататор 4. Гидрататор
выполнен в виде реактора идеального вытеснения ~ (РИВ-Н) представляет собой
стальной цилиндр диаметром 1,5 м и высотой 10 м; футерованный изнутри медью и наполненный катализатором, насыпанным на перфорированный конус
Рис. 1. Схема гидратации этилена в паровой фазе:
1
— компрессор этилена; 2 — компрессор циркуляционного; 3 — теплообменник; 4—гидрататор;
5—котел-утилизатор
На выходе из гидрататора смесь этанола, водяного пара и непрореагировавшего
этилена обрабатывают водным раствором гидроксида натрия для нейтрализации
унесенной потоком фосфорной кислоты, охлаждают в теплообменнике 3 и направляют в
котел-утилизатор 5, в котором вырабатывается пар низкого давления, поступающий
затем в пароперегреватель.
Из котла-утилизатора продукты поступают в сепаратор
(газоотделитель) высокого давления 6. Здесь отделяется циркуляционный газ,
направляемый в компрессор 2, а спирто-водный конденсат с содержанием этанола до
15 % дросселируют через редукционный вентиль 7 до давления 0,5—0,6 МПа и
направляют в сепаратор (сборник) низкого давления 8. В сборнике за счет
снижения давления выделяется растворенный в конденсате этилен, который
добавляют к циркуляционному газу.
Из сепаратора-сборника 8 спирто-водный конденсат поступает в
отпарную ректификационную колонну 9. Здесь за счет нагревания жидкости паром
через кипятильник 10 и ректификации смеси происходит отделение паров этанола,
загрязненных примесями, от водного раствора фосфата натрия. Из колонны 9 этанол
направляют в ректификационную колонну. После ректификации получают очищенный
этанол-ректификат, содержащий ацетальдегид (до 2 %) и диэтиловый эфир (не более
1 %).
Последующая очистка синтетического этанола и требования к нему
зависят от области использования этанола. Производительность современных
установок прямой гидратации этилена достигает 30 тыс. тонн этанола в год.
Производство
этанола гидролизом древесины
Гидролизное производство. Производство этанола из древесного сырья
представляет собой частный случай гидролизного производства, т. е.
производства, основанного на химической переработке растительных материалов
путем каталитического превращения содержащихся в них полисахаридов в
моносахариды. При этом непищевое растительное сырье (отходы древесины,
подсолнечная лузга, кукурузные кочерыжки и др.) может быть превращено в
пищевые, кормовые и технические продукты. Из образующихся в результате
гидролиза этих полисахаридов водных растворов моносахаридов (гидролизатов)
кристаллизацией получают пищевую глюкозу и техническую ксилозу; гидрированием —
ксилит и сорбит; дегидратацией — фурфурол; окислением — органические кислоты;
микробиологической переработкой — этанол, бутанол, ацетон, кормовые дрожжи,
антибиотики.
Из лигнина, остающегося после отделения гидролизата, термической
обработкой получают активированный уголь, уксусную кислоту и фенол; химической
переработкой — активированный лигнин и щавелевую кислоту; прессованием —
строительные материалы.
Процесс
гидролиза растительных материалов, как пример малоотходного производства,
представлен на схеме 3.
В зависимости от природы целевых продуктов гидролизное
производство строится по той или иной технологической схеме. При этом, если в
качестве сырья используют древесные отходы, то из 1 т абсолютно сухой древесины
может быть получено 220 кг кормовых дрожжей, или 35 кг дрожжей и 175 л этанола, или 110 кг дрожжей и 80 кг фурфурола.
Физико-химические основы производства гидролизного этанола. Наиболее распространенное
сырье для производства гидролизного этанола — древесина — представляет собой
сложную систему, состоящую из целлюлозы, гемицеллюлоз, лигнина, а также
небольших количеств смол, эфирных масел, дубильных и красящих веществ.
Элементный состав органической части древесины практически постоянен: углерод —
49—51 %, Водород — 6,1—6,9 %, кислород — 43—45 %, азот — 1 %. В то же время
содержание целлюлозы, лигнина и гемицеллюлоз зависит от природы древесины. В
среднем в сухой древесине хвойных пород, используемой для производства этанола,
содержится 52—58 % целлюлозы, 28—29 % лигнина и около 20 % гемицеллюлоз.
Гемицеллюлозы — это олигомеры различной степени нолимеризации, состоящие из
пентозанов и гексозанов (С6Н1005)п. Пентозаны построены
из остатков, моносахаридов ксилозы и арабинозы, гексозаны — из остатков
моносахаридов маннозы, галактозы, фруктозы и глюкозы.
Страницы: 1, 2
|