IV. Физико-химическое обоснование основных процессов производства целевого продукта

4.1 Химическая схема процесса

Процесс прямой гидратации основан на обратимой реакции, протекающей с уменьшением объема и выделением теплоты (экзотермическая реакция).

Данный процесс считается сложным, так как наряду с основной реакцией (1), протекают и побочные реакции, приводящие к образованию диэтилового эфира (2), уксусного альдегида (3) и других соединений (4).

С₂Н₄(г) + Н₂О(г)  С₂Н₅ОН(г) + Q [Н = – 41,87 кДж/моль] (1)

2С₂Н₄ + Н₂О (С₂Н₅)₂О + Q (2)

С₂Н₅ОН  СН₃СОН + Н₂ – Q (3)

mС₂Н₄  (С₂Н₄)_m , где m  2 (4)

Наличие побочных реакций вызывает не только загрязнение этилового спирта, но и потери сырья и целевого продукта, а также приводит к уменьшению срока службы катализатора. Полезное использование этилена составляет 94–96%.

4.2 Термодинамика процесса

Величина теплового эффекта практически не меняется с изменением температуры реакции: Константу основной реакции (1) можно вычислить по уравнению:

lgК_р = (2100/Т) – 6,195;

Как следует из уравнения реакции, термодинамических данных и, учитывая, что реакция протекает также и с уменьшением числа молей, увеличение давления благоприятно скажется на степени конверсии этилового спирта (см. рис.1) и на его равновесном выходе.

Ч тобы сместить равновесие в сторону гидратации этилена, необходимо понижение температуры и повышение давления, однако при температуре ниже 280С скорость гидратации очень мала, что делает совершенно неприемлемым реализацию процесса в промышленности, а применение давления свыше 8МПа повышают себестоимость спирта, что экономически не рентабельно. Также, одним из исходных реагентов является перегретый пар, то в указанных условиях вряд ли удастся избежать конденсации водяного пара, так как при условиях получения высокого выхода этанола одновременно являются благоприятными и для процесса конденсации паров воды. Последнее приводит к снижению активности катализатора вследствие поглощения паров воды фосфорной кислотой с ее последующим разбавлением.

Т	Равновесный выход С2Н5ОН при давлении				(МПа)
0С	0,1	5	8	10	15

Таблица 1: значение равновесного выхода ( ) этилового спирта при стехиометрическом соотношении этилена и водяного пара

4.3. Кинетика процесса

Для обеспечения высокой скорости и селективности процесса обычно используют катализатор. В качестве последнего применяют фосфорную кислоту, нанесенную на широкопористый носитель (силикагель или таблетированный синтетический алюмосиликат). Катализатор активен при 280 – 300 ⁰С и обладает высокой селективностью – полезная конверсия этилена достигает 95%.

Механизм процесса прямой гидратации этилена на данном катализаторе описывается следующими стадиями:

1. Стадия физического растворения этилена в пленке фосфорной кислоты на твердом носителе;

2. Стадия образования этилкарбокатиона

3. Стадия взаимодействия этилкарбокатиона с водой

4. Стадия образования спирта и протона

Активность катализатора определяется концентрацией фосфорной кислоты на поверхности носителя, которая должна составлять 83 – 85% (см. «Катализатор и температура процесса»).