5. Прямая гидратация этилена.

Данный процесс может быть реализован в двух вариантах: парофазном и жидкофазном. В промышленности преимущественно используют парофазный каталитический процесс, осуществляемый по циклической схеме. Этот способ – прямая каталитическая гидратация этилена перегретым паром – является более экономичным, в отличии от сернокислотной гидратации (отсутствие расхода серной кислоты или установок по ее регенерации, более высокий выход спирта ( 95%), меньшая коррозия аппаратуры).

5.1. 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:

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

протекают и побочные реакции, приводящие к образованию диэтилового эфира (2), уксусного альдегида (3) и других соединений (4):

2С₂Н₄ + Н₂О  (С₂Н₅)₂О + Q; (2)

С₂Н₅ОН  СН₃СОН + Н₂ – Q; (3)

mС₂Н₄  (С₂Н₄)_m , где m  2; (4);

что 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%.

5.2 Термодинамика процесса.

Величина теплового эффекта практически не меняется с изменением температуры реакции: (Значения констант равновесия приведены на графике 1.) 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 равновесном выходе этилового спирта (см. таблицу 1).

Чтобы 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.

Г рафик 1: константы равновесия реакции гидратации этилена

Т	Равновесный выход С2Н5ОН при давлении				(Мпа)
0С	0,1	5	8	10	15
25	12,5	-	-	-	-
100	5	-	-	-	-
150	3,5	53	65	67	74
200	2,8	30,5	38,7	45	54
250	2	14,1	21,4	25	35
270	-	-	16,3	-	-
300	-	6,7	10,3	12,5	18,3
350	-	3,5	5,6	7	12,2

Таблица 1: значение равновесного выхода ( ) этилового спирта

при стехиометрическом соотношении этилена и водяного пара.