Лабораторная работа 2

Получение 1,3-бутадиена

разложением этилового спирта

Разработано: преподаватель

профессиональных модулей ___________________ Смирнова Н.Н.

Теоретические основы процесса

Получение 1,3- бутадиена из этилового спирта по способу С.В. Лебедева в настоящее время применяется в лабораторных условиях. Процесс идет при температуре 370^о С и давлении 0,1 МПа на алюмоцинковом катализаторе, содержащим дегидрирующие, дегидратирующие и конденсирующие компоненты. Суммарное уравнение реакции следующее:

2С₂Н₅ОН → СН₂ = СН − СН = СН₂ + Н₂ + 2Н₂О

Особенностью способа получения 1,3 - бутадиена из этилового спирта является то, что контактное превращение этилового спирта в 1,3 - бутадиен идет в одну стадию, на катализаторе, одновременно способствующий реакциям конденсации, дегидрирования и дегидратации.

Механизм превращения этилового спирта в 1,3 - бутадиен на алюмоцинковом (ZnO +Al₂O₃) катализаторе С.В. Лебедева изучался весьма детально. При образовании 1,3 - бутадиена из этилового спирта последовательно протекают следующие реакции.

а) Дегидрирование этилового спирта в уксусный альдегид:

СН₃ − СН₂ОН → СН₃ − СНО + Н₂

б) Конденсация уксусного альдегида с отщеплением воды и образованием

кротонового альдегида:

СН₃ −СНО + СН₃ −СНО→СН₃−СНОН−СН₂ −СНО→ → СН₃ − СН = СН− СНО + Н₂О

кротоновый альдегид

в) Восстановление карбонильной группы кротонового альдегида водородом (отдаваемым этиловым спиртом) с получением кротилового спирта:

СН₃ − СН= СН− СНО + СН₃ − СН₂ОН →

О

→ СН₃ − СН = СН− СН₂ОН + СН₃− С

Н

г) Дегидратация кротилового спирта, сопровождающаяся перегруппиров-

кой двойных связей и образованием бутадиена:

СН₃ − СН = СН− СН₂ОН→ СН₂=СН− СН= СН₂+ Н₂О

Контактное превращение этилового спирта в 1,3 - бутадиен является сложным химическим процессом, на что указывает образование большого количества побочных продуктов - свыше 30 различных соединений.

Основными факторами, влияющими на эффективность процесса контактного превращения этилового спирта в 1,3 - бутадиен, являются: активность катализатора, температура контактирования, состав сырья (наличие примесей), давление в реакторе, скорость подачи спирта на контактирование, время контакта.

Имеется температурный оптимум процесса контактирования, ниже которого выходы 1,3 - бутадиена понижаются вследствие замедления реакции, а выше - понижаются за счет протекания побочных реакций – разложение 1,3 - бутадиена. Температура влияет не только на выходы 1,3 - бутадиена, но также и на выходы побочных продуктов реакции.

В качестве побочных продуктов получаются водород, оксид углерода, метан, этан, этилен, бутены, высшие олефины, толуол, ксилол, диэтиловый эфир, спирты, альдегиды, кетоны и углерод в виде сажи, отлагающейся в значительном количестве на катализаторе. Эффективность процесса контактного разложения этилового спирта определяется выходом 1,3 - бутадиена на разложенный спирт и пропущенный спирт. Эффективность работы катализатора характеризуется: его селективностью.

Теоретический выход 1,3-бутадиена в расчете на пропущенный спирт (100%-ный) составляет 58,7% (масс.). В оптимальных условиях выход 1,3-бутадиена достигает 40-41% (масс.) при конверсии спирта 50%.

Характеристика сырья и продуктов

Сырьем является 95% этиловый спирт

Молекулярная масса - 46

Плотность спирта - 789 кг/м³

Температура кипения 78,38⁰С

Растворяется в воде, в органических растворителях.

Продуктом является бутадиенсодержащий контактный газ.

В контактном газе содержится свыше 30 различных соединений.

Примерный состав контактного газа в % масс: - этиловый спирт - 50,

1,3-бутадиен - 15, диэтиловый эфир - 2, ацетальдегид - 2, углероды - 2, высшие спирты - 1,5, вода - 26, водород, оксид и диоксид углерода - 1,5.

Контактный газ является пожаро- и взрывоопасным продуктом.

Свойства 1,3-бутадиена

При нормальных условиях 1,3-бутадиен - это бесцветный газ с характерным запахом, плохо растворяется в воде, метаноле и этаноле, хорошо растворяется в бензоле, эфире, тетрахлориде углерода и хлороформе. При высоких концентрациях в воздухе оказывает токсическое действие, при малых - раздражение слизистых оболочек. 1,3 - бутадиен - горючий, взрывоопасный газ;

Молекулярная масса - 54

Плотность жидкого бутадиена - 627 кг/м³

Температура кипения минус 4,54⁰С

Предельно допустимая концентрация паров бутадиена в воздухе рабочих помещений 100 мг/м³. Концентрационные пределы воспламенения в смеси с воздухом, % объем. 1,37 - 11,47.

Применение этилового спирта

Этиловый спирт находит широкое применение в качестве растворителя, в производстве 1,3 - бутадиена, в пищевой и медицинской промышленности, в качестве горючего для ракетных двигателей, антифриза и т.д. Он является важным промежуточным продуктом органического синтеза (в производстве сложных эфиров, ацетальдегида, уксусной кислоты, хлороформа, хлораля, диэтилового эфира и других продуктов).

Таким образом, этиловый спирт относится к числу многотоннажных продуктов основного органического и нефтехимического синтеза. Мировое производство этилового спирта составляет свыше 3,5 млн т/год. Поэтому выбор наиболее экономичного способа получения этилового спирта с учетом экологических ограничений имеет большое значение.

Цель работы:

- Проведение реакции получения 1,3-бутадиена из этилового спирта по

способу С.В. Лебедева;

- Определение селективности процесса, выхода 1,3-бутадиена и побочных

продуктов реакции;

- Составление материального баланса опыта.

В результате проведения лабораторной работы студент должен:

Знать:

- Свойства и применение этилового спирта, готового продукта;

- Способы получения 1,3-бутадиена;

- Основы подготовки и проведения эксперимента;

- Роль катализатора при проведении процесса;

- Правила охраны труда и безопасной работы на установке;

- Устройство лабораторной установки.

Уметь:

- Написать уравнения реакций получения 1,3-бутадиена из этилового

спирта;

- Уметь собрать установку и проверить установку на герметичность;

- Определить причины возможных инцидентов при проведении экспери-

мента и устранить их;

- Выполнить эксперимент в соответствии с инструкцией и соблюдением

правил охраны труда и правил безопасности;

- Провести анализ контактного газа;

- Обработать данные эксперимента, провести расчеты, сделать выводы;

- Пользоваться системой поиска и подбора информации.