
охт (6sem) / методички митхт / Tasks for course works
.pdfС2Н4 + Н2О = С2Н5ОН. |
(1) |
Технологическая схема процесса состоит из ряда после-
довательных операций: подготовка сырья (смешение исходных и оборотных потоков этилена и воды), гидратация этилена,
нейтрализация фосфорной кислоты и солеотделение, конден-
сация и сепарация, ректификация водно-спиртового раствора –
выделение целевого продукта.
Сырьем является этиленэтановая фракция, в которой этан
– инертная примесь. В качестве катализатора используется 83– 85% фосфорная кислота, нанесённая на шариковый широкопо-
ристый носитель: силикагель, алюмосиликат или кизельгур.
Катализатор активен при 280–290°С и обладает высокой селек-
тивностью. Процесс проводят при давлении 7–8 МПа. Выбор давления определяется, в основном, парциальным давлением паров воды над катализатором. Молекулярное отношение воды
к этилену (0,6–0,75):1; объемная скорость 1800–2500 ч-1.
Одновременно с основной реакцией (1) протекает ряд по-
бочных реакций, например: |
|
2С2Н4 + H2O = (С2Н5)2О, |
(2) |
С2Н4 + H2O = C2Н4O + H2, |
(3) |
на которые расходуется часть этилена. Селективность процесса составляет 94-96%.
23
www.mitht.ru/e-library
Исходные данные для расчета
|
|
Вариант |
|
||
Показатель |
|
|
|
|
|
1 |
|
2 |
3 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
Концентрация С2Н4 в этиленэтано- |
98,0 |
|
96,0 |
98,6 |
97,6 |
вой фракции, % (по объему) |
|
||||
Количество свежей этиленэтановой |
|
|
|
|
|
фракции (базис расчета), кг |
7850 |
|
7900 |
– |
– |
Количество этилового спирта в рек- |
|
|
|
|
|
тификате (базис расчета), кг |
– |
|
– |
1000 |
800 |
Содержание С2Н5ОН в ректификате, |
95,0 |
|
94,5 |
93,0 |
95,0 |
% (по массе) |
|
||||
Соотношение: моль Н2О/моль С2Н4 |
0,6 |
|
0,7 |
0,7 |
0,6 |
на входе в реактор |
|
||||
Конверсия этилена, % |
6,0 |
|
5,5 |
5,5 |
5,0 |
Селективность, % |
95,0 |
|
95,5 |
95,0 |
95,5 |
Селективность превращения этиле- |
|
|
|
|
|
на, %: |
|
|
|
|
|
в диэтиловый эфир |
3,0 |
|
3,5 |
3,0 |
3,0 |
в ацетальдегид |
2,0 |
|
1,0 |
2,0 |
1,5 |
Содержание инертов в циркуляци- |
|
|
|
|
|
онном газе, % (по объему) |
15,0 |
|
16,0 |
15,5 |
16,5 |
Методические рекомендации по выполнению расчета
Структурную блок-схему потоков системы целесообразно свести к четырем блокам: 1- смешение, 2- синтез, 3- конденса-
ция и сепарация, 4- ректификация.
Из побочных реакций рассматривать процессы образова-
ния диэтилового эфира (2) и ацетальдегида (3). В состав рек-
тификата входят только спирт и вода.
24
www.mitht.ru/e-library
Для блока – смешение – составляют уравнение по этиле-
ну. Суммируя количество молей (киломолей) С2Н4 в свежем и циркулирующем газах, находят количество этилена, посту-
пающего в блок синтеза. Составляют также уравнение по све-
жей воде. Количество свежей воды при наличии оборотного потока складывается из воды, израсходованной на синтез и разбавление этилового спирта, на образование диэтилового эфира и ацетальдегида. Затем составляют уравнение по задан-
ному соотношению воды и этилена на входе в реактор.
По блоку – синтез – составляют уравнение распределения поступающего на синтез С2Н4 на конвертированный и направ-
ляемый на циркуляцию и «отдувку».
По блоку – ректификация – составляют уравнения: по этиловому спирту–ректификату, диэтиловому эфиру и аце-
тальдегиду.
Для 1 и 2 вариантов составляют «базисное» уравнение по свежей этиленэтановой фракции. Для вариантов 3 и 4 уравне-
ние по этиловому спирту–ректификату является «базисным».
В уравнении баланса по «инерту» сумма вводимого со свежим газом этана и получаемого по реакции (3) водорода должна быть равна количеству выводимых с «отдувкой» газов за вычетом этилена.
25
www.mitht.ru/e-library
Рекомендуемая литература
Общая химическая технология: Учебник для химикотехнологических специальностей. Т. 2. Важнейшие химические производства. / Авт.:Мухлёнов И.П., Авербух А.Я., Кузнецов Д.А. и др. Под ред. И.П. Мухлёнова. – М.: Высш. шк., 1984. – 263 с. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. – М.: Химия, 1981. – 606 с. Тимофеев B.C.. Серафимов Л.А. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза. – М.: Химия, 1992. – 432 с. Соколов Р.С. Химическая технология: Учебн. пособие для студ. высш. учеб. заведений в 2-х т. Т. 2. – М.: Гуманит. изд. центр. ВЛАДОС, 2000. – 448 с. Кононова Г.Н., Сафонов В.В. Производство этилового спирта прямой гидратацией этилена: Учебное пособие. – М.: ИПЦ МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 1998. – 16 с. Валакин В.П. Получение синтетического этилового спирта. – М.: Химия, 1976. – 104 с.
Задание 7. Производство этилбензола
Этилбензол является сырьем для производства стирола. В
промышленности этилбензол получают взаимодействием бен-
зола с этиленом:
С6Н6 + С2Н4 = С6Н5С2H5. |
(1) |
Одновременно с основной (1) протекает ряд побочных ре-
акций. Наибольшее значение имеют реакции последовательно-
го алкилирования:
С6Н5С2Н5 + С2Н4 = С6Н4(С2Н5)2, |
(2) |
26
www.mitht.ru/e-library
С6Н4(С2Н5)2 + С2Н4 = С6Н3(С2Н5)3, |
(3) |
С6Н3(С2Н5)3 + С2Н4 = С6Н2(С2Н5)4. |
(4) |
В процессе используют катализатор – комплексное со-
единение AlCl3 и HCl с ароматическими углеводородами, ко-
торый находится в жидкой фазе. Катализатор селективен по отношению к реакции (1) и способствует также протеканию реакции переалкилирования диэтилбензола, содержание кото-
рого в алкилате не превышает 0,08–0,09 мольн. долей:
С6Н4(С2Н5)2 + С6Н6 = 2С6Н5С2Н5. |
(5) |
Для подавления реакций последовательного алкилирова-
ния и полимеризации этилена берут избыток бензола (мольное отношение этилен : бензол = 0,3÷0,4:1) и проводят процесс при температуре ~ 100°С и давлении ~ 0,15 МПа.
При выбранных условиях основная реакция (1) необрати-
ма. Конверсия этилена 98–100%. Образовавшиеся продукты алкилирования (алкилат) разделяют ректификацией. Непрореа-
гировавший бензол направляют в голову процесса и смешива-
ют со свежей порцией бензола. Небольшие количества диэтил-
бензола возвращают в реактор–алкилатор на переалкилирова-
ние.
Следует отметить, что алкилирование осуществляют
100%-ным этиленом.
27
www.mitht.ru/e-library
Исходные данные для расчета
|
|
Вариант |
|
||
Показатель |
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
Содержание этилбензола в алкилате, |
|
|
|
|
|
мольн. доля |
0,35 |
0,40 |
0,3 |
|
0,25 |
Содержание бензола в алкилате, |
|
|
|
|
|
мольн. доля |
0,55 |
0,50 |
0,59 |
|
0,66 |
Содержание диэтилбензола в алки- |
|
|
|
|
|
лате, мольн. доля |
0,09 |
0,08 |
0,09 |
|
0,08 |
Содержание тетраэтилбензола в ал- |
|
|
|
|
|
килате, мольн. доля |
0,01 |
0,02 |
0,02 |
|
0,01 |
Конверсия этилена, % |
100 |
98 |
99 |
|
98,5 |
Базис расчета, кг этилбензола |
1000 |
2000 |
2500 |
|
4000 |
Методические рекомендации по выполнению расчета
Процесс получения этилбензола включает следующие стадии: смешение свежего и оборотного бензола; алкилирова-
ние бензола этиленом, получение катализаторного комплекса;
охлаждение и отмывка алкилата от катализаторного комплек-
са; ректификационное разделение алкилата (выделение целево-
го продукта, непрореагировавшего бензола, диэтилбензола и продуктов более глубокого алкилирования).
При составлении структурной блок–схемы можно не учи-
тывать стадии получения катализаторного комплекса, охлаж-
дения и отмывки алкилата от катализаторного комплекса.
28
www.mitht.ru/e-library
Структурная блок-схема состоит из трёх блоков. Для блока
смешения составляют баланс по бензолу. Для блока алкилиро-
вания - материальные балансы по бензолу и этилену. Продук-
том более глубокого алкилирования являются диэтилбензол и
тетраэтилбензол. В балансе не следует учитывать диэтилбен-
зол, т.к. он переалкилируется в целевой продукт.
Для блока ректификации составляют «базисное» уравне-
ние по этилбензолу и уравнение по тетраэтилбензолу.
Рекомендуемая литература
Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. – М.: Химия, 1988. – 592 с. Тимофеев B.C., Серафимов Л.А. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза. – М.: Химия, 1992. – 432 с. Соколов В.З., Харлампович Г.Д. Производство и использование ароматических углеводородов. – М.: Химия, I980. – 334 с.
Задание 8. Производство уксусной кислоты окислением ацетальдегида
Уксусную кислоту получают путем жидкофазного окис-
ления ацетальдегида в присутствии катализатора (ацетат мар-
ганца) при 50–80°С и давлении 0,7 МПа. Основная химическая
реакция:
29
www.mitht.ru/e-library
СН3СНО + 0,5O2 = CH3СOOH. |
(1) |
Следует отметить, что применение в качестве катализато-
ров солей кобальта, меди и железа, а также снижение темпера-
туры приводят к накоплению пероксиуксусной кислоты
(CH3COOОH), что повышает взрывоопасность производства.
Верхний предел допустимой температуры определяется высо-
кой летучестью ацетальдегида и усилением развития побочных реакций, например, образование метилацетата (2) и этилиден-
диацетата (3):
2CH3CHO + 1,5O2 = СН3СООСН3 + CO2 + H2O, (2)
3СН3СНО + O2 = СН3СН(ОСОСН3)2 + H2O. (3)
В промышленности из-за высокой летучести ацетальде-
гида окисление ведут в растворе уксусной кислоты. Окислите-
лем является технический кислород. Реактором служит колон-
на барботажного типа со змеевиками–холодильниками. Ката-
лизатор подают с охлаждённым ацетальдегидом в нижнюю часть колонны. Из верхней части колонны отводится парогазо-
вая смесь, содержащая уксусную кислоту, азот, непрореагиро-
вавшие ацетальдегид и кислород, а также образовавшийся ди-
оксид углерода и пары воды. Смесь охлаждают, что позволяет практически полностью сконденсировать уксусную кислоту и воду. Большая часть ацетальдегида растворяется в конденсате и вместе с ним возвращается в окислительную колонну. Вы-
хлопные газы (кислород, азот, диоксид углерода и оставшийся ацетальдегид) после санитарной колонны выбрасывают в атмо-
сферу.
30
www.mitht.ru/e-library
Уксусную кислоту (сырец) непрерывно отбирают из окислительной колонны и направляют на ректификацию и очистку. В первой ректификационной колонне отгоняют лёг-
кую фракцию, включающую метилацетат и ацетальдегид. Во второй колонне получают водный раствор уксусной кислоты, а
в кубе остаётся этилидендиацетат.
Исходные данные для расчета
|
|
|
|
Вариант |
|
|
|
Показатель |
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
||
|
|
|
|
|
||
Состав технического кислорода, % (по |
|
|
|
|
||
объему): |
|
|
|
|
|
|
- |
кислород |
|
98,0 |
97,5 |
97,0 |
98,5 |
- |
азот |
|
2,0 |
2,5 |
3,0 |
1,5 |
Состав технического ацетальдегида, |
% |
|
|
|
|
|
(по массе): |
|
|
|
|
|
|
- |
ацетальдегид |
|
99,3 |
99,4 |
99,5 |
99,6 |
- |
уксусная кислота |
|
0,3 |
0,25 |
0,2 |
0,2 |
- |
вода |
|
0,4 |
0,35 |
0,3 |
0,2 |
Конверсия ацетальдегида, % |
|
90,0 |
90,5 |
90,0 |
91,0 |
|
Селективность образования уксусной ки- |
|
|
|
|
||
слоты, % |
|
95,5 |
96,0 |
96,5 |
97,0 |
|
Селективность превращения ацетальдеги- |
|
|
|
|
||
да, доли: |
|
|
|
|
|
|
– в метилацетат |
|
0,025 |
0,025 |
0,020 |
0,020 |
|
– в этилидендиацетат |
|
0,020 |
0,015 |
0,015 |
0,010 |
|
Распределение непрореагировавшего аце- |
|
|
|
|
||
тальдегида, %: |
|
|
|
|
|
|
– с выхлопными газами |
|
30,0 |
31,0 |
32,0 |
33,0 |
|
– с жидкими продуктами на ректифика- |
|
|
|
|
||
цию |
|
70,0 |
69,0 |
68,0 |
67,0 |
|
Конверсия кислорода, % |
|
92,0 |
93,0 |
94,0 |
95,0 |
|
Базис расчета, кг ледяной уксусной ки- |
|
|
|
|
||
слоты (99,8 %-ный водный раствор по |
|
|
|
|
||
массе) |
|
1600 |
1650 |
1700 |
1750 |
31
www.mitht.ru/e-library
Методические рекомендации по выполнению расчета
При составлении структурной блок-схемы можно принять четыре блока: 1- смешение 2- окисление; 3- конденсация и раз-
деление газовых и жидких потоков; 4- ректификация с рецик-
лом по ацетальдегиду.
По первому блоку составляют уравнение по поступаю-
щему на окисление ацетальдегиду, суммируя свежий и воз-
вращающийся после ректификации.
По второму и четвёртому блокам составляют «базисное» уравнение и уравнения образования метилацетата и этилденди-
ацетата. Также составляют балансы по прореагировавшему ки-
слороду и воде.
По третьему блоку составляют балансовое уравнение по выхлопным газам.
Следует считать, что количество уксусной кислоты, кото-
рое используется в качестве растворителя ацетальдегида и ре-
акционной среды, является постоянным. Поэтому при расчете материального баланса учитывают образующуюся по реакции уксусную кислоту и поступающую с техническим ацетальде-
гидом.
32
www.mitht.ru/e-library