Химия : Производство этиленгликоля методом гидратации окиси этилена
Производство этиленгликоля методом гидратации окиси этилена
27 Федеральное агентство по образованию Кафедра: «Природообустройство и экология» Дисциплина: «Промышленная экология» Курсовая работа Производство этиленгликоля методом гидротации окиси этилена Вариант № 3 2007 Содержание Введение 1. Исходные данные 2. Обзор вариантов промышленного получения этиленгликоля 3. Сырье, используемое в производстве 3.1 Окись этилена 3.2 Вода 4. Технологическая схема производства 5. Химические процессы и реакции 6. Продукты производства 6.1 Этиленгликоль 6.2 Диэтиленгликоль 7. Составление материального баланса производства 8. Расчет основных технических показателей Заключение Список использованных источников Введение Любое промышленное производство можно представить как технологическую схему, т.е. совокупность аппаратов, машин и других устройств, а также материальных, энергетических и других потоков между ними, функционирующих как единое целое и предназначенных для переработки исходных веществ (сырья) в продукцию. Исходными веществами для промышленных продуктов является сырье, полупродукты и вторичное сырье. Подготовка сырья включает в себя его предварительную обработку, затем подготовленное сырье проходит ряд превращений, в результате чего образуется необходимый продукт производства. Целью курсовой работы является рассмотрение технологии производства этиленгликоля путем гидратации окиси этилена. Для этого были сформулированы следующие задачи: 1. описать схему синтеза этиленгликоля; 2. рассмотреть сырье, используемое в производстве, промежуточные и побочные продукты; 3. составить материальный баланс изучаемого производства; 4. рассчитать основные технические показатели производства (расходные коэффициенты, степень конверсии, выход продукта по сырью). 1. Исходные данные 1. Производительность установки по этиленгликолю: 26000 т/год; 2. Число рабочих дней в году: 340 дней; 3. Концентрация технического этиленгликоля в весовых процентах: 96%; 4. Концентрация окиси этилена в весовых процентах: 99,2%; 5. Избыток воды по отношению к количеству окиси этилена: 10:1; 6. Состав безводной реакционной смеси в весовых процентах: · Этиленгликоль: 90%; · Диэтиленгликоль 9%; · Окись этилена: 1%; 7. Потери окиси этилена в весовых процентах: 4%. 2. Обзор вариантов промышленного получения этиленгликоля Впервые этиленгликоль был получен и описан А. Вюрцем в 1857 году, но только 60 лет спустя началось его промышленное производство. Вскоре было найдено много разнообразных применений этиленгликоля, а равно и его производных, что привело к быстрому росту его производства. В настоящее время существует огромная патентная, журнальная и монографическая литература, посвященная этиленгликолю и его производным. Для производства этиленгликоля, впервые осуществленного в 1918 году, последовательно применяли гидролиз дихлорэтана ClCH2 - CH2Cl + NaCO3 + H2O > HOCH2 - CH2OH + 2NaCl + CO2 гидролиз этиленхлоргидрина HOCH2 - CH2Cl + NaHCO3 > HOCH2 - CH2OH + NaCl + CO2 гидратацию окиси этилена CH2 - CH2 + H2O > HOCH2 - CH2OH 27 O В настоящее время наибольшее значение имеет метод гидратации окиси этилена и лишь небольшая часть этиленгликоля получается гидролизом дихлорэтана. Производство этиленгликоля является экономически недорогим, так как не требует колоссальных затрат на сырье и технологические установки. Производство этиленгликоля является крупнотоннажным производством. Этиленгликолю принадлежит важная роль в промышленности и быту. Этиленгликоль употребляется как заменитель глицерина, для синтеза некоторых органических веществ и в качестве добавок к веществам, устраняющим быстрое высыхание [1]. Этиленгликоль - ценный растворитель. Он хорошо растворяет сложные эфиры, смолы, растительные эссенции. Растворимые свойства этиленгликоля использованы в самых различных отраслях промышленности, например красочной, парфюмерной. Кроме того, этиленгликоль сравнительно устойчив при высокой температуре, не разлагается при пропускании над пемзой, нагретой до 400єС. Разложение гликоля начинается при 500-520°С, а при 550єС происходит уже со значительной скоростью, но даже при этой температуре до 36 % этиленгликоля не подвергается разложению [4]. 3. Сырье, используемое в производстве 3.1 Окись этилена Окись этилена в настоящее время является одним из наиболее крупнотоннажных продуктов тяжелого органического синтеза на основе этилена. Основным производным окиси этилена является продукт ее гидратации - этиленгликоль, применяемый для производства антифриза, как растворитель, пластификатор, в производстве мономеров для синтетических волокон и другие. Окись этилена впервые была получена в 1857 году французским химиком Адольфом Шарлем Вюрцем. Занимаясь изучением производных этиленгликоля Вюрц приготовил окись этилена действием раствора едкого калия на этиленхлоргидрин и определил, что новое соединение кипит при +13,5єС, смешивается во всех соотношениях с водой, образует с сульфатом натрия кристаллическое соединение освежающего вкуса, восстанавливает водный раствор нитрита серебра; но не дает кристаллического осадка при действии эфирного раствора аммиака. При обычной температуре и давлении окись этилена находится в газообразном состоянии. Ее температура кипения равна 10,7°С при 760 мм рт.ст. Ниже этой температуры окись этилена представляет собой нейтральную, бесцветную, весьма подвижную жидкость. Температура замерзания окиси этилена равна -113,3єС. Температура плавления окиси этилена по разным данным составляет : -111,4°С, -111,71єС, -112,51°С [6]. Следует отметить, что по сравнению с водой, имеющей при 20єС вязкость порядка 0,01 Дж, вязкость окиси этилена примерно в 3 раза меньше. Плотность окиси этилена при температуре ее кипения равна 0,8827 г/смі, поэтому молекулярный объем окиси этилена при 10,7°С и 760 мм рт.ст. равен 49,9 смі. Относительная плотность окиси этилена при 20єС составляет 0,8711. Удельная теплоемкость окиси этилена составляет: жидкой ( от -25°С до +10єС) 0,44 Дж/(г·°С) и газообразной (при 34°С и 760 мм рт.ст.) 0,268 Дж/(г·°С). О растворимости окиси этилена в различных растворителях имеется много данных. Окись этилена хорошо растворима в спиртах, эфире, хлороформе, ацетона и других растворителях. Характерным свойством окиси этилена и ее гомологов является чрезвычайная склонность к взаимодействию с различными органическими и неорганическими соединениями. Это свойство связано со способностью атома кислорода в молекуле окиси этилена переходить в оксониевое состояние. Реакция гидратации окиси этилена, приводящая к образованию этиленгликоля, известна еще со времен Вюрца, который проводил ее нагревание в автоклаве водных растворов окиси этилена. в последнее время в связи с тем, что окись этилена вырабатывают все в больших и больших количествах, эта реакция приобретает большое практическое значение. Только при гидратации окиси этилена получается водный раствор гликоля без примеси солей и часто непосредственно годный к употреблению. Окись этилена также реагирует с этиленгликолем, образуя полиэтиленгликоли, так же имеющие практическое значение и во многих случаях применяются с моноэтиленгликолем: Н2С Н2С - ОН О + Н2О = + 17 ккал Н2С Н2С - ОН (этиленгликоль) Н2С Н2С - ОН Н2С - О - СН2 - СН2 - ОН О + = + 19,2 ккал Н2С Н2С - ОН Н2С - ОН (диэтиленгликоль) Именно эти две реакции лежат в основе гидратации окиси этилена. Диэтиленгликоль в этом случае является рабочим, а этиленгликоль целевым продуктом [4]. Масштабы применения окиси этилена и ее производных за последние два-три десятилетия достигли весьма высокого уровня и продолжают расти быстрыми темпами. Это объясняется потребностью в окиси этилена как в исходном сырье для получения продуктов, все более широко используемых в авто- и авиатранспорте, в химической, горной, нефтяной, текстильной и других отраслях, а также непосредственным ее применением в сельском хозяйстве, в современной технике, в частности в космонавтике. 3.2 Вода Вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость. Теплоемкость воды составляет 4,18 Дж/(г·°С). Температура кипения воды составляет 100єС, замерзания 0°С. Вода - весьма реакционное вещество. Вода используется практически во всех производствах. Окись этилена смешивается с водой во всех отношениях. Раствор окиси этилена при комнатной температуре весьма устойчив. Смесь паров воды и окиси этилена устойчива при температуре порядка 200єС. Непрерывный процесс гидратации окиси этилена можно осуществлять с применением ионообменной смолы, взвешенной в жидкой реакционной массе. Также взаимодействие с водой можно вести при барбатировании окиси этилена в суспензию ионообменной смолы[6]. 4. Технологическая схема производства В качестве сырья применяют 98,5%-ную окись этилена и паровой конденсат. Конденсат из сборника 1 и окись этилена из сборника 2, охлажденная в холодильнике 3 до 5-60С подаются в смеситель 4, куда поступает также обратный конденсат с температурой 300С. Из него шихта, содержащая 10-15% окиси этилена и 88-90% воды по объему, направляется в трубчатый смеситель 6 и собирается в сборнике шихты 5, где поддерживается температура 5-60С. Паровым насосом с давлением 10 атм. через подогреватель шихты 7 с температурой 1300С шихта подается в гидротатор 8, в котором протекает реакция получения этиленгликоля. Из гидротатора 8 реакционная масса дросселируется до 0,3 атм в газосепаратор 11, откуда газовая фаза поступает в конденсатор 12, затем конденсат идет в напорный бак 1. Жидкая фаза из газосепаратора переходит в ректификационную колонну 14. отгоняющиеся пары конденсируются в дефлегматоре 13 и поступают в сборник конденсата 18. сюда же идет раствор щелочи для нейтрализации побочных продуктов реакции кислого характера. Конденсат из сборника 18 охлаждается в холодильнике 17 и направляется в смеситель 4. Из куба колонны вытекает 70%-ный этиленгликоль, который собирается в сборник 16. Центробежным насосом этиленгликоль подается через выносной кипятильник 15 во вторую ректификационную колонну 19 для отделения полигликолей. Пары этиленгликоля, выходя из колонны 19, конденсируются в конденсаторе 12. конденсатор, содержащий 70% этиленгликоля, забирается в сборник 20. Полигликоли, вытекающие из кубовой части колонны 19, собираются в сборнике 21 и направляются потребителю. Основные параметры производства: температура в гидротаторе 1650С, давление в гидротаторе 10 атм, состав поступающей в гидротатор шихты: - окиси этилена 10-15% по объему, - воды 80-90% по объему, температура верха первой ректификационной колонны 1000С. По описанной схеме этиленгликоль получается методом прямой гидротации окиси этилена без катализатора при давлении 10 атм и температуре 1650С. Технологическая схема производства этиленгликоля представлена на рисунке 4.1[2]. 5. Химические процессы и реакции Реакция гидротации окиси этилена, приводящая к образованию этиленгликоля, известна еще со времени Вюрца, который проводил ее нагревание в автоклаве, водных растворов окиси этилена. В последнее время в связи с тем, что окись этилена вырабатывают все в больших количествах, эта реакция приобретает большое практическое значение. Получение этиленгликоля путем гидротации окиси этилена является наиболее целесообразным, т.к., исходя из дихлорэтана или из этиленхлоргидрина необходимо отделить образовавшийся продукт от сопутствующей ему соли, только при гидротации окиси этилена получается водный раствор гликоля без примеси солей и часто непосредственно годный к употреблению. Гидротация окиси этилена в водном растворе протекает достаточно эффективно при температурах ниже 150-1700С. В присутствии кислот или щелочей гидротация ускоряется. Это позволяет проводить процесс при 120-1500С. Однако в кислой среде образуется защита аппаратуры от коррозии, а щелочная среда особенно способствует образованию полигликолей [1]. Поэтому в настоящее время предпочитают проводить процесс гидротации в нейтральной среде при 160-1800С. Производство этиленгликоля проходит в две стадии: на первой стадии получают гидротацией окиси этилена этиленгликоль, на второй - конденсацией образующегося этиленгликоля со второй молекулой окиси этилена диэтиленгликоль. Основная реакция процесса: CH2 - CH2 + H2O > CH2OH - CH2OH O Побочная реакция - образование диэтиленгликоля: CH2OH - CH2OH + CH2 - CH2 > CH2OH - CH2 - O - CH2 - CH2OH. O В присутствии катализатора гидротацию окиси этилена проводят обычно под давлением 10 атм при мольном соотношении окиси этилена и воды примерно 1:16; продолжительность контакта 30 минут. Раствор гликолей упаривают в многокорпусном выпарном аппарате до содержания воды примерно 15% и далее подвергают ректификации. Соковый пар из последнего аппарата конденсируют и конденсат, содержащий 0,5-1,0% этиленгликоля, возвращают на гидротацию свежей окиси этилена. На 1т этиленгликоля примерно 120 кг диэтиленгликоля и 30 кг триэтиленгликоля. Теплообменники «труба в трубе» (рисунок 5.1) включают несколько расположенных друг над другом элементов, причем каждый элемент состоит из двух труб: наружной трубы 1 большего диаметра и концентрически расположенной внутри неё трубы 2. Внутренние трубы элементов соединены друг с другом последовательно; также связаны между собой и наружные трубы. Для возможности очистки внутренние трубы соединяют при помощи съемных калачей 3. Благодаря небольшому поперечному сечению в этих теплообменниках легко достигаются высокие скорости теплоносителей как в трубах, так и в межтрубном пространстве. При значительных количествах теплоносителей теплообменник составляют из нескольких параллельных секций, присоединяемых к общим коллекторам. Преимущества теплообменников «труба в трубе»: 1) высокий коэффициент теплопередачи вследствие большой скорости обоих теплоносителей; 2) простота изготовления. Недостатки этих теплообменников: 1) громоздкость; 2) высокая стоимость ввиду большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене; 3) трудность очистки межтрубного пространства. Теплообменники «труба в трубе» применяют при небольших количествах теплоносителя для теплообмена между двумя жидкостями, между жидкостью и конденсирующимся паром, а также в качестве холодильников для газов при высоких давлениях. 6. Продукты производства 6.1 Этиленгликоль Этиленгликоль СН2ОН - СН2ОН - простейший двухатомный спирт, впервые синтезированный Вюрцем в 1859 г. Это вязкая бесцветная жидкость со слабым запахом и сладким вкусом (t кипения=197°С, t плавления находится в пределах от -11,5° С до -17,5° С, плотность 1,11 г/см3, теплота парообразования 191 ккал/кг). Смешивается во всех отношениях с водой. Глицерином, одноатомными алифатическими спиртами, ацетоном, ледяной уксусной кислотой, пиридином и фурфуролом; не смешивается с бензолом, ксилолом, толуолом, хлорбензолом, хлорофареном, четыреххлористым углеродом. Этиленгликоль обладает токсическим действием, сходным с действием метилового спирта. Токсичность этиленгликоля в значительной мере зависит от объекта, на котором он изучается. Известно, что минимальная смертельная доза этиленгликоля изменяется от 3 до 9 мг на килограмм веса животного в зависимости от вида последнего. [4] Этиленгликоль вызывает раздражение слизистых оболочек; на кожу он не действует. Инъекции в мускульную ткань могут приводить к абсцессу. Возможные последствия от отравлений этиленгликолем сводятся к гемолизу и падению кровяного давления. Малая летучесть этиленгликоля делает его неопасным в парах; содержание в 1000 л воздуха до 300 мг этиленгликоля не опасно для мелких животных, и, вероятно, для человека. Этиленгликоль склонен переохлаждаться, но большинство ученых исходя из своих оытов не могут установить конкретную температуру замерзания этиленгликоля, она находится в пределах от -11,5° С до -17,5° С. Вязкость этиленгликоля больше, чем этилового спирта, но меньше, чем глицерина. Этиленгликоль не огнеопасен. В промышленных масштабах этиленгликоль начали получать в Германии в период первой мировой войны. В настоящее время этиленгликоль (а также диэтиленгликоль и полиэтиленгликоль) вырабатывают в очень больших количествах и используют в различных отраслях народного хозяйства. В течение последних лет этиленгликоль стал применяться как охладительная среда для авиационных моторов. Его применение для целей охлаждения при высоких температурах с успехом реализовано для рентгеновских трубок, артиллерийских орудий и танков в США. Этиленгликоль - ценный растворитель; в этом он во многом похож на этиловый спирт. Он хорошо растворяет сложные эфиры, смолы, растительные эссенции. Растворяющие свойства этиленгликоля использованы в самых различных отраслях промышленности, например красочной, парфюмерной и т.д. [4] Этиленгликоль, наравне с глицерином, применяется при изготовлении валиков к печатным станкам. Важным свойством этиленгликоля является его способность сильно понижать температуру замерзания воды. Водный раствор, содержащий 40 объемн. % этиленгликоля, замерзает при -25оС, а 60% водный раствор при -40оС. Поэтому этиленгликоль широко применяют в качестве антифризов, главным образом для охлаждения автомобильных двигателей, стволов пулеметов, в аммиачных холодильных установках и т.д. Этиленгликоль обладает хорошей гигроскопичностью, в том числе хорошо растворяет смолы, красители и некоторые вещества растительного происхождения. Благодаря сочетанию этих свойств этиленгликоль применяется при крашении тканей, в ситцепечатании, для приготовления штемпельных красок и косметических препаратов, для увлажнения табака, в качестве заменителя глицерина. Этиленгликоль является также важным продуктом в производстве синтетических смол, растворителей, взрывчатых веществ и пр. При нагревании этиленгликоля с небольшим количеством кислоты (реакция А.Е. Фаворского) получают циклический эфир - дуоксан. СН2 - СН2 2НОСН2 - СН2ОН О О + 2Н2 СН2 - СН2 Являющийся универсальным растворителем (to кипения = 101,2оС), смешивающимся также с водой. При гидратации окиси этилена, кроме этиленгликоля, образуются ди-, три-, тетра- и поли этиленгликоли. 6.2 Диэтиленгликоль Диэтиленгликоль НОСН2СН2ОСН2СН2ОН - простой эфир этиленгликоля, бесцветная, прозрачная, сиропообразная жидкость без запаха, удельный вес 1,12 г/см3, to кипения = 244,30оС. Диэтиленгликоль ядовит, действует на центральную нервную систему. Если принять внутрь 30-50г диэтиленгликоля, происходит тяжелое отравление, а 100г - смерть. Для работ с диэтиленгликолем допускаются лица, прошедшие специальное обучение. Диэтиленгликоль смешивается с водой, спиртом, ацетатом, плохо растворим в эфире, бензоле; его химические свойства сходны со свойствами этиленгликоля. Этиленгликоль вместе с окисью этилена (СН2-О-СН2) и этиленхлоргидритом (СlCН2CН2ОН) служит сырьем для промышленного получения диэтиленгликоля. [1] Диэтиленгликоль является растворителем для смол и эфиров целлюлозы и используется как уплотняющая жидкость для тормозных гидравлических приспособлений; в текстильной промышленности его используют при отделке и крашении тканей. Благодаря высокой гигроскопичности диэтиленгликоль применяют для осушки газов. Его преимущество, как ос | 
