13.8.3.2 Производство этанола

Этиловый спирт, благодаря своей реакционной способности и физико-химическим свойствам, относится к важнейшим продук­там промышленного органического синтеза. Он кипит при низ­кой температуре, смешивается с водой и многими органическими растворителями в любых соотношениях, со многими промыш­ленными реагентами образует азеотропные смеси и застывает при низкой температуре (-110 ⁰С). Эти свойства этанола широко используются промышленной практикой в процессах разделения реакционных смесей методами экстракции или азеотропной рек­тификации, для приготовления растворов в производстве пище­вых, фармацевтических и косметических средств. Этанол являет­ся полупродуктом в таких важных синтезах, как получение:

Этанол используется как компонент автомобильного и ракет­ного топлив. Хорошо известно его использование в качестве ком­понента антифризов и тормозной жидкости на основе этиленгликоля. Этанол, полученный ферментацией растительного сырья, применяется в качестве источника чистого этилена.

Методы получения этанола:

1) Метод сернокислотной гидратации этилена основан на взаимодействии этилена с серной кислотой с образо­ванием кислых и средних сульфоэфиров (алкил- и диалкилсульфатов), которые на второй стадии синтеза гидролизуются в спирты.

2) Метод прямой гидратации этилена в газовой фазе на твер­дом катализаторе позволил исключить из про­цесса разбавленную серную кислоту (с ее высокой коррозионной активностью и необходимостью концентрирования перед возвра­щением на стадию этерификации) и повысить выход спирта (95 % против 90 % в сернокислотном методе).

Этот способ производства эта­нола основан на реакции

которую сопровождают побочные процессы:

Согласно технологической классификации основная реакция - сложный обратимый, гетерогенно-каталитический, экзо­термический газофазный процесс, протекающий с уменьшением объема.

Экспериментальные данные показывают, что оптимальное давление 5 МПа, а температура 270-275 °С и эквимолярное соотношение вода:этилен. Высокую селективность в указанных условиях обеспечивают гетерогенные катализаторы ионного типа: ортофосфорная кислота на диатомите или кремневовольфрамовая кислота В заданных условиях синтеза конверсия этилена за один про­ход через реактор не превышает 5 %, поэтому процесс оформляют по циркуляционной схеме.

Принципиальная технологическая схема производства этило­вого спирта методом прямой гидратации этилена показана на рисунке 46.

Рисунок 46 - Принципиальная технологическая схема производства этилового спирта:

1 - теплообменник рекуперативный; 2 - трубчатая печь;

3 - реактор; 4 - водяной холо­дильник; 5 - сборник-сепаратор;

6 - промывная колонна; 7, 9 - ректификационные колонны;

8 - дефлегматор

Свежий и циркуляционный газ, сжатый до 7 МПа, смешива­ют и вместе с добавляемым водяным паром или паровым кон­денсатом подогревают в теплообменнике 1 покидающими реак­тор 3 контактными газами. Исходная смесь поступает далее в трубчатую печь 2, где нагревается до 270-280 ⁰С и затем подается в реактор 3, который работает в адиабатическом тепловом режиме. Реактор представляет собой колонный контактный аппарат, из­готовленный из стали и облицованный изнутри красной листо­вой медью. Реакция гидратации - слабоэкзотермичная, поэтому разогрев реакционной смеси незначителен. Горячие контактные газы охлаждаются в теплообменнике 1 и поступают в сборник-сепаратор 5, где от них отделяются частично сконденсировавшиеся пары спирта и воды. Затем парогазовая смесь проходит через во­дяной холодильник 4, в котором конденсируются остатки паров спирта. Непревращенный этилен и другие газообразные примеси окончательно отмываются от паров спирта водой в промывной насадочной колонне 6 и направляются на рециркуляцию. Для поддержания концентрации этилена в рецикле постоянной, 80-85 % (об.), часть газа сбрасывают в процессе продувки.

Получен­ный раствор разделяют методом ректификации. В качестве гото­вого продукта получается азеотропная смесь, содержащая не более 95,6 % (мас.) спирта и 4,4 % (мас.) воды.

Для получения безвод­ного спирта используют метод, который называется азеотропной ректификацией. Этот метод применяют, когда обычная ректифи­кация не дает желаемой степени разделения из-за малой относи­тельной летучести компонентов смеси или образования гомоген­ного азеотропа (нераздельно кипящей смеси). Поэтому в подле­жащую разделению смесь вводят третий компонент, образующий азеотроп с одним из разделяемых компонентов. При обезвожива­нии этилового спирта в качестве азеотропного агента используют бензол, который при кипячении с обводненным спиртом образует тройной азеотроп состава: 74,1 % бензола, 18,5 % спирта и 7,4 % воды, кипящий при 64,9 ⁰С. Этот азеотроп отбирается с верха ректификационной колонны. С низа колонны отбирается абсо­лютный (100 %) спирт. На вольфрамовом катализаторе конверсия этилена составляет около 80 % от теоретической, а выход спирта достигает не менее 95 %.

Себестоимость синтетического спирта составляет 26 %, сульфитного - 42 %, гидролизного - 70 % от себестоимости спирта из пищевого сырья.