Синтез этанола

Основной способ синтеза этанола - гидратация этилена: сер­нокислотная в жидкой фазе и прямая водяным паром на твер­дом катализаторе.

Сернокислотный метод открыт А.М. Бутлеровым и состоит из четырех стадий:

• абсорбция этилена серной кислотой с образованием серно­кислотных эфиров;

• гидролиз эфиров с образованием спирта;

• выделение спирта и его ректификация;

• концентрирование серной кислоты.

Взаимодействие этилена с серной кислотой состоит из двух этапов - растворение этилена в серной кислоте и образование эфиров:

При умеренных температурах реакция практически необра­тима, но при повышении температуры превращение смещается влево. Оптимальная температура процесса 340-350 К или при­мерно 75 °С.

Гидролиз этил- и диэтилсульфата протекает по уравнению:

Кроме основных, из диэтилсульфата образуется диэтиловый эфир, ацетальдегид, а также наблюдается полимеризация этиле­на. Температура 95-105°С, длительность гидролиза 30 мин.

Прямая каталитическая гидратация этилена перегретым во­дяным паром основана на двусторонней реакции, протекающей с изменением объема и выделением теплоты. Этот метод более экономичен по сравнению с сернокислотным.

Взаимодействие происходит по уравнению

Оптимальные условия проведения процесса с высокой сте­пенью превращения и конверсии следующие: температура 55-95 °С, давление 7-8 МПа, объемная скорость парогазовой смеси 1800-1200 ч'¹. Степень конверсии за один цикл синтеза состав­ляет 4-5%. Процесс проводят по циркуляционной схеме. Опти­мальное молярное соотношение Н₂О:С₂Н₄ = 0,6:1. Катализато­ром служит фосфорная кислота. Вследствие заметной летучести фосфорной кислоты и постепенного снижения активности ка­тализатора было предложено инжектировать тонкораспыленную кислоту при вводе парообразной смеси в контактный аппарат. Синтез этанола - процесс сложный, состав конечной смеси: этиловый спирт - 95%, диэтиловый эфир - 2%, ацетальдегид -1%, полимеры и др. - 2%.

При ректификации спирта-сырца примеси хорошо отделяются.

Метод прямой гидратации имеет и некоторые недостатки: необходимость применения высококонцентрированного этилена; малая степень превращения этилена за один проход по схе­ме, что вызывает повышенный расход электроэнергии.

Рис. 3 Технологическая схема производства этилового спирта каталитической гидратацией этилена в газопаровой фазе:

1 - циркуляционный компрессор; 2, 3 - теплообменники-рекуператоры тепло­ты; 4 - теплообменник-подогреватель; 5 - гидратор; 6 - нейтрализатор; 7 - на­сос для подачи подщелаченного раствора Н^РО^, 8, 9 - котлы-утилизаторы теп­лоты; 10, 12 - сепараторы высокого давления; 11, 14 - холодильники; 13 -скруббер.

/- свежий этилен; II - пар (10 МПа); III - водно-спиртовой конденсат со ще­лочью; IV- пар; V - отдувка; VI - вода; VII - водный конденсат; VIII - водно-спиртовой конденсат на ректификацию

Рециркулирующий газ смешивают со свежим этиленом, он проходит теплообменники 2, 3 и подогреватель 4. Затем его смешивают в заданном соотношении с паром высокого давле­ния и подают в реактор гидратации 5, который представляет собой цилиндрическую колонну с зернистыми катализаторами, футерованную красной медью или угольными брикетами. Газ в аппаратах 2, 3 подогревается за счет теплоты потока, выходя­щего из гидратора 5, а в аппарате 4 - глухим паром.

Реакционную смесь, выходящую из реактора с температурой 300-305 °С, нейтрализуют и охлаждают до 235 °С путем впрыска в нее подщелаченного водно-спиртового конденсата, охлаждают до 145 °С в теплообменнике 3, котлах-утилизаторах 8, 9 и на­правляют в сепаратор 10. Газ из сепаратора 10 через теплооб­менник 2 и холодильник 11 подают в сепаратор 12, затем в скруббер 13, где из него при 35 °С водой отмывают несконден­сировавшийся спирт. Водно-спиртовой конденсат из сепарато­ров 10 и 12 передают в отделение ректификации.

Для сохранения активности катализатора в исходную смесь добавляют небольшое количество фосфорной кислоты.