В смесителе, установленном в верхней части гидрататора 5, паро-газовая смесь смешивается с 7% фосфорной кислотой и поступает в гидрататор 5. Газ проходит слой катализатора сверху вниз, причём за счёт реакционного тепла температура повышается на 18 – 20 °C,  то есть до 293 °C в начале цикла и до 303 – 308 °C в конце. Выходящий из гидрататора реакционный газ уносит с собой некоторое количество фосфорной кислоты. Нейтрализация её осуществляется впрыскиванием в реакционный газ щелочного спирта-водного конденсата. Температура газа при этом снижается до 220 °C.

После нейтрализации реакционный газ проходит теплообменник 3, где охлаждается с 220 до 194°C, и далее котёл-утилизатор 6, где генерируется пар давлением 5 кгс/см2. Из котла утилизатора газ и сконденсировавшаяся жидкость (145°C) направляется в сепаратор 7. отделённый от жидкости газ из сепаратора охлаждается в холодильнике 8, где конденсируются пары спирта и воды. Несконденсировавшийся газ и конденсат из холодильника 8 направляются в насадочный скруббер 9, где остатки этанола поглощаются умягченной водой. Газ из скруббера идёт на смешение со свежим этиленом. Для вывода из системы накопившихся инертных примесей часть газа через регулятор давления сбрасывают в цех компрессии.

Спирто-водный конденсат из скруббера дросселируют и направляют в приёмник 10. выделившийся при дросселировании газ отмывают от паров спирта умягчённой водой в насадочной части приёмника 10 и через регулятор давления направляют в цех компрессии. Спирто-одный конденсат из приёмника 10 нагревают до 80°C в теплообменнике 11 и направляют на ректификацию в колонну 12. Температура на верху колонны 80°C, внизу 109°C; давление 1,1 – 1,4 кгс/см2. подвод тепла в низ колонны осуществляют через кипятильник 16, обогреваемый паром давлением 3 кгс/см2 из котла-утилизатора.

Пары спирта (азиотропная смесь) с верха колонны 12 поступают в конденсатор 13, где конденсируются и охлаждаются до 75 °C. Конденсат стекает в сборник 14, откуда часть спирта подаётся насосом 15 на орошение колонны 12. Остальное количество выводится с установки. Фузельная вода с низа колонны выводится в канализацию.

Рассмотренная схема обладает рядом недостатков; в первую очередь, велик расход водяного пара высокого давления. Кроме того, унос фосфорной кислоты парогазовой смесью приводит к необходимости нейтрализации смеси путём впрыскивания щелочного раствора спирто-водного конденсата; это снижает температуру паро-газовой смеси и уменьшает возможности регенерации тепла.

Использование пара высокого давления можно полностью исключить за счёт генерации пара в системе теплообмена. Для этого в поток прямого газа подают химически очищенную воду под давлением, и в процессе теплообмена с обратным газом вода испаряется. Теплообмен осуществляется в специальных теплообменниках сатураторах.

При этом степень насыщения газа парами воды достигает 0,6 – 0,7 моль/моль, а конечная температура парогазовой смеси равна 215°C. Подогревание парогазовой смеси до 275°C осуществляется в трубчатой печи за счёт сжигания топлива, таким образом, дополнительный расход пара высокого давления исключается. Изготовление теплообменника 2 из омеднённых труб, а трубные решётки из биметалла сталь-медь позволяет исключить нейтрализацию парогазовой смеси и интенсифицировать регенерацию тепла обратного газа.

Технологическая схема усовершенствованного агрегата прямой гидратации этилена приводится на рисунке

Компримированный этилен после компрессоров 9 и 10 поступают в теплообменник 4, где нагревается до 100 °C конденсатом после теплообменников-сатураторов (180°C). Далее этилен последовательно проходит теплообменники-сатураторы 3, орошаемые конденсатом. Насыщенный водой этилен при 200°C поступает в омеднённый теплообменник-сатуратор 2, а перед входом смешивается с частично испариной химически очищенной водой из теплообменника 5. Смесь при 215°C поступает в трубчатую печь 1, там догревается до 270 - 290°C и направляется в гидрататор 7, работающий в интервале 260 – 300°C. Обратный газ из гидратора проходит омеднённый теплообменник-сатуратор 2, где охлаждается до 240°C, и затем нейтрализуется щелочным раствором спирто-водного конденсата в нейтрализаторе 11; при этом температура снижается до 220 °C. Далее обратный газ последовательно проходит все теплообменники-сатураторы 3 и отделяется от жидкости в сепараторах 12, после чего при 130°C направляется на окончательное охлаждение в теплообменник 5 и холодильник 6 и поступает в скруббер 8 для отмывки спирта. Спирто-водный конденсат из сепараторов поступает в теплообменник 4. Все потоки спирто-водного конденсата и спирто-водный раствор после освобождения от растворённого этилена поступает затем на ректификацию.[2,4]

5.4. Характеристика основной аппаратуры

Реактор (гидрататор) представляет собой пустотелый цельнокованый цилиндрический стальной аппарат внутренним диаметром 1260 – 2200 мм и толщиной стенки 70 мм, футерованный слоем меди толщиной 12 – 15 мм. (рис а)

В качестве усовершенствования реактор может быть изготовлен из биметалла сталь-медь (рис б).

Высота слоя катализатора приблизительно 7 метров. Кроме того, для снижения уноса кислоты в нижнюю часть реактора загружают слой чистого носителя высотой 1 метр. Линейная скорость газа 0,2 м/с; потеря напора 3 – 4 кгс/см2 в начале цикла работы и до 6 кгс/см2 в конце.

Теплообменник-сатуратор -  вертикальный кожухотрубный аппарат, в котором прямой газ проходит по трубам, а обратный – по межтрубному пространству; прямой газ поступает снизу вверх. Вода подаётся сверху, распределяется по трубной решётке через специальное устройство – «паук», растекается по решётке и поступает в трубы через кольцевые зазоры между трубками и вставленными в их верхнюю часть конусами. Благодаря этому вода стекает тонкой плёнкой по поверхности трубок испаряясь и насыщая поднимающийся навстречу прямой газ. Насыщенный водой прямой газ через конусы попадает в пространство над трубной решёткой. Коэффициент теплопередачи в теплообменниках-сатураторах достигает 400 ккал/(м2 . ч . °C).[2,5]

5.5. Расчёт материального баланса гидратора

При прямой гидратации этилена на фосфорнокислотных катализаторах помимо основного процесса получения этанола из этилена, протекают побочные реакции:

1)образование диэтилового эфира;

2)образование ацетальдегида;

3)образование полимеров.

Задаёмся количеством образующегося спирта Gc (кг/ч). Обозначим доли конвертируемого этилена, расходуемого на образование различных продуктов (в масс.%):

на этанол – С1;

на диэтиловый эфир – С2;

на ацетальдегид и этан – С3;

на полимеры – С4.

Расход этилена

Расход этилена рассчитывают, исходя из заданного распределения вступившего в реакцию этилена и стехиометрического уравнения реакции. Общий расход этилена равен:

;

где Мэ и Мс – молекулярные веса этилена и спирта. Из этого количества расходуются: на образование этанола

;

На образование диэтилового эфира:

;

На образование ацетальдегида и этана:

;

На образование полимеров:

.

Количество продуктов реакции

Количество этилового спирта заданно Gc (кг/ч). Количество побочных продуктов (кг/ч) находим на основе стехиометрических уравнений.

Количество диэтилового эфира равно:

;

Количество ацетальдегида равно:

;

Количество этана равно:

;

где Мэф и Мэт – молекулярные веса эфира и этана.

Рассчитываем количество полимеров. Условно считаем, что полимеры состоят только из углерода и водорода. Тогда имеем:

Gп = А4, кг/ч.

Количество воды на реакцию.

На каждую из реакций расходуется вода в количестве 1 моль на 1 моль продукта. Общее количество воды составляет:

;

Количество отдуваемого газа.

Для поддержания определённой концентрации этилена в циркулируемом газе необходимо выводить из системы поступающие инертные примеси путём отдувки части циркуляционного газа. Инертные примеси поступают в систему с исходным техническим этиленом, а также за счёт побочного образования небольших количеств этана. Хотя общее количество этих примесей невелико, они неизбежно будут накапливаться в системе, если их не удалять.

На рисунке приведена принципиальная схема циркуляции этилена. В гидратор 3 поступает компримированный этилен. Парогазовая смесь из гидратора после конденсации разделяется на газ и конденсат в сепараторе 4 высокого давления поскольку этот аппарат работает под давлением часть газа остаётся растворённой в спирто-водном конденсате. Последний после дросселирования направляется в сепаратор 5 низкого давления, где отделяется растворенный газ – отдувка низкого давления (н.д.). циркуляционный газ высокого давления из сепаратора 4 поступает на приём компрессора 2, а часть газа отдувается в систему газофракционирования (отдувка в.д.). таким образом, инертные примеси удаляются из примеси двумя путями – с отдуваемым газом высокого давления и с растворённым газом сепаратора 4 (отдувка н.д.). вместе с отдуваемым и растворённым газом из системы выводится также этилен. Поэтому количество свежего этилена, который необходимо подать в систему превышает количество конвертируемого этилена и зависит от количества отдуваемого этилена.

Введём следующие обозначения:

А – количество конвертируемого этилена, кг/ч или кмоль/ч;

В – количество свежего технического этилена, кг/ч или кмоль/ч;

V – количество отдуваемого газа высокого давления, кг/ч или кмоль/ч;

S – количество газа растворённого в спирто-водном конденсате, кг/ч или кмоль/ч;

Gэт – количество образующегося этана, кг/ч или кмоль/ч;

x, y, z – массовые или мольные концентрации этилена соответственно в свежем техническом этилене,  в циркуляционном газе и в растворённом газе.

Составим баланс по этилену. Количество этилена, поступающего в систему, равно сумме конвертированного, отдуваемого и растворённого этилена

Bx = A + Vy + Sz                                                          (1)

Точно также составим баланс по примесям. Они поступают в систему со свежим этиленом плюс образующийся по реакции этан; примеси выводятся из системы с отдувкой в.д. и с растворённым газом. Следовательно, можно записать равенство:

B(1– x) + Gэт = V(1– y) + S(1 – z)                                            (2)

Количество свежего этилена В неизвестно. Найдём его значение из уравнения (1):

В = (А + Vy +Sz)/ x                                                           (3)

И подставим его в уравнение (2):

                            (4)

Преобразуем уравнение (4):

(A + Vy + Sz)(1 – x ) + Gэт.x = V(1 – y)x + S(1 – z)x;

A(1 – x) + Gэт.x = V(x – y) + S(x – z);

V(x – y) = A(1 - x) +  Gэт.x – S(x – z).

Количество отдуваемого циркуляционного газа выразится уравнением:

, кг/ч или кмоль/ч;     (5)

Из уравнения (5) следует, что V увеличивается с уменьшением концентрации свежего этилена (х) и с увеличением концентрации этилена в циркуляционном газе (у), а из уравнения (1) следует, что с увеличением V  увеличивается количество свежего этилена, которое необходимо подать в систему. Поэтому практически подбирают такие концентрации х и у, которые обеспечивали бы оптимальное парциальное давление в системе при приемлемом с экономической точки зрения количестве отдуваемого газа высокого давления.

Количество отдуваемого чистого этилена равно:

Vэ = Vy, кг/ч или кмоль/ч;

Количество отдуваемых примесей составляет:

Vпр = V(1 - y) кг/ч или кмоль/ч;    

Концентрацию этилена в циркуляционном газе находим в материальном баланса по метану и этану:

В.хметан = V.yметан +S.zметан                                                                  (6)

В.хэтан + Gэт = V.yэтан +S.zэтан                                                                (7)

Значение В легко вычислить из уравнения (2); следовательно, оно уже известно, поэтому из уравнения (6) и (7) легко найти соответствующие концентрации:

yметан  = (В.хметан – S.zметан )/V                                                          (8)

yэтан   =  (В.хэтан + Gэт – S.zэтан )/V                                                   (9) 

Для расчёта отдуваемого газа и последующих расчётов задаются значениями х и у. значение S и Z,  zметан и zэтан определяют при расчёте сепаратора высокого давления, так как они заранее не известны, ими задаются на основе опытных данных методом подбора.

Количество прямого газа, поступающего в гидратор, определяют как сумму циркулирующего и свежего этилена. Зная количество каждого компонента, определяем состав прямого газа: метан – Gц. yметан + В.хметан (кг/ч), этилен – Gэпр; этан – Gц. yэтан  + В.хэтан .  .Всего -  Gпр.

 Количество водяного пара, подаваемого в гидратор, равно:

Nz = nz .  Gэпр/28, кмоль/час.

Gz= 18 Nz кг/ч

Количество обратного газа, выходящего из гидратора составит:

Gобр.в. = Gпр + Gz – A – GH2O + Gспирт + Gэф + Ga + Gэт + Gп, кг/ч. [1]

6. ПРЯМАЯ ГИДРАТАЦИЯ ЭТИЛЕНА НА НЕЙТРАЛЬНЫХ КАТАЛИЗАТОРАХ

Существенными недостатками фосфорнокислотного катализатора являются его коррозионная агрессивность и постепенный унос кислоты с поверхности носителя. Эти недостатки могут быть устранены при использовании нейтральных катализаторов – вольфрамовых и кремний-вольфрамовых.

Разработаны процессы гидратации этилена на нейтральном катализаторе в жидкой фазе при 250 - 300°C и 300 кгс/см2 и при 300 °C и 140 кгс/см2. в этих случаях процесс ведут в колонне высокого давления, где на тарелках помещён катализатор – окислы вольфрама на силикагеле. Этилен и воду подают в верхнюю часть колонны, а снизу отводят 20% спирт. При этом процессе не требуется расходовать большое количество тепла на испарение воды и перегрев водяного пара.

Разработаны другие активные вольфрамовые катализаторы, содержащие 40 – 60% трёхокиси вольфрама на широкопористом силикагеле типа SiO2. 12WO3. 7H2O с добавкой борной кислоты. Катализаторы этого типа готовят, пропитывая силикагель раствором вольфромата аммония и прокаливая затем при 400°C. Они не нуждаются в последующем восстановлении. Добавление в состав катализатора 5 -10% борной кислоты существенно повышает его активность. Наиболее активный катализатор, содержащий 60% оксида вольфрама (VI) и 5% В2О3 на силикагеле, применяется в интервале 200 – 240 °C и 15 – 25 кгс/см2 , то есть в более мягких условиях, чем фосфорный катализатор. Сравнение работы этих катализаторов на пилотной установке приведено в таблице

Содержание спирта в конденсате при гидратации этилена на кремневольфрамовых катализаторах составляет 12 – 13%.

Вольфрамовые катализаторы помимо уже указанных преимуществ более активны, чем фосфорнокислотные и могут работать в более мягких условиях. Однако они значительно дороже, ибо вольфрам дефицитный материал.[2,6]

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Было рассмотрено три вида гидратации этилена: прямая гидратация с использованием в качестве катализатора фосфорной кислоты, сернокислотная гидратация этилена и гидратация на нейтральных катализаторах. Последняя, как уже было упомянуто выше,  из-за своей дороговизны используется крайне редко. Большее распространение в промышленности получили первые два метода.

В случае сернокислотной гидратации основной статьёй расхода является сырьё и вспомогательные материалы, что связано с применением серной кислоты и с меньшей селективностью процесса, протекающего с образованием значительных количеств побочных продуктов. Себестоимость спирта полученного сернокислотной гидратацией примерно на 20% выше, чем при прямой гидратацией.

Поэтому с экономической точки зрения процесс прямой гидратации является наиболее выгодным.

Уже было упомянуто, что при сернокислотной гидратации образуется множество побочных продуктов, к ним относятся: диэтилсульфат, этилсульфат, диэтиловый эфир, этаналь и различные продукты полимеризации этилена (олигомеры и полимеры). Кроме того, сама серная кислота является опасным продуктом.  Все эти вещества в больших количествах оказывают вредное воздействие на окружающую среду. И поэтому их нужно утилизировать, что увеличивает затраты на производстве. 

При прямой гидратации тоже образуются побочные продукты: диэтиловый эфир, этаналь, фосфорные эфиры и различные виды полимеров, остатки фосфорной кислоты. Но в значительной меньшей мере, чем при сернокислотной гидратации этилена.

Поэтому с точки зрения экологичности процесса метод прямой гидратации этилена более выгоден. [2, 7]

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. В.И.Коробкин, Л.В.Передельский. Экология. Ростов н/Д: издательство «Феникс», 2003. С. 300 – 302.

2. «Химическая энциклопедия», т.1, М.:Химия, 1987г – 566с.

3. «Химическая энциклопедия», т.2, М.:Химия, 1987г – 540с.

4. Несмеянов А. Н., Несмеянов Н.А. «Начала органической химии», т.2, М.:Химия, 1969 – 826 с. 

 5. Лебедев Н.Н. «Теория химических процессов основного органического и нефтехимического синтеза». М.:Химия, 1988 – 588 с.

 6. Несмеянов А. Н., Несмеянов Н.А. «Начала органической химии», т.1, М.:Химия, 1969 – 668с.

7.  Степанов А.В. «Производство этилена» Киев, издательствово «Наукова думка» 1973г. – 400с.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5