2C₂Н₅ОН (С2Н₄)₂О + Н₂О

Над активированной окисью алюминия этиловый спирт дегидратируется до этилена:

С₂Н₅ОН СН₂=СН₂ + Н₂О

При каталитическом взаимодействии этилового спирта с аммиаком образуются моно-, ди- и триэтиламины.

Этиловый спирт - наркотик, возбуждающе действующий на организм. Длительное воздействие больших доз может вызвать тяжелые органические заболевания нервной системы, печени, сердечно-сосудистой системы, пищеварительного тракта и т.д.

Предельно-допустимая концентрация этилового спирта в воздухе рабочей зоны 1000 мг/м³ .

4 Расчётная часть

4.1 Материальные расчёты и составление материального баланса процесса

СН₂ =СН₂ + Н₂О С₂Н₅ОН

На образование 1кмоль спирта идёт 22,4 м³ этилена:

С учётом степени превращения на стадиях процесса:

Вместе с этиленом будет подано этана в количестве:

Всего этан – этиленовой фракции:

2072,1554м³ +6216,4662м³ = 8288,6216 м³

Определим расход этилена:

G (C₂H₄) = (6216,4662 ּ 28)/22,4 = 7770,5828 кг

Определим расход этана:

G (C₂H₆) = (2072,1554 ּ 30)/22,4 = 2775,2081 кг

Всего этан – этиленовой фракции:

7770,5828 кг + 2775,2081 кг =12276,3кг = 10,5457909 тонн

Для получения 1 кмоль этанола требуется 1 кмоль воды. Определим расход воды для производства 12000 кг этилового спирта:

G (Н₂O) = 18 ּ 12000 / 46 = 4695,6522 кг

Побочных продуктов с учётом степени превращения образуется:

Таблица 1. Материальный баланс.

Приход	кг	Расход	кг
Этиленовая фракция Вода	10545,7909 4695,6522	Этанол Этан Побочные продукты	12000 2775,2081 466,235
Итого	15241,4431	Итого	15241,4431

4.2 Тепловые расчёты и составление теплового баланса процесса

Тепловой баланс процесса рассчитываем на основании уравнения:

где G – количество вещества, с – средняя теплоемкость этого вещества, t – температура, отсчитанная от какой-либо точки (обычно от 0⁰С).

Рассчитываем количество теплоты, вносимое водой:

Рассчитывает количество теплоты, вносимое этиленовой фракцией:

Теплоёмкость этиленовой фракции рассчитываем по уравнению:

Определим количество теплоты, уносимое этаном: t=220⁰С

Q (С₂H₆) = 2775,2081 ּ (5,75 + 175,11 ּ 10^-3 ּ 493 - 57,85 ּ 10^-6 ּ 493²) ּ (320-220) =17321,48253 кДж/час

Определим количества теплоты, уносимо этанолом:

Q (C₂H₅OH) = G ּ с ּ t, t=220⁰С

G (C₂H₅OH) = 16000 кг/час

с= (19,07 + 212,7 ּ 10^-3 ּ 493 – 108,6 ּ 10^-6 ּ 493²) = 97,536 Дж/мольּК

Q (C₂H₅OH) = G ּ с ּ t = 12000 ּ 97,536 ּ (300-220) = 93634,53946 кДж/час

Количество теплоты, уносимое из реактора с помощью холодильников:

Q_п =Q (H₂O) + Q (эт.фр.) – Q (C₂H₆)-Q (C₂H₅OH)=77805,68913+ 106606,1794-

-17321,48253- 93634,53946=73455,84654 кДж/час

Расход воды в холодильниках:

с (Н₂О) = 33,61 Дж/моль ּ К

G_{(воды в холодильниках)} = Q_п/(с_(воды) ּ (t_кон – t_нач)) = 73455,84654 ּ 1000/33,61 ּ (300-220) = =27319,19315 кг/час

Таблица 2. Тепловой баланс

Приход	кДж	Расход	кДж
Этиленовая фракция Вода	106606,1794 77805,68913	Этанол Этан Вода в холодильниках	93634,53946 17321,48253 73455,84654
Итого	184411,8685	Итого	184411,8685

4.3 Термодинамический расчёт

CH₂ = CH_2(г) + H₂O_(пар) C₂H₅OH_(г) T=493K

Зависимость удельной изобарной теплоёмкости от температуры выражается уравнениями:

– для органических веществ

– для неорганических веществ

Изменение удельной изобарной теплоёмкости считается по уравнению:

Изменение удельной изобарной теплоёмкости для данной реакции:

Δа=19,07-4,196=14,874

Δb=(212,7-154,59) ּ 10^-3=58,11 ּ 10^-3

Δc=(-108,6+81,09) ּ10^-6=-27,51 ּ10^-6

Энтальпия реакции при данной температуре рассчитывается по формуле:

=

= - 45,74 кДж/моль

= - 45,74 кДж/моль + ∫((14,874+58,11 ּ 10^-3Т - 27,51 ּ10^-6Т²) –

- (30,00+10,71 ּ 10^-3Т + 0,33 ּ 10⁵Т^-2))dT Дж/моль = - 45,74 кДж/моль +14,874 ּ (493- -298) + 0,5 ּ 58,11 ּ 10^-3 ּ (493²-298²) - 0,33 ּ 27,51 ּ10^-6(493³-298³) – (30 ּ (493-298) + 0,5 ּ 10,71 ּ 10^-3(493²-298²) – 0,33 ּ 10⁵(493^-1-298^-1)= -45,74 кДж/моль + 1,785 кДж/моль= - 43,955 кДж/моль

Энтропию реакции при 493 К рассчитаем по уравнению:

-126,14 + ((14,874 ּ Т^-1 +58,11 ּ 10^-3 - 27,51 ּ10^-6Т) – (30 ּТ^-1 + 10,71 ּ 10^-3 + +0,33 ּ 10⁵Т^-3)dT = - 126,14 + 14,874ln(493-298) +58,11 ּ 10^-3(493-298) – 0.5 ּ 27,51 ּ10^-6 (493²-298²) – 30 ּ ln(493-298) - 10,71 ּ 10^-3(493²-298²) – 0.5 ּ 0,33 ּ 10⁵(493^-2-298^-2) =

=-198,66 Дж/моль ּ К

Энергия Гиббса для реакции при 493 К вычисляется по уравнению:

Так как реакция является обратимой, найдём значение константы равновесия:

5 Отходы и их обезвреживание

Процесс производства синтетического этилового спирта методом прямой гидратации этилена связан с применением и образованием токсичных, взрывоопасных и пожароопасных веществ.

Для уменьшения и предотвращения вредных выбросов в атмосферу газов, содержащих токсичные углеводороды,(этилен, диэтиловый эфир, ацетальдегид и др.) имеются следующие возможности:

• строгое соблюдение технологического режима (при этом снижается количество выбросов через предохранительные клапаны и воздушники, уменьшаются частота остановок и связанное с ними сбрасывание газов);

• монтаж и эксплуатация оборудования в соответствии с правилами (это предупреждает газовые выбросы через неплотности).

Процесс синтеза этилового спирта сопровождается значительным уносом фосфорной кислоты, которая может вызвать коррозию оборудования и трубопроводов. Поэтому одной из стадий процесса является нейтрализация продуктов реакции, выходящих из гидрататора в парогазовой фазе путем взаимодействия с подщелоченным водно-спиртовым конденсатом. Образующиеся при нейтрализации соли фосфорной кислоты (0,4-0,5 кг на 1 т спирта) растворяются в водно-спиртовом конденсате и пройдя вместе с продуктами реакции через теплообменник-рекуператор, котлы-утилизаторы, сепараторы и т.д. поступают на узел ректификации и выводятся из системы вместе с обратной промывной водой в канализацию.

В процессе гидратации этилена образуются побочные продукты: диэтиловый эфир, ацетальдегид, полимеры этилена, являющиеся отходами производства. Значительная часть этих соединений удаляется при ректификации и очистке этилового спирта.

С целью улучшения качества спирта и снижения содержания углеводородов в сточных водах производства синтетического этанола в настоящее время на стадии переработки спирта-сырца проводится отвод жидкостной фазы (в составе которой отходы производства - полимеры) с содержанием спирта 40 - 80 об. % с последующим ее разбавлением до содержания спирта 10 - 20 об. % и направлением в отстойник.

Полимеры, являясь водонерастворимыми органическими продуктами, хорошо растворяются в этиловом спирте и в процессе ректификации накапливаются в колонне, достигая максимальной концентрации (17 - 35 об. %) в той части колонны, где концентрация спирта 40 - 80 об.%.

Выделившиеся при разбавлении полимеры отделяют от водноспиртового слоя во флорентийском сосуде, выводят в сборник и далее в канализацию, а водноспиртовой слой направляют обратно в колонну на тарелку питания.

Способ позволяет улучшить качество стоков по химическому поглощению кислорода на 60 - 65 %, что облегчает очистку сточных вод на биоочистных сооружениях.

Для поддержания высокой концентрации этилена (98,5 %)в процессе гидратации проводят отдувку циркулирующего газа, который после отмывки паров спирта в скруббере, поступает в цех газоразделения для переработки совместно с газом пиролиза.

Для вывода с установки инертных газов (метан, этан и др.) часть газа из верхней части кольцевого коллектора при 40 - 45 кгс/см² передают через подогреватель в цех газоразделения для переработки.

6 Мероприятия по технике безопасности, промсанитарии, пожарной безопасности и охране труда

Производство синтетического этилового спирта относится к пожаро- и взрывоопасным производствам. Кроме того, в цехе используются токсичные и едкие вещества. Основными моментами, определяющими опасность в цехе, являются:

1. наличие жидких и газообразных продуктов, образующих с воздухом взрывоопасные смеси с низким пределом взрываемости;

2. ведение процесса при высоких давлениях (до 100 кгс/см²) и высоких температурах (до 450 °С);

3. наличие тока высокого напряжения для электродвигателей;

4. токсичность сырья, вспомогательных материалов и готовой продукции;

5. образование зарядов статического электричества при движении газов и жидкостей по трубопроводам и аппаратам;

6. ведение сварочных работ внутри реакторов.

6.1 Характеристика производства по взрыво- и пожароопасности

Процессы гидратации этилена, ректификации и очистки спирта являются закрытыми и осуществляются по непрерывной схеме. Появление газа или паров в производственном помещении возможно только вследствие неисправности оборудования или при авариях. Помещения цеха по взрываемости относятся к классу В-1а, наружные установки к классу В-1г, катализаторное отделение — невзрывоопасное.

По пожаро- и взрывоопасности цех относится к категории «А», так как во всех отделениях имеются вещества с нижним пределом взрываемости 10% и менее, а также легковоспламеняющиеся жидкости (т. всп. 28 °С и ниже) в количествах, достаточных для образования взрывоопасных смесей. В компрессорном зале и отделении ректификации имеется этилен; в насосных и на установке удаления ацетилена из спирта имеются этиловый спирт и диэтиловый эфир; в катализаторном отделении применяют метано-водородную фракцию в качестве топлива.

Если концентрация этих продуктов в воздухе находится между верхним и нижним пределами взрываемости и имеется источник воспламенения, возможен взрыв; при концентрации этих продуктов выше верхнего предела взрываемости и при наличии источника воспламенения возможен пожар.

При монтировании электрооборудования следует учитывать, что технологическая среда производственных помещений установки по взрываемости имеет такую характеристику согласно ПИВРЭ (Правила изготовления взрывобезопасного и рудничного электрооборудования): по этилену ЗТ1, по этанолу 2Т2, по диэтиловому эфиру 2Т4 (где первая цифра — категория взрывоопасной смеси, Т1, Т2, Т4 — группы взрывоопасности смеси).

По санитарным условиям производство этанола относится к производствам П-д, для которых в бытовых помещениях предусмотрены гардеробная, умывальная и душ. По количеству выделяющегося от оборудования тепла помещения реактора и паровых коллекторов относятся к горячим отделениям; для таких производственных помещений предусмотрен 8-кратный обмен воздуха в час.

6.2 Свойства сырья и вспомогательных материалов

Этиленовая фракция, содержащая 98—99% (об.) С₂Н₄. Горючий газ. Смесь этилена с воздухом взрывоопасна, ядовита, действует на центральную нервную систему. Предельно допустимая концентрация этилена в помещении 500 мг/м³.

Метано-водородная фракция, содержащая 89—90% СН₄ и 5—10% Н₂. Указанные вещества не ядовиты, но при большом содержании их в воздухе затрудняется дыхание из-за недостатка кислорода. С воздухом образует взрывоопасные смеси.