Методы получения этилового спирта. Для прямой гидратации этилена в паровой фазе запишите основную и побочные реакции, укажите катализатор процесса, приведите механизм, запишите уравнение скорости накопления спирта. Обоснуйте выбор условий проведения процесса. Технологические особенности процесса и связанные с ними решения. Обоснуйте выбор типа и конструкции реактора.
Способы получения этилового спирта:
1. Брожение пищевого сырья (крахмалсодержащих и сахаристых веществ) – картофеля , хлебных злаков, отходов сахарных заводов.
Сначала идет осахаривание крахмала с образованием дисахарида – мальтозы, которая в процессе брожения гидролизуется в глюкозу.
2. Гидролиз древесины с последующим брожением. Для получения спирта древесину обрабатывают (гидролизуют) серной или соляной кислотой. При этом из целлюлозы образуется глюкоза
,
которая затем проходит стадию спиртового брожения.
3. Получение этанола из сульфитных щелоков – отходов целлюлозно-бумажного производства) - сульфитный спирт. Сульфитный щелок – жидкость, оставшаяся после обработки щепы раствором бисульфита Ca или Mg. Часть сухого вещества этих щелоков, представляющая собой сахара, способна сбраживаться в этиловый спирт.
4. Получение этилового спирта сернокислотной гидратацией. Концентрированная серная кислота способна реагировать с этиленом, образуя моно- и диалкилсульфат:
;
Эти эфиры при взаимодействии с водой превращаются в этиловый спирт, выделяя кислоту:
;
.
5. Получение этилового спирта прямой гидратации этилена, т.е. путем непосредственного гетерогенно-каталитического присоединения воды к этилену:
.
При прямой гидратации помимо основной протекают следующие побочные реакции:
Образование диэтилового эфира межмолекулярной дегидратацией этанола и алкилированием этанола этиленом;
образование изопропилового спирта при алкилировании пропилена, содержащегося в виде примеси в этилене;
образование ацетальдегида путем гидратации ацетилена (микропримесь в этиленовой фракции) и дегидрированием этанола;
образование кротонового альдегида конденсацией ацетальдегида;
образование уксусной кислоты окислением ацетальдегида;
образование этилацетата этерификацией уксусной кислоты этанолом;
образование полимеров этилена;
образование бутанола-2 при гидратации бутена-2 (продукт димеризации этилена).
В качестве катализатора используется фосфорная кислота, нанесенная на силикагель.
Механизм гидратации – карбкатионный:
протонирование олефина через промежуточное образование Пи- и сигма-комплексов,
присоединение молекулы воды с образованием иона алкоксония;
отщепление протона с образованием спирта.
При гидратации олефинов вода всегда находится в избытке, поэтому тормозящим влиянием спирта можно пренебречь:
.
Температура гидратации 280-3000С, что неблагоприятно для равновесия, однако на практике не найдено катализатора, который давал бы приемлемые выходы спирта при более низкой температуре. При данной температуре степень конверсии не доводят до равновесной (10-11%), а держат на уровне 4-5%, т.к. при приближении к равновесной степени конверсии снижается скорость реакции.
Реакции гидратации, идущей с уменьшением объема, благоприятствует повышенное давление, поэтому процесс ведут при давлении 80 атм, дальнейшее повышение давления нецелесообразно из-за близости области конденсации водяного пара и больших затрат по созданию давления.
Соотношение водяной пар : олефин поддерживается на уровне 0,5-0,7 : 1, хотя с позиций термодинамики рекомендуется использовать избыток водяного пара. ............