Уравнение реакции гидратации этилена в этанола

Этанол: химические свойства и получение

Этанол C₂H₅OH или CH₃CH₂OH, этиловый спирт – это органическое вещество, предельный одноатомный спирт .

Общая формула предельных нециклических одноатомных спиртов: C_nH_2n+2O.

Строение этанола

В молекулах спиртов, помимо связей С–С и С–Н, присутствуют ковалентные полярные химические связи О–Н и С–О.

Электронная плотность обеих связей смещена к более электроотрицательному атому кислорода:

В образовании химических связей с атомами C и H участвуют две 2sp 3 -гибридные орбитали, а еще две 2sp 3 -гибридные орбитали заняты неподеленными электронными парами атома кислорода.

Поэтому валентный угол C–О–H близок к тетраэдрическому и составляет почти 108 о .

Водородные связи и физические свойства спиртов

Спирты образуют межмолекулярные водородные связи. Водородные связи вызывают притяжение и ассоциацию молекул спиртов:

Поэтому этанол – жидкость с относительно высокой температурой кипения (температура кипения этанола +78 о С).

Водородные связи образуются не только между молекулами спиртов, но и между молекулами спиртов и воды. Поэтому спирты очень хорошо растворимы в воде. Молекулы спиртов в воде гидратируются:

Этанол смешивается с водой в любых соотношениях.

Изомерия спиртов

Структурная изомерия

Для этанола характерна структурная изомерия – межклассовая изомерия.

Межклассовые изомеры — это вещества разных классов с различным строением, но одинаковым составом. Спирты являются межклассовыми изомерами с простыми эфирами. Общая формула и спиртов, и простых эфиров — C_nH_2n+2О.

Химические свойства этанола

Спирты – органические вещества, молекулы которых содержат, помимо углеводородной цепи, одну или несколько гидроксильных групп ОН.

1. Кислотные свойства

1.1. Взаимодействие с раствором щелочей

При взаимодействии этанола с растворами щелочей реакция практически не идет, т. к. образующийся алкоголят почти полностью гидролизуется водой.

Равновесие в этой реакции так сильно сдвинуто влево, что прямая реакция не идет. Поэтому этанол не взаимодействуют с растворами щелочей.

1.2. Взаимодействие с металлами (щелочными и щелочноземельными)

Этанол взаимодействует с активными металлами (щелочными и щелочноземельными).

Алкоголяты под действием воды полностью гидролизуются с выделением спирта и гидроксида металла.

2. Реакции замещения группы ОН

2.1. Взаимодействие с галогеноводородами

При взаимодействии спиртов с галогеноводородами группа ОН замещается на галоген и образуется галогеналкан.

2.2. Взаимодействие с аммиаком

Гидроксогруппу спиртов можно заместить на аминогруппу при нагревании спирта с аммиаком на катализаторе.

2.3. Этерификация (образование сложных эфиров)

Одноатомные и многоатомные спирты вступают в реакции с карбоновыми кислотами, образуя сложные эфиры.

2.4. Взаимодействие с кислотами-гидроксидами

Спирты взаимодействуют и с неорганическими кислотами, например, азотной или серной.

3. Реакции замещения группы ОН

В присутствии концентрированной серной кислоты от спиртов отщепляется вода. Процесс дегидратации протекает по двум возможным направлениям: внутримолекулярная дегидратация и межмолекулярная дегидратация.

3.1. Внутримолекулярная дегидратация

При высокой температуре (больше 140 о С) происходит внутримолекулярная дегидратация и образуется соответствующий алкен.

В качестве катализатора этой реакции также используют оксид алюминия.

3.2. Межмолекулярная дегидратация

При низкой температуре (меньше 140 о С) происходит межмолекулярная дегидратация по механизму нуклеофильного замещения: ОН-группа в одной молекуле спирта замещается на группу OR другой молекулы. Продуктом реакции является простой эфир.

4. Окисление этанола

Реакции окисления в органической химии сопровождаются увеличением числа атомов кислорода (или числа связей с атомами кислорода) в молекуле и/или уменьшением числа атомов водорода (или числа связей с атомами водорода).

В зависимости от интенсивности и условий окисление можно условно разделить на каталитическое, мягкое и жесткое.

Типичные окислители — оксид меди (II), перманганат калия KMnO₄, K₂Cr₂O₇, кислород в присутствии катализатора.

4.1. Окисление оксидом меди (II)

Cпирты можно окислить оксидом меди (II) при нагревании. При этом медь восстанавливается до простого вещества.

4.2. Окисление кислородом в присутствии катализатора

Cпирты можно окислить кислородом в присутствии катализатора (медь, оксид хрома (III) и др.).

4.3. Жесткое окисление

При жестком окислении под действием перманганатов или соединений хрома (VI) первичные спирты окисляются до карбоновых кислот.

4.4. Горение спиртов

Образуются углекислый газ и вода и выделяется большое количество теплоты.

5. Дегидрирование этанола

При нагревании спиртов в присутствии медного катализатора протекает реакция дегидрирования.

Получение этанола

1. Щелочной гидролиз галогеналканов

При взаимодействии галогеналканов с водным раствором щелочей образуются спирты. Атом галогена в галогеналкане замещается на гидроксогруппу.

2. Гидратация алкенов

Гидратация (присоединение воды) алкенов протекает в присутствии минеральных кислот. При присоединении воды к алкенам образуются спирты.

3. Гидрирование карбонильных соединений

Присоединение водорода к альдегидам и кетонам протекает при нагревании в присутствии катализатора. При гидрировании альдегидов образуются первичные спирты, при гидрировании кетонов — вторичные спирты, а из формальдегида образуется метанол.

4. Получение этанола спиртовым брожением глюкозы

Для глюкозы характерно ферментативное брожение, то есть распад молекул на части под действием ферментов. Один из вариантов — спиртовое брожение.

Прямая гидратация этилена в этанол.

C2H4 + H2O = C2H5OH + 456 кДж тепла.

Разбавление этилена инертными примесями неблагоприятно сказывается на равновесии и скорости этой реакции. По этому исходный газ должен содержать не менее 97 — 99% этилена. При рециркуляции газа постепенно накапливаются инертные примеси. Предельно допустимой считается концентрация этилена в рециркулирующем газе не менее 85%. Для её поддержания проводят отдувку части рециркулирующего газа. Получение этанола прямой гидратацией этилена проводится как в паровой, так и в жидкой фазах. Константу равновесия для реакции можно вычислить по уравнению lgКр = 2100/Т — 0,195.

t, гр. цельс

Что бы сдвинуть равновесие в сторону гидратации этилена, необходимо повышение температуры и давления, но при температурах выше 280 градусов, скорость гидратации очень мала, а применение давления выше 80 ат, экономически не выгодно. Фактическая степень конверсии этилена за один проход составляет 60% от равновесной. Что обеспечивает после конденсации паров получение водного раствора содержащего до 15% этанола. Использование рециркуляции газовой смеси позволяет повысить общий выход спирта до 95% по этилену. За один проход степень превращения всего 1 — 5%. Установлены оптимальные условия взаимодействия газообразного этилена и водяных паров.

T = 280 — 290 гр. цельс.

H2O:С2Н4 = (0,6 — 0,75):1

Концентрация фосфорной кислоты на носителе не ниже 83%

объёмная скорость 1800 — 2500 ч^-1

Схема получения этанола.

Очищенный этилен с чистотой 97 — 99% сжатый до давления 7 — 8 МПА, проходит холодильник и маслоотделитель. Потом поступает в теплообменник 2 и в гидрататор 3.

При температуре 280 гр. цельс длина гидрататора 8,5 м. Время контакта 18 — 20 сек. Гидрататор — это полая колонна, корпус и днище которой выложены листами меди во избежание коррозии. Катализатор предсталвляет собой носитель (обычно силикагель) пропитанный фосфорной кислотой содержащей до 35% свободной фосфорной кислоты. Катализатор насыпан высоким слоем на опорный перфорированный кону. В аппарате 3 отсутствуют устройства для дополнительного теплосъма из за малых температур конверсии и не высокго теплового эффекта реакции. По режиму работы гидрататор приближается к адиабатическому реактору идеального вытеснения.

Образовавшаяся в результате реакции смесь продуктов последовательно отдаёт теплоту в теплообменнике 1, конденсируется в водный раствор спирта, который направляется в сборник 4. Газ охлаждается в теплообменнике 5 и направляется в колонну для полного отмытия паров спирта. Отмытый газ после сжатия вновь направляется после сжатия, а спит сырец содержащий 15 % этанола подвергается ректификации. Часть рециркулирующего газа выводится из системы, для поддержания содержания этилена на уровне 85%, и направляется на сжигание. Полученный водный раствор направляется на очистку и ректификацию. Для получения чистого ректификата используется двухколонная ректификация. С верха второй колонны получают этиловый спирт в виде 96 % азеотропа с водой. На одну тонну этилового спирта расходуется 0,685 т этилена, 5,6 кг фосфорной кислоты, два килограмма носителя и 16 кг едкого натра. Срок службы катализатора равен примерно 600 часам.

Вопрос

Получение метанола. Метанол может быть получен как из метана, так и из углехимического сырья, тоесть из кокса. В промышленности этанол получают по реакции:

СО + 2Н2 = СН3ОН + Q.

В качестве катализаторов используют оксиды цинка, меди, хрома.

Получение синтез — газа из кокса. Синетз — газ можно получить из кокса по реакцииям:

С + Н2О = Н2 + СО, топливо подвергается газификации при атмосферном или повышенном давлении. В качестве окислителя исопользуют водяной пар, называется паровое дутьё, или смесь водяного пара с кислородом, называется парокислородное дутьё. В результате полученный водяной газ имеет соотношение Н2 : СО

СО + Н2О = СО2 + Н2.

Процесс газификации может быть как периодическим, так и непрерывным.

Крупнокусковое топливо, размер 40 — 60 мм с влажностью около 15% подаётся в бункер 1 в четыре вертикальные шахты печи 2 через специальное загрузочное устройство. Топливо опускается вниз и подвергается последовательно процессам сушки при t от 100 до 200 гр. цельс, кокслвоания при t от 200 до 700 градусов цельс., и газификации при температуре от 700 до 1000 гр. цельсия. В зону газификации подают высокотемпературную парогазовую смесь, на высоту 1/3 печи снизу. Температура парогазовой смеси примерно 1100 — 1200 гр. цельс. При взаимодействии водяного пара с углеродом образуется синтез газ по реакции указанной выше, который в конце реакционной зоны примерно на ½ высоты печи, с температурой 750 — 780 градусов частично выводится из печи, и направляется в конденсационно — охладительную систему. Остальная часть парогазовой смеси — циркуляционный газ теплоноситель, проходит в верхнюю часть печи, где за счёт тепла парогазовой смеси происходит сухая перегонка и подсушка топлива. С верха печи с температурой 100 — 120 гр. цельсия, выходит смесь синтез — газа и газов полукоксования, которую с помощью газодувки 12 направляют через пылеотделительно 10 и смолоотделитель 11 в регенератор 13. Одновременно в регенератор 13 вводят первичный водяной пар, который смешивается с парогазовой смесью, и вся смесь называется в регенераторе до 1150 — 1200 гр. цельс. При этой температуре происходит термическое разложение углеводородов. Состав циркуляционного газа — носителя на выходе приближатеся к составу синтез — газа. Из регенератора 13 парогазовая смесь вновь поступает в печь 2. Сырой синтез — газ вхыодит из печи 2, проходит пылеотделитель 3, где очищается от крупной пыли, котёл — утилизатор 4, в котором охлаждатеся до 250 гр. цельсия, скруббер 5, где охлаждается до 40 гр. цельс, очищается от пыли и смолы в центробежном пылеотделитель 6 и в каплеуловителеь 7. Из каплеуловителя 7 синтез — газ газодувкой подаётся на устновку синтеза метанола, где его предварительно очищают от сернистых соединений. В котле — утилизаторе 4, получают пар, который используют на этой же установке. В печи 2 для получения синтез — газа расходуется лишь часть топлива. Оставшаяся часть после охлаждения в нижней части печи 2 выгружается в вагонетку 9 и направляется на газификацию в газогенератор. Отопительный газ сжигают в топке одного из двух регенераторов 13. В одном из генераторов сжигают отпительный газ, в другом нагревают циркуляционный газ, генераторы переключаются автоматически каждые 20 минут. По сути генераторы это теплообменники.

В установке получают синтез — газ в объёме 30000 м^№ / час, составом:

Н2 : СО = (1,9 — 2,0) : 1, и может быть исопльзован для синтеза метанола без дополнительной конверсии монооксида углерода. Необходимо провести очистку от диоксида углерода.

Моноэтаноламиновая очистка синтез — газа от углерода.

Поглащают диоксид углерода по реакции:

2RNY2 + H2O + CO2 = (RNH3)2CO3

Услвоия очистки при температуре 20 — 30 гр. цельс. Десорбция при температуре 120 — 130 гр. Цельс.

Вопрос

Производство метанола из синтез газа. Синтез метанола происходит при высоких давления и температуре в присутствии катализаторов.

Процесс является непрерывно — циклическим. Реакцию за цикл не проводят до полного преварщения.

Основаня реакция процесса:

СО + 2Р2 = СН3ОН + 111кДЖ

Побочные реакции процесса:

СО + 3Н2 = СН4 + Н2О + 209 кДж

2СО + 2 Н2 = СН4 + СО2 + 252 кДЖ

СО + Н2 = СР2О + 8,4 кДж

2СН3ОН + nСО + 2nH2 = СН3 — (СН2)n — ОН + nН2О.

Процесс проводят при t = 220 — 300 гр. цельс, давлении 5 — 10 МПа

Uк = 80000 — 10000 час^-1

Используют катализаторы CuO — ZnO – Cr2O3.

Количество побочных соединений зависит от температуры, давления, состава исходной газовой смеси, селективности и состояния катализатора. Процесс ведут в узком интервале температур с колебаниями 20 — 30 гр. цельс.

Чтор бы сдвинуть равновесие вправо необходимо повысить давление и снизить температуру.

Синтез газ компрессором 1 подвергатеся сжатию, охлаждается в теплообменнике 2, отделяется от масла и воды в маслоотделителе 3 и смешивается с циркулирующим газом в смесителе 4. Циркуляционный газ потерявший часть давления в процессе синтеза доводят до давления 5 — 10 МПа в турбокомпрессоре 5 и подают в смеситель 4. Перед подачей в реактор синтез — газ очищают от небольших количеств образовавшегося пентакарбонила железа, адсорбируют активированным углем в адсорбере 6. После адсорбера 6 одна часть газового потока проходит через теплообменник — утилизатор 7 и поступает в реактор 8. Часть газового потока остаётся холодной и подаётся в реактор 8, между слоями катализатора для съёма выделяющегося тепла и охлаждения газа. Реакционные газы с температурой окло 300 гр. цельс., содержащие примерно 5 — 10% об метанола, выходят из колонны синтеза 8 и разделяются на два потока. Один из них охлаждается в теплообменнике 7, а другой проходит через котёл — утилизатор 9 с образованием водяного пара средних давлений. За тем оба потока объединяются и проходят тепллообменник — конденсатор 10, где из теплообменной смеси конденсируются метанол и побочные продукты (вода, эфир, высшие спирты). Одновременно в конденсате растворяется большая часть образовавшихся газов (СО2 и СН4). В сепараторе 11 конденсат отделяется от нерпоерагирввших газов, которые после сжатия в компрессоре 5 возвращаются в реактор 8. В циркуляционном газе накапливаются неконденсируемые примеси, главным образом азот. По этому часть циркуляционных газов выводят из установки через дроссель 14, и направляют на сжигание. Метанол — сырец стекает из сепаратора 11 в сборник 12. Для получения товарного продукта, метанол — сырец подвергается двухступенчитой ректификации. Отходящий от верхних тарелок второй колонны метанол — ректификат имеет следующий состав:

Метанол не менее 99,9 % об.

Вода не более 0,05%

Органические кислоты 0,002

Альдегиды и кетоны не более 0,008

Железо не более 0,00005.

Такой метанол является товарным продуктом, и может быть использован в микробиологическом синтезе. Метанол используется для получения формальдегида, диметилсульфата, диметилтерефталата, метилацетата, диметилформамида, метилметакрилата, лаков, красителей, и т. д..

Производство этанола методом гидратации этилена (стр. 2 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3

Пропилен является побочным продуктом процесса пиролиза на этилен. В связи с этим разработан так называемы процесс «триолефин»,основанная на реакции диспропорционирования пропилена:

2 С3Н6 ↔ С2Н4 + СН3СН=СНСН3

Реакция идёт на окисных катализаторах (Со – Мо или W); в качестве носителя используется окись алюминия.

Побочными реакциями являются изомеризация, крекинг и уплотнение:

СН3СН=СНСН3 + СН2=СНСН2СН3 → Продукты уплотнения

При 500 К равновесная глубина превращения пропилена составляет 45,5 мол.%.

Основной причиной понижения выхода в реакции диспропорционирования являются нежелательные реакции изомеризации. Реакции крекинга и уплотнения удаётся подавить подбором условий реакции.

(«8») Исходный пропилен должен быть очищен от воды, сероводорода, кислорода, кислородсодержащих соединений, метилацетилена и пропадиена. Процесс ведут при 66 – 260 °C, давлении 14 – 41 кгс/см2 и высокой скорости подачи сырья. Реактор периодически останавливают для выжигания кокса, отлагающегося на поверхности катализатора. Количество образующегося кокса составляет всего 0,02 масс.% в расчёте на сырьё, но вследствие большой скорости подачи сырья оно достигает 20% от массы катализатора. Цикл работы между регенерациями колеблется от 20 часов до нескольких суток.

Диспропорционирование идёт с большой избирательностью: сумма этилена и бутенов достигает 95 – 97 % от превращённого пропилена, а конверсия пропилена 40 – 45 %. Непрореагировавший пропилен возвращается в реактор. Мольное отношение этилена к бутенам близко к стехиометрическому (около 1:1).

Бутен используется для дегидрирования с получением бутадиена-1,3.

Принципиальная схема процесса «триолефин» изображена на (рис.19):

Пропан-пропиленовая фракция С3 в смеси с рециркулирующим пропиленом поступает в реактор 1 на диспропорционирование. Продукты реакции поступают в нижнюю часть этиленовой колонны 3 из которой сверху отбирается этилен и в виде бокового погона – смесь пропана с пропиленом. Эта смесь направляется в пропиленовую колонну 2, где непревращённый пропилен отгоняется от пропана и возвращается в рецикл. Остаток колонны 3 поступает в бутеновую колонну 4 для отделения высококипящих углеводородов. Из верхней части колонны 4 отбираются бутены высокой чистоты.

Процесс «триолефин» позволяет увеличить выход этилена при пиролизе бензина с 26 – 30 до 40,9 % и бутадиена – с 4,7 до 5,7 % при одновременном снижении выхода пропилена с 17,5 до 1,5% и бутенов с 3,5 до 0,4%. [3]

3. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ СПИРТОВ

Спирты применяют в производстве синтетических полимеров, каучуков, пластификаторов, моющих средств, в качестве растворителей и экстрагентов и для других целей. Они являются массовой продукцией нефтехимического синтеза, поэтому большое значение для экономики производства спиртов имеют методы их получения и исходное сырьё. Одним из важнейших методов производства спиртов является гидратация олефинов. Этим методом получают этиловый, изопропиловый, втор — и трет-бутиловые спирты. Метиловый спирт получают на основе окиси углерода и водорода.

Наиболее крупнотоннажным продуктом является этиловый спирт. На основе этилового спирта в конце тридцатых годов был разработан метод получения бутадиена-1,3 и синтетического каучука на его основе. Этиловый спирт получают из пищевого сырья (ферментативный метод), из продуктов гидролиза древесины, из сульфитных щелоков и этилена.

Трудовые и сырьевые затраты при производстве этилового спирта из пищевых продуктов и древесных опилок очень велики, поэтому значительно выгоднее исходить из дешёвого углеводородного сырья и получать спирт гидратацией этилена. Для производства одной тонны этилового спирта на основе этилена необходимо переработать всего примерно 2,5 тонны газа или нефтяных дистиллятов, а для получения 1 тонны спирта из растительных материалов требуется 4 тонны зерна, 10 – 12 тонн картофеля или 8 тонн древесных опилок. Трудовые затраты в человеко-часах при производстве этанола из разных источников составляют: из картофеля 280, из зерна 160, из этилена 10.

Для получения синтетического этанола сырьём служит этилен, который подвергают сернокислотной гидратации или гидратации на твёрдых фосфорно-кислотных катализаторах (прямая гидратация):

С2Н4 + Н2SO4 → C2H5OSO3H + H2O → C2H5OH + Н2SO4;

С2Н4 + H2O (H3PO4) → C2H5OH.

Себестоимость синтетического этилового спирта значительно ниже, чем при других методах его получения. Относительная себестоимость (в %) этанола, получаемого разными способами, составляет: из этилена 100%, гидролизом древесины 174 – 290, из пищевого сырья 300 – 400. [2]

4. ПРОИЗВОДСТВО СПИРТОВ СЕРНОКИСЛОТНОЙ ГИДРАТАЦИЕЙ ОЛЕФИНОВ

4.1. Теоретические сведения

Реакция присоединения воды была открыта Фарадеем 1825 – 1828 гг. он нашёл, что при действии серной кислоты на этилен, содержащийся в светильном газе, наряду с диэтиловым эфиром и другими продуктами образуется этиловый спирт. Впоследствии было установлено, что первым продуктом присоединения серной кислоты к этилену является этилсерная кислота, которая при гидролизе превращается в этанол. В 1873 году и В. Горяинов детально изучили сернокислотную гидратацию этилена и предсказали техническое значение этого процесса. В начале тридцатых годов в Советском Далиным с сотр. были проведены исследования сернокислотной гидратации олефинов и в 1936 году в Баку была создана первая промышленная установка по получению этилового спирта из нефтяных газов.

Сернокислотная гидратация олефинов является обратимым процессом. Она протекает в две стадии:

CH2=CH2 + Н2SO4 ↔ CH2OSO2OHCH3 + H2O ↔ CH2OHCH3+ Н2SO4

(«9») Первая стадия – взаимодействие олефинов с серной кислотой – протекает через образование карбоний-иона, то есть как электрофильное замещение по правилу Марковникова. Поэтому сернокислотная гидратация олефинов выше С2 позволяет получать только вторичные и третичные спирты.

Серная кислота в этом процессе играет роль и катализатора и реагента. Сначала происходит отщепление протона от молекулы кислоты:

Н2SO4 ↔ Н+ + — OSO2OH

Под действием его из молекулы олефина образуется карбоний ион

CH2=CH2 + Н+ → CH2+CH3

который далее реагирует с серной кислотой с отщеплением от неё протона и образованием алкилсульфатов:

CH2+CH3 +Н2SO4 ↔ CH2OSO2OHCH3 + Н+

Если в системе присутствует вода, могут также образовываться ионы алкоксония, которые разлагаются с образов()анием спирта:

CH2+CH3 + H2O ↔ CH2(H2O) +CH3 → C2H5OH + Н+

Наряду с этим протекает ряд побочных реакций:

а)образование диалкил сульфатов:

CH2OSO2OHCH3 + CH2=CH2 → (CH3CH2)2SO4 + Н2SO4

б) образование простых эфиров из двух молекул спирта с отщеплением воды:

2C2H5OH +Н2SO4 (С2Н5)2О + H2O

Причём предполагается, что фактически сначала спирт реагирует с карбоний-ионом, а потом от продукта присоединения отщепляется протон:

C2H5OH + CH2 +CH3 (С2Н5)2О + H2

в) образование карбонильных соединений (альдегидов) при дегидрировании спирта:

C2H5OHC2H4O + H2

г) полимеризация олефинов:

nCH2=CH2 (CH2–CH2)n

(«10») Из-за этих побочных реакций при гидратации олефинов наряду со спиртами получаются небольшие количества эфиров, альдегидов и полимеров. Кроме того, образование нерасщепляющихся сульфопроизводных приводит к повышенному расходу серной кислоты.

Наиболее низкой реакционной способностью при взаимодействии с серной кислотой обладает этилен. Относительная скорость поглощения разных олефинов 80% серной кислотой меняется следующим образом: этилен (1), пропилен (500), бутилен-, изобутилен

Видно, что с увеличением молекулярного веса олефинов их реакционная способность возрастает. Олефины изостроения также обладают очень высокой реакционной способностью. Поскольку олефины в зависимости от молекулярного веса и строения реагируют с серной кислотой с разной скоростью, для каждого из них подбирают свои условия: концентрация кислоты, температуру, давление.

Абсорбцию олефинов серной кислотой осуществляют в реакторах колонного типа с колпачковыми тарелками, на которых расположены змеевики водяного охлаждения, поскольку реакция идёт с выделением тепла. Тепло выделяется не только за счёт собственной реакции, но также за счёт разбавления кислоты водой.

Вторая стадия – гидролиз алкилсульфатов водой, осуществляемый при нагревании острым паром; одновременно происходит отгонка спирта и разбавление серной кислоты до концентрации почти вдвое меньшей, чем исходная. Существенной особенностью процесса является расщепление при гидролизе на спирте кислоту, не только моноалкил-, но и диалкилсульфатов:

CH2OSO2OHCH3 + H2O ↔ C2H5OH + Н2SO4

(CH3CH2)2SO4 + 2H2O ↔ 2C2H5OH + Н2SO4

При избытке олефина количество диалкилсульфата возрастает, а расход кислоты снижается, что очень важно для экономики процесса. Обычно один моль серной кислоты поглощает до 1,2 – 1,3 моль олефина. Другой особенностью является возможность поглощения олефинов из соответствующих фракций (этан – этиленовые, пропан – пропиленовые и др.) без их концентрирования.

Селективность превращения олефина в спирт при сернокислотной гидратации составляет 85 – 95%, а общая степень конверсии олефина превышает 97%.

При гидратации олефинов наряду с основной реакцией протекают олигомеризация олефина (получение низкомолекулярных полимеров) и образование простого эфира. Все они идут через промежуточную стадию карбокатиона, что можно изобразить схемой:

Н2О + R+; — H+(k1) ↔ ROH + R+; — H+(k2) ↔ ROR, R+ + олефинолигомеры.

Для состояния системы, далёкого от равновесия, из этой схемы вытекает следующее уравнение дифференциальной избирательности:

Из него ясно видно что избирательность растёт при наличии избытка воды по отношении к олефину и образующемуся спирту. Спирт более реакционноспособен, чем вода [ (k2/k1)>1], поэтому реакцию надо вести так чтобы сохранялся большой избыток воды по отношению к спирту (

15:1). Выход олигомеров зависит от способности олефинов к полимеризации (изобутен > пропилен > этилен). Образование олигомеров можно снизить, не только изменяя соотношение воды и олефина, но и уменьшая температуру, так как олигомеризация имеет более высокую энергию активации по сравнению с гидратацией. Следует отметить, что при приближении к равновесию скорость гидратации и избирательность падают, что делает невыгодным проведение реакции до степеней конверсии, близким к равновесным. При этом для каждого олефина и катализатора имеется некоторый оптимум соотношения реагентов, степени конверсии и температуры, зависящий от производительности и избирательности процесса.

Для дегидратации спиртов установлена схема превращения, по которой эфир способен к разложению на олефин и спирт:

этанол + H+; – Н2О ↔ R+ + H+ → олефин;

этанол + H+; – Н2О ↔ R+ + этанол ↔ ROR + H+ → ROH + олефин + H+.

Внутримолекулярная дегидратация имеет более высокую энергию активации по сравнению с образованием простого эфира. По этой причине, а также из рассмотрения приведённой выше схемы следует, что дегидратацию с образованием ненасыщенной связи надо осуществлять при повышенной температуре и низком парциальном давлении или концентрации спирта. Дегидратацию с образованием простого эфира проводят при более низкой температуре, более высоких концентрации и парциальном давлении спирта (например, под некоторым давлением) и при неполной конверсии спирта в реакторе.

(«11») В результате рассматриваемых реакций нередко образуется ещё один побочный продукт – альдегид или кетон, получающийся за счёт дегидрирования спирта: С2Н5ОН → СН3СНО. Протонные кислоты не катализируют эту реакцию, но она становится возможной при использовании некоторых носителей или оксидных катализаторов. Из последних наиболее избирательны к дегидратации (по сравнению с дегидрированием) ThO2 и Al2O3, в то время как многие оксиды обладают смешанным, а другие – преимущественно дегидрирующим действием.

Рассмотрим равновесие основной реакции: гидратации – внутримолекулярной гидратации. Она протекает с выделением тепла, следовательно её равновесие смещается вправо при понижении температуры. Дегидратации, наоборот, способствует нагревание. Изменение энергии Гиббса при гидратации этилена, пропилена и изобутилена в зависимости от температуры представлено графически на (рис. 1.) Видно, что равновесие невыгодно для гидратации олефинов, так как при 150-300*С, когда катализаторы процесса достаточно активны, энергия Гиббса имеет большую положительную величину и равновесие смещается в сторону дегидратации. При этом для олефинов разного строения различия в термодинамике рассматриваемых реакций незначительны.

Как показывает стехиометрия реакций, на их равновесие можно влиять, изменяя давление. Внутримолекулярной дегидратации, идущей с увеличением числа молей веществ, способствует пониженное или обычное давление. Наоборот, гидратации олефинов благоприятствует высокое давление, увеличивающее равновесную степень конверсии олефина. Так последняя при 250 – 300 *С и атмосферном давлении составляет всего 0,1 – 0,2%, что совершенно неприемлемо для практических целей, но при 7 – 8 МПа и тех же температурах она возрастает до 12 – 20%. Зависимость равновесной степени конверсии этилена при его гидратации от давления и температуры изображена на рис.60, причём аналогичные кривые характерны и для других олефинов. Очевидно, что гидратации способствуют одновременное снижение температуры и повышение давления. Рассмотрим теперь равновесие в системе межмолекулярная дегидратация спиртов – гидролиз простых эфиров. Термодинамическим методом регулирования направления этих реакций является изменение давления: на образование простого эфира оно не влияет, но получению олефина его снижение благоприятствует.

Механизм и кинетика реакций

Все рассматриваемые реакции принадлежат к числу кислотно-каталитических процессов. Типичными катализаторами гидратации являются достаточно сильные протонные кислоты: фосфорная кислота на носителе, поливольфрамовая кислота, сульфокатиониты. Для дегидратации используют фосфорную кислоту на носителе, оксид алюминия, серную кислоту, фосфаты (например СаНРО4) и другие. Роль катализаторов при гидратации состоит в протонировании олефина через промежуточное образование π- и σ-комплексов, причём обратная реакция дегидратации идёт через те же стадии, но в противоположном направлении:

СН2=СН2 + Н+ = СН3=СН2+ + Н2О = СН3=СН2ОН + Н+

При межмолекулярной дегидратации карбокатион не отщепляет протон, а взаимодействует с другой молекулой спирта:

СН3=СН2+ + СН3=СН2ОН = [СН3=СН+2] 2 О+Н = [СН3=СН+2] 2 О + +Н

Электрофильный механизм дегидратации олефинов определяет уже отмеченные выше направления присоединения по правилу Марковникова, а также изменение реакционной способности олефинов, чем больше замещённость тем выше реакционная способность. В соответствии с этим этен самый нереакционноспособный. Для разных условий и катализаторов отношение реакционной способности олефинов меняется, составляя, например, для 80% серной кислоты 16 000: 1 000: 500: 1 и увеличиваясь для менее сильных кислот. Это очень существенно для выбора условий гидратации, особенно температуры: последняя может быть более низкой (и более благоприятной для равновесия) для изобутена по сравнению с пропиленом и особенно с этиленом.

Равновесие гидратации – дегидратации мало зависит от строения олефина и спирта, поэтому ряд реакционной способности олефинов к гидратации должен соответствовать аналогичному ряду спиртов по их способности к дегидратации:

Третичный > вторичный > первичный.

Эта способность особенно растёт у β-кето — и β-нитроспиртов, электроноакцепторные группы которых повышают кислотность атомов водорода, находящихся при соседнем с НО-группой углеродном атоме. Это нередко делает возможным некаталитическую, дегидратацию или даже катализ реакции основаниями:

–СОСН2–СНОН– + НО-; — Н2О = –СОСН-–СНОН– = –СОСН=СН– НО-

При гетерогенно-каталитической внутримолекулярной и межмолекулярной дегидратации в газовой фазе кинетика процесса описывается соответственно следующими уравнениями:

, .

Они учитывают практическую необратимость внутримолекулярной дегидратации и тормозящие влияние спирта и воды, лучше адсорбирующихся на активных центрах катализатора.

При гидратации олефинов вода всегда находится в избытке, поэтому тормозящим влиянием спирта можно пренебречь:

(«12») В ряде случаев роль воды более сложная. Так, фосфорная кислота, нанесённая на пористый носитель, образует на его поверхности жидкую плёнку, которая адсорбирует воду из газовой фазы. При каждых данных температуре и парциальном давлении водяных паров в газовой фазе устанавливается фазовое равновесие, и фосфорная кислота в плёнке имеет определённую концентрацию и соответствующую ей каталитическую активность. Последняя падает при снижении температуры и росте парциального давления воды, что ограничивает выбор этих параметров для каждого случая определёнными рамками.

При катализе реакций гидратации – дегидратации при помощи сульфокатионитов было найдено такое кинетическое уравнение:

Первый его член соответствует катализу сульфогруппами катионита, а второй – специфическому катализу ионами гидроксония Н3О+. если количество воды в смеси мало, в уравнении преобладает первое слагаемое, сильно зависящее от концентрации воды; повышение этой величины ведёт к преобладанию второго слагаемого.

4.2. Технология получения спиртов методом сернокислотной гидратации

Схема установки получения этилового спирта сернокислотной гидратацией этилена приведена на (рис.2)

Исходным сырьём служит газообразная этан этиленовая фракция, содержащая 30 – 50 % этилена, и 95 – 97% серная кислота. Этиленсодержащий газ подают в реактор – абсорбционную колонну 3, орошаемую серной кислотой и имеющую 25 тарелок. Газ в виде мелких пузырьков барботирует на тарелках через слой жидкости, где происходит поглощение этилена. Для отвода тепла реакции на каждой тарелке имеется змеевик водяного охлаждения. В колонне поддерживается температура 65 – 75 °C и давление 25 кгс/см2 . Газ, покидающий колонну содержит 2 – 6 % этилена. Он проходит скрубберы 8 и 9 орошаемые соответственно водой и 5 – 10% раствором едкого натра, для отмывки серной кислоты и нейтрализации. Отмытый газ (этан) направляют на пиролиз.

Из нижней части колонны 3 непрерывно вытекает реакционная масса, имеющая примерно следующий состав (%): этилсульфат – 60-80, серная кислота – 10-30, диэтилсульфат – 2-8, полимеры – 1-7, вода и прочие примеси -2. Эта смесь охлаждается в холодильнике 4 и направляется в гидролизёр 5, куда поступает и вода. Гидролиз проводится при°C и давлении 4,5 — 5 кгс/см2. из нижней части гидролизёра 5 реакционная масса поступает в верхнюю часть отпарной колонны 7, в низ которой подаётся острый пар. В нижней части колонны поддерживается температура 125 °C, в верхней 110°C и давление 0,5 кгс/см2. Из нижней части колонны 7 отводится 45 – 47 % серная кислота, поступающая на упаривание до 90 % концентрации. Пары спирта и других продуктов направляются в колонну 13, где отгоняется спирт – сырец. В эту колонну для нейтрализации серной кислоты вводят 5% раствор едкого натра.

Спирт – сырец содержит 25 – 35% этанола, 3 – 5% диэтилового эфира, 60 – 65% воды и 0,05% полимеров. Его направляют на ректификацию для получения% концентрации спирта. Выход этанола ректификата составляет 85% от стехиометрического. Кроме того, получается диэтиловый эфир с выходом до 7%.

Сернокислотная гидратация олефинов – самый распространённый метод получения спиртов. Однако недостатком метода является участие больших количеств серной кислоты и её разбавление, а отсюда необходимость её упаривания, перекачки больших объёмов и так далее. Всё это связано с коррозией аппаратуры и большими капитальными затратами на сооружение заводов. [2,5]

5. ПРОИЗВОДСТВО СПИРТОВ ПРЯМОЙ ГИДРАТАЦИЕЙ ОЛЕФИНОВ

5.1. Теоретические сведения

В промышленности методом прямой гидратации получают этиловый и изопропиловый спирты. Прямая гидратация олефинов заключается в непосредственном присоединении воды к олефином:

С2Н4 + H2O ↔ C2H5OH

Синтез этилового спирта удалось осуществить лишь после того, как были изысканы достаточно активные катализаторы процесса. При газофазной гидратации в качестве катализаторов применяются фосфорная кислота или окись вольфрама на носителях. На последнем катализаторе процесс проводят и в жидкой фазе.

Газофазная реакция прямой гидратации олефинов обратима и идёт с выделением тепла. Тепловой эффект зависит от строения исходных олефинов и их молекулярного веса:

С2Н4 + H2O ↔ C2H5OH + 10,9 ккал/моль (45,6 кДж/моль);

Поскольку реакция идёт с выделением тепла и уменьшением объёма, ей благоприятствуют пониженные температуры и повышенные давления. Константа равновесия реакции равна: lgKр = (2100/T) – 6,195, где Т – температура, К. Практический выбор условий связан со скоростью реакции и, следовательно, с активностью катализатора. Реакцию удаётся реализовать при температурах от 200 до 300 °C, но эти условия термодинамически неблагоприятны для этилена. Поэтому на промышленных катализаторах степень конверсии олефинов в спирт низка.

Также, как и в случае сернокислотной гидратации, присоединение воды происходит по правилу Марковникова.

(«13») Механизм прямой гидратации олефинов в присутствии фосфорной кислоты был предложен . Первая стадия заключается в физическом растворении этилена в плёнке фосфорной кислоты на поверхности носителя. Затем происходит отщепление протона от молекулы кислоты:

H3PO4 ↔ Н+ + H2PO4-

Известно, что олефины, как и ароматические углеводороды являются слабыми основаниями, поэтому прямую гидратацию олефинов можно рассматривать как реакцию электрофильного замещения. Этилен образует с протоном π-комплекс, который переходит в более стабильный ион карбония. Далее ион карбония взаимодействует с водой за счёт неподелённой электронной пары атома кислорода; в данном случае проявляется нуклеофильность воды, обладающей амфотерными свойствами. В результате образуется ион алкоксония, который отщепляет протон с образованием спирта:

С2Н4 + Н+↔π-комплекс↔CH2+CH3 + H2O↔CH2(H2O) +CH3 + Н+↔C2H5OH

В производстве этилового спирта прямой гидратацией этилена наиболее широкое применение получил фосфорнокислотный катализатор на твёрдом носителе.

Катализаторы прямой гидратации не должны разрушаться под действием влаги, поэтому такой катализатор, как фосфорная кислота на кизельгуре, не применим – он не имеет скелета и легко разрушается. В качестве носителя для фосфорной кислоты применяют силикагель и алюмосиликат. Обычный шариковый алюмосиликат обрабатывают 20% — ной серной кислотой; при этом содержание оксида алюминия в нём снижается, а содержание оксида кремния повышается (излишнее количество оксида алюминия приводит к образованию малоактивных фосфатов алюминия). Затем носитель пропитывают 65%-ной фосфорной кислотой и сушат при 100°C. Готовый катализатор содержит 35-40% фосфорной кислоты. Если (как это и принято чаще всего) в качестве носителя используют шариковый силикагель, его обрабатывают водяным паром с целью пассивации.

В условиях реакции фосфорная кислота, осаждённая на носителе, растворена в плёнке воды, адсорбированной на поверхности пор, и реакция фактически протекает в жидкой плёнке фосфорной кислоты. Кислотный катализ, таким образом, сводится к гомогенному катализу в жидкой плёнке катализатора.

Как и в случае сернокислотной гидратации, при прямой гидратации этилена протекает ряд других реакций приводящих к побочным продуктам. За счёт взаимодействия иона карбония со спиртом образуется диэтиловый эфир:

C2H5OH + CH2 +CH3 (С2Н5)2О + H2

За счёт дегидрирования спирта образуется ацетальдегид

C2H5OH C2H4O+ H2

Причём реакция сопровождается образованием этана. Путём полимеризации этилена образуются полимеры:

CH2+CH3 + CH2CH2 CH2+CH3CH2CH2 и т. д.

По топытным данным конвертированный этилен расходуется на образование различных продуктов таким образом (в масс.%): на этанол – 94,5; на диэтиловый эфир – 2,5; на ацетальдегид – 2,0; на полимеры и сложные эфиры – 1,0.

Реакция прямой гидратации этилена описывается следующим интегральным уравнением при Т, рH2O, рC2H4 – const:

Реакцию прямой гидратации олефинов желательно проводить при невысоких температурах. Однако практически выбор температуры лимитируется скоростью реакции и активностью применяемых катализаторов.