Кинетика процесса. 
Производство этилового спирта

Для обеспечения высокой скорости и селективности процесса используют катализатор. В качестве него применяют фосфорную кислоту, нанесенную на пористый носитель (силикагель или таблетированный синтетический алюмосиликат). Катализатор активен при 280 — 300С и обладает высокой селективностью. Полезная конверсия этилена при использовании фосфорной кислоты достигает 95%.

Механизм процесса прямой гидратации этилена на данном катализаторе описывается следующими стадиями:

• 1. Стадия физического растворения этилена в пленке фосфорной кислоты на твердом носителе;
• 2. Стадия образования этилкарбокатиона

3. Стадия взаимодействия этилкарбокатиона с водой.

4. Стадия образования спирта и протона.

Физико-химическое обоснование выбора основных технологических параметров процесса

Активность катализатора определяется концентрацией фосфорной кислоты на поверхности носителя. В промышленности берется 83 — 85% кислота.

Катализатор определяет температурный режим процесса. При температуре ниже 280С скорость процесса небольшая, так как активность фосфорной кислоты мала. При температурах выше 300С снижается селективность. Срок службы катализатора 400 — 500 часов. Замена его требует около 50 часов. Для увеличения срока службы катализатора необходима его подпитка фосфорной кислотой, а также очистка циркулирующего газа от побочных продуктов реакции: альдегидов, высших спиртов, полимерных соединений. На его поверхности со временем появляются смолистые отложения, а носитель становится чрезмерно хрупким. Свежий катализатор готовят пропиткой носителя 60 — 65% фосфорной кислотой с последующей сушкой при 100С. Он содержит 35% свободной фосфорной кислоты.

Основная реакция гидратация этилена — экзотермическая, протекает с уменьшением объёма и, следовательно, понижение температуры и повышение давления будет способствовать увеличению равновесного выхода этилового спирта. Работа при атмосферном давлении исключается из-за низкого равновесного выхода этанола. В тоже время, применение высокого давления (при выбранном температурном режиме) ограничено содержанием водяного пара в реакционной смеси, т.к. процесс проводят при температуре ниже критической (точка росы 374С) и возможна конденсация водяных паров в реакторе. Последнее приводит к снижению активности катализатора вследствие поглощения паров воды фосфорной кислотой с её последующим разбавлением. Поэтому решающее значение в выборе давления определяет низкая летучесть воды по сравнению с этиленом.

В промышленных условиях наилучшие результаты, при использовании кислотного катализатора (83 — 85%), получают при температуре 280 — 290С, отношении и давлении 8 Мпа. В этих условиях равновесный выход этилового спирта по этену составляет порядка 10%.

Так как процесс циркуляционный, для его интенсификации и уменьшения количества побочных продуктов повышают объёмную скорость подачи сырья. При процессе прямой гидратации этилена это 1800 — 2000, что соответствует времени контактирования 18 — 20 сек.

При этих условиях процесс — сложный, обратимый несмещенный, гетерогенный каталитический. Перечисленные условия позволяют получать водно-спиртовой раствор концентрацией спирта 15 — 16% при конверсии этилена за один проход 4 — 6%. Полезное использование этилена составляет 95%. Остальные 5% расходуются на получение диэтилового эфира (2%), ацетальдегида (1%), димеров и полимеров (2%).

На основе химической концепции метода можно представить функциональную (принципиальную) схему ХТС:

этиловый спирт сернокислотная гидратация.

Рассмотренные физико-химические характеристики процесса вызывают необходимость при разработке технологической схемы учитывать следующие положения:

• 1. т.к. ХТП обратимый несмещенный (в таких процессах часто используется рецикл), то для него целесообразна организация технологической схемы по принципу многократной циркуляции непрореагировавшего сырья (т.к. это снижает себестоимость продукта);
• 2. исходное сырьё должно содержать минимальное количество примесей, в том числе и инертных;
• 3. отвод из системы накапливающихся при циркуляции инертных примесей («отдувка»);
• 4. «подпитка» катализатора и нейтрализация фосфорной кислоты на выходе из реактора;
• 5. наиболее полная регенерация тепла.