Способы получения оксида этилена

Способ получения оксида этилена

Использование: в качестве полупродукта в органическом синтезе. Сущность изобретения: продукт-оксид этилена. Реагент 1: этилен. Реагент 2: кислород. Условия реакции: процесс проводят в двух реакционных зонах, температура в первой зоне 250 — 300 o С, во второй 200 — 250 o С перемещением катализатора между зонами и частичным или полным разделением подачи этилена и кислорода в каждую из зон и начальными концентрациями этилена 3 — 17% и кислорода 5 — 15%.

Изобретение относится к химической технологии, в частности к процессу получения оксида этилена путем окисления этилена кислородом.

Целью изобретения является повышение селективности процесса по целевому продукту.

Промышленный каталитический процесс получения этиленоксида на серебряном катализаторе впервые был реализован в 1937 году, и в настоящее время с помощью этой технологии в мире ежегодно производятся миллионы тонн оксида этилена ценного полупродукта органического синтеза, используемого для получения этиленгликоля, синтетических полимеров, гликолевых эфиров, этаноламина и др.

Уровень годового производства окиси этилена в развитых капиталистических странах (США, Япония, ФРГ) в 1984 г. превысил 3,6 млн.т.

Современный промышленный процесс окисления этилена до окиси этилена осуществляется в многотрубчатых реакторах с неподвижным слоем катализатора. Процесс проводят при давлениях 15-25 атм и температурах 473-573 К с рециркуляцией газовой смеси после отделения из нее оксида этилена. На практике используют два режима проведения процесса: воздушный и кислородный. Концентрация этилена на входе в реактор составляет 15-30% для кислородного и около 5% для воздушного режимов, концентрация кислорода около 7 об.

Катализатор представляет собой серебро, нанесенное на широкопористый носитель, преимущественно корунд. С целью повышения селективности производится промотирование хлором путем введения в газовую смесь дихлорэтана в концентрации около 10 -4 % Основной характеристикой эффективности каталитического процесса получения оксида этилена является селективность превращения этилена в окись этилена. Стоимость сырья в себестоимости продукта составляет около 80% Поэтому даже небольшое повышение селективности приводит к значительному экономическому эффекту.

В современных производствах максимальная величина селективности достигается на уровне 80-82% Около 20% этилена превращается в Со₂ и выбрасывается в атмосферу.

Кроме трубчатых реакторов с неподвижным слоем катализатора запатентованы реакторы с кипящим слоем и восходящим потоком. Преимуществом реакторов с кипящим слоем является простота их конструкции, большая эффективность осуществления эксплуатации и теплоотвода из зоны реакции.

Реакторы с кипящим слоем катализатора не нашли применения в производстве оксида этилена, так как вследствие влияния массообменных процессов между пузырями и фазой катализатора селективность реакции резко снижается. Отрицательное влияние массообменных процессов на селективность удается снизить путем организации кипящего слоя с помощью малообъемных насадок. Одним из примеров конструкции насадки для организации слоя является предложенный способ.

Согласно этому способу процесс окисления этилена в оксид этилена осуществляют в изотермическом реакторе с кипящим слоем серебряного катализатора, организованном малообъемной насадкой. Благодаря использованию насадки в реакторе с кипящим слоем удалось достигнуть такой же селективности процесса, что и в реакторе с неподвижным слоем катализатора.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Всякий каталитический процесс, в частности процесс окисления этилена, включает стадии взаимодействия исходных компонентов (для рассматриваемого процесса этилен и кислород) с катализатором. При взаимодействии молекулярного кислорода с катализатором образуются различные атомарные формы кислорода на серебре, входящем в состав катализатора. При взаимодействии этилена с атомарными формами адсорбированного кислорода образуются целевой продукт оксид этилена и углекислый газ. Соотношение скоростей образования окиси этилена и углекислого газа, а следовательно, и селективность процесса зависит от состояния атомарного кислорода. Наиболее эффективные формы атомарного кислорода образуются при высокой температуре (выше 580 К), а взаимодействие этилена с катализатором проходит с приемлемой скоростью при более низкой температуре (около 500 К). Таким образом, если стадию взаимодействия кислорода с катализатором проводить при высокой температуре, а этилена при низкой температуре, то следует ожидать повышение селективности процесса.

Полное или частичное разделение стадий взаимодействия этилена и кислорода с катализатором достигается в реакторе с кипящим слоем, состоящем из двух зон с различной температурой. В нижней зоне поддерживается температура на уровне около 580 К, в верхней зоне около 470-550 К. Весь или большая часть кислорода подается в начало нижней зоны, этилен полностью или частично подается в начало верхней зоны. Оставшиеся части кислорода и этилена подаются соответственно в начало верхней и нижней зон. Между зонами осуществляется обмен катализатором так, что в каждой зоне катализатор находится определенное время. Обмен катализатором между зонами осуществляется либо самопроизвольно путем перемещения частиц катализатора по высоте реактора, либо искусственно с помощью специальных устройств. Реакционная зона полностью или частично заполнена малообъемной насадкой [8] с целью ускорения каталитического процесса и уменьшения загрузки катализатора. Реактор снабжен теплоотводящими устройствами.

Процесс образования окиси этилена происходит следующим образом. В нижней части реактора при температуре около 580 К в результате взаимодействия кислорода с серебром катализатора происходит образование эффективных форм атомарного кислорода на поверхности катализатора. Сформированный таким образом катализатор перемещается в верхнюю зону, в которой происходит взаимодействие этилена с «селективными» формами адсорбированного кислорода и образование окиси этилена. Так как в верхней зоне катализатор находится только определенное время, атомарные формы кислорода расходуются не полностью. Катализатор перемещается в нижнюю зону, в которой прореагировавшие в верхней зоне атомарные формы кислорода восполняются.

Таким образом, в результате постоянного перемещения катализатора между зонами и раздельного взаимодействия исходных компонентов с катализатором создается более высокая концентрация эффективных атомарных форм кислорода по сравнению с изотермическим кипящим слоем. Благодаря этому достигается увеличение селективности процесса.

П р и м е р 1. Окисление этилена осуществляют в одном реакторе с псевдоожиженным слоем, организованным малообъемной насадкой с двумя температурными зонами. В реактор подают смесь кислорода с инертом со скоростью 0,8 м/с, концентрация кислорода на входе составляет 7% В нижней зоне при температуре 280 о С происходит образование ковалентных форм кислорода на поверхности катализатора. В верхнюю зону, где поддерживается температура 230 о С, подается этилен, концентрация которого в начале зоны составляет 14% При общей насыпной высоте катализатора 0,8-1 м и соотношении высоты горячей и холодной зон 1:1 селективность по этиленоксиду составляет 86% П р и м е р 2. Процесс осуществляют по той же схеме, что и в примере 1, концентрация этилена на входе составляет 10% температура нижней и верхней зон 300 о С и 250 о С соответственно. Селективность составляет 88% П р и м е р 3. Отличие от примера 1 состоит в том, что в реактор подается воздух, а концентрация этилена в начале верхней зоны составляет 3-5% Селективность по этиленоксиду при степени превращения этилена 10-15% составляет 89-91% П р и м е р 4. Окисление этилена осуществляется в схеме, состоящей из двух реакторов с циркулирующим катализатором. В первом реакторе с нисходящим потоком катализатора в токе воздуха происходит окисление поверхности катализатора с образованием ковалентных форм кислорода при температуре 280 о С. Во второй реактор с восходящим потоком катализатора со скоростью 3-5 м/с подается реакционная смесь этилена с воздухом. Скорость подачи смеси 6 м/с, концентрация этилена на входе составляет 4-5% При температуре в реакционной зоне 240-250 о С селективность составляет 89-90% П р и м е р 5. Окисление этилена осуществляется в схеме, состоящей из двух реакторов, аналогично примеру 4, но с отличающимся температурным режимом. В первом реакторе в токе воздуха происходит образование ковалентных форм кислорода на поверхности катализатора при температуре 260 о С. Температура в реакционной зоне 230 о С, скорость подачи смеси 4-6 м/с. Селективность составляет 87-89% П р и м е р 6. Отличие от примеров 4 и 5 состоит в том, что окисление катализатора в первом реакторе может осуществляться как в токе воздуха, так и в токе кислорода на входе 5-7% Во второй реактор подается реакционная смесь, содержащая 5-7% О₂ и 10-15% этилена в инертном газе. Селективность по этиленоксиду при степени превращения этилена 15-7% составляет также 87-90%

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОКСИДА ЭТИЛЕНА путем окисления этилена в кипящем слое серебряного катализатора с малообъемной насадкой при повышенной температуре, отличающийся тем, что процесс проводят в двух реакционных зонах, температура в первой зоне 250 — 300 o С, во второй 200 — 250 o С с перемещением катализатора между зонами и частичным или полным разделением подачи этилена и кислорода в каждую из зон и начальными концентрациями этилена 3 — 17% и кислорода 5 — 15%.

Источник

Производство оксида этилена

Характеристика этилена, кислорода и окиси этилена как сырья и продукта. Физико-химическое обоснование основных процессов производства. Анализ способов получения этиленоксида через этиленхлоргидрин, гомогенное газофазное и каталитическое окисление этилена.

Рубрика	Химия
Вид	курсовая работа
Язык	русский
Дата добавления	26.05.2016
Размер файла	340,2 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Московский Технологический Университет

Кафедра Общей химической технологии

Курсовая работа на тему:

Производство оксида этилена

студентка группы ХЕБО-01-13

Характеристика целевого продукта

Физико-химическое обоснование основных процессов производства целевого продукта и экологической безопасности производства

Задача курсовой работы заключается в разработке технологического процесса производства оксида этилена.

Окись этилена является одним из наиболее крупнотоннажных продуктов органического синтеза, получаемых на основе этилена.

Согласно современных данных производство окиси этилена составляет около 5 млн. тонн и масштабы производства ее возрастают. Поэтому перед современной химической промышленностью стоит задача разработать методы и пути интенсификации получения окиси этилена, улучшения качества продукта, уменьшения затрат на ее производство.

Окись этилена впервые получил и описал ее главные свойства в 1859 г. французский химик Адольф Шарль Вюрц. Занимаясь изучением производных этиленгликоля, Вюрц получил окись этилена действием раствора едкого кали на этиленхлоргидрин и определил, что новое соединение кипит при +13,5°С, смешивается во всех отношениях с водой, образует с сульфатом натрия кристаллическое соединение освежающего вкуса, восстанавливает водный раствор нитрата серебра, но не дает кристаллического осадка при действии эфирного раствора аммиака.

Этот метод получения окиси этилена довольно давно был освоен химической промышленностью и долгое время был единственным практически значимым методом получения окиси этилена.

Но работа с хлором, который является довольно токсичным, привела к необходимости поиска других способов получения . И начиная с 30 годов прошлого ХХ века начались исследования процессов каталитического окисления этилена. На сегодня разрабатываются методы некаталитического окисления этилена и этана в окись этилена.

Начало промышленного производства окиси этилена датируется 1914 годом, когда был запущен хлоргидриновый процесс, монопольно просуществовавший до 1937 года. Первый завод по производству окиси этилена был построен во время Первой мировой войны компанией BASF. Хлоргидриновый процесс изначально был не вполне эффективен, даже не беря в расчёт экономические показатели, так как в его результате терялся ценный хлор в виде хлорида кальция.

Начиная с 30-х годов XX века этот процесс начал вытесняться прямым газофазным окислением этилена воздухом, а начиная с 1958 года — кислородом, в присутствии серебряного катализатора, при давлении 1—3 МПа и температуре 200—300 °C.

Более экономичный способ прямого окисления этилена к середине 50-х годов XX века в США обеспечивал примерно половину всей производимой окиси этилена, а после 1975 года полностью вытеснил старый метод.

В Советском Союзе первое промышленное производство окиси этилена, осуществлённое в соответствии с хлоргидриновым процессом, было запущено в 1936 году; одновременно проводились интенсивные поиски более экономичной технологии. Работы над созданием собственного метода получения окиси этилена прямым окислением этилена на серебряном катализаторе велись под руководством профессора П. В. Зимакова в 1938—1942 гг., что легло в основу первого отечественного промышленного производства получения окиси этилена прямым каталитическим окислением этилена, запущенного вскоре после Великой Отечественной войны.

Окись этилена — важнейшее сырьё, используемое в производстве крупнотоннажной химической продукции, являющейся основой для большого числа разнообразных товаров народного потребления во всех промышленно развитых странах.

Основные направления использования окиси этилена:

· этиленгликоли — используются в качестве антифризов, в производстве полиэстера, полиэтилентерефталата, агентов для осушения газов, жидких теплоносителей, растворителей и пр.;

· полиэтиленгликоли — используются в производстве парфюмерии и косметики, фармацевтических препаратов, лубрикантов, растворителей для красок и пластификаторов;

· эфиры этиленгликоля — входят в состав тормозных жидкостей, моющих средств, растворителей лаков и красок;

· этаноламины — применяются в производстве мыла и моющих средств, очистки природного газа и аппретирования тканей;

· этоксилаты — используют в производстве моющих средств, в качестве сурфактантов, эмульгаторов и диспергаторов.

Крупнейшим направлением использования окиси этилена является производство этиленгликолей, однако процент его применения в этом виде сильно варьирует в зависимости от региона: от 44 % в Западной Европе, 63 % Японии и 73 % в Северной Америке до 90 % в остальной части Азии и 99 % в Африке.

Свойства: При нормальных условиях — бесцветный горючий газ со слабым запахом. Частично растворим в воде (25,6 мл в 100 мл воды при 0 °C), этаноле (359 мл в тех же условиях). Хорошо растворяется в диэтиловом эфире и углеводородах. Содержит двойную связь и поэтому относится к ненасыщенным или непредельным углеводородам.

Атомы углерода находятся во втором валентном состоянии (sр2-гибридизация). В результате, на плоскости под углом 120° образуются три гибридных облака, которые образуют три сигма-связи с углеродом и двумя атомами водорода. Р-электрон, который не участвовал в гибридизации, образует в перпендикулярной плоскости пи-связь с р-электроном соседнего атома углерода. Так образуется двойная связь между атомами углерода. Молекула имеет плоскостное строение: CH₂=CH₂

Этилен — химически активное вещество. Так как в молекуле между атомами углерода имеется двойная связь, то одна из них, менее прочная, легко разрывается, и по месту разрыва связи происходит присоединение, окисление, полимеризация молекул.

Получение: В настоящее время в структуре производства этилена 64% приходится на крупнотоннажные установки пиролиза,

17% — на малотоннажные установки газового пиролиза,

11% составляет пиролиз бензина и 8% падает на пиролиз этана.

Основной промышленный метод получения этилена — пиролиз углеводородного сырья в трубчатых печах в присутствии водяного пара. Наиболее широко в качестве сырья используют низкооктановые бензиновые фракции, получаемые при первичной переработке нефти и выкипающие в широком интервале температур (40-170 ?С).

Свойства: химически активный неметалл, является самым лёгким элементом из группы халькогенов. Простое вещество кислород при нормальных условиях — газ без цвета, вкуса и запаха, молекула которого состоит из двух атомов кислорода (формула O₂), в связи с чем его также называют дикислород. Жидкий кислород имеет светло-голубой цвет, а твёрдый представляет собой кристаллы светло-синего цвета.

Существуют и другие аллотропные формы кислорода, например, озон — при нормальных условиях газ голубого цвета со специфическим запахом, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода (формула O₃).

Сильный окислитель, взаимодействует практически со всеми элементами, образуя оксиды. Степень окисления ?2. Как правило, реакция окисления протекает с выделением тепла и ускоряется при повышении температуры.

Получение: В настоящее время в промышленности кислород получают из воздуха. Основным промышленным способом получения кислорода является криогенная ректификация. Также хорошо известны и успешно применяются в промышленности кислородные установки, работающие на основе мембранной технологии.

В лабораториях пользуются кислородом промышленного производства, поставляемым в стальных баллонах под давлением около 15 МПа.

При получении окиси этилена можно использовать в качестве окислителя технический кислород. В этом случае желательно применять концентрированный этилен (98 %-ный и выше).

Примеси: Количество ацетилена, сернистых соединений и диолефинов не должно превышать 0,001% каждого, так как они отравляют катализатор и образуют взрывоопасные смеси с кислородом.

В реактор подают свежий этилен, технический кислород и рециркуляционный поток, содержащий непрореагировавший этилен, кислород, азот и оксид углерода (IV). Благодаря разбавлению смеси этилена и кислорода азотом и оксидом углерода (IV) удается снизить взрывоопасность этой смеси.

Катализатор: промышленный процесс получения оксида этилена прямым окислением этилена техническим кислородом осуществляют на серебряном катализаторе. В качестве носителя используют оксид алюминия.

Для приготовления такого катализатора чаще всего пропитывают носитель растворами некоторых соединений серебра (например, водным раствором нитрата серебра) с последующим восстановлением до металлического серебра.

Этапы подготовки сырья в технологической схеме: Вследствие большой чувствительности серебряного катализатора к действию контактных ядов, в частности сернистых соединений и ацетилена, исходные газы, применяемые в производстве окиси этилена каталитическим методом, должны быть тщательно очищены.

Если исходный этилен содержит ацетилен, то его удаляют путем промывки газа селективными растворителями (ацетоном, диметилформамидом) или гидрируют до этилена на никелевом катализаторе.

От соединений серы исходный газ очищают обычным методом — промывкой щелочью и водой.

Характеристика целевого продукта

Окись этилена относится к циклическим простым эфирам.

Вследствие напряженности трехчленного эпоксидного цикла оксид этилена и другие похожие соединения обладают высокой реакционной способностью.

При обычной температуре и давлении окись этилена находится в газообразном состоянии. При низких температурах окись этилена представляет собой легколетучую бесцветную жидкость со специфическим эфирным запахом (т. кип. 10,7єС; т. затв. — 113,3°С); с водой образует гидрат с 7 молекулами H₂ O (температура плавления 12,8°С). Молекулярный вес ее составляет 44,054 г/моль. С водой окись этилена смешивается во всех отношениях, с воздухом образует взрывчатые смеси. Окись этилена обладает инсектецидными ибактерицидными свойствами.

Чистая окись этилена не является проводником электрического тока, но, растворяя соли (например, хлористый натрий и особенно азотнокислый калий), образует токопроводящие растворы. Некоторые исследователи считают, что водные растворы окиси этилена не проводят электрический ток. По другим данным, водные раствори ее являются слабыми проводниками тока, хотя авторы объясняют электропроводность этих растворов вторичными причинами, в частности образованием небольших количеств гликолевой кислоты. Диэлектрическая проницаемость окиси этилена при составляет 13,9. Дипольный момент равен 1,88 — 1,91 D.

Окись этилена — одно из самых реакционноспособных органических соединений. Благодаря легкости размыкания напряженного трехчленного эпоксидного цикла окись этилена может присоединять вещества, содержащие подвижный атом водорода, образуя -оксиэтилпроизводные, а также может полимеризироваться. При нагревании до 500°С без катализаторов или до 150 — 300°С в присутствии некоторых катализаторов (активная окись алюминия, фосфорная и соляная кислоты, фосфаты) окись этилена необратимо изомеризуется в ацетальдегид с выделением большого количества тепла. Путем гидратации окиси этилена получается этиленгликолъ. Окись этилена способна полимеризироваться под влиянием третичных аминов, хлорного олова и некоторых других катализаторов с образованием твердой белой массы, представляющей собой смесь полимергомологов состава . При полимеризации выделяется очень большое количество тепла, и процесс может протекать со взрывом. Высокомолекулярный полиоксиэтилен растворим в воде, и поэтому его применяют в качестве эмульгатора и загустителя.

Окись этилена вступает также и в много других реакций с другими веществами, практически важные реакции мы рассмотрим ниже в разделе, касающемся применения окиси этилена.

Источник