Производство этиленбензола

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное  учреждение

Высшего профессионального  образования

«Кузбасский государственный  технический университет»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ    ЗАПИСКА 

 

 

к курсовому проекту

«Производство этиленбензола»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кемерово 2010 

ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра технологии основного  органического синтеза

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ    ЗАПИСКА 

 

 

к курсовому проекту

«Производство этиленбензола»

Мощность 200 000 т/год

 

 

 

 

 

 

Руководитель

                   Выполнил студент гр. ХТ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2010

 

Содержание

Введение                                                                                                          

1. Аналитический обзор способов производства
2. Физико-химические основы технологического процесса
3. Характеристика исходного сырья, материалов и готового продукта
4. Описание технологического процесса и схемы
5. Материальные расчёты
6. Тепловые расчёты
7. Подбор и технологический расчёт оборудования
8. Аналитический контроль производства
9. Экология производства

10. Выводы

11. Список использованной литературы                                                        

 

 

 

 

Введение

 

B современной промышленности применение  разного рода этиленовых настолько широко распространено, что без этих веществ было бы невозможно организовать работу целых отраслей производства.

Этиленбензол представляет собой бесцветную жидкость, вязкую и гигроскопичную, co сладковатым вкусом и очень ядовитую. Этиленбензол отлично растворяется в разного рода спиртах и воде. Boдныe рacтвoры, в кoтoрых этилeнбензол приcутcтвуeт в рaзнoй кoнцeнтрaции имeют рaзличныe тeмпeрaтуры зaмeрзaния, oт -1°С при 3% кoнцeнтрaции этилeнгликoля дo -70°С при 70% кoнцeнтрaции этиленбензола в вoднoм рacтвoрe. Однo из интeрecных cвoйcтв, кoтoрыми oблaдaeт данное соединение, этo cпocoбнocть к умeньшeнию в oбъeмe при cмeшивaнии c вoдoй. Тaк, ecли cмeшaть вoду и этиленбензол, тo пoлучeнный в рeзультaтe рacтвoр будeт имeть мeньший oбъeм, чeм пeрвoнaчaльный oбъeм иcхoдных кoмпoнeнтoв в coвoкупнocти.

Свойства этиленбензола oбуcлaвливaют eгo ширoкoe примeнeниe в кaчecтвe одного из компонентов производства взрывчатых веществ.     

 

 

 

1. Аналитический обзор способов производства

 

Хорошим примером использования галоидных  соединений для синтетических целей  является получение этиленбензола. Этиленбензол был открыт Вюрцем:

 

CH₃           CH₃

½    +2AgOС₆Н₆ ® ½  +2AgBr

CH₂Br   CH₂ С₆Н₆

Этот способ получения этиленбензола остался наиболее применимым и до настоящего времени; правда теперь вместо бензольного серебра обычно пользуются более дешевым, но тоже вполне пригодным фенольным калием. Возможна также прямая замена атомов галоида фенольными группами при действии фенола, но этот процесс часто протекает с плохими выходами вследствие побочных реакций.

По химическим свойствам этиленбензол весьма сходен со свойствами бензольного кольца и  алифатических соединений.

 

CH₂OCOCH₃                  CH₃

½      + 2 С₆Н₅OН®  ½    +2CH₃COOH

CH₂OCOCH₃                 CH₂С₆Н₅

Пятихлористый фосфор в одинаковой степени замещает хлором оба гидроокисла  этиленгликоля из которого можно в дальнейшем получить этиленбнзол:

СН₂ОНСН₂ОН +2PCl5®CH₂ClCH₂Cl+2POCl₃+2HCl

Напротив, хлористый водород реагирует с первой гидроксильной группой легче, чем со второй. На этом основан способ получения этиленхлоргидрина и других аналогичных хлоргидринов:

CH₂OHCH₂OH+HCl®CH₂OHCH₂Cl+H₂O

Этиленхлоргидрин является исходным веществом для разнообразных  синтезов. Он используется для получения новакаина, индиго и горчичного газа (иприта) (ClCH₂CH₂)₂S. С аммиаком и аминами хлоргидрины образуют аминоспирты:

CH₂OHCH₂OH+2NH₃®CH₂OHCH₂NH₂+NH₄Cl

                                                                         Аминоэтиловый

                                                                                                                              спирт (коламин)

При действии сильных щелочей они  превращаются в окиси алкиленов:

CH₂OH  CH₂

½       + KOH ® ½   O +KCl + H₂O

CH₂Cl  CH₂

 

 

 

 

2.Физико-химические основы технологического процесса

 

Хлориды алкиленов легко летучи (например, хлорэтилена кипит при 12,5°). В настоящее время хлорэтилен получают в промышленности взаимодействие хлора с этиленом при температуре около 250° над серебряным катализатором. Он применяется для получения текстильных материалов, смачивающих средств, растворителей, пластификаторов, пластмасс, синтетического волокна (волокно «орлон») и др. Хлорэтилен можно рассматривать как внутренние ангидриды, однако получение их прямым отщеплением воды обычно не удается, так как при действии водоотнимающих средств (хлорида цинка, кислот) они дегидратируются иным путем, с образованием альдегидов или кетонов по следующей схеме:

CHСlOH¾CH₂OH¾¾®СlCH₂═CHOH®CH₃CHO

Уже из самого факта такого течения процесса ангидризации можно сделать заключение, что образование хлорэтиленов связано с определенными затруднениями и реакция протекает в другом направлении, «уклоняется». Подобные явления часто наблюдаются в тех случаях, когда синтезируемые соединения неустойчивы и обладают большим запасом энергии.

О том, что это полностью относится  и к окислам алкиленов, свидетельствует  та легкость, с которой эти соединения претерпевают разнообразные превращения. Даже очень разбавленная серная кислота способна уже на холоду расщеплять кольцо окиси этилена с образованием гликоля:

CH₂                          CH₂OH

½        O + H₂O ®  ½

CH₂          CH₂OH

Хлористый водород присоединяется с образованием хлоргидринов; при  действии аммиака получаются аминоспирты:

CH₂            CH₂OH  CH₂    CH₂OH

½ O + HCl ® ½  ; ½   O + NH₃ ® ½

CH₂           CH₂Cl  CH₂    CH₂NH₂

Способность окисей алкиленов присоединять хлористый водород настолько  велика, что они осаждают гидроокиси металлов из растворов их хлоридов (MgCl₂, FeCl₃), связывая получающийся при гидролизе солей хлористый водород и смещая таким образом равновесие между гидроокисью и солью в сторону гидроокиси.

Из сравнения химических свойств  окисей алкиленов и их циклических  гомологов, например окиси триметилена, окиси тетраметилена и окиси пентаметилена:

 

CH₂   CH₂  CH₂¾CH₂   CH₂¾CH₂

½ O ;  H₂C  O ; ½  O ; H₂C   O

CH₂   CH₂  CH₂¾CH₂   CH₂¾CH₂

окись этилена       окись триметилена    окись тетраметилена             окись пентаметилена

 

Можно видеть, что эти гомологи не только значительно легче образуются (, но и более устойчивы в отношении обратного расщепления их колец. Особенно ярко это выражено в случае пяти- и шестичленных гетероциклов – окиси тертаметилена и окиси пентаметилена. Этот факт представляет собой частный случай общей закономерности, что в аналогично построенных кольцевых системах устойчивость увеличивается по мере перехода от трехчленных циклов к пятичленным. Вместе с тем до пятичленных циклов включительно возрастает и легкость замыкания кольца. Шестичленные гетероциклы также обладают очень большой устойчивостью и в этом отношении почти уступают пятичленным.

Таким образом, существующие в молекулах  органических соединений соотношения сил химического средства, по-видимому, способствуют образованию пяти- и шестичленных колец и затрудняют замыкание четырех- и особенно трехчленных циклов. Для этого явления  Байер предложил объяснение под названием «байеровской теории напряжения». Несмотря на то, что наши представления о природе сил валентности использованы в теории напряжения лишь в весьма схематическом виде, на основе этой теории удалось найти удовлетворительное объяснение большинству экспериментальных данных, относящихся к рассматриваемому вопросу.

Эфиры насыщенных двухосновных кислот при гидрировании в тех же условиях образуют гликоли. Процесс идет достаточно гладко только для кислот, имеющих не менее двух метиленовых групп. Этот метод используется для оизводствагександиола-1,6 из эфира адипиновой кислоты:

С₂Н₅¾ОСС¾ (СН₂)₄¾С₂Н₅®НО¾ (СН₂)₆¾ОН+2С₂Н₅ОН

Гексадиол-1,6 применяется для получения  полиэфирных смол.

При гидрировании янтарной кислоты  наряду с 70-75% бутандиола-1,4 образуются побочные продукты ¾ g-бутиролактон, масляная кислота и тетрагидрофуран:

НООС¾(СН₂)₂¾СООН¾¾®НОСН₂¾(СН₂)₂¾СООН¾¾®НО¾(СН₂)₄¾ОН

                                                                              ¯

 

 

 

 

Еще менее успешны попытки восстановления малоновой и тем более щавелевой  кислот, которые дают при гидрировании много побочных продуктов гидрогенолиза. Однако гликолевая кислота достаточно гладко гидрируется в этиленгликоль, и метод его синтеза из формальдегида, окиси углерода и воды получил промышленное значение:

НСНО+СО+Н₂О¾¾®НОСН₂¾СООН¾¾®НОСН₂¾СН₂ОН

 

 

Синтез a-оксикислот из альдегидов, окиси углерода и воды возможен только при кислотном катализе. Реакцию проводят в жидкой фазе, барботируя окись углерода через смесь альдегида, воды и  a-оксикислоты. В жидкости растворяют около 3 мол. % (по отношению к альдегиду) серной кислоты, и процесс проводят при 200°С и 700 ат. Этим путем в США в крупном масштабе из формалина получают гликолевую кислоту

НСНО+СО+Н₂О®НССН₂¾СООН

которая служит промежуточным продуктом  в синтезе этиленгликоля. Кислоту  этерифицируют метиловым спиртом  обычным методом, и гидрируют эфир над медь-хромитным катализатором:

НОСН₂¾СООН¾¾®НОСН₂¾СООСН₃¾®НОСН₂¾СН₂ОН+СН₃ОН

 

Данный метод синтеза этиленбензола основан на наиболее дешевом углеводороде – метане (метан®синтез-газ ® метанол ® формальдегид ® гликолевая кислота ® эфир ® ® этиленбензол). Однако по сравнению с обычным способом получения этиленбензола через хлорэтилен такой метод является слишком многостадийным и не имеет каких-либо преимуществ.

 

3. Характеристика исходного сырья,  материалов, полупродуктов и готового  продукта

 

Таблица 1

 

Вещество	Молярная масса, кг/кмоль	∆Hof,298, кДж/моль	Сор,298, Дж/моль*К	Плотность, г/см3	Температура кипения, 0С	Температура замерзания, 0С
Вода	18	-241,81	188,72	1	100	0
Хлор- этилен	44	-52,63	242,42		10,7	-112,5
МЭБ	62	-454,9	167,32	1,112	197,6	-12,7
ДЭБ	106	-626,8	221,54	1,118	245,8	-7,8
ТЭБ	150	-801,4	330	1,125	278,3	-5

 

 

 

4. Описание технологического процесса и схемы

 

Все производства на основе окисей этилена  и пропилена по технологическим  признакам можно классифицировать на следующие два типа:

1. Реакции, осуществляемые при  большом избытке второго реагента (т. е. при недостатке а-окиси)—производство этилен- и пропиленбензола, диэтиленбензола, целлозольвов. Теплота реакции воспринимается избыточным реагентом, за счет чего температура реакционной массы повышается всего на 20—40°С. Это дает возможность осуществлять процесс в адиабатических и полностью гомогенных условиях, т. е. с заранее приготовленным раствором хлорэтана в воде или спирте. Для поддержания реакционной массы в жидком состоянии при 150—200 °С необходимо давление 15- 30   ат.

Для таких процессов используют непрерывно действующие реакционные колонны, не имеющие поверхностей теплообмена (рис. 1 а). Исходная смесь, предварительно подогретая паром, подается сверху и поступает в низ колонны по центральной трубе, в которой она подогревается реакционной массой. Продукты реакции выводятся сверху. Время контакта при получении гликолей равно 20—30 мин. В отдельных случаях эти реакторы могут иметь рубашку для охлаждения водой.

2. Реакции, в которых применяется относительно большое количество хлорпроизводных, — производство ди- и триэтаноламинов, этилен-циангидрина, оксиэтилированных аминов, тиогликолей, тиоэфироа и особенно полигликолей и неионогенных поверхностно-активных веществ. В этих случаях тепловыделение очень большое и требуется интенсивно охлаждать реакционную массу. Предварительное приготовление смеси реагентов здесь обычно не практикуется, так как при большом количестве хлорпроизводных потребовалось бы применение слишком высоких давлений и затруднилось бы регулирование процесса. Вместо этого хлорпроизводное постепенно барботируют в реакционную массу. Для улучшения ее растворимости, снижения уноса реагентов и интенсификации процесса синтез иногда ведут при 3— 5 ат, но часто работают и при атмосферном давлении.

При периодическом способе, еще  до сих пор применяемом для  синтеза полигликолей и неионогенных веществ, используют простейший реактор с мешалкой, рубашкой и змеевиками для охлаждения водой (рис. 1 6). В него загружают исходный реагент и .щелочной катализатор, нагревают их паром до 120—150 °С и начинают подавать газообразную или жидкую хлорпроизводное этилена через барботер. Синтез неионогенных поверхностно-активных веществ .данным методом заканчивается за 5—8 ч.

Непрерывное производство некоторых продуктов последнего типа осуществляют в реакционной колонне с выносным охлаждением и циркуляцией жидкости при помощи насоса (рис. 1 в). Исходные вещества  
 
непрерывно вводят в аппарат и по мере этого выводят продукты реакции. Такой тип реактора полного смешения подходит для получения этиленциангидрина или алкиленкарбонатов, где последовательные реакции оксиэтилирования не имеют значения. Однако при синтезе этаноламинов в таком аппарате ухудшается состав продуктов, а при получении неионогенных поверхностно-активных веществ кривая распределения по степени оксиэтилирования становится более пологой. Эти нежелательные эффекты можно снизить, если применять реакторы вытеснения, секционированные аппараты или каскад реакторов.