Производство изопропилового спирта прямой гидратацией пропилена.. Расчетнографическая работа по курсу Системный анализ процессов химической технологии Производство изопропилового спирта прямой гидратацией пропилена

• Название: Расчетнографическая работа по курсу Системный анализ процессов химической технологии Производство изопропилового спирта прямой гидратацией пропилена
• Дата: 15.04.2023
• Размер: 207.92 Kb.
• Имя файла: Производство изопропилового спирта прямой гидратацией пропилена..docx
• Тип: Реферат; #1063476

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Новосибирский государственный технический университет»

Кафедра химии и химической технологии


РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА

по курсу «Системный анализ процессов химической технологии»

«Производство изопропилового спирта прямой гидратацией пропилена»
Студентка группы КХ-101 _________________

подпись, дата

Доцент кафедры ХХТ _________________ .

подпись, дата
Новосибирск 2014

Содержание

Введение 3

Химико-технологическая схема 7

Химико-технологическая схема процесса прямой гидратации пропилена 8

Функциональная схема 9

Структурная схема 9

Операторная схема 10

Расчет ХТС 11

Заключение 12

Список использованных источников 13

Приложение 1 14

Приложение 2 15

Введение

Одним из важных продуктов нефтехимии является изопропиловый спирт.
Изопропиловый спирт – это один из простейших вторичных спиртов алифатического ряда. Формула изопропилового спирта – CH3CH(OH)CH3.

Свойства изопропилового спирта
Изопропиловый спирт растворяется в воде, алкоголе, эфире и хлороформе. Он способен растворять этилцеллюлозу, поливинил бутирал, многие масла, алкалоиды, резины и натуральные смолы. C растворами солей изопропиловый спирт не взаимодействует. В отличие от этанола или метанола, его можно выделить из водного раствора путем добавления поваренной соли, сульфата натрия, или любой другой соли неорганического вещества, так как спирт плохо растворим в физиологических растворах, и хорошо растворим в бессолевой воде. Подобный процесс в разговорной речи называют соление, и производится он с целью разделения изопропилового спирта на различные слои.
Данный спирт формирует азеотропную смесь с водой, которая закипает при 80,37 oC и 87,7 % её веса составляет (91 %) изопропиловый спирт. Смесь воды и изопропилового спирта обладает пониженной температурой плавления. Она имеет немного горьковатый вкус, и её нельзя пить.
С уменьшением температуры изопропиловый спирт становится все более и более вязким. При температурах ниже -70 °C по вязкости он напоминает кленовый сироп.
Изопропиловый спирт обладает максимальной спектральной поглощательной способностью в 204 нм в ультрафиолетовом спектре.
Реакции изопропилового спирта
Изопропиловый спирт способен окисляться до ацетона, который соответствует кетону. Подобный эффект может быть достигнут при использовании окислителей типа хромовой кислоты, или путем дегидрирования с помощью нагретого медного катализатора:
(CH3)2CHOH → (CH3)2СО + H2
Изопропиловый спирт часто используется в качестве растворителя, и источника гидрида при редукции Мервайна-Понндорфа-Верлея, а также в других гидрогенизационных передаточных реакциях; он окисляется до ацетона. Этот спирт может быть преобразован в 2-бромопропан путем использования трибромида фосфора, или дегидрирован до пропилена нагревом с серной кислотой.
Как и большинство спиртов, изопропиловый реагирует с активными металлами, такими как калий, формируя алкоксиды, которые ещё можно назвать изопропоксиды. Для катализации изопропоксида алюминия используется незначительное количество ртути.
Производство спирта
В 1994 году, в Соединенных Штатах, Европе, и Японии производство изопропилового спирта составило 1,5 миллиона тонн. Производство осуществляется, прежде всего, путем соединения воды и пропилена реакцией гидратации. Второстепенной в данном процессе является гидрогенизация ацетона.

Существует два вида процесса гидратации: косвенная гидратация с серной кислотой, и прямая гидратация. Первый способ, с применением пропилена более низкого качества, преобладает в США; более современный способ, требующий применения пропилена высокой очистки, широко распространен в Европе. Данные способы позволяют получить преимущественно изопропиловый спирт, а не 1-пропанол, поскольку согласно правилу Марковникова, осуществляются при участии воды или серной кислоты.
Косвенная гидратация
Процесс косвенной гидратации представляет собой реакцию пропилена с серной кислотой, с получением смеси сложных эфиров сульфатов. Последующий гидролиз таких эфиров паром приводит к получению дистиллированного изопропилового спирта. Диизопропиловый эфир является важным побочным продуктом данного процесса: он перерабатывается обратно и гидролизируется для получения требуемого вещества.
Прямая гидратация
Прямая гидратация представляет собой реакцию пропилена и воды в газовой или жидкой фазах, при высоком давлении, и в присутствии твердых или кислотных катализаторов. В результате получается пропилен более высокой степени чистоты (>90 %).
Оба процесса подразумевают отделение изопропилового спирта от воды и других побочных продуктов путем дистилляции. Данный спирт и вода формируют азеотроп, в результате простой дистилляции получается вещество, которое на 87,9 % состоит из изопропилового спирта и на 12,1 % из воды. Чистый (безводный) спирт производится путем азеотропной дистилляции из влажного изопропилового спирта, с применением либо диизопропилового эфира, либо циклогексана в качестве азеотропного средства. Гидрогенизация ацетона Неочищенный ацетон, используемый для получения изопропилового спирта, гидрогенизируется в жидкой фазе с помощью никеля Ренея или смеси оксидов меди и хрома. Данный процесс выгоден, поскольку из излишков ацетона можно получать, например, кумол.
Применение изопропилового спирта
В 1990 году, в США были использованы 45 тысяч тонн изопропилового спирта. Большая часть спирта была использована в качестве растворителя для покрытий или в производственных процессах. Изопропиловый спирт особенно популярен в фармацевтике, по-видимому, из-за низкой токсичности остатков. Небольшая часть этого спирта применяется в качестве промежуточного соединения в химии. Из изопропилового спирта можно получать ацетон, но более широкое распространение получило производство кумола (изопропилбензола). В прошедшем году, значительная часть (5,4 тонны) применялась в быту, а также в косметических изделиях. Данный продукт используется также в качестве добавки для бензина.
Растворитель
Изопропиловый спирт растворяет многие неполярные смеси. Он также быстро испаряется и относительно нетоксичен, по сравнению с альтернативными растворителями. Таким образом, этот продукт получил широкое применение в качестве растворителя и чистящего средства, особенно для растворимых масел.
Примерами подобного применения могут быть очистка электронных устройств, контактных разъемов (как на картриджах ПЗУ), магнитных лент и головок дисков (используемых в аудио и видеомагнитофонах, и в двигателях дисководов), лазерных линз в оптических приводах (например CD, DVD); также его можно применять для удаления термопасты с радиаторов и корпусов ИС (таких как ЦПУ.) Изопропиловый спирт используется для очистки клавиатур, ЖК-мониторов и ноутбуков, продается в качестве очистителя белых досок, и является более безопасной альтернативой обычным хозяйственным чистящим средствам. Он используется для очистки ЖК-мониторов и стеклянных экранов (на некоторых экранах есть риск повреждения антибликового покрытия). Также этот спирт применяется для придания блеска подержанным или изношенным невиниловым записям. Изопропиловый спирт нельзя применять для очистки винила, поскольку щелочная реакция может удалить пластификатор, и винил отвердеет. Он эффективен при удалении остатков клея с некоторых липких наклеек, хотя некоторые бумажные наклейки могут быть невосприимчивы к нему. Данный спирт можно применять для удаления пятен с тканей, древесины, хлопка и пр. Кроме того, его можно использовать для удаления пятен от масел и других нефтепродуктов, и подготовки поверхностей для перекрашивания. Также изопропиловый спирт используется в качестве увлажнителя источника в литографской печати, и часто применялся в качестве растворителя французской полировки шеллаком в мебельном производстве.
Промежуточное звено
Изопропиловый спирт эстерифицируется для получения изопропилацетата, другого растворителя. Вступая в реакцию с углеродистым дисульфидом и гидроокисью натрия, он дает изопропилксантогенат натрия, гербицид и реактив рудной флотации. Изопропиловый спирт реагирует с четырёххлористым титаном и алюминием, давая в результате соответственно титан и изопропоксид алюминия, изначально являясь катализатором, а впоследствии – химическим реактивом. Этот состав сам по себе является химическим реактивом, выступая в роли дигидрогенизационного донора в передаче гидрогенизации.
Медицина
Дезинфицирующие тампоны, как правило, содержат 60-70 % водный раствор изопропилового спирта. 75 % раствор в объемном отношении к воде может применяться в качестве ручного дезинфицирующего средства. Изопропиловый спирт используется в качестве осушителя для профилактики наружного отита, более известного как «ухо пловца».
Автомобильная промышленность
Изопропиловый спирт является главным ингредиентом в топливных добавках для удаления воды из бензина. Вода в больших количествах в топливных баках является проблемой, поскольку она отделяется от бензина, и может замерзнуть в топливопроводе при холодных температурах. Спирт не удаляет воду из бензина; скорее он позволяет растворить её в нем. Уже растворенная, вода не представляет такой угрозы, поскольку больше не накапливается в линиях подачи топлива и не замерзает. Изопропиловый спирт часто продается в аэрозольных емкостях в качестве антиобледенителя ветрового стекла. Он также используется для удаления следов тормозной жидкости с гидравлических тормозных систем, поскольку тормозная жидкость (обычно DOT 3, DOT 4 или минеральное масло) может загрязнять тормозные колодки, что может привести к ухудшению свойств тормозов.
В лабораториях
Изопропиловый спирт применяют в качестве биологического консерванта органики, он представляет собой сравнительно нетоксичную альтернативу формальдегиду и другим синтетическим консервантам. 90-99 % растворы изопропилового спирта используются для сохранения анализов.
Изопропиловый спирт часто используется в выборке ДНК. Его добавляют в готовую ДНК для преципитирования ДНК в 'гранулу' после центробежной обработки. Это возможно благодаря тому, что ДНК нерастворима в изопропиловом спирте.
Безопасность спирта
Пары изопропилового спирта плотнее воздуха, и огнеопасны при содержании их в воздухе в диапазоне от 2 до 12,7 %. Его нужно держать подальше от высокой температуры и открытого огня. Изопропиловый спирт, как было указано выше, формирует пероксиды, которые могут взрываться по достижении определенной концентрации. Также он является раздражителем кожи.
Токсикология
Изопропиловый спирт и его метаболит ацетон, действуют в качестве депрессантов ЦНС (ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ). Симптомы отравления включают понос, головную боль, головокружение, депрессию ЦНС, тошноту, рвоту, полную потерю чувствительности, и кому. Отравление может быть следствием употребления внутрь, ингаляции, или впитывания; поэтому, рекомендуется работать в хорошо проветриваемых помещениях и использовать защитные перчатки. Около 15 г изопропилового спирта на 70 килограмм веса человека обладают токсичным эффектом, если ничего не предпринимать. Однако, он не так токсичен как метанол или этиленгликоль. Изопропиловый спирт не приводит к ацидозу промежутков аниона (при котором пониженный pH фактор свертывания крови вызывает истощение бикарбонатом аниона), в отличие от этанола и метанола. Данный спирт, тем не менее, создает осмолярный промежуток между расчетными и взвешенными частями сыворотки, как и любой другой спирт. Передозировка может вызвать фруктовый аромат дыхания в результате его метаболизма до ацетона, который далее усваивается организмом и превращается в ацетат и глюкозу. В печени изопропиловый спирт окисляется алкоголь дегидрогеназой, образуя ацетон.

Химико-технологическая схема

Описание процесса гидратации

С₃H₆ + H₂O = C₃H₇OH

Процесс осуществляется в паровой фазе при повышенном давлении 7 – 9 МПа и температуре в присутствии катализатора, которым является фосфорная кислота, нанесенная на силикагель.

Свежий и не прореагировавший пропилен, сжимаются в компрессоре 1 до 7 МПа и затем газ в смесителе 2 смешивается с водяным паром в соотношении . Парогазовая смесь нагревается в теплообменнике 3 за счет тепла продуктов реакции и далее – дымовыми газами в трубчатой печи 4 до 300 °С. Смесь поступает в гидрататор 5, где проходит через слой катализатора. Продукты из гидрататора поступают в нейтрализатор 6, где уносимая из гидрататора фосфорная кислота нейтрализуется щелочью. Далее продукты реакции охлаждаются в теплообменнике 3, отдавая тепло парогазовой смеси, а затем – в холодильнике-конденсаторе 7, где проходит конденсация C₃H₇OH и H₂O. Конденсат, содержащий 15 – 16 % спирта, отделяется от не прореагировавщего пропилена в сепараторе 8 и затем направляется на ректификацию. Не прореагировавший пропилен возвращается в процесс. Гидрататор – контактный аппарат емкостного типа представляет собой полую цилиндрическую колонну из углеродистой стали, днище и стенки которой защищены от действия фосфорной кислоты листовой красной медью.

Химико-технологическая схема процесса прямой гидратации пропилена

1 – компрессор; 2 – смеситель; 3 – теплообменник; 4 – трубчатая печь; 5 – реактор-гидрататор; 6 – нейтрализатор; 7 – холодильник – конденсатор; 8 – сепаратор.

Рисунок 1 – Упрощенная химико-технологическая схема установки для производства изопропилового спирта методом прямой гидратации пропилена.

Функциональная схема

1 – сжатие пропилена; 2 – нагрев парогазовой смеси; 3 – химическое превращение; 4 – охлаждение продуктов реакции; 5 – отделение циркуляционного газа; 6 – отделение пропанола.

Рисунок 2 – Упрощенная функциональная схема.

Структурная схема

1 – смеситель; 2 – смеситель; 3 – теплообменник; 4 – трубчатая печь; 5 – реактор-гидрататор; 6 – нейтрализатор; 7 – холодильник – конденсатор; 8 – сепаратор.

G1 – входной поток свежего пропилена; G2 – ; G3 – поток реакционной смеси; G4 – нагретый теплотой реакции поток парогазовой смеси; G5 – поток реагентов, нагретых до 300 °С; G6 – поток продуктов реакции; G7 – поток продуктов реакции, отдавших тепло реагентам; G8 – поток охлаждаемых продуктов реакции; G9 – поток пропанола, выводимый из процесса; G10 – поток циркулирующего пропилена, отделенных от остатков фосфорной кислоты; G11 – поток реакционного пара.

Рисунок 3 – Структурная схема.

Операторная схема

1 – смеситель свежего и циркулирующего пропилена; 2 – смеситель пропиленовой смеси и пара; 3 – теплообменник; 4 – нагрев реакционной смеси; 5 – реактор; 6 – охлаждение продуктов реакции;

7 – конденсатор.

Рисунок 5 – Операторная схема.

Расчет ХТС

Таблица 1 – Сводная таблица тепловых и массовых потоков

	G1	G2	G3	G4	G5	G6	G7	G8	G9	G10	G11
С3H6, кг/с	1	16.667	16.667	16.667	16.667	15.667	15.667	15.667	0	15.667	0
H2O (г), кг/с	0	0	0.65	0.65	0.65	0.007	0.007	0	0	0	0.65
C3H7OH(г), кг/с	0	0	0	0	0	1.643	1.643	0	0	0	0
H2O (ж), кг/с	0	0	0	0	0	0	0	0.007	0.007	0	0
C3H7OH (ж), кг/с	0	0	0	0	0	0	0	1.643	1.643	0	0
T, °C	25	25	25	205.827	300	363.578	180	25	25	25	25
G, кг/с	1	16.667	17.317	17.317	17.317	17.317	17.317	17.317	1.65	15.667	0.65
GH, кВт	190.396	3173.323	2282.867	2783.339	3043.98	3043.98	2543.509	1960.273	1022.65	2982.924	-890.456

Заключение

В работе был произведен расчет промышленной установки, предназначенной для получения изопропанола прямой гидратацией пропилена. Были разработаны химико-технологическая, функциональная и структурная, операторная схемы, а также проведен покомпонентный расчет основных массовых и тепловых потоков.

Список использованных источников

1. 
   Соколов Р. С. Химическая технология: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений: В 2 т. – М.: Гуманит. Изд. Центр ВЛАДОС, 2000. – Т. 2: Металлургические процессы. Переработка химического топлива. Производство органических веществ и полимерных материалов. – 448с.
   
2. 
   Кузнецов Д. А. Общая химическая технология. /Д.А. Кузнецов, И. Э. фурмер, А. И. Малахов и др. Под ред. И. Э. Фурмер. – М.: Высшая школа, 1970, 344с., илл.
   
3. 
   Рабинович В.А., Хавин З. Я. Краткий химический справочник. Изд. 2-е, испр. И доп. – Л.: Химия, 1978.
   

Приложение 1

Таблица 2 – Теплофизические свойства веществ

Вещество	М, кг/кмоль	Cp, Дж/(моль*К)	Н, кДж/моль
С3Н6	42	63.89	20.41
Н2О(г)	18	33.58	-241.82
С3Н7OH(г)	60	65.75	-148.6
Н2О(ж)	18	75.30	-285.83
С3Н7OH(ж)	60	113	-153.4

Приложение 2

Текст программы Mathcad

Задаем нумерацию элементов массивов данных, начиная с 1:



Зададим начальные значения теплофизических свойств, взятые из справочника:











С₃Н₆

Н₂О(г)



С₃Н₇OH(г)

Н₂О(ж)

С₃Н₇OH(ж)







Проводим векторизацию и перевод размерностей из молей в кг:





Определяем функцию расчета энтальпии при температуре Т:



Необходимо определить температурные и массовые потоки. Массовые потоки по компонентам будут записаны в матрице G из 11 векторов, энтальпийные потоки и температура - в векторах GH и T соответственно, состоящие из 3 элементов.






Зададим функцию расчета температуры по энтальпии и расходу:





Задаем входные данные:







- поток свежего пропилена



- поток водяного пара

Соотношение потоков:







Алгоритм расчета:

0. Расчет начальных потоков: пропилена, водяного пара и рециклового пропилена.













Задаем начальные приближения (разрываем связь G10)

Данные для рецикловового потока не прореагировавшего пропилена произвольные:







1. Расчет смесителя: смешение свежего и рециклового пропилена.




Стехиометрические коэффициенты:







2. Расчет смесителя: смешение пропиленовой смеси с водяным паром:







3. Нагрев реакционной смеси в трубчатой печи до температуры реакции











Подводимую теплоту найдем после определения энтальпии 4-го потока

4. Расчет реактора:

реактор условно можно считать адиабатическим, конверсионного типа.



- степень превращения изопропанола

Переводим массовый поток в мольный:





Снова преобразуем в массовый поток:







5. Расчет двухходового теплообменника: реакционная смесь нагревается за счет продуктов реакции:





















Теперь можно определить теплоту, подводимую к потоку в трубчатой печи 4:





6. Расчет конденсатора:

В конденсаторе происходит конденсация изопропанола и воды из прореагировавшей парогазовой смеси.

Запишем значения теплоемкости и энтальпии для жидкофазного изопропанола и воды:



























7. Расчет сепаратора

Считаем, что поток делится в заданном соотношении

















Сравниваем полученные значения для рециклового потока с заданными.

Результаты расчетов:





Суммарный массовый расход по потокам:





Тепловые потоки:





Температура в градусах Цельсия:



Проверка результатов: