Расчёт материальных балансов технологических процессов. Гидратация ацетилена

6. Задача

Определить массовые расходы  воды и ацетилена (массовая доля ацетилена 98%) для получения в час 8500 кг. ацетальдегида-сырца ( массовая доля ацетальдегида 90%), если конверсия ацетилена 50%, а селективность по ацетальдегиду 89%.

Методические указания:

1. Записать уравнение реакции. Определить молярные масы участников реакции.
2. Рассчитать массу чистого ацетальдегида с учётом его массовой доли в продукте.
3. Рассчитать с учётом селективности 100% выход ацетальдегида.
4. По уравнению реакции рассчитать массу ацетилена, необходимую для получения ацетальдегида.
5. Пересчитать её с учётом массовой доли ацетилена на 100% технический ацетилен.
6. Так как конверсия ацетилена 50%, рассчитать сколько необходимо кг. технического ацетилена для проведения процесса.
7. По уравнению реакции рассчитать массу воды, необходимую для получения ацетальдегида-сырца.

Решение

 

HCCH+H₂O→CH₂=CH(OH)

CH₃-CHO   M=44г/моль

H₂O                  M=18г/моль

HC CH              M=26г/моль

1. Уравнение реакции

CHCH+H₂O→CH₃-CHO

M (CH₃-CHO) =44г/моль

M (H₂O) =18г/моль

M (CHCH) =26г/моль

 

2. Находим массу CH₃-CHO чистого

m(CH₃-CHO)=8500×0.9=7650 кг/час

3. Рассчитываем 100% выход CH₃ –CHO с учётом селективности 89%

7650 - 89%

       Х –  100%

=8595 кг/час

4. С учётом 100% выхода

CHCH+H₂O→CH₃ –CHO

m(CHCH)==5079кг/час

5. Рассчитаем массу взятого ацетилена

m_взят.(CHCH)===17190 кг/час

6. Рассчитаем необходимое количество ацетилена

m_{ац-сырца}===17541 кг/час

7. Рассчитаем массу воды

CHCH +H₂OCH₃-CHO

m(H₂O)==3516кг/час

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

В развитии химии и промышленности полимеров важнейшую роль сыграла реакция М. Г. Кучерова (1881г.) которая возникла в годы первой мировой войны - реакция присоединения к ацетилену воды в присутствии катализатора – солей ртути, при этом образуется ацетальдегид:

С₂Н₂ + Н₂О = СН₃СНО.

позволяющая получать из последнего уксусный ангидрид а затем уксусную кислоту. Алкины гидратируются в кислой среде труднее, чем алкены. Однако, как нашел М. Г. Кучеров, в присутствии солей двухвалентной ртути этот процесс существенно облегчается. Из ацетальдегида в промышленных масштабах получают, этиловый спирт, бутиловый спирт, этилацетат и ряд других веществ. Подобно формальдегиду он конденсируется с фенолом, аминами и другими веществами, образуя синтетические смолы, используемые в производстве современных полимерных материалов а так же широко используется в строительной технике.

Классический синтез ацетальдегида  по реакции Кучерова заключается во взаимодействии ацетилена с водой в присутствии окиси ртути, растворенной в серной кислоте.

Гидратация ацетилена  – один из ранних способов получения  ацетальдегида в промышленности.

Присоединение воды к ацетилену может протекать в газовой фазе в присутствии катализаторов (фосфорная кислота, окись кадмия) при 380 °С, однако конверсия в уксусный альдегид при этом невелика; В настоящее время наиболее освоенным в производстве и дающим самые высокие выходы ацетальдегида является способ жидкофазной гидратации ацетилена в присутствии солей ртути (хлорида, сульфата или ацетата).

Однако некоторые данные говорят о том, что 'более эффективна гидратация в газовой фазе; следует  лишь установить оптимальные кинетические условия процесса.

2. Характеристика сырья и продуктов
1. Физико-химические свойства ацетилена

 

Ацетилен, ненасыщенный углеводород CH=CH; бесцветный горючий газ. Смесь  ацетилена с воздухом  взрывоопасна(1 объем ацетилена и 2,5 объема кислорода) ; обладает наркотическим действием. Температура плавления —81,8°С, затвердевает, минуя жидкое состояние; плотность 1,171 кг/м³; Ткип. –83,6 оС. Теплота сгорания 48116 Кдж/моль; мало растворим в воде, хорошо в ацетоне; 1 объем С₂Н₂ растворяется в 1 объеме воды при 20С. Температура самовоспламенения 335С; нижний предел воспламенения 2,5 % объемных, верхний предел воспламенения в воздухе зависит от энергии источника зажигания.

Ацетилен разлагается  с большим выделением тепла и, при определенных условиях, со взрывом.

В чистом виде почти не имеет  запаха; неприятный запах технического ацетилена обусловлен наличием в  нем примесей. На воздухе ацетиле  горит сильно коптящим пламенем. Для  работы ацетилен, получив его тем  или иным способом, либо сразу же пускают в реакцию, либо предварительно набирают в стальные баллоны, в которых его растворяют в ацетоне под давлением 12-15 атмосфер.

Ацетилен – реакционноспособное соединение, вступающее в многочисленные реакции. Служит сырьём для синтеза большого числа ценных промышленных продуктов. Так, присоединением к ацетилену хлористого водорода получают винилхлорид CH₂ = CHCl — исходное вещество для производства пластических материалов, присоединением синильной кислоты получают акрилонитрил CH₂ = CHCN, который употребляют для получения некоторых типов синтетических каучуков и волокон. Гидратация ацетилена приводит к ацетальдегиду, CH₃CHO — исходному продукту в производстве уксусной кислоты и др. Хлорирование ацетилена лежит в основе получения трихлорэтилена, тетрахлорэтана и других хлорсодержащих соединений. Из ацетилена получают винилацетилен, виниловые эфиры, поливинилацетат, поливиниловый спирт и т. д.

 

2. Применение ацетилена

 

При сжигании ацетилена выделяется большое количество тепла (14 000 ккал/м³), в связи с этим ацетилено-кислородное пламя (максимальная температура 3150°C) успешно применяют для сварки и резки цветных и чёрных металлов.

Ацетилен широко применяли  для освещения; с этой целью использовали специальные горелки, в которых  происходило хорошее смешение ацетилена  с воздухом и получалось яркое  пламя. Если в пламя горящего ацетилена  вдувать кислород, то достигается  высокая температура, при которой  плавятся металлы. На этом основано применение ацетилена для автогенной сварки.

 - для сварки и резки металлов

- газопламенная обработка

- как источник очень  яркого, белого света в автономных  светильниках, где он получается  реакцией карбида кальция и  воды,

- в производстве взрывчатых  веществ, 

- для получения уксусной  кислоты, этилового спирта, растворителей,  пластических масс, каучука, ароматических  углеводородов.

Кроме того, ацетилен широко используется в органическом синтезе  разнообразных веществ — уксусного  альдегида и уксусной кислоты, синтетических  каучуков (изопренового и хлоропренового), поливинилхлорида и других полимеров.

Приведенные примеры далеко не исчерпывают богатую химию ацетилена, из которого можно получить сотни разнообразных соединений.

Недаром его годовое производство превышает 5 млн тонн. Из них примерно 70% используют для промышленного органического синтеза, а 30% – для сварки и резки металлов.

 

3. Физико-химические свойства ацетальдегида

 

Ацетальдеги́д (у́ксусный альдегид, этана́ль) — органическое соединение класса альдегидов. Химическая формула CH3–CH=O

Вещество представляет собой  бесцветную летучую жидкость с резким удушливым запахом. С воздухом образует взрывоопасные смеси в пределах концентраций 4–57%(об.). С температурой кипения (20.2°С) температурой замерзания -123,5°С и плотностью 783 кг/м³. Критическая температура ацетальдегида 188°С, температура самовоспламенения 156°С.

Ацетальдегид смешивается  во всех отношениях с водой, этанолом, диэтиловым эфиром и другими органическими растворителями, с некоторыми образует азеотропные смеси.[

Токсичен, пары ацетальдегида  вызывают раздражение слизистых оболочек удушье, головную боль, ПДК составляет 5 мг/м³. Относится к 3-му классу опасности.

Хранят и перевозят ацетальдегид в виде тримера-паральдегида, из которого он может быть получен нагреванием с минеральными кислотами (обычно серной).

По своим химическим свойствам  уксусный альдегид является типичным алифатическим альдегидом и для  него характерны реакции этого класса соединений. Его реакционная способность  определяется двумя факторами— активностью карбонила альдегидной группы и подвижностью атомов водорода метильной группы вследствие индуктивного эффекта карбонила.

Особенно большое значение имеют реакции присоединения:

а) ацетальдегид присоединяет атом кислорода, превращаясь при этом в уксусную кислоту: 2СН₃-СНО + 0₂= =2СН₃-С00Н; окисление ускоряется, если к нему заранее прибавлено некоторое количество уксусной кислоты (Грисгейм-Электрон); наибольшее значение имеют каталитические способы окисления; катализаторами служат: окись-закись железа, пятиокись ванадия, окись урана и в особенности соединения марганца;

б) присоединяя два атома водорода, ацетальдегид превращается в этиловый алкоголь: СН₃-СНО+Н₂=СН₃-СН₂ОН; реакция ведется в парообразном состоянии в присутствии катализатора (никель); в некоторых условиях синтетический этиловый спирт успешно конкурирует со спиртом, получаемым брожением;

в) синильная кислота присоединяется к ацетальдегиду образуя нитрил молочной кислоты: CH₃-CH0 + HCN=CH₃-CH(0H)CN, из которого омылением получается молочная кислота.

При действии крепких едких  щелочей наступает образование  альдегидной смолы. При действии алкоголята алюминия ацетальдегид переходит в уксусноэтиловый эфир (реакция Тищенко): 2СН₃-СНО=СН₃-СОО-С₂Н₅. Этим процессом пользуются для получения этилацетата из ацетилена.

 

4. Применение ацетальдегида

 

Ацетальдегид - это один из важнейших многотоннажных продуктов переработки ацетилена и этилена. Он применяется в широких масштабах в промышленности органического синтеза.

Направления использования ацетальдегида: получение циангидрина с последующей переработкой его в акрилонитрил, эфиры акриловой кислоты, молочную кислоту; альдольная конденсация и переработка альдоля в бутандиол-1,3 и бутадиен-1,3, н-бутанол, кротоновый альдегид; конденсация с аммиаком с образованием гомологов пиридина и винилпиридинов; конденсация с формальдегидом до пентаэритрита.

В настоящее время применяют в крупных масштабах на производстводстве уксусной кислоты и ее ангидрида, н-бутанола, пентаэритрита C(CH₂OH)₄ и других ценных продуктов. В присутствии кислот дает жидкий циклический триммер, называемый паральдегидом:  

Реакция обратима, поэтому  паральдегид можно во многих случаях использовать вместо ацетальдегида.

Помимо этого ацетальдегид или его триммер применяют в производстве ацетатов целлюлозы, пероксиуксусной кислоты, этилацетата, глиоксаля, 2-этилгексанола, алкиламинов, алкилпиридинов, хлораля.

Эти многообразные превращения делают ацетальдегид одним из важных продуктов химической промышленности. Дешевое его получение из ацетилена в последнее время позволило осуществить целый ряд новых синтетических производств, из которых способ производства уксусной кислоты является сильным конкурентом старому способу ее добывания путем сухой перегонки дерева. Кроме того находит применение как восстановитель в производстве зеркал и идет для приготовления хинальдина—вещества, применяемого для получения красок: хиноли-новой желтой и красной и др.; кроме того, он служит для приготовления паральдегида, применяющегося в медицине в качестве снотворного средства

 

3. Химизм и механизм процесса

 

Гидратация (от греч. hydor — вода) — присоединение молекул воды к молекулам или ионам. Гидратация является частным случаем сольватации - присоединения к молекулам или ионам веществ молекул органического растворителя. В отличие от гидролиза гидратация не сопровождается образованием водородных или гидроксильных ионов. Гидратация в водных растворах приводит к образованию стойких и нестойких соединений воды с растворенным веществом (гидратов); в органических растворителях образуются аналогичные гидратам сольваты. Гидратация обусловливает устойчивость ионов в растворах и затрудняет их ассоциацию.