SPIS TREŚCI

1. Wstęp

1. Wstęp

Alkohol izopropylowy

Alkohol izopropylowy stosuje się jako rozpuszczalnik zastępujący w wielu wypadkach alkohol etylowy. Alkohol izopropylowy lepiej roz­puszcza oleje i tłuszcze niż alkohol etylowy. W znacznych ilościach izopropanolu używa się do wyrobu acetonu i estrów.

Alkohol izopropylowy (propanol-2) CH₃—CH(OH)—CH₃ jest cieczą mieszającą się z wodą we wszystkich stosunkach. Z wodą tworzy azeotrop wrzący w temp. 80,3°C o zawartości 12°/o wag. wody. Temperatura wrze­nia czystego alkoholu izopropylowego wynosi 82,5°C; temp. krzepnięcia

—88,5°C; ciężar właściwy 0,786 G/cm³. Alkohol izopropylowy jest związ­kiem palnym; jego pary tworzą z powietrzem mieszaniny wybuchowe jeżeli zawiera ono 25% obj. lub więcej alkoholu.

W chwili obecnej jedyną rentowną metodą przemysłową otrzymywania alkoholu izopropylowego jest hydratacja propylenu.

Otrzymywanie alkoholu izopropylowego przez hydratację propylenu za pomocą kwasu siarkowego.

Podczas reakcji propylenu z kwasem siarkowym powstaje monoester i ester izopropylowy kwasu siarkowego

Przez hydrolizę tych estrów otrzymuje się alkohol izopropylowy. Propylen reaguje z kwasem siarkowym znacznie łatwiej niż etylen; stężenie kwasu siarkowego, używanego do wiązania propylenu waha się w granicach 70—85%. Ze wzrostem stężenia kwasu siarkowego wzrasta szybkość reakcji, ale ulegają również przyśpieszeniu procesu polimeryzacji propylenu.

Pod działaniem stężonego kwasu siarkowego (oleum) zwłaszcza w wyż­szych temperaturach propylen polimeryzuje całkowicie.

Do produkcji alkoholu izopropylowego używa się zwykle handlowego kwasu siar­kowego, bardziej stężonego niż wymaga tego proces. Dlatego miesza się kwas świeży

z kwasem regenerowanym z procesu i otrzymuje kwas o żądanym stężeniu.

Bilans materiałowy mieszania można wyrazić za pomocą następującego równania:

G_kC_k + G_oC_o=G_c gdzie:

G_k, G_o i G_c - odpowiednie ilości kwasu stężonego, regenerowanego i otrzymywa­nego po zmieszaniu w kg,

C_k, C_o i C_c — stężenia kwasów siarkowych w °/o

Temperatura procesu otrzymywania estrów izopropylowych kwasu siarkowego zależy od stężenia użytego kwasu siarkowego. W wypadku zastosowania 80-proc. kwasu optymalna temperatura hydratacji wynosi około 50⁰C; przy stosowaniu 85-proc. kwasu siarkowego proces należy prowadzić w temp. 35—40°C. Ciśnienie cząstkowe propylenu podczas jego reakcji z kwasem wynosi 4—5 atn.

W procesie hydratacji za pomocą kwasu siarkowego nie należy stosować stężonego propylenu; proces przebiega zupełnie zadowalająco przy za­wartości nawet 30% propylenu w gazie. Warunkiem koniecznym jednak jest dostateczne oczyszczanie gazu od innych węglowodorów nienasyco­nych, a przede wszystkim od homologów wyższych.

Reakcję propylenu z kwasem siarkowym prowadzi się w reaktorach o działaniu okresowym oraz w aparatach pracujących w sposób ciągły.

Reaktor okresowy jest poziomym aparatem kształtu cylindrycznego wykonanego ze stali zaopatrzonym w silne mieszadło. Mieszadło składa się z wielu płaskich tarcz stalowych, osadzonych na wale obrotowym. Reaktor napełnia się do 1/3 objętości kwasem, siarkowym, uruchamia mieszadło i doprowadza gaz zawierający propylen. Szybko obracające się tarcze mieszadła rozpylają kwas na drobniutkie kropelki, które tworzą w reaktorze mgłę z kwasu siarkowego. Dzięki temu powstaje bardzo duża powierzchnia zetknięcia propylenu i kwasu siarkowego, co sprzyja szyb­kiemu przebiegowi reakcji. Do płaszcza reaktora doprowadza się zimną wodę w celu odprowadzenia ciepła reakcji.

Uchodzące gazy oddzielają się od kropel porwanego kwasu w specjalnym łapaczu, (można je jeszcze przepuścić przez drugi reaktor) i po przemyciu wodą (żeby usunąć ślady kwasu siarkowego) wykorzystuje się je jako pa­liwo, lub do innych celów.

Po zakończeniu reakcji przerywa się dopływ gazu do aparatu, produkty reakcji zlewa do zbiornika i ponownie napełnia aparat kwasem siarkowym.

W instalacjach o dużej wydajności i przerobie alkohol izopropylowy otrzymuje się w sposób ciągły według schematu analogicznego do otrzy­mywania alkoholu etylowego przez estry etylowe kwasu siarkowego (str. 282). W tym przypadku stosuje się wieżowe aparaty reakcyjne.

Podobnie jak i przy produkcji alkoholu etylowego, roztwór kwaśny zawierający estry monoizopropylowe i izopropylowe kwasu siarkowego hydrolizuje się przez ogrzewanie z wodą. Z produktu hydrolizy oddestylowuje się alkohol surowy, który następnie poddaje się rektyfikacji.

Jako produkty uboczne tworzą się polimery propylenu i eter izopro­pylowy.

Zużycie propylenu przy otrzymywaniu alkoholu izopropylowego przez hydratację za pomocą kwasu siarkowego wynosi (W przeliczeniu na gaz 100-proc.) około 0,8—0,9 t na l t alkoholu).

Otrzymywanie alkoholu izopropylowego przez bezpośrednią hydratację propylenu

Bezpośrednią hydratację propylenu można prowadzić wobec kataliza­tora ciekłego lub stałego.

W pierwszym wypadku jako katalizatory stosuje się wodne roztwory kwasu siarkowego. Przy przepuszczaniu mieszaniny propylenu z parą wodną przez 27-proc. roztwór kwasu siarkowego w temp. 200° C pod ci­śnieniem 15 atn stopień konwersji propylenu po jednorazowym przejściu wynosi 10%, otrzymywany kondensat wodny zawiera 20% alkoholu izo propylowego.

Aktywnym stałym katalizatorem procesu bezpośredniej hydratacji pro­pylenu jest zredukowany tlenek wolframu zmieszany z aktywatorem tlenkiem cynkowym. Nośnikiem jest żel kwasu krzemowego o znacznej porowatości. Przy przepuszczaniu 10 moli wody i l mola propylenu w temp. 200—240°C pod ciśnieniem 200 atn nad wymienionym katalizatorem otrzymuje się 12-15% roztwór wodny alkoholu izopropylowego w ilośco 15-30 kg/h z 1 m³ masy katalizatora.

2. Alkohol izopropylowy - gotowy produkt.

1. Charakterystyka alkoholu izoprpylowego:

2. Właściwości fizykochemiczne alkoholu izoprpylowego

Załączona karta technologiczna przedstawia charakterystykę izopropanolu i dane fizykochemiczne.

3. Surowce - propylen

1. Charakterystyka:

2. Właściwości fizykochemiczne

Załączona karta technologiczna przedstawia charakterystykę i dane fizykochemiczne.

4. Przebieg procesu

1. Opis procesu technologicznego

Do reaktora wieżowego R-1 zraszanego od góry stężonym kwasem siarkowym wprowadza się od dołu propylen za pomocą sprężarki S-2 ze zbiornika ciśnieniowego V-7. W reaktorze wieżowym R-1 na całej wysokości występują mieszadła szybkoobracające, które wprowadzony kwas utrzymują w postaci mgły przez co zwiększa się wydajność procesu. Temperatura reakcji wynosi 90⁰C. Górą reaktora wieżowego odprowadzany jest nieprzereagowany propylen, który po oczyszczeniu zawraca się ponownie do procesu. Z dołu kulumny reaktora wieżowego odbierany jest roztwór alkoholu izopropylowego i jego zanieczyszczeń w kwasie siarkowym. Mieszaninę wprowadza się do kolumny destylacyjnej K-3 w celu oddzielenia alkoholu izopropylowego (destylat) od kwasu siarkowego (ciecz wyczerpana). Kwas siarkowy 45-47% przerabia się od razu do superfosfatu. Natomiast mieszaninę parowo-gazową alkoholu izopropylowego, pary wodnej, eteru propylowego poddaje się rektyfikacji w kolumnie rektyfikacyjnej K-4. Oddzielony alkohol izopropylowy jako destylat jest ochładzany w wymienniku ciepła płaszczowo-rurkowym W-5 do 30⁰C i magazynowany w zbiorniku V-6.

2. Schemat ideowy

3. Schemat technologiczny.

Schemat technologiczny otrzymywania alkoholu izopropylowego przez hydratację propylenu metodą ciągłą w załączniku nr 1.

4. Bilans masowy

1. Bilans hydratacji propylenu.

Lp.	Nazwa strumienia	Jednostka	Wlot	Wylot
1.1a	propylen	kg	1872,5
1.1b	para wodna	kg	2676,5
1.2	kwas siarkowy 98%	kg	2000
1.2.1	kwas siarkowy	kg	1960
1.2.2	woda	kg	40
1.3	nieprzereagowany propylen	kg		1073,5
1.3.1	woda	kg		20
1.3.2	propylen	kg		1053,5
1.4	MIESZANINA REAKCYJNA	kg		5475,5
1.4.1	alkohol izopropylowy	kg		1070
1.4.2	woda	kg		2375,5
1.4.3	kwas siarkowy	kg		1960
1.4.4.	związki polimeryczne	kg		70
	Suma	kg	6549	6549

2. Bilans destylacji.

Lp.	Nazwa strumienia	Jednostka	Wlot	Wylot
2.1	MIESZANINA REAKCYJNA	kg	5475,5
2.1.1	alkohol izopropylowy	kg	1070
2.1.2	woda	kg	2375,5
2.1.3	kwas siarkowy	kg	1960
2.1.4	związki polimeryczne	kg	70
2.2	ciecz wyczerpana	kg		4315,5
2.2.1	woda	kg		2305,5
2.2.2	kwas siarkowy	kg		1960
2.2.3	alkohol izopropylowy	kg		50
2.3	destylat	kg		1160
2.3.1	alkohol izopropylowy	kg		1020
2.3.2	woda	kg		70
2.3.3	związki polimeryczne	kg		70
	Suma	kg	5475,5	5475,5

3. Bilans rektyfikacji.

Lp.	Nazwa strumienia	Jednostka	Wlot	Wylot
3.1	destylat-surówka	kg	1160
3.1.1	alkohol izopropylowy	kg	1020
3.1.2	woda	kg	70
3.1.3	związki polimeryczne	kg	70
3.2	99% alkohol izopropylowy	kg		1000
3.2.1	alkohol izopropylowy	kg		990
3.2.2	woda	kg		10
3.3	ciecz wyczerpana	kg		160
3.3.1	alkohol izopropylowy	kg		30
3.3.2	woda	kg		60
3.3.3	związki polimeryczne	kg		70
	Suma	kg	1160	1160

4. Bilans chłodzenia.

Lp.	Nazwa strumienia	Jednostka	Wlot	Wylot
4.1	99% alkohol izopropylowy	kg	1000	1000
4.1.1	alkohol izopropylowy	kg	990	990
4.1.2	woda	kg	10	10
	Suma	kg	1000	1000

Wykres Sankey'a bilansu materiałowego w załączniku.

5. Bilans cieplny

1. Bilans hydratacji.

Lp.	Nazwa strumienia	Jednostka	Wlot	Wylot
1.1a	propylen	kJ	49771
1.1b	para wodna	kJ	1150895
1.2	kwas siarkowy 98%	kJ	152905
1.2.1	kwas siarkowy	kJ	147882
1.2.2	woda	kJ	5023
1.3	nieprzereagowany propylen	kJ		138105
1.3.1	woda	kJ		7578
1.3.2	propylen	kJ		130527
1.4	MIESZANINA REAKCYJNA	kJ		1568910
1.4.1	alkohol izopropylowy	kJ		203193
1.4.2	woda	kJ		900077
1.4.3	kwas siarkowy	kJ		451055
1.4.4.	związki polimeryczne	kJ		14585
1.5	STRATY CIEPŁA	kJ		100000
1.6	ciepło reakcji rozpuszczania kwasu w wodzie	kJ	453444
	Suma	kJ	1807015	1807015

2. Bilans destylacji.

Lp.	Nazwa strumienia	Jednostka	Wlot	Wylot
2.1	MIESZANINA REAKCYJNA	kJ	1568910
2.1.1	alkohol izopropylowy	kj	203193
2.1.2	woda	kj	900077
2.1.3	kwas siarkowy	kJ	451055
2.1.4	związki polimeryczne	kJ	14585
2.2	ciecz wyczerpana	kJ		1803180
2.2.1	woda	kJ		1186871
2.2.2	kwas siarkowy	kJ		603523
2.2.3	alkohol izopropylowy	kJ		12786
2.3	destylat	kJ		316568
2.3.1	alkohol izopropylowy	kJ		260834
2.3.2	woda	kJ		36036
2.3.3	związki polimeryczne	kJ		19698
2.4	CIEPŁO ODDANE PRZEZ PARĘ	kJ	600838
2.5	STRATY CIEPŁA	kJ		50000
	Suma	kJ	2169748	2169748

3. Bilans rektyfikacji.

Lp.	Nazwa strumienia	Jednostka	Wlot	Wylot
3.1	destylat-surówka	kJ	316568
3.1.1	alkohol izopropylowy	kJ	260834
3.1.2	woda	kJ	36036
3.1.3	związki polimeryczne	kJ	19698
3.2	99% alkohol izopropylowy	kJ		302485
3.2.1	alkohol izopropylowy	kJ		296465
3.2.2	woda	kJ		6020
3.3	ciecz wyczerpana	kJ		68134
3.3.1	alkohol izopropylowy	kJ		8984
3.3.2	woda	kJ		36120
3.3.3	związki polimeryczne	kJ		23030
3.4	STRATY CIEPŁA	kJ		50000
3.5	CIEPŁO ODDANE PRZEZ PARĘ	kJ	104051
	Suma	kJ	420619	420619

4. Bilans chłodzenia.

Lp.	Nazwa strumienia	Jednostka	Wlot	Wylot
4.1	99% alkohol izopropylowy	kJ	302485	63656
4.1.1	alkohol izopropylowy	kJ	296465	62400
4.1.2	woda	kJ	6020	1256
4.2	STRATA CIEPŁA	kJ		50000
4.3	CIEPŁO ODDANE WODZIE CHŁODZĄCEJ	kJ		188829
	Suma	kJ	302485	302485

Wykres Sankey'a bilansu cieplnego w załączniku.

5. Kontrola produkcji.

KONTROLA ANALITYCZNA.

Lp.	Faza produkcji	Punkt poboru	Oznaczenie	Metoda
1.	destylacja	K-3	alkoholu propylowego	destylacja frakcyjna
2.	REKTYFIKACJA	K-4	alkoholu propylowego	destylacja frakcyjna

6. Produkty uboczne i odpady produkcyjne.

Wszystkie surowce rozdzielone są i wykorzystywane do dalszych procesów w przemyśle chemicznym:

• propylen po regeneracji może być zawrócony do procesu hydratacji

• kwas siarkowy 45% może być użyty do produkcji superfosfatu lub skierowany do zatężania

7. Zagadnienia higieny i BHP.

Zagadnienia higieny i bhp przedstawiają załączniki załączone w kartach charakterystyk.

8. APARATURA.

NR. TECH. APARATU	CHARAKTERYSTYKA APARATU	NAZWA APARATU
R-1	reaktor wieżowy z mieszadłem tarczowym szybkoobracającym zamontowanymi na każdej z 22 półek wysokość kolumny 15 m o średnicy 1 m. reaktor wykonany ze stali kwasoodpornej	reaktor wieżowy hydratacji
S-2	Q=4 m^3/h, H= 50 m, N=35 kW	sprężarka turbinowa propylenu
K-3	ilość półek 32, półki z otworami dzonkowymi odległość między półkami 40 cm wysokość kolumny 10 m	kolumna destylacyjna
W-5	F=45 m^2, L=2000 mm	wymiennik ciepła płaszczowo-rurkowy alkoholu izopropylowego
K-4	ilość półek 42, półki z otworami dzonkowymi odległość między półkami 45 cm wysokość kolumny 17,5 m	kolumna rektyfikacyjna
V-7	V=500 m^3 zbiornik ciśnieniowy propylenu z kloszem	zbiornik propylenu
V-6	V=250 m^3	zbiornik poziomy alkoholu izopropylowego

Zakładam, że instalacja produkcji alkoholu izopropylowego poprzez hydratację propylenu wytwarza się w sposób ciągły przez okres 330 dni. Jeden miesiąc w roku przeznaczone są na remont instalacji oraz nieuniknione przerwy w produkcji wynikłe podczas awarii.

W związku z tym dzienna wydajność wynosi

Wydajność godzinowa wynosi

Do obliczeń pojemności roboczej aparatów (reaktorów) przyjmuję gęstość masy reakcyjnej równą 1000 kg/m³. I do pojemności roboczej dodaję 20%.

Z uwagi na środowisko kwaśne i czystość produkowanego alkoholu izopropylowego aparaty i rurociągi wykonane są ze stali kwasoodpornej wg DIN 316 wg normy polskiej 1H18N9T.

1

14

kwas siarkowy 98%

propylen

hydratacja propylenu T=90⁰C,

nieprzereagowany propylen

kondensat

para p=6 atm

destylacja T=120⁰C, P=0,4 atm

kwas siarkowy 45%

kondensat

para p=6 atm

rektyfikacja T=140⁰C

woda i zanieczyszczenia

woda zimna

woda ciepła

chłodzenie T=30⁰C

alkohol izopropylowy 99,6%

---