как из этилена получить этанол

Процесс получения этанола из этилена (C₂H₄) является важной частью органической химии и промышленности. Этилен может быть гидратирован до этанола с использованием различных методов. Давайте разберём этот процесс в максимально подробном виде.

1. Гидратация этилена: Основной метод получения этанола

Основной способ получения этанола из этилена — это гидратация этилена. Этот процесс предполагает добавление воды (H₂O) к молекуле этилена с образованием этанола. Реакция проходит при высоких температурах и давлениях с использованием катализаторов.

1.1. Каталитическая гидратация

Химическая реакция:
$C_2{H}_4+H_{2}O\stackrel{\text{катализатор}}{}{C}_2{H}_{5}OH$

Этапы реакции:

1. Реакция этилена с водой:
   Этилен, являясь олефином (ненасыщенным углеводородом), реагирует с водой (H₂O) в условиях катализатора. Основной катализатор, который используется для гидратации этилена, — это серная кислота (H₂SO₄) или фосфорная кислота (H₃PO₄).

2. Реакция с серной кислотой:
   Когда этилен вступает в реакцию с серной кислотой, образуется этиленсульфат:
   $C_2{H}_4+H_{2}S{O}_4\to C_2{H}_{5}OS{O}_{3}H$

   Затем этот промежуточный продукт реагирует с водой при высоких температурах, чтобы образовать этанол:
   $C_2{H}_{5}OS{O}_{3}H+H_{2}O\to C_2{H}_{5}OH+H_{2}S{O}_4$

   Таким образом, серная кислота играет роль катализатора, который восстанавливается в конце реакции.

3. Фосфорная кислота:
   В промышленности чаще используется фосфорная кислота (H₃PO₄) на твердых катализаторах для прямой гидратации этилена. Это более безопасный метод по сравнению с серной кислотой, так как серная кислота является агрессивным реагентом и требует дополнительной нейтрализации.

4. Условия реакции:

   • Температура: 300-400°C.

   • Давление: 6-7 МПа.

   • Катализатор: фосфорная кислота на твердых носителях, например, на силикатах.

1.2. Механизм реакции

1. Адсорбция этилена на поверхности катализатора. Этилен молекулы адсорбируются на поверхности катализатора, который активирует их.

2. Присоединение молекулы воды к активированному этилену. В результате происходит образование промежуточного продукта — этанола.

3. Десорбция этанола из поверхности катализатора, что завершает цикл реакции.

1.3. Преимущества и недостатки метода

Преимущества:

• Этилен — это один из наиболее доступных и дешевых исходных продуктов (его получают в больших количествах в процессе крекинга нефти).

• Метод гидратации с фосфорной кислотой позволяет получать высокочистый этанол с минимальными побочными продуктами.

• Высокая степень конверсии этилена.

Недостатки:

• Требует значительных температур и давления, что делает процесс энергоёмким.

• Необходимость использования катализаторов и поддержание их активности.

2. Альтернативные методы

Хотя гидратация этилена является основным промышленным методом, существуют и другие способы получения этанола, которые также могут включать использование этилена как промежуточного продукта.

2.1. Биотехнологический способ (ферментация)

Вместо гидратации, этанол можно получить с помощью ферментации углеводов (например, глюкозы), с использованием дрожжей. Однако этот процесс более связан с биологическим производством и не включает этилен как исходное сырьё.

2.2. Окисление этилена

Этилен также может быть окислен до этанола с использованием окислителей, таких как кислород или пероксиды, но этот процесс менее распространён в промышленности, так как требует более сложных условий и дает меньший выход.

3. Применение и использование этанола

Этанол — это важный промышленный химикат, который используется не только как топливо (в составе бензина), но и в качестве растворителя, в медицинских препаратах, в пищевой промышленности и в производстве косметики.

• В автомобильной промышленности — этанол часто используется в качестве компонента для производства биотоплива (например, этанол в составе топлива E85).

• В фармацевтической промышленности — используется для изготовления антисептиков, как растворитель для лекарств.

• В пищевой промышленности — используется как консервант, а также в производстве спиртных напитков.

4. Экономика процесса

Процесс гидратации этилена для получения этанола является достаточно экономически выгодным, поскольку этилен производится в больших масштабах, а спрос на этанол стабильный. Производственные мощности часто используют этилен, получаемый в процессе крекинга нефти или переработки природного газа, что снижает затраты на сырьё.

4.1. Проблемы и экологические аспекты

• Производство этанола на основе этилена требует значительных энергетических затрат (высокая температура и давление).

• Использование серной кислоты, особенно при её нейтрализации, может приводить к экологическим проблемам.

Таким образом, несмотря на свою высокую эффективность, этот процесс сопряжён с экологическими рисками и затратами, поэтому в последние годы активно развиваются и другие способы получения этанола, в том числе из биомассы.

Заключение

Основной способ получения этанола из этилена — это гидратация этилена с использованием катализаторов при высоких температурах и давлениях. Этот метод эффективен и широко применяется в промышленности, несмотря на его энергоёмкость и возможные экологические риски.