Различные виды пищевого сырья содержат неодинаковое количество крахмала, из которого образуется глюкоза. Отсюдаи различия в выходе целевого продукта. Так из одной тонны картофеля, содержащего 18,5% крахмала получают около 100 литров этанола, а из 1 тонны риса или кукурузы, с содержанием крахмала 49% и 57% соответственно, получают до 300 – 350 литров спирта.

       II. Гидролиз древесины.

       Производство  этанола из дервесины – частный  случай гидролизного производства, в  основе которого лежит химическая переработка растительных материалов путем превращения содержащихся в них полисахаридов в моносахариды. При этом непищевое растительное сырье ( отходы древесины, подсоленчная лузга, кукрузные кочерыжки и так далее) может быть превращено в пищевые, кормовые и технические продукты. Наиболее распространенным сырьем является древесина. Это сложная структурированная система, состоящая из целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина, а также незначительных количеств смол, дубильных и красящих веществ. Элементный состав органической части древесины практически постоянен.

       Гидролиз  древесины представляет каталитический процесс взаимодействия полисахаридов ( целлюлозы, пентозов и гексозанов гемицеллюлоз) с водой с образованием соответствующих моносахаридов – ксилозы, a - D – глюкозы и т. д.

       Процесс гидролиза протекает в несколько  стадий и катализируется кислотами и кислыми солями, причем каталитическое действие кислот тем сильнее, чем выше их ступень диссоциации. Условия процесся гидролиза и качество получаемого гидрализата существенно зависит от природы катализатора. Катализ в присутствии разбавленой серной кислоты концентрацией 0,4 –0,7% объемов проводится при температуре 120 -190° и давлении 6 –12 МПа. В результате образуется гидролизат – водный раствор моносахаридов. Из него получают пищевую глюкозу и техническую ксилозу, ксилит и сорбит, фурфурол, органические кислоты, бутанол, антибиотики  и главным образом этагнол. Таким образом, гидролизное производство – это пример малоотходного производства, в котором используюся все компоненты сырья.

       Из 1 тонны абсолютно сухой древесины  получается 175 кг этанола.

       III. Переработка сульфитных щелоков.

         Еще одним видом непищевого  сырья для получения этилового спирта являются сульфитные щелока, получаемые при сульфитном способе производства целлюлозы. Они содержат пентозные и гексозные сахара, фурфурол, муравьиный альдегид, лигнин-сульфоновые кислоты, сернистую кислоту и другие примеси. Летучие примеси , снижающие активность дрожжей удаляются продувкой щелоков воздухом или острым паром. Из сульфитных щелоков ( в рассчете на 1 тонну древесины) получают 90 – 110 литров этанола.

       IV. Гидратация этилена.

       Этиловый  спирт синтезируют из этилена  прямой и сернокислотной гидратацией. Более экономичным является получение этилового спирта каталитической гидратацией этилена перегретым водяным паром. Процесс основан на обратимой реакции, протекающий с уменьшением объема и выделением теплоты.

       Реакция гидратации катализируется кислыми  и нейтральными катализаторами, из которых наиболее распространена фосфорная кислота на носителе кизельгуре или силикагеле.

       Из 1 тонны этилена можно получить 740 литров этанола. Производительность современных установок прямой гидратации этилена достигает 30 тысяч тонн этанола в год. 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.6. Проблемы  экологии и правила безопасности при производстве

 

       Этиловый  спирт оказывает негативное влияние  на окружающую среду. Этанол – сильнейший наркотик. При принятии внутрь он, вследствие высокой растворимости быстро всасывается в кровь и сильно действует на организм, оказывая дурманящее действие.

       Под влиянием этанола у человека ослабляется внимание, затормаживается реакция, нарушается корреляция движения, появляется развязанность и грубость в поведении. Спирт поражает слизыстые оболочки желудочно-кишечного тракта, что ведет к возникновению у человека гастрита, язвенной болезни желудка и т.д. Печень, где должно происходить разрушение спирта, не справляясь с нагрузкой, начинает перерождаться, в результате возникает цирроз. Проникая в головной мозг, этанол отравлюще действует на нервные клетки, что проявляется в нарушении сознания, речи, умственных способностях, в появлениях психических расстройств и ведет к деградации личности. Разовая смертельная доза этилового спирта для человека составляет около 400 мл.

       Сравнительная оценка токсичности в эксперименте на крысах показала, что острая токсичность  гидролизного спирта в 1,2 раза превышает  токсичность натурального мпирта ректификата из пищевого сырья.

       Опыты по исследованию хронической токсичности  показали, что высокоочищенные синтетические и гидролизные этиловые спирты оказывают более выраженное воздействие на рефлекторную деятельность животных.

       На  основании этих данных в середине 60-х годов был сформулирован  отказ в рекомендации использовать такие спирты для производства алкогольных напитков.

       В производстве этанола нужно соблюдать  технику безопасности, так как возможны такие факторы как:

         Возможность разгерметизации  или разрушения технологического оборудования, аппаратов и технологических трубопроводов с последующим неконтролируемым истечением ( выбросом ) горючих паров и газов из системы вследствии повышения давления в аапаратах, пропуска торцевых уплотнений центробежных насосов, уплотнений задвижек и клапанов, разрушения уплотнений фланцевых соединений; коррозионного и механического износа; при проведении ремонтных работ и т.д.

Электроопасность  обусловленная использованием в  приводах насосов, холодильников, электродвигатей  напряжением питания свыше 380 В ,  а также наличием автоматики и блокировок.

        Опасность травмирования обслуживающего персонала во время аварийных ситуаций.

       Газовые выбросы в производстве этанола  подразделяютя на две категории: постоянные и переодические. К постоянным относятся отходящие газы и пары, выделяющиеся из емкостей. Основной категорией выбросов в атмосферу являютсяч периодические, которые возникают при остановках агрегатов, отдельных машин, аппаратов, узлов технологических машин. Из остановленных систем  выбрасываются при продувке оставшиеся в них пары и газы. Основным направлением уменьшения периодических выбросов в атмосферу является  повышение надежности  всех узлов системы, сведение количесва пусков и остановок агрегатов до минимума.

       Еще одним источником загрязнения биосферы являются сточные воды. В основном это воды от промывки емкостей. Практически полная очистка сточных вод достигается только при помощи биологической обработки. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

7. Технологическая схема и краткое  описание процесса производства этилового спирта сернокислотной гидротацией этилена

 

       Этан  выходит из колонны 3 с содержанием этилена 2- 4%. Газ промывается водой в скруббере 8, нейтрализуется щелочью в скруббере 9 и после сушки в брызгоуловителе 10 направляется на пиролиз в виде возвратной этаноловой фракции.

       Из  нижней части реакционной колонны  непрерывно вытекает реакционная масса примерно следующего состава ( в %): этилсульфат  -  60-80, серная кислота – 10-30, диэтилсуфат – 2,8  , полимеры – 1,7 , вода и прочие примеси – 2. Смесь охлаждается в холодильнике 4 и поступает в гидролизер 5, где смешивается в инжекторе с водой. Гидролиз проводится при давлении 0,2 МПа  и температуре около 100 градусов. В результате снижения давления и повышения температуры из раствора выделяются растворенные газы, которые вместе с парами диэтилового эфира выводятся из верхней части гидролизера 5  и подаются на промывку в скруббер 8 и нейтрализацию в скруббер 9 вместе с отработанным этаном.

       Окончательный гидролиз происходит в отпарной колонне 7, куда вместе с гидролизатом вводят острый пар. В отпарной колонне при давлении 0,15 МПа и температуре куба 125 градусов и верха 95 градусов происходит отгонка гидролизата спирта, диэтилового эфира и части водяных паров. Отработанная серная кислота с концентрацией около 40% после отпарной колонны направляется на очистку от смолистых примесей.

       Отходящая из отпарной колонны парогазовая  смесь подается в нейтрализационно-отпарную колонну 13, куб которой обогревается острым паром. Парогазовая смесь нейтрализуется в колонне 5%-ым раствором едкого натра. После охлаждения в холодильнике 12, сконденсированный этиловый спирт обрабатывается в  сепараторе 14 , где из конденсата выделяются растворенные газы. Газы из сепаратора ,после промывки в скруббере 11, выбрасываются в атмосферу.

       После охлаждения в холодильнике 15 спирт  сырец идет  на ректификацию. После ректификации получают 97% спирт, небольшое количество этилового эфира и воды. 
 
 
 
 
 
 
 

1.8. Основные  технологические параметры, влияющие  на процесс 
 

       Условия процесса абсорбции алкенов серной кислотой при сернокислотной гидротации зависят от реакционной способности алкена. Оптимальными условиями для абсорбции этилена серной кислотой являются: концентрация массовых долей серной кислоты – 96%, давление – 2,5МПа, температера -70°С.

       Сернокислотной  гидратацией этанол получают в две  стадии. На первой стадии этилен вводят в серную кислоту при температуре 75-80°, он растворяется с образованием смеси моно- и диэтиленсульфатов С₂Н₅ОSO₃Н и (С₂Н₅О)₂SO₂ .

С₂Н₄  +  Н₂SO₄  ® С₂Н₅ОSO₃Н + Q

2С₂Н₄  +  Н₂SO₄  ® (С₂Н₅О)₂SO₂ + Q

       На  второй стадии этиленсульфаты гидролизуясь при температуре 100°С дают этиловый спирт и серную кислоту. Регенирированную при этом серную кислоту можно использовать после концентрирования для новой абсорбции этилена.

С₂Н₅ОSO₃Н + Н₂O ® С₂Н₅ОН + Н₂SO₄ – Q

(С₂Н₅О)₂SO₂ + 2Н₂O ® 2С₂Н₅ОН + Н₂SO₄  - Q

 Часть  этанола распадается на этиловый  эфир и воду 

2С₂Н₅ОН ®   (С₂Н₅)₂O + Н₂O

       Этиловый  спирт очищается от этилового  эфира, ацетальдегида и других примесей ректификацией в присутствии щелочи в паровой фазе на никелевых катализаторах при температуре 105°С. Спирт-ректификат представляет собой азеотропную смесь спирта (95,57%) и воды (4,43%). Температура кипения такой смеси равна 78,15°С, что ниже температуры кипения чистого спирта. Но для производства изобутанов и изопропанов требуется обезвоженный спирт. Для того, чтобы получить абсолютный спирт, азеоторопную смесь обрабатывают веществами, химически связывающимися с водой, как например окисью кальция или магния, а затем её перегоняют. В методе производства абсолютного спирта используют именно свойства азеотропных смесей: перегоняют тройную смесь спирта , воды и бензола. Сначала удаляется  вода, а затем бензол. В кубе остается чистый спирт.

         Процесс сернокислотной гидратации  связан с необходимостью упаривать большой объем (до 4 тонн на 1 тонну этанола) образующейся разбавленной до 40 –50 % серной кислотой, что экономически нецелесообразно. Поэтому сернокислотная гидротация сохранила свое значение только для производства изопропанолов и изобутанолов, производимых в относительно небольших количествах. 
 

1.9. Основной аппарат 

       Исходное  сырье для получения спирта –  этан-этиленовая фракция, содержащая 50-60% этилена из цеха газоразделения подается в нижнюю часть  тарельчатой абсорбционной колонны 3, в верхнюю часть колонны подается серная кислота с концентрацией 96-98% и орошает её. В колонне при давлении 2,5 МПа и температуре 67-75 градусов происходит абсорбция этилена серной кислотой с образованием этилсульфата. Колонна имеет 25 терелок и является реактором, высота колонны 20 метров, диаметр 2 метра. Газ в виде мелких пузырьков барботирует на каждой тарелке через слой жидкости, где происходит поглащение этилена. Для отвода реакционного тепла на каждой тарелке имеется холодильник. Колонна футерованна кислотоупорным кипичом. 
 
 
 
 

2. Технологические расчеты