III. Получение спирта этилового.

Спирт этиловый получают путём сбраживания крахмалосодержащего сырья – в основном картофеля и зерна. Сбраженное сусло, содержащее 8 – 10 % спирта этилового, укрепляют путём простой перегонки и получают спирт-сырец, в котором этанола около 88 %.

ПЕРЕГОНКА (общие сведения)

Процесс перегонки применяется для разделения смеси двух или большего числа летучих жидких компонентов. Разделение основано на различной летучести компонентов. Различие в летучести является следствием различной упругости паров компонентов смеси при одной и той же температуре. Чем больше упругость паров компонента, тем более он летуч и в большем относительном количестве переходит в паровую фазу. При перегонке разделяемые компоненты летучи, поэтому все они в той или иной мере переходят из жидкой фазы в парообразную. Однако вследствие различной летучести они переходят в паровую фазу в других процентных соотношениях, чем компоненты в жидкой фазе. Поэтому паровая фаза богаче более летучим компонентом, чем жидкая фаза.

В простейшем случае (применительно получения спирта этилового) исходная смесь бинарна, т.е. состоит из двух компонентов. Получаемый при её перегонке пар содержит относительно большее количество легколетучего, низкокипящего компонента (спирта этилового), чем исходная смесь (спирт- сырец). Следовательно, в процессе перегонки жидкая фаза обедняется, а паровая фаза обогащается низкокипящим компонентом. Неиспарившаяся жидкость имеет состав более богатый труднолетучими и высококипящими компонентами. Эта жидкость называется остатком, а жидкость, полученная в результате конденсации паров, - дистиллятом или ректификатом.

Р а з л и ч а ю т с л е д у ю щ и е в и д ы п е р е г о н к и:

1. простая; 2) ректификация.

19

3.1. Простая перегонка представляет собой процесс однократного

частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. При процессе простой перегонки нельзя получить чистые компоненты разделяемой смеси. Поэтому её обычно используют лишь для предварительного грубого разделения жидких, а также, для очистки сложных смесей от нежелательных примесей.

Простую перегонку проводят, как правило, периодическим способом. Разделяемую смесь нагревают до температуры кипения. При этом пары, обогащённые низкокипящим компонентом, конденсируют в теплообменнике – дефлегматоре.

При простой перегонке содержание низкокипящего компонента в кубовой жидкости уменьшается, что влечёт за собой изменение во времени состава дистиллята.

Простая перегонка может быть организована различными способами: фракционной перегонкой, простой перегонкой с дефлегмацией, перегонкой с водяным паром. Процессы однократного испарения или конденсации приводят к образованию фаз - паровой, более богатой летучими компонентами, и жидкой, менее богатой летучими компонентами, чем исходная смесь. И в том и другом случаях разделить жидкость или пары на чистые компоненты не удаётся.

Спирт–сырец очищают: от летучих органических кислот (преимущественно уксусная, молочная, масляная); сивушных масел (высших спиртов, одного со спиртом этиловым гомологического ряда – пропилового, изобутилового, изоамилового и др.); эфиров ( уксусно-этилового, масляно-этилового и др.); альдегидов ( уксусный и др.). Указанные примеси ухудшают вкусовые качества спирта, придают ему неприятный запах и вредны для организма человека. Поэтому спирт-сырец подвергается многократной перегонке.

20

3.2. Многократная перегонка, называемая РЕКТИФИКАЦИЕЙ -

процесс, в результате которого содержание примесей уменьшается примерно

в 300 раз. При ректификации одновременно происходит укрепление спирта до 95 – 96 %.

Процесс ректификации осуществляется в колонном контактном аппарате. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно низкокипящий компонент (спирт этиловый), которым обогащаются пары, а из паров конденсируется преимущественно высококипящий компонент. Такой двухсторонний обмен компонентами, повторяемый многократно, позволяет получить в конечном счёте пары (почти чистый спирт этиловый), а при конденсации в теплообменнике, имеющем специфическое название дефлегматор - жидкость: дистиллят и флегму. Флегму направляют обратно в колонный аппарат для взаимодействия с паровым потоком, поднимающимся из кубовой части аппарата. Поднимающиеся по колонне пары получают путём частичного испарения внизу колонны остатка - жидкость, обогащённую высококипящим компонентом.

Процессы однократного испарения и конденсации приводят к образованию фаз – паровой, более богатой летучими компонентами, и жидкой, менее богатой летучими компонентами, чем исходная смесь. В том и другом случаях разделить жидкость или пары на чистые компоненты не удаётся.

Процессы многократного испарения и конденсации дают возможность выделить в пределе чистые высококипящие и низкокипящие компоненты.

Сущность процесса многократного испарения и конденсации можно проследить с помощью t – x, y диаграммы (С. 27, рис. 4).

При нагреве исходной смеси состава х₁ до температуры кипения получим находящийся в равновесии с жидкостью пар (точка b). Отбор и конденсация этого пара позволит получить жидкость с большим содержанием низкокипящего компонента, чем в исходной ( точка х₂).

21

При испарении над жидкостью образуется пар (точка d). Проводя последовательно ряд таких процессов испарения жидкости и конденсации паров, можно получить в итоге жидкость, представляющую собой практически чистый низкокипящий компонент. Однако выход этой жидкости будет мал по отношению к её количеству в исходной смеси. Кроме того, установки, в которых проводят многократное испарение и конденсацию, отличаются громоздкостью и большими потерями тепла в окружающую среду.

Значительно более экономичное, полное и чёткое разделение смесей на компоненты достигается в процессах ректификации, проводимых в более компактных аппаратах – ректификационных колоннах.

Для осуществления процесса ректификации необходимо наличие двух встречных потоков – паров и жидкости и их тесный контакт при помощи тех или иных устройств. Наиболее распространено контактирование в аппаратах, разделённых на секции горизонтальными перегородками:

• насадками ( насадочные колонны );

• тарелками ( барботажные колонны ).

Насадочные колонны (С.26,рис.1) представляют собой цилиндрические аппараты. Для создания большей поверхности фазового контакта и интенсивности перемешивания жидкой и паровой фаз в них загружают насадку – твёрдые тела различной формы: шары, кольца, тонкостенные цилиндры, изготовленные из керамики, фарфора, стали. Насадки засыпают беспорядочно или правильными рядами в виде отдельных слоёв, высотой от 1,5 до 3,0 м, между которыми устанавливают направляющие конусы. В зависимости от режима движения жидкости и пара насадочные колонны могут работать с различной эффективностью.

Барботажные колонны (С.26, рис.2) имеют ряд горизонтальных перегородок – тарелок. Режим их работы несколько отличается от насадочных колонн.

22

Пар распределяется в жидкости в виде пузырьков и струй, образуя большую поверхность контакта.

С и т ч а т ы е т а р е л к и (С.27, рис. 3) имеют отверстия диаметром 2-5 мм, через которые проходит пар. Он барботирует через слой жидкости на тарелке высотой 25 -–30 мм, который поддерживается положением верхних концов переливных трубок, а внизу давлением пара. Жидкость перетекает на следующую тарелку только по переливным трубкам. Взаимодействие между паром и жидкостью происходит на некотором расстоянии от дна тарелки в слое пены и брызг. Для нормальной работы колонны необходимо, чтобы пар имел давление необходимое для преодоления гидростатического сопротивления жидкости на тарелке. Если давления пара недостаточно, то жидкость будет стекать через отверстия и затапливать колонну.

К о л п а ч к о в ы е т а р е л к и (С. 26, рис.1) снабжены патрубками, накрытыми сверху колпачками. Пар проходит через слой жидкости, уровень которой на тарелке поддерживается переливными трубками. Нижние концы трубок опущены под уровень жидкости следующей тарелки, благодаря чему создаётся гидрозатвор, предотвращающий прохождение через них пара. Колонны различаются числом колпачков на тарелке. Барботажные колонны обеспечивают довольно хорошее разделение смеси.

Таким образом, в описанных выше колоннах навстречу стекающей жидкости поднимается поток паров, а контактирование происходит на каждом устройстве. Массообмен и теплообмен между парами и жидкостью на каждой ступени контактирования могут происходить лишь при отсутствии равновесия между парами и жидкостью. Следовательно, температура паров, поступающих на данную ступень, должна быть выше, чем температура жидкости. После контакта паров и жидкости на каждой ступени в пределе должно наступать равновесие, т.е. выравнивание температур паровой и жидкой фаз. Суть ректификации спирта этилового заключатся в том, что с первыми погонами удаляются головные, т. е. легко кипящие примеси (кислоты, эфиры,

23

альдегиды). После этого часть конденсата отводят обратно в аппарат, причём таким образом, чтобы стекающий конденсат (флегма) находился в контакте с парами спирта, способствуя тем самым их укреплению. Что касается сивушных масел, то они как кипящие при более высокой температуре, чем спирт этиловый, остаются в хвостовых примесях.

Процессы ректификации осуществляются при различных давлениях: атмосферном, вакуумном, повышенном давлении. Ректификационные установки независимо от конструкции колонн могут быть:

• непрерывнодействующие установки;

• периодически действующие установки.