雅科夫列夫,А.С.
[拼音]:yichun
[英文]:ethyl alcohol
CH3CH2OH又名酒精,是發現最早、用途最廣的一種脂肪醇。可由碳水化合物發酵或乙烯水合製得。為無色、易揮發、易燃的液體,沸點78.32°C,極易溶於水。工業乙醇濃度為95%。其蒸氣與空氣能形成爆炸混合物(35%~18%體積)。乙醇有殺菌作用,能醉人,各種飲料酒中均含有一定量乙醇,飲服過量會引起中毒。工業上廣泛用作溶劑、消毒劑和有機合成原料。
沿革
乙醇的生產是在釀酒基礎上發展起來的。遠在上古時代人們已將含澱粉物質發酵制酒。12世紀在蒸餾葡萄酒時,第一次從酒中分離出酒精。20世紀30年代以前,發酵法是乙醇的唯一工業生產方法。1930年,美國聯合碳化物公司建立了第一個用石油熱裂化副產的乙烯為原料,經硫酸吸收再水解制乙醇的工業裝置(簡稱乙烯間接水合法)。1947年,美國殼牌化學公司又實現了乙烯直接水合制乙醇的工業化生產。由於該法比間接水合法有顯著優點,現已成為生產乙醇的主要方法。
生產方法
按原料來源,乙醇的工業生產方法主要有兩類:以糖類、澱粉和纖維素等碳水化合物為原料的發酵法和以乙烯為原料的水合法。
發酵法
將富含澱粉的農產品如穀類、薯類等或野生植物果實經水洗、粉碎後,進行加壓蒸煮,使澱粉糊化,再加入一定量的水,冷卻至60°C左右並加入澱粉酶(見酶催化劑),使澱粉依次水解為麥芽糖和葡萄糖,然後加入酵母菌進行發酵製得乙醇:
發酵液中乙醇含量約為6%~10%,並含有乙醛、高階醇、酯類和酸類等雜質,經精餾得濃度95%(質量)工業乙醇,並副產雜醇油。
糖廠副產物糖蜜含有蔗糖、葡萄糖等糖類約50%~60%,是發酵法制乙醇的良好原料。糖蜜經用水稀釋,酸化和加熱滅菌處理後,加入硫酸銨、磷酸鹽、鎂鹽等酶的營養鹽以及酵母菌,便可發酵生成乙醇。
以含纖維素的工、農業副產物如木屑、植物莖稈等為原料時,需先用鹽酸或硫酸加壓、加熱處理,使纖維素水解為葡萄糖,中和後再用酵母菌發酵。造紙廠的亞硫酸廢液中含有可發酵糖,也可用於發酵制乙醇。這兩種過程由於技術經濟指標差,工業上沒有得到推廣應用。
乙烯水合法
工業上有兩種方法,一種是以硫酸為吸收劑的間接水合法;另一種是乙烯催化直接水合法。
(1)間接水合法,也稱硫酸酯法,反應分兩步進行。首先,乙烯在一定溫度、壓力條件下,通入濃硫酸中生成硫酸酯,再將硫酸酯在水解塔中加熱水解而得乙醇,同時有副產物乙醚生成。間接水合法可用低純度的乙烯作原料、反應條件較緩和,乙烯轉化率高,但裝置腐蝕嚴重,生產流程長,已為直接水合法取代。
(2)直接水合法在一定條件下,乙烯通過固體酸催化劑直接與水反應生成乙醇:
上述反應是放熱、分子數減少的可逆反應。理論上低溫、高壓有利於平衡向生成乙醇方向移動,但實際上低溫高壓受到反應速度和水蒸氣飽和蒸氣壓的限制。工業上採用負載於矽藻土上的磷酸催化劑(見固體酸催化劑),反應溫度260~290°C,壓力約7MPa,水和乙烯的摩爾比為0.6左右,此條件下乙烯的單程轉化率僅5%左右,乙醇的選擇性約為95%,大量乙烯在系統中迴圈。主要副產物是乙醚,此外尚有少量乙醛、丁烯、丁醇和乙烯聚合物等。乙醚與水反應能生成乙醇,故將其返回反應器,以提高乙醇的產率。
為了提高乙烯單程轉化率,以達到提高裝置效率,降低能耗的目的,國際上一直在開展新催化劑的研究,如鎢酸、雜多酸等催化體系有較好的效能,這對改進合成乙醇生產有很大的意義。直接水合法(見圖)
的水合反應是在絕熱式反應器中進行的(見彩圖)。由於載於矽藻土上的磷酸會被反應物流帶走,故在反應過程中需不斷補充磷酸以保持催化活性。反應產物冷卻後先進入高壓分離器,分離出未反應的乙烯。後者經冷卻水洗後大部分可迴圈回反應器,一小部分排出系統,以防惰性氣體積累。自高壓分離器分出的冷凝液入低壓分離器,經脫氣後即得到粗乙醇水溶液,在精製系統中經提濃和精製得到濃度為95%(質量)的工業乙醇。
無論用發酵法或乙烯水合法制得的乙醇,通常都是乙醇和水的共沸物,要得到無水乙醇需進一步脫水。
用途
乙醇是重要的工業溶劑,廣泛用於醫藥、塗料、化妝品、油脂等工業,佔乙醇總耗量的50%左右。同時,也是重要的有機化工原料,用於合成乙醛、乙醚、醋酸乙酯等。也可用作清洗劑、萃取劑和抗凍劑。75%的乙醇水溶液具有強殺菌能力,是常用消毒劑。經過專門精製的乙醇也可用於製造飲料。與甲醇類似,乙醇可作能源使用,有的國家已開始單獨使用乙醇作為汽車燃料或摻到汽油(10%以下)中以節約汽油。有些國家根據資源情況,正在研究用發酵乙醇為原料脫水生產乙烯,從而進一步合成一系列乙烯系產品。
參考書目
S.A.米勒主編,吳祉龍等譯:《乙烯及其工業衍生物》,下冊,化學工業出版社,北京,1980。(S.A.Miller,Ethylene and Its IndustrialDerivatives, ErnestBenn,London,1969.)