Етанол
Етанол (етиловий спирт, метілкарбінол, винний спирт, гідроксид пентагідродікарбонія, часто в просторіччі просто "спирт" або алкоголь) - С2Н5ОН або СН3-СН2-ОН, другий представник гомологічного ряду одноатомних спиртів. Згідно з чинним ГОСТ 5964-93, етиловий спирт - легкозаймиста, безбарвна рідина з характерним запахом. Існує 2 основних способи отримання етанолу - мікробіологічний (спиртове бродіння) і синтетичний (гідратація етилену).
Бродіння.
Відомий з давніх часів спосіб отримання етанолу - спиртове бродіння органічних продуктів, що містять вуглеводи (виноград, плоди тощо) під дією ферментів дріжджів і бактерій. Аналогічно виглядає переробка крохмалю, картоплі, Рису, кукурудзи. Реакція ця досить складна, її схему можна виразити рівнянням:
(25.1)
В результаті бродіння виходить розчин, що містить не більше 15% етанолу, так як в більш концентрованих розчинах дріжджі зазвичай гинуть. Отриманий таким чином етанол потребує очищення і концентрування, звичайно шляхом дистиляції.
Промислове виробництво спирту з біологічної сировини.
Сучасна промислова технологія отримання етилового спирту з харчової сировини включає наступні стадії:
- • Підготовка і подрібнення крохмалистої сировини - зерна (насамперед - жита, пшениці), картоплі, кукурудзи тощо.
- • Ферментація. На цій стадії відбувається ферментативне розщеплення крохмалю до зброджуваних цукрів. Для цих цілей застосовуються рекомбінантні препарати альфа-амілази, отримані біоінженерним шляхом - глюкаміпаза, амілосубтіпін.
- • Бродіння. Завдяки зброджуванню дріжджами цукрів відбувається накопичення в бражці спирту.
- • Брагоректифікація. Здійснюється на розгінних колонах (наприклад, "Комсомолець").
Відходами бродильного виробництва є вуглекислий газ, барда, ефіро-альдегідиа фракція, сивушний спирт і сивушні масла [18,20]. Спирт, що надходить з брагоректифікаційної установки (БРУ) не є безводним, вміст етанолу в ньому до 96,6%. Залежно від вмісту в ньому сторонніх домішок, його поділяють на такі категорії:
- • 1 сорт
- • Вищого очищення
- • Базис
- • Екстра
- • Люкс
- • Альфа
Продуктивність сучасного спиртового заводу близько 30000-100000 літрів безводного спирту на добу.
Гідролізне виробництво.
У промислових масштабах етиловий спирт отримують з сировини, що містить целюлозу (деревина, солома), яку попередньо гідролізують. Утворену при цьому суміш пентоз і гексоз піддають спиртовому бродінню.
Гідратація етилену.
У промисловості, поряд з першим способом, використовують гідратацію етилену. Гідратацію можна вести за двома схемами:
о пряма гідратація при температурі 300 °С, тиску 7 МПа, як каталізатор застосовують ортофосфорну кислоту, нанесену на силікагель, активоване вугілля або азбест:
(25.2)
о гідратація через стадію проміжного ефіру сірчаної кислоти, з наступним його гідролізом (при температурі 80-90 ° С і тиску 3,5 МПа):
(етилсірчана кислота)
(25.3)
Ця реакція ускладнюється утворенням діетилового ефіру.
Очищення етанолу.
Етанол, отриманий шляхом гідратації етилену або бродінням, являє собою водно-спиртову суміш, що містить домішки. Для його промислового, харчового і фармакопейного застосування необхідне очищення. Фракційна перегонка дозволяє отримати етанол з концентрацією близько 95.6% мас. Ця нероздільна перегонкою азеотропна суміш містить 4.4% води (мас.) і має температуру кипіння 78.15 ° С. Перегонка звільняє етанол як від легколетких, так і від важких фракцій органічних речовин (кубовий залишок).
Абсолютний спирт.
Абсолютний спирт - етиловий спирт, практично не містить води. Кипіння - при температурі 78,39 0 С в той час як спирт-ректифікат, що містить не менше 4,43% води, кипить при температурі 78,15 0 С. Отримують перегонкою водного спирту, що містить бензол, та іншими способами.
Таблиця 25.3
Властивості етанолу
|
Молекулярна маса |
46,069 а. е. м. |
|
Температура плавлення |
-114,15 °С |
|
Температура кипіння |
78,15 °С |
|
Критична точка |
251 °С (при тиску 6,3 МПа) |
|
Розчинність |
Змішується з бензолом, водою, гліцерином, діетиловим ефіром ацетоном, метанолом, оцетовок. кислотою, хлороформом |
|
Показник переломлення |
1,3611 (температурний коефіцієнт показника переломлення 4,0•10-4, справедливий в інтервалі температур 10–30 °С) |
|
Стандартна ентальпія утворення, ΔΗ |
-234,8 кДж/моль (г) (при 298 К) |
|
Стандартна ентропія утворення, S |
281,38 Дж/моль-К (г) (при 298 К) |
|
Стандартна мольна теплоємність, |Ср |
1,197 Дж/моль-К (г) (при 298 К) |
|
Ентальпія плавлення, j ΔΗпл |
4,81 кДж/моль |
|
Ентальпія кипіння ΔΗкип |
539,3 кДж/моль |
Таблиця 25.4
Щільність етанолу при різних температурах
|
Температура, °С |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
|
r, г/см3 |
0,8062 |
0,7979 |
0,7893 |
0,7810 |
0,7722 |
0,7632 |
0,7541 |
Таблиця 25.5
Щільність водних розчинів етанолу при 20 °С
|
Масовий вміст С2Н5ОН,% |
1 |
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
12 |
4 |
16 |
|
r, г/см3 |
0,99636 |
0,99453 |
0,99103 |
0,98780 |
0,98478 |
0,98187 |
0,97910 |
0,97643 |
0,97387 |
|
Масовий вміст С2Н5ОН,% |
18 |
20 |
22 |
25 |
26 |
28 |
30 |
35 |
40 |
|
r, г/см3 |
0,97129 |
0,96864 |
0,96592 |
0,96312 |
0,96020 |
0,95710 |
0,95382 |
0,94494 |
0,93518 |
Таблиця 25.6
Показник переломлення водних розчинів етанолу при 20 °С
|
Масовий вміст С2Н3ОН, % |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
|
nD20 |
1,3396 |
1,3470 |
1,3535 |
1,3580 |
1,3612 |
1,3633 |
1,3646 |
1,3649 |
1,3642 |
1,3613 |
Таблиця 25.7
Поверхневий натяг етанолу
|
Температура, °С |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
|
σ, Н/м |
2,405•10-2 |
2,314•10-2 |
2,203•10-2 |
2,148•10-2 |
2,020•10-2 |
1,980•10-2 |
1,843•10-2 |
Таблиця 25.8
Температура кипіння етанолу при тиску нижче атмосферного
|
Тиск, кПа (мм. рт. ст.) |
0,133(1) |
0,667(5) |
1,333(10) |
2,666(20) |
5,333(40) |
|
Ткип, °С |
-31,3 |
-12,0 |
-2,3 |
8,0 |
19,0 |
|
Тиск, кПа (мм. рт. ст.) |
7,999(60) |
13,333(100) |
26,66(200) |
53,33(400) |
101,32(760) |
|
Ткип, °С |
26,0 |
34,9 |
48,4 |
63,5 |
78,4 |
Етанол може використовуватися як паливо, в т. ч. для ракетних двигунів, двигунів внутрішнього згоряння в чистому вигляді. Обмежено в силу своєї гігроскопічності (відшаровується) використовується в суміші з класичними нафтовими рідкими паливами [20,23]. Застосовується для вироблення високоякісного палива та компоненту бензинів - етил-трет-бутилового ефіру, більш незалежного від викопної органіки, ніж МТБЕ.
* Служить сировиною для одержання багатьох хімічних речовин, таких, як ацетальдегід, діетиловий ефір, тетраетилсвинець, оцтова кислота, хлороформ, етилацетат, етилен тощо;
- • Широко застосовується як розчинник (в лакофарбової промисловості, у виробництві товарів побутової хімії та багатьох інших областях);
- • Є компонентом антифризу і склоомивачів;
- • У побутовій хімії етанол застосовується в чистячих і миючих засобах, особливо для догляду за склом і сантехнікою, є розчинником для репелентів. У медицині етиловий спирт в першу чергу використовується як антисептик;
- • Як знезаражувальний і підсушуючий засіб, зовнішньо;
- • Дублячі властивості 96%-го етилового спирту використовуються для обробки операційного поля або в деяких методиках обробки рук хірурга;
- • Розчинник для лікарських засобів, для приготування настоянок, екстрактів з рослинної сировини та ін;
- • Консервант настоянок і екстрактів (мінімальна концентрація 18%);
- • Піногасник при подачі кисню, штучної вентиляції легенів;
- • В зігріваючих компресах;
- • Для фізичного охолодження при лихоманці (для розтирання);
- • Антидот при отруєнні етиленгліколем і метиловим спиртом.
Є універсальним розчинником різних речовин і основним компонентом духів, одеколонів, аерозолів і т. п. Входить до складу різноманітних засобів, включаючи навіть такі як зубні пасти, шампуні, засоби для душу, і т. д. Поряд з водою, є необхідним компонентом спиртних напоїв (горілка, віскі, джин та ін.) Також в невеликих кількостях міститься в ряді напоїв, одержуваних бродінням, але не зараховуються до алкогольних (кефір, квас, кумис, безалкогольне пиво та ін.) Зміст етанолу в свіжому кефірі мізерно (0,12%), але в довго стоявшему, особливо в теплому місці, може досягти 1%. У кумисі міститься 1-3% етанолу (в міцному до 4,5%), в квасі - від 0,6 до 2,2%. Розчинник для харчових ароматизаторів. Застосовується як консервант для хлібобулочних виробів, а також в кондитерській промисловості. Енергетична цінність етанолу - 7,1 ккал / г. Виробництво етанолу по країнах, млн літрів (таблиця 25.9).
Таблиця 25.9
Світове виробництво етанолу, млн літрів
|
Країна |
2004 |
2005 |
2006 |
2007 |
2008 |
|
США |
13 362 |
16 117 |
19 946 |
25564,71 |
34776Р1 |
|
Бразилія |
15 078 |
15 978 |
16 977 |
18972,58 |
25464,9 |
|
Євросоюз |
- |
- |
- |
2155,73 |
2773 |
|
Китай |
3 643 |
3 795 |
3 845 |
1837,08 |
1897,18 |
|
Індія |
1 746 |
1 697 |
1 897 |
199,58 |
259,48 |
|
Франція |
827 |
907 |
948 |
- |
- |
|
Германія |
268 |
430 |
764 |
- |
- |
|
Росія |
748 |
748 |
649 |
- |
- |
|
ЮАР |
415 |
389 |
387 |
- |
- |
|
Великобританія |
400 |
351 |
279 |
- |
- |
|
Іспанія |
298 |
298 |
463 |
- |
|
|
Таїланд |
279 |
298 |
352 |
299,37 |
339,4 |
|
Колумбія |
- |
- |
279 |
283,12 |
299,37 |
|
Весь світ: |
40 710 |
45 927 |
50 989 |
49525,42 |
65527,05 |
