1. Загальна частина

1.1 Вступ

Етиловий спирт широко використовують у різних областях промисловості і насамперед у хімічній. З нього одержують синтетичний каучук, оцтову кислоту, барвники, есенції, фотоплівку, порох, пластмаси. Спирт є гарним розчинником і антисептиком. Тому він знаходить застосування в медицині, парфумерії. У великих кількостях етиловий спирт йде для одержання спирто-горілчаних виробів.

Спиртами називаються органічні речовини, молекули яких містять одну або кілька функціональних гідроксильних груп, з'єднаних з вуглеводним радикалом.

Вони можуть розглядатися тому як похідні вуглеводнів, у молекулах яких один або кілька атомів водню замінені на гідроксильні групи.

У залежності від числа гідроксильних груп спирти підрозділяються на одно -, дво -, триатомні і т.д. Двохатомні спирти часто називають гликолями за назвою найпростішого представника цієї групи – етиленгликоля (або просто гликоля).

Спирти, що містять більшу кількість гідроксильних груп, звичайно поєднують загальною назвою багатоатомні спирти.

Одноатомні Двоатомні Триатомні

СН3 – ОН

Метанол

Етан СН2 – СН2

I I

ОН ОН

Етандіол – 1, 2 (етиленгліколь) СН2 – СН – СН2

І І І

ОН ОН ОН

Пропантріоль – 1, 2, 3 (гліцерин)

По положенню гідроксильної групи спирти поділяються на:

1) первинні - з гідроксильною групою в кінцевої ланки ланцюга вуглецевих атомів, у якого, крім того, маються два водневих атоми (R-CH2-OH);

2) вторинні, у яких гідроксил приєднаний до вуглецевого атома, з'єднаному, крім ОН-групи, з одним водневим атомом [R-СН(ОН)-R1];

3) третинні, у яких гідроксил з'єднаний з вуглецем, що не містить

водневих атомів [®С-ОН] (R-радикал: СН3, С2Н5 і т. д.) У залежності від характеру вуглеводного радикала спирти поділяються на аліфатичні:

1) аліциклічні;

2) ароматичні.

На відміну від галогенпохідних, в ароматичних спиртів гідроксильна група не зв'язана безпосередньо з атомом вуглецю ароматичного кільця [3].

Спирти

Аліфатичні Аліциклічні

Ароматичні

СН3СН2ОН

Етанол

Циклогексаном

Бензиловий спирт

По замісній номенклатурі назви спиртів складають з назви родоначального вуглеводню з додатком суфікса -ол. Якщо в молекулі кілька гідроксильних груп, то використовують умножаючу приставку: ди- (етандіол -1,2), три - (пропантриол-1,2,3) і т.д.

Нумерацію головного ланцюга починають з того кінця, ближче до якого знаходиться гідроксильна група. По радикально-функціональній номенклатурі назву роблять від назви вуглеводного радикала, зв'язаного з гідроксильною групою, з додатком слова спирт.

Структурна ізомерія спиртів визначається ізомерією вуглецевого кістяка й ізомерією положення гідроксильної групи.

Розглянемо ізомерію на прикладі бутилових спиртів.

У залежності від будівлі вуглецевого кістяка, ізомерами будуть два спирти - похідні бутану й ізобутану:

СН3

4 3 2 1 3 2 1

СН3 – СН2 – СН2 –СН2 – ОН СН3 – СН – СН2 – ОН

Бутанол - 1 2 метилпропанол -1 або ізобутиловий спирт

У залежності від положення гідроксильної групи при тім і іншому вуглецевому кістяку можливі ще два ізомерних спирти.

СН3

1 2 3 4 1

СН3 – СН – СН2 –СН3 Н3С – С – СН3

ОН

ОН

Бутанол -2 2 метилпропанол 2

Число структурних ізомерів у голомологічному рядові спиртів швидко зростає. Наприклад, на основі бутану існує 4 ізомери, пентану - 8, а декана - уже 567 [5].

Етиловий спирт (етанол, винний спирт) C2H5OH є важливим представником одноатомних спиртів, безбарвна рухлива рідина, пекуча на смак з характерним запахом, точка кипіння 78,39оС, замерзає при -110,5оС, змішується в будь-яких співвідношеннях з водою, спиртами, ефірами, гліцерином, бензином та іншими органічними розчинниками, горить безбарвним полум’ям.

Для добування «абсолютного» спирту (100% С2Н5ОН) ректифікат додатково обробляють з збезводнюючими речовинами (безводним сульфатом міді, добре прожареним вапном) або переганяють з бензолом. Етиловий спирт широко застосовують у різних галузях народного господарства як розчинник, для виробництва синтетичного каучуку, ацетальдегіду, хлороформу, діетилового ефіру, чистого етилену, етилацетату, діетиламіну, оцтової кислоти, в лакофарбовій фармацевтичній і кінофотопромисловості, у виробництві вибухових речовин та в побуті. Етиловий спирт використовують як паливо для реактивних двигунів як антифриз. Велика частина етилового спирту витрачається на виготовлення спиртових напоїв. Етиловий спирт – наркотик, збуджує організм. Часте вживання етилового спирту може викликати важкі хронічні захворювання нервової системи, травного тракту, серцево-судинної системи, печінки і взагалі всього організму.1.2 Характеристика технологічного процесу до автоматизації

Сировина (картопля або зерно) завантажується в бак-збірник після чого проходить очистку від важких включень і бруду. Далі очищена сировина накопичується в проміжковому бункері, звідки потрапляє на дробілку . розмелена сировина надходить у змішувач, де при додаванні води вона перетворюється на масу, яка далі підігрівається і поступає у варильну колону. Колона складається з двох ступенів в кожен з яких поступає пара з частками цукру із сепаратора пари. Таким чином зварена маса подається в бак, звідки відкачується на дріжджові генератори, де при додаванні дріжджів – суспензія надходить в бражну колону. З колони брага йде на підігрівкуде випаровується спирт, що відходить на ректифікаційну колону, а рідина на сивушну колону. Далі обидва види продукції (спирт і сивушне мастило) надходять в конденсатор де проходять різного роду очистку відповідно різним сортам продукції. Останнім етапом є відправка і зберігання продукції в холодильниках.

Етиловий спирт добувають різними способами:

1) бродіння харчової сировини (зерна, картоплі тощо) цукру та відходів цукрового виробництва – меляси. Бродіння (ферментація) – процес розкладання органічних речовин на простіші сполуки під дією мікроорганізмів. Найважливішими типами бродіння є спиртове (виробництво вина, пива, етилового спирту...), молоко кисле (виробництво кефіру, квасу).

2) гідролізом рослинних матеріалів. Гідроліз – реакція обмінного розкладання між водою і різними речовинами: солями, вуглеводами, білками.

3) переробкою сульфітного лугу (відходів целюлозного і паперового виробництва). Целюлоза – полісахариди, високомолекулярний вуглевод, який є головною складовою частиною оболонки рослинних клітин, продуктом гідролізу целюлози є гідролізний етиловий спирт.

4) гідратацією етилену (промисловий спосіб). Гідратація приєднаня молекул води до молекул або іонів.

1.3 Характеристика і аналіз існуючих схем управління технологічним процесом

Етиловий спирт (етанол) С2Н5ОН – безкольорова рідина, що легко випаровується. Спирт, що містить 4-5 % води, називають ректифікатом, а що містить тільки частки відсотка води - абсолютним спиртом. Такий спирт одержують хімічною обробкою в присутності водовіднімаючих засобів (наприклад, свіжопрокаленого СаО).

Етиловий спирт - багатотоннажний продукт хімічної промисловості. Одержують його різними способами. Один з них - спиртове шумування речовин, що містять цукристі речовини, у присутності ферментів (наприклад, зимази - ферменту дріжджів):

C6H12O6 зимаза C2H6OH + 2CO2

Такий спирт називають харчовим або винним спиртом.

Етиловий спирт можна одержувати з целюлози, що попередньо гідролізують. Глюкозу, що утвориться при цьому, піддають надалі спиртовому шумуванню. Отриманий спирт називають гідролізним.

Як відомо, для одержання етилового спирту існують і синтетичні способи, такі, як сіркокислі або пряма гідратація етілена:

H2C==CH2 + H2 кат. H3C—CH2OH

Собівартість спирту, отриманого таким способом, набагато дешевше, ніж приготовленого з харчових продуктів.

Етиловий спирт широко використовують у різних областях промисловості і насамперед у хімічній. З нього одержують синтетичний каучук, оцтову кислоту, барвники, есенції, фотоплівку, порох, пластмаси. Спирт є гарним розчинником і антисептиком. Тому він знаходить застосування в медицині, парфумерії. У великих кількостях етиловий спирт йде для одержання спирто-горілчаних виробів.

Етиловий спирт - сильний наркотик. Потрапляючи в організм, він швидко всмоктується в кров і приводить організм у збуджений стан, при якому людині важко контролювати своє поводження. Уживання спирту часто є основною причиною важких шляхово-транспортних аварій, нещасних випадків на виробництві і побутових злочинах. Спирт викликає важкі захворювання нервової і серцево-судинної систем, а також шлунково-кишкового тракту. Спирт небезпечний у будь-якій концентрації (горілка, настойки, вино, пиво і т.д.).

Етиловий спирт, застосовуваний для технічних цілей, спеціально забруднюють дурно пахучими речовинами. Такий спирт називають денатуратом (для цього спирт підфарбовують, щоб відрізнити його від чистого спирту).

Хімічні властивості спирту.

Як у всіх кисневмісних з'єднань, хімічні властивості етилового спирту визначаються, у першу чергу, функціональними групами і, певною мірою, будівлею радикала.Характерною рисою гідроксильної групи етилового спирту є рухливість атома водню, що пояснюється електронною будівлею гідроксильної групи. Звідси здатність етилового спирту до деяких реакцій заміщення, наприклад, лужними металами. З іншого боку, має значення і характер зв'язку вуглецю з киснем. Унаслідок великої електровід’ємності кисню в порівнянні з вуглецем, зв'язок вуглець-кисень також до деякої міри поляризовано з частковим позитивним зарядом в атома вуглецю і негативним - у кисню. Однак, ця поляризація не приводить до дисоціації на іони, спирти не є електролітами, а являють собою нейтральні з'єднання, що не змінюють фарбування індикаторів, але вони мають визначений електричний момент диполя [3,4].

Спирти є амфотерними з'єднаннями, тобто можуть виявляти як властивості кислот, так і властивості основ.

Особливості технології етилового спирту

До початку тридцятих років ХХ століття його одержували винятково

зародження харчової водневмісткої сировини, і при обробки зерна (жито, ячмінь, кукурудза, овес, просо) . У 30-і по 50-і роки було розроблено кілька способів синтезу етилового спирту з хімічної сировини наприклад: лідрування аценальдециду і інші. Осі сучасних способів – односейадисна (пряма) гідраітація. Етілена (CU2=CU2+H2O -C2H5OH), здійснюється на фосфорно-кислотному каталізаторі при 280-3000С і 7,2-8,3 Мн/м (72-83 кг/см ). Так, у США в 1976 р. було вироблено близько 800 тис. тонн этонола, у т.ч. 550 тис. тонн прямій гідротацієй (інше збродження харчової сировини). В інших країнах (Україна, Франція і ін.) етиловий спирт одержують також двохетапною (сірко кислотною гідратацією етилена при : 75-800С і 2,48 Мн/м/24,8 нес/м) этилен взаємодіє з концентрованою сірчаною кислотою з утворенням суміші моно і діентилеульфатів [С2Н5OSO2ОН і (С2Н5О)2SO2], що потім гідролізують при 1000С і 0,3-0,4 Мн/м дають етиловий спирт і Н2SO4.

У ряді країн етиловий спирт (ЕС) одержують також збродженням продуктів гідролізу рослинних матеріалів. Очищення технічних ЕС проводять різними способами. Харчовий спирт-сирець, звичайно звільняють від домішок (сивушні олії й ін.) рекитифікацією.

Слінтентичний ЕС очищають від етилового ефіру, ацетальдегіду й ін. рекитифікацією у присутності лугу і гідруванням у паровій фазі на нікелевих каталізаторів при 1050С і 0,52 Мн/м (5,2 кгс/см)

Спирт – ректифікат являє собою азеотропну суміш ЕС з водою (95,57% спирту t кипіння 78,150С). Для багатьох цілей потрібно обезводнений, Т.Н. абсолютний, ЕС. Останній у промисловості готують, воду у виді стрункої азеотропної суміші вода-спірит-бензол (спеціальна добавка), а в лабораторних умов-хімічному зв'язуванням води різними реагентами, окисом

кальцію, металевим кальцієм або магнієм ЕС, призначений для технічних і

побутових цілей, іноді денантурірують.

У природі спирти зустрічаються рідко, частіше - у виді похідних (складні ефіри й ін.), з яких вони можуть бути отримані. Для одержання спиртів важливу роль грає органічний синтез. Приведемо деякі способи синтезу спиртів.

1. Гідратація (приєднання води до алкенам). Реакція проводиться в присутності каталізаторів. При використанні як каталізатор сірчаної кислоти (сіркокисла гідратація) реакція йде в двох стадій:

H2C==CH2 + HO—SO2—OH  H3C—CH2—OSO2—OH

етил сірчана кислота

H3C—CH2—OSO2—OH + H2O  H3C—CH2—OH + H2SO4

етиловий спирт

Якщо реакцію гідратації проводити при високій температурі (300 - 350°С) і тиску в присутності каталізатора (суміші фосфорної до вольфрамового кислот), то реакція йде в одну стадію. Це метод прямої гідратації. При одержанні етилового спирту цей метод витиснув сіркокислу гідратацію. Гідратація алкенів має важливе промислове значення. Цей спосіб дозволяє одержувати спирти з доступної і дешевої сировини - газів крекінгу. Так, з 1 т етилену можна одержати 1,4 т спирти. Вперше в нашій країні етиловий спирт почали одержувати гідратацією етилену з 1952 р. (м. Сумгаіт).

2. Гідроліз моногалогенопохідних. Реакцію проводять, нагріваючи галогеналкіли з водою або водним розчином лугів:

C2H6Cl + H2O  C2H6OH + HC

3. Одержання метанолу із синтезу-газу. Процес йде при 220-300°С і порівняно невисокому тиску з використанням каталізатора з оксидів

міді і цинку:

кат.

CO + 2H2  CH3OH

Із синтезу-газу можна одержувати й інші спирти.

4. Відновлення альдегідів і кетонів. При відновленні альдегідів утворяться первинні, а при відновленні кетонів - вторинні:

O

// 2H

H3C — C  H3C — CH2OH

\ H

оцтовий етиловий

альдегід спирт

2H

H3C — CO — CH3  H3C — CH — CH3

|

OH

ацетон ізоппропіловий спирт

5. Спиртове шумування (розщеплення) моносахарідів C6H12O6 під впливом ферментів:

зимаза

C6H12O6  C2H6OH + 2CO2Для одержання етилового спирту здавна користуються різними цукристими речовинами, наприклад, виноградним цукром, або глюкозою, що шляхом "шумування", викликуваного дією ферментів (энзимів), вироблюваних дріжджовими грибками, перетворюється в етиловий спирт.

С6Н12О6  2С2Н5ОН + 2СО2

Глюкоза у вільному виді утримується, наприклад, у виноградному соку, при шумуванні якого виходить виноградне вино зі змістом спирту від 8-16 %.

Вихідним продуктом для одержання спирту може служити полісахариди крохмалю, що утримується, наприклад, у бульбах картоплі, зернах жита, пшениці, кукурудзи. Для перетворення в цукристі речовини (глюкозу) крохмаль попередньо піддають гідролізові. Для цього борошно або здрібнену картоплю заварюють гарячою водою і по охолодженні додають солод - пророслі, а потім підсушені і розтерті з водою зерна ячменя. У солоді утримується діастаз (складна суміш ферментів), що діє на процес оцукрювання крохмалю каталітично. По закінчуванні оцукрювання до отриманої рідини додають дріжджі, під дією ферменту яких утвориться спирт. Його відганяють, а потім очищають повторною перегонкою.

В даний час оцукрюванню піддають також інший полісахариди - целюлозу (клітковину), що утворить головну масу деревини. Для цього целюлозу піддають гідролізові в присутності кислот (наприклад, деревні обпилювання при 150 -1700С обробляють 0,1 - 5% сірчаною кислотою під тиском 0,7 - 1,5 МПа). Отриманий у такий спосіб продукт також містить глюкозу і зброджується на спирт за допомогою дріжджів. З 5500 т сухих обпилювань (відходи лісопильного заводу середньої продуктивності за рік) можна одержати 790 т спирту (вважаючи на 100%-ний). Це дає можливість заощадити близько 3000 т зерна або 10000 т картоплі [1].