На рис. 1 приведена схема гидратации этилена в паровой фазе.

Вводимый этилен сжимают в компрессоре 1до 8 МПа и смешивают с циркуляционным газом. Так как давление циркуляционного газа ниже, чем этилена (объем газа уменьшился за счет образования этанола), его дополнительно сжимают в компрессоре 2. Смесь свежего этилена с циркуляционным, газом подогревают до 300 °С в теплообменнике 3 продуктами реакции и смешивают с перегретым да 450 °С паром при давлении 8 МПа. Парогазовая смесь поступает в гидрататор 4. Гидрататор выполнен в виде реактора идеального вытеснения ~ (РИВ-Н) представляет собой стальной цилиндр диаметром 1,5 м и высотой 10 м; футерованный изнутри медью и наполненный катализатором, насыпанным на перфорированный конус

Рис. 1. Схема гидратации этилена в паровой фазе:

1 — компрессор этилена; 2 — компрессор циркуляционного; 3 — теплообменник; 4—гидрататор; 5—котел-утилизатор

На выходе из гидрататора смесь этанола, водяного пара и непрореагировавшего этилена обрабатывают водным раствором гидроксида натрия для нейтрализации унесенной потоком фосфорной кислоты, охлаждают в теплообменнике 3 и направляют в котел-утилизатор 5, в котором вырабатывается пар низкого давления, поступающий затем в пароперегреватель.

Из котла-утилизатора продукты поступают в сепаратор (газоотделитель) высокого давления 6. Здесь отделяется циркуляционный газ, направляемый в компрессор 2, а спирто-водный конденсат с содержанием этанола до 15 % дросселируют через редукционный вентиль 7 до давления 0,5—0,6 МПа и направляют в сепаратор (сборник) низкого давления 8. В сборнике за счет снижения давления выделяется растворенный в конденсате этилен, который добавляют к циркуляционному газу.

Из сепаратора-сборника 8 спирто-водный конденсат поступает в отпарную ректификационную колонну 9. Здесь за счет нагревания жидкости паром через кипятильник 10 и ректификации смеси происходит отделение паров этанола, загрязненных примесями, от водного раствора фосфата натрия. Из колонны 9 этанол направляют в ректификационную колонну. После ректификации получают очищенный этанол-ректификат, содержащий ацетальдегид (до 2 %) и диэтиловый эфир (не более 1 %).

Последующая очистка синтетического этанола и требования к нему зависят от области использования этанола.Производительность современных установок прямой гидратации этилена достигает 30 тыс. тонн этанола в год.

Производство этанола гидролизом древесины

Гидролизное производство. Производство этанола из древесного сырья представляет собой частный случай гидролизного производства, т. е. производства, основанного на химической переработке растительных материалов путем каталитического превращения содержащихся в них полисахаридов в моносахариды. При этом непищевое растительное сырье (отходы древесины, подсолнечная лузга, кукурузные кочерыжки и др.) может быть превращено в пищевые, кормовые и технические продукты. Из образующихся в результате гидролиза этих полисахаридов водных растворов моносахаридов (гидролизатов) кристаллизацией получают пищевую глюкозу и техническую ксилозу; гидрированием — ксилит и сорбит; дегидратацией — фурфурол; окислением — органические кислоты; микробиологической переработкой — этанол, бутанол, ацетон, кормовые дрожжи, антибиотики.

Из лигнина, остающегося после отделения гидролизата, термической обработкой получают активированный уголь, уксусную кислоту и фенол; химической переработкой — активированный лигнин и щавелевую кислоту; прессованием — строительные материалы.

Процесс гидролиза растительных материалов, как пример малоотходного производства, представлен на схеме 3.

В зависимости от природы целевых продуктов гидролизное производство строится по той или иной технологической схеме. При этом, если в качестве сырья используют древесные отходы, то из 1 т абсолютно сухой древесины может быть получено 220 кг кормовых дрожжей, или 35 кг дрожжей и 175 л этанола, или 110 кг дрожжей и 80 кг фурфурола.

Физико-химические основы производства гидролизного этанола. Наиболее распространенное сырье для производства гидролизного этанола — древесина — представляет собой сложную систему, состоящую из целлюлозы, гемицеллюлоз, лигнина, а также небольших количеств смол, эфирных масел, дубильных и красящих веществ. Элементный состав органической части древесины практически постоянен: углерод — 49—51 %, Водород — 6,1—6,9 %, кислород — 43—45 %, азот — 1 %. В то же время содержание целлюлозы, лигнина и гемицеллюлоз зависит от природы древесины. В среднем в сухой древесине хвойных пород, используемой для производства этанола, содержится 52—58 % целлюлозы, 28—29 % лигнина и около 20 % гемицеллюлоз. Гемицеллюлозы — это олигомеры различной степени нолимеризации, состоящие из пентозанов и гексозанов (С6Н1005)п. Пентозаны построены из остатков, моносахаридов ксилозы и арабинозы, гексозаны — из остатков моносахаридов маннозы, галактозы, фруктозы и глюкозы.

Гидролиз древесины — каталитический процесс взаимодействия полисахаридов (целлюлозы, пентозанов и гексозанов гемицеллюлоз) с водой. При этом они превращаются в соответствующие моносахариды: ксилозу, a-D-глюкозу и т. д., например:

Катализаторы процесса гидролиза —концентрированные и разбавленные кислоты или кислые соли. При этом скорость гидролиза возрастает с увеличением константы диссоциации кислоты, ее концентрации и при повышении температуры гидролизата существенно зависят от природы катализатора. Гидролиз в присутствии разбавленной серной кислоты (0,4—0,7 %-ной) проводят при температуре 120—190 "С и давлении 0,6—1,2 МПа. В результате получают гидролизат, загрязненный фурфуролом, органическими кислотами и другими веществами. Это объясняется тем, что параллельно с гидролизом протекают реакции разложения образовавшихся моносахаридов, скорость которых с повышением температуры также возрастает. Поэтому, несмотря на то что константа скорости реакции гидролиза больше константы скорости реакции разложения, выход гексоз в этом Случае не превышает 70 % от теоретически возможного при степени гидролиза около 90%. Гидролиз в присутствии концентрированных кислот (70— 80 %-ной серной кислоты или 31—41 %-ной соляной кислоты) проводят при температуре не выше 60 "С и атмосферном давлении. Он дает чистый гидролизат с выходом моносахаридов до 95% от теоретически возможного.

Брожение (ферментация) процесс разложения углеводов под воздействием микроорганизмов или выделенных из них ферментов. В производстве этанола используют одну из разновидностей брожения — спиртовое брожение, вызываемое ферментом зимазой, содержащимся в дрожжевых клетках. Из моносахаридов спиртовому брожению подвергаются только гексозы. Процесс спиртового брожения, a-D-глюкозы, составляющей структурную единицу целлюлозы, происходит без доступа кислорода (анаэробное брожение) и включает ряд стадий с участием фосфорорганических соединений. В результате сложных превращений из глюкозы образуется этанол.