问题

为什么不能用蒸馏的方法制备工业酒精?

回答
之所以不能用简单的蒸馏方法来制备所谓的“工业酒精”,背后其实隐藏着一系列关于纯度、安全性和经济性的复杂考量。咱们得从头说起,把这事儿掰开了揉碎了聊。

首先,我们得明确一下,“工业酒精”这个概念本身就比较宽泛。它通常指的是未经变性的乙醇,或者混有少量不影响其工业用途的杂质的乙醇。它的主要用途是作为溶剂、燃料、化工原料等,对纯度要求虽然有,但远没有食品级酒精(饮用酒精)那么苛刻。

那么,为什么“简单蒸馏”不行呢?这里说的“简单蒸馏”,指的是实验室里或者基础化学原理中描述的那种,通过加热液体,收集沸点较低的蒸气,再冷凝成液体的过程。

1. 共沸物的存在:乙醇和水的“亲密关系”

这是最核心的原因。乙醇和水混合后,会形成一种叫做“共沸物”的特殊状态。简单来说,当乙醇和水的混合物达到一定的比例(大约是95.6%的乙醇和4.4%的水,重量比),它的沸点会比纯乙醇或者纯水都要低。更关键的是,在这个共沸点,乙醇和水的蒸气组成的比例和液体的组成比例是相同的。

这意味着什么呢?如果你用简单的蒸馏方法,从一个乙醇和水的混合物开始加热,蒸出的蒸汽里乙醇的浓度会比原来高一些。你把这些蒸汽冷凝下来,得到的就是一个乙醇浓度更高的液体。你可以一遍一遍地重复这个过程,理论上可以不断提高乙醇的浓度。

但是,当你达到那个95.6%的乙醇比例(也就是共沸点)时,你蒸馏出来的蒸汽,其乙醇含量也恰好是95.6%。也就是说,蒸馏到这个阶段,液体和蒸汽的成分就一致了,你再怎么蒸,也无法再将乙醇的浓度提高到95.6%以上了。 简单蒸馏被卡在了这里,它无法得到接近100%纯度的无水乙醇。

2. 杂质的影响:不只是水那么简单

工业生产发酵得来的乙醇,其原料(比如粮食、薯类等)含有各种复杂的有机物。发酵过程中,除了产生大量的乙醇,还会伴随着生成其他副产物,比如:

同系物: 除了乙醇(CH₃CH₂OH),还会有甲醇(CH₃OH)、丙醇(CH₃CH₂CH₂OH)、丁醇(C₄H₉OH)等。这些醇类大都也比水沸点高,或者与水形成共沸物。
酯类、醛类、有机酸: 这些杂质的沸点范围很广,有些可能与乙醇的沸点相近,有些则相差较大。
其他发酵副产物: 比如甘油、糠醛等。

简单的蒸馏,主要依靠沸点的差异来分离物质。对于沸点与乙醇相近或者与乙醇形成复杂共沸体系的杂质,简单的蒸馏是很难有效分离的。它们会随着乙醇一起蒸馏出来,或者留在蒸馏釜底,但又不容易完全去除。

3. 纯度要求与经济性

工业酒精的用途多样,对纯度的要求也不同。

作为溶剂: 比如用作油漆、涂料、清洗剂等的溶剂,95%左右的乙醇通常已经足够。过高的纯度(例如99.5%以上的无水乙醇)对于这些应用来说,不仅没有必要,反而会增加成本。
作为燃料: 像车用乙醇汽油,虽然对乙醇含量有规定,但也不是绝对的无水。
化工原料: 如果是作为更精细的化工合成原料,可能对某些微量杂质有严格限制,这时候就需要比简单蒸馏更高级的分离技术。

所以,仅仅用简单蒸馏,能得到一个含水量大概在5%左右(即95%乙醇)的产品。对于很多工业用途,这已经够了。但问题在于,“制备工业酒精”通常也意味着要在一个可控的、经济的范围内生产出满足特定标准的产品。 如果你想得到比95%更纯的乙醇(例如99%以上),简单蒸馏就无能为力了。

那么,工业上是怎么提高乙醇纯度的呢?

既然简单蒸馏不行,就需要用到更高级的分离技术,或者组合技术:

多次蒸馏/精馏: 这是一种改进的蒸馏技术。通过在蒸馏塔中设置多层塔板(或填料),使得上升的蒸汽和下降的液体能够进行多次充分的传质。每一次的传质,蒸汽都会变得更富乙醇,液体则更富水。通过这种方式,理论上可以不断提高乙醇的浓度,甚至可以突破共沸点的限制,得到接近无水的乙醇。然而,即便如此,要得到99.9%的无水乙醇,也需要非常精细的精馏塔设计和操作。
共沸蒸馏: 为了打破乙醇水共沸物的限制,可以加入第三种组分,这种组分被称为“夹带剂”。夹带剂与水形成低沸点的共沸物,或者与乙醇形成高沸点的共沸物。例如,加入环己烷。环己烷会与水形成一个三元共沸物(乙醇水环己烷),这个共沸物的沸点非常低,而且在蒸馏过程中,这个共沸物会先被蒸出,从而将水从混合物中带走,留下高浓度的乙醇。蒸出的共沸物冷却后,水和环己烷会分层,环己烷可以回收再利用。
吸附法: 利用分子筛等吸附剂,它们的孔径可以精确地吸附水分子,而体积较大的乙醇分子则无法进入。将含有水的乙醇溶液通过吸附剂床,水会被吸附下来,流出的就是高纯度的乙醇。这种方法常用于获得高纯度的无水乙醇。
膜分离技术: 比如渗透蒸发或纳滤膜,特定的膜材料可以允许乙醇分子通过,而截留水分子,或者反之,从而达到分离提纯的目的。

总结一下,简单蒸馏之所以不能用来“制备”(特指获得高纯度乙醇)工业酒精,主要原因在于:

1. 乙醇水共沸物的存在 限制了简单蒸馏能达到的最高乙醇浓度(约95.6%)。
2. 发酵过程中产生的其他杂质 难以通过简单蒸馏有效去除,影响最终产品的纯度。
3. 对不同工业用途而言,纯度要求不同。 如果需要比95%更高的乙醇,简单蒸馏就无能为力了,而如果95%已经够用,那为什么还要去冒险用更复杂、可能产生更多杂质的方法呢?

所以,当我们在讨论“制备工业酒精”时,如果期望得到的是高纯度(如99%以上)的乙醇,简单蒸馏确实是一种无效的方法。但如果是指制备95%左右的乙醇,那么通过基础的发酵过程和相对简单的蒸馏(可能经过几次分馏),是可以实现的。这里的关键在于你对“制备工业酒精”的纯度期望值有多高。

所以,下次听到“工业酒精”这个词,不妨想想它的具体用途和要求的纯度,这样才能更准确地理解为什么简单的“蒸一蒸”往往是不够的。

网友意见

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你这个是我们化工界的经典问题了,其实本科搞化工的都应该懂,我抛砖引玉一下,简单做个科普。

我们知道,工业酒精制备主要还是利用酒精与水沸点不同来分离的(这是简单的说法,化工领域专业一点的说法叫相对挥发度)。酒精沸点比水低,因此加热的时候会先挥发出来,这样就实现了酒精与水的分离。

原理就是是这么简单,但是实际化工生产的时候就会遇到问题。因为在加热过程中不是只有酒精挥发出来,水也会挥发,只不过酒精挥发的比水多而已。所以直接加热水与酒精的混合物得到的还是水与酒精的混合物,只不过浓度不同而已。举个例子,酿酒过程中,一般发酵得到酒酒精度数最高也就在10%左右,常见的葡萄酒,黄酒都在这个度数上。那么为了和到纯度高一点的酒,就必须对这些酒进行蒸馏。经过蒸馏的酒度数能到30%度左右,因为蒸馏了一次,这种酒就被称为一锅头(经评论区提醒对二锅头的概念优点混淆在这里做个修正)。可见进行简单的蒸馏虽然能够提高酒精的浓度,但是由于蒸馏过程中水会被蒸出来,因此整出来的酒虽然比原来纯度高一些,但是不可能达到很高纯度。

怎么解决这个问题?

聪明的人大概都想到了,我们把一次蒸馏酒再蒸一次,酒精纯度不就更高了吗?事实上就是这样,把一次蒸馏的酒继续蒸馏就可以得到二次蒸馏酒。这种酒纯度更高,达到了42%左右。如果这个过程持续进行下去就可以得到纯度更高的酒精。实际上工业上就是这么做的,只不过我们把一次蒸馏与与二次蒸馏的两个蒸锅像蒸包子的笼屉一样一层一层的垒起来。这样的设备就是所谓精馏塔,而每一层蒸锅我们给他们一个专业的名称叫做平衡级。这就是精馏与蒸馏的差别,精馏是几个蒸馏(实际上是闪蒸)过程的累加,只有通过精馏才能得到高纯度的物质。

那么问题由来了,即使如果我们无限次的蒸下去,是不是就能够得到纯度接近100%的酒精呢?对于大部分其他无物系,比如说甲醇-水,这个答案是肯定的。但对于水和酒精却不是这样。水与酒精是一个稍微有点特殊的体系,我们把它叫做共沸体系。在这种体系中,当乙醇达到一定浓度(95%)的时候液相与气相的挥发度是一样的。什么意思呢?就是说在乙醇浓度小于95%的时候,乙醇优先被蒸发出来,乙醇浓度大于95%的时候,水优先被蒸发出来。反而乙醇浓度恰好等于95%的时候二者一起被蒸发出来。如果我们从低浓度的酒精开始精馏,最后到乙醇浓度达到95%的时候,由于乙醇与水被同步蒸发出来,导致乙醇无法在气体中富集,最后浓度无法提高。这就像我们骑自行车,翻越山峰,我们恰好骑到山顶的时候就在没有力气继续骑下去了,只能停在那里。

那么怎样解决这个问题呢?化工上有两种思路,一种是把骑车的人往前推一下,把他推过顶部,之后就是下坡了,骑车的人自然而然就继续前进了。一种思路是把山整体移动一下,原来骑车的人被卡在山顶,我们现在让他不动,然后把山整体移动一下,那么这个骑车的人就会自然而然到达下坡的一侧,也可以继续前进。

我们先说第一个思路,第一种获取无水乙醇的方法就是添加夹带剂,一般是苯。在乙醇里加入一点苯后,由于苯会和水形成共沸物,苯会把水从乙醇里带出来。这样以以来我们就能得到纯的乙醇了。这种方法是早些年做乙醇的方法,这种方法问题就是苯有毒,生产上不太安全,据说当时在乙醇工段工作的男女工经常不孕不育。

第二种思路就是变压精馏,相当于把山整体移动一下。我们得到95%的乙醇以后,让这个乙醇进到一个减压的精馏塔里。在减压状态下,乙醇的共沸点组成发生了改变(比如说变成了90%)这时候,由于乙醇浓度(95%)大于共沸浓度(90%)导致水优先被蒸发出来,最后得到纯的乙醇。

做一个总结,工业上不用蒸馏做酒精是因为只蒸一次蒸不纯,必须多蒸几次,多蒸几次就叫精馏了。另外就是要得到高纯度的酒精就必须跨越共沸点,目前有两种方法,一种是苯共沸夹带,另一种是变压精馏。至于有人说向水里加氧化钙的,那是化学家的做法,工业上不这么干的。

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