摘要：乙醇由于自身的化学属性使其成为一种重要的燃料。乙醇作为一种清洁能源, 在燃烧的过程中不会释放有毒有害物质, 所以备受关注。主要研究了燃烧乙醇的工艺, 从化学工程方面研究乙醇的具体反应。
关键词： 燃烧乙醇工艺; 化学工程; 分离耦合反应;
Chemical Engineering Analysis of Ethanol Burning Process
Li Li-fu
Abstract： Ethanol is an important fuel due to its chemical properties.As a clean energy source, ethanol does not release toxic and harmful substances during the burning process, so it is loved by people.The main process of burning ethanol is studied, and the specific reaction of ethanol is studied from the aspects of chemical engineering.
在强调可持续发展的当今社会, 乙醇作为一种绿色可再生能源, 地位更加重要。乙醇的化学反应就是传统的酒精工艺, 纤维素在淀粉的作用下生成葡萄糖, 再利用发酵工艺生成酒精混合物, 最后通过分离工艺提取出乙醇。“燃烧乙醇”就是把乙醇作为原料, 用在不同行业之中。在汽车燃料行业, 燃烧乙醇的使用可以净化汽车尾气, 缓解汽油燃烧造成的供氧不足的问题。所以对于燃烧乙醇工艺的化学工程分析有着非常重要的意义。
1 燃烧乙醇的发酵工艺分析
1.1 发酵工艺的多角度分析
乙醇在进行发酵时, 涉及到各种不同的工程领域。比如生化工程、生物工程和化学工程等领域, 这种情况也导致乙醇的发酵过程是一项非常复杂的化学反应过程。所以对于燃烧乙醇工艺的化学工程分析不能够从单一的视角进行, 应该从不同的角度进行分析, 这样才能够保证燃料乙醇发酵工艺分析的准确性和科学性, 强调乙醇发酵工艺的重要性, 可以为后期的研究提供更加真实有效的数据。
1.2 乙醇发酵动力学与工程放大分析
在我国, 目前乙醇发酵所存在的问题主要集中在高温、高糖和高乙醇浓度的耐受等方面;除此之外还有一些液化酶和糖化酶的反应理论, 同时还有动力学方面的研究。动力学研究需要关注实际的物质, 比如同步糖化发酵工艺实际物系的代谢。动力学的研究不仅关注发酵生物反应动力学, 还需深入研究乙醇发酵的传递性, 动力学是乙醇发酵工程放大理论的首要条件。乙醇发酵动力学主要分成两方面的内容, 本征动力学和宏观动力学。本征动力学发酵生物反应速率是固有速率;宏观动力学的发酵生物是总的反应速率, 包括反应器形状结构、物料本身的物理性质和具体操作方式在内的所有因素。分析乙醇发酵动力学和工程放大理论可以发现, 本征动力学的研究方式应该深入进行, 并且要加深对于本征动力学的了解和认识。工程放大主要是用系统工程的方法, 分析工业生物过程, 分析的主要方面是代谢工程、细胞动力学、定量生理学和动态特性。细胞动力学就是在不同规模的生物反应器不稳定环境条件的细胞动力学。虽然细胞动力学和发酵研究都已经趋向成熟, 但是在乙醇产物动力学方面的研究还是比较少的;另外对发酵工艺的研究比较充足, 而发酵工程的研究比较少。由于乙醇发酵的情况比较复杂, 要关注乙醇发酵时发生的生物化学反应、罐内液体的流动状况和停留时间分布。所以在动力学研究过程时, 应该充分发挥大型冷模研究的流体学特征和小型热模研究的动力学特征, 二者结合可以帮助乙醇的发酵过程更加顺利。
1.3 乙醇发酵罐的作用
发酵罐是乙醇进行燃烧发酵的设备, 发酵罐可以在乙醇燃烧发酵产生问题时快速解决。发酵罐内的环境温度、湿度和其他因素都会直接影响乙醇燃烧发酵的速度, 甚至导致乙醇的发酵质量无法达到规定的标准。但是乙醇燃烧发酵的溢出发酵进程会在发酵罐里面产生多反应场, 这种多反应场虽然会对乙醇的发酵结果有所影响, 但是可以帮助工作人员通过发酵罐的多产反应场控制发酵的最终结果, 以此来确保乙醇发酵的质量。
2 燃烧乙醇的提纯工艺
将乙醇原料进行发酵, 会产生乙醇, 因为产生的乙醇混合在发酵液里面, 所以乙醇的纯度并不高。根据相关研究数据可以发现, 乙醇发酵成功后, 发酵液里的乙醇含量基本在5%到12%, 发酵液里的乙醇无法达到燃烧的要求, 所以乙醇发酵结束之后必须要进行提纯。我国目前的乙醇提纯技术非常多, 使用范围最广、效果最好的是蒸馏技术。使用蒸馏技术进行乙醇提纯的原理是把发酵液里多余的水分蒸发, 与乙醇进行分离。蒸馏技术比较简单方便, 但是需要重复多次的操作, 虽然最后提纯成功, 但是乙醇的浓度依然无法达到90%以上, 所以想要乙醇的浓度更高, 需要结合其他的提纯方法, 在蒸馏提纯的方法之后还要使用萃取和吸附的技术, 只有这样才能让乙醇的纯度达到工业实际使用的标准。多塔精馏也是提纯乙醇的方法之一, 在使用多塔精馏时, 在发酵液里增加可以使原有体系分离因子的萃取精馏帮助提纯;膜蒸发分离法也可以帮助乙醇提纯, 还有降低能耗, 避免环境污染的优点。在实际的乙醇提纯中人工智能的使用也开始增多。不同方法的使用可以更好地进行燃烧乙醇提纯工艺的研究。
3 生物发酵和分离耦合反应
在进行燃烧乙醇的发酵时, 分离和耦合的是一种复杂的反应过程, 生物发酵反应和分离耦合反应是乙醇发酵非常重要的基础。分离是清除乙醇的发酵杂质, 然后使用相应的萃取方式和发酵技术进行乙醇提纯, 但是生物发酵反应和分离耦合反应两者之间不是简单的结合, 而是流程的耦合, 耦合可以促进乙醇的发酵和分离的效率。不仅优化了燃料乙醇的工艺, 也促进了化学工程的发展, 为燃料乙醇的未来发展指明了方向。
4 结束语
燃烧乙醇的发展受很多因素的影响, 比如流体流动、质量传递、发酵生物化学反应和热量传递, 所以燃烧乙醇的后期化学工程研究应该从自身的工艺出发, 并采用创新的手段解决问题, 优化我国的能源结构, 为社会的可持续发展做出一定的贡献。
参考文献
[1]张嗣良.多尺度微生物过程优化[M].北京:化学工业出版社, 2004.
