Tối ưu hóa hệ thống tách hỗn hợp nhiều cấu tử etanol nước và các tạp chất nhận được bằng phương pháp lên men980

Phân b metanol trong tháp metanol T566 theo mô hình Hình 3-61... Tác nhân xúc tác cho quá trình lên men này là các... - Các an ehyt: an ehyt axetic, an ehyt propylic, an ehyt butyric, ak

Hà N i – 2010 

L I CAM OAN  Tôi xin cam oan ây là công trình nghiên c u c a riêng tôi Các s li u, k t       

qu  c nêu trong lu n án là trung th c và ch a t ng     c cá nhân hay t ch c  khoa h c nào công b trong b t k công trình nào khác trong và ngoài n    c

L I C M N   

Tr c tiên, tôi xin chân thành c m n PGS TS Nguy n H u Tùng, Th y ã       

t n tình h ng d n, giúp tôi trong su t quá trình nghiên c u và hoàn thi n lu n   !    

án

Xin chân thành c m n các Th y Cô Vi n ào t o sau i h c, các Th y    "   # #  

Cô và các ng nghi p trong B môn Quá trình – Thi t b Công ngh Hóa và Th c $  %    

ph m ã óng góp các ý ki n chuyên môn, ã t o m i i u ki n thu n l i và nhi t &     #   '    tình giúp tôi hoàn thành các n! %i dung nghiên c u 

Tôi c ng xin c m n Trung tâm giáo d c và phát tri n S c ký – Tr ng i (   ) * + , #

h c Bách Khoa Hà N i, Công ty c ph n c n r u và các s n ph m t nhiên, Nhà  %   $   & máy r u L c H ng ã giúp tôi r t nhi u trong vi c ti n hành các thí nghi m và  # $  !  '   phân tích s li u  

Cu i cùng, tôi xin c m n gia ình và b n bè ã luôn ng viên, giúp tôi     #  % !

v t qua m i khó kh  -n, hoàn thành công vi c nghiên c u  

2.1.1.1 Xác nh cân b ng pha c a h dung d ch nhi u c u t b ng ph" ! " ng pháp

th c nghi m

20 2.1.1.2 Xác nh cân b ng pha c a h dung d ch nhi u c u t b ng ph" ! " ng pháp

3.1.1.2 Phân b n ng ) ! c a các t p ch t theo chi u cao c a tháp ch ng luy n + ! 70

c n t nguyên li u tinh b t $ )

3.1.2 Nghiên c u hành vi c a các c u t t p ch t b ng ph' ! + " ng pháp mô hình: 73 3.1.2.1 Nghiên c u các y u t nh h' ng n hành vi c a etyl axetat và al ehyt !axetic:

73

3.1.2.3 Nghiên c u các y u t nh h' ng n hành vi c a ! các c u t n-propanol, iso-propanol, iso-butanol, iso amyl alcohol (h n h p d u fusel) trong tháp ch ng luy n

77

3.1.2.4 Nghiên c u các y u t nh h' ng n hành vi c a metanol trong tháp ! 82

3.3.2 ng d ng mô hình t ng quát c a tháp ch ng luy n ! & t ng h p các s

tinh ch

100 3.3.2.1 S tinh ch 4 tháp có k t n i thêm tháp tinh ch l i COL4 + & tách

metanol

100

3.4 ng d ng mô hình t ng quát c a tháp ch ng luy n, t ng h p s ! tách có k t

109 3.4.3.2 T ng h p m t s s ) tách v i hi u su t s d ng n ng l ng cao

122

3.4.3.2.1 Nghiên c u l a ch n áp su t làm vi c cho tháp thô COL1 ' 122 3.4.3.2.2 Nghiên c u l a ch n áp su t làm vi c cho tháp andehyt COL2 ' 124 3.4.3.2.3 Nghiên c u l a ch n áp su t làm vi c cho tháp COL3 và COL5 ' 125

3.4.3.2.5 Nghiên c u ch n áp su t làm vi c cho tháp thu h i c n COL6 ' 130 3.4.3.2.6 S tinh ch g m 6 tháp làm vi c các áp su t khác nhau 130

Ph l c

V th tích &

B ng 2-5 So sánh n ng ) ! c a etanol trên các %a c a tháp ch ng luy n theo th c !

nghi m v i k t qu tính toán t mô hình $

B ng 2-6 N ng ) ! c a m t s t p ch t trên các ) + %a c a tháp ch ng luy n theo th c !

nghi m v i k t qu tính toán t mô hình $

B ng 3-1 N ng ) các t p ch t trên các + %a c a tháp tinh ch c n s n xu t t nguyên ! $

li u tinh b t và r ) ng

B ng 3-2 Thành ph n c a h n h p ! u

B ng 3-3 Thành ph n c a d u fusel t i ! + %a 38, %a 28 khi l y d i d ng l ng, d ng h i + # +

B ng 3-4 Thông s c a các dòng v t li u vào và ra kh i tháp thô COL1 ! #

B ng 3-5 Thông s c a các dòng vào và ra kh i tháp COL2 ! #

B ng 3-6 Thông s c a các dòng v t li u vào tháp tinh ch COL3 !

B ng 3-7 Thông s c a các dòng v t li u ra kh i tháp tinh ch COL3 ! #

B ng 3-8 Thông s c a các dòng v t li u vào và ra kh i thi t b! # phân ly tách d u

B ng 3-9 Thành ph n c a các dòng vào và ra kh i tháp COL4 ! #

B ng 3-10 Thông s c a các dòng vào và ra kh i tháp COL5 ! #

B ng 3-11 Thông s c a các dòng vào và ra kh i tháp COL6 ! #

B ng 3-12 Thành ph n các dòng v t li u chính trong s tinh ch g m 6 tháp , làm

vi c áp su t th ng, có k t n i dòng tu n hoàn

B ng 3-13 Mô hình và các thông s làm vi c c a tháp nâng cao n ng ! ) T533

B ng 3-14 Thông s các dòng vào và ra kh i tháp nâng cao n ng # ) T533 theo mô

hình

B ng 3-15 Mô hình và các thông s làm vi c c a tháp pha loãng T552 !

B ng 3-16 Thông s c a các dòng vào và ra kh i tháp pha loãng T552 theo mô hình ! #

B ng 3-17 Mô hình và các thông s làm vi c c a tháp tinh ch T557 !

B ng 3-18 Thông s c a các dòng vào và ra kh i tháp tinh ch T557 ! #

B ng 3-19 Mô hình và các thông s làm vi c c a tháp T566 !

B ng 3-20 Thông s c a các dòng v t li u vào và ra kh i tháp metanol T566 ! #

ph n mía ng Lam S n Thanh Hoá

B ng 3-23 Thay i áp su t làm vi c trong tháp COL1

B ng 3-24 Thành ph n c a dòng ! nh D1 khi thay i áp su t và l ng h i t trong tháp COL1

B ng 3-25 Thành ph n c a dòng 2B2 khi thay i áp su t trong tháp COL2 !

B ng 3-26 K t qu c a tháp COL5 khi thay i áp su t làm vi c !

B ng 3-27 K t qu dòng fusel 9 khi thay i áp su t làm vi c c a tháp COL2 !

B ng 3-28 K t qu dòng fusel 9 khi thay i áp su t làm vi c c a tháp COL3 !

B ng 3-29 nh h- ng c a áp su t làm vi c c a tháp tinh ch l i COL4 ! ! + n tiêu hao

Hình 1-2 H etanol - n c - iso propanol

Hình 1-3 H etanol - n c - metanol

Hình 1-4 H etanol - n c - etyl axetat

Hình 1-5 S l trình tách c a h) ! n h p 3 c u t

Hình 1-6 nh h- ng tr ng thái nhi+ t )ng h n h p F t i lu q ng nhi t t i thi u c n &

c p cho quá trình ch ng luy n h n h p hai c u t lý t ng

Hình 1-7 Gi m execgy trong ch ng luy n

Hình 1-8 A, B, C L ng nhi t tiêu hao t i thi u là hàm s c a n ng & ! ) h n h p u

trong ch ng luy n h n h p ba c u t 2,2 imetyl butan (a) / 2 metyl pentan (b) / hexan

Hình 2-5 S nguyên lý c a m! )t b c cân b ng pha "

Hình 2-6 Mô hình tháp ch ng luy n liên t c

Hình 2-7 S tháp ch ng luy n quy mô pilot

Hình 2-8 Phân b n ng ) etanol theo chi u cao tháp

Hình 2-9 Phân b nhi t ) theo chi u cao tháp

Hình 2-10 1 th bi u di n phân b n ng & 2 ) ! c a metanol theo chi u cao c a tháp !

Hình 2-11 1 th bi u di n phân b n ng & 2 ) ! c a iso propanol theo chi u cao c a tháp !

Hình 2-12 1 th bi u di n phân b n ng & 2 ) ! c a etyl axetat theo chi u cao c a tháp !

ch ng luy n c xác nh b"ng th c nghi m và c xác nh d a vào mô hình

Hình 3-1 K t qu phân tích etanol s n xu t t nguyên li u tinh b t $ )

Hình 3-2 K t qu phân tích etanol s n xu t t nguyên li u r $ ng

Hình 3-3 Các th bi u di n hành vi c& 2 !a các c u t theo chi u cao c a tháp !

Hình 3-4 1 th bi u di n phân b n ng & 2 ) metanol khi tinh ch c n t tinh b t trên $ )

tháp thí nghi m ng kính 200mm

Hình 3-5 Mô hình tháp ch ng luy n nghiên c u hành vi c a các c u t trong dung ' !

d ch etanol - n c s n xu t b ng ph " ng pháp lên men

axetic D/F=0,02, R=10

Hình 3-8 nh h- ng ch s h i l u n phân b etyl axetat, D/F=0,02, xFetanol = 0,2

Hình 3-9 nh h- ng ch s h i l u n phân b al ehyt axetic, D/F=0,02, xFetanol =

Hình 3-19 nh h- ng c a ch s h i l u t i n ng ! ) n-propanol trong d u fusel

Hình 3-20 nh h- ng c a ch s h i l u t i n ng ! ) ! c a iso-butanol trong d u fusel Hình 3-21 nh h- ng c a ch s h i l u t i n ng ! ) iso-propanol trong d u fusel

Hình 3-22 nh h- ng c a ch s h i l u t i n ng ! ) iso amyl alcohol trong d u fusel Hình 3-23 nh h- ng c a v trí l y d u fusel t i n ng ! ) các t p ch t trong d u fusel +Hình 3-24 nh h- ng c a l u l! ng d u fusel t i n ng ) ! + c a t p trong d u fusel

Hình 3-25 nh h- ng c a l u l! ng dòng fusel t i n ng ) ! c a n-propanol trong s n

ph m etanol tinh ch 0

Hình 3-26 nh h- ng c a l u l! ng d u fusel t i n ng ) ! c a iso-butanol trong s n

ph m etanol tinh ch 0

Hình 3-27a Phân b n ng ) metanol t i R = 3,5; X+ F(metanol) = 7.10-5 và t i các n ng + )

etanol trong h n h p u khác nhau

Hình 3-27b Phân b n ng ) ! + c a t p metanol trong tháp tinh ch

Hình 3-34 Phân b n ng ) ! c a etanol và n c trong tháp ch ng luy n thô COL1

Hình 3-35 Phân b n ng ) ! c a các t p ch t trong tháp ch ng luy n thô COL1 +

Hình 3-36 Phân b n ng ) ! c a etanol và n c trong tháp COL2

Hình 3-37 Phân b n ng ) ! c a các t p ch t trong tháp COL2 +

Hình 3-38 Phân b n ng ) ! + c a t p ch t iso propanol trong tháp COL2

Hình 3-39 Phân b n ng ) etanol và n c trong tháp tinh ch COL3

Hình 3-40 Phân b n ng ) ! c a các t p ch t chính trong d u fusel trong tháp tinh ch +COL3

Hình 3-41 Phân b n ng ) ! + c a t p metanol trong tháp tinh ch COL3

Hình 3-42 S tinh ch g m 4 tháp,làm vi c áp su t th ng

Hình 3-43 S tinh ch c n g m 5 tháp, làm vi c áp su t th ng

Hình 3-44 S tinh ch c n 6 tháp, có dòng thu h i h i l u, làm vi c áp su t

Hình 3-52 Phân b n ng ) etanol, n c trong tháp T552 theo mô hình

Hình 3-53 Phân b n ng ) al ehyt axetic, etyl axetat trong tháp pha loãng T552 theo

mô hình

Hình 3-54 S làm vi c c a tháp tinh ch T557 !

Hình 3-57 Phân b n ng ) ! c a n-propanol trong tháp tinh ch T557 theo mô hình

Hình 3-58 Phân b n ng ) ! c a metanol trong tháp tinh ch T557 theo mô hình

Hình 3-59 Phân b etanol và n c trong tháp metanol T566 theo mô hình

Hình 3-60 Phân b metanol trong tháp metanol T566 theo mô hình

Hình 3-61 S nguyên lý c a tháp thô COL1 !

Hình 3-62 S nguyên lý c a tháp andehyt COL2 !

Hình 3-63 S nguyên lý k t n i các tháp COL1, COL2, COL3, DEC và COL5

Hình 3-64 S k t n i tháp COL1, COL2, COL3, COL4, COL5

Hình 3-65 S tinh ch g m 6 tháp làm vi c các áp su t khác nhau

Hình 3-66 S 6 tháp làm vi c các áp su t khác nhau và k t n i nhi t gi a các tháp theo ph ng án k t n i nhi t 2

M U Trong th c t s n xu t th ng g p các h dung d ch nhi u c u t ph c t p

nh h d u m , các s n ph m lên men, các ch ph m sinh h c, các h n h p khí hoá

các c u t trong h Thông th ng các h nhi u c u t khá ph c t p, s l ng c u

t trong h l n, nh h ng l n nhau gi a các c u t không tuân theo các quy lu t lý

t ng, các c u t trong h còn có kh n ng t o v i nhau các h n h p ng phí hai

c u t , ba c u t và có th xu t hi n các vùng d th hai pha l ng Do v y, phân tách các h này b ng ph !ng pháp ch ng luy n th ng g p nhi u khó kh n:

+ Tiêu hao n ng l ng cho quá trình phân tách l n

Vì v y, vi c nghiên c u t i u hoá quá trình phân tách h nhi u c u t nh m nâng cao hi u qu phân tách, gi m s l ng thi t b , l a ch n m t l trình tách h p

lý, gi m tiêu hao nguyên v t li u và n ng l ng là v n thi t th c và c p bách

hi n nay

ó tu thu c vào tính ch t c a h c n tách [2]

c i m chung c a các h dung d ch nhi u c u t là r t ph c t p do chúng ,

th ng có s l ng c u t l n, các c u t tan l n hoàn toàn vào nhau ho c không tan m t ph n hay hoàn toàn t o thành hai pha l ng và c ng có th g p các i m -

ng phí trong h n h p này

M t h n h p nhi u c u t th ng g p trong th c t s n xu t là dung d ch etanol - n c và các t p ch t s n xu t b ng ph !ng pháp lên men ây là dung d ch

th c nhi u c u t r t i n hình Các c u t trong h có nh h ng l n nhau h t s c

ph c t p gây nhi u khó kh n cho vi c phân tách các c u t t p ch t, nh m thu c

s n ph m c n th c ph m ch t l) ng cao, m b o s c kho c a ng , i s d ng *

Trong công nghi p, vi c s n xu t etanol th c ph m c ti n hành nh quá trình lên men các nguyên li u ch a ng ho c tinh b t, và dung d ch thu c sau quá trình này c g i là gi m Tác nhân xúc tác cho quá trình lên men này là các

- Các an ehyt: an ehyt axetic, an ehyt propylic, an ehyt butyric, akrolein,

metyl axetat, etyl axetat, an ehyt n maslianic, iaxetin, trietyl amin, an ehyt

crotonic, trimetyl amin ,…

- Các este: este c a axit axetic, este c a axit propylic, ietyl este, etyl muravic , ,

este, etyl iso maslianat (este), este c a axit iso valeric, etyl propyonat (este), este ,

c a axit axetic - iso amylic, este iso valerat amylic, ,

- Các axit: axit axetic, axit butyric,

- Các r u b c cao: iso amyl ancohol, iso butanol, n butanol, n propanol, iso

propanol, fufurol, glyxerol,…

Trong gi m, thành ph n etanol chi m 6 - 7% th tích, ph n còn l i ch y u là ,

n c (89 - 90% th tích) và các t p ch t (< 5% th tích) [5]

Trong h dung d ch r t ph c t p này, hai c u t chính là etanol và n c t o v i nhau m t i m ng phí n ng ) c a etanol là 96% th tích [8] H n th n a, , !nhi t sôi c a các c u t n m trong m t kho ng khá h p nên trong h này d t o , 1 2thành các h n h p ng phí hai c u t , h n h p ng phí ba c u t và có kh n ng

t o thành các vùng d th hai pha l ng

Kh o sát các h dung d ch ba c u t g m etanol - n) c v i m t vài c u t t p

ch t ã cho th y rõ c i m ph c t p này c a h Ví d : , *

+ H etanol - n c - iso amyl ancohol: hình 1-1 cho th y xu t hi n vùng d

th hai pha l ng và hai i m ng phí c c ti u gi a etanol - n c và n c - iso amyl ancohol và m t ng biên gi i ch ng c t n i hai i m ng phí

+ H etanol - n c - iso propanol: hình 1-2 cho th y h ba c u t này có hai

i m ng phí c c ti u gi a etanol - n c và n c - iso propanol và m t ng biên

gi i ch ng c t

+ H etanol - n c - metanol: hình 1-3 cho th y h có m t i m ng phí c c

ti u gi a etanol - n c và ng biên gi i ch ng c t n i 0nh metanol v i i m này + H etanol - n c - etyl axetat: trên hình 1-4 xu t hi n m t vùng hai pha

l ng - l ng, ba i m ng phí c c ti u hai c u t và m t i m ng phí c c ti u ba

c u t v i ba ng biên gi i ch ng c t

Ternary M a p (M ole B a sis)

3-MET-01

(130.91 C )

WATER (100.02 C)

Hình 1-1 H etanol - n c - iso amyl ancohol Hình 1-2 H etanol - n c – propanol 2

Ternary Map (Mole Basis)

WATER

(100.02 C)

ETHAN-01 (78.31 C) METHA-01 (64.53 C)

Hình 1-3 H etanol - n c – metanol Hình 1-4 H etanol - n c - etyl axetat

Tính ch t ph c t p c a h etanol - n, c ã c th y rõ trong các ví d trên *Qua ó có th th y quá trình tách các c u t trong h n h p này s g p nhi u khó #

kh n do có th g p các i m ng phí ho c các vùng hai pha l ng Khi ó khó có

th tách tri t h n h p n u ch s d ng ph0 * !ng pháp ch ng luy n thông th ng

mà s ph i k t h p nhi u ph# !ng pháp, h th ng thi t b tinh ch ph c t p, tiêu hao

n ng l ng cho quá trình tách s l n làm t ng chi phí cho quá trình do ó làm t ng #giá thành s n ph m

1.2- PHÂN TÁCH DUNG D CH NHI U C U T % & ' (

V i h hai c u t , quá trình phân tách s ch c n ti n hành trong m t tháp # 0

V i các thông s nhi t , áp su t xác nh cho s n ph m 0nh thì ch làm vi c

s hoàn toàn xác # nh Nh ng h n c u t có n b c t do nên khi xác nh nhi t ,

áp su t cho m t c u t thì v n ch a th xác nh c thành ph n, nhi t sôi c a ,các c u t khác do v n còn (n-2) b c t do Tách h n h p nhi u c u t khó kh n

h n r t nhi u so v i h n h p hai c u t ! c bi t là v i các h th c khi nh h ng

c a các c u t trong h không tuân theo các quan h lý t, ng, h có nhi u i m

ng phí, có vùng hai pha l ng

Phân tách h dung d ch nhi u c u t b ng ph !ng pháp ch ng luy n không th

s d ng m t tháp ch ng luy n mà ph i s d ng nhi u tháp S l* * ng tháp ch ng luy n ph i s d ng trong s* ! ) phân tách tu thu c vào s l+ ng c u t trong h

V m t lý thuy t, tách các h dung d ch g m n c u t s ph i có (n-1) tháp ) #

ch ng luy n và t !ng ng là (n-1) thi t b un sôi áy tháp và (n-1) thi t b ng ng

t * 0nh tháp Khi ó, ngoài s l ng thi t b ph i s d ng là r t l n thì n ng l* ng tiêu t n trong các thi t b gia nhi t c ng s vô cùng l n H n n a, tách h n h p - # !nhi u c u t b ng ch ng luy n có th th c hi n theo nhi u l trình (trình t ) tách khác nhau

Theo các quan ni m tr c ây [9], v i h n h p g m n c u t thì s l trình )tách s là: #

+ Ph !ng án : ABC – AB/C – A/B/C a

+ Ph !ng án : ABC – A/BC – A/B/C b

+ Ph !ng án : ABC – AB/BC – A/B/C v i B là c u t trung gian c

)!

1 (

! 1 ( 2

−

− n n n

1.3- T I U HOÁ QUÁ TRÌNH PHÂN TÁCH H NHI U C U T 4 5 $ & ' (

1.3.1 L a ch n ch tiêu t i u hoá trong t ng h p h th ng:

i v i m i h nhi u c u t , ph thu c vào tính ch t hoá lý c a h , yêu c u

ch t l ng s n ph m, n ng su t c a h th ng, mà c n thi t ph i phân tích , ra l trình tách c th *

Nhi m v t i u hoá * ch ra l trình c th mang l i hi u qu kinh t cao 0 *

nh t là m t bài toán không !n gi n, v i m c ích là ph i gi m s l* ng các thi t b

t !ng i tách theo t ng nhóm c u t , l a ch n 3 c l trình tách h p lý i v i

h dung d ch kh o sát

Trong nhi u tr ng h p s ! ) h th ng tách theo nhóm là s ! ) t i u ho c

g n v i t i u theo ch tiêu tiêu hao n ng l0 ng

T l trình tách ã ch n, ti n hành tính toán t i u cho quá trình phân tách 3

Ch tiêu t i u t t nh t cho m t quá trình s n xu t là giá thành s n ph m Tuy nhiên, 0 tính toán giá thành s n ph m c n thi t ph i tính c giá thành ch t o thi t b ,

kh u hao thi t b , u t nhà x ng, giá nguyên v t li u, nhân công lao ng, n ng

l ng tiêu hao , ây là m t bài toán r t ph c t p

Trong i u ki n giá n ng l ng ang leo thang nh hi n nay thì n ng l ng tiêu hao trên m t !n v s n ph m ang là m t m c tiêu t i u hóa có ý ngh a r t * 6

l n trong s n xu t

Vì v y, các nghiên c u trong báo cáo này s t p trung gi i quy t v n # t i u hoá v n ng l ng tiêu t n cho quá trình phân tách h nhi u c u t , c th là ti t *

ki m n ng l ng trong quá trình tinh ch h dung d ch etanol - n c và các t p ch t

yêu c u ch tiêu cho phép theo TCVN (TCVN 1051 – 71) 0

Kh o sát th c tr ng s n xu t c n th c ph m t i m t s nhà máy Vi t Nam )

hi n nay cho th y k t qu tiêu hao n ng l ng tính trên m t !n v c n s n ph m )Công ty c ph n c n - r" ) u Hà N i trên h th ng ch ng c t g m 3 tháp trên th c t )vào kho ng 8 - 9 kg h i ! t 10at/1kg c n s n ph m, còn trên m t s dây chuy n )

hi n i m i nh p t n3 c ngoài h th ng ch ng c t g m 6 tháp nh t i Nhà máy )

c n Lam S n - Thanh Hoá là 4,5 kg h i 10at/1kg c n ch t l) ! ! ) ng cao

V i giá thành c a 1 kg h i , ! t là kho ng 0,7 USD [18] thì vi c ti t ki m c

1 kg h i/ 1kg c n s n ph m mang l i ý ngh a áng k cho vi c gi m giá thành c a ! ) 6 ,

s n ph m

Vi c phân tích tiêu hao n ng l ng t i các công o n trong h th ng ch ng luy n nhi u c u t có ý ngh a r t l n 6 ti n hành t ng h p h th ng và l a ch n l "

trình tách t i u, có l i v m t n ng l ng nh t )ng th i c ng không làm gi m

1.3.2 Phân tích ch tiêu t i u hoá v n ng l ng tiêu hao trong quá trình tách

h n h p nhi u c u t :

N ng l ng riêng c n thi t W tách m t h n h p thành các c u t tinh khi t

có th tính theo công th c c a King: ,

Ph !ng trình trên không ph thu c vào ph* !ng pháp tách h n h p và h u

nh mô t quá trình ng c l i v i quá trình tr n các c u t thành h n h p

N ng l ng c p cho quá trình ch ng luy n ch y u d ng nhi t l, ng Kh

n ng chuy n "i nhi t n ng sang công c c tr ng b ng i l ng execgy E:

T1 - nhi t c a ngu n nhi t , )

T0 - nhi t c a môi tr, ng

vào T1 và nhi t u ra T2 c a ngu n nhi t , )

)11(W

1 2 0

TT

Cho tháp ch ng luy n có th vi t ph !ng trình g n úng sau:

QR + QC 0 ≈ v i TR >TC (1.4)

Hi u s nhi t R (T- TC) th ng n m trong kho ng t 5 3 n 20oC nên m t

mát execgy th ng là nh Tuy nhiên trong ch ng luy n l ng nhi t c p cho quá trình th ng do dòng nhi t có nhi t 1 > T T R và l ng nhi t l y i trong thi t b

ng ng t do dòng n* c làm ngu i th ng có nhi t 2 < T TC cho nên m t l ng

l n h n so v i nhu c u c n thi t execgy ã b m t i trong quá trình tách ây chính !

là m t trong nh ng nguyên nhân chính làm t ng l ng nhi t tiêu hao cho quá trình

ch ng luy n Do v y, ti t ki m nhi t l ng ây th c ch t là ti t ki m execgy Các m c tiêu c a ti t ki m n ng l* , ng trong ch ng luy n chính là làm gi m

l ng nhi t c p cho quá trình QR và gi m n m c có th hi u s nhi t 1 - T (T2)

c a dòng nhi t vào và dòng nhi t ra ,

i v i tháp n, ph ng pháp t t nh t gi m nhi t l ng c n c p cho

ch ng luy n QR là s d ng các thi t b trao * "i nhi t hi u qu gi a các s n ph m nóng (có nhi t cao) v i h n h p u có nhi t th p và s d ng l p cách nhi t *cho tháp Thêm vào ó, ch s h i l u làm vi c R0 ) L ch n m c nh nh t có th Ch 0

s h i l u t i u th) ng n m trong kho ng RL = (1,05 1,1)R÷ min

Tr ng thái nhi t c a h n h p , u ( c c tr ng b ng y u t calo qF) có

nh h ng r t l n n tiêu hao nhi t c a tháp Giá tr lý thuy t nh nh t c a n ng

l ng c n thi t cho quá trình ch ng luy n QRmin/F.r cho h n h p lý t ng hai c u t xem trên hình 1-6

)1

1(

−+

−+

−

=αFr

1

1 (

− +

11(

−+

−

=αFr

QC

1

1

−+

−+

=αFr

QR

Hình 1-6 nh h ng tr ng thái nhi t ng h n h p F t i lu q ng nhi t t i thi u

x Da = 1

F

Q R1

xBa = 0 D

x Da = 1

xFa

Q R2

V i: A - h n h p u d ng l ng sôi (qF = 1);

B - h n h p u d ng h i bão hòa (qF = 0);

C - h n h p u d ng h i bão hòa ng ng t trong thi t b un bay h i áy tháp;

D - h n h p u c cho bay h i tr c khi vào tháp Trong ó α - h s bay h i

Khi h n h p u vào tháp d ng l ng sôi (qF = 1), l ng nhi t tiêu hao cho

quá trình l n h n m t l! ng b ng xFa so v i tr ng h p h n h p u vào tháp

tr ng thái h i (q! F = 0) Tuy nhiên khi h n h p u vào tháp d ng h i, thì n nhi t !

ng ng t ch * 0 c s d ng trong o n luy n Chính vì v y, tr* c khi i vào tháp,

h i c a h n h p ! , u dùng un nóng dung d ch áy tháp sau ó h i ng ng t ! *

m i i vào tháp (hình 1-6C) B ng cách này, n nhi t ng ng t s * # c dùng cho c

,

o n ch ng và o n luy n c a tháp và vì v y, l ng nhi t c n c p cho tháp QR s #

gi m th p h n Trong tr! ng h p này, tháp có th làm vi c mà không c n có ngu n )

nhi t trong tháp n u n ng ) Fa y th p và h s bay h i t! α !ng i cao Ph !ng án

làm vi c này th ng c s d ng trong các quá trình nhi t * th p nh ng áp su t

c a h n h p , u ph i cao h n so v i áp su t làm vi c c a tháp Vì v y, h n h p ! , u

tr ng thái h i h p lý h n so v i h n h p u d ng l ng Tuy nhiên không nên

th c hi n vi c hóa h i h n h p l ng ! u tr c khi a vào tháp (hình 1-6D) vì n ng

l ng tiêu hao t ng c ng s cao h n so v i tr" # ! ng h p h n h p u vào tháp d ng

l ng

Trong tr ng h p tháp có nhi u u vào v i n ng ) c a các , u vào khác

nhau thì vi c ch n các v trí u vào t i u và i u khi n s ho t ng chính xác

c a tháp là r t quan tr ng và có nh h, ng l n n l ng nhi t tiêu hao trong tháp

"

gi m m t mát kh n ng chuy n i nhi t sang execgy, trong các tháp

th ng t các thi t b un bay h i và thi t b ng ng t trung gian ! * !ng nhiên

gi i pháp này không gi m c l ng nhi t c n cung c p cho quá trình, nh ng do

h n và vì v y s làm gi m i ph n m t mát execgy ! #

Ph !ng pháp này ch có l i th khi có các ngu n nhi t có áp su t khác nhau, 0 )

ho c có nhi u i t ng s d*ng nhi t khác nhau, ho c có s d ng liên k t nhi t *

M t mát execgy c ng có th - c gi m b ng cách s d ng nhi t th i trên *

0nh tháp t o dòng h i có áp su t th p (hình 1-7A) !

Hình 1-7 Gi m execgy trong ch ng luy n

A - t o dòng h i áp su t th p t n c ng ng B - nén h i có áp su t th p và

cho quay v m ng l i h i C - dùng b m nhi t

Nh v y s không có l# ng h i nào ! c “tiêu th ” trong ch ng luy n mà *

ch có h i áp su t cao 0 ! c chuy n sang h i có áp su t th p Nh v y, tiêu hao !

ây không ph i là tiêu hao nhi t l ng mà là tiêu hao execgy N u nh không có

m ng h i có áp su t th p thì dòng h i sau khi ! ! c nén có th s # c a quay l i

m ng h i áp su t cao (hình 1-7B) !

Tách h n h p nhi u c u t b ng ch ng luy n có th th c hi n theo nhi u th

t khác nhau (l trình tách) Kinh phí u t cho h th ng tách và chi phí v n hành quá trình tách ph thu c vào l trình tách Chi phí tiêu hao cho quá trình tách trong *

ch ng luy n ph thu c ch y u vào giá n ng l* , ng i u này c ng úng cho kinh phí u t vì n u l ng h i tiêu hao càng l n thì ! ng kính tháp s càng l n #

-i v -i h ba c u t , l ng nhi t nh nh t Qmin c n cho quá trình tách h n

h p lý t ng ba c u t a - b- c thành các c u t tinh khi t theo l trình a- , c- và a-c

có th c khái quát hóa b ng các công th c và c minh h a trên hình 1-8

D

F

B C

D

A

6,0

3,4 3,6

6,0

3,2 3,6

5,4 4,2

4,3 4,5

4,8 4,9

4,6 4,7

luy n h n h p ba c u t 2,2 imetyl butan (a) / 2 metyl pentan (b) / hexan (c)

H s bay h i t ng αaci: = 1,887, αbc = 1,329 (A) l trình a-, (B) l trình c-, (C) l trình a-c

Theo l trình a- c u t có nhi t sôi th p a s # c tách tr c tiên d ng

s n ph m 0nh c a tháp C1 H n h p hai c u t còn l i b - c , c a sang ti p li u cho tháp C2 và tách thành b và c N u h n h p u vào tháp d ng l ng sôi thì

l ng nhi t t i thi u cho tháp C1 c tính theo công th c:

Fa La

rF

min 1

min 2

−

−+

=

bc

Fa Fb

xrF

Q

L ng nhi t nh nh t c n cho toàn b quá trình:

rF

QrF

QrF

min 2 min 1 min

+

Cho h n h p 2,2 - imetyl butan / 2 - metyl pentan / hexan QRmin/F.r có giá

tr trong kho ng 3,4 6,3 Trên hình 1-8A l÷ ng nhi t nh nh t c n cho quá trình tách c bi u di n d ng hàm s c a n ng 2 , ) h n h p u L ng nhi t này t ng

r t m nh khi n ng ) c a c u t có nhi t , sôi trung gian b t ng lên

Theo l trình c- c u t có nhi t sôi cao c c tách ra t i tháp C1 d ng

s n ph m áy S n ph m 0nh c a tháp C1 d ng h i , ! c dùng làm h n h p u cho tháp C2 Tháp C2 s tách h n h p a - b thành hai s n ph m a và b tinh khi t #

N u h n h p u c a tháp C1 d ng l ng sôi thì nhi t l, ng t i thi u c n

rF

Q

)1(

min 2

−

−+

=

ac

Fc Fa

xrF

Q

L ng nhi t t i thi u c n cho toàn b quá trình:

rF

QrF

QrF

min 2 min 1

i l ng QRmin/F.r cho h n h p ba c u t 2,2 - imetyl butan / 2 - metyl

pentan / hexan s n m trong kho ng 3,0 6,3 ây l i m t l n n a giá tr # ÷ 7

QRmin/F.r s # t giá tr l n nh t t i giá tr n ng ) cao c a c u t có nhi t , sôi trung gian b

Theo l trình a-c c n ph i có ba tháp (hình 1-8C) nh n c các ch t tinh khi t, s n ph m 0nh c a tháp C1 ph i , c gi i phóng kh i c u t có nhi t sôi cao c T !ng t s n ph m áy c a tháp C1 c ng ph i , - c gi i phóng kh i c u t

có nhi t sôi th p a

S n ph m 0nh c a tháp C1 nên , a vào 6a ti p li u c a tháp C2 d ng h i , !

Gi thi t trong tháp C1 s ti n hành ph# !ng án tách u tiên, thì ch s h i l u và 0 )

l ng nhi t c n cho tháp C1 s # t giá tr c c ti u tuy t i N u h n h p u vào tháp C1 d ng l ng sôi, ph !ng trình sau s # c áp d*ng:

1

)1()1(1

min 1

−

−+

−+

=

ac

Fb bc Fa ac

rF

1(

)1()1(

min 2

−

−

−+

−+

=

ab ac

Fb bc Fa ac

Fa

xrF

Q

αα

α

)1)(

1(

))1()1(1()

1(

−+

−+

−

−+

=

ab ac

Fb bc Fa ac ac

ac

bc ac Fb

xr

F

Q

αα

αα

αα

α

L ng nhi t c n cho toàn b quá trình:

rF

QrF

QrF

QrF

min 3 min 2 min 1 min

++

Trên hình 1-8C l ng nhi t t i thi u c n thi t cho quá trình tách h n h p

imetyl butan / 2-metyl pentan / hexan c bi u di n d i d ng hàm c a n ng

h n h p u Các ) th này d ng các ng th ng song song Các giá tr c a ,

QRmin/F.r n m trong kho ng 4,2 5,0 và các giá tr này ít thay ÷ "i khi n ng ) c a ,

c u t có nhi t sôi trung gian b t ng

So sánh l ng nhi t tiêu hao cho quá trình tách h n h p ba c u t theo ba l

trình khác nhau cho th y l ng nhi t này thay "i áng k khi n ng ) c a h n h p ,

"

u thay i

tiên L trình a-c s thu n l i khi h n h p #

u ch a nhi u c u t có nhi t ôi sôi trung

n ng ti t ki m n ng l ng c a l trình này s cao N u h th ng ch ng luy n , # c

v n hành úng, l trình a-c s cho quá trình tách hi u qu h n hai l trình kia # !

Các phân tích v tiêu hao n ng l ng trên ây là ti n cho vi c l a ch n l trình tách h p lý, t i u v m t tiêu hao h i ! t cho quá trình s n xu t

gi m tiêu hao n ng l ng trong l trình tách ó có th s d ng ph ng pháp k t n i nhi t gi a các tháp Ph !ng pháp này ch th c hi n 0 c khi các tháp tinh ch trong s ! ) làm vi c các áp su t khác nhau và l a ch n các tháp có l u

l ng dòng h i l n ! ch t t i nhi t Khi ó, vi c quy t nh kh ng ch áp su t làm

vi c c a m i tháp ph i d a vào , c i m hóa lý c a h c ng nh các yêu c u v ,

-ch t l ng s n ph m Ph !ng pháp k t n i nhi t này có nh c i m là làm t ng s

l ng thi t b un bay h i áy tháp, tuy nhiên nh h! ng c a s thi t b này , n

vi c t ng giá thành s n ph m khá nh so v i l ng h i ti t ki m ! c và nh ng khó

kh n g p ph i khi i u khi n h th ng này c ng s d dàng gi i quy t - # 2 c

T ó, có th 3 xu t nh ng nhi m v chính sau ây c a lu n án: * ,

Nghiên c u t i u hoá quá trình phân tách h dung d ch th c nhi u c u t

trên ví d i n hình là h etanol - n c nh n c b ng ph ng pháp lên men

gi i quy t v n này c n thi t ph i th c hi n các nhi m v sau: *

x Fa

x Fb

1 Nghiên c u xác nh cân b ng pha l ng - h i c a h dung d ch nhi u c u t b ng ! ,cách l a ch n mô hình cân b ng pha và ki m tra tin c y c a mô hình cân b ng ,

pha d a vào các s li u th c nghi m

2 Xây d ng mô hình t ng quát c a tháp ch ng luy n " ,

3 Ki m ch ng s t !ng thích c a mô hình tháp ch ng luy n b ng ph, !ng pháp

th c nghi m trên h dung d ch th c ph c t p n c u t etanol - n c - các t p ch t

s n xu t b ng ph !ng pháp lên men

4 Nghiên c u hành vi c a các c u t trong dung d ch etanol - n, c s n xu t b ng

ph !ng pháp lên men b ng ph !ng pháp th c nghi m

5 Nghiên c u hành vi c a các c u t c a h dung d ch etanol - n, , c s n xu t b ng

ph !ng pháp lên men d a vào mô hình t ng quát c a tháp ch ng luy n " ,

6 xu t nguyên t c tách h n h/ p nhi u c u t theo nguyên t c tách theo nhóm /

M c tiêu c a các nghiên c u này là * , ra nguyên t c chung / phân tách các

h dung d ch nhi u c u t : nguyên t c tách theo nhóm, trình t phân tích và t ng / "

h p các l trình tách, xác nh l trình tách h p lý m b o nâng cao ch t l ng s n

ph m và gi m chi phí n ng l ng, góp ph n gi m giá thành s n ph m Các nghiên

c u c th c hi n trên h dung d ch th c nhi u c u t i n hình là h etanol -

n c nh n c b ng ph !ng pháp lên men v i các t p ch t i n hình cho t ng 3nhóm t p ch t, các c u t trong h g m: etanol, n) c, n-propanol, iso-propanol, iso-

butanol, iso amyl ancohol, metanol, axit axetic, an ehyt axetic, etyl axetat

Trong ó, xác nh cân b ng pha l ng h i là khó nh t

V i các h dung d ch lý t ng hai c u t thông th ng, b ng m t tháp ch ng luy n, có th tách c riêng bi t c u t có nhi t sôi cao áy tháp và c u t có nhi t sôi th p nh tháp

tính toán quá trình ch ng luy n c n thi t ph i có các s li u v : ! "

- S li u cân b ng pha l ng - h i (" ng cân b ng pha l ng - h i)

Các s li u cân b ng pha l ng h i thông th" ng không có , %c bi t cho các

h nhi u c u t Các s li u cân b ng pha l ng - h i s n có hi n nay th" & ng ch cho

h 2 c u t , s li u cân b ng pha cho h 3, 4 c u t r t ít, cho h nhi u c u t "

th ng là không có s n Các s li u cân b ng pha l ng - h i thông th& " ng c xác

#

nh b ng th c nghi m, nh ng v i các h nhi u c u t , ph ng pháp này r t khó có

th th c hi n # c do kh i l" ng phân tích quá l n Hi n nay, d oán cân b ng #pha l ng - h i c a các h dung d ch nhi u c u t th ng s d ng các mô hình cân '

b ng pha Ph ng pháp này cho phép gi m th i gian, chi phí cho các thí nghi m, !

tuy nhiên các mô hình có kh n ng cho k t qu không úng, vì v y nh t thi t ph i ! ( ! !

ki m tra l i s phù h p c a mô hình b ng th c nghi m ) # #

2.1.1.Xác nh cân b ng pha l ng - h i c a h dung d ch nhi u c u t :

Xét h g m n c u t và hai pha l ng - h i nh hình 1

L i

V

0 i i i i

RTvRT

P i

n

Vv

, ,

∂

∂

Nh v y có th th y vi c xác nh h s fugat trong pha h i " i chính là vi c ϕ

tìm th tích mol riêng ph n c a c u t i trong h n h p *

0 i

i i

S i

dP RT

v f

S i

S i

T ph+ ng trình (2-4) ta th y fugat c a pha l ng ph thu c ch y u vào h '

s ho t " ) H s ho t " ) c a các c u t trong dung d ch c xác nh theo

ph ng pháp th c nghi m ho c d a vào các mô hình cân b ng pha l ng - h i # % #

2.1.1.1 Xác nh cân b ng pha c a h dung d ch nhi u c u t b ng ph ng

pháp th c nghi m:

)t n tr ng thái cân b ng T i ây, ti n hành l y m u, phân tích n ng ) ) , các c u

t trong pha l ng và pha h i

n nhi t sôi, h n h p h i bay lên theo ng d n vào khoang ch a phía trên và i

qua sinh hàn 8, c ng ng t và tu n hoàn v bình ch ng 1 Nhi t ' c a h n h p *

h i c xác nh b ng nhi t k 6 Khi quá trình làm vi c n - nh, cân b ng l ng -

h i c thi t l p (nhi t h i không -i, th i gian làm vi c l n kho ng 3h), !

ti n hành l y m u l ng và h i , ng th i (m u l ng l y t i bình ch ng 1, m u h i , ) ,

l y t i i m l y m u sau ng ng t 3) và phân tích n ng ) , ' c a các c u t b ng

ph ng pháp s c ký khí

Ph ng pháp th c nghi m có s d ng thi t b xác # ' nh cân b ng pha l ng -

h i c a dung d ch, thi t b này c thi t k , ch t o theo l a ch n cho phép nh n ) # $

2.1.1.2 Xác nh cân b ng pha c a h dung d ch nhi u c u t b ng ph ng pháp l p mô hình:

2.1.1.2.1 L a ch n mô hình cân b ng pha l ng h i cho h nhi u c u t :

T t c các mô hình cân b ng pha ! u t p trung vào vi c xác nh h s ho t " )

γi c a c u t i trong pha l ng b ng các ph ng pháp khác nhau

Các mô hình cân b ng pha th ng c s d ng là mô hình Wilson, mô hình 'NRTL, mô hình UNIQUAC, mô hình UNIFAC, mô hình Van Laar,

Các mô hình này u d a trên khái ni m n ng # c c b v i nh ng gi thi t ' 0 !sau ây:

- T i b m t phân t , n ng ) % trung bình c a các phân t j quay quanh phân t i không gi ng n ng " trung bình c a phân t j quay quanh tâm c a nó

- Thành ph n c c b c a lân c n phân t i-j ph thu c vào n ng l' ' ( ng

t ng tác c a các c p phân t i-i, i-j và j-j %

a Mô hình Wilson:[1]

- Mô hình n gi n, d xác ! 1 nh do ch ch a các thông s c a h hai c u t "

- Mô hình khá phù h p khi hai ch t l ng tan l n hoàn toàn ,

- V i các tr ng h p th c t khi h xu t hi n hai pha l ng phân l p thì mô # hình không áp d ng ' c, do v y mô hình này h u nh không c s d ng ' d #oán cân b ng pha l ng h i cho h nhi u c u t

b Mô hình NRTL (Non Random Two Liquid)[1]:

- Mô hình NRTL bi u di n t1 ng " "i t t cho cân b ng pha l ng h i, l ng

c Mô hình UNIQUAC ( Universal Quassi Chimical )[1]:

- Mô hình UNIQUAC cho k t qu d oán cân b ng pha l ng - h i phù h p ! #

v i các k t qu th c nghi m ! #

- Nh c i m c a mô hình này là s li u v các thông s c a mô hình không " "

y

d Mô hình UNIFAC [1], [26], [28], [29]

Mô hình UNIFAC ra i d a trên s k t h p mô hình UNIQUAC v i các # #

gi i pháp c a ph! ng pháp óng góp nhóm Theo mô hình UNIFAC, dung d ch

c xem nh c t o thành t các nhóm ch c thay vì c t o t các phân t Ví

d : trong dung d ch ch a Toluen và Axeton Toluen có th phân chia thành: 5 nhóm

CH, 1 nhóm C, 1 nhóm CH3 Axeton có th c chia thành 2 nhóm CH3 và 1 nhóm

CO Vi c chia thành các nhóm ch c này %t c s cho vi c hình thành mô hình cân

b ng pha UNIFAC

Mô hình cân b ng pha UNIFAC c xu t u tiên b i Fredenslund,

Jones, Prausnitz (Fredenslund, A., R L Jones, and J M Prausnitz, AIChE J., 21,

1086-1099 (1975)), và c phát tri n b i Fredenslund (Fredenslund, A., J,

Gemhling, M.L Michelsen, P Rasmussen, and J.M Prausnitz, Ind Eng Chem.,

Preocess Des Develop., 16, 450-462 (1977))

M c ích chính c a mô hình này là d a trên nh ng s li u th c nghi m v ' # 0 " #

cân b ng pha có s n c a h hai c u t & d oán cân b ng pha l ng - l ng, l ng - #

h i, l ng - l ng - h i cho nh ng h nhi u c u t khi không có các s li u th c 0 " #

i i i

i i i

i C

xlq

Zx

φφ

θφ

2lnln

)1()(

i i i

xr

xr

i k

i k

j m m

xv

xv

) (

• Ph m vi ng d ng r ng rãi: d oán ) ' # c cân b ng pha cho nh ng h ph c 0

t p 2 pha và nhi u pha, ) %c bi t mô hình UNIFAC có th áp d ng cho nh ng ' 0

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0