ĐỀ TÀI TÌM HIỂU QUY TRÌNH SẢN XUẤT CO2 TRONG SẢN XUẤT NƯỚC GIẢI KHÁT CÓ GAS

Quy trình sản xuất CO2 bằng công nghệ thu khí thải từ các nhà máy nhiệt điện 8 2.2.1.. Quy trình sản xuất CO 2 bằng phương pháp lên men bia rượu Trong quá trình lên men, một phần đường s

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

SẢN XUẤT NƯỚC GIẢI KHÁT CÓ GAS

Nhơn

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Văn Hồ Dương Thị Kiều My

Lê Y Ngọc Nguyễn Kiều Hoàng Sơn

Lê Kim Thoa

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 08, năm 2021

BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC

Dương Thị Kiều My 2005190344 Tổng quan về CO2 Đạt Ngô Minh Thư 2005190626

Quy trình sản xuất CO2 bằngcách đốt cháy dầu DO vớichất trung gian MEA

Lê Kim Thoa 2005190618 Quy trình sản xuất CO2 bằng

phương pháp lên men Đạt

Lê Y Ngọc (Nhóm

trưởng) 2005191183

Quy trình sản xuất CO2 bằngcông nghệ thu khí thải từ cácnhà máy nhiệt điệnQuy trình sản xuất CO2 bằngcách đốt cháy dầu DO vớichất trung gian MEA + Word

Đạt

LỜI MỞ ĐẦU

Rượu, bia là loại đồ uống đã được con người tạo ra và sử dụng từ lâu đời Rượu,bia là loại đồ uống có cồn được hình thành thông qua quá trình lên men, còn nướcgiải khát pha chế mới xuất hiện sau này, được sử dụng rộng rãi trong đời sốngthường nhật, giúp con người giải cơn khát, cung cấp năng lượng một cách nhanhchóng và sử dụng rất thuận tiện

Trong chương trình đào tạo ngành Công nghệ thực phẩm của hệ đại học, học phần

“Công nghệ sản xuất rượu, bia, nước giải khát” là học phần chuyên ngành Họcphần này cung cấp cho sinh viên các kiến thức cơ bản về sản xuất nước giải khát cógas, sản xuất bia, sản xuất rượu

Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Hoàng Thị Ngọc Nhơn đãtận tình chỉ bảo chúng em trong quá trình học tập và giúp chúng em hoàn thành bàitiểu luận này Chúng em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của cô để bài tiểuluận này được hoàn thiện hơn và để chúng em rút kinh nghiệm cho những bài sau.Những chỉ bảo của cô nhóm sẽ tiếp thu với lòng biết ơn sâu sắc nhất!

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH ẢNH iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU iv

Phần 1 Tổng quan về CO2 1

1.1 Nguồn gốc 1

1.2 Công dụng của CO2 trong nước giải khát có gas 1

Phần 2 Sản xuất CO2 trong sản xuất nước giải khát có gas 2

2.1 Quy trình sản xuất CO2 bằng phương pháp lên men bia rượu 2

2.1.1 Thuyết minh quy trình 4

2.2 Quy trình sản xuất CO2 bằng công nghệ thu khí thải từ các nhà máy nhiệt điện 8 2.2.1 Thuyết minh quy trình 8

2.3 Quy trình sản xuất CO2 bằng cách đốt cháy dầu DO với chất trung gian là monoethanol amine (MEA) 17

2.3.1 Thuyết minh quy trình 17

KẾT LUẬN 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Hệ thống thu hồi CO2 3

Hình 2.2 Quy trình xử lý CO2 5

Hình 2.3 Tổng quan về công nghệ CCS 8

Hình 2.4 Sơ đồ công nghệ thu giữ CO2 sau khi đốt nhiên liệu 9

Hình 2.5 Sơ đồ công nghệ sản xuất CO2 trước khi đốt nhiên liệu 10

Hình 2.6 Sơ đồ sản xuất CO2 khi đốt nhiên liệu bằng O2 10

Hình 2.7 Thiết bị hấp phụ CO2 13

Hình 2.8 Sơ đồ màng hấp phụ khí 13

Hình 2.9 Cơ chế tách khí của màng tách khí 14

Hình 2.10 Sơ đồ sản xuất CO2 bằng cách đốt cháy dầu DO 17

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Tổng hợp các công nghệ thu CO2 15Bảng 2.2 Đánh giá phương pháp tách CO2 16

- Từ phản ứng lên men của các nhà máy sản xuất cồn bia.

- Từ phản ứng đốt cháy dầu DO với chất trung gian là monoethanol amine(MEA)

Ngoài ra còn có thể thu hồi CO2 từ các nhà máy nhiệt điện

1.2 Công dụng của CO 2 trong nước giải khát có gas

CO2 góp phần tạo hương vị, mặc dù bản thân CO2 không có vị, nhưng khi hòa tantrong nước sẽ tạo ra một lượng nhỏ acid, điều này đủ tạo nên vị chua cho dung dịch

và kết hợp với vị chua acid cùng hương liệu tạo nên hương vị đặc trưng của sảnphẩm Ngoài ra, các bọt khí CO2 tự do cũng kích thích vòm miệng

Tác dụng như một chất bảo quản: CO2 ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật nêngóp phần trong việc bảo quản sản phẩm Các bọt khí CO2 sủi lên trên bề mặt sảnphẩm làm cho sản phẩm hấp dẫn hơn Ngoài ra một số người cho rằng: CO2 giúpcho sự tiêu hóa

Đặc tính của CO 2

CO2 là một khí nặng, không màu và gần như không mùi, không cháy, không ănmòn kim loại Khi tan trong nước, CO2 tạo thành một dung dịch acid nhẹ (acidcarbonic) có độ pH từ 3,2 đến 3,7 và không gây nguy hiểm cho vật liệu thôngthường Trong môi trường nhiều khí CO2, có thể gây ngạt thể vì nó cắt nguồn cungcấp oxygen, vì vậy, CO2 được dùng làm chất chữa cháy CO2 còn là nguyên liệuchính của phản ứng quang tổng hợp thực vật

CO2 thường hiện diện ở 3 trạng thái:

- CO2 ở dạng khí khi nhiệt độ trên 31,1oC

- CO2 sẽ hóa lỏng ở nhiệt độ thấp hơn 31,1oC Ở nhiệt độ bình thường, CO2 chỉ ởtrạng thái lỏng khi được nén ở áp xuất cao Vì vậy, CO2 lỏng luôn phải chứa trongbình chịu được áp xuất cao

- CO2 ở trạng thái rắn ở nhiệt độ - 56,6oC, có màu trắng như tuyết, được nénthành dạng viên và có tên thương mại là nước đá khô (dry ice)

CO2 rất dễ hòa tan trong nước Đây là đặc tính và là yếu tố quan trọng trongnghành sản xuất nước giải khát Ở nhiệt độ 15oC, một thể tích hấp thụ được một thểtích CO2, ta nói: nước bão hòa thể tích (1 volume) CO2 Phương pháp cơ bản để đohàm lượng CO2 bão hòa của một dung dịch là xác định số thể tích CO2 hoặc trọnglượng CO2 có trong dung dịch đó

Phần 2.Sản xuất CO 2 trong sản xuất nước giải khát có gas

2.1 Quy trình sản xuất CO 2 bằng phương pháp lên men bia rượu

Trong quá trình lên men, một phần đường sẽ được chuyển hóa thành sình khốinấm men và các sản phẩm phụ khác như rượu cao phân tử, acid hữu cơ, ester, Ngoài ra một phần khí CO2 được sinh ra có thể bị thất thoát trong quá trình thu hồi

Vì thế, trong thực tế người ta chỉ thu hồi được trung bình 70% lượng khí CO2 đượcsinh ra từ phương trình lên men nói trên

Khí CO2 được thu nhận từ quá trình lên men bia rượu sẽ bị lẫn các tạp chất dễbay hơi như aldehyt, rượu Vì thế, ta càn phải xử lý tinh sạch CO2

C Hệ thống giải nhiệt, làm mát cho các thiết bị trong hệ thống A và B

1 Bơm giải nhiệt

2 Quạt giải nhiệt

2.1.1 Thuyết minh quy trình

Gồm 2 phần chính:

Phần 1: Hệ thống nén CO 2 làm sạch và khử mùi khí CO 2

CO2 được đưa về Balon chứa khí CO2, CO2 đem qua tháp rửa để lọc bụi bẩn, sau

đó tách lỏng khi khí đi qua tháp rửa qua bình tách lỏng và đi vào đầu hút của máynén CO2 CO2 được nén sẽ đem qua các tháp sấy gồm thấp hấp thụ 2 lọc than hoạttính và tháp làm khô để lọc ra silicazen

Khí CO2 sau khi sấy trở thành khí nén và tinh khiết được hóa lỏng nhờ quá trìnhtrao đổi nhiệt với hệ thống lạnh qua thiết bị ngưng tụ CO2 và bình chứa CO2 lỏng.Khi cần sử dụng CO2, CO2 từ bình chứa CO2 lỏng sẽ được hóa hơi nhờ giàn hóa hơi

CO2

Phần 2: Hệ thống lạnh, hóa lỏng CO 2

Khí NH3 từ Bình tách lỏng máy nén lạnh vào đầu hút máy nén lạnh được nénthành khí ở áp suất cao Nhờ trao đổi với đường glycol lạnh trong bình ngưng tụ khí

NH3 thành NH3 lỏng và đem vào bình bình chứa cao áp

NH3 lỏng được làm lạnh khi đi qua van tiết lưu cấp tới thiết bị ngưng tụ CO2 đểtrao đổi nhiệt với CO2 nhằm hoá lỏng CO2 Sau trao đổi nhiệt, NH3 thành dạng khíchứa trong bình tách lỏng máy nén lạnh Kết thúc một chu kỳ làm lạnh

Phần 3: Hệ thống giải nhiệt

Nước qua tháp giải nhiệt được làm mát và cấp tới các máy nén (Máy nén CO2 vàMáy nén lạnh) nhằm làm mát máy và làm mát các khí được nén Sau khi làm mát,

nó được đưa trở lại tháp giải nhiệt

Xử lý CO 2 cho quá trình bão hòa:

a Sơ đồ quy trình xử ly

Tháp silicagelTháp than hoạt tínhMáy nén cấp 3Làm nguội, tách dầuMáy nén cấp 2Máy nén cấp 1: Tách dầuTách nước, lọc

Tháp nước: KMnO4, Na2CO3

Hỗn hợp khí CO2, tạp chất

Bồn chứa khí CO2Thiết bị ngưng tụ

Hình 2.2 Quy trình xử lý CO2

b Giải thích quy trình

CO2 thu được từ phản ứng lên men hay từ phản ứng đốt cháy thường vẫn còn cómột số tạp chất như dầu, các khí khác như O2, SO2, và các mùi, vị lạ , các tạpchất này sẽ ảnh hưởng đến quá trình bão hòa CO2 và chất lượng của sản phẩm Do

đó, CO2 phải được xử lí trước khi đưa vào sản xuất

Hỗn hợp khí từ qúa trình thu hồi sẽ được đưa qua tháp nước Khi đó, một số tạpchất hòa tan được trong nước sẽ được tách bỏ, đồng thời hỗn hợp khí sẽ được làmmát Tiếp theo, hỗn hợp sẽ được đưa vào tháp kế tiếp có chứa monoethanol amine(MEA) Tại đây, CO2 sẽ được hấp thụ bởi MEA, còn các khí tạp sẽ được thoát rangoài Hỗn hợp MEA và CO2 sẽ được đưa tiếp vào tháp giải nhiệt rồi đi vào tháphấp để thu hồi MEA Riêng khí CO2 sẽ đi vào tháp làm mát để giảm nhiệt độ và đitiếp vào tháp để tiếp tục tinh sạch Trong tháp khí CO2 được xử lí bằng KMnO2

nhằm tách bỏ các tạp chất khử Rời tháp, khí CO2 sẽ được đưa đi vào tháp có chứa

Na2CO3: các hợp chất acid sẽ được loại bỏ Sau đó, khí CO2 sẽ được đưa vào tháp đểtách nước và đi vào thiết bị nén 3 cấp để tinh sạch CO2 để đưa vào sử dụng

Khí CO2 được đi qua các bình chứa nước, các dung dịch thuốc tím KMnO4 vàcarbonate natri (nồng độ 6g/L) để loại bỏ các tạp chất Tại đây, dung dịch KMnO4

được sử dụng như một tác nhân để rửa CO2 nhằm tách một số tạp chất như aldehyt,rượu Sau đó, khí CO2 được chuyển tới tháp để tách nước Quá trình tách nướcđược thực hiện theo phương pháp ly tâm Tiếp theo, khí CO2 qua bộ phận lọc để đivào máy nén khí ba cấp

Tại máy nén khí, đầu tiên CO2 sẽ vào bộ phận nén khí cấp một và được nén épđến áp suất 0,785 MPa; kế đến, khí CO2 sẽ đi vào thiết bị trao đổi nhiệt rồi đến thiết

bị tách dầu Tiếp theo, CO2 sẽ đi vào bộ phận nén khí cấp hai và được nén đến ápsuất 2,36- 2,75 MPa Rời bộ phận CO2 sẽ được làm nguội trong thiết bị trao đổinhiệt và được tách dầu trong trong thiết bị Cuối cùng, CO2 được dẫn vào bộ phậnnén khí cấp ba đến áp suất 6,38-6,87 MPa rồi được làm nguội trong thiết bị trao đổinhiệt và tách dầu trong thiết bị

Rời máy nén khí cấp ba, CO2 sẽ đi vào tháp có chứa than hoạt tính Tại đây, than

sẽ tách các tạp chất còn sót lại trong dòng khí CO2 Sau đó, khí CO2 sẽ đi vào tháp

có chứa silicagel để tách phần hơi nước còn sót lại Ở giai đoạn sau cùng, khí CO2

sẽ đi vào thiết bị ngưng tụ, được làm lạnh và chuyển sang dạng lỏng Ở áp suất6,38-6,87 MPa; CO2 lỏng từ thiết bị ngưng tụ sẽ qua van tiết lưu với áp suất 2,36-2,75 MPa để đi vào bồn trung gian Từ đây, CO2 sẽ qua van tiết lưu để đi vào bồnchứa sản phẩm

c Các yếu tố ảnh hưởng

Sự hòa tan của một chất khí trong chất lỏng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chẳnghạn như: bản chất hóa học của chất khí và chất lỏng, áp suất riêng phần của chất khítrên chất lỏng, nhiệt độ của hệ Yếu tố quan trọng nhất là nhiệt độ và áp lực.Trong công nghệ sản xuất nước giải khát, người ta sẽ kiểm soát 2 yếu tố trên trongquá trình bão hòa CO2 của các sản phẩm

Nhiệt độ: Sự hấp thụ CO2 tỷ lệ nghịch với nhiệt độ Cùng với áp suất, nhiệt độcàng giảm hoặc nhiệt độ càng lạnh Nước hấp thụ nhiều CO2 hơn Ví dụ, ở cùng ápsuất không khí ở nhiệt độ 21,1°C, một thể tích nước có thể hấp thụ 0,85 thể tích

CO2 Ở 10°C, nước hấp thụ 1,19 thể tích CO2 Nhiệt độ trên 210°C đòi hỏi áp suấtcao để bão hòa CO2 Độ bão hòa này không ổn định hoặc nếu giả định là bão hòa thì

sự kết hợp giữa nước và CO2 sẽ xấu đi Trong công nghệ nước giải khát hỗn hợp,quá trình bão hòa CO2 cho sản phẩm thường được thực hiện ở nhiệt độ 1 - 20°C

Áp suất: Lượng CO2 hấp thụ tỉ lệ thuận với áp suất, ở nhiệt độ 15,6oC áp suất khíquyển, nước hấp thụ một thể tích CO2 khi ở trong bình kín, khi tăng áp suất lên 4lần nước làm cho nó hấp thụ 4 thể tích CO2 Khi ta cho một hỗn hợp gồm nhiềuchất khí khác nhau vào một chất lỏng thì nồng độ của mỗi chất khí trong dung dịchphụ thuộc vào áp suất riêng phần và mức độ cô đặc khả năng hòa tan của nó Do

đó, sự hiện diện của không khí trong nước hoặc trong CO2 thô không chỉ làm giảmkhả năng hòa tan

Các yếu tố khác:

Các yếu tố khác ảnh hưởng đến độ bão hòa CO2 trong sản phẩm: Nồng độ các chấthòa tan trong nước có ảnh hưởng lớn đến mức độ bão hòa CO2 của chất lỏng Hầuhết các chất điện ly, đặc biệt là các muối có độ cứng, làm giảm khả năng hòa tancủa CO2 Diện tích tiếp xúc: Khi tăng diện tích tiếp xúc giữa CO2 và khối chất lỏngthì khả năng hòa tan CO2 trong khối chất lỏng này tăng lên Nước chứa nhiều khôngkhí và tạp chất Bình rửa không sạch Xi-rô vẫn còn nóng và nổi bọt Áp suất CO2

cung cấp cho máy không ổn định

2.2 Quy trình sản xuất CO 2 bằng công nghệ thu khí thải từ các nhà máy nhiệt điện

Công nghệ thu giữ CO2 (cacbon capture and storage – CCS) này giúp giảm lượngkhí thái CO2 từ nguồn phát lớn như nhà máy nhiệt điện bằng cách tách khí CO2

trong khí thải, sau đó lưu trữ địa chất, hoặc sử dụng cho các mục đích thương mạikhác Công nghệ này có thể giảm hơn 80% phát thải CO2 vào khí quyển từ các nhàmáy điện

Hình 2.3 Tổng quan về công nghệ CCS

2.2.1 Thuyết minh quy trình

a Công nghệ thu giữ CO 2

Có 3 công nghệ thu giữ CO2:

Công nghệ thu CO 2 sau khi đốt nhiên liệu (post - combustion)

Công nghệ thu CO2 sau khi đốt nhiên liệu, khói thải từ buồng đốt không xả trựctiếp ra khí quyển mà đi qua thiết bị tách Tại đây, khí CO2 được tách ra và thu giữlại Phần khói thải còn lại không chứa CO2 hoặc chỉ có một lượng rất nhỏ được xả

ra môi trường Khói thải đi ra từ các hệ thống cháy thường ở áp suất khí quyển.Hàm lượng CO2 trong khói thải phụ thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng (từ 3% thểtích khói thải của nhà máy nhiệt điện khí tới dưới 15% thể tích của nhà máy nhiệtđiện than) Các tạp chất trong nhiên liệu rất quan trọng đối với việc thiết kế và chiphí đầu tư cũng như vận hành của một nhà máy hoàn chỉnh Khí thải ra khi đốt cháythan bao gồm CO2, N2, O2, H2O và các chất gây ô nhiễm không khí khác như SOx,

NOx, bụi Các tạp chất trên nếu không được tách ra trước khi đưa vào thiết bị tách

CO2 sẽ làm giảm hiệu suất tách CO2, ăn mòn thiết bị, tiêu hao dung môi hấp thụ, do

đó các thiết bị tiền xử lý loại bỏ chúng là rất cần thiết

Công nghệ thu CO 2 trước khi đốt (pre-combustion)

Nhiên liệu được chuyển hóa thành CO2 và H2 sau đó CO2 được tách riêng và sửdụng H2 làm nhiên liệu đưa vào buồng đốt Công nghệ này xử lý khói thải có thànhphần CO2 hơn 40% Ưu điểm của công nghệ thu CO2 trước khi đốt là khói thải sinh

ra ở áp suất cao và nồng độ CO2 trong khói thải cao (15 - 60%) nên làm giảm chiphí tách CO2 Tuy nhiên, do nhiên liệu phải được chuyển hóa thành khí tổng hợp

Hình 2.4 Sơ đồ công nghệ thu giữ CO 2 sau khi đốt nhiên liệu

nên thiết kế của nhà máy hoàn toàn khác với công nghệ của các nhà máy nhiệt điệnthông thường Do đó, công nghệ thu CO2 trước khi đốt chỉ phù hợp với các nhà máynhiệt điện trong giai đoạn thiết kế Nếu áp dụng cho các nhà máy nhiệt điện đã đivào hoạt động thì chi phí thay đổi công nghệ rất lớn và không khả thi.

Công nghệ thu CO 2 khi đốt nhiên liệu bằng O 2

Công nghệ này sử dụng O2 thay không khí để đốt nhiên liệu Sản phẩm (khí thải)

có thành phần chính là CO2 và nước Nhiệt độ cháy của quá trình đốt nhiên liệu với

O2 rất cao (khoảng 3.500oC) Nhiệt độ cháy được giới hạn bằng cách điều chỉnh tỷ

lệ khói thải, nước hoặc khí tuần hoàn tại buồng đốt (trong turbine khí khoảng 1.300

- 1.400oC, trong lò hơi đốt than khoảng 1.900oC)

Hình 2.5 Sơ đồ công nghệ sản xuất CO2 trước khi đốt nhiên liệu

Khí thải sau khi làm lạnh để ngưng tụ hơi nước chứa khoảng 80 - 98% CO2 (phụthuộc vào nhiên liệu sử dụng và quá trình cháy O2 - nhiên liệu) Dòng khí CO2 nàyđược nén, làm khô và làm sạch trước khi chuyển đến khu vực lưu trữ Hiệu suất của

hệ thống thu CO2 bằng đốt O2 nhiên liệu xấp xỉ 100% Điều kiện vận hành côngnghệ là ở áp suất thường và nhiệt độ rất cao Ưu điểm của công nghệ thu CO2 khiđốt nhiên liệu bằng O2 chính là khói thải chỉ có CO2 và H2 O nên dễ dàng thu được

CO2 sạch, đồng thời giảm phát thải NOX đến 90% Tuy vậy, hệ thống tách O2 từ

không khí lại rất đắt tiền Bên cạnh đó, nhiệt độ vận hành cao nên vật liệu của thiết

bị cần được thiết kế đặc biệt dẫn đến chi phí đầu tư và vận hành cao

b Các phương pháp tách CO 2 từ khói thải của các nhà máy nhiệt điện

Quá trình tách CO2 từ khói thải bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 70 củathế kỷ XX Đầu năm 1980, Mỹ đã xây dựng một số nhà máy thu tách CO2 Đếntháng 9/1996, phương pháp hấp thụ CO2 được thương mại hóa đầu tiên ở Na Uy.Các phương pháp tách CO2 từ khói thải gồm: hấp thụ, hấp phụ, màng tách và làmlạnh Trong đó, phương pháp được sử dụng nhiều nhất là hấp thụ hóa học sử dụngdung môi amine

Phương pháp này chủ yếu sử dụng dung môi hóa học tái sinh là các bazơ yếu.Bản chất của phương pháp hấp thụ hóa học là phản ứng hóa học giữa dung môibazơ và khí CO2 (có tính acid) để tạo thành dung dịch muối tan Trong quá trình táisinh dung môi, các muối này có thể phân hủy bởi nhiệt Các dung môi thường dùng

là monoethanolamine (MEA), methyldiethanolamine (MDEA), diethanolamine(DEA) Phản ứng cơ sở của phương pháp này như sau:

2HO-R-NH2 + CO2 + H2 O ↔ (HO-R-NH3 )2CO3

Hình 2.6 Sơ đồ sản xuất CO2 khi đốt nhiên liệu bằng O2