tổng quan về công nghệ rượu cồn

Hiện nay, trong nhiều ngành sản suất hóa học cũng như sử dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp với quy trình sản suất hoặc nh

LỜI MỞ ĐẦU

Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung, đó là ngành công nghiệp hóa học Đặc biệt là ngành hóa chất cơ bản

Hiện nay, trong nhiều ngành sản suất hóa học cũng như sử dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp với quy trình sản suất hoặc nhu cầu sử dụng

Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp thích hợp

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹû sư hoá- thự c phẩm tương lai Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹû thuật thực tế một cách tổng hợp

Em chân thành cảm ơn các quí thầy cô bộ môn Máy & Thiết Bị, các bạn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án này Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án không thể không có sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn

MỤC LỤC

CHƯƠNG 0:PHẦN MỞ ĐẦU

0.1 ĐẶT VẤN ĐỀ………4

0.2 MỤC TIÊU THIẾT KẾ……….4

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ RƯỢU CỒN I.1 SƠ LƯỢC VỀ TÌNH HÌNH SẢN XUẤT CỒN VÀ NHU CẦU SỬ DỤNG Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI 5

I.2 NGUYÊN LIỆU DÙNG TRONG SẢN XUẤT RƯỢU 6

I.3 SẢN PHẨM CỒN TINH LUYỆN………7

CHƯƠNG II: CHƯNG CẤT TINH CHẾ CỒN ETYLIC II.1 KHÁI NIỆM……….9

II.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT……… 9

II.3 THIẾT BỊ CHƯNG CẤT……….9

II.4 SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN TỪ GẠO II.4.1 Sơ đđồ khối………10

II.4.2.đSơ đồ công nghệ……….11

II.4.3 Giải thích quy trình công nghệ………12

CHƯƠNG III: CÂN BẰNG VẬT CHẤT III.1 CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU……….15

III.2 CƠ SỞ LÍ THUYẾT III.2.1 Cân bằng pha-xét hệ cân bằng lỏng hơi hệ 2 cấu tử A&B……….15

III.2.2 Cân bằng vật chất……….16

III.2.3 Cân bằng năng lượng………18

III.3 XÁC ĐỊNH PHÂN MOL-PHÂN KHỐI LƯỢNG-SUẤT LƯỢNG MOL CỦA CÁC DÒNG……….19

III.4 XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP III.4.1 Chỉ số hồi lưu tối thiểu Rm………20

III.4.2 Chỉ số hồi lưu thích hợp Rth……… 20

III.5 PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC III.5.1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất………22

III.5.2 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng……….22

CHƯƠNG IV :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT IV.1 ĐƯỜNG KÍNH THÁP Dt IV.1.1 Đường kính đoạn cất ………23

IV.1.2 Đường kính đoạn chưng……… 24

IV.2 CHIỀU CAO THÁP : H=Hthân+Hđáy +Hnắp IV.2.1 Số mâm lý thuyết Nlt………25

IV.2.2 Số mâm thực tế Ntt………26

IV.2.3 Chiều cao toàn tháp……… 26

IV.3 MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM IV.3.1 Cấu tạo mâm lỗ ………27

IV.3.2 Bề dày mâm 29

IV.3.3 Trở lực (độ giảm áp) của pha khí qua một mâm 30

IV.3.4 Kiểm tra hoạt động của mâm………31 IV.4 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP

IV.4.1 Bề dày thân tháp ……… 33

IV.4.2 Bề dày đáy và nắp thiết bị 34

IV.4.3 Bích ghép thân, đáy và nắp 34

IV.4.4 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn 35

IV.4.5 Tai treo và chân đỡ……….38

CHƯƠNG V : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ V.1 THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH 40

V.1.1 Suất lượng nước cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh 40

V.1.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt 41

V.1.3 Cấu tạo thiết bị 43

V.2 THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐỈNH 43

V.2.1 Suất lượng nước cần dùng để làm nguôi sản phẩm đỉnh 44

V.2.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt 44

V.2.3 Cấu tạo thiết bị 47

V.3 THIẾT BỊ ĐUN SÔI ĐÁY THÁP 47

V.3.1 Suất lượng hơi nước cần dùng để đun sôi sản phẩm đáy 47

V.3.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt 47

V.3.3 Cấu tạo thiết bị 49

CHƯƠNG VII: TÍNH KINH TẾ 50 Lời kết

Tài liệu kham thảo

CHƯƠNG 0:PHẦN MỞ ĐẦU 0.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Cơng nghệ cồn Etylic là phương pháp và quá trình chế biến các nguyên liệu chứa tinh bột, đường, xenluloza, Etylen thành sản phẩm Etanol

Đối với hệ Etanol - Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Etanol

0.2 MỤC TIÊU THIẾT KẾ

Thiết kế dây truyền sản xuất cồn từ nguyên liệu gạo Thiết bị chính là tháp chưng cất hệ Etanol - Nước hoạt động liên tục với năng suất 100 m3/ngày, có nồng độ 95% thể tích etanol với độ thu hồi etanol là 99%,dùng tháp chưng cất loại đĩa lỗ có ống chảy chuyền

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ RƯỢU CỒN I.1 SƠ LƯỢC VỀ TÌNH HÌNH SẢN XUẤT CỒN VÀ NHU CẦU SỬ DỤNG Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI

Hầu hết các nước trên thế giới đều dùng cồn để pha chế rượu và cho các nhu cầu khác như: y tế, nhiên liệu và nguyên liệu cho các ngành cơng nghiệp khác

Tuỳ theo tình hình phát triển của mỗi nước, tỷ lệ cồn dùng trong các ngành rất đa dạng và khác nhau ở các nước cĩ nền cơng nghiệp rượu vang phát triển như Italia, Pháp, Tây ban nha… cồn được dùng để tăng thêm nồng độ rượu Một lượng khá lớn cồn được dùng để pha chế các loại rượu mạnh, cao độ như Whisky, Martin, Brandy, Napoleon, Rhum… Rượu và các đồ uống cĩ rượu chiếm một vị trí đáng kể trong cơng nghiệp thực phẩm Chúng rất đa dạng tuỳ theo truyền thống và thị hiếu của người tiêu dùng mà các nhà sản xuất làm ra nhiều loại rượu mang tên khác nhau Tuy nhiên cĩ thể chia thành 3 loại chính: rượu mạnh cĩ nồng độ trên 30% V, rượu thơng thường cĩ nồng độ từ 15 đến 30 % V, và rượu nhẹ cĩ nồng độ dưới 15% V

Ở nước ta, nghề nấu rượu thủ cơng đã cĩ từ ngàn xưa và chưa cĩ tài liệu nào cho biết chính xác cĩ từ khi nào ở miền núi, đồng bào các dân tộc dùng gạo, ngơ, khoai, sắn, nấu chín rồi cho lên men, men này được lấy từ một số lá cây hoặc được nuơi cấy thuần khiết hơn Sản phẩm nổi tiếng là rượu cần ở đồng bằng, nhân dân biết nuơi cấy và phát triển nấm mốc, nấm men trong thiên nhiên trên mơi trường thích hợp, gạo và các nguyên liệu khác nhau cĩ chứa tinh bột đã được nấu chín Đĩ gọi là men thuốc bắc

Sau đĩ một loạt các nhà máy sản xuất rượu từ nguyên liệu tinh bột được thành lập như ở

Hà Nội, Nam Định, Hải Dương,… Sau này cĩ xây dựng thêm một số nhà máy sản xuất cồn rượu từ mật rỉ tận dụng mật rỉ của các nhà máy đường

Trước tình hình đĩ Trong hội thảo “Dự án chiến lược phát triển khoa học cơng nghệ ngành rượu bia nước giải khát “,theo đề nghị của các chuyên gia đến năm 2005 nước ta nên cĩ khoảng 180 đến 200 triệu lít rượu các loại, tương đương khoảng 50 triệu lít cồn tinh khiết Trong đĩ cồn từ nguyên liệu tinh bột chiếm 30-40 %, số cịn lại là cồn từ rỉ đường Cồn tinh bột trước mắt do nhà máy rượu Bình Tây, Hà Nội và Thanh Ba đảm nhiệm nhưng cần hồn chỉnh cơng nghệ và thiết bị để cĩ thể sử dụng hết năng suất thiết

kế Đồng thời xây dựng thêm một số nhà máy rượu rỉ đường ở những nơi cĩ mật rỉ Nếu khơng làm sẽ dẫn đến lãng phí lượng rỉ do các nhà máy đường thải ra

Song song với sản xuất các loại rượu uống chúng ta cần nhanh chĩng triển khai sản xuất acid axetic, acid xitric từ rỉ đường để cung cấp cho nhu cầu của ngành cao su và các ngành kinh tế khác Trước mắt cĩ thể phối hợp với chương trình năng lượng nghiên cứu

sử dụng cồn vào mục đích thay thế chất đốt Điều này sẽ vơ cùng cĩ lợi vì cồn cháy sẽ ít ảnh hưởng đến mơi trường như dầu hoả, lại hạn chế được cả tình trạng phá rừng lấy củi đốt

Chúng ta cần đổi mới quan niệm “cồn chỉ để pha rượu uống “ Trong tương lai khơng xa nữa, chắc chắn rằng cồn ở nước ta cũng trở thành nguyên liệu cho nhiều ngành sản xuất khác như nhiều nước đã và đang làm

Tuỳ theo nồng độ rượu và mức độ làm sạch tạp chất mà người ta chia cồn thành 2 loại với các chỉ tiêu chất lượng như sau:

Bảng 2.1 – Phân loại cồn theo TCVN – 71

Hàm lượng aldehyt tính theo Aldehytaxetic, mg/l 8 20

Hàm lượng este tính theo Axetat etyl, mg/l ≤ 30 50

Hàm lượng dầu fusel tính theo alcol izoamylic và izobutylic

cĩ

Khơng được

cĩ

I.2 NGUYÊN LIỆU DÙNG TRONG SẢN XUẤT RƯỢU

Ethanol có thể được sản xuất bằng phương pháp hóa học hoặc sinh học.Hiện nay trên thế

giới ,ethanol chủ yếu được sản xuất bằng phương pháp sinh học.Trong phương pháp này

người ta có thể sử dụng những nguồn sau đây:

Nguyên liệu chứa tinh bột gồm có: +Các loại ngũ cốc như gạo, bắp, lúa mạch, đại mạch,…

+ Các loại củ như khoai tây, khoai mì,…

Nguyên liệu chứa đường: bao gồm saccharose dạng tinh thể hoặc dạng dung dịch, nước

mía, dịch chiết từ củ cải đường, các loại syrup glucose, maltose có nguồn gốc từ tinh bột ,

mật rỉ

Nguyên liệu chứa cellulose như bã mía, dăm bào, mạt cưa,…

Những nguồn nguyên liệu khác: huyết thanh sữa(phụ phẩm của công nghiệp sản xuất phô

mai),waste sulphite-liquor(phụ phẩm của công nghiệp sản xuất giấy)…

Ở nước ta, những nguồn nguyên liệu chính được dùng để sản xuất ethanol là gạo,khoai mì

và mật rỉ từ mía

Trong đồ án này giới thiệu qui trình sản xuất ethanol từ gạo

Gạo(Oryza sativa): hạt gạo gồm có 3 thành phần chính là nội nhũ (chiếm 93% trọng lượng

hạt), mầm (4%) và lớp vỏ cám (3%) Hàm lượng các hợp chất hóa học trong các thành

phần trên được trình bày trong bảng sau:

Các hợp chất Tinh bột Protein Chất béo Chất xơ Khoáng Các chất khác

-Tinh bột là thành phần quan trọng nhất trong gạo để sản xuất ethanol Hàm lượng tinh bột

trong gạo càng cao thì hiệt suất thu hồi sản phẩm sẽ càng cao.Tinh bột gạo gồm có amylose

(15-35%) và amylopectin (65-85%) Trong nội nhũ, tinh bột ở dạng hạt vời kích thước trung

bình 3-8μm Các hạt tinh bột gạo có cấu trúc rất chặt chẽ Đây là lí do khiến cho nhiệt độ hồ

hóa của tinh bột gạo (61-78oC) cao hơn so với các loại tinh bột khác

-Thành phần protein trong hạt gạo gồm: albumin 5%; globulin 10%; prolamin (oryzin) 5% và glutelin (oryzenin) 80% Phần lớn các protein này không hòa tan được vào môi trường lên men

Chế phẩm enzyme thủy phân tinh bột:

- Chế phẩm α-amylase chịu nhiệt: được sản xuất từ vi khuẩn Bacillus lichemiformis hoặc

Bacillus stearothermophilus Nhiệt độ tối ưu của chúng là 90-95oC Khi gia nhiệt đến

105oC, enzyme vẫn không bị vô hoạt hòan tòan Enzyme này xúc tác thủy phân liên kết 1,4 glycoside ở giữa mạch phân tử tinh bột để làm giảm độ nhớt của khối cháo trong giai đoạn hồ hóa và dịch hóa tinh bột

α Chế phẩm glucoamylase: được thu nhận từ các loài thuộc giống Aspergillus Rhizopus Endomycopsis, Endomyces… Nhiệt độ tối ưu là 45-65oC Enzyme này xúc tác thủy phâân liên kết α-1,4 glycoside từ đầu không khử các mạch phân tử tinh bột để tạo sản phẩm glucose

Nước :

-Nước công nghệ được sử dụng trong hai giai đoạn : thủy phâân tinh bột trong gạo và hiệu chỉnh nồng độ chất khô của mơi trường trước khi lên men Theo Marintrenko và cộng sự (1981) thì độ cứng của nước không vượt quá 7mg đương lượng/ lít

Giống vi sinh vật :

-Trên thế giới, có hai loài vi sinh vật được dùng để lên men ethanol trong sản xuất công

nghiệp: nấm men Saccharomyces cereviside và vi khuẩn Zymomonas mobilis

-Ưu điểm của vi khuẩn là có thể thực hiện quá trình lên men trong môi trường có nồng độ glucose rất cao (40%) Ngoài ra, vi khuẩn có tốc độ sinh trưởng riêng, tốc độ sử dụng cơ chất và sinh tổng hợp sản phẩm cũng cao hơn so với nấm men Ở nước ta, nấm men là vi sinh vật truyền thống được sử dụng để lên men ethanol Hiện nay, các nhà máy ở Việt Nam vẫn đang sử dụng nấm men để sản xuất ethanol

-Theo lí thuyết, cứ 100g đường glucose được lên men thì sẽ tạo ra 51 g ethanol Tuy nhiên,hiệu suất chuyển hóa glucose thành ethanol trong thực tế không thể vượt quá 90-95%

so với giá trị lí thuyết

Các nguyên liệu phụ khác :

-Các hợp chất dinh dưỡng cho nấm men : do hàm lượng các chất nitơ trong gạo rất thấp và phần lớn không hòa tan được vào môi trường lên men nên việc bổ sung thêm các hợp chất nitơ vào môi trường là rất cần thiết Các hợp chất nitơ thường được sử dụng là muối ammonium hoặc ure Ngoài ra ca1cv nhà sản xuất còn bổ sung phosphore và các hợp chất

vi lượng(là chất chiết nấm men hoặc dịch chiết từ mầm ngũ cốc) cho nấm men để sử dụng cho quá trình lên men ethanol

-Chất chỉnh pH : thường sử dụng acid vô cơ như HCl, H2SO4,

-CaCl2 :xúc tác sử dụng trong qúa trình thủy phân tinh bột để ổn định hoạt tính của enzyme α-amylase

I.3 SẢN PHẨM CỒN TINH LUYỆN

Chất lượng của cồn tinh luyện được đánh giá thông qua hai nhóm chỉ tiêu: cảm quan &

-Chỉ tiêu cảm quan

+Trạng thái: chất lỏng trong suốt

+Màu sắc: không màu

+Mùi: đặc trưng của ethanol

-Chỉ tiêu hóa lí : (tiêu chuẩn của CHLB Nga)

2 Aldehyde (tính theo aldehydehyde acetic) mg/L Không lớn hơn 2

4 Ester (tính theo ethyl acetate) mg/L Không lớn hơn 3

Cồn tinh luyện được bảo quản trong thiết bị kín bằng thép không rỉ Thiết bị được

đặt nơi thóang mát Để hạn chế sự tổn thất rượu trong quá trình bảo quản, các nhà sản xuất

thường sử dụng một dụng cụ được gọi là bẫy rượu và được lắp đặt tại đỉnh của các thiết bị

chứa sản phẩm

Chưng luyện là quá trình phân tách hổn hợp lỏng xảy ra ở nhiều bậc;lặp lại quá trình bay hơi

và ngưng tụ riêng phần; các hỗn hợp được phân tách trên bề mặt tiếp xúc pha

II.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT

Phân loại theo áp suất làm việc

- Áp suất thấp: dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hoặc cĩ nhiệt độ sơi quá cao

- Áp suất thường: hay đđược sử dụng (chưng rượu,acid,dầu mỏ,…)

- Áp suất cao: khi hỗn hợp khơng hĩa lỏng ở nhiệt độ thường (sản xuất O2, N2 từ khơng khí) Phân loại theo nguyên lý làm việc

- Chưng cất đơn giản

- Chưng bằng hơi nước trực tiếp

- Chưng cất đa cấu tử

Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp

- Cấp nhiệt trực tiếp

- Cấp nhiệt gián tiếp

Vậy đối với hệ ethanol - nước, ta nên chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián

- Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo giống nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:

- Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s…

- Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh

- Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp:

Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp

Ưu

điểm

- Cấu tạo khá đơn giản

- Trở lực thấp

- Làm việc được với chất lỏng bẩn

- Trở lực tương đối thấp

- Hiệu suất khá cao

- Khá ổn định

- Hiệu suất cao

Nhược

điểm

- Do có hiệu ứng thành nên hiệu suất

truyền khối thấp

- Độ ổn định thấp, khó vận hành

- Khó tăng năng suất

- Thiết bị khá nặng nề

- Không làm việc được với chất lỏng bẩn

- Kết cấu khá phức tạp

- Có trở lực lớn

- Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp

Trong báo cáo này ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ ethanol - nước

THÁP ĐĨA LỖ CĨ ỐNG CHẢY TRUYỀN

Ưu điểm : chế tạo đơn giản , vệ sinh dễ dàng , trở lực thấp hơn tháp chĩp , ít tốn kim loại hơn

tháp chĩp ,sự tiếp xúc giữa 2 pha lỏng –khí là khá tốt nên cĩ độ chuyển hĩa tốt

Nhược điểm :yêu cầu lắp đặt cao : mâm lắp phải rất phẳng , đối với những tháp cĩ đường

kính quá lớn (>2.4m) ít dùng mâm xuyên lỗ vì khi đĩ chất lỏng phân phối khơng đều trên

mâm;phải điều khiển tốc độ của dịng khí sao cho đĩa làm việc ở chế độ tốt nhất (nghĩa là lớp

chất lỏng trên đĩa khơng cịn mà chỉ cịn bột linh động và xốy)

II.4 SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN TỪ GẠO

II.4.1 Sơ đồ khối

Chưng cất và tinh luyện

ấCấy giống

Nghiền Thủy phân tinh bột

Chuẩn bị mơi trường Làm nguội

Lên men

Tách tạp chất Gao

Ethanol tinh luyện

Tạp chất

Nước

Chế phẩm amylase Chất chỉnh pH CaCl2

Hợp chất chứa N P,

chất vi lượng

Nhân iố

Nấm men

1 số chất dễ bay hơi Hèm

II.4.2 Sô ñồ coâng nghệ

II.4.3 Giải thích quy trình coâng nghệ

II.4.3.1 Tách tạp chất:

Mục đích công nghệ: chuẩn bị

Gạo có thể bị lẫn các tạp chất, đáng chú ý nhất là các tạp chất kim loại Chúng sẽ ảnh hưởng đến thiết bị nghiền Do đó việc tách kim loại trước khi nghiền gạo là rất cần thiết

Các biến đổi của nguyên liệu

Tách từ là một quá trình phân riêng nhằm loại bỏ các tạp chất từ tính ra khỏi gạo Quá trình này không gây ra những biến đổi hóa học trong hạt nguyên liệu

Nguyên lí hoạt động của thiết bị tách từ dạng thùng quay:

Phần chính của thiết bị là bộ phận điện từ sẽ tạo ra từ trường nhờ dòng điện Thùng quay được làm bằng nhôm hoặc đồng thau sẽ quay xung quanh bộ phận điện từ Gạo từ phễu nạp liệu sẽ rơi xuống thùng quay.Các tạp chất từ sẽ bám vào thùng quay Gạo đã được làm sạch sẽ thoát

Các biến đổi của nguyên liệu

Biến đổi quan trọng nhất trong quá trình nghiền là giảm kich thước hạt gạo Ngoài ra, nhiệt độ của nguyên liệu sẽ tăng do xuất hiện sự ma sát

Thiết bị

Các nhà sản xuất có thể sử dụng thiết bị nghiền búa hoặc thiết bị nghiền dĩa Kích thước hạt sau quá trình nghiền càng mịn thì quá trình thủy phân tinh bột sẽ diễn ra càng dễ dàng nhưng chi phí năng lượng cho quà trình nghiền sẽ gia tăng

II.4.3.3 Thủy phân tinh bột

Mục đích công nghệ: khai thác

Các biến đổi của nguyên liệu

Quá trình thủy phân tinh bột thành đường bao gồm ba giai đoạn: hồ hóa, dich hóa và đường hóa

Vật lý và hóa lý: trong giai đoạn hồ hóa, hạt tinh bột sẽ hút nước, thể tích hạt tăng,độ nhớt của hỗn hợp cũng tăng lên Trong giai đoạn dịch hóa, cấu trúc hạt tinh bột bị phá vỡ và giải phóng

ra các sợi amylase, amylopectin dạng tự do,độ nhớt của hỗn hợp sẽ giảm xuống

Hóa học và hóa sinh: nhờ xúc tác của hệ amylase, tinh bột sẽ bị thủy phân thành đường glucose, maltose, maltotriose và một số oligosaccharide khác Ngoài ra, nếu chúng ta dịch hóa

ở nhiệt độ cao phản ứng Maillard sẽ xảy ra, một phần đường sẽ bị phân hủy tạo nên các hợp chất làm cho dịch thủy phân bị sậm màu

Hiện nay có rất nhiều quy trình thủy phân tinh bột thành đường Trong phần tiếp theo, chúng tôi sẽ giới thiệu quy trình sử dụng phương pháp xử lý nguyên liệu ở nhiệt độ cao và áp suất cao Đầu tiên, trong thiết bị phối trộn, người ta sẽ trộn bột gạo với nước để tạo huyền phù có nồng độ chất khô là 30-35%, sau đó chỉnh pH về 4,5 Tiếp theo, bơm hỗn hợp vào thiết bị hồ hóa-dịch hóa và cho hơi vào để nhiệt độ hỗn hợp đạt 150-1600C (sử dụng phương pháp gia nhiệt trực tiếp) Giữ hỗn hợp ở nhiệt độ nói trên trong thời gian 4-8 phút Sau đó, tháo hỗn hợp ra khỏi thiết bị hồ hóa-dịch hóa để đưa qua thiết bị làm nguội dạng ống lồng ống Rời thiết bị làm nguội, hỗn hợp có nhiệt độ là 95-980C và được đưa vào thiết bị đường hóa Người

ta sẽ bổ sung CaCl2 vào thiết bị và chỉnh pH hỗn hợp về 5,6-6,2, sau đó bổ sung chế phẩm alpha-amylase chịu nhiệt vào Thời gian phản ứng kéo dài 30 phút

Cuối cùng, hạ nhiệt độ hỗn hợp trong thiết bị đường hóa về 55-600C, chỉnh pH và bổ sung chế phẩm glucoamylase vào Quá trình đường hóa sẽ kết thúc khi dịch thủy phân không làm biến màu dung dịch I2 0,02N

II.4.3.4 Làm nguội, chuẩn bị môi trường lên men và cấy giống

Mục đích công nghệ: chuẩn bị

Các biến đổi của nguyên liệu

Trong quá trình làm nguội xảy ra các biến đổi vật lý như sự giảm nhiệt độ của dịch thủy phân;

sự thay đổi tỷ trọng, độ nhớt

Trong quá trình chuẩn bị môi trường lên men, thành phần hóa học của hỗn hợp ssẽ thay đổi

do dịch đường được bổ sung một số thành phần dinh dưỡng cho nấm men

Trong quá trình cấy giống, mật độ vi sinh vật trong môi trường sẽ gia tăng

Thiết bị và thông số công nghệ

Quá trình làm nguội được thực hiện trên thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống

Quá trình chuẩn bị môi trường được thực hiện trong thiết bị hình trụ đứng, bên trong có cánh khuấy Các bước thực hiện như sau:

+Bổ sung thêm nước để pha loãng dịch thủy phân về nồng độ đường thích hợp cho giống nấm men sử dụng cho quá trình lên men

+Bổ sung các chất dinh dưỡng cho nấm men (các chất dinh dưỡng đã được chuẩn bị sẵn ở dạng dung dịch)

+Chỉnh pH môi trường về giá trị tối thích cho giống nấm men sử dụng

-Môi trường đã chuẩn bị xong sẽ được bơm vào thiết bị lên men Trên đường ống dẫn môi trường vào thiết bị lên men, người ta sẽ bơm huyền phù nấm men vào Cần tính toán lưu lượng của bơm môi trường và bơm huyền phù nấm men sao cho các tế bào giống được phân

bố đều trong môi trường lên men Tỷ lệ giống cấy thường là 8-10% v/v

II.4.3.5 Lên men ethanol

Mục đích công nghệ: khai thác

Các biến đổi của nguyên liệu

-Sinh học: xảy ra sự trao đổi chất và sự sinh trưởng của nấm men giống

-Hóa sinh và hóa học:

+ Đường lên men sẽ được chuyển hóa thành ethanol và khí carbon dioxide

+ Hình thành hàng trăm hợp chất hóa học khác nhau là những sản phẩm trung gian và sản phẩm phụ của quá trình lên men rượu Chúng được chia thành bốn nhóm chính: aldehyde và ketone (nhiều nhất là aldehyde acetic), rượu (đáng chú ý nhất là methanol và dầu fusel với thành phần gồm có propanol, butanol và pentanol), acid hữu cơ và ester (chiếm hàm lượng cao nhất là ethyl acetate)

-Vật lý: nhiệt độ canh trường sẽ tăng lên do một phần năng lượng từ quá trình trao đổi chất của nấm men được thải ra ngoài dưới dạng nhiệt năng

-Hóa lý: một phần khí carbon dioxide được nấm men sinh ra sẽ hòa tan vào canh trường, một

số hợp chất keo bị kết tủa do sự thay đổi pH

Thiết bị và thông số công nghệ:

Quá trình lên men ethanol có thể được thực hiện theo phương pháp chu kỳ hoặc liên tục Ơû một số nước trên thế giới, người ta đã áp dụng thành công phương pháp lên men ethanol liên tục, sử dụng nấm men hoặc vi khuẩn cố định trên các chất mang vô cơ hoặc hữu cơ Phương pháp này làm tăng năng suất sản xuất của nhà máy do tốc độ lên men và hiệu suất sinh tổng hợp rượu gia tăng Tại Việt Nam, hiện nay các nhà máy sản xuất rượu vẫn sử dụng phương pháp lên men chu kỳ là chủ yếu

Tùy theo khả năng chịu áp lực thẩm thấu và chịu cồn của giống nấm men mà nồng độ chất khô ban đầu của môi trường lên men sẽ thay đổi, nó thường nằm trong khoảng 16-26% Nhiệt

độ lên men là 28-300C Thời gian lên men dao động trong khoảng 24-60 giờ Khi quá trình lên men kết thúc, chúng ta sẽ thu được dấm chính Nồng độ ethanol trong dấm chín thường dao động trong khoảng 8-13%

II.4.3.6 Chưng cất và tinh luyện

Mục đích công nghệ: khai thác và hoàn thiện

Dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, Marintrenko và cộng sự (1981) đã chia các tạp chất dễ bay hơi trong dịch dấm chín thành bốn nhóm: đầu, đuôi, giữa và cuối

-Tạp chất đầu gồm các cấu tử dễ bay hơi hơn ethanol dù ở bất kỳ nồng độ nào Ví dụ điển hình cho nhóm tạp chất đầu là aldehyde acetic và ethyl acetate

-Tạp chất đuôi bao gồm các cấu tử khó bay hơi hơn ethanol Ví dụ như acid acetic và fufurol -Tạp chất giữa bao gồm một số cấu tử với tính chất rất đặc biệt: Khi nồng độ ethanol tăng cao, chúng sẽ khó bay hơi hơn ethanol; ngược lại, khi nồng độ ethanol thấp thì chúng sẽ dễ bay hơi hơn ethanol; và ở một giá trị nồng độ ethanol xác định thì độ bay hơi của tạp chất

giữa và của ethanol là xấp xỉ nhau Nhóm tạp chất giữa gồm có rượu isoamylic, isobutanol, propanol, pentylisovalerate, pentylacetate, ethyl isovalerate…

-Tạp chất cuối bao gồm một số cấu tử với tính chất trái ngược với nhóm tạp chất giữa Khi nồng độ ethanol tăng cao, các tạp chất cuối dễ bay hơi hơn ethanol; còn khi nồng độ ethanol thấp thì chúng lại khó bay hơi hơn ethanol Ví dụ điển hình của tạp chất cuối là methanol Trong quá trình chưng cất và tinh chế, các nhà sản xuất cần tách cồn ra khỏi dịch dấm chín, đồng thời tách tiếp các tạp chất nói trên ra khỏi cồn thô để thu được sản phẩm là cồn tinh luyện

Các biến đổi của nguyên liệu

Trong quá trình chưng cất xảy ra chủ yếu là những biến đổi hóa lý Các hợp chất dễ bay hơi trong dịch dấm chín sẽ chuyển sang trạng thái hơi, sau đó sẽ được phân tách và ngưng tụ để chuyển về dạng lỏng Ngoài ra, trong dịch dấm chín còn xảy ra nhiều phản ứng hóa học khác nhau như phản ứng oxy hóa các aldehyde, phản ứng Maillard giữa đường khử sót và acid amin, phản ứng ester hóa giữa rượu và acid, phản ứng phân hủy đường, phản ứng desamin hóa các acid amin…

Thiết bị

Hiện nay, các nhà máy sản xuất cồn thường kết hợp thực hiện đồng thời hai quá trình: chưng cất và tinh luyện trên cùng một hệ thống thiết bị hoạt động theo phương pháp liên tục Các hệ

thống thiết bị chưng cất và tinh luyện có thể hoạt động theo những nguyên lý khác nhau

Nguyên lí : Dịch dấm chín sẽ được đưa vào tháp chưng cất và chảy từ trên xuống, hơi nước sẽ

được nạp vào tháp từ dưới lên Phần hơi của ethanol và các tạp chất sẽ thoát ra khỏi tháp chưng cất để đi vào bộ phận ngưng tụ Dịch ngưng tụ sẽ được đưa tiếp vào tháp aldehyde ,để tách nhóm tạp chất đầu, sau đó sẽ đi vào tháp tinh luyện Cuối cùng, người ta sẽ thu được cồn tinh luyện và dầu fusel (hỗn hợp rượu cao phân tử) Phần bã hèm sẽ được lấy ra từ phía đáy tháp chưng cất ,còn nước thải sẽ được thoát ra từ đáy tháp tinh luyện

CHƯƠNG III: CÂN BẰNG VẬT CHẤT III.1 CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU

-Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy tràn Thiết bị hoạt động liên tục

- Khi chưng luyên dung dịch ethanol thì cấu tử dễ bay hơi là ethanol

• Nồng độ nhập liệu : xF = 40%mol ethanol

• Nồng độ sản phẩm đỉnh : 95%thể tích ethanol

• Năng suất sản phẩm đỉnh thu được :V D = 100 (m3/ngày)

• Tỷ lệ thu hồi etanol : η= 99%

• Khối lượng phân tử của rượu và nước : MR =46 (Kg/kmol) , MN =18 (Kg/kmol)

• Chọn :

+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội : t’D =35oC

+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt : t’W = 35oC

+ Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào ( TBNT+TB làm nguội sản phẩm): tnV = 28oC

+ Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra (TBNT+TB làm nguội sản phẩm) :tnR = 40oC (do tính các thiết bị làm nguội bằng nước thì nhiệt độ cuối của nước không được quá 40-50 độ,vì nếu nhiệt độ cao hơn thì các muối dễ kết tủa và đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt)

+Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi

• Các kí hiệu :

+ F, F : suất lượng nhập liệu tính theo Kg/h , Kmol/h

+ D, D : suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo Kg/h , Kmol/h

+ W ,W : suất lượng sản phẩm đáy tính theo Kg/h , Kmol/h

+ xi ,x i : phân mol,phân khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng của hỗn hợp i + yi ,y i: phân mol , phân khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi của hỗn hợp i

• Giả thiết:

+ Thiết bị ngưng tụ hồi lưu chỉ ngưng tụ hoàn toàn hơi thành lỏng ở nhiệt độ sôi: y1=yD

;xD=xLo

+ Thiết bị đun sôi đáy tháp không làm thay đổi thành phần của hỗn hợp: yW=xW

+ Nguyên liệu được đua vào tháp ở nhiệt độ sôi : tF=tS

+ Không có mất mác nhiệt ; Qm = 0

+ Theo qui tắc Trutol : ẩn nhiệt hóa hơi theo mol của các chất hữu cơ là bằng nhau: rR= rN

III.2 CƠ SỞ LÍ THUYẾT

III.2.1 Cân bằng pha-xét hệ cân bằng lỏng hơi hệ 2 cấu tử A&B

Cơ sở xây dựng đường cân bằng:

Định luật Raoult: Pi=Pio xi (1)

.

A

o A

o A

A

o A

x P x P

x P

.

α

α

− + (5) trong đó:

• P: áp suất tổng của hệ

• PA,PB :áp suất riêng phần

• PAo ,PBo :áp suất hơi bão hòa của A,B nguyên chất

• xi yi :nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng,khí

• y* : phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng

P : độ bay hơi tương đối

hệ athanol-nước: hệ thực có sai lệch dương tạo hỗn hợp đẳng phí tại 89,4%mol,sôi 78,15 oC

Hỗn hợp Etanol – Nước:

Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp

Etanol - Nước ở 760 mmHg:

III.2.2 Cân bằng vật chất

-Sơ đồ CBVC tháp chưng luyện hệ 2 cấu tử:

™ GD : lưu lượng hơi đi lên ở đỉnh tháp(Kmol/h)

™ G : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kmol/h)

trên cùng của đoạn chưng (Kmol/h)

™ GW : lượng hơi đi vào ở đáy tháp (Kmol/h)

™ L0 :lưu lượng dòng lỏng hồi lưu (kmol/h)

™ L : lượng lỏng ra khỏi đoạn cất(Kmol/h)

™ L’: lượng lỏng đi vào đoạn chưng (Kmol/h)

™ LW: lượng lỏng ra khỏi đĩa cuối cùng của đoạn chưng (Kmol/h)

™ y :phần mol pha hơi trong dòng vào đoạn cất

• Thiết bị ngưng tụ hồi lưu

D x G

Phương trình của đoạn cất đi qua 2 điểm

o y(X=XD) = xD => D (xD,xD )

o y(X=0) =

1 +

R

xD => YO (0,

1 +

R

f x R

f R x G

W x G

W D

x x

x x D

− => (0;

-W

x R

f

1

1 +

III.2.3 Cân bằng năng lượng

Phương trình cân bằng nhiệt lượng: QF + Qđ = QD + Qw + Qt+ Qnt (19)

™ Nhiệt lượng cung cấp do hơi ngưng tụ cho chất lỏng sôi trong nồi đun Qđ :

™ Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Qt: Qt=(0,05÷0,1) Qh (J/h)

Trong đó: C : nhiệt dung riêng (J/Kg.độ )

h : nhiệt hàm (J/Kg)

r : ẩn nhiệt hóa hơi ( J/Kg)

• Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ :

Ngưng tụ hoàn toàn sản phẩm đỉnh : Qnt = D(.R+1).r D =G n1.(h nR−h nV) (J/h)

→ Lượng nước cần cấp cho thiết bị ngưng tụ: Gn1 =

Q

− ( Kg/h)

• Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh :

Phương trình cân bằng năng lượng : QD = '

n t t C

Q

− ( Kg/h)

• Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đáy:

Phương trình cân bằng nhiệt lượng : QW = '

n t t C

Q

− ( Kg/h)

III.3 XÁC ĐỊNH PHÂN MOL-PHÂN KHỐI LƯỢNG-SUẤT LƯỢNG MOL CỦA CÁC DÒNG

*xác định khối lượng phân tử trung bình hỗn hợp các dòng

MD =46.x D+(1−x D).18 = 41,886 (Kg hỗn hợp D/Kmol hỗn hợp D)

MF =46.x F +(1−x F).18 = 29,200 (Kg hỗn hợp F/Kmol hỗn hợp F)

Mw =46 xw+ ( 1 − xw) 18 = 18,209 (Kg hỗn hợp W/Kmol hỗn hợp W)

* Phân mol - phân khối lượng – suất lượng sản phẩm đỉnh :

=

− +

=

N R

R D

=

− +

×

×

994 ).

95 , 0 1 ( 83 , 774 95 , 0

83 , 774 95 ,

18 / ) 94 0 1 ( 46 / 94 0

46 / 94 0 /

) 1 ( /

/

− +

=

− +

=

N D R

D

R D D

M x M

x

M x

138 , 787 100

D D

x x

ρ ρ ρ

−+

1

35 ,

(m3/kg)

Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội : t’D = 35oC

Tra bảng 1.249, trang 310, [1] ta được ρN= 994 kg/m3

Tra bảng 1.2, trang 9, [1] ta được ρR= 776,250 kg/m3

⇒ ρD, 35= 787,138 kg/m3

* Phân mol - phân khối lượng – suất lượng nhập liệu :

xF = 0,40 (kmol ethanol/ kmol hỗn hợp F )

18)

1(

46

x.46

F F

F F

x x

x

−+

= = 0,630 (kg ethanol / kg hỗn hợp F )

Ta có: F.xF η= D.xD

F= D xD / xF η = 78,301 0,85 / 0,4 0,99 = 168,679 (Kmol/h)

F = F MF = 168,679 29,200 = 4925,426 (Kg/h)

* Phân mol - phân khối lượng – suất lượng sản phẩm đỉnh :

Giải phương trình (8),(9),ta có : xW = 0,00747 (Kmol ethanol/kmol hỗn hợp W)

W = 90,377 (Kmol/h)

18 ).

1 (

46

x 46

W W

W W

x x

x

− +

= = 0,0189 (kg ethanol / kg hỗn hợp W )

W= W MW = 90,377 18,209 =1645,687 (Kg/h)

• Khối lượng riêng

¾ Khối lượng riêng trung bình dòng sản phẩm đỉnh :

N

D R

D D

x x

ρ ρ ρ

− +

Từ đồ thị t-xy , tại xD = 0,8528 ta suy ra nhiệt độ sản phẩm đỉnh ra tháp chưng cất là tD = 78,494 0C

Tra bảng 1.249, trang 310, [1] ta được ρN= 975 kg/m3

Tra bảng 1.2, trang 9, [1] ta được ρR= 736,431 kg/m3

⇒ ρD =747,987 kg/m3

¾ Khối lượng riêng trung bình dòng nhập liệu :

N

F R

F F

x x

ρ ρ ρ

− +

Do ta chọn trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng sôi nên từ đồ thị t-xy , tại xF = 0,4 ta suy ra nhiệt độ nhập liệu vào tháp chưng cất là tF = 80,80C

Tra bảng 1.249, trang 311, [1] ta được ρN= 971,288 kg/m3

Tra bảng 1.2, trang 9, [1] ta được ρR= 734,240 kg/m3

⇒ ρF =807,094 kg/m3

¾ Khối lượng riêng trung bình dòng sản phẩm đáy :

N

W R

W W

x x

ρ ρ ρ

− +

Từ đồ thị t-xy , tại xW = 0,00747 ta suy ra nhiệt độ sản phẩm đáy tháp chưng cất là tW = 98,582 oC

Tra bảng 1.249, trang 310, [1] ta được ρN= 959,365 kg/m3

Tra bảng 1.2, trang 9, [1] ta được ρR= 717,348 kg/m3

⇒ ρW = 953,299 kg/m3

III.4 XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP

III.4.1 Chỉ số hồi lưu tối thiểu R m

Chỉ số hồi lưu tối thiểu là chỉ số hồi lưu ứng với động lực quá trình bằng 0, chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vô cực Do đó ,chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu ,nước và bơm…) là tối thiểu

Do đồ thị cân bằng của hệ Etanol-Nước có điểm uốn ,nên xác định tỉ số hoàn lưu tối thiểu bằng cách :

+Trên đồ thị cân bằng y-x ,từ điểm (0,85;0,85) ta kẻ một đường thẳng tiếp tuyến với đường cân bằng tại điểm uốn , cắt trục Oy tại điểm có yo = 0,2886

+Theo phương trình đường làm việc đoạn cất , khi xo =0 thì yo =

III.4.2 Chỉ số hồi lưu thích hợp R th

1 Chỉ tiêu kinh tế-kĩ thuật: tổng chi phí đầu tư S1 + chi phí vận hành S2 + chi phí gián

tiếp S3 là nhỏ nhất

S=S1+S2+S3

Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp ,thiết bị ngưng tụ ,nồi đun và công để

bơm cũng tăng theo Tổng chi phí sẽ giảm dần đến cực tiểu rồi tăng đến vô cực khi hoàn

lưu toàn phần ,lượng nhiệt và lượng nước sử dụng cũng tăng theo tỉ số hoàn lưu

Tuy nhiên , các chi phí rất phức tạp,tính toán nhiều

2 Chỉ tiêu thể tích tháp nhỏ nhất: Thể tích tháp là V=f.H

Trong đó; f: tiết diện tháp,m2

H: chiều cao làm việc của tháp, m

G

.785,0

)1(

H ~ Nlt

Với : Dt -đường kính tháp, m

wh : vận tốc dòng hơi , m/s Nlt : số mâm lí thuyết

3 Theo kinh nghiệm:R= 1,3 Rm +0,3 hay R/Rm = 1,2-1,5

Trong báo cáo này, chỉ số hồi lưu thích hợp được xác định theo chỉ tiêu thể tích tháp nhỏ

nhất

Để tính được tỉ số hoàn lưu thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất,ta cần lập mối quan hệ

giữa chỉ số hồi lưu và thể tích tháp thông qua lập mối quan hệ giữa R và tích số Nlt.(R+1)

R pt đường làm việc của đoạn cất

(6) pt đường làm việc của đoạn chưng (7) Nlt Nlt.(R+1)

Vẽ đồ thị của quan hệ này ,ta xác định được điểm cực tiểu của nlt.(R+1),tức là thể tích tháp

nhỏ nhất ứng với tỉ số hoàn lưu thích hợp R

Vậy : Tỉ số hoàn lưu thích hợp là R= 3,6

III.5 PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC

III.5.1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất

y =

1

1

R

f

R

1

1

− + +

CHƯƠNG IV :TÍNH TOÁN–THIẾT KẾ

THÁP CHƯNG CẤT IV.1 ĐƯỜNG KÍNH THÁP D t

ytb ytb

M D

ρ

ω 3600.

π

4G

ytb

tb

Gtb :lượng hơi trung bình đi trong tháp ,Kmol/h

ωtb :tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ,m/s

ρytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi ,Kg/m3

Mytb : khối lượng mol trung bình của pha hơi ,Kg/Kmol

IV.1.1 Đường kính đoạn cất

a Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất :

2

G G

r: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất (KJ/Kmol)

rD : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp (KJ/Kmol)

* Tính r : t = tF = 80,8oC , tra bảng I.212+213,trang 254+257 [1] ta có :

Aån nhiệt hoá hơi của nước : rN = 558,200 (Kcal/kg) = 42067,291 (KJ/Kmol)

Aån nhiệt hoá hơi của rượu : rR = 206,600 (Kcal/kg)= 39789,672 (KJ/kmol)

Suy ra : r = rR.y + (1-y).rN = 42067,291 - 351,672.y (KJ/kmol)

* Tính rD : tD = 78,5oC , tra bảng I.212+213,trang 254+257 [1] ta có :

Aån nhiệt hoá hơi của nước : rNd = 560,506 (Kcal/kg)= 42241,088 (KJ/kmol)

Aån nhiệt hoá hơi của rượu : rRd = 207,602 (Kcal/kg)= 39982,739 (KJ/kmol)

Suy ra:rD =rRd.yD +(1-yD).rNd = 40314,552 (KJ/kmol) [yD = xD]

360,187

=

b Khối lượng riêng trung bình trong đoạn cất ρtb c :

™ Với pha hơi ρytb c : [ ( ) ]

4 , 22

273 18 1 46

+

− +

tb

c tb

c tb c ytb

t

y y

c tb c xtb

x x

ρ ρ

ρ

− +

1 (Kg/m3)

+Nồng độ khối lượng trung bình của pha lỏng trong đoạn cất :

Thay ytbc = 0,678 vào phương trình làm việc đoạn cất:y=0,783.x + 0,185

Tính được: xtbc = 0,629

Suy ra:

18 ).

1 ( 46

46

c tb

c tb

c tb c

tb

x x

x x

− +

+Từ ttb = 81,773 oC : Tra bảng 1.249, trang 310, [1] ta được ρN= 970,665 kg/m3

Tra bảng 1.2, trang 9, [1] ta được ρR= 733,316 kg/m3

d Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn cất :

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền :

c ytb

c xtb c

05 , 0

c ytb c cat

M D

ρ

.ω.3600

π

.4G

ytb

tb

0 0,984.1,27

3600 14 , 3

,976 353,411.36

IV.1.2 Đường kính đoạn chưng

a Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng :

2

'

G G

rW : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đáy tháp (KJ/Kmol)

r’: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đoạn chưng (KJ/Kmol)

* Tính r : đã tính được ở phần cất

r = 42067,291 - 351,6.y = 42067,291 - 351,6 0,502 = 41891,494 (KJ/kmol)

* Tính rW : tW = 98,58oC , tra bảng I.212+213,trang 254+257 [1] ta có :

Aån nhiệt hoá hơi của nước : rNw = 540,418 (Kcal/kg)= 40727,231 (KJ/kmol)

Aån nhiệt hoá hơi của rượu : rRw = 182,262 (Kcal/kg)= 35102,433 (KJ/kmol)

Suy ra: rW =rRw.yw +(1-yw).rNw = 40685,239 (KJ/kmol)

=

b Khối lượng riêng trung bình trong đoạn chưng ρtb ch :

™ Với pha hơi ρytb ch : [ ( ) ]

4 , 22

273 18 1

46

+

− +

tb

ch tb

ch tb ch ytb

t

y y

+ Nồng độ mol trung bình của pha hơi ở đoạn chưng :

c tb c xtb

x x

ρ ρ

ρ

− +

+ Nồng độ trung bình của pha lỏng trong đoạn chưng :

Thay ytbch = 0,255 vào phương trình làm việc của đoạn chưng: y=1,251.x – 0,00187 Tính được: xtbch = 0,205 Suy ra:

18 ).

1 ( 46

46

c tb

c tb

c tb c

tb

x x

x x

− +

+ Từ ttbch = 86,162 oC : Tra bảng 1.249, trang 310, [1] ta được ρN= 967,833 kg/m3

Tra bảng 1.2, trang 9, [1] ta được ρR= 729,146 kg/m3

d Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn chưng :

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền :

ch ytb

ch xtb ch

05 , 0

ch ytb ch chung

M D

ρ

.ω.3600

π

.4G

ytb

tb

.0,843 267 , 1 3600 14 , 3

,137 347,649.25

Kết luận : Qui chuẩn đường kính của toàn tháp là : Dt = 1,8 (m)

Khi đó tốc độ làm việc thực ở :

+ Phần cất : ωlvc = tb 2 =

3600π

.4G

t

c ytb

c ytb c

.4G

t

ch ytb

ch ytb ch

D

M

IV.2 CHIỀU CAO THÁP : H=H thân +H đáy +H nắp

™ Xem H đáy =H nắp =h t + h

+ ht – chiều sâu bên trong của phần elip Chọn đáy (nắp) tiêu chuẩn có = 0 , 25

t

t

D