Đồ án tốt nghiệp Tính toán thiết kế hệ thống chưng cất ethanol với công suất 100000 m3/năm trong công nghệ sản xuất Bio─Ethanol từ sắn pot

Bản đồ án của em với đề tài là: “Tính toán thiết kế hệ thống chưng cất ethanol với công suất 100000 m3/năm trongcông nghệ sản xuất Bio─Ethanol từ sắn” Trong đó gồm các phần chính sau: +

Đồ án tốt nghiệp Tính toán thiết kế hệ thống chưng cất

công nghệ sản xuất Bio─Ethanol từ sắn

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI CẢM ƠN 6

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BIO─ETHANOL VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIO─ETHANOL TRONG CÔNG NGHIỆP 8

1.1 Tổng quan về Bio─Ethanol 8

1.1.1 Khái niệm về Bio─Ethanol 8

1.1.2 Lịch sử phát triển và ứng dụng của Bio─Ethanol 8

1.2 Tổng quan về Công nghệ sản xuất Bio─Ethanol 9

1.2.1 Các phương pháp sản xuất Ethanol 9

1.2.2 Các nguồn nguyên liệu sản xuất Bio─Ethanol 10

1.2.3 Sự khác nhau giữa công nghệ sản xuất cồn thực phẩm và Bio─Ethanol 11

1.3 Công nghệ sản xuất Bio─Ethanol từ tinh bột 12

1.3.1 Giới thiệu về nguyên liệu tinh bột sử dụng chủ yếu ở Việt Nam 12

1.3.2 Giới thiệu về nguyên liệu sắn 13

1.3.3 Các dây chuyền công nghệ sản xuất Bio─Ethanol trên thế giới 15

1.3.4 Công Nghệ sản xuất Bio─Ethanol hiện tại ở Việt nam 24

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG LUYỆN 33

2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất 33

Đồ án tốt nghiệp Mục lục

2.1.1 Khái niệm về chưng cất 33

2.1.2 Khái niệm về cân bằng lỏng – hơi 34

2.1.3 Hỗn hợp hai cấu tử 35

2.2 Các phương pháp chưng cất 35

2.2.1 Chưng đơn giản 35

2.2.2 Chưng bằng hơi nước trực tiếp 37

2.2.3 Chưng luyện liên tục 38

2.2.4 Các phương pháp chưng khác 41

2.3 Cở sở tính toán công nghệ chưng luyện liên tục hỗn hợp hai cấu tử 44

2.3.1 Cân bằng pha 44

2.3.2 Cân bằng vật liệu 45

2.3.3 Chỉ số hồi lưu thích hợp 47

2.4 Quy trình công nghệ hệ thống chưng cất ethanol 49

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THÁP CHƯNG LUYỆN 52

3.1 Các thông số ban đầu 52

3.2 Cân bằng pha lỏng – hơi hệ Ethanol – water ở áp suất làm việc 52

3.3 Cân bằng vật chất 54

3.3.1 Nồng độ phần mol của Ethanol trong tháp 54

3.3.2 Suất lượng mol của các dòng 55

3.3.3 Phương trình đường làm việc cho đoạn chưng và đoạn luyện 56

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN KẾT CẤU CHO THÁP CHƯNG LUYỆN 61

4.1 Chiều cao của tháp chưng luyện 61

4.1.1 Số đĩa lý thuyết của tháp chưng luyện 61

4.1.2 Số đĩa thực tế của tháp chưng luyện 61

4.1.3 Chiều cao tháp chưng luyện 63

4.2 Đường kính của tháp 64

4.3 Thiết kế sơ bộ đĩa và dự đoán điểm sặc đĩa 68

4.3.1 Chọn thiết kế sợ bộ đĩa cho tháp chưng luyện 68

4.3.2 Dự đoán điểm sặc đĩa 68

4.4 Trở lực của đĩa 69

4.4.1 Trở lực của đĩa khô 69

4.4.2 Trở lực lớp hỗn hợp lỏng – khí trên đĩa 71

4.4.3 Tính kiểm tra kênh chảy truyền lỏng 73

4.5 Tính toán bề dày thiết bị và các chi tiết khác 75

4.5.1 Tính toán bề dày thiết bị 75

4.5.2 Tính toán chân đỡ tháp 82

4.5.3 Cửa nối ống dẫn với thiết bị và bích nối tương ứng 85

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRỢ 90

5.1 Thông số hai dòng lưu thể 90

5.2 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị 90

5.3 Hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể 91

5.3.1 Hệ số cấp nhiệt cho hơi nước bão hòa khô ngưng tụ 92

5.3.2 Hệ số cấp nhiệt cho hỗn hợp lỏng etanol – nước 93

5.3.3 Bề mặt truyền nhiệt và đáng giá độ dài ống 94

5.4 Tính toán kết cấu cho thiết bị gia nhiệt đáy tháp 96

5.4.1 Bề dày thiết bị gia nhiệt đáy tháp 96

Đồ án tốt nghiệp Mục lục

5.4.2 Bề dày đáy và nắp thiết bị gia nhiệt 98

5.4.3 Chọn mặt bích ghép nối thân – đáy và nắp thiết bị 98

5.4.4 Bù giãn nở nhiệt và bề dày vỉ ống 99

5.4.5 Tính toán chân đỡ thiết bị gia nhiệt đáy tháp 99

5.4.6 Cửa nối ống dẫn với thiết bị và bích nối tương ứng 104

CHƯƠNG 6: QUY TRÌNH CHẾ TẠO, LẮP RÁP VÀ VẬN HÀNH THÁP CHƯNG LUYỆN 107

6.1 Quy trình chế tạo một số chi tiết của thiết bị 107

6.1.1 Quy trình chế tạo thân tháp chưng cất 107

6.1.2 Quy trình chế tạo đáy và nắp thiết bị hình elip 108

6.1.3 Quy trình chế tạo đĩa van chuyển động 109

6.2 Quy trình lắp ráp tháp chưng cất 111

6.2.1 Quy trình lắp đặt thiết bị 111

6.2.2 Quy trình lắp đặt đĩa van vào thân thiết bị 113

6.3 Quy trình vận hành thiết bị 114

6.3.1 Công tác chuẩn bị 114

6.3.2 Công tác vận hành 114

6.3.3 Ngừng hệ thống khi gặp sự cố 115

6.3.4 Xử lý các sự cố trong vận hành 116

KẾT LUẬN 117

TÀI LIỆU THAM KHẢO 118

PHỤ LỤC 120

LỜI CẢM ƠN

Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Đặng Bình Thành,

người đã trực tiếp hướng dẫn em hết sức tận tình, chu đáo về mặt chuyên môn, độngviên em về mặt tinh thần để em hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp này

Em xin gửi lời cảm ơn tới tất cả thầy cô giáo trong bộ môn Máy và Thiết bịCông nghiệp Hóa Chất, Viện Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

đã tận tình dạy dỗ, chỉ bảo em trong suốt thời gian năm năm học tập và rèn luyện tạitrường

Em xin chân thành cảm ơn các anh chị phòng Kỹ Thuật cùng toàn thể Công ty

Cổ phần Nhiên liệu Sinh học Miền trung đã cho phép em thực tập tại Quý Công ty, từ

đó tạo tiền đề cho em có thể hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp này

Sau cùng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè đã luôn độngviên giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập tại Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nộicũng như trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp

Hà Nội, Ngày 02 Tháng 06 Năm 2012

Sinh viên

Hồ Sỹ Chính

Đồ án tốt nghiệp Mở đầu

MỞ ĐẦU

Thế giới hiện nay đang phải đương đầu với hai cuộc khủng hoảng lớn – sự ấmlên toàn cầu và giá cả tăng cao của các loại nhiên liệu không tái tạo Tuy nhiên, cả haivấn đề này đều có một giải pháp thông thường – một nhiên liệu thay thế nguồn nănglượng tái tạo và hạn chế các loại khí thải gây hiện tương nóng lên toàn cầu Trênphương hướng đó, các nhà nghiên cứu và các nhà khoa học trên thế giới đã tìm ra mộtnguồn nhiêu liệu tốt hơn và thân thiện với môi trường – Ethanol sinh học Là một trongnhững nguồn nhiên liệu thay thế với những lợi ích tuyệt vời của nó, đồng thời đượcđánh giá là nguồn nhiên liệu tiềm năng với nhiều nước trên thế giới Mặc dù có nhiềuthuận lợi và khó khăn khi sản xuất ethanol sinh học nhưng hiện nay ethanol sinh học đãđược sử dụng như là một nhiên liệu phụ ở một số nước

Trong nhiều năm qua, công nghệ sản xuất ethanol sinh học đã được phát triển,đổi mới vượt bậc, đem lại hiệu quả cao Công nghệ được chú trọng nhất trong dâychuyền là việc chưng cất ethanol từ giấm chín sau khi lên men Vì vậy vấn đề tính toán,thiết kế cải tiến công đoạn chưng cất cũng như toàn quá trình nói chung là điều tất yếu

Bản đồ án của em với đề tài là:

“Tính toán thiết kế hệ thống chưng cất ethanol với công suất 100000 m3/năm trongcông nghệ sản xuất Bio─Ethanol từ sắn”

Trong đó gồm các phần chính sau:

+ Chương 1: Tổng quan về Bio─Ethanol và công nghệ sản xuất Bio─Ethanoltrong công nghiệp

+ Chương 2: Tổng quan về quá trình chưng luyện

+ Chương 3: Tính toán công nghệ tháp chưng luyện Ethanol

+ Chương 4: Tính toán kết cấu cho tháp chưng luyện Ethanol

+ Chương 5: Tính toán các thiết bị phụ trợ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BIO─ETHANOL VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIO─ETHANOL TRONG

CÔNG NGHIỆP

1.1 Tổng quan về Bio─Ethanol.

1.1.1 Khái niệm về Bio─Ethanol.

Bio─Ethanol (ethanol sinh học) là ethanol được sản xuất từ các loại nguyên liệuthực vật chứa đường bằng phương pháp lên men vi sinh hoặc từ các loại nguyên liệuchứa tinh bột và cellulose thông qua các phản ứng trung gian thủy phân thành đường

Hiện này trên thế giới, nguyên liệu chứa đường và tinh bột được sử dụng phổbiết hơn do chi phí sản xuất thấp

Xăng sinh học là hỗn hợp được pha trộn theo tỷ lệ xác định giữa ethanol vàxăng Một số loại xăng sinh học đang được sử dụng trên thế giới như E5, E10, E85…

Ở Việt nam, chỉ mới đưa ra thị trường loại xăng E5 do Cty PV oil cung cấp [1]

1.1.2 Lịch sử phát triển và ứng dụng của Bio─Ethanol.

Từ những năm 1973 trở về trước, Bio─Ethanol không được phát triển nhiều, vìđương thời, công nghệ Hóa dầu rất phát triển, trữ lượng xăng dầu còn lớn, nên giáthành thấp

Sau những năm 1973, cuộc khủng hoảng dầu mỏ trên toàn thế giới xảy ra [2],khiến giá thành xăng dầu lên cao, nên các nước phát triển như Mỹ, Braxin và một sốnước châu Âu bắt đầu khởi động lại các nghiên cứu về Bio─Ethanol Sau đó,Bio─Ethanol được phát triển mạnh, đưa vào sự dụng thực tế ở một số nước như Mỹ,Braxin, Nhật Bản…

Đầu thế kỉ 21, xăng sinh học đã trở thành nhiên liệu được ưu tiên hàng đầu trongxây dựng chiến lược về năng lượng tại Mỹ, Tây Âu, Nhật, Braxin…

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol

Ưu điểm của xăng sinh học là xăng cháy triệt để hơn, loại bỏ phụ gia chống kích

nổ chứa chì, giảm phát thải CO2 ra không khí đáng kể so với xăng thường

Nhược điểm lớn nhất của xăng sinh học là do nồng độ cao Bio─Ethanol sẽ làmhỏng các chi tiết lăng bằng cao su, nhưa trong động cơ

Những loại xăng sinh học đã được sử dụng trên thế giới [3]:

+ E5, E10: Bio─Ethanol pha 5%, 10% thể tích vào xăng, được sử dụng thôngdụng, không ảnh hưởng đến động cơ xe

+ E25: Bio─Ethanol pha 25% thể tích vào xăng, động cơ xe cần phải cải tiếnmột số chi tiết, điề chỉnh thời gian phun nhiên liệu Braxin là quốc gia sử dụng nhiềunhất loại xăng này

+E85: Bio─Ethanol pha 85% thể tích vào xăng, chỉ sử dụng cho các động cơđược chế tạo riêng Tiêu biểu là dòng xe Ford focus sản xuất ở Mỹ

Thực tế, người ta sẽ không pha Bio─Ethanol với xăng theo tỷ lệ trung bình 40đến 60% vì ở tỷ lệ này, xăng sau khi pha sẽ bị phân lớp rất nhanh trong quá trình lưutrữ

Hiệu quả khi dùng xăng sinh học thay thế:

+ Xăng pha 5% Bio─Ethanol sẽ tiết kiêm được 5% nhiên liệu so với xăngthường

+ Công suất của động được cải thiện hơn

+ Khi thải CO và Hidrocacbon giảm hơn 10%

+ Khả năng tăng tốc của đông cơ được tốt hơn

1.2 Tổng quan về Công nghệ sản xuất Bio─Ethanol.

1.2.1 Các phương pháp sản xuất Ethanol.

Ethanol có thể sản xuất bằng nhiều phương pháp khác nhau , trong đó có haiphương pháp sau là phổ biến và cơ bản nhất

+ Công nghệ sản xuất ethanol tổng hợp:

Tổng hợp ethanol có nghĩa là sản xuất ethanol bằng phương pháp hoá học, trênthế giới người ta sản xuất ethanol bằng nhiều phương pháp khác nhau Trong côngnghệ tổng hợp hoá dầu ethanol được sản xuất bằng dây chuyền công nghệ hydrat hoáđối với khí etylen hoặc công nghệ cacbonyl hoá với methanol

Hydrat hoá: CH2=CH2 + H2O C2H5OH

Cacbonyl: CH3OH + CO + 2 H2 C2H5OH + H2O

+ Công nghệ sản xuất ethanol sinh học:

Công nghệ này dựa trên quá trình lên men các nguồn hydratcacbon có trong tựnhiên như: nước đường ép, ngô, sắn, mùn, gỗ

(C6H10O5)n + nH2O nC6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + QTrong quá trình sản xuất ethanol sinh học có thể phân thành 2 công đoạn là côngđoạn lên men nhằm sản xuất Bio─Ethanol có nồng độ thấp và công đoạn chưng cất -làm khan để sản xuất ethanol có nồng độ cao để phối trộn vào xăng

Hiện nay sản xuất cồn chủ yếu và phổ biến là sản xuất theo phương pháp sinhhọc

1.2.2 Các nguồn nguyên liệu sản xuất Bio─Ethanol.

Nguồn nguyên liệu để sản xuất Bio─Ethanol chủ yếu từ:

+ Các loại nguyên liệu chứa đường: mía, củ cải đường, thốt nốt …

+ Các loại nguyên liệu chứa tinh bột: sắn, ngô, gạo, lúa mạch, lúa mì…

+ Các loại nguyên liệu chứa cellulose

Tuy nhiên, tùy theo lợi thế về nguồn nguyên liệu của mỗi quốc gia, người tachọn loại nguyên liệu có lợi thế nhất để sản xuất Bio─Ethanol nhiên liệu Ở Việt Nam,các nguồn nguyên liệu thích hợp có thể sản xuất Bio─Ethanol là mía, sắn, gạo, ngô và

rỉ đường

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol

1.2.3 Sự khác nhau giữa công nghệ sản xuất cồn thực phẩm và Bio─Ethanol.

1.2.3.1 Mục đích sử dụng.

+ Cồn thực phẩm:

Người ta sản xuất cồn thực phẩm là để pha chế thành rượu và các loại đồ uống

có cồn Các loại đồ uống này được dùng trực tiếp cho con người nên trong thành phẩmcủa cồn thực phẩm chỉ bao gồm chủ yếu là etanol Các loại cồn đầu, dầu fusel, andehyt,axit, este… có hại cho sức khoẻ phải càng ít càng tốt và không được vượt quá ngưỡngqui định

Ngoài ra, do phải pha loãng khi pha chế, nên không bắt buộc phải sản xuất racồn có nồng độ rất cao

+ Cồn nhiên liệu:

Cồn nhiên liệu được sản xuất để dùng làm chất đốt Khi sản xuất cồn nhiên liệungười ta không cần phải tách bỏ cồn tạp vì bản thân chúng khi cháy cũng tạo ra nănglượng

Trái với cồn thực phẩm, cồn nhiên liệu bắt buộc phải tách nước triệt để, vì nếuhàm lượng nước có trong cồn càng cao thì làm giảm hiệu quả của quá trình cháy và ảnhhưởng đến động cơ thiết bị, đồng thời khi pha cồn vào xăng sẽ dẫn đến sự phân táchpha Cũng chính vì vậy mà khi sản xuất còn nhiên liệu, người ta phải chọn giải phápcông nghệ thích hợp để loại bỏ nước trong cồn, tạo ra cồn có nồng độ rất cao

1.2.3.2 Sự khác nhau trong công nghệ sản xuất ethanol thực phẩm và ethanol nhiên liệu.

Sự khác nhau trong công nghệ sản xuất ethanol thực phẩm và ethanol nhiên liệuchủ yếu xảy ra ở công đoạn cuối: chưng cất, tách nước [4]:

Công đoạn Ethanol thực phẩm Ethanol nhiên liệu

Chưng cất

Phức tạp hơn do cần tách triệt để cácchất có hại cho sức khỏe con người:

cồn đầu, dầu fusel, adehyt…

1.3 Công nghệ sản xuất Bio─Ethanol từ tinh bột.

1.3.1 Giới thiệu về nguyên liệu tinh bột sử dụng chủ yếu ở Việt Nam.

Có nhiều nguyên liệu chứa tinh bột như sắn, ngô, gạo….Thành phần hoá họccủa một số nguyên liệu chứa tinh bột được thể hiện ở bảng sau Tính theo % trungbình:

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol

- Hiện nay, diện tích trồng sắn ở nước ta khoảng gần 500.000 ha và được phân bốchủ yếu ở Tây Nguyên và Đông Nam bộ Năng suất thu hoạch sắn tại nước ta trungbình là 15-20 tấn/ha và tăng đều qua các năm.[5]

- Hàm lượng tinh bột trong sắn tươi ở nước ta khoảng 25-35% Cứ 2,3 kg sắn tươithì có thể thu được 1kg sắn lát.[5]

- Với giá cả hiện nay thì việc sử dụng sắn để sản xuất xăng sinh học là khả thi nhất

- Năng suất ngô của nước ta thấp, chỉ đạt ở mức 3.7 – 3.8 tấn/ha Để sản xuất 1 lítBio─Ethanol, chúng ta cần 2,4 đến 2,6 kg ngô và giá ngô hiện nay là 4.100 đồng/kg,đồng thời hàng năm Việt Nam phải nhập khẩu khoảng 400 – 500 nghìn tấn ngô Chính

vì vậy, việc sản xuất Bio─Ethanol từ ngô trong giai đoạn hiện nay là không khả thi vìgiá ngô quá cao so với sắn lát, mặc dù hàm lượng tinh bột thấp hơn (65%) [6]

Vì vậy, nguồn nguyên liệu được chọn lựa cho công nghệ sản xuất Bio─Ethanol

là sắn

1.3.2 Giới thiệu về nguyên liệu sắn.

- Về cơ bản củ sắn gồm 3 phần chính: vỏ, thịt củ và lõi (ngoài ra còn có cuống và rễcủ)

+ Phần thịt củ có chứa nhiều tinh bột, protein và các chất dầu, một ít polyphenol,độc tố và enzim.

+ Lõi sắn nằm ở tâm củ dọc suốt chiều dài,thành phần chủ yếu là xenluloza Lõi

có chức năng dẫn nước và các chất dinh dưỡng giữa cây và củ đồng thời giúp thoátnước khi phơi hoặc sấy sắn

- Thành phần sắn tươi dao động trong giới hạn khá lớn: tinh bột 20 - 34%, protein0,8 - 1,2%, chất béo 0,3 - 0,4%, xenluloza 1 - 3,1%, chất tro 0,54%, polyphenol 0,1 -0,3% và nước 60 - 74,2% [5] Ngoài ra trong sắn còn chứa một lượng Vitamin và độc

tố Vitamin trong sắn thuộc nhóm B Các Vitamin này sẽ bị mất một phần khi chế biến

và nhất là khi nấu trong sản xuất rượu

- Độc tố trong sắn có tên chung là phazéolunatin gồm 2 glucozit Linamarin vàLotaustralin Các độc tố này thường tập chung ở vỏ cùi Bình thường phazéolunatinkhông độc nhưng khi bị thuỷ phân thì các glucozit này sẽ giải phóng axit HCN Sắntươi đã thái lát và phơi khô sẽ giảm đáng kể hàm lượng glucozit gây độc kể trên Đặcbiệt trong sản xuất rượu, khi nấu ở nhiệt độ cao đã pha loãng nước nên với hàm lượng

ít chưa ảnh hưởng đến nấm men Hơn nữa các muối xyanat khi chưng cất không bayhơi nên bị loại cùng bã rượu [5]

- Tiêu chuẩn sắn lát sử dụng cho công nghệ [4]:

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol

+ Các tạp chất khác: ≤ 3,0 %kg

1.3.3 Các dây chuyền công nghệ sản xuất Bio─Ethanol trên thế giới.

Trên thế giới, hiện nay có rất nhiều nhà cung cấp công nghệ sản xuấtBio─Ethanol nhiên liệu Có thể kể ra một số các nhà cung cấp công nghệ sản xuấtBio─Ethanol nhiên liệu hàng đầu trên thế giới gồm:

+ Lurgi AG, Frankfurt, Đức

+ Technip-Coflexip, Paris, Pháp

+ Delta-T Corporation, Virginia, Mỹ

+ Katzen International INC., Cincinnati, Ohio, Mỹ

+ Tomsa Destil S.L, Madrid, Tây Ban Nha

+ Vogelbusch GmbH, Vienna, Áo

Ngoài các nhà cung cấp bản quyền công nghệ kể trên, trong lĩnh vực sản xuấtBio─Ethanol nhiên liệu còn có một số các nhà cung cấp công nghệ, thiết bị mua bảnquyền công nghệ của các hãng nêu trên rồi tự nghiên cứu phát triển công nghệ như:

+ Praj Industries Limited, Pune, Ấn Đô

+ Alfa Laval (India) Limited, Pune, Ấn Độ

+ Filli impianti, Monteriggioni, Italia

+ Kolon Engineering & Construction Co Ltd., Kyunggi-Do, Hàn Quốc

+ Changhae Engineering Co.Ltd, Jeonju, Hàn Quốc

+ Rushan Risheng Machinery Manufacture Co., Ltd, Trung Quốc

Trong phạm vi đồ án tốt nghiệp, em xin trình bày các mô hình, dây chuyền côngnghệ của các nhà cung cấp công nghệ sau:

+ Vogelbusch GmbH, Vienna, Áo

+ Praj Industries Limited, Pune, Ấn Đô

+ Delta-T Corporation, Virginia, Mỹ

1.3.3.1 Công nghệ Vogelbusch.

Dây chuyền công nghệ Vogelbusch, Áo [7]

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol

1 Công đoạn nghiền

Sắn lát về đến nhà máy bằng xe tải được đổ xuống phễu tiếp nhận Sau đó sắnđược tách bỏ tạp chất kim loại rồi đến kho chứa

Từ kho chứa, sắn được làm sạch sơ bộ và cấp cho thùng chứa trung gian trướckhi vào máy nghiền búa

Sản phẩm sau nghiền được phân loại bằng sàng phân loại, ở đây những sảnphẩm có kích thước chưa đạt sẽ được quay về lại thùng chứa trung gian trước máynghiền, bột sắn với kích thước đạt yêu cầu được chứa ở thùng chứa bột

Bụi sinh ra sẽ được xử lý bằng hệ thống lọc đặc biệt với sự hỗ trợ của máy thổikhí

2 Công đoạn hồ hóa – đường hóa

Bột sắn sẽ được hòa trộn với nước sạch, hơi ngưng và dịch hèm loãng sau lytâm Tinh bột sẽ được chuyển hóa/cắt mạch thành dextrin, đường đa bởi enzyme Alphaamylaza ở nhiệt độ, áp suất và pH thích hợp

Quá trình nấu sẽ sử dụng sự phun hơi trực tiếp Dịch sau khi hồ hóa sẽ được làmmát bởi thiết bị làm lạnh nhanh hoạt động ở điều kiện chân không

Dịch sau khi làm lạnh nhanh được cấp cho thùng đường hóa Tại đây, một phầndịch hèm loãng sau ly tâm cũng được bổ sung, dung dịch H2SO4 điều chỉnh pH vàenzyme Gluco-amylaza chuyển hóa dextrin, đường đa thành đường Glucô

3 Công đoạn lên men

Vogelbusch sử dụng công nghệ lên men liên tục Kết quả của việc sử dụng côngnghệ như vậy sẽ giảm lao động, giảm lượng dung dịch CIP (kết quả là giảm hóa chất

và chi phí), công suất lên men tăng khoảng 130% so với hệ thống lên men theo mẻ vàlàm tăng sản lượng ethanol

Bản chất của phương pháp lên men liên tục là rải đều các giai đoạn lên men màmỗi giai đoạn đó được thực hiện trong một hoặc nhiều thiết bị lên men có liên hệ với

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol

nhau Dòng dịch sẽ lần lượt chảy qua các thùng lên men và giấm chín được lấy ra ở từbồn cuối cùng

Trong thiết kế dây chuyền này, quá trình lên men có thể thực hiện gián đoạnbằng cách đóng các van kết nối giữa các thùng lên men để cách ly các thùng với nhau.Khi đó từng thùng sẽ được nạp liệu và lấy giấm chín ra một cách độc lập (lên men giánđoạn từng thùng)

4 Công đoạn chưng cất – tách nước

Sử dụng công nghệ chưng cất đa áp suất, hệ thống chưng cất hệ thống chưng cấtnày sử dụng nhiệt năng tối ưu hơn và do đó giảm lượng hơi tiêu thụ

tử 3A Sản phẩm cồn khan sẽ được đưa đi ngưng tụ, làm mát và tồn chứa

Sau một thời gian hấp phụ, tháp hấp phụ bị bão hòa và tháp được tái sinh bằngmột phần dòng hơi cồn khan đi ra khỏi tháp hấp phụ Dòng hơi cồn tái sinh có chứanước sẽ quay trở lại khu vực chưng cất

5 Công đoạn xử lý dịch hèm.

Dịch hèm thải từ tháp chưng cất được đưa đến máy ly tâm nhằm tách bỏ cácthành phần rắn lơ lửng Dịch hèm loãng sau ly tâm, một phần sẽ hồi lưu lại quá trìnhcông nghệ, phần còn lại được đưa đi cô đặc bốc hơi

Bã ẩm tách ra từ máy ly tâm sẽ được trộn với phần cặn đáy từ thiết bị cô đặc,sau đó được đưa đi sấy làm thức ăn gia súc

Hơi sinh ra từ thiết bị sấy, cô đặc sẽ được thu hồi và quay trở lại quá trình côngnghệ

1.3.3.2 Công nghệ Praj.

Dây chuyền công nghệ Praj Industries Limited, Pune, Ấn Độ [8]

Quá trình sản xuất ethanol từ sắn lát dựa theo phương pháp chưng cất bao gồmnghiền, loại bỏ cát đá, hồ hoá, lên men, và chưng cất - tách nước Xử lý nước thải theophương pháp gạn lắng, xử lý bio-gas như là phương pháp xử lý cơ bản và xục khí như

là phương pháp xử lý lần hai

Khu công nghệ chính có thể được chia thành 5 mục chính như sau:

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol

- Nghiền sắn và tách cát: Trong khu vực này, sắn lát được làm sạch, nghiền và hoàbột để tạo thành dịch bột sắn (slury)

- Hồ hoá: Trong khu vực này, tinh bột được hồ hoá ở khoảng 115oC với sự có mặtcủa enzym

- Đường hoá và lên men “HIFERM-NM”: Trong khu vực này, dịch hồ hoá đầu tiênđược chuyển hoá thành đường, sau đó đường lên men được được lên men đồng thờibởi nấm men khô hoạt động tạo thành ethanol

- Chưng cất “ECOFINE MPR”: Trong khu vực này, dịch bột sau khi lên men đượcchưng cất trong hai hệ thống tháp chưng cất để tạo thành ethanol ngậm nước 93% Trong trường hợp cần tăng nồng độ lên 95% thì sử dụng hơi nhiều hơn

- Tách bã và xử lý nước thải theo phương pháp xử lý methanol ECOMET XPD Dịchhèm được sản xuất như là một sản phẩm phụ của khu chưng cất, được tách trong máytách ly tâm để tạo thành bã ẩm và dịch hèm loãng

1 Công đoạn hồ hóa

Bột sắn được xử lý trong khu vực xử lý sơ bộ sắn để tạo thành dịch bột Cátcũng được loại bỏ trong giai đoạn xử lý này Dịch bột này được sử dụng làm nguyênliệu cho công đoạn hồ hóa Dịch bột trong khu xử lý sơ bộ sắn được hòa với dòng rakhỏi đáy tháp tinh

Dòng dịch hèm tuần hoàn và dịch bột được hòa trộn trong thùng chuẩn bị dịch

Nó được gia nhiệt đến 105oC Dịch này được đưa vào thùng hồ hóa đầu tiên Trongthùng hồ hóa này, dịch bột được duy trì ở 85oC

Enzym hồ hóa được thêm vào cùng với enzym giảm độ nhớt Sau khi hồ hóa,dịch bột được làm mát và bơm đến khu vực đường hóa và lên men

2 Công đoạn đường hoá và lên men

Men giống được chuẩn bị trong bình chuẩn bị men bởi dịch bột đã được tiệttrùng với men khô đã hoạt hóa Nhiệt độ tối ưu được duy trì bằng cách tuần hoàn qua

thiết bị làm mát bằng nước Các thành phần của bình chuẩn bị men được chuyển đếnthùng lên men sơ bộ.

Thùng lên men sơ bộ được làm đầy dịch bột và nạp các chất của thùng nhânmen Mục đích của việc lên men sơ bộ có sục khí (aerated) cho phép các tế bào nấmmen phát triển nhiều hơn và giảm sự nhiễm khuẩn của thùng nhân men Khi các chấttrong thùng lên men sơ bộ được chuyển đến thùng nhân men chính, nồng độ của nấmmen đã đủ cao về căn bản có thể giảm được thời gian trễ liên quan đến sự phát triểncủa nấm men trong quá trình lên men

Enzym đường hóa được thêm vào trong thùng lên men Chúng sẽ chuyển hóatinh bột thành đường Ở đây cơ bản là sự chuyển hóa của dextrin thành dextroza Mụcđích của quá trình lên men là chuyển các chất có thể lên men được thành cồn

pH của dịch bột được điều chỉnh cơ bản là nhờ dịch hèm tuần hoàn (cũng là đểcung cấp chất dinh dưỡng) hoặc là thêm axit vào Nấm men có hiệu lực trong mộtlượng vừa đủ để khởi đầu quá trình lên men nhanh và kết thúc nó trong vòng 60 giờ

Tại giai đoạn đầu của chu kỳ, thùng lên men được nạp liệu với dịch bột và cácchất của thùng lên men sơ bộ Lên men là quá trình sinh nhiệt Nhiệt sinh ra được loại

bỏ bằng cách tuần hoàn làm mát trong thiết bị trao đổi nhiệt bên ngoài Bơm tuần hoàncũng được cung cấp để bơm dịch đã lên men (giấm chín) đến thùng giấm chín Sau đóthùng lên men được làm sạch với nước và dung dịch xút, và khử trùng cho mẻ tiếptheo

3 Công đoạn rửa CO2

CO2 rút ra trong suốt quá trình lên men sẽ kéo theo một lượng ethanol CO2 nàyđược đưa vào thiết bị rửa CO2 bằng nước và loại bỏ lượng ethanol bị kéo theo

4 Công đoạn chưng cất

“ECOFINE MPR” là sơ đồ công nghệ đa áp suất với hai tháp chưng cất Cáctháp này bao gồm các dòng:

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol

- Tháp thô kết hợp tách khí ở đỉnh tháp: vận hành ở chân không

- Tháp tinh: vận hành ở áp suất dư

Dịch sau khi lên men được gia nhiệt trong thiết bị gia nhiệt sơ bộ và đưa vàođỉnh của tháp tách khí ở đỉnh của tháp thô Một khu vực nhỏ được cung cấp ở đỉnh củatháp thô gọi là tháp tách khí Dấm chín được đưa vào tháp này và dòng đi xuống thápthô

Hơi ở đỉnh tháp thô chứa ethanol được chuyển đến tháp tinh sau khi ngưng tụ.Một phần nhỏ của dòng hơi này được nạp vào tháp tách khí Trong tháp tách khí cáckhí hòa tan cùng với một số tạp chất được tách ra ở đỉnh của tháp Hơi này được ngưng

tụ trong thiết bị ngưng tụ của tháp tách khí và thành phần ngưng tụ được đưa đến khuvực thấp hơn của tháp tinh để thu hồi ethanol

Phần còn lại của dấm chín tách ra khỏi dòng ethanol đi xuống dưới tháp thô vàlấy ra như dòng nước thải từ đáy của tháp thô Tháp thô vận hành ở chân không đảmbảo nhiệt độ vận hành thấp Ở nhiệt độ thấp, độ hòa tan của muối canxi cao hơn nênchúng không kết tủa trong tháp Vì vậy tháp thô ít đóng cặn hơn

Tháp tinh được vận hành ở áp suất tăng Hơi được đưa vào thiết bị đun sôi đáytháp, được cung cấp ở đáy tháp

Cồn được làm giàu đi ra ở đỉnh và có nồng độ khoảng 95% v/v Cồn sau tinhchế đi ra khỏi tháp và được đưa đi lưu trữ

Dòng dầu fusel từ tháp tinh được đưa đến thiết bị tách dầu fusel, nơi mà dòngnày được hoà tan với nước và lớp giàu dầu fusel được tách ra Nước rửa dầu fusel đượctuần hoàn trở lại tháp

Dòng nước tách ra từ đáy tháp thô một phần được tuần hoàn lại khu vực lên mennhư là nước hoà tan và phần còn lại được đưa đến phân xưởng xử lý nước thải

5 Công đoạn tách nước.

Quá trình tạo thành cồn tinh chế thông qua lớp hút ẩm Hai tháp hút ẩm đượccung cấp để cho phép vận hành liên tục: một tháp thực hiện quá trình hấp phụ trong khitháp kia tiến hành tái sinh

Nguyên liệu là hơi quá nhiệt của tháp tinh, được gia nhiệt siêu tốc để đảm bảonhiệt độ vận hành, và tuần hoàn đến tháp rây phân tử 1 được giả định là đang trong giaiđoạn tách nước Sau khi đi qua thiết bị làm khô, hơi được ngưng tụ, làm mát và đưađến bể chứa sản phẩm

Một phần nhỏ của hơi sản phẩm được đưa đến tháp 2 đang trong giai đoạn táisinh, ở áp suất chân không, để tiến hành tái sinh

Giai đoạn tái sinh hút hơi nước từ các mao quản của rây phân tử, giúp cho tháp

2 sẵn sàng cho chu kỳ kế tiếp Nồng độ dòng hơi thu hồi thấp, được ngưng tụ và tuầnhoàn trở lại tháp tinh

6 Công đoạn ly tâm tách bã

Quá trình tách được thực hiện bởi máy tách ly tâm liên tục để tách bã ẩm Dòngchất lỏng là dịch hèm loãng từ thiết bị tách được đưa qua phân huỷ kỵ khí, theo sau làphân huỷ hiếu khí

1.3.3.3 Công nghệ Applied Process Technology International - APTI (Delta-T).

Đây là bản quyền công nghệ sản xuất Bio Ethanol nhiên liệu được áp dụng đốivới Nhà máy sản xuất Bio─Ethanol nhiên liệu Miền Trung Công nghệ này sẽ đượctrình bày chi tiết ở phần tiếp theo

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol

1.3.4 Công Nghệ sản xuất Bio─Ethanol hiện tại ở Việt nam.

1.3.4.1 Sơ đồ khối công nghệ sản xuất ethanol

Dây chuyền công nghệ của Applied Process Technology International - APTI(Delta-T) [4]

Công nghệ sản xuất Bio─Ethanol với nguyên liệu là sắn lát (cassava chips), sắnlát được đưa đến khu vực nghiền, chuẩn bị dịch và tách cát, ở đây sẽ tạo thành dungdịch bột đồng nhất (cassava slurry) Tinh bột trong dung dịch bột được chuyển hóathành đường có khả năng lên men dựa trên hoạt động của các enzyme (công đoạn hồhóa và nấu) và sau đó đường được chuyển hóa thành Ethanol và CO2 bởi hoạt động củamen (công đoạn lên men)

Khí CO2 thô sẽ được rửa sơ bộ bằng nước để tách lượng cồn bị cuốn theo, sau

đó CO2 được đưa đến phân xưởng thu hồi và hóa lỏng CO2

Dịch sau lên men (giấm chín) có nồng độ Ethanol thấp (9 ÷ 14%v/v), cần phảiloại bỏ tối đa lượng nước bằng phương pháp chưng cất, tinh luyện Tuy nhiên do hiệntượng điểm đẳng phí của hỗn hợp Ethanol và nước nên sau công đoạn chưng cấtBio─Ethanol thu được chỉ đạt nồng độ 95-96 %v/v Để sử dụng làm nhiên liệu,Bio─Ethanol tiếp tục được đưa qua công đoạn tách nước để đạt nồng độ tối thiểu 99,8

%v/v

Dịch hèm thải ra từ đáy của hai tháp chưng cất thô được đưa đến Decanter (máy

ly tâm) để tách các thành phần rắn có trong dịch hèm Các bước xử lý tiếp theo là sấy

bã và xử lý nước thải có thu hồi Methane

Hiệu suất của các công đoạn chính:

- Hiệu suất lên men: 94%

- Hiệu suất chưng cất: 99%

- Hiệu suất tách nước: 99,5%

- Hiệu suất tổng của nhà sản xuất chính (từ hồ hóa đến tách nước): 90,7%

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol

1.3.4.2 Sơ đồ dòng của khu vực chuẩn bị dịch và tách cát.

Bột sắn sau nghiền được hòa trộn cùng với dòng dịch từ thùng TK-1101 gồmnước công nghệ, dịch hèm loãng và dòng dịch Grits hồi lưu từ đỉnh hệ thống cyclonecấp 2 của hệ thống cyclone tách cát Dịch bột sau đó được đưa đến thùng TK-1102 Cả

2 thùng TK-1101 và TK-1102 đều được trang bị cánh khuấy

Dịch bột từ thùng TK-1102 được gia nhiệt lên 40 - 50OC bằng dòng nước ngưngcông nghệ tại E-1102 để tránh tinh bột lơ lửng trong nước Sau đó được dẫn qua thiết

bị đồng nhất và đến hệ thống cyclone 3 cấp tách cát triệt để

1.3.4.3 Sơ đồ dòng của khu vực hồ hóa và nấu

Dịch bột từ cụm công nghệ chuẩn bị dịch và tách cát tiếp tục được hòa trộn vớinước ngưng công nghệ tại thùng hòa trộn dịch TK-2101 Thùng này được duy trì ởnhiệt độ khoảng 82oC Thời gian lưu của dịch trong thùng là 30 phút Enzyme Alpha-amylaza được đưa vào nhằm bẻ gãy tinh bột thành đường có khả năng lên men NH3được thêm vào để điều chỉnh pH, đồng thời cung cấp dinh dưỡng cho men Một phầndịch hèm loãng có thể được bổ sung vào thùng hòa trộn

Dịch sau hòa trộn được bơm đến thùng hồ hóa TK-2201 Thời gian lưu của dịch

ở thùng hồ hóa là 120 phút để đủ thời gian cho enzyme Alpha-amylaza tiếp tục bẻ gãynhững chuỗi tinh bột thành đường đơn Sau đó dịch được gia nhiệt bằng hơi tại thiết bịtrao đổi nhiệt nhằm chuyển hóa tinh bột triệt để và tiệt trùng dòng dịch Hệ thống gồm

3 nồi nấu dạng ống được cung cấp nhằm tạo thời gian lưu cần thiết (15 phút) để tiệttrùng Sau khi nấu, dịch được làm lạnh 2 cấp bằng giấm chín và nước làm mát đếnnhiệt độ 32OC và cung cấp cho khu vực lên men

Dung dịch H2SO4 được bổ sung tại đầu ra của thùng hồ hóa nhằm giảm pHxuống thích hợp cho quá trình nhân men Dòng dịch hèm loãng cũng có thể bổ sung

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol

vào vị trí này để giảm pH, điều này sẽ làm giảm lượng H2SO4 tiêu thụ nhưng sẽ làmtăng thành phần chất rắn trong dịch

Trong thời gian dài dừng nhà máy, thùng hòa trộn, thùng hồ hóa và các đườngống liên quan sẽ được vệ sinh làm sạch bằng hệ thống CIP

1.3.4.4 Sơ đồ dòng của khu vực nhân men giống và lên men.

Hệ thống lên men gồm 6 thùng, trong đó thùng đầu tiên là thùng nhân giống, 4thùng lên men cùng kích thước và thùng chứa giấm chín Nhà máy sử dụng quá trìnhlên men theo mẻ để chuyển hóa đường có khả năng lên men thành Ethanol và CO2 dựatrên hoạt động của men

Quá trình nhân men giống diễn ra ở thùng nhân men TK-3102 Thùng nhân menđược trang bị cánh khuấy và được làm lạnh bên ngoài bằng bơm tuần hoàn và thiết bịlàm lạnh

Quá trình nhân men theo mẻ và toàn bộ mẻ nhân men sẽ được cấp cho thùng lênmen khi hoạt động của men đạt được điểm tối ưu (được quyết định bởi nhân viên phântích), bình thường thời gian lưu dịch trong thùng nhân men là 12h/mẻ Sau mỗi mẻ,thùng nhân men, thiết bị làm lạnh và các đường ống liên quan được vệ sinh làm sạchbằng hệ thống CIP để ngăn ngừa nhiễm khuẩn

Quá trình lên men theo mẻ với hiệu suất 94% và thời gian lưu 48h/mẻ Quá trìnhlên men sinh nhiệt nên phải tuần hoàn dịch đang lên men qua thiết bị làm mát bênngoài để duy trì nhiệt độ thùng lên men ở khoảng 32OC

Sau khi đạt đủ thời gian lên men, giấm chín được bơm đến thùng chứa giấmchín Thể tích thùng chứa giấm chín bằng 1,3 lần thể tích thùng lên men Tại đây giấmchín sẽ được cung cấp liên tục cho khu vực chưng cất Để thu hồi năng lượng, giấmchín trước khi đến khu vực chưng cấp sẽ được gia nhiệt sơ bộ ở 1 trong 2 thiết bị traođổi nhiệt mà tác nhân gia nhiệt là dịch sau nấu

Khí CO2 thô sẽ được rửa sơ bộ bằng nước để tách lượng cồn bị cuốn theo, sau

đó CO2 được đưa đến phẩn xưởng thu hồi và hóa lòng CO2 Khí CO2 sinh ra có thể tạobọt trong thùng lên men, do đó mỗi thùng lên men được trang bị các đầu phun chấtchống tạo bọt khi cần

Các thùng lên men và đường ống lên quan, các thiết bị trao đổi nhiệt đều đượckết nối với hệ thống CIP để làm sạch và tiệt trùng Hệ thống lên men được trang bị vớiđường ống và điều khiển cho phép làm vệ sinh hay bảo trì bất kỳ thùng lên men nàocũng không ảnh hưởng đến việc cung cấp giấm chín liên tục

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol

1.3.4.5 Sơ đồ dòng của khu vực chưng cất.

Chưng cất là quá trình làm bay hơi ethanol có trong giấm chín và cô đặc nó đếnnồng độ xấp xỉ 95 %v

Ethanol trong giấm chín được tách ra khỏi dịch hèm sử dụng hệ thống với 3 thápchưng cất Ba tháp chưng là tháp thô 1, 2 và tháp tinh

Hệ thống chưng cất gồm ba tháp, nó sẽ bao gồm hai tháp chưng cất thô và mộttháp chưng cất tinh Tháp chưng cất thô 1 vận hành ở áp suất khí quyển Tháp chưngcất thô 2 vận hành ở áp suất chân không và tháp tinh vận hành ở áp suất xấp xỉ là 3,4bar

Giấm chín được chia ra và đưa đến đỉnh của mỗi tháp chưng cất thô với tỷ lệnhư nhau Sau khi gia nhiệt, giấm chín đi vào tháp thô 1 có nhiệt độ sấp xỉ là 88 oC(190 oF), và đi vào tháp thô 2 với nhiệt độ sấp xỉ là 77 oC (170 0F) Sản phẩm đáy củatháp thô, hay gọi là dịch hèm, được đưa đi xử lý Hơi ethanol từ đỉnh của các tháp thôđược ngưng tụ và bơm đến tháp tinh Tại đây nó được cô đặc, tăng nồng độ lên 95%

Ethanol ra khỏi tháp tinh được đưa sang hệ thống tách nước Dòng ra khỏi đáy tháptinh chủ yếu là nước cùng với lượng nhỏ ethanol và các chất hữu cơ dễ bay hơi đượcquay lại quá trình công nghệ.

Hệ thống chưng cất được tính toán để hiệu suất sử dụng năng lượng là lớn nhất.Phần cất của đỉnh tháp tinh được sử dụng để cung cấp nhiệt cho các tháp thô Hơingưng tụ được tuần hoàn lại tháp tinh làm dòng hồi lưu đỉnh Độ axit của sản phẩmđược điều khiển bằng cách loại bỏ các khí không tan trong ethanol với một quá trìnhriêng

1.3.4.6 Sơ đồ dòng của khu vực tách nước.

Việc loại bỏ nước, làm khan cồn để sản xuất cồn nhiên liệu được thực hiện trong

hệ thống tách nước rây phân tử Rây phân tử làm việc cơ bản là hấp phụ chọn lọc ở phahơi Trong trường hợp này, nước được hấp phụ trong các mao quản trong khi ethanol

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol

thoát ra ngoài Nước bị hấp phụ sẽ được loại bỏ suốt trong giai đoạn tái sinh và đượcđưa trở lại hệ thống chưng cất để thu hồi ethanol

Quá trình tái sinh đạt được khi sử dụng hệ thống chuyển đổi áp suất Sự giảm ápsuất đạt được nhờ hệ thống chân không Quá trình hấp phụ thực hiện ở áp suất dư trongkhi tái sinh thực hiện ở áp suất chân không

Hệ thống giảm axit được thiết kế để loại bỏ CO2 và axit cacbonic làm cho nồng

độ axit cao Phần lớn dòng cồn khan sau khi ra khỏi tháp tách nước được ngưng tụ vàđưa vào tháp khử axit Một phần nhỏ hơi ethanol khan được đưa vào đáy tháp khử axit

để tách khí CO2 còn lưu lại Dòng lỏng (sản phẩm cuối cùng) được thu nhận ở đáy củatháp khử axit được làm mát và chuyển đến bể chứa

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG

LUYỆN

2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất.

2.1.1 Khái niệm về chưng cất.

Chưng là phương pháp dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng nhưhỗn hợp khí – lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của cáccấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu

tử khác nhau) Thay vì đưa vào hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa haipha như trong quá trình hấp thụ hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới đượctạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ [9, tr49]

− Sự khác nhau giữa chưng và cô đặc:

+ Chưng: dung môi và chất tan đều bay hơi;

+ Cô đặc: chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi

− Khi chưng hỗn hợp 2 cấu tử [9, tr50]:

+ Sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần cấu tử có độbay hơi bé

+ Sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần cấu tử có độbay hơi lớn

 Phân loại các phương pháp chưng:

Trong sản xuất, thường gặp các phương pháp chưng sau:

− Chưng đơn giản:

+ Dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau

+ Thường dùng để tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất

Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Tổng quan về quá trình chưng luyện

− Chưng bằng hơi nước trực tiếp:

+ Tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi

+ Thường được dùng trong trường hợp chất được tách không tan vàonước

− Chưng chân không: Dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu

tử (đối với các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao hay có nhiệt

độ sôi quá cao)

− Chưng luyện: Là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗnhợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toànvào nhau

+ Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân huỷ ởnhiệt độ cao

+ Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở ápsuất thường

2.1.2 Khái niệm về cân bằng lỏng – hơi.

Cân bằng lỏng hơi là trạng thái mà tại đó pha lỏng và pha hơi (pha khí) cân bằngvới nhau, tốc độ bay hơi bằng tốc độ ngưng tụ ở mức độ phân tử và lúc đó, xem như làkhông có sự chuyển pha lỏng – hơi Mặc dù, theo lý thuyết, quá trình chuyển pha luônđạt đến cân bằng, nhưng trên thực tế, sự cân bằng chỉ được thiết lập trong một hệ tươngđối kín, khi chất lỏng và hơi của nó tiếp xúc với nhau trong thời gian đủ dài và không

có sự tác động từ bên ngoài hoặc tác động từ từ

Nồng độ của pha hơi khi tiếp xúc với pha lỏng của nó, đặc biệt ở trạng thái cânbằng, được đặc trưng bởi áp suất hơi, hoặc áp suất riêng phần trong hỗn hợp hơi Ápsuất hơi cân bằng của một chất lỏng thường phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ Ở trạngthái cân bằng lỏng – hơi, một pha lỏng với những cấu tử có nồng độ nhất định sẽ cópha hơi cân bằng, trong đó nồng độ hay áp suất riêng phần của các cấu tử hơi sẽ đạt giá

trị không đổi, phụ thuộc vào nồng độ của các cấu tử trong pha lỏng và nhiệt độ Ngượclai, nếu pha hơi có nồng độ các cấu tử hay áp suất riêng phần không đổi thì ở trạng tháicân bằng, pha lỏng của nó có nồng độ không đổi, phụ thuộc vào nồng độ pha hơi vànhiệt độ

Nồng độ cân bằng của mỗi cấu tử trong pha lỏng thường khác với nồng độ hay

áp suất hơi của nó trong pha hơi, nhưng giữa chúng có sự tương quan Nồng độ cânbằng lỏng – hơi thường được xác định qua thực nghiệm cho hỗn hợp lỏng – hơi cónhiều cấu tử Trong một số trường hợp, các số liệu của cân bằng lỏng – hơi có thể đượcxác định nhờ Định luật Raoult, Định luật Dalton hay Định luật Henry

Cân bằng lỏng hơi được ứng dụng nhiều trong việc thiết kế tháp chưng cất, đặcbiệt là tháp đĩa

2.1.3 Hỗn hợp hai cấu tử.

Phân loại hỗn hợp hai cấu tử:

− Dung dịch lý tưởng [9, tr52]: là dung dịch mà ở đó lực liên kết giữa cácphân tử cùng loại và lực liên kết giữa các phân tử khác loại bằng nhau, khi đó các cấu

tử hòa tan vào nhau theo bất cứ tỷ lệ nào Cân bằng giữa lỏng và hơi hoàn toàn tuântheo định luật Raoult

− Dung dịch thực [9, tr52]: là những dung dịch không hoàn toàn tuân theođịnh luật Raoult, sự sai lệch với định luật Raoult là dương nếu lực liên kết giữa cácphân tử cùng loại lớn hơn lực liên kết giữa các phân tử khác loại, ngược lai, sai lệch là

âm nếu lực liên kết giữa các phân tử cùng loại nhỏ lực liên kết giữa các phân tử khácloại Trường hợp lực liên kết giữa các phân tử khác loại rất bé so với lực liên kết giữacác phân tử cùng loại thì dung dịch sẽ phân lớp, nghĩa là các cấu tử không hòa tan vàonhau hoặc hòa tan không đáng kể

Căn cứ vào mức độ hòa tan, có thể chia dung dịch hai cấu tử thành các loại sau:

+Chất lỏng hòa tan vào nhau theo bất cứ tỷ lệ nào

Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Tổng quan về quá trình chưng luyện

+Chất lỏng hòa tan một phần vào nhau

+Chất lỏng không hòa tan vào nhau

2.2 Các phương pháp chưng cất.

2.2.1 Chưng đơn giản.

Nguyên tắc và sơ đồ chưng đơn giản:

Trong quá trình chưng đơn giản hơi được lấy ra ngay và cho ngưng tụ Ta có thểxem diễn biến của quá trình trên đồ thị t-y-x (hình 2.1):

Hình 2.1 Cân bằng pha cho trường hợp chưng đơn giản

Lúc đầu dung dịch có thành phần biểu thị ở điểm C, khi đun đến nhiệt độ sôi hơibốc lên có thành phần ứng với điểm P, vì trong hơi khi nào cũng có cấu tử dễ bay hơihơn trong lỏng nên trong thời gian chưng cất thành phần lỏng sẽ chuyển dần về phíacấu tử khó bay hơi Cuối cùng ta có chất lỏng còn lại trong nồi chưng với thành phần là

Cn và thu được hỗn hợp hơi P, P1, P2, , Pn, thành phần trung bình của hỗn hợp hơibiểu thị ở điểm Ptb [9, tr118]

Sơ đồ chưng cất đơn giản biểu diễn trên hình 2.2: dung dịch đầu được cho vàonồi chưng 1, ở đây dung dịch được đun bốc hơi, hơi tạo thành đi vào thiết bị ngưng tụ -làm lạnh 2 Sau khi được ngưng tụ và làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết, chất lỏng đi vòacác thùng chứa 3 Thành phần chất lỏng ngưng luôn luôn thay đổi Sau khi đã đạt đượcyêu cầu chung, chất lỏng còn lại trong nồi được tháo ra Như vậy quá trình là giánđoạn Ta cũng có thể tiến hành chưng liên tục được, khi đó thành phần sản phẩm khôngthay đổi

Hình 2.2 Sơ đồ chưng đơn giản

Chưng đơn giản thường ứng dụng cho những trường hợp sau:

− Khi nhiệt độ sôi của hai cấu tử khác nhau xa

− Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao

− Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

− Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

2.2.2 Chưng bằng hơi nước trực tiếp.

 Nguyên lý:

Nếu có hai chất lỏng A và B không hòa tan vào nhau thì khi trộn lẫn, áp suất củachúng trên hỗn hợp không phụ thuộc vào thành phần của A và B và áp suất chung bằngtổng áp suất hơi bão hòa của các cấu tử ở cùng nhiệt độ [9, tr60]

 Sơ đồ chưng cất bằng hơi nước trực tiếp

Khi chưng bằng hơi nứớc trực tiếp người ta phun hơi nước qua lớp chất lỏngbằng một bộ phận phun Hơi nước có thể là bão hòa hay quá nhiệt Trong quá trình tiếpxúc giữa hơi nước và lớp chất lỏng, cấu tử cần chưng sẽ khuếch tán vào trong hơi Hỗnhợp hơi nước và cấu tử bay hơi đó được ngưng tụ và tách thành sản phẩm [9, tr61]

Quá trình chưng bằng hơi nước trực tiếp hợp lý nhất là chỉ dùng để tách cấu tửkhông tan trong nước ra khỏi tạp chất không bay hơi, trường hợp này sản phẩm ngưng

sẽ phân lớp: cấu tử bay hơi và nước, chúng ta lấy sản phẩm ra một cách dễ dàng Ưuđiểm của quá trình chưng bằng hơi nước trực tiếp là giảm được nhiệt độ sôi của hỗnhợp nghĩa là ta có thể chưng ở nhiệt độ sôi thấp hơn bình thường Điều này rất có lợi

1 Nồi chưng

2 Thiết bị ngưng tụ

3 Thùng chứa sản phẩm

Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Tổng quan về quá trình chưng luyện

với các chất dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao cũng như đối với các chất có nhiệt độ sôiquá cao mà khi chưng cất gián tiếp đòi hỏi dùng hơi áp suất cao Chưng bằng hơi nướctrực tiếp có thể tiến hành gián đoạn hay liên tục (hình 2.3) Trong cả hai trường hợpngười ta đều phải dùng cách đốt gián tiếp để đun bốc hơi hỗn hợp Lượng hơi nướctrực tiếp đi vào hỗn hợp chỉ có nhiệm vụ mang cấu tử dễ bay hơi ra mà thôi [9,p62]

Hình 2.3: Sơ đồ chưng bằng hơi nước trực tiếp

 Căn cứ vào trạng thái hơi nước đi ra khỏi thiết bị người ta phân biệt [9,p62]:

− Chưng bằng hơi nước quá nhiệt nếu áp suất riêng phần của hơi nước tronghỗn hợp đi ra khỏi thiết bị bé hơn áp suất hơi nước bão hòa ở cùng nhiệt độ

− Chưng bằng hơi nước bão hòa nếu áp suất riêng phần của hơi nước tronghỗn hợp hơi đi ra khỏi thiết bị bằng áp suất hơi nước bão hòa ở cùng nhiệt độ

2.2.3 Chưng luyện liên tục.

Phương pháp chưng đơn

giản không cho phép ta thu được

sản phẩm có độ tinh khiết cao

Muốn thu được những sản phẩm có

Chưng gián đoạn Chưng liên tục

độ tinh khiết cao người ta phải tiến hành chưng nhiều lần, sơ đồ chưng cất thể hiện trênhình 2.4 [9, tr71].

Hỗn hợp đầu liên tục đi vào nồi chưng thứ nhất Một phần chất lỏng bốc hơithành sản phẩm đỉnh, ống tháo sản phẩm đỉnh đồng thời là ống để duy trì mực chấtlỏng trong nồi không đổi hơi C ở trong trạng thái cân bằng với lỏng B Hơi C thu được

đó ngưng tụ lại thành chất lỏng D và đi vào nồi chưng thứ hai Trong nồi chưng thứ hai

ta thu được hơi F và chất lỏng E tương tự như thế quá trình lặp lại ở nồi thứ ba Ở mỗinồi có bộ phận đốt trong riêng biệt Kết quả là ta thu được các sản phẩm đáy B, E, H vàsản phẩm đỉnh I chứa nhiều cấu tử dễ bay hơi [9, tr71]

Người ta đã thay đổi sơ đồ sản xuất trên để chỉ thu được một sản phẩm đáy cóchứa nhiều cấu tử ít bay hơi Để đạt được mục đích đó ta cho sản phẩm đáy của nồi thứhai trở về nồi thứ nhất và sản phẩm đáy của nồi thứ ba trở về nồi thứ hai,… Dĩ nhiên làtrạng thái cân bằng trong các nồi không giống như sơ đồ trên nữa Nếu ta khống chếquá trình đốt nóng tốt thì ta có thể liên tục và ổn định thu được sản phẩm đỉnh I và sảnphẩm đáy B

Ta cũng có thể lắp thêm một nồi hay nhiều hơn vào trước nồi thứ nhất vớinguyên liệu đầu vào là sản phẩm đáy B của nồi thứ nhất, thực hiện quá trình chưng tathu được sản phẩm đáy K chứa nhiều cấu tử khó bay hơi

Thiết bị làm việc như thế có thể thu được sản phẩm có độ tinh khiết cao nhưngcũng có nhược điểm là tốn hơi đốt quá nhiều