NÔI DUNG
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN
Tùy theo văn hóa sử dụng cồn, mỗi quốc gia có các loại rượu, bia đặc trưng, trong đó rượu Vodka của Nga nổi tiếng với nồng độ cồn cao, thường từ 35% đến 50% Bên cạnh Vodka, thế giới còn có nhiều loại rượu mạnh khác như Brandy, Whisky, Martin, Napoleon, Rhum, cùng với các loại rượu nhẹ và rượu thông thường.
Rượu thủ công được sản xuất từ các nguyên liệu tự nhiên như lúa, gạo, ngô, khoai, sắn, qua quy trình ủ men truyền thống, tạo nên hương vị đặc trưng Điểm đặc biệt là quá trình chưng cất sử dụng thiết bị chuyên dụng thay vì tháp cất cồn, giúp rượu nếp giữ được hương thơm tự nhiên và đạt độ cồn khoảng 40-50 độ.
Ngày nay, các nhà máy sản xuất rượu mọc lên nhiều để đáp ứng nhu cầu sử dụng và theo kịp xu hướng của ngành thực phẩm thế giới Cồn đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp thực phẩm, không chỉ làm tăng nồng độ rượu, bia mà còn được ứng dụng trong chế biến thức ăn, khử mùi thực phẩm và tăng hương thơm đặc trưng cho món ăn.
Cồn còn có ứng dụng để sát trùng, sản xuất dược phẩm, để chữa bệnh trong ngành Y Tế.
Trong công nghiệp ứng dụng làm chất đốt, làm dung môi hòa tan các chất vô cơ và hữu cơ.
Cồn có khả năng thay xăng sản xuất từ dầu mỏ
Cồn có tiềm năng phát triển công nghiệp lớn và ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành, không chỉ riêng ngành thực phẩm Việc khai thác cồn hiệu quả là rất cần thiết, tuy nhiên, công nghệ tinh chế cồn hiện tại chưa đáp ứng đủ nhu cầu Đồ án này nhằm nâng cao trình độ chuyên môn, thiết kế máy móc tinh chế cồn hiệu quả với chi phí thấp.
1.2 Các phương pháp chưng luyện
-Theo áp suất làm việc
Nguyên tắc của phương pháp này là:
-Theo nguyên lý làm việc
1.3 Các thiết bị chưng cất
Trong sản xuất, nhiều loại thiết bị chưng cất được sử dụng, nhưng yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, phụ thuộc vào mức độ phân tán giữa các lưu chất Tháp mâm được dùng khi pha khí phân tán vào pha lỏng, còn tháp chêm và tháp phun được dùng khi pha lỏng phân tán vào pha khí Bài viết này khảo sát hai loại tháp phổ biến là tháp mâm và tháp chêm.
Tháp mâm là một thiết bị hình trụ đứng, đóng vai trò quan trọng trong việc cho phép pha lỏng và pha hơi tiếp xúc trực tiếp với nhau Cấu tạo đặc biệt của tháp, với các mâm (đĩa) được thiết kế đa dạng, tạo điều kiện tối ưu cho quá trình tương tác giữa hai pha Sự khác biệt trong cấu tạo của từng loại đĩa ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả hoạt động của tháp.
Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí chóp có dạng tròn, xupap, chữ s…
Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh.
Tháp đệm là một tháp hình trụ được cấu tạo từ nhiều bậc, kết nối bằng mặt bích hoặc hàn, trong đó vật chêm được đưa vào một cách ngẫu nhiên hoặc có thứ tự.
Tháp đệm Tháp đĩa xuyên lỗ Tháp đĩa chóp Ưu điểm
- Cấu tạo khá đơn giản.
- Làm việc được với chất lỏng bẩn nếu dùng đệm cầu có của
- Trở lực tương đối thấp.
- Hiệu suất truyền khối cao chất lỏng giản, vệ sinh dễ dàng.
- Ít tốn kim loại hơn tháp chóp
- Ít tiêu hao năng lượng hơn nên có số đĩa ít hơn.
-Do có hiệu ứng thành do đó hiệu suất truyền khối thấp.
-Độ ổn định không cao do sự phân bố các pha theo tiết diện tháp không đều, khó vận hành.
-Do có hiệu ứng thành do đó khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng vì vậy khó tăng năng suất.
-Thiết bị khá nặng nề.
- Kết cấu khá phức tạp.
- Yêu cầu lắp đặt cao: đĩa lắp phải phẳng, chất lỏng khó phân phố đều trên mâm nếu đường kinh quá lớn.
- Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp.
Tháp đệm không cho phép kiểm soát quá trình chưng cất theo không gian tháp, khác với tháp mâm thể hiện quá trình qua từng mâm rõ ràng Thêm vào đó, tháp đệm khó chế tạo ở kích thước lớn cho quy mô công nghiệp.
Tháp đĩa xuyên lỗ có hiệu suất kém hơn tháp chóp và chế độ làm việc kém ổn định, đặc biệt không hiệu quả với tháp đường kính lớn.
Vậy: Với đồ án chưng cất cồn, em chọn tháp chóp có ống chảy chuyền.
NGHỆ SẢN XUẤT CỒN…
Cồn sử dụng trong thực phẩm được sản xuất bằng phương pháp lên
Cồn được sản xuất chủ yếu từ tinh bột và mật rỉ, ngoài ra còn được sản xuất từ các polisacarit, nguyên liệu chứa đường…
- Nguyên liệu tinh bột gồm: các loại ngũ cốc, các loại củ giàu tinh bột.
- Nguyên liệu chứa đường: mật rỉ, saccharose dạng tinh thể hoặc dạng dung dịch, nước ép mía, dịch chiết từ củ cải đường…
- Nguyên liệu từ polisaccarit, xenluloza: bã mía, mùn cưa…
2.1Các phương pháp lên men cồn
- Phương pháp lên men truyền thống(bổ sung bánh men)
- Phương pháp lên men bổ sung nấm mốc.
- Phương pháp lên men cồn bằng phương pháp cố định tế bào.
Quy trình sản xuất cồn có thể chia làm các giai đoạn chính sau:
Giai đoạn 1: Chuẩn bị dịch lên men
Chuẩn bị dịch lên men là công đoạn quan trọng, bao gồm xử lý nguyên liệu thô ban đầu như nghiền, nấu và đường hóa đối với nguyên liệu chứa tinh bột, hoặc pha loãng và xử lý mật rỉ đối với mật rỉ, nhằm tạo ra dịch lên men đạt yêu cầu về nồng độ và dinh dưỡng.
Giai đoạn 2: Gây men giống và lên men
Để lên men hiệu quả, cần phát triển men giống đạt chất lượng và số lượng tối ưu Tiếp theo, trộn men giống với dịch đường trong thùng lên men và kiểm soát các điều kiện để nấm men chuyển hóa đường thành rượu và CO2 Dịch sau quá trình lên men này được gọi là giấm chín.
Giai đoạn 3: Xử lí dịch lên men
Chưng cất là công đoạn quan trọng, ứng dụng kiến thức vật lý và công nghệ chuyển khối để tách rượu và các chất dễ bay hơi khỏi dấm chín Hệ thống chưng luyện phù hợp được sử dụng để tinh luyện, thu được cồn sản phẩm đạt tiêu chuẩn Quá trình này tạo ra cồn thực phẩm, cồn đầu và các sản phẩm phụ khác.
Bã rượu, một phụ phẩm giàu chất hữu ích từ quá trình sản xuất rượu, có tiềm năng lớn trong nhiều lĩnh vực như nuôi cấy nấm men, chế biến kháng sinh và bổ sung vào khẩu phần ăn của vật nuôi Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc tận dụng bã rượu còn hạn chế, gây lãng phí nguồn tài nguyên này.
2.2Sơ đồ thiết bị chưng luyện liên tục
Chưng luyện liên tục được thực hiện theo nhiều sơ đồ khác nhau như 2, 3, hoặc 4 tháp, và có thể phân loại thành hệ thống một dòng (gián tiếp) hoặc hai dòng (vừa gián tiếp vừa trực tiếp), trong đó sơ đồ hai tháp gián tiếp một dòng là một ví dụ điển hình.
Trong quy trình sản xuất, giấm chín được bơm vào hệ thống, bắt đầu từ thùng cao vị (1) và bình hâm giấm (2), nơi nó được làm nóng đến 70-80°C bằng hơi cồn thô Tiếp theo, giấm đi qua bình tách CO2 (3) và tháp (4), trong khi hơi cồn bay lên và ngưng tụ ở các thiết bị (2, 6) Cồn thô sau khi ngưng tụ được chuyển đến tháp tinh chế (8) để nâng cao nồng độ, sử dụng hơi nước áp suất 0,8-1 kg/cm² Hơi rượu nồng độ cao được dẫn đến thiết bị (9), nơi điều chỉnh lượng nước làm lạnh để thu hồi cồn đầu (3-5%), phần còn lại được hồi lưu trở lại tháp.
Để thu được cồn ở dạng lỏng, quá trình chưng cất được thực hiện bằng cách lấy sản phẩm từ 3 đến 6 đĩa hồi lưu và đoạn làm lạnh ở vị trí số 10 Nhiệt độ đáy tháp luôn được duy trì ổn định trong khoảng 103-105°C, trong khi nhiệt độ đỉnh tháp 4 biến động tùy thuộc vào nồng độ cồn trong giấm, thường dao động từ 93-97°C; điều này ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ đỉnh tháp tinh.
Nhiệt độ thân tháp tinh duy trì ở 78,3-78,5°C, với vị trí cách đĩa tiếp liệu 3-4 đĩa phía trên được khống chế ở 82-83°C Dầu fusel được thu hồi dưới dạng hơi từ đĩa 6 đến 11, sau đó được ngưng tụ và xử lý để loại bỏ tạp chất.
Hệ thống chưng luyện hai tháp tuy tiên tiến hơn các phương pháp khác nhưng chất lượng cồn chưa cao, hoặc cần tăng lượng cồn đầu để đạt chất lượng tốt hơn.
1- Thùng cao vị chứa giấm chín 7- Bình làm lạnh ruột gà
2- Bình hâm giấm 8- Tháp tinh chế
3- Bình tách CO2 và khí không ngư 9- Bình ngưng tụ hồi lưu
5- 10- Bình làm lạnh cồn Bình chống phụt giấm 11- Bình ngưng và làm lạnh dầu fusel
6- Bình ngưng tụ cồn thô b Hệ thống ba tháp làm việc gián tiếp
Hệ thống này cho phép nhận được 70-80% cồn loại 1, 20-30% cồn loại 2 còn lại là cồn đầu.
1.Thùng chứa giấm 2.Bình hâm giấm
3.Bình tách CO2 4.Tháp thô
5.Bình chống phụt giấ 6.Bình ngưng tụ cồn thô
7.Bình làm lạnh ruột gà 8.Tháp aldehyt
9-10.Bình ngưng tụ 11.Tháp tinh chế
12.Bình ngưng tụ hồi lưu 13.Bình làm lạnh sản phẩm.
Quy trình sản xuất bắt đầu bằng việc bơm giấm chín vào thùng cao vị (1) và bình hâm giấm (2), nơi giấm được làm nóng đến 70-80°C bằng hơi rượu ngưng tụ Sau đó, giấm chảy qua bình tách CO2 (3) và vào tháp (4), trong khi khí CO2 và hơi rượu được ngưng tụ và loại bỏ Tháp thô được đun nóng trực tiếp bằng hơi, giúp quá trình chuyển khối diễn ra khi hơi rượu đi lên và giấm chảy xuống, hơi rượu sau đó được ngưng tụ Cuối cùng, bã rượu với nồng độ rượu thấp (0,015-0,03%) được thải ra, và việc kiểm tra nồng độ rượu sót lại được thực hiện bằng cách ngưng tụ hơi cân bằng với pha lỏng, với nhiệt độ ở đáy tháp là 103-105°C.
Trong quá trình sản xuất rượu, phần lớn rượu thô (90-95%) được đưa vào tháp aldehyt, sử dụng hơi trực tiếp để chưng cất Hơi rượu bay lên được ngưng tụ và hồi lưu đến 95%, và một lượng nhỏ (3-5%) được tách ra làm cồn đầu Phần còn lại (5-10%) chứa nhiều tạp chất được hồi lưu trở lại tháp.
Sau khi tách bớt tạp chất, rượu thô từ đáy aldehyt liên tục đi vào tháp tinh
Trong quá trình tinh luyện, tháp tinh 11 sử dụng nồng độ cồn 35-45%V và được cấp hơi trực tiếp để nâng cao nồng độ cồn Hơi cồn sau đó ngưng tụ ở 12 và hồi lưu lại tháp, đồng thời điều chỉnh lượng nước làm lạnh để tách 1,5-2% cồn đầu và hồi lưu về đỉnh tháp.
8 Cồn sản phẩm lấy ra ở dạng lỏng tương tự như sơ đồ liên tục hai tháp.
Nhiệt độở đáyvà ở đỉnhcủathápthô và tháptinhkhốngchếtươngtựnhư sơ đồhaitháp.Nhiệt độ đáythápaldehytduytrì ở 80-85 o C, nhiệt độ đỉnh 78-79 o C.
Sơ đồtrên đượcgọilà giántiếpmộtdòngvì sảnphẩm đivàocácthápchỉcó mộtdòngduynhất.Còngọilà giántiếpvì bảnthândòngchấtlỏngkhôngchứaẩnnhiệtbayhơi.
Nếusơ đồtrêncó lấymộtphầnhơirượuthô ở đỉnh 4 đểcấpnhiệtcho đáycủa 11 thì sẽbiếnthànhsơ đồliêntụcbathápvừagiántiếpvừatrựctiếphaidòng.
Sơ đồgiántiếpmộtdòngcó ưu điểmlà dễthaotác, chấtlượngcồntốtvà ổn định, nhưngtốnhơi.Nhược điểm đó đã đượcsơ đồbathápvừagiántiếpvừatrựctiếpkhắcphục.
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ
3.1 Kí hiệu và thông số ban đầu
Trong tháp chưng luyện, số mol pha hơi đi từ dưới lên không đổi ở mọi tiết diện, trong khi số mol chất lỏng được giữ không đổi theo chiều cao ở cả đoạn chưng và đoạn luyện, đảm bảo sự ổn định của quá trình phân tách.
+Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi.
+Chất lỏng ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần của hơi đi ra ở đỉnh tháp
+Cấp nhiệt ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp
- Năng suất thiết bị : GF00(Kg/h)
Thiết bị làm việc ở áp suất thường
Tháp chưng loại tháp tinh
: khối lượng phân tử của etylic Fkg/kmol
: khối lượng phân tử của nước kg/kmol
- MF : khối lượng mol trung bình, tương ứng của nguyên liệu (kg/mol)
- MD :khối lượng mol trung bình của sản phẩm đỉnh (kg/mol)
- MW : khối lượng mol trung bình của sản phẩm đáy (kg/mol)
-,F: Lượng hỗn hợp đầu ( kg/ h),(Kmol/h)
- GD ,D lượng sản phẩm đỉnh (kg/ h),(kmol/h)
-,w: lượng sản phẩm đáy (kg/ h),kmol/h)
- a : nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng (kg/kg)
- x : nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng (kmol/kmol)
Với F, D, W là tương ứng của nguyên liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy
N : năng suất thiết bị N00(Kg/h)
Nồng độ : + aF = 35% khối lượng
Quy đổi phần khối lượng sang phần mol
3.2.Tính toán cân bằng vật liệu trong tháp chưng cất
3.2.1 Tính cân bằng vật liệu
Hỗn hợp đầu vào F() được tách thành sản phẩm đỉnh P() và sản phẩm đáy W() Đĩa trên cùng có lỏng hồi lưu, đáy tháp có thiết bị đun sôi, và hơi đi ra từ đỉnh tháp là P.
-Phương trình cân bằng vật liệu của toàn tháp :
Tính theo cấu tử dễ bay hơi (cồn)
3.2.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp-số đĩa lý thuyết Nmin
*chỉ số hồi lưu tối thiểu
: là tỉ số giữa lượng lỏng hồi lưu và lượng sản phẩm đỉnh.
Từ bảng số liệu IX.2a(Sổ tay QT&TBCNHC-trang 154) có thành phần cân bẳng lỏng- hơi của rượu etylic-nước được cho như bảng sau :
Từ bảng số liệu trên ta vẽ được đồ thị x-y, từ đó xác định được chỉ số hồi lưu tối thiểu :
Với :nồng độ phần mol cân bằng với
Để xác định giá trị, ta vẽ một đường thẳng song song với trục y tại xF=0.174, cắt đường cân bằng, sau đó vẽ đường song song với trục x từ giao điểm này đến trục y, điểm cắt tại trục y chính là giá trị cần tìm (B).
Từ đó ta tính được :
*Tính chỉ số hồi lưu thích hợp
Chỉ số hồi lưu thích hợp được xác định thông qua chỉ số hồi lưu tối thiểu b là hệ số dư hay hệ số hiệu chỉnh
Tính gần đúng ta lấy chỉ số hồi lưu thích hợp bằng :
Biết R min cho b biến thiên trong khoảng (1.2±2.5) ta tính được ra tương ứng
Mà mỗi R tương ứng ta vẽ được các đường làm việc và vẽ các bậc thay đổi nồng độ lý thuyết N
Để xác định số đĩa lý thuyết trên đồ thị, ta sử dụng đường làm việc của đoạn luyện, đi qua điểm (xD, yD) và cắt trục tung tại một điểm có tung độ nhất định, dựa trên đường cân bằng.
B Đoạn chưng :đường làm việc của đoạn chưng đi qua giao điểm của đường làm việc đoạn luyện với đường x= và qua điểm (xW,yW)
� Từ đó vẽ các đường song song với trục x và y liên tiếp ta thu được số đĩa lý thuyết x % y %
Biểu đồ 1 : Xác định số đĩa lý thuyết với R=1,073 x % y % x % y %
Biểu đồ 2 : Xác định số đĩa lý thuyết với R=1,252 x % y % y %
Biểu đồ 3 : Xác định số đĩa lý thuyết với R=1.430 x % y %
Biểu đồ 4 : Xác định số đĩa lý thuyết với R=1.609 x % y %
Biểu đồ 5 : Xác định số đĩa lý thuyết với R=1,699 x % y %
Biểu đồ 6 : Xác định số đĩa lý thuyết với R=1.788 x % y %
Biểu đồ 7 : Xác định số đĩa lý thuyết với R=1.967 x % y %
Biểu đồ 8 : Xác định số đĩa lý thuyết với R=2.056 x % y %
Biểu đồ 9 : Xác định số đĩa lý thuyết với R=2,146 x % y %
Biểu đồ 10 : Xác định số đĩa lý thuyết với R=2,235
Chỉ số hồi lưu thích hợp Rx= 2.235 tại giá trị N(Rx+1) nhỏ nhất
*Phương trình đường nồng độ làm việc
-Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn luyện:
-Phương trình nồng độ làm việc của đoạn chưng :
Với =2,235 xác định được số đĩa lý thuyết N
Trong đó :số đĩa đoạn chưng là 4 ; Số đĩa đoạn luyện là 12
3.3 Xác định số đĩa thực tế
Ta đã có số mâm lý thuyết :
Trong đó : tb : hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng f ,
Ntt : số mâm thực tế
Nlt : số mâm lý thuyết
3.3.1 :Xác định hiệu suất trung bình của tháp
+Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi :
Với : x : phần mol của rượu trong pha lỏng y* : phần mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.
+Độ nhớt hỗn hợp lỏng :
1 2 lg hh x lg (1 x ).lg x : Nồng độ mol của rượu etylic
: Độ nhớt động lực của rượu etylicvà nước
Khi tính được tích số ta tra dồ thị để tìm hiệu suât trung bình : Tra hình IX.11- trang 171 (T2):
- x= =0.087→ ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y * tbC =0.42
=> t= 87.3 theo bảng số liệu IX.2a (Sổ tay QT&TBCNHC-2 trang
149) theo bảng (I-101): Độ nhớt của hỗ hợp lỏng trong đoạn trưng:
→ta tra đồ thị cân bằng của hệ : 0.652 t.03°C Độ nhớt hỗn hợp lỏng đoạn luyện :
*Tại vị trí nhập liệu :
3 � C theo bảng số liệu IX.2a (Sổ tay QT&TBCNHC-2 trang 149) theo bảng (I-101): Độ nhớt hỗn hợp tại vị trí nhập liệu :
*Tại vị trí đỉnh : x.6 � C theo bảng (I-101) : Độ nhớt hỗn hợp tại vị trí đỉnh:
Độ nhớt tại vị trí đáy :
Hiệu suất trung bình của tháp là :
3.3.2 Xác định số đĩa thực tế
-Số đĩa thực tế phần luyện là : →chọn số đĩa thực tế là 27 đĩa
-Số đĩa thực tế phần chưng là : →chọn số đĩa thực tế là 10 đĩa.
3.4 Tính đường kính tháp Đường kính tháp được tính theo công thức :
Trong đó : :lượng hơi trung bình đi trong tháp(kg/h)
: vận tốc hơi trung bình trong tháp (m/s) khối lượng riêng trung bình của pha hơi
Vì lượng hơi và lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau trong mỗi đoạn cho nên phải tính lượng hơi trung bình cho từng đoạn
3.4.1.Tính lượng hơi trung bình đi trong tháp
Lượng hơi trung bình trong đoạn luyện được tính gần đúng bằng trung bình cộng lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng và lượng hơi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện.
Trong đó:: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h hay kmol/h)
: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h hay kmol/h)
: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h hay kmol/h)
Lượng hơi đi ra khỏi tháp :
Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện :
Hệ phương trình cân bằng vật liệu và phương trình cân bằng nhiệt lượng cho đoạn luyện:
G1 : lượng lỏng đi vào đĩa 1 của đoạn luyện (kmol/h)
GD:lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h) y 1
:hàm lượng hơi đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện x 1
: hàm lượng hơi đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện r 1
:ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện (kJ/kmol) r đ
:ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi tháp (kJ/kmol)
Từ bảng số liệu IX.2a (Sổ tay QT&TBCNHC-2 trang 149) :
Nội suy với X(% phân mol) và Y(% phân mol) đã biết ta xác định được :
Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu tF ,3 � C
Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đỉnh tDx,6 � C
Nhiệt độ sôi của sản phẩm đáy tW.99 � C
Để xác định ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp tại đỉnh tháp, phương pháp nội suy theo bảng I.212 trong Sổ tay QT&TBCNHC-1 được áp dụng, với ẩn nhiệt hóa hơi của rượu etylic là 2,56 kcal/kg và của nước là 0,4 kcal/kg.
Xác đinh ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất đoạn luyện : Áp dụng phưng pháp nội suy theo bảng I.212 (Sổ tay QT&TBCNHC-
8,68 (kcal/kg) r nuoc U0,7 (kcal/kg)
Thay toàn bộ các đại lượng trên vào hệ phương trình (*):
Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện :
� Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện:
R: Hệ số hồi lưu thích hợp=2,235
GR:Lượng hồi lưu= GD.R80.1 x 2.2359.52(kg/h)
Lượng hơi trung bình trong đoạn chưng có thể được tính xấp xỉ bằng trung bình cộng của lượng hơi đi vào và đi ra khỏi đoạn đó, giúp đơn giản hóa các tính toán kỹ thuật trong quá trình chưng cất.
Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện nên ta có:
Hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng cho đoạn chưng:
Trong đó : y ' 1 = y W theo đường cân bằng ứng với x W =1.957× 10 4 ( phần mol) ta được y W
=1.300×10-3 (phần mol) Đổi y W từ phần mol sang phần khối lượng: phần khối lượng)
' 1 g :lượng hơi đi vào đoạn chưng (kmol/h)
' n g :lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng (kmol/h)
G :lượng lỏng đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng (kmol/h)
' 1 x :hàm lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn chưng
' 1 r :ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng (kJ/kmol) r 1
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng(kJ/mol)
' 1 r = r etylic ' (1 y 1 y ' ) 1 � r nuoc Áp dụng phưng pháp nội suy theo bảng I.212 (Sổ tay QT&TBCNHC-1) với t W
,99 � C etylic r 4 (kcal/kg) r nuoc S9,002 (kcal/kmol)
Thay toàn bộ các đại lượng trên vào hệ phương trình (**):
Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng :
Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng :
3.4.2 Tính khối lượng riêng trung bình
*Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi
T :nhiệt độ làm việc trung bình của tháp ( � K )
M M :khối lượng phân tử của etylic,rượu
1 y tb :nồng độ phần mol của cấu tử etylic lấy theo giá trị trung bình
( y y đ , c :nồng độ tại 2 đầu đoạn luyện (chưng)) -Đoạn luyện : Đổi y 1 sang nồng độ phần mol : y 1
Nội suy từ bảng IX.2a( Sổ tay QT&TBCNHC-2) với có 5 � C
Khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối vơi đoạn luyện :
= (phần mol) Nội suy từ bảng IX.2a( Sổ tay QT&TBCNHC-2) có 96.45 � C
Khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối vơi đoạn chưng :
*Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng
Trong đó : khối lượng riêng trung bình trong pha lỏng ( kg m / 3 ) khối lượng riêng trung bình trong pha lỏng đối với etylic ,nước theo nhiệt độ trung bình ( kg m / 3 )
: khối lượng trung bình của cấu tử etylic trong pha lỏng
Nội suy từ bảng số liệu IX.2a ( Sổ tay QT&TBCNHC-2) với x tbL =0.496 ta có t xtb
Nội suy từ bảng số liệu I.2 ( Sổ tay QT&TBCNHC-1) với 155 � C
Vậy khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện đối với pha lỏng :
Nội suy từ bảng số liệu IX.2a ( Sổ tay QT&TBCNHC-2) với x tb 1 =0.0871 ta có t xtb
Nội suy từ bảng số liệu I.2 ( Sổ tay QT&TBCNHC-1) với t xtb 532 � C
Vậy khối lượng riêng trung bình của đoạn chưng đối với pha lỏng :
3.4.3 Tốc độ hơi đi trong tháp đĩa chóp
Tốc độ hơi đi trong tháp đĩa chóp được xác định theo công thức :
( y y tb ) : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi tính theo nhiệt độ trung bình h :khoảng các giữa các đĩa (chọn theo đường kính của tháp)
: hệ số tính đén sức căng bề mặt
Nội suy từ bảng I.242-trang 301-T1 với ta có :
Sức căng bề mặt trung bình :
Nội suy từ bảng I.242-trang 301-T1 với ta có :
Sức căng bề mặt trung bình :
3.4.4 : Đường kính đoạn chưng , đoạn luyện
( y y tb ) Chọn h=0,25 theo bảng IX.4a
3.4.4.2 Đường kính của đoạn chưng
Lấy chuẩn đường kính là 0,7
3.5 Vận tốc thực tế của hơi đi trong tháp
Chiều cao của tháp được xác định theo công thức (IX.50).trang 168
N tt :Số đĩa thực tế là 37 với NC= 10 ; NL'
: Chiều dày của đĩa, chọn : δ= 2 (mm)= 0.002 (mm)
H đ : khoảng cách giữa các đĩa (m),chọn theo bảng IX.4a, trang 169-T2 ;
(0,8 1,0) � : là khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp
� Chiều cao của đoạn Chưng :10(0.25+0.002)+0.8=3.32(m)
� Chiều cao của đoạn luyện :
TÍNH TOÁN CƠ KHÍ VÀ LỰA CHỌN
4.1 Tính số chóp và kích thước cơ bản của chóp Đường kính ống hơi của chóp thường chọn :50 ; 75 ; 100 ; 125 ; 150mm, chọn 0.075m
Chiều dày của đĩa là :
4.1.1 Số chóp phân bố trên đĩa
D : Đường kính trong tháp bằng 0,8m d h : Đường kính ống hơi (m)
*Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi
ch : chiều dày chóp , ch 2 3( � mm chon ), : ch 2( mm ) 0,002 m
Quy chuẩn; phù hợp với bảng chọn
*Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp:
*Chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp:
V y :Lưu lượng hơi đi trong tháp ( m h 3 / )
:Trở lực đĩa chóp, =1,5÷2 chọn : = 2 y , x
: Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi (Kg/ m 3 )
Chiều cao khe chóp đoạn chưng:
Chiều cao khe chóp đoạn luyện: 2,69.10 -3
Chiều rộng các khe chóp : a=5(mm)
Khoảng cách giữa các khe : c=3÷4(mm), chọn c= 4(mm)
*Số lượng khe hở mỗi chóp :
*Khoảng cách từ đĩa đến chân ống chảy chuyền :
S d Đường kính ống chảy chuyền :
G tbC : Lưu lượng lỏng đi trong đoạn chưng bằng 1994.88(kg/h)
xC :Khối lượng riêng trung bình pha lỏng trong đoạn chưng bằng 914.222
:tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền, C =0,1÷0,2(m/s); lấy = 0.15(m/s)
S d Đường kính ống chảy chuyền :
G tbL : Lưu lượng lỏng đi trong đoạn luyện bằng 757.66 (kg/h)
xL :Khối lượng riêng trung bình pha lỏng trong đoạn chưng bằng ( kg m / 3 )
Z : số ống chảy chuyền ; z= 1 ống
C độ chất lỏng trong ống chảy chuyền, =0,1÷0,2(m/s); lấy = 0.15(m/s)
*Chiều cao ống chảy chyền nhô lên trên đĩa:
Thể tích chất lỏng chảy qua:
� �=(m)=7.9(mm) hc =(30+18+20)-7.9`.1(mm) -> hc= 60(mm)
Thể tích chất lỏng chảy qua:
*Bước tối thiểu của chóp trên đĩa : min ch 2 ch 2 t d l l 2 : là khoảng cách nhỏ nhất giữa các chóp
*Khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất:
(mm) l 1:khoảng cách nhỏ nhất giữa chóp và ống chảy chuyền, thường chọn: l 1 75(mm)
Chọn bích liền thép X18H10T ( kiểu 1 ) với các thông số chọn theo bảng
4.3.Tính đường kính các ống dẫn
Chọn vật liệu ống dẫn cùng loại vật liệu tháp, dày 5(mm)
Chọn vận tốc lỏng qua ống chảy chuyền là: w= 0.15(m/s)
Chọn ống chảy chuyền với mỗi đĩa: Z= 1(ống)
→ đoạn luyện là: d c L = 0.047(m) quy chuẩn chọn d c L = 0.05(m)
→đoạn chưng là:= 0.0714(m) quy chuẩn chọn = 0.08(m)
4.3.2 Ống dẫn hỗn hợp đầu vào tháp
Lượng hỗn hợp đầu vào tháp là: F00(kg/h)
Nhiệt độ của hỗn hợp đầu: t F = 88.3 � C
Theo bảng I.2-9-I,dung phương pháp nội suy:
→Khối lượng riêng của rượu và nước theo bảng I.2 trang 9 (sổ tay
QT&TBCNHC1) với t= 88.3℃ ta nội suy được :
Nồng độ khối lượng hỗn hợp đầu :
Khối lượng riêng của hỗn hợp đầu là:
→Lưu lượng thể tích của hỗn hợp đầu là:
Do hỗn hợp tự động chảy vào tháp nên tra bảng II.2 tang 370 (sổ tay
Chọn tốc dộ hỗn hợp đầu là: w=0.3(m/s)
→ Đường kính của ống dẫn hỗn hợp đầu là:
Tra bảng (II-434) Chiều dài của đoạn ống nối: l 0(mm)
� Tốc độ thực tế của hỗn hợp đầu:
4.3.3 Ống dẫn hơi đỉnh tháp
Lượng sản phẩm đỉnh D= 9.292(kmol/h)
R: Hệ số hồi lưu thích hợp bằng 2.235
*Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp g đ :
Lượng hơi đỉnh tháp là : g đ = 44.13(kmol/h)
Nhiệt độ của hơi đỉnh tháp: t P = 78.6 � C
→Lưu lượng thể tích của hơi đỉnh tháp là :
Do hỗn hợp tự động chảy vào tháp nên tra bảng II.2 trang 370 (sổ tay
Chọn tốc độ hơi của đỉnh tháp là : w= 30(m/s)
→Đường kính của ống dẫn hơi đỉnh tháp là :
Tra sổ tay QT&TBCNHC2-bảng XIII.32 trang 434:
Ta có chiều dài của đoạn ống nối là: l0(mm)
→ Tốc độ thực tế của hơi đỉnh tháp:
Lượng hỗn hợp đáy tháp là: W= 923.58 (kg/h)
Nhiệt độ của hỗn hợp đáy: t F 99 � C
Theo bảng I.2-9-I,dung phương pháp nội suy:
→Khối lượng riêng của rượu và nước theo bảng I.2 trang 9 (sổ tay
QT&TBCNHC1) với t= 99.99℃ ta nội suy được :
Nồng độ khối lượng hỗn hợp đáy:
Khối lượng riêng của hỗn hợp đáy là:
→Lưu lượng thể tích của hỗn hợp đáy là:
Do hỗn hợp tự động chảy vào tháp nên tra bảng II.2 trang 370 (sổ tay
Chọn tốc dộ hỗn hợp đầu là: w= 0.3(m/s)
→ Đường kính của ống dẫn hỗn hợp đáy là:
Tra bảng (II-434) Chiều dài của đoạn ống nối: l = 95(mm)
� Tốc độ thực tế của hỗn hợp đáy:
4.3.5 Ống dẫn hơi ngưng tụ hồi lưu
Lượng hơi ngưng tụ hồi lưu là :
Nhiệt độ của hơi ngưng tụ hồi lưu:
→Khối lượng riêng của rượu và nước theo bảng I.2 trang 9 (sổ tay
QT&TBCNHC1) với t= 78.6℃ ta nội suy được :
Nồng độ khối lượng của hơi ngưng tụ hồi lưu:
→Khối lượng riêng của hơi ngưng tụ hồi lưu là:
→Lưu lượng thể tích của hơi ngưng tụ hồi lưu là:
Do hỗn hợp tự động chảy vào tháp nên tra bảng II.2 trang 370 (sổ tay
QT&TBCNHC -1) Chọn tốc độ hơi ngưng tụ hồi lưu là: w=0.3(m/s)
→Đường kính của ống dẫn hơi ngưng tụ hồi lưu là:
Tra sổ tay QT&TBCNHC2-bảng XIII.32 trang 434:
Ta có chiều dài của đoạn ống nối là: l= 100(mm)
→ Tốc độ thực tế của hơi đỉnh tháp:
4.3.7 Diện tích làm việc của đĩa
*F: Diện tích mặt cắt ngang của tháp
* f ch : diện tích mặt cắt ngang của ống chảy truyền
* f h : diện tích mặt cắt ngang của ống hơi
*z: Số ống chảy truyền trên mỗi đĩa, chọn: z=1
CHƯƠNG 5 : TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT
5.1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hơp đầu
Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu :
Q : nhiệt lượng do hơi đốt mang vào(J/h)
Q f : nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h)
Q F : nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra (J/h)
Q ng : nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)
Q xq : nhiệt lượng mất mát do môi trường xung quanh (J/h)
Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất 2atm, (sổ tay QT&TBCNHC1-bảng I.97 trang230 ) - có nhệt độ sôi bằng ℃
5.1.1 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào
1 : hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng ) của hơi đốt (J/kg)
1 : nhiệt độ nước ngưng (℃) , r 1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt (J/kg)
Nội suy từ bảng số liệu (sổ tay QT&TBCNHC1- bảng I.212-trang 254),ta có: 526.247(kcal/kg) R6.247(J/kg)
C: Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)
5.1.2 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào
+F: Lượng hỗn hợp đầu(kg/h), F= 1500(kg/h)
+ t F : Nhiệt độ đầu của hỗn hợp (℃)
Hỗn hợp vào ở nhiệt độ thường: t f ℃
+ C f : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ)
Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng : bảng I.153 và bảng I.154 (sổ tay
QT&TBCNHC1) trang 172 ở nhiệt độ t= 20℃,ta có:
Nồng độ khối lượng hỗn hợp đầu :0.35
Cf = C1.af + C2.(1-af) = 2480.0,35+4180(1-0,35)585 (J/kg.độ)
5.1.3 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra
Q F C t (J/h) t F : Nhiệt độ của hỗn hợp đầu sau khi đun nóng (℃): t F 8℃
C F : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu khi đi ra (J/kg.độ)
Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng : bảng I.153 và bảng I.154 (sổ tay
QT&TBCNHC1) trang 172 ở nhiệt độ t= 88.3℃,ta có:
Nồng độ hỗn hợp đầu :
Cf = C1.af + C2.(1-af) = 3344,5.0,35+4206,6.(1-0,35)904,87 (J/kg.độ)
5.1.4 Lượng hơi đốt cần thiết
5.1.5 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra
G ng : Lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt D 1 (kg/h)
5.1.6 Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh
Lượng nhiệt mất ra môi trường lấy bằng 5% lượng nhiệt tiêu tốn:
Phương trình cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện:
Q F : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp (J/h)
Q : Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp (J/h)
Q R : Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào (J/h)
Q y : Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp (J/h)
Q W : Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra (J/h)
Q xq : Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh (J/h)
Q ng : Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)
Chọn hơi đốt là nước bão hòa ở áp suất 2at, có nhiệt độ sôi t= 119.62℃
5.2.1 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp
2 : Hàm nhiệt ( nhiệt lượng riêng ) của hơi đốt (J/kg)
2 : Nhiệt độ nước ngưng (℃): r 2 : Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt (J/kg)
C 2 : Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)
5.2.2 Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào
G R : Lượng lỏng hồi lưu (kg/h)
D: Lượng sản phẩm đỉnh (kg/h), D,29(kg/h)
=> GR = 576,42.2,088103,57(kg/h) t R : Nhiệt độ của lượng lỏng hồi lưu (℃)
Lượng lỏng hồi lưu ( sau khi thiết bị ngưng tụ ) ở trạng thái sôi, có nồng độ phần mol bằng nồng độ hơi ở đỉnh tháp:x = yD = xD = 0.798
C R : Nhiệt dung riêng của lượng hơi lỏng hồi lưu (J/kg.độ) tR = tD = 78.6(℃)
Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng : bảng I.153 và bảng I.154 (sổ tay
QT&TBCNHC1) trang 172 ở nhiệt độ tx.6℃,ta có
Nồng độ lượng lỏng hồi lưu bằng nồng độ sản phẩm đỉnh: aR = aD=0.91
5.2.3 Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp
d : Hàm nhiệt ( nhiệt lượng riêng ) của hơi ở đỉnh tháp (J/kg)
+ 1 , 2 : Nhiệt lượng riêng của rượu và nước (J/kg)
Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng : bảng I.153 và bảng I.154 (sổ tay
QT&TBCNHC1) trang 172 ở nhiệt độ t= 78.6℃,ta có
→Theo bảng số liệu bảng I.250 và bảng I.263 (sổ tay QT&TBCNHC1) trang 312-324
Nội suy ta có: r1 6 (KJ / kg) = 826.(J/kg) r2 = 2313,08(KJ / kg) #13,08 (J/kg)
+: Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đỉnh: a = aD = 0.91 (J/kg)
5.2.4 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra
W: Lượng sản phẩm đáy (kg/h), W= 923.58(kg/h) t W : Nhiệt độ của lượng sản phẩm đáy (℃) :
C W: Nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy (J/kg.độ)
Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng : bảng I.153 và bảng I.154 (sổ tay
QT&TBCNHC1) trang 172 ở nhiệt độ t= 99.99℃,ta có:
Nồng độ sản phẩm đáy:
5.2.5 Lượng hơi đốt cần thiết
5.2.6 Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh
Lượng nhiệt mất ra môi trường lấy bằng 5% lượng nhiệt tiêu tốn ở đáy tháp:
5.2.7 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra
G ng : Lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt (kg/h)
Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ (ngưng tụ hoàn toàn):
+r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đỉnh tháp (J/kg)
Nhiệt của hơi đỉnh tháp là: tđ = tD →Theo bảng số liệu bảng I.250 và bảng I.263 (sổ tay QT&TBCNHC1) trang 312-324
Nội suy ta có: r1 = 826(KJ / kg) 6000 (J/kg) r2 = 2313.08(KJ / kg) = 23130800 (J/kg)
Nồng độ phần khối lượng của hơi đỉnh tháp là: aD =0.91
r = r1.aD + r2.(1 – aD)= 826000.0,95+23130800.(1-0,91)9940(J/kg) + G n : Lượng nước lạnh tiêu tốn (kg/h)
+ t t 1 , 2 :Nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh (℃)
Nhiệt độ vào của nước lạnh lấy là nhiệt độ thường: t1= 20
Nhiệt độ ra của nước lạnh, chọn: t2= 40
ttb + C n : Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình t tb (J/kg,độ)
Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng : bảng I.153 (sổ tay QT&TBCNHC1) trang 172 ở nhiệt độ t0℃,ta có: Cn= 4177.5(J/kg.độ)
→Lượng nước lạnh cần thiết là:
Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh:
+ G n 2 :Lượng nước lạnh tiêu tốn (kg/h)
+ t t ' , ' 1 2 : Nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ (℃)
Sản phẩm đỉnh sau ngưng tụ ở trạng thái sôi:
→Nhiệt độ vào bằng nhiệt độ sôi ở đỉnh tháp:
Nhiệt độ ra của sản phẩm lấy là: t ' 2 25 ℃
+: Nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ (J/kg.độ)
Theo bảng số liệu Nhiệt dung riêng : bảng I.153 và bảng I.154 (sổ tay QT&TBCNHC1) trang 172 ở nhiệt độ tS.6℃,ta có:
Nồng độ sản phẩm đỉnh: :
� Lượng nước lạnh cần thiết là:
Sự phát triển của khoa học kỹ thuật kéo theo nhu cầu cao về độ tinh khiết sản phẩm, thúc đẩy cải tiến các phương pháp như chưng cất, đặc biệt phù hợp cho hệ nước-cồn Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị đóng vai trò tổng hợp, giúp sinh viên giải quyết các bài toán kỹ thuật thực tế, vận dụng kiến thức để thiết kế quy trình và thiết bị sản xuất hóa chất-thực phẩm.
Hệ thống chưng cất Cồn-Nước dùng tháp đĩa chóp có ưu điểm về năng suất và hiệu suất cao Tuy nhiên, thiết bị này cồng kềnh và đòi hỏi độ chính xác cao khi vận hành Cần tối ưu hóa chi phí vật liệu và lắp đặt trong quá trình lắp đặt thực tế Vấn đề an toàn lao động cần được chú trọng để tránh rủi ro.
Đồ án môn học củng cố kiến thức về chưng cất, một phần quan trọng của môn Quá trình chuyển khối Đồng thời, nâng cao kỹ năng tra cứu, tính toán và trình bày, bao gồm cả việc vẽ kỹ thuật bằng AutoCAD.
Em đã cố gắng hết sức để hoàn thiện nhiệm vụ, nhưng vẫn còn thiếu sót Kính mong thầy xem xét và chỉ bảo thêm để em có thể cải thiện và hoàn thiện hơn nữa.
Em xin chân trọng cảm ơn !