Tính toán kết cấu cho tháp chưng luyện ethanol

Tính toán kết cấu cho tháp chưng luyện ethanol Tính toán kết cấu cho tháp chưng luyện ethanol Tính toán kết cấu cho tháp chưng luyện ethanol Tính toán kết cấu cho tháp chưng luyện ethanol Tính toán kết cấu cho tháp chưng luyện ethanol Tính toán kết cấu cho tháp chưng luyện ethanol Tính toán kết cấu cho tháp chưng luyện ethanol Tính toán kết cấu cho tháp chưng luyện ethanol Tính toán kết cấu cho tháp chưng luyện ethanol Tính toán kết cấu cho tháp chưng luyện ethanol

LỜI CẢM ƠN

Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy hướng dẫn, người đãtrực 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 vàThiết bị Công nghiệp Hóa Chất, Viện Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại HọcBách Khoa Hà Nội đã tận tình dạy dỗ, chỉ bảo em trong suốt thời gian nămnăm học tập và rèn luyện tại trường

Em xin chân thành cảm ơn các anh chị phòng Kỹ Thuật cùng toàn thểCông ty Cổ phần Nhiên liệu Sinh học Miền trung đã cho phép em thực tậptại Quý Công ty, từ đó tạo tiền đề cho em có thể hoàn thành bản đồ án tốtnghiệp này

Sau cùng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè đãluôn động viên giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập tại Trường Đại HọcBách Khoa Hà Nội cũng như trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp

Hà Nội, Ngày 02 Tháng 06 Năm 2014

Sinh viên

Nguyễn Thanh Nhàn

MỞ ĐẦU

Thế giới hiện nay đang phải đương đầu với hai cuộc khủng hoảng lớn– sự ấm lên toàn cầu và giá cả tăng cao của các loại nhiên liệu không táitạo Tuy nhiên, cả hai vấn đề này đều có một giải pháp thông thường – mộtnhiên liệu thay thế nguồn năng lượng tái tạo và hạn chế các loại khí thảigây hiện tương nóng lên toàn cầu Trên phương hướng đó, các nhà nghiêncứu và các nhà khoa học trên thế giới đã tìm ra một nguồn nhiêu liệu tốthơn và thân thiện với môi trường – Ethanol sinh học Là một trong nhữngnguồn nhiên liệu thay thế với những lợi ích tuyệt vời của nó, đồng thờiđược đánh giá là nguồn nhiên liệu tiềm năng với nhiều nước trên thế giới.Mặc dù có nhiều thuận lợi và khó khăn khi sản xuất ethanol sinh học nhưnghiện nay ethanol sinh học đã được sử dụng như là một nhiên liệu phụ ở một

số nước

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

Bản đồ án của em với đề tài là:

“Tính toán kết cấu cho tháp chưng luyện Ethanol”

Trong đó gồm các phần chính sau:

+ Chương 1: Tổng quan về Bio─Ethanol và công nghệ sản xuấtBio─Ethanol trong 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 loạinguyên liệu thực vật chứa đường bằng phương pháp lên men vi sinh hoặc

từ các loại nguyên liệu chứa tinh bột và cellulose thông qua các phản ứngtrung gian thủy phân thành đường

Hiện này trên thế giới, nguyên liệu chứa đường và tinh bột được sửdụng phổ biết hơn do chi phí sản xuất thấp

Xăng sinh học là hỗn hợp được pha trộn theo tỷ lệ xác định giữaethanol và xăng Một số loại xăng sinh học đang được sử dụng trên thế giớinhư E5, E10, E85… Ở Việt nam, chỉ mới đưa ra thị trường loại xăng E5 doCty 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 triểnnhiều, vì đương thời, công nghệ Hóa dầu rất phát triển, trữ lượng xăng dầucòn lớn, nên giá thành thấp

Sau những năm 1973, cuộc khủng hoảng dầu mỏ trên toàn thế giớixảy ra [2], khiến giá thành xăng dầu lên cao, nên các nước phát triển như

Mỹ, Braxin và một số nước châu Âu bắt đầu khởi động lại các nghiên cứu

về Bio─Ethanol Sau đó, Bio─Ethanol được phát triển mạnh, đưa vào sựdụng 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 tiênhàng đầu trong xây dựng chiến lược về năng lượng tại Mỹ, Tây Âu, Nhật,Braxin…

Ưu điểm của xăng sinh học là xăng cháy triệt để hơn, loại bỏ phụ giachống kích nổ chứa chì, giảm phát thải CO2 ra không khí đáng kể so vớixăng thường

Nhược điểm lớn nhất của xăng sinh học là do nồng độ caoBio─Ethanol sẽ làm hỏng các chi tiết lăng bằng cao su, nhưa trong độngcơ

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 sửdụng thông dụng, không ảnh hưởng đến động cơ xe

+ E25: Bio─Ethanol pha 25% thể tích vào xăng, động cơ xe cần phảicải tiến một số chi tiết, điề chỉnh thời gian phun nhiên liệu Braxin là quốcgia sử dụng nhiều nhất loại xăng này

+E85: Bio─Ethanol pha 85% thể tích vào xăng, chỉ sử dụng cho cácđộng cơ được 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 lệtrung bình 40 đến 60% vì ở tỷ lệ này, xăng sau khi pha sẽ bị phân lớp rấtnhanh trong quá trình lưu trữ

Hiệu quả khi dùng xăng sinh học thay thế:

+ Xăng pha 5% Bio─Ethanol sẽ tiết kiêm được 5% nhiên liệu so vớixăng thường

+ 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 hai phương 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 hoáhọc, trên thế giới người ta sản xuất ethanol bằng nhiều phương pháp khácnhau Trong công nghệ tổng hợp hoá dầu ethanol được sản xuất bằng dâychuyền công nghệ hydrat hoá đối với khí etylen hoặc công nghệ cacbonylhoá 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 tự nhiên như: nước đường ép, ngô, sắn, mùn, gỗ

(C6H10O5)n + nH2O nC6H12O6 2C2H5OH +2CO2 + Q

Trong quá trình sản xuất ethanol sinh học có thể phân thành 2 côngđoạn là công đoạn lên men nhằm sản xuất Bio─Ethanol có nồng độ thấp vàcông đoạn chưng cất - làm khan để sản xuất ethanol có nồng độ cao để phốitrộn vào xăng.

Hiện nay sản xuất cồn chủ yếu và phổ biến là sản xuất theo phươngpháp sinh học

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, lúamì…

+ Các loại nguyên liệu chứa cellulose

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

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 ngườinên trong thành phẩm của cồn thực phẩm chỉ bao gồm chủ yếu là etanol.Các loại cồn đầu, dầu fusel, andehyt, axit, este… có hại cho sức khoẻ phảicàng ít càng tốt và không được vượt quá ngưỡng qui định

Ngoài ra, do phải pha loãng khi pha chế, nên không bắt buộc phải sảnxuất ra cồn có nồng độ rất cao

+ Cồn nhiên liệu:

Cồn nhiên liệu được sản xuất để dùng làm chất đốt Khi sản xuất cồnnhiên liệu người ta không cần phải tách bỏ cồn tạp vì bản thân chúng khicháy cũng tạo ra năng lượng

Trái với cồn thực phẩm, cồn nhiên liệu bắt buộc phải tách nước triệt

để, vì nếu hàm lượng nước có trong cồn càng cao thì làm giảm hiệu quả của

vào xăng sẽ dẫn đến sự phân tách pha Cũng chính vì vậy mà khi sản xuấtcòn nhiên liệu, người ta phải chọn giải pháp công nghệ thích hợp để loại bỏnước 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 ethanolnhiên liệu chủ yếu xảy ra ở công đoạn cuối: chưng cất, tách nước [4]:

Công đoạn Ethanol thực phẩm

Ethanol nhiênliệu

Chưng cất

Phức tạp hơn do cần tách triệt

để các chất có hại cho sức khỏecon người: cồn đầu, dầu fusel,adehyt…

Không cần loại bỏ cồntạp

Tách nước Không cần phải tách nước nâng

nồng độ ethanol

Phải tách nước nângnồng độ ethanol lên99.8%

Ngoài ra, để tránh sử dụng ethanol nhiên liệu cho các mục đích khác,cồn nhiên liệu sau khi tách nước được biến tính bằng cách thêm vào 1,96 –5%v/v chất biến tính Khi đó ethanol dùng làm nhiên liệu được gọi làethanol biến tính Chất biến tính có thể dùng là xăng không chì, naphta….

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 phầnhoá học của một số nguyên liệu chứa tinh bột được thể hiện ở bảng sau.Tính theo % trung bình:

• Sắn:

- Hiện nay, diện tích trồng sắn ở nước ta khoảng gần 500.000 ha và đượcphân bố chủ yếu ở Tây Nguyên và Đông Nam bộ Năng suất thu hoạch sắntại nước ta trung bình 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 sắntươi thì 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 khảthi nhất

- Năng suất ngô của nước ta thấp, chỉ đạt ở mức 3.7 – 3.8 tấn/ha Để sản xuất

1 lít Bio─Ethanol, chúng ta cần 2,4 đến 2,6 kg ngô và giá ngô hiện nay là4.100 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 tronggiai đoạn hiện nay là không khả thi vì giá 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 xuấtBio─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 cócuống và rễ củ)

và củ đồng thời giúp thoát nước khi phơi hoặc sấy sắn

- Thành phần sắn tươi dao động trong giới hạn khá lớn: tinh bột 20 - 34%,protein 0,8 - 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 chứamột 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 sảnxuất rượu

- Độc tố trong sắn có tên chung là phazéolunatin gồm 2 glucozit Linamarin

và Lotaustralin Các độc tố này thường tập chung ở vỏ cùi Bình thườngphazéolunatin không độc nhưng khi bị thuỷ phân thì các glucozit này sẽgiải phóng axit HCN Sắn tươi đã thái lát và phơi khô sẽ giảm đáng kể hàmlượng glucozit gây độc kể trên Đặc biệt trong sản xuất rượu, khi nấu ởnhiệt độ cao đã pha loãng nước nên với hàm lượng ít chưa ảnh hưởng đếnnấm men Hơn nữa các muối xyanat khi chưng cất không bay hơi nên bịloại cùng bã rượu [5]

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

+ Độ xơ: 2,1 – 5,0 %kg

+ 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 nghệsản xuất Bio─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 vựcsản xuất Bio─Ethanol nhiên liệu còn có một số các nhà cung cấp côngnghệ, thiết bị mua bản quyền công nghệ của các hãng nêu trên rồi tự nghiêncứu phát triển công nghệ như:

+ 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, dâychuyền công nghệ 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]

1 Công đoạn nghiền

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

Từ kho chứa, sắn được làm sạch sơ bộ và cấp cho thùng chứa trunggian trước khi vào máy nghiền búa

Sản phẩm sau nghiền được phân loại bằng sàng phân loại, ở đâynhững sản phẩm có kích thước chưa đạt sẽ được quay về lại thùng chứatrung gian trước máy nghiền, 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 củamáy thổi khí

2 Công đoạn hồ hóa – đường hóa

Bột sắn sẽ được hòa trộn với nước sạch, hơi ngưng và dịch hèm loãngsau ly tâm Tinh bột sẽ được chuyển hóa/cắt mạch thành dextrin, đường đabởi enzyme Alpha amylaza 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 làm mát bởi thiết bị làm lạnh nhanh hoạt động ở điều kiện chânkhông

Dịch sau khi làm lạnh nhanh được cấp cho thùng đường hóa Tại đây,một phần dịch hèm loãng sau ly tâm cũng được bổ sung, dung dịch H2SO4

điều chỉnh pH và enzyme Gluco-amylaza chuyển hóa dextrin, đường đathành đường Glucô

3 Công đoạn lên men

Vogelbusch sử dụng công nghệ lên men liên tục Kết quả của việc sửdụng công nghệ như vậy sẽ giảm lao động, giảm lượng dung dịch CIP (kếtquả là giảm hóa chất và chi phí), công suất lên men tăng khoảng 130% sovới hệ thống lên men theo mẻ và làm tăng sản lượng ethanol

Bản chất của phương pháp lên men liên tục là rải đều các giai đoạnlên men mà mỗi giai đoạn đó được thực hiện trong một hoặc nhiều thiết bịlên men có liên hệ với nhau Dòng dịch sẽ lần lượt chảy qua các thùng lênmen và giấm chín được lấy ra ở từ bồn cuối cùng

Trong thiết kế dây chuyền này, quá trình lên men có thể thực hiệngián đoạn bằng 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 gián đoạn từng thùng)

4 Công đoạn chưng cất – tách nước

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

Cồn từ khu vực chưng cất sẽ được gia nhiệt siêu tốc nhằm nâng nhiệt

độ lên khoảng 115oC và hóa hơi hoàn toàn Sau đó hơi cồn sẽ được tách

nước bằng rây phân 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 táisinh bằng một phần dòng hơi cồn khan đi ra khỏi tháp hấp phụ Dòng hơicồn tái sinh có chứa nước 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 các thành phần rắn lơ lửng Dịch hèm loãng sau ly tâm, một phần sẽ hồilưu lại quá trình công 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 quátrình công nghệ

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 cấtbao gồm nghiền, loại bỏ cát đá, hồ hoá, lên men, và chưng cất - tách nước.

Xử lý nước thải theo phương pháp gạn lắng, xử lý bio-gas như là phươngpháp 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:

- Nghiền sắn và tách cát: Trong khu vực này, sắn lát được làm sạch, nghiền

và hoà bột để tạo thành dịch bột sắn (slury)

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

có mặt của enzym

- Đường hoá và lên men “HIFERM-NM”: Trong khu vực này, dịch hồ hoáđầu tiên được chuyển hoá thành đường, sau đó đường lên men được đượclên men đồng thời bởi nấm men khô hoạt động tạo thành ethanol

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

- Tách bã và xử lý nước thải theo phương pháp xử lý methanol ECOMETXPD Dịch hèm được sản xuất như là một sản phẩm phụ của khu chưng cất,được tách trong máy tách 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 dịchbột Cát cũng được loại bỏ trong giai đoạn xử lý này Dịch bột này được sửdụng làm nguyên liệu cho công đoạn hồ hóa Dịch bột trong khu xử lý sơ

bộ sắn được hòa với dòng ra khỏi đáy tháp tinh

Dòng dịch hèm tuần hoàn và dịch bột được hòa trộn trong thùngchuẩn bị dịch Nó được gia nhiệt đến 105oC Dịch này được đưa vào thùng

hồ hóa đầu tiên Trong thùng 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 đãđược tiệt trùng với men khô đã hoạt hóa Nhiệt độ tối ưu được duy trì bằngcách tuần hoàn qua thiết bị làm mát bằng nước Các thành phần của bìnhchuẩn bị men được chuyển đến thùng lên men sơ bộ

Thùng lên men sơ bộ được làm đầy dịch bột và nạp các chất củathùng nhân men Mục đích của việc lên men sơ bộ có sục khí (aerated) chophép các tế bào nấm men phát triển nhiều hơn và giảm sự nhiễm khuẩn củathùng nhân men Khi các chất trong thùng lên men sơ bộ được chuyển đếnthùng nhân men chính, nồng độ của nấm men đã đủ cao về căn bản có thểgiảm được thời gian trễ liên quan đến sự phát triển của nấm men trong quátrình lên men.

Enzym đường hóa được thêm vào trong thùng lên men Chúng sẽchuyển hóa tinh bột thành đường Ở đây cơ bản là sự chuyển hóa củadextrin thành dextroza Mục đích 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 để cung cấp chất dinh dưỡng) hoặc là thêm axit vào Nấm men cóhiệu lực trong một lượng vừa đủ để khởi đầu quá trình lên men nhanh vàkết thúc nó trong vòng 60 giờ

Tại giai đoạn đầu của chu kỳ, thùng lên men được nạp liệu với dịchbột và các chất 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 hoàn cũng được cung cấp để bơm dịch đãlên men (giấm chín) đến thùng giấm chín Sau đó thùng lên men được làmsạch với nước và dung dịch xút, và khử trùng cho mẻ tiếp theo

3 Công đoạn rửa CO2

CO2 rút ra trong suốt quá trình lên men sẽ kéo theo một lượngethanol CO2 này được đưa vào thiết bị rửa CO2 bằng nước và loại bỏ lượngethanol bị kéo theo

4 Công đoạn chưng cất

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

- 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 vàđưa vào đỉnh của tháp tách khí ở đỉnh của tháp thô Một khu vực nhỏ đượccung cấp ở đỉnh của tháp thô gọi là tháp tách khí Dấm chín được đưa vàotháp này và dòng đi xuống tháp thô

Hơi ở đỉnh tháp thô chứa ethanol được chuyển đến tháp tinh sau khingưng tụ Một phần nhỏ của dòng hơi này được nạp vào tháp tách khí.Trong tháp tách khí các khí hòa tan cùng với một số tạp chất được tách ra ởđỉnh của tháp Hơi này được ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ của tháp táchkhí và thành phần ngưng tụ được đưa đến khu vực thấp hơn của tháp tinh

để thu hồi ethanol

Phần còn lại của dấm chín tách ra khỏi dòng ethanol đi xuống dướitháp thô và lấy ra như dòng nước thải từ đáy của tháp thô Tháp thô vậnhành ở chân không đảm bảo nhiệt độ vận hành thấp Ở nhiệt độ thấp, độhòa tan của muối canxi cao hơn nên chúng không kết tủa trong tháp Vì vậytháp thô ít đóng cặn hơn

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

Cồn được làm giàu đi ra ở đỉnh và có nồng độ khoảng 95% v/v Cồnsau tinh chế 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 dòng này được hoà tan với nước và lớp giàu dầu fusel được tách ra.Nước rửa dầu fusel được tuần hoàn trở lại tháp

Dòng nước tách ra từ đáy tháp thô một phần được tuần hoàn lại khuvực lên men như 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 được cung cấp để cho phép vận hành liên tục: một tháp thực hiện quátrình hấp phụ trong khi tháp kia tiến hành tái sinh

Nguyên liệu là hơi quá nhiệt của tháp tinh, được gia nhiệt siêu tốc đểđảm bảo nhiệt độ vận hành, và tuần hoàn đến tháp rây phân tử 1 được giảđịnh là đang trong giai đoạn tách nước Sau khi đi qua thiết bị làm khô, hơiđược ngưng tụ, làm mát và đưa đến bể chứa sản phẩm

Một phần nhỏ của hơi sản phẩm được đưa đến tháp 2 đang trong giaiđoạn tái sinh, 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, giúpcho tháp 2 sẵn sàng cho chu kỳ kế tiếp Nồng độ dòng hơi thu hồi thấp,được ngưng tụ và tuần hoàn 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 Dòng chất lỏng là dịch hèm loãng từ thiết bị tách được đưa qua phânhuỷ kỵ khí, theo sau là phân 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 ápdụng đối với Nhà máy sản xuất Bio─Ethanol nhiên liệu Miền Trung Côngnghệ này sẽ được trình bày chi tiết ở phần tiếp theo

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 (cassavachips), sắn lát được đưa đến khu vực nghiền, chuẩn bị dịch và tách cát, ởđây sẽ tạo thành dung dịch bột đồng nhất (cassava slurry) Tinh bột trongdung dịch bột được chuyển hóa thành đường có khả năng lên men dựa trên

hoạt động của các enzyme (công đoạn hồ hóa và nấu) và sau đó đườngđược chuyển hóa thành Ethanol và CO2 bởi hoạt động của men (công đoạnlên men).

Khí CO2 thô sẽ được rửa sơ bộ bằng nước để tách lượng cồn bị cuốntheo, 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 phải loại bỏ tối đa lượng nước bằng phương pháp chưng cất, tinh luyện.Tuy nhiên do hiện tượng điểm đẳng phí của hỗn hợp Ethanol và nước nênsau công đoạn chưng cất Bio─Ethanol thu được chỉ đạt nồng độ 95-96

%v/v Để sử dụng làm nhiên liệu, Bio─Ethanol tiếp tục được đưa qua côngđoạn 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 đếnDecanter (máy ly tâm) để tách các thành phần rắn có trong dịch hèm Cácbước 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%

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 gồm nước công nghệ, dịch hèm loãng và dòng dịch Grits hồi lưu từđỉnh hệ thống cyclone cấp 2 của hệ thống cyclone tách cát Dịch bột sau đóđược đưa đến thùng TK-1102 Cả 2 thùng TK-1101 và TK-1102 đều đượctrang bị cánh khuấy

Dịch bột từ thùng TK-1102 được gia nhiệt lên 40 - 50OC bằng dòngnước ngưng công 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 cáttriệt 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 đượchòa trộn với nước ngưng công nghệ tại thùng hòa trộn dịch TK-2101.Thùng này được duy trì ở nhiệt độ khoảng 82oC Thời gian lưu của dịchtrong thùng là 30 phút Enzyme Alpha-amylaza được đưa vào nhằm bẻ gãytinh bột thành đường có khả năng lên men NH3 được thêm vào để điềuchỉnh pH, đồng thời cung cấp dinh dưỡng cho men Một phần dịch hèmloãng có thể được bổ sung vào thùng hòa trộn

Dịch sau hòa trộn được bơm đến thùng hồ hóa TK-2201 Thời gianlưu của dịch ở thùng hồ hóa là 120 phút để đủ thời gian cho enzyme Alpha-amylaza tiếp tục bẻ gãy những chuỗi tinh bột thành đường đơn Sau đó dịchđược gia nhiệt bằng hơi tại thiết bị trao đổi nhiệt nhằm chuyển hóa tinh bộttriệt để và tiệt trùng dòng dịch Hệ thống gồm 3 nồi nấu dạng ống đượccung cấp nhằm tạo thời gian lưu cần thiết (15 phút) để tiệt trùng Sau khinấu, dịch được làm lạnh 2 cấp bằng giấm chín và nước làm mát đến nhiệt

độ 32OC và cung cấp cho khu vực lên men

Dung dịch H2SO4 được bổ sung tại đầu ra của thùng hồ hóa nhằmgiảm pH xuống thích hợp cho quá trình nhân men Dòng dịch hèm loãngcũng có thể bổ sung vào vị trí này để giảm pH, điều này sẽ làm giảm lượng

H2SO4 tiêu thụ nhưng sẽ làm tăng thành phần chất rắn trong dịch

Trong thời gian dài dừng nhà máy, thùng hòa trộn, thùng hồ hóa vàcác đường ống 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 nhângiống, 4 thùng lên men cùng kích thước và thùng chứa giấm chín Nhà máy

sử dụng quá trình lên men theo mẻ để chuyển hóa đường có khả năng lênmen thành Ethanol và CO2 dựa trên hoạt động của men.

Quá trình nhân men giống diễn ra ở thùng nhân men TK-3102 Thùngnhân men được trang bị cánh khuấy và được làm lạnh bên ngoài bằng bơmtuần hoàn và thiết bị làm lạnh

Quá trình nhân men theo mẻ và toàn bộ mẻ nhân men sẽ được cấpcho thùng lên men khi hoạt động của men đạt được điểm tối ưu (đượcquyết định bởi nhân viên phân tích), bình thường thời gian lưu dịch trongthùng 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 sạch bằng hệ thống CIP đểngăn ngừa nhiễm khuẩn

Quá trình lên men theo mẻ với hiệu suất 94% và thời gian lưu48h/mẻ Quá trình lên men sinh nhiệt nên phải tuần hoàn dịch đang lên menqua thiết bị làm mát bên ngoài để duy trì nhiệt độ thùng lên men ở khoảng

32OC

Sau khi đạt đủ thời gian lên men, giấm chín được bơm đến thùngchứa giấm chín Thể tích thùng chứa giấm chín bằng 1,3 lần thể tích thùnglên men Tại đây giấm chín sẽ được cung cấp liên tục cho khu vực chưng

cất Để thu hồi năng lượng, giấm chín trước khi đến khu vực chưng cấp sẽđược gia nhiệt sơ bộ ở 1 trong 2 thiết bị trao đổi nhiệt mà tác nhân gia nhiệt

Các thùng lên men và đường ống lên quan, các thiết bị trao đổi nhiệtđều được kết nối với hệ thống CIP để làm sạch và tiệt trùng Hệ thống lênmen được trang bị với đường ống và điều khiển cho phép làm vệ sinh haybảo trì bất kỳ thùng lên men nào cũng không ảnh hưởng đến việc cung cấpgiấm chín liên tục.

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 côđặc nó đến nồng độ xấp xỉ 95 %v

Ethanol trong giấm chín được tách ra khỏi dịch hèm sử dụng hệthống với 3 tháp chưng 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 cấtthô và một tháp chưng cất tinh Tháp chưng cất thô 1 vận hành ở áp suấtkhí quyển Tháp chưng cất thô 2 vận hành ở áp suất chân không và tháptinh vận hành ở áp suất xấp xỉ là 3,4 bar

Giấm chín được chia ra và đưa đến đỉnh của mỗi tháp chưng cất thôvới tỷ lệ như 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 của tháp thô, hay gọi là dịch hèm, được đưa đi xử

lý Hơi ethanol từ đỉnh của các tháp thô được ngưng tụ và bơm đến tháptinh Tại đây nó được cô đặc, tăng nồng độ lên 95% Ethanol ra khỏi tháptinh được đưa sang hệ thống tách nước Dòng ra khỏi đáy tháp tinh 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 chocác tháp thô Hơi ngưng tụ được tuần hoàn lại tháp tinh làm dòng hồi lưu

đỉnh Độ axit của sản phẩm được điều khiển bằng cách loại bỏ các khíkhông tan trong ethanol với một quá trình riêng.

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 thựchiện trong hệ thống tách nước rây phân tử Rây phân tử làm việc cơ bản làhấp phụ chọn lọc ở pha hơi Trong trường hợp này, nước được hấp phụtrong các mao quản trong khi ethanol thoát ra ngoài Nước bị hấp phụ sẽ