Đồ án môn tin ứng dụng Tìm hiểu, mô phỏng các thiết bị trong 2 quá trình: sản xuất ethanol xử lý sản phẩm sau khi lên men và quá trình tinh luyện ethanol. Và tối ưu một phần các thiết bị của công đoạn cuối cùng của quá trình sản xuất ethanol khan

Vì những lý do trên chúng em chọn đề bài “Tìm hiểu, mô phỏng các thiết bị trong 2 quá trình: sản xuất ethanol xử lý sản phẩm sau khi lên men và quá trình tinh luyện... CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ

ĐỒ ÁN MÔN TIN CHUYÊN NGÀNH

PHỤ LỤC

MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

1.1 Mục đích 3

1.2 Ý nghĩa 3

1.3 Cơ sở lý thuyết và Sơ đồ công nghệ 3

1.3.1 quá trình xử lý sản phẩm sau khi lên men tinh bột sản xuất ethanol [2] 3

1.3.2 quá trình chưng chiết ethanol sử dụng môi monoethylenglycol (MEG) 5

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH VÀ TÍNH TOÁN THIẾT BỊ 7

2.1 Cơ sở thiết kế trong chưng luyện hỗn hợp đẳng phí 7

2.2 Cơ sở việc tối ưu hóa quá trình chưng chiết hỗn hợp đẳng phí ethanol-nước 8

2.3 Tính toán thiết bị 8

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ 9

3.1 Mô phỏng quá trình xử lý sản phẩm của quá trình lên men tinh bột sản xuất rượu Ethanol.9 3.1.1 quá trình mô phỏng 9

3.1.2 Kết quả mô phỏng 11

3.2 Mô phỏng quá trình chưng chiết ethanol sử dụng dung môi MEG 11

3.2.1 Quá trình mô phỏng chưng chiết ethanol 11

3.2.2 Kết quả mô phỏng quá trình 13

3.2.3 Kết quả tối ưu của quá trình 14

CHƯƠNG 4: PHỤ LỤC 18

4.1 Bảng phụ lục của các dòng và thiết bị trong quá trình mô phỏng tinh luyện ethanol sử dụng dung môi MEG 18

4.2 Bảng phụ lục của các dòng và thiết bị trong quá trình mô phỏng xử lý sản phẩm sau khi lên men tinh bột 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

MỞ ĐẦU

Như chúng ta đã biết, nhiên liệu hóa thạch đã và đang đóng vai trò hết sức quantrọng Bên cạnh những ưu điểm vượt trội, nhiên liệu hóa thạch ngày càng bộc lộ nhiềuđiểm hạn chế: không có khả năng tái sinh, ô nhiễm môi trường và việc phụ thuộc quánhiều vào loại nhiên liệu này đang gây ra những bất ổn về kinh tế, chính trị Thực tế đặt

ra nhu cầu cấp thiết cần phải tìm nguồn nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu hóa thạch Rấtnhiều nghiên cứu đã được tiến hành và đưa ra được nhiều nguồn nhiên liệu mới Trong

đó, nhiên liệu có nguồn gốc sinh học đang được ưu tiên nghiên cứu và sử dụng

Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môitrường là điều rất quan trọng và cần thiết Bên cạnh việc sử dụng các nguồn năng lượngnhư năng lượng thủy điện, năng lượng nguyên tử, năng lượng mặt trời, năng lượng gió,năng lượng thủy triều…Thì năng lượng có nguồn gốc sinh học đang rất được quan tâm.Ethanol là nhiên liệu đi từ nguồn gốc sinh học đang được cả thế giới quan tâm Và hiệnnay Ethanol được sử dụng để làm nguyên liệu cho một số quá trình và đặc biệt ethanolnhư một phụ gia để pha xăng tạo thành một loại nhiên liệu được gọi là gasohol haygasoline – alcohol giúp tăng chỉ số ON và giảm thiểu ô nhiễm môi trường Nước ta là mộtnước có nền kinh tế nông nghiệp với thế mạnh là các ngành trồng trọt Việc sản xuấtEthanol từ các phụ phẩm của sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam là rất khả thi

Vì những lý do trên chúng em chọn đề bài “Tìm hiểu, mô phỏng các thiết bị trong

2 quá trình: sản xuất ethanol xử lý sản phẩm sau khi lên men và quá trình tinh luyện

ethanol Và tối ưu một phần các thiết bị của công đoạn cuối cùng của quá trình sản xuấtethanol khan”

Chúng em xin chân thành cảm ơn thày Đoàn Văn Huấn người trực tiếp giảng dạymôn học và hướng dẫn chúng em hoàn thành đồ án này

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT1.1 Mục đích

Tìm hiểu thiết kế và mô phỏng các thiết bị trong 2 quá trình: sản xuất ethanol là

xử lý sản phẩm sau khi lên men và tinh luyện ethanol để sản xuất ethanol khan Tối ưumột phần các thiết bị của công đoạn cuối cùng của dây chuyền sản xuất ethanol khan nó

có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của loại nhiên liệu pha xăng này

1.2 Ý nghĩa

1.3 Cơ sở lý thuyết và Sơ đồ công nghệ

1.3.1 quá trình xử lý sản phẩm sau khi lên men tinh bột sản xuất ethanol [2]

Tổng quan quá trình sản xuất Ethanol bằng lên men tinh bột:

Nguyên liệu:

mạch

Lúa mạch đen

Tinh bột

(%)

Các vi sinh vật tham gia quá trình lên men

thành đường

Thủy phân dịch đường thànhrượu

Axit hóa dịch đường trước khi lên men

Giai đoạn quá trình lên men

Các phương pháp đường hóa

-H2SO4

2÷5%

Nấm mốc

tự nhiên trong thuốc bắc

-Malt-Các loại thóc nảy mầm

Amylomycesrouxii, mucor hoặcRhizopus cấy trực tiếp

Enzymeamylasecủa:

-Asp Oryzae-Asp Niger-Asp Awamori

Quá trình lên men

Phương trình tổng quát quá trình lên men

Rượu cao phân tử:

Rượu và CO2

Qua màng tế bàochất, Khuếch tán

và tan vào môi trường xung quanh

methyl acetate,rượu metanol

Độ sôi thấp hơnrượu etanol

Được lấy ra ở giaiđoạn đầu của quátrình tinh chế

isovalerianate

Tùy thuộc, nồng

độ rượu và tínhchất vật lý của tạpchất

isobutylic…

Nhiệt độ sôi caohơn etanol , khóbay hơi, ít hòa tantrong nước

Sơ đồ công nghệ

Tháp tách CO2

Tháp rửa CO2

Tháp loại

Tháp cô đặc Etanol

Nước Etanol từ qt

lên men

Dòng CO2

Hơi nước (Steam)

Hình 1.1: Sơ đồ khối quá trình xử lý sản phẩm sau khi lên men

1.3.2 quá trình chưng chiết ethanol sử dụng môi monoethylenglycol (MEG)

Cở sở lý thuyết:

Ethanol thu được sau quá trình lên men rỉ đường, tinh bột hoặc xenllulo có nồng

độ khoảng 10%V – 12%V Để thu được cồn có nồng độ lớn hơn nồng độ tại điểm đẳngphí thông thường phải trải qua các giai đoạn chính sau:

Giai đoạn 1: Sử dụng các phương pháp chưng cất thông thường để nâng cao độcồn tới gần điểm đẳng phí (96,4%V)

Giai đoạn 2: Sử dụng các phương pháp đặc biệt khác để tinh chế, làm khan cồn

Để làm khan cồn hiện nay người ta thường sử dụng các phương pháp:

thiết kế ban đầu đơn giản chi phí không quá đắt

Sơ đồ khối của quá trình

Hydrous ethanol

MEG

Hình 1.2: sơ đồ khối quá trình chưng luyện ethanol

Anhydrousethanol

SolventTháp Extractive Tháp Recycle Pure

water

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH VÀ TÍNH

TOÁN THIẾT BỊ2.1 Cơ sở thiết kế trong chưng luyện hỗn hợp đẳng phí

Đối với các hỗn hợp gồm các cấu tử có nhiệt độ sôi giống nhau hoặc rất gần nhau hay tạo thành dung dịch đẳng phí, không thể dùng phương pháp chưng luyện thông thường để tách các cấu tử ra dạng nguyên chất, dù tháp vô cùng cao với lượng hồi lưu rất lớn Để tách hôn hợp đó người ta phải có phương pháp đặc biệt đó là trích

ly hay còn gọi là phương pháp đẳng phí, tùy thuộc vào độ bay hơi của cấu tử thêm vào (cấu tử phân ly).

AB

A

R bổ sung

R tái sinh BR

R

R R

Cấu tử phân ly có tác dụng làm tăng độ bay hơi tương đối của một cấu tử tronghỗn hợp Nếu cấu tư phân ly có độ bay hơi bé khi thêm vào ở đỉnh tháp sẽ tạo thành mộthỗn hợp gồm cấu tử phân ly R và cấu tử B có độ bay hơi bé, còn cấu tử A có độ bay hơilớn hỗn hợp mới R và B có độ bay hơi khác nhau nên dễ dàng tách theo phương phápchương luyện thông thường (hình 2.1) Phương pháp này được sử dụng trong bài môphỏng do có ưu điểm chưng luyện trích ly không cần bốc hơi cấu tử phân ly nên lượnghơi đốt sẽ ít tiết kiệm năng lượng hơn Nếu cấu tử phân ly R có độ bay hơi lớn hơn cáccấu tử trong hỗn hợp khi thêm nó vào sẽ kết hợp với một cấu tử A trong hỗn hợp tạothành dung dịch đẳng phí có độ bay hơi lớn.kết quả chưng luyện sản phẩm đỉnh sẽ là hỗnhợp đẳng phí sản phẩm ở đáy là cấu tử B khó bay hơi Vì khi thêm cấu tử phân ly vào sẽtạo ra dung dịch đẳng phí nên gọi là phương pháp chưng luyện đẳng phí.

2.2 Cơ sở việc tối ưu hóa quá trình chưng chiết hỗn hợp đẳng phí nước

ethanol Tối ưu nhiệt độ, áp suất dòng MEG, HYDROUS ETHANOL trước khi vào tháp

để đảm bảo tháp hoạt động tốt nhiệt độ, áp suất không nhỏ hơn hay lơn hơn nhiệt độ, ápsuất tại đĩa nạp liệu

- Tối ưu lưu lượng dòng dung môi MEG khi cố định dòng nguyên liệu ethanol

- Tối ưu Distillate Rate hay tối ưu lưu lượng dòng ra ở đỉnh tháp

- Tối ưu chỉ số hồi lưu của tháp Extractive

Áp suất làm việc của tháp hấp thụ : P ≥ Pethanol/b

Trong đó :

Pethanol là áp suất hơi riêng phần của ethanol trong dung dịch nước tại nhiệt độ làm việc của tháp Có thể được tính theo phương trình Antoine:

Lg Pethanol = A – B/(T+C)

T là nhiệt độ làm việc của tháp là 30oC A,B,C là 3 hệ số của phương trình tương ứng với H2O [5]

Vậy ta chọn áp suất làm việc của tháp ở đỉnh là 1 atm và ở đáy là 1 atm

methanol trong dòng to_ferm = methanol hấp thụ = methanol ở dòng to co2 wash - methanol ra ở đỉnh

mto_ferm = mwash water+ methanol(hấp thụ) + m(Methanol, 1-propanol, propanol, 1-butanol, 1-butanol, 3-M-1-C4ol, pentanol, co2 bị hấp thụ) –mnước bị cuốn theo lên dòng đỉnh

2-Trong đó: nethanol(h.thụ) + n(Methanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 1-butanol, 3-M-1-C4ol, 2-pentanol,co2 bị hấp thụ)

-nnước bị cuốn theo lên dòng đỉnh = nethanol(to co2 wash) + n(Methanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 1-butanol, 3-M-1-C4ol, 2-pentanol, co2

ở dòng to co2 wash) – nethanol(khí ra ở đỉnh) - n(Methanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 1-butanol, 3-M-1-C4ol, 2-pentanol, co2 ở đỉnh) - n

(nước cuốn theo ở đỉnh)

 methanol trong dòng to_ferm= mETHANOL(to co2 wash) - mETHANOL(khí ra ở đỉnh) = 1.1276653x46kg/h = 51.8726038 [kg/h]

Lưu lượng khối lượng thành phần ethanol trong hysys tính là 51.8915052 [kg/h]

m(ethanol trong dòng khí ra ở đỉnh) = m(ethanol ở dòng to co2 wash) – methanol(h.thụ) = 2.976x10-3 [kg/h]

Lưu lượng khối lượng của ethanol trong dòng đỉnh co2_stream mà hysys tính là2.997712x10-3 [kg/h]

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ

3.1 Mô phỏng quá trình xử lý sản phẩm của quá trình lên men tinh bột sản xuất rượu Ethanol

3.1.1 quá trình mô phỏng

Sau quá trình lên men, sản phẩm Ethanol chúng ta thu được chủ yếu là nước vàEthanol và nhiều những tạp chất như: Metanol, 1-Propanol, 2-Propanol, Axit axetic, 1-

loại bỏ các tạp chất để thu được sản phẩm hỗn hợp đẳng phí của Ethanol và nước Quátrình thiết lập mô phỏng bằng Hysys cho quá trình xử lý này bao bồm những bước sau:

Đầu tiên chúng ta chọn mô hình cho quá trình mô phỏng này là NRTL Nhập 3dòng nguyện liệu đó là dòng nước, hơi nước và dòng sản phẩm của quá trình sau khi lênmen sản xuất ethanol ở điều kiện môi trường [2] (chi tết xem ở phụ lục 4.12) Dòng sản

dòng sản phẩm đỉnh và đáy của tháp này là: (chi tiết xem phụ lục 4.19)

stream vào tháp loại Methanol đây là một tháp quan trong Tháp này thực hiện công việcloại bỏ tất cả Methanol trong dòng sản phẩm của quá trình lên men Là một tháp hấp thụ

sử dụng dòng hơi để lôi cuốn cấu tử cần tách lẫn trong lỏng Dòng sản phẩm đỉnh củatháp T-100 được đưa tới tháp tinh chế Main TS, tháp Main TS có tác dụng tinh chế loại

bỏ sản phẩm nhẹ, ethanol thu được thì được tái sinh trở lại thiết bị lên men Dòng sảnphẩm đáy của tháp Main TS cùng với dòng sản phẩm sườn Rect_feed được đưa tới tháptinh cất T-101.(chi tiết điều kiện và thành phần dòng xem ở phụ lục 4.22) Tháp T- 101

là thiết bị cô đặc nhằm thu được hỗn hợp đẳng phí ethano – nước Fusel là một hỗn hợpcủa các Propanol, Butanol và Pentanol; nó có giá trị cao hơn Ethanol Sự tích lũy củaFusel oil trong tháp tinh chế là nguyên nhân dẫn đến sự hình thành của pha lỏng thứ hai

điều này làm ảnh hưởng xấu đến hiệu suất làm việc của các đĩa trong tháp Để giải quyếtvấn đề này thì Fusel oil cần phải được lấy ra từ các đĩa sườn của tháp.

Hình 3.1: Quá trình mô phỏng xử lý sản phẩm của quá trình lên men tinh bột

3.2 Mô phỏng quá trình chưng chiết ethanol sử dụng dung môi MEG

3.2.1 Quá trình mô phỏng chưng chiết ethanol

Quá trình bắt đầu từ dòng nguyên liệu Hydrous ethanol và dòng monoethylenglycol (MEG), được đi qua thiết bị tháp chưng chiết Extractive để tách ethanol thuđược ethanol khan có độ tính khiết cao rồi qua tháp Recycle thu hồi dung môi MEG đểtái sinh lại tháp Extractive dòng hồi lưu này được đi qua các thiết bị như bơm, thiết bị gianhiệt mục đích để đảm bảo áp suất và nhiệt độ để hồi lưu lại tháp Extractive

Hydrous ethanol

PureWater

Hình 3.2: Quy trình mô phỏng

Quá trình mô phỏng sử dụng mô hình Peng-Robinson Nguyên liệu ethanol và

thành phần dòng HYDROUS ETHANOL ethanol chiếm 95% còn lại là nước DòngMEG có thành phần Eglycol chiếm 99% còn lại là nước (xem bảng 4.1 và bảng 4.2 phầnphụ lục)

Dòng ANHYDROUS ETHANOL là dòng sản phẩm ethanol khan, dòng

và Eglycol được đưa đến tháp RECYCLE tháp tái sinh dung môi Eglycol Dòng PURE

WATER sản phẩm đỉnh của tháp thành phần chính là nước, dòng dung môi SOLVENT

có thành phần chính là eglycol là sản phẩm đáy của tháp được tái sinh trở lại thápExtractive (xem bảng 4.11 phần phụ lục)

3.2.2 Kết quả mô phỏng quá trình

Hình 3.3: sơ đồ mô phỏng cả quá trình chưng chiết ethanol

Kết quả dòng sản phẩm đỉnh của tháp Extractive

Worksheet/composition Phần mol

3.2.3 Kết quả tối ưu của quá trình

Kết quả tối ưu nhiệt độ được thể hiện ở hình 3.3 nhiệt độ, áp suất dòng

Hình 3.4 : tối ưu nhiệt độ dòng HYDROUS ETHANOL

lục) Nhiệt độ dòng MEG không ảnh hưởng đến nồng độ ethanol thu được ở đỉnh ngượclại dòng HYDROUS ETHANOL có ảnh hưởng đến nồng độ ethanol ở đỉnh là do nhiệt độdòng nguyên liệu này ảnh hưởng đến độ bay hơi, độ ngưng tụ ethanol tại đĩa nạp liệu

Kết quả tối ưu lưu lượng dòng MEG, lưu lượng dòng dung môi MEG có ảnhhưởng đến phần mol ethanol ở sản phẩm đỉnh do Eglycol là dung môi có tác dụng lôi kéocấu tử nước giúp phá điểm đẳng phí của hỗn hợp ethanol – nước

Hình 3.5: Tối ưu lưu lượng dòng dung mối MEG

Dựa vào đồ thị ta chọn lưu lượng dòng MEG là 85 kmol/h lưu lượng dòngHYDROUS ETHANOL là cố định 100 kmol/h (xem bảng 4.1 phần phụ lục)

Kết quả tối ưu tỉ số hồi lưu của tháp Extractive, tỉ số hồi lưu ảnh hưởng đến phầnmol ethanol của dòng sản phẩm đỉnh quyết định độ tính khiết của dòng sản phẩm đỉnh

Bảng 3.1 : phần mol của ethanol phụ thuộc vào chỉ số hồi lưu

Từ kết quả trên ta có đồ thị giữ chỉ số hồi lưu và phần mol của ethanol trong dòngsản phẩm đỉnh

0.9947 0.9948 0.9949 0.995 0.9951 0.9952 0.9953 0.9954 0.9955

Hình 3.6: Tối ưu chỉ số hồi lưu của tháp Extractive

Dựa vào đồ thị ta thấy chỉ số hồi lưu tối ưu là R= 1.4

Kết quả tối ưu lưu lượng dòng đỉnh của tháp Extractive để dòng sản phẩm ethanolđạt độ tinh khiết là ethanol khan

0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1

10 đĩa, đĩa nạp liệu là 5, lưu lượng dòng đỉnh là 14.02 kmol/h và chỉ số hồi lưu là 0.3 kếtquả thu được dòng sản phẩm đáy

Worksheet/composition Phần mol

CHƯƠNG 4: PHỤ LỤC4.1 Bảng phụ lục của các dòng và thiết bị trong quá trình mô phỏng tinh luyện ethanol sử dụng dung môi MEG

Phụ lục 4.1: thành phần dòng nguyên liệu Ethanol

Phụ lục 4.8: Thông số thiết bị làm lạnh E-100

Design/Connections

Inlets To E-100

12

Pressure Profire

Condenser Pressure Drop

specifications

Phụ lục 4.11: Thông số tháp RECYCLE

Pressure Profire

specifications

4.2 Bảng phụ lục của các dòng và thiết bị trong quá trình mô phỏng xử lý sản phẩm sau khi lên men tinh bột

Phụ lục 4.12 : bảng thành phần dòng nguyên liệu đầu vào

Phụ lục 4.15: Tháp loại bỏ hoàn toàn Methanol

Design/Connections

Stream A (bottom stage)

- Draw

- Spec Value

Rect feed0,95

Inlet stream (stage) To_light (bottom stage)

Presure profile Condenser presure 101.325 kPa

0,88ethanol

- Stage

CondenserMolar5.00

Phụ lục 4.17: Tháp tinh cất (sản phẩm của quá trình này là hỗn hợp đẳng phí ethanol –nước)

Design/Connections

Rect_Feed (22)

Stillage B

Fusel (20)

Presure profile Condenser presure 101.325 kPa

2 Ovhd Vap Rate

ActiveRect_VapMolar0.100 kmol/h

3.Distillate Rate

ActiveRect_Dist

- Flow basis

Mass2.0 kg/h

Design/specs 4 Comp fraction

0.95Ethanol

5 Fusel draw rate

ActiveFuselMass

68 kmol/h

Parameters/solver Damping factor (enable) 0.25

Phụ lục 4.18: bảng hai dòng sản phẩm của tháp tach CO2