Đồ án sản xuất etanol

Đồ án sản xuất etanol

Etanol đã được con người sử dụng từ thời tiền sử (từ thời đồ đá mới) như là một thành phần gây cảm giác say Việc chiết etanol tương đối nguyên chất với nồng độ 96% được thực hiện vào thời kỳ Abbasid Hồi giáo (năm 721-815) Etanol tinh khiết lần đầu tiên đượcJohann Tobias Lowits thu hồi vào nảm 1796 bằng phương pháp chưng cất qua than củi.Antoine Lavoisier đã mô tả etanol là hợp chất của hydro, cacbon và oxy Vào năm 1808 Nicola-Théodere de Saussure đã xác định được công thức hoá học, năm 1858 Archibald Scott Couper đã công bố công thức cấu tạo, điều này làm cho etanol trở thành một trong các hợp chất hoá học đầu tiên có sự xác định cấu trúc hoá học.

Etanol lần đầu tiên được Henry Hennel ở Anh và Sérullas ở Pháp tổng hợp nhân tạo vào năm 1826 Faraday đã tổng hợp etanol bằng phản ứng hyrdrat hoá etylen với xúc tác axit vào năm 1828 theo một công nghệ tương tự như công nghẹ tổng hợp etanol ngày nay

Etanol dễ dàng hoà tan vào nước theo mọi tỷ lệ, với sự giảm nhẹ tổng thể về thể tích khi hai chất này được trộn lẫn với nhau Etanol tinh khiết hay etanol 95% là các dung môi tốt,

sử dụng trong các loại nước hoa, sơn và cồn thuốc Các tỷ lệ khác của etanol với nước cũng có thể làm dung môi Các loại đồ uống chứa cồn có hương vị khác nhau do có các chất tạo mùi khác nhau dược hoà tan trong nó trong quá trình ủ và nấu rượu Khi etanol được sản xuất như là đồ uống hỗn hợp thì nó là rượu ngũ cốc tinh khiết

Dung dịch etanol 70% chủ yếu sử dụng như là chất tẩy uế Etanol cũng được sử dụng trongcác gel vộ sinh kháng khuẩn, phổ biến nhất có nồng độ khoảng 62% Etanol giết chết cả vi sinh vật theo cơ chế biến tính protein và hoà tan lipit của chúng Do khả năng kháng khuẩncủa etanol nên các đổ uống chứa trên 18% etanol có khả năng bào quản lâu dài (dồ uống chứa nhỏ hơn 18% etanol không ngăn chặn được vi khuẩn phát triển)

Etanol có thể sử dụng trong các sản phẩm chống đông lạnh vì điểm đóng băng thấp của nó.Etanol có thể sử dụng làm nguyên liêu trong công nghệ hoá học, nguyên liệu cho tổng hợp hữu cơ hoá dầu

Ngày nay, etanol được sử dụng rộng rãi để pha vào xăng tạo nhiên liệu sinh học thân thiện với môi trường Tại Hoa Kỳ, Iowa là hãng sản xuất etanol cho nhiên liệu ô tô vơi sản

a) Tính Chất Vật Lý:

Rượu etylic là một chất lỏng, không màu, mùi thơm dề chịu, vị cay, nhẹ hơn nước(khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15°C), sôi ở 78,39"C, hoá rắn ở -114,15°c, tan vô hạntrong nước Sở dĩ rượu etylic tan tốt trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so vớieste hay aldehit có cùng số caccbon là do có sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tửvới nhau và với nước

b) Tính Chất Hóa Học:

* Tính chất của một rượu đơn chức

- Phản ứng thế vói kim loại kiềm:

2C2H5OH + 2Na  2C2H5ONa + H2

Nhiệt lượng hình thành 4.64 kJ/mol

Nhiệt lượng bay hơi

70°C 855.66 kJ/kg

80°C 900.83 kJ/kg

100°C 799.05 kJ/kgNhiệt bắt cháy

(với thể tích không đổi) 1370.82 kJ/mol

Trên, 15 vol % 290 g/m 3

Áp suất nổ 736 kN/m 2

Tách nước tạo ete:

2C2H5OH  C2H5-O-C2H5 + H2O

- Phản ứng oxy hoá:

Phản ứng oxy hoá có thể xảy ra theo các mức khác nhau: Oxy hoá không hoàntoàn tạo ra aldehit, axit hữu cơ và oxy hoá hoàn toàn tạo thành CO2 và H2O:

CH3-CH2-OH + CuO  CH3-CHO + Cu + H2O

Có thể oxy hoá bằng oxy không khí có xúc tác sẽ tạo axit hữu cơ:

CH3-CH2-OH + O2  CH3COOH + H2OOxy hoá hoàn toàn:

C2H5OH + 3O2  2CO2 + 3H2O

* Tính chất riêng

Nếu cho hơi etanol qua xúc tác hỗn hợp, ví dụ Cu + A1203 ở 380 -T 400°C cóthể xảy ra phản ứng loại nuớc tạo butadien:

2C2H5OH  CH2=CH-CH=CH2 + 2H2O + H2

* Phản ứng lên men giấm:

Oxy hoá rượu etylic có nồng độ 10% bằng oxy khồng khí có mặt men giấm ởkhoảng 25°C sẽ tạo thành giấm ăn:

CH3-CH2-OH + O2  CH3COOH + H2O

c) Các nguy hiểm của etanol:

Etanol là những chất dễ cháy và dễ dàng bắt lửa nên cần thiết phải có các biệnpháp bảo vệ an toàn

Etanol trong cơ thể con người được chuyển hoá thành axetaldehit do enzym

alcohol dehydrogenas phần huỷ rượu và sau đó thành axit axetic bời enzym axeĩaỉdehit dehydrogenas phân huỷ axetaldehit Aldehit này là nguy cơ của bệnh

xơ gan, nhiều dạng ung thư và chứng nghiện Nếu nồng độ etanol trong máu cao(đạt 0,3 + 0,4%) có thể gây hồn mê, nếu đạt tới 0,5% hoặc cao hơn có thể gây tử

Người ta cũng chỉ ra mối liên quan tỷ lệ thuận giữa etanol và sự phát triển cùa

vi khuẩn gây ra viêm phổi, viêm màng não và các viêm nhiễm hộ bài tiết Sự pháthiện này là trái ngược với sự nhầm lẫn phổ biến cho rằng uống rượu có thể giếtchết nhiêu loại vi khuẩn gây các bệnh truyền nhiễm

2. Nguyên Liệu:

so với lượng mía đưa vào sản xuất ,tỷ lệ này phụ thuộc vào lượng mía và côngnghệ sản xuất

a) Thành phần mật rỉ:

Thành phần mật của mật rỉ phụ thuộc vào giống mía đất trồng trọt và điềukiện canh tác cũng như công nghệ sản xuất đường Bình thường lượng chất khô

Hợp chất hữu cơ gồm các chất chứa nitơ ,cacbon , oxy và hydro ,chất hữu cơkhông chứa nitơ gồm có : pectin ,chất nhầy furfurol và oxymetyl furol , axit v.v…Ngoài ra còn chứa các chất khử nhưng không lên men được như caramen ,chấtmàu v.v…Hợp chất hữu cơ chứa nitơ phần lớn là dạng amin như glutamic ,lơxin

xung lượng nitơ từ ure hoặc amoni sunfat

Mật rỉ nhận được từ sản xuất luôn chứa một lượng vi sinh vật trong đó nguyhiểm nhất là vi khuẩn lactic và axit axetic Mức độ nhiễm khuẩn được xác địnhbằng sự tăng độ chua khi để mật rỉ “tự lên men” ,mức tăng độ chua (khi tự lên mensau 24 giờ) trong phạm vi 0,2÷0,3o được xem là bình thường

Thực tế trong 1 gram mật rỉ chứa tới 100000 vi sinh vật không nha bào và

15000 có khả năng tạo bào tử Ỏ mật rỉ bị nhiễm nặng con số vi sinh vật có thể đạt

500000 và 50000 Tuy nhiên , đối với rỉ đường có nồng độ trên 70% hầu hết các visinh vật trong mật rỉ đều chịu nằm yên ,nhưng pha loãng chúng bắt đầu hoạt độngtrở lại và làm giảm lượng đường nhanh ,dẫn đến tổn thất Trong quá trình sản xuấtcần có biện pháp xử lý phù hợp nhằm diệt bớt và hạn chế hoạt động của tạp khuẩn

3. Các Phương Pháp Sản Xuất:

Phương pháp này còn được có tên gọi khác là phương pháp este hóa hoặc sự thủy phân, bao gồm các bước chính sau:

_ Sự tạo thành ethyl sulfate và diethyl sulfate do sự hấp thụ của ethylene trong dung dịch axit sulfuric đặc:

CH2=CH2 + H2SO4  C2H5O-SO3H2CH2=CH2 + H2SO4  (C2H5O)2SO2_ Thủy phân các este sulfuric tạo thành ethanol:

C2H5O-SO3H/(C2H5O)2SO2 + H2O  C2H5OH/(C2H5)2O + H2SO4

Sản phẩm phụ tạo thành là diethyl ete

_ Cô đặc lại sản phẩm phụ axit sulfuric

Theo nguyên lý vận hành của thiết bị trong nhà máy thực hiện các phản ứng này, dòng Ethylene loãng được đưa đến tháp hấp thụ theo dòng đối lưu có chứa 94 đến 98% axit sulfuric ở 80oC và áp suất 1.3-1.5 106 Pa Phản ứng tỏa nhiệt, yêu cầu cần có sự kiểm soát nhiệt độ chặt chẽ bằng các thiết bị làm lạnh bên ngoài và 1 bảnđiều khiển thể tích axi trong tháp bên ngoài Các thành phần sau hấp thụ, các este sulfuric và diethyl ete, sau đó được thủy phân bằng nước, lượng nước này cũng làm giảm đi nồng độ axit sulfuric trong thiết bị xuống khoảng 50% Các sản phẩm thủy phân được đưa tới tháp thu hồi axit loãng Dòng hơi trên đỉnh tháp được đưa sang tháp rửa, có thể bằng nước hoặc bằng NaOH Sau đó dòng ra được đem đi tinh chế loại bỏ diethyl ete Phần axit sulfuric loãng được cô đặc trong thiết bị bay hơi ở áp suất chân không

Sơ đồ công nghệ sản xuất rượu etylic bằng phương pháp hydrat hóa gián tiếp

etylen [8]

Phản ứng này là phản ứng có mặt xúc tác, và thực hiện trong môi trường nước:

CH2=CH2 + H2O  CH3-CH2OH ∆H298o = -45 kJ mol

Xúc tác được sử dụng rộng rãi nhất là axit photphoric mang trên silic oxit Do phảnứng là phản ứng giảm thể tích, tỏa nhiệt mạnh, nên thiết bị phản ứng làm việc tại nhiệt độ thấp và áp suất chân không Nhưng trong thực tế thì nhiệt độ và áp suất này rơi vào khoảng 300oC và 7 106 Pa, lúc đó, phản ứng mới xảy ra Nhiệt độ này

sẽ gây ảnh hưởng đến độ cân bằng của phản ứng, cho nên, độ chuyển hóa của Ethylene chỉ rơi vào khoảng 4% Vì điều này, nên 1 lượng lớn ethylene sẽ được tuần hoàn lại thiết bị phản ứng Áp suất cao cũng là điều kiện tost cho phản ứng polyme hóa ethylene xảy ra Áp suất của hơi nước không được quá cao, có thể gây

ra mất hoạt tính của xúc tác axit Điều kiện của phản ứng này là tỉ lệ giữa

H2O/C2H4 rơi vào khoảng 0.6/1 và thời gian lưu không được quá dài (khoảng 1/50 h)

Sơ đồ công nghệ sản xuất rượu etylic bằng phương pháp hydrat hóa trực tiếp

etylen [8]

Etanol để sử dụng làm đồ uống chứa cồn cũng như phần lớn etanol sử dụnglàm nhiên liệu được sản xuất bằng phương pháp lên men, khi một số loại men rượunhất định (quan trọng nhất là men Saccharomyces cerevisiae) chuyển hoá đườngtrong điều kiện không có oxy (gọi là yếm khí), chúng sản xuất ra etanol và cacbondioxit CO2 Phản ứng tổng quát như sau:

C6Hl2O11  2CH3-CH2-OH + 2CO2Quá trình nuôi cấy men rượu theo các điều kiện để sản xuất rượu được gọi là

ủ rượu Men rượu có thể phát triển trong điều kiện nồng độ rượu khoảng 20%.Nồng độ rượu trong sản phẩm cuối tăng lên nhờ chưng cất Để sản xuất etanol từcác nguyên liệu chứa tinh bột như hạt ngũ cốc thì đầu tiên tinh bột phải chuyển

thành đường, sau đó mới lên men thành rượu Trong việc ủ men bia, theo truyềnthống nó được tạo ra bằng cách cho hạt nảy mầm hay còn gọi là ủ mạch nha Trongquá trình nảy mầm, hạt tạo ra các enzym có chức năng phá vỡ tinh bột để tạo rađường Để sản xuất etanol làm nhiên liệu, quá trình thuỷ phân này của tinh bộtthành glucoza được thực hiện nhanh chóng hơn bằng cách xử lý hạt với axitsunfuric loãng.

Về tiềm năng, glucôzơ để lên men thành etanol có thể thu được từ xenlulôzơ.Việc thực hiện công nghệ này có thể giúp chuyển hoá một loạt các phế thải và phụphẩm nông nghiệp chứa nhiều xenlulôzơ, chẳng hạn như lõi ngô, rơm rạ hay mùncưa thành các nguồn năng lượng tái sinh Hãng logen ở Canada đã đưa vào vậnhành xí nghiệp sản xuất etanol trên cơ sở xenlulôzơ vào năm 2004

Phản ứng thuỷ phân xenlulôzơ gồm các bước sau:

Bước 1: Thuỷ phân xenlulôzơ thành mantôzơ dưới tác dụng của men

amylaza:

(C6H10O5)n + nH20  nC12H22O11

Bước 2: Thuỷ phân tiếp mantôzơ thành glucôzơ hoặc fructôzơ dưới tác dụng

của men mantaza:

C12H22O11 + H2O  2C6H12O6

Bước 3: Lên men rượu có xúc tác là men zima:

C6Hl2O6  2C2H5OH + 2CO2

Sơ Đồ Lên Men Liên Tục [5]

Sơ đồ gồm hai thùng gây men cấp I (1) có dung tích bằng 25-30% so với thùng gây men cấp II (2) Thùng cấp II có dung tích bằng 30-60% thùng lên men chính (3) Các thùng lên men tiếp theo 8-10 thùng (4) Thùng gây giống cấp I được đặt phía trên thùng cấp II để dễ tự chảy Vị trí thùng cấp II đặt cao hơn hai thùng lên men chính (3) Phần trụ của hai thùng này phải cao hơn 1m so với phần trụ các thùng còn lại, vì rằng lên men chính xảy ra mạnh, lượng bọt sẽ nhiều

Ống dẫn dung dịch ra từ các thùng lên men chính chảy sang các thùng (4) đặt cách mép trên phần trụ 1m, còn ống dẫn dịch ra từ các thùng (4) tiếp theo chỉ cách mép trên phần trụ 0.1m Với hai thùng cuối cùng, khoảng cách này là 0.5m Cách

bố trí này giúp cho dịch chảy nhanh hơn Đường kính ống chảy truyền phụ thuộc vào công suất nhà máy Với công suất 10000 lít/ngày cần đường kính ống là

200mm

sơ đồ khối quy trình sản xuất cồn

II. C HƯNG CẤT VÀ TINH CHẾ CỒN ETYLIC

Chưng cất rượu là quá trình tách C2H5OH và tạp chất dễ bay hơi khỏi dấmchín, kết quả ta nhận được là rượu thô hoặc cồn thô Tinh chế hay tinh luyện là quátrình tách các tạp chất khỏi cồn thô và nâng cao nồng độ cồn Sản phẩm thu đượcgọi là cồn tinh chế hay cồn thực phẩm có nồng độ 95,5÷96,5%V Cồn thực phẩmchứa rất ít tạp chất

1. Lý thuyết về lý thuyết tinh chế cồn

Cồn thô nhận được sau khi chưng cất còn chứa rất nhiều tạp chất (trên 50chất), có cấu tạo và tính chất khác nhau Trong đó gồm các nhóm chất như:aldehyt, este, alcol cao phân tử và axit hưu cơ, hàm lượng chung của tạp chấtkhông vượt quá 0,5% so với khối lượng cồn etylic

Theo số liệu của Viện nghiên cứu Ucrain, hàm lượng tạp chất trong cồn thônhận được từ mật rỉ dao động trong giới hạn khá lớn Axit từ 20÷200 mg/l, este từ

150÷550 mg/l, aldehyt từ 90÷900 mg/l, alcol cao phân tử từ 0,2÷0,5% khối lượng

và hợp chất chưa nitơ tính theo amoniac chiếm từ 8÷18 mg/l

Bằng phân tích sắc ký khí người ta nhận thấy rằng trong thành phần của axitgồm có : axit axetic 75÷85%, axit butylic 5÷10% và còn lại 10÷15 là các axit khác.Trong số các aldehyt thì aldehyt axetic chiếm 75÷90%, còn lại 5÷10% aldehytpropylic, 2÷8% butyric Trong số các este thì 75÷85% là este của axit axetic,5÷10% gồm este của axit propylic, valeric v.v…Hàm lượng các alcol cao phân tửcũng rất khác nhau nhưng chứa chủ yếu là alcol amylic và alcol izobitylic

Một số tạp chất mang tính đặc thù của từng nguyên liệu như cồn nhận từ mật

rỉ chứa ít furfurol nhưng lại chứa nhiều các tạp chất gây mùi mía nhất là cồn nhậnđược từ mật rỉ mới sản xuất Theo quan điểm tinh chế cồn, người ta chia tạp chấtthành ba loại chính chính : tạp chât đầu, tạp chất trung gian và tạp chất cuối Chianhư vậy chỉ là tương đối và qui ước vì tính chất của tạp chất có thể thay dổi tuỳtheo nồng độ cồn trong tháp

• Tạp chất đầu gồm các chất dễ bay hơi hơn alcol etylic ở nồng độ bất kỳ,nghĩa là hệ số bay hơi lớn hơn hệ số bay hơi của rượu Các chất có nhiệt độ sôithấp hơn nhiệt độ sôi của alcol etylic gồm: aldehyt axetic, axetat etyl, axetat metyl,formiat etyl, aldehyt butyric

• Tạp chất cuối bao gồm các alcol cao phân tử như acol amylic, alcolizoamylic, izobutylic, propylic,izopropylic Ở khu vực nồng độ cao của alcoletylic, các tạp chất cuối có độ bay hơi nhỏ hơn so với độ bay hơi của alcol etylic Ởkhu vực nồng độ etylic thấp, độ bay hơi của tạp chất cuối có thể lớn hơn so vớialcol etylic Tạp chất cuối điển hình nhất là axit axetic, vì rằng độ bay hơi của nókém hơn alcol etylic ở tất cả mọi nồng độ

• Tạp chất trung gian có hai tính chất, vừa có thể là tạp chất đầu vừa có thể

là tạp chất cuối Ở nồng độ cao của alcol etylic nó là tạp chất cuối, ở nồng độ alcolthấp chúng có thể là tạp chất đầu Đó là các chất izobutyrat etyl, izovalerat etyl,izovalerat, izoamyl và axetat izoamyl

Độ bay hơi của các tạp chất phụ thuộc vào nồng độ alcol etylic trong dungdịch, nếu hàm lượng tạp chất không lớn thì có thể xem như độ bay hơi của từngchất riêng biệt không phụ thuộc vào hàm lượng của các tạp chất khác trong dungdịch

Thực nghiệm cho biết rằng khi tăng nồng độ alcol etylic thì hệ số bay hơicủa tất cả các tạp chất đều giảm và trong khoảng nồng độ alcol nhỏ hơn 55%V, hệ

số bay hơi của tất cả các tạp chất đều lớn hơn 1, trong đó có một số tạp chất luôn

có hệ số bay hơi lớn hơn 1 ở nồng độ bất kỳ Đó là những tạp chất điển hình thuộctạp chất đầu như: aldehyt axetic, axetat etyl, axetat metyl

Đường cân bằng pha hỗn hợp rượu etylic-nước [2]

Hình trên cho biết đường cân bằng pha hỗn hợp etylic-nước tại áp suất khí quyển, trong đó, x là nồng độ phần mol của rượu etylic trong pha lỏng, còn y là trong pha hơi Biểu đồ cũng được lập cho nồng độ phần trăm mol và cho phép phân tích hệ thống tháp chưng cất thông qua các kỹ thuật đồ họa Ví dụ, đường thẳng góc 45o(tập hợp các điểm tại đó, nồng độ pha hơi và nồng độ pha lỏng là cân bằng) có thể được dùng để xác định các vùng mà các cấu tử trong hỗn hợp có thể được tách ra

hoặc không thể tách được Điểm giao giữa đường cân bằng pha và đường thẳng góc 45o gọi là điểm đẳng phí Cồn nhiên liệu gần như phải khô hoàn toàn, mà các

hệ thống chưng cất đơn giản không thể tạo ra cồn 100% được, do sự hình thành của điểm đẳng phí Quá trình chưng cất tiêu chuẩn chỉ có thể tạo ra cồn etylic 96%

và do đó, các quá trình cần được cải tiến để loại bỏ nuwosc hoàn toàn khỏi cồn etylic cho việc hòa trộn trong xăng thương phẩm

2. Các sơ đồ chưng cất và tinh chế:

Tháp chưng cất bao gồm 1 đoạn chưng và 1 đoạn luyện Hình vẽ dưới là một hệ thống đơn giản 1 tháp chưng Tháp chưng có các đĩa mà tại đó có

sự tiếp xúc pha giữa lượng lỏng từ trên xuống và lượng hơi từ dưới lên tạo điều kiện tốt cho quá trình chưng cất.

Hình ảnh một tháp chưng đơn giản [2]

a) Chưng luyện gián đoạn:

Trong chưng gián đoạn dấm chín được bơm vào thùng chưng cất 1, sau đó mởhơi dun cho tới sôi Hơi rượu bay lên theo chiều cao tháp 2 được nâng cao nồng độ

ra khỏi tháp vào thiết bị ngưng tụ và làm lạnh 3 rồi vào thùng chứa

Chưng gián đoạn có ưu điểm là đơn giản, dễ thao tác nhưng bộc lộ nhiềunhược điểm Do thời gian cất phải mất 6÷8 giờ nên thùng chứa lớn, tốn vật liệu chếtạo mà năng suất lại thấp Mặt khác dấm chín đưa vào không được dun nóng bằngnhiệt ngưng tụ của cồn thô nên tốn hơi Nồng độ cồn không ổn định và giảm dầntheo gian, lúc đầu có thể đạt 75÷80% V cuối chỉ còn 5÷6% V, tổn thất rượu theo

bã nhiều gấp 3 lần so với chưng liên tục.

Chưng liên tục cho phép khắc phục các nhược điểm kể trên và được bảo đảm hiệu quả kinh tế cao, hiện nay ở nước tiên tiến không tồn tại sơ đồ chưng gián đoạn Ở nước ta nhiều xí nghiệp nhỏ và các xưởng tư nhân cũng đang bỏ dần kiểu chưng lạc hậu và kém hiệu quả này

Sơ đồ chưng cất rượu [5]

Cồn thô nhận được sau khi chung cất còn chứa nhiều tạp chất, do đó cần tinhchế nhằm tách các tạp chất để nâng cao chất lượng và đảm bảo an toàn cho ngườitiêu dùng

Đối với cồn thô nhận được sau chưng cất, nếu đem tinh chế gián đoạn thì cần

xử lý bằng hoá chất và dựa trên phản ứng sau:

RCOOC2H5 + NaOH → RCOONa + C2H5OH

Ngoài các axit tự do trong cồn thô cũng phản ứng với NaOH để tạo thành cácmuối không bay hơi và nước:

R1COOH + NaOH → R1COONa + H2O

Để giám bớt aldehyt và các chất không no khác người ta dùng KMnO4 làmchất oxy hoá ,Phản ứng này có thể xảy ra trong môi trường kiềm yếu có pH=8÷9trong điều kiện đó hai phân tử KMnO4 sẽ giải phóng ra ba nguyên tử oxy sau đốoxy sẽ tham gia vào phản ứng oxy hoá:

2KMnO4 + 3CH3CHO + NaOH → 2CH3COOK + CH3COONa + 2MnO2 + 2H2O

Lượng NaOH và KMnO4 chỉ nên đủ vì nếu thừa thì dễ dẫn đến alcol etylic

bị oxy hoá thành axit và gây tổn thất Muốn tránh hiện đó xảy ra ta cần phải xácđịnh lượng tạp chất và tính toán cụ thể lượng hoá chất đưa vào

Sơ đồ chế gián đoạn tuy cho phép mhận được cồn có chất lượng nhưnghiệu suất thu hồi thấp, tốn hơi và công sức lao động do phải cất lại và do đó cũngđược ít sử dụng hiên nay Để khăc phục các nhược điểm của chưng cất và tinhluyên gián đoạn ta có thể sử dụng sơ đồ bán liên tục

Sơ đồ tinh chế gián đoạn [5]

1 Thùng cất; 2 Thân tháp; 3 Bình ngưng tụ hồi lưu

4 bình ngưng tụ làm lạnh

I cồn đầu; II Cồn 2a+2b; III Sản phẩm chính; IV fusel

b) Sơ đồ chưng luyên bán liên tục:

Lên men xong dấm chín được bơm vào thùng m vì làm việc gián đoạn nênphải bố trí hai thùng song song làm việc so le để ổn định phần nào nồng độ cồn chotrước khi vào tháp tinh Cồn cất thô được đun trực tiếp bằng hơi nước có áp suất0,8÷1 kg/cm2 Hơi rượu bay lên ngưng tụ rồi vào thùng chứa ,tiếp đó liên tục vàothùng tinh chế Ở thùng tinh chế cũng được đun bằng hơi trực tiếp từ đĩa tiếp liệu,xuống đến dấy nồng độ cồn giảm xuống dần dần đến đáy tháp còn 0,015÷0,03%rồi ra ngoài Hơi rượu bay lên được tăng nồng độ dần, phầm lớn ngưng tụ rồi hồilưu trở lại tháp Một phần nhỏ chưa kịp ngưng tụ còn chưa nhiều tạp chất đầu đượcđưa ngưng tự tiếp và lấy ra ở dạng cồn Cồn đầu chỉ dùng để pha vecni, làm cồnđốt, sát trùng và đem di xử lý và cất lại

Cồn sản phẩm lấy ra ở dạng lỏng cách đĩa hồi lưu (từ trên xuống) khoảng 3đến 6 đĩa được làm lạnh, rồi vào thùng chứa và vào kho Cồn lấy ra ở đây tuy cónồng độ thấp hơn (0,3÷0,5%) so vơi hơi ở đỉnh nhưng chứa ít este và aldehyt

c) Chưng luyện liên tục:

Chưng luyện liên tục có thể thực hiện theo nhiều sơ đồ khác nhau: 2 tháp ,3tháp hoặc 4 tháp Trên sơ đồ này ngươi ta lại chia hệ thống chưng luyện một dòng(gián tiếp) hoặc hai dòng (vừa gián tiếp vừa trực tiếp)

• Sơ đồ hai tháp gián tiếp – 1 dòng:

Sơ đồ chưng cất rượu 2 tháp gián đoạn [5]

Dấm chín được bơm lên thùng cao vị 1 sau đó đi vào bình hâm dấm 2 Ở đâydấm chín được hâm nóng tới 70÷80oC bằng ẩn nhiệt hoá hơi của cồn thô,sau quátrình tách CO2 3 rồi vào tháp 4.Hơi cồn bay lên toàn bộ ngưng tụ ở 2, phần chưangưng tụ tiếp tục sang ngưng ở 6 Toàn bộ cồn thô ngưng tụ ở 2,6 và 7 đi vào tháptinh chế 8 ở đĩa thứ 16÷18 tính từ dưới lên, tháp tinh chế cũng được cấp nhiệt bằnghơi nước có áp suất p=0,2÷1 kg/cm2 Hơi rượu bay lên được nâng cao dần nồng độ

ra khỏi ngoài tháp đi vào 9 Tại đây ta điều chỉnh lượng nước làm lạnh để lấy cồn

ra ở 7 khoảng 3÷5% so với toàn bộ lượng cồn vào hệ thống tháp Số ngưng ở 9được hồi lưu trở lại tháp

1 Thùng cao vi; 2 Bình hâm dấm; 3.Bình tách CO 2 và khí không ngưng; 4 Tháp cất thô; 5.Bình chống phụt dấm; 6.Bình ngưng tụ cồn;

7 Bình làm lạnh ruột gà; 8 tháp tinh chế; 9.Bình ngưng tự hồi lưu;

10 Bình làm lạnh cồn sản phẩm; 11 Bình ngưng và làm lạnh dầu

fusel.

Cồn thành phẩm lấy ra ở dạng lỏng cách đĩa hồi lưu đến 6 đĩa và đoạn làmlạnh ở 10 Nhiệt độ đáy của hai tháp luôn đảm bảo 103÷105oC, nhiệt độ đỉnh tháp

4 phụ thuọcc nồng độ cồn trong dấm và thường vào khoảng 93÷97oC, nhiệt độ tháptinh 8 vào khoảng 78,3÷78,5oC , nhiệt độ thân đỉnh tháp ở vị trí cách đĩa tiếp liệu

về phía trên 3÷4 đĩa khống chế ở 82÷83oC Dầu fursel lấy ra dạng hơi từ đĩa thứ6÷11 (tính từ dưới lên) được ngưng tụ và làm loạnh ở 11 sau đó đi vào thiết bịphân ly dầu hoặc cho vào dấm chín cất lại ,loại ra ở đáy tháp thô

Hệ thống chưng luyên hai tháp tuy có tiên tiến hơn so với chưng luyện giánđoạn và bán liên tục nhưng chất lượng còn vẫn chưa cao, muốn thu nhận được cồntốt thì phải lấy tăng lượng cồn đầu

• Hệ thống ba tháp làm việc gián tiếp:

Hệ thống làm việc ba tháp cho phép khắc phục được nhược điểm của sơ đồhai tháp nói trên, hệ thống cho phép nhận được 70÷80% cồn loại I theo TCVN-71,30÷20% cồn loại II và 3÷5% cồn đầu

Sơ đồ được tiến hành như sau : dấm chín dược bơm lên thùng cao vị 1,sau đó

tự chảy vào bình hâm dấm 2 Ở đây dấm chín được hâm nóng bằng hơi rượu ngưng

tụ đến nhiệt độ 70÷80oC rồi chảy qua bình tách CO2 số 3 rồi vào tháp 4 Khí CO2

và hơi rượu bay lên được ngưng tụ ở 6 và qua 7 rồi ra ngoài Tháp thô được đunbằng hơi trực tiếp, hơi rượu đi từ dưới lên ,dấm chảy từ trên xuống nhờ đó quátrình chuyển khối diễn ra , sau đó hơi rượu ra khỏi tháp và được ngưng tụ tại 2 và 6rồi qua 7 ra ngoài Chảy xuống tới đáy nồng độ rượu trong dấm còn khoảng0,015÷0,030% V được thải ra ngoài gọi là bã rượu Muốn kiểm tra rượu sót trong

bã ta phải ngưng tụ dạng hơi cân bằng với pha lỏng, Hơi ngưng tụ có nồng độ0,4÷0,6% là đạt yêu cầu và nhiệt độ đáy 103÷105oC

Phần lớn rượu thô (90÷95) liên tục đi vào tháp aldehyt số 8, tháp này cũngdùng hơi trực tiếp , hơi rượu bay lên được ngưng tụ và hồi lưu đến 95%, chỉ điềuchỉnh lượng nước lạnh và lấy khoảng 3÷5% gọi là cồn đầu Một phần rượu thô(5÷10%) ở 6 hồi lưu vào đỉnh tháp aldehyt vì chứa nhiều tạp chất

Sau khi tách bớt tạp chất, rượu thô từ đáy tháp aldehyt số 8 liên tục đi vàotháp tinh 11 với nồng độ 35÷45% V Tháp tinh chế 11 cũng được cấp nhiệt bằnghơi trực tiếp (có thể gián tiếp) , hơi bay lên được nâng dần nồng độ sau đó ngưng

tụ ở 12 rồi hổi lưu lại tháp Nhiệt độ đáy tháp thô và tháp tinh khống chế tương tựnhư sơ đồ hai tháp Nhiệt độ đáy tháp aldehyt duy trì ở 80÷85oC, nhiệt độ dỉnh duytrì ở nhịêt độ 78÷79oC

Sơ đồ trên được gọi là gián tiếp một dòng vì sản phẩm đi vào các tháp chỉ cómột dòng chất lỏng duy nhất Còn gọi là gián tiếp vì bản thân dòng chất lỏngkhông chứa hơi ẩn nhiệt bay hơi

Sơ đồ trên có ưu điểm là dễ thao tác, chất lượng cồn tốt và ổn định, nhưng tốnhơi Còn sơ đồ vừa gián tiếp vừa trực tiếp hai dòng có ưu diểm là tiết kiệm nănglượng hơi nhưng đòi hỏi tự động hoá tốt và chính xác, nếu không có thể hơi ở đáytháp tinh 11 sẽ đẩy ngược lên đỉnh tháp 4 làm cho mất ổn đỉnh và chất lượng cồnkém đồng đều.

Sơ đồ chưng cất rượu 3 tháp làm việc gián đoạn [5]

Như vậy, để tăng hiệu quả chưng cất, với mục đích thu được cồn etanol có nồng độcao, nên lựa chọn hệ thống làm việc 3 tháp gián tiếp Vì sẽ cho khả năng chưng sâu

1.Thùng chưa giấm; 2.Bình hâm giấm; 3.Bình tách CO 2 ; 4.Tháp thô; 5.Bình

chông phụt giấm; 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

hơn, sản phẩm etanol cuối cùng có nồng độ gần xấp xỉ 96%.

Thông thường, etanol sản xuất ra có nồng độ khoảng 95-96% là phổ biến nhất vìđối với hỗ hợp etanol-nước, điểm đẳng phí của hỗn hợp này cho nồng độ etanol là 96% và nước là 4% Không thể tạo ra etanol tinh khiết hơn 96% bằng phương phápchưng thông thường Mà yêu cầu của etanol sinh học để pha vào xăng, cần có nồng

độ trên 99%, tức là cồn tuyệt đối Do đó phải dùng các phương pháp làm khan cồn riêng biệt, để tạo ra sản phẩm như mong muốn

Cồn tuyệt đối hay còn gọi là cồn khan hoặc cồn không nước được dùng nhiều trong tổng hợp hữu cơ, thuốc súng không khói, nhưng đặc trưng nhất là dùng để pha vào xăng thương phẩm làm nhiên liệu sạch cho các phương tiện Yêu cầu về cồn tuyệ đối phải đạt: nồng độ alcol etylic lớn hơn hoặc bằng 99.8%, hàm lượng aldehyt nhỏ hơn hoặc bằng 5mg/l, axit hữu cơ nhỏ hơn hoặc bằng 10 mg/l

Ethanol là chất hoàn toàn có thể trộn được vào xăng, nhưng chỉ 1 lượng nhỏ nước

có thể nhanh chóng dẫn đến hiện tượng phân pha trong xăng (ethanol sẽ hấp thụ nước trong hỗn hợp trong động cơ), do đó có thể dẫn đến hỏng động cơ Vì vậy, ethanol để pha trộn trong xăng thương phẩm, cần phải được tách nước hoàn toàn.Các phương pháp để thu hồi ethanol tuyệt đối:

Chưng cất đơn giản không thể phân tách được hoàn toàn ethanol ra khỏi hỗn hợp ethanol nước bởi rào cản về điểm đẳng phí giữa rượu và nước Chưng đẳng phí dựatrên cơ sở hình thành hỗn hợp đẳng phí giữa ethanol với một dung môi phân cực khác

Nước được tách ra khỏi hỗn hợp đẳng phí ethanol-nước dưới dạng một hỗn hợp đẳn phí 3 cấu tử bằng cách cho thêm 1 dòng dung môi vào dòng rượu nguyên liệu, như benzen hoặc heptan, xyclohexan Dòng ethanol khan thu được dưới đáy tháy chưng và sau đó được đi qua thiết bị làm lạnh và dẫn đến các thùng chứa Hỗn hợp đẳng phí 3 cấu tử đi ra ở trên đỉnh tháp, được ngưng tụ sau đó được tách ra làm 2 pha, 1 pha hữu cơ và 1 pha ngậm nước Như vậy dòng sản phẩm ethanol thu được

có độ cồn lên đến 99.98% (trong đó có chứa <200mg/kg nước và 20 mg/kg các tạp chất khác)

Có nhiều biện pháp để thu được ethanol khan, nhưng việc sử dụng biện pháp hấp phụ rây phân tử là phổ biến và thành công hơn cả “Sieving” bao gồm các tính chấtcủa các loại zeolit tổng hợp có mao quản vừa đủ nhỏ (0.3nm) để cho phép các phân

tử nước (0.28nm) thấm qua, mà không cho các phân tử ethanol đi qua (0.44nm) Một rây phân tử có thể hấp phụ được lượng nước bằng 22% khối lượng của chúng

Dòng nguyên liệu ethanol từ quá trình chưng cất sau lên men, được chuyển đến tháp chưng cất tại áp suất chân không dưới 10 kPa Đây là phương pháp truyền truyền thống để thu cồn tuyệt đối

Trong các phương pháp trên, thì phương pháp chưng đẳng phí thường được sử dụng cho các nhà máy lớn Nhưng hiện nay, phương pháp này không còn được sử dụng bởi, benzen là một tác nhân độc hại, gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người và môi trường

Hiện nay, trên thế giới, người sử dụng phương pháp hấp phụ sàng phân tử (sử dụng chất hấp phụ là zeolit 3A) để thu được sản phẩm ethanol tuyệt đối để pha vàoxăng thương phẩm, nâng cao trị số octan và thân thiện hơn với môi trường

Zeolit 3A được tổng hợp bằng cách thay thế các ion Na+ bằng các ion K+, vì các ion K+ có kích thước lớn hơn các ion Na+, do đó kích thước các mao quản cũng sẽ được răng lên đến 3.2 Angstroms

Zeolit 3A có các tính chất của zeolit tổng hợp với kích thước các mao quản là 3A hay 0.3 nm Trong khi đó, kích thước của các phân tử nước là 0.28nm và các phân

tử rượu etanol là 0.44nm Cho nên, khi hỗn hợp rượu và nước được cho qua lớp chất hấp phụ zeolit 3A, các phân tử nước sẽ chui qua các mao quản và được zeolit giữ lại tại đó Zeolit có thể hấp phụ 1 lượng nước tương đương với 22% trọng lượng của chúng Do đó, cồn sau khi ra khỏi tháp hấp phụ, sẽ đạt được độ tinh khiết như mong muốn, trên 99%

Có nhiều phương pháp khác nhau để tái sinh xúc tác đã qua sử dụng, như:

_ Nhả hấp phụ bằng 1 dòng khí trơ ở áp suất thấp

_ Nhả hấp phụ tại nhiệt độ cao

_ Nhả hấp phụ bằng cách thay đổi lực hút giữa chất bị hấp phụ và chất hấp phụ với

sự có mặt của tác nhân hóa học khác

_ Nhả hấp phụ bằng cách sử dụng một dung môi khác có khả năng hòa tan chọn lọc lại chất bị hấp phụ.

_ Loại bỏ chất bị hấp phụ bằng phương pháp phân hủy nhiệt độ hoặc phân hủy hóa sinh

Nhưng phổ biến nhất là dùng dòng khí trơ, nóng thổi vào trong tháp để loại bỏ nước Như vậy, số lần sử dụng zeolit sẽ không bị hạn chế, tiết kiệm được kinh phí đầu tư

Do đó, từ các yếu tố trên, ngoài sơ đồ chưng cất rượu 3 tháp, chúng ta cần thêm 1 tháp hấp phụ sử dụng sàng phân tử để thu được cồn tuyệt đối với nồng độ trên 99%

NHIỆT LƯỢNG (MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ BẰNG Aspen Hysys 7.2)

1. Mở đầu:

Sơ Đồ Mô Phỏng Công Nghệ Sản Xuất Cồn Nhiên Liệu

Sơ đồ gồm có 1 tháp phản ứng, 1 tháp hấp thụ, 1 tháp chưng, 1 tháp hấp thụ có hồi lưu đỉnh tháp và 1 thiết bị component splitter mô phỏng cho tháp hấp phụ bằng chất hấp phụ sàng phân tử trong thực tế

Trong thiết bị phản ứng, xảy ra phản ứng lên men mật rỉ đường tạo thành CO2

và cồn etylic Sau đó, sản phẩm lỏng ra khỏi thiết bị phản ứng được cho vào tháp hấp thụ bằng dòng hơi nước (steam) Mục đích là để lôi cuốn phần rượu etylic ra khỏi tạp chất, để hỗn hợp ra khỏi đỉnh tháp chỉ còn lại là hỗn hợp của rượu và nước Dòng lỏng ra khỏi tháp hấp thụ được đem đi xử lý

Dòng hơi ra khỏi tháp hấp thụ được đưa vào tháp hấp thụ có hồi lưu đỉnh tháp

Ở đây, rượu etylic được thu hồi trên đỉnh tháp có nồng độ là 74%, được đem đi chưng tiếp để thu hồi cồn etylic có nồng độ xấp xỉ 94% (gần điểm đẳng phí)

Và cuối cùng là tháp hấp phụ sử dụng rây phân tử, để hấp thụ nốt 6% nước trong hỗn hợp rượu nước Sản phẩm tạo thành là cồn etylic tuyệt đối có nồng độ99,99%

C12H22O11 + H2O  2C6H12O6

Độ chuyển hóa của phản ứng thủy phân là 90%