Xây dựng hệ điều khiển giám sát SCADA – hệ thống tự động hóa dây chuyền sản xuất cồn chất lượng cao

Việc sản xuất được loại cồn có chất lượng cao để sử dụng pha chế thành rượu cao cấp, cồn y tế, cồn làm nhiên liệu sinh học thì các nhà máy sản xuất cồn ở nước ta chưa theo kịp với các nư

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHẠM MẠNH TOÀN

XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT

SCADA – HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA DÂY CHUYỀN

SẢN XUẤT CỒN CHẤT LƯỢNG CAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐINH VĂN NHÃ

Hà Nội – Năm 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan tập luận văn Thạc sĩ này là tự tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Đinh Văn Nhã, các số liệu hoàn toàn trung thực, rõ ràng và

có nguồn gốc trích dẫn

Để hoàn thành tập luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo được ghi trong mục tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu tham khảo nào khác mà không liệt kê trong phần tài liệu tham khảo

Học viên

Phạm Mạnh Toàn

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đinh Văn Nhã đã cung cấp tài liệu,

hướng dẫn khoa học và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và viết luận văn này

Tôi xin cảm ơn các anh/chị đồng nghiệp tại Công ty Cổ phần Cơ – Điện – Môi trường LILAMA (LILAMA EME), Công ty Cổ phần Rượu và Sản phẩm tự nhiên đã cung cấp các bản vẽ, hồ sơ kỹ thuật liên quan tới nhà máy sản xuất sản phẩm Rượu – Cồn chất lượng cao

Tôi xin cảm ơn tới Viện Kỹ thuật Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi làm thí nghiệm chưng cất và điều khiển quá trình chưng cất Rượu – Cồn tại xưởng thực hành của Viện

Học viên

Phạm Mạnh Toàn

MỤC LỤC

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Mở đầu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN 1

1.1 Cồn và những ứng dụng của cồn 1

1.1.1 Cồn là gì? 1

1.1.2 Những ứng dụng của cồn 1

1.2 Tổng quan về công nghệ sản xuất cồn 2

1.2.1 Nguyên liệu sản xuất cồn ở nước ta 4

1.2.2 Nghiền nguyên liệu 5

1.2.3 Nấu nguyên liệu 5

1.2.3.1 Nấu gián đoạn 5

1.2.3.2 Nấu bán liên tục 6

1.2.3.3 Nấu liên tục 8

1.2.4 Đường hóa 10

1.2.4.1 Đường hóa liên tục 10

1.2.4.2 Đường hóa gián đoạn 11

1.2.5 Lên men dịch đường 12

1.2.5.1 Lên men gián đoạn 12

1.2.5.2 Lên men liên tục 13

1.2.5.3 Lên men cải tiến - liên tục 14

1.3 Chưng cất và tinh chế cồn 15

1.3.1Chưng cất 15

1.3.2Tinh chế cồn 17

1.3.3Sơ đồ thiết bị tiến hành chưng cất, tinh chế cồn 19

1.3.3.1 Chưng luyện bán liên tục 20

1.3.3.2 Chưng luyện liên tục 21

Sơ đồ chưng luyện liên tục 3 tháp: Sơ đồ này đang được thực hiện tại Công ty cổ phần Rượu Đồng Xuân – Phú Thọ Hệ thống cho phép nhận 70 ÷ 80% cồn loại I theo TCVN – 71; 20 ÷ 30% cồn loại II và 3 ÷ 5% cồn đầu 22

Sơ đồ chưng luyện để nhận cồn tuyệt đối: 26

1.4Đánh giá chất lượng cồn và lưu kho 28

1.4.1 Đánh giá chất lượng cồn 28

1.4.2 Lưu kho 29

1.4 Sản xuất cồn theo công nghệ Pháp 30

1.4.1 Giới thiệu chung 30

1.4.2Tổng quan về công nghệ 31

1.4.2.1 Xay nghiền và làm sạch nguyên liệu 31

1.4.2.2 Hệ nấu 33

1.4.2.3 Hệ lên men liên tục 36

1.4.2.4 Công đoạn chưng cất 36

CHƯƠNG 2: CÔNG ĐOẠN LÊN MEN 37

2.1 Công nghệ công đoạn lên men liên tục – Công ty rượu Bình Tây 37

2.1.1 Khảo sát công nghệ 37

2.1.2Các thiết bị sử dụng cho công đoạn lên men 39

2.1.3Thiết kế điện cho công đoạn lên men 44

2.1.3.1 Mạch nguồn điều khiển 45

2.1.3.2 Sơ đồ mạch điện bộ điều khiển nhiệt độ 46

2.1.3.3 Sơ đồ mạch điện đèn báo 47

2.1.3.4 Sơ đồ mạch điện điều khiển động cơ các bơm 48

2.1.3.5 Sơ đồ mạch động lực động cơ các bơm 49

2.1.3.6 Sơ đồ mạch điện điều khiển động cơ cánh khuấy 50

2.1.3.7 Sơ đồ mạch động lực động cơ cánh khuấy 51

2.1.3.8 Sơ đồ mạch điện điều khiển động cơ các bơm P411÷P415 52

2.1.3.9 Sơ đồ mạch động lực động cơ các bơm P411÷P415 53

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CÔNG ĐOẠN

LÊN MEN 54

3.1 Lựa chọn giải pháp điều khiển 54

3.1.1 Điều khiển tập trung 54

3.1.1.1 Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra tập trung 54

3.1.1.2 Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra phân tán sử dụng Bus trường 56

3.1.2 Điều khiển phân tán 57

3.1.2.1 Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra tập trung 57

3.1.2.2 Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra phân tán sử dụng Bus trường 58

3.1.2.3 Cấu hình cơ bản của một hệ điều khiển phân tán 60

3.1.3 Hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất cồn tinh bột chất lượng cao tại nhà máy Rượu – Cồn Bình Tây 60

3.1.3.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển 60

3.1.3.2 Hệ thống điều khiển phân cấp dây chuyền sản xuất cồn tinh bột 61

3.1.3.3 Sơ đồ hệ thống điều khiển toàn bộ dây chuyền sản xuất cồn tinh bột 62 3.1.3.4 Vấn đề truyền thông 63

3.1.3.5 Vấn đề dự phòng 64

3.1.4 Mô hình điều khiển công đoạn lên men 65

3.1.4.1 Cấp trường 66

3.1.4.2 Cấp điều khiển 66

3.1.4.3 Cấp điều khiển giám sát 67

3.2 PLC và ứng dụng 67

3.2.1 Tổng quan về PLC 67

3.2.2 Thông số kỹ thuật PLC S7-300, CPU315-2DP 69

3.2.3 Phần mềm lập trình 70

3.2.4 Phương pháp lập trình 70

3.2.5 Các thiết bị quan trọng khác trong hệ thống điều khiển 72

3.2.5.1 Module nguồn nuôi PS307-230VAC 72

3.2.5.2 Màn hình giao diện người – máy KTP600 72

3.2.5.3 Kết nối Bus bằng cable quang 72

3.2.5.4 Module I/O mở rộng với ET200M 72

3.2.6 Địa chỉ vào/ra của PLC 73

3.3 Kết nối PLC với các thiết bị ngoại vi 78

3.3.1 Kết nối đầu vào PLC với thiết bị ngoại vi 78

3.3.2 Kết nối đầu ra PLC với thiết bị ngoại vi 81

3.4 Thiết kế thuật toán điều khiển cho công đoạn lên men 84

3.4.1 Nhiệm vụ điều khiển của PLC 84

3.4.2 Thiết kế lưu đồ thuật toán điều khiển cho các thiết bị 85

3.4.2.1 Lưu đồ điều khiển cho nhóm bơm hồi lưu và nhóm động cơ cánh khuấy 85

3.4.2.2 Lưu đồ điều khiển nhóm bơm P310 và P402A 88

3.4.2.3 Lưu đồ điều khiển bơm P421A bơm sản phẩm đi chưng cất 89

3.4.2.4 Lưu đồ điều khiển bơm P403 – bơm hồi lưu tháp lọc CO2 90

3.4.2.5 Lưu đồ điều khiển nhóm bơm P421B – chế độ lên men theo mẻ 91

3.4.2.5 Lưu đồ điều khiển thiết bị trong chế độ bằng tay 93

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT SCADA CHO CÔNG ĐOẠN LÊN MEN 94

4.1 Hệ thống điều khiển giám sát SCADA 94

4.1.1Khái niệm 94

4.1.2 Phân loại hệ thống SCADA 94

4.1.3 Đánh giá một hệ SCADA 95

4.1.4 Các ứng dụng của hệ thống SCADA 96

4.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống SCADA 96

4.2.1 MTU (Master Terminal Unit) 96

4.2.2 RTU (Remote Terminal Unit) 97

4.2.3 Khối truyền thông 97

4.3 Hệ thống SCADA hiện đại 97

4.3.1 Cấu trúc hệ thống 98

4.3.2 Các đặc tính của hệ thống 99

4.3.3 Đặc điểm về giao tiếp giữa người và máy (HMI) 100

4.4 Mạng SIMATIC 100

4.4.1 Mạng con (Subnet) 100

4.4.2 Các ứng dụng của Subnet 100

4.4.3 Các subnet trong SIMATIC 102

4.5 Phần mềm WinCC 103

4.5.1 Tổng quan về WinCC 103

4.5.2 Cấu hình WinCC 7.0 103

4.5.3 WinCC Explorer 104

4.5.4 Các thành phần cơ bản trong một project của WinCC 104

4.6 Hệ thống SCADA cho công đoạn lên men 105

4.6.1 Phân tích nhiệm vụ xây dựng hệ SCADA 105

4.6.2 Cấu hình truyền thông 105

4.6.2.1 Tạo các hình ảnh và thiết lập các thuộc tính 105

4.6.2.2 Truyền thông giữa máy tính giám sát với PLC 106

4.6.2.3 Truyền thông giữa PLC với module vào/ra 107

4.6.3 Thiết kế phần mềm điều khiển giám sát SCADA 108

4.6.3.1 Cơ sở thiết kế phần mềm giao diện người – máy 108

4.6.3.1 Giới thiệu về giao diện người – máy 109

Giao diện người – máy được tổ chức thành nhiều màn hình theo kiểu phân cấp, một màn hình trang chủ, một màn hình của công đoạn lên men và các màn hình phụ 109

KẾT LUẬN 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CÔNG ĐOẠN LÊN MEN 115

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TT Viết tắt Diễn dải tiếng Anh Diễn dải tiếng Việt

1 CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm

2 DCS Distributed Control System Hệ thống điều khiển phân tán

3 HMI Human Machine Interface Màn hình giao diện người máy

4 MPI Multi Point Interface Giao thức đa điểm

7 PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển Tỉ lệ - Tích phân

– Vi phân (bộ điều khiển PID)

8 PLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển khả trình

10 SCADA Supervisory Control And Data

Acquisition

Hệ điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu

12 TC Temperature Controller Bộ điều khiển nhiệt độ

13 TCP/IP Transmission Control

Protocol/Internet Protocol

Giao thức TCP/IP

15 VDU Video Display Unit Khối hiển thị hình ảnh

16 WinCC Windows Control Center Cửa sổ điều khiển trung tâm

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 – Quan hệ áp suất, nhiệt độ và nồng độ rượu 17

Bảng 1.2 – Hệ số bay hơi của rượu và các tạp chất trong rượu 18

Bảng 1.3 – Phân loại cồn theo Liên Xô (cũ) 28

Bảng 1.4 – Phân loại cồn theo TCVN – 1052 – 71 29

Bảng 2.1 – Bảng nhiệt độ cho phép của các tank lên men 37

Bảng 2.2 – Các thiết bị kim loại 39

Bảng 2.3 – Các thiết bị hóa chất 40

Bảng 2.4 – Các thiết bị đo cho công đoạn lên men 41

Bảng 2.5 – Các thiết bị động lực cho công đoạn lên men 44

Bảng 3.1 – Bảng địa chỉ vào/ra của PLC 73

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 – Quy trình sản xuất cồn từ tinh bột 2

Hình 1.2 – Quy trình sản xuất cồn từ mật rỉ đường 3

Hình 1.3 – Quy trình sản xuất cồn tại nhà máy Bia, Rượu Sài Gòn – Đồng Xuân 4

Hình 1.4 – Cấu tạo nồi nấu 6

Hình 1.5 – Sơ đồ nấu bán liên tục ở Xí nghiệp Rượu Thanh Ba – Phú Thọ 8

Hình 1.6 – Sơ đồ nấu liên tục tại nhà máy Mitchurin 9

Hình 1.7 – Sơ đồ đường hóa liên tục hai lần 11

Hình 1.8 – Thùng lên men gián đoạn 12

Hình 1.9 – Sơ đồ gây và lên men liên tục 13

Hình 1.10 – Sơ đồ thiết bị lên men cải tiến 14

Hình 1.11 – Sơ đồ làm việc tháp chưng cất 16

Hình 1.12 – Sơ đồ chưng luyện bán liên tục 20

Hình 1.13 – Sơ đồ chưng luyện liên tục 2 tháp 21

Hình 1.14 – Sơ đồ chưng luyện liên tục 3 tháp 23

Hình 1.15 – Sơ đồ 3 tháp + tháp làm sạch = 4 tháp 25

Hình 1.16 – Sơ đồ 3 tháp + tháp fusel = 4 tháp 26

Hình 1.17 – Sơ đồ nhận cồn khan từ cồn tinh chế 27

Hình 1.18 – Dây chuyền chiết rót cồn, rượu tự động của Công ty Cổ phần Halico 30 Hình 2.1 – Sơ đồ công nghệ công đoạn lên men 38

Hình 2.2 – Mạch nguồn điều khiển 45

Hình 2.3 – Sơ đồ mạch điện bộ điều khiển nhiệt độ 46

Hình 2.4 – Sơ đồ mạch điện đèn báo 47

Hình 2.5 – Sơ đồ mạch điện điều khiển động cơ các bơm 48

Hình 2.6 – Sơ đồ mạch động lực động cơ các bơm 49

Hình 2.7 – Sơ đồ mạch điều khiển động cơ cánh khuấy 50

Hình 2.8 – Sơ đồ mạch động lực động cơ cánh khuấy 51

Hình 2.9 – Sơ đồ mạch điều khiển động cơ các bơm P411÷P415 52

Hình 2.10 – Sơ đồ mạch động lực động cơ các bơm P411÷P415 53

Hình 3.1 – Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra tập trung 54

Hình 3.3 – Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra tập trung 57

Hình 3.4 – Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra phân tán 59

Hình 3.5 – Cấu hình cơ bản của hệ điều khiển phân tán 60

Hình 3.6 – Sơ đồ hệ thống điều khiển toàn bộ dây chuyền sản xuất cồn 62

Hình 3.7 – Sơ đồ phân cấp điều khiển công đoạn lên men 65

Hình 3.8 – Cấu trúc của bộ PLC 68

Hình 3.9 – PLC S7-300, CPU315 – 2DP 69

Hình 3.10 – Giao diện phần mềm SIMATIC Manager 70

Hình 3.11 – Kết nối đầu vào của PLC với thiết bị ngoại vi 78

Hình 3.12 – Kết nối đầu vào DI-0 với thiết bị ngoại vi 79

Hình 3.13 – Kết nối đầu vào DI-1 với thiết bị ngoại vi 80

Hình 3.14 – Kết nối đầu ra PLC với thiết bị ngoại vi 81

Hình 3.15 – Kết nối đầu ra DO-1 với thiết bị ngoại vi 81

Hình 3.16 – Kết nối đầu ra DO-2 với thiết bị ngoại vi 82

Hình 3.17 – Kết nối đầu ra DO-3 với thiết bị ngoại vi 82

Hình 3.18 – Kết nối đầu ra DO-4 với thiết bị ngoại vi 83

Hình 3.19 – Lưu đồ điều khiển nhóm động cơ cánh khuấy 86

Hình 3.20 – Lưu đồ điều khiển nhóm bơm hồi lưu 87

Hình 3.21 – Lưu đồ điều khiển nhóm bơm P310 và P402A 88

Hình 3.22 – Lưu đồ điều khiển bơm P421A 89

Hình 3.23 – Lưu đồ điều khiển bơm P403 90

Hình 3.24 – Lưu đồ điều khiển nhóm thiết bị lên men theo mẻ 92

Hình 3.25 – Lưu đồ điều khiển thiết bị trong chế độ bằng tay 93

Hình 4.1 – Cấu trúc phần cứng của hệ SCADA 98

Hình 4.2 – Cấu trúc phần mềm của hệ SCADA 99

Hình 4.3 – Mô hình mạng SIMATIC NET 101

Hình 4.4 – Màn hình WinCC Explorer 104

Hình 4.5 – Kết nối giữa PC với PLC thông qua bus hệ thống MPI 107

Hình 4.6 – Kết nối giữa PLC với module vào/ra thông qua Profibus – DP 107

Hình 4.7 – Các nút hiển thị trên màn hình 109

Hình 4.8 – Màn hình cảnh báo online 110

Hình 4.9 – Màn hình trạng thái 110

Hình 4.10 – Biểu đồ nhiệt độ của hệ thống 111

Hình 4.11 – Màn hình giao diện điều khiển giám sát SCADA công đoạn lên men 112

MỞ ĐẦU

Ngày nay, cồn đã có mặt ở hầu hết trong các lĩnh vực của đời sống xã hội Việc sản xuất được loại cồn có chất lượng cao để sử dụng pha chế thành rượu cao cấp, cồn y tế, cồn làm nhiên liệu sinh học thì các nhà máy sản xuất cồn ở nước ta chưa theo kịp với các nước tiên tiến trên thế giới

Công đoạn lên men là một khâu quan trọng trong dây chuyền sản xuất cồn chất lượng cao nên việc áp dụng Công nghệ tự động hóa cho công đoạn này nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và hạ giá thành sản xuất là một yêu cầu cấp thiết mà thực

tế đặt ra

Chính vì những lý do trên nên tôi đã quyết định chọn đề tài: “Xây dựng hệ điều khiển giám sát SCADA – Hệ thống tự động hóa dây chuyền sản xuất cồn chất lƣợng cao” cho luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ của mình

Tập luận văn này gồm có bốn chương:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ sản xuất cồn

Chương 2: Công đoạn lên men

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển cho công đoạn lên men

Chương 4: Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát SCADA cho công đoạn lên men

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN

Nội dung của chương này trình bày những vấn đề sau:

- Sản xuất rượu: Hầu hết các nước trên thế giới đều dùng cồn để pha chế thành

rượu Các nước có nền công nghiệp rượu vang phát triển như Pháp, Ý, Tây Ban Nha… cồn được dùng để tăng thêm nồng độ rượu Một lượng khá lớn cồn được pha chế thành các loại rượu mạnh, cao độ như: Whisky, Martin, Napoleon, Rhum… Ở Việt Nam cũng có một số loại rượu có thương hiệu như Lúa Mới, Nếp Mới, Vodka Hà Nội, Vodka Men…

- Cồn y tế: Cồn được sử dụng trong y tế là cồn có nồng độ cao (> 90%V) dùng để

sát khuẩn, khử trùng Các bệnh viện như: Bạch Mai, Việt – Đức, Chợ Rẫy, Thống Nhất…vẫn phải nhập một lượng lớn cồn y tế từ nước ngoài hàng năm

- Cồn nhiên liệu: Là loại cồn có nồng độ ethanol lên tới 99,8%V, được sử dụng để

làm chất đốt thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt Cồn nhiên liệu

có ưu điểm là sạch và thân thiện với môi trường

- Ngoài ra, cồn còn được sử dụng trong ngành công nghiệp mỹ phẩm, sản xuất

acid acetic, cao su tổng hợp… và là nguyên liệu đầu vào cho một số ngành công nghiệp hóa chất khác

→ Cồn có vai trò rất lớn trong đời sống của con người

1.2 Tổng quan về công nghệ sản xuất cồn

Để sản xuất cồn etylic, về nguyên tắc chúng ta có thể sử dụng bất kỳ nguyên liệu nào chứa đường hoặc polysaccarit Trên thực tế có hai loại nguyên liệu được sử dụng chủ yếu để sản xuất cồn là tinh bột và mật rỉ đường nên ta cũng có hai quy trình sản xuất cồn từ hai loại nguyên liệu này

Quy trình sản xuất cồn từ tinh bột:

Hình 1.1 – Quy trình sản xuất cồn từ tinh bột

Nấm mốc

Nghiền nguyên liệu

Nấu nguyên liệu

Đường hóa dịch cháo

Lên men dịch đường

Chưng cất và tinh chế

Enzyme amylaza

Gây men giống

Lưu trữ Tinh bột

Quy trình sản xuất cồn từ mật rỉ đường:

Hình 1.2 – Quy trình sản xuất cồn từ mật rỉ đường

Bổ sung nguồn dinh

dưỡng Tách cặn

Lưu trữ Mật, rỉ đường

Quy trình sản xuất cồn của nhà máy sản xuất Bia, Rượu Sài Gòn – Đồng Xuân:

Hình 1.3 – Quy trình sản xuất cồn tại nhà máy Bia, Rượu Sài Gòn – Đồng Xuân

1.2.1 Nguyên liệu sản xuất cồn ở nước ta

Nước ta là một nước nông nghiệp (hơn 70% dân số làm nông nghiệp) có hai đồng bằng châu thổ sông Hồng, sông Cửu Long là hai vựa lúa lớn nhất của cả nước

và khu vực Miền Trung, Tây Nguyên cung cấp một lượng lớn tinh bột (lúa gạo, ngô, khoai, sắn…) cho sản xuất và tinh chế cồn Đây là cơ sở quan trọng để chúng

ta tập trung xây dựng các nhà máy sản xuất cồn chất lượng cao

Mặc dù có nguồn nguyên liệu lớn, dồi dào nhưng thực tế nhà máy sản xuất cồn rượu ở nước ta lại nhỏ lẻ và manh mún Các nhà máy sản xuất có quy mô vừa và lớn, mang tính tự động hóa cao thì không nhiều Hiện tại, ở nước ta chỉ có ba cơ sở

Đường hóa Lên men dịch đường

Chưng cất và tinh chế cồn

Thành phẩm Đóng chai

Nấu nguyên liệu Nghiền nguyên liệu

Lưu kho Tinh bột

sản xuất cồn đạt tiêu chuẩn cồn loại I theo tiêu chuẩn TCVN – 71, đó là Công ty Cồn Rượu Hà Nội, Công ty Rượu Đồng Xuân – Phú Thọ và Công ty Rượu Bình Tây – TP Hồ Chí Minh

1.2.2 Nghiền nguyên liệu

Nghiền nguyên liệu nhằm mục đích phá vỡ cấu trúc màng tế bào thực vật, tạo điều kiện giải phóng các hạt tinh bột khỏi các mô Trước đây nguyên liệu đưa vào nấu rượu thường để nguyên dạng hạt hoặc lát to, ngày nay nguyên liệu được nghiền nhỏ với mức độ khác nhau rồi đưa vào nấu ở áp suất và nhiệt độ phù hợp nhằm biến tinh bột thành dạng hòa tan Để nghiền nguyên liệu người ta sử dụng máy nghiền búa có năng suất từ 1000 ÷ 3000kg/h

1.2.3 Nấu nguyên liệu

Nguyên liệu sau khi được nghiền nhỏ sẽ được đi tới công đoạn nấu Nấu nguyên liệu nhằm mục đích phá vỡ màng tế bào của tinh bột để biến chúng thành trạng thái hòa tan trong dung dịch Có thể nói nấu nguyên liệu là quá trình ban đầu nhưng rất quan trọng trong sản xuất cồn etylic Các quá trình tiếp theo tốt hay xấu phụ thuộc rất nhiều vào kết quả của nấu nguyên liệu

Nấu nguyên liệu có ba phương pháp là: Nấu gián đoạn, nấu bán liên tục và nấu liên tục

1.2.3.1 Nấu gián đoạn

Đặc điểm: Toàn bộ quá trình nấu đều thực hiện trong cùng một nồi

Quá trình nấu: Cho toàn bộ nước vào nồi với tỉ lệ 3,5 ÷ 4lít/kg nguyên liệu tùy

thuộc vào loại tinh bột Cho cánh khuấy làm việc rồi đổ bột vào, đậy kín nắp và bắt đầu xông hơi khoảng từ 45 ÷ 60 phút thì áp suất trong nồi đạt yêu cầu Đối với bột thường nấu ở áp suất 3 ÷ 3,5 kg/cm2, thời gian duy trì khoảng 70 phút Còn đối với ngô hạt hay sắn lát thì phải nấu ở áp suất 4,5 ÷ 5 kg/cm2

trong khoảng thời gian 80

÷ 90 phút Tốt nhất nên nghiền nguyên liệu và nấu ở 3 ÷ 3,5 kg/cm2 tương đương nhiệt độ từ 135 ÷ 1400

C

Dịch cháo: Nguyên liệu sau khi nấu xong được gọi là dịch cháo, dịch cháo được

xem là chín nếu có mùi thơm nhẹ, màu vàng rơm hoặc cánh gián Nếu màu tối xẫm,

mùi khét, vị đắng là do bị cháy, còn nếu cháo có màu bợt trắng, mùi ngái thì xem như chưa chín

Ưu điểm: Phương pháp có ưu điểm là tốn ít vật liệu để chế tạo thiết bị, thao tác

đơn giản

Nhược điểm: Tốn hơi vì không sử dụng được hơi thứ, nấu lâu ở áp suất và nhiệt

độ cao gây nên tổn thất đường nhiều

Cấu tạo của nồi nấu:

1

2 3

5

6

Không khíngưng

4

7

Hình 1.4 – Cấu tạo nồi nấu 1: Thân nồi; 2: Đầu nối van an toàn; 3: Nắp nồi; 4: Áp kế; 5: Van lấy mẫu; 6: Ống cấp hơi; 7: Cánh khuấy; 8: Ống vệ sinh; 9: Ống phóng cháo

1.2.3.2 Nấu bán liên tục

Đặc điểm: Nguyên liệu nấu được tiến hành trong ba nồi khác nhau và chia thành

nấu sơ bộ, nấu chín và nấu chín thêm

Quy trình nấu:

- Nấu sơ bộ được tiến hành trong nồi nấu hình trụ, có dung tích tương đương với nồi nấu chín Đầu tiên cho lượng nước 40 ÷ 50oC vào cùng với tỉ lệ 3,5 ÷ 4 lit/kg bột Cho cánh khuấy làm việc và đổ bột vào, sau đó dùng hơi thứ từ nồi nấu chín

thêm để đun dịch bột tới 70 ÷ 85oC và duy trì khoảng 50 ÷ 60 phút Sau đó mở van và tháo dịch cháo xuống nồi nấu chín

- Nấu chín cũng tiến hành giống như khi nấu gián đoạn chỉ khác là áp suất nấu và thời gian nấu ít hơn Áp suất nấu 2,8 ÷ 3,2 kg/cm2, nhiệt độ 130 ÷ 135oC, thời gian khoảng 60 phút Nấu chín xong ta mở van từ từ và phóng cháo sang nồi nấu chín thêm

- Nồi nấu chín thêm có dung tích gấp 3 lần so với nồi nấu chín nhưng chỉ đổ đầy 2/3 nồi, còn 1/3 là không gian chứa hơi Áp suất nấu 0,5 ÷ 0,7 at, nhiệt độ là 105

÷ 106oC, thời gian nấu khoảng 60 phút Sở dĩ gọi sơ đồ nấu là bán liên tục vì nấu

sơ bộ và nấu chín là bán liên tục còn nấu chín thêm là liên tục

Ưu điểm: Giảm thời gian nấu ở áp suất và nhiệt độ cao, do đó giảm được tổn thất

và tăng hiệu suất đến 7 lit cồn/tấn tinh bột, tiết kiệm 15 ÷ 30% lượng hơi dùng cho nấu do sử dụng hơi thứ và nấu sơ bộ trong quá trình nấu

Nhược điểm: Tốn nhiều kim loại để chế tạo thiết bị, giá thành đắt hơn so với nấu

gián đoạn

Sơ đồ nấu bán liên tục ở xí nghiệp rượu Thanh Ba – Phú Thọ (1983 – 1993)

- Cho phép nấu ở nhiệt độ thấp hoặc thời gian ngắn nên giảm được tổn thất đường

do cháy và tạo melanoidin Nhờ đó hiệu suất rượu tăng 5 lít/tấn tinh bột so với nấu

bán liên tục và 12 lít/tấn tinh bột so với nấu gián đoạn

- Năng suất riêng của 1m3 thiết bị tăng khoảng 7 lần Tiêu hao kim loại để chế tạo thiết bị giảm khoảng 50% so với bán liên tục

- Dễ cơ giới hóa, tự động hóa

- Tốn ít diện tích đặt thiết bị

Nhược điểm: Yêu cầu suất đầu tư lớn, các thiết bị phải đảm bảo làm việc liên tục

và thường xuyên

Các điều kiện đảm bảo khi nấu liên tục:

- Nguyên liệu phải được nghiền thật nhỏ, đường kính hạt bột < 3mm

- Cấp điện, hơi và nước yêu cầu phải ổn định

Sơ đồ nấu liên tục tại nhà máy Mitchurin

1.2.4 Đường hóa

Nấu xong, tinh bột trong dịch cháo đã chuyển sang trạng thái hòa tan nhưng chưa thể lên men trực tiếp biến thành rượu được mà phải trải qua quá trình thủy phân do xúc tác của amylaza để biến thành đường Quá trình này được gọi là đường hóa và đóng vai trò quan trọng trong công nghệ sản xuất cồn etylic

Để đạt hiệu quả cao trong quá trình thủy phân tinh bột thì vấn đề quan trọng trước tiên là chọn tác nhân đường hóa

Ở nhiều nước châu Âu, vẫn còn dùng amylaza của thóc mầm (malt đại mạch) để thủy phân tinh bột trong sản xuất rượu, nhưng hiện nay phần lớn các nước đều dùng amylaza nhận được từ nuôi cấy vi sinh vật

1.2.4.1 Đường hóa liên tục

Đặc điểm: Đường hóa liên tục được tiến hành trong các thiết bị khác nhau, dịch

cháo và dịch amylaza liên tục đi vào hệ thống, dịch đường liên tục đi sang bộ phận lên men

Quy trình làm việc: Cháo được chứa ở nồi nấu chín thêm 1 liên tục đi vào thùng

đường hóa lần một 2, dịch amylaza ở thùng 3 qua bộ phận phân phối 4, sau đó khoảng 30% đi vào 2 phối hợp với dịch cháo có nhiệt độ 600C Thời gian đường hóa kéo dài 15 ÷ 20 phút Ra khỏi 2 dịch đường được bổ sung 70% chế phẩm amylaza còn lại, sau đó qua bơm 5 đi vào thiết bị đường hóa lần hai 6 Tổng cộng thời gian đường hóa ở cả hai thiết bị không quá 30 phút Đường hóa xong, một phần dịch được đưa vào phân xưởng gây men, 90% còn lại được đi qua thiết bị làm lạnh đến 28 ÷ 300

C rồi vào các thùng lên men

Ưu điểm: So với phương pháp đường hóa gián đoạn thì phương pháp đường hóa

liên tục dịch cháo ít bị lão hóa khi làm lạnh tới nhiệt độ đường hóa Thời gian đường hóa ngắn, tăng được công suất thiết bị do đó có thể tiết kiệm được diện tích nhà xưởng

Sơ đồ đường hóa liên tục hai lần:

Hình 1.7 – Sơ đồ đường hóa liên tục hai lần

1.2.4.2 Đường hóa gián đoạn

Đặc điểm: Đường hóa gián đoạn được thực hiện trong một thiết bị gọi là thùng

đường hóa Thùng đường hóa gián đoạn có cấu tạo như thùng đường hóa lần 1 Dung tích của thùng được tính dựa vào thể tích của mẻ nấu và theo công thức: 1,3m3 thùng/1m3 cháo Chiều cao của thùng vào khoảng 0,5 ÷ 0,6 so với đường kính Bên trong có cánh khuấy với tốc độ 50 ÷ 60 vòng/phút nhằm giúp cho quá trình làm lạnh được nhanh Diện tích truyền nhiệt cần lấy bằng 3 ÷ 5 m2/m3 cháo

Quy trình làm việc: Cho toàn bộ dịch amylaza vào thùng, bật cánh khuấy, mở

nước lạnh rồi cho nhanh cháo vào, khống chế nhiệt độ 57 ÷ 58oC Khi hết cháo ta tắt cánh khuấy và đóng van nước lạnh rồi để 10 ÷ 15 phút Sau đó bật cánh khuấy,

mở nước làm lạnh đến 28 ÷ 30oC rồi bơm lên thùng lên men

1.2.5 Lên men dịch đường

Đường hóa xong, dịch đường được làm lạnh tới 28 ÷ 320

C và bơm vào thùng lên men (còn gọi là thùng ủ) Ở đây dưới tác dụng của nấm men, đường sẽ biến thành rượu, khí cacbonic cùng với nhiều sản phẩm trung gian khác Lên men xong ta thu được hỗn hợp gồm rượu – nước – bã gọi là giấm chín hay cơm hèm

Lên men có thể tiến hành theo nhiều phương pháp khác nhau như: Phương pháp gián đoạn, bán liên tục và liên tục

1.2.5.1 Lên men gián đoạn

Quy trình làm việc: Trước tiên thùng và các thiết bị tiếp xúc phải được vệ sinh

sạch sẽ và phải được khử trùng trong 60 phút ở 95 ÷ 100 oC Thanh trùng xong men giống và dịch đường có thể bơm ngay từ đầu để được trộn đều Lượng men giống chiếm 10% so với thể tích thùng lên men Dịch đường không bơm đầy thùng ngay

mà bơm dần dần trong 6 ÷ 8h Khống chế nhiệt độ ở 28 ÷ 30 o

C và pH = 4,0 ÷ 4,2 Lên men được xem là kết thúc nếu sau 8h nồng độ đường không giảm hoặc chỉ giảm 0,1 ÷ 0,2%

Ưu, nhược điểm: Dễ làm, khí nhiễm khuẩn dễ xử lý nhưng năng suất thu được từ

1m3 thiết bị thấp

Thùng lên men gián đoạn:

Hình 1.8 – Thùng lên men gián đoạn

1: Ruột gà làm lạnh cần 0,4 ÷ 0,5m 2 /m 3 thùng; 2: Ống dẫn dịch đường và men giống; 3: Ống tháo giấm chín; 4: Ống thoát CO 2 ; 5: Cửa quan sát và vệ sinh; 6: Đầu ống nối hệ thống vệ sinh 7 với phía trong thùng; 8: Van lấy mẫu; 9: Đầu ống nối hệ thống sục khí hoặc CO 2 và hơi thanh trùng

1.2.5.2 Lên men liên tục

Đặc điểm: Dịch đường và men giống được cho vào thùng đầu gọi là thùng lên

men chính, luôn chứa một lượng lớn tế bào trong 1ml dung dịch Khi đầy thùng thì dịch lên men sẽ chảy tiếp sang thùng bên cạnh và cuối cùng là thùng chứa giấm chín

Sơ đồ lên men liên tục:

Hình 1.9 – Sơ đồ gây và lên men liên tục

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 lên men cấp II có dung tích bằng 30 ÷ 60% thùng lên men chính (3) Các thùng lên men tiếp theo gồm 8 ÷ 10 thùng (4) Thùng gây giống cấp I được đặt phía trên thùng cấp II để dễ dàng tự chảy Vị trí của thùng cấp II được đặt cao hơn hai thùng men chính (3) Phần trụ của hai thùng này phải đặt cao

hơn 1m so với phần trụ của các thùng (4) còn lại, vì rằng lên men chính xảy ra mạnh, lượng bọt nhiều

Ưu điểm: Lên men xảy ra nhanh, hạn chế được phát triển của tạp khuẩn Khác

với lên men gián đoạn là lượng giống ban đầu chỉ 12 ÷ 15 triệu tế bào nên lên men xảy ra chậm Nhiều men giống không những áp đảo được tạp khuẩn mà còn tạo được rượu nhanh, hạn chế sự phát triển của chúng Mặt khác, độ chua của dịch đường cao, pH thấp cũng là yếu tố không thuận lợi cho vi khuẩn và nấm men hoang dại Sau 24 giờ đã có 78% đường được lên men, trong khi đó ở lên men gián đoạn mới chỉ đạt 42%

Nhược điểm: Phải tính toán cẩn thận và có biện pháp công nghệ phù hợp, nếu

không sẽ dẫn đến phản tác dụng, nhiễm khuẩn hàng loạt giảm hiệu suất lên men

1.2.5.3 Lên men cải tiến - liên tục

Phương pháp:

Hệ thống các thùng lên men vẫn giữ nguyên như hiện có Đặt thêm một thiết bị truyền nhiệt kiểu ống lồng ống (II) nối với các thùng lên men như hình 1.10 Lên men được tiến hành như thường lệ, nhưng trong giai đoạn lên men chính nhiệt tỏa

ra nhiều, ta mở các van C rồi bơm dịch đang lên men qua thiết bị (II) để làm lạnh và cho chạy trở lại thùng Thao tác được kéo dài cho tới khi nhiệt độ thùng đạt yêu cầu công nghệ Cách làm này không chỉ tạo điều kiện giữ nhiệt độ mà còn tăng cường được tốc độ lên men nhờ CO2 thoát nhanh hơn

Để tăng cường tỉ lệ men giống mà không cần thêm thiết bị gây men, ta dùng ngay lượng men ở các thùng đang lên men mạnh ở giai đoạn lên men chính, bằng cách dùng axit sunfuric đưa pH về 4.0 ÷ 4.2 kết hợp với bơm tuần hoàn và làm lạnh Sau

1 ÷ 2 giờ bơm ½ lượng dịch lên men sang thùng khác để làm men giống Tiếp đó từ

từ thêm dịch đường vào cả hai thùng cho tới đầy và để cho lên men tiếp Số lần xử

lý và san men tùy thuộc tình hình và mức độ nhiễm tạp ở mỗi thùng (I) Sau mỗi lần làm việc của bơm (III), đường ống và bơm cần vệ sinh thanh trùng ngay Khi lắp đặt đường ống và các van trên đường ống, cần chú ý để nước không đọng lại sau mỗi lần vệ sinh

1.3 Chƣng cất và tinh chế cồn

1.3.1 Chưng cất

Khái niệm: Chưng cất là quá trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành

các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khác nhau ở cùng áp suất) bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi – ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng sang pha hơi hoặc ngược lại

Đặc điểm: Cả dung môi và chất tan đều bay hơi

Chưng cất cồn: Là quá trình tách rượu và các tạp chất dễ bay hơi ra khỏi giấm

chín (giấm chín được xem là hỗn hợp hai cấu tử etylic và nước) Kết quả ta nhận được rượu thô hoặc cồn thô

Hơi nóng bốc lên

Chất lỏng chảy xuống

Hồi lưu

SP Đáy

SP Đỉnh

Hơi nóng Nước lạnh

Hình 1.11 – Sơ đồ làm việc tháp chưng cất Nguyên lý làm việc: Ban đầu, giấm chín được bơm từ thùng chứa nguyên liệu

vào trong tháp qua bơm 1, do có sự chênh áp giữa đỉnh tháp và đáy tháp cũng như nhiệt độ sôi của các cấu tử là khác nhau nên trong tháp xuất hiện dòng chất lỏng chảy xuống và hơi nóng bốc lên Ở đỉnh tháp, nồng độ cồn là lớn nhất, hơi cồn được dẫn qua ống sinh hàn ngưng tụ rồi chảy vào thùng chứa Để tăng hiệu quả của quá trình chưng cất và tăng chất lượng sản phẩm đỉnh một phần cồn sẽ được hồi lưu trở lại tháp qua bơm số 3 Ở đáy tháp, sản phẩm đáy được lấy ra qua bơm số 2, phần còn lại cho đi qua nồi hơi quay trở lại tháp tạo thành một chu trình liên tục khép kín

Ảnh hưởng của áp suất, nhiệt độ tới nồng độ rượu: Theo Vrepski, thành phần hơi

nước thoát ra từ dung dịch nào đó đều phụ thuộc vào áp suất bên ngoài, vì vậy khi

chưng cấp hỗn hợp Rượu – Nước ở áp suất lớn hơn hoặc bằng áp suất khí quyển thì phần trăm (%) nước trong hỗn hợp đẳng phí sẽ nhiều hơn, nồng độ rượu trong hỗn hợp ≤ 97.2%V Ngược lại, nếu chưng cất trong điều kiện chân không thì nồng độ rượu trong hỗn hợp đẳng phí sẽ > 97.2%V và phụ thuộc vào độ chân không được chỉ ra như ở bảng 1.1

Bảng 1.1 – Quan hệ áp suất, nhiệt độ và nồng độ rượu

Áp suất, mmHg Nhiệt độ sôi, o

Đặc điểm: Cồn thô nhận được sau khi chưng cất còn chứa rất nhiều tạp chất (trên

50 chất), có cấu tạo và tính chất khác nhau Trong đó gồm các nhóm chất như: Aldehyt, este, alcol cao phân tử và các axit hữu cơ Hàm lượng chung của tất cả các tạp chấp không vượt quá 0.5% so với khối lượng cồn Etylic Cồn sản xuất từ tinh bột thường chứa furfuron và các tạp chất gây vị đắng, đó là các tecpen Chất này

khó phát hiện bằng biện pháp phân tích nhưng lại dễ dàng cảm nhận bằng vị giác Phân loại tạp chất: Theo quan điểm của tinh chế cồn, người ta chia tạp chất

thành ba loại: Tạp chất đầu, tạp chất trung gian và tạp chất cuối Chia như vậy chỉ là

tương đối và quy ước, vì tính chất của tạp chất có thể thay đổi tùy theo 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, bao gồm: aldehyt, axetic, axetat etyl, axetat metyl, aldehyt butyric

- Tạp chất cuối gồm các alcol cao phân tử như alcol amylic, alcol izoamylic,

izobutylic, propylic, izopropylic Tạp chất cuối điển hình nhất là axit axetic, vì độ bay hơi của nó kém 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 phụ thuộc vào nồng độ alcol etylic Ở nồng độ alcol etylic thấp chúng

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

Tạp chất đầu và cuối tương đối dễ tách, còn tạp chất trung gian rất khó tách Độ bay hơi của các tạp chất phụ thuộc vào nồng độ alcol etylic trong dung dịch

Bảng 1.2 – Hệ số bay hơi của rượu và các tạp chất trong rượu

etylic izoamylic izoavalerat

izoamyl

axetat izoamyl

izoavalerat etyl

izobutyrat etyl

axetat etyl

axetat metyl

formiat etyl

Hệ số tinh chế:

Độ bay hơi của các tạp chất phụ thuộc vào nồng độ alcol etylic trong dung dịch Gọi A là % khối lượng của rượu trong pha hơi, a là % khối lượng của rượu trong pha lỏng thì gọi là hệ số bay hơi của rượu Tương tự, nếu gọi B là % khối lượng của các tạp chấp trong pha hơi, b là % khối lượng của các tạp chất trong pha lỏng thì gọi là hệ số bay hơi của tạp chất

Hệ số bay hơi của rượu (Kr) và hệ số bay hơi của tạp chất (Ktc) cho ta biết trong thể hơi chứa bao nhiêu lần rượu hoặc tạp chất nhiều hơn so với thể lỏng Để đánh giá độ bay hơi tương đối của tạp chất so với rượu ở cả pha lỏng và hơi, người ta đưa

ra khái niệm hệ số tinh chế K và biểu diễn bằng tỉ số:

Nếu:

+ K > 1→ Trọng lượng hơi chứa nhiều tạp chất (tạp chất đầu);

+ K = 1→ Tạp chất trung gian;

+ K > 1→ Tạp chất cuối;

Hệ số tinh chế cho ta dự đoán sơ bộ khoảng không gian chứa nhiều tạp chất trong tháp nhưng không xác định vị trí lấy tạp chất một cách cụ thể

1.3.3 Sơ đồ thiết bị tiến hành chưng cất, tinh chế cồn

Để nhận được cồn chất lượng cao khi tách cồn thô khỏi giấm chín và tinh chế cồn ta có thể thực hiện theo nhiều phương pháp khác nhau: Phương pháp gián đoạn, phương pháp bán liên tục và phương pháp liên tục tùy thuộc vào yêu cầu của chủ đầu tư và chất lượng sản phẩm của cơ sở sản xuất

Những sơ đồ dưới đây mô tả nguyên lý về quá trình chưng cất và tinh chế cồn đã từng được các công ty, xí nghiệp sản xuất cồn ở nước ta lắp đặt

1.3.3.1 Chưng luyện bán liên tục

Sau khi lên men giấm chín được bơm vào thùng chứa 1 Vì làm việc gián đoạn nên phải bố trí hai thùng song song nhưng làm việc so le để ổn định phần nào nồng

độ cồn trước khi vào tháp tinh Thùng cất thô được đun trực tiếp bằng hơi có áp suất 0,8 ÷ 1kg/cm2 Hơi rượu bay lên được ngưng tụ ở 2 rồi vào thùng chứa 3, tiếp đó liên tục đi vào tháp tinh chế 4 Ở 4 cũng được đun bằng hơi trực tiếp, từ đĩa tiếp liệu (16 ÷ 18 tính từ dưới lên) xuống đáy nồng độ cồn giảm dần đến đáy tháp còn 0,015

÷ 0.03% rồi ra ngoài Nhiệt độ đáy tháp phải 103 ÷ 1050C Hơi rượu bay lên được tăng dần nồng độ, phần lớn được ngưng tụ ở 5 rồi hồi lưu trở lại tháp Một phần nhỏ chưa ngưng kịp còn chứa nhiều tạp chất đầu được đưa sang ngưng tụ tiếp ở 6 và lấy

ra ở dạng cồn đầu Cồn đầu chỉ sử dụng pha vecni, làm cồn đốt, sát trùng hoặc đem

xử lý và cất lại

Cồn sản phẩm được lấy ra ở dạng lỏng, cách đĩa hồi lưu (từ trên xuống) khoảng

từ 3 đến 6 đĩa sau đó dược làm lạnh ở 7 rồi cất vào thùng chứa để lưu kho

Cồn lấy ở đây tuy có nồng độ thấp hơn từ (0.3 ÷ 0.5%V) so với hơi ở đỉnh nhưng chứa ít este và aldehyt nhưng vẫn đại tiêu chuẩn TCVN – 71

1.3.3.2 Chưng luyện liên tục

Sơ đồ chưng luyện liên tục 2 tháp – 1 dòng

2

Nước thải

Hơi Dầu Fusel

11

Giấm chín

Hình 1.13 – Sơ đồ chưng luyện liên tục 2 tháp

1-Thùng cao vị chứa giấm chín; 2-Bình hâm giấm; 3-Bình tách CO 2 và khí không ngưng; 4-Tháp cất thô; 5-Bình chống phụt giấm; 6-Bình ngưng tụ cồn thô; 7-Bình làm lạnh ruột gà; 8-Tháp tinh chế; 9-Bình ngưng tụ hồi lưu; 10-Bình làm lạnh cồn

sản phẩm; 11-Bình ngưng và làm lạnh dầu fusel

Giấm chín được đưa lên thùng cao vị 1 sau đó đi vào bình hâm giấm 2 Ở đây, giấm được hâm nóng tới 70 ÷ 800C bằng ẩn nhiệt của hơi cồn khô, sau đó qua bình tách CO2 3 rồi vào tháp 4 Hơi cồn bay lên ngưng tụ ở 2, phần chưa ngưng tiếp tục sang ngưng ở 6 Toàn bộ cồn thô ngưng ở 2, 6 và 7 đi vào tháp tinh chế 8 ở đĩa thứ

16 ÷ 18 tính từ dưới lên Tháp chưng cũng được cấp nhiệt bằng hơi nước có áp suất

từ 0.8 ÷ 1.0 kg/cm2 Hơi rượu bay lên được nâng cao dần nồng độ ra khỏi tháp đi vào 9 Tại đây ta điều chỉnh lượng nước lạnh để lấy cồn đầu ra ở 7, khoảng 3 ÷ 5%

so với toàn bộ lượng cồn đưa vào hệ thống tháp Số cồn ngưng ở 9 được đưa hồi lưu lại tháp 8

Cồn thành phẩm được lấy ra cách đĩa hồi lưu từ 3 đến 6 đĩa sau đó đi đi vào 10

để ngưng tụ thành dạng lỏng Nhiệt độ đáy của hai tháp luôn đảm bảo 103 ÷ 1050C Nhiệt độ đỉnh của tháp 4 phụ thuộc vào nồng độ cồn trong giấm và thường vào khoảng 93 ÷ 970C Nhiệt độ đỉnh tháp tinh 8 vào khoảng 78.3 ÷ 78.50C Nhiệt độ ở thân tháp tinh ở vị trí cách đĩa tiếp liệu về phía trên 3 ÷ 4 đĩa khống chế ở nhiệt độ

từ 82 ÷ 830

C Dầu fusel lấy ra ở dạng hơi từ đĩa thứ 6 đến đĩa thứ 11 (tính từ dưới lên) được ngưng và làm lạnh ở 11; sau đó cho vào thiết bị phân ly đầu hoặc cho vào giấm chín cất lại, loại ra ở đáy tháp thô

Hệ thống chưng luyện hai tháp tuy có tiên tiến hơn so với chưng luyện gián đoạn

và bán liên tục nhưng chất lượng cồn vẫn chưa cao Để nâng cao chất lượng cồn, người ta sử dụng hệ thống chưng luyện liên tục 3 tháp

Sơ đồ chưng luyện liên tục 3 tháp: Sơ đồ này đang được thực hiện tại Công ty cổ

phần Rượu Đồng Xuân – Phú Thọ Hệ thống cho phép nhận 70 ÷ 80% cồn loại I

theo TCVN – 71; 20 ÷ 30% cồn loại II và 3 ÷ 5% cồn đầu

Bã rượu Hơi

Đến tháp làm sạch

Về 8

Hình 1.14 – Sơ đồ chưng luyện liên tục 3 tháp 1-Thùng cao vị chứa giấm chín; 2-Bình hâm giấm; 3-Bình tách CO 2 và khí không ngưng; 4-Tháp thô; 5-Bình chống 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

Nguyên lý làm việc:

Giấm chín được bơm lên thùng cao vị 1, sau đó chảy từ từ vào bình hâm giấm 2

Ở đây, giấm chín được hâm nóng bằng hơi rượu ngưng tụ đến nhiệt độ 70 ÷ 800

C rồi chảy qua bình tách CO2 số 3 rồi vào tháp 4 Khí CO2 và hơi rượu bay lên được ngưng tụ ở 6 qua 7 rồi ra ngoài Tháp thô được đun bằng hơi trực tiếp, hơi rượu được đi từ dưới lên, giấm chảy từ trên xuống nhờ đó quá trình chuyển khối được thực hiện, sau đó hơi rượu qua khỏi tháp và được ngưng tụ ở 2 và 6 rồi qua 7 ra ngoài Chảy xuống tới đáy, nồng độ rượu trong giấm còn khoảng 0.015 ÷ 0.030%V được thải ra ngoài gọi là bã rượu

Phần lớn rượu thô (90 ÷ 95%) liên tục đi vào tháp andehyt số 8 Tháp này cũng dùng hơi trực tiếp, hơi rượu bay lên được ngưng tụ và hồi lưu đến 95%, chỉ điều chỉnh lượng nước làm lạnh và lấy ra khoảng 3 ÷ 5% gọi là cồn đầu (tùy theo chất lượng nguyên liệu) Một phần rượu thô 3 ÷ 5% 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 vào tháp tinh 11 với nồng độ 35 ÷ 45%V Tháp tinh chế 11 cũng được cấp nhiệt bằng hơi trực tiếp (có thể gián tiếp), hơi bay lên được nâng dần nồng độ sau đó ngưng tụ ở 12 rồi hồi lưu lại tháp Cồn sản phẩm cũng được lấy ra ở dạng lỏng như sơ đồ hai tháp Nhiệt độ đáy và đỉnh tháp thô, tháp tinh khống chế tương tự như sơ đồ hai tháp Nhiệt độ tháp aldehyt duy trì ở mức 80 ÷ 850C, nhiệt độ ở đỉnh 78 ÷ 790C

Sơ đồ trên gọi là gián tiếp một dòng, vì sản phẩm đi vào các tháp chỉ có một dòng chất lỏng duy nhất Nếu sơ đồ trên có lấy một phần hơi rượu thô ở đỉnh 4 (theo đường nét đứt) để cấp nhiệt cho tháp tinh 11 thì sẽ biến thành sơ đồ liên tục ba tháp vừa gián tiếp vừa trực tiếp hai dòng

Đối với sơ đồ gián tiếp một dòng có ưu điểm là chất lượng cồn tốt và ổn định, dễ vận hành nhưng lại tốn hơi

Đối với sơ đồ vừa gián tiếp vừa trực tiếp, hai dòng có ưu điểm là tiết kiệm được hơi nhưng đòi hỏi phải có giải pháp tự động hóa chính xác, nếu không hơi ở đỉnh

tháp tinh 11 sẽ đẩy ngược lên đỉnh tháp 4 làm cho tháp mất ổn định và chất lượng cồn kém đồng đều

Muốn nâng cao chất lượng cồn hơn nữa thì ta sử dụng sơ đồ bốn tháp Cồn sản phẩm ở sơ đồ ba tháp không được làm lạnh mà đưa vào tháp làm sạch để tinh chế tiếp nhằm loại bỏ tạp chất đầu và tạp chất cuối Cồn đầu cho quay lại tháp aldehyt, cồn cuối ở đáy tháp làm sạch đi vào trên đĩa tiếp liệu của tháp tinh Nhiệt cấp cho tháp làm sạch phải được cấp nhiệt gián tiếp

Cồn sản phẩm

Cồn đầu

về đỉnh 8

Hơi

Về tháp tinh trên đĩa tiếp liệu

Cồn dạng lỏng

từ tháp tinh

Cồn sản phẩm

Về thápaldehyt

Hơi

Rượu fusel

từ tháp tinh

Nước thảiDầu fusel

Hình 1.16 – Sơ đồ 3 tháp + tháp fusel = 4 tháp

Sơ đồ chưng luyện để nhận cồn tuyệt đối:

Cồn tuyệt đối hay còn gọi là cồn khan hoặc cồn không nước được sử dụng nhiều lĩnh vực khác nhau như tổng hợp hữu cơ, thuốc súng không khói, làm nhiều trong giao thông vận tải, nhiên liệu đốt hoặc trong phòng thí nghiệm

Yêu cầu về cồn tuyệt đối phải đạt: nồng độ alcol etylic ≥ 99.8%V, hàm lượng aldehyt ≤ 5mg/l, hàm lượng axit hữu cơ ≤ 10mg/l Cồn không được chứa các axit

vô cơ, kiềm và furfurol, ngoài ra cồn còn phải trong suốt, không mùi vị lạ