TÍNH TOÁN và THIẾT kế hệ THỐNG TRÍCH LY cà PHÊ CÔNG SUẤT 1000 kgh (link tải bản vẽ full nằm ở trang cuối)

Khi ta thiết kế được một hệ thống trích ly tối ưu hơn điều đó sẽ giúpcông ty làm giảm giá thành sản phẩm kéo theo đó là sẽ hạ được giá thành sản phẩmcho người tiêu dùng và có sản phẩm c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

LY CÀ PHÊ CÔNG SUẤT 1000 Kg/h

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 7 NĂM 2017

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong trường Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM nói chung và các thầy cô trong khoa Công nghệ thực phẩm, bộ môn Kỹ thuật thực phẩm nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong thời gian qua, giúp em hoàn thành

đồ án này

Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn đến cô TRẦN LỆ THU, cô đã giúp đỡ, hướng dẫn và giúp em hoàn thiện những thiếu sót trong suốt quá trình thực hiện đồ

án học phần Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn cô

Trong quá trình làm đồ án khó tránh khỏi sai sót, rất mong các thầy (cô) bỏ qua Đồng thời do chúng em thiếu kiến thức cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên bài báo cáo không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được

ý kiến đóng góp thầy cô để em học thêm nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành tốt hơn bài báo cáo sắp tới.

TP Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 7 năm 2017

Sinh viên thực hiện

Lý DựPhan Trần Anh Huy

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC BẢNG

Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của xã hội thì yêu cầu về

sự tiện dụng và chất lượng của sản phẩm ngày càng lớn và cà phê hòa tan hay cà

phê uống liền là sự lựa chọn tối ưu cho những người yêu thích cà phê Đó là một

loại đồ uống bắt nguồn từ cà phê nhưng dưới dạng bột cà phê và đã được nêm nếmsẵn theo khẩu vị và được chế biến bằng phương pháp rang, xay, sấy khô Cà phê hòatan được sử dụng ngay bằng cách chế với nước sôi và khuấy đều là có thể sử dụng,không chỉ vậy loại cà phê này có thể bảo quản được lâu và dễ sử dụng Để sản xuấtđược cà phê hòa tan cần phải qua quá trình trích ly và nó là quá trình vô cùng quantrọng trong việc sản xuất cà phê hòa tan Chính vì điều đó mà các nhà máy sản xuất

cà phê hòa tan ngày càng cải tiến thiết bị trích ly của mình để quá trình trích ly đượctối ưu hơn

Mục tiêu của quá trình nghiên cứu này là tính toán thông số liên quanđến nguyên liệu, thiết bị, để chế tạo một thiết bị trích ly cà phê với công suất 1000kg/h Phương pháp nghiên cứu là phân tích tổng hợp lý thuyết và mô hình hóa

Khi ta thiết kế được một hệ thống trích ly tối ưu hơn điều đó sẽ giúpcông ty làm giảm giá thành sản phẩm kéo theo đó là sẽ hạ được giá thành sản phẩmcho người tiêu dùng và có sản phẩm chất lượng hơn Ngoài ra nó còn tạo nguồnnguyên liệu phong phú cho một số nghành sản xuất thực phẩm khác như: bánh kẹo

Sinh viên thực hiện

Lý Dự Phan Trần Anh Huy

- Protein

Hàm lượng protein trong cà phê không cao nhưng đóng vai trò quantrọng trong việc tạo ra hương vị của sản phẩm Thành phần protein trong cà phê cónhững acid amin sau: cysteine, alanie, lysine, phenilanine, histidine, leusine, Khigia nhiệt các mạch polypeptide bị phân cắt, các acid amin được giải phóng tiếp tụctham gia vào phản ứng maillard, caramel tạo mùi và vị cho cà phê rang Trong cácamin kể trên chú ý nhất là các acid amin chứa lưu huỳnh như cysteine, proline,chúng góp phần làm giảm tốc độ oxi hóa của các chất thơm, làm cho cà phê ranggiữ được mùi vị lâu khi bảo quản

- Lipid

Hạt cà phê chứ lượng lipid khá lớn( 10-13%) Lipid trong cà phê gồmchủ yếu trong dầu và sáp Trong qua trình chế biến lipid bị biến đổi, song một phần

acid béo tham gia phản ứng dưới tác dụng của nhiệt độ cao tạo nên hương thơm chosản phẩm, lượng lipid không bị biến đổi là dung môi tốt hòa tan các chất thơm Khipha cà phê thì chỉ một lượng nhỏ lipid đi vào nước còn phần lớn lưu lại trên bã.

- Chất thơm

Trong cà phê hàm lượng chất thơm nhỏ, nó được hình thành và tích lũytrong hạt Mặt khác nó được hình thành trong quá trình chế biến, đặc biệt trong quátrình rang.Các chất thơm của cà phê dễ bị bay hơi biến đổi và dẫn đến hiện tượng càphê bị mất mùi thơm nên cần bảo quản trong bao bì kín và tiêu thụ nhanh

1.1.2.Tiêu chuẩn cà phê nhân

Để đánh giá chất lượng cà phê nhân người ta thường dựa vào các tiêu chísau:

- Độ ẩm < 13%

- Cỡ hạt đồng đều theo TCVN 4807:2001

- Hàm lượng tạp chất và tỉ lệ các loại cà phê khác nhau

- Tổng trị số lỗi trên 300g mẫu

- Các tính chất cảm quan về màu sắc và thể chất của hạt cà phê

Chỉ số Coli ( số Coli/1l nước ) <20

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn dùng nước trong công nghệ thực phẩm

1.2. Cơ sở lý thuyết quá trình trích ly

1.2.1.Khái niệm:

Trích ly là quá trình hòa tan chọn lọc một hay nhiều cấu tử có trong mẫunguyên liệu bằng cách cho nguyên liệu tiếp xúc với dung môi Động lực học củaquá trình trích ly là sự chênh lệch nồng độ của cấu tử ở trong nguyên liệu và ở trongdung môi Đây là một quá trình truyền khối

Trong quá trình triết ly, dung môi thường ở dạng pha lỏng, còn nguyênliệu có thể ở dạng pha rắn hoặc pha lỏng Nếu mẫu nguyên liệu ở dạng pha rắn, quátrình được gọi là trích ly rắn-lỏng (solid- liquid extraction) Còn nếu mẫu nguyênliệu ở dạng lỏng thì đây là quá trình trích ly lỏng-lỏng (liquid- liquid extraction).Trong công nghiệp thực phẩm, các nguyên liệu cần được trích ly thường tồn tại ởdạng pha rắn

Trích ly chất rắn là quá trình hòa tan chọn lựa một hay nhiều cấu tử trongchất rắn bằng cách cho chất rắn tiếp xúc với dung môi lỏng

1.2.2.Dung môi:

Chọn dung môi trong quá trình trích ly là một vấn đề hết sức quan trọng

để thực hiện quá trình trích ly Người ta thường chọn những tiêu chí sau đây để lựachọn dung môi:

- Dung môi có khả năng hòa tan chọn lọc, tức cấu tử cần thu nhận trong mẫu nguyênliệu có độ hòa tan cao trong dung môi Ngược lại, các cấu tử khác có trong mẫunguyên liệu cần trích ly thì không hòa tan được trong dung môi hoặc có độ tan kémhơn

- Dung môi phải trơ với các cấu tử có trong dịch trích

- Dung môi không gây hiện tượng ăn mòn thiết bị, khó cháy và không độc với người

sử dụng

- Dung môi có giá thành thấp, dễ tìm; các nhà sản xuất có thể thu hồi dung môi sauquá trình trích ly để tái sử dụng

1.2.3.Mục đích công nghệ và phạm vi thực hiện

- Khai thác: Các quá trình trích ly trong công nghiệp thực phẩm có mục đích chủ yếu

là khai thác do chiết rút các cấu tử cần thu nhận có trong nguyên liệu ban đầu, làmtăng nồng độ của chúng trong sản phẩm cuối cùng

- Hoàn thiện: quá trình trích ly có thể hoàn thiện một vài chỉ tiêu chất lượng của sảnphẩm, ví dụ như trích ly caffeine từ trà và cà phê trong công nghệ sản xuất trà và càphê nghèo caffeine

1.2.4.Các biến đổi nguyên liệu

- Hóa lý: là nhóm biến đổi quan trọng trong quá trình trích ly Đó là sự hòa tan củacác cấu tử từ nguyên liệu (pha rắn) và dung môi (pha lỏng) Cần chú ý, tùy theo tínhchọn lọc của dung môi mà thành phần và hàm lượng các cấu tử hòa tan thu đượctrong dịch trích sẽ thay đổi Thông thường ngoài những cấu tử cần thu nhận, dịchtrích còn chứa một số cấu tử hòa tan khác Ngoài ra trích ly còn có thể xảy ra nhữngbiến đổi về pha khác như sự bay hơi, sự kết tủa… Như trong sản xuất cà phê hòatan, quá trình trích ly có thể làm tổn thất một số cấu tử hương có trong nguyên liệu.Điều này ảnh hưởng không tốt đến mùi của bột cà phê hòa tan

- Vật lý: sự khuếch tán là biến đổi vật lý quan trọng trong quá trình trích ly Các phân

tử chất tan sẽ dịch chuyển từ tâm của nguyên liệu đến vùng bề mặt và dịch chuyển

từ vùng bề mặt nguyên liệu vào dung môi Các phân tử dung môi sẽ khuếch tán từvùng bên ngoài nguyên liệu vào bên trong cấu trúc các mao dẫn của nguyên liệu Sựkhuếch tán sẽ giúp cho quá trình chiết rút các cấu tử cần trích ly từ nguyên liệu vào

dung môi xảy ra nhanh và triệt để hơn Động lực học của khuếch tán là do chênhlệch nồng độ.

- Hóa học: trong quá trình trích ly, có thể xảy ra các phản ứng hóa học giữa các cấu tửtrong nguyên liệu Tốc độ của các phản ứng hóa học sẽ gia tăng khi chúng ta thựchiện quá trình trích ly ở nhiệt độ cao, ví dụ như trong trích ly triglyceride trong đậunành, nếu sử dụng nhiệt độ cao dễ làm cho chất béo bị oxy hóa Hiện tượng này làmcho dịch trích ly chứa nhiều tạp chất và gây khó khăn cho những quá trình tinh sạchtiếp theo

- Hóa sinh và sinh học: khi sử dụng dung môi là nước và trích ly ở nhiệt độphòng thì một số biến đổi hóa sinh và sinh học có thể xảy ra Các enzymetrong nguyên liệu sẽ xúc tác phản ứng chuyển hóa những cơ chất có nguồngốc nguyên liệu Hệ vi sinh vật trong nguyên liệu sẽ phát triển Tuy nhiên,khi chúng ta thực hiện quá trình ở nhiệt độ cao thì biến đổi hóa sinh và sinhhọc xảy ra không đáng kể

1.2.5.Các yếu tố ảnh hưởng

Hàm mục tiêu của quá trình trích ly là hiệu suất thu hồi cấu tử cần chiếttách Đó là tỷ lệ giữa hàm lượng cấu tử trong dung dịch trích ly so với hàm lượngcảu nó trong nguyên liệu đem trích ly Gía trị hiệu suất thu hồi cấu tử càng cao thìviệc thực hiện quá trình trích ly sẽ đạt hiệu quả kinh tế càng cao:

- Kích thước nguyên liệu: kích thước nguyên liệu càng nhỏ thì diện tích tiếp xúc bềmặt giữa nguyên liệu và dung môi sẽ càng lớn Do đó, việc trích ly các cấu tử từnguyên liệu vào dung môi sẽ trở nên dễ dàng hơn Tuy nhiên, nếu kích thước củanguyên liệu quá nhỏ thì chi phí cho quá trình nghiền xé nguyên liệu sẽ gia tăng.Ngoài ra, việc phân riêng pha lỏng và pha rắn khi kết thúc quá trình trích ly sẽ trởnên khó khăn hơn Bằng phương pháp thực nghiệm, các nhà sản xuất cần xác địnhkích thước phù hợp ứng với từng loại nguyên liệu đem trích ly

- Tỉ khối lượng giữa nguyên liệu và dung môi: với cùng một lượng nguyên liệu, nếu

ta tăng lượng dung môi sử dụng thì hiệu suất trích ly sẽ tăng theo Đó là chênh lệchnồng độ của cấu tử cần trích ly trong nguyên liệu và dung môi sẽ càng lớn Tuynhiên, nếu lượng dung môi sử dụng quá lớn thì sẽ làm loãng dịch trích Khi đó, cácnhà sản xuất phải thực hiện quá trình cô đặc hoặc xử lý dịch trích bằng phương

pháp khác để tách bớt dung môi Như vậy, chúng ta cần xác định tỷ lệ phù hợp giữakhối lượng nguyên liệu và dung môi Ví dụ như trong sản xuất thức uống thảo mộc,

tỷ lệ khối lượng giữa nguyên liệu và dung môi (nước) thường dao động trongkhoảng 1/6 – 1/10

- Nhiệt độ trích ly: khi tăng nhiệt độ, các cấu tử sẽ chuyển động nhanh hơn, do đó sựhòa tan và khuếch tán của cấu tử từ nguyên liệu vào dung môi sẽ được tăng cường.Ngoài ra, khi nhiệt độ tăng, độ nhớt của dung dịch sẽ giảm, dung môi dễ dàngxuyên qua lớp nguyên liệu và làm cho diện tích tiếp xúc bề mặt giữa nguyên liệu vàdung môi sẽ càng lớn Tuy nhiên, việc tăng nhiệt độ trích ly sẽ làm tăng chi phínăng lượng cho quá trình, đồng thời có thể xảy ra một số phản ứng hóa học khôngmong muốn trong dịch trích ly và sự tổn thất các cấu tử hương sẽ tăng Do đó cácnhà sản xuất sẽ chọn nhiệt độ trích ly tối ưu tùy theo trường hợp cụ thể, vd nhưtrong sản xuất trà hòa tan quá trình trích ly được thực hiện ở 70-900C

- Thời gian trích ly: khi tăng thời gian trích ly thì hiệu suất thu hồi chất chiết sẽ tăng.Tuy nhiên, nếu thời gian trích ly quá dài thì hiệu suất thu hồi chất chiết sẽ khôngtăng thêm đáng kể

- Tốc độ của dong dung môi chảy qua lớp nguyên liệu trong thiết bị trích ly: nếudòng dung môi được bơm với tốc độ cao vào thiết bị chứa nguyên liệu cần trích lythì sẽ làm giảm đi kích thước lớp biên bao bọc xung quanh nguyên liệu, đây là nơitập trung các cấu tử hòa tan Do đó, tốc độ trích ly các cấu tử từ nguyên liệu sẽ giatăng Tùy thuộc vào hình dạng thiết bị, kích thước của lớp nguyên liệu trong thiết bị

mà tốc độ dòng dung môi bơm vào thiết bị sẽ được lựa chọn sao cho thời gian trích

ly là ngắn nhất và hồi suất hồi chất chiết là cao nhất

- Áp suất: trong phương pháp trích ly bằng lưu chất siêu tới hạn, áp suất và nhiệt độ

là hai yếu tố ảnh hưởng quyết định đến hiệu suất thu hồi chất chiết Thông thường,khi tăng áp suất và nhiệt độ thì quá trình trích ly diễn ra càng nhanh và hiệu suấttrích ly sẽ tăng theo Tuy nhiên, việc tăng áp suất sẽ tăng chi phí vận hành và giáthành thiết bị cũng tăng cao Trong nghiên cứu trích ly carotenoids và chlorophyll từtảo Nannochloropsis gaditana bằng CO2 siêu tới hạn, các nhà khoa học đã thấy rằngkhi áp suất từ 10MPa thì hiệu suất trích ly tăng theo Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng ápsuất trích ly lên 50MPa thì hiệu suất trích ly bị giảm nhẹ

1.3. Các thiết bị trích ly rắn – lỏng

1.3.1.Quá trình không liên tục:

Qúa trình không ổn định bao gồm các quá trình trong đó chất rắn vàdung môi được cho tiếp xúc theo từng mẻ hoặc từng mẻ chất rắn được cho tiếp xúcvới dòng ding môi chảy liên tục

q Thùng trích ly (ngâm trích)Các hạt rắn có kích thước trung bình thường được trích ly bằng phươngpháp ngâm chiết trong thùng hở Các thùng nhỏ thường được làm bằng gỗ hoặc kimloại:

- Quy trình thực hiện

Qúa trình được thực hiện bằng cách cho đầy chất rắn vào thùng, sau đó cho vàothùng lượng dung môi đủ ngập chất rắn và toàn bộ khối chất rắn được ngâm trongdung môi trong một thời gian định trước Trong khoảng thời gian ngâm này dungmôi có thể được cho bơm tuần hoàn Sau đó chất lỏng được tháo ra ở đáy thùng đểđưa vào hệ thống chưng cất thu hồi dung môi và dung chất Toàn bộ quá trình đượcxem như một bậc Lặp lại quá trình này nhiều lần cuối cùng sẽ hào tan hết tất cảdung chất Một phương pháp thực hiện khác là cho chất lỏng chảy vào và liên tục,quá trình như vậy tương đương với quá trình nhiều bậc Trong trường hợp độ giảm

áp của chất lỏng quá lớn khi chảy qua lớp chất rắn thì ta sẽ dùng thùng kín để bơmchất lỏng qua tầng chất rắn Thùng kín cũng tránh được sự tổn thất dung môi do quátrình bay hơi của dung môi dễ bay hơi khi quá trình hoạt động ở nhiệt độ lớn hơnnhiệt độ sôi

- Ưu điểm

Phương pháp này rẻ tiền, cấu tạo của các thùng ngâm chiết thay đổi theo bảnchất của chất rắn và chất lỏng cũng như năng suất của quá trình

- Ứng dụng

Thiết bị trích ly một bậc hiện đang được sử dụng trong sản xuất thức uống thảo

mộc, trà hòa tan, cà phê hòa tan và dầu béo ở quy mô nhỏ

1.3.2.Trích ly nhiều bậc:

- Nguyên lí hoạt động

Hệ thống gồm có tất cả 14 thiết bị và được ký hiệu từ 1 tới 14 Dung môi

sẽ chuyển động ngược chiều kim đồng hồ, còn các thiết bị trích ly sẽ chuyển độngcùng chiều kim đồng hồ Dung môi mới nạp vào hệ thống tại thiết bị số 13, còn dịchtrích ly được tháo ra khỏi hệ thống từ thiết bị số 9, các số thiết bị 10,11,12 đặc trưngcho các công đoạn tháo bã ra khỏi thiết bị, vệ sinh thiết bị và nạp nguyên liệu vàothiết bị

Hình 1.1 Thiết bị trích ly một bậc

- Ứng dụngHệ thống trích ly nhiều bậc được sử dụng rộng rãi ở quy mô công nghiệp

để sản xuất cà phê hòa tan, trà hòa tan và đường saccharose ở củ cải đường Mỗithiết bị trên có thể chứa 10 tấn nguyên liệu

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lí hệ thống trích ly nhiều bậc ngược dòng

1.3.3.Quá trình liên tục (ổn định)

Ngoài ra còn có một số loại thiết bị trích ly nhiều bậc hoạt động liên tục

để trích ly dầu thực vật từ các hạt chứa dầu

bằng một số loại dung môi hữu cơ( chẳng

hạn hexan) Dung dịch dung môi – dầu

thường còn lẫn một lượng nhỏ các hạt rất

mịn, lơ lửng gọi là micella

q Thiết bị trích ly Rotocel:

- Cấu tạo: Thiết bị trích ly Rotocel gồm

thùng tròn có 18 ngăn chứa các hạt rắn quay

chậm trên một thùng cố định

- Nguyên lý hoạt động: Khi thùng quay chứa

các hạt rắn quay chậm trên một thùng cố

định Khi thùng quay chất rắn sẽ được nạp

vào các ngăn và dung môi được tới lên mỗi

ngăn định kỳ để thực hiện quá trình trích ly

Khi quay gần hết một vòng, chất rắn sẽ tháo

qua một ngăn cố định bên dưới và được

chuyển ra ngoài Dung môi ngấm qua chất

rắn vào ngăn cố định bên dưới và được bơm

trở lại vào ngăn chứa chất rắn kế tiếp Qúa

trình trích ly là nghịch dòng và dung dịch

đậm đặc nhất được lấy ra tù ngăn chứa chất

rắn mới Toàn bộ thiết bị được bọc kín trách

Hình 1.3 Trích ly liên tục

Hình 1.4 Thiết bị trích ly Rotocel

- Ứng dụng: Thiết bị trích ly Kenedy thường được dùng trích ly tanin từ vỏ cây đước,dầu béo thực vật và các quá chất khác.

q Thiết bị trích ly BollmanNguyên lý hoạt động: chất rắnđược đặt trong các giỏ có đục lỗ và được

gắn vào hệ thống vận chuyển, có chuyển

động đi xuống ở bên phải hình và đi lên ở

bên trái hình Khi đi xuống, chất rắn được

trích ly cùng dòng bằng dung môi có chứa

một phần dung chất được bơm từ đáy bên

trái thiết bị lên đỉnh Chất lỏng chảy qua

các giỏ xuống đến đáy bên phải là dung

dịch đậm đặc và được lấy ra ngoài Khi đi

lên chất rắn được trích ly bằng dung môi

mới để cho dung dịch có một phần dung chất

Hình 1.5 Thiết bị trích ly Kenedy

Hình 1.6 Thiết bị trích ly Bollman

được đưa qua bình phân riêng (2) Bằng cách thay đổi áp suất, người ta tách được

co2 và chất chiết Khi đó, co2 được đưa vào bình (3) và được làm lạnh để tái sử dụngcho mẻ sản xuất tiếp theo, còn chất chiết sẽ được tháo ra khỏi bình (2) theo cửa đáy.Song song đó, người ta sẽ tháo bã nguyên liệu và vệ sinh bình trích ly (1) trước khithực hiện mẽ kế tiếp

- Ứng dụng: dùng để trích ly béo từ đậu nành, cà phê hòa tan, trà hòa tan, sản xuấtđường từ củ cải đường

Hình 1.7 Thiết bị trích ly CO 2 tới hạn

PHẦN HAI: TÍNH TOÁN VÀ BỐ TRÍ THIẾT BỊ

2.1 Sơ đồ nguyên lí làm việc

2.2 Cân bằng vật chất

2.2.1 Các thông số ban đầu

- Chọn thiết bị là: Tháp mâm xuyên lỗ, hoạt động liên tục

- Khi chưng cất hỗn hợp Ethanol – nước, thì cấu tử dễ bay hơi là Ethanol

- Khối lượng phân tử Ethanol: MR = 46 (g/mol), Nước: MN = 18 (g/mol)

- Năng suất nhập liệu: GF = 1000 (Kg/h)

- Nồng độ phần khối lượng nhập liệu: = 18% phần khối lượng

- Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đỉnh: = 90% phần khối lượng

- Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đáy: = 2% phần khối lượng

Chọn các thông số:

- Nhiệt độ nhập liệu: tF = 280C

- Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tD = 320C

- Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: tW = 600C

- Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi

- Gh: suất lượng khối lượng hỗn hợp hơi ra khỏi đỉnh thiết bị, đơn vị: (Kg/h)

2.2.2 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

Nồng độ phần mol của các dòng: nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy Áp dụng công thức (IX.20), trang 144, tài liệu tham khảo [2]:

F là lượng nhập liệu ban đầu (phần mol)

= = = 49.4687 (Kmol/h).

Suất lượng mol của các dòng:

Gọi:

D là lượng sản phẩm đỉnh (phần mol)

W là lượng sản phẩm đáy (phần mol)

Áp dụng cân bằng vật chất theo suất lượng khối lượng, và nồng độ phần khốilượng

Ta có hệ phương trình: Sau khi thay các giá trị có sẵn:

Hình 2.1 Đồ thị biểu diễn cân bằng lỏng - hơi của hỗn hợp Ethanol - Nước

Từ số liệu từ bảng cân bằng lỏng-hơi cho hỗn hợp Ethanol-nước ở 1 atm:

2.2.3 Xác định tỷ số hoàn lưu thích hợp

2.2.3.1 Tỷ số hoàn lưu tối thiểu

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lýthuyết là vô cực Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiênliệu, nước và bơm ) là tối thiểu

Với = 0.0791 tra đồ thị T-x, y ta được = 0.3960

Áp dụng công thức (IX.24), trang 158, tài liệu tham khảo [2]:

Rmin = = = 1.2080

2.2.3.2 Tỷ số hoàn lưu làm việc

Áp dụng công thức (IX.25A), trang 158, tài liệu tham khảo [2]:

R= 1.3* Rmin + 0.3= 1.8703

2.2.4 Phương trình đường làm việc – số mâm lý thuyết

2.2.4.1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất

Áp dụng công thức (IX.20), trang 144, tài liệu tham khảo [2]:

y = *x+ = *x + = 0.6516x + 0.27132.2.4.2 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng

Áp dụng công thức (IX.22), trang 158, tài liệu tham khảo [2]:

Bước 2: Vẽ đường nhập liệu có phương trính x = x F = 0.0791

Bước 3: Vẽ đường làm việc phần cất có phương trình y = 0.6516x +

0.2713 đi qua 2 điểm F (0.0791; 0.3228), D (0.7788; 0.7788).

Bước 4: Vẽ đường làm viêc phần chưng y = 4.4238x – 0.0270 đi qua 2điểm W (0.0079; 0.0079) và giao điểm F của đường nhập liệu và đường làm việcphần luyện

Bước 5: Vẽ các đường bậc thang giới hạn bởi 2 đường làm việc và

đường cân bằng, đếm số bậc thang là số mâm lý thuyết của tháp chưng cất

Hình 2.2 Đồ thị biểu diễn các đường làm việc và số mâm lý thuyết.

Từ đồ thị trên, ta kết luận:

- Có 3 mâm chưng

- Có 7 mâm cất

- Có 1 mâm nhập liệu

Vậy số mâm lý thuyết, Nlt = 11

2.2.5 Xác định số mâm thực tế - Biểu đồ chưng cất

• Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:

Áp dụng công thức (IX.59), trang 170, tài liệu tham khảo [2]:

• Xác định hiệu suất trung bình của tháp :

Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi:

Áp dụng công thức (IX.61), trang 171, tài liệu tham khảo [2]:

α = *

Với: x: phần mol của rượu trong pha loãng.

y*: phần mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng

• Tại vị trí nhập liệu:

xF = 0.0791 ta tra đồ thị cân bằng của hệ T-x,y ta được :

αF = * = * =7.6329

Từ = 18% và tF = 88.1720CTra tài liệu tham khảo [1] ta được: µ = 0.4016 (Cp)

Suy ra: µF*αF = 7.6329*0.4016 = 3.0653

Tra tài liệu tham khảo [2] ta được: ηF = 0.38

• Tại vị trí mâm đáy:

Xw = 0.0079 ta lại tra đồ thị cân bằng của hệ:

Từ =90%, và tD = 78.6887oC, tra tài liệu tham khảo [1]: µ = 0.5428 (Cp)

= 1.1621 * 0.5428 = 0.6358, tra tài liệu tham khảo [2]: ηD = 0.5556

Áp dụng công thức (IX.60), trang 171, tài liệu tham khảo [2]:

Vtb: Lượng hơi nước trung bình đi trong tháp (m3/h)

ωtb: Tốc độ bay hơi trung bình đi trong tháp (m/s)

gtb: Lượng nước hơi trung bình đi trong tháp (kg/h)

 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau, do

đó đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau

2.3.2 Đường kính đoạn cất

Áp dụng công thức (IX.91), trang 181, tài liệu tham khảo [2]:

gtb = (Kg/h)

gd: Lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h)

g1: Lượng hơi đi vào trong đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h)

• Xác định gd: gd = GD*(R+1) = 181.8715*(1.8703+1) = 522.0258 (Kg/h)

• Xác định g1= Từ hệ phương trình

Với:

- G1: Lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất

- r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất đoạn cất

- rd: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra ở đỉnh tháp

- ra: ẩn nhiệt hóa hơi của rượu etylic

- rb: ẩn nhiệt hóa hơi của nước

• Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là:

gtb= = 2.3.2.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp

• Tốc độ giới hạn của hơi đi trong đáy tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy truyền

Áp dụng công thức (IX.105), trang 184, tài liệu tham khảo [2]:

ωgh= 0.05*

Với: : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3)

: Khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3)

• Xác định

Áp dụng công thức (IX.102), trang 183, tài liệu tham khảo [2]:

- Nồng độ phần molt rung bình:

= (với )

- Nhiệt độ trung bình đoạn cất:

• Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp

• Vậy đường kính đoạn cất

2.3.3 Đường kính đoạn chưng

2.3.3.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp

Áp dụng công thức (IX.97), trang 182, tài liệu tham khảo [2]:

- : Lượng hơi ra khỏi đoạn chưng

- : Lượng hơi đi vào đoạn chưng

• Xác định : ==

• Xác định = Từ hệ phương trình (Tra tài liệu tham khảo [2]):

- : Lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng

- : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạnchưng

- : thành phần cấu tử dễ bay hơi (ethanol) trong pha hơi cân bằng vớipha lỏng trong sản phẩm đáy:

• Tính : xW = 0.0079 (pmol), tra trên đồ thị hệ cân bằng ta có yW = 0.0524 (pmol)

• Đổi yW = 0.0524 (pmol) ra phần khối lượng:

Theo đồ thị đường cong sôi ta có sản phẩm đáy có nhiệt độ 98.49oC, theocác số liệu ,, , , đã có ở phần tính toán đoạn cất ta có:

210 – 15.396 = 195.604

579 – 38.49 = 540.51

195.604*0.1238 + (1-0.1238) * 540.51 = 497.8160 Thay , vào phương trình ta được:

Dùng thay vào (1) ta được:

Dùng thay vào (2) ta được:

(pkl)

Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là:

2.3.3.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong thápTốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảychuyền:

công thức (IX.111), trang 186, tài liệu tham khảo [2]:

Với:

- :khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3)

- : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3)

• Xác định :

công thức (IX.102), trang 183, tài liệu tham khảo [2]:

Trong đó:

• : nồng độ phần mol trung bình:

Công thức trang 67, tài liệu tham khảo [Bài tập truyền khối]:

• Nhiệt độ trung bình đoạn chưng:

công thức trang 50, tài liệu tham khảo [BT truyền khối.]:

• Thay các thông số vào công thức ta được:

• Ngoài ra, để tránh tạo bọt, ta chọn tốc độ hơi trung bình trong tháp:

• Đường kính đoạn chưng:

 Đường kính đoạn chưng và đoạn cất chênh lệch nhau không nhiều (5cm) nên cùngchọn đường kính cho cả hai phần là Dt = 0.35 (m) để tiện việc thiết kế máy

• Tốc độ làm việc thực trong tháp:

- Tổng diện tích lỗ bằng 9% diện tích mâm.

- Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2.5 lần đường kính lỗ (bố trí lỗ theo dạng tamgiác đều, hoặc lục giác đều)

- Tỷ lệ đường kính lỗ và bề dày mâm: 3/5

- Diện tích dành cho ống chảy truyền là 20% diện tích mâm

• Số lỗ trên một mâm:

2.3.4.2 Độ giảm áp của pha khí đi qua một mâm

Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm chất lỏng) là tổng các

độ giảm áp của pha khí qua mâm khô và các độ giảm áp do pha lỏng

htl = hk + hl + hR (mm chất lỏng)Với:

- hk: độ giảm áp qua mâm khô (mm chất lỏng)

- hl: độ giảm áp do chiều cao lớp chất lỏng trên mâm (mm chất lỏng)

- hl: độ giảm áp do sức căng bề mặt (mm chất lỏng)

Trong tháp mâm xuyên lỗ, Gadient chiều cao mực chất lỏng trên mâm làkhông đáng kể nên có thể bỏ qua

q Độ giảm áp qua mâm khô:

• Độ giảm áp của pha khì qua mâm khô đưuọc tính dựa trên cơ sở tổn thất áp suất dodòng chảy đột thu, đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qua lỗ

Với:

- : vận tốc pha hơi qua lỗ

- : khối lượng riêng của pha hơi

- : khối lượng riêng của pha lỏng

- : hệ số orifice, phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tích mâm và tỷ số giữa

bề dày mâm với đường kính lỗ

• và tra tài liệu tham khảo [1], trang 111 :

Ta có:

q Đối với mâm phần cất:

• Vận tốc pha hơi qua lỗ:

- Khối lượng riêng của pha hơi:

- Khối lượng riêng của pha lỏng:

• Độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất:

q Đối với mâm ở phần cất

• Vận tốc hơi qua lỗ:

- Khối lượng riêng của pha hơi:

- Khối lượng riêng của pha lỏng:

• Độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất:

q Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm:

Phương pháp đơn giản để ước tình độ giảm áp của pha hơi qua mâm dolớp chất lỏng trên mâm hl là từ chiều cao gờ chảy tràn hw, chiều cao tính toán củalớp chất lỏng trên gờ chảy tràn how và hệ số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm β

Chọn:

- Hệ số hiệu chỉnh: β = 0.6

- Chiều cao gờ chảy tràn: hw = 50 (mm)

• Chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương trìnhFrancis với gờ chảy tràn phẳng:

công thức (IX.110A), trang 185, tài liệu tham khảo [2]:

Với:

- : lưu lượng của chất lỏng

- : chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m)

Tra tài liệu tham khảo [1], ta có :

- Khối lượng riêng của pha lỏng

Sức căng bề mặt của nước

- Sức căng bề mặt của ethanol

• Sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần cât:

 Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là:

q Phần chưng

Tra tài liệu tham khảo [1], ta có:

- Khối lượng riêng của pha lỏng

- ,

- Sức căng bề mặt của nước

- Sức căng bề mặt của ethanol

• Sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần chưng:

 Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là:

Vậy, tổng trở lực hay tổng độ giảm áp của pha khí qua một mâm là:

q Phần cất:

Hay

q Phần chưng:

Hay

 Suy ra: Tổng trở lực của toàn tháp hay độ giảm áp tổng cộng của toàn tháp là (xem

độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua mâm nhập liệu bằng độ giảm áp tổng cộngcủa pha khí qua một mâm ở phần chưng):

2.3.4.3 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt độngChọn khoản cách giữa hai mâm là: 250 (mm) Bỏ qua sự tạo bọt trongống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền được tính theocông thức:

Trong đó:

- : tổn thất thuỷ lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm, được xác địnhtheo biểu thức sau:

Với:

- : lưu lượng của chất lỏng,

- : tiết diện giữa ống chảy truyền và mâm:

q Phần cất

Vậy chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy truyền của mâm xuyên lỗ ởphần cất:

Kiểm tra: Đảm bảo khi hoạt động các mâm sẽ không bị ngập lụt

q Phần chưng:

Vậy chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy truyền của mâm xuyên lỗ ởphần chưng:

Kiểm tra: Đảm bảo khi hoạt động các mâm sẽ không bị ngập lụt

 Kết luận: khi hoạt động tháp sẽ không bị hiện tượng ngập lụt

• Chiều cao thân tháp:

Chiều cao thân tháp:

Trong đó: : chiều dày của mâm