(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96o từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm năm

Nhờ có nhiều ưu điểm và tính ứng dụng rộng rãi nên đồ án “Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 o từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm” được tiến hành... Cồn có thể sản xuất từ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA HÓA

NĂNG SUẤT 12,5 TRIỆU LÍT SẢN PHẨM/NĂM

Họ tên sinh viên: Nguyễn Thị Phương Thảo Số thẻ sinh viên: 107140097

Đà Nẵng – Năm 2019

TÓM TẮT

Ngày nay, cồn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như nhiên liệu, y

tế, mỹ phẩm, dung môi hữu cơ,… Đặc biệt, cồn được sử dụng như một nhiên liệu sinh học Việc sử dụng mật rỉ đường phù hợp với các điều kiện: chứa nhiều gluxit, giá rẻ, sản lượng nhiều, sử dụng tiện lợi, nguồn cung cấp phổ biến Vì vậy việc sử dụng rỉ đường để sản xuất cồn là tối ưu, một mặt sử dụng triệt để phế liệu, mặt khác hạn chế việc sử dụng các loại lương thực chứa tinh bột như: sắn, ngô, khoai để sản

xuất cồn Nhờ có nhiều ưu điểm và tính ứng dụng rộng rãi nên đồ án “Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 o từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm” được tiến

hành

Đồ án “Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 o từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm” bao gồm 1 bản thuyết minh và 5 bản vẽ A0

- Bản thuyết minh bao gồm 9 chương:

+ Chương 1: Lập luận kinh tế kỹ thuật

+ Chương 8: An toàn lao động và vệ sinh nhà máy

+ Chương 9: Kiểm tra sản xuất

- 5 bản vẽ A0 bao gồm:

+ Bản vẽ số 1: Sơ đồ quy trình công nghệ

+ Bản vẽ số 2: Mặt bằng phân xưởng sản xuất chính

+ Bản vẽ số 3: Mặt cắt phân xưởng sản xuất chính

+ Bản vẽ số 4: Bản vẽ sơ đồ đường ống hơi-nước phân xưởng sản xuất chính + Bản vẽ số 5: Tổng mặt bằng nhà máy

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA HÓA

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: Nguyễn Thị Phương Thảo Số thẻ sinh viên: 107140097

1 Tên đề tài đồ án:

Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 960 từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm

2 Đề tài thuộc diện: ☐Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

Nguyên liệu: 100% rỉ đường

Năng suất: 12,5 triệu lít sản phẩm/năm

CHƯƠNG 8: AN TOÀN LAO ĐỘNG VÀ VỆ SINH NHÀ MÁY

CHƯƠNG 9: KIỂM TRA SẢN XUẤT

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

5.Các bản vẽ, đồ thị

BẢN VẼ SỐ 1: SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ (A0)

BẢN VẼ SỐ 2: MẶT BẰNG PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT CHÍNH (A0)

BẢN VẼ SỐ 3: MẶT CẮT PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT CHÍNH (A0)

BẢN VẼ SỐ 4: BẢN VẼ SƠ ĐỒ ĐƯỜNG ỐNG HƠI-NƯỚC PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT CHÍNH (A0)

BẢN VẼ SỐ 5: TỔNG MẶT BẰNG NHÀ MÁY (A0)

6 Họ tên người hướng dẫn: ThS Bùi Viết Cường

7 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 23/01/2019

8 Ngày hoàn thành đồ án: 24/05/2019

Đà Nẵng, ngày 20 tháng 05 năm 2019

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, bạn bè Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Bùi Viết Cường, thầy là người đã tận tình hướng dẫn cho tôi những kiến thức cũng như kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa Hóa, đặc biệt là quý thầy cô trong

bộ môn Công nghệ thực phẩm đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập tại trường Cuối cùng, tôi xin kính chúc quý thầy cô dồi dào sức khỏe

và thành công trong sự nghiệp

CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đồ án này là do tôi tiến hành thực hiện, các số liệu, kết quả trong bài đồ án này là trung thực Tài liệu tham khảo trong đồ án được trích dẫn đầy đủ và đúng quy định Mọi vi phạm quy chế nhà trường, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về đồ án của mình

Đà Nẵng, ngày 20 tháng 5 năm 2019

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Phương Thảo

MỤC LỤC

Tóm tắt

Nhiệm vụ đồ án

Lời nói đầu và cảm ơn i

Cam đoan ii

Mục lục iii

Danh sách các hình vẽ ix

Danh sách bảng xi

Danh sách các ký hiệu, chữ viết tắt xii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: LẬP LUẬN KINH TẾ KỸ THUẬT 3

1.1 Vị trí địa lý và đặc điểm thiên nhiên 3

1.2 Nguồn nguyên liệu 3

1.3 Hợp tác hóa 3

1.4 Nguồn cung cấp điện, nước 3

1.5 Nguồn cung cấp hơi 4

1.6 Nhiên liệu 4

1.7 Thoát nước 4

1.8 Giao thông vận tải 4

1.9 Nguồn nhân lực 4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 6

2.1 Nguyên liệu 6

2.1.1 Rỉ đường 6

2.1.2 Nước 8

2.1.3.Nấm men 8

2.1.4.Chất hỗ trợ kĩ thuật 9

2.2 Một số quá trình chính trong sản xuất cồn 9

2.2.1.Chuẩn bị dịch đường lên men 9

2.2.2.Quá trình lên men dịch rỉ đường 10

2.2.3.Quá trình chưng cất và tinh chế 14

2.2.4.Quá trình tách nước để thu cồn 96° 18

2.2.5.Các phương pháp sản xuất cồn 20

2.3.Tổng quan về cồn 20

2.3.1.Tính chất vật lý 20

2.3.2.Tính chất hóa học 21

2.3.3.Tính sinh lý 21

2.3.4.Ứng dụng 21

2.4.Tình hình sản xuất cồn trên thế giới và ở Việt Nam 21

CHƯƠNG 3:CHỌN VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 23

3.1.Sơ đồ dây chuyền công nghệ 23

3.2.Thuyết minh dây chuyền công nghệ 24

3.2.1.Pha loãng sơ bộ 24

3.2.2.Axit hóa 24

3.2.3.Gia nhiệt và lắng 24

3.2.4.Làm nguội 25

3.2.5.Pha loãng đến nồng độ yêu cầu 25

3.2.6.Lên men 26

3.2.7.Chưng cất và tinh chế 28

3.2.8.Gia nhiệt 29

3.2.9.Tách nước 30

3.2.10.Làm nguội và bảo quản 31

CHƯƠNG 4:TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT 32

4.1.Kế hoạch sản xuất 32

4.2.Tính cân bằng vật chất 32

4.2.1.Các thông số ban đầu 32

4.2.2.Lượng chất thêm vào 32

4.2.3.Hiệu suất quá trình 33

4.2.4.Tính toán cân bằng vật chất 33

CHƯƠNG 5:TÍNH VÀ CHỌN THIẾT BỊ 45

5.1.Tank chứa rỉ đường 45

5.2.Cân lưu lượng 46

5.3.Thùng pha loãng sơ bộ và xử lý dịch rỉ 46

5.4.Thiết bị làm nguội ống lồng ống sau pha loãng và xử lý sơ bộ 48

5.5.Thùng pha loãng đến nồng độ yêu cầu 49

5.5.1.Thùng pha loãng đến nồng độ nhân giống 49

5.5.2.Thùng pha loãng đến nồng độ lên men 51

5.6.Thiết bị lên men 52

5.6.1.Thể tích thùng lên men 52

5.6.2.Quan hệ các kích thước cơ bản của thùng lên men 52

5.6.3.Thùng nhân giống cấp I 53

5.6.4.Thùng nhân giống cấp 2 53

5.6.5.Thùng lên men 53

5.7.Thiết bị tách CO2 54

5.8.Thùng chứa giấm chín 55

5.9.Tính tháp thô 56

5.9.1.Xác định số đĩa lý thuyết 56

5.9.2.Tính đường kính tháp thô 56

5.9.3.Tính chiều cao tháp thô 56

5.10.Tính tháp tinh 56

5.10.1.Xác định số đĩa lý thuyết 56

5.10.2.Tính đường kính tháp tinh 56

5.10.3.Tính chiều cao tháp tinh 57

5.11.Các thiết bị phụ trợ cho tháp thô 57

5.11.1.Thiết bị hâm giấm 57

5.11.2.Thiết bị tách bọt 58

5.11.3.Bình chống phụt giấm 59

5.11.4.Thiết bị ngưng tụ cồn thô 59

5.11.5.Thiết bị làm nguội cồn thô 60

5.12.Các thiết bị phụ trợ cho tháp tinh 61

5.12.1.Thiết bị hồi lưu ở tháp tinh 61

5.12.2.Thiết bị làm nguội cồn đầu 62

5.13.Thiết bị gia nhiệt 63

5.14.Tháp hấp phụ 64

5.15.Thiết bị làm nguội cồn sản phẩm 65

5.16.Các thùng chứa 66

5.16.1.Thùng chứa cồn thành phẩm 66

5.16.2.Thùng chứa cồn nhạt 67

5.16.3.Thùng chứa cồn đầu 67

5.16.4.Thùng chứa dầu fusel 68

5.16.5.Thùng chứa axit H2SO4 68

5.16.6.Thùng chứa chất dinh dưỡng 69

5.16.7.Thùng chứa chất sát trùng 70

5.17.Thiết bị vận chuyển 70

5.17.1.Bơm mật rỉ để cân và pha loãng sơ bộ 70

5.17.2.Bơm mật rỉ sau pha loãng sơ bộ đi làm nguội 71

5.17.3.Bơm mật rỉ đi pha loãng đến nồng độ nhân giống 71

5.17.4.Bơm mật rỉ đi pha loãng đến nồng độ lên men 71

5.17.5.Bơm mật rỉ qua thùng nhân giống cấp I 71

5.17.6.Bơm mật rỉ từ thiết bị nhân giống cấp II qua thiết bị lên men 72

5.17.7.Bơm mật rỉ từ thùng pha loãng đến nồng độ lên men đến thiết bị lên men 72 5.17.8.Bơm giấm chín sau khi lên men qua thùng chứa giấm chín 72

5.17.9.Bơm giấm chín từ thùng chứa giấm chín đi chưng cất 72

5.17.10.Bơm cồn sản phẩm đi làm nguội 73

CHƯƠNG 6:TÍNH – NHIỆT – NƯỚC 75

6.1.Tính hơi 75

6.1.1.Tính hơi cho pha loãng và xử lý sơ bộ rỉ đường 75

6.1.2.Tính hơi cho quá trình chưng cất – tinh chế 76

6.1.3.Tính hơi cho quá trình hấp phụ 76

6.1.4.Tính và chọn lò hơi 77

6.1.5.Tính nhiên liệu 77

6.2.Tính nước cho phân xưởng sản xuất 77

6.2.1.Nước dùng cho pha loãng sơ bộ 77

6.2.2.Nước dùng cho thiết bị ống lồng ống 78

6.2.3.Nước dùng cho pha loãng đến nồng độ nhân giống 78

6.2.4.Nước dùng cho pha loãng đến nồng độ lên men 78

6.2.5.Nước dùng cho phân xưởng lên men 78

6.2.6.Lượng nước cần dùng cho phân xưởng chưng cất – tinh chế 78

6.2.7.Lượng nước cần dùng để làm nguội cồn thành phẩm 80

6.2.8.Nước cho lò hơi 80

6.2.9.Nước vệ sinh thiết bị 81

CHƯƠNG 7:TỔ CHỨC VÀ TÍNH XÂY DỰNG 82

7.1.Tổ chức của nhà máy 82

7.1.1.Sơ đồ hệ thống tổ chức nhà máy 82

7.1.2.Tổ chức lao động 82

7.2.Tính các công trình xây dựng 84

7.2.1.Khu sản xuất chính 84

7.2.2.Phân xưởng cơ điện 84

7.2.3.Kho nguyên liệu 84

7.2.4.Kho thành phẩm 84

7.2.5.Phân xưởng lò hơi 85

7.2.6.Nhà hành chính 85

7.2.7.Trạm xử lý nước 85

7.2.8.Phòng vệ sinh, phòng tắm 85

7.2.9.Nhà ăn, căn tin 86

7.2.10.Nhà chứa máy phát điện dự phòng 86

7.2.11.Trạm biến áp 86

7.2.12.Trạm bơm 86

7.2.13.Gara ôtô 86

7.2.14.Nhà để xe 86

7.2.15.Phòng thường trực và bảo vệ 86

7.2.16.Khu xử lý bã và nước thải 86

7.2.17.Kho nhiên liệu 86

7.2.18.Trạm máy nén và thu hồi CO2 87

7.3.Tính tổng mặt bằng cần xây dựng nhà máy 87

7.3.1.Khu đất mở rộng 87

7.3.2.Diện tích khu đất xây dựng nhà máy 88

7.3.3.Tính hệ số sử dụng 88

CHƯƠNG 8:AN TOÀN LAO ĐỘNG VÀ VỆ SINH NHÀ MÁY 89

8.1.An toàn lao động 89

8.1.1.Những nguyên nhân gây ra tai nạn lao động và các biện pháp hạn chế 89

8.1.2.Những yêu cầu cụ thể về an toàn lao động 90

8.2.Vệ sinh nhà máy 91

8.2.1.Vệ sinh cá nhân của công nhân 91

8.2.2.Vệ sinh máy móc thiết bị 91

8.2.3.Vệ sinh xí nghiệp 91

8.2.4.Xử lý phế liệu trong nhà máy 91

8.2.5.Xử lý nước thải 91

8.2.6.Xử lý nước dùng trong sản xuất 92

CHƯƠNG 9:KIỂM TRA SẢN XUẤT 93

9.1.Kiểm tra nguyên liệu 93

9.2.Kiểm tra dịch giấm chín sau lên men 93

9.2.1.Độ rượu trong giấm 93

9.2.2.Xác định hàm lượng đường sót trong giấm chín 93

9.2.3.Xác định nồng độ chất hòa tan của dịch đường trong giấm chín 93

9.3.Kiểm tra chất lượng cồn sản phẩm 94

9.3.1.Nồng độ cồn 94

9.3.2.Hàm lượng axit và este trong cồn 94

9.3.3.Xác định hàm lượng acol cao phân tử 94

9.3.4.Xác định lượng ancol metylic 94

9.3.5.Xác định hàm lượng furfurol 94

9.3.6.Xác định thời gian oxy hóa 94

KẾT LUẬN 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97 PHỤ LỤC

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 2-1 Phương pháp lên men hai nồng độ 10

Hình 2-2 Đường cong lên men 12

Hình 2-3 Sơ đồ lên men bán liên tục 13

Hình 2-4 Sơ đồ lên men liên tục 13

Hình 2-5 Đường cong cân bằng của hỗn hợp rượu nước 14

Hình 2-6 Tháp chưng cất gián đoạn 15

Hình 2-7 Sơ đồ chưng luyện bán liên tục 16

Hình 2-8 Hệ thống hai tháp gián tiếp 1 dòng 17

Hình 2-9 Hệ thống chưng cất, tinh chế ba tháp làm việc gián tiếp 18

Hình 3-1 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất cồn 96° từ rỉ đường 24

Hình 3-2 Cấu tạo thiết bị pha loãng và xử lý mật rỉ 25

Hình 3-3 Thiết bị làm nguội ống lồng ống 25

Hình 3-4 Thiết bị pha loãng liên tục 26

Hình 3-5 Sơ đồ nhân giống nấm men và lên men liên tục 27

Hình 3-6 Hệ thống hai tháp gián tiếp 1 dòng 29

Hình 3-7 Thiết bị gia nhiệt 30

Hình 3-8 Sơ đồ hấp phụ-giải hấp phụ 31

Hình 3-9 Thiết bị làm nguội ống lồng ống 31

Hình 5-1 Tank chứa rỉ đường 45

Hình 5-2 Cân lưu lượng 46

Hình 5-3 Thùng pha loãng sơ bộ và xử lý mật rỉ 47

Hình 5-4 Thiết bị làm nguội ống lồng ống 48

Hình 5-5 Thùng pha loãng liên tục 50

Hình 5-6 Thùng pha loãng liên tục 51

Hình 5-7 Thiết bị nhân giống cấp I, II 53

Hình 5-8 Thiết bị lên men 53

Hình 5-9 Thiết bị tách CO2 54

Hình 5-10 Thùng chứa giấm chín 55

Hình 5-11 Tháp thô 56

Hình 5-12 Thiết bị hâm giấm 57

Hình 5-13 Thiết bị tách bọt 59

Hình 5-14 Thiết bị ngưng tụ cồn thô 59

Hình 5-15 Thiết bị ống xoắn ruột gà 60

Hình 5-16 Thiết bị hồi lưu ở tháp tinh 61

Hình 5-17 Thiết bị ngưng tụ và làm nguội cồn đầu 62

Hình 5-18 Thiết bị gia nhiệt 63

Hình 5-19 Thùng chứa cồn sản phẩm 66

Hình 5-20 Thùng chứa cồn nhạt 67

Hình 5-21 Thùng chứa cồn đầu 67

Hình 5-22 Thùng chứa dầu fusel 68

Hình 5-23 Thùng chứa H2SO4 69

Hình 5-24 Thùng chứa chất dinh dưỡng 69

Hình 5-25 Thùng chứa chất sát trùng 70

Hình 7-1 Sơ đồ hệ thống tổ chức nhà máy 82

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2-1 Thành phần hóa học của rỉ đường 6

Bảng 4-1 Biểu đồ nhập liệu 32

Bảng 4-2 Biểu đồ sản xuất của nhà máy 32

Bảng 4-3 Bảng hao hụt và tổn thất qua các công đoạn 33

Bảng 4-4 Khối lượng riêng của rượu thay đổi theo nhiệt độ 42

Bảng 4-5 Bảng tổng kết cân bằng vật chất 44

Bảng 5-1 Bảng tổng kết thiết bị 73

Bảng 6-1 Bảng tổng kết tính hơi trong một ca 76

Bảng 7-1 Nhân lực lao động cho sản xuất trong nhà máy 83

Bảng 7-2 Tổng kết các công trình 87

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

KÝ HIỆU:

H: Chiều cao

Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 ° từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm

MỞ ĐẦU

Ngày nay, ngành công nghiệp sản xuất đường đang ngày càng phát triển và mở rộng nhanh chóng vì tầm quan trọng của nó Đường là chất dinh dưỡng cung cấp năng lượng, là nguyên liệu của nhiều sản phẩm thực phẩm và các ngành công nghiệp khác như bánh kẹo, nước giải khát, đồ hộp, sữa,… So với ngành đường thế giới, Việt Nam hiện nay đứng thứ 14 về diện tích trồng mía và sản lượng đường Bên cạnh đó, mức tiêu hao mía trong quá trình sản xuất đường của nước ta cũng còn rất cao Vì vậy lượng rỉ đường được tạo ra trong quá trình sản xuất đường là rất lớn Với nguồn nguyên liệu dồi dào cùng với ngành công nghệ lên men đã phát triển Việc ứng dụng những thành tựu của khoa học kỹ thuật vào sản xuất đã và đang tạo ra những sản phẩm cồn từ rỉ đường có chất lượng đáp ứng nhu cầu cuộc sống của con người Cồn hay còn gọi là ethanol, rượu etylic,… được sản xuất theo hai phương pháp chính là phương pháp hydrat hóa etylen và phương pháp sinh học Tuy nhiên phương pháp sinh học được sử dụng phổ biến hơn do có những ưu điểm như đơn giản, rượu sản xuất ra thơm, Còn phương pháp hóa học có nhiều nhược điểm như tạo ra nhiều sản phẩm phụ, gây ăn mòn thiết bị, độc hại, hiệu suất thu hồi không cao, bã rượu khó

sử dụng Cồn có thể sản xuất từ nhiều loại nguyên liệu khác nhau như: gạo, ngô, khoai, sắn, rỉ đường,… Trong đó, việc sản xuất cồn từ nguyên liệu rỉ đường có ý nghĩa kinh tế cao vì không có các quá trình nghiền, nấu nguyên liệu và đường hóa như đối với các nguyên liệu từ tinh bột, một mặt sử dụng triệt để phế liệu từ quá trình sản xuất đường

Cồn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: Trong công nghệ hóa chất, làm dung môi cho các phản ứng hóa học Đối với quốc phòng cồn được dùng làm thuốc súng không khói, nhiên liệu hỏa tiễn Trong y tế, nó là chất sát trùng hoặc pha thuốc Trong nông nghiệp, cồn còn dùng sản xuất thuốc trừ sâu Cồn còn được

sử dụng như là một dung môi trong ngành công nghiệp in ấn, cao su tổng hợp, sơn điện tử, dệt may, pha hương liệu, làm chất đốt,… Ngày nay, cồn được dùng để thay thế một phần nhiên liệu cho động cơ ô tô, sử dụng làm nhiên liệu sinh học nên góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Ngoài việc ứng dụng sản phẩm cồn thì các sản phẩm phụ của quá trình sản xuất cồn như CO2, bã rượu, dầu fusel cũng mang lại những lợi ích rất to lớn Do đó mà công nghệ sản xuất cồn sẽ càng phát triển mạnh trong tương lai và chiếm vị trí quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm

Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 ° từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm

Chính sự cần thiết từ ngành công nghệ sản xuất cồn đem lại cũng như những lợi

ích xuất phát từ nhu cầu thực tiễn mà tôi được giao nhiệm vụ “Thiết kế nhà máy sản

xuất cồn 96 o từ rỉ đường với năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm”

Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 ° từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm

1.1 Vị trí địa lý và đặc điểm thiên nhiên

Qua tìm hiểu về vị trí địa lý, khí hậu, hệ thống giao thông vận tải và các điều kiện khác, tôi quyết định chọn địa điểm xây dựng nhà máy cồn etylic tại khu công nghiệp Hoàng Mai, thuộc thị xã Hoàng Mai, huyện Quỳnh Lưu, tỉnh Nghệ An Việc xây dựng nhà máy tại đây có nhiều thuận lợi như gần nguồn nguyên liệu, điện nước

ổn định cho sản xuất, giao thông thuận lợi Thị xã Hoàng Mai phía Tây và phía Nam giáp huyện Quỳnh Lưu, phía Bắc giáp huyện Tĩnh Gia (Thanh Hóa), phía Đông giáp Biển Đông [7]

Nghệ An nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, có hai mùa mưa nắng rõ rệt Nhiệt độ trung bình hàng năm từ 23 ÷ 240C, lượng mưa bình quân hàng năm dao động từ 1200 ÷ 2000 mm, độ ẩm trung bình trong năm dao động từ 80 ÷ 90% Nghệ

An chịu ảnh hưởng chủ yếu của gió mùa Đông Bắc [8]

1.2 Nguồn nguyên liệu

Nghệ An là tỉnh có diện tích trồng mía đường lớn trong cả nước, ở đây có công

ty TNHH mía đường Nghệ An với năng suất 8000 tấn mía cây/ngày Do đó khi đặt nhà máy tại đây thì tận dụng được nguồn rỉ đường dồi dào của nhà máy này Lượng

rỉ đường vào khoảng 66 ÷ 110 tấn/ngày [9]

1.3 Hợp tác hóa

Nhà máy đặt tại khu công nghiệp Hoàng Mai nằm cách công ty TNHH mía đường Nghệ An khoảng 50 km Nhà máy hợp tác với nhà máy đường để cung cấp nguồn nguyên liệu, hợp tác với các nhà máy thực phẩm tại khu vực để tiêu thụ sản phẩm chính và liên hệ với các nhà máy chế biến thức ăn gia súc hay các đơn vị chăn nuôi để tiêu thụ bã Nhà máy còn có thể hợp tác hoá với các nhà máy, xí nghiệp khác trong khu công nghiệp để sử dụng chung một số công trình cung cấp điện, nước, giao thông, hệ thống xử lý nước thải,…

1.4 Nguồn cung cấp điện, nước

Nguồn cung cấp điện cho nhà máy sản xuất lấy từ lưới điện quốc gia Ngoài ra còn sử dụng nguồn điện từ trạm điện của nhà máy (máy phát điện dự phòng) nhằm đảm bảo sản xuất liên tục khi không sử dụng được lưới điện quốc gia

Trong quá trình sản xuất nhà máy cồn sử dụng rất nhiều nước cung cấp cho lò hơi, làm nguội máy móc, vệ sinh thiết bị, sinh hoạt,… Sử dụng nguồn nước từ mạch nước ngầm qua các giếng khoan và nước máy từ thành phố Nước này qua hệ thống

xử lý, kiểm tra các chỉ tiêu như vi sinh vật, độ cứng, nồng độ chất hữu cơ, vô cơ,…

Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 ° từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm

đạt yêu cầu mới đưa vào sử dụng

1.5 Nguồn cung cấp hơi

Hơi được dùng vào nhiều mục đích khác nhau, tuỳ theo yêu cầu của từng công đoạn sản xuất Lượng hơi đốt cung cấp cho phân xưởng được lấy từ lò hơi riêng của nhà máy

1.6 Nhiên liệu

Nhiên liệu sử dụng là dầu FO, thu mua từ các trạm xăng hoặc liên hệ với công

ty xăng dầu của tỉnh để được cung cấp Có thêm kho dự trữ để đảm bảo sản xuất

1.7 Thoát nước

Trong nhà máy cồn có một lượng lớn nước thải: nước thải trong quá trình sản xuất, nước vệ sinh các thiết bị, nước thải sinh hoạt,… có độ nhiễm bẩn lớn bao gồm rất nhiều chất tồn tại dưới các dạng khác nhau, là môi trường thuận lợi cho vi sinh vật phát triển, nếu thải ra môi trường mà không qua xử lý sẽ ảnh hưởng đến sức khoẻ công nhân, môi trường khu dân cư xung quanh nhà máy Do đó nước thải của nhà máy phải tập trung lại và xử lý trước khi đổ ra sông theo đường cống riêng của nhà máy Ngoài ra, cần tránh đọng nước thường xuyên gây ảnh hưởng đến công trình nhà xưởng

1.8 Giao thông vận tải

Nhà máy nằm trên khu công nghiệp Hoàng Mai của huyện Quỳnh Lưu được quy hoạch mạng lưới giao thông thuận lợi Huyện có quốc lộ 1A chạy dọc theo chiều dài, có quốc lộ 36 nối từ quốc lộ 1A đến công ty TNHH mía đường Nghệ An Nghệ

An hội tụ đầy đủ các tuyến giao thông đường bộ, đường sắt, đường hàng không, đường biển, có đường quốc lộ 1A đi qua nên dễ dàng vận chuyển sản phẩm ra Bắc hay vào Nam

1.9 Nguồn nhân lực

Nghệ An là tỉnh có dân số đông, đứng thứ tư cả nước, bản chất con người ở đây cần cù và sáng tạo là nguồn nhân lực lao động cho nhà máy Nhà máy đặt gần các trung tâm kinh tế của miền Trung nên có nhiều nguồn nhân lực đổ về đây bao gồm nguồn nhân lực đã qua đào tạo và chưa qua đào tạo Vì thế nguồn lao động cho nhà máy có thể tuyển dụng từ lực lượng này, cũng là giải quyết việc làm tại chỗ cho người dân

Kết luận: Từ những tìm hiểu và phân tích trên, việc thiết kế và xây dựng một

nhà máy sản xuất cồn với năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm tại khu công nghiệp Hoàng Mai, huyện Quỳnh Lưu, tỉnh Nghệ An là hoàn toàn hợp lí và kinh tế Các điều kiện trên cho phép giảm bớt chi phí đầu tư, đảm bảo sự hoạt động liên tục; đồng thời

Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 ° từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm

giải quyết việc làm cho người dân, tăng ngân sách của nhà nước và đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng

Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 ° từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm

Mật rỉ đường được sử dụng làm nguyên liệu trong công nghiệp lên men để sản xuất cồn, một loại nguyên liệu quan trọng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp Mật rỉ đường phù hợp với các điều kiện: chứa nhiều gluxit, giá rẻ, sản lượng nhiều, sử dụng tiện lợi, nguồn cung cấp phổ biến Vì vậy việc sử dụng rỉ đường

để sản xuất cồn là tối ưu, một mặt sử dụng triệt để phế liệu, mặt khác hạn chế việc sử dụng các loại lương thực chứa tinh bột như: sắn, ngô, khoai để sản xuất cồn

2.1.1.2 Thành phần hóa học của mật rỉ đường

Thành phần hóa học của rỉ đường được thể hiện ở bảng 2-1

Bảng 2-1 Thành phần hóa học của rỉ đường

Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 ° từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm

đường mía chỉ khoảng 0,5 ÷ 1% Do chứa ít nitơ nên khi lên men rỉ đường chúng ta phải bổ sung lượng nitơ từ ure hoặc amoni sunfat Ngoài bổ sung ngồn nitơ, cần thêm nguồn phospho để giúp cho sự phát triển bình thường của nấm men [1]

2.1.1.5 Bảo quản rỉ đường

Rỉ đường được bảo quản trong các bồn chứa hình trụ, bằng thép hoặc bằng bê tông cốt thép Thể tích thùng được tính toán sao cho lượng rỉ đường dự trữ đủ để sản xuất trên 5 tháng Thông thường bồn chứa có thể tích vào khoảng 600 ÷ 5000 m3 Yêu cầu bồn chứa phải có đầy đủ các thiết bị kiểm tra như phao báo mức, nhiệt kế,… Cần có hệ thống ống hơi nước bố trí gần đường ống dẫn rỉ đường đến bơm để gia nhiệt rỉ đường giúp rỉ đường dễ di chuyển trong trường hợp rỉ đường bị sánh lại khi trời lạnh Ngoài ra cũng cần có hệ thống bơm đảo trộn rỉ đường trong bồn chứa để cho rỉ đường đồng nhất, đảm bảo chất lượng rỉ đường đồng đều trước khi đưa vào sản xuất

Trong quá trình bảo quản rỉ đường luôn có một lượng rỉ đường bị tổn thất Trong

đó chủ yếu là do sự bay hơi nước Theo nghiên cứu cho thấy, sự tổn thất khối lượng

do bay hơi nước hàng tháng vào khoảng 0,2%

Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 ° từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm

Khi hàm lượng chất khô trong rỉ đường lớn hơn 75% thì lượng nấm men dại, vi khuẩn lên men tạo axit rất ít, bảo đảm chất lượng rỉ đường trong suốt thời gian bảo quản thay đổi không đáng kể Nếu hàm lượng chất khô trong rỉ đường nhỏ hơn 70% thì sự tổn thất rỉ đường lên đến 1,3% so với khối lượng rỉ đường Sự tổn thất tăng mạnh khi hàm lượng chất khô của rỉ đường nhỏ hơn 40% Ngoài ra, trong quá trình bảo quản rỉ đường cũng xảy ra phản ứng maillard tạo thành melanoidin Phản ứng này xảy ra vừa làm mất đường vừa giảm lượng axit amin gây khó khăn cho quá trình lên men sau này

Để tránh hiện tượng vi sinh vật phát triển, trong quá trình bảo quản cần giữ cho

rỉ đường không bị pha loãng Muốn vậy bồn chứa rỉ đường phải được đậy kín không cho mưa bên ngoài xâm nhập vào và hạn chế dùng nước rửa Đồng thời dùng các chất sát trùng như formol, Na2SiF6 [10]

Chất lượng nước phải đảm bảo các yêu cầu: Trong suốt, không màu, không mùi,

độ cứng không quá 7mg/l Khả năng oxy hóa 1 lít nước không quá 2ml KMnO4 0,01N Chất cặn không vượt quá 1000mg/l, không có muối kim loại nặng Hg, Ba, Hàm lượng các muối không vượt quá yêu cầu (mg/l): Cl- ≤ 0,5mg/l; SO42- ≤ 80mg/l; NO3-

≤40mg/l Không cho phép có NH3 và muối của axit nitric (HNO3) [2]

2.1.3 Nấm men

Sử dụng chủng nấm men rượu Saccharomyces cerevisiae Để sản xuất cồn từ

nguyên liệu rỉ đường có thể dùng các chủng nấm men sau:

- Chủng nấm men 396 Trung Quốc: Chủng nấm men này phân lập được từ rỉ đường ở Trung Quốc, chủng này có khả năng lên men được đường fructose, glucose, maltose, rafinose, galactose Nó không lên men được đường arabinose, lactose, dextrin Nhiệt độ thích hợp 33oC, pHopt=4,5; chịu được nồng độ rượu 10%

- Chủng Я (i – a): Do Liên Xô cung cấp, chủng này thích hợp cho lên men rỉ

đường, chịu áp suất thẩm thấu lớn, lên men được đường glucose, fructose, saccharose

và 1/3 đường rafinose

- Chủng T (Việt Nam): Phân lập từ rỉ đường đặc 35 ÷ 45oBe và đặt tên T (trời),

chủng nấm men này lên men được rỉ đường ở nhiệt độ cao 33 ÷ 37oC, độ pH từ 4,5 ÷

5 nồng độ lên men có thể đạt 18 ÷ 24%, chịu được chất sát trùng với nồng độ từ 0,02

Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 ° từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm

÷ 0,025% so với khối lượng dịch lên men Kích thước tế bào từ 4 ÷ 5 x 6 ÷ 9 (µm) tế bào có dạng hình trứng, tốc độ phát triển nhanh [3]

Chọn chủng nấm men T để lên men dịch đường từ mật rỉ Vì chủng nấm men T

phù hợp với điều kiện lên men cồn được sản xuất từ rỉ đường

- Nhóm các hóa chất xử lý nước như: Than hoạt tính, hạt nhựa,…

- Hóa chất sát trùng như Na2SiF6 bổ sung trong quá trình lên men để hạn chế và ngăn chặn sự nhiễm khuẩn trong quá trình lên men

2.2 Một số quá trình chính trong sản xuất cồn

2.2.1 Chuẩn bị dịch đường lên men

lý người ta thường pha loãng sơ bộ mật rỉ tới 50 ÷ 55% chất khô Nếu để ở nồng độ cao thì độ nhớt sẽ lớn, khả năng diệt tạp khuẩn và loại tạp chất sẽ kém Nhưng nếu pha loãng tới nồng độ thấp thì sẽ tốn thiết bị, tốn hơi nhưng diệt được nhiều tạp khuẩn, tạp chất tách khỏi dịch dễ dàng hơn Mật rỉ sau pha loãng sơ bộ và xử lý được bơm lên chứa ở thùng cao vị hoặc trực tiếp pha luôn tới nồng độ gây men và lên men [1]

2.2.1.2 Pha loãng tới nồng độ lên men

Có 2 phương pháp lên men là lên men một nồng độ và lên men hai nồng độ Pha loãng tới nồng độ nào là tùy theo phương pháp lên men Phương pháp lên men một nồng độ có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện, được áp dụng khá phổ biến Nhưng nó có nhược điểm là cùng một nồng độ dịch mà phải thực hiện 2 nhiệm vụ vừa gây men giống, vừa lên men tạo ethanol, nên hàm lượng ethanol trong giấm chín rất thấp Không chủ động kiểm soát được chất lượng men giống trước khi lên men kị khí tạo ethanol Do vậy, hiệu suất lên men thường thấp, chất lượng cồn thu được không cao Để khắc phục những nhược điểm trên, người ta sử dụng phương pháp lên

Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 ° từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm

men với hai nồng độ khác nhau: Nồng độ loãng dùng để nuôi và gây men giống (10 ÷ 12%) và nồng độ đặc dùng để lên men sinh ethanol (18 ÷ 24%)

Tỉ lệ % khối lượng khi pha loãng nồng độ đặc và loãng từ dịch đường pha loãng sơ bộ ban đầu là: Nồng độ loãng (10 ÷ 15%) và nồng độ đặc (85 ÷ 90%)

Hình 2-1 Phương pháp lên men hai nồng độ

2.2.2 Quá trình lên men dịch rỉ đường

2.2.2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình lên men rượu

Quá trình lên men rượu là quá trình biến đổi đường khử dưới tác dụng của các

hệ enzyme khác nhau để tạo thành một loạt chất trung gian Trong đó, giai đoạn trung gian quan trọng là biến thành axit pyruvic Từ axit pyruvic trong điều kiện thiếu oxy

sẽ hình thành nên rượu etylic và một số sản phẩm khác tuỳ theo điều kiện lên men Phương trình hóa học của sự lên men rượu:

C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + Q

Quá trình lên men trải qua nhiều giai đoạn, dưới tác dụng xúc tác của nhiều enzyme khác nhau Đầu tiên đường khử đi qua chu trình EMP để tạo thành sản phẩm cuối cùng là axit pyruvic Tiếp theo axit pyruvic bị decacboxyl để tạo thành aldehylaxetic sau đó bị khử bởi NAD.H2 tạo thành rượu

C6H12O6 2CH3CO-COOH

2CH3CO-COOH 2CH3CHO + 2CO2

2CH3CHO + 2NAD.H2 CH3CH2OH + NAD

Nồng độ đặc (18 ÷ 24%)

Gây giống

Nấm men giống

Lên men

Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 ° từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm

Lên men rượu ở điều kiện bình thường (pH = 4,5 ÷ 5) Quá trình lên men chia làm 2 giai đoạn:

+ Giai đoạn cảm ứng: Ở giai đoạn này lượng aldehylacetic tạo thành rất ít Khi

đó H2 được chuyển đến glycerin-andehyd-phosphat và bị men phosphatlaza thuỷ phân tạo thành glycerin Trong môi trường có các loại sản phẩm như aldehyt acetic, glyceryl,

CO2

+ Giai đoạn tĩnh: Aldehylacetic tạo thành một lượng đủ thì nó bị khử H2 thành rượu etylic Do glycerin tạo thành ít trong giai đoạn cảm ứng nên nó là sản phẩm phụ của quá trình lên men rượu bình thường

CH3-CO-COOH Cacboxxylaza CH3CHO + CO2

2CH3CHO Codehydraza 2CH3CH2OH

Trong môi trường kiềm thì aldehylacetic vừa bị oxy hoá vừa bị khử theo hai phản ứng sau:

CH3CHO + HOH + NAD NAD.H2 + CH3COOH

CH3CHO + NAD.H 2 NAD + CH3CH2OH

Do andehylacetic bị mất do hai phản ứng trên nên chất tiếp nhận H2 ở đây là glycerinaldehyt-3-phosphat Lên men không bình thường sản phẩm cuối cùng là glycerin, axit acetic, rượu etylic, và CO2 Trường hợp lên men trong môi trường có NaHSO3 sẽ tạo aldehylacetic khó tan, sản phẩm chủ yếu là glyceryl, hợp chất khó tan

Nấm men hấp thụ cơ chất vào tế bào dưới tác dụng của zymaza chuyển hóa đường thành rượu và CO2 Rượu etylic tạo thành khuếch tán ra môi trường qua màng tế bào và tan vào trong môi trường, CO2 cũng hòa tan vào trong nước Khi bão hòa CO2 thì tế bào nấm men và các chất lơ lửng khác có khí bám vào nên tạo thành các bọt khí, khi bọt khí

có khối lượng riêng nhỏ hơn khối lượng riêng của dịch lên men thì bọt khí kéo theo nấm men và các chất lơ lửng nổi lên bề mặt dung dịch Do thay đổi sức căng bề mặt làm cho bọt khí vỡ và CO2 thoát ra ngoài, tế bào men thoát ra rơi xuống đáy thiết bị lên men Quá trình này diễn ra liên tục làm cho tế bào men chuyển động trong môi trường nên tiếp xúc với cơ chất nhiều hơn giúp cho quá trình lên men triệt để [1]

Ngoài các sản phẩm chính là rượu etylic, CO2 thì các sản phẩm phụ thường trực là

CH3CHO, glycerin Ngoài ra còn có các sản phẩm phụ không thường trực như các axit hữu cơ, este, các rượu bậc cao,…

2.2.2.2 Động học của quá trình lên men

Tốc độ lên men rượu có thể xác định trực tiếp bằng lượng đường lên men hoặc gián tiếp xác định lượng rượu tạo thành và lượng CO2 thoát ra trong một đơn vị thời gian Hay có thể xác định nhanh bằng cách đo nồng độ biểu kiến của dịch lên men

Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 ° từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm

Theo biểu đồ đường cong lên men nhận thấy lên men được chia làm ba giai đoạn: Lên men sơ bộ, lên men chính và lên men phụ

Hình 2-2 Đường cong lên men

- Lên men sơ bộ: Kéo dài khoảng 60 giờ, lượng đường được lên men rất ít nên sinh tổng hợp ít cồn và CO2

- Lên men chính: Kéo dài trong thời gian 60 ÷ 120 giờ, nấm men sinh trưởng và phát triển ở mức độ cực đại, cơ chất sử dụng nhiều sinh nhiều cồn và CO2, sự lên men sau mỗi giờ tăng mạnh Cuối giai đoạn, tế bào nấm men già nên lên men chậm lại Thời kì này có sự biến đổi sâu sắc về thành phần trong dịch lên men

- Lên men phụ: Biểu hiện đường cong lên men là sự đi xuống tiệm cận trục hoành Tốc độ lên men rất chậm vì lượng đường trong dịch ít [1]

2.2.2.3 Các phương pháp lên men

- Phương pháp lên men gián đoạn một nồng độ

Ưu điểm: Thiết bị đơn giản, dễ thao tác, vận hành, dễ vệ sinh, sửa chữa Nếu bị nhiễm tạp thì dễ xử lý

Nhược điểm: Hiệu suất lên men không cao và không ổn định, chất lượng giấm chín không đều ở mỗi thùng Chu kỳ lên men dài nên tốn nhiều thùng lên men Tốn nhiều năng lượng, mỗi thùng phải có hệ thống khuấy trộn và hệ thống thu hồi CO2

riêng biệt [2]

- Phương pháp lên men gián đoạn theo sơ đồ hai nồng độ (lên men theo kiểu pha dần hoặc lên men bán liên tục)

Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 ° từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm

Hình 2-3 Sơ đồ lên men bán liên tục

Ưu điểm: Công nghệ gần như liên tục, chu kì lên men giảm Năng suất làm việc của thiết bị lớn

Nhược điểm: Vì công nghệ cao nên đòi hỏi chất lượng nấm men giống và dịch đường phải tốt và ổn định, thao tác lành nghề Nếu bị sự cố thì sẽ ảnh hưởng đến cả

hệ thống do được nối thông với nhau

- Lên men liên tục

Hình 2-4 Sơ đồ lên men liên tục

1 Thùng nhân giống cấp I a Thùng lên men đầu tiên

2 Thùng nhân giống cấp II b Các thùng lên men tiếp theo

Ưu điểm: Hiệu suất lên men tăng, dễ cơ khí và tự động hóa Thời gian lên men được rút ngắn, chất lượng giấm chín ổn định Hạn chế được nhiễm tạp khuẩn do lượng nấm men giống ban đầu cao

Nhược điểm: Khi nhiễm tạp thì rất khó xử lý nên đỏi hỏi vô trùng cao Đòi hỏi trình độ công nghệ tiên tiến, các thông số kỹ thuật ổn định [1]

Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 ° từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm

2.2.3 Quá trình chưng cất và tinh chế

2.2.3.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất và tinh chế

Dựa vào tính chất quan trọng của hỗn hợp hai cấu tử rượu etylic và nước như áp suất hơi bão hòa, nhiệt hoá hơi, nhiệt dung riêng để áp dụng các quy trình chưng cất Ở nhiệt độ bất kỳ, áp suất hơi bão hoà của rượu etylic lớn hơn áp suất hơi bão hòa của nước

Do đó khi cùng một áp suất thì nhiệt độ sôi của rượu etylic thấp hơn nhiệt độ sôi của nước Điểm đẳng phí là giao của đường cân bằng với đường chéo Ob Tại điểm đẳng phí (a), nồng độ rượu trong thể lỏng bằng nồng độ rượu trong thể hơi = 95,57% khối lượng, tương ứng nhiệt độ sôi là 78,150C Vì vậy với phương pháp chưng cất thông thường khó

có thể đạt được nồng độ rượu trên 95,57% theo khối lượng Muốn có nồng độ rượu cao hơn phải dùng các phương pháp chưng cất đặc biệt

Mục đích của tinh chế rượu là tách các tạp chất trong rượu thô ra khỏi rượu etylic và nâng cao độ rượu đạt tiêu chuẩn chất lượng quy định mặt khác cũng nâng cao nồng độ tạp chất và thu hồi để sử dụng Căn cứ vào quan điểm tinh chế cồn chia làm 3 loại bao gồm tạp chất đầu, tạp chất cuối và tạp chất trung gian Chia như vậy chỉ là tương đối và qui ước vì tính chất của tạp chất có thể thay đổi tùy theo nồng độ cồn

Tạp chất đầu là tạp chất dễ bay hơi hơn rượu etylic ở nồng độ bất kỳ, nghĩa là

hệ số bay hơi lớn hơn hệ số bay hơi của rượu ở cùng nồng độ Các chất có nhiệt độ sôi thấp hơn nhiệt sôi của rượu etylic: Aldehyt axetic, axetat metyl, axetat etyl, etyl formiat, aldehit butyric Tạp chất này lấy ra ở sản phẩm đầu nên gọi là cồn đầu Tạp chất trung gian có 2 tính chất, vừa có thể là tạp chất đầu vừa có thể là tạp chất cuối

Ở nồng độ cao của rượu etylic nó là tạp chất cuối, nồng độ thấp nó là tạp chất đầu Tạp chất trung gian khó tách khỏi rượu etylic khi tinh chế, tạp chất trung gian bao

Hình 2-5 Đường cong cân bằng của hỗn hợp rượu nước

Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 ° từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm

gồm izobutylrat etyl, izovalerat etyl, izovalerat izoamyl, axetat izoamyl Tạp chất cuối là tạp chất khó bay hơi, khi chưng cất nó tồn tại ở phía dưới tháp, nó có nhiệt độ sôi cao hơn rượu etylic, độ bay hơi kém hơn rượu etylic bao gồm axit axetic, các rượu bậc cao như amylic, izo amylic, izobutylic, propylic, izopropylic

Nếu gọi A là % của rượu trong pha hơi, a% là trọng lượng rượu trong pha lỏng thì A/a=Kr gọi là hệ số bay hơi của rượu Tương tự nếu gọi B là khối lượng của tạp

chất trong pha hơi, b là % của tạp chất trong pha lỏng thì B/b=Ktc gọi là hệ số bay hơi của tạp chất Thực nghiệm cho thấy khi tăng nồng độ cồn etylic trong khoảng <50% thì hệ số bay hơi của tất cả các tạp chất đều giảm

*Hệ số tinh chế: (K)

K=Ktc/Kr

Nếu K >1 –Trong hơi chứa nhiều tạp chất đầu

K =1 –Trong hơi nhiều tạp chất trung gian

K <1 – Trong hơi chứa nhiều tạp chất cuối [1]

2.2.3.2 Các phương pháp chưng cất

Chưng cất gián đoạn

Hình 2-6 Tháp chưng cất gián đoạn

Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 ° từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm

Chưng cất gián đoạn có ưu điểm là đơn giản, dễ thao tác.Nhưng chưng cất gián đoạn có nhiều nhược điểm như hiệu suất thu hồi rượu thấp do rượu còn lại trong bã nhiều Tốn hơi do giấm chín đưa vào không đun nóng bằng nhiệt ngưng tụ của cồn thô Nồng độ cồn không ổn định, giảm dần theo thời gian Thời gian chưng cất mất 6

÷ 8 giờ nên thùng chứa lớn, tốn vật liệu chế tạo [1]

Phương pháp chưng cất bán liên tục

Phương pháp này khắc phục được nhược điểm của chưng cất và tinh chế gián đoạn nhưng chưa triệt để Hiệu quả kinh tế của hệ thống chưa cao

Hình 2-7 Sơ đồ chưng luyện bán liên tục

độ tăng dần ngưng tụ ở (5) rồi hồi lưu lại tháp Một phần nhỏ chưa ngưng kịp đưa sang ngưng tụ (6) và lấy ra ở dạng cồn đầu Cồn sản phẩm lấy ra ở đĩa thứ 3 ÷ 6 từ trên xuống qua làm nguội (7) rồi ra ngoài [2]

Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 ° từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm

Phương pháp chưng cất liên tục

- Chưng cất liên tục khắc phục được các nhược điểm trên của chưng cất gián đoạn và bảo đảm hiệu quả kinh tế cao hơn Chưng cất liên tục có thể thực hiện theo nhiều sơ đồ khác nhau: 2 tháp, 3 tháp, 4 tháp Từ đó chia thành chưng cất theo hệ thống một dòng (gián tiếp) hoặc hai dòng (vừa gián tiếp vừa trực tiếp)

- Sơ đồ hai tháp gián tiếp 1 dòng: Hệ thống này tuy có tiên tiến hơn hệ thống chưng cất gián đoạn và bán liên tục nhưng chất lượng cồn chưa cao hoặc muốn thu nhận cồn tốt phải tăng lượng cồn đầu lấy ra

Hình 2-8 Hệ thống hai tháp gián tiếp 1 dòng

1 Thùng cao vị chứa giấm chín 6 Bình ngưng tự cồn thô

2 Bình hâm giấm 7 Bình làm lạnh ruột gà

3 Bình tách CO2 và khí không ngưng 8 Tháp tinh chế

4 Tháp cất khô 9 Bình ngưng tụ hồi lưu

5 Bình chống phụt giấm

- Hệ thống ba tháp làm việc gián tiếp:

Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 ° từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm

Hình 2-9 Hệ thống chưng cất, tinh chế ba tháp làm việc gián tiếp

Hệ thống cho phép nhận 70 ÷ 80% cồn loại I theo tiêu chuẩn TCVN 71, 20 ÷

30 % cồn loại II, 3 ÷ 5% cồn đầu Sơ đồ gián tiếp một dòng có ưu điểm là dễ thao tác, chất lượng cồn tốt và ổn định, nhưng tốn hơi Sơ đồ vừa gián tiếp vừa trực tiếp, hai dòng có ưu điểm là tiết kiệm được hơi nhưng đòi hỏi tự động hóa tốt và chính xác

- Sơ đồ chưng luyện bốn tháp:

Cồn tinh chế lấy ra ở dạng lỏng không làm lạnh mà được đưa vào tháp làm sạch

để tinh chế tiếp nhằm tách tạp chất đầu và tạp chất cuối Cồn đầu cho quay lại tháp aldehit, cồn cuối ở đáy tháp làm sạch đi vào trên đĩa tiếp liệu của tháp tinh Do vậy chất lượng cồn được nâng cao Chưng luyện bốn tháp được lựa chọn nhằm thu được cồn tuyệt đối [1]

2.2.4 Quá trình tách nước để thu cồn 96 °

Để thu được sản phẩm là cồn có nồng độ cao, trên thế giới hiện nay đã sử dụng nhiều phương pháp tách nước từ cồn công nghiệp Cụ thể có thể liệt kê các phương pháp điển hình như: Phương pháp dùng chất hấp phụ chọn lọc Zeolite, phương pháp chưng phân tử, phương pháp bốc hơi thẩm thấu qua màng

1 Thùng chứa giấm 7 Bình làm nguội ruột gà

5 Bình chống phụt giấm 12 Bình ngưng tụ

6 Bình ngưng tụ cồn thô 13 Bình làm lạnh sản phẩm

Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 ° từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm

2.2.4.1 Phương pháp hấp phụ chọn lọc bằng Zeolite

Zeolite là các aluminosilicat tinh thể có cấu trúc không gian 3 chiều với hệ thống

lỗ xốp đặc biệt và rất trật tự nên được gọi là rây phân tử Hệ mao quản trong zeolite

có kích thước cỡ phân tử, dao động khoảng từ 3 ÷ 12A°

Nguyên tắc của phương pháp là: Dựa vào kích thước mao quản của zeolite, chất hấp phụ này có thể hấp phụ những phân tử có kích thước nhỏ hơn kích thước mao quản và không hấp phụ những phân tử có kích thước lớn Khi sử dụng zeolite để hấp phụ sản xuất cồn có độ tinh khiết cao, bản chất là chất hấp phụ chọn lọc nước trong hỗn hợp nước và ethanol có nồng độ thấp hơn [10]

Kích thước động học của ethanol và nước: Kích thước động học của ethanol là 4A° Kích thước động học của nước là 2,5A° Vật liệu hấp phụ có kích thước mao quản nằm trong khoảng nhỏ hơn 3A° nên zeolite sẽ hấp phụ nước và không hấp phụ cồn

Khi nhả hấp phụ dùng các tác nhân: Hơi nước bão hòa hoặc hơi nước quá nhiệt, hơi của các chất hữu cơ, khí trơ,… Nhả hấp phụ có thể tiến hành ở nhiệt độ cao hoặc thấp, ở áp suất thường, áp suất dư hoặc áp suất thấp (trong chân không)

Phương pháp zeolite có ưu điểm là quá trình dễ dàng do hoàn toàn tự động hóa, vật liệu dễ tái sinh, loại bỏ hoàn toàn khả năng gây ô nhiễm môi trường, ethanol mất mát rất ít và tốn ít năng lượng tiêu thụ Quá trình sản xuất sạch do không sử dụng hóa chất Nhược điểm duy nhất của công nghệ này là vốn đầu tư ban đầu lớn do phải thiết

kế một dây chuyền hiện đại với độ tự động hóa cao

2.2.4.2 Phương pháp chưng phân tử

Chưng phân tử thực hiện ở độ chân không cao (tương đường với áp suất 0,01 ÷ 0,0001 mmHg) Ở áp suất này lực hút giữa các phân tử yếu đi và số lần va chạm giữa chúng giảm, làm khoảng cách chạy tự do của các phân tử tăng lên rất nhiều Trên cơ sở

đó, nếu làm khoảng cách giữa bề mặt bốc hơi và bề mặt ngưng tụ nhỏ hơn khoảng cách chạy tự do của các phân tử, thì khoảng cách phân tử của các cấu tử dễ bay hơi khi rời khỏi

bề mặt bốc hơi sẽ va đập vào bề mặt ngưng tụ và ngưng tụ ở đó Trong thực tế, khoảng cách giữa các phân tử duy trì ở mức 30 ÷ 200 mm Hiệu số nhiệt độ giữa hai bề mặt duy trì ở mức 100oC

2.2.4.3 Phương pháp bốc hơi qua màng lọc

Nguyên tắc là sử dụng màng có khả năng hút nước cao và khả năng thẩm thấu ngược để tách nước ra khỏi ethanol Màng này chỉ cho nước và một ít ethanol qua Phương pháp này có nhược điểm là màng dễ bị phá hủy và thay nhiều lần, chu kì làm việc ngắn Sử dụng màng dày đủ cho ethanol đi qua, áp suất hơi từ 7 ÷ 70 KPa

Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 ° từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm

2.2.5 Các phương pháp sản xuất cồn

2.2.5.1 Phương pháp sinh học

Đây là phương pháp sản xuất ra ethanol trong thực phẩm hay trong sản xuất nhiên liệu Là phương pháp lên men sử dụng vi sinh vật để chuyển đường thành rượu trong môi trường yếm khí Đây là phương pháp phổ biến nhất hiện nay và cho hiệu quả kinh tế cao Nguyên liệu dùng để sản xuất theo phương pháp này là phải chứa nhiều gluxit Sản xuất rượu theo phương pháp sinh học gồm có các công đoạn chính sau:

- Chế biến nguyên liệu thành dịch đường lên men

- Lên men dịch đường để chuyển đường thành rượu

- Chưng cất, tinh chế nhằm tách rượu và các chất dễ bay hơi ra khỏi giấm chín, rồi tách các chất ra khỏi rượu nâng cao nồng độ rượu để nhận được cồn tinh khiết

2.2.5.2 Phương pháp tổng hợp hóa học

Nguyên liệu chính để sản xuất cồn bằng phương pháp hóa học là khí etylen Có hai phương pháp chính để sản xuất cồn từ etylen là:

- Thủy phân khí etylen bằng axit sulfuric

- Thủy phân trực tiếp etylen

Cồn chủ yếu được sản xuất thông qua phương pháp hydrat hóa etylen trên xúc tác axit, được thực hiện bằng cách cho etylen hợp nước ở 3000C áp suất 70 ÷ 80 atm với xúc tác là axit phosphoric

H2C = CH2 +H2O → CH3CH2OH

Chọn phương pháp lên men bằng vi sinh vật để sản xuất vì so với phương pháp hóa học, phương pháp sinh học có những ưu điểm như: đơn giản, rượu sản xuất ra thơm Còn phương pháp hóa học có nhiều nhược điểm như tạo ra nhiều sản phẩm phụ, gây ăn mòn thiết bị, độc hại, hiệu suất thu hồi không cao, bã rượu khó sử dụng

2.3 Tổng quan về cồn

2.3.1 Tính chất vật lý

Ethanol là chất lỏng không màu, nhẹ hơn nước và có mùi thơm đặc trưng, vị cay, sức hút ẩm mạnh, dễ bay hơi Ethanol hòa tan trong nước ở bất cứ tỷ lệ nào kèm theo hiện tượng tỏa nhiệt và co thể tích Ethanol hòa tan được nhiều chất vô cơ như: CaCl2, MgCl2, SiCl4, KOH,… và nhiều chất khí: H2, N2, O2, NO, SO2, H2S, CO,… nhưng không hòa tan được tinh bột, disaccarit,… Các thông số vật lý của ethanol nguyên chất: Tỷ trọng d420–0,7894, d415–0,79425, d4 –0,806; phân tử lượng 46,03; nhiệt độ sôi 78,320C ở áp suất 760mmHg, nhiệt độ bắt lửa 120C, nhiệt dung 0,548 (ở

00C), 0,615 (ở 200C) và 0,769 (ở 600C) Năng suất tỏa nhiệt 6642 ÷ 7100 kcal/kg Nhiệt độ đóng băng -1170C Khi chưng cất hỗn hợp dung dịch có nồng độ 95,57%

Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 ° từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm

ethanol và 4,43% nước thì điểm sôi chung là 78,150C và gọi là điểm đẳng phí Điều

đó cũng có nghĩa là biện pháp chưng cất không thể thu được rượu có nồng độ cao hơn 95,57 % [2]

- Tác dụng với NH3, ở nhiệt độ 2500C và có xúc tác, ethanol tác dụng với NH3

Ethanol có tác dụng sát trùng, cường độ sát trùng tỷ lệ thuận với nồng độ rượu

Ở nồng độ rượu 70% có tác dụng sát trùng mạnh nhất vì ở nồng độ này rượu dễ thấm qua màng tế bào hơn rượu cao độ

Đối với nhiều loài vi sinh vật thì dung dịch rượu có nồng độ 5 ÷ 10% đã có tác

dụng ức chế sự phát triển của chúng Tuy nhiên một số loại vi khuẩn như Micrococcus acetic, Bacterium acetic,… có khả năng lên men giấm đối với dung dịch rượu có nồng

độ ≤ 15%, rượu etylic còn có tác dụng mạnh đối với hệ thần kinh

2.3.4 Ứng dụng

Cồn được ứng dụng nhiều trong thực phẩm như: Sản xuất rượu, đồ uống có cồn, chế biến thức ăn, chế biến các loại hương hoa quả, Cồn còn là một sản phẩm hoá học vì: Cồn có thể sử dụng trực tiếp hoặc là nguyên liệu trung gian để sản xuất axit acetic, andehyt acetic, etyl acetat và các hoá chất khác, có thể tạo ra hoá chất dầu mỏ Ngoài ra cồn còn được dùng làm nhiên liệu sinh học Trong y tế cồn được dùng để sát trùng, sản xuất dược phẩm, để chữa bệnh

2.4 Tình hình sản xuất cồn trên thế giới và ở Việt Nam

Năm 2003 toàn thế giới đã sản xuất được 38,5 tỷ lít ethanol (châu Mỹ chiếm khoảng 70%, châu Á 17%, châu Âu 10%), trong đó 70% được dùng làm nhiên liệu, 30% được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, y tế, hóa chất Đến năm 2007, lượng

Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 ° từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm

ethanol sản xuất đã tăng lên 56 tỷ lít, trong đó tỷ lệ sử dụng làm nhiên liệu tăng lên 75%

Hiện nay ở Việt Nam, công suất sản xuất cồn mới đạt khoảng 50 triệu lít/năm, trong khi lượng mật rỉ đường hiện có thể sản xuất trên 100 triệu lít cồn/năm Nếu chương trình phát triển sinh học đến năm 2020 được thực hiện tốt, nhu cầu cồn nhiên liệu sẽ rất lớn Đây cũng là cơ hội lớn để phát triển trồng trọt, cung cấp nguyên liệu sản xuất cồn, tạo doanh thu cho cả vùng nguyên liệu sản xuất cồn và năng lượng sinh học khoảng 1,9 tỷ USD vào năm 2020 Hiện tại Việt Nam có 11 nhà máy chế biến cồn từ rỉ mật, tổng cộng năng suất là 42,2 triệu lít/năm Để sản xuất được 1 lít cồn 96% v/v chỉ cần tối đa 4 ÷ 5 kg rỉ đường Tuy nhiên, sản xuất cồn từ rỉ đường ở Việt Nam vẫn chỉ áp dụng công nghệ lên men gián đoạn hoặc bán liên tục

Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 ° từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm

H2SO4

Pha loãng đến nồng độ yêu cầu

Hơi

Nhân giống nấm men Lên men

Thiết kế nhà máy sản xuất cồn 96 ° từ rỉ đường năng suất 12,5 triệu lít sản phẩm/năm

Hình 3-1 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất cồn 96° từ rỉ đường

3.2 Thuyết minh dây chuyền công nghệ

3.2.1 Pha loãng sơ bộ

- Mục đích: Nhằm giảm độ nhớt của mật rỉ, giúp phối trộn H2SO4 tốt nhất tạo điều kiện cho quá trình thủy phân, tách cặn

- Cách tiến hành: Trong điều kiện sản xuất rượu, trước khi xử lý mật rỉ thường được pha loãng đến 50%, ở nồng độ này hiệu suất axit hoá cao

= 4,5 ÷ 5 Nồng độ mật rỉ khống chế từ 50 ÷ 55% Lượng axit cho vào khoảng 0,8% trọng lượng rỉ đường Thời gian axit hóa 4 ÷ 6 giờ (2 ÷ 3 giờ cho không khí nén, 2 ÷

3 giờ để lắng)

3.2.3 Gia nhiệt và lắng

- Mục đích: Gia nhiệt nhằm tăng tốc độ phản ứng thủy phân, tăng tốc độ tạo kết tủa và lắng, tiêu diệt vi sinh vật Lắng nhằm loại các tạp chất chủ yếu là MgSO4, CaSO4 và các kết tủa keo

- Cách tiến hành: Tiến hành gia nhiệt rỉ đường đến 85 ÷ 900C và giữ trong 45 ÷

60 phút Mật rỉ và nước cho vào cửa (5), qua ống (6) chảy vào thùng, sau đó cho axit sunfuric với tỉ lệ 0,8% so với mật rỉ (tùy theo độ chua của mật rỉ) ở cửa số (4) Cánh khuấy (8) hoạt động, khuấy đều rồi để yên khoảng 1 ÷ 4 h Tiếp theo bơm dịch theo cửa tháo dịch (7) qua bộ phận lọc để loại các tạp chất, chủ yếu là CaSO4, MgSO4 và các kết tủa keo, thu hồi dịch trong

Cồn 96°

Làm nguội

Bảo quản