ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC THIẾT KẾ THIẾT BỊ LÊN MEN ETHANOL TỪ RƠM RẠ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC ĐỒ ÁN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC THIẾT KẾ THIẾT BỊ LÊN MEN ETHANOL TỪ RƠM RẠ Sinh viên thực hiện:Nguyễn Mai ngọc Tuyền Nguyễn Lê Khánh Linh Ngành: Cơng nghệ kĩ thuật hố học Niên khóa: 2012 - 2016 Tháng 9/2015 Đồ Án CNHH GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt THIẾT KẾ THIẾT BỊ LÊN MEN ETHANOL TỪ RƠM RẠ Tác giả NGUYỄN MAI NGỌC TUYỀN NGUYỄN LÊ KHÁNH LINH Giáo viên hướng dẫn Th.S NGUYỄN BẢO VIỆT Đồ Án học kì năm học: 2014 – 2015 Ngành: Cơng nghệ kĩ thuật hóa học Tháng 9/2015 Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ i Đồ Án CNHH GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt LỜI CẢM TẠ Lời đầu tiên, chúng em xin gửi lời tri ân chân thành sâu sắc đến PGS.Ts TRƯƠNG VĨNH tạo điều kiện cho chúng em học môn Đồ Án Cơng nghệ Hóa học – nói môn học giúp chúng em khái quá, củng cố, tổng hợp , áp dụng kĩ tính tốn thiết kế thông qua kiến thức năm học tập BM Cơng Nghệ Hóa Học Chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô mơn Cơng nghệ hóa học, đặc biệt Th.S Nguyễn Bảo Việt, người Thầy trực sát hướng dẫn chúng em làm Đồ Án cách chi tiết rõ ràng cho chúng em dễ hiểu dễ nắm Trong trình thực Đồ Án, trình làm báo cáo, khó tránh khỏi sai sót, mong Thầy, Cô bỏ qua Đồng thời, hạn chế mặt thời gian, kiến thức nên chúng em cịn nhiều điều cần Thầy, Cơ hướng dẫn thêm để chúng em hồn thiện suốt trình học tập làm việc sau này! Trân trọng ! Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ ii Đồ Án CNHH GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1.1: Tình hình sản xuất Bioethanol quốc gia qua năm .2 Bảng 2.1: Thống kê sản lượng lúa nước từ năm 2000 – 2010 Bảng 2.2: Thành phần nguyên tố tro rơm rạ, trấu gạo rơm lúa mì Bảng 2.3: Thành phần hóa học rơm rạ .4 Bảng 2.4: Một số nguồn phân lập vi khuẩn Zymomonas Mobilis 16 Bảng 2.5: Thành phần tế bào vi khuẩn Zymomonas Mobilis 17 Bảng 2.6: Glucose fructose 19 Bảng 3.1: Tỉ lệ thành phẩn nguyên liệu cho vào thiết bị lên men 27 Bảng 4.1: Cơng thức tính tốn lượng nhiệt trước sau lên men 31 Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ iii Đồ Án CNHH GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 2.1: Cấu trúc lignocellulose .5 Hình 2.2: Cơng thức hóa học cellulose .5 Hình 2.3: Mơ hình Fringed Fibrillar mơ hình chuỗi gập Hình 2.4: Cấu trúc hóa học hemicellulose Hình 2.5: Vị trí nhóm hemicellulose Hình 2.6: Một số ví dụ chất trích ly (a) abietic acid (oleoresin); (b)cathechin (flavonoid); (c) palmitic acid (acid béo) 12 Hình 2.7: Cơ chế trình thủy phân 13 Hình 2.8: Quá trình đường phân 15 Hình 2.9: Con đường Entner – Doudoroff 18 Hình 2.10: Cân chung đường KDPG 18 Hình 3.1: Quy trình sản xuất ethanol từ ligocllulose 24 Hình 3.2: Thiết bị lên men 28 Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ iv Đồ Án CNHH GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC BẢNG iii DANH SÁCH HÌNH ẢNH iv CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tình hình sản xuất sử dụng ethanol sinh học giới CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU 2.1 Tổng quan rơm rạ 2.2 Cấu trúc rơm rạ 2.2.1 Cellulose 2.2.2 Hemicellulose 2.2.4 Các chất trích ly 11 2.2.5 Tro 12 2.3 Cơ chế trình thủy phân rơm rạ 13 2.4 Nguyên liệu men giống 14 2.4.1 Cơ sở lý thuyết 14 2.4.2 Tổng quan vi khuẩn Zymomonas Mobilis 15 CHƯƠNG QUY TRÌNH LÊN MEN 22 3.1 Lựa chọn phương pháp lên men 22 3.2 Quy trình sản xuất Ethanol từ rơm rạ 24 3.3Tỉ lệ thành phần nguyên liệu cho vào thiết bị lên men 27 3.4 Thiết bị lên men 27 3.4.1Lựa chọn thiết bị 27 3.4.2 Đo lường thiết bị lên men 28 CHƯƠNG THIẾT KẾ, TÍNH TỐN THIẾT BỊ LÊN MEN 30 4.1Cân vật chất lượng 30 4.1.1Cân vật chất 30 4.1.2Cân lượng 31 4.2Tính tốn thiết kế thiết bị 34 4.2.1Tính tốn thể tích thiết bị lên men (V) 34 Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ v Đồ Án CNHH GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt 4.2.2Tính chiều dày vách, nắp, đáy, chân đỡ thiết bị: 35 4.2.3 Tính tốn hệ thống khuấy: 40 4.4 Tính toán nhập liệu…………………………………………………………….45 4.4 Chọn bơm nhập liệu 46 4.5 Chọn bơm tháo liệu 48 CHƯƠNG KẾT LUẬN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ vi Đồ Án CNHH GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Theo nhà nghiên cứu thuộc Đại học California, với trữ lượng dầu mỏ toàn cầu 1,332 tỷ thùng ( ước tính năm 2008), mức tiêu thụ 85,22 triệu thùng/ngày tăng 1,3% năm, dầu mỏ cạn kiệt vào năm 2041 chậm vào năm 2054 Trong đó, theo tính tốn nhà nghiên cứu, nguồn lượng chỗ dầu mỏ sớm vào năm 2140 Trong nguồn lượng thay dầu mỏ sử dụng ( lượng gió, lượng mặt trời, lượng hạt nhân, ) lượng sinh học xu phát triển tất yếu, nước nông nghiệp nhập ngun liệu, lợi ích như: công nghệ sản xuất không phức tạp, tận dụng nguồn nguyên liệu chổ,tăng hiệu kinh tế nông nghiệp, không cần thay đổi cấu trúc động sở hạ tầng có giá thành cạnh tranh so với xăng dầu Trong tương lai, nguồn nhiên liệu truyền thống cạn kiệt, lượng sinh học (NLSH) có khả nguồn thay Hiện nguồn nhiên liệu sinh học nghiên cứu sử dụng rộng rãi bioethanol Có nhiều ngun ngun liệu để sản xuất ethanol ngơ, mía, khoai mì, gạo… nhiên việc sử dụng nguồn ngun liệu gây khơng tranh cãi xoay quanh vấn đề an ninh lương thực giới Vì vậy, người ta quay sang hướng nghiên cứu bắt đầu chuyển sang rơm rạ nguồn nguyên liệu tiềm cho nhu cầu lượng tương lai Rơm rạ nguyên liệu dồi lignocellulose giới Về tổng sản lượng, lúa trồng quan trọng thứ ba sau lúa mì ngơ Theo thống kê FAO, sản xuất lúa gạo trung bình giới năm 2007 khoảng 650 triệu Vừa tận dụng phế phẩm nông nghiệp, làm giảm ô nhiễm môi trường việc đốt rơm rạ hàng năm giới, không ảnh hưởng đến lương thực giới Rơm rạ nguồn nguyên liệu phổ biến khắp giới 1.2 Tình hình sản xuất sử dụng ethanol sinh học giới Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ Đồ Án CNHH GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt Theo báo cáo F.O.Licht Bioethanol sử dụng làm nhiên liệu đốt từ năm 1860 nha 2khoa học Nicolas Otto ( Đức) khám phá Đến năm 1930 Mỹ, Braxin, Anh, Pháp, Đức, Ý… Đã bắt đầu sử dụng Bioethanol thay xăng Nhưng trào lưu thực bùng nổ vào năm 1970 nguồn nhiên liệu dầu mỏ bị khủng hoảng nguồn cung ứng Các nước sản xuất Bioethanol lớn Braxin, Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ, Pháp chiếm 84% sản lượng Bioethanol nhiên liệu toàn cầu năm 2005 Năm 2006, sản lượng Bioethanol sử dụng giới 50 tỷ lít, Bioethanol nhiên liệu 38,5 tỷ lít ( chiếm 77%), Bioethanol cơng nghiệp tỷ lít ( chiếm 8%), Bioethanol cho đồ uống 7,5 tỷ lít (chiếm 15%) Bảng 1.1: Tình hình sản xuất Bioethanol quốc gia qua năm Quốc gia Số lít sản xuất năm BRAXIN 20,5 tỷ lít MỸ 22,3 tỷ lít EU 341.250.000 lít TRUNG QUỐC 3,8 tỷ lít ẤN ĐỘ 1,7 tỷ lít ( Nguồn: http://www.asiacreative.vn/tinh-hinh-san-xuat-va-tieu-thu-ethanol-tren-thegioi) Hiện Việt Nam có nghiên cứu bước đầu Ethanol sinh học từ phụ phẩm nơng nghiệp có kết khả quan như: “ Nghiên cứu sản xuất ethanol từ nhiên liệu rơm rạ” ( Trần Diệu Lý – 2008), “ Nghiên cứu sản xuất ethanol từ phụ phẩm nông nghiệp” (Nguyễn Thị Hằng Nga – 2009), “Ngiên cứu trình sản xuất ethanol từ rơm rạ với bổ sung hệ thống enzyme thủy phân điều kiện tối ưu cho trình lên men cồn nấm men Picha Stipis” ( Nguyễn Thị Ngọc Liễu – 2010) Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ Đồ Án CNHH GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU 2.1 Tổng quan rơm rạ Nguồn rơm rạ tình hình sử dụng rơm rạ Việt Nam Sản lượng lương thực cao đồng nghĩa với việc nước ta có nguồn phế phẩm dồi Trung bình để tạo gạo thải 1,2 rơm rạ Sản lượng rơm rạ hàng năm thải khoảng 48 triệu Số liệu thống kê hàng năm trình bày theo bảng bên Bảng 2.1: Thống kê sản lượng lúa nước từ năm 2000 – 2010 Sản lượng Năm Cả năm Đông Xuân Hè Thu Lúa mùa 2000 32529,5 15571,2 8625,0 8333,3 2001 32108,4 15474,4 8328,4 8305,6 2002 34447,2 16719,6 9188,7 8538,9 2003 34568,8 16822,7 9400,8 8345,3 2004 36148,9 17078,0 10430,9 8640,0 2005 35832,9 17331,6 10436,2 8065,1 2006 35849,5 17588,2 9693,9 8567,4 2007 35942,7 17024,1 10140,8 8777,8 2008 38729,8 18326,9 11395,7 9007,2 2009 38950,2 18695,8 11212,2 9042,2 2010 39988,9 19218,1 11595,7 9175,1 ( Nguồn: tổng cục thống kê Bộ nông nghiệp Phát triển Nông thôn ngày 1/1/2012) Cho đến nay, phần lớn rơm rạ để oai mục ngồi đồng hay đốt chỗ để trả lại khống chất cho đất Phần lại đem làm thức ăn cho gia súc hay nấm làm chất đốt phục vụ nhu cầu đun nấu gia đình 2.2 Cấu trúc rơm rạ Về thành phần hóa học, rơm rạ chủ yếu chứa cellulose 32 – 47 %, hemicellulose 19 – 27 % lignin – 24 %, (Garrote et al, 2002; Maiorella, 1983; Saha, 2003; Zamora Crispin, năm 1995) Trong hemicellulose pentoses chiếm ưu thế, xylose đường quan trọng chiếm 14,8 - 20,2 % (Maiorella, 1983; Roberto cộng sự, 2003) Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ Đồ Án CNHH GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt  Bích liền: phận nối liền với thiết bị ( hàn, đúc rèn) Loại bích chủ yếu sử dụng cho thiết bị làm việc với áp suất thấp trung bình  Bích tự do: chủ yếu dùng nối ống dẫn làm việc nhiệt độ cao, để nối phận kim loại màu hợp kim chúng, đặc biệt cần làm mặt bích vật liệu bền thiết bị  Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc áp suất cao Do thiết bị hoạt động áp suất trung bình nên ta chọn loại bích liền làm thép để nối phận thiết bị Chọn bích ghép thân , đáy nắp thép X18H10T Tra bảng XIII.27 Sổ tay trình thiết bị tập Với đường kính thiết bị 2400mm, áp suất 1,6 10 N/m2 , cho kiểu bích liền số Ta được: D=2680mm, Db=2580mm, DI=2520mm, bu lơng M48 Z=56, h=61mm, H=99mm, SI=22 Vậy số bích ghép thân- đáy- nắp 56 bích Dộ kín mối ghép bích chủ yếu vật đệm định Dệm làm cách làm đày lên chỗ gồ ghề bề mặt bích Vậy để đảm bảo độ kín cho thiết bị ta chọn đệm có D2 =2454mm, D4=2430mm  Chân đỡ Khối lượng bích ghép thân ( thép X18H10T có  = 7900(kg/m3) m1 = π/4 ( D2 - Dt ).h. = π/4 (2,68 – 2,4 2) 0,61 7900 = 538kg khối lượng thân thiết bị ( thép CT3 ;  = 7850 kg/m3) m2 = π/4 ( Dng2 - Dt ).h. = π/4 (2,553 – 2,41 ) 7,23 7850 = 31635,75kg khối lượng nắp đáy m3 = Sđáy  A = 0,016 7850 (π 1,2 0,6 ) = 286,47kg Khối lượng toàn thiết bị Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 38 Đồ Án CNHH GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt M = m1 + m2 + m3 = 32460,22kg Suy trọng lượng thiết bị P = m.g = 32460,22 9,81 = 318434,76 N  Chân đỡ thiết bị Thiết bị đỡ chân Tải trọng cho phép chân : GC = P/4 = 318434,76/4 =79608 N Các kích thước chân đỡ bảng XIII.35 (tính mm) L= 320mm , B = 265mm, B1 = 270mm, B2 = 400mm, H = 500mm, h= 275mm, s = 22mm, l = 120mm, d= 34mm 4.2.3 Tính tốn hệ thống khuấy  Ta có độ nhớ môi trường làm việc dựa công thức: 𝜇 = (1,2 + 0,046 ∗ 𝐵 − 0,0014 ∗ 𝐵 ∗ 𝑡) ∗ 10 −3 Với B: nồng độ phần trăm (%) t: nhiệt độ môi trường (0 C) suy ra: 𝜇 = (1,2 + 0,046 ∗ 13 − 0,0014 ∗ 13 ∗ 30) ∗ 10 = 1,252 ∗ 10 −3 Khối lượng riêng 𝜌 = 1068,27 𝑘𝑔/𝑚3  Đường kính cánh khuấy: 𝑑𝑘 = 𝐷 = 0,8𝑚 Chọn cánh khuấy mái chèo tua bin cánh thẳng ( dựa “ Các trình thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm tập 2) Bảng 6.2; 6.3 𝐻 𝑑𝑘 = 3; 𝐷 𝑑𝑘 = 3; 𝑆 𝑑𝑘 = 0,33 Số Renoyl 𝐴 = 6,8; 𝑚 = 0,2; 𝑎 = 1; 𝑏 = 40 𝑅𝑒𝑚 = 𝜌 ∗ 𝑛 ∗ 𝑑2 𝜇 Với n: số vòng quay ( vòng/s) Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 39 Đồ Án CNHH GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt 𝑛= 𝜔 𝜋 ∗ 𝑑𝑘 𝑚 𝜔: 𝑣ậ𝑛 𝑡ố𝑐 𝑞𝑢𝑎𝑦 ( ) 𝑠 Tuabin có 𝜔 = 1,5 ÷ 2,0 Chọn 𝜔 = 2,0 Ta có 𝑛 = 𝑚 𝑠 𝑚 𝑠 𝜋∗0,8 = 0,8 𝑅𝑒𝑚 = 𝑣ò𝑛𝑔 𝑠 = 48 𝑣ò𝑛𝑔 𝑝ℎú𝑡 1068,27 ∗ 0,8 ∗ 0,82 1,252 ∗ 10 −3 = 4.37 ∗ 105 𝑅𝑒𝑚 > ∗ 104 → 𝐸𝑣𝑀 = 𝐴  Phương trình cơng suất: 𝑁𝑀 = 𝐴 ∗ 𝜌 ∗ 𝑛3 ∗ 𝑑 ∗ ( 𝑛2 ∗ 𝑑 𝑔 )∗ 𝑎 − log 𝑅𝑒𝑀 𝑏 0,82 ∗ 0,8 − log(4,37 ∗ 105 ) )∗ = 6,8 ∗ 1068,26 ∗ 0,8 ∗ 0,8 ∗ ( 9,81 40 = 1716,66 𝑊  Cơng thức tính tốn cho trục khuấy trộn: 𝑁𝑝 = 𝑘1 ∗ 𝑘2 ∗ (∑ 𝑘 + 1) ∗ 𝑁𝑀 Với k1: hệ số chứa đầy, k2: hệ số có tính đến tăng cơng suất tăng sức cản mơi trường q trình phát triển môi trường ( k2=1,1) ∑ 𝑘 : hệ số tính đến tăng cơng suất để vượt thắng sức cản gây cấu phụ ∑ 𝑘 = 𝑘𝑛 + 𝑘𝑀 + 𝑘 𝑇 kn : hệ số cản vách ngăn phản xạ ( kn=1,5) kM: hệ số cản khung trộn ( kM=0,2) Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 40 Đồ Án CNHH GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt kT : hệ số cản ống lót trục ( kT =0,3) ∑ 𝑘 = 1,5 + 0,2 + 0,3 = 2,0 Suy ra: 𝑁𝑝 = 0,65 ∗ 1,1 ∗ (2 + 1) ∗ 1716,66 = 3682,24 𝑊 Đường kính trục dẫn máy khuấy: 𝑑𝐵 = 1,7 ∗ √ 𝑀𝑥 𝜏𝑐𝑝 Với Mx : momen xoắn 𝜏𝑐𝑝: ứng suất tiếp cho phép vật liệu CM: hiệu chỉnh rò rỉ 𝑀𝑥 = 0,163 ∗ 𝑁𝑝 𝑛 = 0,163 ∗ 3682,24 2,6 = 230,85 𝑁/𝑚 Trục chế tạo thép CT45 Giới hạn bền 𝜎𝑏 = 610 ∗ 106 𝑁 𝑚2 , hệ số an toàn n=2,6 Ứng suất cho phép: [𝜎] = 𝜎𝑏 𝑛 = 234,6 ∗ 106 𝑁/𝑚2 Ứng suất tiếp cho phép:[𝜏] = 0,6 ∗ [𝜎] Ứng suất cho phép trục cấu khuấy: [𝜏′]𝑐𝑝 = 0,5 ∗ [𝜏] = 0,5 ∗ 0,6 ∗ [𝜎] = 70,38 ∗ 106 𝑁/𝑚2 Suy ra: 𝑑𝐵 = 1,7 ∗ √ 230,85 70,38∗106 = 0,025𝑚 = 2,53𝑐𝑚 Để đảm bảo độ bền cần lấy tích dB với hệ số 1,25 Suy 𝑑 ′ 𝐵 = 𝑑𝐵 ∗ 1,25 = 3,16𝑐𝑚 Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 41 Đồ Án CNHH GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt Đường kính đoạn trục nằm cao tuabin nhỏ phía 𝑑 ′′𝐵 = 1,07 ∗ 𝑑 ′ 𝐵 = 3,38𝑐𝑚 Bề dày miếng đệm vòng chắn dầu (m) với: 𝑆𝑐 = 0,044 ∗ √𝑑 ′′𝐵 = 8,09 ∗ 10 −3 = 8,1𝑚𝑚 𝑑′′𝐵 : đường kính trục (m) Chiều cao miếng đệm: ℎ𝑐 = 6𝑆𝑐 = 48,54𝑚𝑚 Công suất để thắng ma sát vòng chắn dầu trục: 𝑁𝑐 = ∗ 𝑛 ∗ 𝑑 𝐵 ∗ 𝑆𝑐 ∗ 𝑃 ∗ ( 𝑒 ℎ 0,1∗𝑆 𝑐 𝑐 − 1) = 1056392,97 𝑊 P: áp suất khí làm việc mức lỏng ( 𝑃 = 105 𝑁/𝑚2 ) Công suất động cơ: 𝑁 = 1,15 ∗ (𝑁𝑝 + 𝑁𝑐 ) 𝜂 = 1741552 ,13 𝑊 ≈ 1,7 𝑀𝑊 Với 𝜂: hiệu suất truyền động (70%) 4.3 Tính tốn nhập liệu  Thể tích hỗn hợp lỏng nhập liệu GF = 18m3  Thời gian bơm nhập liệu :  = 30 phút = 0,5h  Suất lượng thể tích dịng nhập liệu ống QF = 𝐺𝐹  = 18 0,5 = 36 m3/h 4.4 Tính tốn chiều cao bồn cao vị Chọn đường kính ống dẫn nguyên liệu d= 150(mm),độ nhám ống  = 0,1 (mm), chiều dài ống 15 (m)  Dịng nhập liệu có  = 1068,27 kg/m3 Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 42 Đồ Án CNHH GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt µ = 1,25.10 -3N/m.s  Chọn bơm có suất Qb = 36m3/h  Vận tốc dòng nhập liệu ống VF = 4.𝑄𝐹 4.36 = 3600.𝜋.0,152 3600.𝜋.𝑑ℎ = 0, 566(m/s)  Chuẩn số Reynolds dòng nhập liệu ReF = 𝑑.𝜌𝐹 𝑣𝐹 = 𝜇𝐹 0,566 0,15 1068,27 1,252.10−3 = 72441 Theo “ sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hóa chất - tập 1, ta có:  Chuẩn số Reynolds tới hạn : Re gh 𝑑ℎ = ( ) = 25584 𝜀  Chuẩn số Reynolds bắt đàu xuất vùng nhám 𝑑ℎ Ren = 220 ( ) = 823237.88 𝜀 Suy : Re gh < Re < Re n  Khu vực chảy độ  = 0,1 (1,46 𝑑𝜀 + ℎ 100 0,25 ) 𝑅𝑒 = 0,022  Xác định ∑  Hệ số tổn thất dòng nhập liệu qua:  van cầu :  𝑣 = 10 3= 30  chỗ uốn công : 𝑢  lần đột thu :  𝑡1 = 0,5 =  lần đột mở :  𝑚1 Suy ra: = 1,1 = 7,7 = 1= ∑ ℎ =  𝑣 +𝑢 + 𝑡1 + 𝑚1 = 40,7 Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 43 Đồ Án CNHH GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt Vậy tổn thất ống dẫn liệu: 20 h = (0,022 0,15 + 40,7) 0,5662 2.9,81 = 0,7124 (m chất lỏng)  mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị  mặt cắt (2-2) mặt cắt vị trí nhập liệu tháp  Áp dụng phương trình Bernolli cho (1-1) (2-2) z1 + 𝑃1 + 𝑔.𝜌𝐹 𝑣2 2.𝑔 = z2 + 𝑃2 𝑔.𝜌𝐹 + 𝑣2 2.𝑔 + ∑ ℎ𝑓1−2 Với :  z1 : độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, hay xem chiều cao bồn cao vị Hcv = z1  z2 : độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay xem chiều cao từ vị trí nhập liệu tới mặt đất : z2 = hchân đỡ + hbình = 0,5 + 7,23 = 7,73 (m)  p1 : áp suất mặt thoáng (1-1) , chọn p1 = 1at  p2 : áp suất mặt thoáng (2-2) chọn p2 = 1at  v1 : vận tốc mặt thoáng (1-1) , xem v1 = (m/s)  v2 : vận tốc vị trí nhập liệu , v2 = vF = 0,566 (m/s)  ∑ ℎ𝑓1−2 tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2) ∑ ℎ𝑓1−2 = h = 0,7124 (m)  Vậy chiều cao bồn cao vị Hcv = z2 + = 7,73 + 𝑝2 −𝑝1 𝜌𝐹 𝑔 0,5662 2.9,81 + 𝑣2 −𝑣1 2.𝑔 + ∑ ℎ𝑓1−2 + 0,7124 = 8,46 m  Chọn cao vị 10m Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 44 Đồ Án CNHH GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt 4.5 Chọn bơm nhập liệu Chọn bơm nhập liệu có suất 3,6m3/h Đường kính ống hút đẩy d = 150(mm) Nhiệt độ trung bình nhập liệu 30 C  = 1068,27 kg/m3 µ = 1,25.10 -3N/m.s Vận tốc dòng nhập liệu ống hút đẩy Vh = vd = 4.𝑄𝑏 4.36 = 3600.𝜋.0,152 = 0,566(m/s) 3600.𝜋.𝑑 ℎ Với - 𝑙ℎ : chiều dài ống hút chọn lh = 1,5 (m) - 𝑙𝑑 : chiều dài ống đẩy chọn ld = 11,5 (m) - ∑  : tổng tổn thất cục ống hút ℎ - ∑  : tổng tổn thất cục ống đẩy 𝑑 -  : hệ số ma sát ống hút ống đẩy Chuẩn số Reynolds dòng tháo liệu ReT = 𝑑.𝜌𝑇 𝑣𝑇 𝜇𝑇 = 0,566 0,15 1068 1,25 10−3 = 72538,56 Theo “ sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất - tập Chuẩn số Reynolds tới hạn : Re gh 𝑑ℎ = ( ) = 25584,08 𝜀 Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám 𝑑ℎ Ren = 220 ( ) = 823237,88 𝜀 Suy : Re gh < Re < Re n  Khu vực chảy độ Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 45 Đồ Án CNHH GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt  = 0,1 (1,46 𝑑𝜀 100 0,25 + 𝑅𝑒 ℎ ) = 0,022  Xác định ∑  ℎ Hệ số tổn thất cục ống hút qua :  vh = 10 - van cầu - lần vào miệng thu nhỏ  t = 0,5 suy : ∑  ℎ =  vh +  t = 10,5  Xác đinh ∑  𝑑 Hệ số tổn thất cục ống đẩy qua  van cầu : : = 10  lần uốn cong :  u = 1,1 = 3,3 Suy ∑  𝑑 =  vd +  u = 13,3  Vậy tổn thất ống hút ống đẩy: hhd = (0,022 1,5+11,5 0,15 + 10,5 + 13,3) 0,5662 9,81 = 0,417 Chọn: Mặt cắt (1-1) mặt thoáng chất lỏng bồn chứa nguyên liệu Mặt cắt (2-2) mặt thoáng chất lỏng bồn cao vị Áp dụng phương trình Bernolli cho (1-1) (2-2): z1 + 𝑃1 𝑔.𝜌𝐹 + 𝑣2 2.𝑔 + Hb = z2 + 𝑃2 𝑔.𝜌𝐹 + 𝑣2 2.𝑔 + ∑ ℎ𝑓1−2  z1 : độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất  z2 : độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất  p1: áp suất mặt thoáng (1-1), chọn p1= 1at  p2: áp suất tai mặt thoáng (2-2), chọn p2=1at Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 46 Đồ Án CNHH GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt  v1, v2: vận tốc mặt thoáng (1-1) đến (2-2), xem v1= v2=0 (m/s)  ∑ ℎ𝑓1−2 : tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2)  Hb : cột áp bơm Suy : Hb = ( z2- z1) + hhd = Hcv + hhd = 10,42m Chọn hiệu suất bơm 80% 𝑄𝑏 𝐻𝑏 𝜌𝐹 𝑔 Công suất thực tế bơm Nb = 3600 0,8 = 36 10,42 1068,27 9,81 3600 0,8 = 1364,64 (W) 4.6 Chọn bơm tháo liệu Lưu lượng dòng nhập liệu 36 m3/h Chọn bơm có cơng suất 36 m3 /h đường kính ống hút đẩy 150(mm) Dịng tháo liệu có nhiệt độ trung bình 30 oC Các tính chất dịch sản phẩm:  Khối lượng riêng  = 964,2 (kg/m3)  Độ nhớt động lực µ = 1,772.10 -3 (N/m2s) Vận tốc dịng tháo liệu VT = 4.𝑄𝑇 3600.𝜋.𝑑ℎ2 = 4.36 3600.𝜋.0,152 = 0,566 (m/s) Tổng trở lực ống hút đẩy Hhd = ( 𝑙ℎ +𝑙𝑑 𝑑ℎ𝑑 + ∑  ℎ + ∑ 𝑑 ) 𝑉𝑇2 2.𝑔 Với - 𝑙ℎ : chiều dài ống hút chọn lh = 1,5 (m) Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 47 Đồ Án CNHH GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt - 𝑙𝑑 : chiều dài ống đẩy chọn ld = 11,5 (m) - ∑  : tổng tổn thất cục ống hút ℎ - ∑  : tổng tổn thất cục ống đẩy 𝑑 -  : hệ số ma sát ống hút ống đẩy Chuẩn số Reynolds dòng tháo liệu ReT = 𝑑.𝜌𝑇 𝑣𝑇 𝜇𝑇 0,566 0,15 964,2 = 1,772 10−3 = 46196,72 Theo “ sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất - tập Chuẩn số Reynolds tới hạn : Re gh 𝑑ℎ = ( ) = 25584 𝜀 Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám 𝑑ℎ Ren = 220 ( ) = 823237.88 𝜀 Suy : Re gh < Re < Re n Khu vực chảy độ  = 0,1 (1,46 𝑑𝜀 + ℎ 100 0,25 𝑅𝑒 ) = 0,024 Xác định ∑  ℎ Hệ số tổn thất cục ống hút qua  van cầu : vh = 10  lần vào miệng thu nhỏ  t = 0,5  lần uốn góc :  u = 1,1 suy : ∑  ℎ =  vh +  t = 10,5  Xác đinh ∑  𝑑 Hệ số tổn thất cục ống đẩy qua Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 48 Đồ Án CNHH GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt  van cầu : : = 10  lần uốn cong :  u = 1,1 = 3,3  lần đột mở : m = Suy ∑  𝑑 =  vd +  u +  m = 14,3  Vậy tổn thất ống hút ống đẩy: hhd = (0,024 1,5+11,5 0,15 + 10,5 + 14,3) 0,5662 9,81 = 0,439 Chọn: Mặt cắt (1-1) đáy chất lỏng bồn lên men Mặt cắt (2-2) mặt thoáng chất lỏng bồn chứa sản phẩm Áp dụng phương trình Bernolli cho (1-1) (2-2): z1 + 𝑃1 𝑔.𝜌 + 𝑣2 2.𝑔 + Hb = z2 + 𝑃2 𝑔.𝜌 + 𝑣22 2.𝑔 + ∑ ℎ𝑓1−2  z1 : độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất  z2 : độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất  p1: áp suất mặt thoáng (1-1), chọn p1= 1,4 106 𝑁/𝑚2  p2: áp suất tai mặt thoáng (2-2), chọn p2=1at = 101325 N/m2  v1, v2: vận tốc mặt thoáng (1-1) đến (2-2), xem v1= v2=0 (m/s)  ∑ ℎ𝑓1−2 : tổng tổn thất ống từ (1-1) đến (2-2)  Hb : cột áp bơm Suy : Hb = ( z2 - z1 )+ 𝑝 2−𝑝1 𝜌.𝑔 hhd Do áp suất bồn lên men lớn nhiều so với áp suất bồn chứa sản phẩm nên ta không cần dùng đến bơm Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 49 Đồ Án CNHH GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt CHƯƠNG KẾT LUẬN Sau trình tìm hiểu tính tốn thiết kế thiết bị lên men Ethanol sinh học từ rơm rạ, chúng em thiết kế hệ thống lên men dịch đường sau thủy phân theo phương pháp ni cấy chìm dạng mẻ đưa đặc tính kĩ thuật thiết bị ( bồn lên men) với thơng số cho ban đầu:  Thể tích nhập liệu: 𝑉 = 20𝑚3  Nhiệt độ lên men: 𝑇 = 41 0C  Thời gian lưu: 36  Nhiệt độ: 30 C  Hàm lượng men: 10% tổng dịch đường lên men  Thiết bị chính: Bồn lên men  Chọn vật liệu thép CT  Thể tích thiết bị: 𝑉 = 31𝑚3  Chiều cao bồn lên men: 7,23m  Đường kính thiết bị: 2,41m  Chiều dày vách: 1,43cm  Chiều dày đáy nắp elip: 16mm  Hệ thống khuấy  Độ nhớ dung dịch:𝜇 = 1,252 ∗ 10 −3  Chọn cánh khuấy tuabin cánh thẳng  Đường kính cánh khuấy: 0,8m  Số vòng quay: 48 vòng/phút  Cơng suất trục khuấy trộn: 3682,24 W  Đường kính trục dẫn máy khuấy: 3,16cm  Đường kính trục nằm cao tuabin nhỏ phía dưới: 3,38cm  Bề dày miếng đệm vòng chắn dầu: 8,1cm  Bơm nhập liệu:  Vận tốc dòng nhập liệu ống hút ,đẩy: 0,566 (m/s)  Công suất bơm thực tế: 1364,64 W Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 50 Đồ Án CNHH GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Võ Văn Ban, Vũ Bá Minh – Q trình thiết bị cơng nghệ hóa học, truyền khối tập – Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh [2] Sổ tay q trình thiết bị tập II – Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2006 [3] Hồ Lê Viên, “ Thiết kế tính tốn chi tiết thiết bị hóa chất”, nhà xuất giáo dục, 1978 [4] Bài giảng truyền nhiệt truyền khối – PGS TS Trương Vĩnh – Trưởng BM Cơng Nghệ Hóa Học – Trường ĐH Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh [5] http://doc.edu.vn/tai-lieu/do-an-nghien-cuu-sane-xuat-phan-compost-tu-vo- ca-phe-11557 [6].http://www.slideshare.net/luongnguyenthanh/nghin-cu-sn-xut-ethanol-turom-ra [7] http://doan.edu.vn/do-an/de-tai-len-men-ethanol-voi-vi-khuan-zymomonas- mobilis-25524/ [8] http://d3.violet.vn/uploads/previews/561/2252381/preview.swf [9] https://cdtp4.files.wordpress.com/2011/10/chuong-5_len-men.pdf [10] “ Các q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm, tập II” – Nguyễn Pin [11] “Giáo trình công nghệ lên men” – PGS.Ts Lưu Đức Phẩm Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 51 Đồ Án CNHH Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt 52 ... lượng 31 4.2Tính tốn thiết kế thiết bị 34 4.2.1Tính tốn thể tích thiết bị lên men (V) 34 Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ v Đồ Án CNHH GVHD: Th.S Nguyễn Bảo... trường lên men (0C)  pH : đo pH dịch lên men  Oxy : đo hàm lượng oxy hòa tan dịch lên men (%) Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 29 Đồ Án CNHH GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt CHƯƠNG THIẾT KẾ,... 275000 W = 275KW 4.2 Tính tốn thiết kế thiết bị Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ 33 Đồ Án CNHH GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt 4.2.1 Tính tốn thể tích thiết bị lên men (V) 