Thiết kế hệ thống chưng cất cồn

Tính toán thiết kế hệ thống chưng cất cồn năng suất 13000 lítngày. Nồng độ sản phẩm 92%V, nồng độ xả đáy 0,03%V, nồng độ nguyên liệu 35%V. , dạng tháp chóp, chưng cất liên tục tại áp suất thường; đồ án chuyên ngành ĐH Bách Khoa Hà Nội, có file vẽ CAD hệ hống

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC – CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BỘ MÔN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNSH- CNTP ĐỒ ÁN BỘ MƠN Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CNTP I ĐỀ TÀI: Tính tốn, thiết kế hệ thống chưng cất cồn suất 13000 lít/ngày Nồng độ sản phẩm 92%V, nồng độ xả đáy 0,03%V, nồng độ nguyên liệu 35%V Giảng viên hướng dẫn : TS Nguyễn Ngọc Hoàng Sinh viên thực : Nguyễn Đức Long Lớp : KTTP 03-K63 MSSV : 20180494 Hà Nội, 2021 [2] Mục lục Mục lục .3 Danh mục hình vẽ: Danh mục bảng biểu: Chương 1: Tổng quan đề tài 1.1 Tổng quan 1.1.1 Ethanol – Rượu Etylic – Cồn đời sống .6 1.1.2 Thực trạng phát triển ngành CN sản xuất cồn .7 1.1.3 Kết luận 1.2 Cơ sở lý thuyết 1.2.1 Tính chất .9 1.2.2 Các phương pháp nâng cao độ tinh khiết sản phẩm – Chưng cất 12 Phân loại phương pháp chưng cất .13 Các thiết bị chưng cất 13 Chương 2: Quy trình cơng nghệ chưng cất rượu – cồn 16 2.1 Sơ đồ quy trình sản xuất 16 2.2 Thuyết minh dây chuyền sản xuất 17 2.3 Nguyên tắc chuyển khối xảy tháp: 18 2.4 Phương trình đường làm việc tháp chưng luyện 19 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT BỊ 21 3.1 Kí hiệu thông số ban đầu 21 3.1.1 Giả thiết 21 3.1.2 Số liệu ban đầu 21 3.1.3 Kí hiệu 21 3.2 Quy đổi 22 3.3 Tính tốn cân vật liệu tháp chưng cất liên tục .22 3.3.1 Tính cân vật liệu 22 3.3.2 Xác định số hồi lưu thích hợp 23 3.4 Xác định số đĩa thực tế 25 3.5 Xác định đường kính tháp .27 3.5.1 Tính lượng trung bình tháp 27 3.5.2 Tính khối lượng riêng trung bình .30 [3] 3.5.3 Tốc độ tháp 32 3.5.4 Đường kính đoạn chưng, đoạn luyện .33 3.6 Vận tốc thực tế tháp 33 3.7 Chiều cao tháp 33 3.8 Nắp đáy tháp 34 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN CƠ KHÍ VÀ LỰA CHỌN 35 4.1 Tính số chóp kích thước chóp 35 4.1.1 Số chóp phân bố đĩa 35 4.1.2 Kích thước chóp .35 Chiều cao ống chảy truyền nhô lên đĩa 39 4.2 Chọn mặt bích, vịng đệm, tai treo chân đỡ 40 4.2.1 Chọn mặt bích 40 4.2.2 Chọn đệm 41 4.2.3 Chọn tai treo, chân đỡ 42 4.3 Tính đường kính ống dẫn 42 4.3.1 Ống chảy chuyền 42 4.3.2 Ống dẫn hỗn hợp đầu vào tháp 43 4.3.3 Ống dẫn đỉnh tháp 43 4.3.4 Ống sản phẩm đáy 44 4.3.5 Ống dẫn lỏng ngưng tụ hồi lưu 45 4.4 Diện tích làm việc đĩa .46 CHƯƠNG 5: TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT .47 5.1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hơp đầu 47 5.1.1 Nhiệt lượng đốt mang vào .47 5.1.2 Nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang vào 47 5.1.3 Nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang .48 5.1.4 Nhiệt lượng nước ngưng mang .49 5.1.5 Nhiệt lượng môi trường xung quanh .49 5.1.6 Lượng đốt cần thiết 49 5.2 Tháp chưng luyện 49 5.2.1 Nhiệt lượng đốt mang vào tháp .50 5.2.2 Nhiệt lượng lượng lỏng hồi lưu mang vào 50 5.2.3 Nhiệt lượng mang đỉnh tháp 51 5.2.4 Nhiệt lượng sản phẩm đáy mang .52 [4] 5.2.5 Nhiệt lượng nước ngưng mang .52 5.2.6 Nhiệt lượng môi trường xung quanh .52 5.2.7 Lượng đốt cần thiết 53 5.3 Thiết bị ngưng tụ .53 5.4 Thiết bị làm lạnh .54 TỔNG KẾT 55 Phụ lục 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 Danh mục hình vẽ: Hình 1: Tiêu thụ rượu bia Việt Nam Hình 2: Mơ hình phân tử Etanol .9 Hình 3: Mơ hình phân tử nước 10 Hình 4: Sơ đồ trình chưng luyện cồn .15 Hình 5: Dịng vật chất & q trình chuyển khối tháp chóp 17 Hình 6: Sơ đồ dòng vật chất tháp chưng luyện 22 Hình 7: Mặt bích thép, kiểu I 39 Hình 8: Đệm bích thân tháp 40 Danh mục bảng biểu: Biểu đồ 1: Đồ thị nhiệt độ sôi hỗn hợp ethanol-nước 12 Biểu đồ 2: Đồ thị đường làm việc tháp chưng luyện cồn 18 Bảng 1: Ưu nhược điểm thiết bị chưng cất cồn phổ biến 15 Bảng 2: Kí hiệu thiết bị sơ đồ chưng luyện cồn .17 Bảng 3: Quy đổi nồng độ cồn đỉnh, đáy, nhập liệu 22 Bảng 4: Bảng nồng độ phần mol pha lỏng - pha tương ứng .24 Bảng 5: Bảng kết xác định hệ số N(Rx+1) 25 Bảng 6: Bảng thơng số kích thước bích thân tháp 40 Bảng 7: Thông số kích thước đệm bích thân tháp 41 [5] Chương 1: Tổng quan đề tài 1.1 Tổng quan 1.1.1 Ethanol – Rượu Etylic – Cồn đời sống Ethanol(C2H5OH), biết đến rượu etylic, ancol etylic, rượu ngũ cốc hay cồn, hợp chất hữu nằm dãy đồng đẳng ancol, dễ cháy, không màu, rượu thơng thường có thành phần đồ uống chứa cồn Trong cách nói dân dã, thơng thường nhắc đến cách đơn giản rượu Là thành phần thiếu lịch sử phát triển ẩm thực nhân loại, rượu etylic phát di tích khảo cổ từ xấp xỉ vạn năm trước Điều cho thấy tầm quan trọng hợp chất hóa học sống người Thật vậy, ngày ta nhìn nhận cách tổng quát đầy đủ ứng dụng mà rượu etylic mang lại: Với ngành công nghiệp thực phẩm - Là thành phần thay đồ uống chứa cồn: Trong ngành sản xuất đồ uống, loại cồn sử dụng rượu Etylic nguyên chất, khơng chứa tạp chất (metylic, aldehyde,…) có mặt tạp chất với nồng độ cho phép Đa phần rượu etylic có mặt sản phẩm đồ uống có cồn thu từ q trình lên men ngũ cốc hay trái chín – với tên gọi cồn thực phẩm Với nồng độ cồn đa dạng: Bia: nồng độ cồn rời vào khoảng từ 3% -13%, thông thường khoảng 4% - 7% Bia Lager loại phổ biến với khoảng 5% nồng độ cồn Rượu: nồng độ cồn trung bình rượu vang 12%, vodka, whisky hay rum 40% nhiên có loại rượu có nồng độ cao lên đến đỉnh điểm 96% loại vodka hãng Polmos (Ba Lan) mang tên Spirytus Rektyfikowany - Vua loại rượu Rượu gạo nếp truyền thống Việt Nam sau vừa nấu có nồng độ cồn khoảng 40-55% pha loãng trở thành rượu thành phẩm phân phối thị trường Ngoài sử dụng làm đồ uống, loại rượu, bia, đồ uống chứa cồn xuất thành phần nguyên liệu, làm gia vị cho nhiều ăn độc đáo ẩm thực giới - Sử dụng rộng rãi công nghiệp dược phẩm, mỹ phẩm [6] Là dung mơi an tồn, lành tính, khơng độc hại sức khỏe người tiêu dùng Cồn thực phẩm tan vô hạn nước hịa tan nhiều hợp chất hữu cơ, vô khác nên sử dụng phổ biến nhiều sản phẩm chăm sóc sức khỏe, sắc đẹp: + Làm nguyên liệu, dung môi cho số dược phẩm, thực phẩm chức + Dùng sát khuẩn, sát trùng vết thương dụng cụ y tế + Sử dụng nước hoa, mỹ phẩm loại lăn khử mùi,… Ứng dụng ngành cơng nghiệp hóa học: Cồn công nghiệp cồn Ethanol hai nguyên liệu có nồng độ tạp chất cao, khơng phù hợp sử dụng với mục đích tạo sản phẩm thực phẩm mà sử dụng trực tiếp ngành sản xuất công nghiệp: Cồn công nghiệp dùng chủ yếu công nghiệp in, dệt may, sản xuất mỹ phẩm, dược phẩm công nghiệp điện tử Cồn Ethanol ứng dụng làm dung mơi ngành hóa chất, dùng pha chế đồ uống, dược phẩm, phần lớn dùng để pha xăng (xăng chiếm 90% làm nhiêu liệu đốt cho xe đại) Hiện tại, Việt Nam có nhiều nơi sử dụng thí điểm “Xăng sinh học E5 5% cồn Ethanol” 1.1.2 Thực trạng phát triển ngành CN sản xuất cồn Theo tài liệu tham khảo, thống kê cho thấy tiêu thụ đồ uống có cồn Việt Nam phổ biến bia với xấp xỉ 99.17%(năm 2013) Tổng tiêu thụ đồ uống có cồn thị trường Việt Nam năm 2013 2451,32 triệu lít tương ứng với gần 30 lít/người với mức tăng trưởng trung bình 5% năm làm cho số tăng lên tới 43 lít/người vào năm 2018 – tương ứng với sản lượng 4,2 tỷ lít Giá thành nhóm đồ uống có cồn ngày tăng cao lượng tiêu thụ dấu hiệu giảm cho thấy xu hướng phát triển ngành công nghiệp ngày lên [7] Hình 1: Tiêu thụ rượu bia Việt Nam 1.1.3 Kết luận Dù cồn công nghiệp hay cồn thực phẩm, thành phần chứa cấu tử tan lẫn dễ bay ethanol – C2H5OH nước H2O, nồng độ cồn(alcohol by volume) phần thể tích(ml) C2H5OH chứa 100ml dung dịch hỗn hợp cấu tử điều kiện 20oC, tính theo đơn vị % Loại cồn tinh khiết loại bỏ tối đa tạp chất gây hại cồn thực phẩm với nồng độ 95,6 % khối lượng Có thể thấy, nhiều sản phẩm chứa cồn làm phục vụ cho người mặt đời sống Tùy vào mục đích sử dụng mà sản phẩm kể có chứa nồng độ cồn xác định, khác Để tạo sản phẩm có nồng độ cồn thấp ta đơn giản cần pha lỗng dung dịch có nồng độ cao với nước, muốn thu loại cồn tinh khiết với nồng độ cao, lên tới 70% 80% hay tối đa 95,6% để làm cồn nguyên liệu, sử dụng cho mục đich sản xuất sản phẩm có chất lượng cao hơn, để thu nguồn lợi nhuận lớn đương nhiên ta cần có quy trình cơng nghệ tương ứng Và phương pháp thực tế sử dụng phổ biến để nâng cao nồng độ cồn chưng cất cồn [8] 1.2 Cơ sở lý thuyết 1.2.1 Tính chất a Ethanol Cơng thức hóa học: CH 3−CH 2−OH Khối lượng phân tử 46 đvC Hình 2: Mơ hình phân tử Etanol  Tính chất đáng ý Là chất lỏng tan vô hạn nước, khơng màu, khơng độc, vị cay, có mùi đặc trưng Tính chất hóa học đặc biệt tính tan nước đến từ nhóm hydroxyl(OH) Nhóm chức khiến cho phân tử Ethanol phân cực giúp tạo liên kết Hydro – liên kết yếu đặc trưng phân tử nước, khiến cho Ethanol tan vơ hạn nước  Một số thơng số vật lí + Nhiệt độ sơi 760 mmHg: 78,3oC + Khối lượng riêng: = 810 kg/m3  Phương pháp điều chế etanol quan trọng: + Hydrat hóa etylen với xúc tác H+ H2C=CH2 + H2O  C2H5OH Ethanol để sử dụng công nghiệp thông thường không phù hợp với mục đích làm đồ uống cho người có chứa lượng nhỏ chất độc hại(methanol [9] – gây ngộ độc chuyển hóa thành acid formic) hay gây khó chịu (chẳng hạn denatonium – vị đắng, gây tê) + Lên men Trong công nghiệp, điều chế etanol phương pháp lên men từ nguồn tinh bột, rỉ đường Những năm gần đây, nước ta chủ yếu sử dụng chủng nấm men Sacharomyces cerevisea để lên men tinh bột: C6H12O6 = 2C2H5OH + 2CO2 Q = +28 Kcal Trong đó, 95% nguyên liệu chuyển thành etanol và CO2, 5% chuyển thành sản phẩm phụ: glycerin, methanol, dầu fusel acid hữu cơ… b Nước Cơng thức hóa học H2O Khối lượng phân tử: 18đvC Hình 3: Mơ hình phân tử nước  Tính chất quan trọng Là thành phần sống, nước tinh khiết suốt, không mùi, khơng vị Nước có tính phân cực khả tạo liên kết Hydro nên có khả hịa tan chất có chất Hiện diện khắp nơi, thành phần làm nên sống nên nước dung mơi phổ biến quan trọng Trong dung dịch rượu nước đóng vai trị dung mơi phân cực  Một số thơng số vật lí + Nhiệt độ sơi 760mmHg 100°C, nhiệt độ nóng chảy 0°C + Khối lượng riêng 1000kg/m3 [10]