NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG CHƯNG CẤT ETHANOL CÔNG NGHIỆP

i TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG CHƯNG CẤT ETHANOL CÔNG NGHIỆP GVHD: PGS.TS TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ SVTH : LƯU THÀNH ĐẠT MSSV: 13143605 SVTH: LÂM KỲ PHƯỚC MSSV: 13143597 SVTH: NGUYỄN VĂN VŨ MSSV: 13143542 Khoá : 2013 2017 Ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁYii Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: LƯU THÀNH ĐẠT MSSV: 13143605 LÂM KỲ PHƯỚC NGUYỄN VĂN VŨ Ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY 13143597 13143542 Lớp: 13143CL2 GVHD: PGS.TS TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ ĐT:0909011136 Ngày nhận đề tài: 32017 Ngày nộp đề tài: 72017 1. Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống chưng cất ethanol công nghiệp 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: 3. Nội dung thực hiện đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình tháp 4. Sản phẩm: Mô hình tháp chưng cất ethanol TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc iii KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO NGÀNH: CN CHẾ TẠO MÁY CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Sinh viên 1: LƯU THẢNH ĐẠT ..................................... MSSV: 13143605 ............................... Sinh viên 2: LÂM KỲ PHƯỚC ....................................... MSSV: 13143597 ............................... Sinh viên 3: NGUYỄN VĂN VŨ .................................... MSSV: 13143542 ............................... Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống chưng cất ethanol công nghiệp ................... Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ ................................................ NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài khối lượng thực hiện: ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... 2. Ưu điểm: ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... .....................................................................................................................................................iv ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... 3. Khuyết điểm: ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... 4. Điểm đánh giá cụ thể TT MỤC ĐÁNH GIÁ ĐIỂM TỐI ĐA ĐIỂM ĐẠT ĐƯỢC 1 Hình thức và kết cấu luận án 20 Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục 5 Tính tổng quan, mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 5 Tính cấp thiết của đề tài 5 Phương pháp nghiên cứu 5 2 Nội dung nghiên cứu 80 Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa học xã hội,… để giải quyết vấn đề 10 Khả năng phân tíchtổng hợp 5  Khả năng thực hiện thiết kế và chế tạo hệ thống, máy móc, hoặc thiết bị,…(đối với đề tài theo hướng công nghệ)  Khả năng thực hiện nghiên cứu, đề xuất phương pháp hoặc quy trình,… có tính mới và sáng tạo, đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế (đối với đề tài theo hướng nghiên cứu) 50 Khả năng cải tiến và phát triển đề tài 10v Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành,… 5 3 Điểm thưởng ĐATN có các tiêu chí sau sẽ được công thêm tối đa 20 điểm: 20 Thuyết minh ĐATN viết bằng tiếng Anh 5 ĐATN báo cáo bằng tiếng Anh 5 Kết quả ĐATN viết được 1 bài báo khoa học (Hội nghị, tạp chí chuyên ngành,…) 5 ĐATN được chuyển giao cho công ty (có giấy xác nhận của công ty) 5 Tổng điểm () Nếu > 100 sẽ qui đổi thành 100 điểm 100 Tổng điểm quy đổi (hệ 10) () Nếu > 10 sẽ qui đổi thành 10 điểm 10 5. Đề nghị cho bảo vệ hay không? ...................................................................................................................................... Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20…. Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên)vi KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO NGÀNH: CN CHẾ TẠO MÁY CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Sinh viên 1: LƯU THẢNH ĐẠT...................................... MSSV: 13143605 ............................... Sinh viên 2: LÂM KỲ PHƯỚC ........................................ MSSV: 13143597 ............................... Sinh viên 3: NGUYỄN VĂN VŨ ..................................... MSSV: 13143542 ............................... Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống chưng cất ethanol công nghiệp................... Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ ................................................ NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài khối lượng thực hiện: ................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................. 2. Ưu điểm: ................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................vii ................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................. 3. Khuyết điểm: ................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................. 4. Điểm đánh giá cụ thể TT MỤC ĐÁNH GIÁ ĐIỂM TỐI ĐA ĐIỂM ĐẠT ĐƯỢC 1 Hình thức và kết cấu luận án 20 Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục 5 Tính tổng quan, mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 5 Tính cấp thiết của đề tài 5 Phương pháp nghiên cứu 5 2 Nội dung nghiên cứu 80 Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa học xã hội,… để giải quyết vấn đề 10 Khả năng phân tíchtổng hợp 5  Khả năng thực hiện thiết kế và chế tạo hệ thống, máy móc, hoặc thiết bị,…(đối với đề tài theo hướng công nghệ)  Khả năng thực hiện nghiên cứu, đề xuất phương pháp hoặc quy trình,… có tính mới và sáng tạo, đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế (đối với đề tài theo hướng nghiên cứu) 50 Khả năng cải tiến và phát triển đề tài 10 Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành,… 5 3 Điểm thưởng ĐATN có các tiêu chí sau sẽ được công thêm tối đa 20 điểm: 20 Thuyết minh ĐATN viết bằng tiếng Anh 5 ĐATN báo cáo bằng tiếng Anh 5viii Kết quả ĐATN viết được 1 bài báo khoa học (Hội nghị, tạp chí chuyên ngành,…) 5 ĐATN được chuyển giao cho công ty (có giấy xác nhận của công ty) 5 Tổng điểm () Nếu > 100 sẽ qui đổi thành 100 điểm 100 Tổng điểm quy đổi (hệ 10) () Nếu > 10 sẽ qui đổi thành 10 điểm 10 1. Câu hỏi phản biện (nếu có): ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... 2. Đề nghị cho bảo vệ hay không? ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… Giáo viên phản biện (Ký ghi rõ họ tên)ix LỜI CÁM ƠN Trên hành trình bốn năm đại học của mình, chúng tôi không thể nào tự mình bước đi trên hành trình ấy, có những lúc ta cần phải có sự giúp đỡ, đồng hành của thầy cô, bạn bè khi khó khăn. Vì thế lời đầu tiên chúng tôi xin cám ơn các thầy cô đã từng dìu dắt chúng tôi qua các môn học, các thầy cô đã giúp chúng em vượt qua môn học một cách dễ dàng. Bên cạnh đó những lời hướng dẫn và lời khuyên từ thầy GVHD PGS.TS Trương Nguyễn Luân Vũ giúp chúng tôi có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, những lời khuyên của thầy thực sự truyền cảm hứng cho nhóm tôi rất nhiều, giúp nhóm chúng tôi nhận ra được lí do mà nhóm chúng tôi tham gia làm đồ án này, thầy cũng đã chỉ ra một người kĩ sư giỏi phải làm như thế nào để hoàn thiện và phát triển. Đồng thời chúng tôi cũng xin cảm ơn thầy GVPB ThS. Đặng Minh Phụng đã có những lời nhận xét, góp ý chân thành cho đồ án của nhóm tôi hoàn thành được tốt hơn. Lời cám ơn tiếp theo dành cho những người bạn trong nhóm chúng tôi, họ là những người cộng sự tuyệt vời, luôn dành thời gian để giúp đỡ lẫn nhau trong công việc, và luôn có những ý kiến hay góp phần nâng cao chất lượng của đồ án này. Dành lời cám ơn đặc biệt nhất cho phụ huynh những người dành niềm tin tuyệt đối vào những đứa con của mình, không đòi hỏi nhận được gì chỉ cần con mình ngày càng trưởng thành và luôn động viên khi con mình gặp khó khăn vấp ngã. Sau cùng chúng tôi chân thành cảm ơn quí thầy bộ môn, các bạn sinh viên đã giúp nhóm hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên trong quá trình hoàn thành đồ án không thể có sai sót, chúng tôi rất mong quí thầy góp ý, chỉ dẫn. TP.HCM, tháng 7 năm 2017 Nhóm SVTHx MỤC LỤC Trang phụ bìa…………………………………………………………………………...i Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp……………………………………………………………. ii Phiếu nhận xét của giảng viên hướng dẫn……………………………………………. iii Phiếu nhận xét của giảng viên phản biện…………………………………………….. vi Lời cám ơn……………………………………………………………………………. ix Mục lục………………………………………………………………………………... x Danh mục các bảng biểu……………………………………………………………...xiii Danh mục các hình ảnh, biểu đồ…………………………………………………….. xiv CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ...................................................................................................... 1 1.1.Đặt vấn đề ..........................................................................................................................1 1.1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước ..............................................................................1 1.1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ..............................................................................1 1.2. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................................1 1.2.1. Phương pháp chưng cất: ............................................................................................2 1.2.2. Các phương pháp chưng cất: .....................................................................................2 1.2.3. Các phương pháp chưng khác...................................................................................7 1.2.4. Thiết bị chưng cất: ..................................................................................................10 1.3. Nhiệm vụ nghiên cứu......................................................................................................12 1.4. Mục tiêu ..........................................................................................................................13 1.5. Tính cấp thiết ..................................................................................................................13 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................................... 14 2.1 Giới thiệu sơ bộ nguyên liệu...........................................................................................14 2.2. Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất ethanol – nước ....................................................17 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ MỘT SỐ CHI TIẾT ...................................................... 23 3.1. Đặt vấn đề .......................................................................................................................23 3.2. Tính toán thiết kế thùng nhập liệu sản phẩm..................................................................23 3.2.1. Yêu cầu đầu vào.......................................................................................................23 3.2.2. Tính toán..................................................................................................................23xi 3.2.3. Thiết kế ....................................................................................................................23 3.3. Tính đường kính thân (bồn gia nhiệt).............................................................................25 3.4. Tính và chọn chiều cao thân (bồn gia nhiệt)...................................................................25 3.4.1. Tính toán..................................................................................................................25 3.5. Tính toán bề dày thiết bị .................................................................................................27 3.5.1. Áp suất làm việc và vật liệu chế tạo. .......................................................................27 3.5.2. Hệ số bổ sung chiều dày thiết bị..............................................................................27 3.5.3. Chiều dày thân thiết bị.............................................................................................28 3.5.5. Phân tích ứng suất....................................................................................................29 3.5.6. Độ bền đàn hồi.........................................................................................................30 3.6. Tính toán chiều cao của tháp chưng cất..........................................................................30 3.7. Tính toán kích và thiết kế khung ....................................................................................31 3.7.1. Tính toán..................................................................................................................31 3.7.2. Thiết kế ....................................................................................................................32 3.8. Tính toán thiết kế mâm lỗ...............................................................................................37 3.9. Chọn mặt bích ghép nối thân – đáy ................................................................................38 3.10. Thiết bị ngưng tụ...........................................................................................................40 3.11. Bình sản phẩm sau ngưng tụ.........................................................................................44 Chương 4: QUY TRÌNH CHẾ TẠO, LẮP RÁP VÀ VẬN HÀNH THÁP ............................. 48 4.1. Quy trình chế tạo một số chi tiết của thiết bị..................................................................48 4.1.1. Quy trình chế tạo bồn gia nhiệt................................................................................48 4.1.2. Quy trình chế tạo mâm lỗ ........................................................................................50 4.1.3. Quy trình chế tạo thùng nhập liệu sản phẩm ...........................................................50 4.1.4. Quy trình chế tạo mặt bích và ống nối.....................................................................51 4.1.5. Quy trình lắp ráp tháp chưng cất .............................................................................53 4.2. Xử lý các sự cố trong vận hành ......................................................................................56 CHƯƠNG 5: CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN .......................................................................... 58 5.1 Bộ điều khiển công suất (SCR) .......................................................................................58xii 5.1.1. Thông số kỹ thuật ..................................................................................................539 5.1.2. Sơ đồ đấu dây ........................................................................................................539 5.1.3. Nguyên lý hoạt động................................................................................................60 5.2. Cảm biến nhiệt độ Thermocuple loại K..........................................................................61 5.3. Bộ điều khiển điện tử cho van điều khiển solenoid.......................................................62 5.4. Khối kết nối IO SCB – 68A ..........................................................................................63 5.4.1. Cấu tạo .....................................................................................................................63 5.4.2. Mạch ngõ vào Analog và cấu hình các kênh ...........................................................66 5.5. Relay điều khiển nhiệt độ ..............................................................................................66 5.6. Van điện từ.....................................................................................................................66 5.7. Phần mềm chương trình điều khiển Matlab...................................................................68 KẾT LUẬN............................................................................................................................... 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 70xiii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp Bảng 2.1: Thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Etanol Nước ở 760 mmHg Bảng 3.1: Kích thước đường kính trong Dt (mm) của thân hình trụ theo Sổ tay quá trình và Thiết bị công nghệ hóa học tập 2 – Nhà xuất bảng khoa học và kỹ thuật trang 359 Bảng 4.1: Quy trình các bước chế tạo bồn gia nhiệt Bảng 4.2: Quy trình các bước chế tạo nắp Bảng 4.3: Quy trình các bước chế tạo mâm lỗ Bảng 4.4: Quy trình các bước chế tạo thùng nhập liệu Nước – Ethano Bảng 4.5: Quy trình các bước chế tạo mặt bích Bảng 4.6: Các sự cố xảy ra liên quan đến bơmxiv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ Hình 1.1: Cân bằng pha cho trường hợp chưng đơn giản Hình 1.2: Sơ đồ chưng đơn giản Hình 1.3: Sơ đồ chưng bằng hơi nước trực tiếp Hình 1.4: Sơ đồ chưng nhiều lần Hình 1.5: Sơ đồ chưng nhiều lần cải tiến. Hình 1.6: Sơ đồ chưng nhiều lần có hồi lưu Hình 1.7: Sơ đồ tháp chưng luyện Hình 1.8: Sơ đồ thiết bị chưng luyện trích ly Hình 1.9: Sơ đồ thiết bị chưng luyện đẳng phí Hình 1.10: Mâm lỗ Hình 1.11: Mâm chóp Hình 2.1: Hệ Ethanol Nước Hình 2.2: Sơ đồ thiết kế hệ thống chưng cất ethanol và nước Hình 2.3: Mô hình 3D của tháp vẽ bằng phần mềm Inventor Hình 2.4: Mô hình 3D của tháp vẽ bằng phần mềm Inventor Hình 2.5: Mô hình 3D của tháp vẽ bằng phần mềm Inventor Hình 2.6: Mô hình 3D của tháp vẽ bằng phần mềm Inventor Hình 2.7: Mô hình 3D của tháp vẽ bằng phần mềm Inventor Hình 2.8: Thiết bị thực nghiệm – Hệ thống chưng cất ethanol và nướcxv Hình 3.1: Mô hình 3D thùng nhập liệu Nước – Ethanol Hình 3.2: Bản vẽ thiết kế thùng nhập liệu Nước – Ethanol Hình 3.3 : Mô hình 3D bồn gia nhiệt sản phẩm đáy Hình 3.4 : Bản vẽ thiết kế bồn gia nhiệt sản phẩm đáy Hình 3.5: Mô hình tháp Hình 3.6: Bản vẽ khung Hình 3.7: Hình dáng của mâm lỗ Hình 3.8: Bản vẽ thiết kế mặt bích Hình 3.9: Bản vẽ thiết kế thân tháp Hình 3.10 :Thiết bị ngưng tụ sản phẩm Hình 3.11: Bản vẽ thiết kế nắp bích I Hình 3.12: Bản vẽ thiết kế thân bình ngưng tụ Hình 3.13: Bản vẽ thiết kế nắp bích II Hình 3.14: Mô hình 3D bình sản phẩm ngưng tụ Hình 3.15: Bản vẽ nắp bích II Hình 3.16: Bản vẽ thiết kế thân bình sản phẩm ngưng tụ Hình 3.17: Bản vẽ thiết kế nắp bích I Hình 4.1: Bồn gia nhiệt Hình 4.2: Cấu tạo mâm lỗ Hình 4.3: Thùng sản phẩm nhập liệuxvi Hình 4.4: Mặt bích Hình 4.5: Mô hình tháp Hình 4.6: Quy trình lắp ráp được thể hiện bằng phần mềm vẽ Inventor Hình 4.7: Quy trình lắp ráp được thể hiện bằng phần mềm vẽ Inventor Hình 4.8: Quy trình lắp ráp được thể hiện bằng phần mềm vẽ Inventor Hình 5.1: Bộ điều khiển công suất SCR G3PWA220ECCFLK Hình 5.2: Khối công suất G3PX240EUN Hình 5.3ab: Cách mắc dây cho tải Hình 5.4: Cảm biến nhiệt độ Thermocuple loại K Hình 5.5: Bộ điều khiển điện tử cho van điều khiển solenoid Hình 5.6abc: Cấu tạo SCB68a Hình 5.7: Mạch ngõ nối analog Hình 5.8: Relay điều chỉnh nhiệt độ TS 120S Hình 5.9: Van điện từ1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến sự phát triển công nghệ khoa học kỹ thuật trên toàn thế giới chính là ngành Cơ khí. Đặc biệt là ngành Công nghệ chế tạo máy. Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp thích hợp. Đối với hệ Ethanol Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Ethanol. Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ Ethanol Nước hoạt động liên tục với nâng suất sản phẩm đỉnh có nồng độ 92% mol ethanol. 1.1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước Các nghiên cứu về chưng cất ethanol được thức hiện khá nhiều trên thế giới nhưng tại Việt Nam còn rất hạn chế, gần đây mới có một số công trình về chưng cất ethanol. Hiện nay trong các trường đại học trong nước đã có các công trình về đề tài chưng cất ethanol này, một trong số đó là Đại học bách khoa Hà Nội, Đại học bách khoa Tp HCM, 1 và Đại học Sư phạm kỹ thuật TPHCM đã có nhiều nhóm thực hiện nghiên cứu và phát triển công trình chưng cất này. 1.1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Thế giới bắt đầu nghiên cứu về đề tài này từ rất sớm, bằng chứng rõ ràng đầu tiên về sự chưng cất rượu được phát hiện tài Trường Salerno vào thế kỉ XII. Kỹ thuật chưng cất phân đoạn được Tadeo Alderotti phát triển vào thế kỷ XIII Năm 1500 nhà giả kim người Đức là Hieronymus Braunschweig đã xuất bản cuốn sách Liber de arte destillandi, 2 (Sách về nghệ thuật chưng cất), đây là cuốn sách đầu tiên chỉ dành riêng để đề cập tới việc chưng cất, đến năm 1512 thì một phiên bản sửa đổi, bổ sung thêm rất nhiều đã được xuất bản. Năm 1651, John French đã xuất bản cuốn The Art of Distillation, 3 (Nghệ thuật chưng cất), đây là cuốn sách trích yếu chuyên môn tiếng Anh đầu tiên về các hoạt động thực nghiệm, mặc dù trong đó nói rằng rất nhiều vấn đề xuất phát từ tác phẩm của Braunschweig. 1.2. Phương pháp nghiên cứu2 1.2.1. Phương pháp chưng cất: Chưng cất là qua trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khác nhau ở cùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại. Khác với cô đặc, chưng cất là quá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc là quá trình trong đó chỉ có dung môi bay hơi. Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé (nhiệt độ sôi lớn) .Đối với hệ Ethanol Nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm ethanol và một ít nước , ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước và một ít ethanol. 1.2.2. Các phương pháp chưng cất: Được phân loại theo:  Áp suất làm việc : chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao. Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử.  Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn (chưng đơn giản) và liên tục. A. Chưng cất đơn giản Nguyên tắc và sơ đồ chưng đơn giản: Trong quá trình chưng đơn giản hơi được lấy ra ngay và cho ngưng tụ. Ta có thể xem diễn biến của quá trình trên đồ thị tyx (hình 1.1): Hình 1.1. Cân bằng pha cho trường hợp chưng đơn giản Lúc đầu dung dịch có thành phần biểu thị ở điểm C, khi đun đến nhiệt độ sôi hơi bốc lên có thành phần ứng với điểm P, vì trong hơi khi nào cũng có cấu tử dễ bay hơi hơn trong lỏng nên trong thời gian chưng cất thành phần lỏng sẽ chuyển dần về phía cấu tử khó bay hơi. Cuối cùng ta có chất lỏng còn lại trong nồi chưng với thành phần là Cn và3 thu được hỗn hợp hơi P, P1, P2, ..., Pn, thành phần trung bình của hỗn hợp hơi biểu thị ở điểm Ptb Sơ đồ chưng cất đơn giản biểu diễn trên hình 1.2: dung dịch đầu được cho vào nồi chưng 1, ở đây dung dịch được đun bốc hơi, hơi tạo thành đi vào thiết bị ngưng tụ làm lạnh 2. Sau khi được ngưng tụ và làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết, chất lỏng đi vòa các thùng chứa 3. Thành phần chất lỏng ngưng luôn luôn thay đổi. Sau khi đã đạt được yêu cầu chung, chất lỏng còn lại trong nồi được tháo ra. Như vậy quá trình là gián đoạn. Ta cũng có thể tiến hành chưng liên tục được, khi đó thành phần sản phẩm không thay đổi. Hình 1.2. Sơ đồ chưng đơn giản  Chưng đơn giản thường ứng dụng cho những trường hợp sau: Khi nhiệt độ sôi của hai cấu tử khác nhau xa. Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao. Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi. Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử. B. Chưng bằng hơi nước trực tiếp.  Nguyên lý: Nếu có hai chất lỏng A và B không hòa tan vào nhau thì khi trộn lẫn, áp suất của chúng trên hỗn hợp không phụ thuộc vào thành phần của A và B và áp suất chung bằng tổng áp suất hơi bão hòa của các cấu tử ở cùng nhiệt độ.  Sơ đồ chưng cất bằng hơi nước trực tiếp Khi chưng bằng hơi nứớc trực tiếp người ta phun hơi nước qua lớp chất lỏng bằng một bộ phận phun. Hơi nước có thể là bão hòa hay quá nhiệt. Trong quá trình tiếp xúc giữa hơi nước và lớp chất lỏng, cấu tử cần chưng sẽ khuếch tán vào trong hơi. Hỗn hợp hơi nước và cấu tử bay hơi đó được ngưng tụ và tách thành sản phẩm 9, tr61. 1. Nồi chưng 2. Thiết bị ngưng tụ 3. Thùng chứa sản phẩm4 Quá trình chưng bằng hơi nước trực tiếp hợp lý nhất là chỉ dùng để tách cấu tử không tan trong nước ra khỏi tạp chất không bay hơi, trường hợp này sản phẩm ngưng sẽ phân lớp: cấu tử bay hơi và nước, chúng ta lấy sản phẩm ra một cách dễ dàng. Ưu điểm của quá trình chưng bằng hơi nước trực tiếp là giảm được nhiệt độ sôi của hỗn hợp nghĩa là ta có thể chưng ở nhiệt độ sôi thấp hơn bình thường. Điều này rất có lợi với các chất dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao cũng như đối với các chất có nhiệt độ sôi quá cao mà khi chưng cất gián tiếp đòi hỏi dùng hơi áp suất cao. Chưng bằng hơi nước trực tiếp có thể tiến hành gián đoạn hay liên tục (hình 1.3). Trong cả hai trường hợp người ta đều phải dùng cách đốt gián tiếp để đun bốc hơi hỗn hợp. Lượng hơi nước trực tiếp đi vào hỗn hợp chỉ có nhiệm vụ mang cấu tử dễ bay hơi ra mà thôi. Hình 1.3: Sơ đồ chưng bằng hơi nước trực tiếp Căn cứ vào trạng thái hơi nước đi ra khỏi thiết bị người ta phân biệt:  Chưng bằng hơi nước quá nhiệt nếu áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp đi ra khỏi thiết bị bé hơn áp suất hơi nước bão hòa ở cùng nhiệt độ.  Chưng bằng hơi nước bão hòa nếu áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp hơi đi ra khỏi thiết bị bằng áp suất hơi nước bão hòa ở cùng nhiệt độ. C. Chưng luyện liên tục. Chưng gián đoạn Chưng liên tục5 Phương pháp chưng đơn giản không cho phép ta thu được sản phẩm có độ tinh khiết cao. Muốn thu được những sản phẩm có độ tinh khiết cao người ta phải tiến hành chưng nhiều lần, sơ đồ chưng cất thể hiện trên hình 1.4 Hỗn hợp đầu liên tục đi vào nồi chưng thứ nhất. Một phần chất lỏng bốc hơi thành sản phẩm đỉnh, ống tháo sản phẩm đỉnh đồng thời là ống để duy trì mực chất lỏng trong nồi không đổi. hơi C ở trong trạng thái cân bằng với lỏng B. Hơi C thu được đó ngưng tụ lại thành chất lỏng D và đi vào nồi chưng thứ hai. Trong nồi chưng thứ hai ta thu được hơi F và chất lỏng E. tương tự như thế quá trình lặp lại ở nồi thứ ba. Ở mỗi nồi có bộ phận đốt trong riêng biệt. Kết quả là ta thu được các sản phẩm đáy B, E, H và sản phẩm đỉnh I chứa nhiều cấu tử dễ bay hơi. Người ta đã thay đổi sơ đồ sản xuất trên để chỉ thu được một sản phẩm đáy có chứa nhiều cấu tử ít bay hơi. Để đạt được mục đích đó ta cho sản phẩm đáy của nồi thứ hai trở về nồi thứ nhất và sản phẩm đáy của nồi thứ ba trở về nồi thứ hai,… Dĩ nhiên là trạng thái cân bằng trong các nồi không giống như sơ đồ trên nữa. Nếu ta khống chế quá trình đốt nóng tốt thì ta có thể liên tục và ổn định thu được sản phẩm đỉnh I và sản phẩm đáy B. Ta cũng có thể lắp thêm một nồi hay nhiều hơn vào trước nồi thứ nhất với nguyên liệu đầu vào là sản phẩm đáy B của nồi thứ nhất, thực hiện quá trình chưng ta thu được sản phẩm đáy K chứa nhiều cấu tử khó bay hơi. Thiết bị làm việc như thế có thể thu được sản phẩm có độ tinh khiết cao nhưng cũng có nhược điểm là tốn hơi đốt quá nhiều. Hình 1.4: Sơ đồ chưng nhiều lần6 Hình 1.5: Sơ đồ chưng nhiều lần cải tiến. Nhìn vào đồ thị của hình 2.5 ta thấy hơi của nồi trước có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ của chất lỏng của nồi sau. Đằng nào thì hơi này cũng được ngưng tụ thành lỏng để đi vào nồi sau, vì thế không cần thiết phải ngưng tụ ở trong thiết bị ngưng tụ gián tiếp và để tiết kiệm hơi đốt cũng như giảm bớt các thiết bị ngưng tụ người ta cho hơi của nồi trước trực tiếp đi vào nồi sau qua bộ phận phun. Phương pháp này cho phép ta tiết kiệm được hơi đốt rất nhiều, vì trừ nồi thứ nhất ra thì tất cả các nồi còn lại đều được đun trực tiếp từ hơi bốc ra từ các nồi chưng. Một vấn đề đặt ra là lấy lỏng ở đâu để cho vào các nồi phía sau nồi cho hỗn hợp đầu vào. Chỉ có một cách duy nhất là sau khi ngưng tụ hơi ở nồi trên cùng ta cho một phần chất lỏng ngưng quay lại nồi trên cùng đó. Lượng chất lỏng này gọi là lượng hồi lưu. Trạng thái cân bằng trong các nồi chưng thể hiện ở đồ thị hình 1.6. Hình 1.6: Sơ đồ chưng nhiều lần có hồi lưu7 Tuy nhiên sơ đồ thiết bị như vậy vẫn có nhược điểm là chế tạo phức tạp và cồng kềnh. Người ta đã đơn giản hệ thống đó bằng cách thay bằng một tháp gọi là tháp chưng luyện và quá trình chưng nhiều lần như vậy gọi là quá trình chưng luyện. Sơ đồ tháp chưng luyện (hình 1.7): tháp gồm nhiều đĩa, mỗi đĩa của tháp ứng với mỗi nồi của các sơ đồ trên. Ở đây tháp có bộ phận đun bốc hơi. Nguyên tắc làm việc của tháp: hơi đi từ dưới lên qua các lỗ của đĩa, lỏng chảy từ trên xuống theo các ống chảy chuyền. Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi theo tương ứng với sự thay đổi nồng độ. Trên đĩa 1 chất lỏng chứa cấu tử dễ bay hơi nồng độ x1, hơi bốc lên từ đĩa có nồng độ cân bằng với x1 là y1 > x1, hơi này qua các lỗ đi lên đĩa 2 tiếp xúc với chất lỏng ở đó. Nhiệt độ đĩa 2 thấp hơn đĩa 1 cho nên một phần hơi được ngưng lại, do đó nồng độ x2 > x1. Hơi bốc lên từ đĩa 2 có nồng độ cân bằng với x2 là y2 > x2, hơi này đi lên đĩa 3 tiếp xúc với chất lỏng ở đó và nhiệt độ đĩa 3 thấp hơn đĩa 2, một phần hơi được ngưng lại, do đó chất lỏng trên đĩa 3 có nồng độ x3 > x2. Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi, một phần cấu tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và một phần ít hơn chuyển từ pha hơi vào pha lỏng, lặp lại nhiều lần bốc hơi và ngưng tụ như thế hay nói cách khác, với một số đĩa tương ứng, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được cấu tử dễ bay hơi ở dạng nguyên chất và ở đáy tháp ta thu được cấu tử khó bay hơi ở dạng nguyên chất. Theo lý thuyết thì mỗi đĩa của tháp là một bậc thay đổi nồng độ: thành phần hơi đi ra khỏi đĩa bằng thành phần cân bằng với chất lỏng khi đi vào đĩa. Do đó theo lý thuyết thì số đĩa bằng số bậc thay đổi nồng độ. Thực tế thì trên mỗi đĩa quá trình chuyển khối giữa hai pha thường không đạt cân bằng. Quá trình chưng luyện được thực hiện trong thiết bị loại tháp làm việc liên tục hay gián đoạn. 1.2.3. Các phương pháp chưng khác. Hình 1.7: Sơ đồ tháp chưng luyện8 Ngoài ra còn có: chưng luyện trích ly và chưng luyện đẳng phí. Đối với những hỗn hợp gồm các cấu tử có nhiệt độ sôi gần giống nhau hoặc rất gần nhau hay gồm những cấu tử tạo thành dung dịch đẳng phí ta không thể dùng phương pháp chưng luyện thông thường như đã nghiên cứu ở trên để tách chúng ra ở dạng gần như nguyên chất được dù cho có dùng những tháp vô cùng cao với lượng hồi lưu rất lớn. Để tách các hỗn hợp ấy chúng ta phải dùng các phương pháp chưng luyện đặc biệt, thông thường người ta hay dùng phương pháp chưng luyện trích ly và chưng luyện đẳng phí.  Chưng luyện trích ly. Phương pháp này dựa trên cơ sở thêm một cấu tử mới vào hỗn hợp ở đĩa trên cùng của tháp, cấu tử đó gọi là cấu tử dễ phân ly có độ bay hơi bé, nó có tác dụng làm thay đổi độ bay hơi của các cấu tử khác trong hỗn hợp. Tất nhiên ta phải chọn cấu tử phân ly làm sao để khi thêm vào hoh cần chưng thì nó làm tăng độ bay hơi của các cấu tử trong hỗn hợp. Nếu hỗn hợp tạo thành dung dịch đẳng phí, điểm đẳng phí đó sẽ mất đi khi thêm cấu tử phân ly vào. Ví dụ ta có hỗn hợp gồm hai cấu tử A và B có nhiệt độ sôi gần nhau tạo thành hỗn hợp đẳng phí, khi thêm cấu tử phân ly R vào thì đẳng phí đó mất đi trong hỗn hợp ABR và cho ta khả năng tách cấu tử dễ bay hơi A ở dạng nguyên chất (tương đối). Sản phẩm đáy tháp là R+B. Ta có sơ đồ chưng luyện trích ly biểu diễn trên hình 2.8: R và B có độ bay hơi khác xa nhau nên ta tách chúng dễ dàng theo phương pháp chưng luyện thông thường. Hình 1.8: Sơ đồ thiết bị chưng luyện trích ly9 Quá trình chưng luyện trích ly gần giống như trích ly: cấu tử phân ly R kéo cấu tử B đi và giải phóng cấu tử A; vì vậy quá trình này gọi là chưng luyện trích ly.  Chưng luyện đẳng phí. Phương pháp này cũng dựa trên nguyên tắc thêm vào một cấu tử phân ly. Quá trình này khác với chưng luyện trích ly là ở đây cấu tử phân ly phải có độ bay hơi lớn hơn độ bay hơi của các cấu tử trong hỗn hợp. Tác dụng của nó cũng tương tự như trong trường hợp chưng luyện trích ly, nghĩa là làm thay đổi độ bay hơi tương đối của các cấu tử trong hỗn hợp. Thêm vào đó nó tạo thành với cấu tử dễ bay hơi (hay cả hai cấu tử) dung dịch đẳng phí có độ bay hơi lớn. Như thế trong kết quả chưng luyện sản phẩm đỉnh tháp sẽ là hỗn hợp dẳng phí và sản phẩm đáy là cấu tử ở dạng n guyên chất. Phương pháp này tiện lợi và tiết kiệm trong trường hợp cấu tử phân ly không tan vào cấu tử dễ bay hơi. Ví dụ ta xem sơ đồ chưng luyện đẳng phí hỗn hợp hai cấu tử A, B với cấu tử phân ly S. Cấu tử phân ly S tạo với cấu tử A dung dịch đẳng phí đi lên đỉnh. Sau thiết bị ngưng tụ hỗn hợp đẳng phí được phân lớp: một lớp là cấu tử phân ly S cho trở về tháp và lớp kia gồm phần lớn là cấu tử A được đưa sang tháp chưng luyện khác để tách A. Hỗn hợp đẳng phí AS cũng đi lên ở đỉnh qua ngưng tụ rồi vào thiết bị phân lớp. Cấu tử B thu được ở dạng nguyên chất trong sản phẩm đáy của tháp thứ nhất. Hình 1.9: Sơ đồ thiết bị chưng luyện đẳng phí So sánh chưng luyện trích ly và chưng luyện đẳng phí: Khi chưng luyện trích ly không cần phải bốc hơi cấu tử phân ly, vì thế lượng hơi đốt sẽ tốn ít hơn. Trong cả hai trường hợp yêu cầu của cấu tử phân ly là phải làm tăng độ bay10 hơi của cấu tử trong hỗn hợp. Đối với chưng luyện trích ly thì yêu cầu độ bay hơi của cấu tử phân ly càng bé càng tốt và ngược lại đối với chưng luyện đẳng phí thì độ bay hơi của cấu tử phân ly phải lớn.  Chưng luyện nhiều cấu tử. Hệ thống gồm ba cấu tử trở lên gọi là hệ nhiều cấu tử. Hệ nhiều cấu tử có thể chia làm hai loại: loại thứ nhất là hỗn hợp chứa những cấu tử tuân theo định luật Raoult gọi là hỗn hợp lý tưởng (hỗn hợp các hydrocarbon); loại thứ hai là hỗn hợp chứa những cấu tử không tuân theo định luật Raoult, gọi là hỗn hợp thực (hỗn hợp rượu). Có hai cách chưng hỗn hợp nhiều cấu tử: Chưng sao cho trong cả hai sản phẩm đỉnh và đáy đều có mặt tất cả các cấu tử, chỉ dùng cách này để tách sơ bộ. Chưng sao cho một hoặc nhiều cấu tử không có mặt trong sản phẩm. Khi chưng luyện mỗi tháp chỉ có hai sản phẩm, vì thế để tách hỗn hợp nhiều cấu tử ta cần nhiều tháp. Theo nguyên tắc thì để tách được n cấu tử ta cần có (n1) tháp. Trong thực tế để tách n cấu tử người ta thường ghép nhiều tháp lại thành một. Vậy: Đối với hệ Ethanol – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường. 1.2.4. Thiết bị chưng cất: Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn ,điều này phụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất này vaò lưu chất kia . Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng ,các tháp lớn nhất thường được ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu. Kích thước của tháp : đường kính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm. Ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp chêm. Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm pha lỏng và pha hơi đựơc cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có: Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng: tròn, xú bắp, chữ s… Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (312) mm11 Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự. Theo bảng 1.1 dưới cho ta thấy sự so sánh của các loại tháp Bảng 1.1 So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp Ưu điểm  Đơn giản  Trở lực thấp  Hiệu suất tương đối cao.  Hoạt động khá ổn định.  Làm việc với chất lỏng bẩn  Hiệu suất cao  Hoạt động ổn định Nhược điểm  Hiệu suất thấp.  Độ ổn định kém.  Thiết bị nặng.  Trở lực khá cao  Yêu cầu lắp đặt khắt khe > lắp đĩa thật phẳng  Cấu tạo phức tạp  Trở lực lớn.  Không làm việc với chất lỏng bẩn. Hình ảnh mâm xuyên lỗ và mâm chóp được thể hiện ở hình 1.10 và hình 1.1112 Hình 1.10: Mâm lỗ Hình 1.11: Mâm chóp Nhận xét: Tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái giữa trung gian giữa tháp chêm và tháp mâm chóp. Nên ta chọn tháp chưng cất là tháp mâm xuyên lỗ. Vậy: Chưng cất hệ thống ethanol – nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáp tháp. 1.3. Nhiệm vụ nghiên cứu Tìm hiểu ứng dụng của sản xuất ethanol trong công nghiệp. Nghiên cứu ra được sơ đồ hoạt động của tháp chưng cất. Tính toán thiết kế hệ thống. Tính toán, thiết kế, xuất bản vẽ mô hình tháp bằng phần mềm vẽ Inventor và AutoCad.13 1.4. Mục tiêu Tìm hiểu, nghiên cứu, thiết kế mô hình tháp chưng cất ethanol công nghiệp với nồng độ ethanol trên 90%. 1.5. Tính cấp thiết Hiện nay, nhu cầu chưng cất ethanol công nghiệp hết sức cần thiết. Hầu hết công dụng của đều được ứng dụng rất nhiều trong các ngành khác nhau: sản xuất rượu, y tế, mỹ phẩm, sơn, phụ gia… Việc tạo ra được ethanol tinh khiết sẽ góp phần tăng trưởng rất lớn trong doanh thu.14 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Giới thiệu sơ bộ nguyên liệu Nguyên liệu là hỗn hợp Etanol Nước. Ethanol: (Còn gọi là rượu etylic, cồn êtylic hay cồn thực phẩm). Đặc điểm: Etanol có công thức phân tử: CH3CH2OH, khối lượng phân tử: 46 đvC. Là chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều trong nước,11. Một số thông số vật lý và nhiệt động học của ethanol: + Nhiệt độ sôi ở 760(mmHg): 78.3oC + Khối lượng riêng: d420 = 810 (Kgm3). Tính chất hóa học: Tất cả các phản ứng hoá học xảy ra ở nhóm hydroxyl (OH) của ethanol là thể hiện tính chất hoá học của nó. Phản ứng của hydro trong nhóm hydroxyl: CH3CH2OH CH3CH2O + H+ (2.1) Hằng số phân ly của ethanol: 10 18 3 2     KCH CH OH , cho nên etanol là chất trung tính. Tính acid của rượu thể hiện qua phản ứng với kim loại kiềm, Natri hydrua (NaH), Natri amid (NaNH2): CH3CH2OH + NaH CH3CH2ONa + H2 (2.2) (Natri etylat) Do 10 14 3 2 2      KCH CH OH K H O : tính acid của rượu nhỏ hơn tính acid của nước, nên khi muối Natri etylat tan trong nước sẽ bị thuỷ phân thành rượu trở lại. Tác dụng với acid tạo ester: Rượu etanol có tính bazơ tương đương với nước. Khi rượu tác dụng với acid vô cơ H2SO4, HNO3 và acid hữu cơ đều tạo ra ester. CH3CH2OH + HOSO3H CH3CH2OSO3H + H2O (2.3) CH3CH2OH + HOCOCH3 CH3COOC2H5 + H2O (2.4) Lạnh H+15 Phản ứng trên nhóm hydroxyl: Tác dụng với HX: CH3CH2OH + HX CH3CH2X + H2O (2.5) Tác dụng với Triclo Phốt pho: CH3CH2OH + PCl3 CH3CH2Cl + POCl + HCl (2.6) Tác dụng với NH3: CH3CH2OH + NH3 C2H5NH2 + H2O (2.7) Phản ứng tạo eter và tách loại nước: 2CH3CH2OH (CH3CH2)2O + H2O (2.8) CH3CH2OH CH2=CH2 + H2O (2.9) Phản ứng hydro và oxy hoá: CH3CH2OH CH3CHO + H2 (2.10) Ứng dụng: Ethanol có nhiều ứng dụng hơn metanol, nó đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Đây là nguyên liệu dùng để sản suất hơn 150 mặt hàng khác nhau và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành: công nghiệp nặng, y tế và dược, quốc phòng, giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ và nông nghiệp. Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol: hydrat hoá etylen với xúc tác H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của etanol khi đun nóng với nước xúc tác dung dịch bazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; từ các hợp chất cơ kim… Trong công nghiệp, điều chế etanol bằng phương pháp lên men từ nguồn tinh bột và rỉ đường. Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản suất etanol chủ yếu là sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột: Al2O3 to H2SO4 >150oC H2SO4 >150oC Cu 200300oC16 C6H6O6 2C2H5OH + 2CO2 + 28 Kcal (2.11) Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành etanol và CO2. 5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glyxêrin, acid sucxinic, dầu fusel, metylic và các acid hữu cơ(lactic, butylic…). Nước: Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt. Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau: Khối lượng phân tử: 18g mol Khối lượng riêng d40 c: 1g ml Nhiệt độ nóng chảy : 00C Nhiệt độ sôi : 1000 C Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (34 diện tích trái đất là nước biển) và rất cần thiết cho sự sống. Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hoà tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học. Hỗn hợp Ethanol – Nước: Thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Etanol Nước ở 760 mmHg được thể hiện dưới bảng 2.1 sau đây: Bảng 2.1: Và được thể hiện ở biểu đồ dưới thông qua hình 2.1: x(%phân mol) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y(%phân mol) 0 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100 t(oC) 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4 Nấm men Zymaza17 Hình 2.1: Hệ Ethanol Nước 2.2. Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất ethanol – nước Như chúng ta biết: Ethanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H2O, nhiệt độ sôi là 78,30C ở 760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100oC ở 760mmHg : hơi cách biệt khá xa nên phương pháp hiệu quả để thu ethanol có độ tinh khiết cao là phương pháp chưng cất. Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vì các cấu tử đều có khả năng bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như phương pháp hấp thụ do phải đưa vào một khoa mới để tách, có thể làm cho quá trình phức tạp hơn hay quá trình tách không được hoàn toàn. Tháp chưng cất ethanol và nước được thết kế theo phương pháp của Luyben (1982), và được thể hiện ở hình 2.2.18 Hình 2.2: Sơ đồ thiết kế hệ thống chưng cất ethanol và nước Quy trình công nghệ hoạt động của tháp Hỗn hợp ethanol nước có nồng độ ethanol khoảng 10% được chứa trong bồn chứa nhiên liệu. Trong bồn chứa có thiết bị gia nhiệt đun nóng hỗn hợp lên một nhiệt độ mong muốn.Tiếp theo máy bơm sẽ bơm hỗn hợp lên bồn nung đáy tháp. Sau đó, hỗn hơp được đun đến nhiệt độ mong muốn thông qua thiết bị gia nhiệt trong bồn nung đáy tháp. Hỗn hợp nhập liệu được đưa vào tháp qua ống nhập liệu và van ONOFF. Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống. Trong tháp hơi, đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống. Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ19 dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có ethanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ cao). Hơi này đi vào thiết bị làm lạnh và được ngưng tụ tại ống ngưng tụ. Một phần chất lỏng sẽ ra bồn chứa sản phẩm đỉnh. Một phần của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng thông qua bộ gia nhiệt hoàn lưu và van ONOFF. Một phần cấu tử cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tang và chảy xuống đáy. Cuối cùng, ở đáy tháp thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu từ khó bay hơi (nước). Hỗn hợp lỏng ở đây đi ra khỏi tháp vào bồn chứa sản phẩm đáy. Hệ thống làm viêc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là ethanol, sản phẩm đáy sau khi làm nguội đươc thải bỏ. Mô hình 3D của tháp được thể hiện ở hình: 2.37, thiết bị thực nghiệm được thể hiện dưới hình 2.8. Hình 2.3: Mô hình 3D của tháp vẽ bằng phần mềm Inventor20 Hình 2.4: Mô hình 3D của tháp vẽ bằng phần mềm Inventor Hình 2.5: Mô hình 3D của tháp vẽ bằng phần mềm Inventor21 Hình 2.6: Mô hình 3D của tháp vẽ bằng phần mềm Inventor Hình 2.7: Mô hình 3D của tháp vẽ bằng phần mềm Inventor22 Hình 2.8: Thiết bị thực nghiệm – Hệ thống chưng cất ethanol và nước23 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ MỘT SỐ CHI TIẾT 3.1. Đặt vấn đề Khi tính toán và thiết kế thiết bị hóa chất, người thiết kế phải tính toán rất nhiều những chi tiết và bộ phận chủ yếu tạo thành thiết bị hóa chất. Người thiết kế nên cố gắng đến mức cao nhất trong việc sử dụng các thiết bị đã được tiêu chuẩn hóa. Người thiết kế cần phải biết trước phương pháp chế tạo, vận chuyển, lắp ráp thiết bị, và phù hợp với yêu cầu nhà sản xuất. Phải cố gắng đến mức cao nhất để giảm tiêu tốn vật liệu và khối lượng của thiết bị, nhưng không làm ảnh hưởng xấu đến các yêu cầu đòi hỏi của thiết bi. 3.2. Tính toán thiết kế thùng nhập liệu sản phẩm 3.2.1. Yêu cầu đầu vào Thùng nhập liệu có thể chứa khoảng 100 lít hỗn hợp Nước – Ethanol nồng độ 10%. 3.2.2. Tính toán Với yêu cầu: 100 lít = 100 (dm3) = 100000000 (mm3) Chọn hình dáng thiết kế thùng là hình lập phương với: Cạnh a = 500 (mm) Chiều cao h = 400 (mm) Thể tính của thùng : V = a x a x h = 500 x 500 x 400 = 100000000 (mm3) = 100 lít Thỏa mãn yêu cầu đề ra 3.2.3. Thiết kế Mô hình