Thiết kế phân xưởng sản xuất cồn tuyệt đối bằng phương pháp hấp phụ chọn lọc zeolite 3a năng suất 1000 lit ngày

Nội dung các phần thuyết minh và tính toán : - Phần lý thuyết : nêu tổng quan về nguyên liệu ,sản phẩm và các phương pháp sảnxuất cồn tuyệt đối bằng phương pháp hấp phụ - Phần tính toá

Bộ Giáo Dục Và Đào Tạo Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam

Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP

Họ Và Tên : Phạm Nhật Nam

Khóa Học : Khóa K 52 QN - Công Nghệ Hóa Học

Ngành Học : Công Nghệ Hữu Cơ - Hóa Dầu

1 Đầu đề thiết kế :

Thiết kế phân xưởng sản xuất cồn tuyệt đối bằng phương pháp

Hấp phụ chọn lọc - zeolite 3A năng suất 1000 lit / ngày

2.Các số liệu ban đầu :

Lấy theo tài liệu hướng dẫn và số liệu thực tế công nghiệp

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán :

- Phần lý thuyết : nêu tổng quan về nguyên liệu ,sản phẩm và các phương pháp sảnxuất cồn tuyệt đối bằng phương pháp hấp phụ

- Phần tính toán : tính cân bằng vật chất , tính cân bằng nhiệt lượng ,tính toán thiết

bị chính ,thiết bị phụ trong sơ đồ sản xuất cồn tuyệt đối

-Phần xây dựng : phần bố trí mặt bằng phân xưởng

- Phần điện , nước

- Phần kinh tế

- Phần an toàn lao động và bảo vệ môi trường

4.Các bản vẽ ( ghi số các loại bản vẽ về kích thước )

Chủ nhiệm khoa Cán bộ hướng dẫn

( ký và ghi rõ họ tên ) ( ký và ghi rõ họ tên )

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập , nghiên cứu và được sự giúp đỡ tận tình của các Thầy

Cô cùng tất cả các bạn , em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình Với đề tài “ thiết

kế phân xưởng sản xuất cồn tuyệt đối bằng phương pháp hấp phụ chọn lọc - zeolite 3Anăng suất 1000 lít / ngày ”

Em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy Cô trong Khoa Công Nghệ HóaHọc - Công nghệ Hữu Cơ Hóa Dầu , Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đặc biệt

em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo Văn Đình Sơn Thọ , thầy đã hướng dẫn

em tận tâm , tận tình trong suốt thời gian em thực hiện bản đồ án này Em cũng gởi lờicám ơn đến bạn bè đã đóng góp ý kiến xây dựng nhằm giúp đồ án được hoàn thànhđúng thời gian quy định

Bản đồ án hoàn thành là kết quả của sự nổ lực cố gắng không ngừng ,sự tìm tòi ,học hỏi , nghiên cứu và sự gúp đở nhiệt tình của quý Thầy Cô , bạn bè nhưng cũngkhông tránh khỏi những sai sót Do vậy ,em rất mong được sự đóng góp , xây dựngcủa quý thầy Cô , bạn bè để bản đồ án của em được hoàn thiện hơn , giúp em có nhiềukiến thức trong thực tế sau này

Em xin chân thành cảm ơn …!

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

LỜI MỞ ĐẦU 5

I An toàn lao động 146

I.1 An toàn máy móc 146

I.2 An toàn cho người lao động 146

II Vệ sinh công nghiệp 147

III Phòng chống cháy nổ 147

LỜI MỞ ĐẦU

Công nghệ cồn etylic là khoa học về phương pháp và quá trình chế biến cácnguyên liệu chứa tinh bột, đường, xenluloza, etylen thành sản phẩm rượu etylic hayetanol Đây là ngành công nghệ được biết đến rất sớm và ngày càng được quan tâmphát triển bởi cồn có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực và đời sống xã hội Cồnpha với nước thành rượu để uống, chế biến thức ăn, chế biến các loại hương hoa quả.Trong y tế cồn được dùng để sát trùng, sản xuất dược phẩm, để chữa bệnh 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 rahoá chất dầu mỏ Cồn còn được dùng trong công nghiệp để làm chất đốt, làm dungmôi hòa tan các hợp chất vô cơ và hữu cơ, trong cao su tổng hợp…

Ngoài ra hiện nay cồn tuyệt đối (≥ 99,5%V) còn được dùng để thay thế mộtphần nhiên liệu cho động cơ ô tô Cồn có thể thay thế 20%÷22% trong tổng lượngxăng thành "gasohol" để sử dụng trong ôtô và các phương tiện khác dùng động cơxăng Đây là một hướng phát triển mới và đầy triển vọng của ngành công nghiệp vìviệc sử dụng cồn thay thế một phần cho xăng sẽ làm giảm bớt sự ô nhiễm môi trường,

để tiết kiệm năng lượng của các loại động cơ Nó làm tăng chỉ số octan của xăng, ngăncản sự cháy kích nổ và dẫn đến có thể thay thế tetra etyl chì là một chất độc hại Cồn

có rất nhiều ứng dụng, chính vì vậy sản xuất cồn là công việc cần thiết và được quantâm phát triển

Nước ta với nền tảng của một quốc gia có nền sản xuất nông nghiệp, các sảnphẩm tinh bột lấy từ sắn , ngô , khoai , gạo rất dồi dào, phong phú đã tạo nên sự đadạng trong nguồn nguyên liệu chứa tinh bột cung cấp cho ngành sản xuất rượu cồn.Tuy nhiên, hiện nay ngành công nghiệp sản xuất cồn của nước ta vẫn chưa thực sựphát triển, công nghệ, thiết bị lạc hậu, năng suất và chất lượng sản phẩm chưa cao,chủng loại sản phẩm nghèo nàn, chưa đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ Ứng dụng củacồn trong các ngành công nghiệp chưa được rộng rãi, công suất của các nhà máy sảnxuất còn thấp

Do vậy, thiết kế và xây dựng thêm nhà máy sản xuất rượu cồn với năng suất và chấtlượng sản phẩm cao hơn nhằm thay thế cho xăng nhiên liệu lấy từ dầu mỏ là hoàn toànphù hợp với yêu cầu của ngành công nghiệp rượu cồn cũng như yêu cầu của nền kinh

tế nước nhà

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CỒN

ETYLIC TỪ CỦ SẮN

I NGUYÊN LIỆU TINH BỘT SẮN :

Trên thực tế để sản xuất cồn Etylic về nguyên tắc có thể dùng bất kỳ nguyên liệunào chứa đường hoặc Polysaccarit sau thuỷ phân sẽ biến thành đường và lên menđược Do đó ta có thể dùng cả nguyên liệugiàu Xenluloza để thuỷ phân thành đường.Tuy nhiên dùng nguyên liệu này kém hiệu quả kinh tế Trong thực tế điều kiện sảnxuất ở nước ta chỉ dùng nguyên liệu tinh bột và mật rỉ ở đây tôi chỉ đề cập đến việcdùng nguyên liệu là tinh bột như sắn, ngô, gạo

I.1.Cấu tạo và thành phần hóa học của sắn :

*Về cơ bản củ sắn gồm 3 phần chính : vỏ,thịt củ và lõi,ngoài ra còn có cuống và rễcủ

-Vỏ sắn gồm có 2 phần là vỏ gỗ và vỏ cùi Vỏ gỗ có tác dụng bảo vệ củ và chốngmất nước của củ,tuy nhiên vỏ gỗ dễ bị mất khi thu hoạch và vận chuyển Tỷ lệ vỏ củphụ thuộc vào giống sắn, độ già và khối lượng củ thường chiếm khoảng 1,5 đến 2%

Vỏ cùi là một lớp tế bào cứng phủ bên ngoài, thành phần chủ yếu là xenluloza ngoài racòn có chứa polyphenol, enzim, và linamarin

- Phần thịt củ có chứa nhiều tinh bột, protein và các chất dầu, một ít polyphenol,độc tố và enzim

- Lõi sắn nằm ở tâm củ dọc suốt chiều dài,thành phần chủ yếu là xenluloza Lõi cóchức năng dẫn nước và các chất dinh dưỡng giữa cây và

củ đồng thời giúp thoát nước khi phơi hoặc sấy sắn

* Thành phần củ sắn tươi dao động trong giới hạn khá lớn: tinh bột 20 đến

34%, protein 0,8 đến 1,2%, chất béo 0,3 đến 0,4%, xenluloza 1 đến 3,1%, chất tro0,54%, polyphenol 0,1 đến 0,3% và nước 60 đến 74,2% Ngoài ra trong sắn còn chứamột lượng Vitamin và độc tố Vitamin trong sắn thuộc nhóm B Các Vitamin này sẽ bịmất một phần khi chế biến và nhất là khi nấu trong sản xuất rượu

* Độc tố trong sắn có tên chung là phazéolunatin gồm 2 glucozit Linamarin vàLotaustralin Các độc tố này thường tập chung ở vỏ cùi Bình thường phazéolunatinkhông độc nhưng khi bị thuỷ phân thì các glucozit này sẽ giải phóng axit HCN

trên Đặc biệt trong sản xuất rượu,khi nấu ở nhiệt độ cao đã pha loãng nước nên vớihàm lượng ít chưa ảnh hưởng đến nấm men Hơn nữa các muối xyanat khi

chưng cất không bay hơi nên bị loại cùng bã rượu, điều này là rất có lợi trong sản xuất

Do đó trong sản xuất rượu nguyên liệu tinh bột sắn dùng chủ yếu là sắn lát khô hoặcsắn dui

* Ngoài sắn khô ta còn dùng gạo tấm và ngô để sản xuất ra cồn có chất lượng cao.Thành phần hoá học của một số nguyên liệu chứa tinh bột được thể hiện ở bảng sau.Tính theo % trung bình

- Oligosaccarrit là những gluxit chưa từ 2 đến 10 gốc monosaccarrit Trong thiênnhiên phổ biến nhất là oligo chứa 2 hoặc 3 gốc mono Trong đó disaccarit dễ dàngchuyển hoá thành rượu và CO2 dưới tác dụng của hệ zymaza nấm men, còn trisaccarritchỉ lên men được 1/3

- Polisaccarrit là những gluxit chứa từ 10 gốc mono trở lên Dưới tác dụng củaaxit, nhiệt độ hoặc enzim chúng sẽ bị thuỷ phân và tạo thành các phân tử thấp hơn làoligo hoặc cuối cùng là monosaccarr

II QUY TRÌNH SẢN XUẤT ETYLIC TỪ TINH BỘT

- Chuẩn bị dịch đường lên men,bao gồm nghiền và nấu nguyên liệu để thu

Cồn thực phẩm

Nấu nguyên liệu

Đường hóa dịch cháo

Lên men dịch đường

Chưng cất, tinh chếCồn etylic

Nghiền nguyên liệu

Cồn công nghiệpDầu fusel

được dịch cháo chứa tinh bột hoà tan, dường hoá dịch cháo để biến tinh bột hoà tanthành đường rồi làm lạnh đến nhiệt độ lên men Chuẩn bị men giống và tiến hành lên men dịch đường nhằm chuyển hoá đường thành rượu và CO2 dưới tác dụng củazymaza nấm men Xử lý dịch lên men nhằm tách rượu và các chất dễ bay hơi khỏi giấm chín Sau đó đem tinh luyện cồn thô để được cồn tinh chế

* Cụ thể các công đoạn tiến hành như sau:

II 1 nghiền nguyên liệu

- Nghiền nguyên liệu mục đích nhằm phá vỡ cấu trúc màng tế bào thực

vật để giải phóng các hạt tinh bột khỏi các mô Hiện nay ở nước ta thường dùng cácloại máy nghiền búa Với sắn khô khi nấu ở áp suất thường thì nghiền càng mịn càngtốt

II 2 Nấu nguyên liệu

- Mục đích chủ yếu của việc nấu nguyên liệu là phá vỡ màng tế bào của tinh bột đểbiến chúng thành dạng hoà tan trong dung dịch Quá trình nấu rất quan trọng trong sảnxuất cồn Etylic, các quá trình kỹ thuật tiếp theo tốt hay xấu phụ thuộc rất nhiều vào kếtquả nấu nguyên liệu

- Quá trình nấu nguyên liệu có thể thực hiện gián đoạn, bán liên tục hoặc liên tục

- Nấu gián đoạn: Đặc điểm là toàn bộ quá trình nấu được thực hiện trong

cùng một nồi Phương pháp này có thiết bị và thao tác đơn giản nhưng tốn nhiều hơiđốt do không sử dụng được hơi thứ và gây tổn thất đường Quá trình nấu được thựchiện như sau: Cho nguyên liệu vào nồi,cho toàn bộ nước vào nồi với tỷ lệ 3,5 đến4lít/kg nguyên liệu tuỳ thuộc vào hàm lượng tinh bột,đậy nắp kín cho máy khuấy làmviệc rồi bắt đầu xông hơi sao cho 45 đến 60 phút thì áp suất trong nồi đạt yêu cầu Đốivới nguyên liệu đã nghiền thì áp suất đạt yêu cầu khoảng 3 đến 3,5 kg/cm2.Lúc đầu cần phải đuổi hết không khí và khí không ngưng ra cho tới khi thấy có hơinước bão hoà thoát ra ở van xả Thời gian nấu từ 60 đến 70 phút được tính từ khi đãđạt áp suất yêu cầu,nhiệt độ tương ứng là 135 đến 140 độ C Khi nấu có thể cho thêmaxit sunfuric loãng với hàm lượng 2 đến 4kg/tấn nguyên liệu sẽ nấu nhanh chín hơn vàchống cho dịch cháo tinh bột ít hoặc không bị lão hoá Tuy nhiên nếu cho nhiều sẽkhông có lợi do ăn mòn thiết bị và làm giảm hoạt tính của amylaza

- Nấu bán liên tục : Đặc điểm của phương pháp này là quá trình nấu được tiếnhành nấu trong 3 nồi khác nhau và chia thành nấu sơ bộ,nấu chín và nấu chín thêm.Phương pháp này tiết kiệm được hơi đốt và cho năng suất cao đồng thời thời gian nấuđược rút ngắn tuy nhiên phải sử dụng tới 3 nồi để nấu do đó tốn kém cho thiết bị

- Nấu sơ bộ được thực hiện trong thiết bị hình trụ Lúc đầu cho lượng nước 40đến 50 độ C vào cùng với tỷ lệ 3,5 đến 4lít/kg bột khuấy trộn rồi dùng hơi thứ từ nồi

nấu chín thêm để đun dung dịch bột tới 70 đến 85 độ C và duy trì khoảng 50 đến 60phút sau đó đưa sang nồi nấu chín

- Nấu chín tiến hành như trong phương pháp nấu gián đoạn tuy nhiên

áp suất và thời gian nấu ít hơn áp suất nấu từ 2,8 đến 3,2 kg/cm2, nhiệt độ 130 đến

135 độ C, thời gian nấu khoảng 60 phút

- Dịch cháo sau khi nấu chín được đưa sang nồi nấu chín thêm Nồi nấu chín thêm

có dung tích gấp 3 lần so với nồi nấu chín,nhưng chỉ đổ đầy 2/3 nồi phần còn lại chứahơi áp suất nấu từ 0,5 đến 0,7 kg/cm2, nhiệt độ 105 đến 106 độ C, thời gian nấukhoảng 50 đến 60 phút Quá trình nấu chín thêm là quá trình liên tục

- Hiện nay ở nước ta hầu hết đang sử dụng phương pháp này trong các nhà máysản xuất cồn lớn do hiệu quả tốt, thao tác vận hành đơn giản, các thông số công nghệkhông yêu cầu chặt chẽ lắm như : kích thước hạt bột, chất lượng bột -Nấu liên tục : Nấu liên tục cho phép có được năng suất cao, tồn hao năng lượng

ít và thời gian nấu được rút ngắn Tuy nhiên ở phương pháp này đòi hỏi các điều kiệnnghiêm ngặt như về kích thước của bột phải có một tỷ lệ xác định,việc cung cấp điện,hơi nước,nước phải ổn định Quá trình nấu liên tục cũng được thực hiện thông qua 3giai đoạn thực hiện trong 3 thiết bị khác nhau là : Nấu sơ bộ, nấu chín và nấu chínthêm

- Khi điều kiện kỹ thuật cho phép thì phương pháp này là tốt nhất để sử dụngtrong các nhà máy sản xuất cồn do nó mang tính công nghiệp và dễ cơ giới hoá,tựđộng hoá

II 3 Đường hoá dịch cháo

- Tinh bột hoà tan trong dịch cháo sau khi nấu xong chưa thể lên men trực tiếp đểthành rượu được Để lên men được phải trải qua quá trình thuỷ phân do tác dụng củaxúc tác amylaza để thành đường Quá trình này gọi là đường hoá nó đóng vai trò quantrọng trong công nghệ sản xuất cồn Etylic,quyết định phần lớn hiệu suất thu hồi rượu

do giảm bớt hoặc gia tăng đường và tinh bột còn sót sau khi lên men Trong quá trìnhđường hoá thì tác nhân đường hoá đóng một vai trò quan trọng ở nước ta thường dùngamylaza thu được từ nuôi cấy nấm mốc hoặc các chế phẩm amylaza nhập về Hiện naydùng các chế phẩm nhập ngoại là chính do chất lượng tốt mà chi phí lại không đắt hơn

so với chi phí để tự nuôi cấy Và chủ yếu là nhập về từ Đan Mạch

- Quá trình đường hoá dịch cháo nấu có thể thực hiện gián đoạn hay liên tục Tuynhiên về cơ bản thì nó bao gồm các công đoạn sau:

+Làm lạnh dịch cháo tới nhiệt độ đường hoá Cho chế phẩm amylaza vào dịch cháo và giữ ở nhiệt độ trên trong thời gian xác định để amylaza chuyển hoá tinh bột thành dường Làm lạnh dịch đường hoá tới nhiệt độ lên men Sau đường hoá nhiệt độ dịch đường là 30 độ C hàm lượng đường đạt 80 đến 100g/l

II 4 Lên men dịch đường

- Đường hoá xong dịch đường được làm lạnh đến 28 đến 32 độ C và được đưa vàothùng lên men( hay còn gọi là thùng ủ) cùng với 10% men giống ở đây nấm men sẽphát triển và dưới tác dụng của nấm men,đường sẽ biến thành rượu và khí cacboniccùng nhiều sản phẩm trung gian khác.Đồng thời dưới tác dụng của amylaza,dextrintiếp tục biến thành đường và lên men được glucoza và maltoza Sau khi lên men xong

ta thu được hỗn hợp gồm rượu-nước-bã còn được gọi là giấm chín

- Quá trình lên men có thể được thực hiện gián đoạn hay liên tục : Khi lên mengián đoạn,men giống và dịch đường lúc đầu được bơm song song với nhau vào thùng,lượng men giống chiếm khoảng 10% so với thể tích thùng lên men,nhưng dịch đườngkhông bơm đầy thùng ngay mà thời gian đổ đầy một thùng lên men kéo dài từ 68 giờ

để hạn chế sự phát triển của tạp khuẩn Thời gian lên men là 3 ngày Lên men giánđoạn có ưu điểm là dễ làm,khi nhiễm tạp khuẩn dễ sử lý tuy nhiên năng suất thu được

từ 1m3 thiết bị thấp

- Lên men liên tục : Đặc điểm của quá trình lên men liên tục là dịch đường vàmen được cho vào thùng đầu - gọi là thùng lên men chính,luôn chứa một lượng lớn tếbào trong 1ml dịch Khi đầy thùng đầu thì dịch lên men sẽ chảy tiếp theo sang cácthùng bên cạnh và cuối cùng là thùng chứa giấm chín Quá trình lên men được tiếnhành như sau: Đầu tiên men giống được phát triển rồi được đưa vào thùng lên men cấpI,sau đó được đưa sang thùng lên men cấp II rồi mới được đưa sang thùng lên menchính,sau đó được đưa sang thùng lên men phụ Vấn đề chủ yếu của lên men liên tục

là phải luôn luôn khống chế số tế bào ở thùng lên men chính khoảng 100 đến 120triệu/ml và phải đảm bảo vô trùng

- Ưu điểm nổi bật của sơ đồ lên men liên tục là dùng một lượng lớn men giống ởthùng lên men chính nên lên men xảy ra nhanh,hạn chế được phát triển của tạp khuẩn

Đồng thời nhiều men giống không những áp đảo được tạp khuẩn mà còn tạo rượunhanh,hạn chế phát triển của chúng Mặt khác do độ chua của dịch đường cao,pH thấpcũng là yếu tố không thuận lợi cho vi khuẩn và nấm men hoang dại

Sau 24 giờ đã có 78% đường được lên men,trong khi đó ở lên men gián đoạn mới chỉ đạt 42%

- Tuy nhiên khi lên men liên tục cần tính toán cẩn thận và có biện pháp công nghệ phù hợp,nếu không sẽ phản tác dụng,dễ nhiễm khuẩn hàng loạt và sử lý sẽ rất tốn kém

và giảm hiệu suất

- Nhiệt độ lên men khống chế như sau : Đối với thùng lên men chính nên giữ ở

25 đến 27 độ C thùng lên men phụ từ 27 đến 30 độ C các thùng còn lại 27 đến 28 độ

C Trong điều kiện làm việc như vậy quá trình lên men sẽ kết thúc sau 60 đến 62 giờ

so với lên men gián đoạn là 72 giờ

Sau quá trình lên men nhiệt độ dấm 34 đến 35 độ C

II 5 1 Cơ sở lý thuyết về chưng cất rượu

Chưng cất là quá trình tách rượu và các tạp chất dễ bay hơi khỏi giấm chín Kếtquả ta nhận được rượu thô hay cồn thô Giấm chín bao gồm các chất dễ bay hơi như :rượu, este, andehyt và một số ancol có số các bon lớn hơn hai, các ancol này ta gọi làancol cao phân tử hay dầu fusel ( dầu khét )

Ngoài ra trong giấm chín còn chứa tinh bột, dextrin, protit, axit hữu cơ và chấtkhoáng Tuy là hỗn hợp nhiều cấu tử nhưng trong thành phần của giấm chín chứa chủyếu là rượu Etylic và nước, vì thế khi nghiên cứu người ta xem giấm chín như hỗn hợpcủa hai cấu tử

Quá trình chưng cất rượu có thể dựa vào 2 định luật sau ( do Cônôvalốp vàVrepski dưa ra):

Định luật I: Thiết lập quan hệ giữa thành phần pha lỏng và pha hơi ở trạng tháicân bằng chất lỏng, cấu tử dễ bay hơi trong thể hơi luôn nhiều hơn trong thể lỏng Nếu

ta thêm cấu tử dễ bay hơi vào dung dịch thì điều đó sẽ dẫn đến làm tăng độ bay hơicủa hỗn hợp, nghĩa là làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch ở áp suất đã cho Tuy nhiên

độ bay hơi của hỗn hợp chỉ tăng theo nồng độ rượu trong pha lỏng tới một nồng C%nào đó Sau đó nếu tiếp tục thêm rượu vào pha lỏng thì độ bay hơi không tăng nữa màgiảm đi Lúc này định luật I không còn đúng nữa

Định luật II: Khi chưng cất và tinh chế ở áp suất khí quyển, ta chỉ có thể nhậnđược cồn có nồng độ 97, 2% V Thành phần hơi thoát ra từ dung dịch phụ thuộc vào

áp suất bên ngoài Khi tăng áp suất của hệ thống hai cấu tử, cấu tử nào khi bay hơi đòihỏi nhiều năng lượng thì hàm lượng tương đối của nó sẽ tăng trong hỗn hợp đẳng phí

Do đó khi chưng cất rượu trong điều kiện chân không thì có lợi hơn và có thể thu đượcrượu với nồng độ cao hơn 97, 2%V phụ thuộc vào độ chân không

II 5 2 Lý thuyết về tinh chế cồn

Tinh chế hay tinh luyện là quá trình tách các tạp chất khỏi cồn thô và nâng caonồng độ cồn

Cồn thô nhận được sau khi chưng cất còn chứa rất nhiều tạp chất ( trên 50 chất),

có cấu tạo và tính chất khác nhau Trong đó gồm các nhóm chất như: aldehyt, este,alcol cao phân tử và các axit hữu cơ Hàm lượng chung của tất cả các tạp chất khôngvượt quá 0, 5% so với khối lượng cồn Etylic Thành phần tạp chất nói chung thay đổiphụ thuộc vào nguyên liệu Có một số tạp chất mang tính đặc thù của từng nguyênliệu Còn sản xuất rượu từ tinh bột thường chứa furfuron và các tạp chất gây vị đắng,

đó là các tecpen Chất này khó phát hiện bằng phân tích nhưng lại dễ cảm nhận bằng

vị giác

- Phân loại tạp chất:

Trong việc tinh chế cồn người ta chia tạp chất thành ba loại sự phân loại này chỉ mangtính quy ước vì tính chất của tạp chất có thể thay đổi tuỳ theo nồng độ cồn trong tháp

* Tạp chất đầu : Gồm các 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 Đó là các chất có nhiệt độ sôi thấphơn nhiệt độ sôi của rượu Etylic như: aldehyt axetic, axetatetyl, axetat metyl, formiatetyl, aldehyt butyric

Tạp chất cuối: Gồm các alcol cao phân tử như alcol amylic, alcol izoamylic,izobutylic, propylic, izopropylic ở khu vực nồng độ cao của alcol Etylic, các tạp chấtcuối có độ bay hơi kém hơn so với độ bay hơi của alcol Etylic ở khu vực nồng độEtylic thấp, độ bay hơi của tạp chất cuối có thể nhiều hơn so với alcol Etylic Tạp chấtcuối điển hình nhất là axit axetic, vì rằng độ bay hơi của nó kém hơn alcol Etylic ở tất

*Hệ số tinh chế :

Độ bay hơi của các tạp chất phụ thuộc vào nồn độ alcol Etylic trong dung dịch Gọi A% là % của rượu trong pha hơi, a% là trọng lượng của rượu trong pha lỏng

thì A/a = Kr gọi là hệ số bay hơi của rượu Tương tự như vậy ta có B/b=Ktc gọi là hệ

số bay hơi của tạp chất

-Hệ số bay hơi của rượu và hệ số bay hơi của tạp chất cho ta biết trong thể hơichứa bao nhiêu lần rượu hoặc tạp chất nhiều hơn so với ở thể lỏng Để đánh giá độ bayhơi tương đối của tạp chất so với rượu ở cả hai pha lỏg và hơi,người ta đưa ra hệ sốtinh chế K và biểu diễn bằng tỷ số:

II 5 3 Sơ đồ thiết bị và tiến hành chưng cất và tinh chế

Để tách cồn thô khỏi giấm và tinh chế để nhận được cồn tinh chế có chất lượng cao ta có thể thực hiện theo các phương pháp sau: phương pháp gián đoạn, phương pháp bán liên tục và phương pháp liên tục, trên các sơ đồ thiết bị khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp, tuỳ theo điều kiện, vốn đầu tư và yêu cầu chất lượng của cơ sở sản xuất ở đây tôi chỉ xin trình bày về phương pháp bán liên tục và phương pháp liên tục

do có tính hiệu quả kinh tế trong sản xuất công nghiệp mà phương pháp gián đoạn không đáp ứng được Hơn nữa đây là phương pháp đang được dùng chủ yếu trong sản xuất trên thế giới

* Sơ đồ hệ thống chưng luyện bán liên tục

5-Bình ngưng tụ

6-Bình ngưng tụ

7-Bình làm lạnh

8-Bình làm lạnh

* Sơ đồ hệ thống hoạt động như sau:

Lên men xong giấm chín được bơm vào thùng chứa 1( ở hệ thống này làm việckiểu chưng gián đoạn, luyện liên tục ) Vì ở phần này làm việc gián đoạn nên phải bốtrí hai thùng làm việc song song nhưng làm việc so le để ổn định phần nào nồng độcồn thô trước khi vào tháp tinh chế ở đây thùng chưng cất được đun trực tiếp bằng hơinước có áp suất 0, 8 đến 1kg/cm2 Hơi rượu bay lên được ngưng tụ ở 2 rồi vào thùngchứa 3, tiếp đó liên tục đi vào tháp tinh chế 4 ở 4 cũng được đun bằng hơi nước trựctiếp Cồn thô đi vào tháp tinh chế ở đĩa tiếp liệu ( đĩa 16 đến 18 tính từ dưới lên) rồichảy xuống đáy nồng độ cồn giảm dần đến đáy tháp còn khoảng 0, 015 đến 0, 03% rồi

đi ra ngoài Nhiệt độ đáy tháp phải ở 103 đến 105 độ C Hơi rượu bay lên được tăngdần nồng độ phần lớn được ngưng tụ ở 5 rồi hồi lưu trở lại tháp Một phần nhỏ chưangưng tụ còn chứa nhiều tạp chất đầu được tiếp tục được đưa sang ngưng tụ tiếp ở 6 vàlấy ra ở cồn đầu Cồn đầu chỉ dùng để đốt, sát trùng, làm dung môi để pha vecni hoặcđem cất lại

- Cồn sản phẩm lấy ra ở dạng lỏng cách đĩa hồi lưu ( từ trên xuống ) khoảng 3đến 6 đĩa, được làm lạnh ở 7, rồi vào thùng chứa và vào kho Cồn lấy ra ở đây tuy cónồng độ thấp hơn ( 0, 3 đến 0, 5% V) so với hơi ở đỉnh nhưng chứa ít este và aldehyt

- Chất lượng cồn thu được tuỳ thuộc vào chiều cao tháp và cách vận hành Vềnguyên tắc có thể đạt tiêu chuẩn Việt Nam

Sơ đồ hệ thống chưng luyện bán liên tục

PHẦN II : CỔN TUYỆT ĐỐI VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT

I -SẢN PHẨM CỔN TUYỆT ĐỐI :

I 1.Kháiquát : (CỒN TUYỆT ĐỐI > 99%)

Ethanol , còn gọi là ethyl alcohol, alcohol tinh khiết, là một hợp chất hữu cơ nằmtrong dãy đồng đẳng của rượu methylic, là chất lỏng dễ bay hơi, dễ cháy, không màu.Ethanol là một trong các rượu thông thường trong thành phần đồ uống có chứa cồn Công thức hóa học của nó là C2H5OH, hay CH3-CH2-OH, viết tóm tắt là C2H6O Tùy theo quá trình lên men của nguyên liệu (từ mía hay khoai mì), mà ta có :

- Ethanol tuyệt đối (Cồn tuyệt đối) : loại bỏ hoàn toàn nước trong ethanol với hàmlượng99.60

- Cồn thực phẩm

- Cồn công nghiệp : là cồn khi sản xuất từ khoai mì chưa loại bỏ hoàn toàn tạp chất nên sử dụng cho công nghiệp

+ Cồn công nghiệp 95(95%Ethanol + 5% methanol)

+ Cồn công nghiệp 95 (95% ethanol +5% IPA)

- Cồn sinh học : sử dụng làm nhiên liệu

*Cồn công nghiệp (rượu ethanol và 1 chất độc hại) không được sử dụng trong nướcgiải khát sẽ gây ngộ độc

Ethanol là một dung môi linh động, có thể hòa tan trong nước với các

hợp chất hữu cơ khác: acid acetic, aceton benzene,cacbontetraclorua,chloroform, diethyl ether,ethylene glycol, glycerin, nitromethane, pyridine,và toluene Có thể tạo

hỗn hợp với hydrocacbon béo chẳng hạn như pentan và hexane, và với clorua béo như trichloroethane và tetraloethylene

Với liên kết hydro làm cho ethanol tinh khiết có khả năng hút ẩm trong không khí Nhóm phân cực của hydroxyl làm ethanol có thể hòa tan các hợp chất ion đặc biệt nhưnatri và kali hydroxit, magnesium chloride, clorua calci….Vì các phân tử ethanol có cấu trúc không phân cực nên sẽ hòa tan các chất không phân cực, bao gồm các loại tinh dầu, nhiều hương liệu, màu sắc và thành phần trong dược

Ethanol là một loại rượu đơn chức Nó có độ nóng chảy ở -117,30Cvà sôi ở 78.50C

Nó có thể hòa tan với nước với mọi tỷ lệ Ethanol và nước tạo ra hỗn hợp đẳng phí , là tạo một hỗn hợp đun sôi không đổi, nên việc tách nước trong hỗn hợp ethanol rất khó khăn

Việc tách nước trong ethanol để tạo thành cồn tinh khiết, ethanol tuyệt đối là không thể có được bằng cách chưng cất đơn giản

I 3.Điều chế

Ethanol được sản xuất bằng cả công nghiệp hóa dầu, thông qua công nghệ hydrat hóa ethylene, và phương pháp sinh học, bằng cách lên men đường hay ngũ cốc với men rượu

I.3.1.Hydrat hóa ethylene

Ethanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thông thường nó được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ,chủ yếu là thông qua phương pháp hydrat hóa ethylene bằng xúc tác acid,được trình bày theo phản ứng hóa học sau Cho ethylene hợp nước ở 300 độC, áp suất 70-80 atm với chất xúc tác là acid wolframic hoặc

acidphosphoric:

H2C=CH2+ H2O→CH3CH2OH

Chất xúc tác thông thường là acid phosphoric , được hút bám trong

các chất có độ xốp cao chẳng hạn như điatamit (đất chứa tảo cát) hay than củi; chất xúc tác này đã lần đầu tiên được công ty dầu mỏ Shell sử dụng để sản xuất ethanol ở mức độ công nghiệp năm1947 Các chất xúc tác rắn, chủ yếu là các loại oxit kim loại khác nhau, cũng được đề cập tới trong các sách vở hóa học

Trong công nghệ cũ, lần đầu tiên được tiến hành ở mức độ công nghiệp vào năm

1930 bởi Union Carbide, nhưng ngày nay gần như đã bị loại bỏ thì ethylen đầu tiên

được hyđrat hóa gián tiếp bằng phản ứng của nó với acid sulfric đậm đặc để tạo ra ethyl sulfat, sau đó chất này được thủy phân để tạo thành ethanol và tái tạo axít

sulfuric:

H2C=CH2+ H2SO4→ CH3CH2OSO3H

CH3CH2OSO3H + H2O→CH3CH2OH + H2SO4

Ethanol để sử dụng công nghiệp thông thường là không phù hợp với mục đích làm

đồ uống cho con người ("biến tính") do nó có chứa một lượng nhỏ các chất có thể là độc hại (chẳng hạn methanol) hay khó chịu (chẳng hạn denatonium-

C21H29N2O•C7H5O2-là một chất rất đắng, gây tê) Ethanol biến tính có số UN là UN

1987 và ethanol biến tính độc hại có số là UN 1986

I.3.2 Lên men

Ethanol để sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng như phần lớn Ethanol sử dụng làm nhiên liệu, được sản xuất bằng cách lên men: khi một số loài men rượu nhất định chuyển hóa đườngtrong điều kiện không có oxy (gọi là yếm khí), chúng sản xuất

ra ethanol và cacbon dioxit CO2 Phản ứng hóa học tổng quát có thể viết như sau:

C6H12O6→ 2 CH3CH2OH+ 2 CO2

Quá trình nuôi cấy men rượu theo các điều kiện để sản xuất rượu được gọi là ủ rượu Men rượu có thể phát triển trong sự hiện diện của khoảng 20 % rượu, nhưng nồng độ của rượu trong các sản phẩm cuối cùng có thể tăng lên nhờ chưng cất

Để sản xuất Ethanol từ các nguyên liệu chứa tinh bộtnhư hạt ngũ cốc thì tinh bột đầu tiên phải được chuyển hóa thành đường Trong việc ủ men bia, theo truyền thống

nó được tạo ra bằng cách cho hạt nảy mầm hay ủ mạch nha Trong quá trình nảy mầm,hạt tạo ra các enzym có chức năng phá vỡ tinh bột để tạo ra đường Để sản xuất

ethanol làm nhiên liệu,quá trình thủy phân này của tinh bột thành glucoza được thực hiện nhanh chóng hơn bằng cách xử lý hạt với acid sulfuric loãng,enzym nấm amylas, hay là tổ hợp của cả hai phương pháp

Về tiềm năng, glucoza để lên men thành Ethanol có thể thu được từ

cenluloza.Việc thực hiện công nghệ này có thể giúp chuyển hóa một loại các phế thải

và phụ phẩm nông nghiệp chứa nhiều xenluloza, chẳng hạn lõi ngô,rơm rạ hay mùn cưa thành các nguồn năng lượng tái sinh.Cho đến gần đây thì giá thành của các enzym

cellulas có thể thủy phân cenluloza là rất cao Hãng Iogen ở Canada đã đưa vào vận hành xí nghiệp sản xuất ethanol trên cơ sở cenluloza đầu tiên vào năm 2004.

* Phản ứng thủy phân cellulose gồm các bước:

Bước 1, thủy phân xenluloza thànhmantoza dưới tácdụng của men amylaza

I.3.3 Làm tinh khiết

Đối với hỗn hợp Ethanol và nước, điểm sôi hỗn hợp (azeotrope)cực đại ở nồng

độ 96% ethanol và 4% nước Vì lý do này,chưng cất phân đoạn hỗn hợp nước(chứa ít hơn 96% ethanol) không thể tạo ra ethanol tinh khiết hơn 96% Vì vậy, 95% ethanol trong nước là dung môi phổ biến nhất

I 4.Ứng dụng :

I.4.1.Nhiên liệu hoặc phụ gia xăng dầu:

- Ethanol có thể sử dụng như nhiên liệu (thông thường trộn lẫn với xăng) và dùng trong các quy trình công nghiệp khác

Hỗnhợp xăng(90%) và ethanol (10% thường thu được bằng cách lên men nông sản) hoặc xăng dầu (97%) và methanol hoặc rượu

Ethanol được sử dụng trong các sản phẩn chống đông lạnh vì điểm đóng băng thấp của nó

I.4.2.Đồ uống có cồn :

Ethanol là thành phần chính của đồ uống có cồn, khi uống, ethanol chuyển hóanhư 1 năng lượng cung cấp chất dinh dưỡng

I.4.3 Nguyên liệu :

Ethanol là thành phần quan trọng trong công nghiệp và sử dụng rộng rãi như một hợp chất hữu cơ khác,bao gồm ethyl halogenua, ethyl ester, diethyl ether, acid acetic, ethylamin ,…

I.4.4 Thuốc sát trùng :

Ethanol được sử dụng trong y tế và chống vi khuẩn

Dung dịch chứa 70% ethanol chủ yếu được sử dụng như chất tẩy uế Nó là hiệu quả trong việc chống lại phần lớn các loại vi khuẩn và nấm cũng như nhiều loại virus,

…nhưng không hiểu quả trong việc chống lại các bào tử vi khuẩn

I.4.5 Làm dung môi :

Có thể hòa tan trong nước và các dung môi khác

Ethanol có trong sơn, cồn thuốc, các sản phẩm chăm sóc cá nhân như nước hoa

và chất khử mùi…

I.4.6 Dược :

Về mặt y dược, ethanol là thuốc ngủ, mặc dù nó ít độc hại hơn so với các rượu khác, cái chết thường xảy ra nếu nồng độ cồn trong máu vượt quá khoảng 5% Có thể giảm thị lực, bất tỉnh sẽ xảy ra ở nồng độ thấp hơn

II CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN CAO ĐỘ :

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 sau:

+ Phương pháp chưng cất: - Phương pháp chưng đẳng phí

- Phương pháp chưng phân tử

+ Phương pháp dùng chất hấp phụ chọn lọc Zeolite

+ Phương pháp dùng các chất hút ẩm

+ Phương pháp thẩm thấu qua màng

+ Phương pháp kết hợp bốc hơi thẩm thấu qua màng và dây phân tử

II.1 Phương pháp chưng cất

II.1.1 Chưng trích ly:

Sơ đồ chưng trích ly như sau:

Nguyên tắc:

Hỗn hợp etanol – nước có nhiệt độ sôi gần nhau tạo thành dung dịch

đẳng phí ở 78,15C áp suất 1,013 Bar Với hỗn hợp này không thể dùng

phương pháp chưng luyện thông thường để tách các phân tử ra ở dạng nguyên chất dù tháp vô cùng cao và lượng hồi lưu là rất lớn Phương pháp chưng luyện trích ly thực hiện đưa thêm cấu tử phân ly có tác dụng phá vỡ hỗn hợp đẳng phí, làm tăng độ bay hơi tương đối của một phân tử trong hỗn hợp

Công nghệ thực tế áp dụng ở Braxin [10] sơ đồ công nghê như sau:

Thực hiện đưa cấu tử phá đẳng phí (entrainer) là Benzen, Heptan,

hoặc Cyclohexan Etanol 96% thể tích được đưa vào cột tách nước ( De-

hydrating Column) ở giữa tháp Etanol 99,8% thể tích thu được ở đáy tháp, được đưa

đi làm lạnh và tồn chứa, bảo quản Hỗn hợp đồng sôi của 3 cấu tử thu được ở đỉnh thápđược ngưng tụ và phân tách trong thùng lắng gạn Lớp trên của thùng lắng gạn là các hợp chất hữu cơ chứa cả cấu tử phá đẳng phí được đưa về cột tách hydrocacbon, tại đóhydrocacbon phá đẳng phí, etanol, một lượng hơi nước được đưa đi tuần hoàn về thiết bị ngưng tụ rồi đưa về thùng lắng gạn Stillage thu được

tuần hoàn về tháp chưng cất etanol Một số trường hợp khác stillage được sử dụng trong sản xuất thức ăn cho động vật

Lượng hơi nước sử dụng: 1 ÷ 1,5 kg/lít etanol 99,98%

II.1.2 Chưng phân tử

Nguyên tắc:

Chưng phân tử thực hiện ở độ chân không cao ( tương đương 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 bayhơi khi rời khỏi bề mặt bốc hơi sẽ va đập vào bề mặt ngưng tụ và ngưng tụ ở đó Trongthực tế khoảng cách giữa các phân tử duy trì ở mức 200mm ÷ 30mm Hiệu số nhiệt

độ giữa hai bề mặt duy trì ở mức 100C

- Sơ đồ nguyên lý như sau:

Hình 2.5 Tháp chưng phân tử 1- Bề mặt bốc hơi 2- Bề mặt ngưng tụ

3- Vỏ làm lạnh 4- Đĩa phân phối

5- Phễu hứng sản phẩm đáy 6- Cửa sản phẩm đỉnh

7- Cửa ra của nước làm lạnh 8- Cửa vào của nước làm lạnh

9- Cửa hút chân không 10- Cửa dẫn hỗn hợp đầu vào

Phía trong phòng bốc hơi có một bộ phận đung nóng, phía ngoài là bộ phậnngưng tụ 2 Hệ thống có vỏ bọc 3 để làm lạnh Hỗn hợp đầu (etanol + rươu) cho vào

bộ phận tạo màng 4 để chạy thành màng theo bề mặt bốc hơi

1 Sản phẩm đáy ( nước) lấy ra ở phễu 5, sản phẩm đỉnh (etanol) được tậptrung lại và đi ra cửa 5 Nước làm lạnh vào của 8 và ra cửa 7 Ống nối 9 nối với bơmchân không để giữ cho độ chân không cần thiết trong thiết bị Do việc tạo áp suất vàchế tạo thiết bị làm việc ở áp suất chchân không đòi hỏi rất phức tạp và tốn kém,phương pháp này chỉ để nghiên cứu, không mở rộng được quy mô

II.2 Phương pháp dùng chất hấp phụ chọn lọc – Zeolite

II.2.1 Giới thiệu về Zeolite

Zeolite là các Aluminosilicat tinh thể có cấu trúc không gian 3 chiều

với hệ thống lỗ xốp đồng đều và rất trật tự Hệ thống mao quản (pore) này có kích cỡ phân tử, cho phép chia (rây) các phân tử theo hình dạng và kích thước Vì vậy zeolite còn được gọi là chất rây phân tử

*Thành phần hóa học của zeolite có thể biểu diễn như sau:

MeO.xAlO.ySiO zHO

Trong đó:

+ M+: là cation bù trừ điện tích khung

+ z: là số phân tử nước kết tinh trong zeolite

+ Đơn vị cấu trúc cơ bản của zeolite là các tứ diện TO , với T là Al hoặc Si

Có thể biểu diễn đơn vị cấu trúc cơ bản của zeolite như sau:

Việc thay đổi đồng hình Si bằng nhôm Al trong các tứ diện SiO dẫn đến dư một điện tích âm ở [AlO ] Tích điện âm dư được cân bằng bởi sự có mặt của cation

M ,gọi là cation bù trừ điện tích khung

Người ta tìm thấy 40 cấu trúc zeolite trong tự nhiên khác nhau Trong khi đó sự phát triển của vật liệu này trong lĩnh vực như hấp phụ, phân tách, quá trình xúc tác… đem lại những khả năng lớn nhờ các phương pháp tổng hợp zeolite đang được thựchiện trong phòng thì nghiệm Hiện nay có khoảng 200 loại zeolite tổng hợp, tuy nhiên mới chỉ có một lượng nhỏ trong số đó được sử dụng trong công nghiệp

* Loại giàu Al: Theo quy tắc của Lowenstein thì hàm lượng Si trong

zeolite luôn lớn hơn Al, có nghĩa là tỉ lệ Si/Al luôn lớn hơn bằng 1

Trong loại giàu Al thì tỉ lệ này bằng 1,1 ÷ 1,2 Mao quản của zeolite này tương đối lớn

* Loại có hàm lượng Al trung bình: Với zeolite loại này tỷ lệ giữ

Si/Al từ 1,2 ÷ 2,5

* Loại giàu Si: Loại này có tỷ lệ Si/Al > 2,5 tương đối bền nhiệt nên

được sử dụng nhiều trong quá trình xúc tác có điều kiện khắc nghiệt

- Zeolite A:

Là loại zeolite tổng hợp có cấu trúc dưới dạng lập phương đơn giản

tương tự như kiểu liên kết trong tinh thể NaCl, với các nút mạng lưới là các

bát diện cụt

Đối với zeolite A tỷ lệ Si/Al = 1 nên số nguyên tử Si và Al trong mỗi đơn vị Sodalit bằng nhau Vì vậy với mỗi bát diện cụt được tạo bởi 24 tứ diện có 48 nguyên tử Oxy làm cầu nối, vậy còn dư 12 điện tích âm Để trung hòa 12 điện tích âm này ta phải có 12 cation hóa trị 1 hoặc 6 cation hóa trị 2

II.2.2 Quá trình hấp phụ

II.2.2.1 Các định nghĩa về hấp phụ

Hấp phụ là quá trình hút các chất trên bề mặt các vật liệu xốp nhờ các

lực bề mặt Các vật liệu xốp được gọi là chất hấp phụ, chất bị hút được gọi là chất bịhấp phụ Hấp phụ xảy ra do lực hút tồn tại ở trên và ở gần sát bề mặt trong các

mao quản

+ Hấp phụ hóa học: Lực hấp phụ mạnh nhất là lực hóa trị gây lên hấp

phụ hóa học, tạo lên các hợp chất khá bền trên bề mặt, khó nhả hấp phụ hoặc chuyểncác phân tử thành các nguyên tử

+ Hấp phụ vật lý: Lực hấp phụ là lực vật lý Vanderwall tác dụng trong khoảng không gian gần sát bề mặt

Một hiện tượng thường xảy ra trong bề mặt khí – rắn là pha khí ngưng tụ thành chất lỏng trong mao quản nhỏ, điều này xảy ra dưới tác dụng của lực mao quản Mỗi phân tử đã bị hấp phụ (dù dạng khí hay lỏng) đều giảm độ tự do, do đó quá trình hấp phụ luôn kèm theo sự tỏa nhiệt

+ Hấp phụ vật lý: Nhiệt hấp phụ nhỏ

+ Hấp phụ hóa học: Nhiệt hấp phụ lớn hơn, có thể bằng nhiệt phản ứng Do

sự tỏa nhiệt, trong quá trình hấp phụ vấn đề tách nhiệt luôn được đề ra

Động học của quá trình hấp phụ:

Quá trình hấp phụ từ pha lỏng hoặc pha khí lên bề mặt xốp của chất hấp phụ gồm

3 giai đoạn:

+ Chuyển chất từ lòng pha lỏng đến bề mặt ngoài của hạt chất hấp phụ

+ Khuyếch tán vào các mao quản của hạt

+ Hấp phụ: Quá trình hấp phụ làm bão hòa dần từng phần không gian hấp phụ, đồngthời làm giảm độ tự do của các phân tử bị hấp phụ, kèm theo sự tỏa nhiệt

- Yêu cầu của các vật liệu hấp phụ:

+ Có bề mặt riêng lớn

+ Có các mao quản đủ lớn để các phân tử hấp phụ lên bề mặt, nhưng

cũng cần đủ nhỏ để loại các phân tử xâm nhập, có tính chọn lọc

+ Có thể hoàn nguyên dễ dàng

+ Bền năng lực hấp phụ, nghĩa là kéo dài thời gian làm việc

+ Đủ bền cơ để chịu được rung động và va đập

II.2.2.2 Hấp phụ gián đoạn có lớp chất hấp phụ đứng yên :

a Sự thay đổi nồng độ trong pha rắn và pha khí theo thời gian và chiều cao lớp chất hấp phụ

Biểu diễn sơ đồ sự thay đổi nồng độ chất bị hấp phụ theo chiều cao

của lớp chất hấp phụ và theo thời gian khi hấp phụ gián đoạn có lớp hấp phụ đứng yên như sau: [ hình dưới đây ] Trong đó :

Yc: Nồng độ tối thiểu của chất khí mà ta có thể tách được, kg chất bị

* Quá trình làm việc như sau:

+ Hỗn hợp khí có nồng độ Y đi vào thiết bị Trước khi làm việc chất hấp phụ trongthiết bị đã có nồng độ X≤ X Sau thời gian hấp phụ t nồng độ chất hấp phụ ở mặt cắt

a - a đạt được X , còn ở độ cao H thì đạt được nồng độ X Trong thời gian đó nồng độ khí thay đổi từ Y đến Y

Thời gian để chất hấp phụ ở mặt cắt a – a đạt được nồng độ bão hoà là t , khi

đó nồng độ đạt tới giá trị Y và chất hấp phụ đạt tới X tương ứng với độ cao H Trước thời điểm t các đường cong biểu diễn U = f(H) và K= f(H)

thay đổi liên tục theo chiều cao

Ở thời điểm t trong lớp hấp phụ thực tế đã tạo thành những mặt đồng nồng

độ, chúng dịch chuyển lên với vận tốc không đổi khi tăng thời gian hấp phụ

Ở một thời điểm nhất định chỉ có một lớp chất hấp phụ làm việc, lớp này nằm giữa hai mặt phẳng có nồng độ X và X

II.2.3 Phương pháp sản xuất cồn tuyệt đối bằng vật liệu hấp phụ chọn

lọc :

- Nguyên tắc của phương pháp:

+ Dựa vào kích thước mao quản của zeolite 3A 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 hơn

+ Khi sử dụng zeolite 3A để hấp phụ sản xuất cồn tuyệt đối, bản chất

là chất hấp phụ chọn lọc nước trong hỗn hợp nước và etanol có nồng độ thấp hơn

Như vậy: zeolite 3A hấp phụ nước nhưng không hấp phụ rượu etanol

- Quá trình hấp phụ có thể thực hiện theo hai dạng:

+ Hấp phụ lỏng – rắn

+ Hấp phụ khí – rắn

- Sơ đồ nguyên lý của quá trình:

- Mô tả quá trình làm việc:

+ Nguyên liệu (hỗn hợp etanol – nước có nồng độ thấp) được đưa qua cột hấp phụ chứa zeolite 3A ở pha lỏng hoặc pha hơi Nước sẽ bị hấp phụ và giữ lại trên cột, etanolkhông bị hấp phụ đi ra khỏi cột

Để quá trình làm việc liên tục, thông thường phải có ít nhất 2 tháp chứa chất hấp phụ Khi tháp A tiến hành hấp phụ thì tháp B phải tiến hành tái sinh xúc tác và ngược lại

Với quá trình sử dụng 3 tháp: Tháp 1 thực hiện quá trình hấp, tháp 2 thực hiện quá trình nhả hấp và tháp 3 thực hiện quá trình làm mát chất hấp phụ

- Sơ đồ nguyên lý hấp phụ, nhả hấp và làm mát của hệ thống 3 tháp như sau:

II.2.3.1 Phương pháp 1:

Gia nhiệt cho cột và nhả khí sạch, nóng qua cột hấp phụ ở nhiệt độ

phù hợp Thời gian nhả hấp phụ tuỳ thuộc vào mức độ hấp phụ

Phương pháp này được sử dụng phổ biến trong việc nhả hấp phụ, tái sinh chất hấp phụ

Sơ đồ nguyên tắc như sau: [10]

Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ này là cả tháp nhả và tháp hấp phụ làm việc song song Khi tháp bên trái thực hiện hấp phụ thì tháp phải thực hiện quá trình nhả hấp Trong quá trình nhả hấp này thì khí được gia nhiệt đến nhiệt độ yêu cầu rồi thực hiện quá trình nhả hấp có bổ xung nhiệt ở thân tháp nhả

+ hơi nguyên liệu được trích ra một phần và đi vào tháp làm mát để nâng nhiệt

độ của dòng hơi nhả hấp sau đó được gia nhiệt bằng dầu nóng tới nhiệt độ nhả hấp tối

ưu Sau khi thực hiện quá trình nhả hấp thì dòng hơi này được ngưng tụ lại thành lỏng, rồi cho qua tháp tách pha để tách các hạt bụi zeolite ra pha lỏng được quay trở lại đi vào tháp hấp phụ

+ Ngoài ra còn một số sơ đồ khác tuy nhiên nguyên tắc hoạt động

cũng tương tự sơ đồ công nghệ này

II.2.3.2 Phương pháp 2:

Giảm áp cột hấp phụ Cách này khó thực hiện vì đòi hỏi thiết bị phức

tạp, đòi hỏi kỹ thuật cao và tính an toàn trong sản xuất khi sử dụng thiết bị

Khi ta cho các chất hút ẩm vào trong hệ Etanol – nước thì chất hút ẩm

sẽ hút nước trong cồn, nồng độ cồn thu được sẽ cao hơn nhưng chỉ đạt

khoảng 98% và hiệu suất thu hồi cồn không cao

II.4 Phương pháp thẩm thấu qua màng :

*Nguyên tắc:

Sử dụng vật liệu rây phân tử Zeolite như ở phương pháp hấp phụ chọn

lọc, nhưng tác dụng của vật liệu rây phân tử ở 2 phương pháp hoàn toàn khácnhau

* So sánh phương pháp thẩm thấu qua màng và phương pháp hấp phụ

chọn lọc:

II.5 Phương pháp kết hợp bốc hơi thẩm thấu và rây phân tử

Theo phương pháp này thì nước được hấp phụ bằng bốc hơi thẩm thấu qua màng ,sau đó qua rây phân tử để tiếp tục hấp phụ

Phương pháp này cho nồng độ cồn cao nhưng đòi hỏi đầu tư cơ bản lớn

II.6 Kết hợp chưng cất và thẩm thấu qua màng:

Bản chất của phương pháp là sử dụng tháp chưng cất nâng cao nồng độ Etanol , đồng thời tạo hỗn hợp hơi đi vào thiết bị phân tách loại màng Việc sử dụng kết hợp sẽ cho phép linh động hơn trong nguồn nguyên liệu đầu vào