Nghiên cứu tách các tạp rượu bậc cao trong chưng luyện gián đoạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -PHAN THỊ QUYÊN PHAN THỊ QUYÊN NGHIÊN CỨU TÁCH CÁC TẠP RƯỢU BẬC CAO TRONG CHUYÊN NGÀNH QTTB CHƯNG LUYỆN GIÁN ĐOẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH QUÁ TRÌNH - THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM KHÓA 2008-2010 Hà Nội – - 2011 Luận văn thạc sỹ MỤC LỤC MỤC LỤC I DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT III DANH MỤC BẢNG IV DANH MỤC HÌNH VẼ .VII MỞ ĐẦU X PHẦN 1: TỔNG QUAN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT CỒN RƯỢU 1 RƯỢU ETHYLIC 1.1 Tính chất rượu ethylic 1.2 Ứng dụng rượu ehtylic 1.3 Các phương pháp sản xuất rượu ethylic 2 QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT RƯỢU ETHYLIC BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN SINH HỌC 2.1 Sơ lược ngành công nghiệp sản xuất rượu ethylic 2.2 Quá trình sản xuất rượu ethylic phương pháp lên men sinh học 2.3 Quá trình chưng cất chưng luyện CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG LUYỆN GIÁN ĐOẠN 11 CÁC CẤU HÌNH THÁP CHƯNG LUYỆN GIÁN ĐOẠN 11 CHƯNG LUYỆN GIÁN ĐOẠN 16 2.1 Tổng quan quy trình vận hành tháp chưng luyện gián đoạn .16 2.2 Chưng luyện gián đoạn với số hồi lưu không đôi 18 2.3 Chưng luyện gián đoạn với thành phần đỉnh không đổi .19 CHIẾN LƯỢC TÁCH HỖN HỢP NHIỀU CẤU TỬ BẰNG CHƯNG LUYỆN GIÁN ĐOẠN 21 3.1 Chiến lược chung 21 3.2 Chiến lược hệ ethanol – nước 23 CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ HỆ ETHANOL – NƯỚC VÀ CÁC TẠP CHẤT TRONG SẢN XUẤT CỒN THỰC PHẨM .24 PHÂN LOẠI TẠP CHẤT 24 TẠP CÁC RƯỢU BẬC CAO 26 PHẦN 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29 CÁC MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN CÂN BẰNG LỎNG - HƠI .29 1.1 Mô hình NRTL 30 1.2 Mô hình UNIQUAC 31 1.3 Mô hình UNIFAC .32 1.4 Mô hình UNIFAC – Dortmund 35 1.5 Mô hình thông số Margules 36 1.6 Mô hình hai thông số Van Laar 37 MÔ HÌNH CỦA THÁP CHƯNG LUYỆN GIÁN ĐOẠN 38 Học viên: Phan Thị Quyên i Luận văn thạc sỹ 2.1 Các giả thiết để xây dựng mô hình: .39 2.2 Các phương trình mô hình tháp chưng luyện gián đoạn: 40 2.3 Thuật toán giải hệ phương trình mô hình tháp chưng luyện gián đoạn: 42 PHẦN 3: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 44 KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH BẰNG THỰC NGHIỆM TRÊN THÁP CHƯNG LUYỆN GIÁN ĐOẠN QUY MÔ SẢN XUẤT 44 1.1 Chuẩn bị .45 1.2 Kết .47 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHƯNG LUYỆN GIÁN ĐOẠN 53 2.1 Mô giai đoạn khởi động 54 2.2 Mô giai đoạn hồi lưu lấy sản phẩm .55 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .56 3.1 Khảo sát ảnh hưởng số hồi lưu đến phân bố tạp - chế độ chạy với số hồi lưu không đổi .56 3.2 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ ethanol nguyên liệu đầu đến phân bố tạp theo chiều cao tháp chế độ chạy hồi lưu hoàn toàn 78 3.3 Phân bố tạp giai đoạn khởi động .86 3.4 Đề xuất quy trình vận hành trình chưng luyện gián đoạn 93 KẾT LUẬN 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 Học viên: Phan Thị Quyên ii Luận văn thạc sỹ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT amn: hệ số tương tác nhóm D lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh kmol/h H enthanpy kJ/kmol HiL HiV ethanpi hỗn hợp lỏng đĩa i kJ/kmol G thể tích ngưng tụ không đổi m3 gE lượng tự dư L lưu lượng lỏng tháp kmol/h M lượng sản phẩm, hay tổng lượng tích lũy tháp kmol Mj lượng tích lũy đĩa đĩa thứ j kmol Kij số cân pha cấu tử thứ j đĩa thứ i Q tổng lượng đoạn thiết bị hay toàn tháp kJ/h qj điện tích phân tử cấu tử j QK tham số điện tích đặc trưng cho nhóm nguyên tử R số hồi lưu: Tỷ lệ lưu lượng dòng hồi lưu L lưu lượng dòng sản phẩm D; R số khí lý tưởng R=8314 J/kmol Rmin số hồi lưu tối thiểu ri tham số thể tích phân tử cấu tử i RK tham số thể tích đặc trưng cho nhóm nguyên tử T nhiệt độ 0C 0K V lưu lượng tháp kmol/h uij: lượng tương tác cấu tử i cấu tử j x nồng độ phần mole cấu tử pha lỏng kmol/kmol y nồng độ phần mole cấu tử pha kmol/kmol  k ,  k( i ) : hệ số hoạt động dư nhóm thứ k hỗn hợp dung môi nguyên chất chứa phân tử cấu tử thứ i θ, τ thời gian chưng luyện gián đoạn h ρ khối lượng riêng chất lỏng hay λ giá trị riêng cho ma trận jacobian cho phương trình chênh lệch γi hệ số hoạt độ cấu tử i pha lỏng η hiệu suất đĩa theo Murphree % Học viên: Phan Thị Quyên iii Luận văn thạc sỹ DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Chỉ tiêu chất lượng cồn đạt tiêu chuẩn TCVN 7043 – 2002 25 Bảng 2: Tổng hợp số phương trình số ẩn hệ 42 Bảng 3: Thành phần hỗn hợp nguyên liệu 47 Bảng 4: Kết so sánh thực nghiệm mô hình phân bố nhiệt độ theo chiều cao tháp chế độ hồi lưu hoàn toàn 48 Bảng 5: Kết so sánh thực nghiệm mô hình phân bố nồng độ ethanol theo chiều cao tháp chế độ hồi lưu hoàn toàn 48 Bảng 6: Kết so sánh thực nghiệm mô hình biến thiên nồng độ ethanol theo chiều thời gian đĩa số đĩa 66 50 Bảng 7: Kết so sánh thực nghiệm mô hình cho biến thiên nồng độ este ethylacetate đĩa isobutanol đĩa số 66 theo thời gian 51 Bảng 8: Thành phần rượu nguyên liệu 56 Bảng 9: ảnh hưởng số hồi lưu đến phân bố nồng độ iso amylic đỉnh tháp (thiết bị ngưng tụ) theo thời gian chưng luyện gián đoạn (chế độ chạy với số hồi lưu không đổi) 59 Bảng 10: ảnh hưởng số hồi lưu đến phân bố nồng độ iso amylic đĩa số 83 theo thời gian chưng luyện gián đoạn (chế độ chạy với số hồi lưu không đổi) .61 Bảng 11: ảnh hưởng số hồi lưu đến phân bố nồng độ axít acetic đỉnh tháp (thiết bị ngưng tụ) theo thời gian chưng luyện gián đoạn (chế độ chạy với số hồi lưu không đổi) 63 Bảng 12: ảnh hưởng số hồi lưu đến phân bố nồng độ axít acetic đĩa số 83 theo thời gian chưng luyện gián đoạn (chế độ chạy với số hồi lưu không đổi) .64 Bảng 13: ảnh hưởng số hồi lưu đến phân bố nồng độ isobutanol đỉnh tháp (thiết bị ngưng tụ) theo thời gian chưng luyện gián đoạn (chế độ chạy với số hồi lưu không đổi) 66 Bảng 14: ảnh hưởng số hồi lưu đến phân bố nồng độ isobutanol đĩa số 83 theo thời gian chưng luyện gián đoạn (chế độ chạy với số hồi lưu không đổi) .67 Học viên: Phan Thị Quyên iv Luận văn thạc sỹ Bảng 15: ảnh hưởng số hồi lưu đến phân bố nồng độ aldehyde acetate đỉnh tháp (thiết bị ngưng tự) theo thời gian chưng luyện gián đoạn (chế độ chạy với số hồi lưu không đổi) 69 Bảng 16: ảnh hưởng số hồi lưu đến phân bố nồng độ aldehyde acetate đĩa số 83 theo thời gian chưng luyện gián đoạn (chế độ chạy với số hồi lưu không đổi) 71 Bảng 17: ảnh hưởng số hồi lưu đến phân bố nồng độ este ethylacetate đỉnh tháp theo thời gian chưng luyện gián đoạn (chế độ chạy với số hồi lưu không đổi) 72 Bảng 18: ảnh hưởng số hồi lưu đến phân bố nồng độ methanol đỉnh tháp theo thời gian chưng luyện gián đoạn (chế độ chạy với số hồi lưu không đổi) .74 Bảng 19: ảnh hưởng số hồi lưu đến phân bố nồng độ methanol đĩa số 83 theo thời gian chưng luyện gián đoạn (chế độ chạy với số hồi lưu không đổi) .76 Bảng 20: Phân bố isoamylic theo chiều cao tháp nồng độ ethanol hỗn hợp đầu khác 78 Bảng 21: Phân bố nồng độ axit acetic dọc theo chiều cao tháp nồng độ đầu ethanol khác .80 Bảng 22: Phân bố nồng độ isobutanol dọc theo chiều cao tháp nồng độ ethanol hỗn hợp đầu khác 81 Bảng 23: Phân bố nồng độ aldehyde acetate dọc theo chiều cao tháp nồng độ ethanol hỗn hợp đầu khác chế độ chạy hồi lưu hoàn toàn 83 Bảng 24: Phân bố nồng độ este ethylacetate dọc theo chiều cao tháp nồng độ ethanol hỗn hợp đầu khác chế độ chạy hồi lưu hoàn toàn 83 Bảng 25: Phân bố nồng độ methanol dọc theo chiều cao tháp nồng độ ethanol hỗn hợp đầu khác chế độ chạy hồi lưu hoàn toàn .84 Bảng 26: biến thiên nồng độ cấu tử theo thời gian thiết bị ngưng tụ .87 Bảng 27: Biến thiên nồng độ cấu tử đĩa số 83 87 Bảng 28: phương án khảo sát vận hành tháp chưng luyện gián đoạn 93 Học viên: Phan Thị Quyên v Luận văn thạc sỹ Bảng 29: so sánh chất lượng cồn tinh chế quy trình đề xuất so với quy trình chạy tháp chế độ hồi lưu không đổi 95 Bảng 30: Thành phần sản phẩm phụ 96 Học viên: Phan Thị Quyên vi Luận văn thạc sỹ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Tháp chưng luyện gián đoạn truyền thống .12 Hình 2: Tháp chưng luyện gián đoạn có bình trung gian 13 Hình 3: Tháp chưng luỵện gián đoạn với nhiều bình trung gian 14 Hình 4: Tháp chưng luyện gián đoạn kiểu đảo ngược 15 Hình 5: Biến đổi nồng độ cấu tử dễ bay đỉnh đáy trình chưng luyện gián đoạn với số hồi lưu không đổi 18 Hình 6: Biểu diễn đồ thị x-y trình chưng luyện gián đoạn với số hồi lưu không đổi .19 Hình 7: Biểu diễn đồ thị x-y trình chưng luyện gián đoạn với thành phần đỉnh không đổi 20 Hình 8: Giản đồ cân pha hệ cấu tử: Nước, ethanol isopropanol 27 Hình 9: Giản đồ cân pha hệ cấu tử: nước, ethanol isobutanol .27 Hình 10: Giản đồ cân pha hệ cấu tử: Nước, ethanol isoamylic 28 Hình 11: Sơ đồ cấu trúc tháp chưng luyện gián đoạn 39 Hình 12: : Tháp chưng luyện gián đoạn quy mô sản xuất 45 Hình 13: Phân bố nhiệt độ theo chiều cao tháp 49 Hình 14: Phân bố nồng độ ethanol theo chiều cao tháp .49 Hình 15: Biến thiên nồng độ ethanol theo thời gian đĩa số 66 51 Hình 16: Biến thiên nồng độ ethanol theo thời gian đĩa số 51 Hình 17: Biến thiên nồng độ este ethylacetate theo thời gian đĩa số 52 Hình 18: Biến thiên nồng độ isobutanol theo chiều thời gian đĩa số 66 52 Hình 19: ảnh hưởng số hồi lưu đến phân bố nồng độ iso amylic đỉnh tháp (thiết bị ngưng tụ) theo thời gian chưng luyện gián đoạn (chế độ chạy với số hồi lưu không đổi) – lượng lỏng hồi lưu tháp M=10% 60 Hình 20: ảnh hưởng số hồi lưu đến phân bố nồng độ iso amylic vị trí đĩa số 83 theo thời gian chưng luyện gián đoạn (chế độ chạy với số hồi lưu không đổi) lượng lỏng hồi lưu tháp M=10% 62 Học viên: Phan Thị Quyên vii Luận văn thạc sỹ Hình 21: ảnh hưởng số hồi lưu đến phân bố nồng độ axít acetic đỉnh tháp (thiết bị ngưng tụ) theo thời gian chưng luyện gián đoạn (chế độ chạy với số hồi lưu không đổi)- lượng lỏng hồi lưu tháp M=10% 64 Hình 22: ảnh hưởng số hồi lưu đến phân bố nồng độ axít acetic đĩa số 83 theo thời gian chưng luyện gián đoạn (chế độ chạy với số hồi lưu không đổi)- lượng lỏng hồi lưu tháp M=10% 65 Hình 23: ảnh hưởng số hồi lưu đến phân bố nồng độ isobutanol đỉnh tháp (thiết bị ngưng tụ) theo thời gian chưng luyện gián đoạn- M=10% .67 Hình 24: ảnh hưởng số hồi lưu đến phân bố nồng độ isobutanol đĩa số 83 theo thời gian chưng luyện gián đoạn, M=10% 68 Hình 25: ảnh hưởng số hồi lưu đến phân bố nồng độ aldehyde acetate đỉnh tháp (thiết bị ngưng tự) theo thời gian chưng luyện gián đoạn M=10% .70 Hình 26: ảnh hưởng số hồi lưu đến phân bố nồng độ aldehyde acetate đĩa số 83 theo thời gian chưng luyện gián đoạn, M=10% 72 Hình 27: ảnh hưởng số hồi lưu đến phân bố nồng độ este ethylacetate đỉnh tháp theo thời gian chưng luyện gián đoạn, M=10% 74 Hình 28: ảnh hưởng số hồi lưu đến phân bố nồng độ methanol đỉnh tháp theo thời gian chưng luyện gián đoạn, M=10% 75 Hình 29: ảnh hưởng số hồi lưu đến phân bố nồng độ methanol đĩa số 83 theo thời gian chưng luyện gián đoạn, M=10% 77 Hình 30: Phân bố isoamylic theo chiều cao tháp nồng độ đầu ethanol khác chế độ chạy hồi lưu hoàn toàn Lượng lỏng lưu tháp giả thiết 10%, nồng độ isoamylic nguyên liệu đầu 0.0005484 kmol/kmol 79 Hình 31: Phân bố axit acetic theo chiều cao tháp nồng độ đầu ethanol khác chế độ chạy hồi lưu hoàn toàn Lượng lỏng lưu tháp giả thiết 10%, nồng độ axit acetic nguyên liệu đầu 0.0003327 kmol/kmol 81 Học viên: Phan Thị Quyên viii Luận văn thạc sỹ Hình 32: Phân bố isobutanol theo chiều cao tháp nồng độ đầu ethanol khác chế độ chạy hồi lưu hoàn toàn Lượng lỏng lưu tháp giả thiết 10%, nồng độ isobutanol nguyên liệu đầu 0.00002626 kmol/kmol 82 Hình 33: Sơ đồ cấu trúc tháp chưng luyện gián đoạn 88 Hình 34: Biến đổi nồng độ rượu etylic nước thiết bị ngưng tụ giai đoạn khởi động 88 Hình 35: Biến đổi nồng độ isoamylic thiết bị ngưng tụ giai đoạn khởi động 89 Hình 36: Biến đổi nồng độ isoamylic đĩa số 83 giai đoạn khởi động 89 Hình 37: Biến đổi nồng độ axit acetic thiết bị ngưng tụ giai đoạn khởi động .89 Hình 38: Biến đổi nồng độ axit acetic đĩa số 83 giai đoạn khởi động 89 Hình 39: Biến đổi nồng độ isobutanol thiết bị ngưng tụ giai đoạn khởi động .90 Hình 40: Biến đổi nồng độ isobutanol đĩa số 83 giai đoạn khởi động 90 Hình 41: Biến đổi nồng độ este ethylacetate thiết bị ngưng tụ giai đoạn khởi động 90 Hình 42: Biến đổi nồng độ este ethylacetate đĩa số 83 giai đoạn khởi động.90 Hình 43: Biến đổi nồng độ aldehyde acetate thiết bị ngưng tụ giai đoạn khởi động 91 Hình 44: Biến đổi nồng độ aldehyde acetate đĩa số 83 giai đoạn khởi động .91 Hình 45: Biến đổi nồng độ methanol thiết bị ngưng tụ giai đoạn khởi động .92 Hình 46: Biến đổi nồng độ methanol đĩa số 83 giai đoạn khởi động 92 Học viên: Phan Thị Quyên ix Luận văn thạc sỹ 54 1.65137e,08 1.65043e,08 1.65002e,08 1.64991e,08 1.64952e,08 1.64846e,08 55 1.31e,08 1.30911e,08 1.30873e,08 1.30862e,08 1.30825e,08 1.30724e,08 56 1.03983e,08 1.03899e,08 1.03863e,08 1.03852e,08 1.03817e,08 1.03721e,08 57 8.25946e,09 8.25155e,09 8.24814e,09 8.24705e,09 8.24372e,09 8.23459e,09 58 6.56573e,09 6.55823e,09 6.55499e,09 6.55394e,09 6.55077e,09 6.54208e,09 59 5.22402e,09 5.21689e,09 5.21382e,09 5.2128e,09 5.20977e,09 5.2015e,09 60 4.1608e,09 4.15401e,09 4.1511e,09 4.1501e,09 4.14722e,09 4.13933e,09 61 3.31796e,09 3.31149e,09 3.30872e,09 3.30775e,09 3.30499e,09 3.29746e,09 62 2.64956e,09 2.64338e,09 2.64074e,09 2.63981e,09 2.63716e,09 2.62996e,09 63 2.11929e,09 2.11338e,09 2.11085e,09 2.10995e,09 2.10741e,09 2.10051e,09 64 1.69844e,09 1.69275e,09 1.69033e,09 1.68946e,09 1.68702e,09 1.68039e,09 65 1.36427e,09 1.3588e,09 1.35647e,09 1.35562e,09 1.35328e,09 1.3469e,09 66 1.09884e,09 1.09355e,09 1.0913e,09 1.09048e,09 1.08821e,09 1.08205e,09 67 0 0 0 … … … … … … … Đáy 0 0 0 3.3 Phân bố tạp giai đoạn khởi động Nghiên cứu biến đổi nồng độ cấu tử tạp chất hai vị trí chúng có vai trò quan trọng việc tách cấu tử tạp chất Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp có vai trò việc tách tạp dễ bay đĩa số 83 thiết bị đun sôi đáy tháp có ý nghĩa việc tách tạp khó bay ngăn chặn cấu tử lên đỉnh tháp Hình 34 mô tả biến đổi nồng độ ethanol nước thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp giai đoạn khởi động Có thể thấy chúng biến đổi phức tạp Ban đầu nồng độ phần mole nước tăng nhanh sau giảm nhanh nồng độ xấp xỉ 0.1 phần mole Điều giải thích là: nước cấu tử khó bay hơi, bắt đầu đun sôi đáy tháp cấu tử bay Với cấu tử dễ bay chúng chủ yếu dạng cấu tử khó bay (nước) chúng ngưng tụ bắt đầu lưu đĩa Sau giai đoạn ngắn này, cấu tử dễ bay (ethanol) ngưng tụ lưu đĩa nồng độ nước giảm mạnh Học viên: Phan Thị Quyên 86 Luận văn thạc sỹ Bảng 26: biến thiên nồng độ cấu tử theo thời gian thiết bị ngưng tụ Thời gian (h) Ethanol kmol/kmol Nước kmol/kmol Isoamylic kmol/kmol Methanol kmol/kmol Acetandehyde kmol/kmol AceticAcid kmol/kmol Este Ethylacetate kmol/kmol Isobutanol kmol/kmol 0 0 0 0 0.2 0.160604 0.711107 3.46E-04 3.01E-05 6.06E-05 2.91E-04 9.09E-05 2.28E-05 0.4 0.649364 0.335733 1.13E-02 1.26E-04 9.56E-04 1.25E-04 0.0018901 7.41E-05 0.6 0.579548 0.148731 2.20E-01 3.98E-04 3.36E-02 2.15E-06 0.0177924 4.31E-06 0.8 0.646475 0.113139 0.124343 1.01E-03 8.04E-02 4.01E-09 0.0346121 4.38E-08 0.683526 0.10292 0.0710387 1.68E-03 0.098519 1.19E-11 0.0423204 4.78E-10 1.2 0.711852 0.0989204 0.0415885 2.34E-03 0.100335 1.09E-13 0.0449646 1.02E-11 1.4 0.73432 0.0972338 0.0248295 2.96E-03 0.0951977 2.96E-15 0.0454634 4.63E-13 1.6 0.751974 0.0965717 0.0150345 0.00350758 0.087735 1.39E-16 0.0451771 3.17E-14 1.8 0.765887 0.0966809 0.00913091 0.00400039 0.0797199 7.70E-18 0.0445809 2.47E-15 0.777274 0.0970705 0.00552457 0.00443818 0.0718464 4.31E-19 0.0438464 1.93E-16 2.2 0.786826 0.0975647 0.00332996 0.00482453 0.0644255 2.99E-20 0.0430295 1.74E-17 2.4 0.794998 0.0980992 0.00200004 0.00516338 0.0575798 8.07E-21 0.0421596 3.92E-18 2.6 0.802107 0.0986409 0.0011973 0.00545873 0.0513413 7.09E-21 0.0412546 2.88E-18 2.8 0.808375 0.0991714 7.15E-04 0.00571442 0.0456983 7.20E-21 0.0403259 2.81E-18 0.813959 0.0996793 4.25E-04 0.00593401 0.0406189 7.34E-21 0.0393824 2.82E-18 3.2 0.818975 0.100158 2.52E-04 0.0061208 0.0360624 7.45E-21 0.0384305 2.84E-18 Bảng 27: Biến thiên nồng độ cấu tử đĩa số 83 Thời gian H Isoamylic kmol/kmol Methanol kmol/kmol Acetandehyde kmol/kmol Aceticacid kmol/kmol Este Ethylacetate kmol/kmol Isobutanol kmol/kmol 0 0 0 0.2 4.80E-04 3.45E-05 7.13E-05 3.33E-04 1.07E-04 2.63E-05 0.4 3.56E-04 3.45E-05 7.10E-05 3.33E-04 1.06E-04 2.64E-05 0.6 8.97E-08 3.24E-05 4.81E-05 3.38E-04 6.37E-05 2.46E-05 0.8 1.10E-15 2.82E-05 2.06E-05 3.47E-04 1.92E-05 2.08E-05 3.23E-23 4.12E-05 1.52E-05 3.14E-04 2.01E-05 1.82E-04 1.2 1.71E-21 4.01E-05 6.99E-06 2.33E-04 8.22E-06 1.48E-04 1.4 -3.25E-37 3.67E-05 3.12E-06 2.35E-04 2.96E-06 1.27E-04 1.6 3.81E-21 3.32E-05 1.43E-06 2.36E-04 1.10E-06 1.25E-04 1.8 1.90E-20 3.00E-05 6.60E-07 2.37E-04 4.14E-07 1.25E-04 1.06E-20 2.70E-05 3.04E-07 2.38E-04 1.55E-07 1.26E-04 2.2 1.47E-20 2.43E-05 1.40E-07 2.38E-04 5.76E-08 1.26E-04 2.4 3.39E-21 2.19E-05 6.44E-08 2.39E-04 2.14E-08 1.26E-04 2.6 7.02E-21 1.97E-05 2.96E-08 2.39E-04 7.93E-09 1.26E-04 2.8 7.46E-23 1.77E-05 1.36E-08 2.39E-04 2.93E-09 1.26E-04 2.34E-21 1.60E-05 6.24E-09 2.39E-04 1.09E-09 1.27E-04 Học viên: Phan Thị Quyên 87 Luận văn thạc sỹ 3.2 1.65E-21 1.44E-05 2.86E-09 2.39E-04 4.01E-10 1.27E-04 Hình 34: Biến đổi nồng độ rượu etylic nước thiết bị Hình 33: Sơ đồ cấu trúc tháp ngưng tụ giai đoạn khởi động chưng luyện gián đoạn Học viên: Phan Thị Quyên 88 Luận văn thạc sỹ Hình 35: Biến đổi nồng độ Hình 36: Biến đổi nồng độ isoamylic thiết bị ngưng tụ isoamylic đĩa số 83 giai đoạn giai đoạn khởi động khởi động Hình 37: Biến đổi nồng độ Hình 38: Biến đổi nồng độ axit axit acetic thiết bị ngưng tụ acetic đĩa số 83 giai đoạn khởi giai đoạn khởi động động Học viên: Phan Thị Quyên 89 Luận văn thạc sỹ Hình 39: Biến đổi nồng độ Hình 40: Biến đổi nồng độ isobutanol thiết bị ngưng tụ isobutanol đĩa số 83 giai đoạn giai đoạn khởi động khởi động Hình 41: Biến đổi nồng độ Hình 42: Biến đổi nồng độ este este ethylacetate thiết bị ngưng ethylacetate đĩa số 83 giai đoạn tụ giai đoạn khởi động khởi động Học viên: Phan Thị Quyên 90 Luận văn thạc sỹ Hình 43: Biến đổi nồng độ Hình 44: Biến đổi nồng độ aldehyde acetate thiết bị ngưng aldehyde acetate đĩa số 83 giai tụ giai đoạn khởi động đoạn khởi động Học viên: Phan Thị Quyên 91 Luận văn thạc sỹ Hình 45: Biến đổi nồng độ Hình 46: Biến đổi nồng độ methanol thiết bị ngưng tụ methanol đĩa số 83 giai đoạn giai đoạn khởi động khởi động Có thể thấy gia đoạn khởi động, nồng độ cấu tử biến đổi nhìn chung phức tạp Tổng hợp lại đưa nhận xét chung sau: Đối với tạp khó bay hơi: isoamylic, isobutanol, acid acetic đỉnh tháp nồng độ tăng nhanh lỏng lưu đĩa đỉnh Khi lỏng lưu đĩa tháp chuyển sang chế độ hồi lưu hoàn toàn nồng độ chúng giảm mạnh Tại đĩa số 83 nồng độ chúng tăng sớm sau giảm nhẹ giảm không đáng kể Đối với tạp dễ bay hơi: Như este ethylacetate, aldehyde acetate nồng độ đỉnh chúng tăng chậm sau giảm không đáng kể Tại đĩa số 83 nồng độ chúng tăng nhanh nhanh chóng biết Đối với tạp vòng quanh: Như methanol nồng độ đỉnh tăng chậm tiếp tục tăng Còn tai đĩa số 83 nồng độ liên tục biến đổi thời điểm đầu giảm chậm sau Học viên: Phan Thị Quyên 92 Luận văn thạc sỹ Các kết mô giai đoạn khởi động tháp chưng luyện gián đoạn hệ ethanol – nước tạp chất cho thấy hành vi phức tạp cấu tử Trong giai đoạn mà cấu tử dễ bay theo khí không ngưng khỏi tháp, cấu tử khó bay thiết lập pha lỏng trước đĩa dù lượng nhỏ theo thứ tự từ đỉnh xuống đáy Sau đến lượt cấu tử dễ bay thiết lập đĩa đẩy cấu tử khó bay trở lại phía đáy tháp Nghiên cứu đưa hành vi biến đổi cấu tử giai đoạn khởi động trình chưng luyện gián đoạn Qua nghiên cứu hành vi chúng, việc xác định thời gian thiết lập tháp trạng thái ổn định, thấy có nhiều triển vọng để tách đáng kể cấu tử tạp chất cấu tử dễ bay hệ ethanol-nước tạp chất thu từ phương pháp lên men Cùng với nghiên cứu tiếp ảnh hưởng lượng lỏng lưu đĩa ảnh hưởng số hồi lưu đến hiệu trình tách, mục đích để đưa quy trình vận hành tháp phù hợp vừa rút ngắn thời gian chưng luyện vừa nâng cao chất lượng cồn thực phẩm tinh chế 3.4 Đề xuất quy trình vận hành trình chưng luyện gián đoạn  Giả thiết quy trình vận hành trình chưng luyện gián đoạn Căn vào việc khảo sát phân bố tạp theo chiều cao tháp chế độ hồi lưu hoàn toàn ảnh hưởng số hồi lưu đến biến thiên thành phần tạp Ở xin khảo sát quy trình vận hành mà rút ngắn thời gian chưng luyện gián đoạn mà đảm bảo chất lượng cồn tinh chế Cụ thể quy trình vận hành cho phương án khảo sát sau Bảng 28: phương án khảo sát vận hành tháp chưng luyện gián đoạn Học viên: Phan Thị Quyên 93 Luận văn thạc sỹ Các giai đoạn vận hành Giai đoạn Giai đoạn Giai đoạn Giai đoạn Giai đoạn Giai đoạn PA1 PA2 PA3 chạy hồi lưu hoàn toàn chạy tháp với số hồi lưu R=10 lấy 0.05 kmol lượng lỏng sau ngưng tụ chạy hồi lưu hoàn toàn 15 phút, không lấy sản phẩm chạy hồi lưu hoàn toàn chạy tháp với số hồi lưu R=20 lấy 0.05 kmol lượng lỏng sau ngưng tụ chạy hồi lưu hoàn toàn 15 phút, không lấy sản phẩm chạy hồi lưu hoàn toàn chạy tháp với số hồi lưu R=10 lấy 0.05 kmol lượng lỏng sau ngưng tụ chạy tháp với số hồi lưu R=10 lấy tiếp 0.05 kmol lượng lỏng sau ngưng tụ Tháp chạy chế độ hồi lưu hoàn toàn sản phẩm cồn tinh chế lấy đĩa 2, lưu lượng lỏng 2kmol/h, kết thúc trình nồng độ ethanol đáy 0.5% mole … chạy tháp với số hồi lưu R=20 lấy tiếp 0.05 kmol lượng lỏng sau ngưng tụ Tháp chạy chế độ hồi lưu hoàn toàn sản phẩm cồn tinh chế lấy đĩa 2, lưu lượng lỏng 3kmol/h, kết thúc trình nồng độ ethanol đáy 0.5% mole … Tháp chạy chế độ hồi lưu hoàn toàn sản phẩm cồn tinh chế lấy đĩa 2, lưu lượng lỏng 3kmol/h, giai đoạn lấy khoảng 50% tổng lượng cồn chạy hồi lưu hoàn toàn 15 phút, không lấy sản phẩm chạy tháp với số hồi lưu R=10 lấy tiếp 0.05 kmol lượng lỏng sau ngưng tụ Tháp chạy chế độ hồi lưu hoàn toàn sản phẩm cồn tinh chế lấy đĩa 2, lưu lượng lỏng 2kmol/h, kết thúc trình nồng độ ethanol đáy 0.5% mole Quá trình chạy hồi lưu hoàn toàn sau lấy lượng nhỏ lượng lỏng nhằm chủ yếu tách tạp dễ bay khỏi sản phẩm Trong quy trình áp dụng lần chạy hồi lưu hoàn toàn, thực tế lặp lại giai đoạn tạp dễ bay tách triệt để nhiên sau hiệu tách thấp mặt khác lại làm tăng phức tạp, tiêu tốn thời gian, lượng chi phí vận hành  Đánh giá quy trình vận hành vừa đề xuất Rõ ràng với việc thay đổi quy trình vận hành đem lại lợi ích lớn vừa tiết kiệm đáng kể thời gian chưng cất lại tách triệt để tạp chất nâng cao chất lượng cồn tinh chế Các cấu tử dễ bay tách chủ yếu nằm sản phẩm phụ bảng 29 Nồng độ aldehyde acetate lên tới Học viên: Phan Thị Quyên 94 Luận văn thạc sỹ 1.1%, este ethyacetate 1.5% methanol 0.3% Sản phẩm phụ tích lũy với mẻ khác nhau, lượng lớn tiến hành trình chưng cất để tinh chế lại, vừa thu hồi ethanol mà có hỗn hợp với nồng độ cấu tử tạp lớn hơn, có giá trị kinh tế Trong phương án đề xuất phương án có lợi cả, thời gian chưng luyện ngắn đồng thời chất lượng sản phẩm tương đương với phương án 2, có thời gian chưng luyện lớn Phương án chạy theo quy trình: hồi lưu hoàn toàn →lấy sản phẩm phụ → hồi lưu hoàn toàn → lấy sản phẩm phụ → lấy sản phẩm chính, phương án chạy lặp lần theo chu trình: hồi lưu hoàn toàn→ lấy sản phẩm phụ →lấy sản phẩm Theo PA3, sản phẩm chứa nhiều tạp dễ bay so với phương án Như hệ ethanol-nước tạp có nồng độ nhỏ vận hành tháp theo PA1 PA2 tốt Bảng 29: so sánh chất lượng cồn tinh chế quy trình đề xuất so với quy trình chạy tháp chế độ hồi lưu không đổi Quy trình PA1 PA2 PA3 R=2 R=12 R=20 R=25 Thoi gian ket thuc (h) 2.6 3.56 3.08 1.7 5.53 8.79 10.85 Tổng lượng sản phẩm (kmol) 6.81046 6.32814 6.34442 7.99421 6.15699 6.09078 6.07479 0 Isoamylic Lượng sản phẩm theo cấu tử (kmol) 2.09432E-07 0.0 0.008202 Andehyd acetate 0.001521 0.001518 0.00202 0.002675 0.002676 0.002676 0.002676 Acid acetic 6.32369E-09 0.0 2.94E-04 0 Ethanol 5.90917 5.55962 5.56052 6.56533 5.44733 5.40047 5.38937 Este ethyacetate 0.002397 0.002403 0.003101 0.003995 0.003995 0.003995 0.003995 Isobutanol 6.24919E-07 9.94E-09 1.06069e,08 6.09E-04 0 Methanol 9.2195E-04 9.33E-04 0.001062 0.001275 0.001273 0.001269 0.001268 Nước 0.896455 0.763671 0.777716 1.41183 0.70172 0.682366 0.677487 Thành phần (phần mole) Isoamylic 3.07477E-08 0.0 0.001026 0 Andehyd acetate 2.23315E-04 2.40E-04 3.18457e-04 3.35E-04 4.35E-04 4.39E-04 4.40E-04 Acid acetic 0.0 0.0 3.67E-05 0 Ethanol 0.86766 0.878555 0.876443 0.821263 0.884739 0.886664 0.887169 Este ethyacetate 3.52031E-04 3.80E-04 4.88828e-04 5.00E-04 6.49E-04 6.56E-04 6.58E-04 Học viên: Phan Thị Quyên 95 Luận văn thạc sỹ Isobutanol 9.17515E-08 1.57E-09 1.67182e-09 7.62E-05 0 Methanol 1.35373E-04 1.47E-04 1.67455e-04 1.60E-04 2.07E-04 2.08E-04 2.09E-04 Nước 0.131629 0.120679 0.122583 0.176604 0.113971 0.112033 0.111524 Bảng 30: Thành phần sản phẩm phụ Lượng theo cấu tử (kmol) Cấu tử Isoamylic Aldehyde acetate Acid acetic Ethanol Este ethyacetate Isobutanol Methanol Nước Tổng lượng sản phẩm (kmol) PA1 0.001156 0.089528 0.0016 3.51e-04 0.010726 0.10301 PA2 0.001159 0.090689 0.001594 3.38e-04 0.010875 0.104655 Học viên: Phan Thị Quyên 96 PA3 6.56763e,04 0.089901 8.95664e-04 2.13e-04 0.011116 0.102783 PA1 0.011187 0.0 0.866164 0.015475 0.003403 0.10377 Nồng độ (phần mole) PA2 0.011075 0.866552 0.015228 0.003231 0.103915 Tổng: PA3 0.00639 0.874673 0.008714 0.002074 0.108149 Luận văn thạc sỹ KẾT LUẬN Chưng luyện gián đoạn hệ nhiều cấu tử trình phức tạp Qua kết nghiên cứu trên, thấy tổng quan mô hình tháp chưng luyện chương trình mô mô tả tốt hành vi tháp chưng luyện gián đoạn Các nghiên cứu ảnh hưởng lượng lỏng tích lũy tháp, ảnh hưởng số hồi lưu nồng độ ethanol hỗn hợp đầu lên phân bố cấu tử theo thời gian vị trí khác thân tháp cho thấy rõ quy luật biến đổi cấu tử tạp chất Trên sở đưa đề xuất chế độ vận hành thích hợp với mục đích loại bỏ tạp lợi cho sức khỏe, nâng cao hiệu suất thu hồi cồn thực phẩm chất lượng cao Các kết luận rút sau nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng lên trình chưng luyện gián đoạn sau:  Lượng lỏng lưu tháp lớn nồng độ tạp lưu tháp lớn, thuận lợi cho việc tách tạp  Chỉ số hồi lưu thông số công nghệ quan trọng vận hành tháp chưng luyện gián đoạn Kỹ thuật tách cấu tử có nồng độ thấp tinh chế cồn thực phẩm kỹ thuật thay đổi linh hoạt số hồi lưu Chỉ số hồi lưu ảnh hưởng lớn đến hành vi biến đổi cấu tử Vận hành số hồi lưu thấp làm giảm thời gian chưng luyện gián đoạn, thuận lợi cho việc tách tạp dễ bay đỉnh tháp giai đoạn đầu chưng luyện gián đoạn, nhiên lại khó khống chế tạp khó bay Sản phẩm cồn tinh chế dễ nhiễm tạp khó bay Vận hành số hồi lưu lớn làm thời gian chưng luyện kéo dài, khó tách tạp dễ bay hơi, nhiên sản phẩm lại không bị nhiễm tạp khó bay Vận hành số hồi lưu hoàn toàn có lợi cho việc đẩy phần lớn tạp dễ bay tích tụ đỉnh tháp Do hồi lưu hoàn toàn thường xen kẽ vào trình vận hành chưng luyện gián đoạn Học viên: Phan Thị Quyên 97 Luận văn thạc sỹ  Nồng độ ethanol hỗn hợp đầu ảnh hưởng lớn đến phân bố tạp khó bay theo chiều cao tháp chế độ hồi lưu hoàn toàn ảnh hưởng đến phân bố tạp dễ bay Khi nồng độ ethanol hỗn hợp đầu thấp dễ tách tạp isoamylic isobutanol sau chạy tháp chế độ hồi lưu hoàn toàn cách lấy dòng đĩa số 83 đáy tháp  Hành vi biến đổi tạp gian đoạn khởi động phức tạp Đối với tháp trạng thái ban đầu rỗng nguội, thời điểm ban đầu giai đoạn khởi động tạp dễ bay chủ yếu dạng pha tạp khó bay có nồng độ lớn đĩa phía đỉnh tháp nhiên lượng tích lũy chúng bé Do thời điểm ban đầu giai đoạn khởi động nên tránh cấp nhiệt lớn cho đáy tháp, Nhiệt cấp lớn tạp khó bay tích tụ đỉnh tháp lớn khó đẩy tạp trở lại đáy tháp giai đoạn sau, ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm tinh chế Vận hành tháp chưng luyện gián đoạn để tinh chế cồn thực phẩm từ hệ ethanol – nước tạp chất có nồng độ thấp nên theo quy trình sau:  Giai đoạn khởi động: chạy hồi lưu hoàn toàn  Vận hành số hồi lưu thấp để tách lượng nhỏ sản phẩm phụ chứa nhiều tạp dễ bay sau ngưng tụ đỉnh tháp  Hồi lưu hoàn toàn không lấy sản phẩm khoảng thời gian ngắn để tạp dễ bay lưu tháp lên đỉnh tháp  Vận hành tháp số hồi lưu thấp để tách lượng nhỏ sản phẩm phụ chứa nhiều tạp dễ bay Học viên: Phan Thị Quyên 98 Luận văn thạc sỹ  Hồi lưu hoàn toàn đỉnh tháp lấy dòng sản phẩm đĩa gần đỉnh tháp để tránh nhiễm tạp dễ bay  Hồi lưu lại hoàn toàn đỉnh tháp lấy dòng sản phẩm với lưu lượng dòng thấp tức số hồi lưu tính chung cho toàn tháp tăng lên  Các giai đoạn từ đến lặp lặp lại nhiều lần đến tạp đỉnh tháp nồng độ cho phép Giai đoạn chia nhỏ thành nhiều giai đoạn, số hồi lưu tính chung cho toàn tháp tăng dần lên tức lưu lượng dòng sản phẩm nhỏ dần Học viên: Phan Thị Quyên 99 Luận văn thạc sỹ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Cao Thị Mai Duyên, Tối ưu hóa hệ thống tách hỗn hợp nhiều cấu tử etanol - nước tạp chất nhận phương pháp lên men, Luận văn tiến sỹ khoa học, Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2010 [2] Nguyễn Hữu Tùng, Tìm giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao chất lượng hiệu suất thu hồi cồn”, Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước KC – 06 – 17CN, Hà Nội, 2005 [3] Arndt Mehlhorn, Using Rate-Based Approach Under Consideration of Different Contacting Regimes for Multicomponent Batch Distillation Simulation, Polytechnical University of Catalunya, Barcelona, Spain, 1998 [4] Aspen Engineering, Version V7.1, Aspen Technology, Burlington, USA, 2009 [5] Aznar, M and Telles, A.S Prediction of electrolyte vapor-liquid equilibrium by UNIFACDortmund Braz J Chem Eng., June 2001,vol.18, no.2, p.127-137 [6] Bradley H Cook, Optimal Batch Distillation Sequences Using Aspen Plus, Air Products and Chemicals Institute, Allentown, PA, 2005 [7] C.D.Holland, Fundamentals of multicomponent distillation, Mc Graw- Hill, New York, 1981 [8] Eva-Katrine Hilmen, Separation of Azeotropic Mixtures: Tools for Analysis and Studies on Batch Distillation Operation, A thesis Submitted for the Degree of Dr Ing, Norwegian University of Science and Technology, 2000 [9] H Scott Fogler, Aspen Plus Wordshop for Reaction Engineering and Design, University of Michigan, 2002 [10] I M Mujtaba; Batch Distillation Design and Operation; Imperial College Press, London, 2004 [11] Lin Wang, A startup model for simulation of batch distillation starting from a cold state, Zhejiang University, Hangzhou, China, 2003 [12] Matthias Leipold, An evolutionary approach for multi-objective dynamic optimization applied to middle vessel batch distillation, Humburg University of Technology, Humburg, 2009 [13] Robert H.Perry, Don W.Green, Perry’s Chemical Engineers’ handbook, Mc Graw-Hill, New York, 1999 Học viên: Phan Thị Quyên 100 ... trình chưng luyện gián đoạn, hệ ethanol tạp chất Thiết lập mô hình cho tháp chưng luyện gián đoạn Mô trình chưng luyện gián đoạn kiểm chứng mô hình tháp chưng luyện gián đoạn Nghiên cứu phân bố tạp. .. tháp chưng luyện gián đoạn vấn đề mấu chốt kỹ thuật tách hệ nhiều cấu tử Nhiệm vụ luận văn Đề tài: Nghiên cứu tách tạp rượu bậc cao chưng luyện gián đoạn Tổng quan công nghiệp sản xuất cồn rượu, ... trình tách nói chung lớn với phương pháp chưng luyện liên tục CÁC CẤU HÌNH THÁP CHƯNG LUYỆN GIÁN ĐOẠN Trong công nghiệp thường sử dụng cấu hình chưng luyện gián đoạn sau:  Tháp chưng luyện gián đoạn