Ứng dụng truyền nhiệt trong chưng cất ethanol

Tổng quan về chưng cất, các phương pháp chưng cất phổ biến. So sánh các loại tháp chưng cất. Chưng cất ethanol. Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất ethanolnước và cân bằng vật chất quá trình. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HCM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

TRUYỀN NHIỆT VÀ TRUYỀN KHỐI

ỨNG DỤNG TRUYỀN NHIỆT TRONG CHƯNG CẤT

ETHANOL

Lớp thứ 2, tiết 7-8-9

Giáo viên hướng dẫn: x

TP Hồ Chí Minh, Tháng 12/2016

MỤC LỤC

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1

1.1 Lý thuyết về chưng cất 1

1.1.1 Phương pháp 1

1.1.2 Thiết bị chưng cất 2

1.2 Giới thiệu sơ bộ nguyên liệu 3

1.2.1 Ethanol 3

1.2.2 Nước 9

1.2.3 Hỗn hợp Etanol – Nước 10

CHƯƠNG II CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC 11

2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ 11

2.2 Thuyết minh quy trình công nghệ 12

CHƯƠNG III CÂN BẰNG VẬT CHẤT 15

KẾT LUẬN 15

CHƯƠNG I TỔNG QUAN

1.1 Lý thuyết về chưng cất

1.1.1 Phương pháp

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 etanol và một ít nước , ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước và một ít etanol (vì nhiệt độ sôi của etanol ở khoảng 78,4oC, thấp hơn rất nhiều nhiệt độ sôi của nước ở 100oC)

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 làm quá trình chưng cất được dễ dàng hơn

• Nguyên lý làm việc: có chưng cất gián đoạn (đơn giản) và chưng cất liên tục

* Chưng cất gián đoạn (đơn giản): phương pháp này đuợc sử dụng trong các trường hợp sau:

+ Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau

+ 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

* Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn

• Phương pháp cất nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: thường được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước

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 để đảm bảo lượng ethanol có độ tinh khiết cao và chi phí sản xuất phù hợp hơn

1.1.2 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 chép dạng:tròn ,xú bắp ,chữ s…

* Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (3-12) mm

• 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

* So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp :

Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp

Ưu điểm - Đơn giản - Hiệu suất tương đối - Hiệu suất cao

- Trở lực thấp cao

- Hoạt động khá ổn định

- Làm việc với chất lỏng bẩn

- 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

Nhận xét: Tháp mâm chóp là trạng thái cuối của tháp chêm và tháp mâm xuyên

lỗ Nên ta chọn tháp chưng cất là tháp mâm chóp đảm bảo hiệu suất cao và hệ thống hoạt động ổng định

Vậy: Chưng cất hệ Ethanol - Nước ta dùng tháp mâm chóp hoạt động liên tục ở

áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp

1.2 Giới thiệu sơ bộ nguyên liệu

1.2.1 Ethanol

Còn gọi là rượu etylic , cồn etylic hay cồn thực phẩm

Etanol có công thức phân tử: CH3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC Là chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều trong nước

• Một số thông số vật lý và nhiệt động của etanol:

+ Nhiệt độ sôi ở 760 (mmHg): 78.3oC

+ Khối lượng riêng: d42o = 810 (kg/m3)

• Tính chất hóa học:

Tất cả các phản ứng hoá học xảy ra ở nhóm hydroxyl (-OH) của etanol là thể hiện tính chất hoá học của nó

* Phản ứng của hydro trong nhóm hydroxyl:

CH3-CH2-OH CH3-CH2-O- + H+

Hằng số phân ly của etanol: 10 18

2 3





CH OH 

CH

K , 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):

CH3-CH2-OH + NaH CH3-CH2-ONa + H2

Natri etylat

2 2

3





CH OH  H O 

K :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

CH3-CH2-OH + HO-SO3-H CH3-CH2O-SO3-H + H2O CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3 CH3-COO-C2H-5 + H2O

* Phản ứng trên nhóm hydroxyl:

+ Tác dụng với HX:

CH3-CH2-OH + HX CH3-CH2-X + H2O

+ Tác dụng với Triclo Phốt pho:

CH3-CH2-OH + PCl3 CH3-CH2-Cl + POCl + HCl

+ Tác dụng với NH3:

CH3-CH2-OH + NH3 C2H5-NH2 + H2O

+ Phản ứng tạo eter và tách loại nước:

2CH3-CH2-OH (CH3-CH2)2O + H2O

CH3-CH2-OH CH2=CH2 + H2O

* Phản ứng hydro và oxy hoá:

CH3-CH2-OH CH3-CHO + H2

• Ứng dụng: etanol 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

a 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

Hỗn hợp 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

b Đồ uống có cồn:

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

c 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 ,…

d 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 cácloại vi khuẩn và nấm cũng như nhiều loại virus,…nhưng không hiểu quả trong việc chống lại các bào tử vi khuẩn

e 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…

e 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

 Sản xuất ethanol

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…

Etanol được sản xuất bằng cả công nghiệp hóa dầu, thông qua công nghệ hyđrat hóa Etylen, và theo phương pháp sinh học, bằng cách lên men đường hay ngũ cốc với men rượu

Hyđrat hóa etylen

Etanol 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 hyđrat hóa etylen bằng xúc tác axit, được trình bày theo phản ứng hóa học sau Cho etilen hợp nước ở 300 độ C, áp suất 70-80 atm với chất xúc tác là axit wolframic hoặc axit phosphoric:

H2C=CH2 + H2O → CH3CH2OH Chất xúc tác thông thường là axit photphoric, được hút bám trong các chất có độ xốp cao chẳng hạn như diatomit (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 êtanol ở mức độ công nghiệp năm 1947 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 êtylen đầu tiên

được hyđrat hóa gián tiếp bằng phản ứng của nó với axit sulfuric đậm đặc để tạo

ra etyl sulfat, sau đó chất này được thủy phân để tạo thành êtanol và tái tạo axít sulfuric:

H2C=CH2 + H2SO4 → CH3CH2OSO3H

CH3CH2OSO3H + H2O → CH3CH2OH + H2SO4

Etanol 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 metanol) hay khó chịu (chẳng hạn denatonium-

C21H29N2O•C7H5O2- là một chất rất đắng, gây tê)

Lên men

Êtanol để sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng như phần lớn êtanol sử dụng làm nhiên liệu, được sản xuất bằng cách lên men: khi một số loài men rượu nhất định

(quan trọng nhất là Saccharomyces cerevisiae) chuyển hóa đường trong điều kiện

không có oxy (gọi là yếm khí), chúng sản xuất ra êtanol và cacbon đioxit 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 êtanol từ các nguyên liệu chứa tinh bột như 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 êtanol 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 axít sulfuric loãng,

enzym nấm amylas, hay là tổ hợp của cả hai phương pháp

Về tiềm năng, glucoza để lên men thành etanol có thể thu được từ xenluloza 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 xenluloza là rất cao

Phản ứng thủy phân cellulose gồm các bước Bước 1, thủy phân xenluloza thành mantoza dưới tác dụng của men amylaza

(C6H10O5)n → C12H22O11

Bước 2, thủy phân tiếp mantoza thành glucoza hoặc fructoza dưới tác dụng của men mantaza

C12H22O11 → C6H12O6

Bước 3, phản ứng lên men rượu có xúc tác là men zima

C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2

Làm tinh khiết

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

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

Hai hướng cạnh tranh nhau có thể sử dụng trong sản xuất êtanol tinh chất Để phá

vỡ điểm sôi hỗn hợp nhằm thực hiện việc chưng cất thì một lượng nhỏ benzen có thể thêm vào, và hỗn hợp lại được chưng cất phân đoạn một lần nữa Benzen tạo ra điểm sôi hỗn hợp cấp ba với nước và etanol nhằm loại bỏ etanol ra khỏi nước, và điểm sôi hỗn hợp cấp hai với etanol loại bỏ phần lớn benzen Etanol được tạo ra không chứa nước Tuy nhiên, một lượng rất nhỏ (cỡ phần triệu benzen vẫn còn, vì thế việc sử dụng etanol đối với người có thể gây tổn thương cho gan)

1.2.2 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: 18 g / mol

Khối lượng riêng d4oc: 1 g / ml

Nhiệt độ nóng chảy : 0oC

Nhiệt độ sôi : 100oC

Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 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

1.2.3 Hỗn hợp Etanol – Nước

Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Etanol - Nước ở 760 mmHg:

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)

10

0

90,

5

86,

5

83,

2

81,

7

80,

8 80

79,

4 79

78,

6

78,

4

78,

4

Hệ Etanol – Nước

CHƯƠNG II CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL –

NƯỚC

Etanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H2O, nhiệt độ sôi là 78,3oC ở

760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100oC ở 760mmHg : hơi cách biệt khá xa nên phương pháp hiệu quả để thu etanol 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

2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ

Chú thích các kí hiệu trong qui trình:

1 Bồn chứa nguyên liệu 2 Bơm

3 Bồn cao vị 4 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu

1

2

3

4

5-6-7

8

9

10

12

15

14

11

13

16

5 Bẩy hơi 6 Lưu lượng kế

7 Nhiệt kế 8 Tháp chưng cất

9 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 10 Áp kế

11 Thiết bị đun sôi đáy tháp 12 Bồn chứa sản phẩm đáy

13 Bộ phận phân dòng 14 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

15 Bồn chứa sản phẩm đỉnh 16 Van xả khí không ngưng

2.2 Thuyết minh quy trình công nghệ

Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 10% ( theo phân mol), nhiệt độ khoảng

25oC tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Từ đó được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt (4) (trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy) Sau đó, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị gia nhiệt (6), hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (8) ở đĩa nhập liệu

Trên mâm 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 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 (11) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ 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 cấu tử etanol chiếm nhiều nhất (có nồng

độ khoảng 92% phân mol) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (9) và được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (14), được làm nguội đến 35oC, rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (15) Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu tối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi tại van xã khí (16), còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng,

ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (nước) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ etanol là 0,11 % phân mol, còn lại là nước Dung dịch