TÍNH TOÁN và THIẾT kế hệ THỐNG CHƯNG cất cồn CÔNG SUẤT 1000 kgh

MỞ ĐẦUSản xuất thực phẩm ở quy mô công nghiệp luôn đi kèm theo sự cải tiến, áp dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất, trong đó máy và thiết bị thực phẩm luôn là ưu tiên hàng đầu của các n

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

Phan Trần Anh Huy 05DHTP5 2005140215

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 7 NĂM 2017

Trang 2

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong trường Đại học

Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM nói chung và các thầy cô trong khoa Công nghệ

thực phẩm, bộ môn Kỹ thuật thực phẩm nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt

những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong thời gian qua, giúp em hoàn thành

đồ án này

Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn đến cô TRẦN LỆ THU, cô đã giúp đỡ,

hướng dẫn và giúp em hoàn thiện những thiếu sót trong suốt quá trình thực hiện đồ

án học phần Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn cô

Trong quá trình làm đồ án khó tránh khỏi sai sót, rất mong các thầy (cô) bỏ

qua Đồng thời do chúng em thiếu kiến thức cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn

hạn chế nên bài báo cáo không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được

ý kiến đóng góp thầy cô để em học thêm nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành tốt

hơn bài báo cáo sắp tới.

TP Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 7 năm 2017

Sinh viên thực hiện

Lý DựPhan Trần Anh Huy

Trang 3

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III MỤC LỤC HÌNH VII MỤC LỤC BẢNG VIII

MỞ ĐẦU IX

PHẦN MỘT: TỔNG QUAN CHƯNG CẤT 1

1.1 Cơ sở lý thuyết của thiết bị chưng cất 1

1.1.1 Khái niệm quá trình chưng cất 1

1.1.2 Đặt điểm quá trình chưng cất 1

1.1.3 Các phương pháp chưng cất 1

1.2 Mục đích công nghệ và phạm vi ảnh hưởng 2

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất 3

1.4 Các thiết bị sử dụng 3

1.1.4 .4

1.4.1 Cấu tạo, nguyên lí hoạt động của thiết bị 4

1.4.2 Ưu nhược điểm của thiết bị 5

1.4.3 Ứng dụng của thiết bị trong thực tế 5

1.5 Giới thiệu nguyên liệu sử dụng 5

1.5.1 Ethanol 5

1.5.2 Nước 9

1.5.3 Hổn hợp Ethanol – nước 11

1.6 Ứng dụng của quá trình chưng cất trong sản xuất thực phẩm 11

PHẦN HAI: TÍNH TOÁN VÀ BỐ TRÍ THIẾT BỊ 12

2.1 Sơ đồ nguyên lí làm việc 12

Trang 4

2.2 Cân bằng vật chất 12

2.2.1 Các thông số ban đầu 12

2.2.2 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy 13

2.2.3 Xác định tỷ số hoàn lưu thích hợp 14

2.2.3.1 Tỷ số hoàn lưu tối thiểu 14

2.2.3.2 Tỷ số hoàn lưu làm việc 15

2.2.4 Phương trình đường làm việc – số mâm lý thuyết 15

2.2.4.1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất 15

2.2.4.2 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng 15

2.2.4.3 Vẽ đồ thị chưng cất, xác định số mâm lý thuyết 15

2.2.5 Xác định số mâm thực tế - Biểu đồ chưng cất 16

2.3 Tính toán thiết kế tháp chưng cất 18

2.3.1 Đường kính tháp 18

2.3.2 Đường kính đoạn cất 18

2.3.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp 18

2.3.2.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp 20

2.3.3 Đường kính đoạn chưng 21

2.3.3.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp 21

2.3.3.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp 23

2.3.4 Trở lực của tháp 25

2.3.4.1 Cấu tạo mâm xuyên lỗ 25

2.3.4.2 Độ giảm áp của pha khí đi qua một mâm 25

2.3.4.3 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động 31

2.3.5 Tính toán thân tháp 33

2.3.6 Tính toán đáy và nắp thiết bị 34

2.4 Đường kính ống dẫn, bích ghép các ống đẫn 36

2.4.1 Vị trí nhập liệu 36

2.4.2 Ống hơi ở đỉnh tháp 37

2.4.3 Ống hoàn lưu 37

2.4.4 Ống dẫn hơi vào đáy tháp 38

Trang 5

2.4.6 Ống dẫn chất lỏng từ nồi đun (sản phẩm đáy): 39

2.4.7 Chân đỡ, tay treo 40

2.4.7.1 Tính trọng lượng của tháp 40

2.4.7.2 Chân đỡ tháp 41

2.4.7.3 Tai treo 42

2.5 Tính toán thiết kế thiết bị phụ 43

2.5.1 Cân bằng năng lượng 43

2.5.2 Thiết bị đun sôi đáy tháp 43

2.5.2.1 Suất lượng hơi nước cần dùng 43

2.5.2.2 Hiệu suất nhiệt độ trung bình 45

2.5.2.3 Xác định hệ số truyền nhiệt 49

2.5.2.4 Xác định bề mặt truyền nhiệt 49

2.5.2.5 Cấu tạo thiết bị 50

2.5.3 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 50

2.5.3.1 Suất lượng nước gia nhiệt dòng nhập liệu cần dùng: 51

2.5.3.2 Hiệu số nhiệt độ trung bình 52

2.5.3.3 Hệ số truyền nhiệt trung bình 52

2.5.3.4 Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đỉnh: 52

2.5.3.5 Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: 53

2.5.3.6 Xác định hệ số cấp nhiệt của nước cấp nhiệt đi ngoài ống trong: 54

2.5.3.7 Xác định hệ số truyền nhiệt: 55

2.5.3.8 Bề mặt truyền nhiệt: 56

2.5.3.9 Cấu tạo thiết bị: 56

2.5.4 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 56

2.5.4.1 Suất lượng nước làm nguội sản phẩm đỉnh cần dùng 57

2.5.4.4 Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh ở ống ngoài: 58

2.5.4.6 Xác định hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống trong: 60

Trang 6

2.5.5 Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu 62

2.5.5.1 Suất lượng nước gia nhiệt dòng nhập liệu cần dùng: 64

2.5.5.4 Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu: 64

2.5.5.6 Xác định hệ số cấp nhiệt của nước cấp nhiệt đi trong ống trong: 66

2.5.6 Bồn cao vị 68

2.5.6.1 Tổn thất đường ống dẫn 68

2.5.6.2 Tổn thất đường ống dẫn nhập liệu: 69

2.5.6.3 Chiều cao bồn cao vị: 71

2.5.7 Bơm 72

2.6 Sơ đồ thiết bị chính và thiết bị phụ 75

KẾT LUẬN 76

PHỤ LỤC 1: CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

PHỤ LỤC 2: BẢN VẼ THIẾT BỊ CHÍNH 77

Trang 7

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1.1 Cấu tạo tháp chưng cất dạng mâm xuyên lỗ 4

Hình 1.2 Công thức cấu tạo Ethanol 6

Hình 1.3 Công thức cấu tạo nước 10

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lí hệ thống chưng cất cồn 75

Trang 8

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 1.1 So sánh ưu nhược điểm của một số loại tháp 4

Bảng 1.2 Bảng thành phần Ethanol - nước 11

Bảng 2.1 Thông số bích ghép thân, đáy và nắp tháp 35

Bảng 2.2 Thông số ống dẫn nhập liệu 36

Bảng 2.3 Thông số ống hơi ở đỉnh tháp 37

Bảng 2.4 Thông số ống hoàn lưu 38

Bảng 2.5 Thông số ống dẫn hơi vào đáy tháp 39

Bảng 2.6 Thông số ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp 39

Bảng 2.7 Thông số ống dẫn chất lỏng từ nồi đun 40

Bảng 2.8 Kích thước chân đỡ tháp 42

Bảng 2.9 Kích thước tai treo 42

Trang 9

MỞ ĐẦU

Sản xuất thực phẩm ở quy mô công nghiệp luôn đi kèm theo sự cải tiến,

áp dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất, trong đó máy và thiết bị thực phẩm luôn là

ưu tiên hàng đầu của các nhà máy, công ty thực phẩm hiện nay Để giảm chi phí vàtăng sản lượng và chất lượng của sản phẩm nên các công ty, nhà máy ngày càng chútrọng đến việc nghiên cứu và cải tiến hệ thống thiết bị của mình hiện đại hơn

Dựa vào nguồn nguyên liệu giá thành thấp và dồi dào mật rỉ đường, tinhbột khoai mì, tinh bột sắn ở nước ta Từ lợi thế đó, ta sử dụng nguồn liệu này để sảnxuất Ethanol Để phục vụ cho sản xuất quy mô vừa và nhỏ ta thiết kế một hệ thốngchưng cất Ethanol với công suất 1000 Kg/h nhầm đáp ứng nhu cầu sử dụng này

Mục tiêu của quá trình nghiên cứu này là tính toán thông số liên quanđến nguyên liệu, thiết bị, đường ống và quan trọng nhất là thiết tháp chưng cấtEthanol với nâng suất 1000kg/h Đối tượng nghiên cứu là hỗn hợp Ethanol – Nước.Với các thông số đã có, dựa vào những tính toán ở trên ta chưng cất Ethanol từ nồng

độ thấp lên nồng độ cao Phương pháp nghiên cứu là phân tích tổng hợp lý thuyết

Sinh viên thực hiện

Lý Dự Phan Trần Anh Huy

Trang 10

PHẦN MỘT: TỔNG QUAN CHƯNG CẤT

1.

1.1 Cơ sở lý thuyết của thiết bị chưng cất

1.1.1 Khái niệm quá trình chưng cất

Chưng cất là quá trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành cáccấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôikhác 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 côđặc, 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

1.1.2 Đặt điểm quá trình chưng cất

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽthu được bấy nhiêu sản phẩm

Hỗn hợp đem chưng cất gọi là dòng nhập liệu chứa cấu tử dễ bay hơi vàcấu tử khó bay hơi, thành phần của các cấu tử tùy thuộc vào đặc điểm của nguồnnguyên liệu

Dòng sản phẩm thu được bằng cách bốc hơi và ngưng tụ gọi là dòng sảnphẩm đỉnh chứa chủ yếu cấu tử dễ bay hơi và một phần rất ít cấu tử khó bay hơi.Dòng sản phẩm thu được ở đáy ở thiết bị gọi là dòng sản phẩm đáy chứa chủ yếucấu tử khó bay hơi và một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi

Dòng hoàn lưu là dòng ngưng tụ ở đỉnh của thiết bị được cấp tuần hoàntrở lại thiết bị nhằm tăng hiệu suất của quá trình chưng cất Ngoài ra còn làm tăng

độ tinh khiết của sản phẩm chứa chủ yếu cấu tử dễ bay hơi và một phần rất ít cấu tửkhó bay hơi

Chú ý: Dòng hoàn lưu và dòng sản phẩm đỉnh có các thành phần cấu tửđỉnh hoàn toàn giống nhau

1.1.3 Các phương pháp chưng cất

 Phân loại theo áp suất làm việc:

Trang 11

- Áp suất caoNguyên tắt của phương pháp này là dựa trên nhiệt độ sôi của các cấu tử,nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta sẽ giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt

độ sôi của cấu tử

 Phân loại theo nguyên lí làm việc:

Phương pháp được sử dụng trong các trường hợp sau:

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

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

ta thực hiện quá trình chưng cất Tương tự, trong sản xuất các loại rượu cao độ nhưwhisky hay cognac, để nâng cao nồng độ ethanol đạt giá trị như mong muốn, quátrình chưng cất cũng được áp dụng Quá trình chưng cất còn được sử dụng để thuhồi các tinh dầu từ các nguồn thực vật khác nhau

Ngoài ra, quá trình chưng cất có mục đích hoàn thiện Ví dụ như trong sảnxuất ethanol, dịch lên men chứa khá nhiều tạp chất dễ bay hơi như aldehyde,

Trang 12

ketone, rượu bậc cao, acid hữu cơ… Chúng là các sản phẩm phụ của quá trình lênmen Trong quá trình chưng cất, người ta sẽ tách các tạp chất này để làm tăng độtinh sạch của ethanol thành phẩm.

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất

Quá trình chưng cất chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố sau:

- Nguyên liệu: trong quá trình chưng cất, nồng độ các cấu tử trong hỗnhợp ban đầu là yếu tố cần quan tâm Nồng độ các cấu tử cần tinh sạch càng thấp,quá trình chưng cất sẽ diễn ra càng phức tạp, năng lượng tiêu hao lớn

- Sự chênh lệch nhiệt độ sôi giữa các cấu tử: sự chênh lệch nhiệt độ sôicủa các cấu tử trong hỗ hợp càng lớn, quá trình chưng cất thực hiện càng dễ dàng

- Các tính chất về nhiệt động của nguyên liệu: độ nhớt, nhiệt dungriêng, khả năng dẫn nhiệt, nhiệt hóa hơi… điều có ảnh hưởng đến quá trình chưngcất

- Các thông số công nghệ như nhiệt độ, áp suất…: tùy theo phươngpháp thực hiện quá trình chưng cất mà các thông số công nghệ có ảnh hưởng khácnhau

1.4 Các thiết bị sử dụng

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều cómột yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộcvào độ phân tán của lưu chất này vào lưu chất kia Tháp chưng cất rất phong phú vềkích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn nhất thường được ứng dụng trong công nghiệplọc hoá dầu Kích thước của tháp: đường kính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suấtlượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm Ta khảo sát 2 loạitháp 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 phalỏng 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

Trang 13

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

Bảng 1.1 So sánh ưu nhược điểm của một số loại tháp

Hiệu suất tương đốicao, hoạt động khá ổnđịnh, làm việc với chất

Lắp đĩa thật phẳng

Cấu tạo phức tạp,trở lực lớn,không làm việcvới chất lỏng bẩnNhận xét: Tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian giữa tháp chêm vàtháp mâm chóp, đáp ứng được nhu cầu như: hiệu suất cao, ổn định Nên ta chọntháp chưng cất là tháp mâm xuyên lỗ

liên tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp

Trang 14

1.4.1 Cấu tạo, nguyên lí hoạt động của thiết bị

Cấu tạo gồm nhiều mâm (tùy thuộc vào nhu cầu), trên mỗi, mâm bố tríống chảy truyền, gờ chảy tràn và có rất nhiều lỗ trên trên mâm (đường kính từ 3 ÷

12 mm) Tổng diện tích các lỗ trên mâm chiếm từ 8 ÷ 15% tiết diện tháp Các lỗtrên mâm được bố trí trên đỉnh tam giác đều, khoảng cách giữ 2 tâm lỗ vào khoản2.5 ÷ 5 lần đường kính lỗ Bề dày mâm thường bằng 0.4 ÷ 0.8 đường kính lỗ nếulàm bằng thép không rỉ, nếu làm bằng thép carbon hay hợp kim đồng thì bề dày lớnhơn tỷ lệ trên Mâm phải được thiết kế và lắp ráp thật phẳng và ngang bằng so vớithiết bị Đối với những tháp có đường kính quá lớn (hơn 2.4 m), ít dùng mâm xuyên

lỗ vì khi đó chất lỏng sẽ phân phối không đều trên mâm

Trong tháp mâm xuyên lỗ, pha khí đi từ dưới lên qua các lỗ trên mâm vàphân tán vào lớp chất lỏng chuyển động từ trên xuống, theo các ống chảy truyền

Tùy theo lượng hơi pha lỏng, khí mà có ba chế độ thủy động:

- Khi vận tốc khí nhỏ hơn thì pha khí đi qua pha lỏng ở dạng từng bọtriêng biệt, phan lỏng có thể chảy rò qua lỗ trên mâm

- Khi tăng vận tốc khi lên bằng với pha lỏng thì tháp hoạt động ổn định

- Khi vận tốc pha khí lớn hơn vận tốc pha lỏng, khí trên mâm sẽ tạomột hỗn hợp lỏng bọt xáo trộn mạnh trên mâm Lúc này mâm hoạt động với hiệusuất cao nhất, nếu tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa sẽ xảy ra hiện tượng khí lôi

cuốn chất lỏng lên mâm trên

Hình 1.1 Cấu tạo tháp chưng cất dạng mâm xuyên lỗ

Trang 15

1.4.2 Ưu nhược điểm của thiết bị

- Ưu điểm: chế tạo đơn giản, vệ sinh dễ dàng, trở lực thấp hơn thápmâm chóp và tiết kiệm kim loại hơn tháp mâm chóp Ngoài ra, thiết bị do dễ dàngvệ sinh nên có thể hoạt động với các chất lỏng bẩn

- Nhược điểm: yêu cầu khi lắp đặt cao (mâm phải lắp đặt thật phẳng), ítdùng tháp mâm xuyên lỗ khi đường kính tháp quá 2.4 (m), vì gây ra hiện tượngchất lỏng không phân bố đều trên mâm

1.4.3 Ứng dụng của thiết bị trong thực tế

Thiết bị được sử dụng trong các nhà máy quy mô nhỏ cho việc chưngcất, ví dụ như chưng cất cồn có thể sử dụng tháp mâm xuyên lỗ ngay cả khi khốilượng nhập liệu lên đến 5000 (Kg/h)

1.5 Giới thiệu nguyên liệu sử dụng

1.5.1 Ethanol

Định nghĩa (còn gọi là rượu etylic, cồn etylic hay cồn thực phẩm):

- Ancol là những hợp chất hữu cơ mà trong phân tử có nhóm hydroxyl(–OH) liên kết trực tiếp với nguyên tử cacbon no

- Etanol hay còn được gọi là rượu etylic là một ancol đơn chức, no,mạch hở trong phân tử chứa một nhóm hydroxyl (–OH)

Công thức phân tử thu gọn nhất: C2H6O hoặc C2H5OH

Công thức cấu tạo:

Rượu etylic là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu

và đặc trưng, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15 độ C) …

Hình 1.2 Công thức cấu tạo Ethanol

Trang 16

Hút ẩm, dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa có màu xanh datrời.

Ancol etylic tan vô hạn trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều sovới este hay aldehyde tương ứng là do sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tửrượu với nhau và với nước

Etanol là một dung môi linh hoạt, có thể pha trộn với nước và với cácdung môi hữu cơ khác như axit axetic, axeton, benzen, cacbon tetrachlorua,cloroform, dietyl ete, etylen glycol…

Tính chất của một rượu đơn chức, no, mạch hở

trong môi trường acid sulfuric đặc ở 170oC)

Trang 17

- Phản ứng lên men giấm (oxi hóa rượu etylic 10 độ bằng oxikhông khí có mặt men giấm ở nhiệt độ khoảng 250C).

CH3 – CH2 – OH + O2⟶ CH3 – COOH + H2O

Etanol 94% “biến tính” được bán trong các chai lọ an toàn để sử dụngtrong gia đình (không dùng để uống), được sản xuất bằng công nghiệp hóa dầu,thông qua công nghệ hyđrat hóa êtylen, và theo phương pháp sinh học, bằng cáchlên men đường hay ngũ cốc với men rượu

Etanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thông thường nóđược sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp hyđrathóa etylen bằng xúc tác axít, được trình bày theo phản ứng hóa học sau

acid wolframic hoặc acid phosphoric:

H2C = H2C + H2O ⟶CH3CH2OHTrong công nghệ cũ, lần đầu tiên được tiến hành ở mức độ công nghiệpvào năm 1930 bởi Union Carbide, nhưng ngày nay gần như đã bị loại bỏ thì êtylenđầu tiên được hyđrat hóa gián tiếp bằng phản ứng của nó với axít sulfuric đậm đặc

để tạo ra êtyl sulfat, sau đó chất này được thủy phân để tạo thành etanol và tái tạoacid sulfuric:

CO2 Phản ứng hóa học tổng quát có thể viết như sau:

Quá trình nuôi cấy men rượu theo các điều kiện để sản xuất rượu được

Trang 18

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 chưngcất.

Để sản xuất êtanol từ các nguyên liệu chứa tinh bột:

Tinh bột đầu tiên phải được chuyển hóa thành đường Trong việc ủ menbia, 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 tinhbột để tạo ra đường

Để sản xuất êtanol làm nhiên liệu, quá trình thủy phân này của tinh bộtthành glucoza được thực hiện nhanh chóng hơn bằng cách xử lý hạt với axít sulfuricloãng, enzym nấm amylase, hay là tổ hợp của cả hai phương pháp

Về tiềm năng, glucoza để lên men thành êtanol có thể thu được từxenluloza

Việc thực hiện công nghệ này có thể giúp chuyển hóa một loại các phếthải và phụ phẩm nông nghiệp chứa nhiều xenluloza, chẳng hạn lõi ngô, rơm rạ haymùn cưa thành các nguồn năng lượng tái sinh

Cho đến gần đây thì giá thành của các enzym cellulas có thể thủy phânxenluloza là rất cao Hãng Iogen ở Canada đã đưa vào vận hành xí nghiệp sản xuấtêtanol trên cơ sở xenluloza đầu tiên vào năm 2004

Phản ứng thủy phân cellulose gồm các bước

men amylaza

(C6H10O5)n Men Amylaze → C12H22O11

dưới tác dụng của men mantaza

→ C6H12O6

Được dùng làm nguyên liệu sản xuất các hợp chất khác như: đietyl ete,

Trang 19

axit axetic, etyl axetat, làm dung môi pha chế vecni, dược phẩm, nước hoa, làmnhiên liệu, dùng cho đèn cồn trong phòng thí nghiệm, dùng thay xăng làm nhiênliệu cho động cơ đốt trong….

Để điều chế các loại rượu uống nói riêng và các đồ uống có etanol nóichung, người ta chỉ dùng sản phẩm của quá trình lên men rượu các sản phẩm nôngnghiệp như: gạo, ngô, sắn, lúa mạch, quả nho Trong một số trường hợp còn phảitinh chế loại bỏ các chất độc hại đối với cơ thể

1.5.2 Nước

Công thức cấu tạo:

nước dày sẽ có màu xanh nhạt

tự nhiên ở trạng thái rắn, lỏng, khí

chất khác, hơn bất kì một chất nào khác

cứng nhất, khi đóng bang nó giãn nở và do đó băng nổi trên nước pha lỏng

- Nhiệt độ sôi: 1000C

Hình 1.3 Công thức cấu tạo nước

Trang 20

- Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích tráiđất là nước biển) và rất cần thiết cho sự sống Nước là dung môi phân cực mạnh, cókhả năng hoà tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học

Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn

1.6 Ứng dụng của quá trình chưng cất trong sản xuất thực phẩm

Trong sản xuất thực phẩm, việc chưng cất được ứng dụng để khai thác,tách và nâng cao nồng độ của một cấu tử trong hỗn hợp Việc nâng cao nồng độ làđiều đáng quan tâm vì các sản phẩm thực phẩm cần độ tinh khiết cao để đáp ứng

Trang 21

được nhu cầu của nhà sản xuất, người tiêu dùng Việc nâng cao nồng độ của mộtcấu tử giúp ích rất nhiều trong việc sản xuất rượu, đặt biệt là các loại rượu cao độ,trong đó có một số loại rượu nổi tiếng như whisky, cognac…

Trang 22

PHẦN HAI: TÍNH TOÁN VÀ BỐ TRÍ THIẾT BỊ

1.

2.1 Sơ đồ nguyên lí làm việc

2.2 Cân bằng vật chất

1.

2.2.1 Các thông số ban đầu

- Chọn thiết bị là: Tháp mâm xuyên lỗ, hoạt động liên tục

- Khi chưng cất hỗn hợp Ethanol – nước, thì cấu tử dễ bay hơi làEthanol

- Năng suất nhập liệu: GF = 1000 (Kg/h)

- Nồng độ phần khối lượng nhập liệu: x F = 18% phần khối lượng

Chọn các thông số:

- Nhiệt độ nhập liệu: tF = 280C

- Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tD = 320C

- Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: tW = 600C

- Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi

Trang 23

2.2.2 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

Nồng độ phần mol của các dòng: nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm

đáy Áp dụng công thức (IX.20), trang 144, tài liệu tham khảo [2]:

 x F= x F/M R

x F/M R+(1−xF)/M N=

0.18/460.18 /46+(1−0.18)/18 = 0.0791 (%mol)

x D/M R+(1−xD)/M N=

0.90 /460.90/46 +(1−0.9)/18 = 0.7788 (%mol)

x W/M R+(1−xW)/M N=

0.02/ 460.02/46+(1−0.02)/18 = 0.0079 (%mol)

Khối lượng trung bình dòng nhập liệu:

 M F=x F∗M R+(1−x F)∗M N= 0.0791*46 + (1 – 0.0791) * 18

= 20.2148 (Kg/Kgmol)Gọi

F là lượng nhập liệu ban đầu (phần mol)

W là lượng sản phẩm đáy (phần mol)

Áp dụng cân bằng vật chất theo suất lượng khối lượng, và nồng độ phần khốilượng

Ta có hệ phương trình: {F∗x F=F=D+W D∗x D+W∗x W Sau khi thay các giá trị có sẵn:

Khối lượng trung bình sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy lần lượt là:

Trang 24

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lýthuyết là vô cực Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiênliệu, nước và bơm ) là tối thiểu.

Hình 2.1 Đồ thị biểu diễn cân bằng lỏng - hơi của hỗn hợp Ethanol - Nước

Trang 25

Với x F = 0.0791 tra đồ thị T-x, y ta được y¿F

Áp dụng công thức (IX.25A), trang 158, tài liệu tham khảo [2]:

R= 1.3* Rmin + 0.3= 1.8703

2.2.4 Phương trình đường làm việc – số mâm lý thuyết

1.

Áp dụng công thức (IX.20), trang 144, tài liệu tham khảo [2]:

y = R +1 R *x+ x D

R +1 = 1.8703+11.8703 *x + 1.8703+10.7788 = 0.6516x + 0.2713

Thay f vào (1) ta được: y= R+f

= 4.4238x – 0.0270

Bước 1: Vẽ đường cân bằng lỏng-hơi của hỗn hợp Ethanol – Nước

Bước 2: Vẽ đường nhập liệu có phương trính x = xF = 0.0791 Bước 3: Vẽ đường làm việc phần cất có phương trình y = 0.6516x +

0.2713 đi qua 2 điểm F (0.0791; 0.3228), D (0.7788; 0.7788).

Trang 26

Bước 4: Vẽ đường làm viêc phần chưng y = 4.4238x – 0.0270 đi qua 2điểm W (0.0079; 0.0079) và giao điểm F của đường nhập liệu và đường làm việcphần luyện.

Bước 5: Vẽ các đường bậc thang giới hạn bởi 2 đường làm việc và

đường cân bằng, đếm số bậc thang là số mâm lý thuyết của tháp chưng cất

Từ đồ thị trên, ta kết luận:

- Có 3 mâm chưng

- Có 7 mâm cất

- Có 1 mâm nhập liệu

Vậy số mâm lý thuyết, Nlt = 11

2.2.5 Xác định số mâm thực tế - Biểu đồ chưng cất

Hình 2.2 Đồ thị biểu diễn các đường làm việc và số mâm lý thuyết.

Trang 27

 Xác định hiệu suất trung bình của tháp η tb:

Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi:

α = y

¿

1− y¿ * 1−x xVới: x: phần mol của rượu trong pha loãng

y*: phần mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng

Tra tài liệu tham khảo [2] ta được: ηF = 0.38

Xw = 0.0079 ta lại tra đồ thị cân bằng của hệ:{ y W

0.0079

= 6.9444

Từ x´W = 2%, và tW = 98.49oC, tra tài liệu tham khảo [1]: µ) = 0.2970 (Cp)

⟹ a W∗μ W = 6.9444 * 0.2970 = 2.0625, tra tài liệu tham khảo [2]: ηW =0.4870

Trang 28

XD = 0.7788 ta lại tra đồ thị cân bằng của hệ:{ y D

0.7788

= 1.1621

Từ x´D =90%, và tD = 78.6887oC, tra tài liệu tham khảo [1]: µ) = 0.5428 (Cp)

⟹ a D∗μ D = 1.1621 * 0.5428 = 0.6358, tra tài liệu tham khảo [2]: ηD = 0.5556

Vtb: Lượng hơi nước trung bình đi trong tháp (m3/h)

ωtb: Tốc độ bay hơi trung bình đi trong tháp (m/s)

gtb: Lượng nước hơi trung bình đi trong tháp (kg/h)

 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau, do

đó đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau

2.3.2 Đường kính đoạn cất

gtb =g d+g1

gd: Lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h)

g1: Lượng hơi đi vào trong đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h)

Trang 29

 Xác định gd: gd = GD*(R+1) = 181.8715*(1.8703+1) = 522.0258 (Kg/h)

- r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất đoạn cất

- rd: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra ở đỉnh tháp

- ra: ẩn nhiệt hóa hơi của rượu etylic

- rb: ẩn nhiệt hóa hơi của nước

 Δra = ra2 – ra1 = 194 – 210 = –16 (kcal/kg)ra = ra2 – ra1 = 194 – 210 = –16 (kcal/kg)

Δra = ra2 – ra1 = 194 – 210 = –16 (kcal/kg)rb = rb2 – rb1 = 539 – 579 = – 40 (kcal/kg)

Δra = ra2 – ra1 = 194 – 210 = –16 (kcal/kg)t = t2− t1 = 100 – 60 = 400C

Trang 31

 Tốc độ giới hạn của hơi đi trong đáy tháp với mâm xuyên lỗ có ốngchảy truyền.

ωgh= 0.05* √ρ xtb

ρ ytb

Với: ρ xtb : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3)

ρ ytb : Khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3)

Trang 32

d cất=0.0188∗√1.069∗1.2052433.5728 =0.3449 (m)

2.3.3 Đường kính đoạn chưng

g tb ' =g ' n+g '1

2 ,(Kg h ).

- g ' d: Lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg h )

- g '1: Lượng hơi i vào oạn chưng đi vào đoạn chưng đi vào đoạn chưng (Kg h )

- G '1: Lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng

- r '1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

Theo đồ thị đường cong sôi ta có sản phẩm đáy có nhiệt độ 98.49oC, theocác số liệu ∆ r a,∆ r b, ∆ t, r a1, r b1đã có ở phần tính toán đoạn cất ta có:

r a98.49

=r a601+∆ r a

∆ t ∗(98.49−60)=¿ 210 – 15.396 = 195.604 (Kcal Kg )

r b98.49=r b60+∆ r b

∆ t ∗(98.49−60)=¿ 579 – 38.49 = 540.51 (Kcal Kg )

Trang 33

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảychuyền:

công thức (IX.111), trang 186, tài liệu tham khảo [2]:

Trang 34

- ρ ' ytb: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3)

công thức trang 50, tài liệu tham khảo [BT truyền khối.]:

Với t ' tb=93.3310℃, Tra tài liệu tham khảo [1] ở bảng I.2 trang 9, ta có

khối lượng riêng của etylic là (sử dụng phương pháp nội suy):

ρ93.3310R =722.3350(Kg m3)

Với t ' tb=93.3310℃, Tra tài liệu tham khảo [1] ở bảng I.249 trang 310, ta

có khối lượng riêng của nước là (sử dụng phương pháp nội suy:

ρ93.3310N =962.9683(Kg m3)

Trang 35

0.9962.9683⟹ ρ ' xtb

(5cm) nên cùng chọn đường kính cho cả hai phần là Dt = 0.35 (m) để tiện việc thiết

Trang 36

- Tổng diện tích lỗ bằng 9% diện tích mâm.

lỗ theo dạng tam giác đều, hoặc lục giác đều)

d l )2=0.09∗(0.0030.35 )2=1225(lỗ)

Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm chất lỏng) là tổng các

độ giảm áp của pha khí qua mâm khô và các độ giảm áp do pha lỏng

htl = hk + hl + hR (mm chất lỏng)

Với:

- hl: độ giảm áp do sức căng bề mặt (mm chất lỏng)

là không đáng kể nên có thể bỏ qua

thất áp suất do dòng chảy đột thu, đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qualỗ

- u o: vận tốc pha hơi qua lỗ (m s).

- ρ G: khối lượng riêng của pha hơi(Kg m3).

- ρ L: khối lượng riêng của pha lỏng(Kg m3).

Trang 37

- C o: hệ số orifice, phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tíchmâm và tỷ số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ.

S mâm =0.09 và δ mâm

d l =0.6 tra tài liệu tham khảo [1], trang 111 :

Ta có: C o=0.74

0.09=

1.03800.09 =11.5333(m s).

- Khối lượng riêng của pha hơi: ρ G=ρ ytb=1.2052(Kg m3).

- Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ L=ρ xtb=860,7877(Kg m3).

- Khối lượng riêng của pha hơi: ρ ' G=ρ ' ytb=0.8839(Kg m3).

- Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ ' L=ρ ' xtb=931.9229(Kg m3).

C o)2∗(ρ ' G

ρ ' L)=51∗(10.70780.74 )2∗(931.92290.8839 )=10.1282(mm chất lỏng)

Phương pháp đơn giản để ước tình độ giảm áp của pha hơi qua mâm dolớp chất lỏng trên mâm hl là từ chiều cao gờ chảy tràn hw, chiều cao tính toán củalớp chất lỏng trên gờ chảy tràn how và hệ số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm 

Chọn:

Trang 38

- Hệ số hiệu chỉnh:  = 0.6

- Chiều cao gờ chảy tràn: hw = 50 (mm)

phương trình Francis với gờ chảy tràn phẳng:

công thức (IX.110A), trang 185, tài liệu tham khảo [2]:

h ow=43.4∗( q L

L W)32

, (mm chất lỏng)

Với:

- q L: lưu lượng của chất lỏng (m ph3).

- L W: chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m)

Trang 39

- σ: sức căng bề mặt của chất lỏng (dyn cm)

- ρ L: khối lượng riêng của pha lỏng (Kg m3).

Tra tài liệu tham khảo [1], ta có :

- Khối lượng riêng của pha lỏng ρ L=ρ xtb=860.7877(Kg m3).

- t tb=83.4304℃

- Sức căng bề mặt của nước σ N=61.9654,(dyn cm).

- Sức căng bề mặt của ethanol σ R=18.3241,(dyn cm).

Trang 40

Tra tài liệu tham khảo [1], ta có:

- Khối lượng riêng của pha lỏng ρ ' L=ρ' xtb=931.9229(Kg m3 ).

- t ' tb=93.331℃,

- Sức căng bề mặt của nước σ ' N=60.1338,(dyn cm).

- Sức căng bề mặt của ethanol σ ' R=16.1471,(dyn cm).

Vậy, tổng trở lực hay tổng độ giảm áp của pha khí qua một mâm là:

Định dạng
Số trang	89
Dung lượng	1,11 MB