Acid acetic là một hóa chất có giá trị kinh tế

Acid acetic là một hóa chất có giá trị kinh tế

3 LỜI MỞ ĐẦU Acid acetic (hay gọi ethanol acid) hóa chất có giá trị kinh tế cao, đƣợc ứng dụng nhiều ngành công nghiệp nhƣ: công nghiệp tổng hợp hữu cơ, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp chế biến mủ cao su Ở Việt Nam ngành công nghiệp tổng hợp hữu non trẻ nhƣng nhu cầu sử dụng acid acetic đời sống hoạt động công nghiệp lớn Đặc biệt ngành chế biến cao su thiên nhiên phát triển mạnh vƣơn lên thành ngành công nghiệp quan trọng acid acetic hóa chất có vai trị khơng thể thiếu quy trình làm đơng tụ mủ cao su thiên nhiên Do nƣớc nơng nghiệp có khí hậu nhiệt đới nên nguồn nguyên liệu sản xuất acid acetic (nhƣ mật rỉ, hoa chín, tinh bột, cồn ) nƣớc dồi dào.Với điều kiện nhƣ thích hợp cho việc triển khai áp dụng quy trình sản xuất acid acetic phƣơng pháp sinh học vào thực tế sản xuất Cho nên việc nghiên cứu thiết kế quy trình sản xuất acid acetic phƣơng pháp sinh học (ứng dụng công nghệ sinh học) mang ý nghĩa thực tiễn tình hình phát triển nƣớc ta tƣơng lai Đó mục đích để thực đề tài “ Thiết kế phân xƣởng sản xuất acid acetic phƣơng pháp lên men phục vụ chế biến mủ cao su” Bộ môn Công Nghệ Sinh Học thuộc trƣờng Đại học Nông Lâm, thành phố Hồ Chí Minh – năm 2005 NỘI DUNG THỰC HIỆN Đề tài đƣợc thực dựa việc phân tích xử lý số liệu thu thập đƣợc từ thực tế từ nhiều nguồn tƣ liệu khoa học có giá trị nhằm thiết kế mơ hình phân xƣởng sản xuất acid acetic phƣơng pháp lên men phục vụ cho yêu cầu chế biến mủ cao su Mơ hình phải hồn tồn phù hợp với điều kiện mặt kỹ thuật cơng nghệ nƣớc ta Mơ hình phải đạt đƣợc độ ổn định hiệu suất phản ứng cho hiệu kinh tế cao Do đó, để thiết kế mơ hình sản xuất hồn chỉnh cần thực yêu cầu sau: Phân tích lựa chọn phƣơng pháp lên men acid acetic phù hợp Lựa chọn chủng vi sinh vật acid acetic cho suất cao ổn định Lựa chọn nguyên liệu làm môi trƣờng lên men Lựa chọn vật liệu nƣớc thay cho vật liệu nƣớc làm chất mang vi khuẩn acid acetic q trình lên men Tính tốn, thiết kế quy trình sản xuất thiết bị phù hợp với trình độ kỹ thuật nƣớc ta Đánh giá hiệu kinh tế khả ứng dụng quy trình sản xuất vào phục vụ chế biến mủ cao su mục đích khác Phần 1: TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LATEX (MỦ) CAO SU THIÊN NHIÊN 1.1 TRẠNG THÁI THIÊN NHIÊN CỦA LATEX CAO SU [8] Cao su thiên nhiên sinh từ số loại thực vật có khả tạo latex Chức điều kiện cần để có cao su, nhƣng không hẳn tất tiết mủ có chứa cao su 1.1.1 Hệ thống latex latex cao su Latex đƣợc tạo từ tế bào sống gồm nguyên sinh chất, nhân thành phần diện khác Tế bào latex đƣợc lớp nguyên sinh chất lỏng bao phủ, bao không bào lớn – nơi tiết latex Tùy theo loại cao su, hệ thống latex đƣợc tạo thành từ tế bào cô lập rải rác không tƣơng thông với (có hầu hết loại cao su); từ tế bào có kích thƣớc lớn nhu mô nhƣng không tƣơng giao với nhau; từ mạng tế bào dài nằm nối tiếp có vách chung tự tiêu Loại mạch có giống Hevea Manihot (thuộc họ Euphorbiaceae) Dù mạch thẳng hay mạch nhánh, mạch định vị nhu mô thực vật, đặc biệt vùng tạo lập libe vỏ Các quan khác có chứa latex Tồn hệ thống latex kín, cần phải rạch cạo latex tiết chảy Nhiều thực nghiệm chứng minh latex cao su latex nguyên sinh chất tế bào latex tiết Nhƣ vậy, latex đƣợc tạo “tại chỗ” từ nƣớc muối khoáng rễ hấp thụ, từ quang tổng hợp Sự thay đổi thành phần latex quan sát hết đƣợc, chức chúng khác tùy theo loại Trong thuyết đƣa ra, có thuyết cho latex chất ngoại tiết, nguồn chất tự dƣỡng, thuyết cho latex chất luân chuyển tập trung dƣỡng chất chất bảo vệ chống tổn thƣơng Cao su chất isoprene đƣợc tạo qua phản ứng khử ngƣng tụ liên tiếp hydrocarbon có nguyên tử carbon, chuyển hóa chất acid β-methylcrotonic Acid lại hóa hợp acid acetic acetone 1.1.2 Thành phần tính chất latex A Thành phần latex Hydrocarbon cao su: chiếm hàm lƣợng cao latex (gần 40%) với công thức nguyên (C5H8)n Những nghiên cứu gần tới kết luận hydrocarbon cao su lúc chảy khỏi cao su dƣới dạng polymer (chất trùng phân), có phân tử khối từ 5.105 đến 3.106 Da Trong đó, 60% hydrocarbon có phân tử khối lớn 1.106 Da Hàm lƣợng hydrocarbon có trọng lƣợng phân tử thấp (nhỏ 25000 Da) có ảnh hƣởng tới độ cứng cao su Đạm: chủ yếu protein hay dẫn xuất từ trình hydrate hóa enzyme, chiếm khoảng 2%, protein chiếm từ 1-1,5% Tỉ lệ thay đổi theo thành phần cao su latex Protein bám vào hạt tử cao su giúp cho việc ổn – định thể giao trạng phần đặc tính tích điện nhờ nhóm –COO nhóm – + NH4 tự phần tính “hydrophilie”của chúng Lipid: latex, lipid dẫn xuất chúng chiếm khoảng 2%, trích ly rƣợu hay acetone Thành phần lipid latex phức tạp, qua phƣơng pháp ly trích khác thu đƣợc nhiều dạng dẫn xuất, bao gồm: - Các chất đơn giản nhƣ acid oleic, acid linoleic, acid stearic acid palmetic - Các chất phức tạp nhƣ sterol (phytosterol), ester sterol, carotenoid, hợp chất phosphatid, glycolipid, sulfolipid Lipid đóng vai trò chất hoạt động bề mặt tham gia vào tính ổn định giao trạng Chúng cịn gây đông đặc latex phosphorus phospholipid tham gia vào phản ứng với magnesium (tỉ lệ Mg/P khơng thích hợp gây đông đặc latex) Glucid: protein lipid ảnh hƣởng đến tính chất latex, glucid cấu tạo chủ yếu từ chất tan đƣợc (tỉ lệ từ 2-3% latex tƣơi) lại tác động đến tính chất latex Các glucid tìm thấy latex: quebrachitol (1methylinositol); dambonite (1,2-demethylinositol) dambose (inositol) Khoáng: nhƣ hầu hết dạng dung dịch sinh học khác mô thực vật, thành phần latex chứa nhiều loại muối khoáng dƣới dạng muối hòa tan nhƣ: K, Mg, P, Ca, Cu, Fe, Mn, Rb B Tính chất latex Tỉ trọng: latex khoảng 0,97; kết hợp tỉ trọng cao su 0,92 serum 1,02 Sở dĩ serum có tỉ trọng cao nƣớc chứa chất hòa tan Độ nhớt: latex thuộc giống khác có hàm lƣợng cao su thơ nhƣng độ nhớt lại khác Nguyên nhân kết hợp với ammoniac, kích thƣớc trung bình phần tử cao su hàm lƣợng chất khoáng tố Tổng quát, độ nhớt latex tƣơi có 35% cao su 12-15 centipoises, latex đậm đặc hóa 40-120 cp Sức căng mặt ngoài: latex 30-40% cao su khoảng 38-40 dynes\cm2, lúc sức căng mặt nƣớc nguyên chất 73 dynes\cm2 Lipid dẫn xuất lipid tác nhân ảnh hƣởng đến sức căng mặt latex, savon acid béo pH :trị số pH latex có ảnh hƣởng quan trọng tới độ ổn định latex Latex tƣơi chảy khỏi cao su có trị số gần thấp Để vài pH hạ xuống gần latex bị đông lại Đó đơng đặc tự nhiên latex Tính dẫn điện: độ dẫn điện latex biến đổi nghịch theo hàm lƣợng cao su hàm lƣợng acid béo bay latex, serum chất ảnh hƣởng trực tiếp đến trị số độ dẫn điện đặc biệt hợp chất ion hóa mà chứa Enzyme: latex tƣơi có chứa enzyme nhƣ catalase, tyrosinase, oxydase peroxydase, esterase Ngoại trừ catalase, ezyme khác có chất kiềm hãm kèm Các enzyme oxydase, peroxydase latex xúc tác tác dụng oxygen peroxide tới chất cấu tạo latex làm cho cao su đơng đặc có màu xám nâu Các enzyme phân hủy protein (protease) sẵn có cao su vi khuẩn xâm nhập vào tạo nên hƣ thối protein nguồn gốc gây đông đặc latex ngẫu sinh Latex tƣơi để ngồi trời, vài bị đơng đặc tự nhiên enzyme có sẵn latex thƣờng gọi enzyme coagulase Vi khuẩn: latex ngƣời ta tìm thấy nhiều loại vi khuẩn (ít 27 loại), có khả phân hủy glucid gây hƣ thối protein Khi phân hủy glucid điều kiện hiếu khí tạo thành acid acetic, acid lactic, acid butyric carbonic gây đơng đặc latex Cịn điều kiện kỵ khí vi khuẩn phân hủy protein tác động mạnh tạo số chất phân tiết màu vàng tên mặt latex 1.2 SỰ ĐƠNG ĐẶC LATEX [13] 1.2.1 Bản chất đơng đặc latex Bản chất đơng đặc latex có liên quan mật thiết đến khả tích điện hạt tử cao su latex lớp protein đƣợc hấp thụ bề mặt hạt tử Khả tích điện hạt tử cao su hấp thụ bề mặt lớp protein nên hạt cao su mang điện tích phân tử protein Cấu trúc phân tử protein tập hợp acid amin có cơng thức tổng quát: NH2-R-COOH Với -NH2 gốc amin; -COOH gốc acid; -R- mạch hydrocarbon Khi dung dịch đẳng điện biểu trạng thái cân điện tích: + NH2-R-COOH NH3-R-COO Khi dung dịch acid: Khi dung dịch kiềm: + - - + NH3-R-COO NH3-R-COOH + - NH3-R-COO NH2-R-COO - Một số phân tử acid amin có cấu tạo nhóm R phức tạp nên có đầu tích điện âm dƣơng chênh lệch dẫn đến phân tử mang điện tích Do phân tử protein mang điện tích xác định, hấp thụ lên bề mặt hạt tử cao su làm cho hạt tử cao su có khả tích điện Qua phép đo đạt thực nghiệm, xác định đƣợc điểm đẳng điện hấu hết loại latex cao su tƣơng đƣơng pH = 4,7 Khi tồn dung dịch có độ pH > 4,7 - hạt tử cao su mang điện tích âm (các gốc -COO chiếm ƣu thế) ngƣợc lại pH < 4,7 hạt tử cao su mang điện tích dƣơng (các gốc –NH3+ chiếm ƣu thế) Các hạt tử cao su latex tƣơi mà pH tƣơng đƣơng mang điện âm nhƣ trƣờng hợp đa số thể nhũ tƣơng thiên nhiên Chính tích điện hạt tử cao su tạo lực đẩy tĩnh điện hạt tạo nên tính ổn định thể giao trạng latex, không cho tƣợng đông đặc xảy Mặt khác phân tử protein cịn có tính hút nƣớc mạnh giúp cho phân tử cao su đƣợc bao bọc xung quanh vỏ phân tử nƣớc chống lại va chạm hạt tử, yếu tố ổn định latex Do đó, hai yếu tố cân bị phá vỡ gây tƣợng đông đặc latex 10 1.2.2 Các phƣơng pháp làm đông đặc latex Đông đặc tự nhiên Latex tƣơi để trời tự nhiên đông đặc lại Một cách tổng quát ngƣời ta thừa nhận tƣợng nguyên nhân sau: - Các enzyme hay vi khuẩn tác dụng tới chất cấu tạo latex phi cao su dẫn đến việc làm giảm pH khối latex gây tƣợng đông đặc tự nhiên - Ngay từ lúc cạo mủ latex có chứa anhydride carbonic mà hàm lƣợng tiếp tục tăng lên (do khử carboxy carbonxylic) làm giảm pH - Dƣới tác dụng protease (nhƣ trypsin, peptidase ), protein bị dehydrat hóa nhƣ latex bị đông đặc khuấy trộn hay nung nóng lên - Một số tác nhân gây đông đặc latex mà không làm giảm pH Nếu ta giữ pH nhờ xút, đông đặc xảy Đó lipid phức hợp latex, phosphotid, lecithid bị dehydrat hóa enzyme Dẫn đến thành lập savon không tan (alcalinoterreuz) thay lớp protein hạt cao su gây đông đặc Đông đặc cồn Khi ta cho vào latex lƣợng cồn đầy đủ làm cho latex bị đông đặc Nguyên nhân tác dụng khử nƣớc rƣợu Rƣợu có nồng độ cao (96%) chất khử nƣớc mạnh, đạt đƣợc nồng độ thích hợp serum hạ thấp trị số hút nƣớc bình thƣờng lớp protein bám quanh hạt tử cao su Chỉ yếu tố điện tích khơng đủ đảm bảo tính ổn định cho latex đông đặc xảy Đông khuấy trộn Khi khuấy trộn mạnh kéo dài latex vị đông đặc Việc khuấy trộn làm cho động trung bình hạt phân tử cao su tăng lên đạt đƣợc trị số đủ để khống chế đƣợc lực đẩy tĩnh điện vơ hiệu hóa lớp protein hút nƣớc Nếu cho thêm vào latex chất có tác dụng làm giảm độ ổn định nhƣ oxid kẽm đơng đặc đƣợc gia tốc Phƣơng pháp đƣợc ứng dụng công nghiệp chế tạo mủ cao su đóng góp giai đoạn phƣơng pháp CEXO chế tạo mủ tờ 11 Đông đặc acid Đây phƣơng pháp gây đông đặc latex thông dụng hiệu Acid đƣợc cho vào latex có tác dụng làm giảm pH giúp cho latex đạt tới độ đẳng điện (khi sức đẩy tĩnh điện khơng cịn latex đơng đặc) Khi ta cho acid vào latex, đông đặc xảy nhanh chóng nhƣng khơng phải mà sinh với tốc độ tƣơng đối Nếu ta cho acid vào nhanh vƣợt điểm đẳng điện latex đơng đặc khơng xảy Khi hạt tử cao su mang điện tích dƣơng, muốn ổn định đơng đặc lại latex cần bổ sung thêm kiềm để đƣa pH điểm đẳng điện Vùng latex ổn định (không đông đặc) Vùng latex ổn định (không đông đặc) Vùng latex bị đông đặc Đƣờng biểu diễn đông đặc latex pH Hình 1.1 10 Sự thành lập vùng theo độ pH Trong công nghiệp cao su, ngƣời ta thƣờng dùng acid formic (lƣợng dùng 0,5% theo khối lƣợng latex) acid acetic (liều dùng 1%) chúng tỏ kinh tế phổ biến Thật acid hạ đƣợc pH xuống, gây đông đặc hữu hiệu Hiện nay, hầu hết sở sản xuất mủ cao su nƣớc ta sử dụng phƣơng pháp đánh đơng mủ acid acetic Do đó, nhu cầu sản xuất cung ứng lƣợng acid cho ngành cao su lớn 12 Đông đặc muối hay chất điện giải Hiện ta biết rõ cho dịch muối vào latex với thể tích tăng dần, gây đơng đặc latex lƣợng chất điện giải cho vào vƣợt trội “trị số đông kết” Cơ chế gây đông đặc nhƣ sau: phần tử thể giao trạng bị khử điện tích hấp thu ion điện tích đối nghịch đông kết tự sinh sau khử điện tích Trị số đơng kết (đơng cục) thay đổi tùy theo latex chất muối, chủ yếu muối cation điện tích hạt tử cao su âm Tác dụng đông đặc tƣợng khử điện tích nên tăng theo hóa trị cation Thực tế khơng thể có đƣợc đông đặc với ion kiềm K+, Na+ (nhƣ muối ăn NaCl) Nó xảy với ion Ca++, Mg++, Sr++, Ba++ nhanh với ion Al+++ Ảnh hƣởng anion muối tới đơng đặc khơng đáng kể Thực tế muối đƣợc dùng để đông đặc latex nitrate calcium hay chloride calcium, chloride magnesium, sulfate magnesium sulfate nhôm Latex luôn nhạy với tác dụng đơng đặc muối Chẳng hạn latex thẩm tích (dialyse - latex bị lấy phần lớn chất điện giải) bị đơng đặc khó dƣới tác dụng muối Những yếu tố nhƣ mùa, tuổi cao su, tính chất đất vùng canh tác v.v ảnh hƣởng tới tính chất khống chất latex qua ảnh hƣởng tới đông đặc Đông đặc nhiệt độ Latex bị đơng đặc nhờ làm lạnh, hạ nhiệt độ tới -15°C đƣa trở lại nhiệt độ bình thƣờng đơng đặc lại Ngun nhân có lẽ nhiệt độ thấp phá vỡ hệ thống hấp thu nƣớc protein Phƣơng pháp đơng đặc hóa hầu nhƣ khơng đƣợc sử dụng thực tế, việc làm lạnh phải kéo dài tới 15 ngày đơng đặc xảy Vài chất hóa học khơng có tác dụng tới latex nhiệt độ bình thƣờng, nhƣng lại có tác dụng gây đơng đặc nóng lên, chất gọi chất nhạy nhiệt (agents thermosensible) Trƣờng hợp tiêu biểu latex có mặt ion kẽm ion ammonium; nóng , chúng tạo thành ion dƣơng phức hợp Zinc ammonium gây đông đặc latex 75 Vật liệu chế tạo thiết bị Do thiết bị làm việc mơi trƣờng có nồng độ acid cao nên chọn vật liệu chế tạo thép hợp kim X18H10T có ƣu điểm nêu nhƣ thích hợp Tính bề dày thiết bị  Tính bề dày thân thiết bị Áp suất thủy tĩnh cột chất lỏng thiết bị P1 = ρ.g.H1 = 1000.9,81.5 = 49050 N/m2 = 0,049 N/mm2 Áp suất làm việc thiết bị Pt = Pmt + P1 = 0,098 + 0,049 = 0,147 N/mm2 = 1,5at Tính bề dày tối thiểu thân theo áp suất [ζ] 132 θ= Ta có: Pt 0,95 = 853 > 50 0,147 Với θ = 0,95 Hệ số bền mối hàn Bề dày tối thiểu thiết bị Pt.D S’ = 0,147.800 = 2.[ζ].θ Bề dày thực thân = 0,47 mm 2.132.0,95 S = S’ + C Trong đó: Hệ số bổ sung ăn mịn hóa học, chọn thiết bị làm việc 20 năm Ca = 20.0,1 = mm Bổ sung bào mòn Cb = Bổ sung sai lệch chế tạo Cc = 0,5 mm Hệ số quy trịn kích thƣớc Cq =0,5 mm → C = mm Vậy S = 0,47 + = 3,47 mm → chọn theo tiêu chuẩn S = mm Kiểm tra bề dày thân S -Ca Dt 5-2 ≤ 0,1 ↔ = 0,004 < 0,1 800 76 Kiểm tra áp suất tính tốn bên thiết bị 2.[ζ].θ.(S – Ca) [P] = 2.132.0,95.(5 – 2) = 0,94 N/mm2 > P : hợp lý = D + (S – Ca) 800 + (5 – 2) Bề dày đáy nắp thiết bị lên men: D.[P] ’ D S = 3,8.[ζk].k.θ – [P] Trong đó: 2.hb hb chiều cao phần lồi đáy nắp; hb = 200 mm k = lỗ đƣợc tăn cứng hoàn toàn → S’ = 2,2 mm mà S = S’ + C = mm Các thông số bích: Bảng 1.2 Thơng số bích nối tháp lên men Loại Dt Dn D Db D1 db Z h mm 800 808 930 880 850 20 24 25 Khối lƣợng thiết bị Khối lƣợng thân: mt = ¼.π.(D2n – D2t ).H.ρ = 0,25.3,14.(0,8052 – 0,82).6.7900 = 300 kg Khối lƣợng đệm: mđ = ¼.π.D2.H.ρ = 0,25.3,14.0,82.5.360 = 905 kg Khối lƣợng bích: mb =¼.π.(D2 - D2).h.ρ = 0,25.3,14.(0,942 – 0,82).0,025.7900 = 38 kg t Khối lƣợng đáy nắp thiết bị: mđ = 2.32,6 = 65,2 Khối lƣợng toàn tháp: m = 300 +905 +38 + 65,2 = 1310 kg 77 1.3 TÍNH TỐN CÁC THIẾT BỊ PHỤ 1.3.1 Đĩa phân phối lỏng Đĩa phân phối lỏng đƣợc làm từ thép X18H10T, có bề dày 3mm Các thơng số đĩa phân phối lỏng Đƣờng kính đĩa : 500 mm Số ống 37 ống : Kích thƣớc ống : 44,5x2 mm Bƣớc ống 70 mm : 1.3.2 Lƣới đỡ đệm Lƣới đỡ đệm làm từ thép X18H10T Các thơng số kích thƣớc lƣới đỡ đệm: Bề rộng đỡ đệm : mm Bƣớc đỡ đệm : 22 mm Đƣờng kính lƣới : 785 mm Xác định khối lƣợng lƣới đỡ đệm: m = mđk + mn Trong đó: mđk khối lƣợng đệm khơ; mđk = 905 kg mn khối lƣợng dịch lỏng tháp lên men mn = Q.T.ρ = 0,0525.46.1000 = 2415 kg → m = 3320 kg Xác định tải trọng theo diện tích tính lƣới đỡ đệm: 4.m.g P= 4.3320.9,98 = 65950 N/m2 = 0, 66 N/mm2 = S 0,2 Chiều dày tính tốn tối thiểu vỉ ống theo tải trọng: P S = D.K (mm) θ.[ζu] Trong đó: θ hệ số làm yếu vỉ ống khoan lỗ; θ = (Dn – Σd)/Dn Dn đƣờng kính vỉ ống, mm Σd tổng số đƣờng kính lỗ vỉ, mm 78 [ζn] ứng xuất cho phép uốn vật liệu làm vỉ ống [ζn] = 146 N/mm2 D đƣờng kính thân thiết bị, D = 800 mm K = 0,45 – 0,6, chọn K = 0,5 Gọi x số lƣới đỡ đệm → (x+1) khe Trên đƣờng kính lƣới chừa bên 50 mm để gắn bulơng đƣờng kính 20 mm Vậy ta có: 5x + (22-5)(x+1) = 785-100 → x =30 → có 31 khe → Σd = 527 mm → θ = 0,33 Vậy S = 47 mm Chọn theo tiêu chuẩn S = 50 mm Khối lƣợng lƣới đỡ đệm m = 79 kg 1.3.3 Tính chân đỡ tai treo Dùng chân đỡ 12 tai treo Chọn vật liệu làm chân đỡ tai treo thép CT3 Tải trọng thô tháp Gthô = 3,8.104 N → Go = Gthô /16 = 0,24.104 N Bảng 1.3 Kích thƣớc tai treo TT cho phép 104 Kích thƣớc (mm) N L B B1 H S l a d 0,35 100 70 80 160 40 15 16 Bảng 1.4 Kích thƣớc chân đỡ TT cho Kích thƣớc (mm) phép 104 N L B B1 B2 H h s l d 0,35 200 140 170 235 290 160 14 70 16 79 1.3.4 Tính bơm, thùng chứa ống dẫn - Tính bơm: 1 ξ5 4 ξ4 ξ3 ξ2 ξ1 ξ1 Áp dụng phƣơng trình Becnoulli cho mặt cắt 1-1; 2-2; 3-3; 4-4 v2 p 4.(Z + + ) = Σhw γ Trong đó: 2g p = N/m2 ; v = 0, m/s → Vậy H = 24 + Σhw Tổng trở lực đƣờng ống v2 λ.l Σhw = ( Σξi + ) d 2.g Tính hệ số λ (chọn sơ l = 20 m) v.d.ρ Re = 0,1.0,04.958,2 = 12948 >104 = μ 0,296.10-3 100 )0,25 λ = 0,1.(1,46.Δ + Re Chọn ε = 0,2 mm (độ nhám tuyệt đối ống dẫn) Δ = ε/d = 0,2/40 = 0,005 → λ = 0,034 Hệ số trở lực đƣờng dài: λ.l/d = 0,034.20/0,04 = 17 Hệ số trở lực cục bộ: Σξ = 4.(ξ1 + ξ2 + ξ3 + ξ4 + ξ5) Hệ số trở lực ống nối ren 90 °C có d = 40 mm ξ1 = ξ5 = 1,1 80 Hệ số trở lực van tiêu chuẩn ξ2 + ξ4 = 4,6 Trở lực lƣu lƣợng kế không đáng kể: ξ3 = → Σξ = 45,6 → Σhw = 0,031 m Vậy H = 24 + 0,031 = 6,031 m Q.H.ρ.g Công suất bơm: N= = 0,08 kW 1000 η Trong đó: η hiệu suất bơm; η = ηh + ηn + ηg = 0,77 ηh = 0,85 hiệu suất hữu ích bơm ηn = 0,95 hiệu suất truyền động ηg = 0,95 hiệu suất hữu ích truyền động N Nđc = Công suất động điện: = 0,025 kW ηh.ηn Chọn bơm ПΧП bơm ly tâm cấp nằm ngang để bơm dung dịch có tính acid có khối lƣợng riêng nhỏ 1200 kg/m3 Các thông số bơm: Năng suất : – 540 m3/h Áp suất toàn phần : 10 – 52 m Số vòng quay : 735 – 2900 vòng/phút Nhiệt độ : -40 – +80 °C Chiều cao hút : 3–7 m 81 - Tính thùng chứa: Tính thùng chứa dịch lên men đầu: Thể tích dung dịch cần chứa Vdd = 5.2/3 = 3,3 m3 Chọn Vdd = 80% Vth → Vth = 4,2 m3 Chọn thùng chứa hình hộp chữ nhật có chiều dài a = m; chiều rộng b = 1,5 m; chiều cao thùng chứa = 1,5 m Tƣơng tự tính cho thùng chứa sản phẩm cuối ta đƣợc thông số V th = 6,25 m3; chiều dài rộng a = b = m; chiều cao = 1,7 m Các thùng chứa đƣợc làm vật liệu chống ăn mòn acid nhƣ thép hợp kim inox, hay loại nhựa tổng hợp - Tính ống dẫn Kích thƣớc ống dẫn đƣợc xác định theo cơng thức 4.G d= π.ω.ρ Trong đó: G lƣu lƣợng khối lƣợng, kg/s ω = 0,1-0,5 m/s vận tốc dòng chảy ống ρ khối lƣợng riêng, kg/m3 Bảng 1.5 Kết tính đƣờng kính ống nối tháp Loại ống Vị trí TB khử trùng G (m3/h) 0,58 Ρ (kg/m3) 995,7 ω (m/s) 0,3 Dtt (mm) 26 Dtc (mm) 30 Ống nhập liệu ống TB khuấy trộn 0,625 993,5 0,32 26 30 tháo dịch đáy Tháp lên men 0,0525 993,5 0,14 11,5 15 Bảng 1.6 Kích thƣớc bích nối ống dẫn vào tháp Tên gọi TB khử trùng Dt mm 30 Dn mm 40 D mm 110 Db mm 70 D1 mm 55 db mm 10 Z H mm 15 TB khuấy trộn 30 40 110 70 55 10 15 Tháp lên men 15 18 80 55 40 10 10 82 CHƢƠNG II: 2.1 TÍNH XÂY DỰNG VÀ TÍNH KINH TẾ TÍNH XÂY DỰNG 2.1.1 Lựa chọn địa điểm xây dựng phân xƣởng Ở luận án ta thiết kế phân xƣởng sản xuất acid acetic với mục đích phục vụ cho việc đông tụ mủ cao su, nên chọn địa điểm xây dựng phân xƣởng nằm cạnh nơi tiến hành đông tụ mủ cao su Cụ thể phân xƣởng đƣợc thiết kế nằm nơi thu nhận chế biến mủ nông trƣờng Thành Tuy Hạ, huyện Nhơn Trạch, tỉnh Đồng Nai Chọn nơi thơng thống, khơng có mùi độc hại gây ảnh hƣởng đến trình lên men - Gần nguồn nguyên liệu - Gần nguồn nƣớc để phục vụ cho trình sản xuất - Thuận lợi cho vận chuyển sản phẩm tới nơi tiêu thụ - Thuận tiện giao thơng an tồn an ninh quốc gia 2.1.2 Bố trí mặt phân xƣởng Yêu cầu chung bố trí tổng mặt - Phù hợp với quy hoạch chung địa phƣơng - Dây chuyền sản xuất phải bố trí thuận lợi, hợp lý - Đảm bảo thơng gió, chống nắng bụi - Thuận tiện lại khu vực sản xuất - Đảm bảo an tồn, phịng hỏa hoạn sản xuất - Có khả mở rộng sau - Nền xƣởng đƣợc san lấp phẳng, cao ráo, đƣợc tráng lớp bê tông lớp xi măng dày 1-3 cm để bảo vệ làm láng - Tƣờng nhà xây gạch ống có cột đặt móng bê tơng, có cửa thơng gió - Mái lợp tơn có kích thƣớc 1,5-0,8 m Khu lên men đƣợc xây cao m, chia làm hai tầng để nâng đỡ bao che thiết bị - Phân xƣởng sản xuất acid acetic đƣợc xây hƣớng bắc, nằm đầu hƣớng gió để thuận lợi cho q trình thơng khí tự nhiên thiết bị lên men Đƣợc bố trí gần khu chế biến mủ cao su để thuận lợi cho việc vận chuyển 83 Bảng 2.1 Diện tích xây dựng nhà xƣởng sản xuất STT Tên cơng trình Kích thƣớc (m) Diện tích (m2) Nhà lên men 5x10 50 Kho chứa nguyên liệu 5x5 25 Kho chứa thành phẩm 5x10 50 5m 15 m 10 m Xƣởng lên men Kho chứa nguyên liệu 5m Kho chứa sản phẩm P Hành P Dụng cụ 2.1.3 Năng lƣợng cung cấp - Nƣớc sử dụng pha dịch lên men: - Nƣớc dùng cho sinh hoạt: N1 = 0,58 m3/h N2 = qn.Nc = 0,1.6/24 = 0,025 m3/h Trong đó: qn = 0,1 m3 lƣợng nƣớc cung cấp cho ngƣời Nc = số ngƣời làm việc ngày - Lƣợng nƣớc dùng cho xanh: N3 = 0, 5.N2 = 0,013 m3 - Tổng lƣợng nƣớc sử dụng: N = N1 + N2 + N3 = 0,62 m3/h = 4673 m3/năm 2.1.4 Điện cung cấp - Điện dùng cho động cơ: Bơm nhập liệu vào tháp lên men: N1 = 0,375 kW Động khuấy: N2 = 0,375 kW Tổng công suất động cơ: - P1 = N1 + N2 = 0,75 kW Điện dùng cho chiếu sáng: Tính gần 0,75 lần điện dùng cho động cơ: P2 = 0,56 kW 84 - Điện dùng cho thiết bị khử trùng nƣớc : P3 = 0,25 kW - Công suất nhà máy: P = KC.P1 + K.P2 Trong đó: KC = hệ số đồng động ; K = 0,9 hệ số sử dụng - Năng lƣợng dùng cho động cơ: A1 = P1.T.K.K’ = 4061 kW Trong đó: T thời gian sử dụng năm,h K’ = 1,03 hệ số tổn hao mạng A2 = P2.T.K.K’ = 4548 kW - Năng lƣợng dùng cho khử trùng nƣớc : A3 = P3.T.K.K’ = 677 kW 2.2 Năng lƣợng dùng cho chiếu sáng: Tổng lƣợng điện tiêu thụ hàng năm: A = A1 + A2 = 9286 kW TÍNH KINH TẾ 2.2.1 Vấn đề vệ sinh môi trƣờng - Nƣớc thải công nghiệp Nói chung nƣớc thải nhà máy bao gồm nƣớc ngƣng thải từ thiết bị khử trùng nƣớc nƣớc thải sinh hoạt công nhân Nguồn nƣớc thải có mức độ nhiễm khơng cao phí xử lý thấp - Khí thải cơng nghiệp Ống khói phân xƣởng phải đƣa lên độ cao thích hợp, nhà xƣởng có hệ thống thơng gió Khói bụi phải qua hệ thống lọc bụi trƣớc thải ngồi - Các quy trình bảo bảm an tồn lao động Phải trang bị dụng cụ bảo hộ lao động làm việc Kho hóa chất để nơi khơ thống, cuối hƣớng gió tránh dính acid vào ngƣời Thƣờng xuyên kiểm tra điện tránh để dây điện lẫn vào khu sản xuất, tránh chạm vào thiết bị điện hệ thống hoạt động Định kỳ kiểm tra máy móc, chấp hành quy định lúc vận hành Nhà xƣởng cần có cửa sổ để thơng gió chiếu sáng tự nhiên Các bóng đèn đƣợc bố trí hợp lý đủ sáng cho cơng nhân làm việc Chung quanh phải có hệ thống chữa cháy 2.2.2 Tổ chức nhân nhà máy Bảng 2.2 Tổ chứa nhân nhà máy STT Nơi làm việc Khu lên men Số lƣợng ngƣời Số ca/ngày Ngƣời/ ngày Trực ca 3 85 - Công nhân dự trữ: Cdt = Cct.(Ndt – Ntt)/Ntt = ngƣời Tong đó: Ndt = 310 số ngày làm việc theo chế độ, ngày Ntt = 288 số ngày làm việc theo thực tế trung bình Số công nhân tham gia sản xuất: a = + = ngƣời Nhân viên gián tiếp: b = 0,1.a = ngƣời Tổng nhân viên phân xƣởng: C = a + b = ngƣời 2.2.3 Tính vốn đầu tƣ Vốn đầu tƣ cho xây dựng x1 = F.d = 62,5.106 đ Trong đó: F = 125 m2 diện tích xây dựng d = 500.000 đ/m2 đơn giá đất - Vốn xây dựng đƣờng xá cơng trình khác: x2 = 0,5.x1 = 31,25.106 đ - Tổng vốn đầu tƣ xây dựng: x = x1 + x2 = 93,75.106 đ - Khấu hao xây dựng: Ax = a.x = 46,9.106 đ Vốn đầu tƣ cho thiết bị Chi phí cho thiết bị chính: Giá kg thép: 60.000 đ Giá m ống thép: 30.000 đ Máy bơm, động cơ: 800.000 đ/Hp Khối lƣợng thép sử dụng: m = mkhuấy + mlm + mkhác = 4652 kg Chi phí thép cho chế tạo thiết bị: 4652 x 60.000 = 279,1.106 đ Chi phí cho ống thép: 50 x 30.000 = 1,5.106 đ Chi phí cho động cơ: x 800.000 = 2,4.106 đ Chi phí cho thiết bị khử trùng nƣớc : 7.106 đ → Tổng chi phí cho thiết bị: T1 = 290.106 Chi phí gia cơng chế tạo: T2 = (1-1,5 T1) = 1,5T1 = 435.106 đ Chi phí mua vật liệu đệm: T3 = 2500.000 x 3,62 = 9,05.106 đ Chi phí thiết bị phụ tùng: T4 = 0,1T1 = 29.106 đ Chi phí thiết bị kiểm tra điều khiển: T5 = 0,15T1 = 43,5.106 đ Chi phí thiết bị vệ sinh công nghiệp: T6 = 0,1T1 = 29.106 đ Chi phí lắp đặt thiết bị: T7 = 0,2T1 = 58.106 đ Chi phí khác: T8 = 0,1T1 = 29.106 đ 86 → Tổng chi phí: T = ΣTi = 923.106 đ Khấu hao năm cho thiết bị: AT = 0,5%T = 4,6.106 đ Vậy số vốn đầu tƣ: V = x + T = 1017.106 đƣợc Khấu hao tài sản cố định: A = Ax + AT = 51,5.106 đƣợc Tính giá thành sản phẩm - Chi phí trực tiếp: Chi phí cho nguyên liệu cồn, chất dinh dƣỡng : C1 = 1300.106 đ Chi phí điện: C2 = 9286.1000 = 9,3.106 đ Chi phí nƣớc: C3 = 4673.2000 = 9,5.106 đ → Tổng chi phí trực tiếp: Ctt = 1247,3.106 - Chi phí gián tiếp: Lƣơng bình qn cơng nhân: 1.000.000 đ Chi phí lƣơng: C’ = 1.000.000.8.12 = 96.106 đ Chí phí khác: C’’ = 0,1C’ = 9,6.106 đ → Tổng chi phí gián tiếp Cgt = 105,6.106 đ Giá thành toàn bộ: GTB = Ctt + Cgt = 1424.106 đ Khấu hao: A2 = 0,5%.GTB = 7.106 đ Giá thành phẩm: X = GTB/Q = 750 đ/l Lãi hàng năm thời gian thu hồi vốn: Lãi năm: L = Q(x – X) Với x giá bán đơn vị sản phẩm; x = 2000 đ/l Thuế đặc biệt 40% Vậy L = 5.103.365.[(1 – 0,4).5000 – 750] = 821.106 đ l tiền lãi vốn đầu tƣ cố định sinh lãi suất ngân hàng 3% tháng l = 3%.V.12 = 366,12.106 đ L’ = L – l = 455.106 đ Thời gian thu hồi vốn: V t= ’ L +A = năm 87 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Acid acetic có nhiều ứng dụng ngành kinh tế khác nhau, sản xuất acid acetic để cung cấp cho nhu cầu chế biến mủ cao su vấn để cấp bách Với tăng trƣởng phát triển nhanh ngành chế biến mủ cao su năm gần cho thấy nhu cầu sử dụng acid acetic để làm đông tụ mủ cao su lớn Trong đó, hầu nhƣ lƣợng acid acetic phải nhập ngoại tệ nƣớc ta chƣa có sở sản xuất đƣợc Vì việc triển khai phân xƣởng sản xuất acid acetic có ý nghĩa kinh tế lớn Việc kết hợp ứng dụng kỹ thuật sinh học công nghệ để giải vần đề khó khăn ngành kỹ thuật hƣớng đắn mang ý nghĩa thực tiễn to lớn Vấn đề quan trọng hƣớng phải biết lực chọn ứng dụng kỹ thuật sinh học dựa vào thực tế phù hợp với hoàn cảnh nƣớc ta Sản xuất acid acetic theo phƣơng pháp nhanh mang lại ƣu điểm: - Tận dụng đƣợc nguyên liệu rẻ tiền từ sản phẩm nông nghiệp - Phù hợp với trình độ khoa học nƣớc ta, dễ dàng giới hóa tự động hóa - Sản xuất sản phẩm có nguồn gốc sinh học an tồn - Khơng gây nhiễm mơi trƣờng nhƣ quy trình sản xuất cơng nghiệp khác Do đó, sản xuất acid acetic phƣơng pháp lên men nhanh giải pháp triệt để nhất, phù hợp với xu hƣớng phát triển nƣớc ta Tuy acid acetic sản xuất có nồng độ chƣa cao lẫn tạp chất (chỉ với hàm lƣợng thấp) nhƣng đƣợc sử dụng cho nhiều mục đích khác nhƣ làm giấm thực phẩm, acid acetic đậm đặc sử dụng công nghiệp Để tạo sản phẩm nhƣ cần thiết kế quy trình tinh sạch, nâng cao nồng độ acid acetic quy trình kiểm tra chất lƣợng sản phẩm bên cạnh quy trình sản xuất Đây phƣơng hƣớng phát triển tốt mơ hình sản xuất acid acetic (đa dạng hóa sản phẩm) Do hạn chế kinh nghiệm, thời gian thực nên kết kết sơ cho việc triển khai phân xƣởng sản xuất acid acetic 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO Đồng Thị Thanh Thu, 1999 Sinh hóa ứng dụng - Tủ sách Đại học khoa học tự nhiên Hồng Đình Tín, 2002 Nhiệt cơng nghiệp - NXB Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Hồ Lê Viên, 1999 Thiết kế tính tốn chi tiết thiết bị hóa chất NXB Khoa học kỹ thuật Nguyễn Văn Lụa, 2002 Quá trình thiết bị cơng nghệ hóa học thực phẩm Tập 1: Các trình thiết bị học Quyển 1: Khuấy - Lắng - Lọc NXB Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Nguyễn Tài - Tạ Ngọc Cầu, 1999 Thủy lực đại cƣơng – NXB Xây Dựng Nguyễn Đức Lƣợng, 2002 Công nghệ vi sinh Tập 1: Cơ sở vi sinh vật công nghiệp Tập 2: Vi sinh vật học công nghiệp NXB Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Nguyễn Khoa Chi - Hà Xuân Tƣ, 1986 Cây cao su, kỹ thuật trồng, khai thác chế biến NXB Tp Hồ Chí Minh Nguyễn Đức Trí, 2004 Cơng nghệ cao su thiên nhiên – NXB Tp Hồ Chí Minh Nguyễn Minh Tuyển, 1995 Các máy khuấy trộn công nghiệp – NXB khoa học kỹ thuật 89 10 Phạm Văn Bôn - Nguyễn Đình Thọ, 1998 Q trình cơng nghệ hóa học Tập 5: Q trình thiết bị truyền nhiệt NXB Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh 11 Trần Viết Hùng - Trịnh Văn Dũng - Đinh Văn Sâm, 1987 Sản xuất acid acetic theo phƣơng pháp nhanh Tạp chí khoa học (21 trang) – Hà Nội 12 Trần Xoa - Nguyễn Trọng Khuôn - Phạm Xuân Toản - Hồ Lê Viên, 1999 Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm - Tập 1,2 NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội 13 Viện nghiên cứu phát triển cao su Việt Nam, Trung tâm nghiên cứu phát triển cao su Bến Cát, Bình Dƣơng, 2004 Kỹ thuật trồng cao su – NXB Nơng Nghiệp Quy trình kỹ thuật cao su - Tổng công ty cao su Việt Nam 14 Võ Văn Bang - Vũ Bá Minh, 1998 Truyền khối - Tập – Trƣờng Đại học kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh ... xuất acid acetic thích hợp nhất, phù hợp với điều kiện nƣớc ta 17 CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ACID ACETIC 2.1 TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA ACID ACETIC [17] 2.1.1 Các tính chất hóa lý acid acetic. .. tinh dầu ) Acid acetic có tác dụng phân hủy da, gây bỏng, ăn mòn nhiều kim loại hợp kim, hịa tan tốt nhiều chất vơ Tính chất hóa học Các tính chất hóa học acid acetic đƣợc quy định có mặt nhóm... hydro acid acetic: CH3COOH + Na → CH3COONa + 1/2H2 ↑ Acid acetic bền với tác nhân oxy hóa mạnh nhƣ acid cromic, permanganat kali Tính chất đƣợc ứng dụng để tinh chế acid acetic khỏi tạp chất hữu