Tiến hành mô phỏng và tối ưu hóa hệ thống tinh chế cồn

LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -Tác giả luận văn: Vũ Thị Thùy Dung ĐỀ TÀI Tiến hành mô tối ưu hóa hệ thống tinh chế cồn Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học-khóa 2010 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Q trình thiết bị cơng nghệ hóa học thực phẩm NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS Nguyễn Hữu Tùng Hà Nội 2013 VŨ THỊ THÙY DUNG Page LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B MỤC LỤC CHƯƠNG I I .2 II .1 III 2.1 2.2 2.3 2.4 IV .1 TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU TỔNG QUAN TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ SỬ DỤNG CỒN TRONG NƯỚC TA VÀ TRÊN THẾ GIỚI Sơ lược tình hình sản xuất sử dụng cồn nước ta Tình hình sản xuất sử dụng cồn Thế Giới CÁC CÔNG ĐOẠN SẢN XUẤT CỒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN Chọn nguyên liệu sản xuất Lên men rượu Chưng cất tinh chế cồn etylic SỰ HÌNH THÀNH ETYLIC VÀ CÁC TẠP CHẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN Cơ chế trình lên men rượu Sự tạo thành sản phẩm phụ sản phẩm trung gian trình lên men rượu Sự tạo thành acid Sự tạo thành alcol cao phân tử Sự tạo thành este Sự tạo thành aldehyt PHƯƠNG PHÁP CHƯNG LUYỆN GIÁN ĐOẠN DÙNG ĐỂ TINH CHẾ HỖN HỢP ETYLIC-NƯỚC VÀ CÁC TẠP CHẤT Quá trình chưng cất, chưng luyện, chưng luyện gián đoạn Các cấu hình tháp chưng luyện gián đoạn Các phương án vận hành tháp chưng luyện gián đoạn VŨ THỊ THÙY DUNG Page trang 11 16 18 18 18 19 20 20 20 22 22 22 23 23 23 23 23 24 24 25 30 LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B 3.1 3.1 Các quy trình vận hành tháp chưng luyện gián đoạn 3.2 Chưng luyện gián đoạn với số hồi lưu không đổi 3.3 Chưng luyện gián đoạn với thành phần đỉnh không đổi Sử dụng giản đồ tam giác để dự đoán khả tách etanol tạp chất CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ MƠ HÌNH THÁP CHƯNG LUYỆN GIÁN ĐOẠN I XÂY DỰNG MƠ HÌNH THÁP CHƯNG LUYỆN GIÁN ĐOẠN Các mơ hình dự đốn cân lỏng Mơ hình tháp chưng luyện gián đoạn Thuật tốn giải hệ phương trình mơ hình tháp chưng luyện gián đoạn II KIỂM CHỨNG MƠ HÌNH BẰNG THỰC NGHIỆM TRÊN THÁP CHƯNG LUYỆN GIÁN ĐOẠN QUY MÔ SẢN XUẤT CHƯƠNG III ỨNG DỤNG MƠ HÌNH THÁP CHƯNG LUYỆN GIÁN ĐOẠN I NGHIÊN CỨU HÀNH VI CỦA CÁC CẤU TỬ TẠP CHẤT TRONG HỖN HỢP RƯỢU - NƯỚC SẢN XUẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN 1 Thành phần hỗn hợp rượu-nước tạp chất sử dụng ứng dụng mô 30 31 33 35 40 40 40 48 51 52 62 62 62 Một số tính chất hóa lý ethanol - nước tạp chất 62 3 Nghiên cứu hành vi cấu tử hỗn hợp rượu ethanol-nước tạp chất tháp chưng luyện liên tục 63 Nghiên cứu hành vi cấu tử tháp chưng luyện gián đoạn áp dụng nguyên tắc tách hỗn hợp theo nhóm có hành vi tương tự 64 4.1 Nhóm tạp đầu VŨ THỊ THÙY DUNG 66 Page LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B 4.1.1 4.1.2 4.2 4.3 Hành vi andehyt Hành vi etylacetat Hành vi nhóm tạp vịng quanh 4.3 Hành vi nhóm tạp trung gian 4.3.1 4.3.1 Hành vi cấu tử n-propanol 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.3.6 4.4 Hành vi isopropanol Hành vi nbutanol Hành vi isobutanol Hành vi isoamylic Hành vi furfural H�N THẠC SỸ 2010B 0 Thời điểm t=3h Page 121 10.0 di alythuyet 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 22.0 0.0025 0.005 0.01 0.01 0.005 0.02 0.012 C5H4O-01 km ol/ km ol T im e: 050000 0.0175 0.015 0.0125 0.01 0.0225 0.035 0.035 0.015 0.02 0.013 0.05 0.04 C5H12-01 km ol/kmol T ime: 3.050000 0.03 0.025 0.02 0.035 C3H8O-02 km ol/ km ol T im e: 050000 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01 0.011 C4H10-01 km ol/kmol T ime: 3.050000 0.03 0.025 0.02 0.045 phanm ol C3H8O-01 km ol/ km ol T im e: 050000 0.04 0.035 0.03 0.025 C4H10-02 km ol/kmol T ime: 3.050000 0.03 0.025 0.02 0.015 0.015 0.0075 0.004 0.005 0.01 0.003 0.005 0.005 0.015 0.0 1.e-003 0.002 0.0 0.0 0.01 0.0 0.005 0.0 0.015 0.025 0.04 0.04 0.045 0.014 0.055 0.0275 0.045 0.045 0.05 0.016 0.06 LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B 1 VŨ THỊ THÙY DUNG 2 3 4 5 5 6 7 8 Thời điểm t=10h Page 122 9 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15.0 15.5 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0 18.5 19.0 19.5 20.0 20.5 21.0 Index 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 2.e-004 5.e-004 5.e-004 0.002 4.e-004 5.e-004 C5H12-01 km ol/ km ol T ime: 11.430000 0.0014 0.0012 1.e-003 8.e-004 C5H4O-01 km ol /km ol T im e: 11.430000 0.008 0.006 0.004 C4H10-02 km ol/ km ol T ime: 11.430000 0.002 0.0015 C4H10-01 km ol/ km ol T ime: 11.430000 0.0035 0.003 0.0025 0.002 0.005 0.0016 0.01 0.0045 0.0055 0.006 0.012 0.0018 0.0025 0.004 C3H8O-02 km ol /km ol T im e: 11.430000 0.0045 0.004 0.0035 0.003 0.0025 phanm ol C3H8O-01 km ol /km ol T im e: 11.430000 0.005 0.004 0.003 6.e-004 1.e-003 0.0015 0.002 0.002 0.0015 1.e-003 1.e-003 1.e-003 0.002 0.003 0.005 0.006 0.007 0.014 0.0022 0.0055 0.0065 0.005 0.01 0.005 0.005 0.0 0.0 0.01 0.002 0.01 0.0 0.0 0.0 0.01 0.015 0.01 0.02 0.02 0.02 0.015 0.025 0.015 0.03 0.004 0.03 C5H4O-01 km ol /km ol T im e: 9.940000 0.02 0.025 0.03 0.055 0.035 C4H10-02 km ol/ km ol T ime: 940000 0.02 0.025 0.03 C5H12-01 km ol/ km ol T ime: 940000 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.07 0.01 0.07 C4H10-01 km ol/ km ol T ime: 940000 0.04 0.05 0.06 C3H8O-02 km ol /km ol T im e: 9.940000 0.006 0.008 phanm ol C3H8O-01 km ol /km ol T im e: 9.940000 0.04 0.05 0.06 0.035 0.06 0.04 0.08 0.09 0.04 0.065 0.09 0.07 0.045 0.012 0.08 0.045 0.075 0.05 0.1 0.014 LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B 1 5 VŨ THỊ THÙY DUNG 2 5 3 5 4 5 5 5 5 6 6 7 7 8 8 Page 123 9 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15.0 15.5 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0 18.5 19.0 19.5 20.0 20.5 21.0 Index Thời điểm t=11,5h 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15.0 15.5 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0 18.5 19.0 19.5 20.0 20.5 21.0 Index LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B 0.006 0.0055 0.0045 0.0015 5.e-004 1.e-003 C5H4O-01 km ol /km ol T im e: 18.220000 0.004 0.0035 0.003 0.0025 0.002 0.005 0.0016 0.0025 0.00225 0.0014 0.002 0.0012 C5H12-01 km ol/ kmol T ime: 18.220000 0.001 8.e-004 6.e-004 4.e-004 2.e-004 0.0 C4H10-02 km ol/ kmol T ime: 18.220000 0.00175 0.0015 0.00125 1.e-003 7.5e-004 5.e-004 2.5e-004 0.0 0.006 0.0035 0.0055 0.003 0.005 0.0045 0.0025 C4H10-01 km ol/ kmol T ime: 18.220000 0.002 0.0015 1.e-003 0.0015 1.e-003 5.e-004 0.0 5.e-004 C3H8O-02 km ol /km ol T im e: 18.220000 0.004 0.0035 0.003 0.0025 0.002 0.0 0.0045 phanm ol C3H8O-01 km ol /km ol T im e: 18.220000 0.004 0.0035 0.003 0.0025 0.002 0.0015 1.e-003 5.e-004 0.0 0.005 0.0055 0.006 Thời điểm t=18,5h 1 2 3 4 5 5 6 7 8 9 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15.0 15.5 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0 18.5 19.0 19.5 20.0 20.5 21.0 Index Ta nhận thấy cuối q trình chưng luyện tạp cịn lại có xu hướng dịch chuyển lên đỉnh, nên từ bắt đầu lấy sản phẩm ta đồng thời tách thêm 2-4h nhóm tạp đáy đĩa số 19 với lưu lượng 0.333kmol/h Khi hàm lượng tạp ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Khi lưu lượng lấy V1=0.5 lít/phút ~1.1kmol/h, q trình lấy sản phẩm kéo dài gần 20 h nồng độ ethanol đĩa 20 đạt 0.01 phần mol (điều kiện kết thúc q trình chưng luyện) nên khơng thuận lợi cho việc tối ưu lượng ta cần tăng lưu lượng lấy V2=1lít/phút~2.2kmol/h • Chạy với R=∞, lấy sản phẩm đĩa số với lưu lượng 1lit/phuts~2.2kmol/h đồng thời lấy nhóm tạp cuối đĩa số 19 ta thấy dịch chuyển pick cấu tử sau: Tại thời điểm t=3.6h VŨ THỊ THÙY DUNG Page 124 LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B Tại thời điểm t=10h Tại thời điểm t=10,2h VŨ THỊ THÙY DUNG Page 125 LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B Kết luận: Trong trình lấy sản phẩm ta không lấy sản phẩm vị trí hồi lưu mà tiến hành hồi lưu hồn tồn (R=∞), thời điểm ta tiến hành lấy sản phẩm đĩa số dọc thân tháp với lưu lượng thích hợp 1lit/phút giảm thời gian chưng luyện giảm tiêu hao lượng đồng thời tách nhóm tạp đáy đĩa số 19 khoảng thời gian từ 2-4h nhằm làm giảm nồng độ tạp sản phẩm vào cuối giai đoạn Nhưng hiệu suất thu hồi cồn loại I không cao, chất lượng cồn loại I tốt nhiều so với tiêu chuẩn Việt Nam, đồng thời làm giảm đáng kể isopropanol cồn loại I Đề xuất quy trình vận hành tháp chưng luyện gián đoạn Để vận hành tháp chưng luyện gián đoạn theo tiêu chí tiết kiệm lượng cần phải ứng dụng nguyên lý tách hỗn hợp nhiều cấu tử theo nhóm “Bộ mơn q trình thiết bị trường Đại học Bách Khoa Hà Nội” đề xuất Sau khảo sát ảnh hưởng nồng độ cồn tức thời gian chưng luyện ảnh hưởng số hồi lưu đến hành vi nhóm tạp tháp chưng luyện gián đoạn nên đề xuất quy trình tách theo nhóm sau: - Để đảm bảo chất lượng sản phẩm nồng độ cồn etylic hỗn hợp ban đầu nên khoảng 0.25% - 0.3% - Nhóm tạp đầu (cồn đầu) lấy thời điểm 0,5h sau hồi lưu (khi xuất lỏng đỉnh tháp) tiến hành tách nhóm tạp đỉnh đĩa số (thiết bị VŨ THỊ THÙY DUNG Page 126 LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B ngưng tụ), thời gian lấy nhóm tạp kéo dài 2,5h (dừng lấy thời điểm 3h hồi lưu) Chứa Tank - Nhóm tạp trung gian nhóm tạp đáy tiến hành tách vào thời điểm lấy 3h sau hồi lưu cụ thể + Nhóm tạp trung gian (sản phẩm phụ) lấy đĩa 14 15, lưu lượng lấy đĩa 0.333kmol/h, thời gian lấy 1,5h Chứa tank + Nhóm tạp đáy (sản phẩm đáy) lấy đĩa số 19 hai thời điểm với lưu lượng 0.333kmol/h Thời điểm thứ thời điểm với nhóm tạp trung gian, thời gian lấy 2h Thời điểm thứ bắt đầu lấy sản phẩm tức thời điểm 5h sau hồi lưu, thời gian lấy từ 2-4h Chứa tank - Sản phẩm (Cồn loại I) lấy đĩa số thời điểm 5h sau hồi lưu với lưu lượng lấy 1lit/phút, thời gian lấy khoảng 3h sau giảm tốc độ lấy xuống 0.5 lít/ phút đến nồng độ ethanol đáy 0.01phần mol Tuy nhiên ta dừng tháp sớm nồng độ ethanol đáy 0.05 phần mol Chứa tank - Cồn đầu (ở tank 1) có nồng độ etylic cao (trên 95 %v etylic) dùng để pha vào rượu nguyên liệu (rượu nguyên liệu thường khoảng 40-45%ethanol) nhóm tạp đầu có hành vi rõ ràng dễ tách nên ảnh hưởng đên chất lượng sản phẩm - Sản phẩm phụ chứa tạp trung gian (ở tank 2) có nồng độ etylic khoảng 0.3 – 0.4% mol cần gom lại dùng để tách riêng isopropanol - Sản phẩm đáy chứa nhiều dầu furel ( tank 3) có nồng độ etylic thấp sử dụng để tách hỗn hợp dầu furel, sản phẩm quý dùng điều chế chất dược phẩm, làm dung môi, hay để điều chế chất hữu khác Đây phương án đề xuất hoàn toàn khác so với phương án truyền thống trước, lượng tiêt kiệm không đáng kể hiệu suất thu hồi cồn loại I thấp ta nhận chất lượng sản phẩm tốt tách tốt nhóm tạp đầu đáng kể isopropanol, dầu furel hướng dần đến việc xuất cồn, rượu sang nước phương Tây nơi mà tiêu chuẩn cồn rượu khắt khe VŨ THỊ THÙY DUNG Page 127 ... Chưng cất tinh chế cồn etylic SỰ HÌNH THÀNH ETYLIC VÀ CÁC TẠP CHẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN Cơ chế trình lên men rượu Sự tạo thành sản phẩm phụ sản phẩm trung gian trình lên men rượu Sự tạo thành...tư cho hệ thống tách, giảm lượng vận hành hệ thống VŨ THỊ THÙY DUNG Page 129 LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B Tài liệu tham khảo [1] Cao Thị Mai Duyên, Tối ưu hóa hệ thống tách hỗn hợp nhiều cấu tử etanol ...sản phẩm ta khơng lấy sản phẩm vị trí hồi lưu mà tiến hành hồi lưu hoàn toàn (R=∞), thời điểm ta tiến hành lấy sản phẩm đĩa số dọc thân tháp với lưu lượng thích hợp 1lit/phút giảm thời gian chưng