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 Hành vi Nhóm tạp cuối (tạp đáy) Nghiên cứu xác định thời điểm chế độ tách nhóm tạp 5.1 Thời điểm tách nhóm tạp đỉnh 5.2 Thời điểm tách isopropanol 5.3 Thời điểm tách tạp đáy Tính cân vật chất sau tách nhóm tạp Ảnh hưởng tốc độ lấy sản phẩm đến dịch chuyển nhóm tạp Đề xuất quy trình vận hành tháp chưng luyện gián đoạn CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VŨ THỊ THÙY DUNG Page 66 70 74 77 77 81 86 90 94 88 103 107 108 109 110 114 119 126 128 LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận văn chưa công bố Hà nội ngày 24 tháng 02 năm 2013 Tác giả Vũ Thị Thùy Dung VŨ THỊ THÙY DUNG Page LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B Danh mục ký hiệu 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 dịng 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 , (ki ) : 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 % VŨ THỊ THÙY DUNG Page LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B Danh mục bảng Trang Bảng 1: Tình hình tiêu thụ cồn số nước năm 1957 Bảng2: Chỉ tiêu chất lượng cồn đạt tiêu chuẩn TCVN 7043 - 2002 25 Bảng 3: So sánh thực nghiệm mơ hình cho phân bố nhiệt độ theo chiều cao tháp chế độ hồi lưu hoàn toàn 45 Bảng 4:Kết so sánh thực nghiệm mơ hình phân bố nồng độ ethanol theo chiều cao tháp chế độ hồi lưu hoàn toàn 46 Bảng 5: Kết so sánh thực nghiệm mô hình biến thiên nồng độ ethanol theo chiều thời gian đĩa số đĩa 66 48 Bảng 6:Kết so sánh thực nghiệm mơ hình cho biến thiên nồng độ este ethylacetate đĩa isobutanol theo chiều thời gian đĩa số 48 66 Bảng 7: Một số tính chất hóa lý ethanol-nước tạp chất 52 Bảng 8: Hành vi cấu tử etylic dọc theo chiều cao tháp nồng độ etylic thay đổi 55 Bảng 9: Phân bố nồng độ andehytacetic nồng độ ethanol hỗn hợp đầu thay đổi VŨ THỊ THÙY DUNG Page LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B 57 Bảng 10: Hành vi cấu tử andehyt acetic dọc theo chiều cao tháp số hồi lưu thay đổi 58 Bảng 11: Hành vi cấu tử etylacetat dọc theo chiều cao tháp nồng độ ethanol hỗn hợp đầu thay đổi 60 Bảng 12: Hành vi cấu tử etylacetat dọc theo chiều caotháp số hồi lưu thay đổi 62 Bảng 13: Hành vi cấu tử methanol dọc theo chiều cao tháp nồng độ ethanol hỗn hợp đầu thay đổi 64 Bảng 14: Hành vi cấu tử methanol dọc theo chiều cao tháp số hồi lưu thay đổi 66 Bảng 15: Hành vi cấu tử n-propanol dọc theo chiều cao tháp nồng độ ethanol hỗn hợp đầu thay đổi 68 Bảng 16: Hành vi cấu tử n-propanol dọc theo chiều cao tháp số hồi lưu thay đổi 70 Bảng 17: Hành vi cấu tử iso-propanol dọc theo chiều cao tháp nồng độ ethanol hỗn hợp đầu thay đổi VŨ THỊ THÙY DUNG Page LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B 72 Bảng 18: Hành vi cấu tử iso-propanol dọc theo chiều cao tháp số hồi lưu thay đổi 74 Bảng 19: Hành vi cấu tử nbutanol dọc theo chiều cao tháp nồng độ ethanol hỗn hợp đầu thay đổi 76 Bảng 20: Hành vi cấu tử n-butanol dọc theo chiều cao tháp số hồi lưu thay đổi 79 Bảng 21: Hành vi cấu tử iso-butanol dọc theo chiều cao tháp nồng độ ethanol hỗn hợp đầu thay đổi 80 Bảng 22: Hành vi cấu tử iso-butanol dọc theo chiều cao tháp số hồi lưu thay đổi 83 Bảng 23: Hành vi cấu tử iso-amylic dọc theo chiều cao tháp nồng độ ethanol hỗn hợp đầu thay đổi 84 Bảng 24: Hành vi cấu tử iso-amylic dọc theo chiều cao tháp số hôi lưu thay đổi 87 Bảng 25: Hành vi cấu tử furfural dọc theo chiều cao tháp nồng độ ethanol hỗn hợp đầu thay đổi VŨ THỊ THÙY DUNG Page 88 LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B Bảng 26: Hành vi cấu tử furfural dọc theo chiều cao tháp số hồi lưu thay đổi 90 Bảng 27: Hành vi cấu tử acidacetic dọc theo chiều cao tháp nồng độ ethanol hỗn hợp đầu thay đổi 93 Bảng 28: Hành vi cấu tử acidacetic dọc theo chiều cao tháp số hồi lưu thay đổi 94 Bảng 29: Phần mol tạp theo thời gian giai đoạn hồi lưu hoàn toàn nồng độ ethanol ban đầu 0.2 phần mol 97 Bảng 30: Phần mol nhóm tạp đầu theo thời gian giai đoạn hồi lưu hoàn toàn nồng độ ethanol ban đầu 0.3 phần mol 105 Bảng 31: Lượng tạp lại sau tách 120 phút, lưu lượng tách 10% lượng holdup đĩa 106 Bảng 32: Lượng tạp lại sau tách 150 phút, lưu lượng tách 10% lượng holdup đĩa 106 Bảng 33: Hành vi tạp đáy sau lấy nhóm tạp đầu 150 phút giai đoạn hồi lưu hoàn toàn 107 VŨ THỊ THÙY DUNG Page 10 LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B tách tách (kmol/h) Đĩa số 0.333 (giờ) andehytacetic etylacetat Methanol 2h (kmol) Lượng ban đầu 0.04042 0.03950 0.05558 (kmol) 0.00958 0.01050 0.04442 (%) 81% 79% 56% Ethanol 0.63500 2.36500 21% Kết luận: Ta nên chọn nồng độ ethanol hỗn hợp đầu 0.3 phần mol, giai đoạn hồi lưu hồn tồn ta lên lấy nhóm tạp đầu với lưu lượng 10% so với lượng lỏng lưu đĩa, thời gian tách tạp 150 phút Nhận thấy lượng tách chiếm tỉ lệ lớn so với hỗn hợp ban đầu Sau ta hồi lưu hoàn toàn thêm khoảng 2h để lấy nhóm tạp đáy theo nghiên cứu nhóm tạp tách hiệu số hồi lưu hoàn toàn nồng độ ethanol hỗn hợp đầu khoảng 0.2 phần mol Bảng 33: Hành vi tạp đáy sau lấy nhóm tạp đầu 150 phút giai đoạn hồi lưu hoàn toàn Stage C2H4O-01 C2H4O-02 C2H6O-01 C3H8O-01 C3H8O-02 C4H10-01 C4H10-02 C4H8O-01 Condenser 0.004531 8.52E-18 0.823156 3.29E-06 0.011729 2.01E-12 9.60E-07 0.020741 9.28E-04 4.51E-17 0.838908 6.20E-06 0.013659 8.92E-12 2.19E-06 0.008578 1.79E-04 2.29E-16 0.843216 1.15E-05 0.015525 3.86E-11 4.88E-06 0.00344 3.40E-05 1.15E-15 0.842079 2.12E-05 0.017435 1.64E-10 1.07E-05 0.001366 6.46E-06 5.74E-15 0.837979 3.88E-05 0.019434 6.94E-10 2.32E-05 5.40E-04 1.24E-06 2.89E-14 0.831883 7.09E-05 0.02153 2.90E-09 4.98E-05 2.13E-04 2.42E-07 1.46E-13 0.824094 1.30E-04 0.023713 1.21E-08 1.06E-04 8.36E-05 4.81E-08 7.48E-13 0.814556 2.37E-04 0.025954 4.97E-08 2.25E-04 3.27E-05 9.78E-09 3.88E-12 0.802946 4.32E-04 0.028202 2.03E-07 4.72E-04 1.28E-05 10 2.05E-09 2.05E-11 0.788647 7.87E-04 0.030374 8.20E-07 9.77E-04 4.93E-06 11 4.42E-10 1.11E-10 0.77063 0.001424 0.032345 3.27E-06 0.001993 1.88E-06 12 9.93E-11 6.16E-10 0.74725 0.002557 0.033924 1.28E-05 0.00398 7.08E-07 13 2.35E-11 3.57E-09 0.715954 0.00452 0.03483 4.92E-05 0.007714 2.59E-07 14 5.89E-12 2.19E-08 0.672974 0.007791 0.034666 1.84E-04 0.014307 9.12E-08 15 1.58E-12 1.44E-07 0.61324 0.012871 0.032928 6.63E-04 0.024811 3.01E-08 16 4.53E-13 1.06E-06 0.530967 0.019797 0.029114 0.002242 0.038757 9.06E-09 VŨ THỊ THÙY DUNG Page 117 LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B 17 1.35E-13 8.87E-06 0.422587 0.026994 0.023097 0.006679 0.051408 2.36E-09 18 4.11E-14 8.83E-05 0.296969 0.030606 0.015844 0.015783 0.05401 5.11E-10 19 1.36E-14 0.00105 0.192007 0.03059 0.010347 0.03128 0.049863 1.06E-10 Pot 1.74E-15 0.006791 0.043506 0.005854 0.001198 0.006412 0.005107 2.90E-12 Hình 48: Hành vi tạp đáy sau lấy nhóm tạp đầu 150 phút giai đoạn hồi lưu hồn tồn \ Nhìn vào đồ thị ta thấy ta mở cửa đĩa số 19 ta tách tạp nhóm tạp đáy đĩa số 13,14 tách isopropanol tốt Trong thời gian ta tranh thủ tách thêm 30 phút nhóm tạp đầu tốt hết ta khơng nên tách nhóm tạp đỉnh nhiều cồn vào cồn đầu cho giai đoạn tách nhóm Tại vị trí đĩa số 19 nồng độ cấu tử nhóm tạp đáy trước tách là: Vị trí Lưu tách lượng tách (kmol/h) VŨ THỊ THÙY DUNG Thời gian Cấu tử tách tách (giờ) Page 118 Lượng tách (kmol) Lượng (kmol) Lượng tách chiếm (%) LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B Đĩa số 0.333 15 1.5h isopropanol 0.01646 0.03354 33% ethanol 0.30662 10% Đĩa số 0.333 1.5h isopropanol 0.01733 0.03267 35% 14 ethanol 0.33649 11% 0.333 2h npropanol 0.0137 0.0363 27.4 Nbutanol 0.02039 0.02961 41% Isobutanol 0.03324 0.01676 66% Đĩa số 19 Isoamylic 0.03519 0.01481 70% Furfural 0.00943 0.04057 19% Ethanol 0.12800 4% Tổng lượng ethanol vào cồn cuối giai đoạn khoảng 25% tổng số cồn ban đầu, hiệu tách tạp giảm 60 % Như giai đoạn hồi lưu hoàn toàn kéo dài 5h, 0.5h đầu để ổn định tháp, 2.5h sau để lấy cồn đầu, 2h cuối để lấy isopropanol tạp cuối Sau ta bước sang giai đoạn lấy sản phẩm, ta cần tính lại thành phần cấu tử lại tháp sau tiến hành lấy chúng khỏi tháp dịng trích dọc thân tháp Ảnh hưởng tốc độ lấy sản phẩm (Rsp) đến dịch chuyển nhóm tạp Theo nghiên cứu trên, số hồi lưu R không ảnh hưởng đến hành vi tạp nhóm tạp đầu, chúng luôn tập trung đĩa đỉnh tháp Nên nghiên cứu ta quan tâm đến dịch chuyển nhóm tạp trung gian nhóm tạp đáy Sauk hi tách lượng lỏng lại tháp là: 10 kmol-0.333kmol/h x (2+1.5+1.5+2) = 7.67kmol Sau tách xong nhóm tạp giai đoạn hồi lưu hoàn toàn, hàm lượng cấu tử lại tháp sau Tên cấu tử andehyt acetic etylacetat VŨ THỊ THÙY DUNG Lượng lại sau tách giai đoạn hồi lưu hoàn toàn (kmol) 0.00958 0.0105 Page 119 Phần mol chiếm hỗn hợp lại (kmol/kmol) 0.00125 0.00137 LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B methanol 0.0444 0.00579 isopropnol 0.01621 0.00211 npropanol 0.0363 0.00473 nbutanol 0.02961 0.00386 isobutanol 0.01676 0.00219 isoamylic 0.01481 0.00193 furfural 0.04057 0.00529 ethanol 1.5939 0.20781 Acid acetic 0.05 0.005 Nước 0.75848 Từ bảng số liệu ta tiến hành mô giai đoạn lấy sản phẩm Vị trí lấy sản phẩm theo nghiên cứu thích hợp đĩa 3,4,5 Nhưng ta nên lấy đĩa số (gọi lượng sản phẩm lấy đĩa số D), ta mở van đĩa để lấy sản phẩm, đồng thời với giai đoạn đầu lấy sản phẩm ta tiếp tục lấy nhóm tạp đáy đĩa số 19 với lưu lượng lấy 0.333kmol/h, tiến hành lấy nhóm tạp thêm 2h bắt đầu giai đoạn lấy sản phẩm D Khi đĩa số 19 điểm giao thao pick cấu tử có hàm lượng cao thuận lợi cho việc tách chúng Nếu để cuối giai đoạn lấy sản phẩm tạp dịch chuyển lên đỉnh chui vào 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 • Chạy với R=∞, lấy sản phẩm đĩa số với lưu lượng 0.5lit/phut~1.1kmol/h ta thấy dịch chuyển pick cấu tử sau: Thời điểm t=0 VŨ THỊ THÙY DUNG Page 120 0.05 VŨ THỊ THÙY DUNG C5H4O-01 km ol /km ol T im e: 0.000000 0.0175 0.015 0.0125 0.01 0.0075 0.0225 0.03 0.03 0.0025 0.055 0.018 0.035 C5H12-01 km ol/ km ol T ime: 000000 0.025 0.02 0.015 0.02 0.016 0.01 0.03 0.045 0.01 C4H10-01 km ol/ km ol T ime: 000000 0.025 0.02 0.015 C3H8O-02 km ol /km ol T im e: 0.000000 0.014 0.012 0.01 0.008 phanm ol C3H8O-01 km ol /km ol T im e: 0.000000 0.04 0.035 0.03 0.025 0.005 0.006 0.02 0.005 0.01 0.015 0.0 0.005 0.004 0.01 0.0 0.005 0.002 0.005 C4H10-02 km ol/ km ol T ime: 000000 0.025 0.02 0.015 0.0 0.0 0.0 0.06 0.025 0.035 0.035 0.04 0.02 LUẬN VĂN 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 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 q trình lấy sản phẩm ta khơng 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 cịn 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 LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN: Từ kết nhận luận văn rút số kết luận sau: - Hành vi cấu tử tháp phụ thuộc lớn vào nồng độ etylic hỗn hợp ban đầu, cuối trình chưng luyện gián đoạn khả tách nhóm tạp khó - Chỉ số hồi lưu có ảnh hưởng định đến lượng tiêu tốn, Các nhóm cấu tử có hành vi phụ thuộc nhiều vào số hồi lưu, số hồi lưu lớn chất lượng sản phẩm tốt, nhiên số hồi lưu lớn tiêu tốn lượng lớn, ta cần chọn chế độ tách với số hồi lưu thích hợp - Đề xuất trình tách tạp iso-propanol từ hỗn hợp rượu etylic-nước tạp chất đạt hiệu suất  60%, tạp khó tách phương pháp chưng cất, tạp có ảnh hưởng nhiều đến chất lượng sản phẩm từ trước đến quan tâm nước - Đã ứng dụng thành công nguyên lý tách hỗn hợp nhiều cấu tử theo nhóm cho q trình chưng luyện gián đoạn - Đã đề xuất chiến lược tinh chế hỗn hợp nhiều cấu tử etylic-nước tạp chất sản xuất phương pháp tháp chưng luyện gián đoạn: + Nồng độ etylic hỗn hợp đâu không nên thấp cao, thích hợp khoảng 0.25%-0.3% phần mol Nếu nồng độ etylic cao 0.3 phần mol làm cho nhóm tạp đáy nhóm tạp trung gian không tập trung chọn lọc đĩa mà tập trung nhiều nồi chưng gây khó khăn cho tách nhóm Nếu nồng độ etylic thấp 0.25 phần mol khả lẫn nhóm tạp đáy vào sản phẩm lớn đồng thời hiệu suất tách hiệu suất thu hồi khơng cao + 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 ngưng tụ), thời gian lấy nhóm tạp kéo dài 2,5h (dừng lấy thời điểm 3h hồi lưu) Chứa Tank + Nhóm tạp trung gian (sản phẩm phụ) tách vào thời điểm lấy 3h sau hồi lưu, lấy đĩa 14 15, lưu lượng lấy đĩa 0.333kmol/h, thời gian lấy 1,5h Chứa tank VŨ THỊ THÙY DUNG Page 128 LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B + Nhóm tạp đáy (sản phẩm đáy) tách vào thời điểm lấy 3h sau hồi lưu, 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 24h 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 - Tiết kiệm lượng nghiên cứu thể qua ưu điểm phương pháp tách theo nhóm sau: + Cho phép giảm tiêu hao lượng so với phương pháp thông thường (Phương pháp thông thường tách cấu tử đỉnh tháp sau ngưng tụ nên tiêu tốn lượng cho trình truyền nhiệt chuyển pha) cấu tử tách pha lỏng không thông qua pha nên giảm lượng bốc + Với nhóm cấu tử sơ đồ tình chế gồm (4-1)=3 tháp gây khó khăn vận hành thay vận hành tháp + Phương pháp tách theo nhóm áp dụng cho tất hệ nhiều cấu tử + Giảm số lượng thiết bị, giảm kinh phí đầu 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 - nước tạp chất nhận phương pháp lên men, Luận văn tiến sỹ khoa học, Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2010 [2] Nguyễn Đình Thưởng, Nguyễn Thanh Hằng, Cơng nghệ sản xuất kiểm tra cồn etylic, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2007 [3] Đỗ Xuân Trường, Mô trình chưng luyện gián đoạn, Luận văn thạc sỹ khoa học, Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2010 [4] 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 [5] Nguyễn Hữu Tùng, Kỹ thuật tách hỗn hợp nhiều cấu tử, tập 1, nhà xuất Bách [6] Arndt Mehlhorn, Using Rate-Based Approach Under Consideration of Different Contacting Regimes for Multicomponent Batch Distillation Simulation, Polytechnical University of Catalunya, Barcelona, Spain, 1998 [7] Aspen Engineering, Version V7.1, Aspen Technology, Burlington, USA, 2009 [8] Aznar, M and Telles, A.S Prediction of electrolyte vapor-liquid equilibrium by UNIFAC-Dortmund Braz J Chem Eng., June 2001,vol.18, no.2, p.127-137 [9] Bradley H Cook, Optimal Batch Distillation Sequences Using Aspen Plus, Air Products and Chemicals Institute, Allentown, PA, 2005 [10] C.D.Holland, Fundamentals of multicomponent distillation, Mc Graw- Hill, New York, 1981 VŨ THỊ THÙY DUNG Page 130 LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B [11] 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 [12] H Scott Fogler, Aspen Plus Wordshop for Reaction Engineering and Design, University of Michigan, 2002 [13] I M Mujtaba; Batch Distillation Design and Operation; Imperial College Press, London, 2004 [14] Lin Wang, A startup model for simulation of batch distillation starting from a cold state, Zhejiang University, Hangzhou, China, 2003 [15] Matthias Leipold, An evolutionary approach for multi-objective dynamic optimization applied to middle vessel batch distillation, Humburg University of Technology, Humburg, 2009 [16] Robert H.Perry, Don W.Green, Perry’s Chemical Engineers’ handbook, Mc GrawHill, New York, 1999 VŨ THỊ THÙY DUNG Page 131 ... lập chế độ chạy chưng luyện gián đoạn nhiều nước tiến hành nghiên cứu, góp sức phần mềm việc mô chế độ chạy vô hiệu Nhiệm vụ luận văn: Đề tài: ? ?Tiến hành mô tối ưu hóa hệ thống tinh chế cồn? ??... văn: Đề tài: ? ?Tiến hành mô tối ưu hóa hệ thống tinh chế cồn? ?? + Mơ Tối ưu hóa hệ thống tinh chế cồn ta sử dụng mơ hình để tìm chế độ chạy cho tiêu tốn lượng mà chất lượng sản phẩm tốt - Sử dụng... gian Nếu tháp vận hành chế độ hồi lưu toàn phần, mẻ nguyên liệu bình chứa tinh chế dạng sản phẩm trình chưng cất Tuy nhiên, trình tinh chế phụ thuộc vào số đĩa đoạn tháp, lưu lượng bốc hơi, lượng