- Ảnh hƣởng của chiều cao tháp:
TÍNH THIẾT KẾ
1.2.3 Tính tháp lên men Kích thƣớc tháp
Kích thƣớc tháp
Tháp lên men là thiết bị dùng để lên men acid acetic từ nguyên liệu đầu C2H5OH; CH3COOH; H2O, nguyên tố vi lƣợng; đa lƣợng ... Năng suất lên men dấm Q = 0,21 m3/h. Nếu ta thiết kế một tháp thì thiết bị sẽ rất lớn, điều này không hiệu quả, khó phân phối đều chất lỏng và không khí. Vì vậy ta chia thành 4 thùng lên men làm việc song song và năng suất mỗi thùng là:
Qa = 0,21/4 = 0,0525 m3/h = 0,88 l/ph Theo số liệu thu đƣợc từ thực nghiệm ta có:
Đƣờng kính thiết bị: d’ = 250 mm
Tiết diện của thiết bị: S = ¼.π.d’2 = 0.05 m2 Lƣu lƣợng tối ƣu: Q’ = 110 ml/ph =110.10-6 m3/ph
Hằng số tốc độ tạo sản phẩm tối ƣu: K = 400.10-6 l/ph = 0,024 l/h
Do phản ứng lên men tạo acid acetic đƣợc coi gần nhƣ phản ứng bậc một nên có sự tƣơng quan tỉ lệ thuận giữa tiết diện S thiết bị và lƣu lƣợng của dòng nhập liệu vào tháp lên men. Vì vậy, tiết diện thiết bị tính theo lƣu lƣợng dòng nhập liệu là:
Quy chuẩn đƣờng kính tháp d = 0,8m = 800 mm
Áp dụng phƣơng trình thiết kế fermentor cho sản phẩm của phản ứng ta có :
Trong đó: T là thời gian lƣu của dịch lên men hay thời gian lên men K là hằng số tốc độ tạo sản phẩm tối ƣu; K = 0,024 l/h Co là nồng độ acid acetic đầu vào
S’.Q 0,05.0,88 S = = = 0,4 m2 S = = = 0,4 m2 Q’ 0,11 4S 4.0,4 mà S = ¼ .π.d2 → d = = = 0,71 m π 3,14 Ci Ci 1 Ci = e(KT) hay Ln = KT → T = Ln Co Co K Co Hình 1.4 Sơ đồ thiết bị tháp lên men chính
Ci là nồng độ acid acetic đầu ra → T = 46 h
Vận tốc dòng chảy trong thùng lên men
Chiều cao thùng lên men
Quy chuẩn chiều cao tháp là L = 5m
Chọn khoảng cách giữa phần đệm và đỉnh thùng h1 = 0,5 m Chọn khoảng cách giữa phần đệm và đáy thùng h2 = 0,5 m
Lựa chọn chủng vi sinh vật lên men
Chọn giống: nhƣ đã trình bày ở phần I, giống vi khuẩn đƣợc chọn cho quá trình sản xuất acid acetic là giống Acetobacte aceti vì có nhiều ƣu điển thích hợp cho phƣơng pháp lên men nhanh: có độ bám dính cao, tạo màng mỏng tơi xốp, tích lũy và chịu đƣợc nồng độ acid cao, dễ phân lập và thích hợp với điều kiện khí hậu nhiệt độ của nƣớc ta. Nhiệt độ phát triển tối ƣu của chúng là 36 °C, với điều kiện lên men ổn định giống vi khuẩn này có thể tích lũy đƣợc 6% acid acetic.
Xử lý vật liệu đệm
Nhƣ đã trình bày ở trên, tre là vật liệu bám thích hợp để làm vật liệu bám cho màng vi khuẩn trong thiết bị lên men acid acetic. Quá trình xử lý tre gồm các bƣớc:
Tre mua về đƣợc đem tƣớc bỏ lớp vỏ láng bên ngoài và phơi thật khô. Sau đó cắt thành từng vòng Rasching có kích thƣớc:
Đƣờng kính ngoài dn = 25-30 mm Bề dày khoanh tre l = 3-5 mm Chiều cao h = 25-30 mm Thể tích tự do ε = 0,7 m3/m3 Khối lƣợng riêng ρ = 350 kg/m3 π.d2 4.Q 4.880.10-6 Q = S.u = .u → u = = = 1,75.10-3 m/ph 4 π.d2 3,14.0,82 Q.T Q.T 0,0525.46 L = = = = 4,8 m S ¼.π.d2 0,25.3,14.0,82
Trƣớc khi cho vào tháp lên men tre phải trải qua các bƣớc xử lý sau: - Luộc và rửa nhiều lần cho đến khi nƣớc luộc trong
- Đem sấy khô ở 80 °C trong vòng 2 giờ
- Hấp bằng hơi nƣớc bão hòa (áp suất dƣ) 0,5 at trong 30 phút để tách dầu furfurol và diệt khuẩn
- Ngâm trong dung dịch acid acetic 8% để trích ly triệt để các chất gây độc.
Xác định chế độ thông khí:
Từ phƣơng trình phản ứng tổng quát:
C2H5OH + O2 = CH3COOH + H2O + 177kcal
Về lý thuyết để oxy hóa 1kg rƣợu khan cần 2,3 m3 không khí ở điều kiện tiêu chuẩn, nhƣ vậy lƣu lƣợng không khí qua mỗi tháp lên men trong một ngày là:
Vkk = ¼.260.2,3 = 150 m3/ngày ≈ 0,105 m3/ph Thể tích tự do trong lớp vật liệu đệm của thiết bị lên men là:
Vtd = ¼.π.d2.L.ε = 0,25.3,14.0,82
.5.0,7 =1,76 m3
Khi quá trình lên men diễn ra, vi khuẩn acetic sẽ oxy hóa cơ chất phản ứng sinh ra một lƣợng nhiệt đáng kể (khoảng 2420 kcal/kg rƣợu khan). Lƣợng nhiệt đó sẽ làm cho nhiệt độ của toàn bộ khối lên men cao hơn so với nhiệt độ của môi trƣờng chung quanh từ 8-10 °C. Hơn nữa, còn có sự chênh lệch nhiệt độ (khoảng 2-3 °C) giữa phần đỉnh và đáy tháp do càng về đáy tháp độ chuyển hóa càng tăng cao ( trình bày ở phần 2.5). Nhƣ vậy với hai sự chênh lệch nhiệt độ này sẽ tạo ra một áp suất khí tạo một dòng lƣu chuyển từ ngoài môi trƣờng vào đáy tháp rồi lên đỉnh tháp và thoát ra ngoài. Chính dòng khí lƣu chuyển này sẽ cung cấp đầy đủ lƣợng không khí cần thiết cho quá trình lên men. Nhƣ vậy, chỉ cần chế độ thông khí tự nhiên là đủ cung cấp lƣợng không khí cần thiết cho quá trình lên men acid acetic. Do đó, khi thiết kế xây dựng nhà xƣởng sản xuất acid acetic cần chú ý độ thoáng khí của các tháp lên men. Vị trí của nhà xƣởng phải nằm đầu các hƣớng gió để đảm bảo tốt cho quá trình thông khí tự nhiên cho các tháp lên men.
Phần đáy các tháp lên men cần thiết kế các cửa thông gió, đƣờng kính khoảng từ 8-10 cm, dạng ống nghiêng góc 30° so với phƣơng nằm ngang, dài khoảng 20 cm.
Vật liệu chế tạo thiết bị
Do thiết bị làm việc trong môi trƣờng có nồng độ acid cao nên chọn vật liệu chế tạo là thép hợp kim X18H10T có những ƣu điểm đã nêu nhƣ trên là thích hợp nhất.
Tính bề dày thiết bị
Tính bề dày thân thiết bị
Áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng trong thiết bị
P1 = ρ.g.H1 = 1000.9,81.5 = 49050 N/m2 = 0,049 N/mm2 Áp suất làm việc trong thiết bị
Pt = Pmt + P1 = 0,098 + 0,049 = 0,147 N/mm2 = 1,5at Tính bề dày tối thiểu thân theo áp suất trong
Với θ = 0,95 Hệ số bền mối hàn Bề dày tối thiểu của thiết bị
Bề dày thực của thân S = S’ + C
Trong đó: Hệ số bổ sung ăn mòn hóa học, chọn thiết bị làm việc trong 20
năm Ca = 20.0,1 = 2 mm
Bổ sung do bào mòn Cb = 0
Bổ sung do sai lệch khi chế tạo Cc = 0,5 mm Hệ số quy tròn kích thƣớc Cq =0,5 mm
→ C = 3 mm
Vậy S = 0,47 + 3 = 3,47 mm → chọn theo tiêu chuẩn S = 5 mm Kiểm tra bề dày thân
[ζ] 132 Ta có: θ = 0,95 = 853 > 50 Pt 0,147 Pt.D 0,147.800 S’ = = = 0,47 mm 2.[ζ].θ 2.132.0,95 S -Ca 5 - 2 ≤ 0,1 ↔ = 0,004 < 0,1 Dt 800
Kiểm tra áp suất tính toán bên trong thiết bị
Bề dày đáy và nắp thiết bị lên men:
Trong đó: hb là chiều cao phần lồi của đáy nắp; hb = 200 mm k = 1 là các lỗ đƣợc tăn cứng hoàn toàn
→ S’ = 2,2 mm
mà S = S’ + C = 5 mm Các thông số của bích:
Bảng 1.2. Thông số bích nối tháp lên men chính
Loại Dt Dn D Db D1 db Z h mm 800 808 930 880 850 20 24 cái 25 Khối lƣợng thiết bị Khối lƣợng thân: mt = ¼.π.(Dn – Dt ).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 - Dt).h.ρ = 0,25.3,14.(0,942 – 0,82).0,025.7900 = 38 kg Khối lƣợng của đáy và nắp thiết bị:
mđ = 2.32,6 = 65,2 Khối lƣợng toàn tháp: m = 300 +905 +38 + 65,2 = 1310 kg 2.[ζ].θ.(S – Ca) 2.132.0,95.(5 – 2) [P] = = = 0,94 N/mm2 > P : hợp lý D + (S – Ca) 800 + (5 – 2) 2 2 D.[P] D S’ = . 3,8.[ζk].k.θ – [P] 2.hb 2