CÁC CÔNG NGHỆ TÁCH NƯỚC CỦA ETHANOL
2.1.4 Chưng cất đẳng phí (Azeotropic Distillation)
Đây là phương pháp được sử dụng phổ biến trong công nghiệp. Nguyên tắc của phương pháp này là ta đưa vào ethanol công nghiệp một chất mới làm thay đổi độ bay hơi tương đối của các cấu tử trong hỗn hợp, tạo hỗn hợp đẳng phí mới gồm
ba cấu tử: cấu tử mới, nước và ethanol có nhiệt độ sôi thấp hơn hỗn hợp đẳng phí ban đầu. Nhờ vậy có thể tách nước khỏi ethanol.
Yêu cầu của chất mới thêm vào:
Có độ bay hơi lớn hơn các cấu tử trong hỗn hợp.
Tạo hỗn hợp đẳng phí với cấu tử cần tách (hoặc tạo hỗn hợp đẳng phí ba cấu tử) ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ của hỗn hợp đẳng phí ban đầu.
Không hòa tan cấu tử cần tách, dễ dàng thu hồi. Rẻ tiền, dễ kiếm.
Ở đây dùng dung môi để tách một hỗn hợp đẳng phí ethanol – nước thường là n-Heptane, Benzen hoặc Cyclohexane được gọi là Entrainer. Do n-Heptane hay cyclohexane có ưu điểm trội hơn là nó không độc hại bằng benzen khi có mặt trong sản phẩm nên vẫn được sử dụng nhiều hơn.
Hỗn hợp ethanol ‒ nước sau quá trình chưng cất thông thường chỉ đạt được nồng độ ethanol tối đa là 95.57% về khối lượng do khi đó hỗn hợp đã đạt đến trạng thái đẳng phí. Để đạt được nồng độ ethanol lớn hơn không thể tiếp tục tiến hành chưng cất thông thường nữa mà phải tiến hành chưng cất đẳng phí bằng cách thêm vào một cấu tử thứ ba (Entrainer) để phá vỡ điểm đẳng phí.
Chưng đẳng phí bằng Benzen
Để phá vỡ điểm đẳng phí của hỗn hợp ethanol ‒ nước trong quá trình chưng cất giả sử thêm vào một lượng nhỏ Benzen, và hỗn hợp này thực hiện quá trình chưng cất phân đoạn một lần nữa. Benzen tạo điểm sôi hỗn hợp cấp ba với nước và ethanol ở 64.85oC nhằm tách ethanol ra khỏi nước, và điểm sôi hỗn hợp cấp hai với ethanol nhằm tách phần lớn benzen. Tuy nhiên, một lượng rất nhỏ benzen vẫn còn lẫn trong sản phẩm vì thế việc sử dụng ethanol này với người có thể gây tổn hại cho gan và hệ trung ương thần kinh. Việc sử dụng cyclohexane cũng mang lại hiệu quả như benzen và nó không độc như benzene, nên benzen đã bị cấm sử dụng ở nhiều nước trên thế giới do tác hại gây ung thư của nó.
Hình 2.2 – Tách hỗn hợp đẳng phí ethanol ‒nước bằng Benzen
Chưng đẳng phí bằng Cyclohexane
Ethanol 10% sau quá trình lên men được đưa qua thiết bị tinh chế Mash Column và Rectification Column.
Hình 2.3 – Công nghệ chưng cất đẳng phí sử dụng Cyclohexane
Sau khi ra khỏi tháp Rectification nồng độ ethanol đạt khoảng 55% , tiếp tục được đưa vào tháp chưng cất đẳng phí sử dụng cyclohexane. Sản phẩm đỉnh được làm lạnh sau đó được ngưng tụ, cyclohexane lắng xuống phía dưới đáy và được hồi lưu về tháp chưng cất, phần còn lại ở bình lắng được đưa vào tháp hồi lưu dung môi (Recovery Column). Dung môi đi ra phía đỉnh được làm lạnh và đưa vào thiết bị lắng rồi trở về tháp chưng cất đẳng phí. Nước được đưa ra từ đáy của tháp hồi lưu dung môi với hàm lượng ethanol khoảng 100ppm. Sản phẩm đáy ở tháp chưng cất đẳng phí là ethanol gần như tuyệt đối (khoảng 99.59%).
Hình 2.4 – Sơ đồ mô phỏng công nghệ chưng đẳng phí sử dụng tác nhân Cyclohexane
* Ưu nhược điểm của công nghệ chưng cất đẳng phí
Ưu điểm:
- Là phương pháp tách hiệu quả hệ hai hay nhiều cấu tử có tạo thành điểm đẳng phí khi tiến hành chưng ở điều kiện thường.
- Với việc lựa chọn dung môi hợp lý quá trình chưng cất sẽ đơn giản dễ vận hành. Công nghệ tương đối đơn giản.
Nhược điểm:
- Bằng việc thêm vào Benzen hay Cyclohexane thì trong sản phẩm sẽ còn lại một lượng nhỏ dư của các chất này, nhưng đây là những chất rất độc hại đối với cơ thể con người (hiện tại vẫn chưa phát hiện cyclohexane có ảnh hưởng đến người).
- Tốn dung môi.
- Yêu cầu về năng lượng nhiệt cao, để làm bay hơi dung môi trong quá trình chưng cất.
- Dễ gây ô nhiễm môi trường nếu dung môi bị rò rỉ. - Giá thành sản phẩm tương đối cao