Đồ án: Tổng quan về công nghệ rượu cồn

Chia sẻ: Vo Tan Tai | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:51

Thêm vào BST

Báo xấu

141
lượt xem 36
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hầu hết các nước trên thế giới đều dùng cồn để pha chế rượu và các nhu cầu khác: y tế, nhiên liệu,... Để biết được sử dụng như thế nào và với phương pháp gì mời bạn tham khảo tài liệu này.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án: Tổng quan về công nghệ rượu cồn

LÔØI MÔÛ ÑAÀU Moät trong nhöõng ngaønh coù söï ñoùng goùp to lôùn ñeán ngaønh coâng nghieäp nöôùc ta noùi rieâng vaø theá giôùi noùi chung, ñoù laø ngaønh coâng nghieäp hoùa hoïc. Ñaëc bieät laø ngaønh hoùa chaát cô baûn. Hieän nay, trong nhieàu ngaønh saûn suaát hoùa hoïc cuõng nhö söû duïng saûn phaåm hoùa hoïc, nhu caàu söû duïng nguyeân lieäu hoaëc saûn phaåm coù ñoä tinh khieát cao phaûi phuø hôïp vôùi quy trình saûn suaát hoaëc nhu caàu söû duïng. Ngaøy nay, caùc phöông phaùp ñöôïc söû duïng ñeå naâng cao ñoä tinh khieát: trích ly, chöng caát, coâ ñaëc, haáp thu… Tuøy theo ñaëc tính yeâu caàu cuûa saûn phaåm maø ta coù söï löïa choïn phöông phaùp thích hôïp. Ñoà aùn moân hoïc Quaù trình vaø Thieát bò laø moät moân hoïc mang tính toång hôïp trong quaù trình hoïc taäp cuûa caùc kyõû sö hoaù- thöï c phaåm töông lai. Moân hoïc giuùp sinh vieân giaûi quyeát nhieäm vuï tính toaùn cuï theå veà: yeâu caàu coâng ngheä, keát caáu, giaù thaønh cuûa moät thieát bò trong saûn xuaát hoaù chaát - thöïc phaåm. Ñaây laø böôùc ñaàu tieân ñeå sinh vieân vaän duïng nhöõng kieán thöùc ñaõ hoïc cuûa nhieàu moân hoïc vaøo giaûi quyeát nhöõng vaán ñeà kyõû thuaät thöïc teá moät caùch toång hôïp. Em chaân thaønh caûm ôn caùc quí thaày coâ boä moân Maùy & Thieát Bò, caùc baïn sinh vieân ñaõ giuùp em hoaøn thaønh ñoà aùn naøy. Tuy nhieân, trong quaù trình hoaøn thaønh ñoà aùn khoâng theå khoâng coù sai soùt, em raát mong quí thaày coâ goùp yù, chæ daãn.
MUÏC LUÏC CHƯƠNG 0:PHẦN MỞ ĐẦU 0.1. ĐẶT VẤN ĐỀ……………………………………………………………………4 0.2. MỤC TIEÂU THIẾT KẾ………………………………………………………….4 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ COÂNG NGHỆ RƯỢU CỒN I.1. SƠ LƯỢC VỀ TÌNH HÌNH SẢN XUẤT CỒN VAØ NHU CAÀU SÖÛ DUÏNG Ở VIỆT NAM VAØ TREÂN THẾ GIỚI...............................................................................................5 I.2. NGUYEÂN LIỆU DUØNG TRONG SẢN XUẤT RƯỢU ......................................6 I.3. SAÛN PHAÅM COÀN TINH LUYEÄN………………………………………………7 CHƯƠNG II: CHƯNG CAÁT TINH CHEÁ COÀN ETYLIC II.1. KHAÙI NIEÄM…………………………………………………………………….9. II.2. CAÙC PHÖÔNG PHAÙP CHÖNG CAÁT………………………………………… 9 II.3. THIEÁT BÒ CHÖNG CAÁT……………………………………………………….9 II.4. SƠ ÑOÀ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN TỪ GẠO II.4.1. Sơ đñồ khối……………………………………………………………………10 II.4.2.đSô ñồ coâng nghệ……………………………………………………………….11 II.4.3 Giải thích quy trình coâng nghệ…………………………………………………12 CHÖÔNG III: CAÂN BAÈNG VAÄT CHAÁT III.1. CAÙC THOÂNG SOÁ BAN ÑAÀU…………………………………………………….15 III.2. CÔ SÔÛ LÍ THUYEÁT III.2.1 . Caân baèng pha-xeùt heä caân baèng loûng hôi heä 2 caáu töû A&B………………….15 III.2.2 . Caân baèng vaät chaát…………………………………………………………….16 III.2.3 . Caân baèng naêng löôïng…………………………………………………………18 III.3. XAÙC ÑÒNH PHAÂN MOL-PHAÂN KHOÁI LÖÔÏNG-SUAÁT LÖÔÏNG MOL CUÛA CAÙC DOØNG………………………………………………………………………………….19 III.4 . XAÙC ÑÒNH TÆ SOÁ HOAØN LÖU THÍCH HÔÏP III.4.1 . Chæ soá hoài löu toái thieåu Rm…………………………………………………20 III.4.2 . Chæ soá hoài löu thích hôïp Rth…………………………………………………..20 III.5 . PHÖÔNG TRÌNH ÑÖÔØNG LAØM VIEÄC III.5.1. Phöông trình ñöôøng noàng ñoä laøm vieäc cuûa ñoaïn caát…………………………22 III.5.2. Phöông trình ñöôøng noàng ñoä laøm vieäc cuûa ñoaïn chöng…………………….22 CHÖÔNG IV :TÍNH TOAÙN –THIEÁT KEÁ THAÙP CHÖNG CAÁT IV.1 . ÑÖÔØNG KÍNH THAÙP Dt IV.1.1 . Ñöôøng kính ñoaïn caát …………………………………………………………23 IV.1.2 . Ñöôøng kính ñoaïn chöng……………………………………………………....24 IV.2 . CHIEÀU CAO THAÙP : H=Hthaân+Hñaùy +Hnaép IV.2.1 Soá maâm lyù thuyeát Nlt…………………………………………………………25 IV.2.2 Soá maâm thực tế Ntt……………………………………………………………26 IV.2.3 Chieàu cao toaøn thaùp…………………………………………………………..26 IV.3 . MAÂM LOÃ – TRÔÛ LÖÏC CUÛA MAÂM IV.3.1 Caáu taïo maâm loã ………………………………………………………………27 IV.3.2 Beà daøy maâm ...................................................................................................29 IV.3.3 . Trở lực (ñoä giaûm aùp) cuûa pha khí qua moät maâm..........................................30 IV.3.4. Kieåm tra hoaït ñoäng cuûa maâm………………………………………………31 IV.4 . TÍNH TOAÙN CÔ KHÍ CUÛA THAÙP http://www.ebook.edu.vn 2
IV.4.1. Beà daøy thaân thaùp …………………………………………………………...33 IV.4.2. Beà daøy ñaùy vaø naép thieát bò.....................................................................34 IV.4.3. Bích gheùp thaân, ñaùy vaø naép ...................................................................34 IV.4.4. Ñöôøng kính caùc oáng daãn – Bích gheùp caùc oáng daãn ..............................35 IV.4.5. Tai treo vaø chaân ñôõ…………………………………………………….38 CHÖÔNG V : TÍNH TOAÙN THIEÁT BÒ PHUÏ V.1. THIEÁT BÒ NGÖNG TUÏ SAÛN PHAÅM ÑÆNH ................................................40 V.1.1. Suaát löôïng nöôùc caàn duøng ñeå ngöng tuï saûn phaåm ñænh..........................40 V.1.2 . Xaùc ñònh beà maët truyeàn nhieät ................................................................41 V.1.3 .Caáu taïo thieát bò ........................................................................................43 V.2 . THIEÁT BÒ LAØM NGUOÄI SAÛN PHAÅM ÑÆNH...............................................43 V.2.1 . Suaát löôïng nöôùc caàn duøng ñeå laøm nguoâi saûn phaåm ñænh .......................44 V.2.2 . Xaùc ñònh beà maët truyeàn nhieät..................................................................44 V.2.3 .Caáu taïo thieát bò..........................................................................................47 V.3 . THIEÁT BÒ ÑUN SOÂI ÑAÙY THAÙP .................................................................47 V.3.1 . Suaát löôïng hôi nöôùc caàn duøng ñeå ñun soâi saûn phaåm ñaùy.....................47 V.3.2 . Xaùc ñònh beà maët truyeàn nhieät ..............................................................47 V.3.3 .Caáu taïo thieát bò.......................................................................................49 CHÖÔNG VII: TÍNH KINH TEÁ..................................................................................50 Lôøi keát Taøi lieäu kham thaûo http://www.ebook.edu.vn 3
CHƯƠNG 0:PHẦN MỞ ĐẦU 0.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Công nghệ cồn Etylic là phương pháp và quá trình chế biến các nguyên liệu chứa tinh bột, đường, xenluloza, Etylen thành sản phẩm Etanol. Ñoái vôùi heä Etanol - Nöôùc laø 2 caáu töû tan laãn hoaøn toaøn, ta phaûi duøng phöông phaùp chöng caát ñeå naâng cao ñoä tinh khieát cho Etanol. 0.2. MỤC TIEÂU THIẾT KẾ Thiết kế daây truyền sản xuất cồn từ nguyeân liệu gạo. Thieát bò chính laø thaùp chöng caát heä Etanol - Nöôùc hoaït ñoäng lieân tuïc vôùi năng suất 100 m3/ngaøy, coù noàng ñoä 95% theå tích etanol vôùi ñoä thu hoài etanol laø 99%,duøng thaùp chưng cất loại ñĩa lỗ coù ống chảy chuyền. http://www.ebook.edu.vn 4
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ COÂNG NGHỆ RƯỢU CỒN I.1. SƠ LƯỢC VỀ TÌNH HÌNH SẢN XUẤT CỒN VAØ NHU CAÀU SÖÛ DUÏNG Ở VIỆT NAM VAØ TREÂN THẾ GIỚI Hầu hết các nước trên thế giới đều dùng cồn để pha chế rượu và cho các nhu cầu khác như: y tế, nhiên liệu và nguyên liệu cho các ngành công nghiệp khác. Tuỳ theo tình hình phát triển của mỗi nước, tỷ lệ cồn dùng trong các ngành rất đa dạng và khác nhau. ở các nước có nền công nghiệp rượu vang phát triển như Italia, Pháp, Tây ban nha… cồn được dùng để tăng thêm nồng độ rượu. Một lượng khá lớn cồn được dùng để pha chế các loại rượu mạnh, cao độ như Whisky, Martin, Brandy, Napoleon, Rhum…. Rượu và các đồ uống có rượu chiếm một vị trí đáng kể trong công nghiệp thực phẩm. Chúng rất đa dạng tuỳ theo truyền thống và thị hiếu của người tiêu dùng mà các nhà sản xuất làm ra nhiều loại rượu mang tên khác nhau. Tuy nhiên có thể chia thành 3 loại chính: rượu mạnh có nồng độ trên 30% V, rượu thông thường có nồng độ từ 15 đến 30 % V, và rượu nhẹ có nồng độ dưới 15% V. Ở nước ta, nghề nấu rượu thủ công đã có từ ngàn xưa và chưa có tài liệu nào cho biết chính xác có từ khi nào. ở miền núi, đồng bào các dân tộc dùng gạo, ngô, khoai, sắn, nấu chín rồi cho lên men, men này được lấy từ một số lá cây hoặc được nuôi cấy thuần khiết hơn. Sản phẩm nổi tiếng là rượu cần. ở đồng bằng, nhân dân biết nuôi cấy và phát triển nấm mốc, nấm men trong thiên nhiên trên môi trường thích hợp, gạo và các nguyên liệu khác nhau có chứa tinh bột đã được nấu chín. Đó gọi là men thuốc bắc. Sau đó một loạt các nhà máy sản xuất rượu từ nguyên liệu tinh bột được thành lập như ở Hà Nội, Nam Định, Hải Dương,… Sau này có xây dựng thêm một số nhà máy sản xuất cồn rượu từ mật rỉ tận dụng mật rỉ của các nhà máy đường. Trước tình hình đó. Trong hội thảo “Dự án chiến lược phát triển khoa học công nghệ ngành rượu bia nước giải khát “,theo đề nghị của các chuyên gia đến năm 2005 nước ta nên có khoảng 180 đến 200 triệu lít rượu các loại, tương đương khoảng 50 triệu lít cồn tinh khiết. Trong đó cồn từ nguyên liệu tinh bột chiếm 30-40 %, số còn lại là cồn từ rỉ đường. Cồn tinh bột trước mắt do nhà máy rượu Bình Tây, Hà Nội và Thanh Ba đảm nhiệm nhưng cần hoàn chỉnh công nghệ và thiết bị để có thể sử dụng hết năng suất thiết kế. Đồng thời xây dựng thêm một số nhà máy rượu rỉ đường ở những nơi có mật rỉ. Nếu không làm sẽ dẫn đến lãng phí lượng rỉ do các nhà máy đường thải ra. Song song với sản xuất các loại rượu uống chúng ta cần nhanh chóng triển khai sản xuất acid axetic, acid xitric từ rỉ đường để cung cấp cho nhu cầu của ngành cao su và các ngành kinh tế khác. Trước mắt có thể phối hợp với chương trình năng lượng nghiên cứu sử dụng cồn vào mục đích thay thế chất đốt. Điều này sẽ vô cùng có lợi vì cồn cháy sẽ ít ảnh hưởng đến môi trường như dầu hoả, lại hạn chế được cả tình trạng phá rừng lấy củi đốt. Chúng ta cần đổi mới quan niệm “cồn chỉ để pha rượu uống “. Trong tương lai không xa nữa, chắc chắn rằng cồn ở nước ta cũng trở thành nguyên liệu cho nhiều ngành sản xuất khác như nhiều nước đã và đang làm. Tuỳ theo nồng độ rượu và mức độ làm sạch tạp chất mà người ta chia cồn thành 2 loại với các chỉ tiêu chất lượng như sau: http://www.ebook.edu.vn 5
Bảng 2.1 – Phân loại cồn theo TCVN – 71 Chỉ tiêu chất lượng Cồn loại I Cồn loại II Nồng độ rượu Etylic, %V ≥ 96 95 Hàm lượng aldehyt tính theo Aldehytaxetic, mg/l 8 20 Hàm lượng este tính theo Axetat etyl, mg/l ≤ 30 50 Hàm lượng dầu fusel tính theo alcol izoamylic và izobutylic 30 60 với hỗn hợp 3:1, mg/l Hàm lượng Metanol, %V 0, 006 0,1 Hàm lượng axit tính theo axit axetic, mg/l 9 18 Không được Không được Hàm lượng furfurol có có Thời gian oxy hoá, phút 25 20 Màu sắc Trong suốt, không màu I.2. NGUYEÂN LIỆU DUØNG TRONG SẢN XUẤT RƯỢU Ethanol coù thể ñược sản xuất bằng phương phaùp hoùa học hoặc sinh học.Hiện nay treân thế giới ,ethanol chủ yếu ñược sản xuất bằng phương phaùp sinh học.Trong phương phaùp naøy người ta coù thể sử dụng những nguồn sau ñaây: Nguyeân liệu chứa tinh bột gồm coù: +Caùc loại ngũ cốc như gạo, bắp, luùa mạch, ñại mạch,… + Caùc loại củ như khoai taây, khoai mì,… Nguyeân liệu chứa ñường: bao gồm saccharose dạng tinh thể hoặc dạng dung dịch, nước mía, dịch chiết từ củ cải ñường, caùc loại syrup glucose, maltose coù nguồn gốc từ tinh bột , mật rỉ. Nguyeân liệu chứa cellulose như baõ mía, dăm baøo, mạt cưa,… Những nguồn nguyeân liệu khaùc: huyết thanh sữa(phụ phẩm của coâng nghiệp sản xuất phoâ mai),waste sulphite-liquor(phụ phẩm của coâng nghiệp sản xuất giấy)… Ở nước ta, những nguồn nguyeân liệu chính ñược duøng ñể sản xuất ethanol laø gạo,khoai mì vaø mật rỉ từ mía. Trong ñồ aùn naøy giới thiệu qui trình sản xuất ethanol từ gạo. Gạo(Oryza sativa): hạt gạo gồm coù 3 thaønh phần chính laø nội nhũ (chiếm 93% trọng lượng hạt), mầm (4%) vaø lớp vỏ caùm (3%). Haøm lượng caùc hợp chất hoùa học trong caùc thaønh phần treân ñược trình baøy trong bảng sau: Tinh Caùc hợp chất bột Protein Chất beùo Chất xơ Khoaùng Caùc chất khaùc Nội nhũ 90,2 7,8 0,5 0,4 0,6 0,4 Maàm 2,4 20,2 21,6 3,5 7,9 44,4 Lớp vỏ cám 16 15,2 20,1 10,7 9,6 28,4 -Tinh bột laø thaønh phần quan trọng nhất trong gạo ñể sản xuất ethanol. Haøm lượng tinh bột trong gạo caøng cao thì hiệt suất thu hồi sản phẩm sẽ caøng cao.Tinh bột gạo gồm coù amylose (15-35%) vaø amylopectin (65-85%). Trong nội nhũ, tinh bột ở dạng hạt vời kích thước trung bình 3-8μm. Caùc hạt tinh bột gạo coù cấu truùc rất chặt chẽ. Ñaây laø lí do khiến cho nhiệt ñộ hồ hoùa của tinh bột gạo (61-78oC) cao hơn so với caùc loại tinh bột khaùc. http://www.ebook.edu.vn 6
-Thaønh phần protein trong hạt gạo gồm: albumin 5%; globulin 10%; prolamin (oryzin) 5% vaø glutelin (oryzenin) 80%. Phần lớn caùc protein naøy khoâng hoøa tan ñược vaøo moâi trường leân men. Chế phẩm enzyme thủy phaân tinh bột: - Chế phẩm α-amylase chịu nhiệt: ñược sản xuất từ vi khuẩn Bacillus lichemiformis hoặc Bacillus stearothermophilus. Nhiệt ñộ tối ưu của chuùng laø 90-95oC. Khi gia nhiệt ñến 105oC, enzyme vẫn khoâng bị voâ hoạt hoøan toøan. Enzyme naøy xuùc taùc thủy phaân lieân kết α- 1,4 glycoside ở giữa mạch phaân tử tinh bột ñể laøm giảm ñộ nhớt của khối chaùo trong giai ñoạn hồ hoùa vaø dịch hoùa tinh bột. - Chế phẩm glucoamylase: ñược thu nhận từ caùc loaøi thuộc giống Aspergillus. Rhizopus. Endomycopsis, Endomyces… Nhiệt ñộ tối ưu laø 45-65oC. Enzyme naøy xuùc taùc thủy phaâân lieân kết α-1,4 glycoside từ ñầu khoâng khử caùc mạch phaân tử tinh bột ñể tạo sản phẩm glucose. Nước : -Nước coâng nghệ ñược sử dụng trong hai giai ñoạn : thủy phaâân tinh bột trong gạo vaø hiệu chỉnh nồng ñộ chất khoâ của môi trường trước khi leân men. Theo Marintrenko vaø cộng sự (1981) thì ñộ cứng của nước khoâng vượt quaù 7mg ñương lượng/ lít. Giống vi sinh vật : -Treân thế giới, coù hai loaøi vi sinh vật ñược duøng ñể leân men ethanol trong sản xuất coâng nghiệp: nấm men Saccharomyces cereviside vaø vi khuẩn Zymomonas mobilis. -Ưu ñiểm của vi khuẩn laø coù thể thực hiện quaù trình leân men trong moâi trường coù nồng ñộ glucose rất cao (40%). Ngoaøi ra, vi khuẩn coù tốc ñộ sinh trưởng rieâng, tốc ñộ sử dụng cơ chất vaø sinh tổng hợp sản phẩm cũng cao hơn so với nấm men. ÔÛ nước ta, nấm men laø vi sinh vật truyền thống ñược sử dụng ñể leân men ethanol. Hiện nay, caùc nhaø maùy ở Việt Nam vẫn ñang sử dụng nấm men ñể sản xuất ethanol. -Theo lí thuyết, cứ 100g ñường glucose ñược leân men thì sẽ tạo ra 51 g ethanol. Tuy nhieân,hiệu suất chuyển hoùa glucose thaønh ethanol trong thực tế khoâng thể vượt quaù 90-95% so với giaù trị lí thuyết. Caùc nguyeân liệu phụ khaùc : -Caùc hợp chất dinh dưỡng cho nấm men : do haøm lượng caùc chaát nitô trong gaïo raát thaáp vaø phaàn lôùn khoâng hoøa tan ñöôïc vaøo moâi tröôøng leân men neân vieäc boå sung theâm caùc hôïp chaát nitô vaøo moâi tröôøng laø raát caàn thieát. Caùc hôïp chaát nitô thöôøng ñöôïc söû duïng laø muoái ammonium hoaëc ure. Ngoaøi ra ca1cv nhaø saûn xuaát coøn boå sung phosphore vaø caùc hôïp chaát vi löôïng(laø chaát chieát naám men hoaëc dòch chieát töø maàm nguõ coác) cho naám men ñeå söû duïng cho quaù trình leân men ethanol . -Chất chỉnh pH : thường sử dụng acid voâ cơ như HCl, H2SO4,... -CaCl2 :xuùc taùc sử dụng trong quùa trình thủy phaân tinh bột ñể ổn ñịnh hoạt tính của enzyme α-amylase I.3. SAÛN PHAÅM COÀN TINH LUYEÄN Chất lượng của cồn tinh luyện được đánh giá thoâng qua hai nhoùm chỉ tieâu: cảm quan & -Chỉ tieâu cảm quan +Trạng thaùi: chất lỏng trong suốt +Maøu sắc: khoâng maøu +Muøi: ñặc trưng của ethanol. http://www.ebook.edu.vn 7
-Chỉ tieâu hoùa lí : (tieâu chuẩn của CHLB Nga) Stt Teân chæ tieâu Đơn vị ño Mức chất lượng 1 Độ cồn %.v/v Khoâng thấp hơn 96,5 2 Aldehyde (tính theo aldehydehyde acetic) mg/L Khoâng lớn hơn 2 3 Rượu cao phaân tử mg/L Khoâng lớn hơn 25 4 Ester (tính theo ethyl acetate) mg/L Khoâng lớn hơn 3 5 Acid tổng (trừ CO2) mg/L Khoâng lớn hơn 12 6 Methanol Khoâng phaùt hiện 7 Futurol Khoâng phaùt hiện Cồn tinh luyện ñược bảo quản trong thiết bị kín bằng theùp khoâng rỉ. Thiết bị ñược ñặt nơi thoùang maùt. Để hạn chế sự tổn thaát rượu trong quaù trình bảo quản, caùc nhaø sản xuất thường sử dụng một dụng cụ ñược gọi laø bẫy rượu vaø ñược lắp ñặt tại ñỉnh của caùc thiết bị chứa sản phẩm. http://www.ebook.edu.vn 8
CHƯƠNG II: CHƯNG CAÁT TINH CHEÁ COÀN ETYLIC II.1. KHAÙI NIEÄM Chưng là quá trình tách hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt bằng cách đun sôi hỗn hợp,tách hơi tạo thành để ngưng tụ.-cơ sở của quá trình chưng là dựa vào dộ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Chưng luyện là quá trình phân tách hổn hợp lỏng xảy ra ở nhiều bậc;lặp lại quá trình bay hơi và ngưng tụ riêng phần; các hỗn hợp được phân tách trên bề mặt tiếp xúc pha. II.2. CAÙC PHÖÔNG PHAÙP CHÖNG CAÁT Phaân loaïi theo aùp suaát laøm vieäc - AÙp suaát thaáp: dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hoặc có nhiệt độ sôi quá cao. - AÙp suaát thöôøng: hay đñược sử dụng (chưng rượu,acid,dầu mỏ,…) - AÙp suaát cao: khi hỗn hợp không hóa lỏng ở nhiệt độ thường (sản xuất O2, N2 từ không khí) Phaân loaïi theo nguyeân lyù laøm vieäc - Chöng caát ñôn giaûn - Chöng baèng hôi nöôùc tröïc tieáp - Chöng caát ña caáu töû Phaân loaïi theo phöông phaùp caáp nhieät ôû ñaùy thaùp - Caáp nhieät tröïc tieáp - Caáp nhieät giaùn tieáp Vaäy ñoái vôùi heä ethanol - nöôùc, ta neân choïn phöông phaùp chöng caát lieân tuïc caáp nhieät giaùn tieáp. II.3. THIEÁT BÒ CHÖNG CAÁT -Gồm 2 đđoạn: Đoạn cất:từ vị trí nhập liệu leân ñỉnh; qui trình xảy ra nhằm làm ăng nồng độ cấu tử dễ bay hơi. Đoan chưng: từ vị trí nhập liệu xuống đáy; quá trình xảy ra nhằm làm tang nồng độ cấu tử khó bay hơi. Trong saûn xuaát thöôøng duøng nhieàu loaïi thieát bò khaùc nhau ñeå tieán haønh chöng caát. Tuy nhieân yeâu caàu cô baûn chung cuûa caùc thieát bò vaãn gioáng nhau nghóa laø dieän tích beà maët tieáp xuùc pha phaûi lôùn, ñieàu naøy phuï thuoäc vaøo möùc ñoä phaân taùn cuûa moät löu chaát naøy vaøo löu chaát kia. Neáu pha khí phaân taùn vaøo pha loûng ta coù caùc loaïi thaùp maâm, neáu pha loûng phaân taùn vaøo pha khí ta coù thaùp cheâm, thaùp phun,… ÔÛ ñaây ta khaûo saùt 2 loaïi thöôøng duøng laø thaùp maâm vaø thaùp cheâm. - Thaùp maâm: thaân thaùp hình truï, thaúng ñöùng phía trong coù gaén caùc maâm coù caáu taïo gioáng nhau, treân ñoù pha loûng vaø pha hôi ñöôïc cho tieáp xuùc vôùi nhau. Tuøy theo caáu taïo cuûa ñóa, ta coù: - Thaùp maâm choùp : treân maâm boá trí coù choùp daïng troøn, xupap, chöõ s… - Thaùp maâm xuyeân loã: treân maâm coù nhieàu loã hay raõnh - Thaùp cheâm (thaùp ñeäm): thaùp hình truï, goàm nhieàu baäc noái vôùi nhau baèng maët bích hay haøn. Vaät cheâm ñöôïc cho vaøo thaùp theo moät trong hai phöông phaùp: xeáp ngaãu nhieân hay xeáp thöù töï. So saùnh öu nhöôïc ñieåm cuûa caùc loaïi thaùp: http://www.ebook.edu.vn 9
Thaùp cheâm Thaùp maâm xuyeân loã Thaùp maâm choùp - Caáu taïo khaù ñôn giaûn. - Trôû löïc töông ñoái thaáp. - Khaù oån ñònh. Öu - Trôû löïc thaáp. - Hieäu suaát khaù cao. - Hieäu suaát cao. ñieåm - Laøm vieäc ñöôïc vôùi chaát loûng baån. - Do coù hieäu öùng thaønh neân hieäu suaát - Khoâng laøm vieäc ñöôïc vôùi - Coù trôû löïc lôùn. truyeàn khoái thaáp. chaát loûng baån. - Tieâu toán nhieàu Nhöôïc - Ñoä oån ñònh thaáp, khoù vaän haønh. - Keát caáu khaù phöùc taïp. vaät tö, keát caáu ñieåm - Khoù taêng naêng suaát. phöùc taïp. - Thieát bò khaù naëng neà. Trong baùo caùo naøy ta söû duïng thaùp maâm xuyeân loã ñeå chöng caát heä ethanol - nöôùc. THÁP ĐĨA LỖ CÓ ỐNG CHẢY TRUYỀN Ưu điểm : chế tạo đơn giản , vệ sinh dễ dàng , trở lực thấp hơn tháp chóp , ít tốn kim loại hơn tháp chóp ,sự tiếp xúc giữa 2 pha lỏng –khí là khá tốt nên có độ chuyển hóa tốt Nhược điểm :yêu cầu lắp đặt cao : mâm lắp phải rất phẳng , đối với những tháp có đường kính quá lớn (>2.4m) ít dùng mâm xuyên lỗ vì khi đó chất lỏng phân phối không đều trên mâm;phải điều khiển tốc độ của dòng khí sao cho đĩa làm việc ở chế độ tốt nhất (nghĩa là lớp chất lỏng trên đĩa không còn mà chỉ còn bột linh động và xoáy) II.4. SƠ ÑOÀ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN TỪ GẠO II.4.1. Sơ ñồ khối Gao Tách tạp chất Tạp chất Nghiền Chế phẩm amylase Nước Thủy phân tinh bột Chất chỉnh pH. CaCl2 Làm nguội Hợp chất chứa N P, chất vi lượng Chuẩn bị môi trường Nấm men Nhân Cấy giống iố Lên men Hèm Chưng cất và tinh luyện 1 số chất dễ bay ấ hơi Ethanol tinh luyện http://www.ebook.edu.vn 10
II.4.2. Sô ñồ coâng nghệ http://www.ebook.edu.vn 11
II.4.3 Giải thích quy trình coâng nghệ II.4.3.1 Tách tạp chất: Mục đích công nghệ: chuẩn bị. Gạo có thể bị lẫn các tạp chất, đáng chú ý nhất là các tạp chất kim loại. Chúng sẽ ảnh hưởng đến thiết bị nghiền. Do đó việc tách kim loại trước khi nghiền gạo là rất cần thiết. Các biến đổi của nguyên liệu Tách từ là một quá trình phân riêng nhằm loại bỏ các tạp chất từ tính ra khỏi gạo. Quá trình này không gây ra những biến đổi hóa học trong hạt nguyên liệu. Nguyên lí hoạt động của thiết bị tách từ dạng thùng quay: Phần chính của thiết bị là bộ phận điện từ sẽ tạo ra từ trường nhờ dòng điện. Thùng quay được làm bằng nhôm hoặc đồng thau sẽ quay xung quanh bộ phận điện từ .Gạo từ phễu nạp liệu sẽ rơi xuống thùng quay.Các tạp chất từ sẽ bám vào thùng quay .Gạo đã được làm sạch sẽ thoát ra ngoài . II.4.3.2 Nghiền gạo Mục đích công nghệ: chuẩn bị. Việc nghiền gạo sẽ giúp cho quá trình thủy phân tinh bột tiếp theo diễn ra nhanh và đạt hiệu suất cao. Các biến đổi của nguyên liệu Biến đổi quan trọng nhất trong quá trình nghiền là giảm kich thước hạt gạo. Ngoài ra, nhiệt độ của nguyên liệu sẽ tăng do xuất hiện sự ma sát. Thiết bị Các nhà sản xuất có thể sử dụng thiết bị nghiền búa hoặc thiết bị nghiền dĩa. Kích thước hạt sau quá trình nghiền càng mịn thì quá trình thủy phân tinh bột sẽ diễn ra càng dễ dàng nhưng chi phí năng lượng cho quà trình nghiền sẽ gia tăng. II.4.3.3 Thủy phân tinh bột Mục đích công nghệ: khai thác. Các biến đổi của nguyên liệu Quá trình thủy phân tinh bột thành đường bao gồm ba giai đoạn: hồ hóa, dich hóa và đường hóa. Vật lý và hóa lý: trong giai đoạn hồ hóa, hạt tinh bột sẽ hút nước, thể tích hạt tăng,độ nhớt của hỗn hợp cũng tăng lên. Trong giai đoạn dịch hóa, cấu trúc hạt tinh bột bị phá vỡ và giải phóng ra các sợi amylase, amylopectin dạng tự do,độ nhớt của hỗn hợp sẽ giảm xuống. Hóa học và hóa sinh: nhờ xúc tác của hệ amylase, tinh bột sẽ bị thủy phân thành đường glucose, maltose, maltotriose và một số oligosaccharide khác. Ngoài ra, nếu chúng ta dịch hóa ở nhiệt độ cao phản ứng Maillard sẽ xảy ra, một phần đường sẽ bị phân hủy tạo nên các hợp chất làm cho dịch thủy phân bị sậm màu. Hiện nay có rất nhiều quy trình thủy phân tinh bột thành đường. Trong phần tiếp theo, chúng tôi sẽ giới thiệu quy trình sử dụng phương pháp xử lý nguyên liệu ở nhiệt độ cao và áp suất cao. Đầu tiên, trong thiết bị phối trộn, người ta sẽ trộn bột gạo với nước để tạo huyền phù có nồng độ chất khô là 30-35%, sau đó chỉnh pH về 4,5. Tiếp theo, bơm hỗn hợp vào thiết bị hồ hóa-dịch hóa và cho hơi vào để nhiệt độ hỗn hợp đạt 150-1600C (sử dụng phương pháp gia nhiệt trực tiếp). Giữ hỗn hợp ở nhiệt độ nói trên trong thời gian 4-8 phút. Sau đó, tháo hỗn hợp ra khỏi thiết bị hồ hóa-dịch hóa để đưa qua thiết bị làm nguội dạng ống lồng ống. Rời thiết bị làm nguội, hỗn hợp có nhiệt độ là 95-980C và được đưa vào thiết bị đường hóa. Người ta sẽ bổ sung CaCl2 vào thiết bị và chỉnh pH hỗn hợp về 5,6-6,2, sau đó bổ sung chế phẩm alpha-amylase chịu nhiệt vào. Thời gian phản ứng kéo dài 30 phút. Cuối cùng, hạ nhiệt độ hỗn hợp trong thiết bị đường hóa về 55-600C, chỉnh pH và bổ sung chế phẩm glucoamylase vào. Quá trình đường hóa sẽ kết thúc khi dịch thủy phân không làm biến màu dung dịch I2 0,02N. II.4.3.4 Làm nguội, chuẩn bị môi trường lên men và cấy giống Mục đích công nghệ: chuẩn bị. Các biến đổi của nguyên liệu http://www.ebook.edu.vn 12
Trong quá trình làm nguội xảy ra các biến đổi vật lý như sự giảm nhiệt độ của dịch thủy phân; sự thay đổi tỷ trọng, độ nhớt. Trong quá trình chuẩn bị môi trường lên men, thành phần hóa học của hỗn hợp ssẽ thay đổi do dịch đường được bổ sung một số thành phần dinh dưỡng cho nấm men. Trong quá trình cấy giống, mật độ vi sinh vật trong môi trường sẽ gia tăng. Thiết bị và thông số công nghệ Quá trình làm nguội được thực hiện trên thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống. Quá trình chuẩn bị môi trường được thực hiện trong thiết bị hình trụ đứng, bên trong có cánh khuấy. Các bước thực hiện như sau: +Bổ sung thêm nước để pha loãng dịch thủy phân về nồng độ đường thích hợp cho giống nấm men sử dụng cho quá trình lên men. +Bổ sung các chất dinh dưỡng cho nấm men (các chất dinh dưỡng đã được chuẩn bị sẵn ở dạng dung dịch). +Chỉnh pH môi trường về giá trị tối thích cho giống nấm men sử dụng. -Môi trường đã chuẩn bị xong sẽ được bơm vào thiết bị lên men. Trên đường ống dẫn môi trường vào thiết bị lên men, người ta sẽ bơm huyền phù nấm men vào. Cần tính toán lưu lượng của bơm môi trường và bơm huyền phù nấm men sao cho các tế bào giống được phân bố đều trong môi trường lên men. Tỷ lệ giống cấy thường là 8-10% v/v. II.4.3.5 Lên men ethanol Mục đích công nghệ: khai thác. Các biến đổi của nguyên liệu -Sinh học: xảy ra sự trao đổi chất và sự sinh trưởng của nấm men giống. -Hóa sinh và hóa học: + Đường lên men sẽ được chuyển hóa thành ethanol và khí carbon dioxide. + Hình thành hàng trăm hợp chất hóa học khác nhau là những sản phẩm trung gian và sản phẩm phụ của quá trình lên men rượu. Chúng được chia thành bốn nhóm chính: aldehyde và ketone (nhiều nhất là aldehyde acetic), rượu (đáng chú ý nhất là methanol và dầu fusel với thành phần gồm có propanol, butanol và pentanol), acid hữu cơ và ester (chiếm hàm lượng cao nhất là ethyl acetate). -Vật lý: nhiệt độ canh trường sẽ tăng lên do một phần năng lượng từ quá trình trao đổi chất của nấm men được thải ra ngoài dưới dạng nhiệt năng. -Hóa lý: một phần khí carbon dioxide được nấm men sinh ra sẽ hòa tan vào canh trường, một số hợp chất keo bị kết tủa do sự thay đổi pH. Thiết bị và thông số công nghệ: Quá trình lên men ethanol có thể được thực hiện theo phương pháp chu kỳ hoặc liên tục. Ơû một số nước trên thế giới, người ta đã áp dụng thành công phương pháp lên men ethanol liên tục, sử dụng nấm men hoặc vi khuẩn cố định trên các chất mang vô cơ hoặc hữu cơ. Phương pháp này làm tăng năng suất sản xuất của nhà máy do tốc độ lên men và hiệu suất sinh tổng hợp rượu gia tăng. Tại Việt Nam, hiện nay các nhà máy sản xuất rượu vẫn sử dụng phương pháp lên men chu kỳ là chủ yếu. Tùy theo khả năng chịu áp lực thẩm thấu và chịu cồn của giống nấm men mà nồng độ chất khô ban đầu của môi trường lên men sẽ thay đổi, nó thường nằm trong khoảng 16-26%. Nhiệt độ lên men là 28-300C. Thời gian lên men dao động trong khoảng 24-60 giờ. Khi quá trình lên men kết thúc, chúng ta sẽ thu được dấm chính. Nồng độ ethanol trong dấm chín thường dao động trong khoảng 8-13%. II.4.3.6 Chưng cất và tinh luyện Mục đích công nghệ: khai thác và hoàn thiện. Dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, Marintrenko và cộng sự (1981) đã chia các tạp chất dễ bay hơi trong dịch dấm chín thành bốn nhóm: đầu, đuôi, giữa và cuối. -Tạp chất đầu gồm các cấu tử dễ bay hơi hơn ethanol dù ở bất kỳ nồng độ nào. Ví dụ điển hình cho nhóm tạp chất đầu là aldehyde acetic và ethyl acetate. -Tạp chất đuôi bao gồm các cấu tử khó bay hơi hơn ethanol. Ví dụ như acid acetic và fufurol. -Tạp chất giữa bao gồm một số cấu tử với tính chất rất đặc biệt: Khi nồng độ ethanol tăng cao, chúng sẽ khó bay hơi hơn ethanol; ngược lại, khi nồng độ ethanol thấp thì chúng sẽ dễ bay hơi hơn ethanol; và ở một giá trị nồng độ ethanol xác định thì độ bay hơi của tạp chất http://www.ebook.edu.vn 13
giữa và của ethanol là xấp xỉ nhau. Nhóm tạp chất giữa gồm có rượu isoamylic, isobutanol, propanol, pentylisovalerate, pentylacetate, ethyl isovalerate… -Tạp chất cuối bao gồm một số cấu tử với tính chất trái ngược với nhóm tạp chất giữa. Khi nồng độ ethanol tăng cao, các tạp chất cuối dễ bay hơi hơn ethanol; còn khi nồng độ ethanol thấp thì chúng lại khó bay hơi hơn ethanol. Ví dụ điển hình của tạp chất cuối là methanol. Trong quá trình chưng cất và tinh chế, các nhà sản xuất cần tách cồn ra khỏi dịch dấm chín, đồng thời tách tiếp các tạp chất nói trên ra khỏi cồn thô để thu được sản phẩm là cồn tinh luyện. Các biến đổi của nguyên liệu Trong quá trình chưng cất xảy ra chủ yếu là những biến đổi hóa lý. Các hợp chất dễ bay hơi trong dịch dấm chín sẽ chuyển sang trạng thái hơi, sau đó sẽ được phân tách và ngưng tụ để chuyển về dạng lỏng. Ngoài ra, trong dịch dấm chín còn xảy ra nhiều phản ứng hóa học khác nhau như phản ứng oxy hóa các aldehyde, phản ứng Maillard giữa đường khử sót và acid amin, phản ứng ester hóa giữa rượu và acid, phản ứng phân hủy đường, phản ứng desamin hóa các acid amin… Thiết bị Hiện nay, các nhà máy sản xuất cồn thường kết hợp thực hiện đồng thời hai quá trình: chưng cất và tinh luyện trên cùng một hệ thống thiết bị hoạt động theo phương pháp liên tục. Các hệ thống thiết bị chưng cất và tinh luyện có thể hoạt động theo những nguyên lý khác nhau. Nguyên lí : Dịch dấm chín sẽ được đưa vào tháp chưng cất và chảy từ trên xuống, hơi nước sẽ được nạp vào tháp từ dưới lên. Phần hơi của ethanol và các tạp chất sẽ thoát ra khỏi tháp chưng cất để đi vào bộ phận ngưng tụ . Dịch ngưng tụ sẽ được đưa tiếp vào tháp aldehyde ,để tách nhóm tạp chất đầu, sau đó sẽ đi vào tháp tinh luyện .Cuối cùng, người ta sẽ thu được cồn tinh luyện và dầu fusel (hỗn hợp rượu cao phân tử). Phần bã hèm sẽ được lấy ra từ phía đáy tháp chưng cất ,còn nước thải sẽ được thoát ra từ đáy tháp tinh luyện. http://www.ebook.edu.vn 14
CHÖÔNG III: CAÂN BAÈNG VAÄT CHAÁT III.1. CAÙC THOÂNG SOÁ BAN ÑAÀU -Choïn loaïi thaùp laø thaùp maâm xuyeân loã coù oáng chaûy traøn. Thieát bò hoaït ñoäng lieân tuïc. - Khi chöng luyeân dung dòch ethanol thì caáu töû deã bay hôi laø ethanol. • Noàng ñoä nhaäp lieäu : xF = 40%mol ethanol. • Noàng ñoä saûn phaåm ñænh : 95%theå tích ethanol . • Naêng suaát saûn phaåm ñænh thu ñöôïc :V D = 100 (m3/ngaøy) . • Tyû leä thu hoài etanol : η= 99%. • Khoái löôïng phaân töû cuûa röôïu vaø nöôùc : MR =46 (Kg/kmol) , MN =18 (Kg/kmol) • Choïn : + Nhieät ñoä saûn phaåm ñænh sau khi laøm nguoäi : t’D =35oC . + Nhieät ñoä saûn phaåm ñaùy sau khi trao ñoåi nhieät : t’W = 35oC . + Nhieät ñoä doøng nöôùc laïnh ñi vaøo ( TBNT+TB laøm nguoäi saûn phaåm): tnV = 28oC + Nhieät ñoä doøng nöôùc laïnh ñi ra (TBNT+TB laøm nguoäi saûn phaåm) :tnR = 40oC (do tính caùc thieát bò laøm nguoäi baèng nöôùc thì nhieät ñoä cuoái cuûa nöôùc khoâng ñöôïc quaù 40-50 ñoä,vì neáu nhieät ñoä cao hôn thì caùc muoái deã keát tuûa vaø ñoùng caën treân beà maët truyeàn nhieät) +Traïng thaùi nhaäp lieäu laø traïng thaùi loûng soâi . • Caùc kí hieäu : + F , F : suaát löôïng nhaäp lieäu tính theo Kg/h , Kmol/h . + D , D : suaát löôïng saûn phaåm ñænh tính theo Kg/h , Kmol/h . + W ,W : suaát löôïng saûn phaåm ñaùy tính theo Kg/h , Kmol/h . + xi , xi : phaân mol,phaân khoái löôïng cuûa caáu töû deã bay hôi trong pha loûng cuûa hoãn hôïp i . + yi , yi : phaân mol , phaân khoái löôïng cuûa caáu töû deã bay hôi trong pha hôi cuûa hoãn hôïp i . • Giaû thieát: + Thieát bò ngöng tuï hoài löu chæ ngöng tuï hoaøn toaøn hôi thaønh loûng ôû nhieät ñoä soâi: y1=yD ;xD=xLo + Thieát bò ñun soâi ñaùy thaùp khoâng laøm thay ñoåi thaønh phaàn cuûa hoãn hôïp: yW=xW + Nguyeân lieäu ñöôïc ñua vaøo thaùp ôû nhieät ñoä soâi : tF=tS + Khoâng coù maát maùc nhieät ; Qm = 0 + Theo qui taéc Trutol : aån nhieät hoùa hôi theo mol cuûa caùc chaát höõu cô laø baèng nhau: rR= rN III.2. CÔ SÔÛ LÍ THUYEÁT III.2.1 . Caân baèng pha-xeùt heä caân baèng loûng hôi heä 2 caáu töû A&B Cơ sở xaây dựng ñường caân bằng: Định luật Raoult: Pi=Pio . xi (1) o o o o P= PA . xA + PB . xB = PA . xA + PB .(1-xA) (2) * Định luật Daton: Pi=P . yi (3) PA PAo .x A yA*= = (4) P P P o PA .x A α .x A yA*= A = o = (5) P PA .x A + PB (1 − x A ) 1 + (1 − α ) x A o trong ñoù: http://www.ebook.edu.vn 15
• P: aùp suaát toång cuûa heä • PA,PB :aùp suaát rieâng phaàn • PAo ,PBo :aùp suaát hôi baõo hoøa cuûa A,B nguyeân chaát • xi .yi :noàng ñoä phaàn mol cuûa caáu töû deã bay hôi trong pha loûng,khí • y* : phaân mol cuûa röôïu trong pha hôi caân baèng vôùi pha loûng. Po • α= Ao : ñộ bay hơi tương ñối PB hệ athanol-nước: hệ thực coù sai lệch dương tạo hỗn hợp ñẳng phí tại 89,4%mol,soâi 78,15 oC Hoãn hôïp Etanol – Nöôùc: Ta coù baûng thaønh phaàn loûng (x) – hôi (y) vaø nhieät ñoä soâi cuûa hoãn hôïp Etanol - Nöôùc ôû 760 mmHg: x(%phaân 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 mol) y(%phaân 0 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100 mol) t(oC) 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4 y(%mol) Heä Etanol -Nöôùc 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 x(%mol) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 III.2.2 . Caân baèng vaät chaát -Sô ñoà CBVC thaùp chöng luyeän heä 2 caáu töû: http://www.ebook.edu.vn 16
GD : löu löôïng hôi ñi leân ôû ñænh thaùp(Kmol/h). G : löôïng hôi ñi vaøo ñóa döôùi cuøng cuûa ñoaïn caát (Kmol/h). G’ : löôïng hôi ra khoûi ñóa treân cuøng cuûa ñoaïn chöng (Kmol/h) GW : löôïng hôi ñi vaøo ôû ñaùy thaùp (Kmol/h) L0 :löu löôïng doøng loûng hoài löu (kmol/h) L : löôïng loûng ra khoûi ñoaïn caát(Kmol/h) L’: löôïng loûng ñi vaøo ñoaïn chöng (Kmol/h) LW: löôïng loûng ra khoûi ñóa cuoái cuøng cuûa ñoaïn chöng (Kmol/h) y :phaàn mol pha hôi trong doøng vaøo ñoaïn caát • Thieát bò ngöng tuï hoài löu L0 GD= L0+D = ( +1).D = (R+1).D (6) D Trong ñoù: R:chæ soá hoài löu (laø löôïng loûng hoài löu öùng vôùi 1 kmol saûn phaåm) L0 R= (7) D Ñoái vôùi toaøn thaùp : F=D+W (8) F.xF=D.xD+W.xW (9) F D W = = (10) xD − xW xF − xW xD − xF Ñoái vôùi ñoan caát: G=L+D (11) G.y = L.x + D.xD (12) Maø G=GD=(R+1).D L=LO=R.D L D R x =>y = .x + = .x + D (13) G G.xD R + 1 R +1 Phöông trình cuûa ñoaïn caát ñi qua 2 ñieåm http://www.ebook.edu.vn 17
o y(X=XD) = xD => D (xD,xD ) xD xD o y(X=0) = => YO (0, ) R +1 R +1 • Ñoái vôùi ñoaïn chöng : LW = GW + W (14) LW.x = GW.y+ W.xW (15) Maø LW=L+ F= Lo+F = R.D+F (16) GW=G=GD=(R+1).D W=F-D LW W R+ f f −1 y= x− xW = x− xW (17) GW GW R +1 R +1 Vôùi : f chæ soá nhaäp lieäu (laø löôïng loûng nhaäp lieäu ñeå thu ñöôïc 1 kmol saûn phaåm ñænh) F xD − xW f= = (18) D xF − xW Phöông trình ñöôøng laøm vieäc cuûa ñoaïn chöng ñi qua 2 ñieåm o y( x=xW) = xw => W(xW ;yW) f −1 f −1 y( x=0 )= - xW => (0; - xW ) R +1 R +1 III.2.3 . Caân baèng naêng löôïng Phöông trình caân baèng nhieät löôïng: QF + Qñ = QD + Qw + Qt+ Qnt (19) Nhieät löôïng cung caáp do hôi ngöng tuï cho chaát loûng soâi trong noài ñun Qñ : Qñ=GhN.rhN (J/h) Nhieät löôïng do saûn phaåm ñænh mang ra QD : QD = D .(hD-hD’) = D .(CD.tD- CD’.tD’) (J/h) Nhieät löôïng do hoãn hôïp ñaàu mang vaøo QF: QF = F .hF = F .CF .t F (J/h) Nhieät löôïng do saûn phaåm ñaùy mang ra Qw : Qw= W .(hW-hW’) = W .(CW.tW- CW’.tW’) (J/h) Nhieät löôïng taùch ôû thieát bò ngöng tuï Qnt : Qnt = D .( 1+ R).rD (J/h) Nhieät löôïng toån thaát ra moâi tröôøng xung quanh Qt: Qt=(0,05 ÷ 0,1). Qh (J/h) Trong ñoù: C : nhieät dung rieâng (J/Kg.ñoä ) h : nhieät haøm (J/Kg) r : aån nhieät hoùa hôi ( J/Kg) http://www.ebook.edu.vn 18
• Caân baèng nhieät löôïng cuûa thieát bò ngöng tuï : Ngöng tuï hoaøn toaøn saûn phaåm ñænh : Qnt = D.( R + 1).rD = Gn1 .( hnR − hnV ) (J/h) Qnt Qnt → Löôïng nöôùc caàn caáp cho thieát bò ngöng tuï: Gn1 = = ( Kg/h) ( hnR − hnV ) Cn (tnR − tnV ) • Caân baèng nhieät löôïng cuûa thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñænh : ' Phöông trình caân baèng naêng löôïng : QD = D.(hD − hD ) = Gn 2 .(hnR − hnV ) (J/h) Q2 Q2 → Löôïng nöôùc caàn caáp cho thieát bò laøm nguoäi: Gn2 = = ( Kg/h) (hnR − hnV ) Cn (tnR − tnV ) • Caân baèng nhieät löôïng cuûa thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñaùy: Phöông trình caân baèng nhieät löôïng : QW = W .(hW − hW ) = Gn 3 .(hnR − hnV ) ' (J/h) Q3 Q3 → Löôïng nöôùc caàn caáp cho thieát bò laøm nguoäi: Gn3 = = ( Kg/h) (hnR − hnV ) Cn (tnR − tnV ) III.3. XAÙC ÑÒNH PHAÂN MOL-PHAÂN KHOÁI LÖÔÏNG-SUAÁT LÖÔÏNG MOL CUÛA CAÙC DOØNG *xaùc ñònh khoái löôïng phaân töû trung bình hoãn hôïp caùc doøng MD = 46.xD + (1 − xD ).18 = 41,886 (Kg hoãn hôïp D/Kmol hoãn hôïp D). MF = 46.x F + (1 − x F ).18 = 29,200 (Kg hoãn hôïp F/Kmol hoãn hôïp F). Mw = 46.xw + (1 − xw ).18 = 18,209 (Kg hoãn hôïp W/Kmol hoãn hôïp W). * Phaân mol - phaân khoái löôïng – suaát löôïng sản phẩm đỉnh : 0,95ρ R 0,95 × 774,83 xD = = = 0,937 0,95 ρ R + (1 − 0,95).ρ N 0,95 × 774,83 + (1 − 0,95).994 (kg ethanol/ kg hoãn hôïp D ). xD / M R 0.94 / 46 xD = = = 0,853 xD / M R + (1 − xD ) / M N 0.94 / 46 + (1 − 0.94) / 18 (kmol ethanol/ kmol hoãn hôïp D ). V .ρ 100 × 787,138 D = D D ,35 = = 78,301 (Kmol/h) M D .24 41,886 × 24 D = D.MD = 78,301. 41,886 = 3279,730 (Kg/h) 1 xD 1 − xD Khoái löôïng rieâng trung bình doøng saûn phaåm ñænh : = + (m3/kg) ρ D ,35 ρR ρN o Nhieät ñoä saûn phaåm ñænh sau khi laøm nguoäi : t’D = 35 C . Tra baûng 1.249, trang 310, [1] ta ñöôïc ρ N = 994 kg/m3 Tra baûng 1.2, trang 9, [1] ta ñöôïc ρ R = 776,250 kg/m3 ⇒ ρ D ,35 = 787,138 kg/m3 * Phaân mol - phaân khoái löôïng – suaát löôïng nhaäp lieäu : xF = 0,40 (kmol ethanol/ kmol hoãn hôïp F ). 46.x F xF = = 0,630 (kg ethanol / kg hoãn hôïp F ) . 46.x F + (1 − x F ).18 Ta coù: F.xF . η= D.xD F= D. xD / xF .η = 78,301 . 0,85 / 0,4 . 0,99 = 168,679 (Kmol/h) http://www.ebook.edu.vn 19
F = F. MF = 168,679. 29,200 = 4925,426 (Kg/h) * Phaân mol - phaân khoái löôïng – suaát löôïng sản phẩm đỉnh : Giaûi phöông trình (8),(9),ta coù : xW = 0,00747 (Kmol ethanol/kmol hoãn hôïp W) W = 90,377 (Kmol/h) 46.xW xW = = 0,0189 (kg ethanol / kg hoãn hôïp W ) 46.xW + (1 − xW ).18 W = W. MW = 90,377. 18,209 =1645,687 (Kg/h) • Khoái löôïng rieâng 1 xD 1 − xD Khoái löôïng rieâng trung bình doøng saûn phaåm ñænh : = + (m3/kg) ρD ρR ρN Töø ñoà thò t-xy , taïi xD = 0,8528 ta suy ra nhieät ñoä saûn phaåm ñænh ra thaùp chöng caát laø tD = 78,494 0C Tra baûng 1.249, trang 310, [1] ta ñöôïc ρ N = 975 kg/m3 Tra baûng 1.2, trang 9, [1] ta ñöôïc ρ R = 736,431 kg/m3 ⇒ ρ D = 747,987 kg/m3 1 xF 1 − xF Khoái löôïng rieâng trung bình doøng nhaäp lieäu : = + ( m3/kg) ρF ρR ρN Do ta choïn traïng thaùi nhaäp lieäu vaøo thaùp chöng caát laø traïng thaùi loûng soâi neân töø ñoà thò t-xy , taïi xF = 0,4 ta suy ra nhieät ñoä nhaäp lieäu vaøo thaùp chöng caát laø tF = 80,80C Tra baûng 1.249, trang 311, [1] ta ñöôïc ρ N = 971,288 kg/m3 Tra baûng 1.2, trang 9, [1] ta ñöôïc ρ R = 734,240 kg/m3 ⇒ ρ F = 807,094 kg/m3 1 xW 1 − xW Khoái löôïng rieâng trung bình doøng saûn phaåm ñaùy : = + (m3/kg) ρW ρR ρN Töø ñoà thò t-xy , taïi xW = 0,00747 ta suy ra nhieät ñoä saûn phaåm ñaùy thaùp chöng caát laø tW = 98,582 oC . Tra baûng 1.249, trang 310, [1] ta ñöôïc ρ N = 959,365 kg/m3 Tra baûng 1.2, trang 9, [1] ta ñöôïc ρ R = 717,348 kg/m3 ⇒ ρW = 953,299 kg/m3 III.4 . XAÙC ÑÒNH TÆ SOÁ HOAØN LÖU THÍCH HÔÏP III.4.1 . Chæ soá hoài löu toái thieåu Rm Chæ soá hoài löu toái thieåu laø chæ soá hoài löu öùng vôùi ñoäng löïc quaù trình baèng 0, cheá ñoä laøm vieäc maø taïi ñoù öùng vôùi soá maâm lyù thuyeát laø voâ cöïc .Do ñoù ,chi phí coá ñònh laø voâ cöïc nhöng chi phí ñieàu haønh (nhieân lieäu ,nöôùc vaø bôm…) laø toái thieåu . Do ñoà thò caân baèng cuûa heä Etanol-Nöôùc coù ñieåm uoán ,neân xaùc ñònh tæ soá hoaøn löu toái thieåu baèng caùch : +Treân ñoà thò caân baèng y-x ,töø ñieåm (0,85;0,85) ta keû moät ñöôøng thaúng tieáp tuyeán vôùi ñöôøng caân baèng taïi ñieåm uoán , caét truïc Oy taïi ñieåm coù yo = 0,2886 . xD +Theo phöông trình ñöôøng laøm vieäc ñoaïn caát , khi xo =0 thì yo = =0,289 Rmin + 1 Vaäy : tæ soá hoaøn löu toái thieåu : Rmin = 1,955 III.4.2 . Chæ soá hoài löu thích hôïp Rth http://www.ebook.edu.vn 20