Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Tối ưu hóa hệ thống tách hỗn hợp nhiều cấu tử Etanol - nước và các tạp chất nhận được bằng phương pháp lên men

Chia sẻ: Nguyen Minh Cuong | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án với mục tiêu xây dựng và kiểm chứng mô hình tổng quát của tháp chưng luyện dùng để tách hỗn hợp nhiều cấu tử; ứng dụng mô hình để nghiên cứu các hành vi của các cấu tử trong tháp chưng luyện hỗn hợp nhiều cấu tử; xác định chế độ tách hợp lý của các cấu tử; phân tích và tổng hợp lộ trình tách hỗn hợp lỏng nhiều cấu tử. Mời các bạn cùng tham khảo luận án để nắm chi tiết nội dung nghiên cứu.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Tối ưu hóa hệ thống tách hỗn hợp nhiều cấu tử Etanol - nước và các tạp chất nhận được bằng phương pháp lên men

B GIÁO D C VÀ ÀO T O TR NG I H C BÁCH KHOA HÀ N I -------------***------------- Cao Th Mai Duyên T I U HOÁ H TH NG TÁCH H N H P NHI U C UT ETANOL - N C VÀ CÁC T P CH T NH N C B NG PH NG PHÁP LÊN MEN Chuyên ngành: Quá trình và Thi t b Công ngh Hoá h c Mã s : 62.52.77.01 TÓM T T LU N ÁN TI N S K THU T Hà N i - 2010
Công trình c hoàn thành t i: B môn Quá trình - Thi t b Công ngh Hoá và TP – Khoa Công ngh Hoá h c - Tr ng i h c Bách Khoa Hà N i. Ng ih ng d n khoa h c: PGS. TS Nguy n H u Tùng. Ph n bi n 1: PGS. TS Nguy n Th Di m Trang Ph n bi n 2: GS. TSKH Nguy n Minh Tuy n Ph n bi n 3: TS. Thái Nguy n Huy Chí Lu n án s c b o v tr cH i ng ch m lu n án c p Tr ng h p t i tr ng i h c Bách Khoa Hà N i Vào h i gi ngày tháng n m 2010 Có th tham kh o lu n án t i: - Th vi n Qu c gia Vi t Nam
M U 1. Tính c p thi t c a tài Trong th c t s n xu t th ng g p các h dung d ch nhi u c u t ph c t p nh các h n h p d u m , các h n h p c a các quá trình lên men, các ch ph m sinh h c, các h n h p khí hoá l ng… thu c các s n ph m có tinh khi t cao c n thi t ph i phân tách riêng các c u t có trong h . Ph ng pháp ph bi n nh t tách các h này chính là ph ng pháp ch ng luy n. Khi áp d ng ph ng pháp ch ng luy n tách h n h p nhi u c u t th ng g p các khó kh n nh : + Khó tách tri t các c u t , khi bay h i t ng i c a các c u t nh , ho c khi trong h t o các h n h p ng phí. tách các h này th ng ph i k t h p nhi u ph ng pháp tách khác nhau. + H th ng thi t b ph c t p, cho h g m n c u t ph i c n ít nh t (n-1) tháp ch ng luy n và 2(n-1) thi t b trao i nhi t. + S l trình tách l n, nên vi c a ra c l trình tách h p lý th ng g p nhi u khó kh n. + Tiêu hao n ng l ng cho quá trình phân tách l n. Vì v!y, vi c nghiên c u t i u hoá quá trình phân tách h nhi u c u t nh"m nâng cao hi u qu phân tách, gi m kinh phí u t cho h th ng thi t b , gi m tiêu hao nguyên v!t li u và n ng l ng là v n thi t th c và c p bách hi n nay. 2. M c ích c a tài 1. Xây d ng và ki m ch ng mô hình t ng quát c a tháp ch ng luy n dùng tách h n h p nhi u c u t . 2. #ng d ng mô hình nghiên c u các hành vi c a các c u t trong tháp ch ng luy n h n h p nhi u c u t . 3. #ng d ng mô hình xác nh ch tách h p lý c a các c u t trong tháp ch ng luy n. 4. #ng d ng mô hình phân tích và t ng h p các l trình tách h n h p l ng nhi u c u t .
5. #ng d ng mô hình ti n hành t i u các h th ng tách h n h p nhi u c u t b"ng ph ng pháp ch ng luy n theo ch$ tiêu n ng l ng tiêu t n. 3. it ng nghiên c u c a tài Quá trình tách h n h p l ng nhi u c u t trong tháp ch ng luy n và h th ng tháp ch ng luy n. 4. N i dung ch y u c a tài 1. Nghiên c u b"ng th c nghi m hành vi c a các c u t c a h etanol - n c và các c u t t p ch t trong tháp ch ng luy n. 2. Nghiên c u cân b"ng pha l ng - h i c a h dung d ch nhi u c u t . Ti n hành l a ch n mô hình cân b"ng pha l ng - h i c a h nhi u c u t và ki m tra tin c!y c a mô hình ã ch n. 3. Xây d ng mô hình t ng quát c a tháp ch ng luy n dùng tách h n h p l ng nhi u c u t . Ki m ch ng s phù h p c a mô hình theo phân b n ng c a etanol, phân b nhi t và phân b n ng c a m t s t p ch t theo chi u cao c a tháp ch ng luy n b"ng ph ng pháp th c nghi m. 4. Ti n hành chia nhóm các c u t theo hành vi c a chúng % trong tháp ch ng luy n và nghiên c u ch tách h p lý cho t&ng nhóm c u t . 5. #ng d ng mô hình t ng quát c a tháp ch ng luy n phân tích s c b n dùng tách h n h p nhi u c u t g m ba tháp tách. 6. #ng d ng mô hình t ng quát c a tháp ch ng luy n t ng h p s tách h n h p l ng nhi u c u t g m 6 tháp tinh ch làm vi c % áp su t th ng. 7. #ng d ng mô hình t ng quát c a tháp ch ng luy n và thu!t toán gi i h l n tính toán ki m tra s tinh ch c n t i Công ty c ph n mía ng Lam S n – Thanh Hoá. 8. #ng d ng mô hình t ng quát c a tháp ch ng luy n và thu!t toán gi i h l n t ng h p s tinh ch c n g m 6 tháp làm vi c t i các áp su t khác nhau và nghiên c u kh n ng k t n i nhi t gi'a các tháp. 5. Nh ng óng góp m i c a tài 1. ã xây d ng và ki m tra b"ng th c nghi m mô hình t ng quát c a tháp ch ng luy n h n h p nhi u c u t .
2. ã ng d ng mô hình t ng quát c a tháp ch ng luy n kh o sát hành vi c a các c u t % trong tháp ch ng luy n. Các k t qu kh o sát ã cho phép a ra nguyên t(c chia nhóm các c u t có trong h thành các nhóm c u t . 3. ã xu t nguyên t(c chung dùng phân tích và t ng h p các h th ng tách các h n h p nhi u c u t : nguyên t(c tách theo nhóm. Nguyên t(c này ã cho phép gi m áng k s ph ng tách c n ph i kh o sát, vì v!y t o i u ki n thu!n l i cho vi c tìm ph ng án tách h p lý. 4. ã xu t thu!t toán dùng phân tích và t ng h p các h th ng tinh ch l n: nguyên t(c chia nh bài toán. Thu!t toán này cho phép t ng kh n ng h i t , gi m kh i l ng và th i gian tính toán. 6. Ý ngh a và giá tr th c ti n c a tài 1. Mô hình t ng quát c a tháp ch ng luy n ã cho phép kh o sát chi ti t h dung d ch etanol - n c và các c u t t p ch t c)ng nh các h th ng dùng tách h n h p này. 2. Do h dung d ch etanol - n c và các c u t t p ch t nh!n c b"ng ph ng pháp lên men là h dung d ch i n hình không lý t %ng nên các k t qu nghiên c u nh!n c cho h này có th áp d ng c cho các h dung d ch nhi u c u t khác. 3. ã ti n hành t ng h p các s tách h p lý cho quá trình tinh ch áp d ng cho s n xu t c n th c ph m ch t l ng cao và gi m c tiêu hao n ng l ng tính trên m t n v s n ph m. 4. Nguyên t(c tách h n h p nhi u c u t theo nhóm t o i u ki n thu!n l i cho tính toán, thi t k và t i u hoá các h th ng tách h n h p nhi u c u t . 5. Thu!t toán chia nh bài toán khi gi i các mô hình c a các h l n cho phép gi m c th i gian tính toán và t ng kh n ng h i t . CH NG 1 - T NG QUAN 1.1. H dung d ch nhi u c u t M t trong nh'ng h n h p nhi u c u t th ng g p trong th c t s n xu t là các dung d ch nh!n c b"ng các quá trình lên men, nh h etanol - n c và các c u t t p ch t. ây là dung d ch th c nhi u c u t r t i n hình và các c u t trong h có nh h %ng l*n nhau h t s c ph c t p gây nhi u khó kh n
cho vi c phân tách riêng các c u t . H dung d ch này có th bao g m kho ng h n 50 c u t [3] và g m ch y u là các nhóm c u t sau: nhóm an ehyt, nhóm este, nhóm các axit và nhóm các r u b!c cao. Trong h có kh n ng t o thành các h n h p ng phí 2 c u t , h n h p ng phí 3 c u t và trong h có th xu t hi n các vùng d th 2 pha l ng. 1.2. Ch ng luy n h n h p nhi u c u t tách các h dung d ch g m n c u t , h th ng th ng ph i có (n-1) tháp ch ng luy n và t ng ng là (n-1) thi t b un sôi áy tháp và (n-1) thi t b ng ng t $nh tháp. Khi ó, s l ng thi t b ph i s d ng trong s tách khá l n và n ng l ng tiêu t n cho quá trình tách c)ng s+ r t l n. Tách h n h p nhi u c u t b"ng ch ng luy n có th th c hi n theo nhi u l trình tách khác nhau. i v i h dung d ch g m 3 c u t thì s tách s+ có ít nh t là 2 tháp và s+ có 3 ph ng án tách. Cho h n h p 4 c u t , s l trình tách s+ là 22, cho h n h p 5 c u t , s l trình tách lên n 119 [23]. Nh v!y, khi h có nhi u c u t , s l ng các l trình tách s+ r t l n và quá trình tính toán s+ r t ph c t p. 1.3. T i u hoá quá trình phân tách h nhi u c u t gi m kinh phí u t cho h th ng thi t b tách c)ng nh nh"m gi m n ng l ng tiêu t n th c hi n quá trình tách, c n thi t ph i gi m nm c có th s l ng tháp ch ng luy n trong s . Khi t i u hoá quá trình c n ph i tính n nhi u ch$ tiêu. Tuy nhiên do bi n ng c a giá n ng l ng nên l ng h i t tiêu t n cho quá trình (tính trên m t n v s n ph m) ã c l a ch n làm ch$ tiêu t i u. Trong quá trình tinh ch , tiêu hao n ng l ng ch y u là do c p nhi t un bay h i dung d ch % áy c a các tháp. Khi các tháp ch ng luy n làm vi c % các áp su t khác nhau, có th s d ng h i i ra trên $nh c a tháp này làm ch t t i nhi t c p nhi t cho áy c a tháp kia. Nh v!y, t c hi u su t s d ng nhi t cao c n ph i t ng h p c các h th ng tách có k t n i nhi t h p lý gi'a các tháp. CH NG 2 – PH NG PHÁP NGHIÊN C U 2.1. Xây d ng mô hình t ng quát c a tháp ch ng luy n
2.1.1. Xác nh cân b ng pha l ng-h i c a h dung d ch nhi u c u t 2.1.1.1. Xác nh cân b ng pha l ng – h i c a h dung d ch nhi u c u t b ng ph ng pháp th c nghi m. ã ti n hành thi t k và ch t o b thi t b thí nghi m xác nh cân b"ng pha l ng - h i c a dung d ch. Tuy nhiên, khi s c u t c a h , 4, xác nh cân b"ng pha l ng – h i c a h th ng g p r t nhi u khó kh n và có chính xác không cao. 2.1.1.2. Xác nh cân b ng pha c a h dung d ch nhi u c u t b ng ph ng pháp l p mô hình Các mô hình xác nh cân b"ng l ng – h i u có nhi m v xác nh h s ho t c a c u t i trong pha l ng γ !" # $%$ ! $&' ($ )%$ * +' ,- $%$ ! . /0 $1 23 4 ' .5 6 $&' $%$ / ' $70 " ,- ($ $84 8 9 )0:; ,< $ = > = + % $1 23 4 ' $&' $%$ / $ 4 1 .?4 .5 6 .5 @ ! "#$%&' ()* + , - ) . / 0 1 Theo mô hình cân b"ng pha UNIFAC, h s ho t bao g m hai ph n: ph n t h p và ph n d : . γ A . γ B . γC (2-5) φi Z θ φ D EFG ln γ iC = ln + qi ln i + li − i x jl j xi 2 φi xi ! "# $ ln γ iR = [ v k(i ) ln Γk − ln Γk(i ) ] D EHG k B ΓI ΓID G J / ! K L 4 M $&' I 0 *$ N0 $70 " ,- 0 *$ $ O $ P' $70 " @ . ΓI = Q I −. θ ψ − θ ψI D ERG I θ ψ anm 1: ψ nm = exp( − ) ,? ' J ! %$ D ESG T
F %$ ! ,- ' $&' ($ )%$ * $ O +' ,- $%$ ! . /0 $1 23 4 ' $&' $%$ / ' $70 "@ 2.1.1.2.2. Ki m ch ng mô hình cân b ng pha l ng – h i UNIFAC %& ' () * + , , $ , T-.UJ 1 1,0 0,9 0,9 y y 0,8 0,8 yMH yM H 0,7 0,7 0,6 0,6 0,5 0,5 0,4 0,4 0,3 0,3 0,2 0,2 0,1 0,1 0 0,0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 P = 50mmHg P = 1396mmHg 1,0 1,0 0,9 0,9 y y 0,8 yMH 0,8 yM H 0,7 0,7 0,6 0,6 0,5 0,5 0,4 0,4 0,3 0,3 0,2 0,2 0,1 0,1 0,0 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 P = 3103 mmHg P =4654 mmHg 'ì / 0& th , , , 1 2 34 (5 6 !7 , 34 # 8 9* , , 1 7 # : ( * + , , $ , & 3%& ' ; + , , $ , J < / =& > , , , 1 2 34 (5 6 !7 , 34 # 8 9* , , 1 7 # : (?=% * ?/% @( ?;% + , , $ , & Sai s P x yTN yMH % (at) (1) (2) (3) (1) (2) (3) (1) (2) (3) (1) 1,84 0,234 0,008 0,758 0,514 0,074 0,412 0,51 0,07 0,42 1 0,476 0,017 0,507 0,567 0,116 0,317 0,55 0,13 0,32 3 0,689 0,06 0,251 0,491 0,345 0,164 0,5 0,35 0,15 2 0,613 0,074 0,313 0,426 0,424 0,15 0,43 0,42 0,15 1 0,509 0,039 0,452 0,477 0,216 0,307 0,49 0,24 0,27 3 0,412 0,03 0,558 0,47 0,27 0,26 0,45 0,26 0,29 4 0,477 0,27 0,253 0,226 0,693 0,081 0,21 0,71 0,09 7
H 0,176 0,013 0,811 0,306 0,38 0,314 0,3 0,39 0,31 2 0,307 0,023 0,67 0,387 0,388 0,225 0,38 0,39 0,22 2 0,447 0,368 0,185 0,203 0,733 0,064 0,2 0,74 0,06 1 0,507 0,32 0,173 0,217 0,702 0,081 0,21 0,71 0,08 3 4,09 0,115 0,004 0,881 0,336 0,111 0,553 0,36 0,11 0,53 7 0,546 0,028 0,426 0,597 0,124 0,279 0,56 0,16 0,29 6 0,833 0,027 0,14 0,737 0,122 0,141 0,75 0,12 0,13 2 0,822 0,04 0,138 0,696 0,178 0,126 0,71 0,18 0,11 2 0,778 0,084 0,138 0,592 0,337 0,071 0,59 0,33 0,08 0 0,56 0,062 0,378 0,482 0,311 0,207 0,49 0,28 0,23 2 0,698 0,063 0,239 0,57 0,245 0,185 0,57 0,26 0,17 0 0,721 0,074 0,205 0,575 0,272 0,153 0,57 0,29 0,14 1 0,664 0,087 0,249 0,48 0,306 0,214 0,5 0,33 0,17 4 0,521 0,009 0,47 0,63 0,032 0,338 0,61 0,05 0,34 3 0,476 0,01 0,514 0,574 0,054 0,372 0,58 0,06 0,36 1 0,517 0,069 0,414 0,431 0,338 0,231 0,45 0,31 0,24 4 0,642 0,13 0,228 0,427 0,386 0,187 0,43 0,42 0,15 1 0,581 0,015 0,404 0,645 0,063 0,292 0,62 0,07 0,31 4 c). H 3 c u t có vùng hai pha l ng: , , , 1 2 34 (5 6 !7 , 34 # 8 9* , , 1 7 # : (?=% @( B ?/% * ?;% + 9C (5 & x yTN yMH Sai s (%) (1) (2) (3) (1) (2) (3) (1) (2) (3) (2) 0,22 0,27 0,51 0,21 0,45 0,34 0,2 0,49 0,31 9 0,21 0,21 0,58 0,2 0,47 0,33 0,21 0,48 0,31 2 0,16 0,12 0,72 0,21 0,42 0,37 0,2 0,42 0,38 0 0,19 0,43 0,38 0,16 0,54 0,3 0,16 0,53 0,31 2 0,15 0,32 0,53 0,15 0,5 0,35 0,17 0,53 0,3 6 0,12 0,34 0,54 0,14 0,55 0,31 0,14 0,55 0,31 0 0,18 0,23 0,59 0,2 0,5 0,3 0,2 0,5 0,3 0 d). H 4 c u t : , , , 1 2 34 (5 6 !7 , 34 # 8 9* , , 1 7 # : (?=% # (?/% ) (?;% * ?0%& x yTN yMH Sai s (%) (1) (2) (3) (4) (1) (2) (3) (4) (1) (2) (3) (4) (2) 0,062 0,75 0,033 0,155 0,041 0,867 0,015 0,077 0,047 0,862 0,014 0,077 1 0,069 0,708 0,048 0,175 0,055 0,835 0,018 0,092 0,054 0,834 0,021 0,090 0 0,086 0,522 0,102 0,29 0,08 0,733 0,05 0,137 0,079 0,699 0,056 0,166 5 0,131 0,455 0,165 0,249 0,125 0,594 0,083 0,198 0,116 0,633 0,082 0,169 6
R 0,124 0,43 0,164 0,282 0,123 0,628 0,084 0,165 0,114 0,611 0,086 0,188 3 0,092 0,402 0,184 0,322 0,095 0,597 0,107 0,201 0,089 0,593 0,104 0,215 1 0,093 0,385 0,186 0,336 0,103 0,562 0,089 0,246 0,092 0,577 0,107 0,224 3 0,089 0,376 0,225 0,31 0,095 0,563 0,116 0,226 0,086 0,568 0,124 0,222 1 0,089 0,361 0,155 0,395 0,102 0,604 0,104 0,19 0,095 0,557 0,102 0,246 8 0,124 0,343 0,217 0,316 0,135 0,532 0,127 0,206 0,122 0,528 0,121 0,230 1 0,12 0,323 0,232 0,325 0,13 0,505 0,135 0,23 0,120 0,507 0,132 0,241 0 0,07 0,264 0,243 0,423 0,084 0,443 0,172 0,301 0,079 0,453 0,165 0,304 2 0,061 0,251 0,231 0,457 0,09 0,468 0,18 0,262 0,072 0,441 0,168 0,319 6 0,062 0,238 0,237 0,463 0,081 0,402 0,178 0,339 0,074 0,425 0,174 0,327 5 0,064 0,232 0,236 0,468 0,087 0,401 0,17 0,342 0,077 0,417 0,176 0,331 4 0,101 0,228 0,274 0,397 0,125 0,392 0,185 0,298 0,113 0,400 0,178 0,310 2 0,087 0,19 0,283 0,44 0,118 0,376 0,211 0,295 0,103 0,352 0,199 0,346 7 0,064 0,142 0,301 0,493 0,094 0,294 0,25 0,362 0,083 0,285 0,237 0,396 3 0,076 0,142 0,31 0,472 0,108 0,286 0,243 0,363 0,096 0,282 0,234 0,388 2 Các k t qu kh o sát % trên cho th y mô hình cân b"ng pha UNIFAC ã ch n có tin c!y cao (sai s l n nh t gi'a các k t qu nh!n c t& mô hình v i các s li u th c nghi m là 9%), và có th c s d ng tính toán các quá trình ch ng luy n dùng phân tách h nhi u c u t . 2.1.1.2.3 2 ( - 3 4 n * ?=% (?/% # (?;% ) ( ?0% 3 (?-% #@( (?D%& Do không có các s li u th c nghi m v cân b"ng pha l ng – h i c a h trên nên các s li u này s+ c ki m ch ng m t cách gián ti p khi ki m ch ng s t ng thích c a mô hình t ng quát c a tháp ch ng luy n b"ng ph ng pháp th c nghi m. 2.1.2. Xây d ng mô hình t ng quát tháp ch ng luy n nhi u c u t 2.1.2.2. Mô hình t ng quát tháp ch ng luy n nhi u c u t S nguyên lý các dòng vào và dòng Gj Lj-1 xi,j-1, tj-1, Pj-1 SG,j ra c a m t b!c cân b"ng pha ( -a lý thuy t) yi,j, tj, Pj c th hi n trên hình 2-5. Mô hình t ng zi,j, tj, Pj Fj B!c j Qj quát c a tháp ch ng luy n s+ g m N b!c xi,j-1, tj-1, Pj-1 yi,j+1, tj+1, Pj+1 cân b"ng pha k t n i v i nhau b"ng các SL,j Gj+1 Lj dòng v!t ch t và các dòng n ng l ng. Hình 2-5. S nguyên lý c a b c cân b ng pha
S K t qu tính toán trên t&ng b!c lý thuy t s+ cho bi t phân b nhi t , phân b n ng các c u t trong pha l ng và pha h i và các thông s khác c a quá trình di.n ra trong tháp. Các ph ng trình cân b"ng v!t ch t, cân b"ng pha và cân b"ng nhi t l ng cho m t b!c cân b"ng: a. Các ph ng trình cân b ng v t ch t Cho c u t i = 1...k và b!c th j: Lj-1 . xi,j-1 + Gj+1 . yi,j+1 + Fj . zi,j - (Lj + SL,j ) . xi,j - (Gj + SG,j ) . yi,j = 0 (2-10) b. Các ph ng trình cân b ng pha Cho c u t i = 1...k và b!c th j: yi,j – Ki,j . xi,j = 0 v i Ki,j = f(ti,j, pj, xi,j, yi,j) (2-11) / ây, Ki,j - h"ng s cân b"ng pha c a c u t i trên b!c th j, c xác nh theo mô hình cân b"ng pha UNIFAC. Ph ng trình t ng n ng ph n mol c a các c u t trongk pha l ng và k pha h i: Cho c u t i = 1...k trên b!c th j: xi , j − 1 . 0 = 0 y i , j − 1 .0 = 0 i =1 i =1 c. Ph ng trình cân b ng entalpy Lj-1 . hL,j-1 + Gj+1 . hG,j+1 + Fj . hF,j - (Lj + SL,j ) . hL,j - (Gj + SG,j ) . hG,j +Qj = 0 (2-12) hL,j = f(tj, pj, xi,j) và hG,j = f(tj, pj, yi,j) là entalpy riêng c a pha l ng và pha h i t i b!c th j. Cho tháp ch ng luy n g m n b!c cân b"ng k t n i v i nhau, mô hình c a tháp s+ bao g m N(2k+3) ph ng trình. H ph ng trình trên c g i là h ph ng trình MESH. Trong i a s các tr ng h p, h ph ng trình MESH là h phi tuy n. 2.1.3. Th t c gi i h ph ng trình MESH V i s tr giúp c a máy tính hi n i, các ph ng trình c a h ph ng trình MESH c a tháp ch ng luy n có th c gi i ng th i cho t t c các -a c a tháp b"ng ph ng pháp Newton – Raphson. 2.2. Ki!m ch ng s phù h p c a mô hình tháp ch ng luy n nhi u c u t b ng th c nghi m. H dung d ch dùng ti n hành thí nghi m ki m ch ng là h etanol - n c và các t p ch t nh!n c b"ng ph ng pháp lên men. 2.2.1. Các ph ng pháp phân tích. N ng etanol c xác nh b"ng thi t b o t0 tr ng VW XX, t i phòng thí nghi m công ngh l c d u và xúc tác, tr ng i H c Bách Khoa Hà N i. N ng các c u t có n ng th p c xác nh b"ng ph ng pháp s(c ký khí, t i Trung tâm ào t o và phát tri n s(c ký, Tr ng HBK Hà N i và Công ty c ph n c n - r u Hà N i.
X 2.2.2. Xác nh n ng etanol, nhi t , n ng c a m t s c u t t p ch t trên các a th c t c a tháp ch ng luy n. Tháp dùng ti n hành thí nghi m là tháp lo i -a l có ng ch y truy n, ng kính D = 300mm, chi u cao H = 21m, g m 82 -a th c t , làm vi c % ch h i l u hoàn toàn. Theo chi u cao c a tháp, có 26 i m l y m*u g m 24 m*u d ng l ng và 2 m*u d ng h i. o n luy n có 60 -a th c t , kho ng cách gi'a các -a 200mm. Có 16 i m o o nhi t trên thân tháp b"ng c m ng nhi t PT100 v i sai s 0,1 C. Các k t qu th c nghi m và tính toán theo mô hình c th hi n trên các hình 2-8, 2-9, 2-11 và 2-12, cho th y phân b c a các t p ch t xác nh b"ng th c nghi m và tính theo mô hình phù h p v i nhau khá t t. Sai s l n nh t là 5,5%. 1 90 EF G A , # 8 0.9 88 EF G A 7 # 0.8 86 0.7 9 0.6 84 56 7 8 56 7 8 0.5 82 0.4 80 0.3 78 0.2 EF G A , # 8 EF G A 7 # 0.1 76 10 20 30 40 50 60 70 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Hình 2-8. Phân b n ng etanol theo chi u Hình 2-9. Phân b nhi t theo cao tháp chi u cao tháp N ng n ng etyl acetat ethyl axetattheo theoMH MH Nn ng ng ethylaxetat etyl acetat theoTN theo TN n ng iso-propanol theo MH n ng iso-propanol theo TN mg/l mg/l 1400 100 1200 80 1000 60 800 40 600 400 20 200 0 0 1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 -a $nh 1 áy 1 11 21 31 41 -a $nh 1 áy 51 61 71 81 Hình 2-11. Phân b n ng iso propanol Hình 2-12. Phân b n ng etyl axetat theo chi u cao tháp theo chi u cao tháp Các k t qu trên c)ng cho th y mô hình UNIFAC c s d ng l!p mô hình MESH có tin c!y cao. S phù h p c a mô hình MESH c a tháp ch ng luy n nhi u c u t cho phép s d ng mô hình này cho các nghiên c u ti p theo.
CH NG 3 - K"T QU# NGHIÊN C U 3.1. Nghiên c u phân lo$i các nhóm c u t trong h n h p etanol - n c s n xu t b ng ph ng pháp lên men 3.1.1 – Nghiên c u b ng ph ng pháp th c nghi m. Nghiên c u hành vi c a các c u t c a h b"ng th c nghi m cho hai h dung d ch etanol - n c- các t p ch t lên men t& tinh b t và r$ ng. 3.1.1.2. Phân b n%ng c a các t$p ch t theo chi u cao c a tháp ch ng luy n trong quá trình tinh ch 3.1.1.2.1. Phân b n ng c a các t p ch t cho h dung d ch lên men t r ng. Ti n hành thí nghi m trong tháp thí nghi m lo i chóp, ng kính Φ = 50 mm, s -a th c t NTT = 11 -a. H n h p etanol-n c có n ng u 10% và 70% th tích. L y m*u trên các -a 1, 3, 5, 7, 9, 11 (tính t& trên xu ng). N ng c a các t p ch t metanol, n-propanol, isobutanol, iso amyl ancohol, etyl axetat c xác nh b"ng ph ng pháp s(c ký khí. Các k t qu th c nghi m c th hi n trên hình 3-3. th bi u di.n phân b n ng c a n propanol th bi u di.n phân b n ng c.( a metanol 70% 333.934 * +, - " * +, - " 9.547 X X 8.496 S 96.087 312.773 13.203 S R ' 21.425 ' R 63.269 H 87.059 205.103 #$ % & H #$ % & 38.392 10% ) F ) F 105.025 21.706 102.97 10% ( ( 11.061 58.571 235.825 332.606 31.748 475.24 ! ! 70% 18.459 305.018 1.989 X X X XX XX XX XX XX X XX XX XX XX ! " ! " th bi u di.n phân b n ng c /a etyl 0 axetat ( ( th bi u di.n phân b n ng c a iso 12 amyl 0 ancohol F 2270.528 10109.325 2.19 * +, - " * +, - " X 2.986 194.715 S 2107.278 R 10% ' ' H 325.625 70% # $ % & 70% #$ % & 89.86 F ) 19.079 ) 10.947 9.63 70.047 ( ( 20.575 28.04 72.093 ! ! 8.68 10% X X X XXX XXX FXXX RXXX XXXX XXX X X X FX RX ! " ! " Hình 3-3. Các th bi u di n phân b n ng c a các c u t theo chi u cao c a tháp. H n h p u có n ng etanol 10% và 70%.
N ng , mg/l Các k t qu th c nghi m cho th y hành vi c a các t p ch t ph thu c vào n ng c a etanol. Ví d , khác v i thông th ng, n u ch n ch tinh ch không h p lý, metanol có th xu t hi n c %d i áy tháp (hình 3-4). có th m% r ng ph m vi nghiên c u, ph n nghiên c u ti p theo v hành vi c a các áy 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 $nh c u t s+ c th c hi n d a vào mô Hình 3-4. th bi u di n phân b n ng hình t ng quát c a tháp ch ng luy n. metanol trong tháp tinh ch c n. 3.1.2. ng d ng mô hình t ng quát c a tháp ch ng luy n ! nghiên c u hành vi c a m t s c u t trong h 3.1.2.1. Nghiên c u hành vi và các y u t nh h ng n hành vi c a các c u t etyl axetat, an ehyt axetic. c th c hi n trong tháp mô hình g m 40 -a lý thuy t, h n h p u c a vào tháp % -a th 31, tháp làm vi c % áp su t khí quy n. Dòng h n h p u có nhi t 75oC và áp su t 2 atm. H n h p u có thành ph n các c u t : etyl axetat: 5.10-5, an ehyt axetic: 5.10-5 ph n mol và có n ng etanol khác nhau. Các k t qu cho th y hành vi c a các c u t trên ph thu c vào n ng etanol trong h n h p u và vào ch$ s h i l u. Hành vi c a các c u t trong h n h p ph thu c không nhi u vào v trí c a -a ti p li u. Các c u t trên trong quá trình tinh ch luôn t!p trung % trên $nh tháp. 3.1.2.2. Nghiên c u hành vi và các y u t nh h ng n hành vi c a c u t axit axetic. Các nghiên c u cho th y n ng etanol và ch$ s h i l u ít nh h %ng n hành vi c a c u t này. C u t này luôn t!p trung % áy tháp. 3.1.2.3. Nghiên c u hành vi và các y u t nh h ng n hành vi c a các c u t n-propanol, iso-propanol, iso-butanol, iso amyl ancohol (h n h p d u fusel). nghiên c u hành vi c a các c u t trên ã s d ng h n h p u vào tháp v i l u l ng F = 1 kmol/s, nhi t là 65oC. Tháp g m 40 -a lý thuy t. Các k t qu nghiên c u cho th y hành vi c a các c u t có trong h n
h p d u fusel ph thu c nhi u vào c a n ng etanol và n ng c a các c u t này tc c i t i -a th 28 tính t& trên xu ng (hình 3-16). -3 -3 x 10 x 10 2.5 6 XF=0.05 XF=0.1 2 XF=0.1 XF=0.2 4 1.5 XF=0.05 XF=0.2 XF=0.3 56 7 8 56 7 8 XF=0.3 1 2 0.5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 5 10 15 20 25 30 35 40 (a) (b) 0.02 0.02 XF=0.05 XF=0.05 0.015 0.015 XF=0.1 XF=0.2 XF=0.1 XF=0.2 0.01 0.01 56 7 8 56 7 8 0.005 0.005 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 5 10 15 20 25 30 35 40 (c) (d) Hình 3-16. nh h ng c a n ng etanol trong h n h p u, R=4. (a). n-propanol; (b). iso-propanol; (c). iso-butanol; (d). iso amyl ancohol Nghiên c u nh h %ng c a ch$ s h i l u cho th y ch$ s h i l u h p lý là R = 25(hình 3-19, 3-20, 3-21, 3-22). 0.006 0.009 0.008 0.005 0.007 0.004 0.006 X, Phân mol X, ph n mole 0.005 0.003 0.004 0.002 0.003 0.002 0.001 0.001 0 0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 Ch s h i l u: R Ch s h i l u: R Hình 3-19. nh h ng c a ch s h i Hình 3-20. nh h ng c a c a ch s l u t i phân b n ng n-propanol trong h i l u t i phân b n ng c a iso- d u fusel butanol trong d u fusel 0.035 0.0002 0.00018 0.03 0.00016 0.025 0.00014 x, ph n mol X, Ph n Mol 0.00012 0.02 0.0001 0.00008 0.015 0.00006 0.01 0.00004 0.00002 0.005 0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 0 Ch s h i l u: R 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 Ch s h i l u: R Hình 3-21. nh h ng c a ch s h i l u Hình 3-22. nh h ng c a ch s h i t i phân b n ng iso-propanol trong l u t i phân b n ng iso amyl d u fusel. ancohol trong d u fusel
K t qu nghiên c u (hình 0.015 3-23) cho th y h n h p d u Iso Amylic fusel th ng t!p trung t i gi'a tháp kho ng g n v trí 0.01 -a ti p li u. iso Butanol 56 7 8 1 - Propanol 0.005 iso - Propanol 0 15 20 25 30 35 40 a V trí :; ? y dòng%fusel /9 Hình 3-23. nh h ng c a v trí l y d u Fusel t i n ng các t p ch t trong h n h p d u fusel. 3.1.2.4. Nghiên c u hành vi và các y u t nh h ng n hành vi c a c u t metanol. Nghiên c u c th c hi n trong tháp mô hình g m 40 -a lý thuy t ( o n ch ng: 10 -a), P = 1bar, h n h p u F = 1(kmol/s), 60oC, xF(metanol) = 7.10-5 ph n mol, ch$ s h i l u R = 3,5. Các k t qu cho th y: - Metanol luôn t!p trung t i khu v c có n ng etanol l n trên $nh (hình 3- 26, 3-27). Nh v!y m b o ch t l ng cao c a s n ph m, có th ti n hành ch ng luy n % n ng etanol g n i m ng phí c a nó v i n c, XF=96 %V (XF=0,89 ph n mol) và l y s n ph m % áy tháp (vùng n ng metanol th p). -3 -4 x 10 x 10 2.5 14 R=3.5 12 2 10 R=4 67 8 R=3 R=5 1.5 XF=0.05 8 B 56 7 8 XF=0.03 XF=0.09 5 2@!9 1 6 XF=0.01 4 0.5 2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 5%@A 67 8 0 10 20 30 40 50 B Hình 3-26. Phân b n ng metanol Hình 3-27. Quan h gi a n ng t i R = 3,5, xF(Metanol) = 7.10-5, các n ng metanol nh tháp và n ng etanol xFetanol khác nhau trong h n h p u. T i t l D/F=5%; xF(Metanol)=7.10-5
- / m t s i u ki n nh t 0,0008 metanol 0,0007 nh, (xetanol = 0,12 ph n mol, 0,0006 tháp g m 83 -a, 11 -a o n x, ph n mol 0,0005 0,0004 ch ng, t0 s D/F = 0,4105, 0,0003 c u t metanol có th xu t 0,0002 0,0001 hi n c % trên $nh và d i 0 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 áy tháp (hình 3-27b). at nh n áy Hình 3-27b. Phân b n ng c a t p metanol trong tháp tinh ch . T& các k t qu nghiên c u v hành vi c a các c u t trong h etanol - n c và t p ch t, có th phân lo i các c u t trong h thành các nhóm sau ây: a. Nhóm t p ch t u: có h s bay h i K l n h n so v i h s bay h i c a etanol t i m i n ng c a etanol. Các c u t c a nhóm này luôn t!p trung t i $nh c a tháp ch ng luy n. Các c u t i n hình c a nhóm này là: an ehyt axetic, etyl axetat… b. Nhóm t p ch t cu i: có bay h i th ng xuyên nh h n bay h i c a etanol t i m i n ng c a etanol. Các c u t c a nhóm này luôn t!p trung % áy c a tháp ch ng luy n. Các c u t i n hình c a nhóm này là axit axetic, fufurol... c. Nhóm t p trung gian: bay h i c a các c u t c a nhóm này ph thu c vào n ng etanol. Khi n ng etanol cao, bay h i c a các c u t c a nhóm này nh h n bay h i c a etanol. Ng c l i, khi n ng etanol nh , bay h i c a các c u t này l i l n h n bay h i c a etanol. Vì v!y, các c u t c a nhóm này s+ t!p trung t i vùng gi'a tháp ch ng luy n. Các c u t i n hình c a nhóm này là iso amyl ancohol, iso butanol (có trong h n h p d u fusel). d. Nhóm các t p vòng quanh: có bay h i thay i theo n ng c a etanol nh ng theo chi u ng c l i v i nhóm t p trung gian. Khi n ng etanol cao, bay h i c a các c u t c a nhóm này cao h n bay h i c a etanol. Khi n ng etanol nh , bay h i c a các c u t này l i nh h n bay h i c a etanol. Vì v!y, các c u t c a nhóm này có th t!p trung % trên $nh ho c % d i áy c a tháp ch ng luy n tu2 theo n ng etanol trong h n h p.
F Các k t qu nghiên c u v các y u t nh h %ng n hành vi c a các nhóm c u t ã cho phép xu t ch tách t&ng nhóm c u t nh sau: - Nhóm t p ch t u: Tháp g m 25-30 -a, c p li u % -a 12 -15. N ng etanol vào tháp t& 0,2 – 0,25 ph n mol. Ch$ s h i l u R =20-25. - Nhóm t p ch t cu i: Tháp có 40-50 -a. Ch$ s h i l u R=3,5. N ng etanol trong dòng h n h p u < 0,1 ph n mol. - Nhóm t p trung gian: Tháp có 40 -a lý thuy t, dòng h n h p u vào tháp % -a th 30, dòng h n h p $nh l y ra % -a th 1, dòng h n h p áy l y ra % -a th 40, dòng s n ph m l y % -a th 5, dòng d u fusel l y ra % -a th 36, % d ng l ng v i l u l ng kho ng 0,04 - 0,045 kmol/s, ch$ s h i l u R = 25. - Nhóm các t p vòng quanh: Tháp có 40 -a lý thuy t, o n ch ng g m 10 -a, n ng etanol trong h n h p u kho ng 96%V, R = 35÷ 40. Nh v!y, h n h p nhi u c u t có th tách c trong h th ng tinh ch theo các nhóm các c u t có hành vi t ng t nhau. Có th xu t nguyên t(c tách h n h p nhi u c u t theo nhóm sau ây: 3.2. Nguyên t&c tách h n h p nhi u c u t theo nhóm Theo nguyên t(c này, a ra cs tách h n h p nhi u c u t c n th c hi n các b c sau ây: 1. Ch n c u t chính. 2. Nghiên c u hành vi c a các c u t trong h , t& ó phân lo i các c u t trong h thành các nhóm c u t . 3. Nghiên c u các y u t nh h %ng n hành vi c a t&ng nhóm c u t trong tháp ch ng luy n. xu t ch tách h p lý cho các nhóm c u t . 3.3. ng d ng mô hình t ng quát c a tháp ch ng luy n 3.3.1. Phân tích s tách c s g m 3 tháp ây là s tinh ch ang c s d ng t i Công ty C ph n c n r u Hà N i (hình 3-33).
H + COL1: Tháp thô + COL2: Tháp an ehyt + COL3: B YZ ThápJ tinh%4 ch @ MIX 1 B YZ + DEC: ThiJ t b %4phân '. [l :p[@ H2O-1 D2 B YZ J %4 @ COL2 + F: B V\Nguyên J ]li 2*u 4(d1 m.?4@ chín) 5 P1 + P1ST: B J S n ph0:; m etanol . /0 7tinh$ ch ^ @ D1 + FU:B _ `D J u `fusel 1 4 a [ ' . $ ]@ COL3 D3 B J VM0 0![.@ COL1 P2 + D3:B V JEtanol công \ ' .$ nghi p /4@ HS2 2 B2 P1ST DEC HX1 F FU 3 FUSEL HS3 HS1 B1 B3 P3 REC 4 Hình 3-33. S h th ng ch ng luy n g m 3 tháplàm vi c áp su t th ng Các k t qu xác nh phân b n ng c a các c u t trong các tháp c th hi n trên các th hình 3-37, 3-38, 3-40. 0,012 0,0008 met anol 0,0007 0,01 axit axet ic n- pr opanol 0,0006 0,008 iso pr opanol iso propanol x, ph n mol 0,0005 iso but anol 0,006 2 pent anol 0,0004 glyxer ol 0,0003 0,004 et yl axet at iso amyl ancohol 0,0002 0,002 0,0001 0 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 a t nh n áy at nh n áy Hình 3-37. Phân b n ng c a các Hình 3-38. Phân b n ng c a c u t iso c u t trong tháp COL2. propanol trong tháp COL2 - Nh v!y, trong tháp COL2 nhóm t p 0,05 0,045 ch t u luôn t!p trung trên $nh tháp 0,04 0,035 n-propanol iso butanol 2 pentanol và c tách ra (hình 3-37) t i ây. 0,03 iso am yl ancohol x, ph n mol 0,025 H n h p d u fusel t!p trung t i khu 0,02 0,015 v c gi'a tháp, g n -a ti p li u (hình 3- 0,01 0,005 40). T p ch t iso propanol ch a c 0 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 at nh n áy tách tri t trong tháp này (hình 3-38). Hình 3-40. Phân b n ng c a các c u t chính trong h n h p d u fusel trong tháp tinh ch COL3 3.3.2. ng d ng mô hình t ng quát c a tháp ch ng luy n t ng h p các s tinh ch g m 4, 5, 6 tháp ch ng luy n. Trong các s này, tháp COL4 có nhi m v tách t p ch t vòng quanh metanol. Khi n ng su t c a h l n, dòng FUSEL s+ c a i tách ti p l y s n ph m ph là h n h p d u fusel. Tinh ch h n h p d u fusel c ti n hành trong tháp fusel COL5. Tháp
R COL6 thu h i c n t& h n h p c n u c s d ng khi n ng su t c a h th ng l n. 3.3.3. T ng h p s tinh ch g m 6 tháp có dòng tu n hoàn (hình 3-44) Dòng c n thu h i c cho quay tháp COL2 tinh ch . S 6 tháp này áp ng y các yêu c u v ch t l ng c a dòng s n ph m ph là d u fusel và nâng cao hi u su t thu h i c n t& h n h p c n u khi công su t l n. 14 ! 13 COL6 B1 20 8 7 MIX2 P7 11 D2 10 D4 COL5 MIX1 COL4 21 H2O-1 B1 COL2 D3 5 P1 D1 1 COL3 6 22 COL1 P2 P4 P2RD HS2 2 40 B2 P1ST F DEC HX1 HX2 HS3 FU HS1 3 B3 FUSEL 39 P6 P3 REC 4 B YZ J %4 @ + COL1: Tháp thô B YZ J %4 '. [ : [@ B J+ COL6:0:;Tháp. thu / 0 h 7 i etanol $ ^ @ B YZ J %4 @ B_ ` J ` 4 a (0 [ :. $ $ ]@ + COL2: Tháp an B ehyt YZ J %4 $ ] .K E %4 [ ' .@ B +J DEC:VM0Thi0 ![.@ t b phân l p + P1ST: S n ph m etanol tinh ch B YZ J '4 $ [ b0![. BV J \ ' .$ /4@ + COL3: Tháp tinh ch B YZF J %4 0 c $c B _ +CVJ F: Nguyên ` 4 ali u (d (0 m[ chín) :. $ ($ $ ] .K + FU: D u fusel B V\ BV J c @ + COL4: Tháp tinh ch J l i– ] 2* 4 tháp metanol1 .?4@ + D3: etanol công nghi p + P2RD: S n ph m etanol tinh ch l i + COL5: Tháp tinh ch fusel + D4: C n hôi Hình 3-44. S tinh ch g m 6 tháp có dòng tu n hoàn B ng 3-12. Thành ph n các dòng v t li u chính trong s tinh ch g m 6 tháp , làm vi c áp su t th ng, có k t n i dòng tu n hoàn. Dòng (F) S n ph'm (P1RD) d(u fusel (22) S n ph'm (P2RD) C u t (ph n mol) etanol 0,0637 0,8809 0,8793 0,8804 n c 0,936 0,1184 0,1203 0,11924 metanol 4,43E-02 2,87E-02 1,00E-05 1,00E-05 axit axetic 1,03E-02 1,95E-13 2,62E-15 2,13E-15 n-propanol 2,80E-02 9,60E-07 1,71E-06 1,11E-06 iso-propanol 2,81E-02 3,95E-04 4,05E-04 4,06E-04 iso-butanol 2,50E-05 1,26E-06 2,59E-08 1,51E-08 iso amyl ancohol 9,73E-02 2,62E-12 4,78E-12 3,06E-12 2-pentanol 2,46E-02 3,63E-10 8,19E-10 4,44E-10 glyxerol 3,15E-02 0 0 0 etyl axetat 5,00E-05 2,97E-07 2,68E-23 2,71E-23 L ul ng, kmol/s 0,5 0,02999 0,0292 0,0293 Nhi t , oC 65 79,21 131,3 86,4