Thiết kế hệ thống chưng cất ethanol từ rơm rạ với năng suất 10000 kgh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐH NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
    

ĐỀ TÀI

GVHD: TH.S NGUYỄN THANH PHƯƠNG
SINH VIÊN THỰC HIỆN:
LÊ KIM XUÂN

19139209

PHẠM VĂN TẤN

19139144

NGUYỄN BÍCH TRÂM

19139172

LƯƠNG HUỲNH KHOA

19139063

NGƠ HUỲNH HUYỀN TRÂN

19139175

TP HỒ CHÍ MINH 2022


Đồ án Cơng Nghệ Hóa Học

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH…………………………………………….……………………………….....5
DANH MỤC BẢNG……………………………………………………………….....……………6
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................7
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN .........................................................................................9
I.

THỰC TRẠNG HIỆN NAY: .............................................................................9

II.

ĐẶT VẤN ĐỀ:................................................................................................10

1. Nhiên liệu sinh học. ............................................................................................11
1.1. Khái niệm về nhiên liệu sinh học (biofuel). ..................................................11
1.2. Nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học. ....................................................11
2. Kết luận: ..........................................................................................................13
III. TỔNG QUAN VỀ ETHANOL VÀ NGUYÊN LIỆU RƠM, RẠ TRONG
SẢN XUẤT ETHANOL. .........................................................................................14
3.1. Tổng quan về Bioethanol: ................................................................................14
3.1.1. Khái niệm: .................................................................................................14
3.2. Tổng quan về nguyên liệu rơm, rạ trong sản xuất Ethanol. ............................18
3.2.1. Tổng quan về nguyên liệu: ........................................................................18
3.2.2. Cấu trúc rơm rạ: .......................................................................................19
IV. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIO-ETHANOL: ................20

4.1. Tình hình sản xuất và sử dụng Bio- ethanol trên thế giới: .............................20
4.2. Các phương pháp sản xuất Bio-ethanol. .........................................................20
4.3. Sơ lược về phương pháp chưng cất được sử dụng trong sản xuất Ethanol từ
rơm, rạ. ...................................................................................................................21
4.3.1. Khái niệm quá trình chưng cất..................................................................21
4.3.2. Các phương pháp chưng cất. ....................................................................21
4.3.3. Đặc điểm quá trình chưng cất. ..................................................................22
4.3.4. Các thiết bị sử dụng. .................................................................................23
4.4.1 Quy trình chi tiết cơng nghệ sản xuất Bioethanol từ rơm, rạ ...................25
5. Thuyết minh quy trình. ...................................................................................26
5.1.

Giai đoạn tiền xử lý. ..................................................................................26

5.2.

Giai đoạn thuỷ phân. .................................................................................31

5.3.

Lên men. ....................................................................................................36

5.4. Chưng cất. ....................................................................................................37

Trang 2


Đồ án Cơng Nghệ Hóa Học

6. Cơ sở tính tốn công nghệ chưng luyện liên tục hỗn hợp hai cấu tử Ethanol

– Nước. ...................................................................................................................37
6.1. Cân bằng pha. ..............................................................................................37
6.2.

Cân bằng vật liệu. .....................................................................................38

CHƯƠNG II: TÍNH TỐN HỆ THỐNG CHƯNG CẤT ETHANOL TỪ RƠM RẠ
NĂNG SUẤT 10000KG/H ..........................................................................................42
I. Cân bằng vật chất – Cân bằng năng lượng:.......................................................42
1. Cân bằng vật chất. ..............................................................................................42
1.1

Các thơng số ban đầu:...............................................................................42

1.2 Xác định tỷ số hồn lưu thích hợp. ................................................................44
2. Phương trình đường làm việc – số mâm lý thuyết. .......................................45
2.1.

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất ................................45

2.2.

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng. ..........................45

2.3

Số mâm lý thuyết........................................................................................45

2.4. Xác định số mâm thực tế - Biểu đồ chưng cất. .............................................46
3. Tính tốn các thiết bị chính. ...........................................................................47

3.1. Đường kính tháp: .........................................................................................47
3.2 Trở lực của tháp ............................................................................................53
3.3 Tính tốn thân tháp. ......................................................................................60
3.4 Tính tốn đáy và nắp thiết bị. ........................................................................63
4. Đường kính ống dẫn, bích ghép các ống dẫn. .................................................65
4.1 Ống nhập liệu ................................................................................................65
4.2 Ống hơi ở đỉnh tháp. .....................................................................................65
4.3 Ống hoàn lưu .................................................................................................66
4.4 Ống dẫn hơi vào đáy tháp .............................................................................67
4.5. Ống lỏng đi ra đáy tháp. .............................................................................68
5.Tính tốn thiết bị phụ trợ ...................................................................................68
5.1 Cân bằng năng lượng ....................................................................................68
5.2 Thiết bị đun sôi đáy tháp ...............................................................................68
5.3

Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh...............................................................77

5.4 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh .................................................................83
5.5 Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu ..................................................................88
5.6 Bồn cao vị ......................................................................................................94

Trang 3


Đồ án Cơng Nghệ Hóa Học

5.7

Bơm ...........................................................................................................98

CHƯƠNG III. QUY TRÌNH CHẾ TẠO, LẮP RÁP VÀ VẬN HÀNH THÁP
CHƯNG CẤT.............................................................................................................102
4.1 Quy trình chế tạo tháp chưng cất .....................................................................102
4.1.1 Chế tạo chân tháp ........................................................................................102
4.1.2 Chế tạo đáy và nắp thiết bị: .........................................................................103
4.2 Quy trình lắp ráp tháp chưng cất: ...................................................................103
4.3 Quy trình vận hành thiết bị..............................................................................104
4.3.1 Công tác chuẩn bị.....................................................................................104
4.3.2 Công tác vận hành....................................................................................104
4.3.3 Ngừng hệ thống khi gặp sự cố. .................................................................105
4.3.4 Xử lý các sự cố trong vận hành ................................................................105
CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN KINH TẾ ..................................................................106
5.1 Tính tốn giá thành thiết bị cho hệ thống chưng cất ......................................106
5.1.1 Lượng Thép sử dụng cho hệ thống tháp. .....................................................106
5.1.2. Uớc tính giá thành cho hệ thống chưng cất ..............................................110
5.2 Tính tốn tiền điện và ngun liệu đầu vào .....................................................110
5.2.1 Tính tốn tiền điện .......................................................................................110
5.2.2 Tính tốn tiền ngun liệu đầu vào.............................................................111
5.3 Tính tốn lợi nhuận cho nhà máy . ..................................................................111
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................114

Trang 4


Đồ án Cơng Nghệ Hóa Học

DANH MỤC HÌNH
Hình 1. Mơi trường khơng khí và đất, nước đang bị ơ nhiễm trầm trọng .......................9
Hình 2. Những lợi ích của ngun liệu sinh học ...........................................................10
Hình 3. Cơng thức cấu tạo Ethanol ...............................................................................14

Hình 4. Một số ứng dụng của Ethanol ..........................................................................17
Hình 5. Rơm, rạ từ cây lúa sau khi thu hoạch ...............................................................19
Hình 6 Cấu trúc của rơm, rạ .........................................................................................19
Hình 7. Rơm, rạ sau khi nghiền .....................................................................................26
Hình 8. Mơ tả cơ chế q trình nổ hơi ..........................................................................28
Hình 9. Fufural ..............................................................................................................29
Hình 10. Hydroxymethyl fufural ....................................................................................29
Hình 11. Cấu trúc sợi trước và sau khi nổ hơi ..............................................................29
Hình 12. Mơ tả khả năng làm tăng kích thước lỗ xốp trong xơ sợi ..............................29
Hình 13. Tác dụng của từng enzym trong cellulase ......................................................33
Hình 14. Quá trình thuỷ phân Xellulose bằng enzym Cellulase ...................................35
Hình 15. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp kinh tế nhất ...............................................40
Hình 16. Quy trình cơng nghệ chưng cất Ethanol tổng qt ........................................41
Hình 17. Đồ thị biểu diễn cân bằng lỏng - hơi của hỗn hợp Ethanol - Nước ...............43
Hình 18. Đồ thị xác định số mâm lý thuyết ...................................................................45

Trang 5


Đồ án Cơng Nghệ Hóa Học

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Thống kê sản lượng lúa cả nước từ năm 2010 đến 2020 .................................18
Bảng 2. Thành phần hóa học có trong rơm, rạ .............................................................19
Bảng 3. So sánh ưu nhược điểm của một số loại tháp ..................................................23
Bảng 4. Thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Ethanol - Nước

ở

760 mmHg......................................................................................................................43

Bảng 5. Các kích thước của chân đỡ .............................................................................63
Bảng 6. Các kích thước của tai treo ..............................................................................63
Bảng 7. Các thơng số bích ghép tương ứng từng đường kính .......................................64
Bảng 8. Các thơng số bích ghép tương ứng đường kính ống nhập liệu ........................65
Bảng 9. Các thơng số bích ghép tương ứng với đường kính ống dẫn hơi đỉnh tháp ....66
Bảng 10. Các thơng số bích ghép tương ứng với đường kính của ống hồn lưu. ........67
Bảng 11. Các thơng số bích ghép tương ứng đường kính ống dẫn hơi vào đáy tháp ...67
Bảng 12. Các thơng số bích ghép tương ứng đường kính ống dẫn hơi ra đáy tháp .....68
Bảng 13. Quy trình các bước chế tạo thân tháp chưng cất .........................................102
Bảng 14. Quy trình các bước chế tạo đáy và nắp tháp chưng cất ..............................103
Bảng 15. Xử lý các sự cố trong vận hành....................................................................105
Bảng 16. Bảng ước tính giá thành vật liệu cho thiết kế hệ thống ...............................110

Trang 6


Đồ án Cơng Nghệ Hóa Học

LỜI CẢM ƠN
Bằng tấm lịng biết ơn đầy sâu sắc, tập thể nhóm xin được gửi lời cám ơn chân thành
đến thầy ThS Nguyễn Thanh Phương đã hướng dẫn tận tình, cùng với những kiến thức
thiết thực mới mẻ, nâng cao sự hiểu biết và tạo điều kiện để chúng em có cơ hội làm
việc nhóm nâng cao kỹ năng mềm từ đó rút ra nhiều bài học, kinh nghiệm giúp ích cho
cơng việc tương lai sau này.
Đây sẽ là những kiến thức bổ ích sẽ hỗ trợ tốt trên những chặn đường phía trước rất
nhiều. Chúng em xin kính chúc thầy sức khỏe vững bền, đạt nhiều thành công trong
công việc và cuộc sống. Một lần nữa hai tiếng “cảm ơn” đầy sâu sắc của tập thể nhóm
xin được gửi đến Thầy.
Bài báo cáo này được hoàn thành là sự nổ lực của từng cá nhân trong nhóm và cùng
sự nhiệt huyết từ thầy. Dẫu vậy! Với kiến thức của bản thân còn hạn chế khó tránh khỏi

những sự thiếu sót, rất mong nhận được sự cảm thơng và đóng góp đủ đầy để bản thân
mỗi thành viên trong nhóm ngày càng được hồn thiện bản thân mình hơn trên con
đường học tập phía trước.
Tập thể nhóm xin chân thành cảm ơn!

Trang 7


Đồ án Cơng Nghệ Hóa Học

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
Giáo viên hướng dẫn ký tên

Trang 8


Đồ án Cơng Nghệ Hóa Học

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
I. THỰC TRẠNG HIỆN NAY:
Hầu hết tất cả hoạt động trong đời sống, sản xuất đều sử dụng nguồn nhiên liệu hóa
thạch. Cùng với sự phát triển của nền khoa học kỹ thuật ngày một tiên tiến nên việc sử
dụng nguồn nhiên liệu ngày một gia tăng. Dầu mỏ và khí đốt chiếm 60% đến 80% nguồn
năng lượng thế giới.
Với tình hình giá cả xăng dầu trên thế giới hiện nay ngày một leo thang ảnh hưởng
đến kinh tế của nền sản xuất của nước ta. Bên cạnh đó là sự hồi phục các hoạt động sản
xuất, kinh doanh sau một khoảng thời gian dài bị ảnh hưởng bởi dịch Covid-19 nên nhu
cầu năng lượng là cực kì lớn.
 Nguồn tài nguyên thiên nhiên của chúng ta hiện nay đang bị thu hẹp cả về số
lượng và chất lượng.
+ Dầu là một nguồn tài nguyên thiên nhiên là một nguồn tài nguyên không thể tái
tạo, tốc độ tiêu thụ như hiện tại, lượng dự trữ dầu trên toàn thế giới sẽ tiếp tục giảm và
các nguồn dầu có thể chỉ đủ trong 30-40 năm nữa.
Chất lượng khơng khí đang bị ơ nhiễm đến mức phải báo động, trong đó sự ơ nhiễm
khơng khí do khí thải phát ra từ q trình cháy nhiên liệu hóa thạch là chủ yếu.
- Ơ nhiễm mơi trường ảnh hưởng nghiêm trọng đến đa dạng sinh học, sự cân bằng
của hệ sinh thái, biến đổi khí hậu, suy giảm, cạn kiệt nguồn tài nguyên, … Bên cạnh đó,
nó cịn gây thiệt hại cho mỹ quan đơ thị, ảnh hưởng đến kinh tế và sự phát triển của đất
nước.

Hình 1. Mơi trường khơng khí và đất, nước đang bị ô nhiễm trầm trọng

Trang 9

Đồ án Cơng Nghệ Hóa Học

II. ĐẶT VẤN ĐỀ:
Việc đốt các nhiên liệu hóa thạch, khí thải từ các nhà máy và các ngành cơng nghiệp,
khai thác mỏ, khói và hóa chất độc hại là một số nguyên nhân hàng đầu gây ơ nhiễm
khơng khí. Trước tình trạng ơ nhiễm môi trường đã và đang là một vấn đề nan giải tồn
cầu. Đồng thời nhiên liệu khí đốt từ hóa thạch ngày càng trở nên cạn kiệt và khan hiếm,
giá xăng dầu hiện nay đang ở mốc leo thang, giá cả thị trường nhiên liêu bất ổn định.
Chính vì lẽ đó việc tìm tịi và nghiên cứu một nguồn ngun liệu mới để thay thế là
vấn đề qua trọng và cấp thiết. Trong những năm gần đây, một loại nhiên liệu đã và đang
được nghiên cứu và áp dụng vào một số lĩnh vực nhất định và có xu hướng phổ biến
từng ngày, nó có những điểm nổi bật tích cực khác xa với các nguồn năng lượng trước
đó là nguồn năng lượng sinh học.

Hình 2. Những lợi ích của nguyên liệu sinh học
Hiện nay nhiên liệu sinh học trên thế giới đang được nghiên cứu và ứng dụng mạnh
mẽ vào đời sống giúp giảm sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Nguyên liệu sản xuất nguyên
liệu sinh học rất đa đang đặt biết có thể sử dụng các phế phẩm nơng nghiệp như trấu,
rơm rạ, bã mía,....
 Rơm rạ rất giàu Lignocellulose bên cạnh đó nước ta là một nước sản xuất lúa gạo
hàng đầu thế giới nên nguồn cung cấp rơm rạ là rất lớn. Tận dụng nguồn rơm rạ phế
phẩm để sản xuất Ethanol sinh học rất tiềm năng, vừa bảo vệ môi trường, không ảnh
hưởng đến an ninh lương thực, đảm bảo tính cân đối an ninh năng lượng, đồng thời thúc

Trang 10


Đồ án Cơng Nghệ Hóa Học

đẩy sự phát triển ở các nước nơng nghiệp ít dầu mỏ có thể tận dụng tiềm năng của quốc
gia.
1. Nhiên liệu sinh học.[10]
1.1. Khái niệm về nhiên liệu sinh học (biofuel).
Nhiên liệu sinh học là loại chất đốt tái tạo sản xuất từ nguyên liệu động thực vật gọi là
sinh khối (biomass).
Nhiên liệu sinh khối vẫn được sử dụng ở Việt Nam và các nước khác trên thế giới
từ ngàn xưa nhưng chỉ với quy mô nhỏ.
Việc sử dụng nhiên liệu sinh khối dạng thơ trong quy mơ cơng nghiệp ít hiệu quả
kinh tế do nhiệt trị nhiên liệu thấp (15 – 18 MJ/kg đối với củi, gỗ và 12 – 15 MJ/kg đối
với rơm, trấu), khối lượng riêng thấp, nguồn cung cấp thiếu tập trung dẫn đến việc vận
chuyển, khai thác và công nghệ sử dụng tương đối khó khăn.
Cần phải qua quá trình chế biến, hay tổng hợp để được các loại nhiên liệu đặc trưng
hay nhiên liệu sinh học.
1.2. Nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học.[10]
Đa dạng, phong phú.
- Nông sản: sắn, ngơ, mía, củ cải đường, ...
- Cây có dầu: lạc, đậu phộng, cây hướng dương, dừa, cọ dầu, ...
- Chất thải dư thừa: sinh khối phế thải rơm rạ, thân cây bắp, gỗ, bã mía, vỏ trấu, ...
- Mỡ cá.
- Tảo.
Tùy theo lợi thế về nguồn nguyên liệu của mỗi quốc gia người ta lại chọn những
loại nguyên liệu phù hợp để sản xuất nhiên liệu sinh học khác nhau.
1.2.1. Phân loại.[10]
Nhiên liệu sinh học có thể ở thể rắn như củi, than củi, thể lỏng (như xăng sinh học,
diesel sinh học) hay thể khí như khí Methane sinh học (biogas).

Trang 11

Đồ án Cơng Nghệ Hóa Học

Hiện nay, hai loại nhiên liệu sinh học được tập trung nghiên cứu sản xuất cũng như
ứng dụng hiệu quả nhiều hơn cho động cơ là nhiên liệu sinh học dạng lỏng và dạng khí.
+ Cồn sinh học (Bioethanol): Là cồn(Ethanol) được sản xuất thông qua quá trình
lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, Cellulose, Lignocellulose. Việc sản xuất cồn
sinh học từ sinh khối và phế thải nông nghiệp hiện được phát triển và là hướng đi có
nhiều triển vọng. [3]
+ Diesel sinh học (Biodiesel): Sản xuất từ các loại dầu sinh học, thường thực hiện
thơng qua q trình chuyển hóa bằng cách cho phản ứng với các loại rượu phổ biến là
Methanol. Diesel sinh học có thể sử dụng thay thế cho diesel có nguồn gốc dầu mỏ.[3]
+ Khí sinh học (biogas): Được tạo ra sau quá trình ủ lên men các loại vật liệu hữu
cơ. Sản phẩm tạo thành ở dạng khí (khí Methane và đồng đẳng khác), có thể dùng làm
nhiên liệu đốt cháy thay cho gas từ dầu mỏ. Sản xuất khí sinh học đã được phát triển từ
khá lâu và đã có nhiều nơi triển khai rộng rãi.
1.2.2. Những lợi ích của việc phát triển nhiên liệu sinh học: [9]
- Loại nhiên liệu này có nhiều ưu điểm nổi bật so với các nhiên liệu truyền thống
(dầu mỏ, than đá...) như thân thiện với môi trường và là nguồn nhiên liệu tái tạo, giúp
giảm sự lệ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch khơng thể tái tạo được.
- Mức độ ô nhiễm môi trường tại các thành phố lớn ở Việt Nam đã ở mức báo động.
Vì vậy, việc sử dụng nhiên liệu sinh học pha vào xăng dầu sẽ góp phần cải thiện ơ nhiễm
mơi trường nhờ giảm thiểu việc tạo ra các loại khí thải có trong các nhiên liệu truyền
thống như CO, CO2, SO2, hạt bụi,... gây hiệu ứng nhà kính.
- Sử dụng nguyên liệu trong q trình sản xuất như (sắn, mía, tảo, ...) cịn góp phần
tạo thảm thực vật xanh giảm ảnh hưởng của bão lũ, xói mịn,...
- Nhiên liệu sinh học phát triển kinh tế nông thôn: Nhờ việc thu mua các nguyên
liệu nông nghiệp giúp cải thiện cuôc sống cho nông dân, rút ngắn khoảng cách phát triển
giữa nông thôn và thành thị.
- Nhiên liệu sinh học góp phần đảm bảo an ninh năng lượng: Phát triển nhiên liệu

sinh học giúp các quốc gia chủ động, không bị lệ thuộc vào vấn đề nhập khẩu nhiên liệu,

Trang 12


Đồ án Cơng Nghệ Hóa Học

đặc biệt với những quốc gia khơng có nguồn dầu mỏ và than đá. Đồng thời, kiềm chế
sự gia tăng giá dầu, ổn đinh tình hình năng lượng cho thế giới.
- Việc phát triển nhiên liệu sinh học trên cơ sở tận dụng các nguồn nguyên liệu sinh
khối khổng lồ và được sản xuất từ nguồn nguyên liệu có thể tái tạo được thật sự là một
lựa chọn ưu tiên trong đảm bảo về vấn đề an ninh năng lượng cho các quốc gia.
2. Kết luận:
Nhận thấy được tiềm năng của việc nghiên cứu và phát triển nguồn nhiên liệu sinh
học. Tập thể nhóm chọn đề tài “Thiết kế hệ thống chưng cất Ethanol từ rơm rạ năng
suất 10000kg/h”. Mục tiêu của Đồ án Công Nghệ Hóa Học này là tính tốn thơng số
liên quan đến nguyên liệu, thiết bị, đường ống và quan trọng nhất là thiết tháp chưng cất
Ethanol với nâng suất 10000kg/h. Đối tượng nghiên cứu là hỗn hợp Ethanol – Nước.
Với các thơng số đã có. Đồng thời phục vụ học tập và định hướng bản thân trên con
đường làm đề tài tốt nghiệp.

Trang 13


Đồ án Cơng Nghệ Hóa Học

III. TỔNG QUAN VỀ ETHANOL VÀ NGUYÊN LIỆU RƠM, RẠ TRONG SẢN
XUẤT ETHANOL.
3.1. Tổng quan về Bioethanol:[8]
3.1.1. Khái niệm:

Ethanol.
Định nghĩa (còn gọi là rượu etylic, cồn etylic hay cồn thực phẩm):
- Ethanol hay còn được gọi là rượu etylic là một ancol đơn chức, no, mạch hở trong
phân tử chứa một nhóm hydroxyl (–OH).
Bioethanol là ethanol được sản xuất từ các nguyên liệu thực vật chứa hàm lượng
sucrose cao, nồng độ tinh bột cao, cellulose với số lượng lớn bằng phương pháp len men
vi sinh thông qua các phản ứng trung gian thủy phân thành đường.


Cấu tạo:[8]
Công thức phân tử thu gọn nhất: C2H6O hoặc C2H5OH
Cơng thức cấu tạo:

Hình 3. Cơng thức cấu tạo Ethanol


Tính chất vật lý: [8]
Rượu etylic là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng,

vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15 độ C) …
Hút ẩm, dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa có màu xanh da trời.
Ancol etylic tan vơ hạn trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay
aldehyde tương ứng là do sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử rượu với nhau và
với nước.

Trang 14


Đồ án Cơng Nghệ Hóa Học

Ethanol là một dung mơi linh hoạt, có thể pha trộn với nước và với các dung môi
hữu cơ khác như axit Axetic, Axeton, Benzen, Cacbon Tetrachlorua, Etylen Glycol…
 Tính chất hóa học: [8]
Tính chất của một rượu đơn chức, no, mạch hở.
- Phản ứng thế với kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ:
2C2H5OH + 2Na  2C2H5ONa + H2
- Phản ứng este hóa (Phản ứng giữa rượu và acid với môi trường là acid sulfuric
đặc nóng).
𝐻2 𝑆𝑂4 ,𝑡 𝑜

C2H5OH + CH3COOH →

CH3COOC2H5 + H2O

- Phản ứng tách nước (trong một phân tử để tạo thành olefin, trong môi trường acid
sulfuric đặc ở 170oC).
𝐻2 𝑆𝑂4 ,170℃

C2H5OH →

C 2 H4 + H 2 O

- Phản ứng tách nước giữa 2 phân tử rượu.
C2H5OH + C2H5OH ⟶ C2H5 – O – C2H5 + H2O
- Phản ứng oxi hóa:
+ Trường hợp 1: Trong mơi trường nhiệt độ cao.
CH3 – CH2 – OH + CuO ⟶ CH3 – CHO + Cu + H2O
+Trường hợp 2: Có xúc tác.
CH3 – CH2 – OH + O2 ⟶ CH3 – COOH + H2O
+Trường hợp 3: nhiệt độ cháy.

𝑡𝑜

C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3 H2O
- Phản ứng tạo ra butadien-1,3 (xúc tác Cu + Al2O3 tại 380-4000C).
2C2H5OH ⟶ CH2 = CH – CH = CH2 + 2H2O + H2
- Phản ứng lên men giấm (oxi hóa rượu etylic 10 độ bằng oxi khơng khí có mặt
men giấm ở nhiệt độ khoảng 250C).
CH3 – CH2 – OH + O2 ⟶ CH3 – COOH + H2O
 Điều chế: [8]
Ethanol 94% “biến tính” được bán trong các chai lọ an toàn để sử dụng trong gia
đình (khơng dùng để uống), được sản xuất bằng cơng nghiệp hóa dầu, thơng qua cơng
nghệ hyđrat hóa êtylen, và theo phương pháp sinh học: bằng cách lên men đường hay

Trang 15


Đồ án Cơng Nghệ Hóa Học

ngũ cốc với men rượu.
 Hydrat hóa etylen:
Ethanol được sử dụng như là nguyên liệu cơng nghiệp và thơng thường nó được sản
xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp hyđrat hóa etylen
bằng xúc tác axit, được trình bày theo phản ứng hóa học sau.
Cho etylen hợp nước ở 3000C áp suất 70 ÷ 80 atm với chất xúc tác là acid wolframic
hoặc acid phosphoric:
H2C = H2C + H2O ⟶ CH3CH2OH
Etylen đầu tiên được hyđrat hóa gián tiếp bằng phản ứng của nó với axit Sulfuric
đậm đặc để tạo ra Etyl Sulfat, sau đó chất này được thủy phân để tạo thành Ethanol và
tái tạo acid Sulfuric:
H2C = CH2 + H2SO4 ⟶ CH3CH2OSO3H

CH3CH2OSO3H + H2O ⟶ CH3CH2OH + H2SO4
 Lên men:
Ethanol để sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng như phần lớn ethanol sử dụng làm
nhiên liệu, được sản xuất bằng cách lên men: khi một số loài men rượu nhất định (quan
trọng nhất là Saccharomyces cerevisiae) chuyển hóa đường trong điều kiện khơng có
oxy (gọi là yếm khí), chúng sản xuất ra Ethanol và Cacbon đioxit CO2. Phản ứng hóa
học tổng quát có thể viết như sau:
C6H12O6 ⟶ 2CH3CH2OH + 2CO2
Q trình ni cấy men rượu theo các điều kiện để sản xuất rượu được gọi là ủ rượu.
Men rượu có thể phát triển trong sự hiện diện của khoảng 20% rượu, nhưng nồng độ của
rượu trong các sản phẩm cuối cùng có thể tăng lên nhờ chưng cất.
Về tiềm năng, Glucose để lên men thành Ethanol có thể thu được từ Xenlulose (rơm,
rạ hoặc phụ phẩm nơng nghiệp).
Việc thực hiện cơng nghệ này có thể giúp chuyển hóa một loại các phế thải và phụ
phẩm nơng nghiệp chứa nhiều Xenlulose, chẳng hạn lõi ngô, rơm, rạ hay mùn cưa thành
các nguồn năng lượng tái sinh.
 Phản ứng thủy phân Xellulose gồm các bước. [8]
- Bước 1: Thủy phân Xenlulose thành Mantose dưới tác dụng của men Amylaza.
𝑀𝑒𝑛 𝐴𝑚𝑦𝑙𝑎𝑧𝑒

(C6H10O5)n →

Trang 16

C12H22O11


Đồ án Cơng Nghệ Hóa Học

- Bước 2: Thủy phân tiếp Mantose thành Glucose hoặc Fructose dưới tác dụng

của men Mantaza.
𝑀𝑒𝑛 𝑚𝑎𝑛𝑡𝑎𝑧𝑎

C12H22O11 →

C6 H12 O6

- Bước 3: Phản ứng lên men rượu có xúc tác.
𝑥𝑡
C6H12O6 → C2H5OH + 2CO2
 Ứng dụng của Ethanol: [4]
+ Để điều chế các loại rượu uống nói riêng và các đồ uống có Ethanol nói chung,
người ta chỉ dùng sản phẩm của quá trình lên men rượu các sản phẩm nông nghiệp như:
gạo, ngô, sắn, lúa mạch, quả nho. Trong một số trường hợp còn phải tinh chế loại bỏ các
chất độc hại đối với cơ thể.
+ Được dùng làm nguyên liệu sản xuất các hợp chất khác như: đietyl ete, axit axetic,
etyl axetat, làm dung môi pha chế vecni, dược phẩm, nước hoa, …
+ Làm nhiên liệu, dùng cho đèn cồn trong phịng thí nghiệm, dùng thay xăng làm
nhiên liệu cho động cơ đốt trong….
+ Xăng sinh học là hỗn hợp được pha trộn theo tỷ lệ xác định giữa ethanol và xăng.
Một số loại xăng sinh học đang được sử dụng trên thế giới như E5, E10, E85,...
Ở Việt Nam, chỉ mới đưa ra thị trường loại xăng E5 do công ty PVoil cung cấp.
Xăng sinh học E5 phải đạt chỉ tiêu chất lượng theo TCCS 06:2015/PLX thì được lưu
thơng trên thị trường.
 Hiện nay lượng rơm rạ là một nguồn nguyên liệu phổ biến có ở khắp mọi nơi
trên thế giới với hàm lượng Xellulose cao.

Hình 4. Một số ứng dụng của Ethanol
Trang 17

Đồ án Cơng Nghệ Hóa Học

3.2. Tổng quan về ngun liệu rơm, rạ trong sản xuất Ethanol. [11]
3.2.1. Tổng quan về nguyên liệu:
Nguồn rơm rạ và tình hình rơm, rạ ở Việt Nam:
Hiện nay, lúa gạo đóng vai trị rất quan trọng trong sự phát triển kinh tế và xã hội
của Việt Nam. Theo thống kê của Viên Nghiên cứu Lúa Quốc Tế (IRRI), diện tích lúa
chiếm 82% diên tích đất canh tác ở Việt Nam. Qua đó chúng ta có thể thấy được một
nguồn phế phẩm dồi dào đó chính là rơm rạ. Trung bình 1 tấn gạo thải ra 1,2 tấn rơm rạ.
Sản lượng rơm rạ hàng năm thải ra khoảng 57 triệu tấn. Số lượng thống kê được trình
bày theo bảng bên dưới.
Năm

Sản lượng (triệu tấn)

2010

40

2011

42,3

2012

43,7

2013

44,1

2014

45

2015

45,1

2016

43,6

2017

42,84

2018

43,98

2019

43,45

2020

42,69

Bảng 1. Thống kê sản lượng lúa cả nước từ năm 2010 đến 2020
Rơm rạ là phần cịn sót lại sau khi thu hoạch vụ mùa. Thông thường, người nông
dân thường tập trung lại thành đồng rơm rạ và xử lý bằng phương pháp đốt. Tuy nhiên,
thành phần hóa học của rơm rạ sau khi gặp nhiệt cao sẽ gây ra những vấn đề ô nhiễm
môi trường, ảnh hưởng đến sức khỏe người dân.

Trang 18


Đồ án Cơng Nghệ Hóa Học

Trong những năm gần đây, việc sản xuất ethanol từ nguyên liệu sinh khối như rơm,
rạ, ... đã có kết quả rất khả quan. Nhờ nguồn gốc cây trồng và công nghệ điều chế không
quá phức tạp, loại nhiên liệu này được cho là thích hợp nhất nhằm thay thế nguồn xăng
dầu.

Hình 5. Rơm, rạ từ cây lúa sau khi thu hoạch
3.2.2. Cấu trúc rơm rạ:
Thành phần hóa học của rơm rạ bao gồm các hoạt chất với hàm lượng khác nhau.
Thành phần trong rơm có chứa khoảng 37,4% Licno xenluloza, 44,9% Hemicellulose,
4,9% Lignin và hàm lượng tro silicat cao từ 9 -14%.
Thành phần hoá học của rơm rạ bao gồm 60% xenlulozơ, 14% linhin, khoảng 3,4%
đạm hữu cơ, 1,9% chất béo lipid. Ngoài ra, thành phần dinh dưỡng của rơm khơ cịn
chứa các ngun tố khác như Cacbon 44%, Hydro 5%, Oxy 49%, Nito khoảng 0,92%
cùng hàm lượng rất nhỏ của Photpho, lưu huỳnh và Kali.

Hình 6 Cấu trúc của rơm, rạ

Bảng 2. Thành phần hóa học có trong rơm, rạ
Trang 19

Đồ án Cơng Nghệ Hóa Học

IV. TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT BIO-ETHANOL: [4]
4.1. Tình hình sản xuất và sử dụng Bio- ethanol trên thế giới:[4]
Nhiên liệu pha trộn Ethanol đã được sử dụng tại Hoa Kỳ từ những năm 2006, 2007.
Ở Hoa Kỳ, trên 97% các loại xăng đều chứa 10% Ethanol (E10) và sắp tới sẽ bán các
loại nhiên liệu có tỷ lệ trộn Ethanol cao hơn như E15, E85. Xăng E10 giảm cặn/kết tủa
ở động cơ và hệ thống nhiên liệu. Ethanol trộn trong xăng làm giảm các chất gây ơ
nhiễm gồm Carbon monoxide, khí thải Hydrocarbon và các hạt bụi, giảm hàm lượng
Benzen, hàm lượng lưu huỳnh của xăng, giảm đáng kể lượng khí thải nhà kính của xăng.
Trên thế giới đã sử dụng và sản xuất Ethanol sinh học từ những năm 1970, sản lượng
Ethanol sinh học ngày một tăng dần và đưa vào cuộc sống nhằm giải quyết bài toán xăng
dầu.
Việt Nam cũng đã có nhiều nghiên cứu về sản xuất bio Ethanol từ các phụ phẩm
nơng nghiệp và đã có kết quả khả quan như: “Nghiên cứu sản xuất ethanol từ nhiên liệu
rơm rạ” (Trần Diệu Lý – 2008); “ Nghiên cứu sản xuất Ethanol từ phụ phẩm nông
nghiệp” (Nguyễn Thị Hằng Nga – 2009); “Nghiên cứu điều kiện thủy phân và lên men
Ethanol từ vỏ xoài sử dụng nấm men Saccharomyces cerevisiae” ( Huỳnh Xuân Phong
– 2018).
4.2. Các phương pháp sản xuất Bio-ethanol. [4]
Ethanol có thể sản xuất bằng nhiều phương pháp khác nhau, trong đó có hai phương
pháp cơ bản và phổ biến sau:
Công nghệ sản xuất Ethanol tổng hợp.
Tổng hợp Ethanol có nghĩa là sản xuất Ethanol bằng phương pháp hóa học, trên thế
giới người ta có nhiều sản xuất Ethanol bằng nhiều phương pháp khác nhau. Trong đó
cơng nghệ tổng hợp hóa dầu Ethanol được sản xuất bằng dây chuyền cơng nghệ hydrat
hóa đối với khí Etylen hoặc cơng nghệ Cacbonyl hóa với Methanol.
Hydrat hóa: CH2=CH2 + H2O  C2H5OH

Cacbonyl hóa: CH3OH + CO + H2  C2H5OH + H2O

Trang 20


Đồ án Cơng Nghệ Hóa Học

Cơng nghệ sản xuất Ethanol sinh học:
Cơng nghệ này dựa trên q trình lên men các nguồn hydratcacbon có trong tự nhiên
như: nước quả ép, nước thải men bia, ngô, sắn, mùn, gỗ, rơm rạ,...
(C6H10O5)n + nH2O -> nC6H12O6  2C2H5OH + 2CO2 + Q
Trong q trình sản xuất Ethanol sinh học có thể phân thành 2 công đoạn lên men
nhằm sản xuất Bio - ethanol có nồng độ thấp và cơng đoạn chưng cất – làm khan để sản
xuất Ethanol có nồng độ cao để phối trộn vào xăng.
Hiện nay sản xuất cồn chủ yếu và phổ biến là sản xuất theo phương pháp sinh học.
4.3. Sơ lược về phương pháp chưng cất được sử dụng trong sản xuất Ethanol từ
rơm, rạ. [8]
4.3.1. Khái niệm quá trình chưng cất.
Chưng cất là quá trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu tử riêng
biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khác nhau ở cùng
áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần q trình bay hơi - ngưng tụ, trong đó vật
chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại.
Khác với cơ đặc, chưng cất là q trình trong đó cả dung mơi và chất tan đều bay
hơi, cịn cơ đặc là q trình trong đó chỉ có dung mơi bay hơi.
4.3.2. Các phương pháp chưng cất.
+ Phân loại theo áp suất làm việc: Nguyên tắc của phương pháp này là dựa trên
nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sơi của các cấu tử q cao thì ta sẽ giảm áp suất
làm việc để giảm nhiệt độ sôi của cấu tử, bao gồm các trường hợp áp suất khác nhau:
-

Áp suất thấp.

-

Áp suất thường.

-

Áp suất cao.

+ Phân loại theo nguyên lí làm việc: Gồm chưng cất đơn giản và chưng cất hỗn hợp
hai cấu tử.
- Chưng cất đơn giản:

Trang 21


Đồ án Cơng Nghệ Hóa Học

Phương pháp được sử dụng trong các trường hợp sau:

-

•

Khơng địi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao.

•

Khi nhiệt độ sơi của các cấu tử khác xa nhau.

•

Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử.

•

Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất khơng bay hơi.

Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử:
Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là q trình được

thực hiện liên tục, nghịch dịng, nhều đoạn.
+ Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt nơi đáy tháp: Phương pháp cất nhiệt ở đáy
tháp thường được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước, gồm hai
loại:
-

Cấp nhiệt nơi đáy tháp trực tiếp.

-

Cấp nhiệt nơi đáy tháp gián tiếp.

4.3.3. Đặc điểm quá trình chưng cất. [8]
Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được
bấy nhiêu sản phẩm.
Hỗn hợp đem chưng cất gọi là dòng nhập liệu chứa cấu tử dễ bay hơi và cấu tử khó
bay hơi, thành phần của các cấu tử tùy thuộc vào đặc điểm của nguồn nguyên liệu.
Dòng sản phẩm thu được bằng cách bốc hơi và ngưng tụ gọi là dòng sản phẩm đỉnh

chứa chủ yếu cấu tử dễ bay hơi và một phần rất ít cấu tử khó bay hơi.
Dòng sản phẩm thu được ở đáy ở thiết bị gọi là dòng sản phẩm đáy chứa chủ yếu
cấu tử khó bay hơi và một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi.
Dịng hồn lưu là dịng ngưng tụ ở đỉnh của thiết bị được cấp tuần hoàn trở lại thiết
bị nhằm tăng hiệu suất của quá trình chưng cất. Ngồi ra cịn làm tăng độ tinh khiết của
sản phẩm chứa chủ yếu cấu tử dễ bay hơi và một phần rất ít cấu tử khó bay hơi.
Chú ý: Dịng hồn lưu và dịng sản phẩm đỉnh có các thành phần cấu tử đỉnh hoàn
toàn giống nhau

Trang 22


Đồ án Cơng Nghệ Hóa Học

4.3.4. Các thiết bị sử dụng. [8]
Trong công nghiệp sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có
một yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ
phân tán của lưu chất này vào lưu chất kia. Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ,
đường kính tháp, chiều cao tháp và ứng dụng. Trong đó 2 loại tháp chưng cất thường
dùng là tháp mâm và tháp đệm.
+ Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo
khác nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm pha lỏng và pha
hơi đựơc cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:
-

Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chép dạng: trịn, xú bắp, chữ s…

-

Tháp mâm xun lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (3-12) mm.

+ Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt

bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu
nhiên hay xếp thứ tự.

Ưu điểm

Tháp chêm

Tháp mâm xuyên lỗ

Tháp mâm chóp

Đơn giản,

Hiệu suất tương đối cao,

Hiệu suất cao

trở lực thấp

hoạt động khá ổn định, làm việc với

hoạt động ổn định

Hiệu suất thấp, độ ổn
Nhược điểm

định kém, thiết bị

chất lỏng bẩn
Trở lực khá cao, yêu cầu lắp đặt Cấu tạo phức tạp, trở lực
khắc khe… Lắp đĩa thật phẳng

lớn, không làm việc với

nặng

chất lỏng bẩn

Bảng 3. So sánh ưu nhược điểm của một số loại tháp
 Kết luận: Tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian giữa tháp chêm và tháp
mâm chóp, đáp ứng được nhu cầu như: hiệu suất cao, ổn định.
Qua đó tập thể nhóm chọn tháp chưng cất sử dụng trong bài “Đồ án Cơng Nghệ Hóa
Học” này là tháp mâm xun lỗ. Chưng cất hệ hai cấu tử Ethanol - Nước, ta dùng tháp
mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục ở áp suất thường và cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp.

Trang 23


Đồ án Cơng Nghệ Hóa Học

4.4. Quy trình tổng quan sản xuất Bio - ethanol từ rơm, rạ thu hoạch từ nông trường. [7]

Thu hoạch rơm rạ từ các nông

Xử lý sơ bộ rơm rạ

trường trồng lúa

(cắt ngắn, phơi khô đóng bao, lưu trữ)

Hồ hóa – Đường hóa

Phân hủy
kỵ khí

Nghiền

Chưng cất

Lên men

CO2

Quá trình sản xuất Ethanol

Nước thải

Tách nước

Bã rượu

Phần bã khơ

Đốt lị hơi
hoặc phát điện

Chế biến

Khí sinh
học

Thức ăn cho gia súc,
phân bón

Bán ra thị trường

Xăng
sinh học

Pha trộn

Xăng

Trang 24

Cồn
99.5%


Đồ án Cơng Nghệ Hóa Học

4.4.1 Quy trình chi tiết công nghệ sản xuất Bioethanol từ rơm, rạ

Nguyên
liệu

Chuẩn bị

Tiền xử lí

Nấm men

Thủy phân

Lên men

Chưng cất

Ethanol

Quy trình cơng nghệ sản xuất Bioethanol

Trang 25

Nhân giống