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
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (906.12 KB, 27 trang )
TR
B GIÁO D C VÀ ÀO T O
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
NH N
ETANOL - N
C B NG PH
C VÀ CÁC T P CH T
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
ih
ng
i h c Bách Khoa Hà N i.
PGS. TS Nguy n H u Tùng.
ng d n khoa h c:
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
h p t i tr
Vào h i
c b o v tr
ng
cH i
ng ch m lu n án c p Tr
i h c Bách Khoa Hà N i
gi
ngày
Có th tham kh o lu n án t i:
-
Th vi n Qu c gia Vi t Nam
tháng
n m 2010
ng
M
1. Tính c p thi t c a
U
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
khi t cao c n thi t ph i phân tách riêng các c u t có trong h . Ph
ph bi n nh t
d ng ph
tách các h này chính là ph
ng pháp ch ng luy n
tinh
ng pháp
ng pháp ch ng luy n. Khi áp
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
nh , ho c khi trong h t o các h n h p
ph i k t h p nhi u ph
bay h i t
ng phí.
ng
i c a các c u t
tách các h này th
ng
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
+ S l trình tách l n, nên vi c
a ra
i nhi t.
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
gi m tiêu hao nguyên v!t li u và n ng l
ng là v n
u t cho h th ng thi t b ,
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
nhi u c u t .
phân tích và t ng h p các l trình tách h n h p l ng
5. #ng d ng mô hình
t b"ng ph
3.
it
ti n hành t i u các h th ng tách h n h p nhi u c u
ng pháp ch ng luy n theo ch$ tiêu n ng l
ng nghiên c u c a
ng tiêu t n.
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
và các c u t
c
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
tra
và ki m
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
chi u cao c a tháp ch ng luy n b"ng ph
c a m t s t p ch t theo
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
b n dùng
phân tích s
c
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
h n h p l ng nhi u c u t g m 6 tháp tinh ch làm vi c % áp su t th
tách
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
1.
tài
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
ra nguyên t(c chia nhóm các c u t
3.
ã
a
có trong h thành các nhóm c u t .
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
thu!n l i cho vi c tìm ph
4.
ã
ng tách c n ph i kh o sát, vì v!y t o i u ki n
ng án tách h p lý.
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
ph
c và các c u t t p ch t nh!n
c b"ng
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
tính trên m t
ng cao và gi m
c tiêu hao n ng l
ng
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
là các dung d ch nh!n
và các c u t t p ch t.
ng g p trong th c t s n xu t
c b"ng các quá trình lên men, nh h etanol - n
c
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
thành các h n h p
u b!c cao. Trong h có kh n ng t o
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
ch ng luy n và t
ng ng t
ng ng là (n-1) thi t b
$nh tháp. Khi ó, s l
l n và n ng l
ng ph i có (n-1) tháp
un sôi áy tháp và (n-1) thi t b
ng thi t b ph i s d ng trong s
tách khá
ng tiêu t n cho quá trình tách c)ng s+ r t l n.
Tách h n h p nhi u c u t b"ng ch ng luy n có th th c hi n theo nhi u
l trình tách khác nhau.
i v i h dung d ch g m 3 c u t thì s
ít nh t là 2 tháp và s+ có 3 ph
ng án tách. Cho h n h p 4 c u t , s l trình
tách s+ là 22, cho h n h p 5 c u t , s l trình tách lên
khi h có nhi u c u t , s l
tách s+ có
n 119 [23]. Nh v!y,
ng các l trình tách s+ r t l n và quá trình tính
toán s+ r t ph c t p.
1.3. T i u hoá quá trình phân tách h nhi u c u t
gi m kinh phí
n ng l
ng tiêu t n
có th s l
u t cho h th ng thi t b tách c)ng nh nh"m gi m
th c hi n quá trình tách, c n thi t ph i gi m
ng tháp ch ng luy n trong s
.
Khi t i u hoá quá trình c n ph i tính
bi n
ng c a giá n ng l
trên m t
ng nên l
n v s n ph m) ã
trình tinh ch , tiêu hao n ng l
nm c
n nhi u ch$ tiêu. Tuy nhiên do
ng h i
t tiêu t n cho quá trình (tính
c l a ch n làm ch$ tiêu t i u. Trong quá
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,
cao c n ph i t ng h p
t
c hi u su t s d ng nhi t
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
b ng ph
nh cân b ng pha l ng – h i c a h dung d ch nhi u c u t
ng pháp th c nghi m.
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
nhi u khó kh n và có
2.1.1.2. Xác
ã ti n hành thi t k và ch t o b thi t b
ng g p r t
chính xác không cao.
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
ho t
nh cân b"ng l ng – h i
u có nhi m v xác
c a c u t i trong pha l ng γ
!" #
$%$
! $&'
($ )%$ *
. /0 $1 23
4 ' .5
6
$&' $%$ / ' $70 " ,-
)0:; ,< $
= >
= +
% $1 23
.5
nh h s
+' ,- $%$ !
($ $84
8
9
4 ' $&' $%$ / $ 4 1 .?4 .5
6
@
!
"#$%&' ()*
+
,
-
)
.
/
Theo mô hình cân b"ng pha UNIFAC, h s ho t
ph n t h p và ph n d :
ln γ iC = ln
0 1
bao g m hai ph n:
(2-5)
. γ A . γ B . γC
φi
+
xi
θ
φ
Z
qi ln i + li − i
2
φi
xi
!
D EFG
x jl j
"# $
[
v k(i ) ln Γk − ln Γk(i )
ln γ iR =
]
D EHG
k
B ΓI ΓID G J / !
N0 $70 " ,-
. ΓI = Q I
0
K
L
4 M
$&'
I
0
*$
*$ $ O $ P' $70 " @
−.
1: ψ nm = exp( −
θ ψ
I
−
anm
) ,? ' J
T
D ERG
θ ψI
θ ψ
!
%$
D ESG
F
%$
!
,- '
$%$ ! . /0 $1 23
$&'
($ )%$ *
$ O +' ,-
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
0,0
1
0,1
P = 50mmHg
0,2
0,7
0,8
0,9
1,0
0,8
0,9
1,0
y
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
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0,0
1,0
P = 3103 mmHg
th
,
, , 1 2 34 (5
1 7
#
:
(
/ 0&
3%& ' ;
+ , ,
/ =& >
,
#
P
(at)
0,6
0,9
y
0,8
1,84
0,5
P = 1396mmHg
0,9
<
0,4
1,0
1,0
'ì
0,3
,
:
(2)
0,3
0,4
0,5
, 34 # 8
?;% + , ,
yTN
(3)
0,6
0,7
P =4654 mmHg
6 !7 , 34 # 8 9* ,
* + , ,
$ ,
&
(5
6 !7
* ?/%
@(
x
(1)
0,2
,
J
$ ,
, 1 2 34
(?=%
0,1
(1)
(2)
9* ,
$ ,
, 1
&
Sai s
%
yMH
(3)
7
(1)
(2)
(3)
(1)
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
4,09
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
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
(?=%
@( B
?/%
x
(1)
, 34 # 8
* ?;% + 9C
yTN
(2)
(3)
9* , , 1
(5 &
yMH
(1)
(2)
(3)
(1)
7
Sai s (%)
(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
:
(?=%
#
x
#
6 !7 , 34
(?/% )
#
8
(?;%
9* , , 1
* ?0%&
yTN
yMH
7
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
v i các s li u th c nghi m là 9%), và có th
quá trình ch ng luy n dùng
2.1.1.2.3 2
(?/% #
c t& mô hình
c s d ng
tính toán các
phân tách h nhi u c u t .
( -
3
(?;% )
( ?0%
4 n * ?=%
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+
t
c ki m ch ng m t cách gián ti p khi ki m ch ng s
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
Gj
nguyên lý các dòng vào và dòng
ra c a m t b!c cân b"ng pha ( -a lý thuy t)
c th hi n trên hình 2-5. Mô hình t ng
quát c a tháp ch ng luy n s+ g m N b!c
cân b"ng pha k t n i v i nhau b"ng các
dòng v!t ch t và các dòng n ng l
Fj
SG,j
yi,j, tj, Pj
zi,j, tj, Pj
Lj-1
xi,j-1, tj-1, Pj-1
Qj
B!c j
xi,j-1, tj-1, Pj-1
yi,j+1, tj+1, Pj+1
Gj+1
ng.
Hình 2-5. S
SL,j
Lj
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
b n ng
, phân
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
cân b"ng nhi t l
a. Các ph
ng trình cân b"ng v!t ch t, cân b"ng pha và
ng cho m t b!c cân b"ng:
Cho c u t i = 1...k và b!c th j:
ng trình cân b ng v t ch t
Lj-1 . xi,j-1 + Gj+1 . yi,j+1 + Fj . zi,j - (Lj + SL,j ) . xi,j - (Gj + SG,j ) . yi,j = 0
b. Các ph
ng trình cân b ng pha
(2-10)
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:
c. Ph
y i , j − 1 .0 = 0
xi , j − 1 . 0 = 0
i =1
i =1
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
i a s các tr
ng h p, h ph
ng
ng trình c a h ph
ng
ng trình MESH. Trong
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
trình MESH c a tháp ch ng luy n có th
c a tháp b"ng ph
c gi i
ng th i cho t t c các -a
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
h etanol - n
2.2.1. Các ph
c và các t p ch t nh!n
o t0 tr ng VW
tr
ng
ng pháp lên men.
etanol
c xác
nh b"ng thi t
XX, t i phòng thí nghi m công ngh l c d u và xúc tác,
i H c Bách Khoa Hà N i. N ng
nh b"ng ph
ký, Tr
c b"ng ph
ng pháp phân tích. N ng
b
xác
ti n hành thí nghi m ki m ch ng là
các c u t có n ng
th p
c
ng pháp s(c ký khí, t i Trung tâm ào t o và phát tri n s(c
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
a th c t c a tháp ch ng luy n. Tháp dùng
trên các
là tháp lo i -a l có ng ch y truy n,
ti n hành thí nghi m
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
0.9
88
EF G A
EF G A
7
,
20
30
#
8
#
0.8
86
9
0.7
84
56 7 8
56 7 8
0.6
0.5
0.4
82
80
0.3
EF G A
EF G A
0.2
0.1
10
,
7
20
30
#
78
8
#
40
76
50
60
70
80
0
10
Hình 2-8. Phân b n ng etanol theo chi u
cao tháp
n ng
iso-propanol theo MH
n ng
iso-propanol theo TN
mg/l
100
40
50
60
70
Hình 2-9. Phân b nhi t
chi u cao tháp
mg/l
n
N ng
ng
ng
Nn ng
ethyl
etyl acetat
axetattheo
theoMH
MH
80
theo
ethylaxetat
acetat theoTN
theo TN
etyl
1400
1200
80
1000
60
800
40
600
20
400
200
0
1
6
11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81
-a $nh 1 áy
Hình 2-11. Phân b n ng iso propanol
theo chi u cao tháp
0
1
11
21
Các k t qu trên c)ng cho th y mô hình UNIFAC
hình MESH có
31
41
51
-a $nh 1 áy
61
71
81
Hình 2-12. Phân b n ng etyl axetat
theo chi u cao tháp
c s d ng
l!p mô
tin c!y cao. S phù h p c a mô hình MESH c a tháp ch ng
luy n nhi u c u t cho phép s d ng mô hình này cho các nghiên c u ti p
theo.
CH
NG 3 - K"T QU# NGHIÊN C U
3.1. Nghiên c u phân lo$i các nhóm c u t trong h n h p etanol - n
s n xu t b ng ph
c
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
các t p ch t lên men t& tinh b t và r$
3.1.1.2. Phân b n%ng
c-
ng.
c a các t$p ch t theo chi u cao c a tháp ch ng
luy n trong quá trình tinh ch
3.1.1.2.1. Phân b n ng
c a các t p ch t cho h dung d ch lên men t r
ng. Ti n hành thí nghi m trong tháp thí nghi m lo i chóp,
= 50 mm, s
-a th c t NTT = 11 -a. H n h p etanol-n
ng kính Φ
c có n ng
u
10% và 70% th tích. L y m*u trên các -a 1, 3, 5, 7, 9, 11 (tính t& trên
xu ng). N ng
c a các t p ch t metanol, n-propanol, isobutanol, iso amyl
ancohol, etyl axetat
105.025
58.571
235.825
96.087
!
XX
XX
XX
th bi u di.n phân b n ng
205.103
102.97
10%
31.748
475.24
18.459
305.018
X
312.773
87.059
21.706
11.061
332.606
70%
X
* +, - "
'
#$ % &
10%
38.392
333.934
X
S
R
H
F
)
21.425
63.269
c.(
a metanol
70%
!
'
* +, - "
8.496
13.203
(
)
th bi u di.n phân b n ng
c a n propanol
9.547
X
S
R
H
F
ng pháp s(c ký khí. Các k t qu
c th hi n trên hình 3-3.
th bi u di.n phân b n ng
#$ % &
nh b"ng ph
(
th c nghi m
c xác
XX
1.989
X
XX
! "
X
XX
XX
th bi u di.n phân b n ng
0 axetat
(
(
c /a etyl
XX
XX
! "
c a iso
12 amyl
0 ancohol
F
70.047
* +, - "
'
70%
89.86
10.947
2.986
70%
)
10%
2.19
19.079
9.63
(
2107.278
325.625
(
20.575
28.04
!
'
194.715
# $ % &
)
X
S
R
H
F
10109.325
!
#$ % &
* +, - "
2270.528
X
X
XXX
Hình 3-3. Các
XXX
FXXX
RXXX
XXXX
XXX
! "
72.093
10%
8.68
X
X
X
X
FX
RX
! "
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
c u t
s+
c th c hi n d a vào mô
hình t ng quát c a tháp ch ng luy n.
3.1.2.
áy 1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12
$nh
Hình 3-4.
th bi u di n phân b n ng
metanol trong tháp tinh ch c n.
ng d ng mô hình t ng quát c a tháp ch ng luy n ! nghiên c u
hành vi c a m t s c u t trong h
3.1.2.1. Nghiên c u hành vi và các y u t
u
su t khí quy n. Dòng h n h p
c
ng
n hành vi c a các
c th c hi n trong tháp mô hình g m 40
c u t etyl axetat, an ehyt axetic.
-a lý thuy t, h n h p
nh h
a vào tháp % -a th 31, tháp làm vi c % áp
75oC và áp su t 2 atm. H n h p
u có nhi t
u có thành ph n các c u t : etyl axetat: 5.10-5, an ehyt axetic: 5.10-5 ph n
mol và có n ng
etanol khác nhau.
Các k t qu cho th y hành vi c a các c u t trên ph thu c vào n ng
etanol trong h n h p
u và vào ch$ 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 $nh tháp.
3.1.2.2. Nghiên c u hành vi và các y u t
nh h
t axit axetic. Các nghiên c u cho th y n ng
h %ng
n hành vi c a c u
etanol và ch$ s h i l u ít nh
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
c u t
ng
nh h
ng
n hành vi c a các
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
t này
tc c
etanol và n ng
i t i -a th 28 tính t& trên xu ng (hình 3-16).
-3
2.5
-3
x 10
6
x 10
XF=0.05
XF=0.1
2
XF=0.1
XF=0.2
4
XF=0.2
56 7 8
1.5
56 7 8
c a các c u
XF=0.3
1
XF=0.05
XF=0.3
2
0.5
0
5
10
15
20
25
30
35
0
40
5
10
15
20
(a)
0.02
30
35
40
0.02
XF=0.05
XF=0.05
0.015
0.015
XF=0.2
XF=0.1
0.01
XF=0.1
56 7 8
56 7 8
25
(b)
0.005
XF=0.2
0.01
0.005
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0
5
10
15
20
(c)
25
30
35
40
(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).
0.009
0.006
0.008
0.007
0.004
X, ph n mole
X, Phân mol
0.005
0.003
0.002
0.006
0.005
0.004
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
10
90
15
20
25
30
35
40
45
Ch s
Ch s h i l u: R
Hình 3-19. nh h ng c a ch s h i
l u t i phân b n ng n-propanol trong
d u fusel
50
55
60
65
70
75
80
85
90
h i l u: R
Hình 3-20. nh h ng c a c a ch s
h i l u t i phân b n ng c a isobutanol trong d u fusel
0.035
0.0002
0.03
0.00018
0.025
0.00014
X, Ph n Mol
x, ph n mol
0.00016
0.00012
0.0001
0.00008
0.00006
0.02
0.015
0.01
0.00004
0.005
0.00002
0
10
15
20
25
30
35
40
45
Ch s
50
h i l
55
60
65
70
75
80
85
90
u: R
0
10
15
20
25
30
35
40
45
Ch s
Hình 3-21. nh h ng c a ch s h i l u
t i phân b n ng iso-propanol trong
d u fusel.
50
55
60
65
70
75
80
85
90
h i l u: R
Hình 3-22. nh h ng c a ch s h i
l u t i phân b n ng iso amyl
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
fusel th
Iso Amylic
ng t!p trung t i
gi'a tháp kho ng g n v trí
iso Butanol
56 7 8
-a ti p li u.
0.01
1 - Propanol
0.005
iso - Propanol
0
15
20
25
30
35
40
a
V trí
y dòng%fusel
:;
<.=l >?
/9
Hình 3-23. nh h
ng c a v trí l y d u Fusel t i n ng
d u fusel.
3.1.2.4. Nghiên c u hành vi và các y u t
t metanol. Nghiên c u
nh h
các t p ch t trong h n h p
ng
n hành vi c a c u
c th c hi n trong tháp mô hình g m 40 -a lý
u F = 1(kmol/s), 60oC,
thuy t ( o n ch ng: 10 -a), P = 1bar, h n h p
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
26, 3-27). Nh v!y
m b o ch t l
ch ng luy n % n ng
etanol g n i m
etanol l n trên $nh (hình 3-
ng cao c a s n ph m, có th ti n hành
ng phí c a nó v i n
(XF=0,89 ph n mol) và l y s n ph m % áy tháp (vùng n ng
2.5
x 10
-3
14
x 10
c, XF=96 %V
metanol th p).
-4
R=3.5
12
2
XF=0.03
XF=0.09
1
XF=0.01
8
6
2
0
10
R=5
4
0.5
0
R=4
R=3
B
56 7 8
XF=0.05
5 2@!9
67 8
10
1.5
20
30
40
50
Hình 3-26. Phân b n ng metanol
t i R = 3,5, xF(Metanol) = 7.10-5, các n ng
xFetanol khác nhau
0
0.2
0.4
5%@A
B
0.6
67 8
0.8
1
Hình 3-27. Quan h gi a n ng
metanol
nh tháp và n ng etanol
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
0,0006
c u t
x, ph n mol
tháp g m 83 -a, 11 -a o n
ch ng, t0 s
D/F = 0,4105,
metanol có th xu t
hi n c % trên $nh và d
metanol
0,0007
nh, (xetanol = 0,12 ph n mol,
0,0005
0,0004
0,0003
0,0002
0,0001
i
0
1
áy tháp (hình 3-27b).
5
9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81
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
etanol t i m i n ng
u: có h s bay h i K l n h n so v i h s bay h i c a
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
etanol t i m i n ng
bay h i th
ng xuyên nh h n
bay h i c a
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:
n ng
etanol. Khi n ng
này nh h n
bay h i c a các c u t c a nhóm này ph thu c vào
etanol cao,
bay h i c a etanol. Ng
h i c a các c u t này l i l n h n
bay h i c a các c u t c a nhóm
c l i, khi n ng
etanol nh ,
bay
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
nh ng theo chi u ng
bay h i thay
i theo n ng
c a etanol
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
n ng
etanol nh ,
bay h i c a etanol. Khi
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 $nh ho c %
d
i áy c a tháp ch ng luy n tu2 theo n ng
etanol trong h n h p.
F
Các k t qu nghiên c u v các y u t
nhóm c u t
ã cho phép
- Nhóm t p ch t
xu t ch
nh h %ng
n hành vi c a các
tách t&ng nhóm c u t nh sau:
u: Tháp g m 25-30 -a, c p li u % -a 12 -15. N ng
etanol vào tháp t& 0,2 – 0,25 ph n mol. Ch$ 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
theo các nhóm các c u t có hành vi t
c trong h th ng tinh ch
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,
hi n các b
a ra
cs
tách h n h p nhi u c u t c n th c
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
tháp ch ng luy n.
3.3.
nh h %ng
xu t ch
n hành vi c a t&ng nhóm c u t trong
tách h p lý cho các nhóm c u t .
ng d ng mô hình t ng quát c a tháp ch ng luy n
3.3.1. Phân tích s
ây là s
N i (hình 3-33).
tách c s g m 3 tháp
tinh ch
ang
c s d ng t i Công ty C ph n c n r
u Hà
H
+ COL1: Tháp thô
+ COL2: Tháp an ehyt
+ COL3:
Tháp
B YZ
J tinh
%4 ch @
B YZ
'. [l :p[@
+ DEC:
ThiJ t b %4phân
B YZ J
%4
@
+ F: B V\Nguyên
chín)
J
]li 2*u 4(d1 m.?4@
+ P1ST:
m etanol
B J S n ph0:;
. /0 7tinh$ ch
^ @
4 a [ ' .
$ ]@
+ FU:B _ `D J u `fusel
B
J
VM0 0![.@
+ D3:B V JEtanol
công
nghi
p
\ ' .$
/4@
MIX 1
H2O-1
D2
COL2
5
P1
D1
1
COL3
D3
P2
COL1
2
HS2
P1ST
B2
DEC
HX1
F
FU
3
FUSEL
HS3
HS1
B3
B1
P3
REC
4
Hình 3-33. S
h th ng ch ng luy n g m 3 tháplàm vi c
Các k t qu xác
nh phân b n ng
th hi n trên các
áp su t th
ng
c a các c u t trong các tháp
c
th hình 3-37, 3-38, 3-40.
0,0008
0,012
met anol
0,0007
axit axet ic
0,01
0,0006
n- pr opanol
0,008
x, ph n mol
iso pr opanol
iso but anol
0,006
2 pent anol
glyxer ol
0,004
iso propanol
0,0005
0,0004
0,0003
et yl axet at
0,0002
iso amyl ancohol
0,002
0,0001
0
0
1
3
5
7
9
11
13
a t
15
nh
17
n
19
21
23
25
27
1
29
3
5
7
9
11
áy
13
at
Hình 3-37. Phân b n ng c a các
c u t trong tháp COL2.
và
c tách ra (hình 3-37) t i
ây.
H n h p d u fusel t!p trung t i khu
19
21
23
25
27
29
n áy
0,05
0,045
n-propanol
0,04
iso butanol
0,035
x, ph n mol
u luôn t!p trung trên $nh tháp
17
nh
Hình 3-38. Phân b n ng c a c u t iso
propanol trong tháp COL2
- Nh v!y, trong tháp COL2 nhóm t p
ch t
15
2 pentanol
0,03
iso am yl ancohol
0,025
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
tách tri t
c
0
1
5
9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81
trong tháp này (hình 3-38).
at
nh
n áy
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.
s
ng d ng mô hình t ng quát c a tháp ch ng luy n
tinh ch g m 4, 5, 6 tháp ch ng luy n. Trong các s
t ng h p các
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
Tinh ch h n h p d u fusel
l y s n ph m ph là 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
áp ng
y
c cho quay tháp COL2
các yêu c u v ch t l
tinh ch . S
6 tháp này
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
MIX2
7
D2
COL4
MIX1
H2O-1
P7
11
10
D4
COL5
21
B1
COL2
D3
5
D1
P1
1
COL3
6
P2
COL1
HS2
P4
22
P2RD
2
40
P1ST
B2
F
DEC
HX1
HS3
HS1
B3
FU
FUSEL
YZ J
B YZ J
+ COL3: Tháp tinh
ch
B YZF J
+ COL4: Tháp
B V\
tinh
ch J
l i–
%4
@
%4 '. [ : [@
%4
@
%4
$ ] .K E %4
'4
$ [ b0![.
%4 0 c $c
]
2*
4
1 .?4@
tháp metanol
[
+ COL5: Tháp tinh ch fusel
'
P6
39
P3
REC
B
+ COL1: Tháp thô
B YZ J
B YZ J
+ COL2: Tháp an
B ehyt
YZ J
HX2
3
4
.@
Tháp. thu
B J+ COL6:0:;
/ 0 h 7 i etanol
$ ^ @
B_ ` J ` 4 a
(0 [ :. $
$ ]@
t b phân l p
+
B +J DEC:
VM0Thi0 ![.@
BV J
\ ' .$
/4@
F: Nguyên
B _ +CVJ
` 4 ali u (d
(0 m
[ chín)
:. $
($
$ ] .K +
BV J
c
@
+ D3: etanol công nghi p
P1ST: S n ph m etanol tinh ch
FU: D u fusel
+ P2RD: S n ph m etanol tinh ch l i
+ 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
su t th ng, có k t n i dòng tu n hoàn.
áp
Dòng
C u t (ph n mol)
(F)
etanol
0,0637
0,8809
0,8793
0,8804
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
n
c
S n ph'm (P1RD)
d(u fusel (22)
S n ph'm (P2RD)
L ul
ng, kmol/s
0,5
0,02999
0,0292
0,0293
Nhi t
, oC
65
79,21
131,3
86,4
S
3.4.
ng d ng mô hình t ng quát c a tháp ch ng luy n ! t ng h p s
tách có k t n i dòng nhi t nh m gi m n)ng l
3.4.1. Nguyên t!c t ng h p s
gi m l
ng h i
%
ng tiêu hao
tách có k t n i dòng nhi t
t tiêu t n c n ti n hành kh o sát ch
làm vi c c a
các tháp % các áp su t làm vi c khác nhau, và ti n hành l a ch n áp su t làm
vi c h p lý cho t&ng tháp c)ng nh k t n i các tháp trong s
các dòng liên k t v!t li u và liên k t nhi t.
tinh ch b"ng
gi i mô hình c a h th ng có
liên k t nhi t c n ph i có thu!t toán thích h p cho các h l n.
3.4.2.
ng d ng thu t toán gi i h l"n
nghiên c u t ng h p các s
tinh ch có k t n i nhi t gi#a các tháp
3.4.2.1. Thu t toán gi i h l"n (hình 3-45):
B
Tháp 1
c 1: Ng(t các dòng v!t li u liên k t gi'a
Tháp 2
các tháp.
B
`
c 2: Tính l n l
t t&ng tháp ch ng luy n
b"ng các thu!t toán ã ch n
MESH và l y các thông s
gi i mô hình
u ra c a tháp
tr
c làm các thông s
B
c 3: Ki m tra s h i t c a thu!t toán
theo ch$ tiêu:
u vào cho tháp sau.
Tháp m
`
(S – Sm)/S < 3
S yeucau − Stinhtoan ≤ ε .
/ ây thông s S là dòng ra c a tháp cu i
K t qu
cùng
c cho tu n hoàn v s
theo yêu
c u công ngh .
Hình 3-45. S
kh i c a thu t toán gi i h
3.4.2.2. Tính toán ki m tra s
tinh ch c n có k t n i nhi t t i Công ty c
ph n mía
ng Lam S n. Các tháp c a s
này làm vi c % các áp su t
khác nhau (hình 3-46). Các k t qu tính toán
c th hi n trên các hình 3-50,
3-53, 3-56, 3-57, 3-60. Các k t qu cho th y nhi t
$nh và áy c a tháp
T533, là tháp nâng cao n ng
và tách m t ph n h n h p d u fusel, phù h p
v i th c t s n xu t. Phân b n ng
c a các t p ch t và k t qu tính toán
thành ph n c a các dòng v!t li u c)ng cho th y l y t p ch t propanol t i -a
47-55 và fusel t i -a 37-45 khá h p lý. Dòng s n ph m áp ng y
các
yêu c u v n ng
c a các t p ch t trung gian.
l n
X
Q3
Q
3
19
E1
Q
E4
GIAM
H20
Q1
Q5
Q6
V1
COL1
E12
Q
16
Q
21
D1
F2
P4
E5
9
E3
P2
D5
D4
D3
F4
P3
E2
P1
COL5
COL4
COL3
COL2
F1
F3
P3
FUSS
2
P2
SPLIT
Q
PIST
B4
B2
HEM
Q2
Hình 3-46. Mô hình s
Q4
tinh ch 5 tháp theo s
c a Công ty c ph n mía
Thanh Hoá
4,00E-04
0,025
n-butanol
3,50E-04
iso butanol
3,00E-04
an ehyt axetic
0,02
iso amyl ancohol
2,50E-04
x, p h n m o l
x , ph n m ol
ng Lam S n
etyl axetat
0,015
n propanol
2,00E-04
1,50E-04
0,01
0,005
1,00E-04
5,00E-05
0
0,00E+00
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59
1
4
7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67
at
at
nh n áy
Hình 3-50. Phân b n ng
n-butanol, iso
butanol, iso amyl ancohol, n-propanol trong tháp
nâng cao n ng T533 theo mô hình.
Hình 3-53. Phân b n ng
an ehyt axetic,
etyl axetat trong tháp pha loãng T552 theo mô
hình.
Trong tháp pha loãng T552, các t p ch t
trung trên $nh tháp (hình 3-53) và
tháp. K t qu nh!n
Phân b n ng
nh n áy
u an ehyt axetic, etyl axetat t!p
c tách ra kh i h n h p % trên $nh
c t& mô hình phù h p v i th c t s n xu t.
n-propanol, iso amyl ancohol trong tháp tinh ch T557
(hình 3-56, 3-57) cho th y vi c l y dòng n propanol t i -a 32-42, d u fusel
t i -a 57-47 khá phù h p v i th c t .
3,00E-05
2,00E-05
iso amyl ancohol
1,50E-05
1,00E-05
5,00E-06
0,00E+00
1
5
9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77
at
nh
n áy
Hình 3-56, 3-57. Phân b n ng
x, p h n m o l
x, ph n mol
2,50E-05
4,50E-08
4,00E-08
3,50E-08
3,00E-08
2,50E-08
2,00E-08
1,50E-08
1,00E-08
5,00E-09
0,00E+00
n propanol
1
5
9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77
at
nh
n áy
c a iso amyl ancohol, n-propanol trong tháp tinh ch T557
Theo phân b n ng
(hình 3-60),
0,1
trong tháp tách metanol T566, metanol
x, ph n m ol
t!p trung trên
metanol
0,08
$nh tháp nên dòng
metanol tách ra % $nh tháp là h p lý.
0,06
0,04
0,02
0
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61
a tính t
nh
n áy
Hình 3-60. Phân b metanol trong tháp metanol T566
Các k t qu tính toán theo mô hình cho th y ch
làm vi c th c t c a
t&ng tháp hoàn toàn phù h p v i quy trình tách t p ch t theo nhóm. Nh v!y
có th kh ng
nh áp d ng nguyên t(c tách theo nhóm ã t o i u ki n thu!n
l i cho vi c ti n hành phân tích các s
3.4.2.3. T ng h p m t s s
tách h n h p nhi u c u t ph c t p.
tách v"i hi u su t s d ng n$ng l
ng cao
Nguyên t!c l a ch%n áp su t làm vi c c a các tháp tinh ch
Tháp thô COL1 luôn s d ng h i
không
t tr c ti p và làm vi c % áp su t chân
tránh óng c n trên các -a. Tháp an ehyt COL2 nên
áp su t d do dòng h i % trên $nh l n và l
ch COL3 nên
ng l ng h i l u nh . Tháp tinh
làm vi c % áp su t chân không
c n th c ph m. Tháp COL4 nên
làm vi c %
mb oh
ng và v c a
làm vi c % áp su t d do có n ng su t h i
% trên $nh l n. Tháp COL5 c)ng nên làm vi c % áp su t d do nhi t
h n h p d u fusel nh!n
th
c % s
c a
tách g m 6 tháp làm vi c % áp su t
o
ng khá cao (131 C). Tháp COL6 nên làm vi c % áp su t chân không do ã
c b sung dòng n
c u thay
c nóng 90oC. T& các nh!n xét trên, s+ ti n hành nghiên
i áp su t làm vi c c a t&ng tháp, l a ch n áp su t làm vi c h p lý
và k t n i nhi t gi'a các tháp (b ng 3-31, 3-32).
a. Ph
ng án k t n i nhi t 1: ch$ k t n i nhi t cho các tháp COL4 và COL3
B ng 3-31. Các thông s làm vi c c a các tháp theo các áp su t làm vi c ã ch!n
Ph ng án 1
P, bar
Nhi t
$nh, oC
Nhi t ng ng t , MW
Nhi t
áy, oC
trong ph ng án 1.
COL1
COL2
COL3
0,7
2,4
0,5
70,702 101,552
61,081
-3,3054 -0,2006 -6,6436
89,593 110,893
81,017
COL4
1,5
88,1898
-7,65
94,7909
COL5
3
115,64
-0,0237
128,03
COL6
1
60,1362
-0,6298
63,5054
H i
t, kmol/s
0,1
0,954
Nhi t un sôi áy tháp, MW
Ph
5,7
7,7858
0,0246
0,604
ng án này cho th y ch$ có th s d ng h i $nh tháp c a tháp COL4
gia nhi t cho áy tháp COL3, l
ti n hành t ng h p s
b. Ph
ng nhi t ti t ki m
theo ph
c ch a nhi u vì v!y, s+
ng án th 2.
ng án k t n i nhi t 2:
23
37
50
22
SPL2
D4
MIX3
3
COL6
14
20
HTX1
53
Q
COL4
36
D3
15
9
19
40
D2
COL2
18
Q
Q
30
COL3
MIX2
10
COL1
6
35
P4
D1
MIX1
5
P1ST
P1
SP
2B2
1
F
HTX3
33
DEC
34
FU
17
26
B1
SPL1
SPL3
Q
RE
41
HS1
7
B3
COL5
21
4
8
25
32
P2
Q
FUSEL
Q
42
Hình 3-66. S
6 tháp làm vi c các áp su t khác nhau và có k t n i nhi t gi a các
tháp theo ph ng án k t n i nhi t 2
B ng 3-32. Các thông s làm vi c c a các tháp trong s
hình 3-67 theo các áp su t
làm vi c ã ch!n trong ph ng án 2.
Ph ng án 2
P, bar
Nhi t
$nh, oC
Nhi t ng ng t , MW
Nhi t
áy, oC
H i t, kmol/s
Nhi t un sôi áy tháp, MW
COL1
0,7
70,7
-3,3047
89,6
0,1
COL2
1,5
88,2
-0,257
97,1
COL3
0,6
65,2
-6,6436
85,5
COL4
1,5
88,2
-6,2502
88,3
0,6109
6,2502
6,3424
Theo các k t qu nghiên c u % trên, ph
ph
ng án này, l
COL4, COL5. L
ng h i
etanol
n
c
t tiêu t n c a ph
COL6
0,5
60,6
-0,6314
63
0,6113
0,604
c l a ch n. /
ng án 2 là: 2,76 kg h i/kg s n
ng cao.
ng c a các dòng s n ph"m xác
Dòng
C ut
3
113,1
-0,6109
123,9
ng nhi t tiêu t n s+ ch$ dùng c p nhi t cho áy tháp COL1,
ph m c n 96%V ch t l
B ng 3-33. Ch t l
ng án 2 s+
COL5
SP
nh
c theo s
40
C n thu h i
(ph n mol)
trên hình 3-66
FUSEL
D u fusel
0,8776
0,5018
2,42E-05
0,122
0,4973
0,4791
metanol
axit axetic
n propanol
iso propanol
iso butanol
iso amyl ancohol
2 pentanol
1,22E-05
6,69E-04
1,19E-06
1,78E-14
2,90E-10
2,35E-06
4,12E-06
4,49E-05
0,0013
4,10E-04
1,97E-04
5,81E-10
1,44E-07
3,01E-05
0,0399
1,04E-11
1,11E-06
0,2820
1,19E-08
1,31E-05
0,1976
0
0
2,82E-11
2,01E-20
3,44E-06
0
0,028
0,0116
4,34E-05
88,3
63
124
glyxerol
etyl axetat
L u l ng, kmol/s
Nhi t
, oC
K"T LU*N
1.
ã l a ch n và ki m tra
c mô hình cân b"ng pha l ng-h i UNIFAC cho
h hai và nhi u c u t . Mô hình này ã
c ki m tra theo các s li u th c
nghi m c a các h dung d ch hai c u t , ba c u t % các áp su t khác nhau, các
h có hai pha l ng và các h b n c u t . Các k t qu ki m tra cho th y mô
hình có
tin c!y cao.
2. Trên c s% mô hình cân b"ng pha UNIFAC, ã ti n hành xây d ng
hình t ng quát c a tháp ch ng luy n nhi u c u t .
t
c mô
ã ti n hành ki m tra s
ng thích c a mô hình t ng quát c a tháp ch ng luy n b"ng th c nghi m
trên h etanol - n
c và các c u t t p ch t s n xu t b"ng ph
ng pháp lên
men. Các k t qu cho th y mô hình phù h p r t t t v i th c nghi m, vì v!y có
th s d ng mô hình này cho các nghiên c u cho các h khác nhau.
3.
ã ti n hành nghiên c u hành vi c a các t p ch t trong h etanol - n
các c u t t p ch t b"ng ph
c-
ng pháp th c nghi m. Các k t qu cho th y trong
dung d ch th c nhi u c u t , các c u t có hành vi r t ph c t p và r t khó d
oán tr
kh n v
c
c b"ng các ph
i u ki n th c nghi m cho h dung d ch ph c t p nên các nghiên c u
ti p theo s+
c ti n hành b"ng ph
tháp ch ng luy n ã
4.
ng pháp lý thuy t. Do có các h n ch và khó
ng pháp s d ng mô hình t ng quát c a
c ki m ch ng.
ã ti n hành nghiên c u hành vi c a các t p ch t trong h etanol - n
c và
các c u t t p ch t d a vào mô hình t ng quát c a tháp ch ng luy n. Các k t
qu nghiên c u cho phép chia các c u t c a h etanol - n
c và các c u t t p
