TÍNH TOÁN và THIẾT kế hệ THỐNG CHƯNG cất cồn CÔNG SUẤT 1000 kgh

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TS. Trần Lệ Thu (GVHD)

BÁO CÁO

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT THỰC PHẨM
(Hệ: Đại học chính quy)

Đề tài:
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
CHƯNG CẤT CỒN CÔNG SUẤT 1000 Kg/h
Tên sinh viên
Lý Dự
Phan Trần Anh Huy

Lớp
05DHTP2
05DHTP5

Mã sinh viên
2005140077
2005140215

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 7 NĂM 2017


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong trường Đại học
Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM nói chung và các thầy cô trong khoa Công nghệ
thực phẩm, bộ môn Kỹ thuật thực phẩm nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt
những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong thời gian qua, giúp em hoàn thành
đồ án này.
Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn đến cô TRẦN LỆ THU, cô đã giúp đỡ,
hướng dẫn và giúp em hoàn thiện những thiếu sót trong suốt quá trình thực hiện đồ
án học phần. Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn cô.
Trong quá trình làm đồ án khó tránh khỏi sai sót, rất mong các thầy (cô) bỏ
qua. Đồng thời do chúng em thiếu kiến thức cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn
hạn chế nên bài báo cáo không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được
ý kiến đóng góp thầy cô để em học thêm nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành tốt
hơn bài báo cáo sắp tới.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 7 năm 2017
Sinh viên thực hiện
Lý Dự
Phan Trần Anh Huy

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

MỤC LỤC

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang

ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

MỤC LỤC HÌNH

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

MỞ ĐẦU
Sản xuất thực phẩm ở quy mô công nghiệp luôn đi kèm theo sự cải tiến,
áp dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất, trong đó máy và thiết bị thực phẩm luôn là
ưu tiên hàng đầu của các nhà máy, công ty thực phẩm hiện nay. Để giảm chi phí và
tăng sản lượng và chất lượng của sản phẩm nên các công ty, nhà máy ngày càng chú
trọng đến việc nghiên cứu và cải tiến hệ thống thiết bị của mình hiện đại hơn.
Dựa vào nguồn nguyên liệu giá thành thấp và dồi dào mật rỉ đường, tinh
bột khoai mì, tinh bột sắn ở nước ta. Từ lợi thế đó, ta sử dụng nguồn liệu này để sản
xuất Ethanol. Để phục vụ cho sản xuất quy mô vừa và nhỏ ta thiết kế một hệ thống
chưng cất Ethanol với công suất 1000 Kg/h nhầm đáp ứng nhu cầu sử dụng này.

Mục tiêu của quá trình nghiên cứu này là tính toán thông số liên quan
đến nguyên liệu, thiết bị, đường ống và quan trọng nhất là thiết tháp chưng cất
Ethanol với nâng suất 1000kg/h. Đối tượng nghiên cứu là hỗn hợp Ethanol – Nước.
Với các thông số đã có, dựa vào những tính toán ở trên ta chưng cất Ethanol từ
nồng độ thấp lên nồng độ cao. Phương pháp nghiên cứu là phân tích tổng hợp lý
thuyết và mô hình hóa.
Khi ta thiết kế được một hệ thống chưng cất tối ưu hơn điều đó giúp
công ty giảm được chi phí vận hành cũng như sẽ tạo điều kiện giảm chi phí sản xuất
từ đó kéo theo hạ giá thành sản phẩm xuống giúp cho người tiêu dùng giảm thiểu
chi phí sản phẩm. Ngoài ra nó còn giúp tạo nên nguồn liệu cho các nghành như:
công nghệ thực phẩm và hóa chất, mỹ phẩm, y dược.
Sinh viên thực hiện
Lý Dự
Phan Trần Anh Huy

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

PHẦN MỘT: TỔNG QUAN CHƯNG CẤT
1.1. Cơ sở lý thuyết của thiết bị chưng cất
1.1.1. 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 quá trình bay hơi ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại. Khác với cô
đặc, chưng cất là quá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc
là quá trình trong đó chỉ có dung môi bay hơi.

1.1.2. Đặt điểm quá trình chưng cất
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.
Dòng hoàn lưu là dòng ngưng tụ ở đỉnh của thiết bị được cấp tuần hoàn
trở lại thiết bị nhằm tăng hiệu suất của quá trình chưng cất. Ngoài ra còn 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: Dòng hoàn lưu và dòng sản phẩm đỉnh có các thành phần cấu tử
đỉnh hoàn toàn giống nhau
1.1.3. Các phương pháp chưng cất

-

Phân loại theo áp suất làm việc:
Áp suất thấp
Áp suất thường
Áp suất cao

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang

ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM
Nguyên tắt của phương pháp này là dựa trên nhiệt độ sôi của các cấu tử,
nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta sẽ giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt
độ sôi của cấu tử.

-

Phân loại theo nguyên lí làm việc:
Chưng cất đơn giản
Phương pháp được sử dụng trong các trường hợp sau:

 Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau.
 Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao.
 Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi.
 Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử.
-

Chưng cất hổn hợp hai cấu tử
Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là
quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn.


-

Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt nơi đáy tháp:
Cấp trực tiếp
Cấp gián tiếp
Phương pháp cất nhiệt ở đáy tháp thường được áp dụng trường hợp chất
được tách không tan trong nước.
1.2. Mục đích công nghệ và phạm vi ảnh hưởng

Quá trình chưng cất chủ yếu là khai thác để tách và nâng cao nồng độ của một
cấu tử nào đó trong hỗn hợp. Ví dụ như trong sản xuất ethanol, dịch sau khi lên men
có nồng độ ethanol tương đối thấp (tùy thuộc vào chủng nấm men và thông số kỹ
thuật cũng như phương pháp lên men, nồng độ ethanol có thể đạt giá trị khác nhau,
nhưng thường không vượt quá 20%). Do đó, để thu hồi ethanol nồng độ cao, người
ta thực hiện quá trình chưng cất. Tương tự, trong sản xuất các loại rượu cao độ như
whisky hay cognac, để nâng cao nồng độ ethanol đạt giá trị như mong muốn, quá
trình chưng cất cũng được áp dụng. Quá trình chưng cất còn được sử dụng để thu
hồi các tinh dầu từ các nguồn thực vật khác nhau.
Ngoài ra, quá trình chưng cất có mục đích hoàn thiện. Ví dụ như trong sản
xuất ethanol, dịch lên men chứa khá nhiều tạp chất dễ bay hơi như aldehyde,
ketone, rượu bậc cao, acid hữu cơ… Chúng là các sản phẩm phụ của quá trình lên

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM
men. Trong quá trình chưng cất, người ta sẽ tách các tạp chất này để làm tăng độ
tinh sạch của ethanol thành phẩm.
1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất
-

Quá trình chưng cất chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố sau:
Nguyên liệu: trong quá trình chưng cất, nồng độ các cấu tử trong hỗn hợp ban đầu
là yếu tố cần quan tâm. Nồng độ các cấu tử cần tinh sạch càng thấp, quá trình chưng

-

cất sẽ diễn ra càng phức tạp, năng lượng tiêu hao lớn.
Sự chênh lệch nhiệt độ sôi giữa các cấu tử: sự chênh lệch nhiệt độ sôi của các cấu tử

-

trong hỗ hợp càng lớn, quá trình chưng cất thực hiện càng dễ dàng.
Các tính chất về nhiệt động của nguyên liệu: độ nhớt, nhiệt dung riêng, khả năng

-

dẫn nhiệt, nhiệt hóa hơi… điều có ảnh hưởng đến quá trình chưng cất.
Các thông số công nghệ như nhiệt độ, áp suất…: tùy theo phương pháp thực hiện
quá trình chưng cất mà các thông số công nghệ có ảnh hưởng khác nhau.
1.4. Các thiết bị sử dụng
Trong 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 và ứng dụng, các tháp lớn nhất thường được ứng dụng trong công nghiệp
lọc hoá dầu. Kích thước của tháp: đường kính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất
lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm. Ta khảo sát 2 loại
tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp chêm.
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: tròn, xú bắp, chữ s…
- Tháp mâm xuyên 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.

Bảng 1.1. So sánh ưu nhược điểm của một số loại tháp
Tháp chêm
GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Tháp mâm xuyên lỗ

Tháp mâm chóp
Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM
Hiệu suất tương đối
cao, hoạt động khá ổn
Ưu điểm

Đơn giản, trở lực
thấp

định, làm việc với chất
lỏng bẩn

Hiệu suất cao hoạt
động ổn định
Cấu tạo phức tạp,

Nhược điểm

Hiệu suất thấp, độ Trở lực khá cao, yêu cầu
ổn định kém, thiết lắp đặt khắc khe… Lắp
bị nặng

đĩa thật phẳng

trở lực lớn,
không làm việc
với chất lỏng bẩn

Nhận xét: 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. Nên ta chọn
tháp chưng cất là tháp mâm xuyên lỗ.
 Chưng cất hệ Etanol - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động
liên tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp.
1.4.1. Cấu tạo, nguyên lí hoạt động của thiết bị
Cấu tạo gồm nhiều mâm (tùy thuộc vào nhu cầu), trên mỗi, mâm bố trí
ống chảy truyền, gờ chảy tràn và có rất nhiều lỗ trên trên mâm (đường kính từ 3 ÷
12 mm). Tổng diện tích các lỗ trên mâm chiếm từ 8 ÷ 15% tiết diện tháp. Các lỗ
trên mâm được bố trí trên đỉnh tam giác đều, khoảng cách giữ 2 tâm lỗ vào khoản
2.5 ÷ 5 lần đường kính lỗ. Bề dày mâm thường bằng 0.4 ÷ 0.8 đường kính lỗ nếu
làm bằng thép không rỉ, nếu làm bằng thép carbon hay hợp kim đồng thì bề dày lớn
hơn tỷ lệ trên. Mâm phải được thiết kế và lắp ráp thật phẳng và ngang bằng so với
thiết bị. Đối với những tháp có đường kính quá lớn (hơn 2.4 m), ít dùng mâm xuyên
lỗ vì khi đó chất lỏng sẽ phân phối không đều trên mâm.
Trong tháp mâm xuyên lỗ, pha khí đi từ dưới lên qua các lỗ trên mâm và
phân tán vào lớp chất lỏng chuyển động từ trên xuống, theo các ống chảy truyền.
Tùy theo lượng hơi pha lỏng, khí mà có ba chế độ thủy động:
- Khi vận tốc khí nhỏ hơn thì pha khí đi qua pha lỏng ở dạng từng bọt riêng biệt, phan
lỏng có thể chảy rò qua lỗ trên mâm.
- Khi tăng vận tốc khi lên bằng với pha lỏng thì tháp hoạt động ổn định.
- Khi vận tốc pha khí lớn hơn vận tốc pha lỏng, khí trên mâm sẽ tạo một hỗn hợp
lỏng bọt xáo trộn mạnh trên mâm. Lúc này mâm hoạt động với hiệu suất cao nhất,

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM
nếu tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa sẽ xảy ra hiện tượng khí lôi cuốn chất lỏng
lên mâm trên.
1.4.2. Ưu nhược điểm của thiết bị
- Ưu điểm: chế tạo đơn giản, vệ sinh dễ dàng, trở lực thấp hơn tháp mâm chóp và tiết

kiệm kim loại hơn tháp mâm chóp. Ngoài ra, thiết bị do dễ dàng vệ sinh nên có thể
hoạt động với các chất lỏng bẩn.
- Nhược điểm: yêu cầu khi lắp đặt cao (mâm phải lắp đặt thật phẳng), ít dùng tháp
mâm xuyên lỗ khi đường kính tháp quá 2.4 (m), vì gây ra hiện tượng chất lỏng
không phân bố đều trên mâm.
1.4.3. Ứng dụng của thiết bị trong thực tế
Thiết bị được sử dụng trong các nhà máy quy mô nhỏ cho việc chưng
cất, ví dụ như chưng cất cồn có thể sử dụng tháp mâm xuyên lỗ ngay cả khi khối
lượng nhập liệu lên đến 5000 (Kg/h).
1.5. Giới thiệu nguyên liệu sử dụng
1.5.1. Ethanol
Định nghĩa (còn gọi là rượu etylic, cồn etylic hay cồn thực phẩm):
- Ancol là những hợp chất hữu cơ mà trong phân tử có nhóm hydroxyl
(–OH) liên kết trực tiếp với nguyên tử cacbon no.
- Etanol hay còn được gọi là rượu etylic là một ancol đơn chức, no,
mạch hở trong phân tử chứa một nhóm hydroxyl (–OH).
q Cấu tạo:
Công thức phân tử thu gọn nhất: C2H6O hoặc C2H5OH

Công thức cấu tạo:
q Tính chất vật lý:

Hình 1.2. Công thức cấu tạo Ethanol
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) …

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM
Hút ẩm, dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa có màu xanh da
trời.
Ancol etylic tan vô 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.
Etanol là một dung môi linh hoạt, có thể pha trộn với nước và với các
dung môi hữu cơ khác như axit axetic, axeton, benzen, cacbon tetrachlorua,
cloroform, dietyl ete, etylen glycol…
q Tính chất hóa học:

Tính chất của một rượu đơn chức, no, mạch hở.
-

Phản ứng thế với kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ
2C2H5OH + 2 Na  2C2H5OH Na + H2

-

Phản ứng este hóa (Phản ứng giữa rượu và acid với môi trường là acid sulfuric đặc
nóng).
C2H5OH + CH3COOH CH3COOC2H5 + H2O

-

Phản ứng tách nước (trong một phân tử để tạo thành olefin, trong môi trường acid
sulfuric đặc ở 170oC).
C2H5OH C2H4 + H2O

-

Phản ứng tách nước giữa 2 phân tử rượu
C2H5OH + C2H5OH C2H5 – O – C2H5 + H2O

-

Phản ứng oxi hóa
Trường hợp 1: Trong môi 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

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 không khí có mặt men
giấm ở nhiệt độ khoảng 250C).
CH3 – CH2 – OH + O2 CH3 – COOH + H2O
GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM
q Điều chế:

Etanol 94% “biến tính” được bán trong các chai lọ an toàn để sử dụng
trong gia đình (không dùng để uống), được sản xuất bằng công nghiệp hóa dầu,
thông qua công nghệ hyđrat hóa êtylen, và theo phương pháp sinh học, bằng cách
lên men đường hay ngũ cốc với men rượu.
 Hydrat hóa etylen:
Etanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thông thường nó
được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp hyđrat
hóa etylen bằng xúc tác axít, 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
Trong công nghệ cũ, lần đầu tiên được tiến hành ở mức độ công nghiệp
vào năm 1930 bởi Union Carbide, nhưng ngày nay gần như đã bị loại bỏ thì êtylen
đầu tiên được hyđrat hóa gián tiếp bằng phản ứng của nó với axít sulfuric đậm đặc
để tạo ra êtyl sulfat, sau đó chất này được thủy phân để tạo thành etanol và tái tạo
acid sulfuric:
H2C = CH2 + H2SO4 CH3CH2OSO3H
CH3CH2OSO3H + H2O CH3CH2OH + H2SO4
 Lên men:
Etanol để sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng như phần lớn etanol 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 không có ôxy (gọi là yếm khí), chúng sản xuất ra êtanol và cacbon điôxít
CO2. Phản ứng hóa học tổng quát có thể viết như sau:
C6H12O6 2CH3CH2OH + 2CO2
Quá trình nuôi 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.

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM
Để sản xuất êtanol từ các nguyên liệu chứa tinh bột:
Tinh bột đầu tiên phải được chuyển hóa thành đường. Trong việc ủ men
bia, theo truyền thống nó được tạo ra bằng cách cho hạt nảy mầm hay ủ mạch nha.
Trong quá trình nảy mầm, hạt tạo ra các enzym có chức năng phá vỡ tinh

bột để tạo ra đường.
Để sản xuất êtanol làm nhiên liệu, quá trình thủy phân này của tinh bột
thành glucoza được thực hiện nhanh chóng hơn bằng cách xử lý hạt với axít sulfuric
loãng, enzym nấm amylase, hay là tổ hợp của cả hai phương pháp.
Về tiềm năng, glucoza để lên men thành êtanol có thể thu được từ
xenluloza.
Việc thực hiện công nghệ này có thể giúp chuyển hóa một loại các phế
thải và phụ phẩm nông nghiệp chứa nhiều xenluloza, chẳng hạn lõi ngô, rơm rạ hay
mùn cưa thành các nguồn năng lượng tái sinh.
Cho đến gần đây thì giá thành của các enzym cellulas có thể thủy phân
xenluloza là rất cao. Hãng Iogen ở Canada đã đưa vào vận hành xí nghiệp sản xuất
êtanol trên cơ sở xenluloza đầu tiên vào năm 2004.
Phản ứng thủy phân cellulose gồm các bước.
-

Bước 1: Thủy phân xenluloza thành mantoza dưới tác dụng của men amylaza.
(C6H10O5)n C12H22O11

-

Bước 2: Thủy phân tiếp mantoza thành glucoza hoặc fructoza dưới tác dụng của
men mantaza.
C12H22O11

-

Bước 3: Phản ứng lên men rượu có xúc tác là men zima.
C6H12O6 C2H5OH + 2CO2

q Ứng dụng:

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 phòng thí nghiệm, dùng thay xăng làm nhiên
liệu cho động cơ đốt trong….
Để điều chế các loại rượu uống nói riêng và các đồ uống có etanol nói

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM
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.
1.5.2. Nước
q Cấu tạo:

Công thức phân tử thu gọn nhất: H2O
Công thức cấu tạo:

Hình 1.3. Công thức cấu tạo nước
q Tính chất vật lý:

-

Là chất lỏng, không màu, không mùi, không vị nhưng khối nước dày sẽ có màu
xanh nhạt.

-

Là chất duy nhất mà chúng ta gặp trên trái đất trong điều kiện tự nhiên ở trạng thái
rắn, lỏng, khí.

-

Là một dung môi vạn năng, hòa tan được nhiều muối và các chất khác, hơn bất kì
một chất nào khác.

-

Nước hầu hết ăn mòn các kim loại và phá hoại ngay các thạch cứng nhất, khi đóng
bang nó giãn nở và do đó băng nổi trên nước pha lỏng.

-

Khối lượng phân tử: 18g/mol

-

Khối lượng riêng: d = 1g/ml

-

Nhiệt độ nóng chảy: 00C

-

Nhiệt độ sôi: 1000C

-

Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) và
rất cần thiết cho sự sống. Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hoà tan
nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học

q Tính chất hóa học:

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM
 Tác dụng với kim loại: tạo ra dung dịch bazơ và khí hidro:
2Na + 2H2O 2NaOH + H2
 Tác dụng với oxit bazơ: tạo dung dịch bazơ, làm quỳ tím chuyển sang mày xanh
CaO + 2H2O Ca(OH)2
 Tác dụng với oxit axit: tạo axit tương ứng, làm quỳ tím chuyển sang đỏ.
P2O5 + 3H2O2H3PO4
1.5.3. Hổn hợp Ethanol – nước
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn
hợp Ethanol – Nước ở 760 mmHg . Áp dụng công thức (I.213), trang 256, tài liệu
tham khảo [1]:
Bảng 1.2. Bảng thành phần Ethanol - nước
x

(phần
mol)

y

(phần
33.2 44.2 53.1 57.6 61.4 65.4 69.9 75.3 81.8 89.8 100
mol)

t (oC)

10

20

30

40

50

10090.5 86.5 83.2 81.7 80.8 80

60

70

79.4 79

80

90

100

78.6 78.4 78.4

1.6. Ứng dụng của quá trình chưng cất trong sản xuất thực phẩm
Trong sản xuất thực phẩm, việc chưng cất được ứng dụng để khai thác,
tách và nâng cao nồng độ của một cấu tử trong hỗn hợp. Việc nâng cao nồng độ là
điều đáng quan tâm vì các sản phẩm thực phẩm cần độ tinh khiết cao để đáp ứng
được nhu cầu của nhà sản xuất, người tiêu dùng. Việc nâng cao nồng độ của một
cấu tử giúp ích rất nhiều trong việc sản xuất rượu, đặt biệt là các loại rượu cao độ,
trong đó có một số loại rượu nổi tiếng như whisky, cognac…

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

PHẦN HAI: TÍNH TOÁN VÀ BỐ TRÍ THIẾT BỊ
2.1. Sơ đồ nguyên lí làm việc
2.2. Cân bằng vật chất
2.2.1. Các thông số ban đầu
-

Chọn thiết bị là: Tháp mâm xuyên lỗ, hoạt động liên tục
Khi chưng cất hỗn hợp Ethanol – nước, thì cấu tử dễ bay hơi là Ethanol
Khối lượng phân tử Ethanol: MR = 46 (g/mol), Nước: MN = 18 (g/mol)
Năng suất nhập liệu: GF = 1000 (Kg/h)

Nồng độ phần khối lượng nhập liệu: = 18% phần khối lượng
Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đỉnh: = 90% phần khối lượng
Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đáy: = 2% phần khối lượng
Chọn các thông số:

-

Nhiệt độ nhập liệu: tF = 280C.
Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tD = 320C.
Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: tW = 600C.
Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi.
Các ký hiệu sử dụng:

-

F, D, W, L: suất lượng mol của các dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy,
dòng hoàn lưu, đơn vị (Kmol/h).

-

GF, GD, GW, GL: suất lượng khối lượng của dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản
phẩm đáy, dòng hoàn lưu, đơn vị (Kg/h).

-

xF, xD, xW, xL: nồng độ phẩn mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng của các dòng,
đơn vị (phần khối lượng).

-

: nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng của các dòng, đơn
vị (phần mol).

-

: Nồng độ phần mol của các cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với pha lỏng
của dòng nhập liệu

-

Gh: suất lượng khối lượng hỗn hợp hơi ra khỏi đỉnh thiết bị, đơn vị: (Kg/h)
2.2.2. Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy
Nồng độ phần mol của các dòng: nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản
phẩm đáy. Áp dụng công thức (IX.20), trang 144, tài liệu tham khảo [2]:
GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

•
•
•

= 0.0791 (%mol)
= 0.7788 (%mol)
= 0.0079 (%mol)

Khối lượng trung bình dòng nhập liệu:

• = 0.0791*46 + (1 – 0.0791) * 18

= 20.2148 (Kg/Kgmol)
Gọi
F là lượng nhập liệu ban đầu (phần mol)
= = = 49.4687 (Kmol/h).
Suất lượng mol của các dòng:
Gọi:
D là lượng sản phẩm đỉnh (phần mol)
W là lượng sản phẩm đáy (phần mol)
Áp dụng cân bằng vật chất theo suất lượng khối lượng, và nồng độ phần khối
lượng
Ta có hệ phương trình: Sau khi thay các giá trị có sẵn:
(Kmol/h)
Khối lượng trung bình sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy lần lượt là:
•

=*+ (1-)* = 0.7788*46+(1-0.7788) *18
= 39.8064(Kg/Kmol)
• = *+(1-)*=0.0079*46+(1-0.0079) *18
= 18.2212 (Kg/Kmol)
• = D*= 4.5689 * 39.8064 = 181.8715 (Kg/h)
• = W* = 44.8998 * 18.2212 = 818.1282 (Kg/h)

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

Hình 2.1. Đồ thị biểu diễn cân bằng lỏng - hơi của hỗn hợp Ethanol - Nước

Từ số liệu từ bảng cân bằng lỏng-hơi cho hỗn hợp Ethanol-nước ở 1 atm:
2.2.3. Xác định tỷ số hoàn lưu thích hợp
2.2.3.1.

Tỷ số hoàn lưu tối thiểu

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý
thuyết là vô cực. Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên
liệu, nước và bơm...) là tối thiểu.
Với = 0.0791 tra đồ thị T-x, y ta được = 0.3960
Áp dụng công thức (IX.24), trang 158, tài liệu tham khảo [2]:
Rmin = = = 1.2080
2.2.3.2.

Tỷ số hoàn lưu làm việc

Áp dụng công thức (IX.25A), trang 158, tài liệu tham khảo [2]:
R = 1.3* Rmin + 0.3 = 1.8703
2.2.4. Phương trình đường làm việc – số mâm lý thuyết
2.2.4.1.

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang

ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM
Áp dụng công thức (IX.20), trang 144, tài liệu tham khảo [2]:
y = *x+ = *x + = 0.6516x + 0.2713
2.2.4.2.

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng.

Áp dụng công thức (IX.22), trang 158, tài liệu tham khảo [2]:
(1)
Với
Thay vào (1) ta được:

= 4.4238x – 0.0270
2.2.4.3.

Vẽ đồ thị chưng cất, xác định số mâm lý thuyết

Bước 1: Vẽ đường cân bằng lỏng-hơi của hỗn hợp Ethanol – Nước
Bước 2: Vẽ đường nhập liệu có phương trính x = xF = 0.0791
Bước 3: Vẽ đường làm việc phần cất có phương trình y = 0.6516x +
0.2713 đi qua 2 điểm F (0.0791; 0.3228), D (0.7788; 0.7788).
Bước 4: Vẽ đường làm viêc phần chưng y = 4.4238x – 0.0270 đi qua 2
điểm W (0.0079; 0.0079) và giao điểm F của đường nhập liệu và đường làm việc
phần luyện.
Bước 5: Vẽ các đường bậc thang giới hạn bởi 2 đường làm việc và
đường cân bằng, đếm số bậc thang là số mâm lý thuyết của tháp chưng cất.

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

Hình 2.2. Đồ thị biểu diễn các đường làm việc và số mâm lý thuyết.

Từ đồ thị trên, ta kết luận:
-

Có 3 mâm chưng
Có 7 mâm cất
Có 1 mâm nhập liệu

Vậy số mâm lý thuyết, Nlt = 11
2.2.5. Xác định số mâm thực tế - Biểu đồ chưng cất.
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:
Áp dụng công thức (IX.59), trang 170, tài liệu tham khảo [2]:
Ntt =
• Trong đó: : hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay
•

hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp chất lỏng: = (α, µ)
Ntt: số mâm lý thuyết.
Nlt: số mâm lý thuyết.
• Xác định hiệu suất trung bình của tháp :
Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi:
Áp dụng công thức (IX.61), trang 171, tài liệu tham khảo [2]:
α= *
GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM
Với: x: phần mol của rượu trong pha loãng.
y*: phần mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.
• Tại vị trí nhập liệu:
xF = 0.0791 ta tra đồ thị cân bằng của hệ T-x,y ta được :
αF = * = * =7.6329
Từ = 18% và tF = 88.1720C
Tra tài liệu tham khảo [1] ta được: µ = 0.4016 (Cp)
Suy ra: µF*αF = 7.6329*0.4016 = 3.0653
Tra tài liệu tham khảo [2] ta được: ηF = 0.38
•

Tại vị trí mâm đáy:

Xw = 0.0079 ta lại tra đồ thị cân bằng của hệ:
= = 6.9444
Từ = 2%, và tW = 98.49oC, tra tài liệu tham khảo [1]: µ = 0.2970 (Cp)
= 6.9444 * 0.2970 = 2.0625, tra tài liệu tham khảo [2]: ηW = 0.4870
• Tại vị trí mâm đỉnh:
XD = 0.7788 ta lại tra đồ thị cân bằng của hệ:
= = 1.1621
Từ =90%, và tD = 78.6887oC, tra tài liệu tham khảo [1]: µ = 0.5428 (Cp)
= 1.1621 * 0.5428 = 0.6358, tra tài liệu tham khảo [2]: ηD = 0.5556
Áp dụng công thức (IX.60), trang 171, tài liệu tham khảo [2]:
ηtb = (ηF + ηW + ηD) / 3 = (0.38 + 0.4870 + 0.5556) / 3 = 0.4742
• Số mâm thực tế của tháp Ntt:

 Số mâm thực tế là 23 mâm, trong đó có 6 mâm chưng, 16 mâm cất 1 mâm nhập

liệu.
2.3. Tính toán thiết kế tháp chưng cất
2.3.1. Đường kính tháp
Áp dụng công thức (IX.89), trang 181, tài liệu tham khảo [2]:
Dt = = 0.0188 (m)
Vtb: Lượng hơi nước trung bình đi trong tháp (m3/h)
ωtb: Tốc độ bay hơi trung bình đi trong tháp (m/s)
gtb: Lượng nước hơi trung bình đi trong tháp (kg/h)
 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau, do
đó đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau.
2.3.2. Đường kính đoạn cất
2.3.2.1.

Lượng hơi trung bình đi trong tháp

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM
Áp dụng công thức (IX.91), trang 181, tài liệu tham khảo [2]:
gtb = (Kg/h)
gd: Lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h)
g1: Lượng hơi đi vào trong đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h)
• Xác định gd: gd = GD*(R+1) = 181.8715*(1.8703+1) = 522.0258 (Kg/h)
• Xác định g1= Từ hệ phương trình.
Với:

G1: Lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất.
r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất đoạn cất.
rd: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra ở đỉnh tháp.
ra: ẩn nhiệt hóa hơi của rượu etylic.
rb: ẩn nhiệt hóa hơi của nước.
x1 = = 0.18 (pkl)
Tính r1
Theo bảng I.212 trang 254, tài liệu tham khảo [1] ta có:
0
- Ở 60 C:
ra1 = 210 (kcal/kg)
rb1 = 579 (kcal/kg)
- Ở 1000C
ra2 = 194 (kcal/kg)
rb2 = 539 (kcal/kg)
• Δra = ra2 – ra1 = 194 – 210 = –16 (kcal/kg)
Δrb = rb2 – rb1 = 539 – 579 = – 40 (kcal/kg)
Δt = t2− t1 = 100 – 60 = 400C
•

q
q
•

Theo phương pháp nội suy, ta tính ra, rb ở 88.172

•

Vậy
Tính rd: hơi đi ra ở đỉnh tháp ở nhiệt độ 78.6887oC, tương tự như trên:

Ta có:
•

•

Vậy
Suy ra ta có hệ phương trình như sau:

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

•

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là:

gtb= =
2.3.2.2.
•

Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong đáy tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy truyền.
Áp dụng công thức (IX.105), trang 184, tài liệu tham khảo [2]:

ωgh= 0.05*
Với: : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3)

: Khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3)
• Xác định
Áp dụng công thức (IX.102), trang 183, tài liệu tham khảo [2]:
-

Nồng độ phần molt rung bình:

=
(với )
Nhiệt độ trung bình đoạn cất:
ttb== = 83.43040C
 Suy ra = 1.2052(Kg/m3).
• Xác định
- Nồng độ phần khối lượng trung bình:
=0.54(pkl)=54%
Với ttb= 83.4304 tra bảng I.2 tài liệu tham khảo [1], bằng phương pháp nội
-

suy:
• Ta có = 860,7877(kg/m3)
Suy ra ωgh= 0.05*
• Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp
•

Vậy đường kính đoạn cất
2.3.3. Đường kính đoạn chưng
2.3.3.1.

Lượng hơi trung bình đi trong tháp
Áp dụng công thức (IX.97), trang 182, tài liệu tham khảo [2]:

•
•

: Lượng hơi ra khỏi đoạn chưng
: Lượng hơi đi vào đoạn chưng
Xác định : ==
Xác định = Từ hệ phương trình (Tra tài liệu tham khảo [2]):

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang


ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM

Với:
: Lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng.
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn

-

chưng.
: thành phần cấu tử dễ bay hơi (ethanol) trong pha hơi cân bằng với

-

pha lỏng trong sản phẩm đáy:
• Tính : xW = 0.0079 (pmol), tra trên đồ thị hệ cân bằng ta có yW = 0.0524 (pmol).
• Đổi yW = 0.0524 (pmol) ra phần khối lượng:

Theo đồ thị đường cong sôi ta có sản phẩm đáy có nhiệt độ 98.49 oC, theo
các số liệu ,, , , đã có ở phần tính toán đoạn cất ta có:
210 – 15.396 = 195.604
579 – 38.49 = 540.51

195.604*0.1238 + (1-0.1238) * 540.51 = 497.8160
Thay , vào phương trình ta được:
Dùng thay vào (1) ta được:
Dùng thay vào (2) ta được:
(pkl).
Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là:
2.3.3.2.

Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy
chuyền:
công thức (IX.111), trang 186, tài liệu tham khảo [2]:

Với:
•

: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3)
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3)

Xác định :
công thức (IX.102), trang 183, tài liệu tham khảo [2]:

GVHD: TS. Trần Lệ Thu

Trang