Tiến hành mô phỏng và tối ưu hóa hệ thống tinh chế cồn

LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------------------------------------Tác giả luận văn: Vũ Thị Thùy Dung

ĐỀ TÀI

Tiến hành mô phỏng và tối ưu hóa hệ thống tinh chế cồn

Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học-khóa 2010

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Q trình và thiết bị trong cơng nghệ hóa học và thực phẩm

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
GS. Nguyễn Hữu Tùng

Hà Nội 2013

VŨ THỊ THÙY DUNG

Page 1


LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B

MỤC LỤC

CHƯƠNG I
I.
1.

.2.
II.
.1.
2.
3.
III.
1.
2.
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
IV.

.1.
2.
3.

TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU
TỔNG QUAN
TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ SỬ DỤNG CỒN TRONG
NƯỚC TA VÀ TRÊN THẾ GIỚI
Sơ lược về tình hình sản xuất và sử dụng cồn ở nước ta
Tình hình sản xuất và sử dụng cồn trên Thế Giới
CÁC CÔNG ĐOẠN SẢN XUẤT CỒN BẰNG PHƯƠNG

PHÁP LÊN MEN
Chọn nguyên liệu sản xuất
Lên men rượu
Chưng cất và tinh chế cồn etylic
SỰ HÌNH THÀNH ETYLIC VÀ CÁC TẠP CHẤT BẰNG
PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN
Cơ chế của quá trình lên men rượu
Sự tạo thành sản phẩm phụ và sản phẩm trung gian của quá
trình lên men rượu
Sự tạo thành acid
Sự tạo thành alcol cao phân tử
Sự tạo thành este
Sự tạo thành aldehyt
PHƯƠNG PHÁP CHƯNG LUYỆN GIÁN ĐOẠN DÙNG
ĐỂ TINH CHẾ HỖN HỢP ETYLIC-NƯỚC VÀ CÁC TẠP
CHẤT
Quá trình chưng cất, chưng luyện, chưng luyện gián đoạn
Các cấu hình tháp chưng luyện gián đoạn
Các phương án vận hành tháp chưng luyện gián đoạn

VŨ THỊ THÙY DUNG

Page 2

trang
1
5
6
7
11

16
18
18
18
19
20
20
20
22
22
22
23
23
23
23
23

24
24
25
30


LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B

.3.1. 3.1. Các quy trình vận hành tháp chưng luyện gián đoạn
.3.2. Chưng luyện gián đoạn với chỉ số hồi lưu không đổi
.3.3. Chưng luyện gián đoạn với thành phần đỉnh không đổi
4.. Sử dụng giản đồ tam giác để dự đoán khả năng tách
etanol và các tạp chất

CHƯƠNG II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ MÔ HÌNH THÁP
CHƯNG LUYỆN GIÁN ĐOẠN
I. XÂY DỰNG MƠ HÌNH THÁP CHƯNG LUYỆN GIÁN
ĐOẠN
1. Các mơ hình dự đốn cân bằng lỏng hơi
2. Mơ hình tháp chưng luyện gián đoạn
3. Thuật tốn giải hệ các phương trình của mơ hình tháp chưng
luyện gián đoạn
II. KIỂM CHỨNG MƠ HÌNH BẰNG THỰC NGHIỆM TRÊN
THÁP CHƯNG LUYỆN GIÁN ĐOẠN QUY MÔ SẢN
XUẤT
CHƯƠNG III ỨNG DỤNG MƠ HÌNH THÁP CHƯNG LUYỆN GIÁN
ĐOẠN
I. NGHIÊN CỨU HÀNH VI CỦA CÁC CẤU TỬ TẠP
CHẤT TRONG HỖN HỢP RƯỢU - NƯỚC SẢN XUẤT
BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN
1. 1. Thành phần của hỗn hợp rượu-nước và các tạp chất
sử dụng trong ứng dụng mơ phỏng

30
31
33
35
40
40
40
48
51

52

62

62
62

2. Một số tính chất hóa lý của ethanol - nước và các tạp
chất.

62

3. 3. Nghiên cứu hành vi của các cấu tử trong hỗn hợp
rượu ethanol-nước và các tạp chất trong tháp chưng
luyện liên tục.

63

4. . Nghiên cứu hành vi của các cấu tử trong tháp chưng
luyện gián đoạn áp dụng nguyên tắc tách hỗn hợp theo
nhóm có hành vi tương tự.

64

4.1. Nhóm tạp đầu
VŨ THỊ THÙY DUNG

66
Page 3


LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B

4.1.1.
4.1.2.
4.2.
4.3.

Hành vi của andehyt
Hành vi của etylacetat
Hành vi nhóm tạp vịng quanh
4.3. Hành vi của nhóm tạp trung gian

4.3.1 4.3.1. Hành vi của cấu tử n-propanol
4.3.2.
4.3.3.
4.3.4.
4.3.5.
4.3.6.
4.4.

Hành vi của isopropanol
Hành vi của nbutanol
Hành vi của isobutanol
Hành vi của isoamylic
Hành vi của furfural
Hành vi của Nhóm tạp cuối (tạp đáy)

5. Nghiên cứu xác định thời điểm và chế độ tách các nhóm
tạp
5.1. Thời điểm tách nhóm tạp đỉnh
5.2. Thời điểm tách isopropanol

5.3. Thời điểm tách tạp đáy
6. Tính cân bằng vật chất sau khi tách nhóm tạp
7. Ảnh hưởng của tốc độ lấy sản phẩm đến sự dịch chuyển
nhóm tạp
8. Đề xuất quy trình vận hành tháp chưng luyện gián đoạn
CHƯƠNG IV. KẾT LUẬN

VŨ THỊ THÙY DUNG

Page 4

66
70
74
77
77
81
86
90
94
88
103
107
108
109
110
114
119
126
128

LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi.
Các số liệu, kết quả trong luận văn chưa được ai công bố.
Hà nội ngày 24 tháng 02 năm 2013
Tác giả

Vũ Thị Thùy Dung

VŨ THỊ THÙY DUNG

Page 5


LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
amn: hệ số tương tác nhóm
D lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh kmol/h
H enthanpy kJ/kmol
HiL và HiV là ethanpi của hỗn hợp lỏng và hơi tại đĩa i kJ/kmol
G là thể tích hơi ngưng tụ khơng đổi m3
gE là năng lượng tự do dư
L lưu lượng lỏng đi trong tháp kmol/h
M lượng sản phẩm, hay tổng lượng tích lũy trong tháp kmol
Mj lượng tích lũy trên đĩa trên đĩa thứ j kmol
Kij là hằng số cân bằng pha của cấu tử thứ j trên đĩa thứ i

Q tổng năng lượng của một đoạn thiết bị hay toàn tháp kJ/h
qj điện tích của phân tử trong cấu tử j
QK tham số điện tích đặc trưng cho từng nhóm ngun tử
R chỉ số hồi lưu: Tỷ lệ giữa lưu lượng dòng hồi lưu L và lưu lượng dòng sản phẩm D; R hằng số khí lý
tưởng R=8314 J/kmol
Rmin chỉ số hồi lưu tối thiểu
ri tham số thể tích của phân tử trong cấu tử i
RK tham số thể tích đặc trưng cho từng nhóm nguyên tử
T nhiệt độ 0C hoặc 0K
V lưu lượng hơi đi trong tháp kmol/h
uij: năng lượng tương tác giữa cấu tử i và cấu tử j
x nồng độ phần mole của các cấu tử trong pha lỏng kmol/kmol
y nồng độ phần mole của các cấu tử trong pha hơi kmol/kmol

k , (ki ) : hệ số hoạt động dư của nhóm thứ k trong hỗn hợp và trong dung môi nguyên chất chứa phân
tử của cấu tử thứ i
θ, τ thời gian chưng luyện gián đoạn h
ρ là khối lượng riêng của chất lỏng hay hơi
λ là giá trị riêng cho ma trận jacobian cho các phương trình chênh lệch
γi là hệ số hoạt độ của cấu tử i trong pha lỏng
η hiệu suất đĩa theo Murphree %

VŨ THỊ THÙY DUNG

Page 6


LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B

Danh mục các bảng

Trang
Bảng 1: Tình hình tiêu thụ cồn ở một số nước năm 1957
Bảng2: Chỉ tiêu chất lượng của cồn đạt tiêu chuẩn TCVN 7043 - 2002

9
25

Bảng 3: So sánh thực nghiệm và mô hình cho phân bố nhiệt độ theo
chiều cao tháp ở chế độ hồi lưu hoàn toàn

45

Bảng 4:Kết quả so sánh thực nghiệm và mơ hình về phân bố nồng độ
ethanol theo chiều cao tháp ở chế độ hồi lưu hoàn tồn

46

Bảng 5: Kết quả so sánh thực nghiệm và mơ hình về biến thiên nồng độ
ethanol theo chiều thời gian tại đĩa số 5 và đĩa 66

48

Bảng 6:Kết quả so sánh thực nghiệm và mơ hình cho biến thiên nồng độ
este ethylacetate tại đĩa 5 và isobutanol theo chiều thời gian tại đĩa số

48

66
Bảng 7: Một số tính chất hóa lý của ethanol-nước và các tạp chất

52

Bảng 8: Hành vi cấu tử etylic dọc theo chiều cao tháp khi nồng độ etylic
thay đổi
55
Bảng 9: Phân bố nồng độ andehytacetic khi nồng độ ethanol trong hỗn
hợp đầu thay đổi.

VŨ THỊ THÙY DUNG

Page 7


LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B

57
Bảng 10: Hành vi của cấu tử andehyt acetic dọc theo chiều cao tháp khi
chỉ số hồi lưu thay đổi
58
Bảng 11: Hành vi của cấu tử etylacetat dọc theo chiều cao tháp khi
nồng độ ethanol trong hỗn hợp đầu thay đổi
60
Bảng 12: Hành vi của cấu tử etylacetat dọc theo chiều caotháp khi chỉ
số hồi lưu thay đổi
62
Bảng 13: Hành vi của cấu tử methanol dọc theo chiều cao tháp khi
nồng độ ethanol trong hỗn hợp đầu thay đổi
64
Bảng 14: Hành vi cấu tử methanol dọc theo chiều cao tháp khi chỉ số
hồi lưu thay đổi

66
Bảng 15: Hành vi của cấu tử n-propanol dọc theo chiều cao tháp khi
nồng độ ethanol trong hỗn hợp đầu thay đổi.
68
Bảng 16: Hành vi của cấu tử n-propanol dọc theo chiều cao tháp khi
chỉ số hồi lưu thay đổi
70
Bảng 17: Hành vi của cấu tử iso-propanol dọc theo chiều cao tháp khi
nồng độ ethanol trong hỗn hợp đầu thay đổi

VŨ THỊ THÙY DUNG

Page 8


LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B

72
Bảng 18: Hành vi của cấu tử iso-propanol dọc theo chiều cao tháp khi
chỉ số hồi lưu thay đổi.
74
Bảng 19: Hành vi của cấu tử nbutanol dọc theo chiều cao tháp khi nồng
độ ethanol trong hỗn hợp đầu thay đổi
76
Bảng 20: Hành vi của cấu tử n-butanol dọc theo chiều cao tháp khi chỉ
số hồi lưu thay đổi
79
Bảng 21: Hành vi của cấu tử iso-butanol dọc theo chiều cao tháp khi
nồng độ ethanol trong hỗn hợp đầu thay đổi
80

Bảng 22: Hành vi của cấu tử iso-butanol dọc theo chiều cao tháp khi
chỉ số hồi lưu thay đổi
83
Bảng 23: Hành vi của cấu tử iso-amylic dọc theo chiều cao tháp khi
nồng độ ethanol trong hỗn hợp đầu thay đổi
84
Bảng 24: Hành vi của cấu tử iso-amylic dọc theo chiều cao tháp khi chỉ
số hôi lưu thay đổi.
87
Bảng 25: Hành vi của cấu tử furfural dọc theo chiều cao tháp khi nồng
độ ethanol trong hỗn hợp đầu thay đổi

VŨ THỊ THÙY DUNG

Page 9

88


LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B

Bảng 26: Hành vi của cấu tử furfural dọc theo chiều cao tháp khi chỉ số
hồi lưu thay đổi.
90
Bảng 27: Hành vi của cấu tử acidacetic dọc theo chiều cao tháp khi
nồng độ ethanol trong hỗn hợp đầu thay đổi
93
Bảng 28: Hành vi của cấu tử acidacetic dọc theo chiều cao tháp khi chỉ
số hồi lưu thay đổi
94

Bảng 29: Phần mol của các tạp theo thời gian trong giai đoạn hồi lưu
hoàn toàn khi nồng độ ethanol ban đầu bằng 0.2 phần mol.
97
Bảng 30: Phần mol của nhóm tạp đầu theo thời gian trong giai đoạn
hồi lưu hoàn toàn khi nồng độ ethanol ban đầu bằng 0.3 phần mol
105
Bảng 31: Lượng tạp còn lại sau khi tách 120 phút, lưu lượng tách bằng
10% lượng holdup trên một đĩa.
106
Bảng 32: Lượng tạp còn lại sau khi tách 150 phút, lưu lượng tách bằng
10% lượng holdup trên một đĩa
106
Bảng 33: Hành vi của các tạp đáy sau khi lấy nhóm tạp đầu được 150
phút trong giai đoạn hồi lưu hoàn toàn
107

VŨ THỊ THÙY DUNG

Page 10


LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B

Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Trang
Hình 1: Tháp chưng luyện gián đoạn truyền thống

20

Hình.2: Tháp chưng luyện gián đoạn có bình trung gian

21

Hình.3: Tháp chưng luỵện gián đoạn với nhiều bình trung gian

22

Hình.4: Tháp chưng luyện gián đoạn kiểu đảo ngược

23

Hình.5: biến đổi nồng độ của cấu tử dễ bay hơi ở đỉnh và đáy trong quá
trình chưng luyện gián đoạn với chỉ số hồi lưu khơng đổi
Hình 6: Biểu diễn trên đồ thị x-y của quá trình chưng luyện gián đoạn

26
27

với chỉ số hồi lưu khơng đổi
Hình 7: Biểu diễn trên đồ thị x-y của quá trình chưng luyện gián đoạn

28

với thành phần đỉnh khơng đổi
Hình.8: giản đồ cân bằng pha của hệ 3 cấu tử: nước, ethanol và

30

methanol
Hình.9: giản đồ cân bằng pha của hệ 3 cấu tử: Nước, ethanol và

isopropanol

31

Hình.10: giản đồ cân bằng pha của hệ 3 cấu tử: nước, ethanol và
isobutanol

32

Hình.11: giản đồ cân bằng pha của hệ 3 cấu tử: Nước, ethanol và 33
isoamylic

VŨ THỊ THÙY DUNG

Page 11


LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B

Hình12: Sơ đồ cấu trúc tháp chưng luyện gián đoạn

42

Hình13.Tháp chưng luyện gián đoạn quy mơ sản xuất

47

Hình112: Phân bố nồng độ ethanol theo chiều cao tháp

51

Hình 113: Biến thiên nồng độ ethanol theo thời gian tại đĩa số 66

53

Hình 114: Biến thiên nồng độ ethanol theo thời gian tại đĩa số 5

53

Hình 115: Biến thiên nồng độ este ethylacetate theo thời gian tại đĩa số

54

5
Hình116: Biến thiên nồng độ isobutanol theo chiều thời gian tại đĩa số

54

66
Hình 19: Hành vi cấu tử chính ethanol dọc theo chiều cao tháp khi
nồng độ ethanol trong hỗn hợp đầu thay đổi
60
Hình 20: Hành vi cấu tử andehyt acetic dọc theo chiều cao tháp khi
nồng độ ethanol trong hỗn hợp đầu thay đổi.
61
Hình 21: Hành vi của cấu tử andehyt acetic dọc theo chiều cao tháp khi
chỉ số hồi lưu thay đổi.
63
Hình 22: Hành vi cấu tử etylacetat dọc theo chiều cao tháp khi nồng độ
ethanol trong hỗn hợp đầu thay đổi

65
Hình 23: Hành vi của cấu tử etylacetat dọc theo chiều cao tháp khi chỉ
số hồi lưu thay đổi.
67
VŨ THỊ THÙY DUNG

Page 12


LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B

Hình 24: Hành vi cấu tử methanol dọc theo chiều cao tháp khi nồng độ
ethanol trong hỗn hợp đầu thay đổi
69
Hình 25: Hành vi cấu tử methanol dọc theo chiều cao tháp khi chỉ số
hồi lưu thay đổi
70
Hình 26: Hành vi của cấu tử n-propanol dọc theo chiều cao tháp khi
nồng độ ethanol trong hỗn hợp đầu thay đổi
72
Hình 27: Hành vi của cấu tử n-propanol dọc theo chiều cao tháp khi chỉ
số hồi lưu thay đổi
74
Hình 28: Hành vi của cấu tử iso-propanol dọc theo chiều cao tháp khi
nồng độ ethanol trong hỗn hợp đầu thay đổi

76

Hình 29: Hành vi của cấu tử iso-propanol dọc theo chiều cao tháp khi
chỉ số hồi lưu thay đổi.

79
Hình 30: Hành vi của cấu tử n-butanol dọc theo chiều cao tháp khi
nồng độ ethanol trong hỗn hợp đầu thay đổi
82
Hình 31: Hành vi của cấu tử nbutanol dọc theo chiều cao tháp khi chỉ
số hồi lưu thay đổi.
84
Hình 32: Hành vi của cấu tử iso-butanol dọc theo chiều cao tháp khi
nồng độ ethanol trong hỗn hợp đầu thay đổi
85

VŨ THỊ THÙY DUNG

Page 13


LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B

Hình 33: : Hành vi của cấu tử iso-butanol dọc theo chiều cao tháp khi
chỉ số hồi lưu thay đổi
87
Hình 34: Hành vi của cấu tử iso-amylic dọc theo chiều cao tháp khi
nồng độ ethanol trong hỗn hợp đầu thay đổi.
89
Hình 35: Hành vi của cấu tử iso-amylic dọc theo chiều cao tháp khi chỉ
số hôi lưu thay đổi
91
Hình 36: Hành vi của cấu tử furfural dọc theo chiều cao tháp hi nồng
độ ethanol trong hỗn hợp đầu thay đổi.
93

Hình 37: Hành vi của cấu tử furfural dọc theo chiều cao tháp khi chỉ số
hồi lưu thay đổi

95

Hình 38: Hành vi của cấu tử acidacetic dọc theo chiều cao tháp khi
nồng độ ethanol trong hỗn hợp đầu thay đổi
98
Hình 39: Hành vi của cấu tử acidacetic dọc theo chiều cao tháp khi chỉ
số hồi lưu thay đổi
99
Hình 40: Phân bố nồng độ andehyt acetic tại đĩa số 1,2,3 khi chỉ số hồi
lưu hoàn toàn và nồng độ ethanol trong hỗn hợp đầu bằng 0.2 phần mol
102
Hình 41: Phân bố nồng độ etylacetat tại đĩa số 1,2,3 khi chỉ số hồi lưu
hoàn toàn và nồng độ ethanol trong hỗn hợp đầu bằng 0.2 phần mol.
102

VŨ THỊ THÙY DUNG

Page 14


LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B

Hình 42: Phân bố nồng độ methanol tại đĩa số 1,2,3 khi chỉ số hồi lưu
hoàn toàn và nồng độ ethanol trong hỗn hợp đầu bằng 0.2 phần mol.
103
Hình 43: Phân bố nồng độ isopropanol tại đĩa số 13,14,15 khi chỉ số
hồi lưu hoàn toàn và nồng độ ethanol trong hỗn hợp đầu bằng 0.2 phần

mol

103

Hình 44: Phân bố nồng độ Nbutanol tại đĩa số 17,18,19 khi chỉ số hồi
lưu hoàn toàn và nồng độ ethanol trong hỗn hợp đầu bằng 0.2 phần mol
105
Hình 45: Phân bố nồng độ isobutanol tại đĩa số 17,18,19 khi chỉ số hồi
lưu hoàn toàn và nồng độ ethanol trong hỗn hợp đầu bằng 0.2 phần mol
105
Hình 46: Phân bố nồng độ isoamylic tại đĩa số 17,18,19 khi chỉ số hồi
lưu hoàn toàn và nồng độ ethanol trong hỗn hợp đầu bằng 0.2 phần mol
106
Hình 47: Phân bố nồng độ furfural tại đĩa số 17,18,19 khi chỉ số hồi lưu
hoàn toàn và nồng độ ethanol trong hỗn hợp đầu bằng 0.2 phần mol.
107
Hình 48: Hành vi của các tạp đáy sau khi lấy nhóm tạp đầu được 150
phút trong giai đoạn hồi lưu hoàn toàn
112

VŨ THỊ THÙY DUNG

Page 15


LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B

MỞ ĐẦU
Tách hỗn hợp nhiều cấu tử trở thành các sản phẩm tinh khiết cao luôn là nhiệm vụ
quan trọng và khó khăn cần phải giải quyết trong cơng nghiệp và kỹ thuật. Q trình

này thường tiêu tốn nhiều năng lượng và gặp nhiều khó khăn trong việc giải quyết chế
độ chạy thích hợp (đặc biệt trong các trường hợp khi các hỗn hợp có nhiệt độ sơi trong
khoảng hẹp và do đó có khả năng tạo hỗn hợp đẳng phí cao) và cần có đầu tư lớn cho
hệ thống thiết bị. Một trong những ứng dụng quan trọng của chưng luyện là tách các
tạp chất khơng có lợi cho sức khỏe con người ra khỏi hỗn hợp etylic-nước và các tạp
chất (là sản phẩm của quá trình lên men tinh bột bằng phương pháp sinh học). Hiện nay
chưng luyện gián đoạn vẫn được sử dụng vì những ưu điểm nổi bật của nó như: đầu tư
cho hệ thống thiết bị ít, quy mơ sản xuất vừa và nhỏ, chất lượng sản phẩm linh hoạt
dựa vào điều chỉnh chỉ số hồi lưu, vận hành đơn giản… Tuy nhiên thiết lập chế độ chạy
để đạt chất lượng sản phẩm cao khá phức tạp, tiêu tốn năng lượng lớn hơn so với
chưng luyện liên tục. Một giải pháp giảm những khó khăn cho việc nghiên cứu thiết
lập chế độ chạy đối với chưng luyện gián đoạn đã được nhiều nước tiến hành nghiên
cứu, và sự góp sức của các phần mềm trong việc mô phỏng chế độ chạy là vô cùng
hiệu quả.
Nhiệm vụ của luận văn:
Đề tài: “Tiến hành mơ phỏng và tối ưu hóa hệ thống tinh chế cồn”.
+ Mơ phỏng và Tối ưu hóa hệ thống tinh chế cồn là ta sử dụng mơ hình để tìm chế độ
chạy sao cho tiêu tốn năng lượng ít nhất mà chất lượng sản phẩm tốt nhất.
-

Sử dụng nguyên tắc tách tạp theo nhóm giống trong chưng luyện liên tục áp
dụng cho chưng luyện gián đoạn.

-

Sử dụng mơ hình để tìm và tạo vùng tích tụ nhóm tạp tối đa bằng cách nghiên
cứu ảnh hưởng của chỉ số hồi lưu và nồng độ ethanol trong hỗn hợp ban đầu đến
sự tích tụ các nhóm tạp này.

-

Tìm chỉ số hồi lưu lấy sản phẩm thích hợp.

-

Tìm cách để tái chế lại các sản phẩm phụ.

-

Đề xuất phương án vận hành sao cho sản phẩm đạt chất lượng mà tiêu tốn năng
lượng ít nhất.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
VŨ THỊ THÙY DUNG

Page 16


LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B

-

Tháp chưng luyện đĩa lỗ có ống chảy chuyền, số đĩa lý thuyết 20 đĩa.
Hệ nhiều cấu tử etylic-nước và các tạp chất thu được bằng phương pháp lên
men.

Phương pháp nghiên cứu:
-

Lựa chọn mơ hình dự đoán cân bằng pha lỏng - hơi cho hệ 2 và nhiều cấu tử đã

được kiểm chứng.

-

Thiết lập mơ hình tháp chưng luyện gián đoạn tổng qt.

-

Kiểm chứng mơ hình tháp chưng luyện gián đoạn.

-

Dùng mơ hình tháp đã được kiểm chứng dưới sự hỗ trợ của phần mềm mô
phỏng Aspen mô đun BatchSep để khảo sát các yếu tố: ảnh hưởng của chỉ số hồi
lưu và nồng độ ethanol ban đầu lên hành vi của các tạp theo chiều cao của tháp
và theo thời gian.

VŨ THỊ THÙY DUNG

Page 17


LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
I. TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ SỬ DỤNG CỒN RƯỢU Ở TRONG NƯỚC VÀ
TRÊN THẾ GIỚI
I.1. SƠ LƯỢC VỀ PHÁT SINH, PHÁT TRIỂN CỒN RƯỢU Ở NƯỚC TA.
Ở nước ta, nghề nấu rượu thủ cơng đã có từ ngàn xưa và chưa có tài liệu nào cho biết
điểm khởi đầu. Sản xuất cồn rượu theo kiểu công nghiệp ở nước ta chỉ bắt đầu năm

1898 do người Pháp thiết kế và xây dựng. Trước cách mạng Tháng 8 ở nước ta có các
nhà máy rượu Hà Nội, Hải Dương, Nam Định, Bình Tây, Chợ Qn và Cái Rằng. Sau
khi hịa bình lập lại (1955), các nhà máy khơng cịn thiết bị ngun vẹn nên tập trung,
sửa chữa lại thành nhà máy rượu Hà Nội với năng suất 6 triệu lít/ năm. Cồn của các
nhà máy ở nước ta làm ra nói chung chưa đạt TCVN-71, nhưng bản thân TCVN-71 về
cồn rượu cũng thuộc loại thấp so với các nước tiên tiến trên thế giới. Hiện trên lãnh thổ
Việt Nam chỉ có ba cơ sở làm ra được cồn loại I thỏa mãn TCVN-71, đó là Cơng ty
rượu bia Đồng Xn Phú Thọ, Hà Nội và Bình Tây, tỉ lệ đạt loại I cũng chưa cao 7080%.
Đến năm 1960, chúng ta có thêm hai nhà máy cồn từ rỉ đường là Việt Trì (Phú Thọ) và
Sông Lam (Nghệ An), năng suất mỗi nhà máy là 1 triệu lít cồn/năm. Trong những năm
chống Mỹ cứu nước, các tỉnh và địa phương xây thêm hàng loạt nhà máy rượu cỡ 1
triệu lít/năm như Lục Ngạn (Hà Bắc), Hưng Nhân (Thái Bình) và Tam Hiệp Phúc Thọ
Hà Tây, ngoài ra ở hầu hết các tỉnh đều xây dựng phân xưởng cồn cỡ nhỏ 100000 lít
cồn/năm như Quảng Bình, Sơng Con Nghệ An, Bá Thước và Hàm Rồng Thanh Hóa,
Khánh Cư Ninh Bình, Vĩnh Trụ Nam Định, trường vừa học vừa làm Hịa Bình, Hải
Phịng, Hà Giang, Thanh Ba Phú Thọ. Tổng tất cả năng suất của các nhà máy lớn nhỏ
vào khoảng 15 triệu lít /năm. Sau năm 1975, chúng ta tiếp quản và xây thêm nhà máy rỉ
đường Lam Sơn Thanh Hóa, Rượu Quảng Ngãi, Rượu Bình Dương, Bình Tây và một
số cơ sở tư nhân khác. Nếu cộng tất cả các cơ sở sản xuất cồn rượu của nước ta ở thời
VŨ THỊ THÙY DUNG

Page 18


LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B

điểm 1980-1985 thì hàng năm ta có thể sản xuất trên 30 triệu lít cồn, thời điểm này
lượng cồn trong cả nước đạt cao nhất, vừa xuất khẩu vừa tiêu dùng trong nước.
Vào những năm 1986-1987, do đổi mới cơ chế quản lý, nhiều xí nghiệp làm ăn thua lỗ,
sản phẩm làm ra tiêu thụ chậm nên nhiều cơ sở sản xuât rượu bị phá sản hoặc cầm cố

tài sản. Hai nhà máy sản xuất rượu lớn nhất là Bình Tây và Hà Nội chỉ sản xuất cầm
chừng vì khơng cịn thị trường xuất khẩu như trước đây, thị trường trong nước cũng bị
thu hẹp vì rượu quốc doanh không cạnh tranh được với rượu thủ cơng.
Ở nước ta trước đây và hiện nay có một số loại rượu tương đối ngon (sản xuất công
nghiệp), được người tiêu dùng trong nước và ngoài nước ưa chuộng như Lúa Mơi (Hà
Nội), rượu Nàng Hương của Bình Tây, và Hồng Đế của Thanh Ba Phú Thọ (Cơng ty
Rượu bia Đồng Xuân), các loại rượu kể trên chất lượng không thua kém một số rượu
mạnh ngoại nhập.[1]
Hiện nay ở nước ta cồn không chỉ dùng để pha rượu uống, cồn còn trở thành nguyên
liệu, dùng cho y tế, nguyên liệu và dung môi cho các ngành sản xuất khác như: xăng
ethanol 5%, dung môi cho bào chế dược liệu, nhiên liệu sinh học (cồn khơ…).
I.2. TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ SỬ DỤNG CỒN RƯỢU TRÊN THẾ GIỚI.
Hầu hết các nước trên Thế Giới đều dùng cồn để pha chế rượu dùng chế biến đồ uống
(chiếm 40%), 60% còn lại sử dụng cho các ngành công nghiệp khác, cồn được dùng
pha chế rượu vang, rượu mạnh và bia.
Sau đây là bảng số liệu “Tình hình tiêu thụ cồn ở một số nước năm 1957
Bảng 1: Tình hình tiêu thụ cồn ở một số nước năm 1957
Đồ uống có
Tên nước

rượu quy ra
cồn

VŨ THỊ THÙY DUNG

Trong đó
Rượu mạnh

Page 19

Rượu vang

Bia


LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B

Pháp

17.04

0.82

15.32

0.9

Italia

15.09

0.64

14.34

0.11

Anh

4.11

0.8

0.3

2.97

CHLB Đức

3.24

0.94

1.45

0.85

Bỉ

4.99

0,56

0.23

4.2

Bắc Ailen

3.09

0.42

0.24

2.43

Đan Mạch

2.81

0.46

0.41

1.94

Áo

4.84

0.47

1.08

3.25

Thụy Sĩ

2.58

1.96

0.31

0.31

Mỹ

3.99

1.62

0.58

1.79

II. CÁC CÔNG ĐOẠN SẢN XUẤT CỒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN
Sản xuất ethanol trong công nghiệp gồm các bước sau:
1. Chọn nguyên liệu sản xuất rượu:
Để sản xuất cồn etylic, về nguyên tắc ta có thể dùng bất kỳ nguyên liệu nào chứa
đường hoặc polysaccarit nhưng sau khi thủy phân sẽ biến thành đường lên men được.
Nguyên liệu dùng để làm rượu là các loại ngũ cốc có hàm lượng tinh bột cao thông
dụng như gạo tẻ, gạo nếp, gạo nứt, gạo nương, lúa mạch, ngơ, mầm thóc, sắn, hạt mít,
hạt dẻ, hạt bo bo, mật mía…
Yêu cầu đối với nguyên liệu phải thỏa mãn:
- Hàm lượng đường hoặc tinh bột cao, có khả năng đem lại hiệu quả kinh tế cao
- Vùng nguyên liệu phải tập trung và đủ thỏa mãn nhu cầu sản xuất.
2. Lên men rượu
Men rượu được chế từ nhiều loại thảo dược (thuốc nam, thuốc bắc) như cam thảo, quế

chi, gừng, hồi, thạch xương bồ, bạch chỉ, xun khung, rễ ớt…theo những bí quyết và
cơng thức riêng. Nhào trộn hỗn hợp với bột gạo, thậm chí cả bồ hóng và ủ cho bột hơi
VŨ THỊ THÙY DUNG

Page 20


LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B

nở ra sau đó vo, nắm từng viên nhỏ để lên khay trấu cho khỏi dính, đem phơi thật khô,
cất dùng dần.
Cơ chế: [3, 5]
Lý thuyết lên men rượu đã được nhiều nhà sinh học nghiên cứu từ lâu và
đưa ra cơ chế lên men rượu như sau:
Đường và các chất dinh dưỡng được hấp thụ qua bề mặt tế bào rồi thẩm thấu vào bên
trong. Ở đó các enzim sẽ tác dụng qua nhiều giai đoạn trung gian để cuối cùng tạo ra
sản phẩm là rượu và khí cacbonic. Hai chất này đều khuếch tán và tan vào mơi trường
xung quanh. Do rượu hồ tan trong nước với bất kì tỉ lệ nào nên nó khuếch tán vào mơi
trường một cách nhanh chóng, khí cacbonic cũng khuếch tán vào môi trường nhưng
kém (ở nhiệt độ 25-30oC và áp suất 760mmHg, một lít nước hồ tan được 0,837-0,865
lít CO2). Tại thời điểm đầu khilượng CO2 cịn nhỏ chúng sẽ hồ tan hồn tồn. Khi
mơi trường bão hồ khíCacbonic thì chúng tạo thành các bọt khí bám quanh tế bào nấm
men. Khi cácbọt khí đạt đến độ lớn nào đó thì lực đẩy Acximet lớn hơn trọng lượng tế
bàonấm men + bọt khí và lúc đó tế bào nấm men cùng bọt khí nổi dần lên khi tới
bềmặt, sau đó các bọt khí sẽ tan ra vỡ ra và tạo thành tiếng rào rào (ta quen gọi làmen
ăn). Khi khí bay lên tế bào nấm men lại chìm xuống tiếp xúc với dịchđường và tiếp tục
quá trình trên. Như vậy, tế bào nấm men tham gia chuyển độngtrong mơi trường
lênmen, nhờ đó tốc độ hấp thụ và chuyển hoá đường thànhrượu sẽ tăng lên. Khi chất
dinh dưỡng trong mơi trường cịn ít thì tế bào nấmmen lắng dần xuống đáy thùng và
dịch lên men trong dần.

Khi lên men có khoảng 95% đường biến thành rượu và CO2, còn 5% là tạo
thành các sản phẩm khác và đường sót.
Lên men thường được tiến hành ở nhiệt độ 28 – 32oC và pH = 4,5 – 5,2
Sản phẩm cuối của giai đoạn này là giấm chín, thường có độ cồn 7-10% thể tích.
VŨ THỊ THÙY DUNG

Page 21


LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B

3. Chưng cất và tinh chế cồn etanol
III.

SỰ HÌNH THÀNH HỆ ETHANOL VÀ CÁC TẠP CHẤT BẰNG
PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN.

1. Cơ chế hóa sinh học của lên men rượu.
Lên men rượu là một quá trình sinh học rất phức tạp, xảy ra dưới tác dụng của
nhiều enzyme. Sự tạo thành rượu từ glucoza được trải qua 12 giai đoạn:
1) C6H12O6 + ATP → CH2O(H2PO3)(CHOH)4CHO + ADP
2) CH2O(H2PO3)(CHOH)4CHO

CH2O(H2PO3)(CHOH)3COCH2OH

3) CH2O(H2PO3)(CHOH)3COCH2OH

+

ATP

CH2O(H2PO3)(CHOH)3COCH2O(H2PO3) + ADP
4) CH2O(H2PO3)(CHOH)3COCH2O(H2PO3)

CH2O(H2PO3)COCH2OH

+

CH2O(H2PO3)CHOHCHO
5) CH2O(H2PO3)COCH2OH

CH2O(H2PO3)CHOHCHO

6) 2CH2O(H2PO3)CHOHCHO + 2 H2PO3 + 2NaD →2CH2O(H2PO3)CHOHCOO
~ H2PO3 + 2NaD.H2
7) 2CH2O(H2PO3)CHOHCOO ~ H2PO3 + 2ADP → 2CH2O(H2PO3)CHOHCOOH
+ 2ATP
8) 2CH2O(H2PO3)CHOHCOOH

2CH2OHCHO(H2PO3)COOH

9) 2CH2OHCHO(H2PO3)COOH

2CH3CO(H2PO3)COOH + 2H2O

10) 2CH3CO(H2PO3)COOH + 2ADP → 2CH3CO-COOH + 2ATP
11) 2CH3CO-COOH → 2CO2 + 2CH3CHO
12) 2CH3CHO + 2NaD.H2 → 2CH3CH2OH + 2NaD
Phương trình tổng quát lên men rượu như sau:
zymaza

→ 2CO2 + 2CH3CH2OH
C6H12O6 ⎯⎯⎯

VŨ THỊ THÙY DUNG

Page 22


LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B

2. Sự tạo thành sản phẩm phụ và sản phẩm trung gian của quá trình lên men
rượu.
2.1.

Sự tạo thành axit

Trong q trình lên men rượu ln tạo ra các axit hữu cơ bao gồm: axit axetic, lactic,
xitric, pyrovic và succinic nhưng nhiều hơn cả là axit axetic và lactic.
CH3CHO + CH3CHO + H2O = CH3COOH + C2H5OH
axitaxetic

CH2O(H2PO3)CHOHCHO + 2H2O = CH3CHOHCOOH + NAD
axitlactic

2.2.

Sự tạo thành alcol cao phân tử

Một trong những sản phẩm phụ quan trọng được tạo thành trong quá trình lên men
rượu là các rượu có số phân tử cacbon lớn hơn hai. Các alcol này tuy ít nhưng nếu lẫn

vào cồn sẽ gây ảnh hưởng xấu tới chất lượng sản phẩm và gây ra mùi hơi khó chịu. Các
alcol này có tên chung là dầu fusel. Hỗn hợp dầu fusel thường chứa các rượu sau: npropanol, iso-propanol, n-butanol, iso-butanol, iso-amylic
Nguyên nhân hình thành dầu fusel là do nấm men sử dụng nito của các axit amin.
−H 2
+ H 2O
→ R − CH (O) COOH
R − CH ( NH2 ) COOH ⎯⎯⎯
→ R − CH ( NH) COOH ⎯⎯⎯

 −a min oaxit

− CO2
+ H2
⎯⎯⎯
→ R-CH2OH.
→ R-CHO ⎯⎯⎯

2.3. Sự tạo thành este
Song song với việc tạo ra axit và alcol, dưới tác dụng của enzyme esteraza của nấm
men, các axit và alcol sẽ tác dụng lẫn nhau để tạo thành những este tương ứng, chủ yếu
là etylacetat
R1CH2OH + R2COOH → R1CH2OH + R2COOCH2R1 + H2O.
2.4. Sự tạo thành các anđehyt
Sản phẩm trung gian trong chuỗi chu trình tạo thành rượu cao phân tử và tạo
ethanol có xuất hiện các anđehyt, nhiều nhất và điển hình là anđehytacetic. [1]
VŨ THỊ THÙY DUNG

Page 23

LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B

IV. PHƯƠNG PHÁP CHƯNG LUYỆN GIÁN ĐOẠN DÙNG ĐỂ TINH CHẾ
HỖN HỢP ETANOL-NƯỚC VÀ CÁC TẠP CHẤT
1. Quá trình chưng cất, chưng luyện, chưng luyện gián đoạn
Chưng cất bao gồm hai quá trình bay hơi và ngưng tụ phần bay hơi đó (mỗi q trình
chỉ xảy ra một lần). Trong sản xuất rượu thì chưng cất chính là tách ethanol và các tạp
chất ra khỏi hỗn hợp giấm chín, hỗn hợp thu được là rượu thơ có nồng độ thấp (4050% thể tích) Q trình chưng cất rượu có thể dựa vào 2 định luật do Conovalop và
Vrepski đưa ra:
Định luật I: Thiết lập quan hệ giữa thành phần pha lỏng và pha hơi. Ở trạng thái cân
bằng chất lỏng, cấu tử dễ bay hơi trong thể hơi luôn nhiều hơn trong thể lỏng. Nếu ta
thêm cấu tử dễ bay hơi vào dung dịch thì điều đó sẽ dẫn đến làm tăng độ bay hơi của
hỗn hợp, nghĩa là làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch ở áp suất đã cho, tuy nhiên độ
bay hơi của hỗn hợp chỉ tăng theo nồng độ rượu trong pha lỏng tới một nồng độ C%
nào đó, sau đó nếu tiếp tục thêm rượu vào pha lỏng thì độ bay hơi không tăng nữa mà
giảm đi. Lúc này định luật khơng cịn đúng nữa.
Định luật II: Khi chưng cất và tinh chế ở áp suất khí quyển, ta chỉ có thể nhận được cồn
có nồng độ 96%V. Thành phần hơi thoát ra từ dung dịch phụ thuộc vào áp suất bên
ngoài. Khi tăng áp suất của hệ thống hai cấu tử, cấu tử nào khi bay hơi đòi hỏ nhiều
năng lượng thì hàm lượng tương đối của nó sẽ tăng trong hỗn hợp đẳng phí. Do đó
chưng cất rượu trong điều kiện chân khơng thì có lợi hơn và có thể thu được rượu có
nồng độ cao hơn 96%V, phụ thuộc vào độ chân khơng.
Chưng luyện là q trình tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt, trong đó
vật chất di chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại. Động lực của quá trình này là
độ bay hơi khác nhau hay nhiệt hóa hơi khác nhau của các cấu tử ở cùng nhiệt độ. Quá
trình chưng luyện được tiến hành trên các hệ thống chưng luyện gôm một hay nhiều
VŨ THỊ THÙY DUNG

Page 24

LUẬN VĂN THẠC SỸ 2010B

tháp khác nhau. Các tháp chưng luyện có thể làm việc tại cùng điều kiện áp suất
thường hoặc tại các áp suất khác nhau. Quá trình chưng luyện có thể là chưng luyện
liên tục hay chưng luyện gián đoạn. [3,4]
Chưng luyện gián đoạn được sử dụng phổ biến với các hệ có năng suất vừa và nhỏ hay
để tách hệ nhiều cấu tử khi chỉ cần dùng một tháp chưng luyện. Đây là kỹ thuật tách đã
có từ lâu được sử dụng rộng rãi trong để phân tách, tinh chế, loại bỏ tạp chất trong các
quá trình cơng nghiệp hóa học, thực phẩm và dược phẩm. Ưu điểm chính của phương
pháp chưng luyện gián đoạn so với phương pháp chưng luyện liên tục là ở sự đơn giản
và đa năng của hệ thống chưng luyện: chỉ với một thiết bị có thể tách được nhiều các
hỗn hợp lỏng khác nhau. Khi đã có hỗn hợp đầu thì có thể tạo được các sản phẩm khác
nhau chỉ đơn giản bằng cách thay đổi chỉ số hồi lưu R. Thậm chí ngay cả hỗn hợp
nhiều cấu tử cũng có thể tách được bằng chưng luyện gián đoạn chỉ trong một tháp khi
mà các cấu tử sau khi tách được chứa trong các bình khác nhau. Nhược điểm của
phương pháp chưng luyện gián đoạn chính là hỗn hợp lỏng có có thời gian lưu tại nhiệt
độ cao khá lâu. Khi đó làm tăng khả năng phân hủy nhiệt và suy giảm chất lượng sản
phẩm. Ngoài ra năng lượng cần thiết cho q trình tách nói chung sẽ lớn hơn với
phương pháp chưng luyện liên tục.
2. Các cấu hình tháp chưng luyện gián đoạn
Một số cấu hình của tháp chưng luyện gián đoạn thường gặp trong công nghiệp:
-

Tháp chưng luyện gián đoạn kiểu truyền thống [7]

VŨ THỊ THÙY DUNG

Page 25