Nghiên cứu thiết kế tháp chưng cất ethanol
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.04 MB, 88 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT ETHANOL
GVHD: PGS.TS TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ
Th.S LÊ LINH
SVTH: LÝ VĂN NAM
MSSV: 12143124
HOÀNG VĂN NAM
MSSV: 12143123
S KL 0 0 4 7 1 2
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2016
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc
Bộ môn Công Nghệ Chế Tạo Máy
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Giảng viên hướng dẫn:
PGS. TS TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ
ThS. LÊ LINH
Sinh viên thực hiện:
LÝ VĂN NAM
HOÀNG VĂN NAM
MSSV: 12143124
MSSV: 12143123
`
1. Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế tháp chưng cất ethanol
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: rượu ethanol 20%
3. Nội dung chính của đồ án:
-
Lý thuyết về chưng cất
-
Cân bằng vật chất
-
Tính tốn thiết kế tháp chưng cất
-
Tính tốn thiết bị truyền nhiệt
-
Tính tốn bơm nhập liệu
4. Các sản phẩm dự kiến: Rượu ethanol 85%
5. Ngày giao đồ án: 07/03/2016
6. Ngày nộp đồ án: 15/07/2016
TRƯỞNG BỘ MÔN
(Ký, ghi rõ họ tên)
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký, ghi rõ họ tên)
Được phép bảo vệ
……………………………………………………………(GVHD ký, ghi rõ họ tên)
1
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc
Bộ Môn Công Nghệ Chế Tạo Máy
BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Họ và tên sinh viên: Lý Văn Nam
MSSV: 12143124
Hoàng Văn Nam
Tên đề tài:
MSSV: 12143123
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT ETHANOL
Ngành đào tạo: Công nghệ chế tạo máy
Họ và tên GV hướng dẫn: PGS.TS TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ
Th.S LÊ LINH
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Nội dung đề tài và khối lượng thực hiện:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
2. Ưu điểm:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
3. Khuyết điểm:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
4. Đề nghị cho bảo vệ hay không?
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
5. Đánh giá loại
..................................................................................................................................................................................
6. Điểm:………..(Bằng chữ:……………………………………………………………...)
TP.HCM, ngày
tháng
năm 20…
Giảng viên hướng dẫn
2
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc
Bộ Môn Công Nghệ Chế Tạo Máy
BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Họ và tên sinh viên: Lý Văn Nam
MSSV: 12143124
Hoàng Văn Nam
Tên đề tài:
MSSV: 12143123
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT ETHANOL
Ngành đào tạo: Công nghệ chế tạo máy
Họ và tên GV hướng dẫn: PGS.TS TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ
Th.S LÊ LINH
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Nội dung đề tài và khối lượng thực hiện:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
2. Ưu điểm:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
3. Khuyết điểm:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
4. Đề nghị cho bảo vệ hay không?
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
5. Đánh giá loại
..................................................................................................................................................................................
6. Điểm:………..(Bằng chữ:……………………………………………………………...)
TP.HCM, ngày
tháng
năm 20…
Giảng viên hướng dẫn
3
LỜI CAM KẾT
- Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế tháp chưng cất ethanol.
- GVHD:
PGS. TS TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ
ThS. LÊ LINH
- Sinh viên thực hiện:
LÝ VĂN NAM
MSSV: 12143124
HOÀNG VĂN NAM
MSSV: 12143123
- Địa chỉ sinh viên:
Lớp 121431
- Số điện thoại liên lạc:
01668611006
- Email:
- Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 15/07/2016
- Lời cam kết: “Tơi xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) này là cơng trình do
chính tơi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã
được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tơi
xin chịu hồn tồn trách nhiệm”.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 06 năm 2016
Ký tên
4
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, nhóm em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng
góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của các quý thầy cơ trong khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS. Trương Nguyễn Ln Vũ, Phó khoa Cơ
Khí Chế Tạo Máy Bộ mơn – Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, cùng với đó là
thầy ThS. Lê Linh, người người thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo nhóm em trong suốt
q trình làm đồ án tốt nghiệp.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ
Thuật TPHCM nói chung, và các thầy cơ trong Bộ mơn Cơng Nghệ Chế Tạo Máy nói
riêng đã dạy dỗ cho em những kiến thức về các môn cơ sở chuyên ngành cũng như các
môn chuyên ngành, giúp nhóm em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện
giúp đỡ nhóm em trong suốt quá trình học tập.
Cuối cùng, nhóm em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô đã luôn tạo điều kiện, quan tâm,
giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hồn thành khố luận tốt nghiệp.
Trân trọng,
Nhóm sinh viên.
5
TĨM TẮT
Ngành chế biến rượu ở nước ta đã có từ lâu đời. Đây là ngành kinh tế có hình thức
phát triển rất đa dạng và hiện nay đang có xu hướng phát triển theo hướng cơng nghiệp
hóa và đang ngày càng mở rộng quy mô.
Ở việt nam ngành chế biến rượu chỉ mang hình thức kinh tế xóa đói giảm nghèo của
các hộ dân. Hơn thế cũng chỉ là hình thức kinh tế phát triển nhỏ lẻ, chỉ đủ cung cấp qua
lại tại địa phương. Nhìn sang các nước bạn, chúng ta có thể dể dàng thấy được ngành chế
biến sản xuất rượu là một ngành kinh tế được xem như trọng điểm của quốc gia họ. Ngoài
việc cung cấp tiêu thụ trong nước, họ càng xuất khẩu qua các nước khác. Họ làm được
như vậy tại vì họ đã từ lâu sở hửu được những chiếc máy hay những dây chuyền chế biến
sản xuất mang tính tự động cao, có thể mang lại cho họ năng suất lớn.
Cũng như họ, Việt Nam trên càng đường phát triển và hội nhâp, không thể thiếu
những cổ máy những dây chuyền tự động như thế. Chình vì vậy, việc thiết kế để chế tạo
ra tháp chưng cất ethnol có thể giải quyết được các vấn đề nêu trên là rất cần thiết.
Abstract
Wine processing industry in our country has a long lifetime. This is a form of
economic activity has developed very diverse and currently tends to develop in the
direction of industrialization and are increasingly scaling.
In Vietnam the wine processing industry forms only economic poverty of
households. More than that is just a form of economic development of small and only
provide enough local crossing. You look to other countries, we can easily see the wine
production and processing industry is an economic sector is seen as the key of their
country. In addition to providing domestic consumption, they are increasingly exported to
other countries. They do so because they have long owned the machine or production line
processing highly automated nature, can bring them greater productivity.
Like them, Vietnam on as road development and integration, the machines
indispensable automated assembly lines like that. Therefore, the design to produce
ethanol distillation tower can solve the above problems is essential.
6
MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ........................................................................................... 1
BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ............................................................ 2
BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ............................................................... 3
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................................... 5
TÓM TẮT ..................................................................................................................................... 6
MỤC LỤC ..................................................................................................................................... 7
DANH MỤC BẢNG BIỂU......................................................................................................... 11
DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ ............................................................................................... 12
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ..................................................................................................... 14
1.1 Giới thiệu chung.................................................................................................................... 14
1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước .................................................................................... 14
1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước .................................................................................... 17
1.2. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................................... 18
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT THÁP CHƯNG CẤT ..................................................... 19
2.1 Giới thiệu chung về chưng cất [4] ....................................................................................... 19
2.1.1 Khái niệm ........................................................................................................................... 19
2.1.2 Mục đích cơng nghệ và phạm vi sử dụng ........................................................................ 19
2.1.3 Phân loại ............................................................................................................................. 20
2.2 Các phương pháp chưng cất ................................................................................................ 20
2.2.1 Chưng cất đơn giản ........................................................................................................... 20
2.2.2 Chưng có hồi lưu................................................................................................................ 20
2.2.3 Chưng bằng hơi nước trực tiếp ........................................................................................ 21
7
2.2.4 Chưng luyện ....................................................................................................................... 21
2.3 Thiết bị chưng cất ................................................................................................................. 24
2.3.1 Tháp chưng cất .................................................................................................................. 24
2.3.2 Thiết bị ngưng tụ ............................................................................................................... 28
2.3.3 Thiết bị gia nhiệt đáy ......................................................................................................... 28
CHƯƠNG 3 NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM ..................................................................... 29
3.1 Ethanol................................................................................................................................... 29
3.2 Nước ....................................................................................................................................... 29
3.3 Qui trình cơng nghệ .............................................................................................................. 32
CHƯƠNG 4 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG ................................................ 34
4.1 Các thông số ban đầu ........................................................................................................... 34
4.2 Cân bằng vật chất ................................................................................................................. 34
4.3 Xác định tỷ sơ hồn lưu thích hợp ...................................................................................... 35
4.3.1 Tỷ số hoàn lưu tối thiểu Rmin ........................................................................................... 35
4.3.2 Tỷ số hồn lưu thích hợp .................................................................................................. 36
4.4 Phương trình đường làm việc sô mấm lý thuyết ................................................................ 36
4.4.1 Phương trình đường làm việc số mâm đoạn cất ............................................................ 36
4.4.2 Phương trình nồng độ làm việc đoạn chưng ................................................................... 36
4.4.3 Số mâm lý thuyết ............................................................................................................... 37
4.4.4 Xác định số mâm thực tế .................................................................................................. 37
CHƯƠNG 5 TÍNH TỐN-THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT............................................... 40
5.1 Đường kính tháp (Dt) [4] [5] [6] ....................................................................................... 40
5.1.1 Đường kính đoạn cất ......................................................................................................... 40
5.1.2 Đường kính đoạn chưng .................................................................................................... 43
8
5.2 Mâm lỗ và trở lực của mâm [6] .......................................................................................... 46
5.2.1 Cấu tạo lỗ mâm ................................................................................................................. 46
5.2.2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm. .......................................................................... 46
5.2.3 Độ giảm áp qua mâm khô: ............................................................................................... 47
5.2.4 Độ giảm áp do chiều cao mực chất lỏng trên mâm: ....................................................... 48
5.2.5 Độ giảm áp do sức căng bề mặt: ....................................................................................... 49
5.2.6 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động: ........................................................................... 51
5.3 Tính tốn cơ khí của tháp [4] [5] ......................................................................................... 52
5.3.1 Bề dày thân tháp:............................................................................................................... 52
5.3.2 Đáy và nấp thiết bị: ........................................................................................................... 54
5.3.3 Bích ghép thân, đáy và nấp: ............................................................................................. 55
5.3.4 Đường kính các ống dẫn- Bích ghép các ống dẫn:.......................................................... 56
5.4 Tai treo và chân đỡ .............................................................................................................. 61
5.4.1 Tính trọng lượng của toàn tháp ....................................................................................... 61
5.4.2 Chân đỡ tháp: .................................................................................................................... 62
5.4.3 Tai treo: .............................................................................................................................. 63
CHƯƠNG 6 TÍNH TỐN THIẾT BỊ TUYỀN NHIỆT - THIẾT BỊ PHỤ ......................... 64
6.1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu. [1] [3] [7] ......................................................................... 64
6.1.1 Các thơng số ban đầu. ....................................................................................................... 64
6.1.2 Tính tốn chi tiết. ............................................................................................................... 64
6.2 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh [1] [3] [7] ..................................................................... 68
6.2.1 Các thông số ban đầu ........................................................................................................ 68
6.2.2 Tính tốn chi tiết ................................................................................................................ 68
6.3 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh [1] [3] [7] ................................................................... 72
9
6.3.1 Các thơng số ban đầu ........................................................................................................ 72
6.3.2 Tính tốn chi tiết ................................................................................................................ 73
6.4 Nồi đun [1] [3] [7]................................................................................................................ 77
6.4.1 Các thơng số ban đầu ........................................................................................................ 77
6.4.2 Tính tốn chi tiết ................................................................................................................ 78
6.5 Bồn cao vị ............................................................................................................................. 80
6.5.1 Xác định vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn: ............................................................ 80
6.5.2 Xác định hệ số ma sát trong ống dẫn:.............................................................................. 80
6.5.3 Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ: ................................................................................ 81
6.6 Tính bơm [2]........................................................................................................................ 82
6.6.1 Năng suất ............................................................................................................................ 82
6.6.2 Cột áp ................................................................................................................................. 82
CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN ........................................................................................................... 85
7.1 kết quả ................................................................................................................................... 85
7.2 Hướng phát triển .................................................................................................................. 85
10
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 so sánh các ưu- nhược điểm của các loại tháp …………………………………27
Bảng 3.1. Thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Etanol - Nước ở 760
mmHg: ………………………………………………………………………………………29
Bảng 3.2 Liệt kê các thiết bị trong sơ đồ nguyên lý ………………………………………32
Bảng 4.1 Bảng các thông số ban đầu ………………………………………………………34
Bảng 5.1 Bảng giá trị thơng số của bích ghép thân……………………………………….. 55
Bảng 5.2 Bảng giá trị thơng số của bích ghép ống dẫn nhập liệu ………………………..57
Bảng 5.3 Bảng giá trị tjo6ng số của bích ghép ống dẩn hơi ở đỉnh tháp …………………58
Bảng 5.4 Bảng giá trị thơng số của bích ghép ống hồn lưu ………………………………59
Bảng 5.5 Bảng giá trị thơng số của bích ghép ống dẫn hơi vào đáy tháp ………………...60
Bảng 5.6 Bảng giá trị thơng số của bích ghép ống dẩn chất lỏng ở đáy tháp …………….60
Bảng 5.7 Bảng giá trị thông số của bích ghép ống dẩn sản phẩm đáy ……………………61
Bảng 5.8 Bảng giá trị thơng số kích thước chân đỡ ………………………………………..62
Bảng 5.9 Bảng giá trị thơng số kích thước của tai treo ……………………………………63
Bảng 6.1 Kết quả tính lặp lần 2 cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu. …………………………67
Bảng 6.2 Kết quả tính lặp lần 2 cho thiết bị ngưng tụ hơi đỉnh tháp ……………………..71
........................................................................................................................................................................................
11
DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ
Hình 1.1 Hệ thống chưng cất lấy nước ngọt từ nước biển …………………………………14
Hình 1.2 Hệ thống chưng cất dầu thơ ……………………………………………………….15
Hình 1.3 Tháp chưng cất rượu cơng suất 15 lít/h………………………………………….. 15
Hình 1.4 Hệ thống lọc hóa dầu Nghi Sơn ……………………………………………………16
Hình 1.5 Hệ thống chưng cất nước ngọt quy mơ hộ gia đình ……………………………...17
Hình 1.6 Cột chưng cất downcomer …………………………………………………………17
Hình 2.1 Hệ thống chưng cất ………………………………………………………………...19
Hình 2.2: Hệ thống chưng cất đơn giản ……………………………………………………..20
Hình 2.3 Hệ thống chưng cất hồi lưu ………………………………………………………..21
Hình 2.4 Hệ thống chưng cất trực tiếp ………………………………………………………21
Hình 2.5 Hệ thống chưng luyện nhiều lần …………………………………………………..22
Hình 2.6 Sơ đồ chưng luyện sản phẩm đáy quay trở lại …………………………………...22
Hình 2.7 Sơ đồ chưng luyện gián đoạn trong đó: …………………………………………..23
Hình 2.8 Sơ đồ chưng luyện liên tục trong đó: ……………………………………………...24
Hình 2.9 Tháp chưng cất mâm xun lổ …………………………………………………….25
Hình 2.10 Tháp chóp trịn: (a) chóp bằng sứ, (b) chóp bằng thép ………………………...26
Hình 2.11: Hình tháp đệm ……………………………………………………………………26
Hình 2.12 Các loại đệm ……………………………………………………………………….27
Hình 3.1 Đồ thị x-y của hệ ethanol-nước ở 760 mmHg……………………………………. 30
Hình 3.2 Đồ thị T-x,y của hệ ethanol-nước ở 760mmHg. ………………………………….31
Hình 3.3 quy trình cơng nghệ ………………………………………………………………..32
Hình 4.1. Thiết bị đáy và nắp ……………………………………………………………….54
12
Hình 4. 2. Bích ghép thân…………………………………………………………………… 55
Hình 4.3 Bích ghép ống dẫn …………………………………………………………………56
Hình 4.3 Chân đỡ …………………………………………………………………………….62
Hình 4.5 Tai treo ……………………………………………………………………………..63
Hình 6.1 Thiết bị đun sơi nhập liệu …………………………………………………………64
Hình 6.2: Biến thiên nhiệt độ trong thiết bị đun sôi nhập liệu. …………………………..65
Hình 6.3: Biến thiên nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ……………………………………. 69
Hình 6.4 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh ……………………………………………….72
Hình 6.5: Biến thiên nhiệt độ trong thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh ………………….73
Hình 6.6: Nồi đun ……………………………………………………………………………77
13
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu chung
Trong thời kỳ Cổ đại các loại tinh dầu được chưng cất nhiều nhất. Vào thời kỳ chuyển
tiếp thế kỷ (năm 1000), khi axít sulfuric và axít nitric và đặc biệt là từ khi rượu (êtanol)
được khám phá thì chưng cất trở thành một phương pháp hết sức quan trọng. Thêm vào
đó, trong thế kỷ 17, là việc chưng cất lấy nước ngọt từ nước biển và chưng cất nhựa
đường và hắc ín để trét kín tàu.
Hình 1.1 Hệ thống chưng cất lấy nước ngọt từ nước biển
1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Ở nước ta, chưng cất cũng đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: chưng cất tinh
dầu hồi từ quả, chưng cất ethanol, chưng cất dầu thô,..
14
Hình 1.2 Hệ thống chưng cất dầu thơ
Một số nghiên cứu tiêu biểu về tháp chưng cất trong nước:
-Nằm trong nội dung nghiên cứu của công ty cp công nghệ minh đức và công ty food
technology của Nga, thạc sỹ Chế tạo máy Ngô văn Dực và tiến sỹ khoa học Đặng Ngọc
Đường [1] đã thiết kế và chế tạo thành công Hệ thống Tháp chưng cất rượu công suất 15
lít/h.
Hình 1.3 Tháp chưng cất rượu cơng suất 15 lít/h
-Với những cải tiến trong q trình thiết kế và chế tạo như: thân tháp có cấu trúc đĩa lỗ
xuyên tâm không ống chảy chuyền, hệ thống ngưng tụ hồi lưu loại trao đổi nhiệt ống
chùm dạng nằm ngang, đáy tháp được cấp nhiệt bằng hơi nước bão hòa từ nồi hơi, đáy
tháp có cấu trúc nồi 2 vỏ được trang bị cánh khuấy mỏ neo… So với các phiên bản được
15
chế tạo trong nước và một số được nhập từ nước ngồi, hệ thống Tháp chưng cất rượu này
có các ưu điểm vượt trội như:
+Tách triệt để các tạp chất có trong sản phẩm lên men rượu như: aldehyde, methanol,
dầu fuzen, acid, ...
+Có thể chưng cất các sản phẩm lên men có nồng độ cồn thấp, lượng tạp chất nhiều như
các sản phẩm lên men từ hoa quả hoặc các sản phẩm lên men từ các loại phế phụ phẩm.
+Có thể tiến hành cô đặc, chiết xuất dược liệu, các hợp chất thiên nhiên và hóa học
khác.
+Ngồi ra, với cấu trúc đĩa lỗ xuyên tâm không ống chảy chuyền này, tháp có trở lực
thấp nên năng suất chưng cất lớn hơn với các hệ thống tháp chưng cất có cùng một cơng
suất nhiệt, số đĩa, đường kính và chiều cao của tháp.
+Kết quả thực nghiệm cho thấy, các sản phẩm rượu thu được sau khi qua Hệ thống
Tháp chưng cất này giữ được hương vị đặc trưng. Nhiều chỉ tiêu hóa học như: hàm lượng
aldehyde, methanol, dầu fuzen, ... đều ở dưới ngưỡng cho phép so với Tiêu chuẩn rượu
trắng Việt Nam (TCVN 7043-2013). Đây là thành công của tác giả trong các nghiên cứu
phát triển sản xuất các dòng rượu chất lượng cao từ ngũ cốc và các loại hoa quả khác.
-Lắp thành công tháp chưng cất dự án lọc hóa dầu Nghi Sơn:
+Cơng ty cổ phần Lilama 18 đã phối hợp cùng Công ty Nippon Express (NEX) tiến hành
lắp đặt tháp chưng cất Propane / ropylene Splitter dự án Lọc hóa dầu Nghi Sơn. Đây là
một trong những thiết bị quan trọng của nhà máy, có vai trị tách hợp chất Propane /
Prolylene
+Theo Tổng công ty Lắp máy Việt Nam (Lilama), tháp có đường kính 6,3m, cao 95m và
có khối lượng gần 900 tấn.
Hình 1.4 Hệ thống lọc hóa dầu Nghi Sơn
16
-Thiết kế,chế tạo thành công thiết bị chưng cất nước ngọt quy mơ hộ gia đình cho người
dân miền biển của các sinh viên ĐH Cần Thơ.
Hình 1.5 Hệ thống chưng cất nước ngọt quy mơ hộ gia đình
1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước
Một số bằng sáng chế về nghiên cứu tháp chưng cất
-Cột chưng cất downcomer có tường thấm chất lỏng:
+Một downcomer có một bức tường thấm chất lỏng được cung cấp để sử dụng trong một
khối lượng chuyển nhượng hoặc cột chưng cất. Các bức tường thấm chất lỏng tạo một con
đường khác cho chất lỏng phải được loại bỏ từ downcomer để tăng khả năng xử lý chất
lỏng của downcomer. Khi ướt, tường thấm chất lỏng cung cấp một hàng rào chống lại
entry hơi vào downcomer qua tường.
Hình 1.6 Cột chưng cất downcomer
-Phương pháp chưng cất ethanol khan:
17
+Tóm tắt: Một phương pháp chưng cất được cải thiện và các thiết bị được cung cấp cho
việc khôi phục ethanol khan từ quá trình lên men hoặc các nguyên liệu tổng hợp. Hệ
thống bao gồm ít nhất một tháp stripper-chỉnh lưu, một tháp bị mất nước, và một đại lý
đẳng phí tước tháp, tiết kiệm năng lượng đáng kể được thực hiện bằng cách điều hành
tháp không bị mất nước và tốt hơn cả các đại lý đẳng phí tước tháp, ở áp suất cao hơn
tháp stripper-chỉnh lưu và ngưng tụ hơi trên không từ tháp bị mất nước (hoặc khử nước và
đại lý đẳng phí tước tháp) để cung cấp nhiệt cần thiết trong tháp stripper-chỉnh lưu.
1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Trước tình hình phát triển mạnh mẽ của các ngành cơng nghiệp nói chung cũng như
ngành cơng nghiệp thực phẩm nói riêng.Việc sản xuất thực phẩm cho con người sử dụng
không chỉ quan tâm đến yếu tố chất lượng mà còn đặc biệt chú ý đến yếu tố đáp ứng đủ
và kiệp thời cho thị trường tiêu dung. Vấn đề trên giài quyết được khi và chỉ khi năng suất
sàn xuất thực phẩm tăng cao. Điều này buộc chúng ta phải áp dụng công nghệ sản xuất tự
động nhiều hơn vào quá trình sản xuất thực phẩm nói chung cũng như cơng nghệ sản xuất
rượu ethanol nói riêng. Như vậy việc thiết kế ra tháp chưng cất ethanol là việc làm cấp
thiết để có thể tăng cao năng suất chế biến trong ngành rượu nhằm đáp ứng nhu cầu thị
trường.
18
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT THÁP CHƯNG CẤT
2.1 Giới thiệu chung về chưng cất [4]
2.1.1 Khái niệm
Chưng cất là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự
khác nhau về độ bay hơi của chúng.
Khi chưng, ta thu được nhiều sản phẩm. Thường hỗn hợp chứa bao nhiêu cấu tử thì có
bấy nhiêu sản phẩm.Trường hợp có 2 cấu tử, theo sơ đồ chưng ở hình dưới ta sẽ thu được:
Hình 2.1 Hệ thống chưng cất
+ Sản phẩm đỉnh gồm cấu tử dễ bay hơi và một phần cấu tử khó bay hơi.
+ Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi.
2.1.2 Mục đích cơng nghệ và phạm vi sử dụng
Trước hết q trình chưng cất được thực hiện với mục đích thơ chế, làm sạch các tạp
chất thơ, ví dụ: các chất keo, nhựa, bẩn… trong quá trình sản xuất rượu hoặc thơ chế các
ngun liệu có tinh dầu.
Mục đích quan trọng khác là phạm trù khai thác thu nhận sản phẩm như cất cồn, cất
rượu, cất các loại tinh dầu. Cuối cùng, chưng cất để nâng cao chất lượng sản phẩm, đó là
q trình tinh chế, ví dụ tinh chế cồn, tinh chế các loại tinh dầu có giá trị kinh tế cao.
19
2.1.3 Phân loại
+ Phân loại theo áp suất làm việc: chân không, áp suất thường hoặc áp suất cao.
+ Phân loại theo số lượng cấu tử trong hỗn hợp: hệ 2 cấu tử, hệ 3 cấu tử hoặc số cấu tử
ít hơn mười và hệ nhiều cấu tử (lớn hơn mười).
+ Phân loại theo phương thức làm việc: liên tục, gián đoạn.
+ Phân loại theo mức độ phức tạp: chưng đơn giản, chưng luyện.
Ngồi ra người ta cịn phân biệt các phương pháp chưng đặc biệt như: chưng bằng hơi
nước trực tiếp, chưng trích ly, chưng đẳng phí, chưng cất thăng hoa.
2.2 Các phương pháp chưng cất
2.2.1 Chưng cất đơn giản
Chưng cất đơn giản dùng để chưng cất một hỗn hợp bao gồm các cấu tử dễ bay hơi có
lẫn các tạp chất khó bay hơi, khi khơng địi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao (thơ chế),
tách sơ bộ hỗn hợp chứa nhiều cấu tử chính hoặc tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất
không bay hơi. Trong cơng nghệ thực phẩm ta gặp trong q trình cất tinh dầu từ các
nguyên liệu chứa tinh dầu, hoặc cất cồn thủ công trong các nơi chưng đơn giản mà bộ
phận ngưng tụ làm lạnh có tên là vịi voi. Ở đây nếu cất với nước ở áp suất thường thì t o =
100oC.
Hình 2.2: Hệ thống chưng cất đơn giản
Vật liệu được nạp vào nồi chưng cất. Ở đây hỗn hợp được đun đến t o bay hơi. Bộ
phận đun nóng có thể là trực tiếp bằng củi, than (nồi cất thủ công) hoặc gián tiếp trong
các bộ phận truyền nhiệt. Hơi bốc hơi lên được ngưng tụ trong thiết bị làm lạnh,thường là
các ống ruột gà, nước làm nguội đi bên ngoài ống ; chất lỏng (sản phẩm đỉnh) được thu
vào thùng chứa, bã hoặc dung dịch khó bay hơi còn lại trong thiết bị được tháo ra ngồi.
2.2.2 Chưng có hồi lưu
Sản phẩm đỉnh sau khi ngưng tụ cho quay 1 phần trở về thiết bị chưng với mục đích
nâng cao chất lượng và tăng hiệu suất thu hồi.
20
Hình 2.3 Hệ thống chưng cất hồi lưu
2.2.3 Chưng bằng hơi nước trực tiếp
Phun hơi trực tiếp qua lớp chất lỏng hoặc vật liệu rắn, hơi nước có thể bão hịa hoặc
q nhiệt. Trong q trình tiếp xúc giữa hơi nước và chất lỏng, cấu tử cần chưng khuếch
tán vào trong hơi. Hỗn hợp hơi nước với cầu tử bay hơi đó được ngưng tụ và tách thành
sản phẩm. Phương án này có lợi đối với những chất có nhiệt độ sôi quá cao.
Tuy nhiên tốt hơn ta dùng phương pháp đốt gián tiếp để đun bốc hơi hỗn hợp, lớp hơi
nước trực tiếp chỉ có nhiệm vụ mang các cấu tử dễ bay hơi ra ngồi mà thơi.
Ngồi ra để chất lỏng khỏi bị phân hủy và giảm bớt lượng nhiệt chi phí người ta
thường tiến hành chưng cất với hơi nước dưới áp suất chân không.
Tổng lượng nhiệt chi phí cho chưng cất với hơi nước bao giờ cũng lớn hơn chưng cất
đơn giản.
Hình 2.4 Hệ thống chưng cất trực tiếp
2.2.4 Chưng luyện
Để thu được sản phẩm tinh khiết ta tiến hành chưng nhiều lần.
Chưng nhiều lần trong một nhóm thiết bị:
21
Hình 2.5 Hệ thống chưng luyện nhiều lần
Hỗn hợp đầu A liên tục đi vào nồi chưng thứ nhất. Một phần chất lỏng bay hơi thành
sản phẩm đỉnh C. Mức chất lỏng trong nồi không đổi. Hơi C cân bằng với trạng thái lỏng
B và hơi thu được ngưng tụ thành chất lỏng D đi vào nồi chưng tiếp theo. Quá trình cứ
tiếp tục như vậy lặp lại 3 lần. Mỗi nồi có bộ phận đốt nóng riêng biệt. Kết quả thu được
sản phẩm ở đáy và sản phẩm đỉnh có chứa nhiều cấu tử dễ bay hơi.
Để thu được chỉ một sản phẩm đáy có nhiều cấu tử ít bay hơi ta cho sản phẩm đáy của
các nồi sau lần lượt quay lại các nồi trước. Trạng thái cân bằng trong các nồi chưng sẽ
thay đổi. Ta có một sản phẩm đỉnh và một sản phẩm đáy.
Hình 2.6 Sơ đồ chưng luyện sản phẩm đáy quay trở lại
Phương án chưng luyện cho sản phẩm cuối quay trở lại và có hồi lưu cho một sản
phẩm đỉnh là phương án có hiệu quả. Tuy nhiên sơ đồ chưng trong một nhóm thiết bị như
vậy rất cồng kềnh. Để đơn giản hơn người ta thay hệ thống đó bằng một tháp chưng
luyện.
Tháp có nhiều đĩa, mỗi đĩa của tháp ứng với một nồi chưng. Bộ phận đun nóng ở dưới
đáy tháp. Hơi đi từ dưới lên các lỗ của đĩa, chất lỏng chảy từ trên xuống theo ống chảy
chuyển. Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi của tháp cũng
thay đổi tương ứng với sự thay đổi của nồng độ. Trên đĩa 1 chất lỏng chứa cấu tử dễ bay
hơi nồng độ x1, bốc hơi lên từ đĩa 1 có nồng độ cân bằng với x1 là y1. trong đó y1 > x1.
Hơi này đi qua các lỗ trên đĩa 2 tiếp xúc với chất lỏng trong đĩa 2. Nhiệt độ đĩa 2 thấp hơn
đĩa 1 nên 1 phần hơi được ngưng tụ lại, do đó nồng độ x2 > x1. Hơi nước bốc lên từ đĩa 2
có nồng độ tương ứng cân bằng với x2 là y2. trong đó y2 > x2. Hơi từ đĩa 2 đi lên đĩa 3 và
nhiệt độ ở đĩa 3 thấp hơn, hơi ngưng tụ 1 phần do đó chất lỏng trên đĩa 3 có nồng độ x3 >
x2 …
22
Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi. Do đó một phần
cấu tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và một phần ít hơn chuyển từ pha hơi
vào pha lỏng. Lặp lại nhiều lần bốc hơi và ngưng tụ như thế, với số đĩa tương ứng cuối
cùng ở trên đỉnh tháp ta thu được cấu tử dễ bay hơi ở dạng lẫn tạp chất và ở đáy tháp thu
được cấu tử khó bay hơi ở dạng nguyên chất. mỗi đĩa của tháp là một bậc thay đổi nồng
độ, số đĩa của tháp là số bậc thay đổi nồng độ.
Quá trình chưng luyện có thể xảy ra ở áp suất thường, áp suất cao hoặc áp suất chân
khơng. Có thể làm gián đoạn hoặc liên tục.
Hình 2.7 Sơ đồ chưng luyện gián đoạn trong đó:
1:thùng chứa
2:tháp
3:ngưng tụ hồi lưu
4:làm lạnh
5:thùng chứa phần ngưng tụ
23
Hình 2.8 Sơ đồ chưng luyện liên tục trong đó:
1:đáy tháp
5:thiết bị ngưng tụ hồi lưu
2:thiết bị đun nóng thiết bị ban đầu
6:thiết bị làm sạch
3:phần đỉnh tháp
7:thùng chứa phần ngưng tụ
4:thùng chứa cao vị
8:thùng chứa bã
9:dụng cụ nhìn kiểm tra
Lượng sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy được xác định khi biết nồng độ cấu tử dễ bay hơi và
ngược lại có thể xác định nồng độ cấu tử dẽ bay hơi khi biết lượng sản phẩm đỉnh và sản
phẩm đáy bằng phương trình cân bằng vật liệu của tồn tháp
F=P+W
(2.1)
Trong đó:
F – lượng hỗn hợp đầu đi vào tháp kmol/h
P – lượng sản phẩm đỉnh kmol/h
W – lượng sản phẩm đáy kmol/h
Nếu viết theo cấu tử dễ bay hơi ta có:
Fx1 = Pxp + Wxw
(2.2)
Trong đó x1, xp, xw là nồng độ của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh
và sản phẩm đáy.
2.3 Thiết bị chưng cất
Thiết bị dùng trong chưng cất bao gồm có các thành phần chính sau: tháp chưng cất,
thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh, thiết bị gia nhiệt đáy ngồi ra cịn có thể có thiết bị gia
nhiệt dịng nhập liệu.
2.3.1 Tháp chưng cất
Tháp chưng cất là nơi phân tách các cấu tử dựa vào sự tiếp xúc giữa hai pha khí lỏng.
Muốn có hiệu quả phân tách tốt, quá trình tiếp xúc lỏng hơi trong cột chưng cất phải
được xảy ra đồng đều, triệt để. Do vậy người ta phải trang bị các cơ cấu bên trong cột
nhằm đạt được mục đích này. Trong thực tế thường dùng các loại tháp chưng cất sau: tháp
loại mâm đĩa và tháp đệm.
24
