Đồ án tốt nghiệp
Tính tốn thiết kế hệ thống chưng cất
ethanol với công suất 100000 m3/năm trong
công nghệ sản xuất Bio─Ethanol từ sắn


Đồ án tốt nghiệp

Mục lục

MỤC LỤC
MỤC LỤC ........................................................................................................................ 1
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. 6
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BIO─ETHANOL VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT
BIO─ETHANOL TRONG CÔNG NGHIỆP .................................................................. 8
1.1. Tổng quan về Bio─Ethanol. ........................................................................... 8
1.1.1. Khái niệm về Bio─Ethanol. ................................................................ 8
1.1.2. Lịch sử phát triển và ứng dụng của Bio─Ethanol. .............................. 8
1.2. Tổng quan về Công nghệ sản xuất Bio─Ethanol. .......................................... 9
1.2.1. Các phương pháp sản xuất Ethanol..................................................... 9
1.2.2. Các nguồn nguyên liệu sản xuất Bio─Ethanol. ................................ 10
1.2.3. Sự khác nhau giữa công nghệ sản xuất cồn thực phẩm và
Bio─Ethanol. .............................................................................................. 11
1.3. Công nghệ sản xuất Bio─Ethanol từ tinh bột. ............................................. 12
1.3.1. Giới thiệu về nguyên liệu tinh bột sử dụng chủ yếu ở Việt Nam. .... 12
1.3.2. Giới thiệu về nguyên liệu sắn. .......................................................... 13
1.3.3. Các dây chuyền công nghệ sản xuất Bio─Ethanol trên thế giới....... 15
1.3.4. Công Nghệ sản xuất Bio─Ethanol hiện tại ở Việt nam. ................... 24
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG LUYỆN .............................. 33
2.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất. ...................................................... 33

2.1.1. Khái niệm về chưng cất. ................................................................... 33
Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52

2


Đồ án tốt nghiệp

Mục lục

2.1.2. Khái niệm về cân bằng lỏng – hơi. ................................................... 34
2.1.3. Hỗn hợp hai cấu tử. ........................................................................... 35
2.2. Các phương pháp chưng cất. ........................................................................ 35
2.2.1. Chưng đơn giản. ................................................................................ 35
2.2.2. Chưng bằng hơi nước trực tiếp. ........................................................ 37
2.2.3. Chưng luyện liên tục. ........................................................................ 38
2.2.4. Các phương pháp chưng khác. .......................................................... 41
2.3. Cở sở tính tốn cơng nghệ chưng luyện liên tục hỗn hợp hai cấu tử ........... 44
2.3.1. Cân bằng pha. .................................................................................... 44
2.3.2. Cân bằng vật liệu............................................................................... 45
2.3.3. Chỉ số hồi lưu thích hợp. ................................................................... 47
2.4. Quy trình cơng nghệ hệ thống chưng cất ethanol. ....................................... 49
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN CƠNG NGHỆ THÁP CHƯNG LUYỆN.......................... 52
3.1. Các thông số ban đầu. .................................................................................. 52
3.2. Cân bằng pha lỏng – hơi hệ Ethanol – water ở áp suất làm việc. ................ 52
3.3. Cân bằng vật chất. ........................................................................................ 54
3.3.1. Nồng độ phần mol của Ethanol trong tháp. ...................................... 54
3.3.2. Suất lượng mol của các dịng. ........................................................... 55
3.3.3. Phương trình đường làm việc cho đoạn chưng và đoạn luyện. ........ 56
CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN KẾT CẤU CHO THÁP CHƯNG LUYỆN ...................... 61

4.1. Chiều cao của tháp chưng luyện. ................................................................ 61
4.1.1. Số đĩa lý thuyết của tháp chưng luyện. ............................................. 61
4.1.2. Số đĩa thực tế của tháp chưng luyện. ................................................ 61

Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52

3


Đồ án tốt nghiệp

Mục lục

4.1.3. Chiều cao tháp chưng luyện. ............................................................. 63
4.2. Đường kính của tháp. ................................................................................... 64
4.3. Thiết kế sơ bộ đĩa và dự đoán điểm sặc đĩa. ................................................ 68
4.3.1. Chọn thiết kế sợ bộ đĩa cho tháp chưng luyện. ................................. 68
4.3.2. Dự đoán điểm sặc đĩa. ....................................................................... 68
4.4. Trở lực của đĩa. ............................................................................................ 69
4.4.1. Trở lực của đĩa khô. .......................................................................... 69
4.4.2. Trở lực lớp hỗn hợp lỏng – khí trên đĩa. ........................................... 71
4.4.3. Tính kiểm tra kênh chảy truyền lỏng. ............................................... 73
4.5. Tính tốn bề dày thiết bị và các chi tiết khác. .............................................. 75
4.5.1. Tính tốn bề dày thiết bị. .................................................................. 75
4.5.2. Tính tốn chân đỡ tháp...................................................................... 82
4.5.3. Cửa nối ống dẫn với thiết bị và bích nối tương ứng. ........................ 85
CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRỢ ............................................... 90
5.1. Thơng số hai dịng lưu thể. ........................................................................... 90
5.2. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị. ............................................................... 90
5.3. Hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể. ................................................................. 91

5.3.1. Hệ số cấp nhiệt cho hơi nước bão hịa khơ ngưng tụ. ....................... 92
5.3.2. Hệ số cấp nhiệt cho hỗn hợp lỏng etanol – nước. ............................. 93
5.3.3. Bề mặt truyền nhiệt và đáng giá độ dài ống...................................... 94
5.4. Tính tốn kết cấu cho thiết bị gia nhiệt đáy tháp. ........................................ 96
5.4.1. Bề dày thiết bị gia nhiệt đáy tháp...................................................... 96
5.4.2. Bề dày đáy và nắp thiết bị gia nhiệt. ................................................. 98

Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52

4


Đồ án tốt nghiệp

Mục lục

5.4.3. Chọn mặt bích ghép nối thân – đáy và nắp thiết bị........................... 98
5.4.4. Bù giãn nở nhiệt và bề dày vỉ ống. ................................................... 99
5.4.5. Tính toán chân đỡ thiết bị gia nhiệt đáy tháp.................................... 99
5.4.6. Cửa nối ống dẫn với thiết bị và bích nối tương ứng. ...................... 104
CHƯƠNG 6: QUY TRÌNH CHẾ TẠO, LẮP RÁP VÀ VẬN HÀNH THÁP CHƯNG
LUYỆN ........................................................................................................................ 107
6.1. Quy trình chế tạo một số chi tiết của thiết bị. ............................................ 107
6.1.1. Quy trình chế tạo thân tháp chưng cất. ........................................... 107
6.1.2. Quy trình chế tạo đáy và nắp thiết bị hình elip. .............................. 108
6.1.3. Quy trình chế tạo đĩa van chuyển động. ......................................... 109
6.2. Quy trình lắp ráp tháp chưng cất. ............................................................... 111
6.2.1. Quy trình lắp đặt thiết bị. ................................................................ 111
6.2.2. Quy trình lắp đặt đĩa van vào thân thiết bị. ..................................... 113
6.3. Quy trình vận hành thiết bị......................................................................... 114

6.3.1. Công tác chuẩn bị............................................................................ 114
6.3.2. Công tác vận hành. .......................................................................... 114
6.3.3. Ngừng hệ thống khi gặp sự cố. ....................................................... 115
6.3.4. Xử lý các sự cố trong vận hành....................................................... 116
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 117
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 118
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 120

Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52

5


Đồ án tốt nghiệp

Lời cảm ơn

LỜI CẢM ƠN
Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Nguyễn Đặng Bình Thành,
người đã trực tiếp hướng dẫn em hết sức tận tình, chu đáo về mặt chun mơn, động
viên em về mặt tinh thần để em hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp này.
Em xin gửi lời cảm ơn tới tất cả thầy cô giáo trong bộ môn Máy và Thiết bị
Cơng nghiệp Hóa Chất, Viện Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
đã tận tình dạy dỗ, chỉ bảo em trong suốt thời gian năm năm học tập và rèn luyện tại
trường.
Em xin chân thành cảm ơn các anh chị phịng Kỹ Thuật cùng tồn thể Công ty
Cổ phần Nhiên liệu Sinh học Miền trung đã cho phép em thực tập tại Q Cơng ty, từ
đó tạo tiền đề cho em có thể hồn thành bản đồ án tốt nghiệp này.
Sau cùng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè đã ln động
viên giúp đỡ em trong suốt q trình học tập tại Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

cũng như trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp.

Hà Nội, Ngày 02 Tháng 06 Năm 2012
Sinh viên
Hồ Sỹ Chính

Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52

6


Đồ án tốt nghiệp

Mở đầu

MỞ ĐẦU
Thế giới hiện nay đang phải đương đầu với hai cuộc khủng hoảng lớn – sự ấm
lên toàn cầu và giá cả tăng cao của các loại nhiên liệu không tái tạo. Tuy nhiên, cả hai
vấn đề này đều có một giải pháp thơng thường – một nhiên liệu thay thế nguồn năng
lượng tái tạo và hạn chế các loại khí thải gây hiện tương nóng lên tồn cầu. Trên
phương hướng đó, các nhà nghiên cứu và các nhà khoa học trên thế giới đã tìm ra một
nguồn nhiêu liệu tốt hơn và thân thiện với môi trường – Ethanol sinh học. Là một trong
những nguồn nhiên liệu thay thế với những lợi ích tuyệt vời của nó, đồng thời được
đánh giá là nguồn nhiên liệu tiềm năng với nhiều nước trên thế giới. Mặc dù có nhiều
thuận lợi và khó khăn khi sản xuất ethanol sinh học nhưng hiện nay ethanol sinh học đã
được sử dụng như là một nhiên liệu phụ ở một số nước.
Trong nhiều năm qua, công nghệ sản xuất ethanol sinh học đã được phát triển,
đổi mới vượt bậc, đem lại hiệu quả cao. Công nghệ được chú trọng nhất trong dây
chuyền là việc chưng cất ethanol từ giấm chín sau khi lên men. Vì vậy vấn đề tính tốn,
thiết kế cải tiến cơng đoạn chưng cất cũng như tồn q trình nói chung là điều tất yếu.

Bản đồ án của em với đề tài là:
“Tính tốn thiết kế hệ thống chưng cất ethanol với công suất 100000 m3/năm trong
công nghệ sản xuất Bio─Ethanol từ sắn”
Trong đó gồm các phần chính sau:
+ Chương 1: Tổng quan về Bio─Ethanol và cơng nghệ sản xuất Bio─Ethanol
trong công nghiệp.
+ Chương 2: Tổng quan về q trình chưng luyện.
+ Chương 3: Tính tốn cơng nghệ tháp chưng luyện Ethanol.
+ Chương 4: Tính tốn kết cấu cho tháp chưng luyện Ethanol.
+ Chương 5: Tính tốn các thiết bị phụ trợ.

Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52

7


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BIO─ETHANOL VÀ
CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIO─ETHANOL TRONG
CÔNG NGHIỆP
1.1. Tổng quan về Bio─Ethanol.
1.1.1. Khái niệm về Bio─Ethanol.
Bio─Ethanol (ethanol sinh học) là ethanol được sản xuất từ các loại nguyên liệu
thực vật chứa đường bằng phương pháp lên men vi sinh hoặc từ các loại nguyên liệu
chứa tinh bột và cellulose thông qua các phản ứng trung gian thủy phân thành đường.
Hiện này trên thế giới, nguyên liệu chứa đường và tinh bột được sử dụng phổ
biết hơn do chi phí sản xuất thấp.

Xăng sinh học là hỗn hợp được pha trộn theo tỷ lệ xác định giữa ethanol và
xăng. Một số loại xăng sinh học đang được sử dụng trên thế giới như E5, E10, E85….
Ở Việt nam, chỉ mới đưa ra thị trường loại xăng E5 do Cty PV oil cung cấp [1].
1.1.2. Lịch sử phát triển và ứng dụng của Bio─Ethanol.
Từ những năm 1973 trở về trước, Bio─Ethanol khơng được phát triển nhiều, vì
đương thời, cơng nghệ Hóa dầu rất phát triển, trữ lượng xăng dầu còn lớn, nên giá
thành thấp.
Sau những năm 1973, cuộc khủng hoảng dầu mỏ trên toàn thế giới xảy ra [2],
khiến giá thành xăng dầu lên cao, nên các nước phát triển như Mỹ, Braxin và một số
nước châu Âu bắt đầu khởi động lại các nghiên cứu về Bio─Ethanol. Sau đó,
Bio─Ethanol được phát triển mạnh, đưa vào sự dụng thực tế ở một số nước như Mỹ,
Braxin, Nhật Bản…
Đầu thế kỉ 21, xăng sinh học đã trở thành nhiên liệu được ưu tiên hàng đầu trong
xây dựng chiến lược về năng lượng tại Mỹ, Tây Âu, Nhật, Braxin…

Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52

8


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol

Ưu điểm của xăng sinh học là xăng cháy triệt để hơn, loại bỏ phụ gia chống kích
nổ chứa chì, giảm phát thải CO2 ra khơng khí đáng kể so với xăng thường.
Nhược điểm lớn nhất của xăng sinh học là do nồng độ cao Bio─Ethanol sẽ làm
hỏng các chi tiết lăng bằng cao su, nhưa trong động cơ.
Những loại xăng sinh học đã được sử dụng trên thế giới [3]:
+ E5, E10: Bio─Ethanol pha 5%, 10% thể tích vào xăng, được sử dụng thông

dụng, không ảnh hưởng đến động cơ xe.
+ E25: Bio─Ethanol pha 25% thể tích vào xăng, động cơ xe cần phải cải tiến
một số chi tiết, điề chỉnh thời gian phun nhiên liệu. Braxin là quốc gia sử dụng nhiều
nhất loại xăng này.
+E85: Bio─Ethanol pha 85% thể tích vào xăng, chỉ sử dụng cho các động cơ
được chế tạo riêng. Tiêu biểu là dòng xe Ford focus sản xuất ở Mỹ.
Thực tế, người ta sẽ không pha Bio─Ethanol với xăng theo tỷ lệ trung bình 40
đến 60% vì ở tỷ lệ này, xăng sau khi pha sẽ bị phân lớp rất nhanh trong quá trình lưu
trữ.
Hiệu quả khi dùng xăng sinh học thay thế:
+ Xăng pha 5% Bio─Ethanol sẽ tiết kiêm được 5% nhiên liệu so với xăng
thường.
+ Công suất của động được cải thiện hơn
+ Khi thải CO và Hidrocacbon giảm hơn 10%
+ Khả năng tăng tốc của đông cơ được tốt hơn.

1.2. Tổng quan về Công nghệ sản xuất Bio─Ethanol.
1.2.1. Các phương pháp sản xuất Ethanol.
Ethanol có thể sản xuất bằng nhiều phương pháp khác nhau , trong đó có hai
phương pháp sau là phổ biến và cơ bản nhất.
Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52

9


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol

+ Công nghệ sản xuất ethanol tổng hợp:

Tổng hợp ethanol có nghĩa là sản xuất ethanol bằng phương pháp hoá học, trên
thế giới người ta sản xuất ethanol bằng nhiều phương pháp khác nhau. Trong cơng
nghệ tổng hợp hố dầu ethanol được sản xuất bằng dây chuyền cơng nghệ hydrat hố
đối với khí etylen hoặc cơng nghệ cacbonyl hố với methanol.
Hydrat hố: CH2=CH2 + H2O

C2H5OH

Cacbonyl:

C2H5OH + H2O

CH3OH + CO + 2 H2

+ Công nghệ sản xuất ethanol sinh học:
Công nghệ này dựa trên q trình lên men các nguồn hydratcacbon có trong tự
nhiên như: nước đường ép, ngô, sắn, mùn, gỗ...
(C6H10O5)n + n H2O

nC6H12O6

2C2H5OH + 2CO2 + Q

Trong quá trình sản xuất ethanol sinh học có thể phân thành 2 cơng đoạn là cơng
đoạn lên men nhằm sản xuất Bio─Ethanol có nồng độ thấp và công đoạn chưng cất làm khan để sản xuất ethanol có nồng độ cao để phối trộn vào xăng.
Hiện nay sản xuất cồn chủ yếu và phổ biến là sản xuất theo phương pháp sinh
học.
1.2.2. Các nguồn nguyên liệu sản xuất Bio─Ethanol.
Nguồn nguyên liệu để sản xuất Bio─Ethanol chủ yếu từ:
+ Các loại nguyên liệu chứa đường: mía, củ cải đường, thốt nốt …

+ Các loại nguyên liệu chứa tinh bột: sắn, ngô, gạo, lúa mạch, lúa mì…
+ Các loại nguyên liệu chứa cellulose
Tuy nhiên, tùy theo lợi thế về nguồn nguyên liệu của mỗi quốc gia, người ta
chọn loại nguyên liệu có lợi thế nhất để sản xuất Bio─Ethanol nhiên liệu. Ở Việt Nam,
các nguồn nguyên liệu thích hợp có thể sản xuất Bio─Ethanol là mía, sắn, gạo, ngơ và
rỉ đường.
Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52

10


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol

1.2.3. Sự khác nhau giữa công nghệ sản xuất cồn thực phẩm và Bio─Ethanol.
1.2.3.1. Mục đích sử dụng.
+ Cồn thực phẩm:
Người ta sản xuất cồn thực phẩm là để pha chế thành rượu và các loại đồ uống
có cồn. Các loại đồ uống này được dùng trực tiếp cho con người nên trong thành phẩm
của cồn thực phẩm chỉ bao gồm chủ yếu là etanol. Các loại cồn đầu, dầu fusel, andehyt,
axit, este… có hại cho sức khoẻ phải càng ít càng tốt và khơng được vượt q ngưỡng
qui định.
Ngồi ra, do phải pha lỗng khi pha chế, nên khơng bắt buộc phải sản xuất ra
cồn có nồng độ rất cao.
+ Cồn nhiên liệu:
Cồn nhiên liệu được sản xuất để dùng làm chất đốt. Khi sản xuất cồn nhiên liệu
người ta không cần phải tách bỏ cồn tạp vì bản thân chúng khi cháy cũng tạo ra năng
lượng.
Trái với cồn thực phẩm, cồn nhiên liệu bắt buộc phải tách nước triệt để, vì nếu

hàm lượng nước có trong cồn càng cao thì làm giảm hiệu quả của quá trình cháy và ảnh
hưởng đến động cơ thiết bị, đồng thời khi pha cồn vào xăng sẽ dẫn đến sự phân tách
pha. Cũng chính vì vậy mà khi sản xuất cịn nhiên liệu, người ta phải chọn giải pháp
cơng nghệ thích hợp để loại bỏ nước trong cồn, tạo ra cồn có nồng độ rất cao.
1.2.3.2. Sự khác nhau trong công nghệ sản xuất ethanol thực phẩm và ethanol nhiên
liệu.
Sự khác nhau trong công nghệ sản xuất ethanol thực phẩm và ethanol nhiên liệu
chủ yếu xảy ra ở công đoạn cuối: chưng cất, tách nước [4]:

Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52

11


Đồ án tốt nghiệp
Công đoạn

Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol
Ethanol thực phẩm

Ethanol nhiên liệu

Phức tạp hơn do cần tách triệt để các
Chưng cất

chất có hại cho sức khỏe con người: Không cần loại bỏ cồn tạp
cồn đầu, dầu fusel, adehyt…

Tách nước


Không cần phải tách nước nâng Phải tách nước nâng nồng
nồng độ ethanol

độ ethanol lên 99.8%

Ngoài ra, để tránh sử dụng ethanol nhiên liệu cho các mục đích khác, cồn nhiên
liệu sau khi tách nước được biến tính bằng cách thêm vào 1,96 – 5%v/v chất biến tính.
Khi đó ethanol dùng làm nhiên liệu được gọi là ethanol biến tính. Chất biến tính có thể
dùng là xăng khơng chì, naphta….

1.3. Công nghệ sản xuất Bio─Ethanol từ tinh bột.
1.3.1. Giới thiệu về nguyên liệu tinh bột sử dụng chủ yếu ở Việt Nam.
Có nhiều nguyên liệu chứa tinh bột như sắn, ngơ, gạo….Thành phần hố học
của một số ngun liệu chứa tinh bột được thể hiện ở bảng sau. Tính theo % trung
bình:

Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52

12


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol

• Sắn:
Hiện nay, diện tích trồng sắn ở nước ta khoảng gần 500.000 ha và được phân bố

-


chủ yếu ở Tây Nguyên và Đông Nam bộ. Năng suất thu hoạch sắn tại nước ta trung
bình là 15-20 tấn/ha và tăng đều qua các năm.[5]
Hàm lượng tinh bột trong sắn tươi ở nước ta khoảng 25-35%. Cứ 2,3 kg sắn tươi

-

thì có thể thu được 1kg sắn lát.[5]
Với giá cả hiện nay thì việc sử dụng sắn để sản xuất xăng sinh học là khả thi nhất.

-

• Ngơ:
-

Năng suất ngơ của nước ta thấp, chỉ đạt ở mức 3.7 – 3.8 tấn/ha. Để sản xuất 1 lít

Bio─Ethanol, chúng ta cần 2,4 đến 2,6 kg ngô và giá ngô hiện nay là 4.100 đồng/kg,
đồng thời hàng năm Việt Nam phải nhập khẩu khoảng 400 – 500 nghìn tấn ngơ Chính
vì vậy, việc sản xuất Bio─Ethanol từ ngô trong giai đoạn hiện nay là không khả thi vì
giá ngơ q cao so với sắn lát, mặc dù hàm lượng tinh bột thấp hơn (65%) [6].
Vì vậy, nguồn nguyên liệu được chọn lựa cho công nghệ sản xuất Bio─Ethanol
là sắn.
1.3.2. Giới thiệu về nguyên liệu sắn.
-

Về cơ bản củ sắn gồm 3 phần chính: vỏ, thịt củ và lõi (ngồi ra cịn có cuống và rễ

củ).
-


Vỏ sắn gồm có 2 phần là vỏ gỗ và vỏ cùi:
+

Vỏ gỗ có tác dụng bảo vệ củ và chống mất nước của củ, tuy nhiên vỏ gỗ dễ bị

mất khi thu hoạch và vận chuyển.
+

Vỏ cùi là một lớp tế bào cứng phủ bên ngoài, thành phần chủ yếu là xenluloza

ngồi ra cịn có chứa polyphenol, enzim, và linamarin.
+

Phần thịt củ có chứa nhiều tinh bột, protein và các chất dầu, một ít polyphenol,

độc tố và enzim.

Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52

13


Đồ án tốt nghiệp

Mục lục

2.1.2. Khái niệm về cân bằng lỏng – hơi. ................................................... 34
2.1.3. Hỗn hợp hai cấu tử. ........................................................................... 35
2.2. Các phương pháp chưng cất. ........................................................................ 35
2.2.1. Chưng đơn giản. ................................................................................ 35

2.2.2. Chưng bằng hơi nước trực tiếp. ........................................................ 37
2.2.3. Chưng luyện liên tục. ........................................................................ 38
2.2.4. Các phương pháp chưng khác. .......................................................... 41
2.3. Cở sở tính tốn cơng nghệ chưng luyện liên tục hỗn hợp hai cấu tử ........... 44
2.3.1. Cân bằng pha. .................................................................................... 44
2.3.2. Cân bằng vật liệu............................................................................... 45
2.3.3. Chỉ số hồi lưu thích hợp. ................................................................... 47
2.4. Quy trình cơng nghệ hệ thống chưng cất ethanol. ....................................... 49
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN CƠNG NGHỆ THÁP CHƯNG LUYỆN.......................... 52
3.1. Các thông số ban đầu. .................................................................................. 52
3.2. Cân bằng pha lỏng – hơi hệ Ethanol – water ở áp suất làm việc. ................ 52
3.3. Cân bằng vật chất. ........................................................................................ 54
3.3.1. Nồng độ phần mol của Ethanol trong tháp. ...................................... 54
3.3.2. Suất lượng mol của các dịng. ........................................................... 55
3.3.3. Phương trình đường làm việc cho đoạn chưng và đoạn luyện. ........ 56
CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN KẾT CẤU CHO THÁP CHƯNG LUYỆN ...................... 61
4.1. Chiều cao của tháp chưng luyện. ................................................................ 61
4.1.1. Số đĩa lý thuyết của tháp chưng luyện. ............................................. 61
4.1.2. Số đĩa thực tế của tháp chưng luyện. ................................................ 61

Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52

3


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol

1.3.3. Các dây chuyền công nghệ sản xuất Bio─Ethanol trên thế giới.

Trên thế giới, hiện nay có rất nhiều nhà cung cấp cơng nghệ sản xuất
Bio─Ethanol nhiên liệu. Có thể kể ra một số các nhà cung cấp công nghệ sản xuất
Bio─Ethanol nhiên liệu hàng đầu trên thế giới gồm:
+

Lurgi AG, Frankfurt, Đức

+

Technip-Coflexip, Paris, Pháp

+

Delta-T Corporation, Virginia, Mỹ

+

Katzen International INC., Cincinnati, Ohio, Mỹ

+

Tomsa Destil. S.L, Madrid, Tây Ban Nha

+

Vogelbusch GmbH, Vienna, Áo
Ngoài các nhà cung cấp bản quyền công nghệ kể trên, trong lĩnh vực sản xuất

Bio─Ethanol nhiên liệu cịn có một số các nhà cung cấp công nghệ, thiết bị mua bản
quyền công nghệ của các hãng nêu trên rồi tự nghiên cứu phát triển công nghệ như:

+

Praj Industries Limited, Pune, Ấn Đô

+

Alfa Laval (India) Limited, Pune, Ấn Độ

+

Filli impianti, Monteriggioni, Italia

+

Kolon Engineering & Construction Co. Ltd., Kyunggi-Do, Hàn Quốc

+

Changhae Engineering Co.Ltd, Jeonju, Hàn Quốc

+

Rushan Risheng Machinery Manufacture Co., Ltd, Trung Quốc
Trong phạm vi đồ án tốt nghiệp, em xin trình bày các mơ hình, dây chuyền cơng

nghệ của các nhà cung cấp công nghệ sau:
+

Vogelbusch GmbH, Vienna, Áo


+

Praj Industries Limited, Pune, Ấn Đơ

+

Delta-T Corporation, Virginia, Mỹ

Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52

15


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol

1.3.3.1. Công nghệ Vogelbusch.
Dây chuyền cơng nghệ Vogelbusch, Áo [7].

Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52

16


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol

1. Công đoạn nghiền.

Sắn lát về đến nhà máy bằng xe tải được đổ xuống phễu tiếp nhận. Sau đó sắn
được tách bỏ tạp chất kim loại rồi đến kho chứa.
Từ kho chứa, sắn được làm sạch sơ bộ và cấp cho thùng chứa trung gian trước
khi vào máy nghiền búa.
Sản phẩm sau nghiền được phân loại bằng sàng phân loại, ở đây những sản
phẩm có kích thước chưa đạt sẽ được quay về lại thùng chứa trung gian trước máy
nghiền, bột sắn với kích thước đạt yêu cầu được chứa ở thùng chứa bột.
Bụi sinh ra sẽ được xử lý bằng hệ thống lọc đặc biệt với sự hỗ trợ của máy thổi
khí.
2. Cơng đoạn hồ hóa – đường hóa.
Bột sắn sẽ được hòa trộn với nước sạch, hơi ngưng và dịch hèm loãng sau ly
tâm. Tinh bột sẽ được chuyển hóa/cắt mạch thành dextrin, đường đa bởi enzyme Alpha
amylaza ở nhiệt độ, áp suất và pH thích hợp.
Q trình nấu sẽ sử dụng sự phun hơi trực tiếp. Dịch sau khi hồ hóa sẽ được làm
mát bởi thiết bị làm lạnh nhanh hoạt động ở điều kiện chân không.
Dịch sau khi làm lạnh nhanh được cấp cho thùng đường hóa. Tại đây, một phần
dịch hèm loãng sau ly tâm cũng được bổ sung, dung dịch H2SO4 điều chỉnh pH và
enzyme Gluco-amylaza chuyển hóa dextrin, đường đa thành đường Glucơ.
3. Cơng đoạn lên men.
Vogelbusch sử dụng công nghệ lên men liên tục. Kết quả của việc sử dụng công
nghệ như vậy sẽ giảm lao động, giảm lượng dung dịch CIP (kết quả là giảm hóa chất
và chi phí), cơng suất lên men tăng khoảng 130% so với hệ thống lên men theo mẻ và
làm tăng sản lượng ethanol.
Bản chất của phương pháp lên men liên tục là rải đều các giai đoạn lên men mà
mỗi giai đoạn đó được thực hiện trong một hoặc nhiều thiết bị lên men có liên hệ với
Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52

17



Đồ án tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol

nhau. Dòng dịch sẽ lần lượt chảy qua các thùng lên men và giấm chín được lấy ra ở từ
bồn cuối cùng.
Trong thiết kế dây chuyền này, q trình lên men có thể thực hiện gián đoạn
bằng cách đóng các van kết nối giữa các thùng lên men để cách ly các thùng với nhau.
Khi đó từng thùng sẽ được nạp liệu và lấy giấm chín ra một cách độc lập (lên men gián
đoạn từng thùng).
4. Công đoạn chưng cất – tách nước.
Sử dụng công nghệ chưng cất đa áp suất, hệ thống chưng cất hệ thống chưng cất
này sử dụng nhiệt năng tối ưu hơn và do đó giảm lượng hơi tiêu thụ.
Hệ thống các tháp gồm:
-

Tháp cất I với khử khí một phần.

-

Tháp cất II.

-

Tháp khử Anđehyt.

-

Tháp cất tinh I.


-

Tháp cất tinh II.
Các tháp hoạt động ở mức áp suất khác nhau để các tháp có thể được gia nhiệt

bởi hơi đỉnh của tháp khác.
Cồn từ khu vực chưng cất sẽ được gia nhiệt siêu tốc nhằm nâng nhiệt độ lên
khoảng 115oC và hóa hơi hồn tồn. Sau đó hơi cồn sẽ được tách nước bằng rây phân
tử 3A. Sản phẩm cồn khan sẽ được đưa đi ngưng tụ, làm mát và tồn chứa.
Sau một thời gian hấp phụ, tháp hấp phụ bị bão hòa và tháp được tái sinh bằng
một phần dòng hơi cồn khan đi ra khỏi tháp hấp phụ. Dịng hơi cồn tái sinh có chứa
nước sẽ quay trở lại khu vực chưng cất.

Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52

18


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol

5. Công đoạn xử lý dịch hèm.
Dịch hèm thải từ tháp chưng cất được đưa đến máy ly tâm nhằm tách bỏ các
thành phần rắn lơ lửng. Dịch hèm loãng sau ly tâm, một phần sẽ hồi lưu lại q trình
cơng nghệ, phần cịn lại được đưa đi cơ đặc bốc hơi.
Bã ẩm tách ra từ máy ly tâm sẽ được trộn với phần cặn đáy từ thiết bị cơ đặc,
sau đó được đưa đi sấy làm thức ăn gia súc.
Hơi sinh ra từ thiết bị sấy, cô đặc sẽ được thu hồi và quay trở lại q trình cơng
nghệ.

1.3.3.2. Cơng nghệ Praj.
Dây chuyền công nghệ Praj Industries Limited, Pune, Ấn Độ [8].

Quá trình sản xuất ethanol từ sắn lát dựa theo phương pháp chưng cất bao gồm
nghiền, loại bỏ cát đá, hồ hoá, lên men, và chưng cất - tách nước. Xử lý nước thải theo
phương pháp gạn lắng, xử lý bio-gas như là phương pháp xử lý cơ bản và xục khí như
là phương pháp xử lý lần hai.
Khu cơng nghệ chính có thể được chia thành 5 mục chính như sau:

Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52

19


Đồ án tốt nghiệp

Mục lục

4.1.3. Chiều cao tháp chưng luyện. ............................................................. 63
4.2. Đường kính của tháp. ................................................................................... 64
4.3. Thiết kế sơ bộ đĩa và dự đoán điểm sặc đĩa. ................................................ 68
4.3.1. Chọn thiết kế sợ bộ đĩa cho tháp chưng luyện. ................................. 68
4.3.2. Dự đoán điểm sặc đĩa. ....................................................................... 68
4.4. Trở lực của đĩa. ............................................................................................ 69
4.4.1. Trở lực của đĩa khô. .......................................................................... 69
4.4.2. Trở lực lớp hỗn hợp lỏng – khí trên đĩa. ........................................... 71
4.4.3. Tính kiểm tra kênh chảy truyền lỏng. ............................................... 73
4.5. Tính tốn bề dày thiết bị và các chi tiết khác. .............................................. 75
4.5.1. Tính tốn bề dày thiết bị. .................................................................. 75
4.5.2. Tính tốn chân đỡ tháp...................................................................... 82

4.5.3. Cửa nối ống dẫn với thiết bị và bích nối tương ứng. ........................ 85
CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRỢ ............................................... 90
5.1. Thơng số hai dịng lưu thể. ........................................................................... 90
5.2. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị. ............................................................... 90
5.3. Hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể. ................................................................. 91
5.3.1. Hệ số cấp nhiệt cho hơi nước bão hịa khơ ngưng tụ. ....................... 92
5.3.2. Hệ số cấp nhiệt cho hỗn hợp lỏng etanol – nước. ............................. 93
5.3.3. Bề mặt truyền nhiệt và đáng giá độ dài ống...................................... 94
5.4. Tính tốn kết cấu cho thiết bị gia nhiệt đáy tháp. ........................................ 96
5.4.1. Bề dày thiết bị gia nhiệt đáy tháp...................................................... 96
5.4.2. Bề dày đáy và nắp thiết bị gia nhiệt. ................................................. 98

Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52

4


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol

thiết bị làm mát bằng nước. Các thành phần của bình chuẩn bị men được chuyển đến
thùng lên men sơ bộ.
Thùng lên men sơ bộ được làm đầy dịch bột và nạp các chất của thùng nhân
men. Mục đích của việc lên men sơ bộ có sục khí (aerated) cho phép các tế bào nấm
men phát triển nhiều hơn và giảm sự nhiễm khuẩn của thùng nhân men. Khi các chất
trong thùng lên men sơ bộ được chuyển đến thùng nhân men chính, nồng độ của nấm
men đã đủ cao về căn bản có thể giảm được thời gian trễ liên quan đến sự phát triển
của nấm men trong quá trình lên men.
Enzym đường hóa được thêm vào trong thùng lên men. Chúng sẽ chuyển hóa

tinh bột thành đường. Ở đây cơ bản là sự chuyển hóa của dextrin thành dextroza. Mục
đích của q trình lên men là chuyển các chất có thể lên men được thành cồn.
pH của dịch bột được điều chỉnh cơ bản là nhờ dịch hèm tuần hoàn (cũng là để
cung cấp chất dinh dưỡng) hoặc là thêm axit vào. Nấm men có hiệu lực trong một
lượng vừa đủ để khởi đầu quá trình lên men nhanh và kết thúc nó trong vịng 60 giờ.
Tại giai đoạn đầu của chu kỳ, thùng lên men được nạp liệu với dịch bột và các
chất của thùng lên men sơ bộ. Lên men là quá trình sinh nhiệt. Nhiệt sinh ra được loại
bỏ bằng cách tuần hoàn làm mát trong thiết bị trao đổi nhiệt bên ngoài. Bơm tuần hoàn
cũng được cung cấp để bơm dịch đã lên men (giấm chín) đến thùng giấm chín. Sau đó
thùng lên men được làm sạch với nước và dung dịch xút, và khử trùng cho mẻ tiếp
theo.
3. Công đoạn rửa CO2.
CO2 rút ra trong suốt quá trình lên men sẽ kéo theo một lượng ethanol. CO2 này
được đưa vào thiết bị rửa CO2 bằng nước và loại bỏ lượng ethanol bị kéo theo.
4. Công đoạn chưng cất.
“ECOFINE MPR” là sơ đồ công nghệ đa áp suất với hai tháp chưng cất. Các
tháp này bao gồm các dịng:

Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52

21


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol

-

Tháp thô kết hợp tách khí ở đỉnh tháp: vận hành ở chân không


-

Tháp tinh: vận hành ở áp suất dư
Dịch sau khi lên men được gia nhiệt trong thiết bị gia nhiệt sơ bộ và đưa vào

đỉnh của tháp tách khí ở đỉnh của tháp thô. Một khu vực nhỏ được cung cấp ở đỉnh của
tháp thô gọi là tháp tách khí. Dấm chín được đưa vào tháp này và dịng đi xuống tháp
thô.
Hơi ở đỉnh tháp thô chứa ethanol được chuyển đến tháp tinh sau khi ngưng tụ.
Một phần nhỏ của dịng hơi này được nạp vào tháp tách khí. Trong tháp tách khí các
khí hịa tan cùng với một số tạp chất được tách ra ở đỉnh của tháp. Hơi này được ngưng
tụ trong thiết bị ngưng tụ của tháp tách khí và thành phần ngưng tụ được đưa đến khu
vực thấp hơn của tháp tinh để thu hồi ethanol.
Phần cịn lại của dấm chín tách ra khỏi dịng ethanol đi xuống dưới tháp thơ và
lấy ra như dịng nước thải từ đáy của tháp thô. Tháp thô vận hành ở chân không đảm
bảo nhiệt độ vận hành thấp. Ở nhiệt độ thấp, độ hòa tan của muối canxi cao hơn nên
chúng khơng kết tủa trong tháp. Vì vậy tháp thơ ít đóng cặn hơn.
Tháp tinh được vận hành ở áp suất tăng. Hơi được đưa vào thiết bị đun sôi đáy
tháp, được cung cấp ở đáy tháp.
Cồn được làm giàu đi ra ở đỉnh và có nồng độ khoảng 95% v/v. Cồn sau tinh
chế đi ra khỏi tháp và được đưa đi lưu trữ.
Dòng dầu fusel từ tháp tinh được đưa đến thiết bị tách dầu fusel, nơi mà dịng
này được hồ tan với nước và lớp giàu dầu fusel được tách ra. Nước rửa dầu fusel được
tuần hồn trở lại tháp.
Dịng nước tách ra từ đáy tháp thơ một phần được tuần hồn lại khu vực lên men
như là nước hồ tan và phần cịn lại được đưa đến phân xưởng xử lý nước thải.

Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52


22


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol

5. Công đoạn tách nước.
Q trình tạo thành cồn tinh chế thơng qua lớp hút ẩm. Hai tháp hút ẩm được
cung cấp để cho phép vận hành liên tục: một tháp thực hiện quá trình hấp phụ trong khi
tháp kia tiến hành tái sinh.
Nguyên liệu là hơi quá nhiệt của tháp tinh, được gia nhiệt siêu tốc để đảm bảo
nhiệt độ vận hành, và tuần hoàn đến tháp rây phân tử 1 được giả định là đang trong giai
đoạn tách nước. Sau khi đi qua thiết bị làm khô, hơi được ngưng tụ, làm mát và đưa
đến bể chứa sản phẩm.
Một phần nhỏ của hơi sản phẩm được đưa đến tháp 2 đang trong giai đoạn tái
sinh, ở áp suất chân không, để tiến hành tái sinh.
Giai đoạn tái sinh hút hơi nước từ các mao quản của rây phân tử, giúp cho tháp
2 sẵn sàng cho chu kỳ kế tiếp. Nồng độ dòng hơi thu hồi thấp, được ngưng tụ và tuần
hồn trở lại tháp tinh.
6. Cơng đoạn ly tâm tách bã.
Quá trình tách được thực hiện bởi máy tách ly tâm liên tục để tách bã ẩm. Dòng
chất lỏng là dịch hèm loãng từ thiết bị tách được đưa qua phân huỷ kỵ khí, theo sau là
phân huỷ hiếu khí.
1.3.3.3. Công nghệ Applied Process Technology International - APTI (Delta-T).
Đây là bản quyền công nghệ sản xuất Bio Ethanol nhiên liệu được áp dụng đối
với Nhà máy sản xuất Bio─Ethanol nhiên liệu Miền Trung. Cơng nghệ này sẽ được
trình bày chi tiết ở phần tiếp theo.

Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52


23


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol

1.3.4. Công Nghệ sản xuất Bio─Ethanol hiện tại ở Việt nam.
1.3.4.1. Sơ đồ khối công nghệ sản xuất ethanol
Dây chuyền công nghệ của Applied Process Technology International - APTI
(Delta-T) [4].

Công nghệ sản xuất Bio─Ethanol với nguyên liệu là sắn lát (cassava chips), sắn
lát được đưa đến khu vực nghiền, chuẩn bị dịch và tách cát, ở đây sẽ tạo thành dung
dịch bột đồng nhất (cassava slurry). Tinh bột trong dung dịch bột được chuyển hóa
thành đường có khả năng lên men dựa trên hoạt động của các enzyme (cơng đoạn hồ
hóa và nấu) và sau đó đường được chuyển hóa thành Ethanol và CO2 bởi hoạt động của
men (cơng đoạn lên men).
Khí CO2 thô sẽ được rửa sơ bộ bằng nước để tách lượng cồn bị cuốn theo, sau
đó CO2 được đưa đến phân xưởng thu hồi và hóa lỏng CO2.

Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52

24


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol


Dịch sau lên men (giấm chín) có nồng độ Ethanol thấp (9 ÷ 14%v/v), cần phải
loại bỏ tối đa lượng nước bằng phương pháp chưng cất, tinh luyện. Tuy nhiên do hiện
tượng điểm đẳng phí của hỗn hợp Ethanol và nước nên sau công đoạn chưng cất
Bio─Ethanol thu được chỉ đạt nồng độ 95-96 %v/v. Để sử dụng làm nhiên liệu,
Bio─Ethanol tiếp tục được đưa qua công đoạn tách nước để đạt nồng độ tối thiểu 99,8
%v/v.
Dịch hèm thải ra từ đáy của hai tháp chưng cất thô được đưa đến Decanter (máy
ly tâm) để tách các thành phần rắn có trong dịch hèm. Các bước xử lý tiếp theo là sấy
bã và xử lý nước thải có thu hồi Methane.
Hiệu suất của các cơng đoạn chính:
-

Hiệu suất lên men: 94%

-

Hiệu suất chưng cất: 99%

-

Hiệu suất tách nước: 99,5%

-

Hiệu suất tổng của nhà sản xuất chính (từ hồ hóa đến tách nước): 90,7%

Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52

25