TR
B GIÁO D C VÀ ÀO T O
NG
I H C BÁCH KHOA HÀ N I
-----------------
Cao Th Mai Duyên
T I
U HOÁ H TH NG TÁCH H N H P NHI U
C UT
NH N
ETANOL - N
C B NG PH
C VÀ CÁC T P CH T
NG PHÁP LÊN MEN
LU N ÁN TI N S K THU T
Hà N i – 2010
TR
B GIÁO D C VÀ ÀO T O
NG
I H C BÁCH KHOA HÀ N I
-----------------
Cao Th Mai Duyên
T I
U HOÁ H TH NG TÁCH H N H P NHI U
C UT
NH N
ETANOL - N
C VÀ CÁC T P CH T
C B NG PH
NG PHÁP LÊN MEN
Chuyên ngành: Quá trình và Thi t b Công ngh Hoá h c
Mã s : 62.52.77.01
LU N ÁN TI N S K THU T
NG
IH
NG D N KHOA H C
PGS. TS Nguy n H u Tùng
Hà N i - 2010
L I CAM OAN
Tôi xin cam oan ây là công trình nghiên c u c a riêng tôi. Các s li u, k t
qu
c nêu trong lu n án là trung th c và ch a t ng
c cá nhân hay t ch c
khoa h c nào công b trong b t k công trình nào khác trong và ngoài n
c.
Cao Th Mai Duyên
L IC M
N
Tr
c tiên, tôi xin chân thành c m n PGS. TS Nguy n H u Tùng, Th y ã
t n tình h
ng d n, giúp ! tôi trong su t quá trình nghiên c u và hoàn thi n lu n
án.
Xin chân thành c m n các Th y Cô " Vi n ào t#o sau #i h c, các Th y
Cô và các $ng nghi p trong B% môn Quá trình – Thi t b Công ngh Hóa và Th c
ph&m ã óng góp các ý ki n chuyên môn, ã t#o m i i'u ki n thu n l i và nhi t
tình giúp ! tôi hoàn thành các n%i dung nghiên c u.
Tôi c(ng xin c m n Trung tâm giáo d)c và phát tri*n S+c ký – Tr ,ng #i
h c Bách Khoa Hà N%i, Công ty c ph n c$n r
máy r
u và các s n ph&m t nhiên, Nhà
u L#c H$ng ã giúp ! tôi r t nhi'u trong vi c ti n hành các thí nghi m và
phân tích s li u.
Cu i cùng, tôi xin c m n gia ình và b#n bè ã luôn %ng viên, giúp ! tôi
v
t qua m i khó kh-n, hoàn thành công vi c nghiên c u.
Cao Th Mai Duyên.
M CL C
Trang ph bìa
L i cam oan
M cl c
Danh m c các ký hi u, các ch vi t t t
Danh m c các b ng
Danh m c các hình v ,
th
M
u
Ch ng 1 – T NG QUAN
1.1. H dung d ch nhi u c u t
1.2. K thu t tách dung d ch nhi u c u t
1.3. T i u hoá quá trình tách dung d ch nhi u c u t
1.3.1. L a ch n ch tiêu t i u hoá
1.3.2. Phân tích ch tiêu t i u hoá v n ng l ng tiêu hao trong quá trình tách
h n h p nhi u c u t
Ch ng 2 – PH NG PHÁP NGHIÊN C U
2.1. Xây d ng mô hình t ng quát c!a tháp ch ng luy n nhi u c u t
2.1.1.Xác nh cân b"ng pha l#ng - h i c!a h dung d ch nhi u c u t
2.1.1.1. Xác nh cân b"ng pha c!a h dung d ch nhi u c u t b"ng ph ng pháp
th c nghi m
2.1.1.2. Xác nh cân b"ng pha c!a h dung d ch nhi u c u t b"ng ph ng pháp
l p mô hình
2.1.1.2.1. L a ch n mô hình
!
"
!
#
$ % & '
! ( ! )
* + ,
2.1.2. Các mô hình g n úng c!a tháp ch ng luy n nhi u c u t và ph ng pháp
gi i mô hình
2.1.3.Mô hình t ng quát c!a tháp ch ng luy n
2.1.4 . Các ph ng pháp gi i các ph ng trình MESH
2.1.4.1. Các ph ng pháp chia nh# bài toán
2.1.4.1.1. Ph ng pháp tính l n l t t$ %a sang %a
2.1.4.1.2. Các ph ng pháp chia nh# bài toán có s d ng ma tr n ba
ng
chéo
2.1.4.2. Ph ng pháp tính t$ trong ra ngoài
2.2. Ki&m ch'ng s phù h p c!a mô hình tháp ch ng luy n nhi u c u t b"ng th c
nghi m
2.2.1. Quá trình l y m(u và các ph ng pháp phân tích
2.2.1.1. Xác nh n ng ) etanol b"ng ph ng pháp t* tr ng
2.2.1.2. Xác nh n ng ) các t+p ch t trong m(u c n b"ng ph ng pháp s c ký
khí
2.2.2. Xác nh n ng ) etanol, nhi t ), n ng ) c!a m)t s c u t t+p ch t trên
các %a c!a tháp ch ng luy n th c t .
2.2.2.1. Các k t qu xác nh phân b n ng ) c n và nhi t ) d c theo chi u
cao c!a tháp
2.2.2.2. So sánh các k t qu phân b n ng ) m)t s t+p ch t trong tháp
Ch ng 3 – K,T QU- NGHIÊN C U
3.1. Nghiên c'u phân lo+i các c u t có trong dung d ch etanol - n .c s n xu t b"ng
ph ng pháp lên men
3.1.1. Nghiên c'u hành vi c!a các t+p ch t c!a h b"ng ph ng pháp th c nghi m
3.1.1.1. Xác nh thành ph n t+p ch t
3.1.1.2. Phân b n ng ) c!a các t+p ch t theo chi u cao c!a tháp ch ng luy n
1
2
2
5
7
7
9
18
18
19
20
21
21
27
30
31
32
40
41
41
43
54
56
56
56
57
59
60
62
68
68
68
68
70
trong quá trình tinh ch
3.1.1.2.1. Phân b n ng ) c!a các t+p ch t trong quá trình tinh ch c n trong
các tháp thí nghi m t$ nguyên li u r
ng
3.1.1.2.2. Phân b n ng ) c!a các c u t t+p ch t trong quá trình tinh ch
c n t$ nguyên li u tinh b)t
3.1.2. Nghiên c'u hành vi c!a các c u t t+p ch t b"ng ph ng pháp mô hình:
3.1.2.1. Nghiên c'u các y u t nh h ng n hành vi c!a etyl axetat và al ehyt
69
70
73
73
axetic:
3.1.2.2. Nghiên c'u các y u t nh h ng n hành vi c!a axit axetic
3.1.2.3. Nghiên c'u các y u t nh h ng n hành vi c!a các c u t n-propanol,
iso-propanol, iso-butanol, iso amyl alcohol (h n h p d u fusel) trong tháp ch ng luy n
3.1.2.4. Nghiên c'u các y u t nh h ng n hành vi c!a metanol trong tháp
3.2. Nguyên t c chung & tách h n h p nhi u c u t
3.3. ng d ng mô hình t ng quát c!a tháp ch ng luy n
3.3.1. Phân tích s
tinh ch c b n g m 3 tháp
3.3.2. ng d ng mô hình t ng quát c!a tháp ch ng luy n & t ng h p các s
tinh ch
3.3.2.1. S
tinh ch 4 tháp có k t n i thêm tháp tinh ch l+i COL4 & tách
metanol
3.3.2.2. S
tinh ch c n 5 tháp có k t n i thêm tháp fusel COL5
3.3.3. T ng h p s
tinh ch g m 6 tháp, có dòng tu n hoàn
3.4. ng d ng mô hình t ng quát c!a tháp ch ng luy n, t ng h p s
tách có k t
n i dòng nhi t gi m n ng l ng tiêu hao
3.4.1. Nguyên t c t ng h p s
tách có k t n i dòng nhi t
3.4.2. Thu t toán gi i h l.n
3.4.3. ng d ng thu t toán gi i h l.n & nghiên c'u t ng h p các s
tinh ch
có k t n i nhi t gi a các tháp
3.4.3.1. Tính toán ki&m tra s
tinh ch c n có k t n i nhi t t+i Công ty c
ph n mía
ng Lam S n
3.4.3.2. T ng h p m)t s s
tách v.i hi u su t s d ng n ng l
76
77
82
89
90
90
100
100
102
104
107
107
108
109
109
ng 122
cao
3.4.3.2.1. Nghiên c'u l a ch n áp su t làm vi c cho tháp thô COL1
3.4.3.2.2. Nghiên c'u l a ch n áp su t làm vi c cho tháp andehyt COL2
3.4.3.2.3. Nghiên c'u l a ch n áp su t làm vi c cho tháp COL3 và COL5
3.4.3.2.4. Nghiên c'u l a ch n áp su t làm vi c cho tháp COL4
3.4.3.2.5. Nghiên c'u ch n áp su t làm vi c cho tháp thu h i c n COL6
3.4.3.2.6. S
tinh ch g m 6 tháp làm vi c các áp su t khác nhau
K,T LU/N
Các công trình ã công b
Tài li u tham kh o
Ph l c
122
124
125
129
130
130
135
137
138
DANH M C CÁC KÝ HI U, CÁC CH
VI T T T
TCVN
P
V
i
x
y
H
R
L
G
RL
RG
W
E
T
QR
QC
α
r
ϕ
γ
n
N
Tiêu chu0n Vi t Nam
áp su t
th& tích
c ut
n ng ) ph n mol trong pha l#ng
n ng ) ph n mol trong pha h i
entalpy
ch s h i l u
dòng l#ng trong tháp
dòng h i trong tháp
ch s h i l u l#ng
ch s h i l u h i
công
execgy
nhi t )
nhi t un sôi áy tháp
nhi t ng ng t
nh tháp
h s bay h i t ng i
hàm nhi t
h s fugat
h s ho+t )
s c u t trong h
s b c lý thuy t c!a tháp ch ng luy n
Trong các s
COL
F
D
B
HS
H2O
MIX
P
DEC
HX
P1ST
P2ST
FUSEL
tinh ch :
tháp ch ng luy n
h n h p u vào tháp.
dòng nh tháp
dòng áy tháp
dòng h i t
dòng n .c
thi t b tr)n dòng
b m
thi t b phân l.p
thi t b gia nhi t
dòng s n ph0m c n sau tháp tinh ch
dòng s n ph0m c n ch t l ng cao sau tháp tinh ch l+i
dòng s n ph0m d u fusel
DANH M C CÁC B NG
-. ! /
!
-. ! /
!
-. ! /$
!
-. ! /;
0
'
' !' 1
! ( !/ ) 2 & '
!
' !'
3
4
5 6 5 47 44 8 ' '
+ 9 '
0 '
' !' 1
! ( !/ ) 2 & '
!
' !'
3
4
/ 4 7 :4 / 6 8
!
( !.
0 '
' !' 1
! ( !/ ) 2 & '
!
' !'
3
4
5 4
/
/ 6
% & '
! ( ! )
6 < = / 4
< = / 4
<$=
/ <;= 5
/ <>= 5
7
=
B ng 2-5. So sánh n ng ) c!a etanol trên các %a c!a tháp ch ng luy n theo th
nghi m v.i k t qu tính toán t$ mô hình.
B ng 2-6. N ng ) c!a m)t s t+p ch t trên các %a c!a tháp ch ng luy n theo th
1
1
1
/
c
c
nghi m v.i k t qu tính toán t$ mô hình.
B ng 3-1. N ng ) các t+p ch t trên các %a c!a tháp tinh ch c n s n xu t t$ nguyên
li u tinh b)t và r
ng
B ng 3-2. Thành ph n c!a h n h p u
B ng 3-3. Thành ph n c!a d u fusel t+i %a 38, %a 28 khi l y d .i d+ng l#ng, d+ng h i
B ng 3-4. Thông s c!a các dòng v t li u vào và ra kh#i tháp thô COL1
B ng 3-5. Thông s c!a các dòng vào và ra kh#i tháp COL2
B ng 3-6. Thông s c!a các dòng v t li u vào tháp tinh ch COL3
B ng 3-7. Thông s c!a các dòng v t li u ra kh#i tháp tinh ch COL3
B ng 3-8. Thông s c!a các dòng v t li u vào và ra kh#i thi t b phân ly tách d u
B ng 3-9. Thành ph n c!a các dòng vào và ra kh#i tháp COL4
B ng 3-10. Thông s c!a các dòng vào và ra kh#i tháp COL5
B ng 3-11. Thông s c!a các dòng vào và ra kh#i tháp COL6
B ng 3-12. Thành ph n các dòng v t li u chính trong s
tinh ch g m 6 tháp , làm
vi c áp su t th ng, có k t n i dòng tu n hoàn.
B ng 3-13. Mô hình và các thông s làm vi c c!a tháp nâng cao n ng ) T533
B ng 3-14. Thông s các dòng vào và ra kh#i tháp nâng cao n ng ) T533 theo mô
hình
B ng 3-15. Mô hình và các thông s làm vi c c!a tháp pha loãng T552
B ng 3-16. Thông s c!a các dòng vào và ra kh#i tháp pha loãng T552 theo mô hình
B ng 3-17. Mô hình và các thông s làm vi c c!a tháp tinh ch T557
B ng 3-18. Thông s c!a các dòng vào và ra kh#i tháp tinh ch T557
B ng 3-19. Mô hình và các thông s làm vi c c!a tháp T566
B ng 3-20. Thông s c!a các dòng v t li u vào và ra kh#i tháp metanol T566
B ng 3-21. Thông s c!a dòng gi m tr .c khi vào tinh ch và thông s c!a dòng s n
ph0m sau s
tinh ch
B ng 3-22. M)t s thông s nhi t c!a các tháp tinh ch trong s
c!a Công ty c
ph n mía
ng Lam S n Thanh Hoá
B ng 3-23. Thay i áp su t làm vi c trong tháp COL1
B ng 3-24. Thành ph n c!a dòng nh D1 khi thay i áp su t và l ng h i t trong
tháp COL1
B ng 3-25. Thành ph n c!a dòng 2B2 khi thay i áp su t trong tháp COL2
B ng 3-26. K t qu c!a tháp COL5 khi thay i áp su t làm vi c
B ng 3-27. K t qu dòng fusel 9 khi thay i áp su t làm vi c c!a tháp COL2
B ng 3-28. K t qu dòng fusel 9 khi thay i áp su t làm vi c c!a tháp COL3
B ng 3-29. -nh h ng c!a áp su t làm vi c c!a tháp tinh ch l+i COL4 n tiêu hao
n ng l ng trong tháp COL4
B ng 3-30. K t qu các dòng s n ph0m trong s
hình 3-65
B ng 3-31. T ng k t các thông s làm vi c c!a các tháp trong s
hình 3-65 theo các
áp su t làm vi c ã ch n trong ph ng án 1
B ng 3-32. T ng k t các thông s làm vi c c!a các tháp trong s
hình 3-66 theo các
áp su t làm vi c ã ch n trong ph ng án 2
B ng 3-33. Ch t l ng các dòng s n ph0m trong s
3-66
DANH M C CÁC HÌNH V ,
TH
Hình 1-1. H etanol - n .c - iso amyl alcohol
Hình 1-2. H etanol - n .c - iso propanol
Hình 1-3. H etanol - n .c - metanol
Hình 1-4. H etanol - n .c - etyl axetat
Hình 1-5. S l) trình tách c!a h n h p 3 c u t
Hình 1-6. -nh h ng tr+ng thái nhi t )ng h n h p u qF t.i l ng nhi t t i thi&u c n
c p cho quá trình ch ng luy n h n h p hai c u t lý t ng.
Hình 1-7. Gi m execgy trong ch ng luy n
Hình 1-8 A, B, C. L ng nhi t tiêu hao t i thi&u là hàm s c!a n ng ) h n h p u
trong ch ng luy n h n h p ba c u t 2,2 imetyl butan (a) / 2 metyl pentan (b) / hexan
(c).
Hình 1-9. So sánh n ng l ng tiêu hao t i thi&u QRmin/F.r cho ba l) trình tách h n h p
ba c u t .
Hình 2-1. Cân b"ng pha l#ng – h i c!a h nhi u c u t
Hình 2-2. S
thi t b xác nh cân b"ng l#ng – h i
@
/$ 0) &A 9
B ' 2 & '
!
( !5 )
* + ,
@
/; CA 1
'
' !' 1
! ( !/ ) 2 & '
!
'
!' 1
!
3
4
5 6 8 ' '
+ 9 '
Hình 2-5. S
nguyên lý c!a m)t b c cân b"ng pha
Hình 2-6. Mô hình tháp ch ng luy n liên t c
Hình 2-7. S
tháp ch ng luy n quy mô pilot
Hình 2-8. Phân b n ng ) etanol theo chi u cao tháp
Hình 2-9. Phân b nhi t ) theo chi u cao tháp
Hình 2-10. 1 th bi&u di2n phân b n ng ) c!a metanol theo chi u cao c!a tháp
ch ng luy n
c xác nh b"ng th c nghi m và
c xác nh d a vào mô hình
Hình 2-11. 1 th bi&u di2n phân b n ng ) c!a iso propanol theo chi u cao c!a tháp
ch ng luy n
c xác nh b"ng th c nghi m và
c xác nh d a vào mô hình
Hình 2-12. 1 th bi&u di2n phân b n ng ) c!a etyl axetat theo chi u cao c!a tháp
ch ng luy n
c xác nh b"ng th c nghi m và
c xác nh d a vào mô hình
Hình 3-1. K t qu phân tích etanol s n xu t t$ nguyên li u tinh b)t
Hình 3-2. K t qu phân tích etanol s n xu t t$ nguyên li u r
ng
Hình 3-3. Các
th bi&u di2n hành vi c!a các c u t theo chi u cao c!a tháp
Hình 3-4. 1 th bi&u di2n phân b n ng ) metanol khi tinh ch c n t$ tinh b)t trên
tháp thí nghi m
ng kính 200mm.
Hình 3-5. Mô hình tháp ch ng luy n nghiên c'u hành vi c!a các c u t trong dung
d ch etanol - n .c s n xu t b"ng ph ng pháp lên men
Hình 3-6. -nh h ng c!a n ng ) etanol trong dòng vào n hành vi c!a etyl axetat
D/F=0,02 , R=10
Hình 3-7. -nh h ng c!a n ng ) etanol trong dòng vào n hành vi c!a al ehyt
axetic D/F=0,02, R=10
Hình 3-8. -nh h ng ch s h i l u n phân b etyl axetat, D/F=0,02, xFetanol = 0,2
Hình 3-9. -nh h ng ch s h i l u n phân b al ehyt axetic, D/F=0,02, xFetanol =
0,2
Hình 3-10. -nh h ng ch s h i l u n n ng ) t+p trong dòng nh, D/F=0,02,
xFetanol = 0,2
Hình 3-11. -nh h ng ch s h i l u n phân n ng ) t+p trong dòng áy, D/F=0,02 ,
xFetanol = 0,2
Hình 3-12. -nh h ng v trí ti p li u n n ng ) t+p trong dòng
nh, D/F=0,02;
xFetanol = 0,2 ; R=3,5
Hình 3-13. -nh h ng v trí ti p li u n n ng ) t+p trong dòng áy, D/F=0,02 ,
xFetanol = 0,2; R=3,5
Hình 3-14. -nh h ng n ng ) etyl axetat trong dòng vào t.i phân b trong tháp tinh
ch , D/F=0,02 ; R=3,5; xFetanol = 0,2
Hình 3-15. -nh h ng c!a n ng ) etanol trong h n h p u t.i phân b axit axetic
D/F =0,025 ; R =3,5
Hình 3-16. -nh h ng ch s h i l u t.i n ng ) axit axetic trong các dòng s n ph0m
Hình 3-17. -nh h ng c!a n ng ) etanol trong h n h p u t.i phân b n ng ) các
t+p, t+i i u ki n: R=4.
Hình 3-18. S
ch ng luy n có l y d u Fusel
Hình 3-19. -nh h ng c!a ch s h i l u t.i n ng ) n-propanol trong d u fusel
Hình 3-20. -nh h ng c!a ch s h i l u t.i n ng ) c!a iso-butanol trong d u fusel
Hình 3-21. -nh h ng c!a ch s h i l u t.i n ng ) iso-propanol trong d u fusel
Hình 3-22. -nh h ng c!a ch s h i l u t.i n ng ) iso amyl alcohol trong d u fusel
Hình 3-23. -nh h ng c!a v trí l y d u fusel t.i n ng ) các t+p ch t trong d u fusel
Hình 3-24. -nh h ng c!a l u l ng d u fusel t.i n ng ) c!a t+p trong d u fusel
Hình 3-25. -nh h ng c!a l u l ng dòng fusel t.i n ng ) c!a n-propanol trong s n
ph0m etanol tinh ch
Hình 3-26. -nh h ng c!a l u l ng d u fusel t.i n ng ) c!a iso-butanol trong s n
ph0m etanol tinh ch
Hình 3-27a. Phân b n ng ) metanol t+i R = 3,5; XF(metanol) = 7.10-5 và t+i các n ng )
etanol trong h n h p u khác nhau
Hình 3-27b. Phân b n ng ) c!a t+p metanol trong tháp tinh ch .
Hình 3-28. Quan h gi a n ng ) metanol
nh tháp và n ng ) etanol trong h n
-5
h p u. T+i t* l D/F=5%; XF(metanol)=7.10
Hình 3-29. N ng ) metanol trong s n ph0m nh t+i i u ki n D/F=5%, XF(metanol)=
7.10-5
Hình 3-30. N ng ) metanol trong s n ph0m áy t+i i u ki n D/F=5%, XF(metanol)=
7.10-5
Hình 3-31. -nh h ng c!a các t+p ch t khác n phân b n ng ) metanol trong tháp
Hình 3-32. -nh h ng c!a n ng ) metanol trong h n h p u t.i phân b n ng )
c!a nó XF(Etanol)=0,05 ph n mol; R=4; T* l : D/F=5%.
Hình 3-33. S
h th ng ch ng luy n 3 tháp, làm vi c áp su t th ng
Hình 3-34. Phân b n ng ) c!a etanol và n .c trong tháp ch ng luy n thô COL1
Hình 3-35. Phân b n ng ) c!a các t+p ch t trong tháp ch ng luy n thô COL1
Hình 3-36. Phân b n ng ) c!a etanol và n .c trong tháp COL2
Hình 3-37. Phân b n ng ) c!a các t+p ch t trong tháp COL2
Hình 3-38. Phân b n ng ) c!a t+p ch t iso propanol trong tháp COL2
Hình 3-39. Phân b n ng ) etanol và n .c trong tháp tinh ch COL3
Hình 3-40. Phân b n ng ) c!a các t+p ch t chính trong d u fusel trong tháp tinh ch
COL3
Hình 3-41. Phân b n ng ) c!a t+p metanol trong tháp tinh ch COL3
Hình 3-42. S
tinh ch g m 4 tháp,làm vi c áp su t th ng
Hình 3-43. S
tinh ch c n g m 5 tháp, làm vi c áp su t th ng
Hình 3-44. S
tinh ch c n 6 tháp, có dòng thu h i h i l u, làm vi c áp su t
th ng
Hình 3-45. S
kh i thu t toán gi i h l.n
Hình 3-46. Mô hình s
tinh ch 5 tháp theo s
c!a Công ty c ph n mía
ng
Lam S n Thanh Hoá
Hình 3-47. S
làm vi c th c t c!a tháp thô T507
Hình 3-48. S
làm vi c th c t c!a tháp nâng cao n ng ) T533
Hình 3-49. Phân b n ng ) etanol, n .c trong tháp nâng cao n ng ) T533 theo mô
hình
Hình 3-50. Phân b n ng ) n-butanol, iso butanol, iso amyl alcohol, n propanol trong
tháp nâng cao n ng ) T533 theo mô hình
Hình 3-51. S
làm vi c c!a tháp pha loãng T552
Hình 3-52. Phân b n ng ) etanol, n .c trong tháp T552 theo mô hình
Hình 3-53. Phân b n ng ) al ehyt axetic, etyl axetat trong tháp pha loãng T552 theo
mô hình
Hình 3-54. S
làm vi c c!a tháp tinh ch T557
Hình 3-55. Phân b n ng ) c!a etanol và n .c trong tháp tinh ch T557 theo mô hình
Hình 3-56. Phân b n ng ) c!a iso amyl alcohol trong tháp tinh ch T557 theo mô
hình
Hình 3-57. Phân b n ng ) c!a n-propanol trong tháp tinh ch T557 theo mô hình
Hình 3-58. Phân b n ng ) c!a metanol trong tháp tinh ch T557 theo mô hình
Hình 3-59. Phân b etanol và n .c trong tháp metanol T566 theo mô hình
Hình 3-60. Phân b metanol trong tháp metanol T566 theo mô hình
Hình 3-61. S
nguyên lý c!a tháp thô COL1
Hình 3-62. S
nguyên lý c!a tháp andehyt COL2
Hình 3-63. S
nguyên lý k t n i các tháp COL1, COL2, COL3, DEC và COL5
Hình 3-64. S
k t n i tháp COL1, COL2, COL3, COL4, COL5
Hình 3-65. S
tinh ch g m 6 tháp làm vi c các áp su t khác nhau
Hình 3-66. S
6 tháp làm vi c các áp su t khác nhau và k t n i nhi t gi a các
tháp theo ph ng án k t n i nhi t 2.
1
M
Trong th c t s n xu t th
U
ng g p các h dung d ch nhi u c u t ph c t p
nh h d u m , các s n ph m lên men, các ch ph m sinh h c, các h n h p khí hoá
l ng…
thu
c s n ph m có
các c u t trong h . Thông th
t trong h l n, nh h
t
tinh khi t cao c n thi t ph i phân tách riêng
ng các h nhi u c u t khá ph c t p, s l
ng c u
ng l n nhau gi a các c u t không tuân theo các quy lu t lý
ng, các c u t trong h còn có kh n ng t o v i nhau các h n h p
ng phí hai
c u t , ba c u t và có th xu t hi n các vùng d th hai pha l ng. Do v y, phân tách
các h này b ng ph !ng pháp ch ng luy n th
+ Khó tách tri t
các c u t ,
ng g p nhi u khó kh n:
i v i các h n h p
ng phí ph i dùng k t
h p nhi u ph !ng pháp.
+ H th ng thi t b ph c t p, cho h n c u t ph i c n ít nh t (n-1) tháp
ch ng luy n và 2(n-1) thi t b trao "i nhi t.
+ S l trình tách l n, v i h 4 c u t s l trình tách là 22, cho h n h p 5
c u t s l trình tách s# là 119 l trình, nên vi c
th
a ra
c l trình tách h p lý
ng g p nhi u khó kh n.
+ Tiêu hao n ng l
ng cho quá trình phân tách l n.
Vì v y, vi c nghiên c u t i u hoá quá trình phân tách h nhi u c u t nh m
nâng cao hi u qu phân tách, gi m s l
ng thi t b , l a ch n m t l trình tách h p
lý, gi m tiêu hao nguyên v t li u và n ng l
hi n nay.
ng là v n
thi t th c và c p bách
2
CH
NG 1 - T NG QUAN
1.1- H$ DUNG D%CH NHI&U C'U T(
Trong th c t s n xu t, h u h t các h n h p th c thông th
h n h p nhi u c u t nh h n h p d u m , h n h p r
ng
u là các
u c)n, các h n h p sau lên
men, các h n h p hoá ch t... Tách các h n h p nhi u c u t có th dùng các ph !ng
pháp nh h p ph*, h p th*, trích ly, ch ng luy n,... ho c k t h p các ph !ng pháp
ó tu+ thu c vào tính ch t c,a h c n tách. [2]
c i m chung c,a các h dung d ch nhi u c u t là r t ph c t p do chúng
th
ng có s l
ng c u t l n, các c u t tan l n hoàn toàn vào nhau ho c không
tan m t ph n hay hoàn toàn t o thành hai pha l ng và c-ng có th g p các i m
ng phí trong h n h p này.
M t h n h p nhi u c u t th
etanol - n
ng g p trong th c t s n xu t là dung d ch
c và các t p ch t s n xu t b ng ph !ng pháp lên men. ây là dung d ch
th c nhi u c u t r t i n hình. Các c u t trong h có nh h
ng l n nhau h t s c
ph c t p gây nhi u khó kh n cho vi c phân tách các c u t t p ch t, nh m thu
s n ph m c)n th c ph m ch t l
ng cao,
m b o s c kho. c,a ng
Trong công nghi p, vi c s n xu t etanol th c ph m
trình lên men các nguyên li u ch a
quá trình này
c
i s d*ng.
c ti n hành nh quá
ng ho c tinh b t, và dung d ch thu
c sau
c g i là gi m. Tác nhân xúc tác cho quá trình lên men này là các
ch,ng n m men.
Tùy thu c vào nguyên li u s n xu t ban
u (tinh b t g o, s/n, … ho c r0
ng…), ch,ng n m men và quá trình lên men mà s l
c,a chúng trong h dung d ch etanol - n
ng c u t c-ng nh n)ng
c và các c u t t p ch t sau lên men là
khác nhau. Nh ng nhìn chung, ây là h dung d ch có r t nhi u t p ch t và r t ph c
t p.
Ngoài hai c u t chính là n
c và etanol, s c u t có trong h có th lên
kho ng h!n 50 c u t [3], g)m ch, y u là các c u t sau:
n
3
- Các an ehyt: an ehyt axetic, an ehyt propylic, an ehyt butyric, akrolein,
metyl axetat, etyl axetat, an ehyt n maslianic,
iaxetin, trietyl amin, an ehyt
crotonic, trimetyl amin ,…
- Các este: este c,a axit axetic, este c,a axit propylic, ietyl este, etyl muravic
este, etyl iso maslianat (este), este c,a axit iso valeric, etyl propyonat (este), este
c,a axit axetic - iso amylic, este iso valerat amylic,...
- Các axit: axit axetic, axit butyric,...
- Các r
u b c cao: iso amyl ancohol, iso butanol, n butanol, n propanol, iso
propanol, fufurol, glyxerol,…
Trong gi m, thành ph n etanol chi m 6 - 7% th tích, ph n còn l i ch, y u là
n
c (89 - 90% th tích) và các t p ch t (< 5% th tích). [5]
Trong h dung d ch r t ph c t p này, hai c u t chính là etanol và n
nhau m t i m
nhi t
ng phí
n)ng
ct ov i
c,a etanol là 96% th tích [8]. H!n th n a,
sôi c,a các c u t n m trong m t kho ng khá h1p nên trong h này d2 t o
thành các h n h p
ng phí hai c u t , h n h p
ng phí ba c u t và có kh n ng
t o thành các vùng d th hai pha l ng.
Kh o sát các h dung d ch ba c u t g)m etanol - n
ch t ã cho th y rõ
c i m ph c t p này c,a h . Ví d*:
+ H etanol - n
c - iso amyl ancohol: hình 1-1 cho th y xu t hi n vùng d
th hai pha l ng và hai i m
ancohol và m t
ng phí c c ti u gi a etanol - n
ng biên gi i ch ng c t n i hai i m
+ H etanol - n
i m
c v i m t vài c u t t p
c và n
c - iso amyl
ng phí.
c - iso propanol: hình 1-2 cho th y h ba c u t này có hai
ng phí c c ti u gi a etanol - n
c và n
c - iso propanol và m t
ng biên
gi i ch ng c t.
+ H etanol - n
ti u gi a etanol - n
c và
+ H etanol - n
l ng - l ng, ba i m
c u t v i ba
c - metanol: hình 1-3 cho th y h có m t i m
ng phí c c
ng biên gi i ch ng c t n i 0nh metanol v i i m này.
c - etyl axetat: trên hình 1-4 xu t hi n m t vùng hai pha
ng phí c c ti u hai c u t và m t i m
ng biên gi i ch ng c t.
ng phí c c ti u ba
4
etanol (78,31oTernary
C)
Map (Mole Basis)
o
T erna
etanol (78,31
C)ry M a p (M ole B a si s)
ETHAN-0 1 (78.31 C )
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
n c
WATER
(100.02
(100,02Co)C)
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
Hình 1-1. H etanol - n
c - iso amyl ancohol
0.1
3-MET-01
iso
amyl
(130.91 C )
ancohol
(130,91oC)
0.8
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
0.9
ETHAN-01 (78.31 C )
n WATER
c
o C)
(100.02
(100,02
C)
0.2
0.3
0.4
0.5
Hình 1-2. H etanol - n
0.6
0.7
0.8
propanol 2
(82,35 C)
ISO PR-01
(82.3 5 C ) o
0.9
c – propanol 2
etyl axetat Ternary Map (Mole Basis)
o
(77,2
ETHYL-01
C)(77.2 0 C )
o Map (Mole Basis)
Ternary
metanol (64,53
C)
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Hình 1-3. H etanol - n
0.7
0.8
0.9
c – metanol
0.2
etanol
(78,31oC)
ETHAN-0 1
(78.3 1 C )
0.1
0.1
0.2
0.3
0.3
0.4
0.4
0.5
0.5
0.6
0.6
0.7
0.7
0.8
0.8
0.9
0.9
METHA-01 (64.53 C)
n WATER
c
o C)
(100.02
(100,02
C)
0.1
n WATER
c
o C)
(100.02
(100,02
C)
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Hình 1-4. H etanol - n
Tính ch t ph c t p c,a h etanol - n
c ã
0.6
0.7
0.8
0.9
etanol
(78,31 C)
ETHAN-0 1
(78.3 1 C ) o
c - etyl axetat
c th y rõ trong các ví d* trên.
Qua ó có th th y quá trình tách các c u t trong h n h p này s# g p nhi u khó
kh n do có th g p các i m
th tách tri t
ng phí ho c các vùng hai pha l ng. Khi ó khó có
h n h p n u ch0 s d*ng ph !ng pháp ch ng luy n thông th
ng
mà s# ph i k t h p nhi u ph !ng pháp, h th ng thi t b tinh ch ph c t p, tiêu hao
n ng l
ng cho quá trình tách s# l n làm t ng chi phí cho quá trình do ó làm t ng
giá thành s n ph m.
5
1.2- PHÂN TÁCH DUNG D%CH NHI&U C'U T(
V i các h n h p nhi u c u t
chính,
d ng dung d ch, ph !ng pháp phân tách
c ng d*ng r ng rãi nh t là ph !ng pháp ch ng luy n.
Quá trình ch ng
c ng d*ng r ng rãi trong s n xu t
-
D um
-
Không khí hoá l ng
c ch ng c t
tách các h n h p:
-190oC
nhi t
s n xu t O2 và
N2.
-
Các s n ph m c,a quá trình t"ng h p h u c! th
ng
d ng h p ch t l ng.
Ví d* s n xu t metanol, etylen, propylen, buta ien…
-
Các s n ph m c,a công ngh sinh h c, th
etanol - n
ng là h n h p ch t l ng nh
c t3 quá trình lên men.
V i h hai c u t , quá trình phân tách s# ch0 c n ti n hành trong m t tháp.
V i các thông s nhi t
s# hoàn toàn xác
, áp su t xác
nh cho s n ph m 0nh thì ch
nh. Nh ng h n c u t có n b c t do nên khi xác
áp su t cho m t c u t thì v n ch a th xác
nh
làm vi c
nh nhi t
c thành ph n, nhi t
,
sôi c,a
các c u t khác do v n còn (n-2) b c t do. Tách h n h p nhi u c u t khó kh n
h!n r t nhi u so v i h n h p hai c u t
c bi t là v i các h th c khi nh h
c,a các c u t trong h không tuân theo các quan h lý t
ng
ng, h có nhi u i m
ng phí, có vùng hai pha l ng ...
Phân tách h dung d ch nhi u c u t b ng ph !ng pháp ch ng luy n không th
s d*ng m t tháp ch ng luy n mà ph i s d*ng nhi u tháp. S l
luy n ph i s d*ng trong s! ) phân tách tu+ thu c vào s l
V m t lý thuy t,
ng tháp ch ng
ng c u t trong h .
tách các h dung d ch g)m n c u t s# ph i có (n-1) tháp
ch ng luy n và t !ng ng là (n-1) thi t b
t* 0nh tháp. Khi ó, ngoài s l
un sôi áy tháp và (n-1) thi t b ng ng
ng thi t b ph i s d*ng là r t l n thì n ng l
ng
tiêu t n trong các thi t b gia nhi t c-ng s# vô cùng l n. H!n n a, tách h n h p
nhi u c u t b ng ch ng luy n có th th c hi n theo nhi u l trình (trình t ) tách
khác nhau.
6
Theo các quan ni m tr
c ây [9], v i h n h p g)m n c u t thì s l trình
[2(n − 1)]!
tách s# là:
n!(n − 1)!
S c u t trong h
S tháp ch ng luy n
S l trình tách
3
2
2
4
3
5
5
4
14
Theo quan ni m m i hi n nay [23], s l
tính
n các c u t có nhi t
ng l trình tách t ng lên áng k do
sôi trung gian trong h n h p.
Theo ó, m t h dung d ch g)m 3 c u t ABC thì s# ph i có s! ) tách g)m ít
nh t là 2 tháp và l trình tách s# có 3 ph !ng án nh sau:
+ Ph !ng án a: ABC – AB/C – A/B/C
+ Ph !ng án b: ABC – A/BC – A/B/C
+ Ph !ng án c: ABC – AB/BC – A/B/C v i B là c u t trung gian.
Các s! ) tách c* th nh sau:
A
A
A
AB
AB
ABC
B
ABC
ABC
B
B
B
BC
BC
C
C
C
A
B
Hình 1-5. S l trình tách c a h n h p 3 c u t
Khi ó cho h n h p 4 c u t ABCD, s l trình tách s# là:
C
7
Th t tách
C u t trung gian
S l trình tách
A/BCD
Không có
3
AB/CD
Không có
1
ABC/D
Không có
3
ABCD
B
3
ABCD
C
3
ABCD
BC
9
T"ng s l trình tách
22
Nh v y cho h n h p b n c u t s l trình tách là 22, cho h n h p 5 c u t ,
s l trình tách lên
n 119 l trình [23]. Khi h có nhi u c u t , s l
ng các l
trình tách s# r t l n, nh v y quá trình tính toán và t i u hoá h th ng tách s# r t
ph c t p.
1.3- T4I 5U HOÁ QUÁ TRÌNH PHÂN TÁCH H$ NHI&U C'U T(
1.3.1. L a ch n ch tiêu t i u hoá trong t ng h p h th ng:
i v i m i h nhi u c u t , ph* thu c vào tính ch t hoá lý c,a h , yêu c u
ch t l
ng s n ph m, n ng su t c,a h th ng, mà c n thi t ph i phân tích
ra l
trình tách c* th .
Nhi m v* t i u hoá
ch0 ra l trình c* th mang l i hi u qu kinh t cao
nh t là m t bài toán không !n gi n, v i m*c ích là ph i gi m s l
ng các thi t b
s d*ng trong s! ) và các ph !ng án c,a l trình tách, gi m chi phí s n xu t mà
không gây nh h
ng
n ch t l
ng c,a s n ph m.
Do v y, khi tách h n h p nhi u c u t tách riêng t3ng c u t là quá khó và t n
kém và trong r t nhi u tr
ng h p không nh t thi t ph i tách riêng t3ng c u t mà
có th tách t3ng phân o n d a trên c! s v yêu c u ch t l
hoá lý c,a h .
ng s n ph m, tính ch t
i u ó òi h i ph i có các nghiên c u c* th v hành vi c,a t3ng
c u t trong h , t3 ó có th phân nhóm các c u t có
c i m chung v
bay h!i
- Xem thêm -