Tài liệu Nguyên cứu khảo sát tính toán tháp chưng cất trong dây chuyền sản xuất cồn, rượu ở phú thọ

i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo PGS.TS. Võ Quang Lạp đã hướng dẫn và chỉ bảo tận tình để bắt đầu và hoàn tất luận văn này, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy Cô giáo trong Khoa Điện cũng như Thầy Cô trong chương trình đào tạo sau Đại học Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Xin cảm ơn Ban giám đốc… các bạn cùng khóa đã giúp đỡ để tôi hoàn thành luận văn này. Cuối cùng tôi xin cảm ơn toàn thể thành viên trong gia đình đã ủng hộ, động viên cũng như tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này. Do thời gian có hạn, trình độ còn nhiều hạn chế, trang thiết bị dụng cụ phục vụ nghiên cứu còn thiếu hoặc đang vận hành và mới mẻ nên trong quá trình làm luận văn còn có nhiều thiếu sót, rất mong được sự chỉ dạy của quý Thầy, Cô, bạn bè cùng đồng nghiệp. Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện Vũ Hải Nam ii LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Vũ Hải Nam Sinh ngày: 26 tháng 06 năm 1984 Nơi sinh: Thanh Ba - Phú Thọ Học viên lớp cao học: K14 - Tự động hóa - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Thái Nguyên Hiện đang công tác tại Trường Cao đẳng nghề Phú Thọ Tôi xin cam đoan đề tài: "Nguyên cứu khảo sát tính toán tháp chưng cất trong dây chuyền sản xuất cồn, rượu ở Phú Thọ" là công trình nghiên cứu riêng của tôi được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Võ Quang Lạp. Kết quả nghiên cứu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm với nội dung luận văn không có sự sao chép từ các luận văn khác. Thái Nguyên, ngày tháng Học viên Vũ Hải Nam năm 2013 iii MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN .................................................................................................. i LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. ii MỤC LỤC ...................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC BẢN BIỂU, HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ MINH HỌA.... v MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỦA NHÀ MÁY 1.1. Giới thiệu về nhà máy: ............................................................................2 1.2. Quy trình sản xuất của nhà máy: .............................................................. 4 1.2.1. Sắn: ............................................................................................. 5 1.2.2. Tách tạp chất/nghiền: ................................................................. 6 1.2.3. Nấu nghiên liệu: .......................................................................... 7 1.2.4. Đường hóa: ................................................................................ 7 1.2.5. Lên men: ..................................................................................... 8 1.2.6. Chưng cất: ................................................................................... 9 1.2.7. Khử nước: ................................................................................... 10 1.2.8. Ethanol (cồn):.............................................................................. 11 1.2.9. Xử lý nước thải:………………………………………………..11 1.3. Giới thiệu về thiết bị của hệ thống chưng cất .......................................... 11 1.3.1. Hệ thống chưng cất .................................................................... 11 1.3.2. Nguyên lý làm việc ..................................................................... 13 1.4 Công nghệ điều khiển của nhà máy: ......................................................... 13 1.4.1. Hệ thống điều khiển DCS CENTUM CS3000 của Yokogawa. 13 1.4.1.1 Giới thiệu chung. ...................................................................... 13 1.4.1.2 Cấu trúc cơ bản của hệ thống CENTUM CS3000. ................... 15 CHƯƠNG II: KHẢO SÁT, TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CẤT CỒN. 2.1 Xây dựng mô hình toán học. ................................................................. 20 2.1.1 Đặt vấn đề. ........................................................................................... 20 2.1.2 Tháp chưng cất . ................................................................................... 20 2.1.3 Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình tháp chưng cất. ............................. 21 2.1.3.1 Kiến thức cơ bản về chưng cất. ......................................................... 21 2.1.3.2 Tháp chưng cất liên tục. .................................................................... 27 2.1.4. Xây dựng mô hình toán học tháp chưng cất. ...................................... 29 iv CHƯƠNG III. ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TÁCH KÊNH ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG THÁP CHƯNG CẤT. 3.1 Thiết kế bộ bộ tách kênh cho tháp chưng cất có 2 đầu vào và 2 đầu ra. 38 3.2 Thiết kế bộ điều khiển. ............................................................................ 41 3.3. Mô phỏng hệ thống khi chưa có khối tách kênh. ................................... 42 3.3.1. Sơ đồ điều khiển tháp chưng cất ........................................................ 42 3.3.2. Tính toán thông số .............................................................................. 43 3.3.2.1. Thông số của đối tượng điều khiển ................................................. 43 3.3.2.2. Tính toán khối tách kênh ................................................................. 43 3.3.2.3. Khối điều khiển ............................................................................... 44 3.3.3. Mô phỏng hệ thống .......................................................................... 45 3.3.4. So sánh và đánh giá hệ thống điều khiển tháp chưng cất .................. 47 CHƯƠNG IV: THỰC NGHIỆM. 4.1 Đặt vấn đề. .............................................................................................. 51 4.2 Giới thiệu tổng quan về các hệ điều khiển trong mô hình. .................... 51 4.2.1 Hệ thống điều khiển bao hơi. ............................................................... 51 4.2.2 Đối tượng điều khiển trong mô hình: Điều khiển áp suất.................... 52 4.2.3 Tìm hiểu hệ thống điều khiển lưu lượng. ............................................ 53 4.3 Tiến hành thí nghiệm. ............................................................................ 54 4.3.1 Trình tự tiến hành thí nghiệm khi xét sự ảnh hưởng của bộ tham số K P , K I , K D . ........................................................................................................... 54 4.3.2 Kết quả thực hiện mô phỏng. .............................................................. 56 4.3.3 Nhận xét đánh giá................................................................................. 59 Kết luận, kiến nghị ...................................................................................... 60 Tài liệu tham khảo ...................................................................................... 61 v DANH MỤC CÁC BẢN BIỂU, HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ MINH HỌA Số hiệu Nội dung Trang Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ của nhà máy 4 Hình 1.2 Sắn củ 6 Hình 1.3 Sơ đồ lên men 9 Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống chưng cất 10 Hình 1.5 Sơ đồ điều khiển của tháp chưng cất 12 Hình 1.6 Tháp chưng cất 2 thành phần 12 Hình 2.1 Mô hình đĩa lý thuyết 22 Hình 2.2 Đường cân bằng pha hơi và pha lỏng đối với hỗn hợp 2 thành phần lý tưởng 24 Hình 2.3 Phần tháp chưng cất được mô hình hóa 26 Hình 2.4 Tổ hợp cân bằng pha hơi và pha lỏng (VLE) với đường thao tác để tính phần mol trên đĩa trong tháp 27 Hình 2.5 Tháp chưng cất hai thành phần 28 Hình 2.6 Sơ đồ tháp chưng cất với cấu hình điều khiển LV 30 Hình 2.7 Cấu trúc hệ 2 biến 36 Hình 2.8 Cấu trúc hệ 2 biến hình P 36 Hình 2.9 Cấu trúc hệ 2 biến hình V 37 Hình 3.1 Mô hình toán học của 2 tín hiệu 38 Hình 3.2 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển tháp chưng cất với 2 biến vào và 2 biến ra 40 Hình 3.3 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển tháp chưng cất với 2 biến vào và 2 biến ra (Vẽ lại) 42 Hình 3.4 Sơ đồ mô phỏng tháp chưng cất 45 Hình 3.5 Sơ đồ mô phỏng 2 bộ điều khiển tách kênh 45 Hình 3.6 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển PI 45 Hình 3.7 Sơ đồ tổng quát mô phỏng điều khiển tháp chưng cất 46 Hình 3.8 Nồng độ sản phẩm đỉnh tháp khi có bộ tách kênh 46 Hình 3.9 Nồng độ sản phẩm đáy tháp khi có bộ tách kênh 47 vi Hình 3.10 Sơ đồ tổng quát mô phỏng sự so sánh giữa 2 phương pháp điều khiển tháp bằng bộ điều khiển đa biến và phương pháp không sử dụng bộ điều khiển đa biến 47 Hình 3.11 Sự thay đổi sản phẩm đỉnh tháp 48 Hình 3.12 Sự thay đổi sản phẩm đáy tháp 48 Hình 3.13 Sai lệch hai tín hiệu đỉnh 49 Hình 3.14 Sai lệch hai tín hiệu đáy 50 Hình 4.1 Đối tượng điều khiển áp suất 52 Hình 4.2 Những đối tượng trong bài điều khiển mức 53 Hình 4.3 Cấu trúc vòng điều khiển 54 Hình 4.4 Bảng điều khiển bơm 1 54 Hình 4.5 Bảng điều khiển cascade 55 Hình 4.6 Khảo sát hoạt động với bộ tham số PI 56 Hình 4.7 Bảng điều khiển chính 57 Hình 4.8 Bảng điều khiển mở rộng 57 Hình 4.9 Các tham số PID 58 Hình 4.10 Đặc tính điều khiển van áp suất 58 Hình 4.11 Đặc tính điều khiển van lưu lượng 59 1 MỞ ĐẦU 1. Mục tiêu của đề tài. - Hiện nay ở nước ta có rất nhiều nhà máy sản xuất cồn, rượu từ sắn. Một trong những nhà máy đó là nhà máy sản xuất cồn rượu từ sắn ở Phú Thọ. Thiết bị sản xuất cho công nghệ này rất phức tạp, đặc biệt là tháp chưng cất. Để hiểu rõ nguyên lý làm việc và điều khiển quá trình làm việc của tháp nên đề tài luận văn được chọn là “ Nghiên cứu khảo sát tính toán tháp chưng cất trong dây chuyền sản xuất cồn , rượu ở Phú Thọ”. - Kết quả của đề tài giúp cho tôi nắm được nguyên lý làm việc của công nghệ và thiết bị dây chuyền sản xuất cồn , rượu của nhà máy. Từ đó làm cho tôi dễ dàng tiếp cận với sản xuất của nhà máy. 2. Mục tiêu nghiên cứu. - Trên cơ sở tìm hiểu công nghệ sản xuất cồn rượu từ sắn. Từ đó đi sâu khảo sát tính toán và xây dựng phương pháp điều khiển tháp chưng cất cồn. - Nghiên cứu lý thuyết tách kênh để ứng dụng vào xây dựng hệ điều khiển của tháp chưng cất nhằm nâng cao chất lượng của tháp. - Về phần thực nghiệm: Ứng dụng hệ điều khiển lưu lượng trong mô hình điều khiển quá trình của nhà máy nhiệt điện ở phòng thí nghiệm Điện – Điện tử của nhà trường. Để tiến hành thí nghiệm với chế độ làm việc khác nhau này nhằm minh họa nguyên lý làm việc của một kênh điều khiển của tháp chưng cất cồn mà luận án đã nghiên cứu vì nguyên lý làm việc của hai hệ điều khiển này là tương tự giống nhau. Nội dung của luận văn. Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau: - Chương 1: Tổng quan công nghệ sản xuất của nhà máy. - Chương 2: Khảo sát, tính toán tháp chưng cất cồn. - Chương 3: Ứng dụng lý thuyết điều khiển tách kênh để nâng cao chất lượng của tháp chưng cất. - Chương 4: Thực nghiệm - Kết luận và kiến nghị 2 CHƯƠNG I TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỦA NHÀ MÁY 1.1. Giới thiệu về nhà máy: - Hầu hết các nước trên thế giới đều d ng cồn để pha chế rượu và cho các nhu cầu khác như: y tế, nhiên liệu và nguyên liệu cho các ngành công nghiệp khác. - Tuỳ theo tình hình phát triển của mỗi nước, t lệ cồn d ng trong các ngành rất đa dạng và khác nhau. ở các nước có nền công nghiệp rượu vang phát triển như Pháp, Tây ban nha, Italia..cồn được d ng để tăng thêm nồng độ rượu. Một lượng khá lớn cồn được d ng để pha chế các loại rượu mạnh, cao độ như Whisky, Napoleon… - ượu và các đồ uống có rượu chiếm một vị trí đáng kể trong công nghiệp thực phẩm. Chúng rất đa dạng tuỳ theo truyền thống và thị hiếu của người tiêu d ng mà các nhà sản xuất làm ra nhiều loại rượu mang tên khác nhau. Tuy nhiên có thể chia thành 3 loại chính: rượu mạnh có nồng độ trên 30 thường có nồng độ từ 1 đến 30 V, rượu thông V, và rượu nh có nồng độ dưới 1 V. - Ở nước ta, nghề nấu rượu thủ công đã có từ ngàn xưa và chưa có tài liệu nào cho biết chính xác có từ khi nào. ở miền núi, đồng bào các dân tộc d ng gạo, ngô, khoai, sắn, nấu chín rồi cho lên men, men này được lấy từ một số lá cây hoặc được nuôi cấy thuần khiết hơn. Sản phẩm nổi tiếng là rượu cần. ở đồng bằng, nhân dân biết nuôi cấy và phát triển nấm mốc, nấm men trong thiên nhiên trên môi trường thích hợp, gạo và các nguyên liệu khác nhau có chứa tinh bột - Sau đó một loạt các nhà máy sản xuất rượu từ nguyên liệu tinh bột được thành lập ở một số nơi - Trước tình hình đó. Trong hội thảo “Dự án chiến lược phát triển khoa học công nghệ ngành rượu bia nước giải khát “,theo đề nghị của các chuyên gia đến năm 200 nước ta nên có khoảng 180 đến 200 triệu lít rượu các loại, tương đương khoảng 0 triệu lít . Trong đó cồn từ nguyên liệu tinh bột chiếm 30-40 , số còn lại là cồn từ rỉ đường. Cồn tinh bột trước mắt do nhà máy rượu Hà Nội 3 và Thanh Ba đảm nhiệm nhưng cần hoàn chỉnh công nghệ và thiết bị để có thể sử dụng hết năng suất thiết kế. Đồng thời xây dựng thêm một số nhà máy rượu và cồn ( Ethanol) Điển hình là nhà máy sản xuất Ethanol khu vực phía bắc do Tập đoàn dầu khí Quốc gia làm chủ đầu tư xây dựng * Nhà máy tọa lạc ở: Xã Cổ Triết huyện Tam Nông tỉnh Phú Thọ. * Dự án xây dựng Nhà máy sản xuất Bio-ethanol khu vực phía Bắc do PVB làm chủ đầu tư năm trong đề án phát triển nhiên liệu sinh học của Việt Nam đến năm 201 , tầm nhìn đến năm 202 được Thủ tướng Chính Phủ phê duyệt tại Quyết định số 177/2007/QĐ - Ttg ngày 20/11/2007. * Đây là nhà máy sản xuất nhiên liệu sinh học đầu tiên được xây dựng ở miền Bắc Việt Nam có quy mô đầu tư lớn, công nghệ tiên tiến, thiết bị hiện đại. Nhà máy có tổng vốn đầu tư 80 triệu USD, được xây dựng tại huyện Tam Nông tỉnh Phú Thọ trên diện tích 0ha, với công suất thiết kế 100 nghìn m3/ năm. Nhà máy sẽ sản xuất cồn ethanol (C2H5OH) tuyết đối (nồng độ ≥99,7 ) Nguyên liệu chính cung cấp cho nhà máy là sắn khô và mía, được canh tác trên diện tích là 3 .000ha và sẽ giải quyết được công ăn việc làm cho khoảng 23.000 lao động nông nghiệp địa phương. * Ethanol là nhiên liệu dạng cồn, được sản xuất bằng phương pháp lên men và chưng cất nguyên liệu từ nước mía, mật hoặc rỉ đường các loại ngũ cốc chứa tinh bột như sắn…. ethanol phải được làm khan để đạt độ cồn trên 99,7%. * Sự ra đời Nhà máy sản xuất Bio-ethanol khu vực phía Bắc sẽ góp phần tăng thu nhập cho người nông dân, thúc đẩy tăng trưởng kinh tế địa phương, chuyển hướng tích cực từ các cây trồng khác sang cây nguyên liệu, tạo ra nhiều công ăn việc làm cho người lao động công nghiệp cũng như nông nghiệp, tạo hiệu ứng dây truyền phát triển kinh tế, góp phần xây dựng xóa đói giảm nghèo, công nghiệp hóa, hiện đại hóa nông nghiệp nông thôn. 4 1.2. Quy trình sản xuất của nhà máy: Sắn Tách tạp chất/ Nghiền Nấu nguyên liệu Đường hóa dịch cháo Lên men Chưng cất Khử nuớc Ethanol ( cồn) Xử lý nuớc thải Hình 1.1: Sơ đồ công nghệ của nhà máy 5 1.2.1. Sắn: - Được cung cấp bởi chủ đầu tư (Petro Việt Nam) - Về cơ bản củ sắn có 3 thành phần chính: Vỏ, thịt củ và lõi, ngoài ra còn có cuống và rễ củ * Vỏ sắn gồm có 2 phần là vỏ gỗ và vỏ c i. 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. Ty lệ vỏ củ phụ thuộc vào giống sắn, độ già và khối lượng củ thường chiếm 1, đến 2 . vỏ c i là một lớp tế bào cứng phủ bên ngoài, thành phần chủ yếu là xelluloza ngoài ra còn có chứa polyphenol, enzim, và linamarin. * Phần củ thịt chứa nhiều tinh bột, protein và các chất dầu, một ít polyphenol, độc tố và enzim. * Lõi sắn nằm ở tâm củ dọc suốt chiều dài, thành phần chủ yếu là xelluloza. Lõi có chức năng dẫn nước và các chất dinh dưỡng giữa cây và củ đồng thời giúp thoát nước khi phơi hoặc sấy. - Thành phần củ sắn tươi dao động trong giới hạn khá lớn: tinh bột 20 đến 34 , protein 0,8 đến 1,2 , chất béo 0,3 đến 0,4 , xelluloza 1 đến 3,1 , chất tro 0, 4 , polyphenol 0,1 đến 0,3 và nước 60 đến 74,2 . Ngoài ra trong sắn còn chứa một lượng Vitamin và độc tố. vitamin trong sắn thuộc nhóm B. Các Vitamin này sẽ bị mất một phần khi chế biến và nhất là khi nấu trong sản xuất cồn. - Độc tố trong sắn có tên chung là phazéolunatin gồm 2 glucozit Linamarin và Lotaustralin. Các độc tố này thường tập trung ở vỏ c i. bình thường phazéolunatin không độc nhưng khi bị thủy phân thì các glucozit này sẽ giải phóng axit HCN. - Sắt tươi đã thái lát phơi khô sẽ giảm đáng kể hàm lượng glucozit gây độc kể trên. Đặc biệt trong sản xuất cồn, khi nấu ở nhiệt độ cao đã pha loãng nước nên với hàm lượng ít chưa ảnh hưởng đến nấm men. hơn nữa các muối xyanat khi chưng cất không bay hơi nên bị loại điều này là rất có lợi trong sản xuất. Do đó trong sản xuất còn nguyên liệu tinh bột sắn d ng chủ yếu là sắn lát khô hoặc là sắn dui. 6 Hình 1.2: Sắn củ 1.2.2. Tách tạp chất/nghiền: - Sắn được làm sạch và tách những tạp chất sau đó được đưa vào nhà máy sau đó nghiền. Ở đấy sắn được nghiền ra thành dạng mịn gọi là bột sắn. - Nghiền nguyên liệu nhằm mục đích phá vỡ cấu trúc màng tế bào thực vật để giải phóng các hạt tinh bột khỏi các mô. Hiện nay ở nước ta thường d ng các loại máy nghiền búa. với sắn khô khi nấu ở áp suất thường thì nghiền càng mịn càng tốt. - Đặc điểm kỹ thuật của bột sắn Đặc điểm kỹ thuật của bột sắn Lên men tinh bột 23% Không lên men rắn 6,02 (vật chất hữu trong sắn) Vật liệu ngoài 0,01 (cát, đá,….v v) Nhiệt độ (max) 51,10C Bảng 1 Đặc điểm kỹ thuật của bột sắn 7 1.2.3. Nấu nguyên liệu - Mục đích chủ yếu của quá trình này là: Phá vỡ màng tế bào của tinh bột để biến chúng thành dạng hòa tan trong dung dịch bằng cách nấu nguyên liệu. Quá trình nấu rất quan trọng trong sản xuất cồn, các quy trình kỹ thuật tiếp theo tốt hay xấu phụ thuộc rất nhiều vào kết quả nấu nguyên liệu. - Bột sắn được trộn lẫn và kết hợp với quá trình nóng ngưng tụ trong bể trộn hỗn hợp. Bể trộn này được duy trì ở nhiệt độ 80 0C (1800F) các alphaamylase enzyme được thêm vào để hỗ trợ trong việc phá vỡ tinh bột thành đường lên men. Amoniac được thêm vào để kiểm tra độ pH và được cung cấp một nguồn nitơ cho nấm men dinh dưỡng. Dịch cháo nghiền sau đó được bơm vào bể hóa lỏng, tinh bột được thủy phân thành dextrin bởi hoạt động của enzymealpha amylase. 1.2.4. Đường hóa: - Tinh bột hòa tan trong dịch cháo sau khi nấu chưa xong chưa thể lên men trực tiếp để thành rượu được. Để lên men được phải trải qua quá trình thủy phân do tác dụng của xúc tác amylaza để thành đường. Quá trình này được gọi là đường hóa nó đóng vai trò quan trọng trong công nghệ sản xuất cồn, nó quyết định phần lớn hiệu suất thu hồi cồn do giảm bớt hoặc gia tăng đường và tinh bột còn sót sau khi lên men. Trong quá trình đường hóa thì tác nhân đường hóa đóng một vai trò quan trọng. Ở nước ta thường d ng amylaza thu được từ nuôi cấy nấm mốc hoặc các chế phẩm amylaza nhập về. Hiện nay chế phẩm nhập ngoại là chính do chất lượng tốt mà chi phí lại không đắt hơn so với chi phí để tự nuôi cấy. Và chủ yếu nhập về từ Đan Mạch. - Quá trình đường hóa dịch cháo nấu gồm các công đoạn sau: * Làm cho dịch cháo tới nhiệt độ đường hóa. * Cho chế phẩm amylaza vào dịch cháo giữ ở nhiệt độ trên trong thời gian xác định để amylaza chuyển hóa thành tinh bột đường. * Làm lạnh dịch đường hóa tới nhiệt độ lên men. 8 * Sau khi đường hóa nhiệt độ dung dịch đường là 300C làm lượng đường đạt 80 đến 100g/l. - Dịch cháo nghiền sau đó đun nóng bằng hơi nước trong trao đổi nhiệt để hoàn thành việc chuyển đổi tinh bột và khử tr ng các dịch nghiền. Sau khi nấu, dịch cháo nghiền được làm lạnh trong một loạt các bộ trao đổi nhiệt và làm nguyên liệu (thức ăn) cho bể lên men. 1.2.5. Lên men: - Mục đích của quá trình lên men: Đường hóa xong dịch đường được làm lạnh đến 28 - 320C và được đưa vào th ng lên men (hay còn gọi là th ng ủ) c ng với 10 men giống, ở đây nấm men sẽ phát triển và dưới tác dụng của nấm men, đường sẽ biến thành rượu và khí cacbonic c ng nhiều sản phẩm trung gian khác. Đồng thời dưới tác dụng của amylaza, dextrin tiếp tục biến thành đường và lên men được glucoza và maltoza. Sau khi lên men xong ta thu được hỗn hợp gồm rượu - nước - bã hay còn gọi Beer well. - Quá trình lên men sử dụng 6 bể chứa để cho phép quá trình hoạt động liên tục. * Bể chứa đầu tiên được sử dụng để nhân giống nấm men (sản xuất) nấm men được phát triển nhanh chóng với việc bổ xung một lượng không nhỏ khí. Bể chứa này được trang bị một máy bơm tuần hoàn làm mát và máy trộn gắn ở phía trên. * Lên men được thực hiện trong bồn bể chứa, tất cả kích thước bằng nhau. Quá trình lên men tạo ra nhiệt, để loại bỏ thông qua bộ trao đổi nhiệt bên ngoài. Chất lên men dẫn vào ống và làm lạnh để làm mát và chuyển thành bia. Những thay đổi này là plate-and-frame, được thiết kế khép kín. CO2 là sản phẩm của quá trình lên men và chuyển tới máy lọc hơi đốt. trong số khoảng 70 - 80 sẽ thu được trong một hệ thống kín. Sau khi lọc để loại bỏ aldehydes và ethanol, khí ga có thể được trữ lại trong bể chứa hoặc nén lại thành những sản phẩm bán ra thị trường. 9 * Sau khi lên men sản phẩm cuối c ng được đưa vào bể thứ 6. Kết quả ta thu được hỗn hợp ethanol - nước - bã hay còn gọi là Beer well 9038 A 9037 C 3030 3037 VENT GAS SCRUBBER C-3202 PROCESS WATER MAKEUP CARBON SCRUBBER C-3202 ALL VENT EMISSIONS TO VENT GAS SCRUBBER ALL VENT EMISSIONS TO CO2 SCRUBBER E-3202 3036 PC-3202A/B 6117 6118 3034 3038 Cooling Water supply 3044 TO SCRUBBER BOTTOMS PREHEATER#1 E-4305 Cooling Water Return Hình 1.3 : Sơ đồ lên men 1.2.6. Chưng cất - Chưng cất là quá trình tách các ethanol và các tạp chất dễ bay hơi khỏi beer well. Kết quả ta nhận được rượu thô hay cồn thô. - Cồn ở trong bia được tách ra từ stillage sử dụng hệ thống 3 cột chưng cất. Ba cột bia là 1, cột bia 2 và cột tinh chất. - Beer được tách ra và được đưa đến v ng trên c ng của mỗi cột. Sau khi đun nóng, beer đi vào cột 1 nhiệt độ khoảng 880C (1900F) và cột 2 nhiệt độ khoảng 770C (1700F). Khi đó beer được tách làm 2 phần ethanol là khâu chính của cột. Sản phẩm đáy của cột beer hoặc stillage được đưa đến bồn lưu trữ. Phần 10 chia của stillage được sử dụng như dòng nước ngược đưa đến bể trộn hỗn hợp. Phần còn lại sẽ được gửi đến nhà máy hóa sinh. Hơi ethanol ở trên c ng của mỗi cột được ngưng tụ và được bơm đến cột tinh cất, nơi mà nó được cô đặc vào khoảng 1900C (92,4 ). Ethanol cô đặc được đưa đến hệ thống khử nước. Đáy của quá trình chưng cất với một lượng nhỏ ethanol và các chất hữu cơ bay hơi được đưa về quá trình cung cấp nguyên liệu. - Hệ thống chưng cất được tích hợp cho năng lượng lớn nhất. Sự quá nhiệt từ cột tinh cất sẽ được d ng cung cấp nhiệt cho các cột bia. Hơi ngưng tụ sẽ được đưa về cột tinh cất như là sự trào ngược. PC L F, ZF L2,V2, x2, y2 M3 LC D, x3 V, y1 LC M1 B,x1 Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống chưng cất 1.2.7. Khử nước: - Khử nước bằng hệ thống lưới lọc phân tử để cho ra sản phẩm ethanol có phẩm chất. Hệ thống lưới lọc phân tử làm việc dựa trên nguyên tắc hấp thụ chọn lọc trong xử lý hơi. Trong trường hợp này, nước được hấp thụ lại còn ethanol được phép đi qua. Nước bị hấp thụ loại bỏ trong suốt qua trình tái tạo và được đưa về hệ thống chưng cất. 11 - Phần tái tạo đạt được bằng cách sử dụng hệ thống “áp lực xoắn” mà không đòi hỏi nhiệt độ bên ngoài nào. - Hệ thống giảm thiểu acid được thiết kế để loại bỏ khí CO2 vượt mức và acid cacdonic có nồng độ cao. CO2 được tách ra từ cồn nóng bằng cách bơm chân không trong các cột giảm acid và ngưng tụ. Cồn khan được ngưng tụ tiếp tục được bơm từ cột giảm acid đến bồn lưu trữ thông qua phần làm lạnh. 1.2.8. Ethanol (cồn): - Sản phẩm sau chưng cất chính là cồn (Ethanol). - Ngoài ra còn có các sản phẩm phụ: Có 2 sản phẩm chủ yếu được tạo ra trong sản xuất: ngũ cốc sau chưng cất và carbon dioxide. * Các ngũ cốc sau chưng cất là một nguồn thức ăn chăn nuôi có giá trị dinh dưỡng cao. * Carbon Dioxide cũng là một kết quả tự nhiên của quá trình lên men, để sử dụng trong các ngành công nghiệp khác. 1.2.9. Xử lý nước thải: - Cồn được thu lại sau quá trình chưng cất phần còn lại được đưa sang bộ phận sử lý nước thải. - Nước thải xử lý đạt tiêu chuẩn nước thải quy định cho các nhà máy sản xuất cồn tại Việt Nam. 1.3. Giới thiệu về thiết bị của hệ thống chưng cất 1.3.1. Hệ thống chưng cất: Hệ thống chưng cất là một hệ thống điển hình nhất trong công nghệ sản xuất rượu, cồn của nhà máy. Tháp chưng cất: Là thiết bị chủ yếu của nhà máy. Bao gồm các thành phần cơ bản là bộ điều khiển , các thiết bị đo, và các thiết bị chấp hành. 12 W Bộ điều chỉnh Cơ cấu chấp hành Y Đối tượng điều khiển Cơ cấu đo lường Hình 1.5: sơ đồ điều khiển của tháp chưng cất W: Là đại lượng đặt Y: Giá trị thực tế đầu ra của sản phẩm Bộ điều chỉnh (controller): Cồn 90 độ Đối tượng điều khiển: Tháp chưng cất Cơ cấu chấp hành: Hệ thống điều khiển van điện và động cơ - Các tháp chưng cất này hầu hết là tháp hình trụ. Bên trong tháp chưng cất là các đĩa nhập liệu, các đĩa nhập liệu này có tác dụng để men đã được ủ, và tạo điều kiện cho pha hơi bay lên và pha lỏng đi xuống tiếp xúc với nhau một cách tốt nhất. Hình 1.6: Tháp chưng cất hai thành phần 13 1.3.2: Nguyên lý làm việc: Hỗn hợp Etanol – nước (nguyên liệu đã được lên men) được đưa vào nồi đun cho đến khi đạt giá trị mức trên và được gia nhiệt bằng điện trở trong nồi đun đến nhiệt độ sôi. Dòng liệu được bơm nhập liệu đưa qua điện trở đun nóng đến giá trị cài đặt đi vào trong tháp ở đĩa nhập liệu. Tại đĩa nhập liệu xảy ra quá trình chưng do sự tiếp xúc pha giữa pha hơi từ nồi đun đi lên và pha lỏng từ đĩa nhập liệu xuống, Hơi từ nồi đun sẽ lôi kéo các cấu tử dễ bay hơi trong dòng nhập liệu đi lên làm cho các cấu tử dễ bay hơi càng lên trên càng tăng và dòng lỏng đi từ trên xuống càng giảm thành phần các cấu tử dễ bay hơi. Lượng hơi tiếp tục đi qua phần cất của tháp tới đỉnh tháp và qua thiết bị ngưng tụ. Sau khi qua hệ thống ngưng tụ, một phần chất lỏng đi tới bình chứa sản phẩm đỉnh, phần khác được bơm hoàn lưu về đĩa trên c ng của tháp. Tại đây tiếp tục xảy ra quá trình cất do sự tiếp xúc pha giữa hơi từ phần chưng đi lên và pha lỏng từ dòng hoàn lưu về, Pha hơi tiếp tục lôi cuốn các cấu tử dễ bay hơi làm tăng nồng độ sản phẩm đáy được ra khỏi tháp 1.4 Công nghệ điều khiển của nhà máy: 1.4.1 Hệ thống điều khiển DCS CENTUM CS3000 của Yokogawa 1.4.1.1 Giới thiệu chung - Từ năm 1997, Yokogawa đã lựa chọn các giải pháp công nghệ ETSEnterprise Technology Solutions cho những khái niệm kinh doanh mới. ETS đảm bảo cho mục đích cung cấp các giải pháp tối ưu trên quan điểm quản lý doanh nghiệp để thỏa mãn mọi yêu cầu của khách hàng và sự hy vọng vào trình độ phát triển của khoa học kỹ thuật trong phạm vi từ cấp điều khiển đến cấp quản lý thông tin doanh nghiệp. Là sản phẩm cốt lõi của hệ thống điều khiển quá trình trong các giải pháp ETS, Yokogawa đã giới thiệu hệ thống điều khiển tích hợp CENTUM CS1000 và CENTUM CS3000 - Hệ thống điều khiển phân tán CENTUM CS1000 cho các nhà máy nhỏ và trung bình. CENTUM CS1000 là một thống DCS mở, sử dụng hệ điều hành Window NT. 14 - Hệ thống CENTUM CS3000 được phát triển từ hệ CENTUM CS1000 là một hệ thống điều khiển quá trình thích hợp với quy mô nhà máy lớn. Cung cấp cho người d ng những thuận lợi cơ bản sau - Tăng hiệu quả vận hành sản xuất bằng hệ thống đa cửa sổ theo dõi và khả năng cập nhật công nghệ mới. - Kết nối thông tin của cấp điều khiển giám sát với hệ thống thông tin thuộc cấp điều hành - Phát triển mạnh khả năng tự đống hóa và điều khiển Các đặc trưng của hệ thống CENTUM CS3000 a. Hiệu năng cao Bên cạnh ưu điểm và các chức năng điều khiển linh hoạt cao của các hệ thống CENTUM trước, hệ thống CENTUM CS3000 ngày hôm nay gồm các đặc trưng cơ bản sau: Được trang bị các chức năng nhúng và liên kết đối tượng OLE cho điều khiển quá trình bằng trạm OPC (OLE for Process Control Server) Hỗ trợ Foudation Fieldbus để tích hợp với mạng sensor và cơ cấu chấp hành. Cho phép kết nối dễ dàng với các thiết bị điều khiển lập trình PLC. Cấu trúc dữ liệu mở cho phép sử dụng các công cụ mở rộng để tính toán, thay đổi và quản lý các thông số kỹ thuật. b. Khả năng vận hành cao - Sử dụng hệ điều hành Window NT trong giao diện người máy HIS, hệ thống CENTUM CS3000 cho phép ứng dụng các ứng dụng Windows phổ biến trong hầu hết các máy tính PC hiện nay, cho phép sử dụng các phần cứng PC giá thành thấp, thông thường các hãng làm các trạm giám sát vận hành HIS, cho phép dữ liệu có thể trao đổi rộng rãi với ứng dụng, kể cả các ứng dụng kinh doanh. c. Nâng cao hiệu quả sản xuất - Thừa kế đơn giản của công nghệ từ CENTUM CS1000, hệ thống CENTUM CS3000 có các chức năng công nghệ mở rộng ph hợp với các hệ thống điều hành quy mô lớn. Trong thời gian vận hành của nhà máy, hệ thống