Tài liệu Tính toán thiết kế hệ thống chưng cất ethanol 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 toán công 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 công nghệ hệ thống chưng cất ethanol. ....................................... 49 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CÔNG 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 dòng. ........................................................... 55 3.3.3. Phương trình đường làm việc cho đoạn chưng và đoạn luyện. ........ 56 CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN 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 toán bề dày thiết bị và các chi tiết khác. .............................................. 75 4.5.1. Tính toán bề dày thiết bị. .................................................................. 75 4.5.2. Tính toán chân đỡ tháp...................................................................... 82 4.5.3. Cửa nối ống dẫn với thiết bị và bích nối tương ứng. ........................ 85 CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRỢ ............................................... 90 5.1. Thông số hai dòng 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 hòa khô 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 toán 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 chuyên môn, 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 Công 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 phòng Kỹ Thuật cùng toàn thể Công ty Cổ phần Nhiên liệu Sinh học Miền trung đã cho phép em thực tập tại Quý Công ty, từ đó tạo tiền đề cho em có thể hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp này. Sau cùng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè đã luôn động viên giúp đỡ em trong suốt quá 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 thông thường – một nhiên liệu thay thế nguồn năng lượng tái tạo và hạn chế các loại khí thải gây hiện tương nóng lên toàn 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 toán, thiết kế cải tiến công đoạn chưng cất cũng như toàn quá trình nói chung là điều tất yếu. Bản đồ án của em với đề tài là: “Tính toán 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 công nghệ sản xuất Bio─Ethanol trong công nghiệp. + Chương 2: Tổng quan về quá trình chưng luyện. + Chương 3: Tính toán công nghệ tháp chưng luyện Ethanol. + Chương 4: Tính toán kết cấu cho tháp chưng luyện Ethanol. + Chương 5: Tính toán 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 không được phát triển nhiều, vì đương thời, công 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 không 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 công nghệ tổng hợp hoá dầu ethanol được sản xuất bằng dây chuyền công nghệ hydrat hoá đối với khí etylen hoặc công nghệ cacbonyl hoá với methanol. Hydrat hoá: CH2=CH2 + H2O C2H5OH Cacbonyl: CH3OH + CO + 2 H2 C2H5OH + H2O + Công nghệ sản xuất ethanol sinh học: Công nghệ này dựa trên quá 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 công đoạn là công 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, ngô 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 không được vượt quá ngưỡng qui định. Ngoài ra, do phải pha loãng khi pha chế, nên không 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 còn nhiên liệu, người ta phải chọn giải pháp công 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 Đồồ án tốt ngghiệp Côngg đoạn Chư ương 1: Tổổng quan về v Bio-Ethaanol E Ethanol thự ực phẩm Ethhanol nhiênn liệu Phức tạạp hơn do ccần tách triệệt để các Chưnng cất chất cóó hại cho sứ ức khỏe coon người: Không cầnn loại bỏ cồồn tạp cồn đầuu, dầu fusell, adehyt… … Táchh nước Không cần phải tách nướ ớc nâng Phải tách nước n nâng nồng nồng độộ ethanol độ ethanoll lên 99.8% % Ngoàii ra, để tránnh sử dụngg ethanol nnhiên liệu cho c các mụục đích khác, cồn nhiêên liệệu sau khi ttách nước được biến tính bằng ccách thêm vào 1,96 – 5%v/v chhất biến tínhh. Khhi đó ethannol dùng lààm nhiên liệu được gọọi là ethanool biến tínhh. Chất biếnn tính có thhể dùùng là xăngg không chìì, naphta… …. 1..3. Công nghệ sản n xuất Bioo─Ethanool từ tinh h bột. 1.3.1. Giới tthiệu về ngguyên liệu tinh bột sử ử dụng chủ ủ yếu ở Viiệt Nam. ứa tinh bột như sắn, ngô, gạo… ….Thành phhần hoá họọc Có nhhiều nguyêên liệu chứ ợc thể hiệnn ở bảng saau. Tính thheo % trunng củủa một số nguyên liệệu chứa tinnh bột đượ bình: H Hồ Sỹ Chính h – Máy vàà TB CN H 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. - • Ngô: - Năng suất ngô 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 ngô Chính vì vậy, việc sản xuất Bio─Ethanol từ ngô trong giai đoạn hiện nay là không khả thi vì giá ngô quá 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 (ngoài ra còn 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 ngoài ra còn 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 + Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol Lõi sắn nằm ở tâm củ dọc suốt chiều dài,thành phần chủ yếu là xenluloza. Lõi có chức năng dẫn nước và các chất dinh dưỡng giữa cây và củ đồng thời giúp thoát nước khi phơi hoặc sấy sắn. - Thành phần sắn tươi dao động trong giới hạn khá lớn: tinh bột 20 - 34%, protein 0,8 - 1,2%, chất béo 0,3 - 0,4%, xenluloza 1 - 3,1%, chất tro 0,54%, polyphenol 0,1 0,3% và nước 60 - 74,2% [5]. 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 rượu. - Độc tố trong sắn có tên chung là phazéolunatin gồm 2 glucozit Linamarin và Lotaustralin. Các độc tố này thường tập chung ở vỏ cùi. Bình thường phazéolunatin không độc nhưng khi bị thuỷ phân thì các glucozit này sẽ giải phóng axit HCN. Sắn tươi đã thái lát và phơi khô sẽ giảm đáng kể hàm lượng glucozit gây độc kể trên. Đặc biệt trong sản xuất rượu, 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 cùng bã rượu [5]. - Tiêu chuẩn sắn lát sử dụng cho công nghệ [4]: + Hình dạng lát sắn: đường kính 30 – 70 mm, bề dày: 20 – 30 mm + Độ ẩm: 12 – 14 %kl + Hàm lượng tinh bột: 70 – 75 %kg + Protein: 1,5 – 1,8 %kg + Hàm lượng tro: 1,8 – 3,0 %kg + Lipid: 0,5 – 0,9 %kg + Độ xơ: 2,1 – 5,0 %kg + Các tạp chất khác: ≤ 3,0 %kg Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52 14 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 công 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 còn 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 mô hình, dây chuyền công nghệ của các nhà cung cấp công nghệ sau: + Vogelbusch GmbH, Vienna, Áo + Praj Industries Limited, Pune, Ấn Đô + Delta-T Corporation, Virginia, Mỹ Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52 15 Đồồ án tốt ngghiệp Chư ương 1: Tổổng quan vvề Bio-Ethaanol 1.3.3.1. Côngg nghệ Voggelbusch. Dây cchuyền cônng nghệ Voogelbusch, Áo Á [7]. H Hồ Sỹ Chính h – Máy vàà TB CN H 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. Công 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. Quá 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 Glucô. 3. Công 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), công 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, quá 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 hoàn toàn. 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. Dòng 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 Đồồ án tốt ngghiệp Chư ương 1: Tổổng quan về v Bio-Ethaanol 5. Công đoạnn xử lý dịchh hèm. Dịch hèm thải ttừ tháp chư ưng cất đư ược đưa đếến máy ly ttâm nhằm tách bỏ cáác thhành phần rrắn lơ lửngg. Dịch hèm m loãng saau ly tâm, m một phần sẽ s hồi lưu llại quá trìnnh côông nghệ, pphần còn lạại được đưaa đi cô đặc bốc hơi. Bã ẩm m tách ra từ ừ máy ly ttâm sẽ đượ ợc trộn với phần cặn đáy từ thiếết bị cô đặặc, saau đó được đưa đi sấyy làm thức ăăn gia súc. Hơi sinh ra từ thhiết bị sấy, cô đặc sẽ được thu hồi h và quayy trở lại quuá trình cônng ngghệ. 1.3.3.2. Côngg nghệ Praaj. Dây cchuyền cônng nghệ Praaj Industriees Limited, Pune, Ấn Đ Độ [8]. Quá ttrình sản xuuất ethanoll từ sắn látt dựa theo phương p phháp chưng cất c bao gồm m ngghiền, loại bỏ cát đá, hồ hoá, lênn men, và cchưng cất - tách nướcc. Xử lý nư ước thải theeo phhương phápp gạn lắng,, xử lý bio--gas như làà phương ppháp xử lý cơ bản và xục khí nhhư là phương phháp xử lý lầần hai. Khu ccông nghệ cchính có thhể được chiia thành 5 mục m chính như sau: H Hồ Sỹ Chính h – Máy vàà TB CN H HC K52 19 Đồ án tốt nghiệp - Chương 1: Tổng quan về Bio-Ethanol Nghiền sắn và tách cát: Trong khu vực này, sắn lát được làm sạch, nghiền và hoà bột để tạo thành dịch bột sắn (slury). - Hồ hoá: Trong khu vực này, tinh bột được hồ hoá ở khoảng 115oC với sự có mặt của enzym. - Đường hoá và lên men “HIFERM-NM”: Trong khu vực này, dịch hồ hoá đầu tiên được chuyển hoá thành đường, sau đó đường lên men được được lên men đồng thời bởi nấm men khô hoạt động tạo thành ethanol - Chưng cất “ECOFINE MPR”: Trong khu vực này, dịch bột sau khi lên men được chưng cất trong hai hệ thống tháp chưng cất để tạo thành ethanol ngậm nước 93%... Trong trường hợp cần tăng nồng độ lên 95% thì sử dụng hơi nhiều hơn - Tách bã và xử lý nước thải theo phương pháp xử lý methanol ECOMET XPD Dịch hèm được sản xuất như là một sản phẩm phụ của khu chưng cất, được tách trong máy tách ly tâm để tạo thành bã ẩm và dịch hèm loãng. 1. Công đoạn hồ hóa. Bột sắn được xử lý trong khu vực xử lý sơ bộ sắn để tạo thành dịch bột. Cát cũng được loại bỏ trong giai đoạn xử lý này. Dịch bột này được sử dụng làm nguyên liệu cho công đoạn hồ hóa. Dịch bột trong khu xử lý sơ bộ sắn được hòa với dòng ra khỏi đáy tháp tinh. Dòng dịch hèm tuần hoàn và dịch bột được hòa trộn trong thùng chuẩn bị dịch. Nó được gia nhiệt đến 105oC. Dịch này được đưa vào thùng hồ hóa đầu tiên. Trong thùng hồ hóa này, dịch bột được duy trì ở 85oC. Enzym hồ hóa được thêm vào cùng với enzym giảm độ nhớt. Sau khi hồ hóa, dịch bột được làm mát và bơm đến khu vực đường hóa và lên men. 2. Công đoạn đường hoá và lên men. Men giống được chuẩn bị trong bình chuẩn bị men bởi dịch bột đã được tiệt trùng với men khô đã hoạt hóa. Nhiệt độ tối ưu được duy trì bằng cách tuần hoàn qua Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52 20 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 quá 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 vòng 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 dòng: Hồ Sỹ Chính – Máy và TB CN HC K52 21