Tài liệu Tính toán và thiết kế hệ thống chưng cất cồn công suất 1000 kgh

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TS. Trần Lệ Thu (GVHD) BÁO CÁO ĐỒ ÁN KỸ THÂ-̣T THỰC PHẨM (Hê ̣: Đại học chính quy) Đề tài: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT CỒN CÔNG SÂẤT 1000 Kg/h Tên sinh viên Lớp Lý Dự 05DHTP2 Phan Trần Anh Huy 05DHTP5 Mã sinh viên 2005140077 2005140215 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 7 NĂM 2017 ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong trường Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM nói chung và các thầy cô trong khoa Công nghệ thực phẩm, bộ môn Kỹ thuật thực phẩm nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong thời gian qua, giúp em hoàn thành đồ án này. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn đến cô TRẦN LỆ THU, cô đã giúp đỡ, hướng dẫn và giúp em hoàn thiện những thiếu sót trong suốt quá trình thực hiện đồ án học phần. Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn cô. Trong quá trình làm đồ án khó tránh khỏi sai sót, rất mong các thầy (cô) bỏ qua. Đồng thời do chúng em thiếu kiến thức cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên bài báo cáo không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp thầy cô để em học thêm nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành tốt hơn bài báo cáo sắp tới. TP. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 7 năm 2017 Sinh viên thực hiện Lý Dự Phan Trần Anh Huy GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang II ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN...............................................................................................................II MỤC LỤC.................................................................................................................... III MỤC LỤC HÌNH.......................................................................................................VII MỤC LỤC BẢNG....................................................................................................VIII MỞ ĐẦÂ...................................................................................................................... IX PHẦN MỘT: TỔNG QÂAN CHƯNG CẤT................................................................1 1.1. Cơ sở lý thuyết của thiết bị chưng cất....................................................................1 1.1.1. Khái niệm quá trình chưng cất.....................................................................1 1.1.2. Đặt điểm quá trình chưng cất.......................................................................1 1.1.3. Các phương pháp chưng cất.........................................................................1 1.2. Mục đích công nghệ và phạm vi ảnh hưởng..........................................................2 1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất.....................................................3 1.4. Các thiết bị sử dụng...............................................................................................3 1.1.4. .....................................................................................................................4 1.4.1. Cấu tạo, nguyên lí hoạt động của thiết bị.....................................................4 1.4.2. Ưu nhược điểm của thiết bị..........................................................................5 1.4.3. Ứng dụng của thiết bị trong thực tế..............................................................5 1.5. Giới thiệu nguyên liệu sử dụng..............................................................................5 1.5.1. Ethanol.........................................................................................................5 1.5.2. Nước............................................................................................................9 1.5.3. Hổn hợp Ethanol – nước............................................................................11 1.6. Ứng dụng của quá trình chưng cất trong sản xuất thực phẩm.............................11 PHẦN HAI: TÍNH TOÁN VÀ BỐ TRÍ THIẾT BỊ...................................................12 2.1. Sơ đồ nguyên lí làm việc......................................................................................12 GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang III ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM 2.2. Cân bằng vật chất................................................................................................12 2.2.1. Các thông số ban đầu.................................................................................12 2.2.2. Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy................................13 2.2.3. Xác định tỷ số hoàn lưu thích hợp..............................................................14 2.2.3.1. Tỷ số hoàn lưu tối thiểu..........................................................................14 2.2.3.2. Tỷ số hoàn lưu làm việc..........................................................................15 2.2.4. Phương trình đường làm việc – số mâm lý thuyết......................................15 2.2.4.1. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất...............................15 2.2.4.2. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng..........................15 2.2.4.3. Vẽ đồ thị chưng cất, xác định số mâm lý thuyết.....................................15 2.2.5. Xác định số mâm thực tế - Biểu đồ chưng cất............................................16 2.3. Tính toán thiết kế tháp chưng cất.........................................................................18 2.3.1. Đường kính tháp........................................................................................18 2.3.2. Đường kính đoạn cất..................................................................................18 2.3.2.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp.........................................................18 2.3.2.2. Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp........................................................20 2.3.3. Đường kính đoạn chưng.............................................................................21 2.3.3.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp.........................................................21 2.3.3.2. Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp........................................................23 2.3.4. Trở lực của tháp.........................................................................................25 2.3.4.1. Cấu tạo mâm xuyên lỗ............................................................................25 2.3.4.2. Độ giảm áp của pha khí đi qua một mâm................................................25 2.3.4.3. Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động......................................................31 2.3.5. Tính toán thân tháp....................................................................................33 2.3.6. Tính toán đáy và nắp thiết bị......................................................................34 2.4. Đường kính ống dẫn, bích ghép các ống đẫn.......................................................36 2.4.1. Vị trí nhập liệu...........................................................................................36 2.4.2. Ống hơi ở đỉnh tháp...................................................................................37 2.4.3. Ống hoàn lưu..............................................................................................37 2.4.4. Ống dẫn hơi vào đáy tháp...........................................................................38 2.4.5. Ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp.....................................................................39 GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang IV ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM 2.4.6. Ống dẫn chất lỏng từ nồi đun (sản phẩm đáy):...........................................39 2.4.7. Chân đỡ, tay treo........................................................................................40 2.4.7.1. Tính trọng lượng của tháp.......................................................................40 2.4.7.2. Chân đỡ tháp...........................................................................................41 2.4.7.3. Tai treo....................................................................................................42 2.5. Tính toán thiết kế thiết bị phụ..............................................................................43 2.5.1. Cân bằng năng lượng.................................................................................43 2.5.2. Thiết bị đun sôi đáy tháp............................................................................43 2.5.2.1. Suất lượng hơi nước cần dùng................................................................43 2.5.2.2. Hiệu suất nhiệt độ trung bình..................................................................45 2.5.2.3. Xác định hệ số truyền nhiệt....................................................................49 2.5.2.4. Xác định bề mặt truyền nhiệt..................................................................49 2.5.2.5. Cấu tạo thiết bị........................................................................................50 2.5.3. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh................................................................50 2.5.3.1. Suất lượng nước gia nhiệt dòng nhập liệu cần dùng:..............................51 2.5.3.2. Hiệu số nhiệt độ trung bình.....................................................................52 2.5.3.3. Hệ số truyền nhiệt trung bình..................................................................52 2.5.3.4. Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đỉnh:.................................52 2.5.3.5. Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:.........................................................53 2.5.3.6. Xác định hệ số cấp nhiệt của nước cấp nhiệt đi ngoài ống trong:...........54 2.5.3.7. Xác định hệ số truyền nhiệt:...................................................................55 2.5.3.8. Bề mặt truyền nhiệt:................................................................................56 2.5.3.9. Cấu tạo thiết bị:.......................................................................................56 2.5.4. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh..............................................................56 2.5.4.1. Suất lượng nước làm nguội sản phẩm đỉnh cần dùng..............................57 2.5.4.2. Hiệu số nhiệt độ trung bình.....................................................................58 2.5.4.3. Hệ số truyền nhiệt trung bình..................................................................58 2.5.4.4. Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh ở ống ngoài:......................58 2.5.4.5. Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:.........................................................59 2.5.4.6. Xác định hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống trong:...........................60 2.5.4.7. Xác định hệ số truyền nhiệt:...................................................................61 GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang V ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM 2.5.4.8. Bề mặt truyền nhiệt:................................................................................61 2.5.4.9. Cấu tạo thiết bị:.......................................................................................61 2.5.5. Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu................................................................62 2.5.5.1. Suất lượng nước gia nhiệt dòng nhập liệu cần dùng:..............................64 2.5.5.2. Hiệu số nhiệt độ trung bình.....................................................................64 2.5.5.3. Hệ số truyền nhiệt trung bình..................................................................64 2.5.5.4. Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu:.........................................64 2.5.5.5. Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:.........................................................65 2.5.5.6. Xác định hệ số cấp nhiệt của nước cấp nhiệt đi trong ống trong:............66 2.5.5.7. Xác định hệ số truyền nhiệt:...................................................................67 2.5.5.8. Bề mặt truyền nhiệt:................................................................................67 2.5.5.9. Cấu tạo thiết bị:.......................................................................................68 2.5.6. Bồn cao vị..................................................................................................68 2.5.6.1. Tổn thất đường ống dẫn..........................................................................68 2.5.6.2. Tổn thất đường ống dẫn nhập liệu:.........................................................69 2.5.6.3. Chiều cao bồn cao vị:..............................................................................71 2.5.7. Bơm...........................................................................................................72 2.6. Sơ đồ thiết bị chính và thiết bị phụ......................................................................75 KẾT LÂẬN..................................................................................................................76 PHỤ LỤC 1: CÁC TÀI LIỆÂ THAM KHẢO...........................................................77 PHỤ LỤC 2: BẢN VẼ THIẾT BỊ CHÍNH................................................................77 GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang VI ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM MỤC LỤC HÌNH PHẦN MỘT: TỔNG QÂAN CHƯNG CẤT................................................................1 Hình 1.1. Cấu tạo tháp chưng cất dạng mâm xuyên lỗ.................................................4 Hình 1.2. Công thức cấu tạo Ethanol...........................................................................6 Hình 1.3. Công thức cấu tạo nước.............................................................................10 PHẦN HAI: TÍNH TOÁN VÀ BỐ TRÍ THIẾT BỊ...................................................12 Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lí hệ thống chưng cất cồn.....................................................75 GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang VII ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM MỤC LỤC BẢNG PHẦN MỘT: TỔNG QÂAN CHƯNG CẤT................................................................1 Bảng 1.1. So sánh ưu nhược điểm của một số loại tháp...............................................4 Bảng 1.2. Bảng thành phần Ethanol - nước...............................................................11 PHẦN HAI: TÍNH TOÁN VÀ BỐ TRÍ THIẾT BỊ...................................................12 Bảng 2.1. Thông số bích ghép thân, đáy và nắp tháp.................................................35 Bảng 2.2. Thông số ống dẫn nhập liệu.......................................................................36 Bảng 2.3. Thông số ống hơi ở đỉnh tháp....................................................................37 Bảng 2.4. Thông số ống hoàn lưu...............................................................................38 Bảng 2.5. Thông số ống dẫn hơi vào đáy tháp...........................................................39 Bảng 2.6. Thông số ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp.....................................................39 Bảng 2.7. Thông số ống dẫn chất lỏng từ nồi đun......................................................40 Bảng 2.8. Kích thước chân đỡ tháp............................................................................42 Bảng 2.9. Kích thước tai treo.....................................................................................42 GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang VIII ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM MỞ ĐẦÂ Sản xuất thực phẩm ở quy mô công nghiệp luôn đi kèm theo sự cải tiến, áp dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất, trong đó máy và thiết bị thực phẩm luôn là ưu tiên hàng đầu của các nhà máy, công ty thực phẩm hiện nay. Để giảm chi phí và tăng sản lượng và chất lượng của sản phẩm nên các công ty, nhà máy ngày càng chú trọng đến việc nghiên cứu và cải tiến hệ thống thiết bị của mình hiện đại hơn. Dựa vào nguồn nguyên liệu giá thành thấp và dồi dào mật rỉ đường, tinh bột khoai mì, tinh bột sắn ở nước ta. Từ lợi thế đó, ta sử dụng nguồn liệu này để sản xuất Ethanol. Để phục vụ cho sản xuất quy mô vừa và nhỏ ta thiết kế một hệ thống chưng cất Ethanol với công suất 1000 Kg/h nhầm đáp ứng nhu cầu sử dụng này. Mục tiêu của quá trình nghiên cứu này là tính toán thông số liên quan đến nguyên liệu, thiết bị, đường ống và quan trọng nhất là thiết tháp chưng cất Ethanol với nâng suất 1000kg/h. Đối tượng nghiên cứu là hỗn hợp Ethanol – Nước. Với các thông số đã có, dựa vào những tính toán ở trên ta chưng cất Ethanol từ nồng độ thấp lên nồng độ cao. Phương pháp nghiên cứu là phân tích tổng hợp lý thuyết và mô hình hóa. Khi ta thiết kế được một hệ thống chưng cất tối ưu hơn điều đó giúp công ty giảm được chi phí vận hành cũng như sẽ tạo điều kiện giảm chi phí sản xuất từ đó kéo theo hạ giá thành sản phẩm xuống giúp cho người tiêu dùng giảm thiểu chi phí sản phẩm. Ngoài ra nó còn giúp tạo nên nguồn liệu cho các nghành như: công nghệ thực phẩm và hóa chất, mỹ phẩm, y dược. Sinh viên thực hiện Lý Dự Phan Trần Anh Huy GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang IX ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM PHẦN MỘT: TỔNG QÂAN CHƯNG CẤT 1.1. Cơ sở lý thuyết của thiết bị chưng cất 1.1.1. Khái niệm quá trình chưng cất Chưng cất là quá trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khác nhau ở cùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại. Khác với cô đặc, chưng cất là quá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc là quá trình trong đó chỉ có dung môi bay hơi. 1.1.2. Đặt điểm quá trình chưng cất Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Hỗn hợp đem chưng cất gọi là dòng nhập liệu chứa cấu tử dễ bay hơi và cấu tử khó bay hơi, thành phần của các cấu tử tùy thuộc vào đặc điểm của nguồn nguyên liệu. Dòng sản phẩm thu được bằng cách bốc hơi và ngưng tụ gọi là dòng sản phẩm đỉnh chứa chủ yếu cấu tử dễ bay hơi và một phần rất ít cấu tử khó bay hơi. Dòng sản phẩm thu được ở đáy ở thiết bị gọi là dòng sản phẩm đáy chứa chủ yếu cấu tử khó bay hơi và một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi. Dòng hoàn lưu là dòng ngưng tụ ở đỉnh của thiết bị được cấp tuần hoàn trở lại thiết bị nhằm tăng hiệu suất của quá trình chưng cất. Ngoài ra còn làm tăng độ tinh khiết của sản phẩm chứa chủ yếu cấu tử dễ bay hơi và một phần rất ít cấu tử khó bay hơi. Chú ý: Dòng hoàn lưu và dòng sản phẩm đỉnh có các thành phần cấu tử đỉnh hoàn toàn giống nhau 1.1.3. Các phương pháp chưng cất  Phân loại theo áp suất làm việc: - Áp suất thấp - Áp suất thường - Áp suất cao GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang 1 ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM Nguyên tắt của phương pháp này là dựa trên nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta sẽ giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của cấu tử.  Phân loại theo nguyên lí làm việc: - Chưng cất đơn giản Phương pháp được sử dụng trong các trường hợp sau:  Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau.  Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao.  Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi.  Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử. - Chưng cất hổn hợp hai cấu tử Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn.  Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt nơi đáy tháp: - Cấp trực tiếp - Cấp gián tiếp Phương pháp cất nhiệt ở đáy tháp thường được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước. 1.2. Mục đích công nghệ và phạm vi ảnh hưởng Quá trình chưng cất chủ yếu là khai thác để tách và nâng cao nồng độ của một cấu tử nào đó trong hỗn hợp. Ví dụ như trong sản xuất ethanol, dịch sau khi lên men có nồng độ ethanol tương đối thấp (tùy thuộc vào chủng nấm men và thông số kỹ thuật cũng như phương pháp lên men, nồng độ ethanol có thể đạt giá trị khác nhau, nhưng thường không vượt quá 20%). Do đó, để thu hồi ethanol nồng độ cao, người ta thực hiện quá trình chưng cất. Tương tự, trong sản xuất các loại rượu cao độ như whisky hay cognac, để nâng cao nồng độ ethanol đạt giá trị như mong muốn, quá trình chưng cất cũng được áp dụng. Quá trình chưng cất còn được sử dụng để thu hồi các tinh dầu từ các nguồn thực vật khác nhau. Ngoài ra, quá trình chưng cất có mục đích hoàn thiện. Ví dụ như trong sản xuất ethanol, dịch lên men chứa khá nhiều tạp chất dễ bay hơi như aldehyde, ketone, rượu bậc cao, acid hữu cơ… Chúng là các sản phẩm phụ của quá trình lên GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang 2 ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM men. Trong quá trình chưng cất, người ta sẽ tách các tạp chất này để làm tăng độ tinh sạch của ethanol thành phẩm. 1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất Quá trình chưng cất chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố sau: - Nguyên liệu: trong quá trình chưng cất, nồng độ các cấu tử trong hỗn hợp ban đầu là yếu tố cần quan tâm. Nồng độ các cấu tử cần tinh sạch càng thấp, quá trình chưng cất sẽ diễn ra càng phức tạp, năng lượng tiêu hao lớn. - Sự chênh lệch nhiệt độ sôi giữa các cấu tử: sự chênh lệch nhiệt độ sôi của các cấu tử trong hỗ hợp càng lớn, quá trình chưng cất thực hiện càng dễ dàng. - Các tính chất về nhiệt động của nguyên liệu: độ nhớt, nhiệt dung riêng, khả năng dẫn nhiệt, nhiệt hóa hơi… điều có ảnh hưởng đến quá trình chưng cất. - Các thông số công nghệ như nhiệt độ, áp suất…: tùy theo phương pháp thực hiện quá trình chưng cất mà các thông số công nghệ có ảnh hưởng khác nhau. 1.4. Các thiết bị sử dụng Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất này vào lưu chất kia. Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn nhất thường được ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu. Kích thước của tháp: đường kính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm. Ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp chêm. Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm pha lỏng và pha hơi đựơc cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có: - Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chép dạng: tròn, xú bắp, chữ s… - Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (3-12) mm. Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự. GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang 3 ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM Bảng 1.1. So sánh ưu nhược điểm của một số loại tháp Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp Hiệu suất tương đối cao, hoạt động khá ổn Ưu điểm Đơn giản, trở lực thấp Hiệu suất thấp, độ Nhược điểm ổn định kém, thiết bị nặng định, làm việc với chất lỏng bẩn Trở lực khá cao, yêu cầu lắp đặt khắc khe… Lắp đĩa thật phẳng Hiệu suất cao hoạt động ổn định Cấu tạo phức tạp, trở lực lớn, không làm việc với chất lỏng bẩn Nhận xét: Tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian giữa tháp chêm và tháp mâm chóp, đáp ứng được nhu cầu như: hiệu suất cao, ổn định. Nên ta chọn tháp chưng cất là tháp mâm xuyên lỗ.  Chưng cất hệ Etanol - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp. 1.4.1. Cấu tạo, nguyên lí hoạt động của thiết bị Cấu tạo gồm nhiều mâm (tùy thuộc vào nhu cầu), trên mỗi, mâm bố trí ống chảy truyền, gờ chảy tràn và có rất nhiều lỗ trên trên mâm (đường kính từ 3 ÷ 12 mm). Tổng diện tích các lỗ trên mâm chiếm từ 8 ÷ 15% tiết diện tháp. Các lỗ trên mâm được bố trí trên đỉnh tam giác đều, khoảng cách giữ 2 tâm lỗ vào khoản 2.5 ÷ 5 lần đường kính lỗ. Bề dày mâm thường bằng 0.4 ÷ 0.8 đường kính lỗ nếu làm bằng thép không rỉ, nếu làm bằng thép carbon hay hợp kim đồng thì bề dày lớn hơn tỷ lệ trên. Mâm phải được thiết kế và lắp ráp thật phẳng và ngang bằng so với thiết bị. Đối với những tháp có đường kính quá lớn (hơn 2.4 m), ít dùng mâm xuyên lỗ vì khi đó chất lỏng sẽ phân phối không đều trên mâm. Trong tháp mâm xuyên lỗ, pha khí đi từ dưới lên qua các lỗ trên mâm và phân tán vào lớp chất lỏng chuyển động từ trên xuống, theo các ống chảy truyền. Tùy theo lượng hơi pha lỏng, khí mà có ba chế độ thủy động: GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang 4 ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM - Khi vận tốc khí nhỏ hơn thì pha khí đi qua pha lỏng ở dạng từng bọt riêng biệt, phan lỏng có thể chảy rò qua lỗ trên mâm. - Khi tăng vận tốc khi lên bằng với pha lỏng thì tháp hoạt động ổn định. - Khi vận tốc pha khí lớn hơn vận tốc pha lỏng, khí trên mâm sẽ tạo một hỗn hợp lỏng bọt xáo trộn mạnh trên mâm. Lúc này mâm hoạt động với hiệu suất cao nhất, nếu tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa sẽ xảy ra hiện tượng khí lôi cuốn chất lỏng lên mâm trên. 1.4.2. Ưu nhược điểm của thiết bị - Ưu điểm: chế tạo đơn giản, vệ sinh dễ dàng, trở lực thấp hơn tháp mâm chóp và tiết kiệm kim loại hơn tháp mâm chóp. Ngoài ra, thiết bị do dễ dàng vệ sinh nên có thể hoạt động với các chất lỏng bẩn. - Nhược điểm: yêu cầu khi lắp đặt cao (mâm phải lắp đặt thật phẳng), ít dùng tháp mâm xuyên lỗ khi đường kính tháp quá 2.4 (m), vì gây ra hiện tượng chất lỏng không phân bố đều trên mâm. 1.4.3. Ứng dụng của thiết bị trong thực tế Thiết bị được sử dụng trong các nhà máy quy mô nhỏ cho việc chưng cất, ví dụ như chưng cất cồn có thể sử dụng tháp mâm xuyên lỗ ngay cả khi khối lượng nhập liệu lên đến 5000 (Kg/h). 1.5. Giới thiệu nguyên liệu sử dụng 1.5.1. Ethanol Định nghĩa (còn gọi là rượu etylic, cồn etylic hay cồn thực phẩm): - Ancol là những hợp chất hữu cơ mà trong phân tử có nhóm hydroxyl (–OH) liên kết trực tiếp với nguyên tử cacbon no. - Etanol hay còn được gọi là rượu etylic là một ancol đơn chức, no, mạch hở trong phân tử chứa một nhóm hydroxyl (–OH). q Cấu tạo: Công thức phân tử thu gọn nhất: C2H6O hoặc C2H5OH Công thức cấu tạo: GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang 5 Hình 1.2. Công thức cấu tạo Ethanol ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM Tính chất vật lý: q Rượu etylic là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15 độ C) … Hút ẩm, dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa có màu xanh da trời. Ancol etylic tan vô hạn trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay aldehyde tương ứng là do sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử rượu với nhau và với nước. Etanol là một dung môi linh hoạt, có thể pha trộn với nước và với các dung môi hữu cơ khác như axit axetic, axeton, benzen, cacbon tetrachlorua, cloroform, dietyl ete, etylen glycol… Tính chất hóa học: q Tính chất của một rượu đơn chức, no, mạch hở. - Phản ứng thế với kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ 2C2H5OH + 2 Na  2C2H5OH Na + H2 - Phản ứng este hóa (Phản ứng giữa rượu và acid với môi trường là acid sulfuric đặc nóng). o C2H5OH + CH3COOH H 2 S→O 4 , t CH3COOC2H5 + H2O - Phản ứng tách nước (trong một phân tử để tạo thành olefin, trong môi trường acid sulfuric đặc ở 170oC). C2H5OH H 2 S O4→, 170 ℃ C2H4 + H2O - Phản ứng tách nước giữa 2 phân tử rượu C2H5OH + C2H5OH ⟶ C2H5 – O – C2H5 + H2O - Phản ứng oxi hóa Trường hợp 1: Trong môi trường nhiệt độ cao CH3 – CH2 – OH + CuO ⟶ CH3 – CHO + Cu + H2O - Trường hợp 2: Có xúc tác CH3 – CH2 – OH + O2⟶ CH3 – COOH + H2O - Trường hợp 3: nhiệt độ cháy o C2H5OH + 3O2 t→ 2CO2 + 3 H2O GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang 6 ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM - Phản ứng tạo ra butadien-1,3 (xúc tác Cu + Al2O3 tại 380- 4000C). 2C2H5OH ⟶CH2 = CH – CH = CH2 + 2H2O + H2 - Phản ứng lên men giấm (oxi hóa rượu etylic 10 độ bằng oxi không khí có mặt men giấm ở nhiệt độ khoảng 250C). CH3 – CH2 – OH + O2 ⟶ CH3 – COOH + H2O q Điều chế: Etanol 94% “biến tính” được bán trong các chai lọ an toàn để sử dụng trong gia đình (không dùng để uống), được sản xuất bằng công nghiệp hóa dầu, thông qua công nghệ hyđrat hóa êtylen, và theo phương pháp sinh học, bằng cách lên men đường hay ngũ cốc với men rượu.  Hydrat hóa etylen: Etanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thông thường nó được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp hyđrat hóa etylen bằng xúc tác axít, được trình bày theo phản ứng hóa học sau. Cho etylen hợp nước ở 3000C áp suất 70 ÷ 80 atm với chất xúc tác là acid wolframic hoặc acid phosphoric: H2C = H2C + H2O ⟶CH3CH2OH Trong công nghệ cũ, lần đầu tiên được tiến hành ở mức độ công nghiệp vào năm 1930 bởi Union Carbide, nhưng ngày nay gần như đã bị loại bỏ thì êtylen đầu tiên được hyđrat hóa gián tiếp bằng phản ứng của nó với axít sulfuric đậm đặc để tạo ra êtyl sulfat, sau đó chất này được thủy phân để tạo thành etanol và tái tạo acid sulfuric: H2C = CH2 + H2SO4 ⟶CH3CH2OSO3H CH3CH2OSO3H + H2O ⟶ CH3CH2OH + H2SO4  Lên men: Etanol để sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng như phần lớn etanol sử dụng làm nhiên liệu, được sản xuất bằng cách lên men: khi một số loài men rượu nhất định (quan trọng nhất là Saccharomyces cerevisiae) chuyển hóa đường trong điều kiện không có ôxy (gọi là yếm khí), chúng sản xuất ra êtanol và cacbon điôxít CO2. Phản ứng hóa học tổng quát có thể viết như sau: GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang 7 ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM C6H12O6 ⟶2CH3CH2OH + 2CO2 Quá trình nuôi cấy men rượu theo các điều kiện để sản xuất rượu được gọi là ủ rượu. Men rượu có thể phát triển trong sự hiện diện của khoảng 20% rượu, nhưng nồng độ của rượu trong các sản phẩm cuối cùng có thể tăng lên nhờ chưng cất. Để sản xuất êtanol từ các nguyên liệu chứa tinh bột: Tinh bột đầu tiên phải được chuyển hóa thành đường. Trong việc ủ men bia, theo truyền thống nó được tạo ra bằng cách cho hạt nảy mầm hay ủ mạch nha. Trong quá trình nảy mầm, hạt tạo ra các enzym có chức năng phá vỡ tinh bột để tạo ra đường. Để sản xuất êtanol làm nhiên liệu, quá trình thủy phân này của tinh bột thành glucoza được thực hiện nhanh chóng hơn bằng cách xử lý hạt với axít sulfuric loãng, enzym nấm amylase, hay là tổ hợp của cả hai phương pháp. Về tiềm năng, glucoza để lên men thành êtanol có thể thu được từ xenluloza. Việc thực hiện công nghệ này có thể giúp chuyển hóa một loại các phế thải và phụ phẩm nông nghiệp chứa nhiều xenluloza, chẳng hạn lõi ngô, rơm rạ hay mùn cưa thành các nguồn năng lượng tái sinh. Cho đến gần đây thì giá thành của các enzym cellulas có thể thủy phân xenluloza là rất cao. Hãng Iogen ở Canada đã đưa vào vận hành xí nghiệp sản xuất êtanol trên cơ sở xenluloza đầu tiên vào năm 2004. Phản ứng thủy phân cellulose gồm các bước. - Bước 1: Thủy phân xenluloza thành mantoza dưới tác dụng của men amylaza. (C6H10O5)n Men Amylaze C12H22O11 → - Bước 2: Thủy phân tiếp mantoza thành glucoza hoặc fructoza dưới tác dụng của men mantaza. C6 H 12 O6 C12H22O11 Men Amylaze → - Bước 3: Phản ứng lên men rượu có xúc tác là men zima. C6H12O6 Men Amylaze C2H5OH + 2CO2 → GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang 8 ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM Ứng dụng: q Được dùng làm nguyên liệu sản xuất các hợp chất khác như: đietyl ete, axit axetic, etyl axetat, làm dung môi pha chế vecni, dược phẩm, nước hoa, làm nhiên liệu, dùng cho đèn cồn trong phòng thí nghiệm, dùng thay xăng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong…. Để điều chế các loại rượu uống nói riêng và các đồ uống có etanol nói chung, người ta chỉ dùng sản phẩm của quá trình lên men rượu các sản phẩm nông nghiệp như: gạo, ngô, sắn, lúa mạch, quả nho. Trong một số trường hợp còn phải tinh chế loại bỏ các chất độc hại đối với cơ thể. 1.5.2. Nước Cấu tạo: q Công thức phân tử thu gọn nhất: H2O Công thức cấu tạo: Hình 1.3. Công thức cấấu tạo nước Tính chất vật lý: q - Là chất lỏng, không màu, không mùi, không vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt. - Là chất duy nhất mà chúng ta gặp trên trái đất trong điều kiện tự nhiên ở trạng thái rắn, lỏng, khí. - Là một dung môi vạn năng, hòa tan được nhiều muối và các chất khác, hơn bất kì một chất nào khác. - Nước hầu hết ăn mòn các kim loại và phá hoại ngay các thạch cứng nhất, khi đóng bang nó giãn nở và do đó băng nổi trên nước pha lỏng. - Khối lượng phân tử: 18g/mol - Khối lượng riêng: d = 1g/ml - Nhiệt độ nóng chảy: 00C GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang 9 ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM - Nhiệt độ sôi: 1000C - Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) và rất cần thiết cho sự sống. Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hoà tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học q Tính chất hóa học:  Tác dụng với kim loại: tạo ra dung dịch bazơ và khí hidro: 2Na + 2H2O ⟶ 2NaOH + H2  Tác dụng với oxit bazơ: tạo dung dịch bazơ, làm quỳ tím chuyển sang mày xanh CaO + 2H2O ⟶Ca(OH)2  Tác dụng với oxit axit: tạo axit tương ứng, làm quỳ tím chuyển sang đỏ. P2O5 + 3H2O⟶2H3PO4 1.5.3. Hổn hợp Ethanol – nước Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Ethanol – Nước ở 760 mmHg . Áp dụng công thức (I.213), trang 256, tài liệu tham khảo [1]: Bảng 1.2. Bảng thành phần Ethanol - nước x (phầần mol) y (phầần mol) o C) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 33.2 44.2 53.1 57.6 61.4 65.4 69.9 75.3 81.8 89.8 100 10090.5 86.5 83.2 81.7 80.8 80 79.4 79 78.6 78.4 78.4 1.6. Ứng dụng của quá trình chưng cất trong sản xuất thực phẩm Trong sản xuất thực phẩm, việc chưng cất được ứng dụng để khai thác, tách và nâng cao nồng độ của một cấu tử trong hỗn hợp. Việc nâng cao nồng độ là GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang 10 ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM điều đáng quan tâm vì các sản phẩm thực phẩm cần độ tinh khiết cao để đáp ứng được nhu cầu của nhà sản xuất, người tiêu dùng. Việc nâng cao nồng độ của một cấu tử giúp ích rất nhiều trong việc sản xuất rượu, đặt biệt là các loại rượu cao độ, trong đó có một số loại rượu nổi tiếng như whisky, cognac… GVHD: TS. Trần Lệ Thu Trang 11