›

Tóm tắt Luận án Tối ưu hóa hệ thống tách hỗn hợp nhiều cấu tử etanol - Nước và các tập chất nhận được bằng phương pháp lên men

pdf 27 trang phuongvu95 5770
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tóm tắt Luận án Tối ưu hóa hệ thống tách hỗn hợp nhiều cấu tử etanol - Nước và các tập chất nhận được bằng phương pháp lên men", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdftom_tat_luan_an_toi_uu_hoa_he_thong_tach_hon_hop_nhieu_cau_t.pdf

Nội dung text: Tóm tắt Luận án Tối ưu hóa hệ thống tách hỗn hợp nhiều cấu tử etanol - Nước và các tập chất nhận được bằng phương pháp lên men

  1. B GIÁO DC VÀ ÀO TO TRNG I HC BÁCH KHOA HÀ NI Cao Th Mai Duyên TI U HOÁ H THNG TÁCH H N H P NHI U C U T ETANOL - NC VÀ CÁC TP CH T NHN  C BNG PHNG PHÁP LÊN MEN Chuyên ngành: Quá trình và Thit b Công ngh Hoá hc Mã s : 62.52.77.01 TÓM TT LUN ÁN TIN S K THUT Hà Ni - 2010
  2. Công trình c hoàn thành t i: B môn Quá trình - Thit b Công ngh Hoá và TP – Khoa Công ngh Hoá hc - Tr ng  i hc Bách Khoa Hà Ni. Ng i h ng dn khoa hc: PGS. TS Nguyn Hu Tùng. Phn bin 1: PGS. TS Nguyn Th Dim Trang Phn bin 2: GS. TSKH Nguyn Minh Tuyn Phn bin 3: TS. Thái Nguyn Huy Chí Lun án s c bo v tr c Hi ng chm lun án cp Tr ng hp t i tr ng  i hc Bách Khoa Hà Ni Vào hi gi ngày tháng nm 2010 Có th tham kho lun án t i: - Th vin Qu c gia Vit Nam
  3. 1 M U 1. Tính cp thit ca  tài Trong thc t sn xut thng gp các h dung d ch nhi u cu t ph c t p nh các hn hp du m, các hn hp ca các quá trình lên men, các ch phm sinh hc, các hn hp khí hoá lng  thu c các sn phm có  tinh khit cao cn thit phi phân tách riêng các cu t có trong h. Phng pháp ph bin nht  tách các h này chính là phng pháp chng luyn. Khi áp dng phng pháp chng luyn  tách hn hp nhi u cu t thng gp các khó khn nh: + Khó tách trit  các cu t , khi  bay hi tng i ca các cu t nh, hoc khi trong h t o các hn hp ng phí.  tách các h này thng phi kt hp nhi u phng pháp tách khác nhau. + H thng thit b ph c t p, cho h gm n cu t phi cn ít nht (n-1) tháp chng luyn và 2(n-1) thit b trao i nhit. + S l trình tách l n, nên vic a ra c l trình tách hp lý thng gp nhi u khó khn. + Tiêu hao nng lng cho quá trình phân tách l n. Vì v!y, vic nghiên c u ti u hoá quá trình phân tách h nhi u cu t nh"m nâng cao hiu qu phân tách, gim kinh phí u t cho h thng thit b , gim tiêu hao nguyên v!t liu và nng lng là vn  thit thc và cp bách hin nay. 2. M c ích ca  tài 1. Xây dng và kim ch ng mô hình tng quát ca tháp chng luyn dùng  tách hn hp nhi u cu t . 2. #ng dng mô hình  nghiên c u các hành vi ca các cu t trong tháp chng luyn hn hp nhi u cu t . 3. #ng dng mô hình  xác  nh ch  tách hp lý ca các cu t trong tháp chng luyn. 4. #ng dng mô hình  phân tích và tng hp các l trình tách hn hp lng nhi u cu t .
  4. 2 5. #ng dng mô hình  tin hành ti u các h thng tách hn hp nhi u cu t b"ng phng pháp chng luyn theo ch$ tiêu nng lng tiêu tn. 3.  i t ng nghiên c u ca  tài Quá trình tách hn hp lng nhi u cu t trong tháp chng luyn và h thng tháp chng luyn. 4. Ni dung ch yu ca  tài 1. Nghiên c u b"ng thc nghim hành vi ca các cu t ca h etanol - n c và các cu t t p cht trong tháp chng luyn. 2. Nghiên c u cân b"ng pha lng - hi ca h dung d ch nhi u cu t . Tin hành la chn mô hình cân b"ng pha lng - hi ca h nhi u cu t và kim tra  tin c!y ca mô hình ã chn. 3. Xây dng mô hình tng quát ca tháp chng luyn dùng  tách hn hp lng nhi u cu t . Kim ch ng s phù hp ca mô hình theo phân b nng  ca etanol, phân b nhit  và phân b nng  ca mt s t p cht theo chi u cao ca tháp chng luyn b"ng phng pháp thc nghim. 4. Tin hành chia nhóm các cu t theo hành vi ca chúng % trong tháp chng luyn và nghiên c u ch  tách hp lý cho t&ng nhóm cu t . 5. #ng dng mô hình tng quát ca tháp chng luyn  phân tích s  c bn dùng  tách hn hp nhi u cu t gm ba tháp tách. 6. #ng dng mô hình tng quát ca tháp chng luyn  tng hp s  tách hn hp lng nhi u cu t gm 6 tháp tinh ch làm vic % áp sut thng. 7. #ng dng mô hình tng quát ca tháp chng luyn và thu!t toán gii h l n  tính toán kim tra s  tinh ch cn t i Công ty c phn mía ng Lam Sn – Thanh Hoá. 8. #ng dng mô hình tng quát ca tháp chng luyn và thu!t toán gii h l n  tng hp s  tinh ch cn gm 6 tháp làm vic t i các áp sut khác nhau và nghiên c u kh nng kt ni nhit gi'a các tháp. 5. Nhng óng góp mi ca  tài 1. ã xây dng và kim tra b"ng thc nghim mô hình tng quát ca tháp chng luyn hn hp nhi u cu t .
  5. 3 2. ã ng dng mô hình tng quát ca tháp chng luyn  kho sát hành vi ca các cu t % trong tháp chng luyn. Các kt qu kho sát ã cho phép a ra nguyên t(c chia nhóm các cu t có trong h thành các nhóm cu t . 3. ã  xut nguyên t(c chung dùng  phân tích và tng hp các h thng tách các hn hp nhi u cu t : nguyên t(c tách theo nhóm. Nguyên t(c này ã cho phép gim áng k s phng tách cn phi kho sát, vì v!y t o i u kin thu!n li cho vic tìm phng án tách hp lý. 4. ã  xut thu!t toán dùng  phân tích và tng hp các h thng tinh ch l n: nguyên t(c chia nh bài toán. Thu!t toán này cho phép tng kh nng hi t, gim khi lng và thi gian tính toán. 6. Ý ngha và giá tr thc tin ca  tài 1. Mô hình tng quát ca tháp chng luyn ã cho phép kho sát chi tit h dung d ch etanol - n c và các cu t t p cht c)ng nh các h thng dùng  tách hn hp này. 2. Do h dung d ch etanol - n c và các cu t t p cht nh!n c b"ng phng pháp lên men là h dung d ch in hình không lý t%ng nên các kt qu nghiên c u nh!n c cho h này có th áp dng c cho các h dung d ch nhi u cu t khác. 3. ã tin hành tng hp các s  tách hp lý cho quá trình tinh ch áp dng cho sn xut cn thc phm cht lng cao và gim c tiêu hao nng lng tính trên mt n v sn phm. 4. Nguyên t(c tách hn hp nhi u cu t theo nhóm t o i u kin thu!n li cho tính toán, thit k và ti u hoá các h thng tách hn hp nhi u cu t . 5. Thu!t toán chia nh bài toán khi gii các mô hình ca các h l n cho phép gim c thi gian tính toán và tng kh nng hi t. CHNG 1 - TNG QUAN 1.1. H dung dch nhiu cu t Mt trong nh'ng hn hp nhi u cu t thng gp trong thc t sn xut là các dung d ch nh!n c b"ng các quá trình lên men, nh h etanol - n c và các cu t t p cht. ây là dung d ch thc nhi u cu t rt in hình và các cu t trong h có nh h%ng l*n nhau ht s c ph c t p gây nhi u khó khn
  6. 4 cho vic phân tách riêng các cu t . H dung d ch này có th bao gm khong hn 50 cu t [3] và gm ch yu là các nhóm cu t sau: nhóm anehyt, nhóm este, nhóm các axit và nhóm các ru b!c cao. Trong h có kh nng t o thành các hn hp ng phí 2 cu t , hn hp ng phí 3 cu t và trong h có th xut hin các vùng d th 2 pha lng. 1.2. Ch ng luyn hn h p nhiu cu t  tách các h dung d ch gm n cu t , h thng thng phi có (n-1) tháp chng luyn và tng ng là (n-1) thit b un sôi áy tháp và (n-1) thit b ngng t $nh tháp. Khi ó, s lng thit b phi s dng trong s  tách khá l n và nng lng tiêu tn cho quá trình tách c)ng s+ rt l n. Tách hn hp nhi u cu t b"ng chng luyn có th thc hin theo nhi u l trình tách khác nhau. i v i h dung d ch gm 3 cu t thì s  tách s+ có ít nht là 2 tháp và s+ có 3 phng án tách. Cho hn hp 4 cu t , s l trình tách s+ là 22, cho hn hp 5 cu t , s l trình tách lên n 119 [23]. Nh v!y, khi h có nhi u cu t , s lng các l trình tách s+ rt l n và quá trình tính toán s+ rt ph c t p. 1.3. T i u hoá quá trình phân tách h nhiu cu t  gim kinh phí u t cho h thng thit b tách c)ng nh nh"m gim nng lng tiêu tn  thc hin quá trình tách, cn thit phi gim n m c có th s lng tháp chng luyn trong s . Khi ti u hoá quá trình cn phi tính n nhi u ch$ tiêu. Tuy nhiên do bin ng ca giá nng lng nên lng hi t tiêu tn cho quá trình (tính trên mt n v sn phm) ã c la chn làm ch$ tiêu ti u. Trong quá trình tinh ch, tiêu hao nng lng ch yu là do cp nhit  un bay hi dung d ch % áy ca các tháp. Khi các tháp chng luyn làm vic % các áp sut khác nhau, có th s dng hi i ra trên $nh ca tháp này làm cht ti nhit  cp nhit cho áy ca tháp kia. Nh v!y,   t c hiu sut s dng nhit cao cn phi tng hp c các h thng tách có kt ni nhit hp lý gi'a các tháp. CHNG 2 – PHNG PHÁP NGHIÊN CU 2.1. Xây dng mô hình tng quát ca tháp ch ng luyn
  7. 5 2.1.1. Xác nh cân bng pha lng-hi ca h dung dch nhiu cu t 2.1.1.1. Xác nh cân bng pha lng – hi ca h dung dch nhiu c u t bng ph ng pháp th c nghim. ã tin hành thit k và ch t o b thit b thí nghim xác  nh cân b"ng pha lng - hi ca dung d ch. Tuy nhiên, khi s cu t ca h , 4, xác  nh cân b"ng pha lng – hi ca h thng gp rt nhi u khó khn và có  chính xác không cao. 2.1.1.2. Xác nh cân bng pha ca h dung dch nhiu c u t bng ph ng pháp l p mô hình 2.1.1.2.1. L˜a ch‚n m© h’nh cßn bπng pha lflng î h™i cho h‘ nhi–u c»u tÙ Các mô hình xác  nh cân b"ng lng – hi  u có nhim v xác  nh h s ho t  ca cu t i trong pha lng γi. Trong •⁄, m¢ hŒnh UNIFAC t§£ng •fli •£n gi≠n, dÀ sÌ dÎng, cØc th¢ng sfl cËa m¢ hŒnh •§Âc xØc •’nh da v¨o cØc sfl liÕu c†n b≤ng pha lÿng ê h£i cËa cØc hÕ hai c¡u tÌ v¨ •§Âc c¬p nh¬t th§·ng xuy°n v◊ c⁄ th dÊng • d •oØn c†n b≤ng pha cËa cØc hÕ c⁄ ph†n l‰p lÿng ê lÿng. * M© h’nh UNIFAC ¨´Ïc th— hi‘n qua c∂c ph´™ng tr’nh sau [1] Theo mô hình cân b"ng pha UNIFAC, h s ho t  bao gm hai phn: C R phn t hp và phn d: lnγI = lnγi + lnγi (2-5) - Phæn t› hÂp trong hÕ sfl ho∞t •‡ cËa c¡u tÌ i •§Âc t‘nh theo c¢ng thÔc: C φi Z θi φi (2-6) lnγ i = ln + qi ln + li − ƒ x jl j xi 2 φi xi - Phæn d§ cËa hÕ sfl ho∞t •‡ cËa nh⁄m k •§Âc t‘nh theo c¢ng thÔc: R (i) (i) lnγ i = vk [ln Γk − ln Γk ] (2-7) k (i) + Γk, Γk : hÕ sfl ho∞t •‡ trong phæn d§ cËa nh⁄m k trong dung d’ch nhi u c¡u tÌ v¨ trong dung d’ch chœ chÔa 1 c¡u tÌ i . » ≈ ’ÿ  ’ ∆θ ψ ÷Ÿ ln Γ = Q 1 − ln θ ψ − m km (2-8) k k ƒ m nk ÷ ƒ∆ ÷Ÿ  m ◊ m ƒθn ψ nm « n ◊⁄Ÿ anm „ •†y ψ = ex p(− ) v‰i anm: th¢ng sfl t§£ng tØc nh⁄m (2-9) nm T
  8. 6 CØc th¢ng sfl m v¨ amn cËa m¢ hŒnh UNIFAC •§Âc xØc •’nh chœ da v¨o cØc sfl liÕu c†n b≤ng pha cËa cØc hÕ hai c¡u tÌ. 2.1.1.2.2. Kim chng mô hình cân bng pha lng – hi UNIFAC a). HÕ etanol ê n§‰c ‚ cØc Øp su¡t khØc nhau [5.]: 1 1,0 0,9 0,9 y y 0,8 0,8 yMH yM H 0,7 0,7 0,6 0,6 0,5 0,5 0,4 0,4 0,3 0,3 0,2 0,2 0,1 0,1 0 0,0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 P = 50mmHg P = 1396mmHg 1,0 1,0 0,9 0,9 y y 0,8 0,8 yMH yM H 0,7 0,7 0,6 0,6 0,5 0,5 0,4 0,4 0,3 0,3 0,2 0,2 0,1 0,1 0,0 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 P = 3103 mmHg P =4654 mmHg Hình 2-4.  th so sØnh cØc giØ tr’ c†n b≤ng lÿng - h£i d •oØn b≤ng m¢ hŒnh v‰i cØc giØ tr’ thc nghiÕm cËa hfin hÂp etanol - n§‰c ‚ cØc Øp su¡t khØc nhau. b). HÕ 3 c¡u tÌ ‚ cØc Øp su¡t khØc nhau: Bng 2-1. So sØnh cØc giØ tr’ c†n b≤ng lÿng - h£i d •oØn b≤ng m¢ hŒnh v‰i cØc giØ tr’ thc nghiÕm cËa hfin hÂp etanol(1)- n§‰c(2)-•ietyl ete(3) ‚ cØc Øp su¡t khØc nhau. Sai s P x yTN yMH % (at) (1) (2) (3) (1) (2) (3) (1) (2) (3) (1) 1,84 0,234 0,008 0,758 0,514 0,074 0,412 0,51 0,07 0,42 1 0,476 0,017 0,507 0,567 0,116 0,317 0,55 0,13 0,32 3 0,689 0,06 0,251 0,491 0,345 0,164 0,5 0,35 0,15 2 0,613 0,074 0,313 0,426 0,424 0,15 0,43 0,42 0,15 1 0,509 0,039 0,452 0,477 0,216 0,307 0,49 0,24 0,27 3 0,412 0,03 0,558 0,47 0,27 0,26 0,45 0,26 0,29 4 0,477 0,27 0,253 0,226 0,693 0,081 0,21 0,71 0,09 7
  9. 7 0,176 0,013 0,811 0,306 0,38 0,314 0,3 0,39 0,31 2 0,307 0,023 0,67 0,387 0,388 0,225 0,38 0,39 0,22 2 0,447 0,368 0,185 0,203 0,733 0,064 0,2 0,74 0,06 1 0,507 0,32 0,173 0,217 0,702 0,081 0,21 0,71 0,08 3 4,09 0,115 0,004 0,881 0,336 0,111 0,553 0,36 0,11 0,53 7 0,546 0,028 0,426 0,597 0,124 0,279 0,56 0,16 0,29 6 0,833 0,027 0,14 0,737 0,122 0,141 0,75 0,12 0,13 2 0,822 0,04 0,138 0,696 0,178 0,126 0,71 0,18 0,11 2 0,778 0,084 0,138 0,592 0,337 0,071 0,59 0,33 0,08 0 0,56 0,062 0,378 0,482 0,311 0,207 0,49 0,28 0,23 2 0,698 0,063 0,239 0,57 0,245 0,185 0,57 0,26 0,17 0 0,721 0,074 0,205 0,575 0,272 0,153 0,57 0,29 0,14 1 0,664 0,087 0,249 0,48 0,306 0,214 0,5 0,33 0,17 4 0,521 0,009 0,47 0,63 0,032 0,338 0,61 0,05 0,34 3 0,476 0,01 0,514 0,574 0,054 0,372 0,58 0,06 0,36 1 0,517 0,069 0,414 0,431 0,338 0,231 0,45 0,31 0,24 4 0,642 0,13 0,228 0,427 0,386 0,187 0,43 0,42 0,15 1 0,581 0,015 0,404 0,645 0,063 0,292 0,62 0,07 0,31 4 c). H 3 cu t có vùng hai pha lng: B≠ng 2-2. So sØnh cØc giØ tr’ c†n b≤ng lÿng - h£i d •oØn b≤ng m¢ hŒnh v‰i cØc giØ tr’ thc nghiÕm cËa hfin hÂp etanol(1) - etyl axetat(2) - n§‰c(3) ‚ vÊng hai pha lÿng. x yTN yMH Sai s (%) (1) (2) (3) (1) (2) (3) (1) (2) (3) (2) 0,22 0,27 0,51 0,21 0,45 0,34 0,2 0,49 0,31 9 0,21 0,21 0,58 0,2 0,47 0,33 0,21 0,48 0,31 2 0,16 0,12 0,72 0,21 0,42 0,37 0,2 0,42 0,38 0 0,19 0,43 0,38 0,16 0,54 0,3 0,16 0,53 0,31 2 0,15 0,32 0,53 0,15 0,5 0,35 0,17 0,53 0,3 6 0,12 0,34 0,54 0,14 0,55 0,31 0,14 0,55 0,31 0 0,18 0,23 0,59 0,2 0,5 0,3 0,2 0,5 0,3 0 d). H 4 cu t: B≠ng 2-3. So sØnh cØc giØ tr’ c†n b≤ng lÿng - h£i d •oØn b≤ng m¢ hŒnh v‰i cØc giØ tr’ thc nghiÕm cËa hfin hÂp etanol(1) - metanol(2) ê propanol(3) - n§‰c(4). x yTN yMH Sai s (%) (1) (2) (3) (4) (1) (2) (3) (4) (1) (2) (3) (4) (2) 0,062 0,75 0,033 0,155 0,041 0,867 0,015 0,077 0,047 0,862 0,014 0,077 1 0,069 0,708 0,048 0,175 0,055 0,835 0,018 0,092 0,054 0,834 0,021 0,090 0 0,086 0,522 0,102 0,29 0,08 0,733 0,05 0,137 0,079 0,699 0,056 0,166 5 0,131 0,455 0,165 0,249 0,125 0,594 0,083 0,198 0,116 0,633 0,082 0,169 6
  10. 8 0,124 0,43 0,164 0,282 0,123 0,628 0,084 0,165 0,114 0,611 0,086 0,188 3 0,092 0,402 0,184 0,322 0,095 0,597 0,107 0,201 0,089 0,593 0,104 0,215 1 0,093 0,385 0,186 0,336 0,103 0,562 0,089 0,246 0,092 0,577 0,107 0,224 3 0,089 0,376 0,225 0,31 0,095 0,563 0,116 0,226 0,086 0,568 0,124 0,222 1 0,089 0,361 0,155 0,395 0,102 0,604 0,104 0,19 0,095 0,557 0,102 0,246 8 0,124 0,343 0,217 0,316 0,135 0,532 0,127 0,206 0,122 0,528 0,121 0,230 1 0,12 0,323 0,232 0,325 0,13 0,505 0,135 0,23 0,120 0,507 0,132 0,241 0 0,07 0,264 0,243 0,423 0,084 0,443 0,172 0,301 0,079 0,453 0,165 0,304 2 0,061 0,251 0,231 0,457 0,09 0,468 0,18 0,262 0,072 0,441 0,168 0,319 6 0,062 0,238 0,237 0,463 0,081 0,402 0,178 0,339 0,074 0,425 0,174 0,327 5 0,064 0,232 0,236 0,468 0,087 0,401 0,17 0,342 0,077 0,417 0,176 0,331 4 0,101 0,228 0,274 0,397 0,125 0,392 0,185 0,298 0,113 0,400 0,178 0,310 2 0,087 0,19 0,283 0,44 0,118 0,376 0,211 0,295 0,103 0,352 0,199 0,346 7 0,064 0,142 0,301 0,493 0,094 0,294 0,25 0,362 0,083 0,285 0,237 0,396 3 0,076 0,142 0,31 0,472 0,108 0,286 0,243 0,363 0,096 0,282 0,234 0,388 2 Các kt qu kho sát % trên cho thy mô hình cân b"ng pha UNIFAC ã chn có  tin c!y cao (sai s l n nht gi'a các kt qu nh!n c t& mô hình v i các s liu thc nghim là 9%), và có th c s dng  tính toán các quá trình chng luyn dùng  phân tách h nhi u cu t . 2.1.1.2.3. D˜ ¨o∂n cßn bπng lflng h™i cÔa h‘ nhi–u c»u tÙ: nu‰c(1) - etanol(2) - metanol(3) ê isopropanol (4) - iso butanol(5) - iso amyl ancohol(6). Do không có các s liu thc nghim v cân b"ng pha lng – hi ca h trên nên các s liu này s+ c kim ch ng mt cách gián tip khi kim ch ng s tng thích ca mô hình tng quát ca tháp chng luyn b"ng phng pháp thc nghim. 2.1.2. Xây dng mô hình tng quát tháp ch ng luyn nhiu cu t 2.1.2.2. Mô hình tng quát tháp ch ng luyn nhiu c u t S  nguyên lý các dòng vào và dòng Gj Lj-1 xi,j-1, tj-1, Pj-1 ra ca mt b!c cân b"ng pha (-a lý thuyt) SG,j yi,j, tj, Pj zi,j, tj, Pj c th hin trên hình 2-5. Mô hình tng Qj Fj B!c j quát ca tháp chng luyn s+ gm N b!c xi,j-1, tj-1, Pj-1 yi,j+1, tj+1, Pj+1 cân b"ng pha kt ni v i nhau b"ng các SL,j G L dòng v!t cht và các dòng nng lng. j+1 j Hình 2-5. S  nguyên lý c a b c cân b ng pha
  11. 9 Kt qu tính toán trên t&ng b!c lý thuyt s+ cho bit phân b nhit , phân b nng  các cu t trong pha lng và pha hi và các thông s khác ca quá trình di.n ra trong tháp. Các phng trình cân b"ng v!t cht, cân b"ng pha và cân b"ng nhit lng cho mt b!c cân b"ng: a. Các ph ng trình cân bng v t ch t Cho cu t i = 1 k và b!c th j: Lj-1 . xi,j-1 + Gj+1 . yi,j+1 + Fj . zi,j - (Lj + SL,j ) . xi,j - (Gj + SG,j ) . yi,j = 0 (2-10) b. Các ph ng trình cân bng pha Cho cu t i = 1 k và b!c th j: yi,j – Ki,j . xi,j = 0 v i Ki,j = f(ti,j, pj, xi,j, yi,j) (2-11) / ây, Ki,j - h"ng s cân b"ng pha ca cu t i trên b!c th j, c xác  nh theo mô hình cân b"ng pha UNIFAC. Ph ng trình tng nng  phn mol ca các c u t trong pha lng và k k pha hi: Cho cu t i = 1 k trên b!c th j:  xi, j −1.0 = 0  yi, j −1.0 = 0 i=1 i=1 c. Ph ng trình cân bng entalpy Lj-1 . hL,j-1 + Gj+1 . hG,j+1 + Fj . hF,j - (Lj + SL,j ) . hL,j - (Gj + SG,j ) . hG,j +Qj = 0 (2-12) hL,j = f(tj, pj, xi,j) và hG,j = f(tj, pj, yi,j) là entalpy riêng ca pha lng và pha hi t i b!c th j. Cho tháp chng luyn gm n b!c cân b"ng kt ni v i nhau, mô hình ca tháp s+ bao gm N(2k+3) phng trình. H phng trình trên c gi là h phng trình MESH. Trong  i a s các trng hp, h phng trình MESH là h phi tuyn. 2.1.3. Th t c gi i h ph ng trình MESH V i s tr giúp ca máy tính hin  i, các phng trình ca h phng trình MESH ca tháp chng luyn có th c gii ng thi cho tt c các -a ca tháp b"ng phng pháp Newton – Raphson. 2.2. Ki!m ch ng s phù h p ca mô hình tháp ch ng luyn nhiu cu t bng thc nghim. H dung d ch dùng  tin hành thí nghim kim ch ng là h etanol - n c và các t p cht nh!n c b"ng phng pháp lên men. 2.2.1. Các ph ng pháp phân tích. Nng  etanol c xác  nh b"ng thit b o t0 trng DMA 4500, t i phòng thí nghim công ngh lc du và xúc tác, trng  i Hc Bách Khoa Hà Ni. Nng  các cu t có nng  thp c xác  nh b"ng phng pháp s(c ký khí, t i Trung tâm ào t o và phát trin s(c ký, Trng HBK Hà Ni và Công ty c phn cn - ru Hà Ni.
  12. 10 2.2.2. Xác nh nng  etanol, nhit , nng  ca mt s c u t tp ch t trên các a th c t ca tháp ch ng luyn. Tháp dùng  tin hành thí nghim là tháp lo i -a l có ng chy truy n, ng kính D = 300mm, chi u cao H = 21m, gm 82 -a thc t, làm vic % ch  hi lu hoàn toàn. Theo chi u cao ca tháp, có 26 im ly m*u gm 24 m*u d ng lng và 2 m*u d ng hi. o n luyn có 60 -a thc t, khong cách gi'a các -a 200mm. Có 16 im  o nhit  trên thân tháp b"ng cm ng nhit PT100 v i sai s 0,1 oC. Các kt qu thc nghim và tính toán theo mô hình c th hin trên các hình 2-8, 2-9, 2-11 và 2-12, cho thy phân b ca các t p cht xác  nh b"ng thc nghim và tính theo mô hình phù hp v i nhau khá tt. Sai s l n nht là 5,5%. t, oC 1 90 KÃt qu≠ t‘nh toØn theo m¢ hŒnh 0.9 88 KÃt qu≠ thc nghiÕm 0.8 86 0.7 l e o l o m 84 0.6 m n n ≈ ≈ h 0.5 h P P 82 , 6 X 5 0.4 80 0.3 78 0.2 EFt qu≠ t‘nh toØn theo m¢ hŒnh KÃt qu≠ thc nghiÕm 0.1 76 10 20 30 40 50 60 70 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 A ( û¡NH > û©Y) •¬a ( •¡nh > •©y Hình 2-8. Phân b nng  etanol theo chiu Hình 2-9. Phân b nhit  theo cao tháp chiu cao tháp nNnngg   e ethtyl aacxeettaatt t htheeoo M MHH Nnng  ethyyl la axceetatatt ttheoT TNN nng  iso-propanol theo MH nng  iso-propanol theo TN mg/l mg/l 1400 100 1200 80 1000 60 800 40 600 20 400 200 0 1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 0 -a $nh 1 áy 1 11 21 31 4-1a $nh 511 áy 61 71 81 Hình 2-11. Phân b nng  iso propanol Hình 2-12. Phân b nng  etyl axetat theo chiu cao tháp theo chiu cao tháp Các kt qu trên c)ng cho thy mô hình UNIFAC c s dng  l!p mô hình MESH có  tin c!y cao. S phù hp ca mô hình MESH ca tháp chng luyn nhi u cu t cho phép s dng mô hình này cho các nghiên c u tip theo.
  13. 11 CHNG 3 - K"T QU# NGHIÊN CU 3.1. Nghiên c u phân lo$i các nhóm cu t trong hn h p etanol - n c s n xut bng ph ng pháp lên men 3.1.1 – Nghiên c u bng ph ng pháp thc nghim. Nghiên c u hành vi ca các cu t ca h b"ng thc nghim cho hai h dung d ch etanol - n c - các t p cht lên men t& tinh bt và r$ ng. 3.1.1.2. Phân b n%ng  ca các t$p cht theo chiu cao ca tháp ch ng luyn trong quá trình tinh ch 3.1.1.2.1. Phân b nng  ca các tp ch t cho h dung dch lên men t r  ng. Tin hành thí nghim trong tháp thí nghim lo i chóp, ng kính Φ = 50 mm, s -a thc t NTT = 11 -a. Hn hp etanol-n c có nng  u 10% và 70% th tích. Ly m*u trên các -a 1, 3, 5, 7, 9, 11 (tính t& trên xung). Nng  ca các t p cht metanol, n-propanol, isobutanol, iso amyl ancohol, etyl axetat c xác  nh b"ng phng pháp s(c ký khí. Các kt qu thc nghim c th hin trên hình 3-3. •„ th‹ b it—hu bdii“un d pi.hnß np hbâÊn nb„n ng n¨gÁ cÔ ac na- Pn rporpoapannool l1 •„ th‹ bi— tuh d bi“inu p dhiß.n pbhÊâ n „bng n ¨nÁg c Ôa cMae tmheatnaonlo l 13 12 12 11 333.934 ) ) 70% n 9.547 11 n ® ® 10 l l i 8.496 10 i 96.087 312.773 Î 13.203 Î 9 ´ ´ a 9 a ⁄ d ⁄ 21.425 d 8 ¨ ¨ Û 8 63.269 Û t c t c 87.059 205.103 7 ∂ ∂ u u c 7 38.392 c – – i i 6 ˜ 10% ˜ h 6 t h t 105.025 c c 21.706 102.97 ˆ 5 5 ˆ o h o h e e 11.061 T h 4 T 4 58.571 h t 10% t 235.825 332.606 h 3 3 h 31.748 n n ¤ 475.24 ¤ t 2 t 2 ( 18.459 1 70% 305.018 ( 1 1.989 0 0 0 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400 N„ng ¨Á (mg/l¤t) N„ng ¨Á (mg/l¤t) •„ th‹ b it—hu bdii“un d pi.hnß nph bâÊn nb„ nng n¨gÁ cÔ ac Ea teytlyalc aexteatcaet •„ t hth‹ bbii—uu ddii“.nn pphhßân bÊ n„nngg ¨Á ccÔaa i sIoso aammyyl laicncohol 12 6 11 2270.528 10109.325 ) 2.19 ) n n ® 5 ® 10 l 2.986 l 194.715 i i 2107.278 9 Î Î ´ ´ a a ⁄ d ⁄ d 4 8 10% ¨ ¨ 325.625 Û Û t c t c 7 70% ∂ ∂ 89.86 u u c c – – 19.079 70% i 3 i 6 ˜ ˜ h t h t 10.947 c 9.63 c 5 ˆ ˆ o o 70.047 h h e e 2 4 T T h h t t 20.575 3 h h n n ¤ ¤ 28.04 72.093 t 1 t 2 ( ( 1 8.68 10% 0 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 0 20 40 60 80 N„ng ¨Á (mg/l¤t) N„ng ¨Á (mg/l¤t) Hình 3-3. Các  th biu din phân b nng  c a các cu t theo chiu cao c a tháp. Hn hp u có nng  etanol 10% và 70%.
  14. Nng , mg/l 12 Các kt qu thc nghim cho thy hành vi ca các t p cht ph thuc vào nng  ca etanol. Ví d, khác v i thông thng, nu chn ch  tinh ch không hp lý, metanol có th xut hin c % d i áy tháp (hình 3-4).  có th m% rng ph m vi nghiên c u, phn nghiên c u tip theo v hành vi ca các áy 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 $nh cu t s+ c thc hin da vào mô Hình 3-4.  th biu din phân b nng  hình tng quát ca tháp chng luyn. metanol trong tháp tinh ch cn. 3.1.2. ng d ng mô hình tng quát ca tháp ch ng luyn ! nghiên c u hành vi ca mt s cu t trong h 3.1.2.1. Nghiên cu hành vi và các yu t nh h ng n hành vi ca các c u t etyl axetat, anehyt axetic. c thc hin trong tháp mô hình gm 40 -a lý thuyt, hn hp u c a vào tháp % -a th 31, tháp làm vic % áp sut khí quyn. Dòng hn hp u có nhit  75oC và áp sut 2 atm. Hn hp u có thành phn các cu t : etyl axetat: 5.10-5, anehyt axetic: 5.10-5 phn mol và có nng  etanol khác nhau. Các kt qu cho thy hành vi ca các cu t trên ph thuc vào nng  etanol trong hn hp u và vào ch$ s hi lu. Hành vi ca các cu t trong hn hp ph thuc không nhi u vào v trí ca -a tip liu. Các cu t trên trong quá trình tinh ch luôn t!p trung % trên $nh tháp. 3.1.2.2. Nghiên cu hành vi và các yu t nh h ng n hành vi ca c u t axit axetic. Các nghiên c u cho thy nng  etanol và ch$ s hi lu ít nh h%ng n hành vi ca cu t này. Cu t này luôn t!p trung % áy tháp. 3.1.2.3. Nghiên cu hành vi và các yu t nh h ng n hành vi ca các c u t n-propanol, iso-propanol, iso-butanol, iso amyl ancohol (hn hp du fusel).  nghiên c u hành vi ca các cu t trên ã s dng hn hp u vào tháp v i lu lng F = 1 kmol/s, nhit  là 65oC. Tháp gm 40 -a lý thuyt. Các kt qu nghiên c u cho thy hành vi ca các cu t có trong hn
  15. 13 hp du fusel ph thuc nhi u vào ca nng  etanol và nng  ca các cu t này  t cc  i t i -a th 28 tính t& trên xung (hình 3-16). -3 -3 x 10 x 10 2.5 6 X =0.05 X =0.1 F F 2 X =0.1 X =0.2 l F l F o o 4 m 1.5 m X =0.05 n X =0.2 n F ≈ ≈ X =0.3 F X =0.3 F h F h P P 1 6 , 2 5 X 0.5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 5 10 15 20 25 30 35 40 •¬a (•¡nh > •©y) •¬a (•¡nh > •©y) (a) (b) 0.02 0.02 X =0.05 X =0.05 F F 0.015 0.015 l l o X =0.2 o X =0.1 m X =0.1 F m X =0.2 F F F n n ≈ 0.01 ≈ 0.01 h h P P , , X X 0.005 0.005 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 5 10 15 20 25 30 35 40 •¬a (•¡nh > •©y) •¬a (•¡nh > •©y) (c) (d) Hình 3-16. nh hng c a nng  etanol trong hn hp u, R=4. (a). n-propanol; (b). iso-propanol; (c). iso-butanol; (d). iso amyl ancohol Nghiên c u nh h%ng ca ch$ s hi lu cho thy ch$ s hi lu hp lý là R = 25(hình 3-19, 3-20, 3-21, 3-22). 0.006 0.009 0.008 0.005 0.007 l 0.004 0.006 e o l o m m 0.005 n n â 0.003  h h 0.004 p P , , X 0.003 X 0.002 0.002 0.001 0.001 0 0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 Ch s hi lu: R Ch s hi lu: R Hình 3-19.nh hng c a ch s hi Hình 3-20. nh hng c a c a ch s lu ti phân b nng  n-propanol trong hi lu ti phân b nng  c a iso- du fusel butanol trong du fusel 0.035 0.0002 0.00018 0.03 0.00016 0.025 l 0.00014 l o 0.00012 o M 0.02 m n  n 0.0001 h  P 0.015 h 0.00008 , X p 0.00006 , 0.01 x 0.00004 0.00002 0.005 0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 0 Ch s hi l u: R 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 Ch s hi lu: R Hình 3-21. nh hng c a ch s hi lu Hình 3-22. nh hng c a ch s hi ti phân b nng  iso-propanol trong lu ti phân b nng  iso amyl du fusel. ancohol trong du fusel
  16. 14 Kt qu nghiên c u (hình 0.015 3-23) cho thy hn hp du Iso Amylic fusel thng t!p trung t i 0.01 gi'a tháp khong gn v trí l o m n iso Butanol -a tip liu. ≈ h 1 - Propanol P 6 5 0.005 iso - Propanol 0 15 20 25 30 35 40 a V ‹ tTrír l¤ dy ›dònngg F fususeell Hình 3-23. nh hng c a v trí ly du Fusel ti nng  các tp cht trong hn hp du fusel. 3.1.2.4. Nghiên cu hành vi và các yu t nh h ng n hành vi ca c u t metanol. Nghiên c u c thc hin trong tháp mô hình gm 40 -a lý thuyt (o n chng: 10 -a), P = 1bar, hn hp u F = 1(kmol/s), 60oC, -5 xF(metanol) = 7.10 phn mol, ch$ s hi lu R = 3,5. Các kt qu cho thy: - Metanol luôn t!p trung t i khu vc có nng  etanol l n trên $nh (hình 3- 26, 3-27). Nh v!y  m bo cht lng cao ca sn phm, có th tin hành chng luyn % nng  etanol gn im ng phí ca nó v i n c, XF=96 %V (XF=0,89 phn mol) và ly sn phm % áy tháp (vùng nng  metanol thp). -3 -4 x 10 x 10 2.5 14 R=3.5 12 2 l o m 10 n ≈ R=4 R=5 h l R=3 o 1.5 P , m ) X =0.05 l 8 n F o ≈ n a h X =0.03 F X =0.09 h t P F e , M X 1 ( 6 D X X =0.01 F 4 0.5 2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 X , Ph≈n mol 0 10 20 30 40 50 F(Ethanol) N (•¡nh > •©y) LT Hình 3-26. Phân b nng  metanol Hình 3-27. Quan h gia nng  -5 ti R = 3,5, xF(Metanol) = 7.10 , các nng metanol  nh tháp và nng  etanol  xFetanol khác nhau trong hn hp u. Ti t l D/F=5%; -5 xF(Metanol)=7.10
  17. 15 - / mt s i u kin nht 0,0008 metanol 0,0007  nh, (xetanol = 0,12 phn mol, 0,0006 l o 0,0005 m tháp gm 83 -a, 11 -a o n n  0,0004 h p chng, t0 s D/F = 0,4105, , 0,0003 x cu t metanol có th xut 0,0002 0,0001 hin c % trên $nh và d i 0 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 áy tháp (hình 3-27b). a t nh n áy Hình 3-27b. Phân b nng  c a tp metanol trong tháp tinh ch. T& các kt qu nghiên c u v hành vi ca các cu t trong h etanol - n c và t p cht, có th phân lo i các cu t trong h thành các nhóm sau ây: a. Nhóm tp cht u: có h s bay hi K l n hn so v i h s bay hi ca etanol t i mi nng  ca etanol. Các cu t ca nhóm này luôn t!p trung t i $nh ca tháp chng luyn. Các cu t in hình ca nhóm này là: anehyt axetic, etyl axetat b. Nhóm tp cht cui: có  bay hi thng xuyên nh hn  bay hi ca etanol t i mi nng  ca etanol. Các cu t ca nhóm này luôn t!p trung % áy ca tháp chng luyn. Các cu t in hình ca nhóm này là axit axetic, fufurol c. Nhóm tp trung gian:  bay hi ca các cu t ca nhóm này ph thuc vào nng  etanol. Khi nng  etanol cao,  bay hi ca các cu t ca nhóm này nh hn  bay hi ca etanol. Ngc l i, khi nng  etanol nh,  bay hi ca các cu t này l i l n hn  bay hi ca etanol. Vì v!y, các cu t ca nhóm này s+ t!p trung t i vùng gi'a tháp chng luyn. Các cu t in hình ca nhóm này là iso amyl ancohol, iso butanol (có trong hn hp du fusel). d. Nhóm các tp vòng quanh: có  bay hi thay i theo nng  ca etanol nhng theo chi u ngc l i v i nhóm t p trung gian. Khi nng  etanol cao,  bay hi ca các cu t ca nhóm này cao hn  bay hi ca etanol. Khi nng  etanol nh,  bay hi ca các cu t này l i nh hn  bay hi ca etanol. Vì v!y, các cu t ca nhóm này có th t!p trung % trên $nh hoc % d i áy ca tháp chng luyn tu2 theo nng  etanol trong hn hp.
  18. 16 Các kt qu nghiên c u v các yu t nh h%ng n hành vi ca các nhóm cu t ã cho phép  xut ch  tách t&ng nhóm cu t nh sau: - Nhóm tp cht u: Tháp gm 25-30 -a, cp liu % -a 12 -15. Nng  etanol vào tháp t& 0,2 – 0,25 phn mol. Ch$ s hi lu R =20-25. - Nhóm tp cht cui: Tháp có 40-50 -a. Ch$ s hi lu R=3,5. Nng  etanol trong dòng hn hp u < 0,1 phn mol. - Nhóm tp trung gian: Tháp có 40 -a lý thuyt, dòng hn hp u vào tháp % -a th 30, dòng hn hp $nh ly ra % -a th 1, dòng hn hp áy ly ra % -a th 40, dòng sn phm ly % -a th 5, dòng du fusel ly ra % -a th 36, % d ng lng v i lu lng khong 0,04 - 0,045 kmol/s, ch$ s hi lu R = 25. - Nhóm các tp vòng quanh: Tháp có 40 -a lý thuyt, o n chng gm 10 -a, nng  etanol trong hn hp u khong 96%V, R = 35÷ 40. Nh v!y, hn hp nhi u cu t có th tách c trong h thng tinh ch theo các nhóm các cu t có hành vi tng t nhau. Có th  xut nguyên t(c tách hn hp nhi u cu t theo nhóm sau ây: 3.2. Nguyên t&c tách hn h p nhiu cu t theo nhóm Theo nguyên t(c này,  a ra c s  tách hn hp nhi u cu t cn thc hin các b c sau ây: 1. Chn cu t chính. 2. Nghiên c u hành vi ca các cu t trong h, t& ó phân lo i các cu t trong h thành các nhóm cu t . 3. Nghiên c u các yu t nh h%ng n hành vi ca t&ng nhóm cu t trong tháp chng luyn.  xut ch  tách hp lý cho các nhóm cu t . 3.3. ng d ng mô hình tng quát ca tháp ch ng luyn 3.3.1. Phân tích s  tách c s gm 3 tháp ây là s  tinh ch ang c s dng t i Công ty C phn cn ru Hà Ni (hình 3-33).
  19. 17 + COL1: Tháp thô s§ ¶ hæ thÃng ch•ng luyæn gi©n tiΩp 3 th©p + COL2: Tháp anehyt lÙm viæc t™i ©p su≥t th•Œng + CO+L C3:O TLh1:á p T thinhØp tchh¢. MIX1 + DE+C C: O TL2hi:  tT bh Ø phâp aldne lh ypd e. H2O-1 D2 + COL3: ThØp tinh. COL2 + F: + D E CN:g u y Têhni Ãlti bu’ p(hd†nm l ‰cphí. n) 5 + P1ST: Sn phm etanol tinh ch P1 + F: Nguy°n liÕu d¡m ch‘n. D1 1 + FU+: P 1 SDT: u Sf≠usn eplh øm ethanol tinh chÃ. COL3 + FU: Dæu Fusel. D3 COL1 P2 + D3:+ D 3 :E t a nol Eth acnônolg c n¢nghig ngph i Õp. HS2 2 B2 P1ST DEC HX1 F FU 3 FUSEL HS3 HS1 B1 B3 P3 REC 4 Hình 3-33. S  h thng chng luyn gm 3 tháplàm vic  áp sut thng Các kt qu xác  nh phân b nng  ca các cu t trong các tháp c th hin trên các  th hình 3-37, 3-38, 3-40. 0,012 0,0008 met anol 0,0007 0,01 axit axet ic n-propanol 0,0006 0,008 iso propanol l iso propanol o 0,0005 m iso but anol n 0,006 2 pent anol  0,0004 h p glyxerol , 0,0003 x 0,004 et yl axet at iso amyl ancohol 0,0002 0,002 0,0001 0 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 a t  nh n á y a t nh n áy Hình 3-37. Phân b nng  c a các Hình 3-38. Phân b nng  c a cu t iso cu t trong tháp COL2. propanol trong tháp COL2 - Nh v!y, trong tháp COL2 nhóm t p 0,05 0,045 0,04 n-propanol cht u luôn t!p trung trên $nh tháp iso butanol 0,035 2 pentanol l 0,03 o iso amyl ancohol m và c tách ra (hình 3-37) t i ây. n  0,025 h p , Hn hp du fusel t!p trung t i khu x 0,02 0,015 vc gi'a tháp, gn -a tip liu (hình 3- 0,01 0,005 0 40). T p cht iso propanol cha c 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 a t nh n áy tách trit  trong tháp này (hình 3-38). Hình 3-40. Phân b nng  c a các cu t chính trong hn hp du fusel trong tháp tinh ch COL3 3.3.2. ng d ng mô hình tng quát ca tháp ch ng luyn  tng hp các s  tinh ch gm 4, 5, 6 tháp chng luyn. Trong các s  này, tháp COL4 có nhim v tách t p cht vòng quanh metanol. Khi nng sut ca h l n, dòng FUSEL s+ c a i tách tip  ly sn phm ph là hn hp du fusel. Tinh ch hn hp du fusel c tin hành trong tháp fusel COL5. Tháp
  20. 18 COL6 thu hi cn t& hn hp cn u c s dng khi nng sut ca h thng l n. 3.3.3. Tng hp s  tinh ch gm 6 tháp có dòng tun hoàn (hình 3-44) Dòng cn thu hi c cho quay tháp COL2  tinh ch. S  6 tháp này áp ng y  các yêu cu v cht lng ca dòng sn phm ph là du fusel và nâng cao hiu sut thu hi cn t& hn hp cn u khi công sut l n. s§ ¶ hæ thÃng ch•ng luyæn 6 th©p 14 c« dƒng h i l•u 13, lÙm viæc t™i ©p su≥t th•Œng 13 COL6 B1 20 8 7 MIX2 P7 11 D2 10 D4 COL5 MIX1 COL4 21 H2O-1 B1 COL2 D3 5 P1 D1 1 COL3 6 22 COL1 P2 P4 P2RD 2 HS2 40 B2 P1ST F DEC HX1 HX2 HS3 HS1 FU 3 B3 FUSEL 39 P6 P3 REC 4 + COL1: ThØp th¢. + COL1: Tháp t+h ôC OL 2: ThØp aldehyde. + F:+ C O NLg6:u Ty°hná pl itÕhuu g hi¡mi e tcahn‘onl. + COL3: ThØp tinh. + P1ST: S≠n phøm r§Âu etylic tinh chÃ. + COL2: Tháp a+n CeOhLyt3 : ThØp tinh chà l∞i - thØp methanol. + FU+: D E DCæ: uT hFiuste bl. phân l p + P1ST: Sn phm etanol tinh ch + COL3: Tháp t+in Ch OchL5 : Thap tinh che fuse l + D3+: F : N Egtuhyaênno ll ic¢un (gd nmgh cihÕípn.) + FU: Du fusel + COL6: ThØp thu h‹i c‹n + P2RD: S≠n phøm r§Âu etylic •§Âc tinh chà l∞i + COL4: Tháp t+in Dh EchC: l iT –h tihÃát pb ’m peht†ano ll‰ p. + D4+: D 3 : C e‹tann hol¢ ci.ông nghip + P2RD: Sn phm etanol tinh ch l i + COL5: Tháp tinh ch fusel + D4: Cn hôi Hình 3-44. S  tinh ch gm 6 tháp có dòng tun hoàn Bng 3-12. Thành phn các dòng v t liu chính trong s  tinh ch gm 6 tháp , làm vic  áp sut thng, có kt ni dòng tun hoàn. Dòng (F) d(u fusel (22) S n ph'm (P2RD) Cu t (phn mol) S n ph'm (P1RD) etanol 0,0637 0,8809 0,8793 0,8804 n c 0,936 0,1184 0,1203 0,11924 metanol 4,43E-02 2,87E-02 1,00E-05 1,00E-05 axit axetic 1,03E-02 1,95E-13 2,62E-15 2,13E-15 n-propanol 2,80E-02 9,60E-07 1,71E-06 1,11E-06 iso-propanol 2,81E-02 3,95E-04 4,05E-04 4,06E-04 iso-butanol 2,50E-05 1,26E-06 2,59E-08 1,51E-08 iso amyl ancohol 9,73E-02 2,62E-12 4,78E-12 3,06E-12 2-pentanol 2,46E-02 3,63E-10 8,19E-10 4,44E-10 glyxerol 3,15E-02 0 0 0 etyl axetat 5,00E-05 2,97E-07 2,68E-23 2,71E-23 L u l ng, kmol/s 0,5 0,02999 0,0292 0,0293 Nhit , oC 65 79,21 131,3 86,4
  21. 19 3.4. ng d ng mô hình tng quát ca tháp ch ng luyn ! tng h p s % tách có kt n i dòng nhit nhm gi m n)ng l ng tiêu hao 3.4.1. Nguyên t!c tng hp s  tách có kt ni dòng nhit  gim lng hi t tiêu tn cn tin hành kho sát ch  làm vic ca các tháp % các áp sut làm vic khác nhau, và tin hành la chn áp sut làm vic hp lý cho t&ng tháp c)ng nh kt ni các tháp trong s  tinh ch b"ng các dòng liên kt v!t liu và liên kt nhit.  gii mô hình ca h thng có liên kt nhit cn phi có thu!t toán thích hp cho các h l n. 3.4.2. ng d ng thu t toán gii h l"n  nghiên cu tng hp các s  tinh ch có kt ni nhit gi#a các tháp S Tháp 1 3.4.2.1. Thu t toán gii h l"n (hình 3-45): B c 1: Ng(t các dòng v!t liu liên kt gi'a Tháp 2 các tháp. B c 2: Tính ln lt t&ng tháp chng luyn b"ng các thu!t toán ã chn  gii mô hình MESH và ly các thông s u ra ca tháp Tháp m tr c làm các thông s u vào cho tháp sau. Sm B c 3: Kim tra s hi t ca thu!t toán (S – Sm)/S < 3 theo ch$ tiêu: S y e u c a u − S t in h t o a n ≤ ε . / ây thông s S là dòng ra ca tháp cui cùng c cho tun hoàn v s  theo yêu Kt qu cu công ngh. Hình 3-45. S  khi c a thu t toán gii h ln 3.4.2.2. Tính toán kim tra s  tinh ch cn có kt ni nhit ti Công ty c phn mía  ng Lam Sn. Các tháp ca s  này làm vic % các áp sut khác nhau (hình 3-46). Các kt qu tính toán c th hin trên các hình 3-50, 3-53, 3-56, 3-57, 3-60. Các kt qu cho thy nhit  $nh và áy ca tháp T533, là tháp nâng cao nng  và tách mt phn hn hp du fusel, phù hp v i thc t sn xut. Phân b nng  ca các t p cht và kt qu tính toán thành phn ca các dòng v!t liu c)ng cho thy ly t p cht propanol t i -a 47-55 và fusel t i -a 37-45 khá hp lý. Dòng sn phm áp ng y  các yêu cu v nng  ca các t p cht trung gian.
  22. 20 Q3 Q Q 19 3 E1 E4 GIAM H20 Q1 Q5 Q6 V1 16 COL1 E12 COL4 COL5 Q COL2 COL3 D4 D5 F1 D3 21 Q 9 E5 P4 D1 E2 P3 F4 P3 E3 F2 F3 FUSS P2 2 P1 P2 SPLIT Q PIST B4 B2 HEM Q2 Q4 Hình 3-46. Mô hình s  tinh ch 5 tháp theo s  c a Công ty c phn mía ng Lam S n Thanh Hoá 4,00E-04 0,025 3,50E-04 n-butanol iso butanol 0,02 anehyt axetic 3,00E-04 iso amyl ancohol l o l etyl axetat o 2,50E-04 n propanol m 0,015 m n n   2,00E-04 h h p 0,01 p , 1,50E-04 , x x 1,00E-04 0,005 5,00E-05 0 0,00E+00 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 a t nh n áy a t nh n áy Hình 3-50. Phân b nng  n-butanol, iso Hình 3-53. Phân b nng  an ehyt axetic, butanol, iso amyl ancohol, n-propanol trong tháp etyl axetat trong tháp pha loãng T552 theo mô nâng cao nng  T533 theo mô hình. hình. Trong tháp pha loãng T552, các t p cht u anehyt axetic, etyl axetat t!p trung trên $nh tháp (hình 3-53) và c tách ra khi hn hp % trên $nh tháp. Kt qu nh!n c t& mô hình phù hp v i thc t sn xut. Phân b nng  n-propanol, iso amyl ancohol trong tháp tinh ch T557 (hình 3-56, 3-57) cho thy vic ly dòng n propanol t i -a 32-42, du fusel t i -a 57-47 khá phù hp v i thc t. 3,00E-05 4,50E-08 4,00E-08 2,50E-05 3,50E-08 l l o o 2,00E-05 3,00E-08 m m iso amyl ancohol 2,50E-08 n n 1,50E-05   n propanol h h 2,00E-08 p p , , 1,00E-05 1,50E-08 x x 1,00E-08 5,00E-06 5,00E-09 0,00E+00 0,00E+00 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 a t nh n áy a t nh n áy Hình 3-56, 3-57. Phân b nng  c a iso amyl ancohol, n-propanol trong tháp tinh ch T557
  23. 21 Theo phân b nng  (hình 3-60), 0,1 0,08 metanol l trong tháp tách metanol T566, metanol o m 0,06 n  t!p trung trên $nh tháp nên dòng h 0,04 p , metanol tách ra % $nh tháp là hp lý. x 0,02 0 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 a tính t nh n áy Hình 3-60. Phân b metanol trong tháp metanol T566 Các kt qu tính toán theo mô hình cho thy ch  làm vic thc t ca t&ng tháp hoàn toàn phù hp v i quy trình tách t p cht theo nhóm. Nh v!y có th khng  nh áp dng nguyên t(c tách theo nhóm ã t o i u kin thu!n li cho vic tin hành phân tích các s  tách hn hp nhi u cu t ph c t p. 3.4.2.3. Tng hp mt s s  tách v"i hiu su t s d ng n$ng l ng cao Nguyên t!c l a ch%n áp su t làm vic ca các tháp tinh ch Tháp thô COL1 luôn s dng hi t trc tip và làm vic % áp sut chân không  tránh óng cn trên các -a. Tháp anehyt COL2 nên  làm vic % áp sut d do dòng hi % trên $nh l n và lng lng hi lu nh. Tháp tinh ch COL3 nên  làm vic % áp sut chân không  m bo hng và v ca cn thc phm. Tháp COL4 nên  làm vic % áp sut d do có nng sut hi % trên $nh l n. Tháp COL5 c)ng nên làm vic % áp sut d do nhit  ca hn hp du fusel nh!n c % s  tách gm 6 tháp làm vic % áp sut thng khá cao (131oC). Tháp COL6 nên làm vic % áp sut chân không do ã c b sung dòng n c nóng 90oC. T& các nh!n xét trên, s+ tin hành nghiên c u thay i áp sut làm vic ca t&ng tháp, la chn áp sut làm vic hp lý và kt ni nhit gi'a các tháp (bng 3-31, 3-32). a. Ph ng án kt ni nhit 1: ch$ kt ni nhit cho các tháp COL4 và COL3 Bng 3-31. Các thông s làm vic c a các tháp theo các áp sut làm vic ã ch!n trong ph ng án 1. Phng án 1 COL1 COL2 COL3 COL4 COL5 COL6 P, bar 0,7 2,4 0,5 1,5 3 1 Nhit  $nh, oC 70,702 101,552 61,081 88,1898 115,64 60,1362 Nhit ngng t, MW -3,3054 -0,2006 -6,6436 -7,65 -0,0237 -0,6298 Nhit  áy, oC 89,593 110,893 81,017 94,7909 128,03 63,5054
  24. 22 Hi t, kmol/s 0,1 Nhit un sôi áy tháp, MW 0,954 5,7 7,7858 0,0246 0,604 Phng án này cho thy ch$ có th s dng hi $nh tháp ca tháp COL4  gia nhit cho áy tháp COL3, lng nhit tit kim c cha nhi u vì v!y, s+ tin hành tng hp s  theo phng án th 2. b. Ph ng án kt ni nhit 2: 23 37 50 22 SPL2 D4 3 MIX3 COL6 14 HTX1 20 53 Q COL4 36 D3 18 15 9 40 D2 Q Q 19 COL2 COL3 30 MIX2 10 6 35 COL1 P4 D1 MIX1 5 P1ST P1 SP 2B2 HTX3 F 1 33 DEC 34 FU 17 SPL3 Q 26 B1 RE SPL1 41 HS1 B3 7 COL5 21 4 8 25 Q 32 P2 FUSEL Q 42 Hình 3-66. S  6 tháp làm vic  các áp sut khác nhau và có kt ni nhit gia các tháp theo ph ng án kt ni nhit 2 Bng 3-32. Các thông s làm vic c a các tháp trong s  hình 3-67 theo các áp sut làm vic ã ch!n trong ph ng án 2. Phng án 2 COL1 COL2 COL3 COL4 COL5 COL6 P, bar 0,7 1,5 0,6 1,5 3 0,5 Nhit  $nh, oC 70,7 88,2 65,2 88,2 113,1 60,6 Nhit ngng t, MW -3,3047 -0,257 -6,6436 -6,2502 -0,6109 -0,6314 Nhit  áy, oC 89,6 97,1 85,5 88,3 123,9 63 Hi t, kmol/s 0,1 Nhit un sôi áy tháp, MW 0,6109 6,2502 6,3424 0,6113 0,604 Theo các kt qu nghiên c u % trên, phng án 2 s+ c la chn. / phng án này, lng nhit tiêu tn s+ ch$ dùng cp nhit cho áy tháp COL1, COL4, COL5. Lng hi t tiêu tn ca phng án 2 là: 2,76 kg hi/kg sn phm cn 96%V cht lng cao. Bng 3-33. Cht lng c a các dòng sn ph"m xác nh c theo s  trên hình 3-66 SP 40 FUSEL Dòng    C u t (phn mol) C n thu h i D u fusel 0,8776 0,5018 2,42E-05 etanol 0,122 0,4973 0,4791 n c
  25. 23 1,22E-05 6,69E-04 1,19E-06 metanol 1,78E-14 2,90E-10 2,35E-06 axit axetic 4,12E-06 4,49E-05 0,0013 n propanol 4,10E-04 1,97E-04 5,81E-10 iso propanol 1,44E-07 3,01E-05 0,0399 iso butanol 1,04E-11 1,11E-06 0,2820 iso amyl ancohol 1,19E-08 1,31E-05 0,1976 2 pentanol 0 0 2,82E-11 glyxerol 2,01E-20 3,44E-06 0 etyl axetat Lu l ng, kmol/s 0,028 0,0116 4,34E-05 Nhi t , oC 88,3 63 124 K"T LU*N 1. ã la chn và kim tra c mô hình cân b"ng pha lng-hi UNIFAC cho h hai và nhi u cu t . Mô hình này ã c kim tra theo các s liu thc nghim ca các h dung d ch hai cu t , ba cu t % các áp sut khác nhau, các h có hai pha lng và các h bn cu t . Các kt qu kim tra cho thy mô hình có  tin c!y cao. 2. Trên c s% mô hình cân b"ng pha UNIFAC, ã tin hành xây dng c mô hình tng quát ca tháp chng luyn nhi u cu t . ã tin hành kim tra s tng thích ca mô hình tng quát ca tháp chng luyn b"ng thc nghim trên h etanol - n c và các cu t t p cht sn xut b"ng phng pháp lên men. Các kt qu cho thy mô hình phù hp rt tt v i thc nghim, vì v!y có th s dng mô hình này cho các nghiên c u cho các h khác nhau. 3. ã tin hành nghiên c u hành vi ca các t p cht trong h etanol - n c - các cu t t p cht b"ng phng pháp thc nghim. Các kt qu cho thy trong dung d ch thc nhi u cu t , các cu t có hành vi rt ph c t p và rt khó d oán tr c c b"ng các phng pháp lý thuyt. Do có các h n ch và khó khn v i u kin thc nghim cho h dung d ch ph c t p nên các nghiên c u tip theo s+ c tin hành b"ng phng pháp s dng mô hình tng quát ca tháp chng luyn ã c kim ch ng. 4. ã tin hành nghiên c u hành vi ca các t p cht trong h etanol - n c và các cu t t p cht da vào mô hình tng quát ca tháp chng luyn. Các kt qu nghiên c u cho phép chia các cu t ca h etanol - n c và các cu t t p
  26. 24 cht thành 4 nhóm cu t : nhóm t p cht u, nhóm t p cht cui, nhóm t p cht trung gian và nhóm t p cht vòng quanh. Nguyên t(c chia nhóm các cu t ca h nhi u cu t là mt óng góp m i ca lu!n án. 5. ã tin hành nghiên c u các yu t nh h%ng n hành vi ca các nhóm cu t . Các kt qu nghiên c u cho phép a ra nguyên t(c tách hn hp nhi u cu t theo nhóm. Kt qu này là mt óng góp m i ca lu!n án, cho phép gim áng k s phng án tách cn kho sát, t o i u kin thu!n li cho vic tìm phng án tách hp lý. 6. S dng mô hình tng quát ca tháp chng luyn nhi u cu t và áp dng nguyên t(c tách theo nhóm, ã tin hành phân tích s  tách c bn gm 3 tháp. Khi có các yêu cu v ly sn phm ph, thu hi cu t chính trong các dòng sn phm ph và khi có yêu cu v nng sut ca h thng l n ã tin hành tng hp các s  tách gm 4, 5 và 6 tháp làm vic % áp sut thng. 7. Áp dng mô hình tng quát ca tháp chng luyn và b"ng thu!t toán ã  xut  gii h l n  phân tích s  sn xut cn ca công ty c phn mía ng Lam Sn Thanh Hoá gm 6 tháp làm vic % các áp sut khác nhau, cho thy nguyên t(c tách theo nhóm rt hiu qu trong kho sát các h thng tách ph c t p. Thu!t toán gii h l n là mt óng góp m i ca lu!n án, ã cho phép tng kh nng hi t, gim khi lng và thi gian tính toán. 8. #ng dng mô hình tng quát ca tháp chng luyn và s dng nguyên t(c tách theo nhóm ã tin hành tng hp c h thng tinh ch hn hp etanol- n c-các t p cht gm 6 tháp làm vic % các áp sut khác nhau nh"m mc ích kt ni nhit gi'a các tháp. H thng tách này cho phép gim nng lng tiêu tn ca quá trình tách hn hp t& 8,1 kg hi t 5at/ 1kg cn sn phm (t i Công ty c phn cn-ru Hà Ni) xung còn 2,76 kg hi t 5at/1kg cn sn phm cht lng cao.
  27. 25 CÁC CÔNG TRÌNH Ã CÔNG B+ 1. Cao Th Mai Duyên, Phm Công V ng, Nguyn V#n Quyt, Nguyn Hu Tùng. 2004. Mô hình cân b"ng pha lng - hi h thc nhi u cu t . T p chí Khoa hc & Công ngh Các trng  i hc k4 thu!t. S 46+47. 2. Cao Th Mai Duyên, Nguyn $c Kiên, Nguyn Hu Tùng. 2006. Phân lo i các t p cht có trong dung d ch ru etylic - n c sn xut b"ng phng pháp lên men và nghiên c u phân b nng  ca chúng theo chi u cao ca tháp chng luyn. K0 yu hi ngh khoa hc ln th 20 Trng HBK Hà Ni. 3. Nguyn Hu Tùng, Cao Th Mai Duyên. 2007. Phân tích và tng hp h thng chng luyn hn hp nhi u cu t tit kim nng lng. T p chí Khoa hc & Công ngh. T!p 45 - S 1B. 4. Nguyn Hu Tùng, Cao Th Mai Duyên, Nguyn Xuân Hiu. 2008. Nghiên c u các yu t nh h%ng n phân b nng  methanol trong tháp tinh ch cn. T p chí Khoa hc & Công ngh Các trng  i hc k4 thu!t. S 65. 5. Nguyn Hu Tùng, Cao Th Mai Duyên, Nguyn Xuân Hiu. 2008. Nghiên c u các yu t nh h%ng n phân b nng  ca các cu t trong hn hp du fusel % trong tháp chng luyn hn hp ethanol - n c và các t p cht. T p chí Hoá hc. T!p 46 - S 5A. 6. Nguyn Hu Tùng, Phm V#n Thiêm, Cao Th Mai Duyên, Nguyn $c Kiên. 2007. B"ng c quy n sáng ch : “Quy trình thu hi cn t& hn hp cn u”. S: 6600.