Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Tối ưu hoá hệ thống tách hỗn hợp nhiều cấu tử Etanol - nước và các tạp chất nhận được bằng phương pháp lên men

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:159

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của Luận án là nghiên cứu tối ưu hoá quá trình phân tách hệ nhiều cấu tử nhằm nâng cao hiệu quả phân tách, giảm số lượng thiết bị, lựa chọn một lộ trình tách hợp lý, giảm tiêu hao nguyên vật liệu và năng lượng là vấn đề thiết thực và cấp bách hiện nay. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Tối ưu hoá hệ thống tách hỗn hợp nhiều cấu tử Etanol - nước và các tạp chất nhận được bằng phương pháp lên men

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