Đặt vấn đề Ethanol được công nhận là một nguồn nguyên liệu tái tạo bền vững quan trọng cho các ngành công nghiệp hiện đại. Ví dụ, nó có thể được sử dụng để thay thế xăng cho nhiều chất cháy bên trong, và nó có thể được trộn với xăng với bất kỳ nồng độ nào. Hầu hết các động cơ ô tô hiện có có thể pha trộn tới 15% ethanol sinh học với dầu nhớt/xăng, do đó có thể làm giảm đáng kể sự phụ thuộc vào dầu thô của các nước trên thế giới. Ngoài ra, trong lĩnh vực y tế, ethanol còn được dùng để sát khuẩn tay, vết thương và dụng cụ y tế.
Hơn nữa, trong những thời điểm xảy ra dịch bệnh, việc sát khuẩn là một trong nhiều bước để giúp chúng ta phòng chống dịch bệnh lây lan. Trong đề tài này, hệ thống được thiết kế để điều khiển hệ thống chưng cất và cho ra sản phẩm với nồng độ đặt. Tổng quan về hệ thống chưng cất 1. Khái niệm về hệ thống chưng cất Chưng cất là quá trình dùng đê tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí - lỏng thành cầc câu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khí ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các câu tử khác nhau).
Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ. Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất, và cô đặc không khác gì nhau, tuy nhiên giữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi. Khi chưng cất, ta thu được nhiều sản phẩm và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Trong chương này ta chỉ xét đến trường hợp hỗn hợp gồm hai cấu tử, khi đó quá trình chưng cất sẽ cho [1]: - Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé.
[1] 1 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Nguyễn Trọng Tài – TS. Bùi Ngọc Pha - Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn. Các phương pháp chưng cất thường được sử dụng Do sự đa dạng của các chất được tìm thấy trong tự nhiên và các pha khác nhau của chúng (chủ yếu là chất lỏng và hơi), tồn tại các phương pháp chưng cất khác nhau để phân tách đa dạng hỗn hợp, đạt được chất lượng sản phẩm khác nhau.
[2] - Chưng cất chân không: Một hệ thống áp suất thấp được sử dụng để thu được nhiệt độ thấp hơn độ sôi của các chất trong hỗn hợp. Thông thường sử dụng một máy bơm chân không để tạo ra trạng thái áp suất thấp. [2] - Chưng cất phá hủy: Chất được nung ở nhiệt độ cao để phân hủy, các sản phẩm có thể được tách ra bằng cách phân đoạn, hoạt động của nó tương tự như sản phẩm được sử dụng trong gỗ và than. [2] - Chưng cất chiết xuất: Các chất tách khác nhau được thêm vào hỗn hợp azeotropic, làm thay đổi độ bay hơi tương đối của các thành phần hỗn hợp để cho phép tách chúng.
[2] - Chưng cất phân đoạn: Hỗn hợp lỏng được tách ra bằng cách đun nóng, xét ở nhiệt độ cao trao đổi và tỷ lệ mol chất lỏng và hơi. Phần chưng cất này dùng để tách hỗn hợp phức hợp/ chất có nhiệt độ sôi khác nhau nhưng gần nhau. Thường xuyên coi là một hoạt động liên tục, có dòng cấp liệu liên tục qua khay tiếp liệu. Phần phía trên khay ăn được đặt tên là phần chỉnh lưu, phía dưới khay ăn là được gọi là phần tước.
[2] - Chưng cất liên tục: Được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp khi có số lượng chất lỏng nhỏ hoặc khi yêu cầu thu được các sản phẩm khác nhau từ một tải hỗn hợp duy nhất. Hoạt động này không không có trạng thái ổn định do thành phần hỗn hợp thay đổi theo thời gian; ngoài ra, nó chỉ cho phép làm giàu hoặc chỉnh lưu sản phẩm chưng cất (nhẹ hơn). [2] Nhìn chung, các phương pháp chưng cất khác nhau đều có nguyên tắc hoạt động giống nhau, chủ yếu là do các biến vật lý tương tác trong quá trình, chẳng hạn 2 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Nguyễn Trọng Tài – TS.
Bùi Ngọc Pha như nhiệt độ, thành phần, áp suất và năng lượng đốt nóng. Một cột chưng cất điển hình được tạo thành bởi một nồi hơi, một bình ngưng và n khay. Lò hơi là phần tử cung cấp năng lượng đốt nóng cần thiết để làm bay hơi hỗn hợp trong đó. Các bình ngưng cung cấp sự làm mát cần thiết để ngưng tụ hơi, một phần của hơi này quay trở lại cột để làm giàu hỗn hợp, phần còn lại thu được dưới dạng sản phẩm chưng cất.
Phần thân cột bao gồm một bộ khay, nơi mà việc tách một phần hỗn hợp được thực hiện do sự tuần hoàn của dòng chất lỏng và dòng hơi. Quy trình công nghệ của hệ thống chưng cất rượu Hỗn hợp Ethanol – nước ở nhiệt độ khoảng 30oC tại bình chưa nguyên liệu được bơm vào nồi đun đến khi ổn định và đạt được giá trị lưu lượng và nhiệt độ được cài đặt. Sau đó, hỗn hợp được gia nhiệt bằng điện trở nhập liệu hoặc điện trở thùng chứa đến nhiệt độ sôi rồi được đưa vào tháp chưng cất thông qua ống nạp liệu đến đĩa nhập liệu. Trong tháp, hơi sau khi bốc lên sẽ gặp chất lỏng từ trên xuống (bao gồm chất lỏng từ dòng hồi lưu và dòng nhập liệu) tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha lỏng – khí với nhau.
Pha lỏng chuyển động theo ống chảy truyền đi xuống; càng xuống dưới, nồng độ các cấu tử dễ bay hơi càng giảm vì bị lôi cuốn bởi hơi bay lên từ nồi đun. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp nên khi hơi đi qua các đĩa (mâm xuyên lỗ) từ dưới lên thì cầu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hơi Ethanol với nồng độ cao. Hơi này đi qua thiết bị ngưng tụ, được ngưng tụ hoàn toàn và được chứa trong bình tách lỏng. Để tăng hiệu quả chưng cất, một phần chất lỏng đã ngưng tụ được sẽ hồi lưu về tháp ở mâm trên cùng.
Ở đáy tháp, các cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi hết, còn lại ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử có nhiệt độ sôi cao hơn (nước). Độ tinh khiết của sản phẩm chưng cất hoặc sản phẩm đáy bị ảnh hưởng bởi hai yếu tố cơ bản [1]: - Một là Feed Split: Lấy nhiều sản phẩm chưng cất hơn có xu hướng làm giảm độ tinh khiết của sản phẩm chưng cất và tăng độ tinh khiết của đáy. Bắt đáy nhiều hơn có xu hướng tăng sản phẩm chưng cất độ tinh khiết và giảm độ tinh khiết của sản phẩm đáy. [1] 3 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS.
Nguyễn Trọng Tài – TS. Bùi Ngọc Pha - Hai là Fractionation: Tăng tỷ lệ hồi lưu (hoặc tỷ lệ đun sôi) sẽ làm giảm các tạp chất trong cả sản phẩm chưng cất và sản phẩm đáy. Chọn mô hình tháp chưng cất phù hợp Trong nội dung đề tài, tháp mâm xuyên lỗ được sử dụng vì một số ưu điểm: - Hiệu suất khá cao và ổn định - Chi phí tương đối thấp và phù hợp với quy mô phòng thí nghiệm - Dễ dàng chế tạo và vệ sinh tháp - Bên cạnh đó, tháp mâm xuyên lỗ cũng tồn tại một số nhược điểm nhất định: - Yêu cầu lắp đặt khá cao về mặt cơ khí, mâm lắp đặt phải rất phẳng - Khó sử dụng cho tháp có đường kính quá lớn vì chất lỏng phân bố không đều trên bề mặt mâm Tháp mâm gồm thân tháp hình trụ thẳng đứng trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc nhau. Chất lỏng đi vào tháp ở đỉnh hoặc tại một mâm thích hợp nào đó và chảy xuống do trọng lực qua mỗi mâm bằng ống chảy chuyền.
Pha hơi hoặc khí đi từ dưới lên qua mỗi mâm bằng các khe hở trên mâm do câu tạo khác nhau của mâm tạo nên. Quá trình chung cả tháp được xem như là tiếp xúc pha nghịch dòng mặc dù trên mỗi mâm hai pha tiếp xúc giao dòng. [1] Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất mâm: Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về hiệu suất mâm, tuy nhiên, việc xác định hiệu suất vẫn còn dựa nhiều vào kinh nghiệm. Yêu cẩu quan trọng nhất để đạt được hiệu suất cao là các mâm hoạt động đúng, chủ yếu là sự tiếp xúc giữa hai pha.
Bất cứ một sự sai lầm nào trong hoạt động của tháp như tạo bọt hoặc lội cuốn chất lỏng lên mâm trên quá nhiều, sự phân bố pha hơi qua mâm kém, chảy tắt, chảy rò, đều làm giảm hiệu suất Hiệu suất mâm là hàm số theo tốc độ truyền khối giữa pha lỏng và pha hơi. [1] Hiệu suất không thay đổi nhiều theo lưu lượng hơi trong khoảng giữa điểm chảy rò và điểm ngập lụt. Tăng lưu lượng hơi sẽ tăng chiều cao lớp chất lỏng bọt, tàng diện tích bề mặt truyền khối, lượng pha lỏng cũng tăng diện tích bề mặt truyền khối. Hiệu suất sẽ giảm nhẹ khi gần đến điểm lụt do hiện tượng lôi cuốn.
[1] 4 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Nguyễn Trọng Tài – TS. Bùi Ngọc Pha 2. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2.
Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ sản phẩm chưng cất Hệ số hồi lưu Hệ số hồi lưu (R) ảnh hưởng rất lớn đến hệ thống, đặc biệt là nồng độ sản phẩm chưng cất. Hệ số này giúp cải thiện hoạt động chính của hệ thống bởi vì để có được sản phẩm đỉnh với nồng độ cao, tháp chưng cần có sự tiếp xúc giữa pha lỏng và pha hơi trên từng mâm, từ đó nồng độ các cấu tử dễ bay hơi (rượu) trong pha lỏng (từ dòng hồi lưu và dòng nhập liệu) sẽ bị lôi cuốn bởi hơi từ đáy tháp đi lên. Vì vậy, điều khiển được hệ số hồi lưu đồng nghĩa với việc điều khiển được nồng độ sản phẩm đầu ra.
