CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung Trong thời kỳ Cổ đại các loại tinh dầu được chưng cất nhiều nhất. Vào thời kỳ chuyển tiếp thế kỷ (năm 1000), khi axít sulfuric và axít nitric và đặc biệt là từ khi rượu (êtanol) được khám phá thì chưng cất trở thành một phương pháp hết sức quan trọng. Thêm vào đó, trong thế kỷ 17, là việc chưng cất lấy nước ngọt từ nước biển và chưng cất nhựa đường và hắc ín để trét kín tàu.1 Hệ thống chưng cất lấy nước ngọt từ nước biển 1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước Ở nước ta, chưng cất cũng đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: chưng cất tinh dầu hồi từ quả, chưng cất ethanol, chưng cất dầu thô,. 14 do an Hình 1.2 Hệ thống chưng cất dầu thô Một số nghiên cứu tiêu biểu về tháp chưng cất trong nước: -Nằm trong nội dung nghiên cứu của công ty cp công nghệ minh đức và công ty food technology của Nga, thạc sỹ Chế tạo máy Ngô văn Dực và tiến sỹ khoa học Đặng Ngọc Đường [1] đã thiết kế và chế tạo thành công Hệ thống Tháp chưng cất rượu công suất 15 lít/h.3 Tháp chưng cất rượu công suất 15 lít/h -Với những cải tiến trong quá trình thiết kế và chế tạo như: thân tháp có cấu trúc đĩa lỗ xuyên tâm không ống chảy chuyền, hệ thống ngưng tụ hồi lưu loại trao đổi nhiệt ống chùm dạng nằm ngang, đáy tháp được cấp nhiệt bằng hơi nước bão hòa từ nồi hơi, đáy tháp có cấu trúc nồi 2 vỏ được trang bị cánh khuấy mỏ neo… So với các phiên bản được 15 do an chế tạo trong nước và một số được nhập từ nước ngoài, hệ thống Tháp chưng cất rượu này có các ưu điểm vượt trội như: +Tách triệt để các tạp chất có trong sản phẩm lên men rượu như: aldehyde, methanol, dầu fuzen, acid,.
+Có thể chưng cất các sản phẩm lên men có nồng độ cồn thấp, lượng tạp chất nhiều như các sản phẩm lên men từ hoa quả hoặc các sản phẩm lên men từ các loại phế phụ phẩm. +Có thể tiến hành cô đặc, chiết xuất dược liệu, các hợp chất thiên nhiên và hóa học khác. +Ngoài ra, với cấu trúc đĩa lỗ xuyên tâm không ống chảy chuyền này, tháp có trở lực thấp nên năng suất chưng cất lớn hơn với các hệ thống tháp chưng cất có cùng một công suất nhiệt, số đĩa, đường kính và chiều cao của tháp. +Kết quả thực nghiệm cho thấy, các sản phẩm rượu thu được sau khi qua Hệ thống Tháp chưng cất này giữ được hương vị đặc trưng.
Nhiều chỉ tiêu hóa học như: hàm lượng aldehyde, methanol, dầu fuzen,. đều ở dưới ngưỡng cho phép so với Tiêu chuẩn rượu trắng Việt Nam (TCVN 7043-2013). Đây là thành công của tác giả trong các nghiên cứu phát triển sản xuất các dòng rượu chất lượng cao từ ngũ cốc và các loại hoa quả khác. -Lắp thành công tháp chưng cất dự án lọc hóa dầu Nghi Sơn: +Công ty cổ phần Lilama 18 đã phối hợp cùng Công ty Nippon Express (NEX) tiến hành lắp đặt tháp chưng cất Propane / ropylene Splitter dự án Lọc hóa dầu Nghi Sơn.
Đây là một trong những thiết bị quan trọng của nhà máy, có vai trò tách hợp chất Propane / Prolylene +Theo Tổng công ty Lắp máy Việt Nam (Lilama), tháp có đường kính 6,3m, cao 95m và có khối lượng gần 900 tấn.4 Hệ thống lọc hóa dầu Nghi Sơn 16 do an -Thiết kế,chế tạo thành công thiết bị chưng cất nước ngọt quy mô hộ gia đình cho người dân miền biển của các sinh viên ĐH Cần Thơ.5 Hệ thống chưng cất nước ngọt quy mô hộ gia đình 1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Một số bằng sáng chế về nghiên cứu tháp chưng cất -Cột chưng cất downcomer có tường thấm chất lỏng: +Một downcomer có một bức tường thấm chất lỏng được cung cấp để sử dụng trong một khối lượng chuyển nhượng hoặc cột chưng cất. Các bức tường thấm chất lỏng tạo một con đường khác cho chất lỏng phải được loại bỏ từ downcomer để tăng khả năng xử lý chất lỏng của downcomer. Khi ướt, tường thấm chất lỏng cung cấp một hàng rào chống lại entry hơi vào downcomer qua tường.6 Cột chưng cất downcomer -Phương pháp chưng cất ethanol khan: 17 do an +Tóm tắt: Một phương pháp chưng cất được cải thiện và các thiết bị được cung cấp cho việc khôi phục ethanol khan từ quá trình lên men hoặc các nguyên liệu tổng hợp. Hệ thống bao gồm ít nhất một tháp stripper-chỉnh lưu, một tháp bị mất nước, và một đại lý đẳng phí tước tháp, tiết kiệm năng lượng đáng kể được thực hiện bằng cách điều hành tháp không bị mất nước và tốt hơn cả các đại lý đẳng phí tước tháp, ở áp suất cao hơn tháp stripper-chỉnh lưu và ngưng tụ hơi trên không từ tháp bị mất nước (hoặc khử nước và đại lý đẳng phí tước tháp) để cung cấp nhiệt cần thiết trong tháp stripper-chỉnh lưu.
Tính cấp thiết của đề tài Trước tình hình phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp nói chung cũng như ngành công nghiệp thực phẩm nói riêng.Việc sản xuất thực phẩm cho con người sử dụng không chỉ quan tâm đến yếu tố chất lượng mà còn đặc biệt chú ý đến yếu tố đáp ứng đủ và kiệp thời cho thị trường tiêu dung. Vấn đề trên giài quyết được khi và chỉ khi năng suất sàn xuất thực phẩm tăng cao. Điều này buộc chúng ta phải áp dụng công nghệ sản xuất tự động nhiều hơn vào quá trình sản xuất thực phẩm nói chung cũng như công nghệ sản xuất rượu ethanol nói riêng. Như vậy việc thiết kế ra tháp chưng cất ethanol là việc làm cấp thiết để có thể tăng cao năng suất chế biến trong ngành rượu nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường.
18 do an CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT THÁP CHƯNG CẤT 2.1 Giới thiệu chung về chưng cất [4] 2.1 Khái niệm Chưng cất là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng. Khi chưng, ta thu được nhiều sản phẩm. Thường hỗn hợp chứa bao nhiêu cấu tử thì có bấy nhiêu sản phẩm.Trường hợp có 2 cấu tử, theo sơ đồ chưng ở hình dưới ta sẽ thu được: Hình 2.1 Hệ thống chưng cất + Sản phẩm đỉnh gồm cấu tử dễ bay hơi và một phần cấu tử khó bay hơi. + Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi.2 Mục đích công nghệ và phạm vi sử dụng Trước hết quá trình chưng cất được thực hiện với mục đích thô chế, làm sạch các tạp chất thô, ví dụ: các chất keo, nhựa, bẩn… trong quá trình sản xuất rượu hoặc thô chế các nguyên liệu có tinh dầu.
Mục đích quan trọng khác là phạm trù khai thác thu nhận sản phẩm như cất cồn, cất rượu, cất các loại tinh dầu. Cuối cùng, chưng cất để nâng cao chất lượng sản phẩm, đó là quá trình tinh chế, ví dụ tinh chế cồn, tinh chế các loại tinh dầu có giá trị kinh tế cao.3 Phân loại + Phân loại theo áp suất làm việc: chân không, áp suất thường hoặc áp suất cao. + Phân loại theo số lượng cấu tử trong hỗn hợp: hệ 2 cấu tử, hệ 3 cấu tử hoặc số cấu tử ít hơn mười và hệ nhiều cấu tử (lớn hơn mười). + Phân loại theo phương thức làm việc: liên tục, gián đoạn.
+ Phân loại theo mức độ phức tạp: chưng đơn giản, chưng luyện. Ngoài ra người ta còn phân biệt các phương pháp chưng đặc biệt như: chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng trích ly, chưng đẳng phí, chưng cất thăng hoa.2 Các phương pháp chưng cất 2.1 Chưng cất đơn giản Chưng cất đơn giản dùng để chưng cất một hỗn hợp bao gồm các cấu tử dễ bay hơi có lẫn các tạp chất khó bay hơi, khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao (thô chế), tách sơ bộ hỗn hợp chứa nhiều cấu tử chính hoặc tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi. Trong công nghệ thực phẩm ta gặp trong quá trình cất tinh dầu từ các nguyên liệu chứa tinh dầu, hoặc cất cồn thủ công trong các nơi chưng đơn giản mà bộ phận ngưng tụ làm lạnh có tên là vòi voi. Ở đây nếu cất với nước ở áp suất thường thì t o = 100oC.2: Hệ thống chưng cất đơn giản Vật liệu được nạp vào nồi chưng cất.
Ở đây hỗn hợp được đun đến t o bay hơi. Bộ phận đun nóng có thể là trực tiếp bằng củi, than (nồi cất thủ công) hoặc gián tiếp trong các bộ phận truyền nhiệt. Hơi bốc hơi lên được ngưng tụ trong thiết bị làm lạnh,thường là các ống ruột gà, nước làm nguội đi bên ngoài ống ; chất lỏng (sản phẩm đỉnh) được thu vào thùng chứa, bã hoặc dung dịch khó bay hơi còn lại trong thiết bị được tháo ra ngoài.2 Chưng có hồi lưu Sản phẩm đỉnh sau khi ngưng tụ cho quay 1 phần trở về thiết bị chưng với mục đích nâng cao chất lượng và tăng hiệu suất thu hồi. 20 do an Hình 2.3 Hệ thống chưng cất hồi lưu 2.3 Chưng bằng hơi nước trực tiếp Phun hơi trực tiếp qua lớp chất lỏng hoặc vật liệu rắn, hơi nước có thể bão hòa hoặc quá nhiệt.
Trong quá trình tiếp xúc giữa hơi nước và chất lỏng, cấu tử cần chưng khuếch tán vào trong hơi. Hỗn hợp hơi nước với cầu tử bay hơi đó được ngưng tụ và tách thành sản phẩm. Phương án này có lợi đối với những chất có nhiệt độ sôi quá cao. Tuy nhiên tốt hơn ta dùng phương pháp đốt gián tiếp để đun bốc hơi hỗn hợp, lớp hơi nước trực tiếp chỉ có nhiệm vụ mang các cấu tử dễ bay hơi ra ngoài mà thôi.
Ngoài ra để chất lỏng khỏi bị phân hủy và giảm bớt lượng nhiệt chi phí người ta thường tiến hành chưng cất với hơi nước dưới áp suất chân không. Tổng lượng nhiệt chi phí cho chưng cất với hơi nước bao giờ cũng lớn hơn chưng cất đơn giản.4 Hệ thống chưng cất trực tiếp 2.4 Chưng luyện Để thu được sản phẩm tinh khiết ta tiến hành chưng nhiều lần. Chưng nhiều lần trong một nhóm thiết bị: 21 do an Hình 2.5 Hệ thống chưng luyện nhiều lần Hỗn hợp đầu A liên tục đi vào nồi chưng thứ nhất. Một phần chất lỏng bay hơi thành sản phẩm đỉnh C.
Mức chất lỏng trong nồi không đổi. Hơi C cân bằng với trạng thái lỏng B và hơi thu được ngưng tụ thành chất lỏng D đi vào nồi chưng tiếp theo. Quá trình cứ tiếp tục như vậy lặp lại 3 lần. Mỗi nồi có bộ phận đốt nóng riêng biệt.