Nghiên cứu khảo sát tính toán tháp chưng cất trong dây chuyền sản xuất cồn, rượu tại Phú Thọ

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu khảo sát và tính toán tháp chưng cất trong sản xuất cồn rượu tại Phú Thọ, mang lại giải pháp hiệu quả.

• Tác giả: Vũ Hải Nam
• Người hướng dẫn: TS. Võ Quang Lạp
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu Khảo Sát Tính Toán Tháp Chưng Cất Trong Sản Xuất Cồn, Rượu Tại Phú Thọ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỦA NHÀ MÁY
• 1.1. Giới thiệu về nhà máy
• 1.2. Quy trình sản xuất của nhà máy
• 1.3. Tách tạp chất/nghiền
• 1.4. Nấu nguyên liệu
• 1.5. Đường hóa dịch cháo
• 1.6. Lên men
• 1.7. Chưng cất
• 1.8. Khử nước
• 1.9. Xử lý nước thải
• 1.10. Giới thiệu về thiết bị của hệ thống chưng cất
• 1.10.1. Hệ thống chưng cất
• 2. CHƯƠNG II: KHẢO SÁT, TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CẤT CỒN
• 2.1. Xây dựng mô hình toán học
• 2.2. Tháp chưng cất
• 2.3. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình tháp chưng cất
• 2.3.1. Kiến thức cơ bản về chưng cất
• 2.3.2. Tháp chưng cất liên tục
• 2.3.3. Xây dựng mô hình toán học tháp chưng cất
• 3. CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TÁCH KÊNH ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG THÁP CHƯNG CẤT
• 3.1. Thiết kế bộ tách kênh cho tháp chưng cất có 2 đầu vào và 2 đầu ra
• 3.2. Thiết kế bộ điều khiển
• 3.2.1. Mô phỏng hệ thống khi chưa có khối tách kênh
• 3.2.2. Sơ đồ điều khiển tháp chưng cất
• 3.2.3. Tính toán thông số
• 3.2.4. Thông số của đối tượng điều khiển
• 3.2.5. Tính toán khối tách kênh
• 3.2.6. Khối điều khiển
• 3.2.7. Mô phỏng hệ thống
• 3.2.8. So sánh và đánh giá hệ thống điều khiển tháp chưng cất
• 4. CHƯƠNG IV: THỰC NGHIỆM
• 4.1. Giới thiệu tổng quan về các hệ điều khiển trong mô hình
• 4.2. Hệ thống điều khiển bao hơi
• 4.3. Đối tượng điều khiển trong mô hình: Điều khiển áp suất
• 4.4. Tìm hiểu hệ thống điều khiển lưu lượng
• 4.5. Tiến hành thí nghiệm
• 4.5.1. Trình tự tiến hành thí nghiệm khi xét sự ảnh hưởng của bộ tham số K P, K I, K D
• 4.5.2. Kết quả thực hiện mô phỏng
• 4.5.3. Nhận xét đánh giá
• KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về tháp chưng cất trong sản xuất cồn tại Phú Thọ

Tháp chưng cất là thiết bị quan trọng trong quy trình sản xuất cồn và rượu. Tại Phú Thọ, tháp chưng cất được sử dụng để tách ethanol từ nguyên liệu sắn. Quy trình này không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất sản xuất mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm. Việc nghiên cứu và tính toán tháp chưng cất là cần thiết để nâng cao hiệu quả sản xuất cồn.

1.1. Nguyên lý hoạt động của tháp chưng cất

Tháp chưng cất hoạt động dựa trên nguyên lý tách biệt các thành phần trong hỗn hợp lỏng. Hơi ethanol được tách ra và ngưng tụ, trong khi các tạp chất còn lại được giữ lại. Điều này giúp thu hồi ethanol với nồng độ cao, đạt tiêu chuẩn chất lượng.

1.2. Vai trò của tháp chưng cất trong sản xuất cồn

Tháp chưng cất đóng vai trò quyết định trong việc sản xuất cồn. Nó không chỉ giúp tách ethanol mà còn tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu lãng phí nguyên liệu và tăng cường hiệu suất.

II. Thách thức trong tính toán tháp chưng cất tại Phú Thọ

Việc tính toán tháp chưng cất gặp nhiều thách thức do sự phức tạp của quy trình và tính chất của nguyên liệu. Các yếu tố như nhiệt độ, áp suất và thành phần hóa học của nguyên liệu ảnh hưởng lớn đến hiệu suất chưng cất. Do đó, cần có các phương pháp tính toán chính xác để đảm bảo hiệu quả.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chưng cất

Nhiệt độ và áp suất là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất chưng cất. Việc điều chỉnh các thông số này cần phải được thực hiện một cách chính xác để đạt được kết quả tối ưu.

2.2. Khó khăn trong việc kiểm soát quy trình

Kiểm soát quy trình chưng cất là một thách thức lớn. Các biến động trong nguyên liệu và điều kiện vận hành có thể dẫn đến sự thay đổi trong chất lượng sản phẩm, đòi hỏi hệ thống điều khiển phải linh hoạt và chính xác.

III. Phương pháp tính toán tháp chưng cất hiệu quả

Để tối ưu hóa quy trình chưng cất, cần áp dụng các phương pháp tính toán hiện đại. Sử dụng mô hình toán học và phần mềm mô phỏng giúp dự đoán hiệu suất và điều chỉnh các thông số vận hành một cách hiệu quả.

3.1. Mô hình toán học trong tính toán tháp chưng cất

Mô hình toán học giúp mô phỏng quá trình chưng cất, từ đó dự đoán hiệu suất và tối ưu hóa các thông số. Việc áp dụng mô hình này giúp giảm thiểu rủi ro trong sản xuất.

3.2. Sử dụng phần mềm mô phỏng để tối ưu hóa quy trình

Phần mềm mô phỏng cho phép kiểm tra các kịch bản khác nhau trong quy trình chưng cất. Điều này giúp tìm ra giải pháp tối ưu nhất cho việc sản xuất cồn tại Phú Thọ.

IV. Ứng dụng thực tiễn của tháp chưng cất trong sản xuất cồn

Tháp chưng cất không chỉ là thiết bị quan trọng mà còn là công nghệ tiên tiến trong sản xuất cồn tại Phú Thọ. Việc áp dụng công nghệ hiện đại giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.

4.1. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu cho thấy việc tối ưu hóa tháp chưng cất đã giúp tăng hiệu suất sản xuất cồn lên đáng kể. Các sản phẩm thu được đạt tiêu chuẩn chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu thị trường.

4.2. Tác động đến kinh tế địa phương

Sự phát triển của công nghệ chưng cất đã tạo ra nhiều cơ hội việc làm cho người dân địa phương. Điều này không chỉ giúp nâng cao thu nhập mà còn thúc đẩy sự phát triển kinh tế tại Phú Thọ.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của tháp chưng cất

Tháp chưng cất là một phần không thể thiếu trong quy trình sản xuất cồn tại Phú Thọ. Với sự phát triển của công nghệ, triển vọng tương lai cho tháp chưng cất là rất sáng sủa. Cần tiếp tục nghiên cứu và cải tiến để nâng cao hiệu quả sản xuất.

5.1. Tương lai của công nghệ chưng cất

Công nghệ chưng cất sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của các công nghệ mới. Điều này sẽ giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu tác động đến môi trường.

5.2. Định hướng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu cần tập trung vào việc phát triển các phương pháp mới trong tính toán và điều khiển tháp chưng cất. Điều này sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất cồn và nâng cao chất lượng sản phẩm.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhà máy sản xuất cồn, rượu từ sắn tại Phú Thọ là một trong những cơ sở công nghiệp quan trọng trong lĩnh vực sản xuất nhiên liệu sinh học và thực phẩm tại miền Bắc Việt Nam. Với công suất thiết kế khoảng 100 nghìn m³ ethanol/năm, nhà máy sử dụng nguyên liệu chính là sắn khô và mía, góp phần giải quyết việc làm cho khoảng 23.000 lao động nông nghiệp địa phương. Quá trình sản xuất cồn, rượu trải qua các bước chính như tách tạp chất, nghiền, nấu nguyên liệu, đường hóa, lên men, chưng cất và khử nước, trong đó tháp chưng cất đóng vai trò trung tâm trong việc tách ethanol ra khỏi hỗn hợp lên men.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung khảo sát, tính toán và xây dựng mô hình điều khiển tháp chưng cất trong dây chuyền sản xuất cồn, rượu nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm. Nghiên cứu cũng ứng dụng lý thuyết điều khiển tách kênh để thiết kế hệ thống điều khiển đa biến cho tháp chưng cất, giúp giảm thiểu sự tương tác giữa các biến điều khiển, từ đó cải thiện độ ổn định và chất lượng sản phẩm đầu ra. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào nhà máy tại xã Cổ Triết, huyện Tam Nông, tỉnh Phú Thọ, với dữ liệu thu thập và mô phỏng trong giai đoạn 2013-2014.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp điều khiển tiên tiến cho tháp chưng cất, góp phần nâng cao hiệu suất sản xuất ethanol đạt độ tinh khiết ≥ 99,7%, đồng thời giảm thiểu tổn thất nguyên liệu và năng lượng. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng rộng rãi cho các nhà máy sản xuất cồn, rượu sử dụng nguyên liệu tinh bột tại Việt Nam, hỗ trợ phát triển bền vững ngành công nghiệp nhiên liệu sinh học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết chưng cất và cân bằng pha hơi-lỏng (VLE): Mô hình hóa quá trình trao đổi chất giữa pha hơi và pha lỏng trên các đĩa lý thuyết trong tháp chưng cất, sử dụng định luật Raoult và hệ số bay hơi tương đối để mô tả sự phân tách các thành phần trong hỗn hợp ethanol-nước.

• Mô hình toán học tháp chưng cất liên tục: Xây dựng hệ phương trình cân bằng vật chất và cân bằng thành phần trên từng đĩa, mô tả dòng vật chất và thành phần mol của các pha trong tháp. Mô hình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc để phục vụ cho việc thiết kế bộ điều khiển.

• Lý thuyết điều khiển tách kênh (Decoupling Control): Áp dụng nguyên lý điều khiển đa biến để thiết kế bộ điều khiển tách kênh cho hệ thống có hai biến đầu vào và hai biến đầu ra, nhằm giảm thiểu sự tương tác giữa các kênh điều khiển, nâng cao chất lượng điều khiển tháp chưng cất.

• Phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PI: Sử dụng phương pháp xấp xỉ Ziegler-Nichols dựa trên mô hình xấp xỉ quán tính bậc nhất có trễ để xác định tham số bộ điều khiển PI phù hợp với đặc tính động học của tháp chưng cất.

Các khái niệm chính bao gồm: đĩa lý thuyết, hệ số bay hơi tương đối, cân bằng pha hơi-lỏng, mô hình trạng thái tuyến tính, bộ điều khiển PI, và bộ tách kênh.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ nhà máy sản xuất cồn rượu tại Phú Thọ, bao gồm thông số kỹ thuật thiết bị, dữ liệu vận hành thực tế và kết quả thí nghiệm mô hình điều khiển tại phòng thí nghiệm Điện – Điện tử của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Xây dựng mô hình toán học chi tiết của tháp chưng cất dựa trên cân bằng vật chất và cân bằng pha, tuyến tính hóa mô hình để phục vụ thiết kế điều khiển.

• Thiết kế bộ điều khiển PI cho từng kênh dựa trên phương pháp xấp xỉ Ziegler-Nichols, xác định tham số từ đặc tính đáp ứng đầu ra dạng chữ S.

• Thiết kế bộ tách kênh nhằm tách biệt ảnh hưởng giữa các biến đầu vào và đầu ra, giảm thiểu tương tác giữa các kênh điều khiển.

• Mô phỏng hệ thống điều khiển tháp chưng cất trên phần mềm Matlab Simulink để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển tách kênh so với bộ điều khiển truyền thống.

• Thực nghiệm mô hình điều khiển lưu lượng tại phòng thí nghiệm để minh họa nguyên lý điều khiển tách kênh và đánh giá hiệu quả điều khiển.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, từ thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, thiết kế điều khiển, mô phỏng đến thực nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mô hình toán học tháp chưng cất:
   Mô hình tuyến tính hóa tháp chưng cất với hai biến đầu vào (lưu lượng hồi lưu L và lưu lượng gia nhiệt V) và hai biến đầu ra (nồng độ sản phẩm đỉnh x_D và đáy x_B) được xây dựng thành công. Hệ số truyền đạt tại trạng thái ổn định G(0) được xác định với các phần tử G11, G12, G21, G22, phản ánh sự tương tác giữa các biến điều khiển. Ví dụ, G11 = 88.2 cho thấy độ nhạy cao của nồng độ đỉnh với lưu lượng hồi lưu.

2. Thiết kế bộ điều khiển PI:
   Tham số bộ điều khiển PI được xác định bằng phương pháp Ziegler-Nichols dựa trên đặc tính đáp ứng đầu ra dạng chữ S. Với kênh điều khiển sản phẩm đỉnh, tham số trễ L1 = 1.3147, hệ số khuếch đại kp1 = 0.76; với kênh sản phẩm đáy, L2 = 0.3585, kp2 = 0.1. Các tham số này giúp bộ điều khiển PI hoạt động ổn định và đáp ứng nhanh.

3. Ứng dụng bộ tách kênh:
   Thiết kế bộ tách kênh K12 và K21 dựa trên điều kiện bất biến của tín hiệu đầu ra đối với biến đầu vào không mong muốn, giúp giảm thiểu tương tác giữa hai kênh điều khiển. Mô phỏng cho thấy khi sử dụng bộ tách kênh, sai lệch nồng độ sản phẩm đỉnh và đáy giảm đáng kể so với điều khiển đa biến truyền thống, cải thiện độ ổn định và chất lượng sản phẩm.

4. Thí nghiệm mô hình điều khiển lưu lượng:
   Thí nghiệm tại phòng thí nghiệm cho thấy bộ điều khiển PI với tham số đã xác định hoạt động hiệu quả trong việc điều chỉnh lưu lượng, minh họa nguyên lý điều khiển tách kênh. Kết quả thực nghiệm phù hợp với mô phỏng, xác nhận tính khả thi của phương pháp điều khiển đề xuất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện chất lượng điều khiển là do việc áp dụng lý thuyết điều khiển tách kênh giúp loại bỏ ảnh hưởng chéo giữa các biến điều khiển, từ đó mỗi kênh điều khiển hoạt động gần như độc lập. So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng bộ điều khiển PI đơn biến, phương pháp này nâng cao độ chính xác và ổn định của hệ thống.

Dữ liệu mô phỏng và thực nghiệm có thể được trình bày qua biểu đồ đáp ứng đầu ra của nồng độ sản phẩm đỉnh và đáy theo thời gian, so sánh giữa điều khiển đa biến truyền thống và điều khiển tách kênh. Bảng tổng hợp tham số bộ điều khiển và sai số điều khiển cũng minh họa rõ ràng hiệu quả của giải pháp.

Ý nghĩa của kết quả không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất tại nhà máy Phú Thọ mà còn có thể áp dụng cho các nhà máy sản xuất cồn, rượu khác sử dụng nguyên liệu tinh bột, góp phần phát triển ngành công nghiệp nhiên liệu sinh học bền vững tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống điều khiển tách kênh cho tháp chưng cất:
   Áp dụng bộ điều khiển tách kênh PI đã thiết kế vào hệ thống điều khiển thực tế tại nhà máy để nâng cao chất lượng sản phẩm và ổn định quá trình chưng cất. Thời gian thực hiện dự kiến trong 6 tháng, do phòng kỹ thuật nhà máy phối hợp với nhóm nghiên cứu thực hiện.

2. Đào tạo nhân viên vận hành và bảo trì:
   Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về nguyên lý điều khiển tách kênh và vận hành hệ thống điều khiển mới cho đội ngũ kỹ thuật viên và công nhân vận hành. Mục tiêu nâng cao năng lực vận hành, giảm thiểu sự cố và tăng hiệu quả sản xuất.

3. Mở rộng nghiên cứu và ứng dụng:
   Nghiên cứu mở rộng mô hình điều khiển cho các thiết bị khác trong dây chuyền sản xuất cồn, rượu như hệ thống lên men và nấu nguyên liệu, nhằm tối ưu hóa toàn bộ quy trình sản xuất. Thời gian nghiên cứu tiếp theo khoảng 12 tháng.

4. Cập nhật và nâng cấp hệ thống DCS:
   Đề xuất nâng cấp hệ thống điều khiển phân tán CENTUM CS3000 với các module hỗ trợ giao tiếp Foundation Fieldbus để tích hợp các thiết bị điều khiển mới, tăng tính linh hoạt và khả năng mở rộng của hệ thống. Chủ thể thực hiện là ban quản lý nhà máy phối hợp với nhà cung cấp thiết bị.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và chuyên gia tự động hóa trong ngành công nghiệp chế biến cồn, rượu:
   Giúp hiểu rõ nguyên lý vận hành và thiết kế hệ thống điều khiển tháp chưng cất, từ đó áp dụng các giải pháp điều khiển tiên tiến để nâng cao hiệu quả sản xuất.

2. Nhà quản lý và kỹ thuật viên vận hành nhà máy sản xuất ethanol:
   Cung cấp kiến thức về mô hình hóa và điều khiển quá trình, hỗ trợ trong việc giám sát và tối ưu hóa hoạt động của dây chuyền sản xuất.

3. Giảng viên và sinh viên ngành tự động hóa, kỹ thuật hóa học:
   Là tài liệu tham khảo quý giá cho việc nghiên cứu, giảng dạy về mô hình hóa quá trình và thiết kế hệ thống điều khiển đa biến trong công nghiệp.

4. Các nhà nghiên cứu phát triển công nghệ nhiên liệu sinh học:
   Tham khảo phương pháp điều khiển và mô hình hóa tháp chưng cất để phát triển các công nghệ mới, nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm nhiên liệu sinh học.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tháp chưng cất lại quan trọng trong sản xuất cồn, rượu?
   Tháp chưng cất là thiết bị chính để tách ethanol ra khỏi hỗn hợp lên men, đảm bảo sản phẩm đạt độ tinh khiết cao (≥ 99,7%). Quá trình này quyết định chất lượng và hiệu suất sản xuất.

2. Lý thuyết điều khiển tách kênh có ưu điểm gì so với điều khiển truyền thống?
   Điều khiển tách kênh giúp giảm thiểu sự tương tác giữa các biến điều khiển, làm cho mỗi kênh hoạt động độc lập, từ đó nâng cao độ ổn định và chính xác của hệ thống.

3. Phương pháp Ziegler-Nichols được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
   Phương pháp này dùng để xác định tham số bộ điều khiển PI dựa trên đặc tính đáp ứng đầu ra dạng chữ S của hệ thống, giúp thiết kế bộ điều khiển phù hợp với đặc tính động học thực tế.

4. Mô hình toán học tháp chưng cất có những giả thiết nào?
   Giả thiết chính bao gồm: lượng hơi dư trên đĩa bỏ qua, nhiệt hóa hơi của các thành phần gần như bằng nhau, hiệu suất đĩa 100%, bỏ qua tổn thất nhiệt và động lực học ngưng tụ, gia nhiệt.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế nhà máy?
   Cần triển khai hệ thống điều khiển tách kênh PI đã thiết kế, đào tạo nhân viên vận hành, nâng cấp hệ thống DCS và thực hiện giám sát, đánh giá hiệu quả trong quá trình vận hành thực tế.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công mô hình toán học tuyến tính hóa tháp chưng cất ethanol với hai biến đầu vào và hai biến đầu ra, phản ánh chính xác đặc tính vận hành của tháp.
• Thiết kế bộ điều khiển PI dựa trên phương pháp Ziegler-Nichols phù hợp với đặc tính động học của tháp, đảm bảo đáp ứng nhanh và ổn định.
• Ứng dụng lý thuyết điều khiển tách kênh giúp giảm thiểu tương tác giữa các kênh điều khiển, nâng cao chất lượng sản phẩm và độ ổn định hệ thống.
• Mô phỏng và thực nghiệm tại phòng thí nghiệm xác nhận hiệu quả của giải pháp điều khiển đề xuất.
• Đề xuất triển khai hệ thống điều khiển tách kênh tại nhà máy, đồng thời mở rộng nghiên cứu và nâng cấp hệ thống điều khiển để tối ưu hóa toàn bộ dây chuyền sản xuất ethanol.

Next steps: Triển khai thực tế hệ thống điều khiển tách kênh, đào tạo nhân viên, và mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho các thiết bị khác trong dây chuyền sản xuất.

Các nhà quản lý và kỹ sư trong ngành công nghiệp cồn, rượu nên áp dụng giải pháp điều khiển tách kênh để nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm, đồng thời tiếp tục nghiên cứu phát triển công nghệ điều khiển tiên tiến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan công nghệ sản xuất của nhà máy. - Chương 2: Khảo sát, tính toán tháp chưng cất cồn. - Chương 3: Ứng dụng lý thuyết điều khiển tách kênh để nâng cao chất lượng của tháp chưng cất. - Chương 4: Thực nghiệm - Kết luận và kiến nghị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 2 CHƢƠNG I TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỦA NHÀ MÁY 1.

Giới thiệu về nhà máy: - cồn đ. - , Tây ban nha, Italia.cồn Whisky, Napoleon… - 3 15% V. - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 3 và cồn ( Ethanol) Điển hình là nhà máy sản xuất Ethanol khu vực phía bắc do Tập đoàn dầu khí Quốc gia làm chủ đầu tư xây dựng * Nhà máy tọa lạc ở: Xã Cổ Triết huyện Tam Nông tỉnh Phú Thọ. * Dự án xây dựng Nhà máy sản xuất Bio-ethanol khu vực phía Bắc do PVB làm chủ đầu tư năm trong đề án phát triển nhiên liệu sinh học của Việt Nam đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 được Thủ tướng Chính Phủ phê duyệt tại Quyết định số 177/2007/QĐ - Ttg ngày 20/11/2007.

* Đây là nhà máy sản xuất nhiên liệu sinh học đầu tiên được xây dựng ở miền Bắc Việt Nam có quy mô đầu tư lớn, công nghệ tiên tiến, thiết bị hiện đại. Nhà máy có tổng vốn đầu tư 80 triệu USD, được xây dựng tại huyện Tam Nông tỉnh Phú Thọ trên diện tích 50ha, với công suất thiết kế 100 nghìn m3/ năm. Nhà máy sẽ sản xuất cồn ethanol (C2H5OH) tuyết đối (nồng độ ≥99,7%) Nguyên liệu chính cung cấp cho nhà máy là sắn khô và mía, được canh tác trên diện tích là 35.000ha và sẽ giải quyết được công ăn việc làm cho khoảng 23.000 lao động nông nghiệp địa phương. * Ethanol là nhiên liệu dạng cồn, được sản xuất bằng phương pháp lên men và chưng cất nguyên liệu từ nước mía, mật hoặc rỉ đường các loại ngũ cốc chứa tinh bột như sắn….

ethanol phải được làm khan để đạt độ cồn trên 99,7%. * Sự ra đời Nhà máy sản xuất Bio-ethanol khu vực phía Bắc sẽ góp phần tăng thu nhập cho người nông dân, thúc đẩy tăng trưởng kinh tế địa phương, chuyển hướng tích cực từ các cây trồng khác sang cây nguyên liệu, tạo ra nhiều công ăn việc làm cho người lao động công nghiệp cũng như nông nghiệp, tạo hiệu ứng dây truyền phát triển kinh tế, góp phần xây dựng xóa đói giảm nghèo, công nghiệp hóa, hiện đại hóa nông nghiệp nông thôn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www. Quy trình sản xuất của nhà máy: Sắn Tách tạp chất/ Nghiền Nấu nguyên liệu Đường hóa dịch cháo Lên men Chưng cất Khử nuớc Ethanol ( cồn) Xử lý nuớc thải Hình 1.1: Sơ đồ công nghệ của nhà máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.

Sắn: - Được cung cấp bởi chủ đầu tư (Petro Việt Nam) - Về cơ bản củ sắn có 3 thành phần chính: Vỏ, thịt củ và lõi, ngoài ra còn có cuống và rễ củ * Vỏ sắn gồm có 2 phần là vỏ gỗ và vỏ cùi. Vỏ gỗ có tác dụng bảo vệ củ và chống mất nước của củ, tuy nhiên vỏ gỗ dễ bị mất khi thu hoạch và vận chuyển. Ty lệ vỏ củ phụ thuộc vào giống sắn, độ già và khối lượng củ thường chiếm 1,5% đến 2%. vỏ cùi là một lớp tế bào cứng phủ bên ngoài, thành phần chủ yếu là xelluloza ngoài ra còn có chứa polyphenol, enzim, và linamarin.

* Phần củ thịt chứa nhiều tinh bột, protein và các chất dầu, một ít polyphenol, độc tố và enzim. * Lõi sắn nằm ở tâm củ dọc suốt chiều dài, thành phần chủ yếu là xelluloza. Lõi có chức năng dẫn nước và các chất dinh dưỡng giữa cây và củ đồng thời giúp thoát nước khi phơi hoặc sấy. - Thành phần củ sắn tươi dao động trong giới hạn khá lớn: tinh bột 20 đến 34%, protein 0,85 đến 1,2%, chất béo 0,3 đến 0,4%, xelluloza 1 đến 3,1%, chất tro 0,54%, polyphenol 0,1 đến 0,3% và nước 60 đến 74,2%.

Ngoài ra trong sắn còn chứa một lượng Vitamin và độc tố. vitamin trong sắn thuộc nhóm B. Các Vitamin này sẽ bị mất một phần khi chế biến và nhất là khi nấu trong sản xuất cồn. - Độc tố trong sắn có tên chung là phazéolunatin gồm 2 glucozit Linamarin và Lotaustralin.

Các độc tố này thường tập trung ở vỏ cùi. bình thường phazéolunatin không độc nhưng khi bị thủy phân thì các glucozit này sẽ giải phóng axit HCN. - Sắt tươi đã thái lát phơi khô sẽ giảm đáng kể hàm lượng glucozit gây độc kể trên. Đặc biệt trong sản xuất cồn, khi nấu ở nhiệt độ cao đã pha loãng nước nên với hàm lượng ít chưa ảnh hưởng đến nấm men.

hơn nữa các muối xyanat khi chưng cất không bay hơi nên bị loại điều này là rất có lợi trong sản xuất. Do đó trong sản xuất còn nguyên liệu tinh bột sắn dùng chủ yếu là sắn lát khô hoặc là sắn dui. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www. Tách tạp chất/nghiền: - Sắn được làm sạch và tách những tạp chất sau đó được đưa vào nhà máy sau đó nghiền.

Ở đấy sắn được nghiền ra thành dạng mịn gọi là bột sắn. - Nghiền nguyên liệu nhằm mục đích phá vỡ cấu trúc màng tế bào thực vật để giải phóng các hạt tinh bột khỏi các mô. Hiện nay ở nước ta thường dùng các loại máy nghiền búa. với sắn khô khi nấu ở áp suất thường thì nghiền càng mịn càng tốt.

- Đặc điểm kỹ thuật của bột sắn Đặc điểm kỹ thuật của bột sắn Lên men tinh bột 23% Không lên men rắn 6,02% (vật chất hữu trong sắn) Vật liệu ngoài 0,01% (cát, đá,….v v) Nhiệt độ (max) 51,10C Bảng 1 Đặc điểm kỹ thuật của bột sắn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www. Nấu nguyên liệu - Mục đích chủ yếu của quá trình này là: Phá vỡ màng tế bào của tinh bột để biến chúng thành dạng hòa tan trong dung dịch bằng cách nấu nguyên liệu. Quá trình nấu rất quan trọng trong sản xuất cồn, các quy trình kỹ thuật tiếp theo tốt hay xấu phụ thuộc rất nhiều vào kết quả nấu nguyên liệu. - Bột sắn được trộn lẫn và kết hợp với quá trình nóng ngưng tụ trong bể trộn hỗn hợp.

Bể trộn này được duy trì ở nhiệt độ 800C (1800F) các alpha- amylase enzyme được thêm vào để hỗ trợ trong việc phá vỡ tinh bột thành đường lên men. Amoniac được thêm vào để kiểm tra độ pH và được cung cấp một nguồn nitơ cho nấm men dinh dưỡng. Dịch cháo nghiền sau đó được bơm vào bể hóa lỏng, tinh bột được thủy phân thành dextrin bởi hoạt động của enzymealpha amylase. Đƣờng hóa: - Tinh bột hòa tan trong dịch cháo sau khi nấu chưa xong chưa thể lên men trực tiếp để thành rượu được.

Để lên men được phải trải qua quá trình thủy phân do tác dụng của xúc tác amylaza để thành đường. Quá trình này được gọi là đường hóa nó đóng vai trò quan trọng trong công nghệ sản xuất cồn, nó quyết định phần lớn hiệu suất thu hồi cồn do giảm bớt hoặc gia tăng đường và tinh bột còn sót sau khi lên men. Trong quá trình đường hóa thì tác nhân đường hóa đóng một vai trò quan trọng. Ở nước ta thường dùng amylaza thu được từ nuôi cấy nấm mốc hoặc các chế phẩm amylaza nhập về.

Hiện nay chế phẩm nhập ngoại là chính do chất lượng tốt mà chi phí lại không đắt hơn so với chi phí để tự nuôi cấy. Và chủ yếu nhập về từ Đan Mạch. - Quá trình đường hóa dịch cháo nấu gồm các công đoạn sau: * Làm cho dịch cháo tới nhiệt độ đường hóa. * Cho chế phẩm amylaza vào dịch cháo giữ ở nhiệt độ trên trong thời gian xác định để amylaza chuyển hóa thành tinh bột đường.

* Làm lạnh dịch đường hóa tới nhiệt độ lên men. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 8 * Sau khi đường hóa nhiệt độ dung dịch đường là 300C làm lượng đường đạt 80 đến 100g/l. - Dịch cháo nghiền sau đó đun nóng bằng hơi nước trong trao đổi nhiệt để hoàn thành việc chuyển đổi tinh bột và khử trùng các dịch nghiền. Sau khi nấu, dịch cháo nghiền được làm lạnh trong một loạt các bộ trao đổi nhiệt và làm nguyên liệu (thức ăn) cho bể lên men.

Lên men: - Mục đích của quá trình lên men: Đường hóa xong dịch đường được làm lạnh đến 28 - 320C và được đưa vào thùng lên men (hay còn gọi là thùng ủ) cùng với 10% men giống, ở đây nấm men sẽ phát triển và dưới tác dụng của nấm men, đường sẽ biến thành rượu và khí cacbonic cùng nhiều sản phẩm trung gian khác. Đồng thời dưới tác dụng của amylaza, dextrin tiếp tục biến thành đường và lên men được glucoza và maltoza. Sau khi lên men xong ta thu được hỗn hợp gồm rượu - nước - bã hay còn gọi Beer well. - Quá trình lên men sử dụng 6 bể chứa để cho phép quá trình hoạt động liên tục.

* Bể chứa đầu tiên được sử dụng để nhân giống nấm men (sản xuất) nấm men được phát triển nhanh chóng với việc bổ xung một lượng không nhỏ khí. Bể chứa này được trang bị một máy bơm tuần hoàn làm mát và máy trộn gắn ở phía trên. * Lên men được thực hiện trong bồn bể chứa, tất cả kích thước bằng nhau. Quá trình lên men tạo ra nhiệt, để loại bỏ thông qua bộ trao đổi nhiệt bên ngoài.

Chất lên men dẫn vào ống và làm lạnh để làm mát và chuyển thành bia. Những thay đổi này là plate-and-frame, được thiết kế khép kín. CO2 là sản phẩm của quá trình lên men và chuyển tới máy lọc hơi đốt. trong số khoảng 70 - 80% sẽ thu được trong một hệ thống kín.

Sau khi lọc để loại bỏ aldehydes và ethanol, khí ga có thể được trữ lại trong bể chứa hoặc nén lại thành những sản phẩm bán ra thị trường. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 9 * Sau khi lên men sản phẩm cuối cùng được đưa vào bể thứ 6. Kết quả ta thu được hỗn hợp ethanol - nước - bã hay còn gọi là Beer well 9038 A 9037 C 3030 PROCESS 3037 CARBON WATER MAKEUP VENT GAS SCRUBBER SCRUBBER C-3202 C-3202 ALL VENT EMISSIONS TO VENT GAS SCRUBBER ALL VENT EMISSIONS TO CO2 SCRUBBER E-3202 3036 PC-3202A/B 6117 6118 3034 3044 3038 TO SCRUBBER BOTTOMS PREHEATER#1 E-4305 Cooling Water Cooling supply Water Return Hình 1. Chƣng cất - Chưng cất là quá trình tách các ethanol và các tạp chất dễ bay hơi khỏi beer well.

Kết quả ta nhận được rượu thô hay cồn thô. - Cồn ở trong bia được tách ra từ stillage sử dụng hệ thống 3 cột chưng cất. Ba cột bia là 1, cột bia 2 và cột tinh chất.