Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Nguồn năng lượng toàn cầu hiện nay phụ thuộc chủ yếu vào nhiên liệu hóa thạch, trong đó dầu mỏ và khí đốt chiếm từ 60% đến 80% tổng nguồn cung. Với tốc độ tiêu thụ hiện tại, trữ lượng dầu mỏ thế giới được dự báo chỉ còn đủ khai thác trong vòng 30–40 năm tới. Đồng thời, việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch thải ra môi trường lượng lớn các khí gây hiệu ứng nhà kính và ô nhiễm không khí như $\text{CO}$, $\text{CO}_2$, $\text{SO}_2$ cùng bụi mịn. Tại Việt Nam, sau giai đoạn hồi phục kinh tế hậu dịch bệnh, nhu cầu năng lượng gia tăng mạnh mẽ, trong khi giá xăng dầu biến động khó lường, đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo thay thế.
Việt Nam là quốc gia sản xuất lúa gạo hàng đầu, với diện tích trồng lúa chiếm khoảng 82% tổng diện tích đất canh tác theo số liệu của Viện Nghiên cứu Lúa Quốc tế (IRRI). Trung bình một tấn thóc sau thu hoạch thải ra khoảng 1,2 tấn rơm rạ, tương đương lượng phế phẩm phát sinh hàng năm ước tính 57 triệu tấn.
| Năm |
Sản lượng lúa cả nước (triệu tấn) |
| 2010 |
40,00 |
| 2011 |
42,30 |
| 2012 |
43,70 |
| 2013 |
44,10 |
| 2014 |
45,00 |
| 2015 |
45,10 |
| 2016 |
43,60 |
| 2017 |
42,84 |
| 2018 |
43,98 |
| 2019 |
43,45 |
| 2020 |
42,69 |
Tập quán xử lý rơm rạ chủ yếu hiện nay là đốt trực tiếp trên đồng ruộng, gây khói bụi và phát thải độc hại. Việc tận dụng nguồn sinh khối lignocellulose dồi dào từ rơm rạ để sản xuất bioethanol không cạnh tranh với an ninh lương thực, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và tăng tính tự chủ năng lượng quốc gia.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định gồm 4 nội dung:
- Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng cho hệ thống chưng cất hỗn hợp hai cấu tử Ethanol – Nước với năng suất nhập liệu $10.000\text{ kg/h}$.
- Thiết kế và tính toán kích thước công nghệ, kết cấu cơ khí của thiết bị chính (tháp mâm xuyên lỗ) và các thiết bị phụ trợ (thiết bị ngưng tụ, thiết bị làm nguội, thiết bị gia nhiệt, thiết bị đun sôi đáy, bồn cao vị, hệ thống đường ống và bích ghép).
- Thiết lập quy trình công nghệ chế tạo, lắp ráp, quy trình vận hành và biện pháp xử lý sự cố kỹ thuật cho hệ thống tháp.
- Ước tính chi phí vật tư thiết bị, chi phí năng lượng điện, nguyên liệu đầu vào và phân tích sơ bộ bài toán kinh tế cho nhà máy.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phân tách hỗn hợp hai cấu tử Ethanol – Nước bằng phương pháp chưng cất liên tục trong tháp mâm xuyên lỗ.
- Phạm vi nghiên cứu: Tính toán công nghệ và thiết kế cơ khí cho phân xưởng chưng cất với năng suất nhập liệu $10.000\text{ kg/h}$, nồng độ nhập liệu 29% khối lượng, sản phẩm đỉnh đạt 80% khối lượng và sản phẩm đáy đạt 0,00357% khối lượng; dữ liệu khảo sát sinh khối dựa trên số liệu sản xuất lúa gạo tại Việt Nam giai đoạn 2010–2020.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế
Đồ án dựa trên các cơ sở lý thuyết chuyển hóa sinh khối lignocellulose và kỹ thuật truyền khối phân tách hỗn hợp lỏng:
- Khung lý thuyết hóa sinh và công nghệ: Quá trình thủy phân cellulose thành glucose và lên men yếm khí nhờ nấm men Saccharomyces cerevisiae theo phản ứng tổng quát $(\text{C}6\text{H}{10}\text{O}_5)_n + n\text{H}_2\text{O} \rightarrow n\text{C}6\text{H}{12}\text{O}_6 \rightarrow 2n\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2n\text{CO}_2 + Q$. Dịch lên men thu được có hàm lượng cồn dưới 20%, đòi hỏi quá trình chưng cất để nâng cao nồng độ. Tiêu chuẩn chất lượng xăng sinh học pha chế cồn được tham chiếu theo TCCS 06:2015/PLX.
- Cân bằng pha lỏng – hơi: Áp dụng định luật Raoult và định luật Dalton cho hệ dung dịch hai cấu tử. Độ bay hơi tương đối $\alpha = \frac{p_A^{bh}}{p_B^{bh}}$ và phương trình đường cân bằng lý tưởng $y_{cb} = \frac{\alpha \cdot x}{1 + x(\alpha - 1)}$, kết hợp số liệu thực nghiệm hệ Ethanol – Nước ở áp suất khí quyển $760\text{ mmHg}$ ($101.325\text{ N/m}^2$).
- Phương pháp nghiên cứu và tính toán kỹ thuật:
- Phương pháp cân bằng vật chất và năng lượng: Thiết lập hệ phương trình bảo toàn khối lượng toàn phần và cấu tử phân bố cho toàn tháp, đoạn cất và đoạn chưng.
- Phương pháp đồ thị: Xác định tỷ số hoàn lưu làm việc $R = 1,3 R_{xmin} + 0,3$ và số mâm lý thuyết ($N_{lt}$) bằng phương trình đường làm việc trên đồ thị $y-x$.
- Phương pháp giải tích kết hợp tra cứu thực nghiệm: Xác định hiệu suất trung bình của mâm ($\eta_{tb}$) theo độ nhớt hỗn hợp ($\mu$) và độ bay hơi tương đối ($\alpha$) tại các vị trí đỉnh, mâm nhập liệu và đáy tháp để quy đổi ra số mâm thực tế ($N_{tt} = N_{lt} / \eta_{tb}$).
- Phương pháp tính toán cơ khí thiết bị hóa chất: Tính toán đường kính tháp theo vận tốc hơi giới hạn ($\omega_{gh} = 0,05 \sqrt{\rho_x / \rho_y}$), kiểm tra trở lực mâm, tính chiều dày thân trụ, nắp và đáy elip chịu áp lực, tính chọn quy cách bích nối và phụ kiện theo tiêu chuẩn kỹ thuật.
- Nguồn dữ liệu: Dữ liệu nhiệt động, ẩn nhiệt hóa hơi, độ nhớt và khối lượng riêng được trích xuất từ Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1 & Tập 2); số liệu sinh khối từ IRRI và các công bố khoa học trong nước (Trần Diệu Lý, 2008; Nguyễn Thị Hằng Nga, 2009; Huỳnh Xuân Phong, 2018).
Nội dung chính theo từng chương
Chương I: Tổng quan
Chương I trình bày tổng quan về tình hình năng lượng, tiềm năng nguyên liệu rơm rạ, tính chất của ethanol và các công nghệ chuyển hóa sinh khối thành cồn sinh học.
Thành phần hóa học của rơm rạ gồm khoảng 37,4% lignocellulose, 44,9% hemicellulose, 4,9% lignin và 9–14% tro silicat (hoặc xét theo thành phần hữu cơ: 60% cellulose, 14% lignin, 3,4% đạm hữu cơ, 1,9% lipid; thành phần nguyên tố gồm 44% C, 5% H, 49% O, 0,92% N cùng lượng nhỏ P, S, K).
| Cấu tử |
Tỷ lệ trong rơm rạ (%) |
| Cellulose |
37,40 – 60,00 |
| Hemicellulose |
44,90 |
| Lignin |
4,90 – 14,00 |
| Tro Silicat |
9,00 – 14,00 |
| Đạm hữu cơ |
3,40 |
| Chất béo lipid |
1,90 |
Tác giả so sánh các phương pháp sản xuất ethanol gồm phương pháp tổng hợp hóa dầu (hydrat hóa khí ethylene xúc tác acid ở $300^\circ\text{C}$, $70\text{--}80\text{ atm}$ hoặc carbonyl hóa methanol) và phương pháp công nghệ sinh học. Quy trình công nghệ sinh học từ rơm rạ trải qua các công đoạn:
- Tiền xử lý: Phá vỡ màng bao bọc lignin và tăng độ xốp cho cellulose. Đồ án phân tích phương pháp nổ hơi nước (áp suất $500\text{--}550\text{ psi}$, thời gian 40 giây theo nghiên cứu của Iotech Corporation; hoặc $240\text{--}250^\circ\text{C}$ trong 1 phút) và thiết bị phản ứng trục vít chịu áp StakeTech (làm việc đến $450\text{ psig}$). Nhiệt độ xử lý trên $210^\circ\text{C}$ có nguy cơ phân hủy đường thành furfural và 5-hydroxymethylfurfural (chất ức chế lên men).
- Thủy phân: Phân tích hai hướng gồm thủy phân bằng acid loãng (0,5% $\text{H}_2\text{SO}_4$, $\text{HCl}$ hoặc $\text{HNO}_3$ ở $160^\circ\text{C}$ trong thiết bị ngâm chiết hoặc thiết bị phản ứng BSFT cho hiệu suất đường 75–90%) và thủy phân bằng hệ enzyme cellulase (gồm 3 enzyme: endoglucanase, exoglucanase và $\beta$-glucosidase hoạt động tối ưu ở pH 4–5, nhiệt độ $70^\circ\text{C}$ trong 1,5 ngày cho hiệu suất glucose 75–95%).
- Lên men và chưng cất: Lên men dịch đường bằng nấm men yếm khí, sau đó tiến hành chưng cất liên tục theo quy trình công nghệ Applied Process Technology International – APTI (Delta-T).
So sánh kỹ thuật giữa các dạng thiết bị chưng cất:
| Loại tháp |
Ưu điểm |
Nhược điểm |
| Tháp chêm (tháp đệm) |
Cấu tạo đơn giản, trở lực pha hơi thấp |
Hiệu suất truyền khối thấp, độ ổn định kém, khối lượng thiết bị nặng |
| Tháp mâm xuyên lỗ |
Hiệu suất tương đối cao, vận hành ổn định, làm việc được với chất lỏng chứa cặn bẩn |
Trở lực khá cao, yêu cầu lắp đặt đĩa thật phẳng |
| Tháp mâm chóp |
Hiệu suất tách cao, làm việc ổn định ở dải lưu lượng rộng |
Cấu tạo cơ khí phức tạp, trở lực lớn, không làm việc được với chất lỏng bẩn |
Từ các phân tích trên, đồ án chọn loại tháp mâm xuyên lỗ làm việc liên tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp tại đáy tháp.
Chương II: Tính toán hệ thống chưng cất Ethanol từ rơm rạ năng suất 10000kg/h
Chương II tập trung toàn bộ các bước tính toán công nghệ truyền khối, cân bằng nhiệt và thiết kế kích thước cơ khí chi tiết.
Thông số ban đầu và kết quả cân bằng vật chất:
- Năng suất nhập liệu: $G_F = 10.000\text{ kg/h}$ ($x_F = 29%$ khối lượng, tương ứng phần mol $x_F = 0,14$).
- Sản phẩm đỉnh: $x_D = 80%$ khối lượng ($x_D = 0,61$ phần mol), nhiệt độ sau làm nguội $T_D = 35^\circ\text{C}$.
- Sản phẩm đáy: $x_B = 0,00357$ phần khối lượng ($x_B = 0,00092$ phần mol), nhiệt độ đáy sau trao đổi nhiệt $T_B = 60^\circ\text{C}$.
- Áp suất làm việc: $P_{lv} = 1\text{ atm} = 760\text{ mmHg} = 101.325\text{ N/m}^2$.
- Dòng nhập liệu quy đổi mol: $F = 456,92\text{ kmol/h}$.
- Dòng sản phẩm đỉnh quy đổi: $D = 104,2\text{ kmol/h}$.
Tính toán tỷ số hoàn lưu và số mâm:
- Nồng độ hơi cân bằng với dòng nhập liệu: $y_F^* = 0,4189$.
- Tỷ số hoàn lưu tối thiểu: $R_{xmin} = \frac{x_D - y_F^}{y_F^ - x_F}$.
- Tỷ số hoàn lưu làm việc: $R = 1,135$.
- Phương trình đường làm việc đoạn cất: $y = \frac{R}{R+1}x + \frac{x_D}{R+1}$.
- Phương trình đường làm việc đoạn chưng: $y = \frac{R+f}{R+1}x - \frac{f-1}{R+1}x_B$ (với chỉ số nhập liệu $f = F/D$).
- Số mâm lý thuyết xác định từ đồ thị: $N_{lt} = 10\text{ mâm}$.
- Xác định hiệu suất mâm thực tế:
- Mâm nhập liệu ($t_F = 85,14^\circ\text{C}$, $\mu = 0,56\text{ cP}$): $\eta_1 = 0,38$.
- Mâm đáy ($t_B = 99,75^\circ\text{C}$, $\mu = 0,18\text{ cP}$): $\eta_2 = 0,4870$.
- Mâm đỉnh ($t_D = 82^\circ\text{C}$, $\mu = 0,32\text{ cP}$): $\eta_3 = 0,457$.
- Hiệu suất trung bình: $\eta_{tb} = \frac{0,38 + 0,4870 + 0,457}{3} = 0,4413$.
- Số mâm thực tế: $N_{tt} = \frac{10}{0,4413} = 22,44 \rightarrow$ chọn 23 mâm thực tế.
Tính toán kích thước tháp và thiết bị phụ trợ:
- Tốc độ hơi giới hạn: $\omega_{gh} = 0,05 \sqrt{\rho_x / \rho_y} = 0,985\text{ m/s}$. Để tránh tạo bọt và kéo theo hạt lỏng, chọn tốc độ hơi vận hành $\omega_h = 0,18\text{ m/s}$.
- Đường kính đoạn cất và đoạn chưng được tính toán riêng biệt dựa trên lưu lượng hơi trung bình $g_{tb}$ qua từng đoạn.
- Tính toán cơ khí: Xác định trở lực qua đĩa khô và đĩa ướt, bề dày thân tháp, kích thước đáy elip, nắp cầu, chân đỡ đỡ thân tháp và tai treo.
- Tính toán hệ thống đường ống và bích nối công nghệ: Đường kính ống nhập liệu, ống dẫn hơi đỉnh tháp, ống hồi lưu lỏng, ống hơi vào đáy tháp và ống tháo lỏng đáy tháp.
- Tính toán mạng lưới nhiệt phụ trợ: Thiết bị đun sôi đáy tháp (cung cấp nhiệt lượng hóa hơi), thiết bị ngưng tụ hồi lưu đỉnh tháp, thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh từ $82^\circ\text{C}$ xuống $35^\circ\text{C}$, thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu từ $28^\circ\text{C}$ lên nhiệt độ sôi $85,14^\circ\text{C}$, và bồn cao vị cấp liệu.
Chương III: Quy trình chế tạo, lắp ráp và vận hành tháp chưng cất
Chương III cung cấp hướng dẫn thi công cơ khí và quy trình vận hành phân xưởng chưng cất:
- Chế tạo thiết bị: Trình bày các bước lốc thân trụ từ thép tấm chịu ăn mòn, phương pháp hàn giáp mối dọc thân và hàn chu vi các đoạn tháp; quy trình dập miết chế tạo nắp và đáy elip; gia công các chi tiết chân đỡ và tai treo.
- Quy trình lắp ráp: Định vị móng, dựng đứng thân tháp, căn chỉnh độ thẳng đứng của trục tháp, lắp đặt các mâm xuyên lỗ và ống chảy truyền đảm bảo độ nằm ngang tuyệt đối của từng đĩa; lắp đặt các đường ống công nghệ, bích ghép và bọc cách nhiệt thân tháp.
- Quy trình vận hành:
- Chuẩn bị: Kiểm tra độ kín áp suất, thông rửa hệ thống, kiểm tra độ tin cậy của các van khóa, đồng hồ áp kế, nhiệt kế và hệ thống bơm.
- Vận hành: Cấp hơi gia nhiệt đáy tháp, bơm nạp liệu vào tháp qua thiết bị gia nhiệt, hồi lưu toàn phần ở giai đoạn đầu để ổn định phân bố nhiệt độ và nồng độ trên các mâm, sau đó mở van lấy sản phẩm đỉnh và đáy theo tỷ lệ tính toán.
- Ngừng tháp: Ngừng cấp liệu, giảm dần nhiệt cấp đáy, xả sạch chất lỏng đáy khi dừng bảo dưỡng hoặc dừng khẩn cấp khi xảy ra sự cố điện/nước.
- Hướng dẫn xử lý sự cố: Đồ án tổng hợp bảng sự cố kỹ thuật thường gặp trong quá trình chưng cất (ngập lụt mâm do quá tải hơi hoặc lỏng, hiện tượng rò lỏng qua lỗ mâm, sụt áp suất tháp, sản phẩm đỉnh không đạt nồng độ $80%$ cồn hoặc nhiệt độ đáy tăng cao).
Chương IV: Tính toán kinh tế
Chương IV xây dựng bảng cân đối chi phí và hiệu quả đầu tư cho hệ thống:
- Chi phí chế tạo: Tính toán tổng lượng thép sử dụng cho thân tháp, đĩa mâm, nắp đáy, chân đỡ và hệ thống ống dẫn, từ đó ước tính giá thành gia công cơ khí thiết bị chính và thiết bị phụ trợ.
- Chi phí vận hành: Tính toán công suất tiêu thụ điện năng cho các động cơ bơm nạp liệu, bơm hồi lưu, bơm nước làm mát và hệ thống điều khiển; tính toán định mức chi phí nguyên liệu rơm rạ đầu vào cho một mẻ sản xuất.
- Phân tích kinh tế: Ước tính doanh thu từ sản lượng cồn sinh học thành phẩm, chi phí vận hành thường niên và tính toán lợi nhuận dự kiến cho nhà máy.
Thiết kế kỹ thuật và giải pháp công nghệ
Hệ thống chưng cất được thiết kế với các thông số công nghệ và kết cấu cơ khí chính như sau:
| Hạng mục thông số |
Giá trị thiết kế |
Đơn vị tính |
| Năng suất nhập liệu ($G_F$) |
10.000 |
kg/h |
| Năng suất mol nhập liệu ($F$) |
456,92 |
kmol/h |
| Nồng độ dòng nhập liệu ($x_F$) |
29,00 (0,14 mol) |
% khối lượng |
| Nồng độ sản phẩm đỉnh ($x_D$) |
80,00 (0,61 mol) |
% khối lượng |
| Nồng độ sản phẩm đáy ($x_B$) |
0,00357 (0,00092 mol) |
% khối lượng |
| Nhiệt độ dòng nhập liệu ban đầu ($T_F$) |
28,00 |
$^\circ\text{C}$ |
| Nhiệt độ sôi tại mâm nhập liệu ($t_F$) |
85,14 |
$^\circ\text{C}$ |
| Nhiệt độ hơi tại đỉnh tháp ($t_D$) |
82,00 |
$^\circ\text{C}$ |
| Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau làm nguội ($T_D$) |
35,00 |
$^\circ\text{C}$ |
| Nhiệt độ đáy tháp ($t_B$) |
99,75 |
$^\circ\text{C}$ |
| Nhiệt độ sản phẩm đáy sau trao đổi nhiệt ($T_B$) |
60,00 |
$^\circ\text{C}$ |
| Áp suất làm việc của hệ thống |
1,00 (760) |
atm (mmHg) |
| Tỷ số hoàn lưu làm việc ($R$) |
1,135 |
- |
| Số mâm lý thuyết ($N_{lt}$) |
10 |
mâm |
| Hiệu suất đĩa trung bình ($\eta_{tb}$) |
0,4413 |
- |
| Số mâm thực tế ($N_{tt}$) |
23 |
mâm |
| Tốc độ hơi làm việc thiết kế ($\omega_h$) |
0,18 |
m/s |
| Cấu tạo tháp |
Mâm xuyên lỗ có ống chảy truyền |
- |
| Phương thức gia nhiệt đáy tháp |
Gián tiếp bằng hơi nước |
- |
Hệ thống phụ trợ bao gồm:
- Thiết bị gia nhiệt nhập liệu: Nâng nhiệt độ dòng nhập liệu từ $28^\circ\text{C}$ lên nhiệt độ sôi $85,14^\circ\text{C}$ trước khi vào mâm nạp liệu.
- Thiết bị đun sôi đáy: Đun sôi dung dịch đáy tháp bằng hơi nước bão hòa gián tiếp để tạo dòng hơi hồi lưu đi lên từ đáy.
- Thiết bị ngưng tụ đỉnh: Ngưng tụ hoàn toàn dòng hơi cồn $80%$ từ đỉnh tháp ở $82^\circ\text{C}$ thành thể lỏng để chia dòng hồi lưu và dòng sản phẩm.
- Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: Hạ nhiệt độ cồn thành phẩm từ $82^\circ\text{C}$ xuống $35^\circ\text{C}$ để chuyển vào bồn chứa an toàn.
- Bồn cao vị: Ổn định áp lực và lưu lượng dòng nhập liệu nạp vào tháp.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:
- Hoàn thành đầy đủ hồ sơ tính toán công nghệ truyền khối và cân bằng năng lượng cho hệ thống chưng cất cồn công suất $10.000\text{ kg/h}$ hỗn hợp cồn – nước từ dịch lên men rơm rạ, nâng nồng độ ethanol từ 29% khối lượng lên sản phẩm cồn đỉnh 80% khối lượng với độ thu hồi cao (hàm lượng cồn thải ở đáy chỉ còn 0,00357% khối lượng).
- Xác định chính xác các thông số kích thước của tháp mâm xuyên lỗ gồm 23 mâm thực tế (hiệu suất trung bình đạt 0,4413), tính toán tốc độ hơi vận hành an toàn $0,18\text{ m/s}$ chống sủi bọt, cùng hệ thống đường ống và bích nối tiêu chuẩn.
- Đề xuất giải pháp kỹ thuật tích hợp chuỗi công nghệ từ khâu xử lý sinh khối lignocellulose rơm rạ (tiền xử lý nổ hơi, thủy phân enzyme/acid, lên men vi sinh) đến khâu phân tách tinh chế cồn theo công nghệ liên tục APTI Delta-T.
- Xây dựng quy trình gia công, lắp ráp và tài liệu hướng dẫn vận hành, kiểm soát sự cố kỹ thuật thực tế cho hệ thống tháp mâm xuyên lỗ trong ngành hóa chất.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đồ án:
- Phạm vi tính toán thiết kế của đồ án dừng lại ở tháp chưng cất tạo sản phẩm ethanol nồng độ $80%$ khối lượng; chưa tính toán phân hệ làm khan để tách hỗn hợp đẳng phí Ethanol – Nước đạt nồng độ cồn $99,5%$ nhằm phối trộn trực tiếp vào xăng sinh học E5/E10 theo tiêu chuẩn TCCS 06:2015/PLX.
- Các thông số tiền xử lý sinh khối và động học thủy phân, lên men chủ yếu dựa trên số liệu tổng quan lý thuyết từ các nghiên cứu trước, chưa có số liệu thực nghiệm đối chứng trực tiếp trên mẫu rơm rạ cụ thể của từng vùng tại Việt Nam.
Hướng phát triển tiếp theo:
- Tính toán thiết kế bổ sung hệ thống khử nước tuyệt đối bằng công nghệ rây phân tử (molecular sieve) hoặc chưng cất đẳng phí với cấu tử thứ ba để thu nhận ethanol nhiên liệu đạt độ tinh khiết trên $99,5%$.
- Nghiên cứu tối ưu hóa tích hợp nhiệt trong toàn hệ thống (sử dụng nhiệt của dòng sản phẩm đáy $99,75^\circ\text{C}$ để gia nhiệt cho dòng nhập liệu $28^\circ\text{C}$) nhằm giảm tiêu hao năng lượng hơi đốt.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo cho:
- Sinh viên các ngành Công nghệ Hóa học, Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Thực phẩm và Kỹ thuật Môi trường đang thực hiện đồ án môn học Quá trình và Thiết bị Truyền khối, đồ án thiết kế tháp chưng cất hệ hai cấu tử hoặc đồ án tốt nghiệp kỹ sư.
- Các kỹ sư thiết kế công nghệ và nghiên cứu phát triển trong lĩnh vực nhiên liệu sinh học và tái chế phế phụ phẩm nông nghiệp.
Nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu:
- Toàn bộ chuỗi công thức và các bước tính toán cân bằng vật chất – năng lượng của tháp chưng cất mâm xuyên lỗ.
- Phương pháp xác định hiệu suất mâm thực tế theo ba vùng nhiệt độ – độ nhớt (đỉnh, nạp liệu, đáy tháp).
- Bảng quy cách kích thước cơ khí chi tiết cho đường ống, bích nối công nghệ và quy trình xử lý các sự cố vận hành tháp chưng cất.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao đồ án lựa chọn tháp mâm xuyên lỗ thay vì tháp chêm hoặc tháp mâm chóp?
Tháp mâm xuyên lỗ có hiệu suất truyền khối tương đối cao và hoạt động ổn định hơn tháp chêm, đồng thời cấu tạo cơ khí đơn giản hơn, trở lực pha hơi thấp hơn và chi phí chế tạo rẻ hơn tháp mâm chóp. Đặc biệt, tháp mâm xuyên lỗ có khả năng làm việc tốt với hỗn hợp chất lỏng có cặn sinh khối sau quá trình lên men rơm rạ mà không bị tắc nghẽn như tháp chêm.
2. Năng suất và nồng độ các dòng làm việc trong hệ thống tháp được tính toán như thế nào?
Năng suất nhập liệu của hệ thống là $10.000\text{ kg/h}$ ($456,92\text{ kmol/h}$) với nồng độ ethanol $29%$ khối lượng. Sản phẩm đỉnh thu được cồn $80%$ khối lượng ở lưu lượng $104,2\text{ kmol/h}$, và sản phẩm đáy chứa nước với hàm lượng ethanol dư chỉ $0,00357%$ khối lượng.
3. Số mâm lý thuyết và số mâm thực tế của tháp chưng cất là bao nhiêu?
Dựa trên phương trình đường làm việc đoạn cất và đoạn chưng với tỷ số hoàn lưu $R = 1,135$, số mâm lý thuyết xác định từ đồ thị là 10 mâm. Hiệu suất trung bình của đĩa tính toán từ ba vùng mâm là $\eta_{tb} = 0,4413$, dẫn đến số mâm thực tế của tháp là 23 mâm.
4. Phương pháp tiền xử lý rơm rạ được đề xuất trong công nghệ là gì và hoạt động ở điều kiện nào?
Đồ án đề xuất phương pháp nổ hơi nước cơ học – nhiệt để phá vỡ cấu trúc lignocellulose, sử dụng thiết bị áp lực trục vít StakeTech chịu áp đến $450\text{ psig}$ hoặc xử lý hơi ở $500\text{--}550\text{ psi}$ trong 40 giây. Nhiệt độ xử lý được kiểm soát dưới $210^\circ\text{C}$ để tránh phân hủy cellulose thành các hợp chất ức chế lên men như furfural.
5. Điều kiện áp suất và phương thức cấp nhiệt của hệ thống tháp được thiết kế ra sao?
Hệ thống tháp hoạt động liên tục ở áp suất khí quyển $1\text{ atm}$ ($760\text{ mmHg} = 101.325\text{ N/m}^2$). Nhiệt cung cấp tại đáy tháp được thực hiện theo phương thức gián tiếp thông qua thiết bị đun sôi đáy sử dụng hơi nước bão hòa, tránh làm loãng dung dịch đáy tháp.
Kết luận
Đồ án đã hoàn thiện thiết kế kỹ thuật hệ thống chưng cất liên tục hỗn hợp Ethanol – Nước từ sinh khối rơm rạ với năng suất nhập liệu $10.000\text{ kg/h}$. Tháp chưng cất mâm xuyên lỗ gồm 23 mâm thực tế làm việc ở áp suất khí quyển, nâng nồng độ cồn từ 29% lên sản phẩm đỉnh 80% khối lượng với tỷ số hoàn lưu 1,135. Công trình cung cấp giải pháp công nghệ tận dụng 57 triệu tấn phụ phẩm rơm rạ hàng năm tại Việt Nam để sản xuất cồn sinh học, đồng thời đưa ra đầy đủ quy trình chế tạo, lắp ráp, vận hành và phân tích kinh tế cho phân xưởng chưng cất.
