Lu n văn th c s khoa h c ngành K thu t hóa h c

MỤC LỤC
MỤC LỤC

1

MỞ ĐẦU

7

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN

12

A. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG LUYỆN GIÁN ĐOẠN
12
I. GIỚI THIỆU CÁC HỆ THỐNG CHƯNG LUYỆN GIÁN ĐOẠN
13
1.1. Mô hình thiết bị chưng đơn giản:
13
1.2. Mô hình thiết bị chưng luyện bao gồm đoạn luyện:
13
II. CÁC CHIẾN LƯỢC PHỔ BIẾN SỬ DỤNG TRONG CHƯNG LUYỆN
GIÁN ĐOẠN
18
2.1. Quá trình chưng luyện gián đoạn với chỉ số hồi lưu không đổi:
18
2.2. Quá trình chưng luyện gián đoạn với nồng độ sản phẩm đỉnh không đổi
22
2.3. Quá trình chưng luyện vận hành theo chu kỳ

ĐOẠN
38
1.1. Giới thiệu các phương pháp tính gần đúng cho hệ chưng luyện gián
đoạn:
38
1.2. Các phương pháp tính chính xác cho hệ chưng luyện gián đoạn:
38
1.3. Các mô hình cân bằng pha lỏng hơi cho hệ Etanol – nước – các tạp chất
được sử dụng để dự đoán quá trình chưng luyện gián đoạn
48
a. Mô hình NRTL
49
b. Mô hình UNIQUAC
50
c. Mô hình UNIFAC
51
d. Mô hình UNIFAC – Dortmund
53
1.4. Lưa chọn mô hình cân bằng lỏng hơi cho hệ Etanol – nước – tạp chất
trong quá trình chưng luyện gián đoạn
55
II. GIÓI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG ASPEN BATCHSEP
59
III. KIỂM CHỨNG ĐỘ TIN CẬY CỦA MÔ HÌNH THÁP CHƯNG LUYỆN
ĐÃ THIẾT LẬP BẰNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
62
CHƯƠNG 3 - ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THÁP CHƯNG LUYỆN GIÁN
ĐOẠN TRONG NGHIÊN CỨU HÀNH VI CÁC CẤU TỬ HỆ
ETHANOL – NƯỚC – TẠP CHẤT
71

92
2.2. Tiêu chuẩn chất lượng đối với cồn thành phẩm thu được từ dịch lên men
hoa quả
93
2.3. Xác lập phương án chưng luyện dựa trên yêu cầu chất lượng cũng như
đặc tính đầu vào
94
2.4. So sánh kết quả thu được nhờ mô phỏng và k
ết quả thực nghiệm
97
III. KẾT QUẢ ỨNG DỤNG TRONG MÔ HÌNH SẢN XUẤT 10,000
LÍT/NĂM
99
3.1. Quy mô thiết bị sử dụng trong hệ thống
99
3.2. Kết quả theo chất lượng thành phẩm theo nhiệt độ và thời gian tàng trữ
100
3.3. Phân tích đánh giá chỉ tiêu chất lượng về hóa lý, cảm quan, vi sinh vật
102
3.3.2. Chất lượng rượu trên các chỉ tiêu cảm quan
102
CHƯƠNG 5 - KẾT LUẬN

105

3


Lu n văn th c s khoa h c ngành K thu t hóa h c


Hình 29 Biến thiên nồng độ iso propanol theo thời gian ................................82
Hình 30. Ảnh hưởng của tốc độ lấy sản phẩm đến phân bố N-propanol.........83
Hình 31. Ảnh hưởng của tốc độ lấy sản phẩm đến phân bố Iso butanol .........83
Hình 32. Ảnh hưởng của tốc độ lấy sản phẩm đến phân bố Iso Propanol.......84
Hình 33 Ảnh hưởng của tốc độ lấy sản phẩm đến phân bố Iso amylic ...........84
4


Lu n văn th c s khoa h c ngành K thu t hóa h c
Hình 34: phân bố nồng độ của isoamylic theo chiều cao của tháp ở chế độ hồi
lưu hoàn toàn ................................................................................................87

5


Lu n văn th c s khoa h c ngành K thu t hóa h c
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
amn: hệ số tương tác nhóm
D lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh kmol/h
H enthanpy kJ/kmol
HiL và HiV là ethanpi của hỗn hợp lỏng và hơi tại đĩa i kJ/kmol
G là thể tích hơi ngưng tụ không đổi m3
gE là năng lượng tự do dư
L lưu lượng lỏng đi trong tháp kmol/h
M lượng sản phẩm, hay tổng lượng tích lũy trong tháp kmol
Mj lượng tích lũy trên đĩa trên đĩa thứ j kmol
Kij là hằng số cân bằng pha của cấu tử thứ j trên đĩa thứ i
Q tổng năng lượng của một đoạn thiết bị hay toàn tháp kJ/h
qj điện tích của phân tử trong cấu tử j
QK tham số điện tích đặc trưng cho từng nhóm nguyên tử

sản lượng cây lương thực (gạo, ngô, sắn v.v) dồi dào đồng thời các khu
vực tập trung cây ăn quả cũng hình thành và phát triển trên khắp đất nước.
Đây là một trong những điều kiện tiên quyết để phát triển công nghiệp sản
xuất các chế phẩm từ nông sản đặc biệt là rượu.

7


Lu n văn th c s khoa h c ngành K thu t hóa h c
Đồng thời sản xuất rượu cũng là một trong những phương án đưa khoa
học công nghệ vào nông nghiệp giải quyết việc tiêu thụ sản phẩm và nâng
cao thu nhập cho người nông dân. Hiện nay tại Việt Nam, việc thực hiện
phương án này còn nhiều hạn chế do yêu cầu phức tạp của công nghệ, đòi
hỏi nghiên cứu công phu và đầu tư thiết bị hoàn hảo.
Ngành công nghiệp rượu trên thế giới có một lịch sử phát triển lâu dài
với đa dạng sản phẩm thể hiện văn hóa vùng miền cũng như đặc tính
nguyên liệu. Bên cạnh những sản phẩm rượu được sản xuất theo chu trình
hiện đại, pha chế từ sản phẩm cồn trung tính, một mảng lớn các sản phẩm
rượu vẫn được sản xuất dựa trên các mô hình cổ điển nhằm giữ lại những
tính chất đặc thù của nguyên liệu sản xuất.
Quá trình chưng luyện gián đoạn được sử dụng từ rất sớm trong công
nghiệp sản xuất rượu và các chế phẩm từ dịch lên men. Bên cạnh khả năng
dễ tùy biến các thông số vận hành đáp ứng các yêu cầu công nghệ cho sản
phẩm đầu ra cũng như tính chất nguyên liệu, các hệ thống chưng luyện
gián đoạn rất thích hợp với quy mô sản xuất vừa và nhỏ do tính chất không
liên tục
Hiện nay vấn đề cải tiến cấu hình tháp chưng luyện gián đoạn và quy
trình vận hành nhằm thu được hiệu quả cao hơn cũng như thu được sản
phẩm với chất lượng tốt hơn vẫn đang được rất nhiều nhà khoa học quan
tâm nghiên cứu.

-

Tổng quan giới thiệu ngành công nghệ sản xuất rượu Brandy và tiềm
năng phát triển tại Việt Nam

-

Ứng dụng chưng luyện gián đoạn trong công nghệ sản xuất Brandy

-

Nghiên cứu mô phỏng cho quá trình chưng luyện gián đoạn

-

Kiểm chứng mô hình và chương trình mô phỏng bằng kết quả thực
nghiệm

-

Áp dụng thiết lập các phương án vận hành cho quá trình sản xuất một
số loại rượu bằng phương pháp chưng luyện gián đoạn với các yêu cầu
công nghệ riêng.

9


Lu n văn th c s khoa h c ngành K thu t hóa h c
-


Kiểm chứng phần mềm mô phỏng Aspen BatchSep dựa trên quá trình vận
hành hệ thống chưng luyện thực tiễn
Ứng dụng vào mô phỏng tháp chưng luyện SH-1100 do hãng Arnold Holsten
cung cấp dựa trên các thông số kỹ thuật thực tế

10


Lu n văn th c s khoa h c ngành K thu t hóa h c
Xây dựng phương án chưng cất phục vụ sản xuất một số sản phâm rượu trên
nền tảng mô hình thiết bị trên
Kiểm chứng và đối chiếu với kết quả phân tích mẫu thành phẩm thực tế trong
quá trình sản xuất

11


Lu n văn th c s khoa h c ngành K thu t hóa h c

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN
A. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG LUYỆN GIÁN ĐOẠN
Chưng luyện là quá trình tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng
biệt, trong đó vật chất di chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại.
Động lực của quá trình này là độ bay hơi khác nhau hay nhiệt hóa hơi khác
nhau của các cấu tử ở cùng nhiệt độ.
Chưng luyện gián đoạn hỗn hợp lỏng là một phương pháp chưng luyện
đóng vai trò quan trọng trong thực tiễn sản xuất cũng như nghiên cứu khoa
học. Với lịch sử lâu dài cũng như được sử dụng rộng rãi trong các phòng
thí nghiệm hay trong sản xuất với quy mô nhỏ, nó được dùng để phân tách,
tinh chế, loại bỏ tạp chất trong các quá trình công nghiệp hóa học, sử dụng

trong các bình chứa. Tốc độ lấy hơi bị giới hạn bởi hiện tượng dịch lỏng trong
bình chưng bị cuốn lên thiết bị ngưng tụ cũng như quá tải thiết bị ngưng tụ.
Khả năng điều chỉnh của các thong số của hệ trên là khá hạn chế và thường
được gọi là hệ chưng luyện Rayleigh. Chưng đơn giản chỉ có một đĩa lý thuyết
để phân tách. Nó dùng để giảm công việc lấy sản phẩm cho quá trình phân
tách sau khi cấu tử bay hơi nhanh nhất cần loại bỏ khỏi quá trình trước khi vào
công đoạn tiếp theo hoặc phân tách các cấu tử rất khác nhau.
1.2.
Mô hình thiết bị chưng luyện bao gồm đoạn luyện:
Để thu được sản phẩm với nồng độ các cấu tử ổn định, người ta sử dụng
các hệ thống thiết bị chưng luyện gián đoạn có đoạn luyện. Hệ thống này bao
gồm bình chưng hay bộ trao đổi nhiệt đáy tháp, đoạn luyện, thiết bị ngưng tụ
đỉnh tháp, bình chứa sản phẩm đỉnh cũng như bộ chia dòng hồi lưu và bình
chứa sản phẩm chưng luyện.
Nhiệt độ của dịch chưng cất được khống chế gần với nhiệt độ điểm sôi,
dòng hồi lưu được cấp về đỉnh tháp để tăng nồng độ các cấu tử trên đĩa tháp.
Một thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng để làm nguội phần dịch còn lại, dịch
này sẽ được chuyển tới bình chứa sản phẩm. Thiết bị có thể được sử dụng để
làm việc trong điều kiện có áp hoặc chân không trong điều kiện có thiết bị tạo
môi trường ( bơm chân không, valve điều áp v.v.).

13


Lu n văn th c s khoa h c ngành K thu t hóa h c
Trong quá trình vận hành, một lượng nguyên liệu lỏng được cấp vào tháp,
trong giai đoạn đầu hệ thống đạt dần tới trạng thái cân bằng trên tháp nhờ
trạng thái hồi lưu hoàn toàn. Tiếp đó một phần sản phẩm đỉnh được tách ra
liên tục tương ứng với sự biến thiên chỉ số hồi lưu. Các phân đoạn sản phẩm
được tách ra nhờ việc thay đổi các bình chứa sản phẩm đích, các thông số vận

Ở loại tháp có bình chứa nguyên liệu đầu ở giữa tháp thì công đoạn tách
được chia ra giống như tháp chưng luyện liên tục, bao gồm : Đoạn chưng –
Stripper và Đoạn luyện -Rectifier . Đặc điểm chung của loại tháp này :

15


Lu n văn th c s khoa h c ngành K thu t hóa h c
- Nguyên liệu đầu được cấp vào một vị trí thích hợp ở giữa thân tháp,
sự bốc hơi lại được giữ ở mức nhỏ nhất.
- Chất lỏng ở đĩa tiếp liệu được tuần hoàn trở lại thùng chứa nguyên
liệu. Chính vì vậy mà thành phần chất lỏng ở thùng nguyên liệu đậm đặc
hơn ở đĩa tiếp liệu.
- Một phần sản phẩm hoặc bán sản phẩm được lấy ra đồng thời ở đáy
và đỉnh tháp.
Trên cơ sở mô hình này, người ta cải tiến đề xuất mô hình chưng luyện
gián đoạn với nhiều bình trung gian:

Hình 3 Tháp chưng với nhiều bình trung gian

Trong quá trình vận hành thiết bị này vận hành ở chế độ hồi lưu toàn phần,
các mẻ nguyên liệu trong một bình chứa sẽ được tinh chế như một dạng
sản phẩm chưng cất. Tuy nhiên, quá trình tinh chế này sẽ phụ thuộc vào số
đĩa trong mỗi phần của tháp, tốc độ bốc hơi, lượng nguyên liệu nạp vào
16


Lu n văn th c s khoa h c ngành K thu t hóa h c
ban đầu và thời gian làm việc. Bình chứa trên đỉnh sẽ giàu cấu tử có nhiệt
độ sôi thấp, bình dưới cùng sẽ chứa nhiều cấu tử có nhiệt độ sôi cao.

luyện kết thúc khi chưng luyện đạt được thành phần trung bình yêu cầu.
II.

CÁC CHIẾN LƯỢC PHỔ BIẾN SỬ DỤNG TRONG CHƯNG
LUYỆN GIÁN ĐOẠN
Một quá trình chưng luyện gián đoạn có thể được vận hành theo nhiều

phương pháp khác nhau. Việc lựa chọn chiến lược chưng luyện phụ thuộc vào
cấu trúc của các hệ thống thiết bị, yêu cầu chất lượng sản phẩm chưng cất
cũng như các thiết lập về chu trình điều khiển của nhà thiết kế.
2.1. Quá trình chưng luyện gián đoạn với chỉ số hồi lưu không đổi:
Một trong số những chiến lược đơn giản và phổ biến nhất là giữ chỉ số hồi
lưu cố định, việc khống chế chỉ số hồi lưu có thể được thực hiện thông qua các
hệ valve ba ngả đóng mở theo thời gian, bộ chia tỉ lệ dòng hoặc thậm chí sử
dụng 2 flowmeter. Do nồng độ sản phẩm đỉnh thay đổi liên tục theo thời gian,
người ta sẽ dựa vào nồng độ trung bình sản phẩm thu được để xác định điểm
tách phân đoạn. Chiến lược này chỉ có thể thực hiện khi yêu cầu chất lượng
sản phẩm không quá nghiêm ngặt hoặc sự thay đổi nồng độ sản phẩm đỉnh là
có thể nhìn thấy.Trong trường hợp, thành phần cấu tử của sản phẩm đỉnh

18


Lu n văn th c s khoa h c ngành K thu t hóa h c
không có sự thay đổi rõ rệt theo thời gian, việc xác định thời điểm cặt phân
đoạn sẽ trở nên khó khăn hơn.
Chỉ số hồi lưu là giá trị cho trước và duy trì trong suốt quá trình chạy. Thành
phần lỏng ở bình chưng thay đổi nên thành phần tức thời của sản phẩm đỉnh
cũng thay đổi. Sự thay đổi của phân tách hai cấu tử thể hiện ở hình 5.


i



pi


x

pf

dxP
yD  xP

Theo cấu tử đỉnh, thành phần sản phẩm đỉnh trung bình

x D ,avg 

(1-7)

xD ,avg :

M i .x pi  M f . x pf
Mi M

(1-8)
f

Nếu đặt vế phải của phương trình (1-7) là Q, thời gian θ (h) cho chưng
luyện có thể tính bằng:


Quá trình tính toán thể hiện trên hình 7. Đường vận hành vẽ với độ dốc 45°
tại các điểm khác nhau. Số đĩa lý thuyết được chú ý để tìm thành phần cân
bằng dưới đáy, Trong hình, đường vận hành L-1 với độ dốc L/V vẽ từ D1
nơi thành phần đỉnh
thuyết,

xD1

có thành phần cân bằng đáy

x p13

cho 3 đĩa lý

xD 2 cho thành phần cân bằng đáy x p 2 3 … Từ đó tình được tích

phân vế phải phương trình (1-7) nên tính được xD , avg từ phương trình (18). Một phép tính lặp lại yêu cầu tìm M f tương ứng vớ xD ,avg .

Hình 7 Quá trình chưng luyện gián đoạn với chỉ số hồi lưu không đổi

21


Lu n văn th c s khoa h c ngành K thu t hóa h c
2.2.

Quá trình chưng luyện gián đoạn với nồng độ sản phẩm đỉnh
không đổi
Nếu yêu cầu thành phần đỉnh không đổi trong trường hợp hệ hai cấu tử,


M ( x pi  x pf )
x D  x pf

(1-12)

Nồng độ sản phẩm đỉnh được giữ không đổi bằng cách tăng hồi lưu khi
thành phần bình chưng trở nên loãng dần. Đường làm việ với nhiều độ dốc
khác nhau (=L/V) được vẽ từ thành phần đỉnh, và số đĩa lý thuyết tìm được
khi đi qua thành phần đáy.
Quá trình chưng luyện với chỉ số hồi lưu thay đổi thể hiện trên hình 8.

22


Lu n văn th c s khoa h c ngành K thu t hóa h c

Hình 8 Chưng luyện gián đoạn với thành phần đỉnh không đổi

2.3. Quá trình chưng luyện vận hành theo chu kỳ
Là chiến lược được sử dụng nhiều trong các quá trình chưng luyện đòi
hỏi yêu cầu nghiêm ngặt về tính chất sản phẩm cũng như công nghệ dược
phẩm. Phương án vận hành thông dụng nhất cho chiến lược này là vận
hành thiết bị ở trạng thái hồi lưu hoàn toàn nhằm đạt tới trạng thái cân
bằng cho các đĩa tháp, giảm chỉ số hồi lưu để lấy sản phẩm đỉnh trong một
thời gian ngắn, sau đó quay trở lại trạng thái hồi lưu hoàn toàn
Một phương án khác là tạm ngừng cấp hơi tới đoạn luyện của tháp thông
qua việc đóng valve bướm cấp hơi cho đoạn luyện.
Trong cả hai trường hợp, hệ phương trình để mô phỏng trạng thái thiết bị
là tương đối phức tạp, như đã được đưa ra bởi Schrodt et al

rượu Brandy nổi tiếng trên thế giới là Pháp, Ý, Tây Ban Nha, Đức và một số
nước Châu Mỹ La Tinh với nguyên liệu chủ yếu đi từ nho và một số loại quả.
Ban đầu mục đích chủ yếu của việc sản xuất sản xuất rượu Brandy chủ yếu là
để thu hồi cồn từ vang non kém chất lượng, hiện nay với những nghiên cứu
hoàn chỉnh về nguyên liệu, phương pháp lên men chưng cất và tang trữ,
nghành công nghiệp sản xuất Brandy hiện nay đã đưa ra được thành phẩm với
chất lượng rất tốt.
Việt Nam là với những vùng trồng cây ăn quả tập trung với chất lượng cao
có tiềm năng rất lớn trong việc phát triển công nghiệp sản xuất rượu Brandy.
Tuy nhiên cho tới nay vẫn chưa có một công trình nghiên cứu nào về công
nghệ sản xuất rượu Brandy từ nguyên liệu quả được công bố. Ở một số vùng
nông nghiệp như Ninh Thuận, Bắc Kạn, Thanh Hà, Mộc Châu v.v.. một số gia
đình đã sản xuất rượu Brandy chưng cất từ dịch quả lên men. Nhìn chung chất
lượng rượu Brandy của các cơ sở này chưa cao, kỹ thuật lên men, chưng cất
và tàng trữ chưa được quan tâm. Rượu sau cất còn chứa nhiều tạp chất và
thiếu hương đặc trưng của sản phẩm, chất lượng rượu không ổn định. Đây
cũng là nguyên nhân chính làm cho các sản phẩm rượu này không có sức cạnh
tranh trên thị trường.
25