Khóa luận Thiết kế phân xưởng sản xuất acid acetic bằng phương pháp lên men phục vụ chế biến mủ cao su

t cho các phản ứng này đƣợc. Để đơn giản hóa cho cấu trúc vật lý phức tạp này cần chấp nhận rằng: xem các vi sinh vật là tập hợp các nguyên tố (mà ở đó cơ chất đƣợc tiêu thụ do quá trình trao đổi chất) và những thành phần giới hạn của chúng mà cơ chất chuyển đến từ đó. Tế bào vi sinh vật theo chu vi lớp màng nhày (kể cả thành tế bào và màng nguyên sinh chất) đảm bảo tính chọn lọc của vi sinh vật và khống chế sự ra vào của cơ chất. Sự chuyển động của các phân tử trong các lớp bề mặt đƣợc coi nhƣ là quá trình khuếch tán phân tử thông thƣờng và đƣợc miêu tả bằng định luật Fick: RF = D(dC/dr) (3.1) Trong đó: RF - vận tốc vận chuyển theo một đơn vị bề mặt thành phần tế bào tham gia vào vận chuyển chất; D - hệ số khuếch tán của cơ chất đƣợc vận chuyển; dC/dr – gradien nồng độ. Diễn biến của các phản ứng riêng biệt, bao gồm các quá trình trao đổi chất đƣợc khống chế bởi các enzyme khác nhau và thƣờng tuân theo phƣơng trình Mekhaelis – Menten: r = r MAX (3.2) [S] Km + [S] a b 1 2 3 rm rm Rr C C * Rr rp Hình 3.9. Mô tả một vi sinh vật đơn lẻ a. Có thấm; b. Không có sự vận chuyển nhờ thấm; 1. Vùng trao đổi chất; 2. Vùng khuếch tán; 3. Vùng thấm 53 Mô hình sinh hóa-vật lý cuối cùng của vi sinh vật đƣợc thấy rõ ở dạng tế bào bao gồm vùng bên trong mà ở đó xảy ra quá trình trao đổi chất và vùng vận chuyển bên ngoài (hình 3.12). Sự thấm của cơ chất qua vùng ngoài tuân theo định luật Fich (3.1), còn quá trình trao đổi chất bên trong tuân theo phƣơng trình Mekhaelis-Menten (3.2). Ở trạng thái ổn định, dòng cơ chất qua vùng vận chuyển bằng vận tốc tiêu thụ nó trong quá trình trao đổi chất, có nghĩa là: (3.3) Quá trình vận chuyển do sự dịch chuyển là đặc thù đối với những cơ chất có phân tử lớn, đặc biệt đối với nguồn cacbon, còn các phân tử nhỏ hơn ví dụ nhƣ CO2 vận chuyển hoàn toàn do khuếch tán phân tử. Vì vậy, một số cơ chất tùy theo đặc điểm của chúng mà quá trình vận chuyển đƣợc đƣa về khuếch tán đơn giản với giai đoạn nối tiếp là trao đổi chất (hình 3.10b). Thực tế hai hình 3.10a và 3.10b là đặc trƣng cho một vài quá trình có đồng thời cả hai cơ chất khác nhau. Mô hình động học đối với sinh khối Trong công nghiệp vi sinh, vi sinh vật đƣợc sử dụng ở hai dạng hạt keo tụ sinh học hoặc màng sinh học, có kích thƣớc lớn hơn rất nhiều so với một tế bào vi sinh vật đơn lẻ. Đó là bản chất gel của vi sinh vật và do tác động bên ngoài của dòng lỏng đến vi sinh vật là tƣơng đối nhỏ. Mô hình cấu trúc dạng hạt keo tụ và màng sinh học đã giả thuyết rằng các vi sinh vật phân bố đều trong lớp gel giữa các tế bào. Phần thể tích lớp gel đƣợc đánh giá theo chế phẩm ly tâm giao động trong khoảng 23-39%. Việc so sánh sơ đồ vật lý của sinh khối với sơ đồ quả cầu rắn bao trong cấu trúc xốp (hình 3.10) có giá trị tự do tƣơng đƣơng nhau là rất có ý nghĩa. d[S] dr [S] Km + [S] -D = rMAX (a) (b) 01 02 03 Hình 3.10. Mô hình sinh khối a. Màng sinh học; b. Hạt keo tụ 1. Bề mặt bám; 2. Vi sinh vật 3. Lớp gel giữa các vi sinh vật 54 Mô hình vật lý sinh khối ở một mức độ đáng kể tƣơng tự nhƣ cấu trúc vật lý của các hạt có cấu trúc xốp. Cả hai hệ đều có một bộ nhánh rẽ liên kết các rãnh với nhau và các tác nhân phải khuếch tán theo các rãnh đó đến các “bề mặt hoạt động”. Để miêu tả toán học vấn đề này cần chấp nhận một số giả thuyết thuộc về các đặc trƣng sinh khối nhƣ sau: - Trạng thái ổn định, về ý nghĩa sinh học thể hiện ở thành phần sinh khối nói chung không thay đổi theo thời gian dù vẫn diễn ra sự phát triển của tế bào đơn lẻ. - Tế bào là tổ chức có chức năng không thay đổi theo thời gian. Tính chất trung bình (tính trên quần thể) của tế bào phụ thuộc vào môi trƣờng xung quanh. - Đối với sinh khối nói chung, sự phân bố sinh vật trong quần thể theo sự phát triển cũng nhƣ theo các tính chất sinh hóa là không đổi theo thời gian. Cân bằng vật chất vi phân sử dụng cho màng vi sinh vật mà trong đó lƣợng cơ chất nạp vào do khuếch tán phân tử bằng lƣợng mất đi do vi sinh vật tiêu thụ, ta có biểu thức: (3.4) Trong đó: RF - vận tốc khuếch tán cơ chất đến màng và vào trong vi sinh vật Rpƣ - vận tốc tiêu thụ cơ chất của vi sinh vật a - bề mặt các vi sinh vật sống tính theo đơn vị sinh khối De - hệ số khuếch tán phân tử hiệu quả ns- vận tốc giảm cơ chất tính theo một đơn vị bề mặt các vi sinh vật sống C - nồng độ cơ chất cục bộ bên trong sinh khối x - khoảng cách vùng trao đổi chất α, β – các hệ số có thứ nguyên tƣơng ứng ML-2T-1 và ML-3 Đối với màng sinh học các điều kiện biên cho là: x = L ; x = 0 ; C = C * (3.5) Nghiệm của phƣơng trình (3.4) và điều kiện (3.5) đƣợc giải bằng phƣơng pháp toán học có dạng: C = g(x, De, a, α, β, Latex, C * ) (3.6) d 2 C dx 2 a.ns β +C RF - Rpƣ = 0 ↔ De - = 0 dC dx 55 Thông thƣờng thì (3.6) đƣợc biểu diễn qua dòng ở bề mặt phân chia pha của sinh khối ở lớp biên có dinh dƣỡng, tức là (3.7) Phƣơng trình này có thuận lợi là các thông số sinh học (De, a, α, β) đƣợc tách rời khỏi các thông số vật lý thuần túy (L, C*). Mô hình động học tạo sản phẩm Quá trình sinh trƣởng của quần thể sinh vật diễn ra qua các giai đoạn khác nhau. Sự sinh sản của tế bào bắt đầu sau một giai đoạn tiềm phát. Giai đoạn tiếp theo là sự sinh sản sẽ tăng theo cấp lũy thừa. Sau một thời gian, sinh trƣởng ngừng lại do thiếu chất dinh dƣỡng cơ bản và sự tích lũy các chất ức chế. Các tế bào chuyển vào giai đoạn cân bằng, trong giai đoạn này không xảy ra sinh trƣởng nữa nhƣng tế bào vẫn còn trao đổi chất. Toàn bộ quá trình nuôi gắn liền với sự thay đổi kéo dài của điều kiện nuôi. Chất dinh dƣỡng giảm đi, số lƣợng tế bào tăng lên, đồng thời hoạt tính trao đổi chất cũng thay đổi. Trong các quá trình lên men kèm theo sự tạo thành sản phẩm trao đổi chất, vận tốc tạo thành sản phẩm có thể tỷ lệ với vận tốc phát triển của tế bào và dựa trên cơ chế tạo thành sản phẩm trong các phản ứng lên men sẽ suy ra đƣợc sự phát triển của sinh khối. Tuy nhiên trong một số trƣờng hợp, quá trình phát triển của vi sinh vật và sự tạo thành sản phẩm không xảy ra song song. Về phƣơng diện chức năng của các sản phẩm trao đổi chất đối với tế bào có thể phân biệt thành hai nhóm: - Các sản phẩm mà sự tạo thành của chúng gắn liền với sự sinh trƣởng. Sự tổng hợp các sản phẩm này xảy ra trong thời gian sinh trƣởng và có thể tiếp diễn sau khi sự sinh trƣởng đã kết thúc (hình 3.11a). - Các sản phẩm mà sự hình thành của chúng không cần thiết cho sự sinh trƣởng. Sự tổng hợp của chúng xảy ra sau khi sự sinh trƣởng đã kết thúc, nghĩa là thƣờng xảy ra trong giai đoạn cân bằng, giai đoạn này của sự tạo thành sản phẩm đƣợc gọi là giai đoạn sản xuất (hình 3.11b). Khi đó giai đoạn sinh trƣởng đƣợc gọi là giai đoạn dinh dƣỡng. x = 0 ; N = -De = g (De, a, α, β, Latex, C * ) dC dx 56 Trong trƣờng hợp tổng quát sự ảnh hƣởng của nồng độ cơ chất và sản phẩm trao đổi chất lên vận tốc phát triển của vi sinh vật đƣợc mô tả bằng phƣơng trình sau: Trong đó: X - nồng độ của vi sinh vật μm - tốc độ phát triển riêng cực đại Sx - nồng độ của cơ chất sau khi phát triển x vi sinh vật S - nồng độ của cơ chất ban đầu P - nồng độ sản phẩm trao đổi chất Ks - hằng số phân ly enzyme và cơ chất Kp - hằng số phân ly tạo thành sản phẩm dX Sx Kp dt Ks + S Kp + P = μm Thời gian Thời gian Giai đoạn sinh trƣởng Giai đoạn sản phẩm Sinh trƣởng Sản phẩm Tốc độ sinh trƣởng và tạo thành sản phẩm Tốc độ sinh trƣởng và tạo thành sản phẩm a b Hình 3.11. Động học của sự sinh trƣỏng và tạo thành sản phẩm a. Sự sinh trƣởng và tạo ra sản phẩm diễn ra đồng thời b. Sự tạo thành sản phẩm bắt đầu từ khi sinh trƣởng kết thúc 57 Hình 3.12. Cân bằng vật chất vi phân đối với fermentor dòng chảy piston 3.3.4 Mô hình toán học cho một fermentor dạng ống Để thiết kế fermentor phải dựa trên cân bằng vật liệu, cân bằng nhiệt lƣợng, tốc độ phản ứng và vận tốc dòng. Cơ sở để xây dựng phƣơng trình cân bằng vật chất là định luật bảo toàn vật chất đối với các cấu tử phản ứng của hệ thống. Cân bằng vật chất có thể đƣợc thành lập đối với một phần tử riêng biệt bất kỳ của hệ thống. Nếu toàn bộ thể tích fermentor dùng làm phần tử thì cân bằng vật chất đƣợc coi nhƣ cân bằng tổng quát. Đối với một thành phần của dòng, cân bằng vật chất đƣợc gọi là cân bằng vi phân. Ở trạng thái ổn định của hệ, cân bằng vật chất tổng quát đƣợc mô tả bởi phƣơng trình đại số, còn cân bằng vi phân là phƣơng trình vi phân. Cân bằng vật chất tổng quát : “hiệu của vận tốc dòng tác nhân phản ứng ở đầu vào và đầu ra bằng vận tốc giảm tác nhân do phản ứng”. (4-1) Cân bằng vật chất vi phân: “Tổng đại số hiệu vận tốc dòng tác nhân phản ứng qua bề mặt một nguyên tố lỏng bằng vận tốc sụt giảm tác nhân do phản ứng trong phạm vi nguyên tố” (4-2) Tích phân (4-2) trong giới hạn các điều kiện của dòng chảy sẽ đƣa đến những thông tin chứa trong (4-1). Các biểu thức (4-1) và (4-2) cho phép tìm ra phƣơng trình thiết kế cơ sở cho các fermentor khác nhau. Trong quá trình xảy ra bất đẳng nhiệt, phải phối hợp thêm phƣơng trình cân bằng nhiệt lƣợng. Khi đó phƣơng trình cân bằng vật chất và cân bằng năng lƣợng liên hệ với nhau qua nhiệt phản ứng. Đối với fermentor dạng ống do nó luôn tồn tại gradien nồng độ nên không thể xây dựng phƣơng trình cân bằng vật chất dạng đại số nhƣ các fermentor khuấy trộn hoàn toàn. Dạng đơn giản nhất của fermentor dạng ống đặc trƣng ở chỗ toàn bộ các nguyên tố lỏng có cùng một vận tốc và gradien nồng độ chỉ tồn tại theo hƣớng dòng (mô hình đẩy lý tƣởng). Các fermentor có mô hình lý tƣởng nhƣ vậy có tên là fermentor dòng chảy piston. Fermentor loại này cân bằng vật chất vi phân có dạng sau: C dc C - dl U dl 58 u[ C - ( C - )] = -Rv ↔ u = - Rv dc dl dc dl (4-3) Trong đó: U : Vận tốc dòng chảy Rv : Vận tốc của phản ứng trên một đơn vị vận tốc lỏng : Gradien nồng độ theo hƣớng dòng chảy Có thể biểu diễn (4-3) ở dạng tích phân: Trong đó: Co, Ci là nồng độ cơ chất đầu vào và ra L là chiều dài fermentor Rv phụ thuộc vào nồng độ cục bộ Nếu những thông tin về Rv đầy đủ, có thể tính (4-4) theo phƣơng pháp giải tích hoặc đại số. Vế phải của (4-4) có thứ nguyên thời gian và có thể coi là biểu thức đặc trƣng cho thời gian lƣu của hỗn hợp phản ứng trong fermentor. Trong trƣờng hợp đơn giản nhất và đƣợc ứng dụng rộng rãi của (4-4) là khi Rv có quan hệ tuyến tính với nồng độ C (có nghĩa là phản ứng bậc một), tức là: Rv = K(1).C (4-5) K(1) là hệ số tốc độ phản ứng bậc một theo cơ chất Nếu kết hợp (4-4) và (4-5) sau khi tích phân ta đƣợc: Tpf là thời gian lƣu của hỗn hợp phản ứng trong fermentor dòng chảy piston Biểu thức (4-6) là phƣơng trình thiết kế fermentor dòng chảy piston khi vận tốc phản ứng trong đó phù hợp với phản ứng bậc một. Các mô hình đơn giản nhƣ vậy cho phép ngƣời ta thiết kế có thể đánh giá một cách rõ ràng hơn mối quan hệ tƣơng hỗ phức tạp, tồn tại trong các fermentor thực giữa những đặc trƣng dòng chảy của lỏng, các hiện tƣợng truyền khối, truyền nhiệt và động học phản ứng xảy ra trong đó. Chúng là cơ sở để ngƣời thiết kế dựa theo đó có thể đặt căn cứ cho những giả thuyết, những đơn giản hóa của mình và phác thảo về nguyên tắc cấu trúc của thiết bị tƣơng lai. dc dl Ci ∫ C0 dc Rv (- ) = dl U (4-4) Ci K(1) . L = exp [ - ] = exp [ -K(1) Tpf ] (4-6) Co U 59 Thuyết minh dây chuyền công nghệ Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất acid acetic theo phƣơng pháp cố định bao gồm các bƣớc sau: Đầu tiên nƣớc sử dụng để pha môi trƣờng lên men sẽ đƣợc thanh trùng bằng thiết bị khử trung nhờ tia UV (1). Nƣớc sau khi khử trùng sẽ đƣợc cho vào thiết bị khuấy trộn dịch lên men (3) cùng với các thành phần khác là C2H5OH, CH3COOH, đƣờng gluco, các chất đa và vi lƣợng... Môi trƣờng sẽ đƣợc khuấy trộn trong 15 phút để các thành phần đƣợc đồng nhất với nhau, đồng thời cũng làm giảm nhiệt độ của nƣớc pha dịch lên men . Dịch lên men sau khi đồng nhất đƣợc trữ trong thùng chứa nguyên liệu đầu (7) và đƣợc bơm lên các tháp lên men chính (4) nhờ bơm nhập liệu (6). Tháp lên men sẽ đƣợc khử trùng bằng hơi nƣớc ở nhiệt độ cao, đổ đầy vật liệu bám và trải qua giai đoạn cấy giống vi khuẩn để chuẩn bị cho quá trình lên men. Dịch lên men sẽ đƣợc tƣới từ trên xuống qua lớp đệm có bám đầy vi khuẩn acid acetic. Lƣợng cồn trong dịch lên men sẽ đƣợc chuyển hóa thành acid acetic. Sản phẩm thu nhận ở đáy tháp lên men sẽ đƣợc cho vào thùng chứa (9). Sản phẩm thu đƣợc sau khi lên men sẽ đƣợc sử dụng trực tiếp để làm đông tụ mủ cao su vì đạt đƣợc nồng độ acid acetic cần thiết và không lẫn nhiều tạp chất. Ngoài ra, ta còn có thể nâng cao nồng độ acid acetic bằng cách cho sản phẩm lên men qua một quy trình chƣng cất bằng tháp đệm. Khi đó, ta thu đƣợc một dung dịch chứa 97% acid acetic giúp thuận tiện cho việc vận chuyển đến các nơi sản xuất khác. 60 Phần 2: TÍNH THIẾT KẾ 61 CHƢƠNG I: TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH LÊN MEN 1.1 CÂN BẰNG VẬT CHẤT Ở luận án này ta tính toán và thiết kế phân xƣởng sản xuất acid acetic cho xí nghiệp chế biến mủ cao su của Nông trƣờng cao su Thành Tuy Hạ (trực thuộc Công ty cao su Đồng Nai). Xí nghiệp này có năng suất trung bình khoảng 30 tấn/ngày, mà lƣợng tiêu hao acid acetic vào khoảng 10 kg acid acetic/tấn cao su khô. Khối lƣợng acid sử dụng trong một ngày là: m = 10.30 = 300 kg acid acetic Trong dịch sau lên men ta thu đƣợc nồng độ acid vào khoảng 6%. Nhƣ vậy, lƣu lƣợng lên men mỗi ngày cần thu nhận là: Ta có phƣơng trình phản ứng tổng quát của quá trình lên men acid acetic là: C2H5OH + O2 = CH3COOH + H2O + 177 kcal Theo phƣơng trình trên với hiệu suất 100% thì 46 g rƣợu khan thu đƣợc 60 g CH3COOH. Nhƣ vậy theo lý thuyết để sản xuất đƣợc 600 kg acid acetic thì cần một lƣợng nguyên liệu cồn là: Nhƣng độ chuyển hóa của phản ứng lên men acid acetic chỉ đạt 90%, bởi vì: - Do oxy hóa không hoàn toàn rƣợu mà còn dƣ lại một lƣợng từ 0,3-0,5% nhằm tránh sự quá oxy hóa. - Vi khuẩn sử dụng một phần cơ chất cho sự tồn tại, phát triển và sinh trƣởng. - Do lƣợng rƣợu và acid acetic bị bay hơi trong suốt quá trình lên men. Đây là dạng mất mát rất lớn ( có thể mất từ 2-6% lƣợng rƣợu đƣa vào). Nhƣ vậy lƣợng cồn thực tế cần dùng là m 300 Q = = = 5000 kg/ngày ≈ 5 m 3 = 0,21 m 3 /h 0,06 0,06 230.100 mcồn = = 260 kg/ngày 90 300.46 mcồn = = 230 kg/ngày 60 62 1.2 TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH 1.2.1 Thiết bị khử trùng nƣớc Thanh trùng nƣớc pha dịch lên men là khâu đầu tiên và cũng là khâu quan trọng nhất trong quá trình lên men. Nƣớc pha dịch không đƣợc vô trùng sẽ ảnh hƣởng rất lớn tới năng suất và hiệu suất lên men. Các vi sinh vật tồn tại trong nƣớc có thể có khả năng ức chế hoạt động lên men acid acetic của vi khuẩn acetic. Vì quy trình lên men acid acetic là liên tục nên nếu xảy ra tình trạng tạp nhiễm các vi khuẩn khác trong khối lên men thì ta phải ngƣng và loại bỏ toàn bộ mẻ lên men cùng khối vật liệu bám. Do đó, quá trình khử trùng nƣớc đƣợc đặt lên vị trí hàng đầu quan trọng nhất trong các quy trình lên men. Tiêu chí quan trọng nhất của nƣớc pha dịch lên men phải đảm bảo độ sạch sinh học, nghĩa là các vi sinh vật trong nƣớc (kể cả các bào tử) phải đƣợc tiêu diệt hoàn toàn. Hiện nay, có nhiều phƣơng pháp và thiết bị thanh trùng nƣớc dựa trên mục đích sử dụng. Nhƣng nhìn chung có ba phƣơng pháp chính: Phƣơng pháp sử dụng tác nhân nhiệt để thanh trùng nƣớc Phƣơng pháp này cũng khá thông dụng nhƣng chỉ thích hợp cho việc thanh trùng các thể tích dung dịch nhỏ nhƣ thiết bị nồi hấp (sử dụng hơi nƣớc nóng có áp suất cao để thanh trùng), nồi đun. Tuy nhiên khi thiết kế cho các quy trình sản xuất lớn hơn thì chúng bộc lộ nhiều khuyết điểm: - Thiết bị khá lớn và cồng kềnh nhƣng hiệu suất thấp do lƣợng nhiệt bị thoát ra ngoài môi trƣờng khá lớn. - Thời gian khử trùng lâu (chế độ khử trùng thông thƣờng là ở 121 °C, 1.2at trong 30 phút) Nƣớc vô trùng Nƣớc Hình 1.1 Sơ đồ thiết bị khử trùng nƣớc 63 - Tiêu tồn nhiều năng lƣợng - Nếu quá trình sản xuất là liên tục phải có thiết bị trao đổi nhiệt để hạ nhiệt độ dung dịch sau khử trùng. Phƣơng pháp sử dụng các tác nhân hóa học để thanh trùng nƣớc Các phƣơng pháp này đƣợc sử dụng phổ biến hơn, các tác nhân thƣờng dùng là ozôn, H2O2, Chlorid, và các hóa chất khác. Phƣơng pháp này đạt đƣợc độ khử trùng cao và có thể khử trùng vối thể tích dung dịch lớn. Tuy nhiên chúng vẫn còn một số trở ngại khi áp dụng cho các quá trình lên men: - Giá thành các hóa chất khử trùng cao dẫn đến chi phí khử trùng cao - Hàm lƣợng tồn dƣ các hóa chất trong nƣớc sau khử trùng còn cao có ảnh hƣởng đến hoạt động của vi sinh vật trong quá trình lên men. Phƣơng pháp sử dụng các tác nhân vật lý để thanh trùng nƣớc Phƣơng pháp này đƣợc ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay do nó khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm của các phƣơng pháp trên. Việc sử dụng các tác nhân vật lý nhƣ tia UV, tia tử ngoại, sóng vi ba... không những làm giảm thời gian khử trùng mà nƣớc sau khử trùng là hoàn toàn đạt độ sạch sinh học cao, không chứa các tác nhân gây độc cho vi sinh vật. Do đó, khử trùng nƣớc pha dịch môi trƣờng lên men sử dụng thiết bị thanh trùng nƣớc bằng tia UV là thích hợp nhất. Lƣu lƣợng nƣớc khử trùng qua thiết bị là 0,58 m 3 /h. 64 1.2.2 Tính thùng pha chế Các thông số kích thƣớc thiết bị: Chọn thùng có thiết diện hình trụ tròn đáy và nắp elip tiêu chuẩn đặt thẳng đứng. Độ chứa đầy là θ = 0,8. Ở đây thùng pha chế làm việc liên tục và ổn định trong tám giờ mỗi ngày nên: Qra = Qvào = 5 / 8 = 0,625 m 3 /h = 10,42 l/phút Trong đó nguyên liệu ban đầu để lên men gồm: 4% C2H5OH, 1% acid acetic, các nguyên tố đa lƣợng và vi lƣợng và H2O. Vậy lƣu lƣợng dòng vào là: CH3COOH Q = 0,02.10,42 = 0,21 l/phút C2H5OH Q = 0,052.10,42 = 0,542 l/phút H2O Q = 9,67 l/phút Chọn thời gian lƣu của hỗn hợp là 15 phút, nhằm đáp ứng yêu cầu kỹ thuật sau: - Tạo thời gian thích hợp để các thành phần của môi trƣờng lên men đồng hóa (hòa trộn) với nhau hoàn toàn. Nhƣ vậy thể tích dung dịch trong thiết bị là Vhh = 0,125 m 3 Thể tích hỗn hợp chiếm 80% thể tích thiết bị. Vậy thể tích thiết bị là: Vtb = Vhh / 0,8 = 0,125 / 0,8 = 0,15625 m 3 Chọn thiết bị có thân hình trụ có đƣờng kính Dtb = 0,5 m Chọn đáy và nắp hình elip tiêu chuẩn có gờ. ht = 0,25.Dtb = 0,25.0,5 = 0,125 m h = 25 mm ; Vđ = Vn = 0,0214 m 3 Thể tích thân thiết bị: Vt = Vtb – 2Vn = 0,15625 – 2 . 0,0214 = 0,11345 m 3 Chiều cao thân thiết bị: Chiều cao mực chất lỏng ở phần thân: 4.Vt 4.0,11345 Ht = = = 0,58 m π.Dt 2 3,14.0,25 4.(Vt – Vđ) 4.(0,11345 – 0,0214) Hc = = = 0,47 m π . Dt 2 3,14.0,25 Hình 1.2 Sơ đồ thiết bị pha dịch lên men 65 Chiều cao mực chất lỏng trong thiết bị: H1 = Hc + ht = 0,47 + 0,125 = 0,595 m Thời gian khuấy: Đồng dạng hình học cánh khuấy: GD = D/dk = 2 Thể tích chất lỏng trong thiết bị: V = 0,125 m3 Chế độ thủy động trong thiết bị: Rek = 15485 Hệ số: m = 1 + ψ1 + ψ2 = 1- 0,3 - 0,125 = 0,575 Với ψ1, ψ2 tra đồ thị ta có kq.e 6,9m = 0,0013.2,72 6,9.0,575 = 0,069 kq = 0,0013 là hệ số lƣu lƣợng cánh khuấy Lƣu lƣợng tuần hoàn: Q = kq.e 6,9m .n.dk 3 = 0,0022 m 3 /s Thời gian ηo (η = 0,87) → ηo = 25 s Thời gian đồng hóa để η = 0,99: ηη = ηo.exp(2,25η – 1,845) = 125 s < 15 phút Bộ phận khuấy trộn: - Lựa chọn cơ cấu khuấy: Qua thực tế thấy rằng dòng chuyển động theo phƣơng hƣớng kính thích hợp cho quá trình khuấy trộn các chất lỏng với nhau. Do hỗn hợp có độ nhớt thấp nên chọn loại cơ cấu khuấy quay nhanh nhƣ cơ cấu khuấy tua bin, cơ cấu khuấy mái chèo ... Cơ cấu khuấy tua bin hở hay kín với cánh cong hay cánh phẳng đều tạo ra dòng hƣớng kính. Ở trƣờng hợp này ta lựa chọn loại đơn giản, dễ chế tạo là cánh khuấy mái chèo (bản hai cánh). - Các thông số hình học của cánh khuấy: Dk = (0,5 -0,8).Dt → chọn Dk = 0,25 m Chiều dài bản cánh khuấy: a = 0,25.Dk = 0,0625 m Chiều cao bản cánh khuấy: b = 0,2.Dk = 0,05 m Khoảng cách từ cánh khuấy đến đáy thiết bị: h = (0,25-0,5)Dt; chọn h = 0,15 m. 2.rm Rek → = = 0,62 dk 1000 + 1,6Rek 2.rm 2 2.rm 2 ηo = 2,04.V. GD - .Q -1 .GD dk dk 2 -4 66 Động cơ: Chuẩn số Reynold: Trong đó: n: số vòng quay cánh khuấy, chọn n = 2 vòng/s Dk: đƣờng kính cánh khuấy, Dk = 0,25 m ρ: khối lƣợng riêng của dung dịch, ρ = 996 kg/m3 μ = độ nhớt dung dịch, μ = 0,804 . 10-3 Pa.s Tra đồ thị cánh khuấy mái chèo bản hai cánh GD = 2; ta có chuẩn số công suất khuấy Kn = 0,2. Công suất khuấy trộn đƣợc xác định: N = KN.ρ.n 3 . dk 5 → N = 1,6 W Công suất mở máy cần có để thắng lực quán tính và lực ma sát. Vì vậy công suất mở máy gấp hai lần công suất khuấy Nc = 2.N = 3,2 W Chọn η = 75% khi đó năng suất động cơ là Nđc = Nc / 0,75 = 3,2 / 0,75 = 4,3 W Chọn động cơ có công suất Nđc = 375 W ≈ 0,5 Hp Trục khuấy: Do làm việc trong môi trƣờng acid acetic ăn mòn thiết bị nên chọn vật liệu làm thiết bị là thép hợp kim cao X18H10T. - Tính trục khuấy theo điều kiện bền  Tính momen xoắn: Với ω = 2πn (rad/s) Cx = 1,1-1,6 Hệ số giao động tải; chọn Cx = 1,1 → Mx = 32,84 N.m  Tính momen uốn: Lực hƣớng kính: Với rF là khoảng cách từ điểm đặt lực đến trục quay rF = 3.Dk/8 = 0,09375 m Nc = 2 cánh → Fr = 175,15 N n.dk 2.ρ Rek = = 154851 μ Ndc Mx = Cx . ω Mx Fr = rF . Nc 67 Chọn chiều dài từ cánh khuấy đến ở đỡ thứ nhất là l = 1 m Momen uốn đạt giá trị cực đại tại vị trí ở ổ đỡ thứ nhất Mu = Fr . l = 175,15 N.m  Ứng suất cho phép mỏi Với: ζm = 450.10 6 N/m Giới hạn bề mỏi của vật liệu nm = 2-3 Hệ số an toàn mỏi; chọn nm = 3 βb = 1,1-1,2 Hệ số tác dụng bậc, chọn βb = 1,1 kd Hệ số độ lớn, chọn sơ bộ dt = 30 mm → kd = 0,8 → [ζm] = 109,10 6 N/m 2  Tính đƣờng kính trục theo xoắn và mỏi đồng thời có tính đến sự mỏi → dt = 0,025 mm Vậy chọn đƣờng kính dt = 30 mm  Kiểm tra ứng xuất tƣơng đƣơng - Tính trục khuấy theo điều kiện cứng:  Độ võng của trục tại các ổ đỡ: fo = 6.10 -4 . Dt = 1,8.10 -5 m  Độ võng của trục tại tiết diện mắc cơ cấu Với a = (5-10)dt Khoảng cách giữa hai trục, chọn a = 5.dt = 0,15 m E = 2,05.10 5 N/mm 2 Mô đun đàn hồi của vật liệu J = π.R4/4 = 4.10-8 m4 → fk = 8,4 mm < fcp = 0,5(Dc – dk) = 235 mm với Dc = D = 500 mm ζm.kd [ζm] = nm. βb 16 √3 4 Mu Mx dt = . 1 + . π 3 Mx [ζm] 1/6 ⅓ 2 ⅓ 16 √3.Mx 4 Mu ζtd = 1 + = 67.10 6 N/m 2 < [ζm] π.dt 3 3 Mx 0,5 2 2.l Mu.l 2 a fk = fo . 1 + + 1 + a 3.E.J l 68  Độ võng tại tiết diện có hộp đệm Chọn b = 0,12 m → fđ = 0,32 mm < fcpđ = (4-6).10 3 m - Kiểm tra trục theo điều kiện ổn định giao động Vận tốc góc giới hạn của trục : Với L = 1 + a = 1,15 m : Chiều dài trục Khối lƣợng trục: m1 = 0,25.π.dt 2.L.ρ = 0,25.3,14.0,032. 1,15.7900 = 6,4 kg mk =10 kg : khối lƣợng cơ cấu khuấy Từ k và β tra đồ thị ta đƣợc α = 1,6 → ωo = 69,3 (rad/s) Vận tốc góc giới hạn riêng của trục Với μ = 0,804 cp : Độ nhớt hỗn hợp ; μn = 0,894 : Độ nhớt của nƣớc ở 25 °C → ω1 = 68,9 (rad/s) Kiểm tra điều kiện ổn định trục 2.b Mu.l 2 2.a.b b b fd = fo . 1 + + + 3 a 6.E.J l 2 l l 2 3 α2 E.J ωo = L 2 m1 mk 10 l 1 k = = = 1,36 ; β = = = 0,87 m1.L 6,4.1,15 L 1,15 ω1 μ dk = 1 +0,025 ωo μn D 0,7 0,9 -0,5 ω 2.π.n 2.3,14.2 = = = 0,18 < 0,7 thõa ω1 ω1 68,9 69 Tính bền cơ cấu khuấy: Chọn vật liệu làm cơ cấu khuấy là thép X18H10T có ζc = 220.10 6 N/m 2 Momen uốn lớn nhất xuất hiện tại chân cánh: Mu = (rF - rb)Fc Với rF = 0,09375 m ; rk = dk/2 =0,125 m rb = (0-0,5)rk → chọn rb = 50 mm Fc = FR = 175,15 N → Mumax = (0,09375-0,05).Fc → chọn Mumax = 12,3 N.m Chiều dày cánh: Trong đó: b = 0,05 m : Chiều cao bản cánh khuấy nt = 2-3 : Hệ số an toàn chảy, chọn nt = 2 → S = 3,6.10-3 m = 4 mm Hộp đệm: Chọn hộp đệm tiêu chuẩn: Đƣờng kính trục dt = 30 mm → chiều rộng khe chứa đệm b = 8 mm Chiều cao khe chứa đệm: h = (4-10)b → chọn h = 60 mm Chiều cao của vòng đầu: ht = (1,5-2)b → chọn ht = 16 mm Chiều cao vỏ hộp đệm: H = h + ht + (1-2)b → chọn H = 90 mm Chiều cao bạc ép: L = (0,4-0,5) (h + 2b) → chọn L = 35 mm Góc nghiêng của mép bạc ép: α = 15-30° → chọn α = 30° Khe hở giữa bạc ép, vòng đầu, đế đỡ và trục: δ = (4-5).10-3.dt = (0,12-0,15).10 -3 m Nhƣng δ ≤ 0,06.10-3 m nên chọn δ = 0,06 mm Tính bích Thiết bị có đƣờng kính Dt = 500 mm. Chọn vật liệu làm bích bằng thép CT3, sử dụng bích liền không cổ có thông số Bảng 1.1. Thông số bích nối thiết bị khuấy trộn Loại Dt Dn D Db D1 db Z h Mm 500 508 630 580 511 20 16 cái 20 6.Mumax.nt S = b.ζt 70 Vật liệu chế tạo thiết bị: Do thùng pha chế có chứa acid acetic nên chọn thép hợp kim cao X18H10T có các ƣu điểm phù hợp với quá trình lên men acid acetic nhƣ: - Độ bền cơ học đảm bảo chịu đƣợc áp lực của khối lên men trong thiết bị. - Không tiết ra các chất độc hại,các kim loại nặng ảnh hƣởng đến quá trình sinh trƣởng và phát triển của vi sinh vật. - Chịu đƣợc môi trƣờng acid acetic có nồng độ cao - Không bị ăn mòn bởi acid acetic Tính bề dày thiết bị  Tính bề dày thân thiết bị Áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng trong thiết bị P1 = ρ.g.H1 = 996.9,81.0,6.10 6 = 5,9.10 -3 N/mm 2 Áp suất làm việc trong thiết bị Pt = Pmt + P1 = 0,098 + 0,0059 = 0,104 N/mm 2 = 1,06 at Tính bề dày tối thiểu thân theo áp suất trong Với θ = 0,95 Hệ số bền mối hàn Bề dày tối thiểu của thiết bị [ζ] 132 Ta có: θ = 0,95 = 1206 > 50 Pt 0,104 Pt.D 0,104.500 S ’ = = = 0,21 mm 2.[ζ].θ 2.132.0,95 D Db D1 Dn Dt Hình 1.3. Kích thƣớc bích nối thiết bị 71 2 2 2 2 Bề dày thực của thân S = S’ + C Trong đó: Hệ số bổ sung ăn mòn hóa học, chọn thiết bị làm việc trong 20 năm Ca = 20.0,1 = 2 mm Bổ sung do bào mòn Cb = 0 Bổ sung do sai lệch khi chế tạo Cc = 0,8 mm Hệ số quy tròn kích thƣớc Cq =0,9 mm → C = 3,7 mm Vậy S = 0,21 + 3,7 = 3,91 mm → chọn theo tiêu chuẩn S = 4mm Kiểm tra bề dày thân Kiểm tra áp suất tính toán bên trong thiết bị  Bề dày đáy và nắp Chọn Sđ = Sn = St = 4mm Kiểm tra áp suất cho phép tƣơng tự nhƣ trên ta đƣợc [P] = 1 N/mm2 > P thõa Khối lƣợng thiết bị Khối lƣợng thân: mt = ¼.π.(Dn – Dt).H.ρ = 0,25.3,14.(0,508 2 – 0,52).0,6.7900 = 30kg Khối lƣợng đáy và nắp: mđ = mn = 5,1 kg Khối lƣợng bích mb = ¼.π.n.(D – Dt).h.ρ = 0,25.3,14.2.(0,63 2 – 0,52).0,02.7900 = 36 kg Khối lƣợng động cơ, trục khuấy và cánh khuấy: mđc = 50 kg Khối lƣợng chất lỏng trong thiết bị: m1 = 0,125.996 = 124,5 kg Khối lƣợng toàn thiết bị: m = 246 kg S -Ca 4 - 2 ≤ 0,1 ↔ = 0,004 < 0,1 Dt 500 2.[ζ].θ.(S – Ca) 2.132.0,95.(4 – 2) [P] = = = 1 N/mm 2 > P : hợp lý D + (S – Ca) 500 + (4 – 2) 72 1.2.3 Tính tháp lên men Kích thƣớc tháp Tháp lên men là thiết bị dùng để lên men acid acetic từ nguyên liệu đầu C2H5OH; CH3COOH; H2O, nguyên tố vi lƣợng; đa lƣợng ... Năng suất lên men dấm Q = 0,21 m3/h. Nếu ta thiết kế một tháp thì thiết bị sẽ rất lớn, điều này không hiệu quả, khó phân phối đều chất lỏng và không khí. Vì vậy ta chia thành 4 thùng lên men làm việc song song và năng suất mỗi thùng là: Qa = 0,21/4 = 0,0525 m 3 /h = 0,88 l/ph Theo số liệu thu đƣợc từ thực nghiệm ta có: Đƣờng kính thiết bị: d’ = 250 mm Tiết diện của thiết bị: S = ¼.π.d’2 = 0.05 m2 Lƣu lƣợng tối ƣu: Q’ = 110 ml/ph =110.10-6 m3/ph Hằng số tốc độ tạo sản phẩm tối ƣu: K = 400.10-6 l/ph = 0,024 l/h Do phản ứng lên men tạo acid acetic đƣợc coi gần nhƣ phản ứng bậc một nên có sự tƣơng quan tỉ lệ thuận giữa tiết diện S thiết bị và lƣu lƣợng của dòng nhập liệu vào tháp lên men. Vì vậy, tiết diện thiết bị tính theo lƣu lƣợng dòng nhập liệu là: Quy chuẩn đƣờng kính tháp d = 0,8m = 800 mm Áp dụng phƣơng trình thiết kế fermentor cho sản phẩm của phản ứng ta có : Trong đó: T là thời gian lƣu của dịch lên men hay thời gian lên men K là hằng số tốc độ tạo sản phẩm tối ƣu; K = 0,024 l/h Co là nồng độ acid acetic đầu vào S ’ .Q 0,05.0,88 S = = = 0,4 m 2 Q ’ 0,11 4S 4.0,4 mà S = ¼ .π.d2 → d = = = 0,71 m π 3,14 Ci Ci 1 Ci = e (KT) hay Ln = KT → T = Ln Co Co K Co Hình 1.4 Sơ đồ thiết bị tháp lên men chính 73 Ci là nồng độ acid acetic đầu ra → T = 46 h Vận tốc dòng chảy trong thùng lên men Chiều cao thùng lên men Quy chuẩn chiều cao tháp là L = 5m Chọn khoảng cách giữa phần đệm và đỉnh thùng h1 = 0,5 m Chọn khoảng cách giữa phần đệm và đáy thùng h2 = 0,5 m Lựa chọn chủng vi sinh vật lên men Chọn giống: nhƣ đã trình bày ở phần I, giống vi khuẩn đƣợc chọn cho quá trình sản xuất acid acetic là giống Acetobacte aceti vì có nhiều ƣu điển thích hợp cho phƣơng pháp lên men nhanh: có độ bám dính cao, tạo màng mỏng tơi xốp, tích lũy và chịu đƣợc nồng độ acid cao, dễ phân lập và thích hợp với điều kiện khí hậu nhiệt độ của nƣớc ta. Nhiệt độ phát triển tối ƣu của chúng là 36 °C, với điều kiện lên men ổn định giống vi khuẩn này có thể tích lũy đƣợc 6% acid acetic. Xử lý vật liệu đệm Nhƣ đã trình bày ở trên, tre là vật liệu bám thích hợp để làm vật liệu bám cho màng vi khuẩn trong thiết bị lên men acid acetic. Quá trình xử lý tre gồm các bƣớc: Tre mua về đƣợc đem tƣớc bỏ lớp vỏ láng bên ngoài và phơi thật khô. Sau đó cắt thành từng vòng Rasching có kích thƣớc: Đƣờng kính ngoài dn = 25-30 mm Bề dày khoanh tre l = 3-5 mm Chiều cao h = 25-30 mm Thể tích tự do ε = 0,7 m3/m3 Khối lƣợng riêng ρ = 350 kg/m3 π.d2 4.Q 4.880.10-6 Q = S.u = .u → u = = = 1,75.10-3 m/ph 4 π.d2 3,14.0,82 Q.T Q.T 0,0525.46 L = = = = 4,8 m S ¼.π.d2 0,25.3,14.0,82 74 Trƣớc khi cho vào tháp lên men tre phải trải qua các bƣớc xử lý sau: - Luộc và rửa nhiều lần cho đến khi nƣớc luộc trong - Đem sấy khô ở 80 °C trong vòng 2 giờ - Hấp bằng hơi nƣớc bão hòa (áp suất dƣ) 0,5 at trong 30 phút để tách dầu furfurol và diệt khuẩn - Ngâm trong dung dịch acid acetic 8% để trích ly triệt để các chất gây độc. Xác định chế độ thông khí: Từ phƣơng trình phản ứng tổng quát: C2H5OH + O2 = CH3COOH + H2O + 177kcal Về lý thuyết để oxy hóa 1kg rƣợu khan cần 2,3 m3 không khí ở điều kiện tiêu chuẩn, nhƣ vậy lƣu lƣợng không khí qua mỗi tháp lên men trong một ngày là: Vkk = ¼.260.2,3 = 150 m 3 /ngày ≈ 0,105 m3/ph Thể tích tự do trong lớp vật liệu đệm của thiết bị lên men là: Vtd = ¼.π.d 2.L.ε = 0,25.3,14.0,82.5.0,7 =1,76 m3 Khi quá trình lên men diễn ra, vi khuẩn acetic sẽ oxy hóa cơ chất phản ứng sinh ra một lƣợng nhiệt đáng kể (khoảng 2420 kcal/kg rƣợu khan). Lƣợng nhiệt đó sẽ làm cho nhiệt độ của toàn bộ khối lên men cao hơn so với nhiệt độ của môi trƣờng chung quanh từ 8-10 °C. Hơn nữa, còn có sự chênh lệch nhiệt độ (khoảng 2-3 °C) giữa phần đỉnh và đáy tháp do càng về đáy tháp độ chuyển hóa càng tăng cao ( trình bày ở phần 2.5). Nhƣ vậy với hai sự chênh lệch nhiệt độ này sẽ tạo ra một áp suất khí tạo một dòng lƣu chuyển từ ngoài môi trƣờng vào đáy tháp rồi lên đỉnh tháp và thoát ra ngoài. Chính dòng khí lƣu chuyển này sẽ cung cấp đầy đủ lƣợng không khí cần thiết cho quá trình lên men. Nhƣ vậy, chỉ cần chế độ thông khí tự nhiên là đủ cung cấp lƣợng không khí cần thiết cho quá trình lên men acid acetic. Do đó, khi thiết kế xây dựng nhà xƣởng sản xuất acid acetic cần chú ý độ thoáng khí của các tháp lên men. Vị trí của nhà xƣởng phải nằm đầu các hƣớng gió để đảm bảo tốt cho quá trình thông khí tự nhiên cho các tháp lên men. Phần đáy các tháp lên men cần thiết kế các cửa thông gió, đƣờng kính khoảng từ 8-10 cm, dạng ống nghiêng góc 30° so với phƣơng nằm ngang, dài khoảng 20 cm. 75 Vật liệu chế tạo thiết bị Do thiết bị làm việc trong môi trƣờng có nồng độ acid cao nên chọn vật liệu chế tạo là thép hợp kim X18H10T có những ƣu điểm đã nêu nhƣ trên là thích hợp nhất. Tính bề dày thiết bị  Tính bề dày thân thiết bị Áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng trong thiết bị P1 = ρ.g.H1 = 1000.9,81.5 = 49050 N/m 2 = 0,049 N/mm 2 Áp suất làm việc trong thiết bị Pt = Pmt + P1 = 0,098 + 0,049 = 0,147 N/mm 2 = 1,5at Tính bề dày tối thiểu thân theo áp suất trong Với θ = 0,95 Hệ số bền mối hàn Bề dày tối thiểu của thiết bị Bề dày thực của thân S = S’ + C Trong đó: Hệ số bổ sung ăn mòn hóa học, chọn thiết bị làm việc trong 20 năm Ca = 20.0,1 = 2 mm Bổ sung do bào mòn Cb = 0 Bổ sung do sai lệch khi chế tạo Cc = 0,5 mm Hệ số quy tròn kích thƣớc Cq =0,5 mm → C = 3 mm Vậy S = 0,47 + 3 = 3,47 mm → chọn theo tiêu chuẩn S = 5 mm Kiểm tra bề dày thân [ζ] 132 Ta có: θ = 0,95 = 853 > 50 Pt 0,147 Pt.D 0,147.800 S ’ = = = 0,47 mm 2.[ζ].θ 2.132.0,95 S -Ca 5 - 2 ≤ 0,1 ↔ = 0,004 < 0,1 Dt 800 76 Kiểm tra áp suất tính toán bên trong thiết bị Bề dày đáy và nắp thiết bị lên men: Trong đó: hb là chiều cao phần lồi của đáy nắp; hb = 200 mm k = 1 là các lỗ đƣợc tăn cứng hoàn toàn → S’ = 2,2 mm mà S = S’ + C = 5 mm Các thông số của bích: Bảng 1.2. Thông số bích nối tháp lên men chính Loại Dt Dn D Db D1 db Z h mm 800 808 930 880 850 20 24 cái 25 Khối lƣợng thiết bị Khối lƣợng thân: mt = ¼.π.(Dn – Dt ).H.ρ = 0,25.3,14.(0,805 2 – 0,82).6.7900 = 300 kg Khối lƣợng đệm: mđ = ¼.π.D 2 .H.ρ = 0,25.3,14.0,82.5.360 = 905 kg Khối lƣợng bích: mb =¼.π.(D 2 - Dt).h.ρ = 0,25.3,14.(0,94 2 – 0,82).0,025.7900 = 38 kg Khối lƣợng của đáy và nắp thiết bị: mđ = 2.32,6 = 65,2 Khối lƣợng toàn tháp: m = 300 +905 +38 + 65,2 = 1310 kg 2.[ζ].θ.(S – Ca) 2.132.0,95.(5 – 2) [P] = = = 0,94 N/mm 2 > P : hợp lý D + (S – Ca) 800 + (5 – 2) 2 2 D.[P] D S ’ = . 3,8.[ζk].k.θ – [P] 2.hb 2 77 1.3 TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ PHỤ 1.3.1 Đĩa phân phối lỏng Đĩa phân phối lỏng đƣợc làm từ thép X18H10T, có bề dày 3mm Các thông số đĩa phân phối lỏng Đƣờng kính đĩa : 500 mm Số ống : 37 ống Kích thƣớc ống : 44,5x2 mm Bƣớc ống : 70 mm 1.3.2 Lƣới đỡ đệm Lƣới đỡ đệm làm từ thép X18H10T Các thông số kích thƣớc lƣới đỡ đệm: Bề rộng thanh đỡ đệm : 5 mm Bƣớc thanh đỡ đệm : 22 mm Đƣờng kính lƣới : 785 mm Xác định khối lƣợng trên lƣới đỡ đệm: m = mđk + mn Trong đó: mđk là khối lƣợng đệm khô; mđk = 905 kg mn là khối lƣợng của dịch lỏng trong tháp lên men mn = Q.T.ρ = 0,0525.46.1000 = 2415 kg → m = 3320 kg Xác định tải trọng theo diện tích tính trên lƣới đỡ đệm: Chiều dày tính toán tối thiểu của vỉ ống theo tải trọng: Trong đó: θ hệ số làm yếu vỉ ống khi khoan lỗ; θ = (Dn – Σd)/Dn Dn đƣờng kính vỉ ống, mm Σd tổng số đƣờng kính các lỗ trong vỉ, mm 4.m.g 4.3320.9,98 P = = = 65950 N/m 2 = 0, 66 N/mm 2 S 0,2 P S = D.K. (mm) θ.[ζu] 78 [ζn] ứng xuất cho phép khi uốn của vật liệu làm vỉ ống [ζn] = 146 N/mm 2 D đƣờng kính trong của thân thiết bị, D = 800 mm K = 0,45 – 0,6, chọn K = 0,5 Gọi x là số thanh trên lƣới đỡ đệm → (x+1) khe Trên đƣờng kính lƣới chừa mỗi bên 50 mm để gắn bulông đƣờng kính 20 mm Vậy ta có: 5x + (22-5)(x+1) = 785-100 → x =30 thanh → có 31 khe → Σd = 527 mm → θ = 0,33 Vậy S = 47 mm Chọn theo tiêu chuẩn S = 50 mm Khối lƣợng lƣới đỡ đệm m = 79 kg 1.3.3 Tính chân đỡ tai treo Dùng 4 chân đỡ và 12 tai treo Chọn vật liệu làm chân đỡ và tai treo là thép CT3 Tải trọng thô của mỗi tháp Gthô = 3,8.10 4 N → Go = Gthô /16 = 0,24.10 4 N Bảng 1.3. Kích thƣớc tai treo TT cho phép 104 N Kích thƣớc (mm) L B B1 H S l a d 0,35 100 70 80 160 7 40 15 16 Bảng 1.4. Kích thƣớc chân đỡ TT cho phép 104 N Kích thƣớc (mm) L B B1 B2 H h s l d 0,35 200 140 170 235 290 160 14 70 16 79 1.3.4 Tính bơm, thùng chứa và ống dẫn - Tính bơm: Áp dụng phƣơng trình Becnoulli cho 4 mặt cắt 1-1; 2-2; 3-3; 4-4 Trong đó: p = 0 N/m2 ; v = 0, 1 m/s → Vậy H = 24 + Σhw Tổng trở lực trên đƣờng ống Tính hệ số λ (chọn sơ bộ l = 20 m) Chọn ε = 0,2 mm (độ nhám tuyệt đối của ống dẫn) Δ = ε/d = 0,2/40 = 0,005 → λ = 0,034 Hệ số trở lực đƣờng dài: λ.l/d = 0,034.20/0,04 = 17 Hệ số trở lực cục bộ: Σξ = 4.(ξ1 + ξ2 + ξ3 + ξ4 + ξ5) Hệ số trở lực của các ống nối bằng ren 90 °C có d = 40 mm ξ1 = ξ5 = 1,1 p v 2 4.(Z + + ) = Σhw γ 2g λ.l v2 Σhw = ( Σξi + ) d 2.g v.d.ρ 0,1.0,04.958,2 Re = = = 12948 >10 4 μ 0,296.10-3 100 λ = 0,1.(1,46.Δ + )0,25 Re 1 1 2 2 3 3 4 4 ξ1 ξ2 ξ5 ξ3 ξ4 ξ1 80 Hệ số trở lực của các van tiêu chuẩn ξ2 + ξ4 = 4,6 Trở lực của các lƣu lƣợng kế không đáng kể: ξ3 = 0 → Σξ = 45,6 → Σhw = 0,031 m Vậy H = 24 + 0,031 = 6,031 m Công suất bơm: Trong đó: η là hiệu suất bơm; η = ηh + ηn + ηg = 0,77 ηh = 0,85 là hiệu suất hữu ích của bơm ηn = 0,95 là hiệu suất truyền động ηg = 0,95 là hiệu suất hữu ích truyền động Công suất động cơ điện: Chọn bơm ПΧП là bơm ly tâm một cấp nằm ngang để bơm dung dịch có tính acid có khối lƣợng riêng nhỏ hơn 1200 kg/m3. Các thông số của bơm: Năng suất : 8 – 540 m3/h Áp suất toàn phần : 10 – 52 m Số vòng quay : 735 – 2900 vòng/phút Nhiệt độ : -40 – +80 °C Chiều cao hút : 3 – 7 m Q.H.ρ.g N = = 0,08 kW 1000. η N Nđc = = 0,025 kW ηh.ηn 81 - Tính thùng chứa: Tính thùng chứa dịch lên men đầu: Thể tích dung dịch cần chứa là Vdd = 5.2/3 = 3,3 m 3 Chọn Vdd = 80% Vth → Vth = 4,2 m 3 Chọn thùng chứa là hình hộp chữ nhật có chiều dài a = 2 m; chiều rộng b = 1,5 m; chiều cao thùng chứa là của = 1,5 m Tƣơng tự tính cho thùng chứa sản phẩm cuối ta đƣợc các thông số V th = 6,25 m 3 ; chiều dài và rộng a = b = 2 m; chiều cao của = 1,7 m. Các thùng chứa sẽ đƣợc làm bằng vật liệu chống ăn mòn bởi acid nhƣ thép hoặc hợp kim inox, hay các loại nhựa tổng hợp... - Tính ống dẫn Kích thƣớc ống dẫn đƣợc xác định theo công thức Trong đó: G là lƣu lƣợng khối lƣợng, kg/s ω = 0,1-0,5 m/s là vận tốc dòng chảy trong ống ρ là khối lƣợng riêng, kg/m3 Bảng 1.5. Kết quả tính đƣờng kính ống nối tháp Loại ống Vị trí G (m 3 /h) Ρ (kg/m 3 ) ω (m/s) Dtt (mm) Dtc (mm) Ống nhập liệu và ống tháo dịch đáy TB khử trùng TB khuấy trộn Tháp lên men 0,58 0,625 0,0525 995,7 993,5 993,5 0,3 0,32 0,14 26 26 11,5 30 30 15 Bảng 1.6. Kích thƣớc bích nối ống dẫn vào tháp Tên gọi Dt mm Dn mm D mm Db mm D1 mm db mm Z cái H mm TB khử trùng TB khuấy trộn Tháp lên men 30 30 15 40 40 18 110 110 80 70 70 55 55 55 40 10 10 10 4 4 4 15 15 10 4.G d = π.ω.ρ 82 CHƢƠNG II: TÍNH XÂY DỰNG VÀ TÍNH KINH TẾ 2.1 TÍNH XÂY DỰNG 2.1.1 Lựa chọn địa điểm xây dựng phân xƣởng Ở luận án này ta thiết kế phân xƣởng sản xuất acid acetic với mục đích phục vụ cho việc đông tụ mủ cao su, nên chọn địa điểm xây dựng phân xƣởng nằm cạnh nơi tiến hành đông tụ mủ cao su. Cụ thể là phân xƣởng đƣợc thiết kế nằm tại nơi thu nhận và chế biến mủ của nông trƣờng Thành Tuy Hạ, huyện Nhơn Trạch, tỉnh Đồng Nai. Chọn nơi thông thoáng, không có mùi độc hại gây ảnh hƣởng đến quá trình lên men. - Gần nguồn nguyên liệu - Gần nguồn nƣớc để phục vụ cho quá trình sản xuất - Thuận lợi cho sự vận chuyển sản phẩm tới nơi tiêu thụ - Thuận tiện giao thông an toàn và an ninh quốc gia 2.1.2 Bố trí mặt bằng phân xƣởng Yêu cầu chung khi bố trí tổng mặt bằng - Phù hợp với quy hoạch chung của địa phƣơng - Dây chuyền sản xuất phải bố trí thuận lợi, hợp lý - Đảm bảo thông gió, chống nắng bụi - Thuận tiện đi lại giữa các khu vực sản xuất - Đảm bảo an toàn, phòng hỏa hoạn khi sản xuất - Có khả năng mở rộng sau này - Nền xƣởng đƣợc san lấp bằng phẳng, cao ráo, đƣợc tráng bằng lớp bê tông và một lớp xi măng dày 1-3 cm để bảo vệ và làm láng nền - Tƣờng nhà xây bằng gạch ống có các cột đặt trên móng bê tông, có cửa thông gió - Mái lợp bằng tôn có kích thƣớc 1,5-0,8 m. Khu lên men đƣợc xây cao 8 m, chia làm hai tầng để nâng đỡ và bao che thiết bị - Phân xƣởng sản xuất acid acetic đƣợc xây ở hƣớng bắc, nằm đầu hƣớng gió để thuận lợi cho quá trình thông khí tự nhiên ở thiết bị lên men. Đƣợc bố trí gần khu chế biến mủ cao su để thuận lợi cho việc vận chuyển. 83 Bảng 2.1. Diện tích xây dựng các nhà xƣởng sản xuất STT Tên công trình Kích thƣớc (m) Diện tích (m2) 1 2 3 Nhà lên men Kho chứa nguyên liệu Kho chứa thành phẩm 5x10 5x5 5x10 50 25 50 2.1.3 Năng lƣợng cung cấp - Nƣớc sử dụng pha dịch lên men: N1 = 0,58 m 3 /h - Nƣớc dùng cho sinh hoạt: N2 = qn.Nc = 0,1.6/24 = 0,025 m 3 /h Trong đó: qn = 0,1 m 3 là lƣợng nƣớc cung cấp cho một ngƣời Nc = 6 là số ngƣời làm việc trong ngày - Lƣợng nƣớc dùng cho cây xanh: N3 = 0, 5.N2 = 0,013 m 3 - Tổng lƣợng nƣớc sử dụng: N = N1 + N2 + N3 = 0,62 m 3 /h = 4673 m 3 /năm 2.1.4 Điện cung cấp - Điện dùng cho động cơ: Bơm nhập liệu vào tháp lên men: N1 = 0,375 kW Động cơ khuấy: N2 = 0,375 kW Tổng công suất động cơ: P1 = N1 + N2 = 0,75 kW - Điện dùng cho chiếu sáng: Tính gần đúng bằng 0,75 lần điện dùng cho động cơ: P2 = 0,56 kW 5 m 15 m 5 m 1 0 m Kho chứa sản phẩm Kho chứa nguyên liệu Xƣởng lên men chính P. Dụng cụ P. Hành chính 84 - Điện dùng cho thiết bị khử trùng nƣớc : P3 = 0,25 kW - Công suất nhà máy: P = KC.P1 + K.P2 Trong đó: KC = 1 là hệ số đồng bộ động cơ ; K = 0,9 là hệ số sử dụng - Năng lƣợng dùng cho động cơ: A1 = P1.T.K.K’ = 4061 kW Trong đó: T là thời gian sử dụng trong năm,h K’ = 1,03 là hệ số tổn hao trên mạng - Năng lƣợng dùng cho chiếu sáng: A2 = P2.T.K.K’ = 4548 kW - Năng lƣợng dùng cho khử trùng nƣớc : A3 = P3.T.K.K’ = 677 kW - Tổng lƣợng điện tiêu thụ hàng năm: A = A1 + A2 = 9286 kW 2.2 TÍNH KINH TẾ 2.2.1 Vấn đề vệ sinh môi trƣờng - Nƣớc thải công nghiệp Nói chung nƣớc thải của nhà máy rất ít chỉ bao gồm nƣớc ngƣng thải từ thiết bị khử trùng nƣớc và nƣớc thải sinh hoạt của công nhân. Nguồn nƣớc thải này có mức độ ô nhiễm không cao nên chi phí xử lý thấp. - Khí thải công nghiệp Ống khói phân xƣởng phải đƣa lên độ cao thích hợp, nhà xƣởng có hệ thống thông gió. Khói bụi phải qua hệ thống lọc bụi trƣớc khi thải ra ngoài. - Các quy trình bảo bảm an toàn lao động Phải trang bị dụng cụ bảo hộ lao động khi làm việc. Kho hóa chất để nơi khô thoáng, cuối hƣớng gió và tránh dính acid vào ngƣời. Thƣờng xuyên kiểm tra điện tránh để dây điện lẫn vào khu sản xuất, tránh chạm vào thiết bị điện khi hệ thống đang hoạt động. Định kỳ kiểm tra máy móc, chấp hành đúng quy định trong lúc vận hành. Nhà xƣởng cần có cửa sổ để thông gió và chiếu sáng tự nhiên. Các bóng đèn đƣợc bố trí hợp lý đủ sáng cho công nhân làm việc. Chung quanh phải có hệ thống chữa cháy. 2.2.2 Tổ chức nhân sự trong nhà máy Bảng 2.2. Tổ chứa nhân sự của nhà máy STT Nơi làm việc Số lƣợng ngƣời Số ca/ngày Ngƣời/ ngày 1 2 Khu lên men Trực ca 1 1 3 3 3 3 85 - Công nhân dự trữ: Cdt = Cct.(Ndt – Ntt)/Ntt = 1 ngƣời Tong đó: Ndt = 310 là số ngày làm việc theo chế độ, ngày Ntt = 288 là số ngày làm việc theo thực tế trung bình Số công nhân tham gia sản xuất: a = 6 + 1 = 7 ngƣời Nhân viên gián tiếp: b = 0,1.a = 1 ngƣời Tổng nhân viên trong phân xƣởng: C = a + b = 8 ngƣời 2.2.3 Tính vốn đầu tƣ Vốn đầu tƣ cho xây dựng x1 = F.d = 62,5.10 6 đ Trong đó: F = 125 m2 là diện tích xây dựng d = 500.000 đ/m2 là đơn giá đất - Vốn xây dựng đƣờng xá và các công trình khác: x2 = 0,5.x1 = 31,25.10 6 đ - Tổng vốn đầu tƣ xây dựng: x = x1 + x2 = 93,75.10 6 đ - Khấu hao xây dựng: Ax = a.x = 46,9.10 6 đ Vốn đầu tƣ cho thiết bị Chi phí cho thiết bị chính: Giá một kg thép: 60.000 đ Giá 1 m ống thép: 30.000 đ Máy bơm, động cơ: 800.000 đ/Hp Khối lƣợng thép sử dụng: m = mkhuấy + mlm + mkhác = 4652 kg Chi phí thép cho chế tạo thiết bị: 4652 x 60.000 = 279,1.106 đ Chi phí cho ống thép: 50 x 30.000 = 1,5.106 đ Chi phí cho động cơ: 3 x 800.000 = 2,4.106 đ Chi phí cho thiết bị khử trùng nƣớc : 7.106 đ → Tổng chi phí cho thiết bị: T1 = 290.10 6 Chi phí gia công chế tạo: T2 = (1-1,5 T1) = 1,5T1 = 435.10 6 đ Chi phí mua vật liệu đệm: T3 = 2500.000 x 3,62 = 9,05.10 6 đ Chi phí thiết bị phụ tùng: T4 = 0,1T1 = 29.10 6 đ Chi phí thiết bị kiểm tra điều khiển: T5 = 0,15T1 = 43,5.10 6 đ Chi phí thiết bị vệ sinh công nghiệp: T6 = 0,1T1 = 29.10 6 đ Chi phí lắp đặt thiết bị: T7 = 0,2T1 = 58.10 6 đ Chi phí khác: T8 = 0,1T1 = 29.10 6 đ 86 → Tổng chi phí: T = ΣTi = 923.10 6 đ Khấu hao hằng năm cho thiết bị: AT = 0,5%T = 4,6.10 6 đ Vậy số vốn đầu tƣ: V = x + T = 1017.106 đƣợc Khấu hao tài sản cố định: A = Ax + AT = 51,5.10 6 đƣợc Tính giá thành sản phẩm - Chi phí trực tiếp: Chi phí cho nguyên liệu cồn, chất dinh dƣỡng : C1 = 1300.10 6 đ Chi phí điện: C2 = 9286.1000 = 9,3.10 6 đ Chi phí nƣớc: C3 = 4673.2000 = 9,5.10 6 đ → Tổng chi phí trực tiếp: Ctt = 1247,3.10 6 - Chi phí gián tiếp: Lƣơng bình quân công nhân: 1.000.000 đ Chi phí lƣơng: C’ = 1.000.000.8.12 = 96.106 đ Chí phí khác: C’’ = 0,1C’ = 9,6.106 đ → Tổng chi phí gián tiếp Cgt = 105,6.10 6 đ Giá thành toàn bộ: GTB = Ctt + Cgt = 1424.10 6 đ Khấu hao: A2 = 0,5%.GTB = 7.10 6 đ Giá thành phẩm: X = GTB/Q = 750 đ/l Lãi hàng năm và thời gian thu hồi vốn: Lãi hằng năm: L = Q(x – X) Với x là giá bán một đơn vị sản phẩm; x = 2000 đ/l Thuế đặc biệt 40% Vậy L = 5.103.365.[(1 – 0,4).5000 – 750] = 821.106 đ l là tiền lãi do vốn đầu tƣ cố định sinh ra lãi suất ngân hàng 3% tháng l = 3%.V.12 = 366,12.10 6 đ L ’ = L – l = 455.106 đ Thời gian thu hồi vốn: V t = = 2 năm L ’ + A 87 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Acid acetic có rất nhiều ứng dụng trong các ngành kinh tế khác nhau, trong đó sản xuất acid acetic để cung cấp cho nhu cầu chế biến mủ cao su là một vấn để khá cấp bách hiện nay. Với sự tăng trƣởng và phát triển nhanh của ngành chế biến mủ cao su trong những năm gần đây cho thấy nhu cầu sử dụng acid acetic để làm đông tụ mủ cao su là rất lớn. Trong khi đó, hầu nhƣ lƣợng acid acetic này phải nhập khẩu bằng ngoại tệ vì nƣớc ta chƣa có cơ sở nào sản xuất đƣợc. Vì vậy việc triển khai một phân xƣởng sản xuất acid acetic này có ý nghĩa kinh tế rất lớn. Việc kết hợp các ứng dụng của kỹ thuật sinh học và công nghệ để giải quyết các vần đề khó khăn của các ngành kỹ thuật đang là một hƣớng đi đúng đắn và mang ý nghĩa thực tiễn to lớn. Vấn đề quan trọng nhất trong hƣớng đi này là phải biết lực chọn và ứng dụng các kỹ thuật sinh học dựa vào thực tế và phù hợp với hoàn cảnh nƣớc ta hiện nay. Sản xuất acid acetic theo phƣơng pháp nhanh mang lại những ƣu điểm: - Tận dụng đƣợc những nguyên liệu rẻ tiền từ các sản phẩm nông nghiệp - Phù hợp với trình độ khoa học của nƣớc ta, dễ dàng cơ giới hóa tự động hóa - Sản xuất ra những sản phẩm có nguồn gốc sinh học an toàn - Không gây ô nhiễm môi trƣờng nhƣ các quy trình sản xuất công nghiệp khác Do đó, sản xuất acid acetic bằng phƣơng pháp lên men nhanh là giải pháp triệt để nhất, phù hợp với xu hƣớng phát triển của nƣớc ta hiện nay. Tuy acid acetic sản xuất ra có nồng độ chƣa cao và còn lẫn tạp chất (chỉ với hàm lƣợng khá thấp) nhƣng có thể đƣợc sử dụng cho nhiều mục đích khác nhƣ làm giấm thực phẩm, hoặc acid acetic đậm đặc sử dụng trong công nghiệp... Để tạo ra các sản phẩm nhƣ vậy cần thiết kế các quy trình tinh sạch, nâng cao nồng độ acid acetic và quy trình kiểm tra chất lƣợng sản phẩm bên cạnh quy trình sản xuất. Đây là phƣơng hƣớng phát triển tốt nhất của mô hình sản xuất acid acetic (đa dạng hóa sản phẩm). Do hạn chế về kinh nghiệm, thời gian thực hiện nên kết quả trên đây chỉ là kết quả sơ bộ cho việc triển khai một phân xƣởng sản xuất acid acetic. 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Đồng Thị Thanh Thu, 1999 Sinh hóa ứng dụng - Tủ sách Đại học khoa học tự nhiên 2. Hoàng Đình Tín, 2002 Nhiệt công nghiệp - NXB Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh 3. Hồ Lê Viên, 1999 Thiết kế và tính toán các chi tiết thiết bị hóa chất NXB Khoa học kỹ thuật 4. Nguyễn Văn Lụa, 2002 Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm Tập 1: Các quá trình và thiết bị cơ học Quyển 1: Khuấy - Lắng - Lọc NXB Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh 5. Nguyễn Tài - Tạ Ngọc Cầu, 1999 Thủy lực đại cƣơng – NXB Xây Dựng 6. Nguyễn Đức Lƣợng, 2002 Công nghệ vi sinh Tập 1: Cơ sở vi sinh vật công nghiệp Tập 2: Vi sinh vật học công nghiệp NXB Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh 7. Nguyễn Khoa Chi - Hà Xuân Tƣ, 1986 Cây cao su, kỹ thuật trồng, khai thác và chế biến NXB Tp Hồ Chí Minh 8. Nguyễn Đức Trí, 2004 Công nghệ cao su thiên nhiên – NXB Tp Hồ Chí Minh 9. Nguyễn Minh Tuyển, 1995 Các máy khuấy trộn công nghiệp – NXB khoa học và kỹ thuật 89 10. Phạm Văn Bôn - Nguyễn Đình Thọ, 1998 Quá trình và công nghệ hóa học Tập 5: Quá trình và thiết bị truyền nhiệt NXB Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh 11. Trần Viết Hùng - Trịnh Văn Dũng - Đinh Văn Sâm, 1987 Sản xuất acid acetic theo phƣơng pháp nhanh Tạp chí khoa học (21 trang) – Hà Nội 12. Trần Xoa - Nguyễn Trọng Khuôn - Phạm Xuân Toản - Hồ Lê Viên, 1999 Sổ tay quá trình thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm - Tập 1,2 NXB Khoa học và kỹ thuật Hà Nội 13. Viện nghiên cứu và phát triển cây cao su Việt Nam, Trung tâm nghiên cứu phát triển cây cao su Bến Cát, Bình Dƣơng, 2004 Kỹ thuật trồng cây cao su – NXB Nông Nghiệp Quy trình kỹ thuật cây cao su - Tổng công ty cao su Việt Nam 14. Võ Văn Bang - Vũ Bá Minh, 1998 Truyền khối - Tập 3 – Trƣờng Đại học kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh