ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Mục Lục Mục Lục 1 Chương 1 2 2. Tính chất và ứng dụng của cồn 6 3. Phương pháp hấp phụ (rây phân tử) 14 Chương 2 23 Chương 3 32 Chương 4 33 Chương 5 41 I. Chọn tác nhân giải hấp phụ 41 Chương 6 46 III. Tính toán thiết bị ngưng tụ sản phẩm 62 Kết Luận Tài Liệu tham khảo Trang 1 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Chương 1 TỔNG QUAN I. Mục đích đề tài 1. Tính thực tiễn của đề tài Trang 2 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Các nhà khoa học cho biết, chúng ta đang sống trong một giai đoạn lịch sử mới cảu trái đất – kỷ nguyên loại người – khi chúng ta là nguồn lực chính của trái đất. Nhưng hiện nay sự thành công thái quá của con người đã gây ra những áp lực chưa từng thấy cho hệ sinh thái trái đất và đe dọa chính loài người . Theo các chuyên gia, chúng ta đang phải đối mặt với sáu vấn đề có liên quan tới nhau và rất cấp bách: - Lương thực: Cứ sáu người thì có một người bị đói và suy dinh dưỡng trong khi đó quá trình công nghiệp hóa và dân số tăng đang làm giảm diện tích trồng cây lương thực - Nước: Đến năm 2025, 2/3 dân số thế giới phải sống trong vùng thiếu nước sạch - Năng lượng: Hiện nay nguồn năng lượng chính của chúng ta đến từ dầu mỏ và khí đốt, trong khi đó nguồn nhiên liệu hóa thạch này đang khan hiếm dần và dự đoán sẽ hết trong một tương lai rất gần - Biến đổi khí hậu: Biến đổi khí hậu đã và đang diễn ra trên toàn thế giới, nó có ảnh hưởng rất lớn đến đời sống con người trên trái đất - Đa dạng sinh học: Nhiều nhà khoa học cho rằng thế giới đang bước vào cuộc “đại tuyệt chủng” lần thứ 6 do các vấn đề về ô nhiễm môi trường và tăng dân số - Ô nhiễm: Các chất được cho là ô nhiễm đã có trong tự nhiên từ rất lâu nhưng hiện giờ chúng đang có nồng độ cao đến mức báo động, nó đang gây ra nhưng thiệt hại và biến đổi to lướn đối với con người và sinh vật trên trái đất. Như trên đã nêu, năng lượng và ô nhiễm là hai vấn đề quan trọng cấp bách cần giải quyết nhanh chóng Trang 3 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Thực tế cho thấy, cùng với sựu phát triển mạnh mẽ của nền đại công nghiệp thì kéo theo là lượng năng lượng cần cho nó cũng tăng lên rất lớn. Trong khi đó nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt, theo như dự báo của các nhà khoa học thì trữ lượng xăng dầu của toàn thế giới chỉ đủ cho khoảng 50 năm nữa Mặt khác việc sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch làm cho môi trường bị ô nhiễm nghiêm trọng. Việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch thải ra rất nhiều khí ô nhiễm như COx, NOx, SOx, các hợp chất hydrocacbon… Gây nên nhiều hiệu ứng xấu đến môi trường sống, ảnh hưởng lơn đến chất lượng cuộc sống Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường là điều rất quan trọng và cần thiết. Bên cạnh việc sử dụng các nguồn năng lượng như năng lượng thủy điện, năng lượng nguyên tử, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều…Thì năng lượng có nguồn gốc sinh học đang rất được quan tâm. Ethanol là nhiên liệu đi từ nguồn gốc sinh học đang được cả thế giới quan tâm. Và hiện nay Ethanol được sử dụng như một phụ gia để pha vào xăng tạo thành một loại nhiên liệu được gọi là gasohol hay gasoline – alcohol Đặc biệt nước ta là một nước có nền kinh tế nông nghiệp là chủ yếu với thế mạnh chính là các ngành trồng trọt và chăn nuôi đặc biệt là ngành trồng lúa gạo. Nước ta là nước có sản lượng lúa gạo xuất khẩu đứng thứ hai trên thế giới với những năm gần đây kim nghạch xuất khẩu gạo tăng liên tục. Bên cạnh đó ngành trồng trọt rau củ quả cũng phát triển rất mạnh. Trang 4 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Tất cả các yếu tố trên cho thấy việc sản xuất Ethanol pha xăng từ các phụ phẩm của sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam là rất khả thi Vì những lý do trên, đề tài “ Thiết kế phân xưởng tinh luyện cồn tuyệt đối dùng để pha xăng” là công đoạn cuối cùng của dây chuyền sản xuất cồn pha xăng có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của loại nhiên liệu mới này 2. Lợi ích của việc dùng gasohol Xét về mặt năng lượng thì cồn tinh luyện không có lợi hơn so với xăng (năng lượng sinh ra khi đốt cháy cồn chỉ bằng 62% khi đốt cháy xăng) nhưng việc ứng dụng gasohol vào thực tế sẽ mang nhiều lợi ích kinh tế: - Tiết kiệm được lượng xăng nhập khẩu nếu pha thêm 10% Ethanol vào xăng mà bảo đảm động cơ vẫn hoạt động bình thường thì có nghĩa là ta sẽ giảm được 10% lượng xăng nhập khẩu qua đó tiết kiệm được rất nhiều ngân sách dành cho việc nhập khẩu xăng. - Ethanol có chỉ số octane cao, nên khi pha thêm Ethanol vào xăng làm tăng thêm chỉ số này và cũng đồng thời tăng chất lượng xăng - Tận dụng các nguồn phụ phế phẩm của nông nghiệp để sản xuất cồn như rơm rạ, mật rỉ, ngô, sắn…Đồng thời tạo công ăn việc làm cho nhân dân. Hàng năm nước ta có khoảng 31 triệu tấn rơm rạ, ngoài việc sản xuất nấm rơm ra thì đây là ngồn sản xuất cồn rất lớn, rất có triển vọng - Giúp ổn định vấn đề về an ninh năng lượng và giảm bớt phụ thuộc năng lượng vào các quốc gia khác II. Những đặc tính của cồn tinh luyện Trang 5 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải 1. Các phương pháp sản xuất cồn 1.1. Hydrat hóa ethylen Ethanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thông thường nó được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp hydat hóa ethylen trên xúc tác axit, được trình bày theo phản ứng hóa học sau. Cho ethylen hợp nước ở 300 0 C áp suất 70 – 80 atm với xúc tác là axit photphoric: H 2 C = CH 2 +H 2 O → CH 3 CH 2 OH 1.2. Phương pháp lên men Ethanol sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng như phần lớn ethanol sử dụng trong công nghiệp, nhiên liệu… được sản xuất theo phương pháp lên men: quá trình này là chuyển hóa đường thành ethanol bằng nấm men (người ta thường dùng loại Saccharomyses cerevisiae) trong điều kiện không có oxy hay điều kiện yếm khí, phản ứng hóa học tổng quát được viết như sau: C 6 H 12 O 6 → 2 CH 3 CH 2 OH + 2CO 2 Quá trình nuôi cấy men rượu được gọi là ủ men. Sau khi chuyển hóa hết đường người ta lọc lấy dung dịch và đem chưng cất để nâng cao nồng độ ethanol 2. Tính chất và ứng dụng của cồn 2.1. Tính chất vật lý Ethanol là chất lỏng không màu, mùi thơm, dễ cháy, dễ hút ẩm, có độ phân cực mạnh. Ethanol có thể hòa tan nhiều chất vô cơ cũng như hữu cơ nên được sử dụng làm dung môi rất Trang 6 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải tốt. Ethanol dễ cháy và có thể tạo hỗn hợp nổ với không khí. Ethanol tạo hỗn hợp đẳng phí với nước ở 89,4% mol, nhiệt độ sôi của hỗn hợp này ở 1 atm là 78,4 0 C Nhiệt độ sôi của ethanol nguyên chất 78,39 0 C, tỷ trọng d 15 4 = 0,794, nhiệt dung riêng đẳng áp C p (16 0 C -21 0 C) = 2,42 J.g -1 .K -1 , nhiệt cháy 1370,82 kJ/mol 2.2. Ứng dụng Cồn là hỗn hợp Ethanol và nước có ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội: - Cồn pha với nước thành đồ uống, chế biến thức ăn, chế biến các loại hương - Trong y tế cồn là nguyên liệu trung gian để sản xuất nhiều loại thuốc, cồn còn làm chất sát trùng - Trong ngành công nghiệp sơn cồn dùng làm dung môi - Trong công nghiệp hương liệu và nước hoa cồn dùn làm dung môi - Trong hóa học cồn là chất trung gian sản xuất ra các hóa chất khác như: axit acetic, andehyt acetic, etyl acetat… - Dùng làm nhiên liệu pha xăng E10, E20, E85, E100… III. Cồn nhiên liệu 1. Lịch sử phát triển Từ những năm 20 của thế kỉ XX cồn đã được nghiên cứu, sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ ôtô xe máy thay thế cho xăng dầu. Điển hình cho hướng đi tiên phong này là Mỹ và Brasil. Tuy nhiên với việc phát hiện ra các mỏ dầu có trữ lượng lớn cùng với sự phát triển Trang 7 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải mạnh mẽ của ngành công nghiệp lọc hóa dầu đã sản xuất ra sản phẩm xăng dầu chất lượng cao giá thành hạ đã làm cho cồn nhiên liệu bị đẩy lùi Năm 1973 với cuộc khủng hoảng năng lượng thì vấn đề dùng cồn nhiên liệu lại được đề cập nhưng phải đến đầu thế kí XXI hì hướng phát triển cồn nhiên liệu mới được ưu tiên phát triển tuy vậy nó vẫn chỉ đóng vai trò thứ yếu so với các nhiên liệu hóa thạch, nhưng trong tương lai nó có thể là nguồn năng lượng chính khí dầu mỏ cạn kiệt. Trên thế giới hiện nay có các nước Mỹ, Tây Âu, Brasil, Trung Quốc, Nhật Bản đang là các nước sản xuất cồn nhiên liệu nhiều nhất 2. Yêu cầu về chất lượng Thực ra cồn cũng là hợp chất cacbuahydro như dầu mỏ nên có tính cháy nổ tốt. Vì vậy về nguyên tắc với cồn khan 99,5% trở lên là có thể cho vào động cơ chạy được, tuy nhiên cồn có nhiều đặc tính như ăn mòn kim loại, lăm hư các chi tiết cao su hay nhựa trong động cơ nên nếu không cải tiến động cơ thì không thể thay thế hoàn toàn xăng bằng cồn khan để chạy động cơ được. Đối với ôtô, xe gắn máy thông thường chỉ được sử dụng xăng pha cồn với nồng độ tối đa là 10% (xăng E10). Với xăng E10 không cần cải tiến hay thay đổi động cơ mà có thể chạy hoàn toàn bình thường so với việc dùng 100% xăng. Cồn pha xăng ngày nay đã được tiêu chuẩn hóa về chất lượng, tùy theo quốc gia quy định, sau đây là một số tiêu chuẩn điển hình Bảng 1: Yêu cầu kỹ thuật của cồn nhiên liệu Trang 8 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải STT Tên chỉ tiêu Giới hạn 1 Ethanol, % thể tích, min 92,1 2 Methanol, % thể tích, max 0,5 3 Hàm lượng nhựa đã rửa qua dung môi, mg/100ml, max 5,0 4 Hàm lượng nước, % thể tích, max 1,0 5 Hàm lượng chất biến tính (xăng, naphta), % thể tích, min – max 1,96 – 5,0 6 Hàm lượng Clorua vô cơ, mg/l, max 32 7 Hàm lượng đồng, mg/kg, max 0,1 8 Độ axit (axit acetic), mg/l, max 0,007 9 Độ pH, min – max 6,5 – 9,0 10 Lưu huỳnh, mg/kg, max 30 11 Sulfat, mg/kg, max 4 12 Khối lượng riêng ở 15 0 C, kg/m 3 - 13 Ngoại quan Trong Trang 9 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Bảng 2: Tiêu chuẩn cồn nhiên liệu của Mỹ năm 2003 STT Tên chỉ tiêu Đơn vị Giới hạn 1 Tỷ trọng tại 15,6 0 C, max g/ml 0,796 2 Nồng độ ethanol ở 15,6 0 C, min % tt 99,5 3 Tính kiềm - Không có 4 Axit qui về axit acetic, max % KL 0,006 5 Lượng chất rắn còn lại khi bốc hơi nguyên liệu, max % KL 0,005 6 Lượng aldehyde qui về CH 3 COOC 2 H 5 g/100ml 0,10 7 Chì (Pb), max g/100ml Không có 8 Methyl alcohol Ppm Thỏa mãn các yêu cầu môi trường 9 Ketones, isopropyl, tertiary butyl Ppm Thỏa mãn các yêu cầu môi trường 10 Các hợp chất chứa lưu huỳnh % tt Không có Bảng 3: Tiêu chuẩn cồn nhiên liệu của Ấn Độ STT Tên chỉ tiêu Đơn vị Giới hạn 1 Tỷ trọng tại 15,6 0 C, max g/ml 0,7961 Trang 10 [...]... các loại xăng pha cồn như E5, E7, E10, E15, E20, E85, E95, E100 Ký hiệu E có nghĩa là xăng pha cồn còn chỉ số có nghĩa là phần trăm thể tích của cồn trong xăng 4 Ưu nhược điểm của xăng pha cồn với xăng truyền thống Trang 11 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Ethanol có chỉ số octane cao RON = 120 – 135, MON = 100 – 106, thường được pha vào xăng với tỉ lệ 10%tt – 15%tt Khi pha vào xăng do... CH COOC H max 7 Đồng (Cu), max mg/kg 0,1 8 Methyl alcohol, max mg/kg 300 9 Khả năng dẫn điện, max microS/m 300 3 Các phương pháp pha cồn vào xăng Cồn có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho vào động cơ ở nhiều dạng khác nhau, cụ thể là pha lẫn với xăng với tỷ lệ nào đó hoặc sử dụng 100% cồn Qua việc thử nghiệm trên các loại động cơ với nhiên liệu có cồn người ta thấy rằng nếu tỉ lệ cồn không quá 10%tt... oxy hóa cao nhất ít độc hại hơn với môi trường Bên cạnh đó sử dụng ethanol pha xăng cũng có những nhược điểm: - Ethanol khan rất háo nước do đó quá trình bảo quản sẽ khó khăn - Ethanol khó bay hơi hơn phần nhẹ trong xăng nên khi nhiệt độ xuống thấp sẽ khó khởi động động cơ - Nước có trong cồn pha xăng có thể làm tách lớp - Giá cồn hiện nay tương đối cao - Ngoài nhược điểm trên, do ethanol chủ yếu được... năng làm khan được cồn và người ta thường dùng Zeolite 3A hoặc 4A để làm chất hấp phụ Tuy vậy vẫn chưa có kết luận cuối cùng nào cho thấy zeolite 3A hay 4A có khả năng làm khan cồn tốt hơn Khi nhả hấp phụ thì sẽ dùng khí Nitơ nóng hoặc dùng trực tiếp cồn khan để nhả hấp… Trong công nghệ làm khan cồn bằng chất hấp phụ lại được thực hiện bằng rất nhiều cách: hấp phụ cồn dưới dạng hơi, cồn dạng lỏng, thực... thực hiện hấp phụ bằng hai tháp hay ba tháp, tháp tầng cố định hoặc tầng sôi…Dưới đây là sơ đồ công nghệ của các phương pháp trên Trang 15 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Hình 2 Sơ đồ hấp thụ cồn dạng hơi sử dụng hai tháp Trang 16 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Hình 3 Sơ đồ hấp thụ cồn dạng hơi sử dụng ba tháp Trang 17 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải 4 Phân... được bán rộng rãi trên thị trường II Thuyết minh quy trình công nghệ Cồn lỏng với nồng độ 92% khối lượng được bơm 2 bơm từ bồn chứa 3 lên thiết bị tạo hơi, 0 ở đây cồn lỏng được hóa hơi và quá nhiệt tới 80 C và được nén lên áp suất 3,5 at tại máy nén 5, dòng hơi cồn nguyên liệu tiếp tục được đưa qua thiết bị tách dầu 6 trước khi đẩy vào tháp hấp phụ Hệ thống tháp hấp phụ bao gồm hai tháp làm việc gián... GVHD: Lê Xuân Hải 3 yv C : Nồng độ pha hơi đầu vào, kg nước/m ethanol 3 yr C : Nồng độ pha hơi đầu ra, kg nước/m ethanol 3 yv C *: Nồng độ pha hơi cân bằng ở đầu vào, kg nước/m ethanol 3 yr C *: Nồng độ pha hơi cân bằng ở đầu ra, kg nước/m ethanol r X : Nồng độ ethanol đầu ra, phần trăm khối lượng v X : Nồng độ ethanol đầu vào, phần trăm khối lượng  Khối lượng riêng của pha hơi đi vào tháp Khối lượng... này chỉ áp dụng với nồng độ đầu vào của cồn cao,thường là ngay tại gần điểm đẳng phí Bởi vì nếu lượng nước chứa trong hỗn hợp cồn nhiều sẽ làm cho lớp hấp phụ nhanh chóng bị bão hòa năng suất sẽ thấp, quá trình tái sinh tốn nhiều năng lượng V Vật liệu hấp phụ Zeolite 1 Cấu trúc của zeolite Zeolite là vật liệu xốp được biết đến đầu tiên vào năm 1756 bởi nhà khoáng vật học người Thụy Điển A.F Cronsteds... ta sử dụng trực tiếp hơi cồn khan khi qua tháp hấp phụ làm tác nhân giải hấp Trang 30 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải 0 Hình 8 Tương quan mối quan hệ giữa tốc độ hấp phụ và giải hấp (140 C và -0,7atm) Từ đồ thị trên ta thấy rằng trong khoảng 0 đến 250 phút thì tốc độ giải hấp lớn hơn tốc độ hấp phụ do đó trong khoảng thời gian này ta có thể sử dụng để tính toán cho quá trình hấp 0 phụ... nhiệt độ 140 C, lưu lượng cồn khan giải hấp bằng 20% lưu lượng cồn khan ra khỏi tháp hấp phụ, áp suất giải hấp - 0,7atm Trang 31 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Chương 3 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ I Lựa chọn quy trình công nghệ Qua tham khảo các tài liệu và phân tích các thông số đầu vào đã đi đến chọn công nghệ hấp phụ sử dụng chất rây phân tử Zolite để làm khan cồn, quá trình giải hấp lựa . xăng pha cồn như E5, E7, E10, E15, E20, E85, E95, E100. Ký hiệu E có nghĩa là xăng pha cồn còn chỉ số có nghĩa là phần trăm thể tích của cồn trong xăng 4. Ưu nhược điểm của xăng pha cồn với xăng. sử dụng xăng pha cồn với nồng độ tối đa là 10% (xăng E10). Với xăng E10 không cần cải tiến hay thay đổi động cơ mà có thể chạy hoàn toàn bình thường so với việc dùng 100% xăng. Cồn pha xăng ngày. đốt cháy cồn chỉ bằng 62% khi đốt cháy xăng) nhưng việc ứng dụng gasohol vào thực tế sẽ mang nhiều lợi ích kinh tế: - Tiết kiệm được lượng xăng nhập khẩu nếu pha thêm 10% Ethanol vào xăng mà bảo đảm