Đồ Án Tốt Nghiệp I Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí Đồ án tốt nghiệp đúc kết lại sau trình học tập, nghiên cứu sinh viên hướng dẫn quý thầy cô Sau ba tháng làm việc, em hoàn thành đề tài Thành đạt hôm nỗ lực thân hướng dẫn giúp đỡ động viên tận tâm quý thầy cô, bố mẹ anh chị em, bạn bè Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng truyền đạt kiến thức giúp đỡ chúng em năm học vừa qua, đặc biệt thầy cô Khoa Hóa Bộ môn Công nghệ Hóa học – Dầu Khí Trên hết em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy PGS.TS Nguyễn Đình Lâm hướng dẫn đề tài tận tình giúp đỡ em suốt thời gian thực đồ án tốt nghiệp Sau em xin cảm ơn gia đình, bạn bè điểm tựa, nguồn động viên giúp em vượt qua nhiều khó khăn thời gian qua Em xin trân trọng gửi đến quý thầy cô, gia đình bạn bè lời chúc tốt đẹp Trong trình thực hiện, nhiều nguyên nhân khác nên thiếu sót điều khó tránh khỏi Em mong đóng góp ý kiến quý thầy cô giáo bạn để đề tài hoàn thiện Đà nẵng, ngày tháng năm Sinh viên thực Lê Gia Trung GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp II Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí MỤC LỤC Trang LỜI MỞ ĐẦU GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp III Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí DANH MỤC HÌNH ẢNH LỜI MỞ ĐẦU GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp IV Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí DANH MỤC BẢNG BIỂU LỜI MỞ ĐẦU GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí LỜI MỞ ĐẦU  Sự khám phá dầu mỏ đánh dấu bước ngoặt lớn lịch sử phát triển xã hội loài người Dầu mỏ sản phẩm từ dầu mỏ đóng góp tất lĩnh vực đời sống nói chung ngành lượng nói riêng Tuy nhiên, bên cạnh mặt ưu việt, không nói đến vấn đề tồn trình khai thác sử dụng dầu mỏ mức gây việc thiếu hụt lượng tương lai, đáng kể ô nhiễm môi trường khí thải trình đốt cháy nhiên liệu Người ta ước tính khí thải từ hoạt động có liên quan sản phẩm dầu mỏ nhiên liệu hóa thạch chiếm khoảng 70% tổng lượng khí thải toàn giới Khí thải nguyên nhân trực tiếp gây biến đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính hàng loạt vấn đề môi trường Nhiều nỗ lực thực nhằm tìm kiếm nguồn lượng thay thế, đó, nguồn lượng quan tâm nhiên liệu sinh học Ðây nguồn lượng tái sinh gây ô nhiễm môi trường Và chia thành loại sau: • Nhiên liệu lỏng • Khí sinh học (Biogas) • Nhiên liệu sinh học rắn Trong Bio ‒ Ethanol loại nhiên liệu sinh học lỏng mới, nghiên cứu, sản xuất ứng dụng rộng rãi toàn giới Loại lượng sinh học đời nhằm đáp ứng nhu cầu tiêu thụ lượng giới đồng thời có khả thay dần cho nguồn lượng hóa thạch có nguy cạn kiệt tương lai Góp phần thực mục tiêu em thực đề tài: “Mô Đánh giá công nghệ tách nước để sản xuất Ethanol tuyệt đối” sở kiến thức bản, ứng dụng phần mềm mô tính toán em hoàn thành đề tài Đề tài gồm phần sau: GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí • Tổng quan nhiên liệu sinh học – Bioethanol giới nước ta • Tổng quan công nghệ tách nước Ethanol • Lựa chọn phần mềm mô thích hợp hỗ trợ cho trình tách nước • Mô công nghệ tách nước để sản xuất Ethanol tuyệt đối Từ liệu mô tính toán thiết kế thiết bị hấp phụ lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt phù hợp với nhu cầu sử dụng • Đánh giá so sánh phương pháp tách nước nhằm thu cồn tinh khiết GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC VÀ ETHANOL 1.1 Tổng quan nhiên liệu sinh học 1.1.1 Nhiên liệu sinh học ‒ Nguồn lượng tất yếu Vào kỷ 19, gỗ nguồn lượng làm chạy máy động nước giao thông vận tải, giúp đẩy mạnh ngành công nghiệp giới Sau đó, người chế tạo máy phát điện cung cấp nguồn điện có nhiều công dụng cho đời sống hàng ngày thay dần máy chạy nước Khi tìm thấy nguồn nhiên liệu hóa thạch than đá, dầu mỏ khí đốt, người nhanh chóng chuyền sang sử dụng nguồn lượng không tái tạo để chạy máy nổ, chủ yếu ngành vận tải, nhiệt điện Dạng nhiên liệu lỏng (xăng dầu) trở nên thông dụng cho nhiên liệu giao thông vận tải tỏa nhiều nhiệt lượng, dễ sử dụng loại nhiên liệu khí rắn, từ nguồn lượng rắn sử dụng giảm dần Năng lượng vấn đề sống toàn nhân loại Con người khai thác đến mức cao nguồn lượng hóa thạch (dầu mỏ, khí thiên nhiên, than đá…), dự trữ nguồn nhiên liệu ngày cạn kiệt với tốc độ phi mã Theo điều tra quốc tế không tìm kiếm thêm nguồn dự trữ với lượng khai thác nay, khoảng 85.9 triệu thùng ngày, dầu mỏ cạn kiệt sau 43 năm Với lượng khai thác 19BBOE (tương đương triệu thùng dầu mỏ) ngày khí thiên nhiên cạn kiệt sau 60 năm Với lượng khai thác khoảng 29.85BBOE ngày than đá nhiều 148 năm cạn kiệt Theo tính toán chuyên gia kinh tế lượng, dầu mỏ khí đốt chiếm khoảng 60 - 80% cán cân lượng giới Với diễn biến phức tạp giá xăng dầu gần cho thấy nhu cầu dầu thô ngày lớn bất ổn trị nước sản xuất dầu mỏ ngày lan rộng Hơn nhiên liệu hóa thạch phát sinh nhiều khí thải gây ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính Để đối phó với tình hình cần tìm nguồn lượng GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí thay thế, ưu tiên hàng đầu dành cho nguồn lượng tái sinh thân thiện với môi trường Trong số nguồn lượng thay dầu mỏ sử dụng (năng lượng gió, lượng mặt trời, lượng hạt nhân,…), lượng sinh học xu phát triển tất yếu, nước nông nghiệp nhập nhiên liệu, lợi ích như: công nghệ sản xuất không phức tạp, tận dụng nguồn nguyên liệu chỗ, tăng hiệu kinh tế nông nghiệp, không cần thay đổi cấu trúc động sở hạ tầng có giá thành cạnh tranh so với xăng dầu Hình 1.1 – Cây Jatropha, nguyên liệu chế biến dầu sinh học Trong năm gần người ta sử dụng cồn đốt (Ethanol) pha vào xăng chạy máy để giảm phần sử dụng xăng Ethanol làm từ nguồn nguyên liệu tái sinh như: phế phẩm nông nghiệp (vật liệu phế thải sau gặt hái lá, rơm, rạ, thân bắp, lõi bắp), phế phẩm lâm nghiệp (vụn gỗ, mạt cưa, vụn thân cành cây), phế phẩm hữu rác (rác nhà loại giấy vụn), phế phẩm từ nhà máy thực phẩm gia công (phế phẩm nhà máy rượu GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí nhà máy giấy), công nghiệp (những loại thực vật lớn nhanh) gieo trồng cho mục đích làm nguyên liệu 1.1.2 Tình hình phát triển nhiên liệu sinh học (BioFuel) 1.1.2.1 Phát triển nhiên liệu sinh học nước giới Năng lượng hóa thạch ngày cạn dần, yêu cầu xúc vấn đề ô nhiễm môi trường với tác động gây biến đổi khí hậu toàn cầu lý khiến nước giới từ - 10 năm trở lại riết nghiên cứu để phát triển nguồn lượng thay Nhiên liệu sinh học nhiên liệu mới, áp dụng lâu kể từ động diezel chạy dầu lạc đời năm 1898 triển lãm Paris (Pháp) Tác giả động diezel ông Rudolf Diezel tiên đoán nhiên liệu từ sinh khối tương lai thật cho động Từ năm 1993 đến năm 2001, sản lượng Biodiesel EU tăng gấp 10 lần, từ mức 80.000 vào năm 1993 lên 780.000 vào năm 2001, Đức nước sản xuất hàng đầu, Pháp, Italia Áo Hiện nay, toàn EU Biodiesel sử dụng chạy động dạng pha trộn với diesel thông thường Tại Đức, Áo Thụy Điển, Biodiesel sử dụng dạng tinh khiết loại xe tải nặng Bioethanol sử dụng làm nhiên liệu ô tô châu Âu tăng gấp - lần, từ mức 47.000 vào năm 1993 lên 216.000 vào năm 2001 Pháp, Tây Ban Nha Thụy Điển nước đóng vai trò lớn thị trường Bioethanol châu Âu Bioethanol dùng dạng tinh khiết lẫn pha trộn với xăng Tại Pháp, Bioethanol chủ yếu để chuyển hóa thành phụ gia ETBE pha xăng Quy mô sản xuất Biofuel toàn cầu mở rộng dần suốt năm 1980, trước đạt mức phát triển cao nhiều vào năm 1990 Sản lượng Biofuel toàn cầu đạt khoảng 15 triệu tấn/năm Các nước EU chiếm mức 6% tổng sản lượng (890.000 vào năm 2000) Hầu hết sản lượng Biofuel toàn cầu tập trung vào Bioethanol (năm 2000 đạt 14.6 triệu tấn) 1.1.2.2 Phát triển nhiên liệu sinh học nước khu vực • Trung Quốc Trung Quốc dành mối quan tâm lớn cho phát triển Biofuel Do tốc độ phát triển kinh tế cao kéo dài liên tục nên Trung Quốc thiếu hụt lượng Nước xem việc phát triển lượng sinh học giải GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí pháp giảm thiểu chi phí nhập dầu mỏ, góp phần đảm bảo an ninh lượng Sản lượng ethanol Trung Quốc đứng thứ giới với số tỉ lít/năm • Thái Lan Hiện quy mô sản xuất ethanol Thái Lan nhỏ, suất kỹ thuật canh tác mía trồng làm nguyên liệu chưa cao nên nước có quan tâm tới chương trình biofuel chưa có tiến đáng kể Chính phủ Thái Lan vừa thông báo áp dụng sách sản xuất gasohol sử dụng rộng rãi khắp thành phố Băng Cốc kể từ tháng 1/2005 với tỉ lệ pha trộn 10 20% ethanol xăng sử dụng • Nhật Bản Nhật Bản nước tiêu thụ xăng dầu lớn thứ giới đứng sau Mỹ, lên tới 215 triệu năm 2003 (theo số liệu Bộ Kinh tế, Thương mại Công nghiệp Nhật Bản), 99% nhập • Philippin Bộ Khoa học Hội đồng kỹ thuật R&D công nghiệp Năng lượng Philippin có sách tích cực thúc đẩy sử dụng Biofuel xe máy xe ba bánh để giảm ô nhiễm môi trường Biodiesel Philippin chủ yếu sản xuất từ dầu dừa (cocometyl este – CME) nguồn lượng rẻ tiền dùng thay xăng chạy xe máy xe ba bánh động kỳ (lượng xe máy xe ba bánh chiếm gần 35% tổng số triệu đầu xe Philippin 75% tổng số xe Philippin động kỳ) 1.1.3 Phân loại nhiên liệu sinh học Tùy theo tính chất mà ta chia nhiên liệu sinh học thành ba loại sau: • Khí sinh học (Biogas) • Diesel sinh học (BioDiesel) • Xăng sinh học (Gasohol) 1.1.3.1 Khí sinh học (Biogas): sản phẩm khí từ trình phân hủy sinh khối, phân gia súc phân người, bùn cống… nhờ vi khuẩn lên men yếm khí (trong điều kiện oxy không khí) gọi Biogas Biogas chứa nhiều Methane (CH4) GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp 113 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí Ta chọn ứng suất cho phép [σ] = [σc] = 110.106 N/m2 C số bổ sung cho ăn mòn, bào mòn dung sai chiều dày, m C = C1 + C2 + C3 Với: C1 số bổ sung ăn mòn vật liệu bền thời gian làm việc 15÷20 năm, ta chọn C1 = mm C2 đại lượng bổ sung bào mòn, chọn C2 = C3 đại lượng bổ sung cho dung sai chiều dày, C phụ thuộc vào chiều dày vật liệu cho bảng XII.9 [7, trang 364] Giả sử chiều dày tháp mm C3 = 0.5 mm C = + 0.5 = 1.5 mm ⇒ Chiều dày tháp là: S =4.89.10-3 m 1.85.(1.6).(9.81.10 ) + 1.5.10 −3 = Ta chọn chiều dày 2.(110.10 ).0.95 − (1.6).(9.81.10 ) tháp mm  Kiểm tra ứng suất thành theo áp suất thử Pth = 1.5.p = 1.5.(1.6).(9.81.104) = 235.44.103 N/m2 Ứng suất thử thân thiết bị : [ D + ( S − C )] pth [σ ] = t 2.( S −−0C.0015 ).ϕ )].235440 [1.85 + (0.005 65.62.106 N/m2 ⇔ [σ ] = = 2.(0.0056 − 0.0015).0.95 So sánh thấy σ < σ c 110.10 = = 91.67.10 1.2 1.2 N/m , N/m2 [12] Do vậy, với chiều dày vỏ tháp S ⇒ = mm ứng suất thân tháp nhỏ giới hạn cho phép vật liệu Ta chọn chiều dày thân tháp mm 4.4.3 Lựa chọn thiết bị phụ 4.4.3.1 Thiết bị trao đổi nhiệt Trong công nghệ hóa học thiết bị trao đổi nhiệt thiết bị thiếu hầu hết nhà máy hóa chất Dựa vào cách thức truyền nhiệt người ta chia loại thiết bị truyền nhiệt làm loại chính: loại gián tiếp, loại đệm loại trực tiếp (hỗn hợp) Tuy nhiên với công nghệ khử nước để sản xuất ethanol tuyệt đối phương pháp hấp phụ zeolite ta quan tâm đến loại thiết bị trao đổi nhiệt loại gián tiếp GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp 114 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí 4.4.3.1.1 Thiết bị truyền nhiệt loại vỏ bọc [9, trang 112] Khi đun nóng làm lạnh thiết bị phản ứng, đặc biệt thiết bị bên không đặt ống xoắn, ta thường truyền nhiệt gián tiếp qua vỏ thiết bị Thông thường loại thiết bị có bề mặt thiết bị ≤ 10 m2 áp suất ≤ 10 at A B Hình 4.45 – Thiết bị truyền nhiệt loại vỏ bọc A – Thiết bị truyền nhiệt ống xoắn B – Thiết bị truyền nhiệt có ống xoắn bên vỏ 4.4.3.1.2 Thiết bị truyền nhiệt loại ống Loại bề mặt truyền nhiệt loại hình ống, tính chất làm việc cấu tạo thiết bị xếp thành kiểu sau: ống xoắn kiểu tưới, ống lồng ống, ống chùm  Ống xoắn ruột gà: Thiết bị ống xoắn ruột gà có ưu điểm thiết kế đơn giản, làm vật liệu chống ăn mòn, dễ vận hành bảo dưỡng Tuy nhiên, thiết bị cồng kềnh, hệ số truyền nhiệt nhỏ, khó làm bên ống, trở thủy lực lớn so với loại ống thẳng  Loại ống tưới: Loại thường dùng làm nguội ngưng tụ, chất lỏng phun đường ống nước lạnh Ưu điểm loại lượng nước làm lạnh ít, cấu tạo đơn giản, dễ quan sát làm phía ống Tuy nhiên, thiết bị lớn, cung cấp GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp 115 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí lượng nước lượng nước bay tăng, đó, cần phải đặt nơi thoáng gió  Loại ống lồng ống: Thiết bị gồm nhiều đoạn nối tiếp với nhau, đoạn có ống lồng vào Hình 4.46 – Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống Ưu điểm loại hệ số truyền nhiệt lớn, cấu tạo đơn giản, có nhược điểm cồng kềnh, giá thành cao tốn nhiều kim loại, khó làm khoảng trống hai ống  Loại ống chùm: Thiết bị truyền nhiệt loại dùng phổ biến công nghiệp hóa chất, có ưu điểm kết cấu gọn, chắn, tốn kim loại, bề mặt truyền nhiệt lớn dễ làm Khuyết điểm loại khó chế tạo vật liệu không nong hàn (gang, thép silic ) 4.4.3.1.3 Thiết bị truyền nhiệt loại Loại bề mặt truyền nhiệt làm kim loại, khe tạo thành hai hệ thống không thông với Thiết bị trao đổi nhiệt loại gọn, vận tốc chất tải nhiệt hai phía lớn Nhưng có nhược điểm không làm việc áp suất cao, loại dùng để trao đổi nhiệt áp suất thường, chủ yếu truyền nhiệt chất khí GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp 116 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí Hình 4.47 – Thiết bị trao đổi nhiệt dạng 4.4.3.1.4 Thiết bị truyền nhiệt loại xoắn ốc Loại bề mặt truyền nhiệt làm kim loại theo dạng xoắn ốc Thiết bị truyền nhiệt kiểu có ưu điểm gọn có vận tốc lớn, hai chất tải nhiệt chuyển động ngược chiều hoàn toàn, trở lực thủy lực nhỏ ống chùm Tuy nhiên, việc chế tạo sửa chữa phức tạp, làm việc áp suất cao (trên at) thiết bị có cấu tạo đặc biệt làm việc đến 10 at GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp 117 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí Hình 4.48 – Thiết bị truyền nhiệt loại xoắn ốc 4.4.3.1.5 Thiết bị truyền nhiệt loại ống có gân Khi thêm gân lên bề mặt truyền nhiệt tăng hiệu truyền nhiệt tăng hệ số cấp nhiệt Gân làm từ vật liệu dẫn nhiệt tốt Tóm lại: với công nghệ tách nước hỗn hợp ethanol – nước rây phân tử zeolite loại 3A, trình vận hành nhiệt độ cao, nên vấn đề tận dụng nhiệt quan trọng kinh tế để tiết kiệm nhiên liệu đốt lò Vì việc lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt vấn đề tối ưu hóa cho dây chuyền sản xuất theo công nghệ sản xuất Để thỏa mãn điều kiện ta lựa chọn kiểu thiết bị trao đổi nhiệt dạng phù hợp với dây chuyền công nghệ thiết bị có:  Cấu tạo đơn giản, dễ bảo dưỡng vận hành  Giá thành hợp lý, không cao  Bề mặt truyền nhiệt tương đối lớn, cho phép vận tốc vào tháp lớn GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp 118 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí  Công nghệ khử nước rây phân tử zeolite hoạt động áp suất không cao (không 4.5 at) 4.4.3.2 Thiết bị ngưng tụ [9, trang 98] Ngưng tụ trình chuyển nước khí sang trạng thái lỏng cách: - Làm nguội (hoặc khí) - Nén làm nguội (khí) đồng thời Trong công nghệ khử nước hỗn hợp ethanol – nước hấp phụ rây phân tử zeolite sử dụng nước dòng nguyên liệu lạnh ban đầu để làm nguội ngưng tụ Về nguyên tắc tất thiết bị trao đổi nhiệt có khả làm chức ngưng tụ Thiết bị ngưng tụ khác với thiết bị trao đổi nhiệt thiết bị ngưng tụ có thêm phận vách chảy tràn chất lỏng Trong công nghiệp hóa dầu đặc biệt công nghệ chế biến khí người ta thường sử dụng thiết bị ngưng tụ loại ống chùm có vách, cấu tạo sau: Hình 4.49 – Thiết bị ngưng tụ loại ống chùm chữ U có vách chảy tràn - vỏ; - ống thoát khí trơ; - ống dẫn nước làm mát; - sàn ngăn lỏng; - đỡ; - ống dẫn nước chữ U; - vách ngăn; - tháo nước ngưng 4.4.3.3 Lựa chọn bơm [10, trang 127] Trong công nghiệp hóa học, bơm thiết bị thiếu sơ đồ dây chuyền sản xuất Trong kỹ thuật có nhiều loại bơm như: GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp 119 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí  Bơm vận chuyển chất lỏng: bơm pittong, bơm ly tâm  Bơm vận chuyển chất khí: bơm chân không kiểu pittong, bơm chân không kiểu rôto, bơm chân không kiểu phun tia Với sơ đồ công nghệ tách nước ethanol rây phân tử ta cần chọn loại bơm vận chuyển dòng nguyên liệu hóa từ thiết bị H-1602 vào thiết bị hấp phụ Qua ưu nhược điểm loại bơm máy nén vận chuyển khí [10, trang 194], ta lựa chọn máy nén kiểu cánh guồng phù hợp thiết bị có cấu tạo đơn giản, suất thay đổi theo giới hạn rộng, làm việc đặn, dễ dàng thay đổi suất nhờ vào tốc độ vòng quay Còn thiết bị để tạo chân không cho tháp khử hấp phụ, ta chọn loại bơm chân không kiểu rôto, ưu điểm loại bơm so với bơm chân không kiểu pittông hoàn toàn giống loại máy nén máy thổi khí loại rôto, so với loại pittông loại rôto hút khí đặn hơn, có cấu tạo gọn gàng, van phức tạp, giá thành chế tạo rẻ chi phí vận hành nhỏ Bơm có suất lớn, áp suất đạt độ chân không sâu (có thể 0.1 ÷ 0.3 mmHg), bơm có số vòng quay lớn nên đạt vận tốc hút cao áp suất khí (0.1 m3/s) Hình 4.50 – Hình ảnh loại bơm hút chân không Tóm lại: Qua trình mô lại công nghệ tách nước phần mềm mô Hysys tính toán tháp hấp phụ cho phương pháp sử dụng rây phân tử zeolite, so sánh số ưu nhược điểm vài công nghệ từ đánh giá lựa chọn quy trình công nghệ phù hợp với dây chuyền sản xuất ethanol Sau đây, em xin GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp 120 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí trình bày phần đánh giá công nghệ tách nước hỗn hợp ethanol – nước để lựa chọn công nghệ tách nước phù hợp nhu cầu sản xuất ethanol tuyệt đối GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp 121 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ CÁC CÔNG NGHỆ TÁCH NƯỚC ĐỂ SẢN XUẤT ETHANOL TUYỆT ĐỐI Qua trình nghiên cứu, mô tính toán vài công nghệ tách nước ethanol chương trước, từ ta lập bảng so sánh ưu nhược điểm vài phương pháp tách nước sau: Bảng 5.1 – Bảng so sánh đánh giá công nghệ tách nước ethanol Phương pháp Ưu điểm Ưu nhược điểm Nhược điểm - Chưng đẳng phí chưng trích Giá thành ly: thực tế nồng độ sản phẩm Ethanol thu chưa cao (98% khối lượng), tiêu tốn nhiều dung môi sản phẩm ethanol Công nghệ Giá thành đầu tư chứa lại lượng nhỏ dung môi chưng cất không cao sau trình chưng cất (benzen ) 50% - Chưng chân không: Việc tạo áp suất chân không cao, chế tạo thiết bị làm việc áp suất chân không đòi hỏi phức tạp, tốn Phương pháp dùng chất hút ẩm Phương Đầu tư thấp phương pháp cao, khoảng 97% thể tích - Hiệu suất thu hồi cồn không cao 40% bị giữ lại chất hút ẩm Tách nước hiệu pháp lọc quả, nồng độ cồn sản màng Phương phẩm tương đối cao pháp Phương - Nồng độ cồn sản phẩm chưa Đầu tư cao 100% Ưu nhược điểm Ưu điểm Nhược điểm Tách nước hiệu quả, Đầu tư cao GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm Giá thành > 120% SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp 122 pháp kết nồng độ cồn hợp bốc phẩm thu cao thẩm so với công thấu rây nghệ tách nước phân tử - Giá thành đầu tư Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí sản ban đầu không cao (với suất nhỏ), chế tạo thiết bị Công nghệ sử dụng rây phân tử không phức tạp - Nồng độ cồn sản phẩm thu cao ( ≥ 99.6% khối lượng ethanol) - Do trở lực tháp dạng đệm lớn nên yêu cầu công suất bơm cao 80% - Yêu cầu hỗn hợp nguyên liệu vào tháp cao - Dễ dàng chuyển quy mô thiết bị sang quy mô công nghiệp Từ so sánh bảng ta thấy công nghệ tách nước thu sản phẩm ethanol đạt nồng độ cao 96% thể tích (nồng độ ethanol sử dụng rộng rãi thị trường), nhiên ta cần sử dụng ethanol đạt nồng độ cao hơn, tức ethanol tinh khiết ( ≥ 99.8% thể tích) để pha vào xăng sản xuất xăng sinh học, gọi gasohol Do việc sử dụng nhiên liệu chất lượng xăng pha ethanol chất lượng thấp cho tác nhân dẫn đến rò rỉ xăng hệ thống ống dẫn có tượng bị phá hủy áp suất cao, từ nguồn xăng bị rò rỉ tiếp xúc với nguồn nhiệt đủ nóng sinh từ nguồn: hoạt động máy xe, ma sát hệ thống hãm, tia lửa điện phát chập mạch hệ thống xe…đây yếu tố tạo nên khả gây cháy xe Các công nghệ chưng cất đẳng phí hay trích ly tốn dung môi, thêm vào sản phẩm sót lại lượng nhỏ dung môi gây ảnh hưởng đến người, chưng cất chân không chi phí đầu tư công nghệ cao với thiết bị chân không, đồng thời cần đảm bảo độ an toàn cao cho nhà máy Từ đó, ta nhận thấy công nghệ tách nước sử dụng rây phân tử zeolite hay GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí 123 phương pháp bốc thẩm thấu qua màng hữu ích để thu ethanol có nồng độ cao, nhiên phương pháp bốc thẩm thấu qua màng có chi phí đầu tư cao, phụ thuộc vào việc sản xuất loại màng lọc công nghệ nên tất yếu giá thành loại màng cao sản phẩm có giá thành cao Vì vậy, phương pháp tách nước ethanol sử dụng nhà máy quy mô công nghiệp công nghệ tách nước rây phân tử zeolite loại 3A Sau bảng thống kê giá thiết bị vài công nghệ tách nước: Bảng 5.2 – Chi phí vài thiết bị công nghệ tách nước Nguồn: ESCAPE20 – Colombia [11] Các công nghệ tách nước Ethanol (Giá: USD Mỹ) Chưng đẳng phí Chưng trích ly Thiết bị Giá Thiết bị Giá Tháp tách nước 1,570,510 Tháp tách nước 545,501 Rây phân tử Thiết bị Giá Tháp hấp 1,040,867 (C1) Tháp hồi lưu 379,335 (C2) Bình tách Thiết bị ngưng tụ đỉnh C1 Thiết bị đun sôi đáy C1 Thiết bị ngưng tụ đỉnh C2 Thiết bị đun sôi 619,691 (C1) Tháp hồi lưu 151,669 phụ Tháp giải 308,003 (C2) Thiết bị ngưng 58,755 hấp Thiết bị 825,515 72,125 tụ đỉnh C1 Thiết bị đun sôi 219,090 gia nhiệt Thiết bị 131,098 115,589 đáy C1 Thiết bị ngưng 410,391 63,501 tụ đỉnh C2 Thiết bị đun sôi 294,533 276,924 đáy C2 Thiết bị làm 321,582 ngưng tụ đáy C2 lạnh hồi lưu Chưng đẳng phí Chưng trích ly Rây phân tử Thiết bị Giá Thiết bị Giá Thiết bị Giá Tổng 3,026,342 Tổng 2,001,552 Tổng 2,376,816 Bảng thống kê nồng độ sản phẩm ethanol thu qua trình mô phần mềm Hysys vài công nghệ tách nước sau: Bảng 5.3 – Nồng độ sản phẩm ethanol thu công nghệ tách nước Phương pháp tách Nồng độ ethanol Nồng độ nước nước % thể tích % thể tích GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp 124 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí Chưng cất chân không - 70 mmHg 100 - 100 mmHg 99.56 0.44 97.2 2.8 99.995 99.33 0.66 99.8 0.2 - 404.6 mmHg Chưng cất đẳng phí với benzen Chưng cất trích ly với ethyleneglycol Hấp phụ rây phân tử zeolite 3A GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp 125 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí KẾT LUẬN  Sử dụng Ethanol tuyệt đối để phối trộn sản xuất nhiên liệu sinh học Bioethanol hướng phát triển việc tìm nhiên liệu thay cho xăng dầu thông dụng Mô công nghệ tách nước để sản xuất Ethanol tuyệt đối giúp ta có nhìn toàn cảnh công nghệ để từ đánh giá sơ lựa chọn công nghệ phù hợp cho hướng sản xuất loại ethanol có nồng độ khác tùy theo mục đích sử dụng Thông qua phần mềm mô Hysys bước tính toán, báo cáo tóm tắt đầy đủ nhiệm vụ đề tài giao thời gian qua Một cách tổng quát, đồ án giải số vấn đề sau:  Tìm hiểu tổng quan nhiên liệu sinh học Ethanol  Tham khảo nắm bắt số quy trình sản xuất Bioethanol  Mô thành công số công nghệ tách nước trình sản xuất Ethanol tuyệt đối phần mềm Aspen Hysys, từ đưa số liệu hoàn chỉnh tương ứng với quy trình công nghệ PRAJ đồng thời đánh giá độ tin cậy chúng để dùng làm sở liệu cho trình thiết kế sau  Tính toán thiết bị hấp phụ, dựa phương pháp tính em tạo bảng tra nồng độ nước sản phẩm theo thời gian loại zeolite Z3-03  Phân tích lựa chọn công nghệ sản xuất Ethanol tuyệt đối thích hợp Đề tài giúp em tiếp cận với kỹ thuật theo xu hướng mà giới nghiên cứu phát triển, kỹ thuật lọc màng, kỹ thuật cho độ tinh khiết Ethanol cao hẳn kỹ thuật trước Tuy nhiên, thời gian làm việc có hạn, thân em hạn chế kiến thức nên đồ án nhiều thiếu sót Vì em mong nhận xét, ý kiến bổ sung từ phía quý thầy cô bạn bè để đồ án tốt nghiệp em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp 126 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí TÀI LIỆU THAM KHẢO Mark Baier, Jamie Hiltz, Zack Taylor (2007 – 2008), Design of an Ethanol Dehydration System, Department of Chemical Engineering University of Saskatchewan M.R.Wolf-Maciel and C.J.G.Vasconcelos, Optimisation, Dynamics and control of a complete Azeotropic distillation, State University of Campinas, Chemical Engineering Faculty, Laboratory of Separation Process Development, Campinas/SP, Brazil A.Groszek, E.Lalik, R.Mirek, J Rakocry (2006), Microcalorimetric study of adsorption of water and ethanol in zeolites 3A and 5A, Catalysis today 114 (2006) 242-247 John M Campbell (1992), Gas conditioning and processing volume 2: The Equipment modules, Campbell Petroleum Series USA Đồ án tốt nghiệp lớp 04H5 06H5, Trường Đại học bách khoa Đà Nẵng GS TSKH Nguyễn Bin (2001), Tính toán trình thiết bị công nghệ hóa chất thực phẩm, tập 4, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Tập thể tác giả (2005), Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất, tập 2, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội R Bulle (3/10/2003), Distillation, ENSPM Formation Industrie - IFP Training, CYCLE RAFFINAGE-INGENIERIE-GAZ Phạm Xuân Toàn, Các trình thiết bị công nghệ hóa chất thực phẩm, tập 3, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội 10 GS TSKH Nguyễn Bin (2004), Các trình thiết bị công nghệ hóa chất thực phẩm, tập 1, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội 11 G Buzzi Ferraris and S Pierucci (2010), Comparison of the main ethanol dehydration technologies through process simulation, Colombia 12 GVHD: TS Văn Đình Sơn Thọ (2005), Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế xưởng sản xuất cồn tuyệt đối kỹ thuật hấp phụ, Đại học bách khoa Hà Nội GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp 127 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí 13 P Pruksathorn and T Vitidsant (2009), Production of Pure Ethanol from Azeotropic Solution by Pressure Swing Adsorption, Chulalongkorn University, Bangkok, 10330, Thailand 14 Jianyu Guan and Xijun Hu, Simulation and analysis of pressure swing adsorption Ethanol drying process by the electrical analogue, South China University of Technology, China 15 Yu (Ivy) Huang, Ph.D & Leland M Vane, Ph.D and Aiche (11/2006), BioSep™: A New Ethanol Recovery Technology for Small Scale Rural Production of Ethanol from Biomass, California, USA 16 Document of PRAJ, PROCESS DESCRIPTION-Rev.A-5SEP09 17 SPX Corporation (2/2009), Distillation Handbook, New York, USA 18 Heterogeneous Azeotropic Dehydration of Ethanol to obtain a cyclohexane-ethanol mixture, Chemical Engineering Department University of Alicante, Spain 19 P.W Madson, Ethanol distillation: The fundamentals, Katzen international, Inc., Cincinnati, Ohio, USA 20 I.D Gil, A.M Uyazán, J.L Aguilar, G Rodríguez, L.A Caicedo, Simulation of Ethanol extractive distillation with a Glycols mixture as Entraine, Department of Chemical Engineering – National University of Colombia 21 Ergun Equation (1952), http://en.wikipedia.org/wiki/Ergun_equation 22 Shin-LingWee, Ching-Thian Tye, Subhash Bhatia (2008), Separation and Purification Technology, University of Chemical Engineering, Malaysia 23 Các trang điện tử tham khảo: http://en.wikipedia.org/wiki/Ethanol_fuel http://devi-renewable.com/knowledge/biofuels/ http://www.saga.vn http://nhienlieusinhhoc.blogspot.com/ http://www.traodoinhiet.com GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung [...]... có công nghệ thì thu được nồng độ ethanol cao nhưng chi phí đầu tư ban đầu khá lớn Tóm lại, tùy vào mục đích sử dụng ethanol, nồng độ cần đạt đến của ethanol và điều kiện đầu tư mà người ta sử dụng công nghệ cho phù hợp Mặc dù công nghệ sau ra đời có khả năng tách ưu việt hơn công nghệ trước nhưng các công nghệ cũ vẫn còn phổ biến ở nhiều quốc gia 1.2.3 Một số lưu đồ sản xuất bioethanol 1.2.3.1 Sản xuất. .. BioPower 1.2.1.2.3 Các ứng dụng khác Ethanol tinh khiết và ethanol 95% là các dung môi tốt và được sử dụng trong các loại nước hoa, sơn, cồn thuốc Các tỷ lệ khác của ethanol với nước hay các dung môi khác cũng có thể dùng làm dung môi Các loại đồ uống chứa cồn có hương vị khác nhau do có các hợp chất tạo mùi được hòa tan trong nó trong quá trình ủ và nấu rượu Khi ethanol được sản xuất như là đồ uống... ethanol tinh khiết hơn 96%, vì vậy việc tách nước để tạo ethanol tuyệt đối (hơn 99.8% thể tích) là điều cần thiết Sau đây, em xin trình bày một vài công GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp 25 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí nghệ tách nước chính cho hỗn hợp ethanol – nước GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp 26 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí CHƯƠNG 2 CÁC CÔNG... Nghiệp 22 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí sản xuất ethanol Rỉ đường là nguồn nguyên liệu quan trọng để sản xuất rượu, nó phù hợp với 4 điều kiện để sản xuất rượu: • Giá rẻ và không có tạp chất độc hại • Sản lượng nhiều • Sử dụng tiện lợi • Nguồn cung cấp phổ biến Mật rỉ Phasản loãng bộ là tối ưu, một mặt sử dụng triệt Vậy việc sử dụng rỉ đường để xuấtsơrượu để phế liệu, mặt khác hạn chế việc sử dụng các loại... được sản xuất nhiều nhất là etyle acrylat (từ ethanol và axit acrylic) và etyle axetat (từ ethanol và axit axetic) Etyle acrylat là một đơn phân tử được sử dụng trong sản xuất polyme acrylat có công dụng làm chất kết dính hay các vật liệu che phủ Etyle axetat là dung môi phổ biến sử dụng trong sơn, các vật liệu che phủ và trong công nghiệp dược phẩm Các etyle este khác cũng được sử dụng trong công. .. Bioethanol từ tinh bột Bioethanol hiện nay sản xuất dựa vào nguồn nguyên liệu tinh bột (lúa, sắn, hạt bắp,…) Dưới đây là một số lưu đồ đại diện cho quá trình sản xuất bioethanol từ tinh bột: GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp 21 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí Hình 1.7 – Lưu đồ sản xuất Bioethanol của Lurgi từ lúa gạo Hình 1.8 – Lưu đồ sản xuất Bioethanol từ hạt bắp 1.2.3.2 Sản. .. Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp 20 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí thể đã từng được sử dụng để chạy động cơ nhưng người ta nhận thấy nó không phù hợp để pha vào xăng truyền thống mà phải là ethanol tinh khiết (hàm lượng nước phải nhỏ hơn 1%) Do đó sau quá trình chưng cất ethanol cần phải được xử lý tách nước để thu được sản phẩm ethanol tinh khiết (hay ethanol tuyệt đối) dùng pha vào xăng chạy trên động cơ xăng... Quá trình tách nước (dehydration) Quá trình này còn có thể gọi là quá trình làm tinh khiết ethanol Có nhiều công nghệ nhằm mục đích tách nước ra khỏi ethanol cả trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp như chưng cất đẳng phí, dùng chất hút ẩm, hấp phụ bằng rây phân tử hay mới nhất là công nghệ dùng màng lọc Công nghệ nào cũng có hai mặt của nó, có công nghệ chi phí đầu tư thấp nhưng nồng độ ethanol. .. pháp sản xuất xăng sinh học: Để sản xuất cồn tuyệt đối người ta tiến hành các bước như sau: • Xử lý nguyên liệu và tiền xử lý • Đường hoá và lên men • Tinh chế sản phẩm (chưng cất, tách nước, bốc hơi, tách lỏng rắn) * Ưu nhược điểm khi sử dụng xăng sinh học: • Ưu điểm: sử dụng ethanol làm nhiên liệu là một biện pháp nhằm làm tăng chỉ số octane của xăng, thay thế cho những phụ gia gây ô nhiễm môi trường,... Tốt Nghiệp 23 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí 1.2.3.3 Sản xuất Bioethanol từ Xenlulozo Sản xuất bioethanol đi từ xenlulozo là một hướng mới đang trong giai đoạn phát triển và nghiên cứu vì một phần ảnh hưởng của việc sản xuất bioethanol đến nguồn lương thực thế giới khi đi từ nguyên liệu tinh bột Vì các đơn vị cơ bản của xenlulozo vẫn là glucozo nên nguyên tắc chung để thu được ethanol vẫn là các quá trình lên