Đề tài Thiết kế hệ thống hấp phụ tinh luyện cồn pha xăng

iới 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 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. 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 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 3000C áp suất 70 – 80 atm với xúc tác là axit photphoric: H2C = CH2 +H2O → CH3CH2OH 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: C6H12O6 → 2 CH3CH2OH + 2CO2 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 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 78,40C Nhiệt độ sôi của ethanol nguyên chất 78,390C, tỷ trọng d154 = 0,794, nhiệt dung riêng đẳng áp Cp(160C -210C) = 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 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 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 150C, kg/m3 - 13 Ngoại quan Trong Bảng 2: Tiêu chuẩn cồn nhiên liệu của Mỹ năm 2003 STT Tên chỉ tiêu Đơn vị Giới hạn 1 Tỷ trọng tại 15,60C, max g/ml 0,796 2 Nồng độ ethanol ở 15,60C, 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 CH3COOC2H5 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 15,60C, max g/ml 0,7961 2 Nồng độ ethanol ở 15,60C, min % tt 99,5 3 Tính kiềm - Không có 4 Axit qui về axit acetic, max mg/l 30 5 Lượng chất rắn còn lại khi bốc hơi nguyên liệu, max %KL 0,005 6 Lượng aldehyde qui về CH3COOC2H5, max mg/l 60 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 thì không cần thay đổi kết cấu động cơ Hiện nay trên thị trường đang lưu hành 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 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 bản thân ethanol có chỉ số octane cao nên nó cũng làm tăng chỉ số octane chung của xăng Mặt khác, do bản thân quá trình cháy trong động cơ là cháy cưỡng bức trong điều kiện thiếu oxy nên một số chất không cháy hoàn toàn và sinh ra CO gây độc hại. Khi đưa ethanol vào thì sẽ có các ưu điểm sau: Đốt cháy hoàn toàn các chất trong hỗn hợp cháy nhờ có thêm oxy trong ethnol giảm tiêu hao năng lượng do cháy không hết Oxy hóa các khí độc hại trong quá trình cháy lên số 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 sản xuất từ nông nghiệp nên cần phải cân đối hợp lý giữa việc sử dụng lương thực để làm nguyên liệu sản xuất cồn và thực phẩm sinh hoạt IV. Các phương pháp sản xuất cồn nhiên liệu Ethanol thu được sau quá trình lên men rỉ đường, tinh bột hoặc xenllulo có nồng độ khoảng 10%tt – 12%tt. Để thu được cồn có nồng độ lớn hơn nồng độ tại điểm đẳng phí thông thường phải trải qua các giai đoạn chính sau: Giai đoạn 1: Sử dụng các phương pháp chưng cất thông thường để nâng cao độ cồn tới gần điểm đẳng phí (96,4%tt) Giai đoạn 2: Sử dụng các phương pháp đặc biệt khác để tinh chế, làm khan cồn. Để làm khan cồn hiện nay người ta thường sử dụng các phương pháp: Chưng luyện: Chưng luyện đẳng phí Trích ly muối rắn Phương pháp bay hơi thẩm thấu qua màng Phương pháp hấp phụ 1. Phương pháp chưng luyện 1.1. Phương pháp chưng luyện đẳng phí Nguyên tắc của phương pháp này là cho thêm cấu tử thứ ba vào hỗn hợp để phá điểm đẳng phí, cấu tử thứ ba này sẽ tạo thành với cấu tử dễ bay hơi thành một dung dịch đẳng phí có độ bay hơi lớn hơn và sản phẩm đáy tháp sẽ ở dạng nguyên chất. Cấu tử thứ ba thường dùng là Benzene, Clorofom, toluene… 1.2. Phương pháp trích ly với muối rắn Trong một vài hệ nào đó khi độ hòa tan cho phép thì ta có thể hòa tan muối vào trong pha lỏng, đúng hơn là thêm vào chất lỏng như là một tác nhân riêng cho quá trình chưng luyện trích ly. Khi đó muối sẽ làm thay đổi thành phần hỗn hợp ở trạng thái cân bằng mà không làm thay đổi hỗn hợp ở trạng thái đầu, đối với hệ ethanol – nước khi thêm muối khan làm cho độ bay hơi thay đổi đáng kể 2. Phương pháp bay hơi thẩm thấu qua màng Phương pháp bay hơi thẩm thấu qua màng lọc dựa trên nguyên tắc sử dụng màng có khả năng hút nước cao, có khả năng thẩm thấu ngược để tách nước ra khỏi hỗn hợp các cấu tử. Bay hơi qua màng rất hiệu quả cho quá trình phân tách hỗn hợp lỏng ví dụ như loại nước ra khỏi hỗn hợp ethanol – nước để sản xuất cồn cao độ. Kích thước của màng phụ thuộc lưu lượng chảy qua màng. Phương pháp này màng lọc rất dễ bị ngộ độc hay mất dần khả năng thầm thấu nên thường xuyên thay màng Hình 1. Nguyên tắc của phương pháp thẩm thấu qua màng 3. Phương pháp hấp phụ (rây phân tử) Rây phân tử (hay còn gọi là sàng phân tử) là quá trình sử dụng các chất hấp phụ chọn lọc để phân riêng hỗn hợp có nồng độ thấp. Khi cho một hỗn hợp các cấu tử có kích thước khác nhau đi qua chất hấp phụ thì cấu tử có kích thước nhỏ hơn kích thước mao quản chất hấp phụ sẽ được giữ lại còn cấu tử có kích thước lớn hơn sẽ đi ra ngoài và ta thu được dòng vật chất có nồng độ cao hơn. Lợi dụng tính chất này của các chất hấp phụ người ta đã sử dụng để làm khan hỗn hợp ethnol – nước, với chất hấp phụ thường dùng là zeolite, than hoạt tính, silicagel… Kích thước động học của ethanol và nước được biết hiện nay là: Kích thước động học của nước 2,57 A0 Kích thước động học của ethnol 4,46 A0 Do đó vật liệu hấp phụ có kích thước mao quản nằm trong khoảng 2,57 A0 – 4,46 A0 sẽ có khả 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 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 Hình 2. Sơ đồ hấp thụ cồn dạng hơi sử dụng hai tháp Hình 3. Sơ đồ hấp thụ cồn dạng hơi sử dụng ba tháp 4. Phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp 4.1. Phương pháp chưng luyện đẳng phí Ưu điểm: Là phương pháp tách hiệu quả hệ hai hay nhiều cấu tử có tạo thành điểm đẳng phí khi tiến hành chưng ở điều kiện thường Với việc lựa chọn dung môi hợp lý quá trình chưng cất sẽ đơn giản dễ vận hành Nhược điểm: Bằng việc thêm vào Benzene, cyclohexane trong sản phẩm sẽ còn lại một lượng dư lượng nhỏ những chất này, nhưng đây là những chất rất độc hại với cơ thể con người Yêu cầu về năng lượng nhiệt cao Giá thành sản phẩm tương đối cao 4.2 Phương pháp chưng luyện trích ly với muối khan Ưu điểm Chưng luyện trích ly có thể tao ra độ sạch cao hơn các tháp làm sạch thông thường. Cả vốn đầu tư và chi phí vận hành đều giảm Phương pháp này sử dụng tác nhân là muối tương đối dễ kiếm và rẻ tiền , thiết bị vận hành đơn giản, nông độ sản phẩm cao Nhược điểm Riêng với cồn nhiên liệu người ta đòi hỏi hàm lượng chất rắn hoà tanrất ít vì vậy có thể phải có công đoạn tách muối Sự có mặt của muối dẫn đến độ ăn mòn vật liệu cao, phải chê tao thiết bị chịu ăn mòn tốt 4.3. Phương pháp rây phân tử Ưu điểm Có thể nâng cao độ cồn lên tới 99,9% tt với phương pháp hấp phụ phù hợp Có thể thay thế các thông số vận hành trong khoảng rộng Không có các tác nhân độc hại Có thể sử dụng chất hấp phụ sau nhiều lần tái sinh Thiết bị cấu tạo đơn giản dễ vận hành Nhược điểm Phương pháp 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. Zeolite tự nhiên được hình thành trong quá trình hoạt động của núi lửa và là các Aluminosilicat tinh thể cấu trúc mao quản rất đồng đều cho phép chúng sàng lọc những phân tử theo cấu trúc xác định. Hiện nay có hơn 40 loại Zeolite được tìm thấy trong tự nhiên và có khoảng 100 loại zeolite tổng hợp với kích thước mao quản nằm trong khoảng 3A0 – 30A0. Kích thước mao quản dùng để đặt tên cho vật liệu này và nó cũng là yếu tố quyết định đến tính chất của zeolite. Thành phần cơ bản của zeolite như sau: (M+)x.(AlO2)x.(SiO2)y.zH2O Trong đó: M: là cation bù trừ điện tích khung x: là số cation bù trừ điện tích z: Số phân tử nước kết tinh trong Zeolite 2. Phân loại Zeolite 2.1. Phân loại theo kích thước mao quản Theo kích thước mao quản thì zeolite được chia làm ba loại sau đây: Zeolite mao quản rộng: đường kính mao quản lớn hơn 8A0 Zeolite mao quản trung bình: đường kính nằm trong khoảng 5A0 – 8A0 Zeolite mao quản nhỏ: đường kính mao quản nhỏ hơn 5A0 2.2.Phân loại Zeolite theo tỉ lệ Si/Al Tùy thuộc vào hàm lượng Si và Al có trong thành phần zeolite mà chúng được phân loại như sau: Loại giàu Al: theo quy tắc của Lowenstain thì hàm lượng Si trong Zeolite lớn hơn của Al, tức là tỉ số Si/Al luôn lớn hơn một, dựa vào tỉ số này ta phân loại. Trong loại giàu Al thì điển hình là các zeolite 3A, 4A, 5A với các cation bù trừ điện tích lần lượt là Na, K, và Ca Loại có hàm lượng Al trung bình: với tỉ số Si/Al trong khoảng 1,2 – 2,5 ta có các zeolite thuộc loại này là zeolite họ X, Y Loại giàu Si (ít Al): loại này có tỉ lệ Si/Al lớn hơn 2,5, tiêu biểu cho loại này có ZSM – 5, ZSM- 11 3. Xác định bề mặt riêng của zeolite Để xác định bề mặt riêng của zeolite ta dựa vào công thức Sr = nm.N.Sm m2/g Trong đó: Sr: diện tích bề mặt riêng của chất hấp phụ, m2/g Sm: Diện tích bề mặt của một phân tử chất bị hấp phụ, m2 (Gần đúng có thể coi Sm bằng tiết diện ngang của chất bị hấp phụ, tham khảo bảng 4) N: số Avogadro nm: Số mol chất bị hấp phụ đơn lớp trên 1g chất hấp phụ, mol/g Bảng 4. Tiết diện ngang của một số chất khí Chất bị hấp phụ Nhiệt độ, K Sm, (A0)2 N2 77 16,2 O2 90 14,1 Ar 77 13,8 Kr 77 20,2 Xe 273 22 CO 195 16,8 CO2 298 20,7 H2O 298 10,8 Mặt khác ta cũng phải hết sức cẩn thận để tránh trường hợp hấp phụ là hấp phụ hóa học hay hấp phụ đa lớp khi đó số mol chất hấp phụ đơn lớp trên một gam chất hấp phụ bị thay đổi dẫn tới xác định sai bề mặt riêng. Ngày nay người ta sử dụng phương trình BET để xác định bề mặt riêng như là một tiêu chuẩn vì độ chính xác cũng như cách thực hiện không phức quá phức tạp Từ phương trình BET ta xác định số mol nm từ giá trị Vm như sau: Phương trình này được ứng dụng trong khoảng P/P0 = 0,05 – 0,35 Từ phương trình trên ta xác định giá trị Vm, và có giá trị nồng độ C suy ra được nm 4. Một số đặc trưng của Zeolite 4A Zeolite 4A là loại Zeolite có kích thước mao quản trung bình 4A0. Zeolite 4A được hình thành nhờ sự kết hợp giữa oxit natri, oxit nhôm, oxit silic với nhau với tỷ lệ 1Na2O: 1Al2O3: 2SiO2: xH2O. Bảng 5 dưới đây sẽ liệt kê các tính chất đặc trưng của Zeolite 4A Bảng 5. Đặc tính kỹ thuật của Zeolite Mô tả Đơn vị Đặc tính kỹ thuật Hình trụ Hình cầu Đường kính mm 1,5-1,7 3,0-3,3 1,7-2,5 3,0-5,0 Mức đồng đều %, min 98 98 96 96 Khối lượng riêng xốp g/cm3, min 0,67 ~ 0,75 Mức hao mòn do cọ sát %, max 0,20 0,25 0,20 0,20 Cường độ chịu lực N, min 30/cm 45/cm 60/cm 70/cm Khả năng hấp phụ %, min 20,5 20,5 20,5 20,5 Mức hao mòn do nhiệt độ cao 5750C/3h %, max 1,5 1,5 1,5 1,5 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT HẤP PHỤ I. Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Theo Langmuir trên bề mặt chất hấp phụ có trường lực hóa trị chưa bão hòa vì vậy có thể hấp phụ các phân tử chất bị hấp phụ tại các vị trí này các vị trí này cò được gọi là trung tâm hấp phụ. Lực hấp phụ có bán kính tác dụng rất nhỏ là lực bản chất gần với lực hóa học nên mỗi tâm chỉ giữ lại được một phân tử chất hấp phụ tạo thành lớp hấp phụ đơn lớp trên bề mặt chất hấp phụ. Các phân tử chất hấp phụ chỉ tương tác với trung tâm hấp phụ mà không tương tác với các trung tâm khác hay các phân tử khác gần đó. Những giả thiết khi lập phương trình Langmuir Các chất bị hấp phụ tạo thành đơn lớp phân tử Năng lượng hấp phụ các phân tử là đồng nhất (bề mặt đồng nhất) Sự hấp phụ là thuận nghịch Tương tác giữa các phân tử chất bị hấp phụ với nhau có thể bỏ qua Nếu ta xem rằng bề mặt hấp phụ có các trung tâm hấp phụ có diện tích S, phần bề mặt bị các phân tử chất bị hấp phụ chiếm S1, vậy phần còn trống sẽ là S0 = S – S1 Vậy tốc độ hấp phụ sẽ phụ thuộc và diện tích bề mặt còn trống, áp suất hơi trên bề mặt, mức độ hoạt động của các trung tâm hấp phụ. Mức độ hoạt động của trung tâm hấp phụ được tính theo đại lượng , trong đó E là năng lượng hoạt hóa của quá trình hấp phụ. Trong khi đó vận tốc giải hấp tỉ lệ với phần diện tích bị che phủ và mức độ hoạt động của quá trình nhả hấp , trong đó E’ là năng lượng hoạt hóa của quá trình nhả hấp Khi quá trình cân bằng ta có: Trong đó k01, k02 là các hằng số tỉ lệ, ta có thể biểu diễn phương trình trên như sau Với q = E –E’ nó chính là nhiệt hấp phụ Gọi: là phần bề mặt đã bị hấp phụ là hằng số chỉ phụ thuộc nhiệt độ Khi đó phương trình hấp phụ có dạng Thay vào phương trình trên ta có Hay ta chuyển về dạng II. Thuyết hấp phụ Fruendlich Nghiên cứu thực nghiệm quá trình hấp phụ Fruendlich đã đưa ra phương trình thực nghiệm: x = K.P1/n x- độ hấp phụ, P- áp suất khí cân bằng trên bề mặt hấp phụ, K- hằng số, n- số phân tử bị hấp phụ Nếu n < 5 thì x = K.P1/n Suy ra dạng đường thẳng: Lgx = lgb +(1/n).lgP Nếu n > 5 ta có dạng của đường Fruendlich x = C1 +C2lnP Trong đó C1, C2 là các hằng số III. Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Brunauer – Emmett – Teller (BET) Trong thực tế người ta thấy có nhiều dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ khác với đường đẳng nhiệt Fruendlich hay Langmuir. Các nhà khoa học Brunauer – Emmett- Teller đã tìm ra lý thuyết giải thích và mối quan hệ định lượng chúng dưới dạng phương trình đẳng nhiệt BET. Lý thuyết BET cho rằng sự hấp phụ khí, hơi trên bề mặt chất rắn là hấp phụ vật lý, ở giai đoạn áp suất thấp thì tuân theo quy luật như của phương trình đẳng nhiệt hấp phụ của Langmuir, nếu tăng áp suất thì sẽ diễn ra quá trình hấp phụ đa lớp khi áp suất tiến tới bằng áp suất hơi bão hòa trên bề mặt rắn thì có thể xảy ra hiện tượng ngưng tụ trong các mao quản hấp phụ. Như vậy theo BET các phân tử chất hấp phụ không chuyển động tự do trên bề mặt và không tương tác với nhau, ở những điểm khác nhau có thể hình thành nhiều lớp hấp phụ nhưng tổng bề mặt là không đổi. Để thiết lập phương trình đẳng nhiệt BET người ta thừa nhận giả thiết của Langmuir và bổ sung thêm một số điều Enthanpy của các phân tử không thuộc lớp thứ nhất đều bằng nhau và bằng enthanpy hóa lỏng Số lớp hấp phụ trở lên vô cùng lớn ở áp suất bão hòa Dựa trên cở sở đó người ta thiết lập phương trình BET Hay có thể viết dưới dạng Trong đó: V: thể tích chất bị hấp phụ trên một gam chất hấp phụ Vm: thể tích chất hấp phụ cần thiết tạo ra một đơn lớp chất bị hấp phụ trên bề mặt của 1 gam chất rắn ở áp suất cân bằng P P0: áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp phụ q = V/Vm: bề mặt bị hấp phụ C: hằng số thực nghiệm IV. Một số thực nghiệm về phương pháp hấp phụ sản xuất cồn bằng vật liệu zeolite 1. Báo cáo của E.Lalik, R.Mirek, J.Raocry, A.Groszek – 17/4/2006 “ Microcalorimetric study of sorption of water and ethanol” Lượng Zeolite trong mẫu: 0,02g Lượng chất mang (thạch anh): 0,2g Nhiệt độ khảo sát: zeolite 3A là 980C, 5A là 950C Diện tích bề mặt riêng 410m2/g Bảng 6. Kết quả tính toán từ thực nghiệm Loại Zeolite và nhiệt độ Tổng nhiệt hấp phụ, mJ Lượng Ethanol hấp phụ mmol Enthanpy hấp phụ kJ/mol Tổng nhiệt nhả hấp,mJ Lượng Ethanol sau nhả hấp mmol Enthanpy hấp nhả phụ kJ/mol Nhiệt hấp phụ bất thuận nghịc kJ/mol 3A, RT 180,7 1,5 120,5 57,1 0,4 142,7 112,4 3A,980C 160,4 0,9 178,2 58,2 0,5 116,4 255,5 5A, RT 727,8 14,9 48,8 195,5 4,8 40,7 52,7 5A,950C 2262 35,1 63,8 429,7 8,1 53,0 69,7 Qua kết quả trên thấy rằng Zeolite 5A không thể dùng làm chất hấp phụ làm kha cồn được. Zeolite 3A là chất hấp phụ co ưu điểm hơn rõ rệt về nhiệt và lượng ethanol hấp phụ 2. Thực nghiệm “ Nghiên cứu khảo sát động học quá trình hấp phụ cồn bằng Zeolite 4A” (Luận văn tốt nghiệp K05 – Nguyễn Văn Phúc ĐH Bách Khoa tp HCM) Hệ thống thí nghiệm: Đường kính trung bình hạt zeolite: 2mm Loại Zeolite 4A nhập từ Trung Quốc Tổng khối lượng zeolite 338,623g Cột hấp phụ hình trụ cao 300mm, đường kính 60mm Vật liệu: thép CT3 Bề dày 2mm Nồng độ cồn đầu vào dạng hơi: 92% khối lượng, được đun sôi và quá nhiệt tới 1200C – 1300C. Giải hấp phụ bằng cồn khan 99,2% khối lượng, nhiệt độ 1600C hoặc được giải hấp phụ bằng khí Nito khô. Hình 5. Lượng nước hấp phụ theo thời gian ở các chế độ áp suất khác nhau với nhiệt độ hơi vào 1200C Từ hình trên ta thấy rằng áp suất càng lớn thì lượng nước hấp phụ càng nhiều hay ở áp suất cao thuận lợi cho quá trình hấp phụ Hình 6. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên lượng nước bị hấp phụ ở áp suất 35 PSI Từ đồ thị trên ta có thể thấy ở nhiệt độ thấp thì quá trình hấp phụ thuận lợi hơn Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ P(PSI) mH2O(g) x(gH2O/gzeolite) P/x 5 30.05972 0.08877046 56.32504 10 33.68509 0.09947667 100.5261 25 35.64483 0.10526405 237.4980 30 39.04258 0.11529807 260.1952 35 43.21182 0.12761041 274.2723 Hình 7. Mối quan hệ giữa P/x và P Từ đồ thị ta có Suy ra xm = 0,1308 gH2O/gzeolite Quá trình nhả hấp phụ Trong quá trình nhả hấp phụ ta sử dụng trực tiếp hơi cồn khan khi qua tháp hấp phụ làm tác nhân giải hấp Hình 8. Tương quan mối quan hệ giữa tốc độ hấp phụ và giải hấp (1400C 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 phụ và giải hấp. Ta chọn quá trình giải hấp tai nhiệt độ 1400C, lưu lượng cồn khan giải hấp bằng 20% lưu lượng cồn khan ra khỏi tháp hấp phụ, áp suất giải hấp - 0,7atm 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 chọn môi chất giải hấp là khí nito khan 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, ở đây cồn lỏng được hóa hơi và quá nhiệt tới 800C 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 đoạn song song nhau, trong khi một tháp làm nhiệm vụ hấp phụ thì tháp kia làm nhiệm vụ giải hấp cứ liên tục chuyển đổi như vậy. Quá trình giải hấp được thực hiện bằng dòng khí nito khan được cấp từ bồn chứa 10 và nén lên áp suất 1,5at đưa qua thiết bị gia nhiệt 7 nâng nhiệt độ lên 3000C và đưa vào tháp giải hấp. Giữa quá trình giải hấp và hấp phụ có thời gian cân bằng để xả áp cao từ tháp hấp phụ xuống 1,5 at sau đó mới đưa dòng hơi nito vào giải hấp, dòng khí xả áp được sục vào nước và tuần hoàn lại hệ thống chưng cất tạo cồn nguyên liệu cho quá trình hấp phụ Chương 4 QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ I. Cân bằng vật chất cho quá trình hấp phụ Các kí hiệu: Gv: Lưu lượng cồn vào tháp hấp phụ, kg/h Gr: Lưu lượng dòng cồn khan ra khỏi tháp, kg/h GH2O: Lượng nước bị hấp phụ trong tháp, kg/h Gz: Khối lượng zeolite cần dùng, kg rv: Khối lượng riêng của hỗn hợp hơi đầu vào rr: Khối lượng riêng hỗn hợp khí đầu ra rtb: Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí ở đầu vào và đầu ra của tháp Cyv: Nồng độ pha hơi đầu vào, kg nước/m3 ethanol Cyr: Nồng độ pha hơi đầu ra, kg nước/m3 ethanol Cyv*: Nồng độ pha hơi cân bằng ở đầu vào, kg nước/m3 ethanol Cyr*: Nồng độ pha hơi cân bằng ở đầu ra, kg nước/m3 ethanol Xr: Nồng độ ethanol đầu ra, phần trăm khối lượng Xv: Nồng độ ethanol đầu vào, phần trăm khối lượng Khối lượng riêng của pha hơi đi vào tháp Khối lượng riêng của hơi ethanol Khối lượng riêng của hơi nước Khối lượng riêng của pha hơi đầu vào Khối lượng riêng pha hơi đi ra khỏi tháp Dòng hơi đi ra khỏi tháp có nồng độ ethanol rất cao(99,5%V) nên ta coi dòng này là nguyên chất để tính Tính cân bằng vật chất cho cấu tử bị hấp phụ là nước: Lưu lượng cồn ra khỏi tháp hấp phụ Gr = 5000l/h = 5000.0,356 = 1780 kg/h Lưu lượng dòng trơ (dòng ethanol) đầu ra Gtr = Gr.xr = 1780.0,995 = 1771,1 kg/h Lưu lượng dòng hơi nước đầu ra GNR = 1780 -1771,1 = 8,9 kg/h Lưu lượng dòng khí trơ đầu vào cũng và đầu ra không thay đổi(ta coi ethanol hoàn toàn không bị hấp phụ) Gọi Gnv: Lưu lượng dòng hơi nước vào tháp, ta có Suy ra GNV = 154 kg/h Lượng nước bị hấp phụ bởi lớp Zeolite GH2O = 154 – 8,9 = 145,1 kg/h Lưu lượng tổng cộng dòng vào G∑V = 154 + 1771,1 = 1925,1 kg/h Dòng vào Dòng ra Lưu lượng ∑, kg/h Lưu lượng Ethanol, kg/h Lưu lượng Nước, kg/h Nồng độ %khối lượng Lưu lượng ∑ Lưu lượng Ethanol, kg/h Lưu lượng Nước, kg/h Nồng độ %khối lượng 1925,1 1771,1 154 0,08 1780 1771,1 8,9 0,005 II. Tính toán chiều cao lớp hấp phụ Chiều cao lớp hấp phụ có thể tính theo nhiều phương pháp tùy vào số liệu đường cân bằng, phương pháp và thiết bị thực hiện quá trình. Chiều cao tháp được tính theo phương pháp tổng quát dựa vào số đơn vị truyền khối Trong đó: Vg: Lưu lượng hỗn hợp hơi đầu vào, m3/s ky: hệ số truyền khối, m/s Cy*: Nồng độ cân bằng của hơi nước trong hỗn hợp hơi g/m3 S: Tiết diện ngang của tháp, m2 1. Đường kính của tháp Chọn đường kính tháp 0,8m, tính lại tốc độ dòng khí ta có w = 0,3m/s 1.1. Hệ số truyền khối Phương trình chuẩn số mô tả quá trình truyền khối trong tháp chêm Trong đó Sh – chuẩn số Sherwood, Re – chuẩn số Renold, Sc – chuẩn số Schmit Hay tương đương với Với D: hệ số khuếch tán phân tử của hơi nước tại nhiệt độ làm việc ky: hệ số truyền khối, m/s w: tốc độ dòng hơi tính trên toàn tiết diện tháp, m/s d: đường kính trung bình của hạt hấp phụ, m m: độ nhớt của hỗn hợp hơi, N.s /m2 r: khối lượng riêng pha hơi, kg/m3 1.2. Tính hệ số khuếch tán D Với: nA, nB: lần lượt là thể tích mol của khí hơi nước, ethanol cm3/mol P: áp suất tổng, at T: nhiệt độ, K MA, MB: Khối lượng mol của hơi nước và ethanol 2. Tính chiều cao tháp Chiều cao tháp hấp phụ được tính theo công thức tổng quát Trong vùng đường thẳng của đường đẳng nhiệt thì tích phân trong công thức trên được tính bằng động lực trung bình logarit Trong đó DCyđ, DCyc là động lực lớn và nhỏ ở hai đầu tháp DCyđ = Cyđ - Cyđ*, DCyc = Cyc - Cyc* Với khả năng hấp phụ của zeolite thì nồng độ cân bằng của pha hơi có thể đạt 99,99%, nên Cyđ* = Cyc* = 0,01% Suy ra Chọn hệ số dự trữ chiều cao 10% khi đó chiều cao lớp hấp phụ HO = 2,9.1,1 = 3,19 m, ta chọn HO = 3,2 m 3. Tính toán thời gian hấp phụ Thời gian hấp phụ trong vùng thứ nhất (vùng đường thẳng) của đường đẳng nhiệt hấp phụ được tính theo công thức Với w: tốc độ dòng hơi tính cho tiết diện của toàn tháp, m/s Cyđ: nồng độ pha khí đầu vào, kg/m3 khí trơ HO: Chiều cao lớp hấp phụ Cx*: nồng độ chất hấp phụ cân bằng với nồng độ pha khí đầu vào (kg/m3 chất hấp phụ) ky: hệ số truyền khối, m/s b: hệ số được tính theo tỉ số Cyc/ Cyđ, theo bảng X.6 [2] ta có b = 0,51 Vậy: Suy ra: Ta chọn thời gian hấp phụ là 4h 4. Tính toán lượng zeolite cần thiết Thể tích lớp chất hấp phụ trong tháp Khối lượng zeolite cho một tháp Tổng khối lượng Zeolite cho hai tháp M = 2080 kg III. Cân bằng nhiệt lượng cho quá trình hấp phụ Gọi Q1 - nhiệt lượng dòng hơi cồn nhập liệu mang vào tháp, kJ Qhp - nhiệt hấp phụ, kJ Qms – nhiệt sinh ra do ma sát giữa dòng khí chuyển động và lớp hạt zeolite đứng yên, kJ Qtt – nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh, kJ Q2 – nhiệt lượng dòng hơi cồn mang ra khỏi tháp Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp ta có Q2 = Q1 + Qhp + Qms - Qtt Với Q1 = G∑V.i1 G∑V – lưu lượng hơi cồn nhập liệu, kg/h i1 – nhiệt lượng riêng của dòng nhập liệu kJ/kg i1 = ie. (1-xy) + in.xy = 373.(1-0,08) + 502,4.0,08 = 383,4 kJ/kg trong đó: ie – nhiệt lượng riêng của hơi ethanol nguyên chất ở 1100C, 3,5 at, kJ/kg; in – nhiệt lượng riêng của hơi nước nguyên chất tại 1100C, 3,5 at, kJ/kg; xy – nồng độ khối lượng hơi nước trong hỗn hợp nhập liệu Q1 = G∑V.i1 = 1925,1.383,4 = 738083kJ/h = 205kW Với m – khối lượng hơi nước hấp phụ trong một giờ làm việc, kg/h; i – nhiệt hấp phụ riêng, kJ/kg Nhiệt lượng sinh ra do ma sát phụ thuộc vào tốc độ dòng khí di chuyển trong tháp lấy bằng 10% tổng lượng nhiệt, nhiệt do tổn thất lấy bằng 5% tổng lượng nhiệt Vậy: Q2 = Q1 + Qhp + Qms + Qtt = (205 +14,75).(1,1-0.5) = 230,7kW Q2 = Gr.ir Gr.C.T Gr – lưu lượng dòng cồn khan ra khỏi tháp, kg/h; ir – nhiệt lượng riêng của dòng cồn khan ra khỏi tháp, kJ/kg; C nhiệt dung riêng của dòng sản phẩm, kJ/kg.độ; t – nhiệt độ dòng cồn ra,0C, ta có Chương 5 QUÁ TRÌNH GIẢI HẤP PHỤ I. Chọn tác nhân giải hấp phụ Ta có thể dùng các chất hữu cơ hay khí trơ thích hợp để thực hiện quá trình nhả hấp phụ. Theo các nghiên cứu gần đây nếu ta sử dụng khí nito để thực hiện quá trình nhả hấp cho cột hấp phụ làm khan cồn tốc độ nhả nhanh đồng thời dùng nito nguội để hoạt hóa cho zeolite thì có thể phục hồi gần như hoàn toàn hoạt tính của chất hấp phụ Chọn điều kiện làm việc: dòng hơi nito nhả hấp đầu vào với nhiệt độ 3000C, nhiệt độ nhả hấp phụ 1800C II. Cân bằng vật chất cho quá trình nhả hấp phụ Khi dùng hơi nito để nhả hấp thì lượng hơi tiêu tốn để Đun nóng hệ đến nhiệt độ nhả Nhả chất bị hấp phụ(hơi nước) ra khỏi chất hấp phụ(zeolite) Đẩy chất hấp phụ ra khỏi tháp Tổn thất ra môi trường xung quanh Coi như lượng nito bị hấp phụ không đáng kể… Tính lượng hơi nito giải hấp phụ Với Gnt là tổng lượng hơi nito giải hấp kg/h G1 - là lượng nito cần thiết để kéo chất hấp phụ ra khỏi tháp cùng với dòng khí giải hấp,kg/h; G2 - là tổng lượng nito cung cấp nhiệt cho cột nhả như trên đã nêu, kg/h, ta có: Qđn – Lượng nhiệt mà dòng nito cung cấp để đun nóng hệ đến nhiệt độ nhả hấp, kJ Qhp - Lượng nhiệt mà dòng nito cung cấp để giải hấp, có giá trị bằng nhiệt hấp, kJ phụ Qtt– Lượng nhiệt tổn thất, lấy bằng 5% tổng lượng nhiệt tính toán, kJ Với nhiệt độ hấp phụ là 1200C, nhiệt độ giải hấp 1800C Trong đó: m - khối lượng zeolite trong một tháp, kg ; c - nhiệt dung riêng của zeolite, kJ/kg.độ; DT- chênh lệch nhiệt độ; t – thời gian hấp phụ, s Nhiệt giải hấp Với m - lượng hơi nước hấp phụ trong 4h, kg; i - nhiệt hấp phụ riêng, kJ/kg Lượng hơi nito cần thiết Lượng nito cần thiết để kéo hơi nước ra khỏi cột hấp phụ G1 Gọi x1,x2 là nồng độ hơi nước trước và sau khi giải hấp trên zeolite, kg/kg zeolite Ta có m– lượng hơi nước bị hấp phụ, kg/h Trong đó pa– áp suất trong thiết bị khi nhả hấp, mmHg; r khối lượng riêng cảu hơi nito tại nhiệt độ nhả, kg/m3; T – nhiệt độ nhả, K; Ma – khối lượng mol chất nhả hấp, kg/kmol; a và n là các đại lượng xác định từ đường đẳng nhiệt hấp phụ với a = 0,2, n = 0,312 ta có Vậy: Tổng lượng hơi nito cần thiết để giải hấp II. Tính toán vận tốc hơi giải hấp đi trong tháp Lớp hạt zeolite đường kính 2mm, khối lượng riêng của Zeolite 1100kg/m3, khối lượng riêng xốp của khối hạt 650kg/m3, độ nhớt dòng hơi tại nhiệt độ trung bình 2400C là m = 0,11.10-3 N.s/m2, khối lượng riêng dòng khí 693kg/m3. Từ đây ta tính tốc độ tới hạn chuyển từ lớp hạt tĩnh sang trạng thái lơ lửng tầng sôi Chuẩn số Archimede Điều kiện độ xốp Chuẩn số Renold tới hạn Tốc độ tới hạn chuyển vào lớp tầng sôi Ta chọn vận tốc hơi đi trong tháp bằng khoảng 0,75vk Vậy vận tốc hơi đi trong tháp w = 0,75.0,403 = 0,302 m/s Tốc độ hơi đi trong khe xốp II. Các giai đoạn nhả hấp phụ Nhả hấp phụ được chia làm ba giai đoạn Cân bằng áp suất Giai đoạn này ta xả áp trong thiết bị hấp phụ đến áp suất khí quyển sau đó chuyển tháp sang giai đoạn nhả hấp, giai đoạn này diễn ra trong 10 phút Gia nhiệt và giải hấp Trong khoảng thời gian một tháp hấp phụ thì tháp còn lại sẽ làm nhiệm vụ nhả hấp phụ. Giai đoạn này diễn ra khoảng 120 phút với dòng Nito khan có lưu lượng 376,6kg/h, nhiệt độ 3000C áp suất 1,5 atm Làm mát và hoạt hóa Giai đoạn này diễn ra trong 110 phút với dòng Nito đầu vào khoảng 350C lưu lượng 376,6kg/h áp suất 1,5atm Chương 6 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ I. Tính toán chiều cao toàn bộ tháp Chiều cao toàn tháp H = HO + HT + HB = 3,2 +0,5 +0,5 = 4,2 m Với: HO: chiều cao lớp hấp phụ, m HT: khoảng cách từ lớp hấp phụ trên đến đỉnh tháp, m HB: khoảng cách từ lớp hấp phụ dưới đến đáy tháp, m II. Tính tổn thất áp suất của dòng khí qua lớp hấp phụ Tổn thất áp suất của khí khi qua lớp hạt hấp phụ được xác định qua công thức của daski Trong đó: lh: hệ số ma sát của dòng chảy qua lớp hạt H0: Chiều cao lớp hấp phụ, m v0: vận tốc dòng lưu chất đi trong khe giữa các hạt zeolite r: khối lượng riêng của khí d0: đường kính khe hở giữa các hạt Chuẩn số Re cho dòng khí đi trong khe Vậy lh được tính theo công thức Trở lực qua tháp Áp suất tại đáy tháp Pd = P - DP = 3,5.9,81.104 – 18,7.103 = 3,2.105 N/m2 III. Tính toán cơ khí cho thân tháp Thân tháp hình trụ hàn với mối hàn giáp mối Chọn vật liệu chế tạo X18H10T Nhiệt độ tính toán lấy tại nhiệt độ cao nhất 3000C Áp suất tính toán 3,5at Ứng suất cho phép tiêu chuẩn tại 3000C,[ s*] = 125 N/mm2 Ứng suất cho phép ,[ s] = h.[ s*] = 1.125 = 125 N/mm2 Hệ số bền mối hàn jh = 0,95 1. Tính bề dày cho thân trụ hàn chịu áp suất trong Xác định áp suất tác động lên phần dưới tháp có kể cả áp suất của lớp zeolite P = Pm + g.rx.H = 3,5.9,81.104.10-6 + 3,2.9,81.650.10-6 = 0,363 N/mm2 Tính bề dày tối thiểu thiết bị theo công thức 5.3 [3] Bề dày thực của thiết bị có tính đến hệ số ăn mòn tổng cộng S = S’ + C = 1,22 + 1 = 2,22 mm quy tròn S = 3mm. Theo bảng 5-1[3] ta chọn S = 4 mm trong khoảng đường kính 400 -1000 mm. Vậy chọn S = 4 mm. Kiểm tra bề dày: Kiểm tra áp suất tính toán Vậy ta chọn bề dày tháp 4 mm 2. Tính đáy, nắp tháp Đáy và nắp được hàn trực tiếp lên thân thiết bị Chọn đáy nắp elip tiêu chuẩn, vật liệu chế tạo X18H10T Nhiệt độ tính toán 1200C Áp suất tính toán 3,5at, đáy nắp chịu áp suất trong Với Rt được tính Với đáy nắp tiêu chuẩn ta có H =0,25Dt Nên suy ra Rt = Dt Ta chọn bề dày đáy nắp bằng bề dày thân S = 4mm Kiểm tra điều kiện bền Kiểm tra áp suất tính toán Bề dày đáy nắp S = 4 mm thỏa yêu cầu. Vậy chọn kích thước đáy nắp Đường kính trong Dt, mm Độ sâu đáy ht, mm Chiều cao gờ h, mm Bề mặt trong F, m2 Thể tích V.103,m3 Bề dày S,mm 800 200 25 0,76 79,6 4 3. Tính đường kính và bích ghép các ống dẫn OÁng daãn thöôøng ñöôïc noái vôùi thieát bò baèng moái gheùp thaùo ñöôïc hoaëc khoâng thaùo ñöôïc. Trong thieát bò naøy, ta söû duïng moái gheùp thaùo ñöôïc. Ñoái vôùi moái gheùp thaùo ñöôïc, ngöôøi ta laøm ñoaïn oáng noái, ñoù laø ñoaïn oáng ngaén coù maët bích hay ren ñeå noái vôùi oáng daãn: Loaïi coù maët bích thöôøng duøng vôùi oáng coù ñöôøng kính d > 10mm. Loaïi ren chuû yeáu duøng vôùi oáng coù ñöôøng kính d £ 10mm, ñoâi khi coù theå duøng vôùi d £ 32mm. OÁng daãn ñöôïc laøm baèng theùp X18H10T. Bích ñöôïc laøm baèng theùp CT3 , caáu taïo cuûa bích laø bích lieàn khoâng coå. 3.1. Ống dẫn hơi tại đáy tháp Vận tốc dòng hơi đi trong ống chọn w = 10m/s Đường kính trong của ống dẫn Chọn đường kính ống 150mm, tính lại vận tốc hơi đi trong ống Tra bảng XIII.33 [2] ứng với áp suất P = 0,25N/mm2 ta có chiều dài đoạn ống l =90mm Tra bảng XIII.26 [2] ứng với áp suất P = 0,25N/mm2 Dy Dn D Dd D1 h Bu loâng db Z mm caùi 150 159 260 225 202 16 16 8 3.2. Ống dẫn hơi nhập liệu ở đỉnh tháp đồng thời là ống thay zeolite mới Chọn vận tốc dòng hơi đi trong ống 5 m/s Đường kính trong của ống dẫn Chọn đường kính ống 200mm, vận tốc hơi đi trong ống Tra bảng XIII.33 [2] ứng với áp suất P = 0,25N/mm2 ta có chiều dài đoạn ống l =90mm Tra bảng XIII.26 [2] ứng với áp suất P = 0,25N/mm Dy Dn D Dd D1 h Bu loâng db Z mm caùi 200 290 255 232 202 16 16 8 Ống tháo Zeolite ở đáy Ta chọn kích thước ống tháo zeolite ở đáy bằng với ống nhập zeolite Chọn vận tốc dòng hơi đi trong ống 5 m/s Đường kính trong của ống dẫn Chọn đường kính ống 200mm, vận tốc hơi đi trong ống Tra bảng XIII.33 [2] ứng với áp suất P = 0,25N/mm2 ta có chiều dài đoạn ống l =90mm Tra bảng XIII.26 [2] ứng với áp suất P = 0,25N/mm Dy Dn D Dd D1 h Bu loâng db Z mm caùi 200 290 255 232 202 16 16 8 4. Tính chân đỡ tai treo cho tháp Tính trọng lượng của toàn tháp Trong đó: MT: khối lượng thân tháp, kg MZ: khối lượng zeolite, kg Mb: khối lượng bích, kg Mdn: khối lượng đáy và nắp, kg Khối lượng thân thiết bị Khối lượng zeolite: MZ = 1040 kg Khối lượng đáy và nắp Vậy khối lượng tổng cộng của toàn tháp: Chọn chân đỡ: tháp được đỡ trên ba chân Vaät lieäu laøm chaân ñôõ thaùp laø theùp CT3. Tải trọng cho phép trên một chân đỡ: Để đảm bảo an toàn ta chọn Gc = 0,25.104 N Tra bảng XIII.35[2], Þ chọn chân đỡ có các thông số sau: F.104 q.10-6 L B B1 B2 H h s l d m2 N/m2 mm 85,5 0,29 110 80 95 110 180 120 6 40 18 Tính khối lượng gần đúng một chân đỡ: Thể tích một chân đỡ: Khối lượng một chân đỡ: m1 chânđỡ = V1 chânđỡ . rCT3 = 2,69.10-3.7850 = 21,1kg 4.1. Tính tai treo Chọn tai treo: Tai treo được gắn trên thân tháp và tựa vào giàn đỡ để giữ tháp vững trong quá trình làm việc Chọn vật liệu làm tai treo là thép CT3 Tải trọng trên một tai treo chọn bằng với tải trọng trên một chân đỡ Gc = 0,25.104 N Tra bảng XIII.36 [2] Þ chọn tai treo có các thông số sau: F.104 q.10-6 L B B1 H S l a d m m2 N/m2 mm 57,0 0,44 90 65 75 140 6 35 15 14 1,0 Khoái löôïng moät tai treo: mtai treo = 1,0 kg Tra baûng XIII.37, trang 439, STT2 Þ Choïn taám loùt tai treo baèng theùp CT3 coù caùc thoâng soá sau(tra theo Gc = 2,5.104 N): Chieàu daøi taám loùt: H = 260 mm Chieàu roäng taám loùt: B = 140 mm Beà daøy taám loùt: SH =6 mm Theå tích moät taám loùt tai treo: Vtaám loùt = B.SH.H = 140. 6. 260. 10-9 = 0,2184.10-3 m3 Khoái löôïng moät taám loùt tai treo: mtaám loùt = Vtaám loùt. rCT3 = 0,2184.10-3.7850 = 1,714 kg Chương 7 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ I. Tính toán nồi đun Sử dụng nồi đun kettel , Ống truyền nhiệt được làm bằng thép với kích thước 38x3 Đường kính ngoài: dn = 38 mm = 0,038 m Bề dày ống: dt = 3 mm = 0,003 m Đường kính trong: dtr = 0,032 m Hơi đốt là hơi nước 2,0at, hơi đốt đi trong ống Nhiệt độ hơi đốt 119,60C Ẩn nhiệt ngưng tụ 2208 kJ/kg Dòng cồn nguyên liệu có nhiệt độ Trước khi vào nồi đun t1 = 300C (trạng thái lỏng) Sau khi rời nồi đun t2 = 800C (hơi quá nhiệt) 1. Lượng hơi đốt cần dùng Nhiệt lượng để bốc hơi lượng cồn nhập liệu từ nhiệt độ ban đầu Q = G∑V.Cl.DT1 + G∑V.r + G∑V.Ch. DT2 Trong đó Cl, Ch – lân lượt là nhiệt dung riêng của cồn lỏng, và hỗn hợp hơi cồn nhập liệu, kJ/kg.độ; DT1, DT2 – lần lượt là chênh lệch nhiệt độ của hỗn hợp lỏng nhập liệu – nhiệt độ sôi và nhiệt độ sôi – nhiệt độ quá nhiệt của hơi đi vào máy nén, 0C; r – nhiệt hóa hơi của cồn nhập liệu Cl = Cle.(1-xc) + Cln.xc = 2,71.(1- 0,08) + 4,18.0,08 = 2,83kJ/kg.độ r = re.( 1-xc) + rln.xc = 826.(1 – 0,08) + 2264.0,08 = 941kJ/kg Q = 1925,1.2,83(78,4-30) + 1925,1.941 + 1925,1.3,5.(83,4-78.4) = 585,8 kW Lượng hơi đốt cần dùng 2. Hiệu nhiệt độ trung bình 3. Hệ số cấp nhiệt của cồn sôi sủi bọt trong thiết bị đun sôi Khối lượng riêng của hơi cồn tại nhiệt độ sôi Khối lượng riêng của hỗn hợp Sức căng bề mặt của hỗn hợp Độ nhớt của hỗn hợp Nhiệt dung riêng của hỗn hợp cồn lỏng Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp Hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp 4. Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ phía trong ống Dùng phương pháp lặp ta chọn nhiệt độ vách trong tw1 = 1100C, tại nhiệt độ nước ngưng 119,60C tính chất vật lý của dòng hơi và nước ngưng trong ống Ẩn nhiệt ngưng tụ rn = 2208 kJ/kg Khối lượng riêng của màng nước ngưng rn = 926,1 kg/m3 Hệ số dẫn nhiệt của màng nước ngưng ln = 0,686 W/m.độ Độ nhớt của màng nước ngưng mn = 0,237.10-3 N.s/m2 5. Mật độ dòng nhiệt truyền qua vách qt = qn = an.(tn – tw1) = 2184.(119,6-110) =20966,4 W/m2 Trong đó nhiệt trở qua thành ống và lớp cáu được tính theo công thức Bề dày thành ống: dt = 0,003 m Hệ số dẫn nhiệt của thép không rỉ: lt = 16,3 W/mK Nhiệt trở lớp bẩn trong ống: r1 = 1/5800 m2.K/W Nhiệt trở lớp cáu ngoài ống: r2 =1/5800 m2.K/W Nên: årt = 5,289.10-4 m2.K/W Nhiệt độ vách ngoài tw2 = 110-11,1= 98,9 Suy ra: Kiểm tra lại giá trị q: q = aS.(tw2 - tn) = 1020,5.(98,9 – 78,4) = 20920,25 W/m2 Giá trị q không thay đổi nhiều (không quá 5%) do đó nhiệt độ tw1 ban đầu ta giả sử được chấp nhận 6. Hệ số truyền nhiệt tổng quát 7. Bề mặt truyền nhiệt II. Năng suất nhiệt của caloriphe Nhiệt độ khí nitơ vào, tv = 350C Nhiệt độ khí nitơ ra khỏi caloriphe, tr = 3000C Lưu lượng khí vào, G = 381,1kg/h Nhiệt dung riêng trung bình của nitơ tại nhiệt độ 167,50C, c = 1163J/kg.độ Năng suất nhiệt của caloriphe Q = G.C.Dt = 381,1.1163.265 = 32,6kW III. Tính toán thiết bị ngưng tụ sản phẩm Chọn thiết bị ngưng tụ kiểu vỏ ống đứng, với các thông số: Ống truyền nhiệt được làm bằng thép CT3, kích thước 20x2 Đường kính ngoài ống dng = 20mm = 0,02m Chiều cao ống truyền nhiệt 1m Hơi cồn ngưng tụ tại áp suất 3,2 at, nhiệt độ 94,50C Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi cồn khan tại nhiệt độ 94,50C: r = 781kJ/kg Nước giải nhiệt đi trong ống, nhiệt độ nước vào 280C, nhiệt độ nước ra 400C 1. Lượng nước cần dùng để giải nhiệt Lượng nhiệt hơi ngưng tụ tỏa ra Trong đó G∑R – lưu lượng hơi cồn khan ngưng tụ, kg/h Lượng nước giải nhiệt cần dùng 2. Hiệu nhiệt độ trung bình 3. Hệ số cấp nhiệt hơi cồn tình khiết ngưng tụ trên bề mặt ống đứng Trong đó a – hệ số cấp nhiệt, W/m2.K; H – chiều cao ống, m; l – hệ số dẫn nhiệt của cồn ngưng, W/m.K; r – khối lượng riêng cồn lỏng, kg/m3; m - độ nhớt của cồn ngưng, N.s/m2, tn – nhiệt độ ngưng tụ, K; tw1 – nhiệt độ vách tiếp xúc với cồn ngưng tụ, K 4. Hệ số cấp nhiệt của nước giải nhiệt đi trong ống Nhiệt độ trung bình của nước giải nhiệt Tại nhiệt độ này : Khối lượng riêng của nước: rn = 994 kg/m3 Độ nhớt động lực học của nước: nn = 7,23.10-7 m2/s Hệ số dẫn nhiệt của nước: ln = 0,626 W/mK Chuẩn số Prant: Prn = 4,90 Chọn vận tốc nước đi trong ống: vn = 0,6 m/s Chuẩn số Renold: Ta thấy chuẩn số Re > 10000 do đó quá trình cấp nhiệt xảy ra chế độ chảy xoáy rối, ta có Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống Dùng phương pháp lặp ta chọn nhiệt độ vách ngoài tw1 = 78,50C Tại nhiệt độ 94,50C dòng cồn ngưng có tính chất vật lý Ẩn nhiệt ngưng tụ rn = 781 kJ/kg Khối lượng riêng của màng cồn ngưng rn = 680 kg/m3 hệ số dẫn nhiệt của màng cồn ngưng ln = 0,153 W/m.độ độ nhớt của màng cồn ngưng mn = 0,45.10-3 N.s/m2 5. Mật độ dòng nhiệt truyền qua vách qt = qn = an.(tn – tw1) = 1245,6.(94,5-78,5) =19929,6 W/m2 Suy ra nhiệt độ vách trong tw2 = 78,5-10,5 = 60 Trong đó nhiệt trở qua thành ống và lớp cáu được tính theo công thức Bề dày thành ống: dt = 0,003 m Hệ số dẫn nhiệt của thép không rỉ: lt = 16,3 W/mK Nhiệt trở lớp bẩn trong ống: r1 = 1/5800 m2.K/W Nhiệt trở lớp cáu ngoài ống: r2 =1/5800 m2.K/W Nên: årt = 5,289.10-4 m2.K/W Nhiệt độ trung bình của vách Chuẩn số Pr của nước tại nhiệt độ trung bình của vách Prt = 2,55 Hệ số cấp nhiệt phía nước giải nhiệt Kiểm tra lại giá trị q: q = an.(tw2 – tf) = 763,72.(60 – 34) = 19856,72 W/m2 Giá trị q không thay đổi nhiều (không quá 5%) do đó nhiệt độ tw1 ban đầu ta giả sử được chấp nhận 6. Hệ số truyền nhiệt tổng quát 7. Bề mặt truyền nhiệt KEÁT LUAÄN Với quy trình công nghệ tính toán ở trên sử dụng chất hấp phụ zeolite 4A ngoài ra còn có thể sử dụng chất hấp phụ zeolite 3A hiện chưa có tài liệu nào chứng minh 4A, hay 3A có khả năng hấp phụ chọn lọc hơi nước trong cồn tốt hơn. Cồn tinh luyện không chỉ dùng để pha xăng mà rất nhiều lĩnh vực hiện nay có nhu cầu về loại cồn này do đó cùng với điều kiện là một nước nông nghiệp nước ta có nhiều thuận lợi để phát triển ngành công nghiệp này. Trong quá trình tính toán tác giả chưa đề cập đến tính kinh tế của đề tài do nhiều lý do hạn chế về khả năng và thời gian thực hiện nên chưa đưa việc tính toán mang tính học thuật gắn với thực tế được. Việc xây dựng đường cân bằng cho zeolite 4A để thực hiện quá trình tính toán chưa có nên trong quá trình thực hiện còn có một số quá trình tính chưa được chính xác. Tác giả chưa kết hợp tính toán thiết kế với điều khiển quá trình trong đề tài. TAØI LIEÄU THAM KHAÛO Traàn Huøng Duõng – Nguyeãn Vaên Luïc – Hoaøng Minh Nam – Vuõ Baù Minh, “Quaù trình vaø Thieát bò trong Coâng Ngheä Hoùa Hoïc – Taäp 1, Quyeån 2: Phaân rieâng baèng khí ñoäng, löïc ly taâm, bôm, quaït, maùy neùn. Tính heä thoáng ñöôøng oáng”, Nhaø xuaát baûn Ñaïi hoïc Quoác gia TpHCM, 1997, 203tr. Voõ Vaên Bang – Vuõ Baù Minh, “Quaù trình vaø Thieát bò trong Coâng Ngheä Hoùa Hoïc – Taäp 3: Truyeàn Khoái”, Nhaø xuaát baûn Ñaïi hoïc Quoác gia TpHCM, 2004, 388tr. Phaïm Vaên Boân – Nguyeãn Ñình Thoï, “Quaù trình vaø Thieát bò trong Coâng Ngheä Hoùa Hoïc – Taäp 5: Quaù trình vaø Thieát bò Truyeàn Nhieät”, Nhaø xuaát baûn Ñaïi hoïc Quoác gia TpHCM, 2002, 372tr. Phaïm Vaên Boân – Vuõ Baù Minh – Hoaøng Minh Nam, “Quaù trình vaø Thieát bò trong Coâng Ngheä Hoùa Hoïc – Taäp 10: Ví duï vaø Baøi taäp”, Nhaø xuaát baûn Ñaïi hoïc Quoác gia TpHCM, 468tr. Taäp theå taùc giaû, “Soå tay Quaù trình vaø Thieát bò Coâng ngheä Hoùa chaát – Taäp 1”, Nhaø xuaát baûn Khoa hoïc Kyõ thuaät Haø Noäi, 1999, 626tr. Taäp theå taùc giaû, “Soå tay Quaù trình vaø Thieát bò Coâng ngheä Hoùa chaát – Taäp 2”, Nhaø xuaát baûn Khoa hoïc Kyõ thuaät Haø Noäi, 1999, 447tr. Hoà Leâ Vieân, “Thieát keá vaø Tính toaùn caùc thieát bò hoùa chaát”, Nhaø xuaát baûn Khoa hoïc vaø Kyõ thuaät, Haø Noäi, 1978, 286tr. Nguyeãn Minh Tuyeån, “Cô sôû tính toaùn Maùy vaø Thieát bò Hoùa chaát – Thöïc phaåm”, Nhaø xuaát baûn Khoa hoïc vaø Kyõ thuaät, Haø Noäi, 1984, 134tr.