Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật hóa dầu: Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ tinh chế cồn từ nguyên liệu cồn có hàm lượng Methanol cao

Trên thế giới cũng như tại Việt nam, hiện na và trong giai đoạn sắp tới, Ethanol cồn có nguồn gốc sinh học đã được đưa vào sử dụng để thay thế một phần nhiên liệ ăng c ng ồn gốc t dầu mỏ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

TRƯ NG T N T N

NGHIÊN CỨU N T N NG NG T N N T NG N N Ư NG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP H CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS HUỲNH QUYỀN

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS T NG N

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2: TS NG N Ư NG

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại rường Đại học Bách hoa, Đ QG Tp.HCM ngày 23 tháng 01 năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 hủ tịch hội đồng GS TS Ư

GS TS Ư

P ÒNG ĐÀO ẠO SĐ Đ c l p – Tự do – Hạnh phúc

Tp HCM, ngày 19 tháng 12 năm 2012

NHI M VỤ LUẬN VĂN T Ạ SĨ

- hiết ế lại tr nh c ng nghệ t hệ thống c ng nghệ hiện c tại RP đá ng ng n liệ hàm lượng m thanol cao, tối ư năng lượng

- Sản ph m cồn nhiên liệ th được đảm bảo các yêu cầu k thuật để pha trộn vào ăng với

tỷ lệ 5%, th o ti ch n cồn nhi n liệ Việt Nam (Trích từ TCVN 7716 : 2007):

QL CHUYÊN NGÀNH

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

PGS TS HUỲNH QUYỀN

rước tiên, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Huỳnh Quyền, người thầy đã trực tiế hướng dẫn và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn Sự ch bảo chân tình của thầ đã cho t i những ước đi an trọng để có thể hoàn thành luận văn nà

i cũng in trân trọng cảm ơn các thầy cô trong khoa K thuật Hóa học – Trường Đại học Bách khoa TP Hồ h inh đã tận tình giảng dạy và trang bị cho tôi những kiến th c quý báu trong trong suốt thời gian học đại học và cao học Đồng thời tôi cũng rất cảm ơn anh Đ ải S m và chị rần ết Sương tại Trung tâm Nghiên c u Công nghệ Lọc Hóa dầu – rường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh đã h trợ nhiệt t nh và đ ng g nhiều ý kiến quan trọng giúp tôi hoàn thành luận văn

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn ch n thành đến gia đ nh, người thân và bạn è đã l n giú đỡ động viên tôi trong học tập và cuộc sống Những tình cảm quý báu đ l n là động lực thúc đ y tôi phấn đấ để c được kết quả như ngà h m nay

TP Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 12 năm 2012

Học viên thực hiện luận văn

T T T

Ethanol fuel which is derived from biomass conversion, has been widely using as a gasoline additive for petrol engines to improve vehicle emission, reduce fossil

fuel consumption Ethanol production based on molecular sieve which brings the

ethanol concentration to over 99.5%, has many advantages than other technologies An experimental workshop which produces 2000 liters ethanol per day for mixing with gasoline, was built at Refinery and Petrochemical Technology Research Center (RPTC) in 2010 However, this technology still needs improving to separate methanol from ethanol fuel which have high methanol fraction And this is the im ortant wa to a l RP ’s thanol d h dration roc ss into ind str

The purpose of this study is design purify alcohol process with feed which have high methanol fraction base on exsiting purify alcohol process in Refinery and Petrochemicals Teachnology Research Center (RPTC) and the optimal operation of each equipment and calculate the energy balances in the whole ethanol dehydration system of RPTC workshop Steam utilization is studied to reduce energy consumption in system Most of works in this study were carried out with the support of simulation softwares (Hysys, Pro/II) Some results of this study include: the design and set up process to refine alcohol which have high methanol fraction and optimize the heat exchanger network of ethanol dehydration system Both of them can be applied to all scales

Trên thế giới cũng như tại Việt nam, hiện na và trong giai đoạn sắp tới, Ethanol (cồn) có nguồn gốc sinh học đã được đưa vào sử dụng để thay thế một phần nhiên liệ ăng c ng ồn gốc t dầu mỏ cho động cơ ăng 5, 10) Đặc trưng của cồn ha vào ăng là hải được tinh chế đến nồng độ 99,5%V và công nghệ hiện đại nhất hiện na đang được triển hai dưới quy mô công nghiệp là công nghệ Rây phân tử

Tại Việt nam, đã c một số dự án với công suất 100 000l t ngà đi vào hoạt động với nguồn nguyên liệu t củ sắn với công nghệ ngoại nhậ và giai đoạn chiết tách cũng dựa vào nguyên lí rây phân tử h o ước tính, Quy mô các dự án này có thể đá ng được nhu cầu E5 tại Việt nam khi loại nhiên liệu này chính th c triển khai t năm 201 nhi n, sự ổn định công suất của các dự án này còn phụ thuộc vào nguyên liệu sắn và theo dự báo sự thiếu hụt nguồn nguyên liệu sắn sẽ xảy ra Do vậy, việc nghiên c u sản xuất cồn nhiên liệu t các nguồn nguyên liệu khác (như mật r ) là việc cần thực hiện Tuy nhiên, có thể do đặc thù nguyên liệu mật r hay quy trình sản xuất đang được áp dụng hiện na , nhược điểm của loại cồn này là c hàm lượng methanol cao Do vậ để đá ng được tiêu chu n cồn nhiên liệu (TCVN 7716 : 2007) cần phải có hệ thống xử lí nguyên liệu cồn trước hi đưa vào hệ thống tinh chế dựa vào nguyên lí R h n tử

Phân ưởng thử nghiệm tinh luyện cồn sản xuất ăng ha cồn quy mô 4000

lít/ngày đã được xây dựng tại Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Lọc Hóa dầu (RPTC) Tuy nhiên, vấn đề hoàn thiện công nghệ sản xuất sao cho sản h m đá

ng ti ch n cồn nhi n liệ (TCVN 7716 : 2007) t ng ồn ng n liệ c hàm lượng m thanol cao vẫn được an t m hàng đầu và là chìa khóa cho việc ng dụng công nghệ ra quy mô công nghiệp

Nội dung luận văn này thực hiện thiết kế hệ thống thiết bị ch n h a cồn nhiên liệ t cồn c hàm lượng m thanol cao 0 V V m thanol, 1 thanol)

hanh t nh Đồng há và thiết ế lại tr nh c ng nghệ t hệ thống c ng nghệ hiện c tại RP đá ng ng n liệ hàm lượng m thanol cao, tối ư năng lượng Phương án tận dụng nhiệt được đưa ra để giải quyết một phần năng lượng hao phí trong quá trình sản xuất Công việc được thực hiện với sự h trợ của các phần mềm mô phỏng (Hysys, Pro/II) Kết quả của đề tài là một quy trình công nghệ được cải tiến đá ng ng ồn ng n liệ cồn c hàm lương m thanol cao với chi h năng lượng thấp và có thể ng dụng cho nhiều quy mô khác nhau

I.1.NHỮNG YÊU CẦU KỸ THUẬT CHO CỒN TINH LUYỆN PHA XĂNG I.2.(SẢN PHẨM CÔNG NGHỆ) CỦA MỘT SỐ NƯỚC TRÊN THẾ GIỚI 3

CÁC CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN TINH LUYỆN ĐANG ỨNG I.3.DỤNG TRÊN THẾ GIỚI: 7

I.3.1 Phương há chưng cất 7

I.3.2 Công nghệ rây phân tử: 10

I.3.3 Phương há dùng chất hút m 15

I.3.4 Phương há th m thấu qua màng 15

I.3.5 Phương há ết hợ chưng cất và th m thấu qua màng 17

I.3.6 Phương há ết hợp th m thấu qua màng và rây phân tử 17

CÔNG NGHỆ TINH LUYỆN CỒN ĐÃ TRIỂN KHAI QUY MÔ CÔNG I.4.NGHIỆP 18

I.4.1 Công nghệ chưng cất đẳng phí ng dụng tại Brazil: 18

I.4.2 Công nghệ rây phân tử ng dụng tại Ấn Độ, Thái Lan: 19

LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ TINH LUYỆN CỒN 20

I.5.I.5.1 Các nghiên c u về công nghệ rây phân tử đã c ng ố 21

I.5.2 Các nghiên c u về tối ư ti hao năng lượng cho hệ thống công nghệ 23 NGHIÊN CỨU T T T ỐNG T N N N Ư NG :

T NG N N Ư NG T N

R N T N TẠ R T , NĂNG S T TỐI THIỂU 2.000

LÍT/NGÀY 26

RPT 26

II.1.Thuyết minh công ngh 26

II.1.2 Cụm chu n hóa nguyên liệu 27

II.1.3 Cụm hấp phụ - giải hấp và thu hồi cồn sản ph m 30

II.1.4 Thu hồi cồn t nước thải của quá trình giải hấp 33

H thố đ ều khiển công ngh : 34

II.2.II.2.1 Các cảm biến đo: 34

II.2.2 Các thiết bị điều khiển: 37

II.2.3 Hệ thống điều khiển trung tâm: 41

Quy trình công ngh tinh luy n c n t i rptc 43

II.3.II.3.1 h ết minh hoạt động của hệ thống c ng nghệ chính: 43

II.3.2 Quy trình khởi động/d ng hệ thống: 46

N đề ế để RPT

II.4. 49

Thông số công ngh cho các thiết bị chính củ ố

II.5. ế ế ố 51

II.5.1 Cụm chu n hóa nguyên liệu 52

II.5.2 ệ thống tách nước r h n tử 59

MÔ PHỎNG CÁC THI T BỊ TRONG H THỐNG SẢN Ư NG :

XU T C N NHIÊN LI U TẠI RPTC V ỎNG TRÌN T N N T NG N Ư NG T N 67

Giới thi u ề PR II, mô p

III.1. RPT 67

III.1.1 Phần mềm Pro/II: 67

III.1.2 Chọn mô hình nhiệt động: 69

III.1.3 Nhập các cấu tử cho hệ 71

III.1.6 Nhận t m hỏng ng PRO so với m hỏng ng s s 77

Giới thi u về ph n mền Hysys

III.2. 78

III.2.1 họn m h nh nhiệt động và nhậ cấ tử cho m hỏng 79

Bảng -1: Yêu cầu k thuật đối với cồn nhiên liệu biến tính [27] 4

Bảng -2: Tiêu chu n cồn nhiên liệu của M Năm 200 ) [2 ] 4

Bảng -3: Tiêu chu n cồn nhiên liệu của Ấn Độ [28] 5

Bảng -4: Tiêu chu n cồn nhiên liệu của Ba Lan [28] 6

Bảng -5: Tiêu chu n cồn nhiên liệu của Ukraina [28] 6

Bảng -1: Bảng liệt kê các thiết bị chính và phụ trợ 28

Bảng -2: Bảng liệt kê các thông số công nghệ của tháp chưng 29

Bảng -3: Bảng liệt kê các thiết bị trong cụm hấp phụ và giải hấp 31

Bảng -4: Bảng liệt kê các thông số công nghệ của tháp hấp phụ và giải hấp 32

Bảng -5: Bảng liệt kê các thiết bị trong cụm thu hồi cồn sau quá trình giải hấp 33

Bảng -6: Bảng liệt kê các thông số công nghệ của bồn tách lỏng 34

Bảng -7: Bảng liệt kê các cảm biến đo nhiệt độ 34

Bảng -8: Bảng liệt kê các cảm biến đo lư lượng chất lỏng 35

Bảng -9: Bảng liệt kê các cảm biến đo m c lỏng 36

Bảng -10: Bảng liệt kê các cảm biến đo á s ất 37

Bảng -11: Bảng liệt kê các van tuyến tính 37

Bảng -12: Bảng liệt các van đ ng mở 37

Bảng -13: Bảng liệt các ơm chất lỏng 39

Bảng -14: Bảng c n ng vật chất năng lượng 52

Bảng -15: Bảng liệt kê các thiết bị chính và phụ trợ 53

Bảng -16: Bảng liệt kê các thông số công nghệ của thá chưng (Kết quả mô phỏng b ng phần mềm Hysys) 55

Bảng -17: Nhiệt độ và á s ất trong á tr nh hấ hụ giải hấ 63

Bảng -18: Bảng c n ng vật chất năng lượng 64

Bảng -19: Bảng liệt kê các thiết bị chính và phụ trợ 65

Bảng -1 Đặc tính chi tiết thá chưng cất 72

Bảng -2: Thông số ĩ th ật thiết bị được mô phỏng trên Pro/II 75

Bảng -3: Một số kết quả t chương tr nh 77

Bảng -5: Thông số ĩ th ật thiết bị được mô phỏng trên Hysys 83Bảng -6: ết ả m hỏng ng s s 86

nh 1 Sơ đồ công nghệ tinh luyện cồn b ng hương há chưng cất đẳng phí 8

nh 2 há chưng h n tử 9

nh Sơ đồ hấp phụ cồn – nước dạng lỏng 11

nh Sơ đồ hấp phụ cồn – nước dạng hơi 11

nh 5 Sơ đồ công nghệ hấp phụ ha hơi 0 thá 12

nh Sơ đồ nguyên lý của thiết bị giải hấp b ng dòng khí nóng 13

nh 14

nh 15

nh Ng n tắc của thiết bị lọc màng zeolite 16

nh 10 Sơ đồ nguyên lý của quá trình lọc màng zeolite 16

nh 11 ấu tạo của màng zeolite 17

nh 12 ấp phụ nước b ng bốc hơi th m thấ a màng sa đ a r h n tử 18

nh 1 Sơ đồ công nghệ tinh luyện cồn b ng hương há rây phân tử 20

nh 1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tinh luyện cồn 27

nh 2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển 41

nh 1 Biể tượng phần mềm Dynsim 67

nh 2 Giao diện phần mềm Pro/II 69

nh Giản đồ cân b ng pha hệ ethanol – nước theo số liệu thực tế 70

nh Lựa chọn mô hình nhiệt động 70

nh 5 Giản đồ cân b ng pha theo mô hình NTRL 71

nh Nhập cấu tử cho hệ 71

nh Nhập thông số dòng nguyên liệu 72

73

nh Nhập hiệu suất đĩa 73

nh 10 Nhập yêu cầu công nghệ 74

nh 11 Nhập dữ liệu của đĩa thá chưng 75

nh III.12: Sơ đồ mô phỏng hoàn ch nh trên ProII 76

nh 1 họn m h nh nhiệt động tr n s s 79

nh 1 Sơ đồ m hỏng cụm chưng cất 81

nh 15 h ng số thá h a hơi -1001 trên Hysys 82

nh 1 hỏng á tr nh hấ hụ và giải hấ th o số liệ sản ất tại RP 83

nh 1 Sơ đồ m hỏng cụm h dration 84

nh 1 Sơ đồ m hỏng toàn á tr nh 85

MỞ ĐẦU

Việc phát hiện ra nguồn nhiên liệu truyền thống là một trong những ước tiến vượt bậc của loài người Dầu mỏ và những sản ph m của dầu mỏ đã đ ng g một phần quan trọng trong tất cả các lĩnh vực của đời sống đồng thời đảm bảo được an ninh năng lượng cho các quốc gia trên thế giới Tuy nhiên, với sự phát triển không ng ng của xã hội, nhu cầu sử dụng nhiên liệu ngày một tăng cao đã g ra những tác động không nhỏ Hiện nay, trữ lượng nguồn nguyên liệ để sản xuất ra nhiên liệu truyền thống đang ngà càng cạn kiệt, t đ dẫn tới những biến động về giá cả trên thị trường nhiên liệu Bên cạnh đ , việc khai thác, chế biến và sử dụng nhiên liệu hóa thạch là một trong những nguyên nhân dẫn tới sự ô nhiễm môi trường, hiệu ng nhà nh, g tác động to lớn đến cuộc sống của cộng đồng

Hiện nay, các quốc gia trên thế giới đặc biệt là những quốc gia có nguồn tài nguyên về năng lượng bị hạn chế đã và đang n lực tìm kiếm một giải pháp nh m t ng ước hạn chế sự phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống, tránh ng cơ hủng hoảng về năng lượng đồng thời đảm bảo an ninh năng lượng của quốc gia Ngoài ra, nguồn năng lượng thay thế cũng hải giải quyết được bài toán cấp bách về môi trường Và một trong những nguồn năng lượng mới đang được chú ý hiện na đ là nhiên liệu sinh học ác nước như , Brazil, Trung Quốc, các nước ch  … là những nhà ti n hong trong lĩnh vực nghiên c u, phát triển, ng dụng và thương mại hóa nhiên liệu sinh học

Hòa cùng xu thế phát triển chung của thế giới, Việt Nam cũng đang t ng ước triển khai các dự án sản xuất nhiên liệu sinh học nh m đảm bảo ổn định nhu cầu tiêu thụ nhiên liệu và giá thành sản ph m trong nước Xăng sinh học E5 (pha 5% cồn tinh khiết vào nhiên liệ ăng tr ền thống) đã được cung cấp rộng rãi trên thị trường và nhu cầu cồn nhiên liệ ha ăng ngà một gia tăng Tuy nhi n, cho đến hiện na chúng ta chưa c một công nghệ sản xuất cồn nhiên liệu hiện đại được đưa vào sử dụng mà các dự án sản xuất cồn nhiên liệu ở Việt Nam đều nhập t nước ngoài dẫn đến giá thành đầ tư cao và dĩ nhi n giá thành nhi n liệu cồn sẽ cao

T những vấn đề cấp bách trên, và t những nghiên c trước đ đã đạt được, Trung tâm Nghiên c u Công nghệ Lọc Hóa dầu đã tiến hành thiết kế, chế tạo thành công hệ thống công nghệ tinh luyện cồn để sản xuất ăng ha cồn b ng hương há r h n tử với năng suất 2000 lít cồn (99,5%V) /ngày và hiện na đã đưa vào hoạt động ổn định nhi n, để đ y nhanh việc ng dụng công nghệ này vào thực tiễn thì việc hoàn thiện công nghệ mà cụ thể là vấn đề đa dạng h a ng ồn ng n liệ đặc iệt là ng n liệ cồn c hàm lượng m thanol cao) và tối ư năng lượng đ ng vai trò rất quan trọng Vì vậy l ận văn này sẽ tập trung vào việc khai thác hệ thống sản xuất cồn nhiên liệu tại RPTC cùng sự h trợ của các phần mềm mô phỏng để đưa ra quy trình và thông số hoạt động với ti hao năng lượng tối thiểu cho công nghệ sản xuất cồn nhiên liệu b ng hương há r h n tử

Mục ích, ố ợng và phạm vi nghiên cứu:

Mục tiêu chung của đề tài sẽ tập trung vào vấn đề tối ư năng lượng, giảm chi phí sản xuất cho công nghệ sản xuất cồn nhiên liệ th o hương há r h n tử đang vận hành tại RPTC

Nội dung cụ thể của đề tài sẽ tập trung vào các vấn đề sau: - Nghiên c u thiết ế và mô phỏng các cụm thiết ị trong tr nh c ng

nghệ tinh luyện cồn dựa tr n số liệu thực tế của công nghệ đang hoạt động và so sánh đánh giá ết ả m hỏng so với th ng số thực tế - ựa tr n chương tr nh m hỏng, tiến hành t nh toán cân b ng năng

lượng trong tr nh - Đề ất th ng số vận hành tối ư và những cải tiến để hoàn thiện c ng

nghệ hiện hữ

Ý ĩ c, thực tiễn:

Hoàn ch nh công nghệ sản xuất cồn nhiên liệu, làm chủ hoàn toàn công nghệ hiện đại tương đương c ng nghệ nước ngoài Kết quả nghiên c u có thể được ng dụng để tính toán thiết kế hệ thống sản xuất cồn nhiên liệu quy mô công nghiệp với

TỔNG QUAN

ƯƠNG

ĐẶT V N ĐỀ: I.1.

T những năm đầu của thế kỷ trước, việc nghiên c u tìm kiếm nguồn nhiên liệu mới cụ thể là nhiên liệu cồn sinh học đã được thực hiện ở một số nước trên thế giới, đặc biệt là những nước không có nguồn nhiên liệu dầu mỏ Và cho đến hiện nay, với sự ô nhiểm ngày càng lớn của việc sử dụng nhiên liệu cổ điển được sản xuất t dầu mỏ và sự cạn kiệt của các nguồn nhiên liệu hóa thạch nói chung thì việc nghiên c và đưa vào ng dụng các công nghệ để sản xuất cồn nhiên liệ được triển khai ở nhiề nước trên thế giới Việc nghiên c u ng dụng các công nghệ sản xuất cồn tinh luyện hiện nay vẫn đang là một trong những hướng nghiên c đang được tập trung với mục tiêu công nghệ sản xuất hoàn toàn tự động, ti hao năng lượng thấp, không ô nhiểm m i trường và phù hợp với các nồng độ khác nhau của nguyên liệu cồn thô ban đầu

NH NG YÊU CẦU K THUẬT CHO C N TINH LUY N ĂNG I.2.

(SẢN PH M CÔNG NGH ) CỦA M T SỐ NƯỚC TRÊN TH GIỚI

Thực ra, cồn cũng là hợp chất cac ah dro như dầu mỏ nên có khả năng cháy nổ tốt Vì vậy, về nguyên tắc, với 100% cồn khan (cồn 99,5% trở lên) là có thể cho vào động cơ và chạ được[29] Tuy nhiên, do nhiề đặc tính của cồn có thể gây ra ăn mòn kim loại hoặc làm hư hại các chi tiết cao su, nhựa c trong động cơ máy nên không thể dùng thẳng cồn để tha cho ăng dầ được Muốn sử dụng loại nhiên liệ c hàm lượng cồn cao như nhi n liệu E85 của M (85% cồn) th động cơ xe máy phải được sản xuất ri ng như mẫu xe Saab 9-5 hoặc Ford Focus nói trên ở Châu Âu

Đối với các loại động cơ t , má th ng dụng ch được phép sử dụng ăng ha cồn với hàm lượng cồn tối đa là 10 ăng 10) Xăng 10, hoàn toàn đá ng mọi hoạt động nh thường cho ô tô xe má h ng g ăn mòn ha hỏng h c cho động cơ hoặc bình ch a nhiên liệ …) h nh v vậ , ngà na hi n i đến ăng ha cồn là n i đến ăng 10 ồn để ha vào ăng ngà na cũng đã được

tiêu chu n hóa theo tiêu chu n ASTM hoặc tiêu chu n quốc gia các nước và về cơ bản vẫn phải tuân theo các ch tiêu cụ thể như sa

I-1: ê ầ ố vớ ê l ệ b ế í [27] T

T

3 àm lượng nhựa đã rửa qua dung môi, mg/100 mL, max 5,0

5 àm lượng chất biến tính (xăng, naphta), % thể tích,

I-2: T ê ẩ ê l ệ (Năm 2003) [27] T

T Tên chỉ tiêu

Đ v Giới hạn

5 Lượng chất rắn còn lại khi bốc hơi nhi n

6 Lượng aldehyde quy về CH3COOC2H5,

cầu về m i trường 10

I-3: T ê ẩ ê l ệ Đ [28] TT Tên chỉ tiêu Đ v Giới hạn

5 Lượng chất rắn còn lại khi bốc hơi

I-4: T ê ẩ ê l ệ [28] TT Tên chỉ tiêu Đ v Giới hạn

6 Axit quy về axit acetic CH3COOH, max g/lít 0,03

7 Axit quy về axit acetic, max g/lít 0,02

+ Phương pháp chưng cất:

- Phương pháp chưng đẳng phí - Phương pháp chưng phân tử

+ Phương pháp rây phân tử dùng chất hấp phụ chọn lọc Zeolite + Phương pháp dùng các chất hút m

+ Phương pháp th m thấu qua màng + Phương pháp kết hợp bốc hơi th m thấu qua màng và rây phân tử

b) S công nghệ:

I.1: S công nghệ tinh luyện c n bằ p p p ẳng phí

I.3.1.2 Chưng phân tử

a) Nguyên tắc công nghệ:

hưng h n tử thực hiện ở độ chân không cao (tương đương với áp suất 0,01 ÷ 0,0001 mmHg) Ở áp suất này lực hút giữa các phân tử yế đi và số lần va chạm giữa chúng giảm, làm khoảng cách chạy tự do của các phân tử tăng l n rất nhiề r n cơ sở đ , nếu làm khoảng cách giữa bề mặt bốc hơi và ề mặt ngưng tụ nhỏ hơn hoảng cách chạy tự do của các phân tử, thì khoảng cách phân tử của các cấu tử dễ a hơi khi rời khỏi bề mặt bốc hơi sẽ va đập vào bề mặt ngưng tụ và ngưng tụ ở đ rong thực tế khoảng cách giữa các phân tử duy trì ở m c 200mm ÷ 30mm Hiệu số nhiệt độ giữa hai bề mặt duy trì ở m c 100o

C

b) S yê lý s :

nh I.2: há chưng h n tử

5- Phễu h ng sản ph m đá 6- Cửa sản ph m đ nh 7- Cửa ra của nước làm lạnh 8- Cửa vào của nước làm lạnh 9- Cửa hút chân không 10- Cửa dẫn h n hợ đầu vào Phía trong phòng bốc hơi c một bộ phận đ n n ng, h a ngoài là ộ phận ngưng tụ 2 Hệ thống có vỏ bọc để làm lạnh H n hợ đầ tanol + rượu) cho vào bộ phận tạo màng để chạy thành màng theo bề mặt bốc hơi 1 Sản ph m đá nước) lấy ra ở phễu 5, sản ph m đ nh tanol) được tập trung lại và đi ra cửa 6 Nước làm lạnh vào cửa 8 và ra cửa 7 Ống nối 9 nối với ơm ch n h ng để giữ độ chân không cần thiết trong thiết bị

Do việc tạo áp suất và chế tạo thiết bị làm việc ở áp suất ch n h ng đòi hỏi rất ph c tạp và tốn m, hương há nà ch để nghiên c u, không mở rộng được quy mô

I.3.2 Công ngh rây phân t :

a) Nguyên tắc công nghệ:

+ Dựa vào ch thước mao quản của zeolite 3A, chất hấp phụ này có thể hấp phụ những phân tử c ch thước nhỏ hơn ch thước mao quản và không hấp phụ những phân tử c ch thước lớn hơn

Khi sử dụng zeolite 3A làm chất hấp phụ trong sản xuất cồn tuyệt đối, bản chất là chất hấp phụ chọn lọc nước trong h n hợ nước và etanol có nồng độ thấp hơn

+ ch thước động học của nước là 2,65Ao < 3Ao + ch thước động học của rượu là 4,46Ao > 3Ao (tài liệu” adsorption separation of ethanol - water liquid mixtures by natural clinoptilolite”)

Như vậy: ch c nước mới vào được l xố để xảy ra hấp phụ và bị giữ lại trong đ , do đ c ng nghệ hấp phụ sử dụng zeolite 3A còn gọi là “r h n tử”

Khi sử dụng zeolite 4A làm chất hấp phụ trong sản xuất cồn tuyệt đối, kích thước của l xốp là 4Ao Như vậy cả nước và thanol đều có thể vào bên trong các l xố , nhưng sẽ có lợi hơn hi tiến hành quá trình giải hấ , do ch thước l xốp của zeolite 4A lớn hơn z olit n n á tr nh giải hấ nước sẽ tiến hành thuận lợi hơn

Công nghệ rây phân tử có hai dạng, tùy thuộc vào trạng thái vật lí của nguyên liệu cồn ở trạng thái lỏng ha hơi

+ Hấp phụ lỏng – rắn + Hấp phụ khí – rắn

b) Quy trình công nghệ:

b.1) Quy trình h p ph hỗn h p ethanol – ớc ở d ng pha l ng

nh I.3: Sơ đồ hấp phụ cồn – nước dạng lỏng

- Quá trình hấp phụ với hỗn hợp etanol – nước ở dạng hơi:

nh I.4: Sơ đồ hấp phụ cồn – nước dạng hơi

+ Nguyên liệu (h n hợp etanol – nước có nồng độ thấ ) được đưa qua cột hấp phụ ch a zeolite 3A ở pha lỏng hoặc pha hơi Nước sẽ bị hấp phụ và giữ lại trên cột, etanol không bị hấp phụ đi ra hỏi cột

+ Để quy trình làm việc liên tục, thông thường phải có ít nhất 2 tháp ch a chất hấp phụ Khi tháp A tiến hành hấp phụ thì tháp B phải tiến hành tái sinh xúc tác và ngược lại

+ Với quy trình sử dụng 3 tháp: Tháp 1 thực hiện quá trình hấp phụ, tháp 2 thực hiện quá trình nhả hấp và tháp 3 thực hiện quá trình làm mát chất hấp phụ

Sơ đồ nguyên lý hấp phụ, nhả hấp và làm mát của hệ thống 3 tháp như sau:

nh I.5: Sơ đồ công nghệ hấp phụ ha hơi 0 thá

rong đ há 1 thực hiện hấp phụ, thá 2 đang thực hiện nhả hấp phụ, tháp đang thực hiện quá trình làm mát chất hấp phụ

1a, 1b: Dòng khí thực hiện quá trình nhả hấp phụ 2a, 2b: Dòng khí thực hiện làm mát

a, òng hơi cồn 96%V vào tháp hấp phụ ác hương há giải hấp phụ:

Có thể thực hiện quá trình giải hấ th o hương há + Gia nhiệt cho cột và thổi khí sạch, nóng qua cột giải hấp ở nhiệt độ phù hợp

Thời gian nhả hấp phụ tuỳ thuộc vào m c độ hấp phụ

nh I.6: Sơ đồ nguyên lý của thiết bị giải hấp b ng dòng khí nóng

Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ này là cả tháp nhả và tháp hấp phụ làm việc song song Khi tháp bên trái thực hiện hấp phụ thì tháp phải thực hiện quá trình nhả hấp Trong quá trình nhả hấ nà th h được gia nhiệt đến nhiệt độ yêu cầu rồi thực hiện quá trình nhả hấp có bổ sung nhiệt ở thân tháp nhả

Một số trường hợp sử dụng hơi nguyên liệu làm khí thực hiện quá trình nhả hấp:

Nguyên tắc: Hơi nguyên liệ được trích ra một phần để đưa vào thá làm mát để nâng nhiệt độ của dòng hơi nhả hấ , sa đ được gia nhiệt b ng dầu nóng tới nhiệt độ nhả hấp tối ưu Sau khi thực hiện quá trình nhả hấp thì dòng hơi này được ngưng tụ lại thành lỏng, rồi cho a thá tách ha để tách các hạt bụi zeolite ra Pha lỏng được quay trở lại đi vào thá hấp phụ

CaO + H2O  Ca(OH)2Q á tr nh nà được thực hiện đơn giản thanol ch a nước được trộn với v i th o t lệ hoảng 5 o nd hoặc hơn) v i cho m i gallon và được h ấ hoảng 12 – 1 giờ Nước ị loại tr , a O )2 tạo thành h ng tan trong thanol và v thế tạo ra thanol tinh hiết hoảng 5 ) ở tr n đ nh thiết ị, còn a O )2 ở dưới đáy thiết ị

n hợ a O )2 và thanol tinh hiết sẽ được tách ra ng hương há lọc và chưng cất nhi n á tr nh chưng cất là á tr nh h ng mong m ốn v n ti tốn nhiề năng lượng và chi h cao

I.3.4 P ơ ẩm th u qua màng

Ng n tắc Phương há nà dựa th o ng n tắc sử dụng màng màng z olit) c hả năng hút nước cao, c hả năng th m thấ ngược để tách nước hỏi thanol ch thước của màng hụ th ộc vào dòng thanol chả a màng

Cơ chế của quá trình:

nh I.9: Nguyên tắc của thiết bị lọc màng zeolite

Sơ đồ nguyên lý của quá trình:

nh I.10: Sơ đồ nguyên lý của quá trình lọc màng zeolite

rong đ

1- Thiết bị loại màng zeolite 2- Bơm tuye

5- Thiết bị trao đổi nhiệt 6- Bơm chân không Để quá trình thu hồi tanol được triệt để, người ta đã thực hiện ghép các thiết bị thành các modul th m thấu

Cấu tạo của màng:

- Lớp phân tách chọn lọc: dày 0,5 – 2 µm - Lớp chất mang có cấu trúc xốp: dày 70-100 µm

nh I.11: Cấu tạo của màng zeolite

I.3.5 P ơ ết h t và thẩm th u qua màng

Bản chất của hương há là sử dụng thá chưng cất nâng cao nồng độ thanol, đồng thời tạo h n hợ hơi đi vào thiết bị phân tách loại màng Việc sử dụng

kết hợp sẽ cho h linh động hơn trong ng ồn nguyên liệ đầu vào

I.3.6 P ơ ết h p thẩm th u qua màng và rây phân t

Sơ đồ nguyên tắc của công nghệ này trình bày trong hình I.12 h o đ , nguồn nguyên liệ thường là ethanol công nghiệp có nồng độ thấp (khoảng 90 – 5 ) rước tiên, nguyên liệ được cho qua tháp bốc hơi th m thấu qua màng Ở đ , một lượng lớn nước sẽ được hấp phụ và tách ra Tiếp theo, ethanol này lại

được dẫn vào tháp hấp phụ rây phân tử ở thể lỏng Quá trình hấp phụ bổ sung này sẽ tách tiế lượng nước còn sót lại Kết quả sẽ cho ta độ ethanol lên tới 99,8o

nh I.12: Hấp phụ nước b ng bốc hơi th m thấ a màng sa đ a r h n tử

CÔNG NGH TINH LUY N C N ĐÃ TR ỂN KHAI QUY MÔ CÔNG I.4.

NGHI P

I.4.1 Công ngh đẳng phí ứng d ng t i Brazil:

Q tr nh chưng cất đẳng phí dùng cấu tử lôi cuốn là benzene, heptan hoặc

cyclohexane đã được ng dụng tại Brazil t những năm 0 của thế kỷ trước

Dòng nguyên liệu là ethanol 95% (thể tích) sau khi gia nhiệt được đưa vào cột tách nước (Dehydrating Column) tại vị trí giữa tháp Các cấu tử lôi cuốn t bồn ch a và t sau thùng lắng gạn được ơm vào trong cột tại vị tr đ nh cột Dòng ethanol nguyên chất có nhiệt độ s i cao th được tại đá và h n hợ đẳng phí ba

cấu tử có nhiệt độ sôi thấ th được tại đ nh

Ethanol khan nồng độ 99,9% thể t ch th được ở đá thá tách nước, qua thiết

bị làm lạnh rồi đưa về bồn ch a, bảo quản

H n hợ đẳng phí ba cấu tử ra khỏi thá tách nước được ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ và qua thiết bị làm lạnh rồi được đưa về thùng lắng gạn để thực hiện quá trình phân tách Lớp trên của thùng lắng gạn là các hydrocacbon phá đẳng phí,

đưa trở về cột tách hydrocacbon Đá của cột phân tách hydrocacbon thành phần chủ yế là nước có thể được thải bỏ ra ngoài

Ưu điểm:

- Phương há thiết kế, công nghệ và thiết bị đã hoàn thiện

Nhược điểm của công nghệ:

- Chi phí vận hành cao

- Sử dụng dung môi lôi cuốn gây ô nhiễm m i trường trong quá trình

vận hành cũng như trong việc sử dụng sản ph m cồn nhiên liệu

I.4.2 Công ngh rây phân t ứng d ng t i Ấ Đ , Thái Lan:

Dòng nhập liệu ở trạng thái lỏng, nồng độ thể tích 95,5% thể tích ethanol được đưa vào thá gia nhiệt, sa đ đưa vào thá ốc hơi òng ra ở tháp bốc hơi có nhiệt độ khoảng 78,2o được đưa vào thiết bị quá nhiệt để tăng nhiệt độ lên 100o Sa đ được đưa vào tháp hấp phụ M i tháp hấp phụ hoạt động bao gồm 4 chu kỳ: chu kỳ tăng á , ch ỳ hấp phụ, chu kỳ giảm áp và rồi lại thực hiện chu kỳ tăng á nhờ dòng nhập liệu M i mẻ hấp phụ là 30 phút, quá trình giải hấp chiếm khoảng 25 phút, quá trình hạ áp chiếm hút, á tr nh tăng á chiếm 2 phút Hai tháp hoạt động luân phiên nên cả quá trình sản xuất là liên tục òng hơi t tháp hấp phụ ra có nồng độ trung bình khoảng 99,5% thể t ch thanol Sa đ dòng hơi được đưa vào thiết bị lọc sơ ộ để tách bụi zeolite, tiếp tục đưa a thiết bị ngưng tụ

và làm lạnh, cuối cùng được ơm đưa vào thùng ch a

Trong quá trình giải hấp với áp suất tuyệt đối khoảng 0,5 atm, một phần hơi sản ph m được tr ch ra để quay trở lại thá đang giải hấp nh m lôi cuốn các cấu tử đang ị tách ra Sa đ dòng hơi của quá trình giải hấ được đưa trở lại thiết bị bốc

hơi

Ưu điểm công nghệ:

- Công nghệ hiện đại

- Chi phí vận hành thấp - Hệ thống vận hành liên tục

nh I.13: Sơ đồ công nghệ tinh luyện cồn b ng hương há rây phân tử

L A CHỌN CÔNG NGH TINH LUY N C N I.5.

Việc nghiên c u chọn lựa công nghệ có thể vận dụng vào điều kiện Việt Nam phải phù hợp với tr nh độ khoa học công nghệ tại Việt Nam, công nghệ phải mang tính hiện đại, các thiết bị có thể chế tạo tại Việt Nam, giá thành vận hành thấ để có

thể giảm tối đa giá thành cồn nhiên liệu, góp phần đ y nhanh việc sử dụng nhiên liệu sinh học tại Việt Nam theo chủ trương của Chính Phủ trong những năm trở lại

đ

Đ ng về nguyên tắc, hiện nay ch có hai công nghệ đang được sử dụng phổ biến trong công nghiệ đ là c ng nghệ chưng cất đẳng phí và công nghệ Rây phân tử Trong hai công nghệ này, thì công nghệ Rây phân tử có nhiề ư điểm vượt trội về tính hiện đại, dễ vận hành, chi h năng lượng cho quá trình vận hành thấ , đảm bảo không ô nhiễm trong quá trình vận hành cũng như chất lượng sản ph m cồn nhiên liệ đảm bảo yêu cầu Công nghệ Rây phân tử là công nghệ hiện đại nhất

đang được sử dụng trong công nghiệp sản xuất cồn nhiên liệu hiện nay

r n cơ sở phân tích hai công nghệ trên, công nghệ Rây phân tử thực sự là công nghệ phù hợ để có thể triển khai tại Việt Nam Công nghệ này hoàn toàn phù hợp với tr nh độ khoa học công nghệ cũng như những yêu cầu về bảo vệ m i trường tại Việt Nam hiện na và tương lai

I.5.1 Các nghiên cứu về công ngh rây phân t đã ố

 Mô phỏng hệ thống hấp phụ loại PSA trong quy trình sản xuất cồn nhiên liệu: [13]

Đ là ài áo của tác giả Marian Simoa, Christopher J Brownb và Vladimir Hlavaceka, năm 200 ác giả áp dụng các mô hình toán học để mô phỏng quá trình hấp phụ PS h nh được xây dựng tr n cơ sở dữ liệu t thực tế và thư viện cơ sở dữ liệu sẵn có Kết quả nghiên c u cung cấp kiến th c, sự hiểu biết về nhiệt động lực học của quá trình hấp phụ PSA và các yếu tố ảnh hưởng đến các thông số vận hành của hệ thống

 Sản xuất ethanol tinh khiết từ dung dịch đẳng phí bằng phương pháp hấp phụ PSA [14]

Công trình nghiên c u quá trình tách ethanol ra khỏi h n hợ đẳng phí ethanol – nước b ng hương pháp hấp phụ PSA Mục đ ch của quá trình nghiên c u là phân

tích những dữ liệ động học và nhiệt động lực học của quá trình hấp phụ h n hợp ethanol – nước trên zeolite A trong thiết bị tầng cố định rong đ , c ng tr nh chú quan sát và phân tích ảnh hưởng của các yếu tố: nhiệt độ đầu vào của nguyên liệu, nồng độ nguyên liệu và tốc độ nhập liệu Kết quả cho thấy r ng đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir thì phù hợp với quá trình thực tế Và, các yếu tố chính ảnh hưởng đến tính hiệu quả của hệ thống hấp phụ PSA là: tốc độ nạp liệu, nồng độ nguyên liệu, áp suất, và thời gian Kết quả mô phỏng có thể được sử dụng để thiết kế hệ thống PSA

 Mô phỏng và thiết kế mô hình của quá trình hấp phụ [15]

Các tác giả sử dụng các hương tr nh toán học để mô hình hóa và mô phỏng hệ thống quá trình hấp phụ một tầng cố định T đ , họ xem xét các yếu tố tác động đến hệ thống hấp phụ rong đ , các tác giả đề cậ đến các m h nh như m h nh cân b ng, mô hình Freundlich, mô hình IAST (Ideal Adsorbed Solution Theory), m h nh động học

 Sản xuất ethanol nhiên liệu [16]

Bài báo trình bày về lịch sử hình thành và phát triển, cũng như t nh h nh sản xuất ethanol trên thế giới t nh đến thời điểm 2003) Bên cạnh đ , tác giả cũng đề cậ đến các yếu tố li n an đến quy trình sản xuất thanol, như là hiệu suất chuyển h a, á tr nh l n m n, á tr nh chưng cất và khử nước, nguyên liệu là mỡ động vật, năng lượng sử dụng Đặc biệt, tác giả phân tích các quy trình sản xuất và hiệu quả của quá trình

 Sản xuất ethanol nhiên liệu khan bằng phương pháp hấp phụ PSA trên quy mô pilot [17]

Bài báo trình bày quá trình sản xuất ethanol nhiên liệu b ng hương há hấp phụ PSA với z olit Năng s ất của sản ph m là 2000 lít/ngày ethanol 99,5% khối lượng Thông số vận hành của hệ thống PS là lư lượng nhập liệ 2 đến 62 Nm3/h cồn 93,2% khối lượng), nhiệt độ hấp phụ 1 0 đến 140oC), tỷ lệ thu hồi,

I.5.2 Các nghiên cứu về tố ă ng cho h thống công ngh

 Tối ưu năng lượng trong thiết kế nhà máy ethanol từ ngô [18]

Nhóm tác giả Ramkumar Karuppiah, Andreas Peschel, Mariano Martín, Ignacio E Grossmann, Wade Martinson, Luca Zullo đã ết hợp các phương tr nh cân b ng vật chất & năng lượng cho t ng thiết bị để tính toán lại tổng năng lượng tiêu thụ của nhà máy với sự h trợ của má t nh Phương án t nh toán tận dụng nhiệt, xây dựng mạng nhiệt (HEN) và phân cấ cho á tr nh chưng cất được thực hiện nh m tối ư ti thụ năng lượng trong nhà máy Kết quả ch ra r ng chi phí năng lượng cho thiết kế cải tiến thấ hơn 0 so với thiết kế an đầu

 Nghiên cứu tích hợp các dòng nhiệt trong nhà máy sản xuất ethanol và nấm men [19]

Đ là một nghiên c u nh m giảm chi h năng lượng b ng cách tích hợp các dòng nhiệt dựa trên các kết quả phân tích điểm giới hạn của động lực truyền nhiệt (pinch)

Quá trình sản xuất trong nhà má được m như là một mô hình vật lý và được chia nhỏ thành nhiều hệ thống con M i hệ thống được thiết kế lại để cải thiện hiệu quả năng lượng Sau những cải thiện t ng phần này là phân tích pinch trên toàn bộ hệ thống để tối ư h a năng lượng sử dụng với sự xây dựng hệ thống trao đổi nhiệt hợp lý

Nghiên c u trong bài báo chủ yếu tập trung nâng cao hiệu quả thu hồi nhiệt trong quá trình hóa học b ng cách sử dụng mạng trao đổi nhiệt công nghiệp (HENs) HENs có thể được thiết kế với sự kết hợp sử dụng nhiề hương há hác nhau Tất cả các hương há trong thiết kế Ns đều phù hợp cho tối thiểu hóa chi h và gia tăng lợi nhuận Trong những dòng quá trình, có những dòng còn hữu ch để làm nóng hay làm nguội các dòng khác phụ thuộc vào nhiệt độ vào và nhiệt độ ra cần đạt đến của quá trình, và có thể tiết kiệm năng lượng để khỏi phải tốn nước ha hơi hước) t dòng tiện ích Nhiệm vụ chính là sử dụng ĩ th ật phân tích điểm inch để tối ư số thiết bị trao đổi nhiệt, diện tích truyền nhiệt, chi phí sản

xuất, chi phí tiện tích, b ng cách sử dụng năng lượng các dòng hiện có Với cách tối ư nà , Ns c thể tăng lợi nhuận của nhà má trong tương lai

 Nghiên cứu về tiêu hao lượng nước sử dụng trong nhà máy sản xuất ethanol thế hệ II [20]

Mục đ ch của nghiên c u là giảm thiể lượng nước sạch sử dụng trong quá trình sản xuất ethanol, nhờ vậ lượng nước thải cũng giảm đi Phương há tiếp cận xem xét tất cả các lựa chọn có thể thay thế trong việc tối ư h a ti thụ năng lượng T m i lựa chọn thay thế đ được tích hợ tương ng với một mạng xử lý nước Để làm điều này, sử dụng a hương há : Th nhất, tối ư năng lượng sử dụng trong quá trình sản xuất, giảm được nhu cầu làm mát của quá trình, giảm được mất mát nước do bốc hơi… h hai, sử dụng một số công nghệ thay thế nước làm tác nhân làm mát tương tự Cuối cùng thiết kế mạng lưới nước tối ư cho m i quá trình sản xuất b ng cách ác định lượng nước tiêu thụ, tái sử dụng và xử lý Kết quả cho thấ lượng nước tiêu thụ giảm t 1,5 – 3 lần, thấ hơn nh cầ nước sản suất gasoline

 Thiết kế tối ưu và mô phỏng hoạt động của mạng trao đổi nhiệt trên máy tính [21]

Ngày na các ĩ sư thiết kế có thể linh hoạt và kiểm soát hơn các vấn đề về tối ư chi chi h các thiết bị truyền nhiệt với một chương tr nh má t nh c t n là CAD – N om t r id d sign at chang r N twor s) hương tr nh thiết kế trên các nguyên tắc nhiệt động lực học, có khả năng h n t ch và m hỏng tốc độ hoạt động của các bộ trao đổi nhiệt b ng các mô hình cụ thể rong giai đoạn đầu ti n chương trình sẽ tính toán tối ư nhiệt độ để đạt được thu hồi nhiệt tối ư Vòng lặ an đầu với các tối thiểu diện tích truyền nhiệt và dòng tiện ch được tổng hợp và sa đ tối ư h a ởi các vòng lặp tiếp theo của thuật toán Cuối cùng mạng nhiệt được kiểm tra lại khả năng hoạt động, tốc độ trên mô hình cụ thể Đ là c ng cụ mạnh mẽ cho phép khảo sát các mạng trao đổi nhiệt đồng thời t nh toán được chi

h đầ tư, chi h sản xuất h ng năm cũng như thời gian khấ hao đ m lại lợi nhuận

NGHIÊN CỨU T T T ỐNG T N

ƯƠNG

N N T NG N N Ư NG T N TR N T ỐNG SẢN T T N N N NG NG NG R N T N TẠ R T , NĂNG S T TỐI THIỂU 2.000 LÍT/NGÀY

ệ l yệ bằ y p ệ ạ R T II.1.

Thuyết minh công nghệ

Công nghệ được nghiên c u dựa trên sự hấp phụ nước trong ethanol của vật liệu rây phân tử Zeolite 3A Quy trình công nghệ tinh luyện cồn tại RPTC gồm 3

giai đoạn chính:

 Chu n hóa nguyên liệu

 Hấp phụ - giải hấp và thu hồi cồn sản ph m

 Thu hồi cồn t nước thải của quá trình giải hấp