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

Đề tài "Thiết kế hệ thống hấp phụ tinh luyện cồn pha xăng" ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHÓA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Thành phố Hồ Chí Minh Khoa: Công nghệ Hóa & Thực phẩm Bộ môn: Quá trình và Thiết bị ĐỒ ÁN MÔN HỌC: ĐỒ ÁN CHUYN NGNH QT&TB MÃ SỐ: 605109 Họ và tên sinh viên: Vũ Tiến Dũng Lớp: HC06MB Ngành (nếu có): Qu Trình & Thiết Bị 1. Đầu đề đồ án: Thiết kế hệ thống thp hấp phụ tinh luyện cồn pha xăng 2. Nhiệm vụ (nội dung yêu cầu và số liệu ban đầu): - Nồng độ nhập liệu: x F = 92%phần khối lượng - Nồng độ sản phẩm cồn khan: x W = 99,5% phần khối lượng - Nguồn năng lượng và các thông số khác tự chọn 3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: Xem ở phần mục lục 4. Các bản vẽ và đồ thị (loại và kích thước bản vẽ): Gồm 2 bản vẽ A1: bản vẽ quy trình công nghệ và bản vẽ chi tiết thiết bị 5. Ngày giao đồ án: 5/07/2010 6. Ngày hoàn thành đồ án: 4/9/2010 7. Ngày bảo vệ hay chấm: 7/9/2010 Ngày 4 tháng 09 năm 2010 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Trang 2 NHẬN XÉT ĐỒ ÁN Cán bộ hướng dẫn. Nhận xét:____________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ Điểm:________________ Chữ ký: ____________________ Cán bộ chấm hay Hội đồng bảo vệ. Nhận xét: _______________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ Điểm:________________ Chữ ký: ____________________ Điểm tổng kết: ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Trang 3 Mục Lục Chương 1 6 I. Mục đích đề tài 6 1. Tính thực tiễn của đề tài 6 2. Lợi ích của việc dng gasohol 7 II. Những đặc tính của cồn tinh luyện 8 1. Các phương pháp sản xuất cồn 8 2. Tính chất v ứng dụng của cồn 8 III. Cồn nhiên liệu 9 1. Lịch sử pht triển 9 2. Yêu cầu về chất lượng 10 3. Các phương pháp pha cồn vào xăng 12 4. Ưu nhược điểm của xăng pha cồn với xăng truyền thống 12 IV. Các phương pháp sản xuất cồn nhiên liệu 13 1. Phương pháp chưng luyện 13 2. Phương pháp bay hơi thẩm thấu qua màng 14 3. Phương pháp hấp phụ (rây phân tử) 14 4. Phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp 17 V. Vật liệu hấp phụ Zeolite 19 1. Cấu trc của zeolite 19 2. Phn loại Zeolite 19 3. Xác định bề mặt riêng của zeolite 20 4. Một số đặc trưng của Zeolite 4A 21 Chương 2 22 I. Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 22 II. Thuyết hấp phụ Fruendlich 23 III. Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Brunauer – Emmett – Teller (BET) 24 IV. Một số thực nghiệm về phương pháp hấp phụ sản xuất cồn bằng vật liệu zeolite 25 Chương 3 30 I. Lựa chọn quy trình công nghệ 30 II. Thuyết minh quy trình công nghệ 30 Chương 4 31 I. Cn bằng vật chất cho qu trình hấp phụ 31 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Trang 4 II. Tính tốn chiều cao lớp hấp phụ 33 1. Đường kính của tháp 33 2. Tính chiều cao thp 34 3. Tính tốn thời gian hấp phụ 34 4. Tính toán lượng zeolite cần thiết 35 III. Cân bằng nhiệt lượng cho quá trình hấp phụ 35 Chương 5 37 I. Chọn tc nhn giải hấp phụ 37 II. Cn bằng vật chất cho qu trình nhả hấp phụ 37 II. Tính toán vận tốc hơi giải hấp đi trong tháp 39 II. Các giai đoạn nhả hấp phụ 40 Chương 6 41 I. Tính tốn chiều cao tồn bộ thp 41 II. Tính tổn thất p suất của dịng khí qua lớp hấp phụ 41 III. Tính toán cơ khí cho thân tháp 42 1. Tính bề dy cho thn trụ hn chịu p suất trong 42 2. Tính đáy, nắp tháp 43 3. Tính đường kính và bích ghép các ống dẫn 44 4. Tính chân đỡ tai treo cho tháp 46 Chương 7 49 I. Tính toán nồi đun 49 1. Lượng hơi đốt cần dùng 49 2. Hiệu nhiệt độ trung bình 50 3. Hệ số cấp nhiệt của cồn sơi sủi bọt trong thiết bị đun sôi 50 4. Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ phía trong ống 51 5. Mật độ dịng nhiệt truyền qua vch 51 6. Hệ số truyền nhiệt tổng qut 52 7. Bề mặt truyền nhiệt 52 II. Năng suất nhiệt của caloriphe 52 III. Tính tốn thiết bị ngưng tụ sản phẩm 52 1. Lượng nước cần dùng để giải nhiệt 53 2. Hiệu nhiệt độ trung bình 53 3. Hệ số cấp nhiệt hơi cồn tình khiết ngưng tụ trên bề mặt ống đứng 53 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Trang 5 4. Hệ số cấp nhiệt của nước giải nhiệt đi trong ống 53 5. Mật độ dịng nhiệt truyền qua vch 54 6. Hệ số truyền nhiệt tổng qut 55 7. Bề mặt truyền nhiệt 55 Kết Luận Ti Liệu tham khảo ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Trang 6 Chương 1 TỔNG QUAN I. Mục đích đề ti 1. Tính thực tiễn của đề ti Các nh khoa học cho biết, chúng ta đang sống trong một giai đoạn lịch sử mới cảu trái đất – kỷ nguyn loại người – khi chng ta l nguồn lực chính của trái đất. Nhưng hiện nay sự thnh công thi qu của con người đ gy ra những p lực chưa từng thấy cho hệ sinh thái trái đất và đe dọa chính loài người . Theo các chuyên gia, chúng ta đang phải đối mặt với su vấn đề có lin quan tới nhau v rất cấp bch: - Lương thực: Cứ sáu người thì có một người bị đói và suy dinh dưỡng trong khi đó quá trình công nghiệp hóa v dn số tăng đang làm giảm diện tích trồng cây lương thực - Nước: Đến năm 2025, 2/3 dân số thế giới phải sống trong vng thiếu nước sạch - Năng lượng: Hiện nay nguồn năng lượng chính của chúng ta đến từ dầu mỏ và khí đốt, trong khi đó nguồn nhiên liệu hóa thạch này đang khan hiếm dần v dự đoán sẽ hết trong một tương lai rất gần - Biến đổi khí hậu: Biến đổi khí hậu đ v đang diễn ra trn tồn thế giới, nĩ có ảnh hưởng rất lớn đến đời sống con người trên trái đất - Đa dạng sinh học: Nhiều nh khoa học cho rằng thế giới đang bước vào cuộc “đại tuyệt chủng” lần thứ 6 do các vấn đề về ơ nhiễm môi trường và tăng dân số - Ơ nhiễm: Các chất được cho l ơ nhiễm đ 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 v biến đổi to lướn đối với con người v sinh vật trên trái đất. ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Trang 7 Như trên đ nu, năng lượng v ơ nhiễm l hai vấn đề quan trọng cấp bch cần giải quyết nhanh chóng Thực tế cho thấy, cng với sựu pht triển mạnh mẽ của nền đại công nghiệp thì ko theo l 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 bo của các nh khoa học thì trữ lượng xăng dầu của tồn 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 ơ nhiễm nghim trọng. Việc đốt chy nhiên liệu hóa thạch thải ra rất nhiều khí ơ nhiễm như COx, NOx, SOx, các hợp chất hydrocacbon… Gy nn 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 v thn thiện với môi trường là điều rất quan trọng v cần thiết. Bn cạnh việc sử dụng các nguồn năng lượng như năng lượng thủy điện, năng lượng nguyn tử, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều…Thì năng lượng có nguồn gốc sinh học đang rất được quan tm. Ethanol l nhiên liệu đi từ nguồn gốc sinh học đang được cả thế giới quan tm. V hiện nay Ethanol được sử dụng như một phụ gia để pha vào xăng tạo thnh một loại nhiên liệu được gọi l gasohol hay gasoline – alcohol Đặc biệt nước ta l một nước có nền kinh tế nơng nghiệp l chủ yếu với thế mạnh chính l các ngnh trồng trọt và chăn nuôi đặc biệt l ngnh trồng la gạo. Nước ta là nước có sản lượng la gạo xuất khẩu đứng thứ hai trn thế giới với những năm gần đây kim nghạch xuất khẩu gạo tăng liên tục. Bn cạnh đó ngành trồng trọt rau củ quả cũng pht triển rất mạnh. Tất cả các yếu tố trn cho thấy việc sản xuất Ethanol pha xăng từ các phụ phẩm của sản xuất nơng nghiệp ở Việt Nam l rất khả thi Vì những lý do trn, đề ti “ Thiết kế phân xưởng tinh luyện cồn tuyệt đối dùng để pha xăng” là công đoạn cuối cng của dy chuyền sản xuất cồn pha xăng có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của loại nhiên liệu mới này 2. Lợi ích của việc dng gasohol Xt về mặt năng lượng thì cồn tinh luyện khơng có lợi hơn so với xăng (năng lượng sinh ra khi đốt chy 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 nghóa l ta sẽ giảm được 10% lượng xăng nhập khẩu qua đó tiết kiệm được rất nhiều ngn sch dnh cho việc nhập khẩu xăng. ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Trang 8 - 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 nơng nghiệp để sản xuất cồn như rơm rạ, mật rỉ, ngơ, sắn…Đồng thời tạo công ăn việc lm cho nhn dn. Hng năm nước ta có khoảng 31 triệu tấn rơm rạ, ngồi việc sản xuất nấm rơm ra thì đây là ngồn sản xuất cồn rất lớn, rất có triển vọng - Gip ổn định vấn đề về an ninh năng lượng v 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 nguyn liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp hydat hóa ethylen trên xúc tác axit, được trình bày theo phản ứng hóa học sau. Cho ethylen hợp nước ở 300 0 C p suất 70 – 80 atm với xc tc l axit photphoric: H 2 C = CH 2 +H 2 O → CH 3 CH 2 OH 1.2. Phương pháp lên men Ethanol sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng như phần lớn ethanol sử dụng trong công nghiệp, nhiên liệu… được sản xuất theo phương pháp lên men: quá trình này l chuyển hóa đường thnh ethanol bằng nấm men (người ta thường dng loại Sacácharomyses cerevisiae) trong điều kiện không có oxy hay điều kiện yếm khí, phản ứng hóa học tổng qut được viết như sau: C 6 H 12 O 6 → 2 CH 3 CH 2 OH + 2CO 2 Qu trình nuơi cấy men rượu được gọi l ủ men. Sau khi chuyển hóa hết đường người ta lọc lấy dung dịch và đem chưng cất để nng cao nồng độ ethanol 2. Tính chất v ứng dụng của cồn 2.1. Tính chất vật lý Ethanol l chất lỏng không màu, mùi thơm, dễ chy, dễ ht ẩm, có độ phn cực mạnh. Ethanol có thể hịa tan nhiều chất vô cơ cũng như hữu cơ nên được sử dụng lm dung mơi rất ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Trang 9 tốt. Ethanol dễ chy v có thể tạo hỗn hợp nổ với khơng khí. Ethanol tạo hỗn hợp đẳng phí với nước ở 89,4% mol, nhiệt độ sơi của hỗn hợp này ở 1 atm l 78,4 0 C Nhiệt độ sơi của ethanol nguyn chất 78,39 0 C, tỷ trọng d 15 4 = 0,794, nhiệt dung riêng đẳng p C p (16 0 C -21 0 C) = 2,42 J.g -1 .K -1 , nhiệt chy 1370,82 kJ/mol 2.2. Ứng dụng Cồn l hỗn hợp Ethanol và nước có ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống x hội: - Cồn pha với nước thành đồ uống, chế biến thức ăn, chế biến các loại hương - Trong y tế cồn l nguyn liệu trung gian để sản xuất nhiều loại thuốc, cồn cịn lm chất st trng - Trong ngnh công nghiệp sơn cồn dng lm dung mơi - Trong công nghiệp hương liệu và nước hoa cồn dn lm dung mơi - Trong hóa học cồn l chất trung gian sản xuất ra các hóa chất khác như: axit acetic, andehyt acetic, etyl acetat… - Dng lm nhiên liệu pha xăng E10, E20, E85, E100… III. Cồn nhiên liệu 1. Lịch sử pht triển Từ những năm 20 của thế kỉ XX cồn đ được nghin cứu, sử dụng lm nhiên liệu cho động cơ ôtô xe máy thay thế cho xăng dầu. Điển hình cho hướng đi tiên phong này là Mỹ v Brasil. Tuy nhiên với việc pht hiện ra các mỏ dầu có trữ lượng lớn cng với sự pht triển mạnh mẽ của ngnh công nghiệp lọc hóa dầu đ sản xuất ra sản phẩm xăng dầu chất lượng cao gi thnh hạ đ lm cho cồn nhiên liệu bị đẩy li Năm 1973 với cuộc khủng hoảng năng lượng thì vấn đề dng cồn nhiên liệu lại được đề cập nhưng phải đến đầu thế kí XXI hì hướng pht triển cồn nhiên liệu mới được ưu tiên phát triển tuy vậy nĩ vẫn chỉ đóng vai trị thứ yếu so với các nhiên liệu hóa thạch, nhưng trong tương lai nó có thể l nguồn năng lượng chính khí dầu mỏ cạn kiệt. [...]... giải hấp v hấp phụ có thời gian cn bằng để xả p cao từ thp hấp phụ xuống 1,5 at sau đó mới đưa dịng hơi nito vào giải hấp, dịng khí xả áp được sục vào nước v tuần hồn lại hệ thống chưng cất tạo cồn nguyn liệu cho qu trình hấp phụ Trang 30 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Chương 4 QU TRÌNH HẤP PHỤ I Cn bằng vật chất cho qu trình hấp phụ Các kí hiệu: Gv: Lưu lượng cồn vào thp hấp phụ, kg/h... hấp phụ tạo thnh lớp hấp phụ đơn lớp trn bề mặt chất hấp phụ Các phn tử chất hấp phụ chỉ tương tác với trung tm hấp phụ mà không tương tác với các trung tm khác hay các phn tử khác gần đó Những giả thiết khi lập phương trình Langmuir  Các chất bị hấp phụ tạo thành đơn lớp phn tử  Năng lượng hấp phụ các phn tử là đồng nhất (bề mặt đồng nhất)  Sự hấp phụ l thuận nghịch Trang 22 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết. .. tốc độ giải hấp lớn hơn tốc độ hấp phụ do đó trong khoảng thời gian này ta có thể sử dụng để tính tốn cho qu trình hấp phụ v giải hấp Ta chọn qu trình giải hấp tai nhiệt độ 1400C, lưu lượng cồn khan giải hấp bằng 20% lưu lượng cồn khan ra khỏi thp hấp phụ, p suất giải hấp - 0,7atm Trang 29 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Chương 3 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ I Lựa chọn quy trình công nghệ Qua tham... Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT HẤP PHỤ I Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Theo Langmuir trn bề mặt chất hấp phụ có trường lực hóa trị chưa bo hịa vì vậy có thể hấp phụ các phn tử chất bị hấp phụ tại các vị trí này các vị trí này cị được gọi l trung tm hấp phụ Lực hấp phụ có bn kính tc dụng rất nhỏ l lực bản chất gần với lực hóa học nn mỗi tm chỉ giữ lại được một phn tử chất hấp. .. 7 Mối quan hệ giữa P/x v P Trang 27 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Từ đồ thị ta có P  25,142  7,6486 x Suy ra xm = 0,1308 gH2O/gzeolite  Qu trình nhả hấp phụ Trong qu trình nhả hấp phụ ta sử dụng trực tiếp hơi cồn khan khi qua thp hấp phụ lm tc nhn giải hấp Trang 28 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Hình 8 Tương quan mối quan hệ giữa tốc độ hấp phụ v giải hấp (1400C... E95, E100 Ký hiệu E có nghóa là xăng pha cồn cịn chỉ số có nghóa l 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 thn ethanol có chỉ số octane cao nên nó cũng làm tăng chỉ số octane chung của xăng Mặt khác, do bản thn qu trình... giữa các phn tử chất bị hấp phụ với nhau có thể bỏ qua Nếu ta xem rằng bề mặt hấp phụ có các trung tm hấp phụ có diện tích S, phần bề mặt bị các phn tử chất bị hấp phụ chiếm S1, vậy phần cịn trống sẽ l S0 = S – S1 Vậy tốc độ hấp phụ sẽ phụ thuộc v diện tích bề mặt cịn trống, p suất hơi trên bề mặt, mức độ hoạt động của các trung tm hấp phụ Mức độ hoạt động của trung tm hấp phụ được tính theo đại lượng... thuận nghịc kJ/mol Qua kết quả trn thấy rằng Zeolite 5A khơng thể dng lm chất hấp phụ lm kha cồn được Zeolite 3A l chất hấp phụ co ưu điểm hơn r rệt về nhiệt và lượng ethanol hấp phụ 2 Thực nghiệm “ Nghin cứu khảo sát động học qu trình hấp phụ cồn bằng Zeolite 4A” (Luận văn tốt nghiệp K05 – Nguyễn Văn Phúc ĐH Bách Khoa tp HCM) Hệ thống thí nghiệm: Trang 25 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân... công nghệ lm 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 thp hay ba thp, thp tầng cố định hoặc tầng sôi…Dưới đây là sơ đồ công nghệ của các phương pháp trên Trang 15 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Hình 2 Sơ đồ hấp thụ cồn dạng hơi sử dụng hai thp Trang 16 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê... 6 Kết quả tính tốn từ thực nghiệm Loại Zeolite v nhiệt độ Tổng nhiệt hấp phụ, mJ Lượng Ethanol hấp phụ mmol Enthanpy hấp phụ kJ/mol Tổng Lượng Enthanpy nhiệt Ethanol hấp nhả nhả sau nhả phụ hấp, mJ hấp kJ/mol mmol 3A, RT 3A,980C 180,7 160,4 1,5 0,9 120,5 178,2 57,1 58,2 0,4 0,5 142,7 116,4 112,4 255,5 5A, RT 5A,950C 727,8 2262 14,9 35,1 48,8 63,8 195,5 429,7 4,8 8,1 40,7 53,0 52,7 69,7 Nhiệt hấp phụ . Đề tài " ;Thiết kế hệ thống hấp phụ tinh luyện cồn pha xăng& quot; ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Trang 1 BỘ GIÁO. Vũ Tiến Dũng Lớp: HC06MB Ngành (nếu có): Qu Trình & Thiết Bị 1. Đầu đề đồ án: Thiết kế hệ thống thp hấp phụ tinh luyện cồn pha xăng 2. Nhiệm vụ (nội dung yêu cầu và số liệu ban đầu): -. xuất Ethanol pha xăng từ các phụ phẩm của sản xuất nơng nghiệp ở Việt Nam l rất khả thi Vì những lý do trn, đề ti “ Thiết kế phân xưởng tinh luyện cồn tuyệt đối dùng để pha xăng là công