thiết kế hệ thống hấp phụ tinh luyện cồn pha xăng, nồng độ nhập liệu 92%, nồng độ sản phẩm cồn khan 99,5%

ĐAMH CN Q Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xn Hải BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA 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 bò ĐỒ ÁN MÔN HỌC: ĐỒ ÁN CHUN NGÀNH QT&TB MÃ SỐ: 605109 Họ và tên sinh viên: Vũ Tiến Dũng Lớp: HC06MB Ngành (nếu có): Q Trình & Thiết Bị 1. Đầu đề đồ án: Thiết kế hệ thống tháp 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 thò (loại và kích thước bản vẽ): Gồm 2 bản vẽ A1: bản vẽ quy trình công nghệ và bản vẽ chi tiết thiết bò 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) Trang 1 ĐAMH CN Q Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xn Hải N H A Ä N X E Ù T Đ O À A Ù N 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: Trang 2 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Mục Lục Mục Lục 3 Chương 1 5 2. Tính chất và ứng dụng của cồn 9 3. Phương pháp hấp phụ (rây phân tử) 17 Chương 2 25 Chương 3 34 Chương 4 35 Chương 5 43 I. Chọn tác nhân giải hấp phụ 43 Chương 6 48 III. Tính toán thiết bị ngưng tụ sản phẩm 64 Kết Luận Tài Liệu tham khảo Trang 3 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Trang 4 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Chương 1 TỔNG QUAN I. Mục đích đề tài 1. Tính thực tiễn của đề tài Các nhà khoa học cho biết, chúng ta đang sống trong một giai đoạn lịch sử mới cảu trái đất – kỷ nguyên loại người – khi chúng ta là nguồn lực chính của trái đất. Nhưng hiện nay sự thành công thái quá của con người đã gây ra những áp lực chưa từng thấy cho hệ sinh thái trái đất và đe dọa chính loài người . Theo các chuyên gia, chúng ta đang phải đối mặt với sáu vấn đề có liên quan tới nhau và rất cấp bách: - Lương thực: Cứ sáu người thì có một người bị đói và suy dinh dưỡng trong khi đó quá trình công nghiệp hóa và dân số tăng đang làm giảm diện tích trồng cây lương thực - Nước: Đến năm 2025, 2/3 dân số thế giới phải sống trong vùng thiếu nước sạch - Năng lượng: Hiện nay nguồn năng lượng chính của chúng ta đến từ dầu mỏ và khí đốt, trong khi đó nguồn nhiên liệu hóa thạch này đang khan hiếm dần và dự đoán sẽ hết trong một tương lai rất gần - Biến đổi khí hậu: Biến đổi khí hậu đã và đang diễn ra trên toàn thế giới, nó có ảnh hưởng rất lớn đến đời sống con người trên trái đất - Đa dạng sinh học: Nhiều nhà khoa học cho rằng thế giới đang bước vào cuộc “đại tuyệt chủng” lần thứ 6 do các vấn đề về ô nhiễm môi trường và tăng dân số Trang 5 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải - 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 Trang 6 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải 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 Trang 7 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải 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 300 0 C áp suất 70 – 80 atm với xúc tác là axit photphoric: H 2 C = CH 2 +H 2 O → CH 3 CH 2 OH 1.2. Phương pháp lên men Ethanol sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng như phần lớn ethanol sử dụng trong công nghiệp, nhiên liệu… được sản xuất theo phương pháp lên men: quá trình này là chuyển hóa đường thành ethanol bằng nấm men (người ta thường dùng loại Saccharomyses cerevisiae) trong điều kiện không có oxy hay điều kiện yếm khí, phản ứng hóa học tổng quát được viết như sau: C 6 H 12 O 6 → 2 CH 3 CH 2 OH + 2CO 2 Trang 8 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải 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 78,4 0 C Nhiệt độ sôi của ethanol nguyên chất 78,39 0 C, tỷ trọng d 15 4 = 0,794, nhiệt dung riêng đẳng áp C p (16 0 C -21 0 C) = 2,42 J.g -1 .K -1 , nhiệt cháy 1370,82 kJ/mol 2.2. Ứng dụng Cồn là hỗn hợp Ethanol và nước có ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội: - Cồn pha với nước thành đồ uống, chế biến thức ăn, chế biến các loại hương - Trong y tế cồn là nguyên liệu trung gian để sản xuất nhiều loại thuốc, cồn còn làm chất sát trùng - Trong ngành công nghiệp sơn cồn dùng làm dung môi - Trong công nghiệp hương liệu và nước hoa cồn dùn làm dung môi - Trong hóa học cồn là chất trung gian sản xuất ra các hóa chất khác như: axit acetic, andehyt acetic, etyl acetat… - Dùng làm nhiên liệu pha xăng E10, E20, E85, E100… Trang 9 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải 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 Trang 10 [...]... tốc độ giải hấp lớn hơn tốc độ hấp phụ do đó trong khoảng thời gian này ta có thể sử dụng để tính toán cho quá trình hấp 0 phụ và giải hấp Ta chọn quá trình giải hấp tai nhiệt độ 140 C, lưu lượng cồn khan giải hấp bằng 20% lưu lượng cồn khan ra khỏi tháp hấp phụ, áp suất giải hấp - 0,7atm Trang 33 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Chương 3 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ I Lựa chọn quy trình công nghệ... 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 Trang 17 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị... 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... 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 Trang 25 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Nếu ta xem rằng bề mặt hấp phụ có các trung tâm hấp phụ có diện tích S, phần bề mặt bị 1 0 1 các phân tử chất bị hấp phụ chiếm S , vậy phần còn trống sẽ là S = S – S Vậy tốc độ hấp phụ sẽ phụ. .. 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 0 Nồng độ cồn đầu vào dạng hơi: 92% khối lượng, được đun sôi và quá nhiệt tới 120 C – 0 0 130 C Giải hấp phụ bằng cồn khan 99,2% khối lượng, nhiệt độ 160 C 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... quan hệ giữa P/x và P Trang 31 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Từ đồ thị ta có P = 25,142 + 7,6486 x m Suy ra x = 0,1308 g H2O zeolite /g  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 Trang 32 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải 0 Hình 8 Tương quan mối quan hệ giữa tốc độ hấp phụ và giải hấp. .. 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... nhiệt 7 nâng nhiệt độ lên 300 C 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 Trang 34 ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Chương 4 QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ I Cân bằng vật... GVHD: Lê Xuân Hải 3 yv C : Nồng độ pha hơi đầu vào, kg nước/m ethanol 3 yr C : Nồng độ pha hơi đầu ra, kg nước/m ethanol 3 yv C *: Nồng độ pha hơi cân bằng ở đầu vào, kg nước/m ethanol 3 yr C *: Nồng độ pha hơi cân bằng ở đầu ra, kg nước/m ethanol r X : Nồng độ ethanol đầu ra, phần trăm khối lượng v X : Nồng độ ethanol đầu vào, phần trăm khối lượng  Khối lượng riêng của pha hơi đi vào tháp Khối lượng... áp suất hơi trên bề mặt, mức độ hoạt động của− E trung tâm hấp phụ Mức độ hoạt động của trung tâm hấp phụ được các tính theo đại lượng e RT , 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 e quá trình nhả hấp − E' RT , trong đó E’ là năng lượng hoạt hóa của quá trình nhả hấp Khi quá trình cân bằng ta . thống tháp 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. 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. 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”