Đề tài “mô phỏng và đánh giá các công nghệ tách nước để sản xuất ethanol tuyệt đối”

Đồ án tốt nghiệp là những gì đúc kết lại sau một quá trình học tập, nghiên cứu của sinh viên dưới sự hướng dẫn của các quý thầy cô. Sau ba tháng làm việc, em đã hoàn thành đề tài. Thành quả đạt được hôm nay là do sự nỗ lực của bản thân dưới sự hướng dẫn giúp đỡ động viên tận tâm của quý thầy cô, của bố mẹ cũng như các anh chị em, bạn bè. Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng đã truyền đạt kiến thức cơ bản và giúp đỡ chúng em trong những năm học vừa qua, đặc biệt là các thầy cô trong Khoa Hóa và Bộ môn Công nghệ Hóa học – Dầu và Khí. Trên hết em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy PGS.TS. Nguyễn Đình Lâm đã hướng dẫn đề tài và tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp này. Sau cùng em xin cảm ơn gia đình, bạn bè luôn là điểm tựa, nguồn động viên giúp em vượt qua nhiều khó khăn trong thời gian qua. Em xin trân trọng gửi đến quý thầy cô, gia đình và bạn bè những lời chúc tốt đẹp nhất. Trong quá trình thực hiện, do nhiều nguyên nhân khác nhau nên những thiếu sót là điều khó tránh khỏi. Em rất mong được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô giáo và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn. Đà nẵng, ngày 13 tháng 6 năm 2012 Sinh viên thực hiện Lê Gia Trung GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp I Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí MỤC LỤC Trang LỜI MỞ ĐẦU LỜI MỞ ĐẦU 1 1 GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp II Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí DANH MỤC HÌNH ẢNH LỜI MỞ ĐẦU LỜI MỞ ĐẦU 1 1 GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp III Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí DANH MỤC BẢNG BIỂU LỜI MỞ ĐẦU LỜI MỞ ĐẦU 1 1 GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp IV Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí LỜI MỞ ĐẦU LỜI MỞ ĐẦU  Sự khám phá ra dầu mỏ đã đánh dấu một bước ngoặt lớn trong lịch sử phát triển của xã hội loài người. Dầu mỏ và các sản phẩm từ dầu mỏ đã đóng góp trong tất cả các lĩnh vực đời sống nói chung và các ngành năng lượng nói riêng. Tuy nhiên, bên cạnh những mặt ưu việt, chúng ta không thể không nói đến những vấn đề tồn tại do quá trình khai thác và sử dụng dầu mỏ quá mức gây ra việc thiếu hụt năng lượng trong tương lai, nhưng đáng kể nhất là sự ô nhiễm môi trường do khí thải của quá trình đốt cháy nhiên liệu. Người ta ước tính khí thải từ các hoạt động có liên quan các sản phẩm dầu mỏ và nhiên liệu hóa thạch chiếm khoảng 70% tổng lượng khí thải trên toàn thế giới. Khí thải là nguyên nhân trực tiếp gây ra những biến đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính và hàng loạt các vấn đề về môi trường. Nhiều nỗ lực đã và đang được thực hiện nhằm tìm kiếm những nguồn năng lượng thay thế, trong đó, một trong những nguồn năng lượng mới đang được quan tâm hiện nay là nhiên liệu sinh học. Ðây là nguồn năng lượng có thể tái sinh và ít gây ô nhiễm môi trường. Và nó có thể được chia thành các loại như sau: • Nhiên liệu lỏng • Khí sinh học (Biogas) • Nhiên liệu sinh học rắn Trong đó Bio ‒ Ethanol là một loại nhiên liệu sinh học lỏng mới, hiện đang được nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Loại năng lượng sinh học này ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu tiêu thụ năng lượng trên thế giới đồng thời có khả năng thay thế dần cho nguồn năng lượng hóa thạch đang có nguy cơ cạn kiệt trong tương lai. Góp phần thực hiện mục tiêu đó em đã thực hiện đề tài: “Mô phỏng và Đánh giá các công nghệ tách nước để sản xuất Ethanol tuyệt đối” trên cơ sở GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp 1 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí kiến thức cơ bản, ứng dụng phần mềm mô phỏng và tính toán em đã hoàn thành đề tài này. Đề tài gồm các phần chính như sau: • Tổng quan về nhiên liệu sinh học – Bioethanol trên thế giới và ở nước ta. • Tổng quan các công nghệ tách nước của Ethanol. • Lựa chọn phần mềm mô phỏng thích hợp hỗ trợ cho quá trình tách nước. • Mô phỏng các công nghệ tách nước để sản xuất Ethanol tuyệt đối. Từ dữ liệu mô phỏng tính toán thiết kế thiết bị hấp phụ và lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt phù hợp với nhu cầu sử dụng. • Đánh giá so sánh các phương pháp tách nước nhằm thu được cồn tinh khiết. GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp 2 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC VÀ ETHANOL 1.1 Tổng quan về nhiên liệu sinh học 1.1.1 Nhiên liệu sinh học ‒ Nguồn năng lượng tất yếu Vào thế kỷ 19, gỗ là nguồn năng lượng làm chạy máy động cơ hơi nước trong giao thông vận tải, giúp đẩy mạnh ngành công nghiệp cơ giới. Sau đó, con người chế tạo máy phát điện cung cấp nguồn điện năng mới có nhiều công dụng cho đời sống hàng ngày và thay thế dần những máy chạy bằng hơi nước. Khi tìm thấy nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ và khí đốt, con người nhanh chóng chuyền sang sử dụng các nguồn năng lượng không tái tạo này để chạy máy nổ, chủ yếu trong ngành vận tải, nhiệt và điện năng. Dạng nhiên liệu lỏng (xăng dầu) trở nên thông dụng hơn cho nhiên liệu giao thông vận tải vì tỏa nhiều nhiệt lượng, dễ sử dụng hơn loại nhiên liệu khí và rắn, và từ đó nguồn năng lượng rắn được sử dụng giảm dần. Năng lượng là vấn đề sống còn của toàn nhân loại. Con người đang khai thác đến mức cao nhất các nguồn năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, khí thiên nhiên, than đá…), nhưng dự trữ của các nguồn nhiên liệu này ngày càng cạn kiệt với tốc độ phi mã. Theo các điều tra quốc tế thì nếu không tìm kiếm thêm được các nguồn dự trữ mới thì với lượng khai thác như hiện nay, khoảng 85.9 triệu thùng mỗi ngày, thì dầu mỏ sẽ cạn kiệt sau 43 năm nữa. Với lượng khai thác 19BBOE (tương đương triệu thùng dầu mỏ) mỗi ngày thì khí thiên nhiên cũng sẽ cạn kiệt sau 60 năm nữa. Với lượng khai thác khoảng 29.85BBOE mỗi ngày thì than đá nhiều nhất là 148 năm nữa cũng sẽ cạn kiệt. Theo tính toán của các chuyên gia kinh tế năng lượng, dầu mỏ và khí đốt hiện chiếm khoảng 60 - 80% cán cân năng lượng thế giới. Với diễn biến phức tạp của giá xăng dầu gần đây cho thấy nhu cầu dầu thô ngày càng lớn cũng như những bất ổn chính trị tại những nước sản xuất dầu mỏ ngày càng lan rộng ra. Hơn nữa nhiên liệu hóa thạch phát sinh nhiều khí thải gây ô nhiễm môi trường, hiệu ứng GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp 3 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí nhà kính. Để đối phó với tình hình đó chúng ta cần tìm ra các nguồn năng lượng mới thay thế, và ưu tiên hàng đầu được dành cho các nguồn năng lượng tái sinh và thân thiện với môi trường. Trong số các nguồn năng lượng thay thế dầu mỏ đang sử dụng hiện nay (năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân,…), năng lượng sinh học đang là xu thế phát triển tất yếu, nhất là ở các nước nông nghiệp và nhập khẩu nhiên liệu, do các lợi ích của nó như: công nghệ sản xuất không quá phức tạp, tận dụng nguồn nguyên liệu tại chỗ, tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp, không cần thay đổi cấu trúc động cơ cũng như cơ sở hạ tầng hiện có và giá thành cạnh tranh so với xăng dầu. Hình 1.1 – Cây Jatropha, một trong những nguyên liệu chính chế biến dầu sinh học Trong những năm gần đây người ta đã sử dụng cồn đốt (Ethanol) pha vào xăng chạy máy để giảm phần nào sự sử dụng xăng. Ethanol được làm ra từ những nguồn nguyên liệu tái sinh như: phế phẩm nông nghiệp (vật liệu phế thải sau gặt hái như lá, rơm, rạ, thân bắp, lõi bắp), phế phẩm lâm nghiệp (vụn gỗ, mạt cưa, vụn thân cây hoặc cành cây), các phế phẩm hữu cơ trong rác (rác trong nhà các loại giấy vụn), phế phẩm từ nhà máy thực phẩm gia công (phế phẩm của nhà máy rượu GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp 4 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí và nhà máy giấy), cây công nghiệp (những loại thực vật lớn nhanh) được gieo trồng cho mục đích làm nguyên liệu. 1.1.2 Tình hình phát triển nhiên liệu sinh học (BioFuel) hiện nay 1.1.2.1 Phát triển nhiên liệu sinh học ở các nước trên thế giới Năng lượng hóa thạch ngày càng cạn dần, yêu cầu bức xúc về vấn đề ô nhiễm môi trường với những tác động gây biến đổi khí hậu toàn cầu là những lý do khiến các nước trên thế giới từ 5 - 10 năm trở lại đây ráo riết nghiên cứu để phát triển nguồn năng lượng thay thế. Nhiên liệu sinh học không phải là nhiên liệu mới, đã được áp dụng khá lâu kể từ khi động cơ diezel đầu tiên chạy bằng dầu lạc ra đời năm 1898 triển lãm ở Paris (Pháp). Tác giả của động cơ diezel đầu tiên - ông Rudolf Diezel đã từng tiên đoán rằng nhiên liệu từ sinh khối sẽ là tương lai thật cho động cơ của mình. Từ năm 1993 đến năm 2001, sản lượng Biodiesel của EU tăng gấp 10 lần, từ mức 80.000 tấn vào năm 1993 lên 780.000 tấn vào năm 2001, Đức là nước sản xuất hàng đầu, tiếp theo là Pháp, Italia và Áo. Hiện nay, trên toàn EU Biodiesel được sử dụng chạy động cơ dưới dạng pha trộn với diesel thông thường. Tại Đức, Áo và Thụy Điển, Biodiesel được sử dụng dưới dạng tinh khiết trong các loại xe tải nặng. Bioethanol sử dụng làm nhiên liệu ô tô ở châu Âu tăng gấp 4 - 5 lần, từ mức 47.000 tấn vào năm 1993 lên 216.000 tấn vào năm 2001. Pháp, Tây Ban Nha và Thụy Điển là các nước đóng vai trò lớn trong thị trường Bioethanol ở châu Âu. Bioethanol tại đây cũng được dùng cả dưới dạng tinh khiết lẫn pha trộn với xăng. Tại Pháp, Bioethanol chủ yếu để chuyển hóa thành phụ gia ETBE pha xăng. Quy mô sản xuất Biofuel toàn cầu mở rộng dần suốt những năm 1980, trước khi đạt mức phát triển cao hơn nhiều vào những năm 1990. Sản lượng Biofuel toàn cầu hiện đạt khoảng 15 triệu tấn/năm. Các nước EU chỉ chiếm mức dưới 6% tổng sản lượng (890.000 tấn vào năm 2000). Hầu hết sản lượng Biofuel toàn cầu tập trung vào Bioethanol (năm 2000 đạt 14.6 triệu tấn). 1.1.2.2 Phát triển nhiên liệu sinh học tại các nước trong khu vực • Trung Quốc Trung Quốc đang dành mối quan tâm lớn cho sự phát triển Biofuel. Do tốc độ phát triển kinh tế cao và kéo dài liên tục nên Trung Quốc đang thiếu hụt năng lượng. Nước này xem việc phát triển năng lượng sinh học là một trong các giải GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp 5 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí pháp giảm thiểu chi phí nhập khẩu dầu mỏ, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng. Sản lượng ethanol của Trung Quốc hiện đứng thứ 3 thế giới với con số 3 tỉ lít/năm. • Thái Lan Hiện tại quy mô sản xuất ethanol ở Thái Lan còn nhỏ, năng suất và kỹ thuật canh tác mía và các cây trồng làm nguyên liệu chưa cao nên mặc dù nước này có quan tâm tới các chương trình biofuel nhưng cho tới nay vẫn chưa có tiến bộ đáng kể. Chính phủ Thái Lan vừa ra thông báo áp dụng chính sách sản xuất gasohol sử dụng rộng rãi khắp thành phố Băng Cốc kể từ tháng 1/2005 với tỉ lệ pha trộn 10 - 20% ethanol trong xăng sử dụng. • Nhật Bản Nhật Bản là nước tiêu thụ xăng dầu lớn thứ 2 trên thế giới chỉ đứng sau Mỹ, lên tới 215 triệu tấn trong năm 2003 (theo số liệu của Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp Nhật Bản), trong đó 99% được nhập khẩu. • Philippin Bộ Khoa học và Hội đồng kỹ thuật R&D về công nghiệp và Năng lượng Philippin đang có chính sách tích cực thúc đẩy sử dụng Biofuel ở xe máy và xe ba bánh để giảm ô nhiễm môi trường. Biodiesel ở Philippin chủ yếu được sản xuất từ dầu dừa (cocometyl este – CME) là nguồn năng lượng rẻ tiền có thể dùng thay thế xăng chạy xe máy và xe ba bánh động cơ 2 kỳ (lượng xe máy và xe ba bánh chiếm gần 35% trong tổng số 4 triệu đầu xe ở Philippin và hiện tại 75% trong tổng số xe ở Philippin là động cơ 2 kỳ). 1.1.3 Phân loại nhiên liệu sinh học Tùy theo tính chất cơ bản mà ta có thể chia nhiên liệu sinh học thành ba loại chính như sau: • Khí sinh học (Biogas) • Diesel sinh học (BioDiesel) • Xăng sinh học (Gasohol) 1.1.3.1 Khí sinh học (Biogas): là sản phẩm khí từ quá trình phân hủy sinh khối, phân gia súc và phân người, bùn cống… nhờ vi khuẩn lên men yếm khí (trong điều kiện không có oxy không khí) được gọi là Biogas. Biogas chứa nhiều Methane (CH 4 ). GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp 6 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí [...]... của ethanol và điều kiện đầu tư mà người ta sử dụng công nghệ cho phù hợp Mặc dù công nghệ sau ra GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp 21 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí đời có khả năng tách ưu việt hơn công nghệ trước nhưng các công nghệ cũ vẫn còn phổ biến ở nhiều quốc gia 1.2.3 Một số lưu đồ sản xuất bioethanol 1.2.3.1 Sản xuất Bioethanol từ tinh bột Bioethanol hiện nay sản xuất. .. độc hại Tuy nhiên với các công nghệ sản xuất ethanol hiện nay thì chỉ thu được 96% thể tích ethanol, do ethanol tạo điểm đẳng phí với nước nên chưng cất thông thường không thể tạo ra ethanol tinh khiết hơn 96%, vì vậy việc tách nước để tạo ethanol tuyệt đối (hơn 99.8% thể tích) là điều cần thiết Sau đây, em xin trình bày một vài công nghệ tách nước chính cho hỗn hợp ethanol – nước GVHD: PGS TS Nguyễn... 7/2011 ITOCHU Nhật bản và PV OIL Đã động thổ khởi công ký hợp đồng EPC Đã động thổ khởi công ký hợp đồng EPC Dự kiến quý I năm 2010 ký hợp đồng EPC và khởi công 1.2.2 Quy trình chung sản xuất ethanol nhiên liệu Các bước cơ bản trong quá trình sản xuất ethanol quy mô lớn là lên men đường, chưng cất và tách nước (quá trình này tùy tiêu chuẩn và mục đích thu sản phẩm ethanol mà có các công nghệ khác nhau) Trước... BioPower 1.2.1.2.3 Các ứng dụng khác Ethanol tinh khiết và ethanol 95% là các dung môi tốt và được sử dụng trong các loại nước hoa, sơn, cồn thuốc Các tỷ lệ khác của ethanol với nước hay các dung môi khác cũng có thể dùng làm dung môi Các loại đồ uống chứa cồn có hương vị khác nhau do có các hợp chất tạo mùi được hòa tan trong nó trong quá trình ủ và nấu rượu Khi ethanol được sản xuất như là đồ uống... hợp để pha vào xăng truyền thống mà phải là ethanol tinh khiết (hàm lượng nước phải nhỏ hơn 1%) Do đó sau quá trình chưng cất ethanol cần phải được xử lý tách nước để thu được sản phẩm ethanol tinh khiết (hay ethanol tuyệt đối) dùng pha vào xăng chạy trên động cơ xăng thông thường 1.2.2.3 Quá trình tách nước (dehydration) Quá trình này còn có thể gọi là quá trình làm tinh khiết ethanol Có nhiều công nghệ. .. trọng lượng nước GVHD: PGS TS Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp 22 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí mía Rỉ đường còn dùng làm thức ăn gia súc, dùng trong các ngành công nghiệp khác Nhưng để giải quyết lượng rỉ đường của nhà máy đường thì chủ yếu dùng để sản xuất ethanol Rỉ đường là nguồn nguyên liệu quan trọng để sản xuất rượu, nó phù hợp với 4 điều kiện để sản xuất rượu: • Giá rẻ và không có... tách nước ra khỏi ethanol cả trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp như chưng cất đẳng phí, dùng chất hút ẩm, hấp phụ bằng rây phân tử hay mới nhất là công nghệ dùng màng lọc Công nghệ nào cũng có hai mặt của nó, có công nghệ chi phí đầu tư thấp nhưng nồng độ ethanol chưa cao, có công nghệ thì thu được nồng độ ethanol cao nhưng chi phí đầu tư ban đầu khá lớn Tóm lại, tùy vào mục đích sử dụng ethanol, ... nay sản xuất dựa vào nguồn nguyên liệu tinh bột (lúa, sắn, hạt bắp,…) Dưới đây là một số lưu đồ đại diện cho quá trình sản xuất bioethanol từ tinh bột: Hình 1.7 – Lưu đồ sản xuất Bioethanol của Lurgi từ lúa gạo Hình 1.8 – Lưu đồ sản xuất Bioethanol từ hạt bắp 1.2.3.2 Sản xuất Bioethanol từ rỉ đường Rỉ đường là nguyên liệu chứa các loại đường không tinh khiết thu được trong quá trình sản xuất đường, tỷ... CNHH – Dầu Và Khí CHƯƠNG 2 CÁC CÔNG NGHỆ TÁCH NƯỚC CỦA ETHANOL 2.1 Phương pháp chưng cất 2.1.1 Pressure Swing Distillation (PSD) PSD là một dạng chưng cất đặc biệt để tách hỗn hợp đẳng phí mà không cần tiêu tốn thêm dung môi nào khác Công nghệ này gồm nhiều tháp chưng cất vận hành ở các áp suất khác nhau để bẻ gãy điểm đẳng phí Tháp đầu tiên vận hành ở một áp suất nào đó để tách một lượng nhỏ ethanol. .. tạp chất độc hại Mật rỉ • Sản lượng nhiều • Sử dụng tiện lợi • Nguồn cung cấp phổ biến Pha loãng sơ bộ Acide hóa Vậy việc sử dụng rỉ đường để sản xuất rượu là tối ưu, một mặt sử dụng triệt để phế liệu, mặt khác hạn chế việc sử dụng các loại lương thực chứa tinh bột như: Dịch đường cơ bản sắn, ngô, khoai để sản xuất Bioethanol Quá trình sản xuất ethanol từ rỉ đường trải qua các công đoạn chính sau: Dịch . hiện đề tài: “Mô phỏng và Đánh giá các công nghệ tách nước để sản xuất Ethanol tuyệt đối” trên cơ sở GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm SVTH: Lê Gia Trung Đồ Án Tốt Nghiệp 1 Bộ môn CNHH – Dầu Và Khí kiến. nghệ tách nước của Ethanol. • Lựa chọn phần mềm mô phỏng thích hợp hỗ trợ cho quá trình tách nước. • Mô phỏng các công nghệ tách nước để sản xuất Ethanol tuyệt đối. Từ dữ liệu mô phỏng tính toán. phỏng và tính toán em đã hoàn thành đề tài này. Đề tài gồm các phần chính như sau: • Tổng quan về nhiên liệu sinh học – Bioethanol trên thế giới và ở nước ta. • Tổng quan các công nghệ tách nước