BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ ------ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG CHUẨN HÓA CỒN TRONG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN NHIÊN LIỆU BẰNG
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ
- -
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG CHUẨN HÓA CỒN TRONG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN NHIÊN LIỆU BẰNG PHƯƠNG PHÁP
RÂY PHÂN TỬ
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN
Trang 2NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
Ngày … tháng … Năm 2012 Cán bộ hướng dẫn
Trang 3NHẬN XÉT CỦA BỘ MÔN HƯỚNG DẪN
Ngày … tháng … Năm 2012
Bộ môn công nghệ hóa học
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Sau hơn 4 tháng thực hiện luận văn, đến nay luận văn của em đã được hoàn tất, đó là nhờ vào sự tận tình giúp đỡ của quý thầy cô, bạn bè và người thân Mọi người luôn động viên, khích lệ em thực hiện tốt luận văn của mình
Trước hết, em xin chân thành cảm ơn thầy cô trường Đại học Cần Thơ, nhất
là các thầy cô thuộc “Bộ môn Công Nghệ Hóa Học - khoa Công Nghệ” đã truyền đạt những kiến thức quý báu cho em suốt quá trình học tập tại trường và nhất là tạo điều kiện cho em có cơ hội nghiên cứu đề tài luận văn tốt nghiệp
Bên cạnh đó, em cũng thành thật biết ơn các thầy cô thuộc khoa Công Nghệ Hóa Học, Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, đã tạo điều kiện cho em được thực tập và hoàn thành luận văn tại trung tâm nghiên cứu công nghệ lọc hóa dầu Đặc biệt, cám ơn thầy Hoàng Minh Nam, thầy Huỳnh Quyền, anh Đỗ Hải Sâm những người đã tận tâm chỉ dẫn em hoàn tất luận văn và các cán bộ, anh chị, trong trung tâm nghiên đã tận tình chỉ bảo cho em
Xin cám ơn gia đình, bạn bè đã luôn động viên, cổ vũ tinh thần em cả trong học tập và cuộc sống hàng ngày
Xin chân thành cám ơn tất cả mọi người!
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2012
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Ngọc Trai
Trang 5TÓM TẮT LUẬN VĂN
Hiện nay có nhiều công nghệ sản xuất cồn nhiên liệu công nghệ hiên đại, tuy nhiên để có được sản phẩm cồn đạt chuẩn cần phải trải qua nhiều công đoạn Và tinh luyện cồn bằng phương pháp rây phân tử là công nghệ hiện đại được áp dụng khá nhiều hiện nay Công nghệ này gồm có 3 cụm thiết bị chính: cụm chuẩn hóa, cụm hấp phụ, cụm giải hấp Trong đó, cụm chuẩn hóa đóng vai trò rất quan trọng trong việc loại bỏ tạp chất trong nguyên liệu ban đầu để cồn sau tinh luyện đạt tiêu chuẩn về lượng tạp chất cho phép theo qui chuẩn quốc gia (viêc xây dựng hệ thống chuẩn hóa thực hiên trên phần mềm Pro II)
Nội dung luận văn gồm :
Chương 1: Đặt vấn đề Nguồn năng lượng hóa thạch cạn kiệt và nguồn năng lượng mới that thế
Chương 2: Tổng quan giới thiệu nguyên liệu sinh học, cồn nhiên liệu, phần mềm ProII
Chương 3: Thực nghiệm xây dựng hệ thống chuẩn hóa, thiết lặp hệ thống điều khiển tự động
Chương 4: chọn các thiết bị điều khiển như van, bơm, cảm biến lưu lượng, áp suất
Chương 5: Kết luận và kiến nghị
Trang 6MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1
CHƯƠNG 2: NỘI DUNG CHÍNH 3
2.1 Nhiên liệu sinh học: 3
2.1.1 Nhiên liệu sinh học hiện trạng sản xuất và sử dụng ở việt nam: 3
2.1.1.1 Ethanol và Butanol sinh học. 3
2.1.1.2 Diesel truyền thống và diesel sinh học : 4
2.1.2 Thuận lợi và khó khăn trong sản xuất nhiên liệu sinh học ở Việt Nam: 5
2.2 Cồn nhiên liệu : 7
2.2.1 Tiêu chuẩn cồn nhiên liệu: 8
2.2.2 Công nghệ tinh luyện cồn trên thế giới: 9
2.3 Nguyên liệu cồn từ mật rỉ: 11
2.3.1 Mật rỉ: 11
2.3.2 Công nghệ sản xuất cồn từ mật rỉ: 11
2.3.2.1 Pha loãng và xử lý mật rỉ: 11
2.3.2.2 Pha loãng tới nồng độ lên men và gây men: 12
2.3.2.3 Gây men giống và lên men dung dịch đường: 13
2.3.2.4 Xử lý dịch lên men: 13
2.3.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men rỉ đường: 14
2.4 Đặc điểm ethanol – nước : 15
2.5 Tính chất của hỗn hợp ethanol – methanol : 16
2.6 Tháp chưng cất: 16
2.6.1 Các phương pháp chưng cất: 16
2.6.2 Thiết bị chưng cất: 17
2.7 Giới thiệu phần mềm pro II : 19
2.7.1 Mục đích và vai trò của việc thiết kế mô phỏng: 19
2.7.2 Thiết kế mô phỏng thường được sử dụng để: 19
2.7.3 Lĩnh vực sử dụng: 19
2.7.4 Quá trình mô phỏng bằng pro II: 20
CHƯƠNG 3: TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG CHUẨN HÓA NGUYÊN LIỆU CỒN 21
3.1 Xác lập qui trình: 21
3.1.1 Xây dựng phương án: 21
3.1.2 mô phỏng tính toán xác định thông số: 21
3.1.2.1 Xác định thông số công nghệ: 21
3.1.2.2 Xây dựng lưu trình: 21
3.1.2.3 Chọn đơn vị cho hệ thống: 23
3.1.2.4 Chọn mô hình nhiệt động: 27
3.1.2.5 Dòng nguyên liệu: 28
3.1.2.6 Thiết bị trao đổi nhiệt: 31
3.1.2.7 Tháp chưng cất (Distillation): 33
3.1.2.8 Mô phỏng cho tháp thứ hai : 37
Trang 73.1.2.9 Chạy chương trình: 39
3.1.2.10 Kết quả mô phỏng: 39
3.1.2.11 Kết quả mô phỏng bằng Pro II: 41
3.2 Thiết kế bản vẽ PFD: 42
3.3 Thiết kế bản vẽ P&ID: 44
3.3.1 Thiết kế hệ thống điều khiển: 44
3.3.1.1 Lý thuyết điều khiển quá trình: 44
3.3.1.2 Thuật toán thường dùng trong điều khiển: 52
3.3.2 Mô hình hóa hệ thống điều khiển: 56
3.3.2.1 Phân tích xây dựng mô hình điều khiển: 56
3.3.2.2 Chọn công nghệ chuẩn hóa nguyên liệu : 59
3.3.3 Bản vẽ thiết kế P&ID: 81
CHƯƠNG 4: LỰA CHỌN CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 82
4.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển: 82
4.2 Các cảm biến: 82
4.3 Các thiết bị chấp hành: 86
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ : 90
5.1 Kết luận: 90
5.2 Kiến nghị: 91
Trang 8DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: So sánh khí thải của diesel sinh học/diesel dầu mỏ: 5
Bảng 2.2: Tóm tắt một số nhà máy sản xuất cồn nhiên liệu ở Việt Nam: 7
Bảng 2.3: Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của etanol nhiên liệu biến tính phải phù hợp với các quy định trong bảng sau: 8
Bảng 2.4: So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp: 18
Bảng 3.1: Số liệu xác định Rtối ưu: 40
Bảng 3.2: Thông số công nghệ của hệ thống chưng cất: 41
Bảng 3.3: Bản cân bằng vật chất năng lượng: 43
Bảng 4.1: Cảm biến đo nhiệt độ: 82
Bảng 4.2: Cảm biến đo lưu lượng: 84
Bảng 4.3: Các cảm biến đo mức chất lỏng: 85
Bảng 4.4: Cảm biến đo áp suất: 86
Bảng 4.5: Các van tuyến tính: 86
Bảng 4.6: Các bơm chất lỏng : 89
Trang 9DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1:Sơ đồ pha loãng mật rỉ .12
Hình 2.2: Tính chất hỗn hợp ethanol - nước 15
Hình 2.3: Tính chất hỗn hợp ethanol – methanol .16
Hình 3.1: Hệ thống chuẩn hóa mới .22
Hình 3.2: Mô phỏng hệ thống trên Pro II .23
Hình 3.3: Chọn đơn vị cho hệ thống .24
Hình 3.4: Chọn cấu tử cần thiết .25
Hình 3.5: Chọn ngân hàng cấu tử 26
Hình 3.6: Các cấu tử lựa chọn 27
Hình 3.7: Chọn mô hình nhiệt động 28
Hình 3.8: Nhập trạng thái dòng nguyên liệu 29
Hình 3.9: Nhập lưu lượng và thành phần dòng nguyên liệu .30
Hình 3.10: Nhập thông số thiết bị gia nhiệt nhập liệu .31
Hình 3.11: Chọn thông số valve 32
Hình 3.12: Cửa sổ nhập thông số cho tháp chưng cất 33
Hình 3.13: Dự đoán tỉ lệ dòng 34
Hình 3.14: Nhập thông số áp suất trong tháp .35
Hình 3.15: Nhập thông số cho hàm tính toán của tháp .36
Hình 3.16: Dự đoán tỉ lệ dòng 37
Hình 3.17: Nhập thông số áp suất trong tháp .38
Hình 3.18: Nhập thông số cho hàm tính toán của tháp .39
Hình 3.19: Đồ thị xác định Rtối ưu 40
Hình 3.20: Bảng vẽ PFD 42
Hình 3.21: Các biến của hệ thống điều khiển quá trình .45
Hình 3.22: Phân loại biến quá trình 45
Hình 3.23: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển .49
Hình 3.24: Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo .50
Hình 3.25: Cấu trúc cơ bản của một thiết bị điều khiển quá trình 51
Hình 3.26: Sơ đồ hoạt động của khâu PID .53
Hình 3.27: Cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành .54
Hình 3.28: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống vận hành, giám sát quá trình .55
Hình 3.29: Bài toán điều khiển thiết bị truyền nhiệt 60
Hình 3.30: Nhận biết các biến quá trình truyền nhiệt .61
Hình 3.31: Phân tích bài toán thiết bị truyền nhiệt .61
Trang 10CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm gần đây, tình hình dân số tăng nhanh đã gây ảnh hưởng
nhiều đời sống kinh tế xã hội, đặc biệt là vấn đề năng lượng các nguồn nguyên liệu hóa thạch như dầu mỏ, than đá ngày càng cạn kiệt do khai thác quá mức, nguồn nguyên liệu cạn kiệt làm giá nhiên liệu tăng cao các nước tranh giành khai thác và dẫn đến xung đột, dẫn đến giá cả hàng hóa tăng vọt gây áp lực đến đời sống người dân Việc cấp bách hiện nay là tìm ra nguồn năng lượng mới dễ khai thác và sử dụng hơn, gần đây trên thế giới đã tìm ra được nhiều nguồn năng lượng mới như năng lượng từ mặt trời, gió nước, đặc biệt là năng lượng sinh học cụ thể là cồn Cồn được chế tạo từ các nguồn tự nhiên như rỉ đường, sắn, gỗ…các nguồn nguyên liệu này rất dễ tìm và rẻ tiền nên sẽ đem lại một hiệu quả kinh tế rất lớn, góp phần giải quyết vấn đề giá cả nhiên liệu tăng vọt Hiện nay, trên thế giới cồn được sử dụng làm nhiên liệu cho các loại xe, ở Việt Nam tình hình nghiên cứu và sản xuất cồn nhiên liệu phát triển khá muộn , trình độ khoa học kĩ thuật còn thấp so với các nước trong khu vực, tuy nhiên kể từ năm 2006 nhiều nhà máy sản xuất cồn nhiên liệu đã
đi vào hoạt động, năm 2008 Việt Nam chính thức tung ra thị trường sản phẩm xăng pha cồn gọi tắc là E5, tức là xăng pha 5% cồn
Công nghệ sản xuất cồn nhiên liệu hiện nay:
Tuy nhiên với nguồn nguyên liệu sản xuất lấy từ thiên nhiên trong cồn còn lẫn nhiều tạp chất nhất là methanol gây ảnh hưởng đến chất lượng cồn Để có thể làm rõ
vấn đề này, em đã chọn nghiên cứu - thực hiện đề tài “ Thiết kế công nghệ tự động
chuẩn hóa cồn trong công nghệ sản xuất cồn nguyên liệu bằng phương pháp rây phân tử” Năng suất tối thiểu 10000 lít /ngày
Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu của đề tài:
Cồn công nghiệp
Tách nước
Cồn nhiên liệu
Trang 11Thiết kế hệ thống tự động chuẩn hóa nguyên liệu trong công nghệ tinh luyện cồn bằng rây phân tử, công suất 10000 lít/ngày
Cồn nguyên liệu ban đầu với thành phần 85% wt ethanol, 5% wt methanol và còn lại là nước, sản phẩm cuối cùng methanol dưới 0.5% wt
Tính cấp thiết của đề tài:
Hiện nay Việt Nam đang xúc tiến sử dụng nguyên liệu xăng pha cồn nên việc tinh luyện cồn là hết sức cần thiết để đảm bảo an toàn cho động cơ cũng như người
sử dụng
Ý nghĩa khoa học thực hiện của đề tài:
Việt Nam là một nước nông nghiệp có nguồn nguyên liệu sản xuất cồn dồi dào và nguồn lao động đông đúc Bênh cạnh các nhà máy mía đường đang hoạt động thì Việt Nam còn có những chế phẩm thu từ nông nghiệp như rơm rạ, trấu
…là nguồn nguyên liệu dồi dào cho sản xuất cồn
Trang 12CHƯƠNG 2: NỘI DUNG CHÍNH
2.1 Nhiên liệu sinh học:
2.1.1 Nhiên liệu sinh học hiện trạng sản xuất và sử dụng ở việt nam:
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 như: công nghệ sản xuất không quá phức tạp, tận dụng nguồn nguyên liệu tại chỗ, tăng hiệu quả kinh tế, 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
2.1.1.1 Ethanol và Butanol sinh học:
môi hữu cơ đa dụng, có thể sản xuất từ dầu khí thông qua phản ứng hydrat hóa ethylene (ethanol tổng hợp, không sử dụng vào mục đích năng lượng) hoặc từ nguyên liệu sinh học (ethanol sinh học, sử dụng chủ yếu vào mục đích năng lượng) Ethanol sinh học có khả năng thay thế hoàn toàn xăng sản xuất từ dầu mỏ hoặc có thể pha trộn với xăng để tạo ra xăng sinh học Xăng sinh học được ghi danh bằng ký
tự “E” kèm theo một con số chỉ số phần trăm của ethanol sinh học được pha trộn trong xăng đó Trên thị trường ta thường gặp các loại xăng sinh học như E5, E20, E95… tức là xăng sinh học chứa 5%, 20%, 95% ethanol
nhóm chức OH nhưng chứa cấu trúc mạch cacbon dài hơn và có nhiều nhánh nên butanol ít hoặc khó hòa vào nước so với ethanol Cũng giống như ethanol, butanol thu được thông qua tổng hợp hóa học gọi là butanol tổng hợp, được dùng chủ yếu như một dung môi trong công nghiệp, còn nếu thu được bằng con đường sinh học thì gọi là butanol sinh học, được dùng như nhiên liệu Butanol sinh học có nhiều ưu điểm hơn ethanol sinh học, như dễ tan lẫn vào xăng, máy móc ít nguy cơ bị ăn mòn
do tính không hút nước; không tan lẫn vào nước nên dễ chưng cất đạt độ tinh khiết tuyệt đối; mật độ năng lượng cao hơn ethanol sinh học 25%, gần bằng mật độ năng
Trang 13lượng của xăng chế từ dầu mỏ; chỉ số octan cao xấp xỉ chỉ số octan của xăng trung bình (RON96) nên khi sử dụng không phải hoán cải động cơ chạy xăng thông thường; có áp suất hơi thấp hơn nhiều so với xăng cũng như ethanol sinh học nên ít
bị hao hụt do bay hơi trong quá trình tàng trữ, vận chuyển, phân phối và an toàn khi
sử dụng Do những ưu việt nói trên nên hiện nay butanol sinh học được coi là chọn lựa ưu tiên làm nhiên liệu thay thế xăng sản xuất từ dầu mỏ Ngoài ra ethanol sinh học và butanol sinh học còn được chọn làm nhiên liệu cho pin nhiên liệu (fuel cell) dùng trong giao thông vận tải thay cho hydrogen, tuy nhiên phải dùng bộ tái tạo ra hydrogen (hydrogen reformer) ngay trong xe để có hydrogen trước khi cung cấp
2.1.1.2 Diesel truyền thống và diesel sinh học :
Dầu diesel truyền thống còn được biết dưới tên gọi là dầu DO, chứa các hydrocacbon nằm trong phân đoạn kerosen và phân đoạn trung bình trong quá trình
diesel là làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong với tính chất cháy được đặc trưng bằng khả năng tự cháy, biểu thị bằng trị số cetan Hydrocacbon có mạch n-parafin càng dài thì trị số cetan càng cao, ngược lại, các hydrocacbon thơm, nhiều vòng có
trong dựa trên các ưu điểm của diesel so với xăng như công suất lớn hơn khi sử dụng cùng một lượng nhiên liệu, động cơ diesel tăng tốc nhanh hơn, giá diesel có thể rẻ hơn khi giá dầu thô quá cao và có thể giảm hàm lượng các chất độc hại trong
Trang 14không khí (bảng 1) Ngoài ra chúng có tính bôi trơn cao hơn diesel dầu mỏ nên tuổi thọ của động cơ sẽ dài hơn và nguồn nguyên liệu lấy từ sản phẩm hoặc phế thải nông nghiệp, thủy sản nên có thể tái sinh nhanh, góp phần tăng giá trị nông nghiệp,
sử dụng được lao động dư thừa, đất cằn cỗi, giảm nhập khẩu tốn kém ngoại tệ Ngày nay, tùy theo nguồn nguyên liệu khác nhau mà mỗi nước sản xuất nhiều loại diesel sinh học khác nhau rồi đem trộn với diesel truyền thống theo tỷ lệ quy định trong các tiêu chuẩn sản phẩm như B5 (5%diesel sinh học,95% diesel dầu mỏ), B10 (10%diesel sinh học, 90% diesel dầu mỏ), B20( 20% diesel sinh học, 80% diesel dầu mỏ) v.v
Bảng 2.1: So sánh khí thải của diesel sinh học/diesel dầu mỏ:
ta trở thành nước đứng thứ 7 trên thế giới về sản lượng sắn Triển vọng về diện tích
và năng suất sắn còn có thể được nâng cao hơn nữa nếu có quy hoạch vùng chuyên canh và có giải pháp bảo đảm giá đầu ra cho sản phẩm một cách hợp lý và ổn định lâu dài Đầu năm 2010 đến nay, 1/3 tổng sản lượng sắn ở nước ta bị nấm bệnh vì đất
Trang 15xấu, lạm dụng phân vô cơ, giống bị thoái hóa, thời tiết không thuận lợi Thông thường độ tinh bột trong sắn củ lớn hơn 25% nhưng ở nước ta hầu hết chỉ đạt ít hơn 20%, giá bán sắn củ lại cũng khá cao vì nhu cầu cho lương thực và chăn nuôi cũng ngày một tăng Đến sau năm 2012, khi 3 nhà máy sản xuất cồn của PVN đi vào hoạt động thì cung sẽ không đủ cầu, giá sẽ còn tăng hơn nữa Mặt khác cơ chế thị trường làm cho nông dân vốn quen với cách làm ăn cá thể, tiểu nông tự do, dễ dàng không tôn trọng tính ràng buộc pháp lý của hợp đồng làm cho khủng hoảng nguyên liệu xảy ra đột ngột và trầm trọng Bên cạnh đó việc tổ chức thu mua trên một thị trường nhỏ lẻ, phân tán cũng không phải dễ dàng giải quyết Với nhà máy sản xuất tinh bột sắn công suất 200 tấn củ/ngày sẽ thải ra 100 tấn bã/ngày, có thể gây ô nhiểm môi trường nghiêm trọng Việc chế biến chúng thành thức ăn gia súc có hiệu quả còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố kinh tế – kỹ thuật và xã hội, việc dùng bã sắn để sản xuất cồn ở nước ta đến nay vẫn chưa nơi nào thực hiện
Về thiết bị, công nghệ, các nhà máy sản xuất cồn công suất 100.000 lít/ngày hiện đại nhập từ nước ngoài sẽ đưa lại hiệu suất tạo cồn cao (1 lít cồn chỉ cần dưới 3
kg rỉ đường hoặc dưới 2,5 kg sắn lát); hầu hết đều tận dụng phụ phế phẩm từ sản xuất cồn để sản xuất các sản phẩm phụ như CO2 lỏng, thức ăn gia súc, phân bón hữu cơ, tận dụng nước thải sau chưng cất để sản xuất khí sinh học phục vụ sản xuất điện, nhiệt cho nhà máy, góp phần giảm chi phí sản xuất, tăng lợi nhuận Tuy nhiên chi phí đầu tư cao (khoảng 100 triệu USD/ nhà máy), nhu cầu nguyên liệu khối lượng lớn trong lúc giá mua ngày càng tăng, chi phí xử lý nước thải lớn
Về tiêu thụ sản phẩm, nhu cầu xăng dầu trong tương lai gần sẽ rất lớn, nhiên liêu sản xuất từ dầu mỏ không đáp ứng đủ nên thị trường nhiên liệu sinh học rất thuận lợi Tuy nhiên nếu giá dầu mỏ không tăng quá cao như dự báo trong lúc giá
Trang 16Bảng 2.2: Tóm tắt một số nhà máy sản xuất cồn nhiên liệu ở Việt Nam:
Nguồn: orientbiofuels.com.vn
2.2 Cồn nhiên liệu :
Cồn là chất lỏng không màu, có mùi đặc trưng, dễ hút ẩm, tạo hỗn hợp đẳng phí với nước, cồn etylic là chất phân cực mạnh Cồn có thể trộn lẫn với ete và nhiều dung môi khác, cồn có thể hòa tan nhiều chất hữu cơ và vô cơ Cồn dễ cháy và tạo hỗn hợp nổ với không khí Cồn được dùng làm chất đốt, chế biến thức ăn, chế biến các loại hương hoa quả,…trong y tế cồn dùng để sát trùng, sản xuất dược phẩm Cồn có thể sử dụng trực tiếp hay là nguyên liệu trung gian sản xuất axit acetic, andehyt acetic, etyl acetate và các hóa chất dầu mỏ Hiện nay cồn tuyệt đối trên trên 99,5% wt dùng để thây thế một phần nhiên liệu cho động cơ Sản phẩm xăng pha cồn gọi là “gasohol” đây là một hướng phát triển mới đầy triển vọng của ngành
Trang 17kiệm năng lượng, cồn làm tăng chỉ số óc tan của xăng nên sẽ là giảm khả năng cháy
nổ có thể thây thế cho etyl chì là một chất rất độc đang sử dụng pha trong xăng hiện nay
2.2.1 Tiêu chuẩn cồn nhiên liệu:
( Trích trong VCVN 1 : 2009/BKHCN Qui Chuẩn Kĩ Thuật Quốc Gia Về Xăng, Nhiên Liệu Diezen và Nhiên Liệu Sinh Học )
nhiên liệu cho động cơ xăng và không được sử dụng cho mục đích chế biến đồ uống
Xăng không chì hoặc naphta, không chứa các hợp chất keton, được dùng để pha thêm vào etanol, làm cho etanol trở thành etanol biến tính để sử dụng làm nhiên liệu và không sử dụng cho mục đích chế biến đồ uống
Bảng 2.3: Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của etanol nhiên liệu biến tính phải phù hợp với các quy định trong bảng sau:
Trang 18Ngoài các chỉ tiêu kỹ thuật quy định tại điểm 2.4.1 khoản 2.4 Mục 2, etanol nhiên liệu biến tính phải chứa một lượng chất biến tính với hàm lượng từ 1,96 % đến 5,0 % thể tích Lượng chất biến tính có trong etanol nhiên liệu được kiểm soát qua quy trình sản xuất
Các loại phụ gia sử dụng để pha xăng không chì, xăng E5, nhiên liệu điêzen và nhiên liệu điêzen B5 phải đảm bảo phù hợp với các quy định về an toàn, sức khoẻ, môi trường và không được gây hư hỏng cho hệ thống động cơ
Việc sử dụng phụ gia không thông dụng để sản xuất, chế biến và pha chế xăng không chì, xăng E5, nhiên liệu điêzen và nhiên liệu điêzen B5 phải được đăng ký và chấp thuận theo quy định tại Thông tư 15/2009/TT-BKHCN ngày 02/6/2009 của
Bộ trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ về việc hướng dẫn trình tự, thủ tục đăng ký việc sử dụng phụ gia không thông dụng để sản xuất, chế biến, pha chế xăng và nhiên liệu điêzen
2.2.2 Công nghệ tinh luyện cồn trên thế giới:
Phương pháp thẩm thấu qua màng
Phương pháp kết hợp bốc hơi thẩm thấu qua màng và rây phân tử
Công nghệ sản xuất cồn tự động và hiện đại:
Công nghệ sản xuất cồn bằng phương pháp chưng cất đẳng phí ứng dụng tại Brazil Brazil là nước đi đầu trong lĩnh vực sử dụng năng lượng sinh học, năm 1931
đã tiến hành pha ethanol với xăng Quy trình chưng cất đẳng phí dùng cấu tử lôi cuốn là benzene, heptan hoặc cylohexan Dòng nguyên liệu ethanol 96% wt sau khi gia nhiệt được đưa vào cột tách nước tại vị trí giữa tháp Hỗn hợp ba cấu tử đẳng phí có nhiệt độ sôi thấp thu được tại đỉnh, dòng ethanol nguyên chất có nhiệt độ sôi
Trang 19thùng lắng gạn là hydrocacbon phá dẳng phí, ethanol, một lượng hơi nước được đưa tuần hoàn về tháp tách nước.phần dưới đưa về tháp tách hydrocacbon
Công nghệ sản xuất cồn bằng phương pháp rây phân tử ứng dụng tại Thái Lan
và Ấn Độ Việc nghiên cứu sử dụng nguyên liệu tại Thái Lan phát triển mạnh so với các nước trong khu vực Năm 1985, nhà vua đã khởi xướng dự án hoàng gia về nhiên liệu sinh học với mục tiêu giảm thiểu vấn đề gây ô nhiễm môi trường và giảm giá thành sản xuất trong công nghệ sản xuất nhiên liệu nhất là sản xuất cồn nhiên liệu, hiện nay đa số các nhà máy cồn nhiên liệu của Thái lan đang sử dụng công nghệ rây phân tử, bên cạnh đó công nghệ màng membrane cũng đang được thử nghiệm Dòng nguyên liệu sau khi qua tháp chưng cất đạt nồng độ thể tích 95,5 phần trăm được đưa vào tháp hấp phụ ở dạng hơi Mỗi tháp hấp phụ hoạt động 4 chu kì : chu kì tăng áp, chu kì hấp phụ, chu kì giảm áp, chu kì tăng áp Mỗi mẻ hấp phụ 30 phút, giải hấp 25 phút, hai tháp hoạt động luân phiên liên tục, dòng sản phẩm cuối cùng có nồng độ khoảng 99,5 phần trăm
Ưu điểm :
Công nghệ hiện đại
Chi phí vận hành thấp
Trang 202.3 Nguyên liệu cồn từ mật rỉ:
2.3.1 Mật rỉ:
Mật rỉ là thứ phẩm của công nghệ sản xuất đường, thường chiếm khoảng 3-5
% so với lượng mía đưa vào sản xuất Tỷ lệ này phụ thuộc vào chất lượng mía và công nghệ sản xuất
45-50 phút
Mật rỉ và nước cho vào thùng theo tỉ lệ 1:1, sau đó cho axit sunfuric với tỉ lệ 0.4-0.6 % so với mật rỉ, khuấy đều rồi cho chất sát trùng fluosilicat natri nồng độ hai phần ngàn, sau khi cho đầy đủ các chất trên, khấy đều và để yên trong 1-4 giờ Sau đó bơm dung dịch lên thùng chứa, cặn bơm để loại bỏ tạp chất, tốt nhất là nên
tới nồng độ lên men
Lên men
Xử lý
Cồn thô
Trang 21gia nhiệt đến 85-90oC Mật rỉ sau khi pha loãng sơ bộ và sử lý được bơm lên chứa ở thùng cao vị hoặc trực tiếp pha luôn tới nồng độ gây men và lên men.
Hình 2.1:Sơ đồ pha loãng mật rỉ
2.3.2.2 Pha loãng tới nồng độ lên men và gây men:
Pha loãng theo sơ đồ một nồng độ thì chỉ tiêu của dịch lên men vào khoảng sau:
Chất khô 20-22%, tương đương 15-16% đường
Trang 22Ure cần bổ sung là 0.5 g /l
Nồng độ natri 2 phần ngàn
Dung dịch lên men cũng tương tự chỉ khác là nồng độ chất khô từ 30-32%
2.3.2.3 Gây men giống và lên men dung dịch đường:
Qui trình và điều kiện lên men giống gồm 2 giai đoạn nhân giống trong phòng thí nghiệm và ngoài sản xuất Dịch đường trong phòng thí nghiệm phải được tiệt trùng và không cần sục khí trong thời gian nuôi, còn dịch đường nhân giống ngoài sản xuất có thể không cần tiệt trùng nhưng cần phải có độ chua cao hơn và PH xấp
xỉ 4
Lên men gián đoạn theo sơ đồ một nồng độ Sau khi vệ sinh và thanh trùng thùng lên men ta cho 10% men giống vào và từ từ cho dung dịch đường có nồng độ 20-22% với tốc độ 5-6 giờ thì đầy tiếp đó cho lên men khoảng 40-48 giờ Trong thời gian lên men cần kiểm tra nồng độ, độ chua, vi sinh vật của dung dịch lên men Giữ cho nhiệt độ ổn định 30-32% Tuy theo nồng độ thuần khiết của dịch đường, nồng độ biểu kiến cuối lên men có thể từ 0 đến 4.5 - 6 %
Lên men gián đoạn theo sơ đồ hai nồng độ Toàn bộ men giống 10% được cho vào thùng, sau đó cho từ từ rỉ loãng 12-14% , với tốc độ 3 giờ thì đầy 50% thùng lên men Cho rỉ đường đặc 30-32% với tốc độ sau cho 3-4 giờ thì đầy nữa thùng còn lại theo dõi kiểm tra giống như pha loãng nồng một nồng độ, thời gian lên men khoảng 32-40 giờ
Xét về hiệu xuất thu hồi thì lên men hai nồng độ luôn đạt hiệu quả cao hơn 0.5-1% so với sơ đồ một nồng độ Nhưng sơ đồ một nồng độ đơn giản hơn, mặt khác nếu sau khi len men đem tách nấm men để dùng làm lên men bánh mì thì nấm men có độ hoạt động cao hơn, làm nở bánh nhiều hơn Vì vậy phương pháp sản xuất cần phải luôn xuất phát từ thực tế mục đích sản xuất hướng tới hiệu quả kinh tế cao nhất
2.3.2.4 Xử lý dịch lên men:
Dịch nhận được sau khi lên men gọi là giấm chín, được đưa qua xư lý chủ yếu bằng hệ thống chưng luyện để tách rượu và tạp chất dễ bay hơi ra khỏi giấm chín
Trang 23Sau đó đem đi tinh luyện để nhận được cồn sản phẩm, thỏa mãn tiêu chuẩn và yêu cầu tiêu dùng Sản phẩm thu được sau xử lý bao gồm cồn đầu, dầu fusel hoặc alcol cao phân tử Ngoài ra còn thu được bã rượu chứa nhiều chất hữu ích, có thể dùng trong chăn nuôi hay chế biến kháng sinh, phụ gia cho vật liệu xây dựng
2.3.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men rỉ đường:
Nồng độ đường: ảnh hưởng đến hiệu suất lên men Nấm men chỉ có khả năng lên men đường thành rượu trong khoảng nồng độ đường phù hợp 10- 15% nồng độ đường quá cao sẽ gây ức chế nấm men và khả năng lên men rượu giảm
Ảnh hưởng của oxy: nấm men là loại vi sinh vật hô hấp tùy tiện Trong điều
rượu thì giai đoạn đầu cần điều kiện hiếu khí để nấm men sinh sản tăng sinh khối, phát triển đủ lượng tế bào cần thiết cho quá trình lên men rượu và sau đó phải yếm khí cho quá trình lên men rượu, tiếp đó phải yếm khí tuyệt đối để nấm men chuyển hóa đường thành rượu
Ảnh hưởng của pH: nó có ảnh hưởng lớn đến quá trình lên men, tạo sản phẩm chính phụ khác nhau Nếu pH 4-5 lên men rượu bình thường tạo sản phẩm chính là etanol Đây là điều kiện cần thiết trong quá trình lên men rượu trong các nhà máy
lactic Nếu pH môi trường kiềm, sản phẩm chính là glycerin, ứng dụng trong lên men glycerin
Ảnh hưởng của nhiệt độ: đây là yếu tố cần thiết ảnh hưởng lớn đến nấm men
Trang 242.4 Đặc điểm ethanol – nước :
Composition, Mole Fraction ETHANOL, (P = 1.0000 atm)
B
B B B B B B B B
D
D
D D D
D D D
D D
D D
Hình 2.2: Tính chất hỗn hợp ethanol - nước
Hệ ethanol - nước có điểm đẳng phí ở 1 atm ứng với 89,4% mol ethanol
luyện thông thường nồng độ ethanol tối đa đạt được chỉ là 96% wt ứng với điểm đẳng phí dù tháp vô cùng cao và lượng hồi lưu là rất lớn Như vậy, để có được cồn tinh khiết phù hợp với các tiêu chuẩn trên cần phải sử dụng những phương pháp đặc biệt hơn
Trang 252.5 Tính chất của hỗn hợp ethanol – methanol :
Composition, Mole Fraction ETHANOL, (P = 1.0000 atm)
T-X-Y Plot for ETHANOL and METHANOL
B Bub ble Poin t
B
B B B B B B B B B B B B B B B B B B B
B
D Dew Point
D
D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D
Hình 2.3: Tính chất hỗn hợp ethanol – methanol
2.6 Tháp chưng cất:
2.6.1 Các phương pháp chưng cất:
Chưng cất là quá trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu
tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khác nhau ở cùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi - ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại Khác với cô đặc, chưng
Trang 26Các phương pháp chưng cất được phân loại theo:
Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt
độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử
Nguyên lý làm việc: Chưng cất đơn giản, chưng cất bằng hơi nước trực tiếp, chưng cất
Phương pháp này đuợc sử dụng trong các trường hợp sau:
Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau
Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao
Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi
Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn
Phân loại phương pháp cất nhiệt ở đáy tháp:
Cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước
Cấp nhiệt gián tiếp
Đối với hệ nước, ethanol và methanol ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun
2.6.2 Thiết bị chưng cất:
Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất này vào lưu chất kia
Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn nhất thường được ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu Kích thước của tháp, đường kính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm Ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm
và tháp chêm
Trang 27Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm pha lỏng và pha hơi đựơc cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:
Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chép dạng: tròn, xupap, chữ s…
Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (3-12) mm
bích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự
Bảng 2.4: So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp:
- Hiệu suất tương đối
- Trở lực thấp
- Hoạt động khá ổn
- Làm việc với chất lỏng bẩn
Nhược
- Độ ổn định kém
- Yêu cầu lắp đặt khắt khe -> lắp đĩa thật
- Thiết bị nặng
- Không làm việc với chất lỏng bẩn
Trang 282.7 Giới thiệu phần mềm pro II :
2.7.1 Mục đích và vai trò của việc thiết kế mô phỏng:
Thiết kế mô phỏng là quá trình thiết kế với sự trợ giúp của máy tính với các phần mềm chuyên nghiệp Mô phỏng là một công cụ cho phép người kĩ sư tiến hành công việc một cách hiệu quả hơn khi thiết kế một quá trình mới hoặc phân tích, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến một quá trình đang hoạt động trong thực tế Tốc độ của công cụ mô phỏng cho phép khỏa sát nhiều trường hợp hơn trong cùng một thời gian với độ chính xác cao hơn nhiều so với tính toán bằng tay Hơn nửa chúng ta có thể tự động hóa quá trình tính toán theo sơ đồ công nghệ để tránh thực hiện các phép tính lặn lại không có cơ sở mò mẫm
2.7.2 Thiết kế mô phỏng thường được sử dụng để:
Thiết kế một quá trình mới
Thử lại, kiểm tra lại các quá trình đang tồn tại
Hiệu chỉnh các quá trình đang vận hành
Tối ưu hóa các quá trình đang vận hành
Để xây dựng một mô hình mô phỏng hiệu quả chúng ta cần phải xác định mục tiêu Bước đầu tiên trong bất kì một quá trình mô phỏng nào là lượng hóa học các mục tiêu càng nhiều càng tốt, các kết quả đạt được thường phụ thuộc các yêu cầu đặt ra (các giá trị thu được từ kết quả mô phỏng phụ thuộc rất nhiều vào những lựa chọn ban đầu mà chúng ta đã chọn)
Pro II được vận hành theo các modul liên tiếp, mỗi thiết bị được tính riêng lẽ
và lần lượt tính cho từng thiết bị
Trang 29Pro II bao gồm các nguồn dữ liệu phong phú: thư viện các cấu tử hóa học, các phương pháp xác định tính chất nhiệt động, các kỹ xảo vận hành các thiết bị hiện đại để cung cấp cho các kĩ sư công nghệ các kĩ năng biễu diễn tất cả các tính toán cân bằng vật chất năng lượng cần thiết khi mô phỏng các trạng thái dừng của các sơ
đồ công nghệ
Pro II được sử dụng nhằm 2 mục đích:
Thiết kế một phân xưởng mới
Mô phỏng một phân xưởng đã được xây dựng thục tế để nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự vận hành của nó
2.7.4 Quá trình mô phỏng bằng pro II:
Trước khi tiến hành mô phỏng,chúng ta phải diễn đạt các dữ liệu từ sơ đồ thực
tế thành mô hình mô phỏng, quá trình này gồm các bước sau :
Xác định hệ đơn vị đo
Xác định thành phần cấu tử trong hệ
Lựa chọn các phương trình nhiệt động thích hợp
Lựa chon các dòng nguyên liệu và sản phẩm
Xác định các dữ liệu về thiết bị và điều kiện vận hành của các thiết bị
Trang 30CHƯƠNG 3: TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM XÂY
DỰNG CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG CHUẨN HÓA
NGUYÊN LIỆU CỒN
3.1 Xác lập qui trình:
3.1.1 Xây dựng phương án:
Phương pháp sử dụng chuẩn hóa cồn là phương pháp chưng cất
Hiện nay tại trung tâm Nghiên Cứu Công Nghệ Lọc Hóa Dầu đang vận hành
hệ thống tinh luyện cồn bằng phương pháp rây phân tử Hệ thống gồm có 3 cụm : cụm chuẩn hóa , cụm hấp phụ, cụm giải hấp
Vấn đề đặt ra ở đây là sẽ thiết kế cụm chuẩn hóa nguyên liệu để giảm nồng độ methanol xuống, đảm bảo qui chuẩn quốc gia về sản phẩm cồn nhiên liệu sau khi
đạt chuẩn, tiếp tục qua cụm hấp phụ và giải hấp để tách nước Sản phẩm cuối cùng đạt chuẩn cồn nhiên liệu để pha vào xăng chạy động cơ
3.1.2 mô phỏng tính toán xác định thông số:
3.1.2.1 Xác định thông số công nghệ:
Nhập liệu 0.8 m3/h
Nồng độ đầu vào tháp C1 85% ethanol, 5 % methanol
Nồng độ sản phẩm chính ở đáy tháp C2 dưới 0.5 % methanol
Nhập liệu 0.8 m3/h
3.1.2.2 Xây dựng lưu trình:
Trên thanh Menu chọn File/New để tạo mới một file mô phỏng
Chọn các thiết bị cần thiết cho qui trình dựa vào các biểu tượng của thiết bị có trên thanh PFD Nếu thanh này chưa xuất hiện trên màn hình thì kích chuột vào nút PFD Hide/Display trên thanh công cụ
Chọn tháp chưng cất (Distillation), nhập số đĩa cho tháp (bao gồm cả Reboiler
và Condenser) Chọn thiết bị trao đổi nhiệt (Simple HX) Và chọn Valve
Trang 31Sau khi chọn xong các thiết bị, ta chọn “Stream” trên thanh PFD để nối các thiết bị này lại
Hệ thống chưng cất hiện nay ở trung tâm Lọc Hóa Dầu:
Nhập liệu như 0.8 m3/h
Sản phẩm đáy 0.05 m3/h, lượng ethanol không vượt quá 1 % wt
Hình 3.1: Hệ thống chuẩn hóa mới
Trang 32Hình 3.2: Mô phỏng hệ thống trên Pro II
3.1.2.3 Chọn đơn vị cho hệ thống:
công cụ ta tiến hành chọn hệ đơn vị cho hệ thống Hệ đơn vị được sử dụng là
Metric-Set1
Trang 33Hình 3.3:Chọn đơn vị cho hệ thống
chọn Select from lists trên hộp thoại hiện
Trang 34Hình 3.4: Chọn cấu tử cần thiết
Hộp thoại Component Selection-List/Search hiện ra cho chép ta chọn cấu tử
cần thiết đối với hệ thống cần mô phỏng
Trang 35Hình 3.5: Chọn ngân hàng cấu tử
Trang 36Hình 3.6: Các cấu tử lựa chọn
3.1.2.4 Chọn mô hình nhiệt động:
Kích vào Input/Thermo để chọn mô hình nhiệt động trong danh sách sẵn có Trong trường hợp mô phỏng quá trình chưng cất ethanol - nước ta sử dụng mô hình nhiệt động là UNIFAC vì đường cân bằng lỏng hơi thu được từ mô hình này sát với thực tế nhất Kích vào Modify để thay đổi các hệ tính toán cho phù hợp với từng hệ thống
Trang 37Hình 3.7: Chọn mô hình nhiệt động
3.1.2.5 Dòng nguyên liệu:
Kích đôi vào dòng nguyên liệu S1, nhập trạng thái của dòng nhập liệu gồm có: nhiệt độ, áp suất
Trang 38Hình 3.8: Nhập trạng thái dòng nguyên liệu
Sau khi xác định trạng thái dòng nhập liệu, ta kích vào nút Flowrate and Composition rồi nhập giá trị lưu lượng và thành phần vào cửa sổ mới hiện lên
Trang 39Hình 3.9: Nhập lưu lượng và thành phần dòng nguyên liệu
Trang 403.1.2.6 Thiết bị trao đổi nhiệt:
Hình 3.10: Nhập thông số thiết bị gia nhiệt nhập liệu
Bước đầu tiên ta xác định dòng nóng – lạnh cho Heat Exchanger Tiếp tục với Specification để xác định nhiệt độ dòng sản phẩm ra Cuối cùng là xác định Pressure Drop