Nghiên cứu nâng cao hiệu quả quá trình chuyển hóa co2 thành methanol bằng công nghệ lò phản ứng màng sử dụng xúc tác cu zn al ce

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC BÁCH KHOA o0o HỒ NHỰT LINH NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ QUÁ TRÌNH CHUYỂN HĨA CO2 THÀNH METHANOL BẰNG CƠNG NGHỆ LÕ PHẢN ỨNG MÀNG SỬ DỤNG XÖC TÁC Cu-Zn-Al-Ce LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC BÁCH KHOA o0o HỒ NHỰT LINH NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ Q TRÌNH CHUYỂN HĨA CO2 THÀNH METHANOL BẰNG CƠNG NGHỆ LÕ PHẢN ỨNG MÀNG SỬ DỤNG XƯC TÁC Cu-Zn-Al-Ce CHUYÊN NGÀNH : CÔNG NGHỆ MÔI TRƢỜNG MÃ NGÀNH : 60 85 06 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : TS LÊ PHÖC NGUYÊN LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH - 2014 CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐH QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS Lê Phúc Nguyên ……………………………………………………………………………………… Cán chấm nhận xét 1: TS Phạm Nguyễn Kim Tuyến ……………………………………………………………………………………… Cán chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh ……………………………………………………………………………………… Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 30 tháng 07 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: TS Nguyễn Thế Vinh TS Đào Thanh Sơn TS Phạm Nguyễn Kim Tuyến TS Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh TS Lê Phúc Nguyên Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: HỒ NHỰT LINH MSHV: 12253192 Ngày, tháng, năm sinh: 29/09/1989 Nơi sinh: Bến Tre Chuyên ngành: Công Nghệ Môi Trường Mã số : 60 85 06 I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu nâng cao hiệu trình chuyển hóa CO2 thành methanol cơng nghệ lị phản ứng màng sử dụng xúc tác Cu-Zn-Al-Ce NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Đề tài tiến hành khảo sát ảnh hưởng thay đổi thành phần xúc tác ứng dụng cơng nghệ lị phản ứng màng cho q trình tổng hợp methanol trực tiếp từ CO2 Qua đó, đề tài xác định xúc tác cho hiệu tạo thành methanol cao nhất, đồng thời điều kiện thích hợp (nhiệt độ, áp suất, tỉ lệ lưu lượng dòng nguyên liệu đầu vào) cho phản ứng với công nghệ màng thiết lập giới hạn khảo sát cụ thể nghiên cứu II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 20/01/2014 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/06/2014 IV CÁN BỘ HƢỚNG DẪN : TS LÊ PHÖC NGUYÊN Tp HCM, ngày 25 tháng năm 2014 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA MÔI TRƯỜNG (Họ tên chữ ký) i LỜI CẢM ƠN Việc thực luận văn thạc sỹ bước ngoặt quan trọng đời, cố gắng nỗ lực riêng thân, em xin trân trọng cảm ơn hỗ trợ giúp đỡ từ quý thầy cơ, gia đình bạn bè Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến TS Lê Phúc Nguyên – người hỗ trợ em suốt trình nghiên cứu thực đề tài, định hướng cho em lời khuyên kịp thời bước đi, tạo điều kiện tốt mặt để em hồn thành tốt luận văn Tiếp đến em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô Khoa Môi Trường - Đại Học Bách Khoa Tp.HCM tận tình giúp đỡ, nhiệt tình dạy dỗ chia sẻ kiến thức kinh nghiệm quý báu cho em suốt khoảng thời gian học tập giảng đường Đó động lực giúp em vững tin trình làm luận văn tốt nghiệp, vận dụng sống thân Đồng thời, em xin gửi lời cảm ơn đến Ban chủ nhiệm khoa, thầy cô khoa Môi trường – Đại Học Khoa học Tự Nhiên Tp.HCM tạo điều kiện thuận lợi q trình cơng tác để em hồn thành luận văn Bên cạnh đó, em xin chân thành cảm ơn anh chị Trần Văn Trí, Hà Lưu Mạnh Quân, Đỗ Thị Thùy Quyên, Nguyễn Thảo Nguyên, bạn Bùi Vĩnh Tường, em Vũ Thị Thanh Nguyệt, Hồ Việt Hùng, Nguyễn Ngọc Quang, Nguyễn Phan Cẩm Giang giúp đỡ em nhiều khoảng thời gian thực luận văn thạc sỹ Sau cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc gia đình, bạn bè người thân ủng hộ, động viên tinh thần giúp đỡ em vượt qua giai đoạn khó khăn để hồn thành luận văn Hồ Nhựt Linh ii TĨM TẮT Phát thải khí CO2 từ nhiều nguồn khác nhau, góp phần khơng nhỏ gây hiệu ứng nhà kính, làm biến đổi khí hậu - gây ảnh hưởng trực tiếp đến sống người Một hướng giải lượng CO2 môi trường mà cịn tạo hiệu kinh tế, tận dụng khí CO2 để tổng hợp methanol cách hiệu Methanol loại hóa chất đóng vai trị mắt xích quan trọng nhiều q trình tổng hợp hợp chất hữu dụng sống, năm gần nhu cầu sử dụng methanol tăng lên mạnh mẽ Đề tài nghiên cứu nâng cao hiệu trình tổng hợp methanol từ CO2 theo hướng: cải tiến thành phần hệ xúc tác truyền thống (CuO-ZnO/Al2O3) với CeO2 ứng dụng công nghệ màng vào phản ứng Kết cho thấy, mẫu xúc tác sau biến tính với thành phần 16% CeO2-30%CuO-30%ZnO/24%Al2O3 cho lượng methanol tạo thành nhiều nhất, MTY = 114,7 gmethanol.kgxúc tác-1 h-1, cao khoảng 2.8 lần so với mẫu xúc tác khơng biến tính 30%CuO-30%ZnO/40%Al2O3 Các thí nghiệm khảo sát, đánh giá nhằm lựa chọn màng phù hợp với mục tiêu nghiên cứu, thí nghiệm xác định điều kiện thích hợp cho q trình tổng hợp methanol với hệ phản ứng màng tiến hành Kết nghiên cứu cho thấy, màng NaA có khả tách nước khỏi hỗn hợp tốt nhất, giúp hạn chế ảnh hưởng nước đến hoạt tính xúc tác đồng thời làm cân phản ứng chuyển dịch theo chiều tạo nhiều methanol so với màng zeolite cịn lại Ứng dụng cơng nghệ phản ứng với màng NaA làm cho lượng methanol sinh cao 1,4 – 1,7 lần so với hệ phản ứng không màng Điều kiện lựa chọn cho phản ứng tổng hợp methanol trực tiếp từ CO2 giới hạn khảo sát nghiên cứu với hệ phản ứng màng NaA là: Nhiệt độ 220 – 240oC, áp suất bar, lưu lượng dòng nguyên liệu 200 ml/phút, tỉ lệ H2:CO2 nguyên liệu 3:1 Tiềm ứng dụng thực tế trình tổng hợp methanol từ CO2 lớn hồn tồn có sở iii ABSTRACT There are both natural and human sources of carbon dioxide emissions Carbon dioxide (CO2) is a major greenhouse gas significantly contributing to global warming, makes climate change One of promising processes has been recognized to take advantage of the atmospheric CO2 is conversion into methanol by catalytic hydrogenation Furthermore, the methanol produced could be used as fuel or basic chemical for satisfying the large demand world-wide The objective of this study is to increase CO2 conversion into methanol by two methods: improving traditional catalytic CuZn/Al with CeO2 and applying zeolite membrane technology for reaction The result shows that, 16% CeO2-30%CuO30%ZnO/24%Al2O3 catalyst exhibits highest performance with MTY = 114,7 gmethanol.kgcatalytic-1 h-1, times higher than traditional 30%CuO-30%ZnO/40%Al2O3 catalyst Different experiments was conducted to identify the appropriate zeolite membrane to separate by-product The next experiments determined the appropriate conditions for synthesis of methanol process from CO2 in reaction system with chosen zeolite membrane The results of study showed that, NaA membrane could separate water out of the gas mixture after reaction most effectively, this will limit the influence of water by-product on catalytic activity and produce larger methanol amount in comparison to the reaction system without zeolite membrane NaA zeolite membrane has shown its good performance since the produced methanol is 1.4 to 1.7 times higher than traditional system The optimal conditions for methanol synthesis reaction from CO2 in the limits of study is determined at the NaA zeolite membrane: temperature from 220 to 240oC, pressure is bar, gas flow rate input is 200 ml/min, H2: CO2 equal to 3:1 Applications of the methanol synthesis from CO2, using zeolite membrane reactor system is absolutely suitable iv CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập -Tự - Hạnh phúc LỜI CAM ĐOAN Họ tên học viên: HỒ NHỰT LINH MSHV: 12253192 Ngày, tháng, năm sinh: 29/09/1989 Nơi sinh: Bến Tre Chuyên ngành: Công Nghệ Môi Trường Mã số : 60 85 06 TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ Q TRÌNH CHUYỂN HĨA CO2 THÀNH METHANOL BẰNG CƠNG NGHỆ LÕ PHẢN ỨNG MÀNG SỬ DỤNG XƯC TÁC Cu-Zn-Al-Ce Tôi xin cam đoan rằng, tất số liệu, kết nêu Luận án trung thực chưa khác cơng bố cơng trình khác Tp HCM, ngày 25 tháng năm 2014 Hồ Nhựt Linh v MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .i TÓM TẮT ii ABSTRACT iii LỜI CAM ĐOAN .iv MỤC LỤC BẢNG BIỂU ix MỤC LỤC HÌNH ẢNH x DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT xii CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4 Nội dung nghiên cứu 1.5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn .4 1.6 Tính đề tài CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan CO2 2.1.1 Tiềm khí giàu CO2 .5 2.1.2 CO2 tác động môi trường 10 2.1.3 Tổng quan hướng sử dụng CO2 thực tế .12 2.2 Tổng quan methanol 15 2.2.1 Tính chất methanol .15 2.2.2 Tình hình sản xuất sử dụng methanol .15 2.2.3 Hiện trạng hướng tổng hợp methanol từ CO2 17 2.3 Hệ xúc tác sử dụng để tổng hợp methanol từ CO2 20 2.3.1 Thành phần pha kim loại hoạt tính 20 2.3.2 Chất mang chất xúc tiến pha hoạt tính 21 2.3.3 Định hướng cải tiến xúc tác để nâng cao hiệu trình tổng hợp methanol từ CO2 22 vi 2.4 Tổng quan cơng nghệ lị phản ứng màng 22 2.4.1 Tổng quát màng .22 2.4.1.1 Giới thiệu .22 2.4.1.2 Phân loại màng .24 2.4.2 Công nghệ phản ứng màng hữu 25 2.4.3 Công nghệ phản ứng màng vô 26 2.4.4 Thiết bị phản ứng màng .26 2.4.5 Công nghệ phản ứng màng ứng dụng cho phản ứng chuyển hóa CO2 thành methanol 30 CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36 3.1 Phương pháp quy trình tổng hợp xúc tác dạng bột 36 3.1.1 Điều chế xúc tác dạng bột 36 3.1.2 Quy trình biến tính xúc tác với CeO2 38 3.2 Phương pháp đánh giá hoạt tính xúc tác 40 3.2.1 Phương pháp đánh giá hoạt tính xúc tác 40 3.2.2 Phân tích sản phẩm tính tốn kết 41 3.2.2.1 Phân tích sản phẩm 41 3.2.2.2 Tính tốn kết 42 3.3 Phương pháp đánh giá - lựa chọn màng thích hợp cho hệ thống lò phản ứng màng tổng hợp methanol .43 3.3.1 Quy trình vận hành hệ phản ứng màng thí nghiệm đánh giá độ thấm, độ chọn lọc 43 3.3.2 Các thông số đánh giá sau phản ứng 45 3.3.2.1 Đánh giá ảnh hưởng điều kiện hoạt hóa 45 3.3.2.2 Đánh giá độ thấm khí N2, CO2, H2 loại màng 45 3.3.2.3 Đánh giá độ thấm CH3OH H2O loại màng 46 3.3.2.4 Đánh giá hiệu suất tách CH3OH H2O loại màng 46 3.3.3 Phương pháp tính tốn kết độ thấm 47 3.3.3.1 Độ thấm đơn chất 47 3.3.3.2 Hệ số tách .48 ... Chuyên ngành: Công Nghệ Môi Trường Mã số : 60 85 06 TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ Q TRÌNH CHUYỂN HĨA CO2 THÀNH METHANOL BẰNG CÔNG NGHỆ LÕ PHẢN ỨNG MÀNG SỬ DỤNG XƯC TÁC Cu- Zn- Al- Ce Tơi xin... Chuyên ngành: Công Nghệ Môi Trường Mã số : 60 85 06 I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu nâng cao hiệu q trình chuyển hóa CO2 thành methanol cơng nghệ lị phản ứng màng sử dụng xúc tác Cu- Zn- Al- Ce NHIỆM VỤ... GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC BÁCH KHOA o0o HỒ NHỰT LINH NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ QUÁ TRÌNH CHUYỂN HĨA CO2 THÀNH METHANOL BẰNG CƠNG NGHỆ LÕ PHẢN ỨNG MÀNG SỬ DỤNG XƯC TÁC Cu- Zn- Al- Ce