Nghiên cứu lựa chọn quy trình công nghệ và đề xuất sơ đồ điều khiển tự động công đoạn sản xuất cồn nhiên liệu bằng zeolite 3a

VŨ MINH ĐỨC BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HĨA HỌC 2004 - 2006 Hà Nội 2006 NGÀNH: CƠNG NGHỆ HĨA HỌC XÂY DỰNG SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG CÔNG ĐOẠN TINH CHẾ CỒN KHÔ BẰNG ZEOLITE 3A VŨ MINH ĐỨC HÀ NỘI 2006 MỤC LỤC Mở đầu Phần I: Tổng quan Trang Chương I - Tình hình sử dụng nhiên liệu giới 1.1 Dầu mỏ 1.2 Thành phần dầu mỏ 1.3 Phân loại 1.4 Tầm quan trọng kinh tế dầu mỏ 2 Chương II - Cồn nhiên liệu 2.1 Sử dụng cồn làm nhiên liệu 2.2 Tính chất hóa lý loại cồn nhiên liệu 2.2.1 Metanol 2.2.2 Etanol 2.2.3 Propanol 2.2.4 Butanol 2.3 Phương pháp sản xuất cồn 2.3.1 Hydrat hóa etylen 2.3.2 Lên men 2.3.3 Quá trình khử nước 2.3.4 Sử dụng 5 11 11 13 16 17 19 19 20 21 22 Chương III - Ảnh hưởng hàm lượng cồn đến chất lượng nhiên liệu 3.1 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng cồn tới thành phần khói thải 3.2 Ảnh hưởng hàm lượng cồn đến tiêu tốn nhiên liệu 24 24 25 Chương IV - Các phương pháp làm cồn nhiên liệu giới 4.1 Phương pháp chưng cất đẳng phí 4.2 Phương pháp bốc thẩm thấu 4.3 Công nghệ hấp phụ Rây phân tử 26 26 27 28 Phần II - Nghiên cứu xây dựng sơ đồ điều khiển tự động tinh chế cồn khan Zeolite 3A Chương V - Chất hấp phụ 5.1 Khái niệm Zeolite 5.2 Đặc trưng Zeolite 3A 30 30 30 33 5.3 Khả ứng dụng 34 Chương VI - Quá trình hấp phụ bề mặt xốp 6.1 Khái niệm hấp phụ 6.2 Hấp phụ vật lý - hấp phụ hóa học 6.2.1 Hấp phụ vật lý 6.2.2 Hấp phụ hóa học 6.3 Đẳng nhiệt hấp phụ 6.3.1 Khái niệm chung 6.3.2 Cơ sở lý thuyết trình hấp phụ - Lý thuyết năng– Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Dubinhin 6.3.3 Ngưng tụ mao quản 6.3.4 Đẳng nhiệt Freudlic 6.3.5 Đẳng nhiệt Langmuir 6.3.6 Đẳng nhiệt BET 6.4 Hấp phụ dung dịch – Phương trình Gipxo 35 35 35 35 35 36 36 36 39 40 41 43 45 Chương VII - Cơ sở điều khiển trình 7.1 Khái niệm điều khiển trình 7.2 Quá trình biến trình 7.3 Phân loại trình 7.4 Chức điều khiển 47 47 47 50 51 Chương VIII - Xây dựng đặc tính động học đối tượng xây dựng điều khiển 8.1.3 Khảo sát xây dựng đối tượng điều khiển 8.1.1 Phương pháp giải tích 8.1.2 Phương pháp thực nghiệm chủ động 8.1.3 Khi tín hiệu vào hàm l(t) 8.2 Xác định thông số tối ưu biến điều chỉnh 8.2.1 Chất lượng trình điều chỉnh 8.2.2 Chỉ tiêu chất lượng hệ thống trạng thái độ 55 55 55 55 55 57 57 57 Chương IX - Công nghệ sản xuất cồn khan phương pháp Rây phân tử 9.1 Sơ đồ cơng nghệ q trình hấp phụ tái sinh Zeolite 9.2 Sơ đồ điều khiển 9.2.1 Tháp hấp phụ 60 60 61 61 9.2.1.1 Dòng nguyên liệu 9.2.1.2 Zeolite vỏ tháp 9.2.2 Tái sinh Zeolite 9.2.2.1.Dòng cồn 9.2.2.2.Zeolite vỏ tháp tái sinh 61 62 62 63 63 Chương X - Mô hình cơng đoạn tinh chế cồn khan Zeolite 3A 10.1 Mơ hình thiết bị gia nhiệt 10.1.1.Mơ hình tham số rải 10.1.1.1.Phương trinh cân nhiệt thiết bị 10.1.1.2.Phương trình cân nhiệt thành ống 10.1.2.Mơ hình tham số tập trung tồn thiết bị 10.2 Mơ hình tháp hấp phụ 10.2.1.Mơ hình tham số rải 10.2.1.1.Phương trình cân lượng nước 10.2.1.2.Phương trình hấp phụ 10.2.1.3.Phương trình cân nhiệt tháp 10.2.2.Mơ hình tham số tập trung tồn tháp hấp phụ 10.3 Mơ hình tháp nhả hấp phụ 10.3.1.Mơ hình tham số rải 10.3.1.1.Phương trình cân lượng nước 10.3.1.2.Phương trình nhả hấp phụ 10.3.1.3.Phương trình cân nhiệt tháp 10.3.2.Mơ hình tham số tập trung toàn tháp hấp phụ 10.4 Lựa chọn luật điều khiển cho thiết bị điều khiển 64 64 64 65 65 68 69 71 71 71 72 79 82 83 83 84 85 90 92 Kết Luận 94 Tài Liệu Tham Khảo 95 Phụ Lục I II III Tính tốn cơng nghệ thiết bị gia nhiệt Tính tốn cơng nghệ tháp hấp phụ Chương trình mơ thiết bị gia nhiệt, tháp hấp phụ, tháp nhả hấp phụ Tóm Tắt Luận Văn MỞ ĐẦU Nguồn nhiên liệu mà hàng ngày sử dụng động cơ, lò đốt đến từ nguồn dầu mỏ thiên nhiên ngày khan làm cho giá loại nhiên liệu tăng lên ngày Nhiều chiến tranh nổ nhằm giải quyền kiểm soát nguồn dầu mỏ ngày cạn kiệt Từ năm 30 kỉ trước, nhiều nước giới người ta bắt đầu nghiên cứu tìm loại nhiên liệu có khả tái sinh nhằm giảm dần phụ thuộc vào dầu mỏ trình nghiên cứu bước đầu có kết số nước Brazil, Mỹ Trong Việt Nam, động sử dụng nhiên liệu tái sinh ý tưởng Việc sản xuất nhiên liệu tái sinh diễn đơn lẻ phịng thí nghiệm hiệu thấp, suất thấp không đáp ứng yêu cầu cơng nghiệp hóa, đại hóa kinh tế Việc nghiên cứu để đưa sơ đồ điều khiển tự động trình tinh chế cồn khan phục vụ sản xuất cồn nhiên liệu yêu cầu thực tế tình hình Trong khn khổ đồ án này, tác giả xin trình bày kết nghiên cứu xây dựng sơ đồ điều khiển tự động công đoạn tinh chế cồn khan công nghệ Rây phân tử, sử dụng chất hấp phụ Zeolite 3A PHẦN I - TỔNG QUAN CHƯƠNG I - TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU TRÊN THẾ GIỚI 1.1 Dầu mỏ [10, 22, 28] Dầu mỏ hỗn hợp hydrocacbon khác Do nhẹ nước nên dầu xuất lộ thiên nhiều nơi, lồi người tìm thấy dầu hàng ngàn năm trước Công Nguyên Tuy nhiên đến kỷ 19 người ta bắt đầu khai thác dầu theo mơ hình cơng nghiệp, xuất phát từ việc tìm kiếm chất đốt cho đèn dầu cá voi đắt tiền người giàu có khả dùng nến làm mỡ lại có mùi khó ngửi Vì thế kỷ 19 số nhà khoa học phát triển nhiều phương pháp để khai thác dầu cách thương mại Năm 1855 nhà hóa học người Mỹ Benjamin Silliman đề nghị dùng axit sunphuric làm dầu mỏ dùng để làm chất đốt Người ta bắt đầu tìm mỏ dầu lớn Những khoan dầu tiến hành thời gian từ 1875 đến 1859 Lần khoan dầu diễn Wietz, Đức, khoan dầu toàn giới biết đến Edwin L Drake vào ngày 27 tháng năm 1859 Oil Creek, Pennsylvania Drake khoan dầu theo lời yêu cầu nhà cơng nghiệp người Mỹ George H Bissel tìm thấy mỏ dầu lớn độ sâu 21,2 m 1.2 Thành phần dầu mỏ [10, 13] Thành phần dầu mỏ phân tách phương pháp chưng cất phân đoạn Các sản phẩm thu từ việc lọc dầu kể đến dầu hỏa, benzen, xăng, sáp parafin, nhựa đường v v Trong điều kiện thông thường, bốn alkan nhẹ – CH (mêtan), C H (êtan), C H (prôpan) C H 10 (butan) - dạng khí, sơi nhiệt độ 161,60C, -88,60C, -420C -0,50C Các chuỗi khoảng C 5-7 sản phẩm dầu mỏ nhẹ, dễ bay Chúng sử dụng làm dung môi, chất làm bề mặt sản phẩm làm khô nhanh khác Các chuỗi từ C H 14 đến C 12 H 26 bị pha trộn lẫn với sử dụng đời sống với tên gọi xăng Dầu hỏa hỗn hợp chuỗi từ C 10 đến C 15 , dầu điezen/ dầu sưởi (C 10 đến C 20 ) nhiên liệu nặng sử dụng cho động tàu thuỷ Tất sản phẩm từ dầu mỏ điều kiện nhiệt độ phòng chất lỏng Các dầu bôi trơn mỡ (dầu nhờn, kể Vadơlin) nằm khoảng từ C 16 đến C 20 Các chuỗi C 20 tạo thành chất rắn, bắt đầu sáp parafin, sau hắc ín nhựa đường bitum Khoảng nhiệt độ sôi sản phẩm dầu mỏ chưng cất phân đoạn điều kiện áp suất khí tính theo độ C là: - Xăng ête: 400 ÷ 700C (được sử dụng dung mơi) - Xăng nhẹ: 600 ÷ 1000C (nhiên liệu cho ơtơ) - Xăng nặng: 1000 ÷ 1500C (nhiên liệu cho ơtơ) - Dầu hỏa nhẹ: 1200 ÷ 1500C (nhiên liệu dung mơi gia đình) - Dầu hỏa: 1500 – 3000C (nhiên liệu cho máy bay) - Dầu điezen: 2500 - 3500C (nhiên liệu cho động điêzen/ dầu sưởi) - Dầu bôi trơn:> 3000C (dầu bôi trơn động cơ) - Các thành phần khác: hắc ín, nhựa đường, nhiên liệu khác 1.3 Phân loại dầu mỏ Ngành công nghiệp dầu mỏ phân chia “dầu thô” theo khu vực mà xuất phát (ví dụ “West Texas Intermediate” (WTI) hay “Brent”) thông thường theo tỷ trọng độ nhớt tương đối (“nhẹ”, “trung bình” hay “nặng”), nhà hóa dầu cịn nói đến chúng “ngọt”, chứa lưu huỳnh, “chua”, chứa đáng kể lưu huỳnh phải nhiều cơng đoạn để sản xuất theo thơng số hành Các thùng (Barrel) tiêu chuẩn giới là: - Hỗn hợp Brent, bao gồm 15 loại dầu mỏ từ mỏ thuộc hệ thống mỏ Brent Ninian khu vực lịng chảo Đơng Shetland biển Bắc Dầu mỏ đưa vào bờ thông qua trạm Sullom Voe Shetlands Dầu mỏ sản xuất Châu Âu, châu Phi dầu mỏ khai thác phía tây khu vực Trung Cận Đông đánh giá theo giá dầu này, tạo thành chuẩn (brenchmark) đánh giá dầu - West Texas Intermediate (WTI) cho dầu mỏ Bắc Mỹ - Dubai sử dụng làm chuẩn cho khu vực châu Á – Thái Bình Dương dầu mỏ Trung Cận Đông - Tapis (từ Malaysia, sử dụng làm tham chiếu cho dầu mỏ nhẹ Viễn Đông) - Minas (từ Indonesia, sử dụng làm tham chiếu cho dầu mỏ nặng Viễn Đông) 1.4 Tầm quan trọng kinh tế dầu mỏ Dầu mỏ nhiên liệu quan xã hội đại dùng để sản xuất điện nhiên liệu tất phương tiện giao thông vận tải Hơn nữa, dầu sử dụng công nghiệp hóa dầu để sản xuất chất dẻo (plastic) nhiều sản phẩm khác Vì dầu thường ví “vàng đen” Tuỳ theo nguồn tính tốn, trữ lượng dầu mỏ giới nằm khoảng từ 1.148 tỉ thùng (barrel) (theo BP Statistical Review 2004) đến 1.260 tỉ thùng (theo Oeldorado 2004 Exxon Mobil) Trữ lượng dầu mỏ tìm thấy có khả khai thác mang lại hiệu kinh tế với kỹ thuật tăng lên năm gần đạt mức cao vào năm 2003 CHƯƠNG II - CỒN NHIÊN LIỆU 2.1 Sử dụng cồn lm nhiờn liu [10, 13, 27, 28,31] Không có việc sử dụng cồn nhiên liệu cho xe ôtô Năm 1872 Nikolaus Otto phát minh động đốt trong, dầu mỏ chưa sử dụng Ethanol nồng độ 90-95% sử dụng nhiên liệu đặc biệt Dòng xe thuộc model T hÃng Ford thiết kế để sử dụng dầu thô, cồn hay kết hợp hai Cồn sử dụng làm nhiên liệu số quốc gia chiến tranh giới II Mỹ thời kì giá dầu tăng vọt năm 1970 Các alcohol nói chung ethanol nói riêng làm nhiên liệu tốt cho xe ôtô Lí làm cho cồn nhiên liệu chưa khai thác đầy đủ dầu lửa rẻ, sử dụng khai thác dễ dàng Tuy nhiên, ngày nguồn dầu thô ngày bị thu hẹp không đủ cho nhu cầu ngày cao người, khác biệt giá xăng cồn đà bị thu hẹp Nhiên liệu cho ®éng c¬ ®èt trong, dï sư dơng chØ ethanol hay kết hợp với xăng làm chất oxy hóa nguồn lượng có giá trị lớn Cả ethanol methanol có giá trị sử dụng làm nhiên liệu lớn Trong nguồn nhiên liệu truyền thống dầu mỏ khí đốt ngày cạn kiệt ethanol biết đến nhiên liệu có thĨ phơc håi víi ngn tõ rØ ®­êng, tinh bét Khi có 10% cồn nhiên liệu trộn lẫn với dầu mỏ ta có hỗn hợp gọi E10 hay gasohol, 85% cồn nhiên liệu trộn lẫn vào dầu mỏ ta gọi E85 Hiện giới có ba quốc gia phát triển chương trình cồn nhiên liệu mục tiêu quan trọng: Brazil, Colombia (Từ nguồn nguyên liệu rỉ đường) Mỹ (Từ ngũ cốc tổng hợp) Ethanol dùng cho công nghiệp thường tổng hợp từ dầu mỏ với phản ứng đặc trưng phản ứng ethylene nước với có mặt axit sufuric làm xúc tác Sản phẩm ... Việc nghiên cứu để đưa sơ đồ điều khiển tự động trình tinh chế cồn khan phục vụ sản xuất cồn nhiên liệu yêu cầu thực tế tình hình Trong khn khổ đồ án này, tác giả xin trình bày kết nghiên cứu. .. cứu xây dựng sơ đồ điều khiển tự động công đoạn tinh chế cồn khan công nghệ Rây phân tử, sử dụng chất hấp phụ Zeolite 3A 2 PHẦN I - TỔNG QUAN CHƯƠNG I - TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU TRÊN THẾ... nghệ sản xuất cồn khan phương pháp hấp phụ pha nhả hấp phụ cồn tuyệt đối trình bày 9.1 Sơ đồ cơng nghệ trình hấp phụ tái sinh Zeolite [14, 16 ] Sơ đồ cơng nghệ q trình hấp phụ tái sinh Zeolite