Giai đoạn 1: Tăng áp cho cột hấp phụ
Dòng đi vào tháp hấp phụ với nhiệt độ và áp suất cao, trong khoảng thời gian rất ngắn áp suất trong đỉnh tháp tăng nhanh bằng với dòng vào, các van1,7 mở đồng thời và các van còn lại đóng. Do trở lực của tháp lên áp suất dưới đáy thiết bị sẽ giảm so với áp dòng vào. Qúa trình tăng áp sẽ diễn ra trong vài giây (10s), có một phần nước bị hấp thụ trong giai đoạn này nhưng không đáng kể.
Giai đoạn 2: Hấp phụ tại áp suất cao.
Khi tháp 1 đạt áp suất yêu cầu, giai đoạn này van 5, 6 mở, dòng khí vào tháp đồng thời tham gia hai quá trình đó là hấp phụ ở tháp 1 và nhả hấp phụở tháp 2. Dòng khí đi vào tháp 1 qua van 1 xảy ra quá trình hấp phụở tháp 1, sản phẩm đi ra khỏi tháp 1 được chia làm hai phần, 12.5% qua van 5, để đi tái sinh xúc tác và 87.5% qua van 7 để làm lạnh và ngưng tụ, thu hồi sản phẩm. Phần nhỏ hơn tiếp tục qua van 6
đến tháp 2, tại đây xảy ra quá trình nhả hấp phụ, hơi nước đi lên đỉnh tháp qua van 4 thoát ra ngoài.
Hình 15: Sơ đồ hệ thống sản xuất Ethanol nhiên liệu
Trên thực tế có 0.5% nước tồn tại trong sản phẩm đó là do tại thời điểm ra khỏi cột, sàng phân tử bị bão hòa, khả năng hấp phụ bị giảm dần đến một lúc nào đó sẽ không còn khả năng hấp phụ nữa và quá trình hấp phụ xảy ra không hoàn toàn tại cùng trao đổi chất. Chiều dài vùng trao đổi chất càng lớn thì lượng nước bị lẫn ngày
với nồng độ nước ở đầu vào. Thời điểm mà nồng độ Ethanol đạt 99.5%V sẽ được sử dụng để xác định đường cong thoát lý thuyết.
Giai đoạn 3: Giảm áp bằng các bơm
Giai đoạn giảm áp là hết sức cần thiết, áp suất sẽ thấp hơn áp suất bay hơi của nước, các phân tử nước sẽ từ pha lỏng chuyển sang pha hơi, chúng sẽ linh động hơn và quan trọng nữa là không gây ảnh hưởng tới lớp hạt Zeolite . Khi đó do sự chênh lệch áp suất riêng phần làm cho các phân tử nước sẽ thoát ra qua các lỗ mao quản theo cơ chế khuyếch tán ngược, dòng hơi nước này sẽ đi ra ngoài cùng với dòng Ethanol khan. Quá trình tái sinh sẽ được thực hiện ngay sau khi các van 1, 4, 5, 6, 7 đóng và mở các van 2,3,8. Khi đóng van ngay lập tức hệ thống bơm chân không bắt đầu hoạt động nhằm đưa áp suất trong cột thấp hơn áp suất khí quyển trong toàn bộ quá trình nhả hấp.
Giai đoạn 4: Tái sinh
Đây là bước cuối cùng của chu trình hấp phụ thay đổi áp suất của sàng phân tử, quá trình này diến ra nhằm chuyển nước trong sàng phân tử ra ngoài. Để thực hiện được quá trình này ta lắp thêm các bộ cảm biến và điều khiển áp suất. Tại tháp 1 nó có nhiệm vụ thông báo áp suất trong cột đủ bé để xác định giá trị đủ bé cho quá trình
tái sinh diễn ra, van 5,6 mở để thực hiện quá trình. Tiếp tục đóng một phần van số 5 để giảm áp trong cột tái sinh. Lượng khí trơ và áp suất trong tháp 2 sẽ quyết định thời gian tái sinh, lượng khí trơ lớn và áp suất trong cột thấp thì sẽ rút ngắn thời gian tái sinh. Các bơm chân không tạo áp suất thấp làm cho nước dễ dàng di chuyển từ lỗ ra khỏi sàng phân tử, nhập vào dòng khí khô và đi xuống đáy. Một cảm biến nồng độở đỉnh tháp 2 sẽ làm dừng bơm và đóng các van 5, 6 khi không có nước trong sản phẩm đỉnh tháp 2. Để tách toàn bộ nước ra khỏi các hạt zeolite thì gặp nhiều khó khăn và không kinh tế, giá thành thiết bị và chi phí vận hành cao, dựa vào những kinh nghiệm thực tế thì tách hoàn toàn nước là không khả quan.
Thường thì thời gian tái sinh sẽ bé hơn so với thời gian hấp phụ. Vì vậy mà ta bố trí 2 tháp làm việc song song với nhau, một tháp thực hiện quá trình hấp thụ, một tháp tái sinh.
Hình 16: Hệ thống dây chuyền công nghệ trong Hysys khi tháp 2 nhả hấp 4.3. Xác định các thông số của mô hình toán học:
5 . 61 c w Trong đó: wc (ft/min); wc Thay vào công thức ta có:
) / ( 699 . 0 28 . 3 . 60 min . 2 . 0 5 . 61 2 . 0 5 . 61 5 . 61 3 3 s m m s ft lbs ft lbs w c c
4.3.2. Đường kính và chiều dài sơ bộ của cột hấp phụ:
Chiều dài lớp hấp phụ L: chọn chiều dài của cột hấp phụ là 4m Diện tích mặt cắt ngang của cột hấp phụ:
Đường kính cột hấp phụ
Chọn đường kính của tháp hấp thụ là: 0.9 (m)
4.3.3. Hệ số phân tán dọc trục:
Đây là một trong những thông số quan trọng dùng để tính toán công nghệ của quá trình sản xuất. Hệ số phân tán dọc trục bao gồm: hệ số khuếch tán phân tư và hệ số khuếch tán dòng.
Trong đó: : hệ số phân tán dọc trục của khí trong cột, hệ số khuếch tán phân tử,
: hệ số khuếch tán dòng, Hệ số khuếch tán phân tử:
Theo () tính như sau:
Với: T: nhiệt độ của hệ, K, T = 3930 K,
M: khối lượng mol (kg/kmol), MA= 18(kg/kmol), MB= 46(kg/kmol), P: áp suất của hệ (atm), p = 2,5 atm,
σAB : hắng số trở lực của hàm thế Lennard_Jones (10-10 m), : giá trị hàm tích phân phụ thuộc vào hàm thế Lennard, Theo () ta có: σA = 264.1; σB = 453 Mặt khác, theo () thì: =358.5 (10-10 m) Theo (1) tr. 74) : Tra được = 1.966
Thay vào ta có:
Hệ số khuếch tán dòng:
Đường kính của hạt Zeolite rất bé (khoảng 3mm) nên ngoài khuếch tán phân tử còn phải xét đến khuếch tán dòng do dòng chảy bên trong các khoảng rỗng của cột hấp phụ.
Hệ số phân tán do dòng liên tục là: =9700 ( ) Theo( 5) tr.74
Trong đó: M: khối lượng phân tử của khí hấp phụ Rp: đường kính của mao quản (cm), Do vậy:
(cm2/s) Thay vào công thức ta có hệ số khuếch tán là:
Hay:
Các số liệu làm việc của cột hấp phụ Zeolite cho thấy rằng, có hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng mạnh tới quá trỡnh hấp phụ H2O trong Ethanol. Đó là nhiệt độ và ấp suất trong quá trình làm việc của cột hấp phụ. Gọi q là nồng độ của nước trong pha rắn, p là áp suất riêng phần của nước trong pha khí. Theo động học quá trình hấp phụ ta có mối quan hệ giữa hai đại lượng này có dạng q = f(p). Đường cong biểu diễn mối quan hệ này tại một nhiệt độ không đổi gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ. Tại những nhiệt độ khác nhau ta có các dạng đường đẳng nhiệt khác nhau. Theo dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ của Zeolite 3A ở những nhiệt độ khác nhau được biểu diễn:
Hình 17: Đường hấp phụ đẳng nhiệt của Zeolite 3A tại nhiều nhiệt độ khác nhau
bề mặt chất rắn là hàm tuyến tính với áp suất riêng phần của hơi nước trong pha khí và được biểu diễn dưới dạng như sau: q = f(p) = K.p
Cho nên ta dựa vào đường đẳng nhiệt hấp phụ trên, ta có thể xác định được hằng số cân bằng K = tangỏ = 50,5
4.4. Thông số cho quá trình mô phỏng:
Dòng vào:
Hơi bão hòa đi ra khỏi tháp chưng luyện có nồng độ 85,6% V Ethanol và 14,4 % V nước
Nhiệt độ hỗn hợp hơi là: 780C
Năng suất yêu cầu: thể tích hơi đi vào giai đoạn tinh chế là 10.000.000 m3/năm
Thời gian làm việc của nhà máy là: 300 ngày/năm lên năng suất làm việc của hệ thống là: h m VK 1390 / 24 . 300 10 . 10 3 6 Dòng ra khỏi tháp hấp phụ:
Nồng độ sau khi ra khỏi tháp hấp thụ là: 99,5%V Ethanol và 0.5% V nước Nhiệt độ ra khỏi tháp: 1200C, áp suất 175kPa Áp suất đầu vào: pd = 0.3 atm Hệ số khuếch tán: Dap = 6.10-6 cm2/s Vận tốc dòng khí: wc = 0.669 m/s Chiều dài cột: L = 4m Hằng số K = 50.5
4.5. Cân bằng chất và cân bằng nhiệt
Mô phỏng sơ đồ hệ thống như sau:
Hình 19: Mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt E101
Tại thiết bị E101, xảy ra quá trình trao đổi nhiệt: tăng nhiệt cho dòng vào thiết bị hấp phụ đồng thời với việc giảm nhiệt độ ở sản phẩm nhằm tận dụng lượng nhiệt của dòng ethanol khan. Dòng ethanol khan giảm từ 1200 xuống còn 89,310 còn dòng vào tăng từ 780 lên 98,50. Các thông số nhiệt độ, áp suất, lượng nhiệt trao đổi, lưu lượng dòng… được tính toán ngay trong phần mềm Hysys như trên.
4.5.2. Thiết bị quá nhiệt E102:
Sau khi tăng nhiệt ở thiết bị E101, nhiệt độ vẫn chưa đảm bảo nhiệt độ cần thiết khi đi vào tháp hấp phụ, do vậy cần phải nâng nhiệt lên 1200C bằng cách đi qua thiết bị quá nhiệt E102. Các thông số dùng trong mô phỏng và kết quả mô phỏng được trình bày như trên. Mô phỏng sơ đồ hệ thống như sau:
đã đạt được nhiệt độ và áp suất cần thiết để chuẩn đi vào tháp hấp phụ: 1200, 270 Kpa. Các thông số đầu vào và đầu ra của mỗi dòng như: nhiệt, áp, dòng nhiệt trao đổi, lưu lượng… được trình bày ở bảng trên.
4.5.3. Thiết bị làm lạnh sản phẩm E100:
Sau khi ra khỏi tháp hấp phụ, dòng sản phẩm được trao đổi nhiệt với dòng đầu vào, phần này đã được tính toán và trình bày ở tháp E101. Nhưng nhiệt độ vẫn cao, ta tiếp tục tìm cách giảm nhiệt độ bằng cách cho đi qua thiết bị làm lạnh E100. Mô hình mô phỏng thiết bị làm lạnh sản phẩm như sau:
Hình 21: Mô phỏng thiết làm lạnh sản phẩm E100
Với việc dùng 25% lượng sản phẩm quay lại làm nhiệm vụ nhả hấp và 75% lượng sản phẩm đi làm lạnh thì nhiệt trong sản phẩm vẫn lớn, dòng sản phẩm vẫn không thể ngưng tụ thành lỏng, bắt buộc dòng này phải đi qua thiết bị làm lạnh E100.
với nồng độ 99,5%V và năng suất 1390 m3/h. Điều này đạt yêu cầu về chất lượng sản phẩm và năng suất thiết kế theo yêu cầu.
4.5.4. Thiết bị làm lạnh sau nhả hấp:
Nước bị tách ra khỏi tháp nhả hấp với nhiệt độ khá cao 1200C vì vậy cần thiết phải dùng thiết bị làm nguội. Mô hình tính toán và các thông số dung mô phỏng được thể hiện như sau:
Kết luận quá trình mô phỏng hệ thống sản xuất ethanol bằng Hysys:
Với việc sử dụng phần mềm Hysys ta có thể dễ dàng thu được các kết quả tính toán như mong muốn: nhiệt, áp, dòng nhiệt trao đổi, lưu lượng các dòng… mà không
CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA CỘT HẤP PHỤ
5.1. Mô phỏng quá trình làm việc của cột:
Mô hình toán mô tả cột hấp phụ:
(**) Xét điều kiện biên của phương trình (**) ta có:
Điều kiện đầu: t = 0 thì p (x,0) =pd;
Điều kiện biên:
Áp suất riêng phần tại mọi thời điểm ở vị trí đầu vào của cột hấp phụ và điểm ra của cột hấp phụ: + x = 0, t > 0 thì p (x=0, t) = + x = L, t > 0 thì Trong đó: pd: áp suất riêng phần của hấp phụ, t : thời gian của quá trình hấp phụ Các thông số mô phỏng: Áp suất đầu vào: pd = 0.3 atm Hệ số khuếch tán: Dap = 6.10-6 cm2/s Vận tốc dòng khí: wc = 0.669 m/s Chiều dài cột: L = 4m
Lưu lượng đầu vào: V = 1390 m3/h Hằng số K = 50.5
Kết quả thu được: thời gian hấp phụ tc = 830s
5.2. Đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ: 5.2.1. Ảnh hưởng của vận tốc dòng: 5.2.1. Ảnh hưởng của vận tốc dòng:
Để thấy được sựảnh hưởng của một thông số lên các thông số còn lại trong phương trình toán học ta đã mô tả được trong phần trước thì ta chỉ việc thay đổi thông số đó và giữ nguyên giá trị của các thông số còn lại.
Hình 23: Đồ thị của vận tốc và thời gian
Chạy chương trình mô phỏng với các chế độ vận tốc khác nhau ta thu được thời gian hấp phụ khác nhau (phụ lục 2), kết quả được biểu diễn bằng đồ thị trên.
Nhận xét rằng khi vận tốc càng lớn thì thời gian hấp phụ càng ngắn, điều này là hiển nhiên. Vì vận tốc bé dòng sẽ bị phân tán, tạo các tầng khác nhau, khả năng khuếch tán dọc trục sẽ thấp hơn, khả năng phân tán theo phương hướng kính tăng mà điều này thường được bỏ qua khi nghiên cứu trong hấp phụ.
Ta xét tại cùng một thời điểm t = 600s, chạy mô phỏng với các chế độ vận tốc khác nhau, ta thu được kết quả như sau:
Hình 24: Ảnh hưởng của vận tốc khí
Điều này có nghĩa là: Khi vận tốc càng tăng thì tốc độ di chuyển của vùng trao đổi chất càng dịch về phía cuối cột hấp phụ. Đồng thời khi tốc độ dòng khí lớn nó làm cho tốc độ khuếch tán của các phân tử khí vào các mao quản sàng phân tử sẽ nhanh hơn, quá trình hấp phụ diễn ra nhanh, thời gian hấp phụ giảm, làm cho giảm chiều dài vùng trao đổi chất.
5.2.2. Ảnh hưởng của chiều dài cột:
Khi thay đổi thông số chiều dài cột nhận thấy rằng ứng với mỗi chiều dài cột khác nhau thì chiều dài vùng trao đổi chất là khác nhau. Cụ thể, khi chiều dài cột tăng lên thì vùng trao đổi chất càng tăng và ngược lại. Điều này được lý giải như sau: Khi chiều dài cột lớn thì thời gian các phân tử khí lưu lại trong cột càng lâu, sự phân tán diễn ra càng phức tạp gây tăng chiều dài vùng trao đổi chất. Minh họa ảnh hưởng của chiều dài cột bằng việc chạy mô phỏng với chiều dài thiết bị thay đổi ta thu được:
Hình 25: Ảnh hưởng của chiều dài cột 5.2.3. Ảnh hưởng của hệ số khuếch tán dòng:
Trong mô hình toán học ta đã trình bày về hệ số khuếch tán, nó ảnh hưởng rất lớn đến thời gian cũng như chiều dài vùng tao đổi chất của cột hấp phụ.
Hình 26: Ảnh hưởng của hệ số khuếch tán
Nhận xét: hệ số khuếch tán càng nhỏ thì độ dốc vùng trao đổi chất lớn, làm tăng chiều dài vùng trao đổi .
tốc độ hấp phụ của các phân tử khí vào trong các mao quản càng lớn làm cho chiều dài vùng trao đổi chất nhỏ.
5.3.Tối ưu chế độ làm việc của cột hấp phụ:
Trong thực tế sản xuất, một dây chuyền đã được tính toán để hoạt động ở một điều kiện nhiệt độ, áp suất nhất định. Muốn tối ưu hóa quá trình sản xuất ta nên thay đổi các thông số công nghệ, điều này đơn giản hơn rất nhiều so với sự thay đổi thông số thiết kế của dây chuyền. Vì khi thay đổi t, p... thì có thể ta phải tính toán lại toàn bộ đường ống, thiết bị như: chiều dầy, vật liệu, kết cấu... rất phức tạp và gây lãng phí. Trong khi đó máy móc luôn được thiết kế sao cho hoạt động trên mức năng suất thiết kế 100%, để tận dụng điều này khi muốn nâng cao năng suất của một dây chuyền thì điều đầu tiên ta nghĩ tới đó là thay đổi thông số công nghệ.
Mục đích cuối cùng của một quá trình sản xuất là làm sao thu được lượng sản phẩm nhiều nhất có thể, tất nhiên là sản phẩm vẫn phải đạt về yêu cầu chất lượng. Tức là :
G = tc.Q (kg) Trong đó:
G (kg): dung lượng hấp phụ
Q (kg/s): năng suất hấp phụ theo thời gian của cột