Với thiết bị dạng Updraft, quạt có áp suất cao thường được sử dụng lý tưởng. Với thông số của quạt cấp khí tính toán cho mô hình khí hóa với công suất nhiệt là:
Với lưu lượng là: 8.91 (kgkk/h) Cột áp: 0.7 (cmH2O)
Ta chọn quạt AC 220 Volt-1 Amp,Centrifugal Blower.
Hình 3.3. AC 220 Volt-1 Amp,Centrifugal Blower.
3.6.6. Tính thiết bị ngƣng tụ
a. Khối lượng ngưng tụ có trong khí ra.
Ta có khối lượng ngưng tụ từ 5 - 20% trong khối lượng khí ra. Chọn là 20% mtar = 20%tar*mgas = 2.6 (kg lượng ngưng tụ)
b. Lưu lượng nước làm lạnh.
Bảng 3.3: Các thông số cho thiết bị ngưng tụ
tnv tnr Cpn tgasv tgasr mgas Cpgas
o
C oC kJ/kg oC oC kg/h kJ/kg
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 59 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Ta có: Ggas*Cpgas*(tgasv– tgasr) = Gn*Cpn*(tnr– tnv) Trong đó:
Ggas: lưu lượng của khí ra: 13 kg/h Gn: lưu lương nước làm lạnh, kg/s
Tgasv: Nhiệt độ khí đi vào thiết bị tách hắc ín, oC Tgasr: Nhiệt độ dòng khí đi ra thiết bị tách hắc ín, oC Tnv: Nhiệt độ nước vào làm lạnh, oC
Tnr: Nhiệt độ nước ra thiết bị làm lạnh, oC Cpgas: nhiệt dung riêng của khí
Cpn: nhiệt dung riêng của nước
Gn =
Gn = 13.01 kg/h
Chọn dư 50% ta có lượng nước cần dùng là 19.52 kg/h
c. Chiều dài đường ống
Nhiệt lượng tỏa ra cho nước:
Qn =
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 60 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
=
= 0.6 kW
Nhiệt độ trao đổi trung bình:
∆t =
Với: ∆t1 = tgasv - tnr = 285 oC
∆t2 = tgasr– tnv = 175oC Vậy ∆t = 225.5 Tiết diện trao đổi nhiệt là:
F =
Với K: hằng số trao đổi nhiệt của nước: 340 w/m2 F = 0.0079 (m2)
Chiều dài ống trao đổi nhiệt
F = 2 rL Với r = 0.0135 (m)
L = = 0.093 (m)
d. Kích thước thiết bị ngưng tụ
Để thiết bị ngưng tụ chứa đủ 0.093 m đường ống trao đổi nhiệt ta chọn. Đường kính ngưng tụ.
dc = 20 (cm) = 0.2 (m) Chiều cao của mực nước là:
Ta có thể tích nước cần là 19.52 kg/h V = r2
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 61 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm => hn = = = 0.62 m hn = 62 (cm) Chiều cao của ngưng tụ
hc = 80 (cm) = 0.8 (m)
Hình 3.4: Thiết bị ngưng tụ
3.6.7. Burner
Để sử dụng cho lò khí hóa trấu và phù hợp với năng suất làm việc, thường dùng burner LPG.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 62 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Bảng 3.4: Thống số burner
Hình 3.5: Burner LPG Torch
Bảng 3.5: Tóm tắt thông số tính toán
Thiết bị phản ứng Kích thước Đơn vị (m)
Chiều cao 1.5 m Rộng 0.27 m Ống khí Đường kính 0.045 m Thùng chứa tro Cao 0.2 m Rộng 0.5 m Trục vít Đường kính 0.110 m
Áp suất làm việc 5 psi
Khí tiêu thụ 3.25 kg/h
B.T.U/hr 14800
Kcal/hr 37300
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 63 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Chiều dài 1.4 m Đường kính trục vít 0.02 m Bước cánh 0.15 m Chiều ngang máng 0.118/0.114 m Hopper Cao 0.4 m Cạnh dưới 0.25 m Cạnh trên 0.4 m Thiết bị ngƣng tụ Cao 0.8 m Đường kính 0.2 m
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 64 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
CHƢƠNG 4: KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM
Mục đích chung: Tìm ra tác nhân khí hóa và điều kiện khí hóa thích hợp nhất để có hiệu suất cao nhất cho ứng dụng thực tế.
4.1. Khảo sát môi trƣờng Nitơ 4.1.1. Mục đích
Tìm ra nhiệt độ thích hợp nhất trong môi trường N2 khi tại nhiệt độ đó có lượng khí sinh ra nhiều nhất, nhiệt độ khảo sát tại ba điểm là 700, 800 và 900o
C. Lượng khí N2 cho vào mục đích để đẩy các tác nhân trong không khí, tạo môi trường trơ, khi đó việc khảo sát xem như hoàn toàn phản ứng không có tác nhân khí hóa. Như vậy chúng ta sẽ thu được lượng khí, chất rắn, lượng ngưng tụ trong điều kiện không sử dụng tác nhân khí hóa, chúng ta sẽ xem đây là cơ sở để so sánh với kết quả của việc khảo sát sử dụng tác nhân khí hóa.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 65 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Sơ đồ 4.1 Sơ đồ khảo sát thực tế
I. Thiết bị chứa trấu II. Thiết bị gia nhiệt III. Thiết bị ngưng tụ IV. Bình nước chứa sản phẩm ngưng tụ 1. Van điều chỉnh
4.1.2. Các bƣớc tiến hành
- Cho 300 gam vỏ trấu vào thiết bị khí hóa.
- Cân một bình nước khối lượng ban đầu của bình nước là m1(g), mục đích của bình nước là để giữ lại phần ngưng tụ từ khí bay ra trong quá trình khảo sát.
- Bật thiết bị gia nhiệt, cho nhiệt độ tới nhiệt độ khảo sát (700, 800, 900oC) thì cho thiết bị khí hóa vào, ghi thời gian bắt đầu.
- Tiến hành thổi khí N2 vào thiết bị khí hóa sau khi đưa thiết bị khí hóa vào để đẩy không khí trong thiết bị ra để tạo môi trường trơ. Lượng N2 không cần phải đưa vào liên tục trong suốt quá trình khí hóa vì đây là thiết bị khí đi một chiều, môi trường không có tác nhân khí hóa sẽ được giữ trong suốt quá trình.
- Lượng khí sinh ra, ta cho đi qua thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp bằng nước, sau đó sục sâu vào bình nước đã làm lạnh để ngưng tụ lượng nhựa - hắc ín một cách triệt để.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 66 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
- Tại bình nước sục khí, ta quan sát thấy bọt khí thoát ra, khi nào ta không thấy bọt khí thoát ra từ ống dẫn khí, ta nâng dần ống dẫn khí lên trên để giảm áp suất, giúp bọt khí dễ thoát ra hơn, tới khi đưa ống dẫn khí tới gần mặt thoáng chất lỏng mà vẫn không thấy bọt khí thoát ra, nghĩa là lúc đó hết khí phản ứng, ta kết thúc quá trình.
- Ghi thời gian kết thúc.
- Khi quá trình kết thúc, ta đợi cho lượng ngưng tụ, lượng rắn trong thiết bị nguội hoàn toàn, đem đi cân. Với lượng ngưng tụ trong bình nước, ta đem cân với khối lượng m2(g).
Ta có:
m2 - m1 = mngưng tụ
- Sau khi có khối lượng rắn, ngưng tụ, trấu, ta bắt đầu tính toán. Ta có:
mtrấu = mngưng tụ + mtro + mkhí mkhí = mtrấu - (mngưng tụ + mtro)
4.1.3. Kết quả khảo sát
a. Thời gian
Thời gian khảo sát từ lúc bắt đầu cho thiết bị khí hóa vào thiết bị gia nhiệt tới khi hết khí, kết thúc quá trình là 30 phút, đây là thời gian khảo sát với nhiệt độ 700oC. Như vậy, theo quá trình khảo sát, để có thể so sánh các thông số với nhau thì cả 3 điểm nhiệt độ, ta đều lấy thời gian khảo sát là 30 phút.
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 67 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Tại to = 700oC
Bảng 4.1. Kết quả khảo sát ở nhiệt độ khảo sát 700oC
Số lần khảo sát mtrấu, g mngưng tụ, g mrắn, g mkhí,g
1 300 93 100 107
2 300 91 98 111
3 300 90 98 112
Trung bình 300 91.33 98.67 110
Tại to = 800oC
Bảng 4.2: Kết quả khảo sát ở nhiệt độ khảo sát 800oC
Số lần khảo sát mtrấu, g mngưng tụ, g mrắn, g mkhí, g
1 300 69 96 135
2 300 66 97 137
3 300 68 96 136
Trung bình 300 67.67 96.33 136
Tại to = 900oC
Bảng 4.3: Kết quả khảo sát ở nhiệt độ khảo sát 900oC
Số lần khảo sát mtrấu, g mngưng tụ, g mrắn, g mkhí, g
1 300 48 95 157
2 300 52 93 155
3 300 50 93 157
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 68 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Bảng 4.4: Tổng kết kết quả quá trình khảo sát tác nhân N2
Nhiệt độ, oC mngưng tụ, g mrắn, g mkhí,g
700 91.33 98.67 110
800 67 96.33 136
900 50 93.67 156.33
Đồ thị 4.1: Mối quan hệ giữa nhiệt độ và lượng ngưng tụ, rắn còn lại, khí c. Nhận xét:
Dựa vào đồ thị trên ta thấy khi nhiệt độ tăng từ 700 đến 900oC thì lượng ngưng tụ giảm dần, lượng khí tăng dần và lượng rắn giảm không đáng kể. Trong đó lượng ngưng tụ giảm 40 gam, giảm khoảng 45% (91,33 xuống 50g), lượng rắn khoảng 5 gam, lượng khí tăng 46.33 gam, tăng khoảng 42% (từ 110 lên 156.33g), ta thấy lượng ngưng tụ giảm gần bằng với lượng tăng lên của khí sinh ra.
Lượng rắn tuy có giảm nhưng không nhiều và vẫn còn giữ ở mức cao, gần 30% so với lượng trấu.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 700 800 900 Khối lư ợng, g ngưng tụ rắn khí Nhiệt độ oC
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 69 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Qua đồ thị ta cũng thấy rằng nhiệt độ 900oC là nhiệt độ phù hợp nhất để tiến hành quá trình khí hóa.
d. Giải thích
Khi nhiệt độ tăng từ 700 đến 900oC thì lượng ngưng tụ giảm đều, lượng khí tăng đều và lượng rắn giảm không đáng kể có thể giải thích như sau: Trong quá trình khí hóa, các thành phần hydrocacbon mạch dài có trong trấu như các xenlulozơ, Hemi – Xenlulozơ, Lignin... đầu tiên đi qua miền nhiệt độ từ thấp dưới 700oC, lúc đó xảy ra quá trình nhiệt phân đầu tiên. Ở nhiệt độ thấp những mạch dài sẽ bị cắt mạch ở giữa sinh ra những mạch ngắn hơn nhưng vẫn có phân tử lượng cao, sản phẩm chứa nhiều sản phẩm lỏng. Khoảng từ 470oC đến 540o
C những mạch dài sẽ cắt ở đầu mạch và cuối mạch để tạo thành những mạch ngắn hơn như CH4, C2H5. CO2, CO cũng sẽ sinh ra từ lúc này. Khi nhiệt độ đạt khoảng 700oC, ngoài các thành phần khí trên còn có xuất hiện thêm H2.
CnH2n+2 CmH2m + CqH2q+2 CnH2n+2 CqH2q+2 + H2
Các mạch ngắn hình thành cần một nhiệt lượng lớn hơn để cắt mạch, chính vì thế nếu ta duy trì tại khoảng nhiệt độ nhiệt phân từ 500oC đến 700oC sẽ không làm tăng hiệu suất sản phẩm khí, lượng nhiên liệu chưa chuyển hóa còn rất lớn. Muốn tăng lượng khí chuyển hóa, ta phải tăng nhiệt độ để việc cắt mạch ưu tiên vào ví trí đầu mạch hoặc cuối mạch. Sự cắt mạch có thể xảy ra ở tất cả vị trí liên kết mạch C - C. Vị trí đứt mạch đầu hay giữa phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ và áp suất. Tại đây, do ta khảo sát với áp suất cố định, hiệu suất khí chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, nếu nhiệt độ càng tăng thì vị trí đứt mạch C - C càng nghiêng về đầu mạch hoặc cuối mạch thì càng có lợi cho quá trình.
- Ở nhiệt độ thấp
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 70 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
- Ở nhiệt độ cao
C - C - C - C - C - / C
Với 3 điểm khảo sát là 700oC, 800oC, 900oC (vùng khí hóa), ta có thể thấy nhiệt độ càng tăng thì càng dễ cắt mạch từ giữa mạch ra đầu mạch hydrocacbon, dẫn đến lượng sản phẩm phân tử lượng thấp càng tăng đồng nghĩa với lượng khí tăng, lượng ngưng tụ giảm.
Thường thì những mạch dài hơn 4 cacbon sẽ cắt mạch ở giữa trước, tuy nhiên do nhiệt độ cao nên các mạch ngắn chuyển hóa nhanh thành CH4. Điều này giải thích khi tăng nhiệt độ từ 700 đến 900oC hiệu suất sản phẩm khí càng tăng trong khí đó sản phẩm ngưng tụ sẽ giảm.
Ngoài ra lượng H2 sinh ra cũng sẽ tăng lên do sự phân hủy CH4 ở nhiệt độ cao, khoảng gần 900oC
CH4 C + H2
Các phản ứng trong quá trình khí hóa là phản ứng thu nhiệt mạnh nên phản ứng chỉ tiến hành ở nhiệt độ tương đối lớn (to
>800oC). Với nhiệt độ 700oC thì sẽ làm giảm tốc độ của phản ứng khí hóa xuống. Với nhiệt độ từ 800 - 900oC thì sẽ tăng tốc độ của phản ứng, đặc biệt là tăng nhanh phản ứng của C + H20 và C + CO2 để tạo ra CO. Đây là 2 phản ứng thu nhiệt mạnh và là 2 phản ứng quan trọng trong quá trình khí hóa. Vậy khi tăng nhiệt độ thì ta sẽ thu được lượng khí lớn hơn.
C + CO2 2CO – Q1 C + H2O CO + H2 – Q2 C + 2H2O CO2 + 2H2 – Q3
Nhiệt độ càng tăng thì tốc độ khí hóa và thoát khí càng tăng nên thời gian duy trì khí hóa càng giảm, nên ta có thể chọn thời gian khảo sát là 30 phút ở lần khảo sát ở 700oC cho hai lần khảo sát tiếp theo ở 800, 900oC. Như vậy, với 3 điểm khảo sát, tại điểm có 900oC, có lượng khí cao nhất, lượng rắn và lượng ngưng tụ thấp nhất, vì
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 71 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
vậy ta ta sẽ chọn nhiệt độ này là nhiệt độ khảo sát cho các khảo sát tiếp theo với các tác nhân khác.
4.2. So sánh giữa tác nhân N2 và H2O
a. Mục đích
So sánh tác nhân H2O và môi trường N2 để chọn thông số thích hợp cho ứng dụng thực tế. Kết quả của khảo sát tác nhân hơi nước lấy từ một khảo sát tương tự ở cùng một đề tài nghiên cứu song song nhưng ở đây ta thay N2 bằng hơi nước.
Bảng 4.5: Kết quả khảo sát tác nhân hơi nước tại 900oC [7, tr.70]
Lượng nước sử
dụng, ml mtrấu, g mhơi nước, g mngưng tụ, g mrắn, g mkhí, g
300 300 300 294 70 236
350 300 350 304 62 284
400 300 400 354 60 286
b. So sánh
So sánh lượng khí sinh ra và lượng rắn tạo thành khi sử dụng môi trường N2 với lượng khí sinh ra và lượng rắn tạo thành khi sử dụng tác nhân hơi nước ở cùng 900oC qua các lưu lượng là 300, 350, 400 ml.
Bảng 4.6: Kết quả khảo sát môi trường N2 và tác nhân hơi nước
mkhí, g mrắn, g Môi trường N2 156.33 93.67 Hơi nước 300 ml 236 70 350 ml 284 62 400 ml 286 60 0 50 100 150 200 250 300 350 Khối
lượng, g N2Hơi nước
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 72 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Biểu đồ 4.1 So sánh khối lượng khí giữa môi trường N2 và tác nhân hơi nước
Biểu đồ 4.2 So sánh khối lượng rắn giữa môi trường N2 và tác nhân hơi nước
Hình 4.2: Ngọn lửa trong khảo sát tác nhân hơi nước (trái) và môi trường khí N2
Hình 4.3: Tro trong khảo sát tác nhân hơi nước(trái) và môi trường khí N2
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Khối lư ợng, g 300 N2 Hơi nước 350 400
Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 73 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
a b c
Hình 4.4: Lượng nước ban đầu (a), lượng ngưng tụ bằng tác nhân nước (b), lượng ngưng tụ trong môi trường khí N2 (c)
c. Nhận xét và giải thích
Dựa vào “biểu đồ 4.1” ta thấy rằng lượng khí khi sử dụng môi trường Nitơ thấp hơn nhiều so với lượng khí sinh ra khi sử dụng tác nhân hơi nước ở các lưu lượng, cụ thể là thấp hơn 50% so với lưu lượng 300 ml (156g so với 236g), và thấp hơn 80% so với lưu lượng 350, 400ml (156g so với 284, 286g). Dựa vào “biểu đồ 4.2” ta cũng thấy rằng lượng rắn khi sử dụng Nitơ cao hơn rất nhiều so với lượng rắn khi sử dụng tác nhân nước, cụ thể cao hơn khoảng 32% (93g so với 70g) so với lưu lượng 300 ml và cao hơn 55% (93g so với 60g) so với lưu lượng 350, 400 ml. Điều này có thể giải thích rằng khi sử dụng tác nhân hơi nước thì hơi nước sẽ tác dụng với lượng cacbon trong lớp than nóng dẫn đến khối lượng của rắn sẽ giảm xuống và khối lượng của khí sẽ tăng lên. Trong khi đó, Nitơ chỉ là khí trơ nên