Ni(NO3)2 dung dịch (g) Ce(NO3)3 dung
dịch (g) Al2O3 (g) kim loại xúcKhối lượng tác (g) Tổng (g) 6 0.80 1.31 4.7 0.3 5 12 1.61 2.62 4.4 0.6 5 18 2.41 3.93 4.1 0.9 5 30 4.02 6.55 3.5 1.5 5 50 6.70 10.92 2.5 2.5 5 70 9.38 15.29 1.5 3.5 5 Bảng 2.4. Điều chế xúc tác Ni-Mo/ γ- Al2O3 Ni+ Mo (%wt) Ni(NO3)2 dung dịch (g) (NH4)4Mo7O24 dung dịch (g) Al2O3 (g) Khối lượng kim loại xúc tác (g) Tổng (g) 6 1.03 1.03 4.7 0.3 5 12 2.07 2.07 4.4 0.6 5 18 3.10 4.99 4.1 0.9 5 30 5.17 5.17 3.5 1.5 5 50 8.62 8.62 2.5 2.5 5 70 12.07 12.07 1.5 3.5 5
Hình 2.3. Mẫu dung dịch sau khi thấm tẩm
nghiệp
Mẫu xúc tác sau khi đã được thấm tẩm để có tỷ lệ nhất định các kim loại xúc tác trong mẫu thì được tiến hành xử lý nhiệt. Đầu tiên mẫu xúc tác được làm khô tại nhiệt độ 110oC trong vòng 6h. Việc làm khô mẫu trong một khoảng thời gian tương đối lớn nhằm loại bỏ hết lượng nước có trong mẫu trước khi tiến hành nhiệt phân. Mẫu vật liệu sau khi được làm khô sẽ đảm bảo cho việc nhiệt phân, thiêu kết vật liệu ở bước sau đạt được kết quả về cấu trúc tinh thể tốt hơn.
2.2.4. Nhiệt phân mẫu vật liệu
Sau khi được làm khô, mẫu được nung liên tục trong vòng 6h tiếp theo ở nhiệt độ 500oC. Quá trình nung liên tục mẫu trong vòng 6h tại nhiệt độ cao là nhằm nhiệt phân các muối nitrat của Ni và Cu để tạo ra các tinh thể ôxit kim loại bám trên bề mặt các mao quản của chất mang nhôm ôxit. Nhiệt phân các muối nitrat được diễn ra theo hai phản ứng:
Ni(NO3)2 → NiO + 2NO2 + 1/2O2 Cu(NO3)2 → CuO + 2NO2 + 1/2O2 Ce(NO3)3 → Ce2O3+ NO2+ O2
(NH4)4Mo7O24→ 7MoO2 +2N2+8H2O+ O2
Các mẫu vât liệu sau khi xử lý nhiệt (hình 2.4) được tiến hành kiểm tra về cấu trúc vật liệu bởi các trang thiết bị chuyên dụng như máy nhiễu xạ tia X và kính hiển vi điện tử (SEM).
nghiệp
Hình 2.4. Các mẫu vật liệu xúc tác ở các tỷ lệ khác nhau sau khi điều chế
CHƯƠNG III: TRANG THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM
Để đánh giá được hiệu quả xúc tác của các mẫu xúc tác, hệ thống đo hiệu quả xúc tác được thiết kế và chế tạo (hình 3.1). Xăng, nước và khí trơ (N2) được đưa vào bộ điều khiển lưu lượng (4,5,6,7,8), tại đây lưu lượng của xăng, nước và khí N2 được điều khiển đạt lưu lượng chính và được đưa đến bộ hóa hơi 9, hỗn hợp khí sau khi ra khỏi bộ hóa hơi được đưa vào buồng phản ứng 21, chất xúc tác cũng được đặt vào buồng phản ứng. Buồng phản ứng được gia nhiệt bởi lò nung 20, khi nhiệt độ buồng phản ứng đạt đến nhiệt độ thích hợp, phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước xảy ra. Hỗn hợp khí giàu hydro được tạo thành và được đưa đến bộ làm mát bằng đá khô 22, tại đây hơi nước sẽ được ngưng tụ, hỗn hợp khí sau khi qua bộ ngưng tụ sẽ được đưa đến bộ phân tích 23, khí sau khi phân tích được thổi ra ngoài qua bơm hút khí 24.
Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lí hoạt động hệ thống đo hiệu quả xúc tác
2 0A 2 2 2 3 2 1 2 4
nghiệp
1. xăng; 2. khí trơ; 3. Nước; 4. Bơm xăng; 5. Van khí; 6. Van khí; 7. Bơm nước; 8. Van
nước; 9. Bộ hóa hơi; 10. Tín hiệu nhiệt độ bộ hóa hơi; 11. Tín hiệu điều khiển; 12. Dây nguồn; 13. Bộ điều khiển bộ hóa hơi; 14. Cám biến nhiệt độ lò nung; 15. Chất xúc
tác; 16. Bông thủy tinh; 17. Tín hiệu điều khiển; 18. Tín hiệu nhiệt độ lò nung; 19. Bộ điều khiển lò nung; 20. Lò nung; 21. Buồng phản ứng, 22. Bộ ngưng tụ hơi nước; 23.
Bộ phân tích khí GC Thermo; 24. Bơm hút.
Hình 3.2. Hệ thống đo hiệu quả xúc tác sau khi chế tạo
Hệ thống đo hiệu quả xúc tác có thể chia thành 4 phần chính: Hệ thống cung cấp và điều khiển nhiên liệu đưa vào bộ bay hơi, buồng phản ứng, lò nung, máy phân tích thành phần khí GC Thermo (hình 3.2). Sau đây sẽ giới thiệu chi tiết từng phần của hệ thống.
3.1. Trang thiết bị thí nghiệm
3.1.1. Tính toán thiết kế bộ hóa hơi nhiên liệu và nước
3.1.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của bộ hóa hơi
1. Cấu tạo bộ hóa hơi
Bộ hóa hơi được chia thành 3 phần chính: - Phần gia nhiệt và hòa trộn
- Phần vỏ chứa
- Phần bảo ôn và cách điện
nghiệp
Hình 3.3. Bộ hóa hơi
1. Dây nguồn, 2. Vỏ chứa, 3. Vật liệu cách nhiệt, cách điện, 4. Dây nhiệt điện trở, 5. Sứ cách điện, 6. Đường ống cấp nước, 7. Dây nguồn, 8. Cảm biến nhiệt độ, 9. Đường cấp khí trơ, 10. Đường ống cấp xăng, 11. Phoi nhôm, 12. Vỏ bộ hóa hơi, 13. Đường ống ra.
a. Phần gia nhiệt và hòa trộn
Phần gia nhiệt và hòa trộn có tác dụng làm bay hơn hoàn toàn lượng nhiên liệu và hơi nước đồng thời hoàn trộn khí trơ hơi xăng và hơi nước trước khi chúng được đưa vào buồng phản ứng. Cấu tạo của vỏ bộ hóa hơi 12 có dạng hình trụ được quấn quay bởi dây nhiệt trở 4, dây nhiệt trở này được bao bọc vởi ống sứ cách điện và chịu nhiệt 5 để đảm bảo cách điện hoàn toàn giữa phần vỏ bằng kim loại và phần dây nhiệt trở. Nhiêu liệu, khí trơ và nước sẽ được được đưa vào từ các đường ống 6, 9, 10 vào phần lõi bộ hóa hơi. Ở lõi bộ hóa hơi là phần phoi nhôm 11 có nhiệm vụ hòa trộn nhiên liệu, nước và khí trơ, đồng thời
a )
b )
nghiệp
cản trở dòng chuyển động của chúng nhằm đảm bảo hóa hơi hoàn toàn lượng nước, nhiên liệu đưa vào.
b. Phần vỏ chứa
Phần vỏ chứa được là từ ống thép để có nhiệm vụ duy nhất gắn liền các phần khác trong bộ hóa hơi thành một khối cố định.
c. Phần bảo ôn và cách điện
Phần bảo ôn và cách điện là phần nằm giữa phần vỏ chứa và phần bộ hóa hơi phía trong. Chúng có nhiệm vụ tránh thất thoát nhiệt từ vỏ lò ra ngoài môi trường cũng như cách điện giữa dây sấy và phần vỏ chứa. Vì dây sấy có nhiệt độ cao cho nên chúng ta sử dụng bông gốm thủy tinh là vật liệu chịu nhiệt và cách điện.
2. Nguyên lý làm việc của hệ thống bộ hóa hơi
Trong quá trình hoạt động, tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ liên tục được gửi về bộ điều khiển nhiệt độ. Nhiệt độ này là nhiệt độ được đo trên mặt trong của lõi bộ hóa hơi. Sau khi nhận tín hiệu nhiệt độ, hệ thống điều khiển sẽ so sánh giá trị nhiệt độ thu được với nhiệt độ điều khiển để đưa ra tín hiệu điều khiển công suất bộ hóa hơi. Nếu nhiệt độ lò thấp hơn nhiệt độ cài đặt thì bộ điều khiển sẽ tăng công suất bộ hóa hơi để nhanh chóng đạt tới nhiệt độ cài đặt. Nếu nhiệt độ bộ hóa hơi đã đạt được nhiệt độ thích hợp thì công suất lò sẽ giảm để duy trì giá trị nhiệt độ cài đặt.
3.1.1.2. Vật liệu chế tạo bộ hóa hơi
Lõi bộ hóa hơi
Lõi bộ hóa hơi là bộ phận yêu cầu sự bao kín tốt để đảm bảo khí sau khi bay hơi không bị rò rỉ ra ngoài. Ngoài ra do nước và nhiên liệu được đưa vào liên tục vào giữa lõi bộ hóa hơi cho nên khả năng truyền nhiệt của vỏ lõi bộ hóa hơi phải tốt để đảm bảo nhiệt độ của lõi lò nung không bị dao động với biên độ quá lớn.
Lớp cách nhiệt
Vật liệu cách nhiệt yêu cầu là loại vật liệu có khả năng chịu nhiệt tốt, cách nhiệt tốt và nhiệt dung riêng thấp. Ngoài ra do vật liệu cách nhiệt phủ ngoài vật khác cho nên vật liệu cách nhiệt phải dễ tạo hình, các loại vật liệu cách nhiệt thường dùng trong các loại lò nung như gạch chịu lửa và bông gốm. Do kích thước bộ hóa hơi nhỏ cho nên việc tạo hình với gách xốp chịu nhiệt là rất khó khăn cho nên vật liệu chịu nhiệt được lựa chọn là sợi bông gốm thủy tinh. Đây
nghiệp
là loại vật liệu cách nhiệt cao và khả năng chịu nhiệt tốt. Bông gốm có các dạng bông gốm dạng cuộn, dạng tấm và dạng rời.
Hình 3.4. Sợi thủy tinh cách nhiệt
Lớp cách điện
Phần cách điện là phần quan trọng của bộ hóa hơi vì nó hoạt động bằng dòng điện có điện áp 220V và bao quanh gia nhiệt cho phần lõi lò làm bằng kim loại. Cho nên nếu không được cách điện tốt thì sẽ rất nguy hiểm cho người và thiết bị. Như vậy cần phải có một lớp cách điện giữa phần dây trở và các phần còn lại của bộ hóa hơi. Do nhiệt độ của dây trở là rất lớn vì vậy ngoài khả năng cách điện thì phần vật liệu còn phải có khả năng chịu nhiệt tốt. Dựa vào các yêu cầu trên ống sứ chịu nhiệt ( hình 3.5) là vật liệu chịu nhiệt phù hợp nhất.
Hình 3.5. Sứ cách điện
Vỏ bộ hóa hơi
Vật liệu và kích thước sơ bộ của vỏ bộ hóa hơi được lựa chọn nhằm đảm bảo các yêu cầu sau:
nghiệp
- Đảm bảo độ cứng vững và độ bền cơ học trong suốt quá trình làm việc; - Vật liệu và kết cấu phải đảm bảo tính công nghệ, tức là dễ chế tạo với giá
thành hợp lý;
- Kích thước lò phải đủ lớn để đảm bảo chứa lớp cách nhiệt đủ dày nhằm đảm bảo khả năng cách nhiệt.
Từ các yêu cầu trên nhóm nghiên cứu đã lựa chọn thép ống CT30 dày 1.5mm làm vật liệu chế tạo vỏ bộ hóa hơi.
3.1.1.3. Tính toán, thiết kế và chế tạo bộ hóa hơi
1. Lựa chọn và tính toán kích thước dây trở a. Lựa chọn vật liệu dây trở
Dây điện trở đóng vai trò biến đổi trực tiếp điện năng thành nhiệt năng cung cấp cho bộ hóa hơi và là một trong những bộ phận quan trọng nhất của bộ hóa hơi, sẽ quyết định tới công suất, hiệu suất và độ bền của bộ hóa hơi. Vì vậy dây trở phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Chịu nóng tốt, ít bị ôxy hoá ở nhiệt độ cao;
- Phải có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao; - Điện trở suất phải lớn;
- Hệ số nhiệt điện trở phải nhỏ;
- Các tính chất điện phải cố định hoặc ít thay đổi; - Các kích thước phải không thay đổi khi sử dụng; - Dễ uốn, tạo hình.
Hiện nay trên thị trường dây nhiệt-điện trở phổ biến được chế tạo từ những vật liệu sau:
Dây điện trở bằng hợp kim (bảng 3.1)
- Hợp kim Crôm - Niken (Nicrôm). Hợp kim này có độ bền cơ học cao vì có lớp màng ôxit Crôm (Cr203) bảo vệ, dẻo, dễ gia công, điện trở suất lớn, hệ số nhiệt điện trở bé, sử dụng với lò có nhiệt độ làm việc dưới 1200°C. - Hợp kim Crôm - Nhôm (Fexran), có các đặc điểm như hợp kim Nicrôm
nhưng có nhược điểm là giòn, khó gia công, độ bền cơ học kém trong môi trường nhiệt độ cao.
Dây điện trở bằng kim loại (bảng 3.1)
nghiệp
Tantan (Ta) và Wonfram (W) dùng cho các lò điện trở chân không hoặc lò điện trở có khí bảo vệ.
Điện trở nung nóng bằng vật liệu kim loại (bảng 3.2)
- Vật liệu Cacbuarun (SiC) chịu được nhiệt độ cao tới 1450°C, thường dùng cho lò điện trở có nhiệt độ cao, dùng để tôi dụng cụ cắt gọt.
- Cripton là hỗn hợp của graphic, cacbuarun và đất sét, chúng được chế tạo dưới dạng hạt có đường kính 2-3mm, thường dùng cho lò điện trở trong phòng thí nghiệm yêu cầu nhiệt độ lên đến 1800°C.
Từ các đặc tính của các vật liệu trên kết hợp với mức độ phổ biến của chúng trên thị trường, hợp kim nicrom X20H80T (hợp kim niken-crom) được sử dụng để làm dây điện trở của lò nung.
Bảng 3.1. Đặc tính kỹ thuật vật liệu chế tạo dây điện trở kim loại và hợp kim
Vật liệu làm dây điện trở Khối lượng riêng ở 20°C, g/cm3 Điện trở suất ở 0°C, ρ, Ω.mm2 /m Hệ số nhiệt điện trở a.103 Nhiệt độ chảy lỏng, (°C) Nhiêt độ làm việc cực đại, C Nhiệt độ làm việc (°C) Làm việc liên tục Làm việc gián đoạn -X20H80 8,40 1,100 0,035 1400 1150 1050 1000 Nicrôm -X20H80T 8,20 1,270 0,022 1400 1200 1050 1000 -X15H60 8,30 1,100 0,100 1400 1050 950 900 Thép - X2 7,85 0,900 0,350 1400 1100 850 800 Hợpkim-X13 4 7,20 1,260 0,150 1450 900 750 650 Hợp kim-0X17 5 7,10 1,300 0,060 1450 1050 Hợp kim - 0X25 5 7,00 1,400 0,050 1450 1200 - 595(0X23 5A) 7,30 1,350 0,050 1525 1250 1050 1000 - 626(0X27 5A) 7,20 1,420 0,022 1525 1300 1150 1100 Vonfram, w 19,34 0,050 4,300 3410 3000* Milipden, Mo 10,20 0,052 5,100 2625 2200* Platin, Pt 21,46 0,098 8,950 1755 1400 Săt, Fe 7,88 0,090 11,30 1535 400 Niken, Ni 8,90 0,065 13,40 1452 1000
nghiệp SiC (cacbuarun) 2,30 800- 900 Thay đổi theo nhiệt đô (hê sô nhiệt điện trở âm) - 1500 1250 1200 Grafit 1,60 8-3 - 2000 (2800)* Cacbon (than) 1,60 10- 60 - 2000 (2500)* Cripton (hỗn hợp của graphit, cacbon và đất sét) 1,00 1,25 600- 2000
Bảng 3.2. Đặc tính kỹ thuật của thanh nung cacbuarun (Nga chế tạo)