D- Phân phối sản phẩm của quá trình nhiệt phân
PHẦN BỐN: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ
TIÊU THỤ
Ở đây để có số liệu cho tính toán cân bằng vật chất, năng lượng ta sẽ chọn công nghệ của đại học Hunan. Các thông tin, số liệu, phương trình trong phần này được lấy từ tài liệu [2]
Mỗi loại nhựa bị crack theo các cơ chế khác nhau hoặc theo nhiều cơ chế với tỷ lệ khác nhau, do đó năng lượng yêu cầu có các phản ứng này cũng như thành phần sản phẩm ra là khác nhau. Ở nhiệt độ, áp suất thích hợp và sử dụng xúc tác tốt, ta có thể thu được sản phẩm có giá trị cao về mặt thương phẩm. Nhựa PE và PP bị phân giải ở nhiệt độ cao ( > 3500C) cho ra các sản phẩm nhẹ, nhiệt độ càng cao thì lượng sản phẩm nhẹ càng cao. Theo một nghiên cứu của giáo sư Yuan Xing Zhong thuộc khoa Khoa học và Kỹ thuật môi trường của Đại học Hunan,
Changsha, tỉnh Hunan, Trung Quốc (bài báo: Converting waste plastics into liquid fuel by pyrolysis: development in China) thì ta thu được bảng cân bằng vật chất ứng với nguyên liệu đầu khác nhau như sau:
Giả sử quá trình của ta là quá trình cracking PE thì cân bằng vật chất như sau:
2- Tính toán cân bằng vật chất cho toàn hệ thống
Giả sử dây chuyền sản xuất liên tục 24/24 giờ. Thời gian cho các công việc: bảo dưỡng, sửa chữa, vệ sinh… trong một năm dự kiến là 20 ngày. Do đó thời gian làm việc của dây chuyền trong 1 năm là:
Hay 345.24 = 8280 giờ/năm.
Năng suất thiết bị: giả sử thiết bị của ta xử lý 40000 tấn PE/năm
Năng suất thiết bị là:
Do đây là PE phế thải nên ta giả sử trong thành phần của nhựa phế thải này có 90% PE, còn lại là bụi bẩn, tạp chất, phụ gia… 10% không phải là PE này được loại bỏ trong giai đoạn tiền xử lý.
Như vậy lượng nguyên liệu PE cần xử lý trong 1 giờ là: 4830,918.90% = 4347,8262 (kg/h)
Lượng tạp chất, phụ gia là:
4830,918 – 4347,8262 = 483,0918 (kg/h)
Theo như lưu trình cân bằng vật chất, ta tính được lượng sản phẩm ra như sau: - Khí dầu hỏa : 0,02.4347,8262 = 86,9565 (kg/h)
- Xăng dạng khí: 0,46. 4347,8262 = 2000,0001 (kg/h) - Dầu diesel dạng khí: 0,34. 4347,8262 = 1478,2609 (kg/h) - Dầu cặn lỏng: 0,18. 4347,8262 = 728,6087 (kg/h)
Ta có bảng cân bằng vật chất sau:
Lượng vật chất đi vào Lượng vật chất đi ra
Thành phần Kg/h Thành phần Kg/h PE 4347,8262 Khí dầu hỏa 86,9565 Bụi bẩn, tạp chất, phụ gia… 483,0918 Xăng dạng khí 2000,0001 Dầu diesel dạng khí 1478,2609 Dầu cặn lỏng 782,6087
Bụi bẩn, tạp chất, phụ
gia… 483,0918
Tổng 4830,918 Tổng 4830,918
3- Tính toán năng lượng tiêu thụ
Nhiệt yêu cầu có phản ứng cracking xúc tác thấp hơn nhiều so với phản ứng cracking nhiệt, ngoài ra không cần cung cấp thêm nhiệt khi gia nhiệt cho tầng xúc tác vì lượng khí tạo thành trong chính phản ứng sẽ cung cấp nhiên liệu cho quá trình đốt, cấp nhiệt này. Do vậy, ở đây để đơn giản hóa ta tính cân bằng nhiệt lượng cho phản ứng cracking nhiệt. Nguyên liệu của ta là PE, sau khi phân giải và ngưng tụ, PE được chuyển hóa thành nhiên liệu lỏng (một hỗn hợp xăng và dầu diesel) và khí nhiên liệu. Một lần nữa để đơn giản hóa việc tính toán, ta lấy khối lượng phân tử trung bình của PE là 8,75.104 và độ khử trùng hợp trung bình là 3125. Ở đây khí nhiên liệu là C3H8, xăng là C8H18, dầu diesel là C16H34 và cặn dầu là C30H62.
Giả sử với 1kg nguyên liệu đầu PE, tổng năng lượng cần cho quá trình được tính toán như sau:
Với Q là năng lượng yêu cầu cho cả quá trình cracking (kJ), ni là số phân tử của cấu tử i (mol), Hi là entanpi của cấu tử i (kJ.mol-1).
Bằng phương pháp tích phân, giáo sư Yuan Xinh Zhong thuộc đại học Hunan đã tính được: dưới điều kiện áp suất 101-203Mpa, nhiệt độ 200 – 3000C, entanpi tổng cần cho quá trình cracking 1kg PE là 2124,7kJ.kg-1.
Vậy với năng suất tổ hợp là cracking 4347,8262 kg/h ta cần lượng nhiệt là: 4347,8262. 2124,7 = 9237826,3270 (kJ/h)