MỤC LỤC

Chương 1.... 6

I. Mục đích đề tài 6

1. Tính thực tiễn của đề tài 6

2. Lợi ích của việc dùng gasohol 7

II. Những đặc tính của cồn tinh luyện. 8

1. Các phương pháp sản xuất cồn. 8

2. Tính chất và ứng dụng của cồn. 8

III. Cồn nhiên liệu. 9

1. Lịch sử phát triển. 9

2. Yêu cầu về chất lượng. 9

3. Các phương pháp pha cồn vào xăng. 12

4. Ưu nhược điểm của xăng pha cồn với xăng truyền thống. 12

IV. Các phương pháp sản xuất cồn nhiên liệu. 13

1. Phương pháp chưng luyện. 13

2. Phương pháp bay hơi thẩm thấu qua màng. 13

3. Phương pháp hấp phụ (rây phân tử). 14

4. Phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp. 17

V. Vật liệu hấp phụ Zeolite. 18

1. Cấu trúc của zeolite. 18

2. Phân loại Zeolite. 18

3. Xác định bề mặt riêng của zeolite. 19

4. Một số đặc trưng của Zeolite 4A.. 20

Chương 2.... 21

I. Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir. 21

II. Thuyết hấp phụ Fruendlich. 22

III. Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Brunauer - Emmett - Teller (BET). 23

IV. Một số thực nghiệm về phương pháp hấp phụ sản xuất cồn bằng vật liệu zeolite. 23

Chương 3..... 28

I. Lựa chọn quy trình công nghệ. 28

II. Thuyết minh quy trình công nghệ. 28

Chương 4.... 29

I. Cân bằng vật chất cho quá trình hấp phụ. 29

II. Tính toán chiều cao lớp hấp phụ. 31

1. Đường kính của tháp. 31

2. Tính chiều cao tháp. 32

3. Tính toán thời gian hấp phụ. 32

4. Tính toán lượng zeolite cần thiết 33

III. Cân bằng nhiệt lượng cho quá trình hấp phụ. 33

Chương 5..... 35

I. Chọn tác nhân giải hấp phụ. 35

II. Cân bằng vật chất cho quá trình nhả hấp phụ. 35

II. Tính toán vận tốc hơi  giải hấp đi trong tháp. 37

II. Các giai đoạn nhả hấp phụ. 37

Chương 6..... 39

I. Tính toán chiều cao toàn bộ tháp. 39

II. Tính tổn thất áp suất của dòng khí qua lớp hấp phụ. 39

III. Tính toán cơ khí cho thân tháp. 39

1. Tính bề dày cho thân trụ hàn chịu áp suất trong. 40

2. Tính đáy, nắp tháp. 40

3. Tính đường kính và bích ghép các ống dẫn. 41

4. Tính chân đỡ tai treo cho tháp. 44

Chương 7..... 47

I. Tính toán nồi đun. 47

1. Lượng hơi đốt cần dùng. 47

2. Hiệu nhiệt độ trung bình 48

3. Hệ số cấp nhiệt của cồn sôi sủi bọt trong thiết bị đun sôi 48

4. Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ phía trong ống. 48

5. Mật độ dòng nhiệt truyền qua vách. 49

6. Hệ số truyền nhiệt tổng quát 49

7. Bề mặt truyền nhiệt 50

II. Năng suất nhiệt của caloriphe. 50

III. Tính toán thiết bị ngưng tụ sản phẩm.. 50

1. Lượng nước cần dùng để giải nhiệt 50

2. Hiệu nhiệt độ trung bình. 51

3. Hệ số cấp nhiệt hơi cồn tình khiết ngưng tụ trên bề mặt ống đứng 51

4. Hệ số cấp nhiệt của nước giải nhiệt đi trong ống 51

5. Mật độ dòng nhiệt truyền qua vách 52

6. Hệ số truyền nhiệt tổng quát 52

7. Bề mặt truyền nhiệt 53

Kết Luận

Tài Liệu tham khảo

Chương 1

TỔNG QUAN

I. Mục đích đề tài

1. Tính thực tiễn của đề tài

Các nhà khoa học cho biết, chúng ta đang sống trong một giai đoạn lịch sử mới cảu trái đất - kỷ nguyên loại người - khi chúng ta là nguồn lực chính của trái đất. Nhưng hiện nay sự thành công thái quá của con người đã gây ra những áp lực chưa từng thấy cho hệ sinh thái trái đất và đe dọa chính loài người . Theo các chuyên gia, chúng ta đang phải đối mặt với sáu vấn đề  có liên quan tới nhau và rất cấp bách:

- Lương thực: Cứ sáu người thì có một người bị đói và suy dinh dưỡng trong khi đó quá trình công nghiệp hóa và dân số tăng đang làm giảm diện tích trồng cây lương thực

- Nước: Đến năm 2025, 2/3 dân số thế giới phải sống trong vùng thiếu nước sạch

Mặt khác việc sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch làm cho môi trường bị ô nhiễm nghiêm trọng. Việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch thải ra rất nhiều khí ô nhiễm như COx, NOx, SOx, các hợp chất hydrocacbon… Gây nên nhiều hiệu ứng xấu đến môi trường sống, ảnh hưởng lơn đến chất lượng cuộc sống

Tất cả các yếu tố trên cho thấy việc sản xuất Ethanol pha xăng từ các phụ phẩm của sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam là rất khả thi

Vì những lý do trên, đề tài “ Thiết kế phân xưởng tinh luyện cồn tuyệt đối dùng để pha xăng” là công đoạn cuối cùng của dây chuyền sản xuất cồn pha xăng có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của loại nhiên liệu mới này

2. Lợi ích của việc dùng gasohol

Xét về mặt năng lượng thì cồn tinh luyện không có lợi hơn so với xăng (năng lượng sinh ra khi đốt cháy cồn chỉ bằng 62% khi đốt cháy xăng) nhưng việc ứng dụng gasohol vào thực tế sẽ mang nhiều lợi ích kinh tế:

- Tiết kiệm được lượng xăng nhập khẩu nếu pha thêm 10% Ethanol vào xăng mà bảo đảm động cơ vẫn hoạt động bình thường thì có nghĩa là ta sẽ giảm được 10% lượng xăng nhập khẩu qua đó tiết kiệm được rất nhiều ngân sách dành cho việc nhập khẩu xăng.

- Ethanol có chỉ số octane cao, nên khi pha thêm Ethanol vào xăng làm tăng thêm chỉ số này và cũng đồng thời tăng chất lượng xăng

II. Những đặc tính của cồn tinh luyện

1. Các phương pháp sản xuất cồn

1.1. Hydrat hóa ethylen

Ethanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thông thường nó được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp hydat hóa ethylen trên xúc tác axit, được trình bày theo phản ứng hóa học sau. Cho ethylen hợp nước ở 300⁰C áp suất 70 – 80 atm với xúc tác là axit photphoric:

H₂C = CH₂ +H₂O → CH₃CH₂OH

1.2. Phương pháp lên men

Ethanol sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng như phần lớn ethanol sử dụng trong công nghiệp, nhiên liệu… được sản xuất theo phương pháp lên men: quá trình này là chuyển hóa đường thành ethanol bằng nấm men (người ta thường dùng loại Saccharomyses cerevisiae) trong điều kiện không có oxy.

2. Tính chất và ứng dụng của cồn

2.1. Tính chất vật lý

Ethanol là chất lỏng không màu, mùi thơm, dễ cháy, dễ hút ẩm, có độ phân cực mạnh. Ethanol có thể hòa tan nhiều chất vô cơ cũng như hữu cơ nên được sử dụng làm dung môi rất tốt. Ethanol dễ cháy và có thể tạo hỗn hợp nổ với không khí. Ethanol tạo hỗn hợp đẳng phí với nước ở 89,4% mol, nhiệt độ sôi của hỗn hợp này ở 1 atm là 78,4⁰C

2.2. Ứng dụng

Cồn là hỗn hợp Ethanol và nước có ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội:

- Cồn pha với nước thành đồ uống, chế biến thức ăn, chế biến các loại hương

- Trong y tế cồn là nguyên liệu trung gian để sản xuất nhiều loại thuốc, cồn còn làm chất sát trùng

- Trong ngành công nghiệp sơn cồn dùng làm dung môi

III. Cồn nhiên liệu

1. Lịch sử phát triển

Từ những năm 20 của thế kỉ XX cồn đã được nghiên cứu, sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ ôtô xe máy thay thế cho xăng dầu. Điển hình cho hướng đi tiên phong này là Mỹ và Brasil. Tuy nhiên với việc phát hiện ra các mỏ dầu có trữ lượng lớn cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp lọc hóa dầu đã sản xuất ra sản phẩm xăng dầu chất lượng cao giá thành hạ đã làm cho cồn nhiên liệu bị đẩy lùi

2. Yêu cầu về chất lượng

Thực ra cồn cũng là hợp chất cacbuahydro như dầu mỏ nên có tính cháy nổ tốt. Vì vậy về nguyên tắc với cồn khan 99,5% trở lên là có thể cho vào động cơ chạy được, tuy nhiên cồn có nhiều đặc tính như ăn mòn kim loại, lăm hư các chi tiết cao su hay nhựa trong động cơ nên nếu không cải tiến động cơ thì không thể thay thế hoàn toàn xăng bằng cồn khan để chạy động cơ được.

3. Các phương pháp pha cồn vào xăng

Cồn có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho vào động cơ ở nhiều dạng khác nhau, cụ thể là pha lẫn với xăng với tỷ lệ nào đó hoặc sử dụng 100% cồn. Qua việc thử nghiệm trên các loại động cơ với nhiên liệu có cồn người ta thấy rằng nếu tỉ lệ cồn không quá 10%tt thì không cần thay đổi kết cấu động cơ

IV. Các phương pháp sản xuất cồn nhiên liệu

Ethanol thu được sau quá trình lên men rỉ đường, tinh bột hoặc xenllulo có nồng độ khoảng 10%tt – 12%tt. Để thu được cồn có nồng độ lớn hơn nồng độ tại điểm đẳng phí thông thường phải trải qua các giai đoạn chính sau:

+ Giai đoạn 1: Sử dụng các phương pháp chưng cất thông thường để nâng cao độ cồn tới gần điểm đẳng phí (96,4%tt)

+ Giai đoạn 2: Sử dụng các phương pháp đặc biệt khác để tinh chế, làm khan cồn. Để làm khan cồn hiện nay người ta thường sử dụng các phương pháp:

- Chưng luyện:

Chưng luyện đẳng phí

Trích ly muối rắn

1. Phương pháp chưng luyện

1.1. Phương pháp chưng luyện đẳng phí

Nguyên tắc của phương pháp này là cho thêm cấu tử thứ ba vào hỗn hợp để phá điểm đẳng phí, cấu tử thứ ba này sẽ tạo thành với cấu tử dễ bay hơi thành một dung dịch đẳng phí có độ bay hơi lớn hơn và sản phẩm đáy tháp sẽ ở dạng nguyên chất.

Cấu tử thứ ba thường dùng là Benzene, Clorofom, toluene…

2. Phương pháp bay hơi thẩm thấu qua màng

Phương pháp bay hơi thẩm thấu qua màng lọc dựa trên nguyên tắc sử dụng màng có khả năng hút nước cao, có khả năng thẩm thấu ngược để tách nước ra khỏi hỗn hợp các cấu tử.

Bay hơi qua màng rất hiệu quả cho quá trình phân tách hỗn hợp lỏng ví dụ như loại nước ra khỏi hỗn hợp ethanol – nước để sản xuất cồn cao độ. Kích thước của màng phụ thuộc lưu lượng chảy qua màng. Phương pháp này màng lọc rất dễ bị ngộ độc hay mất dần khả năng thầm thấu nên thường xuyên thay màng.

3. Phương pháp hấp phụ (rây phân tử)

Rây phân tử (hay còn gọi là sàng phân tử) là quá trình sử dụng các chất hấp phụ chọn lọc để phân riêng hỗn hợp có nồng độ thấp. Khi cho một hỗn hợp các cấu tử có kích thước khác nhau đi qua chất hấp phụ thì cấu tử có kích thước nhỏ hơn kích thước mao quản chất hấp phụ sẽ được giữ lại còn cấu tử có kích thước lớn hơn sẽ đi ra ngoài và ta thu được dòng vật chất có nồng độ cao hơn. 

4. Phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp

4.1. Phương pháp chưng luyện đẳng phí

* Ưu điểm:

- Là phương pháp tách hiệu quả hệ hai hay nhiều cấu tử có tạo thành điểm đẳng phí khi

tiến hành chưng ở điều kiện thường

- Với việc lựa chọn dung môi hợp lý quá trình chưng cất sẽ đơn giản dễ vận hành

* Nhược điểm:

- Bằng việc thêm vào Benzene, cyclohexane trong sản phẩm sẽ còn lại một lượng dư lượng nhỏ những chất này, nhưng đây là những chất rất độc hại với cơ thể con người.

4.3. Phương pháp rây phân tử

* Ưu điểm

- Có thể nâng cao độ cồn lên tới 99,9% tt với phương pháp hấp phụ phù hợp

- Có thể thay thế các thông số vận hành trong khoảng rộng

- Không có các tác nhân độc hại

* Nhược điểm

- Phương pháp này chỉ áp dụng với nồng độ đầu vào của cồn cao,thường là ngay tại gần điểm đẳng phí. Bởi vì nếu lượng nước chứa trong hỗn hợp cồn nhiều sẽ làm cho lớp hấp phụ nhanh chóng bị bão hòa năng suất sẽ thấp, quá trình tái sinh tốn nhiều năng lượng

V. Vật liệu hấp phụ Zeolite

1. Cấu trúc của zeolite

Zeolite là vật liệu xốp được biết đến đầu tiên vào năm 1756 bởi nhà khoáng vật

học người Thụy Điển A.F. Cronsteds. Zeolite tự nhiên được hình thành trong quá trình hoạt động của núi lửa và là các Aluminosilicat tinh thể cấu trúc mao quản rất đồng đều cho phép chúng sàng lọc những phân tử theo cấu trúc xác định. Hiện nay có hơn 40 loại Zeolite được tìm thấy trong tự nhiên và có khoảng 100 loại zeolite tổng hợp với kích thước mao quản nằm trong khoảng 3A⁰ – 30A⁰. 

2. Phân loại Zeolite

2.1. Phân loại theo kích thước mao quản

Theo kích thước mao quản thì zeolite được chia làm ba loại sau đây:

- Zeolite mao quản rộng: đường kính mao quản lớn hơn 8A⁰

- Zeolite mao quản trung bình: đường kính nằm trong khoảng 5A⁰ – 8A⁰

- Zeolite mao quản nhỏ: đường kính mao quản nhỏ hơn 5A⁰

2.2. Phân loại Zeolite theo tỉ lệ Si/Al

Tùy thuộc vào hàm lượng Si và Al có trong thành phần zeolite mà chúng được phân loại như sau:

- Loại giàu Al: theo quy tắc của Lowenstain thì hàm lượng Si trong Zeolite lớn hơn của Al, tức là tỉ số Si/Al luôn lớn hơn một, dựa vào tỉ số này ta phân loại. Trong loại giàu Al thì điển hình là các zeolite 3A, 4A, 5A với các cation bù trừ điện tích lần lượt là Na, K, và Ca

- Loại có hàm lượng Al trung bình: với tỉ số Si/Al trong khoảng 1,2 – 2,5 ta có các zeolite thuộc loại này là zeolite họ X, Y

4. Một số đặc trưng của Zeolite 4A

Zeolite 4A là loại Zeolite có kích thước mao quản trung bình 4A⁰. Zeolite 4A được hình thành nhờ sự kết hợp giữa oxit natri, oxit nhôm, oxit silic với nhau với tỷ lệ 1Na₂O: 1Al₂O₃: 2SiO₂: xH₂O. Bảng 5 dưới đây sẽ liệt kê các tính chất đặc trưng của Zeolite 4A

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT HẤP PHỤ

I. Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir

Theo Langmuir trên bề mặt chất hấp phụ có trường lực hóa trị chưa bão hòa vì vậy có thể hấp phụ các phân tử chất bị hấp phụ tại các vị trí này các vị trí này cò được gọi là trung tâm hấp phụ. Lực hấp phụ có bán kính tác dụng rất nhỏ là lực bản chất gần với lực hóa học nên mỗi tâm chỉ giữ lại được một phân tử chất hấp phụ tạo thành lớp hấp phụ đơn lớp trên bề mặt chất hấp phụ.

Những giả thiết khi lập phương trình Langmuir

- Các chất bị hấp phụ tạo thành đơn lớp phân tử

- Năng lượng hấp phụ các phân tử là đồng nhất (bề mặt đồng nhất)

- Sự hấp phụ là thuận nghịch

II. Thuyết hấp phụ Fruendlich

Nghiên cứu thực nghiệm quá trình hấp phụ Fruendlich đã đưa ra phương trình thực nghiệm:

x = K.P^1/n

Trong đó: x: độ hấp phụ, P: áp suất khí cân bằng trên bề mặt hấp phụ, K: hằng số, n: số phân tử bị hấp phụ

- Nếu n < 5 thì x = K.P^1/n

Suy ra dạng đường thẳng:

Lgx = lgb +(1/n).lgP

- Nếu n > 5 ta có dạng của đường Fruendlich

x = C₁ +C₂lnP

Trong đó C₁, C₂ là các hằng số

III. Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Brunauer - Emmett – Teller (BET)

Trong thực tế người ta thấy có nhiều dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ khác với đường đẳng nhiệt Fruendlich hay Langmuir. Các nhà khoa học Brunauer – Emmett- Teller đã tìm ra lý thuyết giải thích và mối quan hệ định lượng chúng dưới dạng phương trình đẳng nhiệt BET. 

IV. Một số thực nghiệm về phương pháp hấp phụ sản xuất cồn bằng vật liệu zeolite

1. Báo cáo của E.Lalik, R.Mirek, J.Raocry, A.Groszek – 17/4/2006 “Microcalorimetric study of sorption of water and ethanol”

Lượng Zeolite trong mẫu: 0,02g

Lượng chất mang (thạch anh): 0,2g

Nhiệt độ khảo sát: zeolite 3A là 98⁰C, 5A là 95⁰C

2. Thực nghiệm “Nghiên cứu khảo sát động học quá trình hấp phụ cồn bằng Zeolite 4A”.

Hệ thống thí nghiệm:

Đường kính trung bình hạt zeolite: 2mm

Loại Zeolite 4A nhập từ Trung Quốc

Tổng khối lượng zeolite 338,623g

Suy ra x_m = 0,1308 g_H2O/g_zeolite

* Quá trình nhả hấp phụ :

Trong quá trình nhả hấp phụ ta sử dụng trực tiếp hơi cồn khan khi qua tháp hấp phụ làm tác nhân giải hấp.

Từ đồ thị trên ta thấy rằng trong khoảng 0 đến 250 phút thì tốc độ giải hấp lớn hơn tốc độ hấp phụ do đó trong khoảng thời gian này ta có thể sử dụng để tính toán cho quá trình hấp phụ và giải hấp. Ta chọn quá trình giải hấp tai nhiệt độ 140⁰C, lưu lượng cồn khan giải hấp bằng 20% lưu lượng cồn khan ra khỏi tháp hấp phụ, áp suất giải hấp - 0,7atm

Chương 3

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

I. Lựa chọn quy trình công nghệ

Qua tham khảo các tài liệu và phân tích các thông số đầu vào đã đi đến chọn công nghệ hấp phụ sử dụng chất rây phân tử Zolite để làm khan cồn, quá trình giải hấp lựa chọn môi chất giải hấp là khí nito khan được bán rộng rãi trên thị trường.

II. Thuyết minh quy trình công nghệ

Cồn lỏng với nồng độ 92% khối lượng được bơm 2 bơm từ bồn chứa 3 lên thiết bị tạo hơi, ở đây cồn lỏng được hóa hơi và quá nhiệt tới 80⁰C và được nén lên áp suất 3,5 at tại máy nén 5, dòng hơi cồn nguyên liệu tiếp tục được đưa qua thiết bị tách dầu 6 trước khi đẩy vào tháp hấp phụ. Hệ thống tháp hấp phụ bao gồm hai tháp làm việc gián đoạn song song nhau, trong khi một tháp làm nhiệm vụ hấp phụ thì tháp kia làm nhiệm vụ giải hấp cứ liên tục chuyển đổi như vậy.

Chương 4

QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ

I. Cân bằng vật chất cho quá trình hấp phụ

Các kí hiệu:

G_v: Lưu lượng cồn vào tháp hấp phụ, kg/h  

G_r: Lưu lượng dòng cồn khan ra khỏi tháp, kg/h

G_H2O: Lượng nước bị hấp phụ trong tháp, kg/h

G_z: Khối lượng zeolite cần dùng, kg

r_v: Khối lượng riêng của hỗn hợp hơi đầu vào

r_r: Khối lượng riêng hỗn hợp khí đầu ra

r_tb: Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí ở đầu vào và đầu ra của tháp

* Tính cân bằng vật chất cho cấu tử bị hấp phụ là nước:

Lưu lượng cồn ra khỏi tháp hấp phụ

G_r = 5000l/h = 5000.0,356 = 1780 kg/h

Lưu lượng dòng trơ (dòng ethanol) đầu ra

G_tr = G_r.x_r = 1780.0,995 = 1771,1 kg/h

Lưu lượng dòng hơi nước đầu ra

G_NR = 1780 -1771,1 = 8,9 kg/h

Lưu lượng dòng khí trơ đầu vào cũng và đầu ra không thay đổi(ta coi ethanol hoàn toàn không bị hấp phụ)  

II. Tính toán chiều cao lớp hấp phụ

Chiều cao lớp hấp phụ có thể tính theo nhiều phương pháp tùy vào số liệu đường cân bằng, phương pháp và thiết bị thực hiện quá trình. Chiều cao tháp được tính theo phương pháp tổng quát dựa vào số đơn vị truyền khối

III. Cân bằng nhiệt lượng cho quá trình hấp phụ

Gọi Q₁ : nhiệt lượng dòng hơi cồn nhập liệu mang vào tháp, kJ

Q_hp :  nhiệt hấp phụ, kJ

Q_ms : nhiệt sinh ra do ma sát giữa dòng khí chuyển động và lớp hạt zeolite đứng yên, kJ

Q_tt : nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh, kJ

Q₂ : nhiệt lượng dòng hơi cồn mang ra khỏi tháp

Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp ta có

Q₂ = Q₁ + Q_hp + Q_ms - Q_tt

Vậy:

Q₂ = Q₁ + Q_hp + Q_ms + Q_tt = (205 +14,75).(1,1-0.5) = 230,7kW

Q₂ = G_r.i_r G_r.C.T

G_r : lưu lượng dòng cồn khan ra khỏi tháp, kg/h; i_r : nhiệt lượng riêng của dòng cồn khan ra khỏi tháp, kJ/kg; C: nhiệt dung riêng của dòng sản phẩm, kJ/kg.độ; t : nhiệt độ dòng cồn ra,⁰C, ta có: t = 127,8⁰ C

Chương 5

QUÁ TRÌNH GIẢI HẤP PHỤ

I. Chọn tác nhân giải hấp phụ

Ta có thể dùng các chất hữu cơ hay khí trơ thích hợp để thực hiện quá trình nhả hấp phụ. Theo các nghiên cứu gần đây nếu ta sử dụng khí nito để thực hiện quá trình nhả hấp cho cột hấp phụ làm khan cồn tốc độ nhả nhanh đồng thời dùng nito nguội để hoạt hóa cho zeolite thì có thể phục hồi gần như hoàn toàn hoạt tính của chất hấp phụ.

II. Cân bằng vật chất cho quá trình nhả hấp phụ

Khi dùng hơi nito để nhả hấp thì lượng hơi tiêu tốn để

- Đun nóng hệ đến nhiệt độ nhả

- Nhả chất bị hấp phụ(hơi nước) ra khỏi chất hấp phụ(zeolite)

- Đẩy chất hấp phụ ra khỏi tháp

- Tổn thất ra môi trường xung quanh

- Coi như lượng nito bị hấp phụ không đáng kể…

II. Tính toán vận tốc hơi  giải hấp đi trong tháp

Lớp hạt zeolite đường kính 2mm, khối lượng riêng của Zeolite 1100kg/m³, khối lượng riêng xốp của khối hạt 650kg/m³, độ nhớt dòng hơi tại nhiệt độ trung bình 240⁰C là m = 0,11.10^-3 N.s/m², khối lượng riêng dòng khí 693kg/m³. Từ đây ta tính tốc độ tới hạn chuyển từ lớp hạt tĩnh sang trạng thái lơ lửng tầng sôi.

II. Các giai đoạn nhả hấp phụ

Nhả hấp phụ được chia làm ba giai đoạn

* Cân bằng áp suất:

Giai đoạn này ta xả áp trong thiết bị hấp phụ đến áp suất khí quyển sau đó chuyển tháp sang giai đoạn nhả hấp, giai đoạn này diễn ra trong 10 phút

* Gia nhiệt và giải hấp:

Trong khoảng thời gian một tháp hấp phụ thì tháp còn lại sẽ làm nhiệm vụ nhả hấp phụ. Giai đoạn này diễn ra khoảng 120 phút với dòng Nito khan có lưu lượng 376,6kg/h, nhiệt độ 300⁰C áp suất 1,5 atm

Chương 6

TÍNH TOÁN CƠ KHÍ

I. Tính toán chiều cao toàn bộ tháp

Chiều cao toàn tháp

            H = H_O + H_T + H_B = 3,2 +0,5 +0,5 = 4,2 m

II. Tính tổn thất áp suất của dòng khí qua lớp hấp phụ

Tổn thất áp suất của khí khi qua lớp hạt hấp phụ được xác định qua công thức của daski.

P_d = P - DP = 3,5.9,81.10⁴ – 18,7.10³ = 3,2.10⁵ N/m²

III. Tính toán cơ khí cho thân tháp

Thân tháp hình trụ hàn với mối hàn giáp mối

Chọn vật liệu chế tạo X18H10T

Nhiệt độ tính toán lấy tại nhiệt độ cao nhất 300⁰C

Áp suất tính toán 3,5at

Ứng suất cho phép tiêu chuẩn tại 300⁰C,[ s*] = 125 N/mm²

1. Tính bề dày cho thân trụ hàn chịu áp suất trong

Xác định áp suất tác động lên phần dưới tháp có kể cả áp suất của lớp zeolite        

P = P_m + g.r_x.H = 3,5.9,81.10⁴.10^-6 + 3,2.9,81.650.10^-6 = 0,363 N/mm²

Vậy ta chọn bề dày tháp 4 mm

3. Tính đường kính và bích ghép các ống dẫn

Ống dẫn thường được nối với thiết bị bằng mối ghép tháo được hoặc không tháo được. Trong thiết bị này, ta sử dụng mối ghép tháo được.

Đối với mối ghép tháo được, người ta làm đoạn ống nối, đó là đoạn ống ngắn có mặt bích hay ren để nối với ống dẫn:

- Loại có mặt bích thường dùng với ống có đường kính d > 10mm.

- Loại ren chủ yếu dùng với ống có đường kính d £ 10mm, đôi khi có thể dùng với d £ 32mm.

Ống dẫn được làm bằng thép X18H10T.

4. Tính chân đỡ tai treo cho tháp

Khối lượng zeolite: M_Z = 1040 kg

Chọn chân đỡ: tháp được đỡ trên ba chân.

Khối lượng một chân đỡ:

m_{1 chânđỡ} = V_{1 chânđỡ  .} r_CT3 = 2,69.10^-3.7850 = 21,1kg

Chương 7

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ

I. Tính toán nồi đun

Sử dụng nồi đun kettel.

Ống truyền nhiệt được làm bằng thép với kích thước 38x3

Đường kính ngoài: d_n = 38 mm = 0,038 m

Bề dày ống: d_t = 3 mm = 0,003 m

Đường kính trong: d_tr = 0,032 m

Hơi đốt là hơi nước 2,0at, hơi đốt đi trong ống

Nhiệt độ hơi đốt 119,6⁰C

Ẩn nhiệt ngưng tụ 2208 kJ/kg

Dòng cồn nguyên liệu có nhiệt độ

Trước khi vào nồi đun t₁ = 30⁰C (trạng thái lỏng)

1. Lượng hơi đốt cần dùng

Nhiệt lượng để bốc hơi lượng cồn nhập liệu từ nhiệt độ ban đầu

Q = G_∑V.C_l.DT₁ + G_∑V.r + G_∑V.C_h. DT₂

Trong đó: C_l, C_h : lân lượt là nhiệt dung riêng của cồn lỏng, và hỗn hợp hơi cồn nhập liệu, kJ/kg.độ; DT₁,  DT₂ : lần lượt là chênh lệch nhiệt độ của hỗn hợp lỏng nhập liệu - nhiệt độ sôi và nhiệt độ sôi - nhiệt độ quá nhiệt của hơi đi vào máy nén, ⁰C; r : nhiệt hóa hơi của cồn nhập liệu

C_l = C_le.(1-x_c) + C_ln.x_c =  2,71.(1- 0,08) + 4,18.0,08 = 2,83kJ/kg.độ

r = r_e.( 1-x_c) + r_ln.x_c = 826.(1 – 0,08) + 2264.0,08 = 941kJ/kg

Q = 1925,1.2,83(78,4-30) + 1925,1.941 + 1925,1.3,5.(83,4-78.4) = 585,8 kW

4. Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ phía trong ống

Dùng phương pháp lặp ta chọn nhiệt độ vách trong t_w1 = 110⁰C, tại nhiệt độ nước ngưng 119,6⁰C tính chất vật lý của dòng hơi và nước ngưng trong ống

Ẩn nhiệt ngưng tụ r_n = 2208 kJ/kg

Khối lượng riêng của màng nước ngưng r_n = 926,1 kg/m³

Hệ số dẫn nhiệt của màng nước ngưng l_n = 0,686 W/m.độ

Độ nhớt của màng nước ngưng m_n = 0,237.10^-3 N.s/m²

5. Mật độ dòng nhiệt truyền qua vách

q_t = q_n = a_n.(t_n – t_w1) = 2184.(119,6-110) =20966,4 W/m²

Kiểm tra lại giá trị q: q = a_S.(t_w2 - t_n) = 1020,5.(98,9 – 78,4) = 20920,25 W/m²

Giá trị q không thay đổi nhiều (không quá 5%) do đó nhiệt độ t_w1 ban đầu ta giả sử được chấp nhận

II. Năng suất nhiệt của caloriphe

Nhiệt độ khí nitơ vào, t_v = 35⁰C

Nhiệt độ khí nitơ ra khỏi caloriphe, t_r = 300⁰C

Lưu lượng khí vào, G = 381,1kg/h

Nhiệt dung riêng trung bình của nitơ tại nhiệt độ 167,5⁰C, c = 1163J/kg.độ

Năng suất nhiệt của caloriphe

Q = G.C.Dt = 381,1.1163.265 = 32,6kW

III. Tính toán thiết bị ngưng tụ sản phẩm 

Chọn thiết bị ngưng tụ kiểu vỏ ống đứng, với các thông số:

Ống truyền nhiệt được làm bằng thép CT3, kích thước 20x2

Đường kính ngoài ống d_ng = 20mm = 0,02m

Chiều cao ống truyền nhiệt 1m

Hơi cồn ngưng tụ tại áp suất 3,2 at, nhiệt độ 94,5⁰C

KẾT LUẬN

Với quy trình công nghệ tính toán ở trên sử dụng chất hấp phụ zeolite 4A ngoài ra còn có thể sử dụng chất hấp phụ zeolite 3A hiện chưa có tài liệu nào chứng minh 4A, hay 3A có khả năng hấp phụ chọn lọc hơi nước trong cồn tốt hơn.

Cồn tinh luyện không chỉ dùng để pha xăng mà rất nhiều lĩnh vực hiện nay có nhu cầu về loại cồn này do đó cùng với điều kiện là một nước nông nghiệp nước ta có nhiều thuận lợi để phát triển ngành công nghiệp này. Trong quá trình tính toán tác giả chưa đề cập đến tính kinh tế của đề tài do nhiều lý do hạn chế về khả năng và thời gian thực hiện nên chưa đưa việc tính toán mang tính học thuật gắn với thực tế được.

Việc xây dựng đường cân bằng cho zeolite 4A để thực hiện quá trình tính toán chưa có nên trong quá trình thực hiện còn có một số quá trình tính chưa được chính xác.

Tác giả chưa kết hợp tính toán thiết kế với điều khiển quá trình trong đề tài.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

 [1]. Trần Hùng Dũng - Nguyễn Văn Lục - Hoàng Minh Nam - Vũ Bá Minh, “Quá trình và Thiết bị trong Công Nghệ Hóa Học - Tập 1, Quyển 2: Phân riêng bằng khí động, lực ly tâm, bơm, quạt, máy nén. Tính hệ thống đường ống”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TpHCM, 1997, 203tr.

[2]. Võ Văn Bang - Vũ Bá Minh, “Quá trình và Thiết bị trong Công Nghệ Hóa Học - Tập 3: Truyền Khối”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TpHCM, 2004, 388tr.

[3]. Phạm Văn Bôn – Nguyễn Đình Thọ, “Quá trình và Thiết bị trong Công Nghệ Hóa Học – Tập 5: Quá trình và Thiết bị Truyền Nhiệt”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TpHCM, 2002, 372tr.

[4]. Phạm Văn Bôn - Vũ Bá Minh - Hoàng Minh Nam, “Quá trình và Thiết bị trong Công Nghệ Hóa Học - Tập 10: Ví dụ và Bài tập”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TpHCM, 468tr.

[5]. Tập thể tác giả, “Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất – Tập 1”, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999, 626tr.

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"