Nghiên cứu thiết kế, và chế tạo hệ thống thiết bị tự động tinh luyện cồn để sản xuất xăng pha cồn với công suất tối thiểu 2000 lít cồn 99,5

61 Chương 3 : Nghiên cứu thiết kế, xây dựng quy trình công nghệ chế tạo và chế tạo các thiết bị trong Hệ thống thiết bị tự động tinh luyện cồn để sản xuất xăng pha cồn, năng suất tối t

Trang 1

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CHƯƠNG TRÌNH KHCN TRỌNG ĐIỂM CẤP NHÀ NƯỚC

“NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ

CƠ KHÍ CHẾ TẠO”, MÃ SỐ KC.05/06-10”

BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống thiết bị tự động tinh luyện cồn để sản xuất xăng pha cồn, công suất tối thiểu

2000 lít cồn (99, 5%)/ ngày”

MÃ SỐ: KC.05.20/06-10

Cơ quan chủ trì : Trường Đại học Bách Khoa,

Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh

Chủ nhiệm đề tài : TS Huỳnh Quyền

TP Hồ Chí Minh, năm 2010

Trang 2

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC CÁC BẢNG 12

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 16

MỞ ĐẦU 18

Chương 1 :Nghiên cứu tổng thuật, lựa chọn vật liệu rây phân tử và xây dựng cơ sở nhiệt động – động học Xây dựng công nghệ sản xuất và mô phỏng công nghệ sản xuất tinh luyện cồn đạt nồng độ 99,5% bằng phương pháp rây phân tử 23

1.1 Công nghệ và thiết bị cho quá trình tinh luyện cồn tinh khiết bằng công nghệ rây phân tử trên thế giới 23

1.1.1 Các công nghệ sản xuất cồn tinh luyện đang ứng dụng trên thế giới 23

1.1.2 Công nghệ sản xuất cồn tự động hiện đại 23

1.1.3 Lựa chọn công nghệ tinh luyện cồn 26

1.2 Vật liệu rây phân tử - Xây dựng quá trình nhiệt động và động học quá trình hấp phụ và giải hấp phụ của nước trong ethanol 27

1.2.1 Lựa chọn vật liệu rây phân tử 27

1.2.2 Xây dựng quá trình nhiệt động và động học quá trình hấp phụ của nước trong ethanol 30

1.2.3 Xây dựng quá trình nhiệt động và động học quá trình giải hấp phụ của nước trong ethanol 36

1.3 Công nghệ tinh luyện cồn đạt nồng độ 99,5% bằng công nghệ rây phân tử 36 1.3.1 Chuẩn hóa nguyên liệu 37

1.3.2 Hấp phụ - giải hấp và thu hồi cồn sản phẩm 37

1.3.3 Thu hồi cồn từ nước thải của quá trình giải hấp phụ 38

1.4 Mô phỏng trên phần mềm Pro II cho công nghệ tinh luyện cồn 39

1.4.1 Mô phỏng cho quá trình chưng luyện sản xuất cồn 39

1.4.2 Mô phỏng cho quá trình hóa hơi và quá nhiệt cồn nhập liệu 40

1.4.3 Mô phỏng cho quá trình thu hồi cồn sau giải hấp 41

Trang 3

Bộ KH&CN-CT KC05 Trường ĐH BÁCH KHOA TPHCM

Đề tài Nghiên Cứu Khoa Học- Mã số: KC.05.20/06-10

- 2 -

Chương 2 : Nghiên cứu tính toán lựa chọn các thông số công nghệ cho các thiết bị chính và thiết bị phụ trợ trong hệ thống sản xuất tinh luyện cồn bằng công nghệ rây phân tử, năng suất tối thiểu 2.000 lít/ngày Thiết kế hệ thống điều

khiển tự động 44

2.1 Thông số công nghệ cho các thiết bị chính của hệ thống 44

2.1.1 Cụm chuẩn hóa nguyên liệu 44

2.1.2 Cụm hấp phụ và giải hấp 48

2.1.3 Cụm thu hồi cồn sau quá trình giải hấp 50

2.2 Thiết kế hệ thống điều khiển tự động các giai đoạn của hệ thống công nghệ

52

2.2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển chung: 52

2.2.2 Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển bằng con đường mô phỏng: 53

2.3 Thông số kỹ thuật cho các thiết bị điều khiển tự động 57

2.3.1 Các cảm biến đo 57

2.3.2 Các thiết bị điều khiển 61

Chương 3 : Nghiên cứu thiết kế, xây dựng quy trình công nghệ chế tạo và chế tạo các thiết bị trong Hệ thống thiết bị tự động tinh luyện cồn để sản xuất xăng pha cồn, năng suất tối thiểu 2000 lít/ngày bằng công nghệ rây phân tử 66

Cụm thiết bị chuẩn hóa nguyên liệu cồn 66

3.1 Thiết bị chưng cất nguyên liệu đầu 66

3.1.1 Cân bằng vật chất - cân bằng năng lượng 66

3.1.2 Thiết kế tháp chưng cất 67

3.1.3 Quy trình chế tạo chi tiết 68

3.1.4 Tổ hợp 69

3.2 Thiết bị đun đáy tháp chưng cất E-02 70

3.2.1 Cân bằng vật chất – năng lượng 70

3.2.2 Thông số chi tiết 70

3.2.3 Quy trình chế tạo 71

3.2.4 Tổ hợp 72

3.3 Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp chưng cất E-03 73

Trang 4

3.3.4 Tổ hợp 75

3.4 Thiết bị hóa hơi và quá nhiệt E-04 76

3.4.4 Tổ hợp 78

Cụm thiết bị giai đoạn hấp phụ và giải hấp 79

3.5 Tháp hấp phụ 79

3.5.1 Cân bằng vật chất - năng lượng 79

3.5.2 Thiết kế tháp hấp phụ 79

3.5.4 Tổ hợp 82

3.6 Thiết bị tận dụng nhiệt E-00 83

3.6.4 Tổ hợp 85

3.7 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm E-06 86

3.7.4 Tổ hợp 88

Cụm thiết bị giai đoạn thu hồi cồn từ nươc thải của quá trình giải hấp 89

3.8 Thiết bị ngưng tụ cồn sau giải hấp E-05 89

3.9 Tháp thu hồi cồn 91

Chương 4 : Nghiên cứu xây dựng phần mềm điều khiển cho Hệ thống thiết bị tự động tinh luyện cồn để sản xuất xăng pha cồn, năng suất tối thiểu 2.000 lít/ngày bằng công nghệ rây phân tử 93

Trang 5

- 4 -

93

4.1.1 Mô tả nguyên lý làm việc 93

4.1.2 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống công nghệ tinh luyện cồn (Phụ lục 15) 95

4.1.3 Các thông số trạng thái trong hệ thống 96

4.1.4 Các thông số điều khiển cho hệ thống 97

4.2 Hệ thống điều khiển tự động hệ thống tinh luyện cồn bằng công nghệ rây phân tử 99

4.2.1 Các thiết bị đo 99

4.2.2 Các thiết bị điều khiển 101

4.3 Phần mềm điều khiển cho hệ thống chuẩn hóa nguyên liệu 105

4.3.1 Tính năng của chương trình 105

4.3.2 Các giai đoạn/trạng thái làm việc của chương trình điều khiển 106

4.4 Phần mềm điều khiển cho hệ thống hấp phụ, giải hấp 109

4.4.1 Tính năng của chương trình 109

4.5 Phần mềm điều khiển cho hệ thống thu hồi cồn từ nước thải của quá trình giải hấp 115

4.5.1 Tính năng yêu cầu của chương trình 115

4.6 Phần mềm điều khiển trung tâm 118

4.6.1 Tính năng yêu cầu của chương trình chính 118

4.6.2 Xây dựng các giai đoạn/trạng thái làm việc của chương trình điều khiển trung tâm 119

4.6.3 Xây dựng mối liên kết giữa các chương trình con và chương trình chính

120

4.6.4 Giám sát hệ thống phụ trợ và điều khiển Dừng Khẩn cấp 124

4.6.5 Dữ liệu cho chu trình vận hành tự động của chương trình điều khiển trung tâm 124

4.7 Hệ điều khiển trung tâm 127

Trang 6

4.7.1 Giới thiệu bộ phần mềm OPTO 22 127

4.7.2 Xây dựng giao diện chương trình: 130

Chương 5 : Chạy thử nghiệm các thiết bị trong Hệ thống thiết bị 134

5.1 Chạy thử nghiệm cụm thiết bị chuẩn hóa nguyên liệu cồn 134

5.2 Chạy thử nghiệm cụm thiết bị giai đoạn hấp phụ và giải hấp 135

5.3 Chạy thử nghiệm cụm thiết bị giai đoạn thu hồi cồn từ nước thải của quá trình giải hấp 138

Chương 6 : Nghiên cứu xây dựng quy trình lắp ráp hệ thống thiết bị tự động tinh luyện cồn để sản xuất xăng pha cồn, năng suất tối thiểu 2000 lít/ngày bằng công nghệ rây phân tử 140

6.1 Lắp ráp cụm chưất 140

6.2 Lắp ráp cụm hấp phụ 141

6.3 Lắp ráp cụm thu hồi 142

6.4 Lắp ráp hoàn thiện hệ thống 142

6.5 Lắp ráp đường cấp hơi nước gia nhiệt 143

6.6 Lắp ráp đường nước làm mát 144

6.7 Lắp ráp đường dẫn khí nén 145

6.8 Lắp ráp cáp điều khiển, cáp điện 145

Chương 7 :Nghiên cứu Vận hành thử nghiệm Hệ thống thiết bị và hiệu chỉnh, tối ưu công nghệ Xây dựng quy trình vận hành Hệ thống thiết bị 146

7.1 Thử nghiệm thiết bị công nghệ của công đoạn chuẩn hóa cồn nguyên liệu 146 7.2 Thử nghiệm thiết bị công nghệ của công đoạn hấp phụ, giải hấp và thu hồi sản phẩm 147

7.3 Thử nghiệm thiết bị công nghệ của công đoạn xử lí thu hồi cồn từ nước thải của quá trình giải hấp 149

7.4 Điều kiện tối ưu của nồng độ cồn nguyên liệu đối với quá trình hấp phụ 150

7.5 Điều kiện tối ưu của nhiệt độ, áp suất đối với quá trình hấp phụ 151

7.5.1 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nhập liệu 151

7.5.2 Khảo sát ảnh hưởng của áp suất nhập liệu 152

7.6 Điều kiện tối ưu về thời gian hấp phụ 153

Trang 7

- 6 -

7.8 Điều kiện tối ưu của áp suất, nhiệt độ đến quá trình giải hấp 155

7.8.1 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nhập liệu 155

7.8.2 Khảo sát ảnh hưởng của áp suất chân không đến quá trình giải hấp 156

7.9 Điều kiện tối ưu của thời gian giải hấp 157

7.10 Quy trình vận hành và kỹ thuật an toàn của hệ thống thiết bị tự động tinh luyện cồn để sản xuất xăng pha cồn, công suất tối thiểu 2000 lít cồn (99,5%)/ngày bằng công nghệ rây phân tử 158

7.10.1 Mô tả công nghệ 158

7.10.2 Hệ thống phụ trợ 160

Chương 8 : Đánh giá các thông số thiết bị, công nghệ sản xuất cồn và chất lượng sản phẩm nhiên liệu E10 (10% cồn tinh luyện sản phẩm + 90% nhiên liệu xăng) 162

8.1 Đánh giá các thông số thiết bị, công nghệ sản xuất cồn: 162

8.2 Khảo sát đánh giá sự thay đổi công suất của động cơ khi sử dụng nhiên liệu E10 (10% cồn tinh luyện sản phẩm + 90% nhiên liệu xăng) trên động cơ chuẩn 164

8.3 Khảo sát mức độ ô nhiễm của khói thải động cơ khi sử dụng nhiên liệu E10 (10% cồn tinh luyện sản phẩm + 90% nhiên liệu xăng) trên động cơ chuẩn 164

Chương 9 : KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 166

9.1 Các sản phẩm của đề tài đã đạt được 166

9.2 Tác động đối với kinh tế, xã hội và môi trường 168

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 170

TÀI LIỆU THAM KHẢO 172

PHỤ LỤC 175

Trang 8

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT

VP Bơm chân không

LI Cảm biến hiển thị mức lỏng

LIC Cảm biến hiển thị và điều khiển chất lỏng

TI Cảm biến hiển thị nhiệt độ

TIC Cảm biến hiển thị điều khiển nhiệt độ

PI Cảm biến hiển thị áp suất

PIC Cảm biến hiển thị và điều khiển áp suất

Trang 9

- 8 -

FIC Cảm biến hiển thị và điều khiển lưu lượng

C Hệ số bổ sung bề dày

Trang 10

H Chiều cao của tháp

K Hệ số truyền nhiệt

L Chiều dài của ống truyền nhiệt

M Khối lượng của toàn tháp

N Số lỗ trên 1 mâm

P Trọng lượng của toàn tháp

Trang 11

- 10 -

tngưng Nhiệt độ ngưng tụ của dòng sản phẩm

Trang 12

Gr Chuẩn số Grashof

Trang 13

- 12 -

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Vật liệu rây phân tử zeolite 3A và 4A sử dụng trong đề tài 27

Bảng 1.2: Kết quả mô phỏng trên phần mềm Pro II của tháp chưng cất 39

Bảng 1.3: Kết quả mô phỏng trên phần mềm Pro II của thiết bị hóa hơi và quá nhiệt nguyên liệu 40

Bảng 1.4: Kết quả mô phỏng trên phần mềm Pro II của thiết bị ngưng tụ cồn giải hấp của cụm thu hồi cồn 41

Bảng 2.1: Bảng liệt kê các thiết bị chính và phụ trợ 45

Bảng 2.2: Bảng liệt kê các thông số công nghệ của tháp chưng (Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Pro/II) 46

Bảng 2.3: Bảng liệt kê các thông số công nghệ của các đĩa trong tháp chưng (kết quả mô phỏng bằng phần mềm Pro/II) 46

Bảng 2.4: Bảng liệt kê các thông số công nghệ của các đĩa trong tháp chưng (tt) (kết quả mô phỏng bằng phần mềm Pro/II) 47

Bảng 2.5: Bảng liệt kê các thiết bị trong cụm hấp phụ và giải hấp 48

Bảng 2.6: Bảng liệt kê các thông số công nghệ của tháp hấp phụ và giải hấp 49

Bảng 2.7: Bảng liệt kê các thiết bị trong cụm thu hồi cồn sau quá trình giải hấp 50

Bảng 2.8: Bảng liệt kê các thông số công nghệ của bồn tách lỏng 51

Bảng 2.9: Các kênh điều khiển phù hợp 53

Bảng 2.10:Thông số các bộ điều khiển PID 56

Bảng 2.11: Bảng liệt kê các cảm biến đo nhiệt độ 57

Bảng 2.12: Bảng liệt kê các cảm biến đo lưu lượng chất lỏng 58

Bảng 2.13: Bảng liệt kê các cảm biến đo mức lỏng 59

Bảng 2.14: Bảng liệt kê các cảm biến đo áp suất 60

Bảng 2.15: Bảng liệt kê các van tuyến tính 61

Bảng 2.16: Bảng liệt kê các van đóng/mở 62

Bảng 2.17: Bảng liệt kê cácbơm chất lỏng 64

Bảng 3.1: Cân bằng vật chất và năng lượng của tháp chưng cất 66

Bảng 3.2: Đặc tính các chi tiết tháp chưng cất 67

Bảng 3.3: Quy trình chế tạo của các chi tiết của tháp chưng cất 68

Bảng 3.4: Cân bằng vật chất – năng lượng của thiết bị E-02 70

Trang 14

Bảng 3.5: Đặc tính chi tiết của thiết bị đun đáy tháp chưng cất E-02 70

Bảng 3.6: Quy trình chế tạo các chi tiết của thiết bị đun đáy E-02 71

Bảng 3.8: Đặc tính chi tiết của thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp chưng cất E-03 73

Bảng 3.9: Quy trình chế tạo các chi tiết của thiết bị ngưng tụ đỉnh E-03 74

Bảng 3.11: Đặc tính chi tiết của thiết bị hóa hơi và quá nhiệt E-04 76

Bảng 3.12: Quy trình chế tạo các chi tiết của thiết bị hóa hơi và quá nhiệt E-04 77

Bảng 3.13: Cân bằng vật chất và năng lượng của tháp hấp phụ 79

Bảng 3.14: Đặc tính chi tiết của tháp hấp phụ 79

Bảng 3.15: Quy trình chế tạo của các chi tiết của tháp hấp phụ 80

Bảng 3.16:Cân bằng vật chất – năng lượng của thiết bị E-00 83

Bảng 3.17: Đặc tính chi tiết của thiết bị tận dụng nhiệt E-00 83

Bảng 3.18: Quy trình chế tạo các chi tiết của thiết bị tận dụng nhiệt E-00 84

Bảng 3.20: Đặc tính chi tiết của thiết bị ngưng tụ sản phẩm E-06 86

Bảng 3.21: Quy trình chế tạo các chi tiết của thiết bị ngưng tụ sản phẩm E-06 87

Bảng 3.22: Đặc tính chi tiết của thiết bị ngưng tụ cồn sau giải hấp E-05 89

Bảng 3.23: Quy trình chế tạo các chi tiết của thiết bị E-05 89

Bảng 3.24: Đặc tính chi tiết của tháp thu hồi cồn B-03 91

Bảng 3.25: Quy trình chế tạo các chi tiết của tháp thu hồi cồn B-03 91

Bảng 4.1: Các thông số nhiệt độ 96

Bảng 4.2: Các thông số áp suất 96

Bảng 4.3: Các thông số lưu lượng 97

Bảng 4.4: Các thông số mức chất lỏng 97

Bảng 4.5: Các van solenoid 97

Bảng 4.6: Các van tuyến tính 98

Bảng 4.7: Các bơm điện 98

Bảng 4.8: Các cảm biến cho hệ thống 99

Bảng 4.9: Các module đo lường cho hệ thống 100

Trang 15

- 14 -

Bảng 4.11: Các bơm điện cho hệ thống 102

Bảng 4.12: Các module điều khiển cho hệ thống 102

Bảng 4.13: Các thông số cho quá trình giám sát hệ thống phụ trợ 125

Bảng 4.14: Các thông số điều khiển cân bằng áp suất các bồn chứa 125

Bảng 4.15: Thông số cụm công nghệ chuẩn hóa nguyên liệu 126

Bảng 4.16:Thông số cụm công nghệ hấp phụ/giải hấp 126

Bảng 4.17:Thông số cụm công nghệ thu hồi cồn thải của quá trình giải hấp 127

Bảng 5.1: Kết quả thử nghiệm thử thủy lực cho tháp chưng cất 134

Bảng 5.2: Kết quả thử nghiệm thử thủy lực cho thiết bị đun đáy E-02 ở phía trong chùm ống: 134

Bảng 5.3: Kết quả thử nghiệm thử thủy lực cho thiết bị đun đáy E-02 ở phía vỏ 134

Bảng 5.4: Kết quả thử nghiệm thử thủy lực cho thiết bị ngưng tụ đỉnh E-03 135

Bảng 5.5: Kết quả thử kín cho toàn bộ cụm thiết bị chuẩn hóa nguyên liệu cồn 135

Bảng 5.6: Kết quả thử thủy lực cho tháp hấp phụ 135

Bảng 5.7: Kết quả thử thủy lực cho thiết bị hóa hơi nhập liệu E-04 ở phía trong chùm ống 136

Bảng 5.8: Kết quả thử thủy lực cho thiết bị hóa hơi nhập liệu E-04 phía vỏ 136

Bảng 5.9: Kết quả thử thủy lực cho thiết bị thu hồi nhiệt E-00 ở phía trong chùm ống 136

Bảng 5.10: Kết quả thử thủy lực cho thiết bị thu hồi nhiệt E-00 ở phía vỏ 137

Bảng 5.11: Kết quả thử thủy lực cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm E-06 ở phía trong chùm ống 137

Bảng 5.12: Kết quả thử thủy lực cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm E-06 phía vỏ

137

Bảng 5.13: Kết quả thử kín cho toàn bộ cụm thiết bị giai đoạn hấp phụ và giải hấp 138 Bảng 5.14: Kết quả thử nghiệm thử thủy lực cho tháp thu hồi cồn 138

Bảng 5.15: Kết quả thử thủy lực cho thiết bị ngưng tụ giải hấp E-05 ở phía trong chùm ống 138

Bảng 5.16: Kết quả thử thủy lực cho thiết bị ngưng tụ giải hấp E-05 phía vỏ 139

Trang 16

Bảng 7.1: Liệt kê các tín hiệu của hệ thống điều khiển công đoạn chuẩn hóa cồn

nguyên liệu 146

Bảng 7.2: Kết quả chạy thử nghiệm công đoạn chuẩn hóa nguyên liệu 147

Bảng 7.3: Liệt kê các tín hiệu của hệ thống điều khiển công đoạn hấp phụ, giải hấp và thu hồi sản phẩm 147

Bảng 7.4: Kết quả chạy thử nghiệm công đoạn hấp phụ, giải hấp và thu hồi sản phẩm 148

Bảng 7.5: Liệt kê các tín hiệu trong hệ thống điều khiển của cụm thu hồi cồn sau giải hấp 149

Bảng 7.6: Kết quả chạy thử nghiệm công đoạn thu hồi cồn sau giải hấp 149

Bảng 8.1: So sánh công nghệ nghiên cứu của đề tài và công nghệ hiện đại tiêu biểu 162

Bảng 8.2: So sánh xăng pha 10% cồn 99,5% với xăng A92 164

Bảng 9.1: Danh mục sản phẩm khoa học và công nghệ dạng kết quả I, II 166

Bảng 9.2: Danh mục sản phẩm khoa học và công nghệ dạng kết quả III, IV 168

Trang 17

- 16 -

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1:Sơ đồ nguyên lý thiết bị thử nghiệm tại RPTC 28

Hình 1.2:Đồ thị khảo sát khả năng hấp phụ nước của hai loại zeolite 29

Hình 1.3:Sơ đồ nguyên lý nghiên cứu quá trình hấp phụ nước của zeolite 30

Hình 1.4:Ảnh hưởng của áp suất lên khả năng hấp phụ nước của zeolite 3A 31

Hình 1.5:Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng hấp phụ nước của zeolite 3A 31

Hình 1.6:Ảnh hưởng của nhiệt độ lên nồng độ nước trong sản phẩm của zeolite 3A 32 Hình 1.7:Ảnh hưởng của áp suất lên khả năng hấp phụ nước của zeolite 4A 33

Hình 1.8:Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng hấp phụ nước của zeolite 4A 33

Hình 1.9:Ảnh hưởng của nhiệt độ lên nồng độ nước trong sản phẩm của zeolite 4A 34 Hình 1.10:Ảnh hưởng của áp suất lên nồng độ nước trong sản phẩm của zeolite 4A 34 Hình 1.11:Khả năng hấp phụ nước của zeolite 3A và 4A 35

Hình 1.12:Khả năng giải hấp phụ nước của zeolite 4A 36

Hình 1.13:Mô hình tháp chưng cất mô phỏng trên phần mềm Pro II 39

Hình 1.14:Mô hình thiết bị hóa hơi và quá nhiệt mô phỏng trên Pro II 40

Hình 1.15:Mô hình cụm thu hồi cồn sau giải hấp mô phỏng trên Pro II 41

Hình 2.1: Sơ đồ công nghệ tháp chưng 44

Hình 2.2: Sơ đồ công nghệ cụm hấp phụ/giải hấp 48

Hình 2.3: Sơ đồ công nghệ cụm thu hồi cồn sau quá trình giải hấp 50

Hình 2.4: Mô hình điều khiển được mô phỏng trên phần mềm Dynsim 54

Hình 2.5:Thông số tháp khi giảm lưu lượng nhập liệu 54

Hình 2.6:Đáp ứng của TC02 khi giảm lưu lượng nhập liệu 55

Hình 2.7:Đáp ứng của TC02 khi tăng lưu lượng nhập liệu 55

Hình 2.8:Đáp ứng của hệ thống khi giảm nồng độ nhập liệu còn 80%V 56

Hình 4.1:Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển cho hệ thống tinh luyện cồn 104

Hình 4.2:Sơ đồ trạng thái chương trình điều khiển hệ thống chuẩn hóa nguyên liệu 107 Hình 4.3:Lưu đồ vận hành của chương trình điều khiển cho hệ thống chuẩn hóa nguyên liệu 108

Hình 4.4: Sơ đồ trạng thái chương trình điều khiển cho hệ thống hấp phụ/giải hấp 111 Hình 4.5:Lưu đồ vận hành của chương trình điều khiển cho hệ thống hấp phụ/giải hấp và thu hồi sản phẩm 113

Trang 18

Hình 4.6:Lưu đồ vận hành của tác vụ Sản Xuất 114

Hình 4.7:Sơ đồ trạng thái chương trình điều khiển cho hệ thống thu hồi cồn 116

Hình 4.8:Lưu đồ vận hành của chương trình điều khiển cho hệ thống thu hồi cồntừ nước thải của quá trình giải hấp 117

Hình 4.9:Sơ đồ trạng thái chương trình điều khiển trung tâm cho hệ thống tinh luyện cồn bằng công nghệ rây phân tử 120

Hình 4.10:Sơ đồ lưu đồ làm việc của chương trình điều khiển trung tâm cho hệ thống tinh luyện cồn bằng công nghệ rây phân tử 122

Hình 4.11:Lưu đồ làm việc trong từng trạng thái của chương trình điều khiển trung tâm cho hệ thống tinh luyện cồn bằng công nghệ rây phân tử 123

Hình 4.12:Bộ dữ liệu cho chu trình vận hành tự động 125

Hình 4.13:Sơ đồ hệ thống SCADA xây dựng trên nền OPTO 22 128

Hình 4.14:Xây dựng giao diện làm việc 131

Hình 4.15:Lập trình điều khiển theo lưu đồ giải thuật đã đề ra 132

Hình 4.16:Giao diện làm việc của hệ thống 133

Hình 6.1:Sơ đồ hệ thống cấp hơi nước bão hòa 143

Hình 6.2:Sơ đồ hệ thống nước làm mát 144

Hình 6.3:Sơ đồ hệ thống đường ống khí nén 145

Hình 7.1:Ảnh hưởng của nồng độ cồn nguyên liệu đến nồng độ sản phẩm 150

Hình 7.2:Ảnh hưởng của nhiệt độ nhập liệu đến nồng độ sản phẩm 151

Hình 7.3:Ảnh hưởng của áp suất nhập liệu đến nồng độ sản phẩm 152

Hình 7.4:Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến nồng độ sản phẩm 153

Hình 7.5:Ảnh hưởng của nồng độ nhập liệu đến quá trình giải hấp 154

Hình 7.6:Ảnh hưởng của nhiệt độ nhập liệu đến quá trình giải hấp 155

Hình 7.7:Ảnh hưởng của áp suất chân không đến quá trình giải hấp 156

Hình 7.8:Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình giải hấp 157

Trang 19

- 18 -

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, nguồn nhiên liệu hóa thạch trên thế giới ngày càng cạn kiệt trong khi nhu cầu về năng lượng lại ngày càng tăng Bên cạnh đó, vấn đề ô nhiễm môi trường do sử dụng nhiên liệu cổ điển được sản xuất từ dầu mỏ đã ảnh hưởng sâu rộng đến hệ sinh thái trên toàn cầu Do đó, việc nghiên cứu và đưa vào ứng dụng các công nghệ để sản xuất cồn nhiên liệu – một nguồn nhiên liệu sạch, có khả năng tái tạo đã và đang được triển khai ở nhiều nước trên thế giới

Là một nước đang phát triển, trong những năm qua, mức tiêu thụ xăng dầu của Việt Nam tăng đáng kể Nhu cầu các sản phẩm xăng dầu vào năm 2001 đạt 8,58 triệu tấn; năm 2006 đạt 11,04 triệu tấn, năm 2010 đạt tới 17,5-18 triệu tấn; theo dự đoán, đến 2015-2020, mức tiêu thụ sản phẩm xăng dầu của nước ta vào khoảng 32,7-48,0 triệu tấn Mức tiêu thụ ngày càng tăng, nhưng hiện nay, Việt Nam đang phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn xăng dầu nhập khẩu Theo thống kê, chỉ kể từ năm 2000 đến

2004, tổng lượng sản phẩm xăng dầu các loại có mức tăng trưởng bình quân hàng năm khoảng 6% Năm 2000 nhập 7,533 triệu tấn, năm 2001 là 8,013 triệu tấn, năm 2002 là 8,960 triệu tấn, năm 2003 là 9,841 triệu tấn và năm 2004 là 12 triệu tấn Trong năm

2009, việc đưa Nhà máy lọc dầu Dung Quất vào sử dụng với công suất 6,5 triệu tấn dầu thô/năm, thì Việt Nam mới chỉ chủ động được một phần xăng dầu phục vụ nhu cầu trong nước Tính đến 17/11/2009, nhà máy lọc dầu Dung Quất đã nhập 18 chuyến dầu thô với tổng khối lượng 1.447.830 tấn và sản xuất được tổng cộng 935.938 tấn sản phẩm.Nhằm giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu nhiên liệu, ngày 20/11/2007, Thủ tướng Chính phủ ra Quyết định số 177/2007/QÐ-TTg phê duyệt Ðề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 Hiện nay, xăng E5 đã được bán thí điểm tại một số tỉnh, thành như Hà Nội, Hải Phòng, Đà Nẵng, Vũng Tàu,

TP Hồ Chí Minh, Cần Thơ.Theo tính toán, tại Việt Nam nhu cầu sử dụng xăng pha cồn là 5 triệu tấn /năm [6],[7]

Nhìn chung, tình hình nghiên cứu và sản xuất cồn nhiên liệu ở Việt Nam phát triển khá muộn và hiện nay đang còn ở trình độ rất thấp so với các nước trong khu vực

và trên thế giới Hiện nay các nhà máy sản xuất cồn nhiên liệu (nồng độ cồn lớn hơn 99,5% V) vẫn còn đang trong giai đoạn triển khai Các đề tài nghiên cứu chủ yếu thực

Trang 20

hiện ở quy mô phòng thí nghiệm, khả năng ứng dụng vào thực tế sản xuất thấp Nội dung của các đề tài chủ yếu nghiên cứu tập trung vào việc kiểm định những kết quả nghiên cứu đã triển khai ứng dụng thực tế trên thế giới để áp dụng trong điều kiện Việt Nam Một vài đề tài nghiên cứu chất hấp phụ mới từ nguồn vật liệu sẵn có tại Việt Nam như BK-X1… Tuy nhiên, chưa có đề tài nào đề cập đến công nghệ cụ thể

về quy trình công nghệ cũng như thiết bị sản xuất cồn nhiên liệu và có thể ứng dụng cho quy mô công nghiệp

Vấn đề cần đặt ra ở đây là phải có sự nghiên cứu thực nghiệm để đưa ramột công nghệ hoàn thiện, tự động hoàn toàn, có khả năng áp dụng ở quy mô công nghiệp dựa trên cơ sở những kết quả nghiên cứu đã công bố và đã ứng dụng trên thế giới, áp dụng vào điều kiện của Việt Nam Chính vì những lý do đó, chúng tôi đã đăng ký đề

tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống thiết bị tự động tinh luyện cồn để sản

xuất xăng pha cồn, công suất tối thiểu 2000 lít cồn (99,5%)/ngày

Mục tiêu, đối tượng nghiên cứu của đề tài:

- Thiết kế và chế tạo hệ thống thiết bị sản xuất cồn nhiên liệu với công suất tối

thiểu là 2000 lítcồn (99,5%)/ngày

- Nguyên tắc: dựa vào công nghệ rây phân tử, một công nghệ phổ biến nhất hiện

nay trong việc tinh luyện cồn nhiên liệu

- Công nghệ hoàn toàn tự động, liên tục

- Sản phẩm cồn nhiên liệu thu được đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật để pha trộn

vào xăng với tỷ lệ 10%, tương đương với Gazohol E10 của Mỹ

Tính cấp thiết của đề tài:

Hiện nay, tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam đang trong giai đoạn phát triển và cần phải đẩy mạnh các nghiên cứu triển khai ứng dụng vào thực tiễn mà cụ thể trong lĩnh vực sản xuất cồn nhiên liệu Rất nhiều dự án xây dựng nhà máy cồn đang được tiến hành tại Việt Nam và hầu như công nghệ hoàn toàn ngoại nhập Điều này đưa đến giá thành đầu tư cho dự án lớn, thời gian khấu hao công nghệ dài và chúng ta mất thời gian khá dài để có thể làm chủ được công nghệ Chính

vì thế, đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống thiết bị tự động tinh luyện cồn

để sản xuất xăng pha cồn, công suất tối thiểu 2000 lít cồn (99,5%)/ ngày” là đề tài cấp

Trang 21

- 20 -

thiết trong giai đoạn hiện nay và tương lai Kết quả đề tài đạt được khôngchỉ là làm chủ được công nghệ tinh luyện cồn nhiên liệu để ứng dụng vào thực tế tại Việt Nammà cònthúc đẩy sự liên kết chặt chẽ giữa nghiên cứu khoa học và nhu cầu trong thực tiễn của Việt Nam

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Với điều kiện thuận lợi là một nước mà nông nghiệp chiếm đa số, Việt Nam có một nguồn nguyên liệu dồi dào cho việc sản xuất cồn nhiên liệu Bên cạnh nhiều nhà máy sản xuất cồn đang hoạt động ví dụ như nhà máy đường Lam Sơn - Thanh Hóa (công suất đạt đến 25 triệu lít cồn/năm), nhà máy đường Quảng Ngãi, nhà máy đường Tuy Hòa… sử dụng nguồn nguyên liệu là sắn và mía đường thì Việt Nam còn có những phế phẩm thu được từ nông nghiệp là nguồn nguyên liệu dồi dào cho việc sản xuất cồn nhiên liệu như rơm rạ, trấu…

Công nghệ đề xuất trong đề tài là tinh luyện cồn nhiên liệu bằng phương pháp hấp phụ rây phân tử, đây là công nghệ đang được sử dụng phổ biến trên thế giới Ưu điểm công nghệ này là tiết kiệm được một lượng chi phí lớn về đầu tư nguồn nguyên liệu, thiết bị, không gây ô nhiễm môi trường, ít tốn năng lượng, vốn đầu tư tương đối thấp, năng suất lớn Bên cạnh đó, với nguồn vật liệu chất hấp phụ sẵncó trong nước và đến hiện nay, trên kết quả của một số đề tài nghiên cứu đã cho thấy, vật liệu rây phân tử đã có thể sản xuất được tại Việt Nam như: BK-X1 tại Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Lọc Hóa Dầu - ĐH Bách khoa – Đại học Quốc gia Tp HCM, rây phân tử tổng hợp ở Viện Hóa học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Tính mới và tính hiện đại của đề tài:

Tính vượt trội của công nghệ Rây phân tử ứng dụng trong đề tài: Phương pháp sản xuất cồn nồng độ cao ra đời sớm nhất là sử dụng oxide calcium với công nghệ trao đổi ion; sau đó là đến công nghệ chưng cất đẳng phí sử dụng Benzen, Pentane;

Kỹ thuật trích ly; Công nghệ rây phân tử… Đối với công nghệ chưng cất đẳng phí và chưng cất trích ly có thể sản xuất được cồn có nồng độ cao, nhưng những phương pháp này khó tránh khỏi sự tồn tại của những chất cặn bã hữu cơ trong sản phẩm, hơn nữa những công nghệ này thông thường hiệu suất thấp và đòi hỏi thiết bị có kích thước tương đối lớn, điều này dẫn đến giá thành đầu tư cao Phương pháp hiện nay

Trang 22

đang được ứng dụng và quan tâm nhiều nhất là công nghệ sản xuất cồn nhiên liệu dựa trên quá trình hấp phụ với việc sử dụng chất hấp phụ chọn lọc, phương pháp này được ứng dụng vào công nghiệp từ những năm 1980 Chất hấp phụ sử dụng có thể là carbon hoạt tính, alumim hoạt tính, rây phân tử, bột ngũ cốc… Trong các loại chất hấp phụ

đó thì Rây phân tử thể hiện khả năng hấp phụ hiệu quả nhất và có độ chọn lọc cao nhất Hơn nữa, rây phân tử thể hiện được tính bền nhiệt và bền cơ học cao, không có

sự giãn nở, vỡ ra sau khi hấp phụ (hút ẩm) Chính vì có nhiều ưu điểm như trên mà công nghệ này đang được ứng dụng rộng rãi ở các nước trên thế giới

Mục tiêu hoàn thiện công nghệ: Đẩy nhanh việc sản xuất nhiên liệu sinh học

tại Việt Nam, góp phần vào việc giảm thiểu vấn đề ô nhiễm môi trường, cạn kiệt nguồn năng lượng và phục vụ cho việc xây dựng chương trình An ninh Năng lượng Quốc Gia Việt Nam

Quy mô và trình độ của công nghệ cần đạt được: công nghệ sau khi nghiên

cứu hoàn chỉnh sẽ được triển khai trên quy mô công nghiệp, phục vụ cho nền công nghiệp sản xuất cồn nhiên liệu tại Việt Nam Công nghệ hoàn toàn có thể thay thế được các công nghệ hiện đại khác trên thế giới về tính hiện đại, năng suất, ô nhiễm môi trường…

Tính khả thi và hiệu quả kinh tế của đề tài: Giá thành đầu tư so với công

nghệ nước ngoài giảm 30-50% Tiết kiệm được nguồn ngân sách quốc gia, thúc đẩy các doanh nghiệp sản xuất trong nước phát triển

Các phương pháp, kỹ thuật áp dụng trong đề tài

Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm nghiên cứu đã áp dụng các phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu thực nghiệm xây dựng cơ sở dữ liệu: sử dụng hai mô hình pilot để nghiên cứu thực nghiệm Mô hình đơn giản một tháp để khảo sát xây dựng cơ

sở nhiệt động – động học của vật liệu rây phân tử zeolite 3A và 4A Mô hình hai tháp hoạt động liên tục theo nguyên lý PSA để lựa chọn vật liệu rây phân

tử, thu thập các số liệu phục vụ cho quá trình tính toán tháp hấp phụ cũng như cung cấp các thông số vận hành cho quy trình công nghệ

- Tổng hợp, phân tích số liệu: các thông số về lưu lượng, nồng độ, nhiệt độ, áp

Trang 23

- 22 -

suất… phục vụ cho quá trình tính toán và thiết kế

- Quá trình xây dựng các thông số thiết kế được thực hiện bằng nghiên cứu thực nghiệm trên hệ thống pilot Việc thiết kế các thông số quy trình được kiểm chứng bằng phần mềm PRO II (mô phỏng tĩnh)

- Mô hình điều khiển cho hệ thống được xây dựng và tối ưu trên phần mềm Dynsim (mô phỏng động)

- Sử dụng các công cụ phần mềm kỹ thuật hỗ trợ như MS Office, AutoCad cũng như các phần mềm mô phỏng Pro/II, Dynsim

Trang 24

Chương 1 : Nghiên cứu tổng thuật, lựa chọn vật liệu rây phân tử và xây dựng cơ

sở nhiệt động – động học Xây dựng công nghệ sản xuất và mô phỏng công nghệ sản xuất tinh luyện cồn đạt nồng độ 99,5% bằng phương pháp rây phân tử 1.1 Công nghệ và thiết bị cho quá trình tinh luyện cồn tinh khiết bằng công

nghệ rây phân tử trên thế giới

Từ những năm đầu của thế kỷ trước, việc nghiên cứu tìm kiếm nguồn nhiên liệu mới cụ thể là nhiên liệu cồn sinh học đã được thực hiện ở một số nước trên thế giới, đặc biệt là những nước không có nguồn nhiên liệu dầu mỏ Và cho đến hiện nay, với sự ô nhiễm ngày càng lớn của việc sử dụng nhiên liệu cổ điển được sản xuất từ dầu mỏ và sự cạn kiệt của các nguồn nhiên liệu hóa thạch nói chung thì việc nghiên cứu và đưa vào ứng dụng các công nghệ để sản xuất cồn nhiên liệu được triển khai ở nhiều nước trên thế giới Việc nghiên cứu ứng dụng các công nghệ sản xuất cồn tuyệt đối hiện nay là một trong những hướng nghiên cứu đang được tập trung với mục tiêu công nghệ sản xuất hoàn toàn tự động, tiêu hao năng lượng thấp, không ô nhiễm môi trường và phù hợp với các nồng độ khác nhau của nguyên liệu cồn thô ban đầu

1.1.1 Các công nghệ sản xuất cồn tinh luyện đang ứng dụng trên thế giới

Để thu được sản phẩm là cồn tuyệt đối sử dụng làm nhiên liệu, trên thế giới hiện nay đã sử dụng nhiều phương pháp tách nước từ cồn công nghiệp (cồn có nồng

độ thấp từ 70 đến 95,5% thể tích), cụ thể có thể liệt kê các phương pháp như sau:

 Phương pháp chưng cất:

- Phương pháp chưng đẳng phí

- Phương pháp chưng phân tử

 Phương pháp rây phân tử dùng chất hấp phụ chọn lọc Zeolite

 Phương pháp dùng các chất hút ẩm

 Phương pháp thẩm thấu qua màng

 Phương pháp kết hợp bốc hơi thẩm thấu qua màng và rây phân tử

1.1.2 Công nghệ sản xuất cồn tự động hiện đại

 Công nghệ sản xuất cồn bằng phương pháp chưng cất đẳng phíứng dụng tại

Brazil

Trang 25

- 24 -

Brazil là một trong những nước đi đầu trong lĩnh vực sử dụng năng lượng sinh học, năm 1931 nước này đã tiến hành pha chế ethanol với xăng Tới năm 1975, khi giá dầu thế giới tăng cao, thì Brazil đã đi đầu với chương trình tầm cỡ quốc gia với việc sử dụng cồn nhiên liệu để pha vào xăng với tỷ lệ đến 20%, dùng trong vận tải Hiện nay, ở Brazil, khoảng 3/4 số xe bắt buộc phải dùng gasohol nếu người sử dụng

xe không muốn dùng 100% ethanol

Quy trình chưng cất đẳng phí dùng cấu tử lôi cuốn là benzene, heptan hoặc cyclohexane

Dòng nguyên liệu là ethanol 96% V sau khi gia nhiệt được đưa vào tháp tách nước 1 (Dehydrating Column) tại vị trí giữa tháp Các cấu tử lôi cuốn từ bồn chứa (6)

và từ sau thùng lắng gạn (2) được bơm vào trong tháp tại vị trí đỉnh tháp Dòng ethanol nguyên chất có nhiệt độ sôi cao thu được tại đáy và hỗn hợp đẳng phí ba cấu

tử có nhiệt độ sôi thấp thu được tại đỉnh

Ethanol khan nồng độ 99,9% thể tích thu được ở đáy tháp tách nước, qua thiết

bị làm lạnh rồi đưa về bồn chứa, bảo quản

Hỗn hợp đẳng phí ba cấu tử ra khỏi tháp tách nước được ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ (3) và qua thiết bị làm lạnh (4) rồi được đưa về thùng lắng gạn (2) để thực hiện quá trình phân tách Lớp trên của thùng lắng gạn là các hydrocacbon phá đẳng phí, ethanol, một lượng hơi nước được đưa tuần hoàn về tháp tách nước Phần dưới được đưa trở về tháp tách hydrocacbon

Đáy của tháp phân tách hydrocacbon thành phần chủ yếu là nước có thể được thải bỏ ra ngoài

Lượng hơi nước sử dụng: 1 ÷ 1,5 kg/lít ethanol 99,98%

Ưu điểm:

- Phương pháp thiết kế công nghệ và thiết bị đã hoàn thiện

Nhược điểm của công nghệ:

cũng như trong việc sử dụng sản phẩm cồn nhiên liệu

Trang 26

Sơ đồ Công nghệ sản xuất cồn khan bằng phương pháp chưng cất đẳng phí ứng

dụng tại Brazil (Phụ lục 1)

 Công nghệ sản xuất cồn bằng phương pháp rây phân tửcủa Công ty toàn cầu

Ấn Độ Praj ứng dụng tại Thái Lan:

Việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu tại Thái Lan phát triển mạnh so với các nước trong khu vực Năm 1985, nhà vua đã khởi xướng dự án hoàng gia về nhiên liệu sinh học Ủy ban quốc gia về ethanol (NEC) được thành lập để chỉ đạo các cơ quan khoa học, trường đại học và các doanh nghiệp tham gia chương trình nghiên cứu thử nghiệm xăng pha cồn và diesel sinh học Đến năm 2004, nước này đã sản xuất trên

được đưa vào tháp hấp phụ Mỗi tháp hấp phụ hoạt động bao gồm 4 chu kỳ: chu kỳ tăng áp, chu kỳ hấp phụ, chu kỳ giảm áp và rồi lại thực hiện chu kỳ tăng áp nhờ dòng nhập liệu Mỗi mẻ hấp phụ là 30 phút, quá trình giải hấp chiếm khoảng 25 phút, quá trình hạ áp chiếm 3 phút, quá trình tăng áp chiếm 2 phút Hai tháp hoạt động luân phiên nên cả quá trình sản xuất là liên tục Dòng hơi từ tháp hấp phụ ra có nồng độ trung bình khoảng 99,5% thể tích ethanol Sau đó dòng hơi được đưa vào thiết bị lọc

sơ bộ để tách bụi zeolite, tiếp tục đưa qua thiết bị ngưng tụ và làm lạnh, cuối cùng được bơm đưa vào thùng chứa

Trong quá trình giải hấp với áp suất tuyệt đối khoảng 0,5 atm, một phần hơi sản phẩm được trích ra để quay trở lại tháp đang giải hấp nhằm lôi cuốn các cấu tử đang bị tách ra Sau đó dòng hơi của quá trình giải hấp được đưa trở lại thiết bị bốc hơi

Trang 27

- 26 -

Ưu điểm công nghệ:

- Công nghệ hiện đại

- Chi phí vận hành thấp

- Hệ thống vận hành liên tục

Nhược điểm:

- Chưa có phương pháp thiết kế hoàn thiện mà việc xây dựng thiết kế phải dựa

trên số liệu thực nghiệm

- Cần tính toán, lựa chọn để tối ưu quá trình giải hấp cũng như thu hồi sản

phẩm cồn sau quá trình giải hấp

Sơ đồ Công nghệ sản xuất cồn khan bằng phương pháp rây phân tử ứng dụng

tại Thái Lan (Phụ lục 2)

1.1.3 Lựa chọn công nghệ tinh luyện cồn

Việc nghiên cứu chọn lựa công nghệ có thể vận dụng vào điều kiện Việt Nam phải phù hợp với trình độ khoa học công nghệ tại Việt Nam Công nghệ phải mang tính hiện đại, các thiết bị có thể chế tạo tại Việt Nam, giá thành công nghệ thấp để có thể giảm tối đa giá thành cồn nhiên liệu, góp phần đẩy nhanh việc sử dụng nhiên liệu sinh học tại Việt Nam theo chủ trương của Chính Phủ trong những năm trở lại đây

Đứng về nguyên tắc, hiện nay chỉ có hai công nghệ đang được sử dụng phổ biến trong công nghiệp đó là công nghệ chưng cất đẳng phí và công nghệ Rây phân

tử Trong hai công nghệ này, thì công nghệ Rây phân tử có nhiều ưu điểm vượt trội về tính hiện đại, dễ vận hành, chi phí năng lượng cho quá trình vận hành thấp, đảm bảo không ô nhiễm trong quá trình vận hành cũng như chất lượng sản phẩm cồn nhiên liệu đảm bảo yêu cầu Công nghệ Rây phân tử là công nghệ đang được sử dụngphổ biến nhất trong công nghiệp sản xuất cồn nhiên liệu hiện nay

Trên cơ sở phân tích hai công nghệ trên, việc nghiên cứu lựa chọn công nghệ phù hợp để có thể triển khai tại Việt Nam là công nghệ Rây phân tử Công nghệ này hoàn toàn phù hợp với trình độ khoa học công nghệ cũng như những yêu cầu về bảo

vệ môi trường tại Việt Nam hiện nay và tương lai

Trang 28

1.2 Vật liệu rây phân tử - Xây dựng quá trình nhiệt động và động học quá

trình hấp phụ và giải hấp phụ của nước trong ethanol

Việc thực hiện nghiên cứu chọn lựa vật liệu hấp phụ và nghiên cứu nhiệt động học của quá trình hấp phụ và giải hấp được thực hiện trên hệ thống pilot Hệ thống pilot này được chế tạo và lắp đặt tại Trung Tâm Nghiên Cứu Công nghệ Lọc hóa dầu - Đại học Bách khoa Tp HCM

1.2.1 Lựa chọn vật liệu rây phân tử

1.2.1.1 Đặc trưng của vật liệu rây phân tử sử dụng trong nghiên cứu quá trình động học và lựa chọn vật liệu rây phân tử:

Bảng 1.1: Vật liệu rây phân tử zeolite 3A và 4A sử dụng trong đề tài

TT Vật liệu- Ký hiệu Xuất xứ Tính chất, ứng dụng

CHEMICAL PACKING CO., LTD - CHINA

Hình cầu, đường kính: 1.7-2.5 mm; Tỷ trọng d ≥ 0.66 (g/ml); khả năng hấp phụ nước 21% max; Tỷ lệ mài mòn: ≤ 0.2%; Kích thước lỗ Zeolite 3A là

1.2.1.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Quá trình nghiên cứu lựa chọn vật liệu rây phân tử được tiến hành trên hệ thống pilot theo quy trình PSA Hệ thống pilot này được thiết kế và chế tạo tại RPTC dựa trên các kết quả nghiên cứu đã được công bố trên thế giới về hệ thống hấp phụ rây phân tử vận hành liên tục Hệ thống được thiết kế với công suất 10 lít cồn 99,5%V/h Gồm hai tháp vận hành liên tục

Sơ đồ nguyên lý và hệ thống pilot làm khan cồn tại Trung Tâm Nghiên Cứu Công Nghệ Lọc hóa dầu (RPTC) - ĐH Bách khoa Tp HCM:

Trang 29

1.1:

ng gồm ba0mm, tháp

ước của ha

ệu là 3,5 líhoạt động

H KHOA TPHC

RPTC hấp phụ:

ày 1mm, kchân khôn

ite:

độ cồn nhhống là 8 p

ấp 0,7atm

CM

600 mm, khối lượng

ng của quá

hập liệu là phút, tỷ lệ Lấy nồng

Trang 30

Hình 1.2:Đồ thị khảo sát khả năng hấp phụ nước của hai loại zeolite

Nhận xét:

tại RPTC, zeolite 4A có khả năng làm khan cồn tốt hơn zeolite 3A

nhưng không ổn định

tiến hành trên hệ thống hai tháp hoạt động liên tục cho kết quả nồng độ cồn sản phẩm không đạt yêu cầu như trên zeolite 4A

Kết luận:

nhưng zeolite 4A có những ưu điểm trong quá trình vận hành mà cụ thể là quá trình giải hấp nước để đảm bảo cho hệ thống công nghệ hoạt động liên tục

Trang 31

ại các điều

a tủ điều n Khảo sát c

u kiện: khốihiệt 130 ÷cho đến kh

ao đổi nhiệ

át sự biến thlite 4A và

ão hòa nướ

Trang 32

1.2.2.2 Kết quả khảo sát trên Zeolite 3A

Hình 1.4: Ảnh hưởng của áp suất lên khả năng hấp phụ nước của zeolite 3A

Hình 1.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng hấp phụ nước của zeolite 3A

Trang 33

- 32 -

Hình 1.6: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên nồng độ nước trong sản phẩm của zeolite 3A

Nhận xét:

 Thời gian hoạt động hiệu quả của zeolite 3A trong điều kiện thí nghiệm nằm trong khoảng 30 phút

 Áp suất hấp phụ càng cao thì khả năng hấp phụ của zeolite 3A càng cao

 Nhiệt độ hấp phụ tỉ lệ nghịch với lượng nước mà zeolite hấp phụ

Trang 34

1.2.2.3 Kết quả khảo sát trên Zeolite 4A

Hình 1.7: Ảnh hưởng của áp suất lên khả năng hấp phụ nước của zeolite 4A

Trang 35

- 34 -

Hình 1.9: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên nồng độ nước trong sản phẩm của zeolite 4A

Hình 1.10: Ảnh hưởng của áp suất lên nồng độ nước trong sản phẩm của zeolite 4A

Trang 36

Nhận xét:

 Thời gian hoạt động hiệu quả của zeolite 4A trong điều kiện thí nghiệm nằm trong khoảng từ 120 đến 180 phút

 Áp suất hấp phụ càng cao thì khả năng hấp phụ của zeolite 4A càng cao

 Nhiệt độ hấp phụ tỉ lệ nghịch với lượng nước mà zeolite hấp phụ

1.2.2.4 So sánh Zeolite 4A và 3A

Hình 1.11: Khả năng hấp phụ nước của zeolite 3A và 4A

 Khả năng giữ nước của zeolite 4A tốt hơn zeolite 3A và thời gian hoạt động hiệu quả (thời gian hoạt động của zeolite mà nồng độ cồn sản phẩm ra

ở mức trên 99,5% V) cũng kéo dài hơn

 Thời gian hoạt động hiệu quả của hai loại vật liệu rây phân tử qua các hình 1.6, hình 1.9 và hình 1.10 cho thấy khả năng làm việc của zeolite 4A phù hợp với công nghệ hấp phụ - giải hấp hoạt động liên tục trên mô hình hai tháp tốt hơn zeolite 3A

Trang 37

- 36 -

1.2.3 Xây dựng quá trình nhiệt động và động học quá trình giải hấp phụ của nước trong zeolite

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

Hệ thống: sử dụng hệ thống của quá trình hấp phụ Sau khi cột zeolite đã hấp phụ bão hòa nước tiến hành quá trình giải hấp và khảo sát các thông số ảnh hưởng

Tiến hành các thí nghiệm trên zeolite 4A để khảo sát động học của quá trình giải hấp phụ nước tại lưu lượng nhập liệu 2.5 ml/phút, nhiệt độ của tủ điều nhiệt

Trang 38

1.3.1 Chuẩn hóa nguyên liệu

Cụm chuẩn hóa nguyên liệu với mục đích tinh luyện cồn từ nồng độ 80%V đến 95% V, để làm nguyên liệu cho cụm thứ 2 (cụm hấp phụ và giải hấp)

Cồn nguyên liệu công nghiệp được sử dụng là cồn có nồng độ tối thiểu 80%V

và cồn giải hấp (được tính toán theo điều kiện thiết kế tháp hấp phụ cũng khoảng 80%V) được trộn tại bồn chứa B-00 Khi đó, dòng nguyên liệu có nồng độ khoảng 80%V được bơm EP-00 đưa qua bộ gia nhiệt E-00 và E-01 đạt nhiệt độ ổn định 80,8C trước khi vào tháp chưng Việc sử dụng bộ gia nhiệt E-00 nhằm mục đích tận dụng nguồn nhiệt của cồn sản phẩm ngưng tụ, giảm năng lượng sử dụng của hệ thống Tại tháp chưng cất, hỗn hợp ethanol – nước thực hiện các quá trình truyền khối và phân tách thành 2 dòng: Dòng hơi đỉnh tháp với nồng độ cồn khoảng 95% V được ngưng tụ bởi bộ trao đổi nhiệt E-03 và chảy vào bồn trung gian B-01 Tại đây, một phần được hoàn lưu về tháp thông qua bơm EP-01, phần còn lại là sản phẩm đỉnh chảy qua bồn trung gian B-02 làm nguyên liệu cho quá trình tiếp theo Dòng lỏng ở đáy tháp được gia nhiệt bởi nồi đun E-02 cung cấp hơi và năng lượng cho tháp Hơi bốc lên ở nồi đun được đưa trở lại vào đáy tháp, phần lỏng lấy ra khỏi nồi đun có nồng độ cồn 1% được xem như nước thải

1.3.2 Hấp phụ - giải hấp và thu hồi cồn sản phẩm

Nhiệm vụ: thực hiện quá trình làm khan cồn với nguyên liệu là cồn có nồng độ 95% V để tạo ra sản phẩm cồn có nồng độ tối thiểu là 99,5% V Gồm hai giai đoạn hấp phụ và giải hấp hoạt động liên tục

Cồn sau chưng cất đạt nồng độ khoảng 95% V được đưa về bồn trung gian

B-02 Từ đó cồn được bơm EP-02 đưa vào thiết bị hóa hơi và quá nhiệt E-04 để đạt nhiệt

luân phiên (một tháp thực hiện quá trình hấp phụ, tháp kia sẽ giải hấp và ngược lại),

tháp hấp phụ (ví dụ tháp A-01), tại đây hơi nước trong hỗn hợp được zeolite trong tháp hấp phụ gần như hoàn toàn, dòng hơi cồn tuyệt đối đi ra đạt nồng độ tối thiểu 99,5% V Sản phẩm cồn tuyệt đối đi ra được chia thành 2 phần: Phần thứ nhất được dẫn qua tháp giải hấp (ví dụ tháp A-02) để hỗ trợ thực hiện quá trình giải hấp Trong

Trang 39

- 38 -

quá trình di chuyển trong tháp, dòng hơi cồn sẽ lôi cuốn theo hơi nước đã bị hấp phụ

và giúp hoàn nguyên lại zeolite Quá trình giải hấp trong tháp được thực hiện ở độ chân không khoảng 0,8atm Phần còn lại được đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt với dòng nguyên liệu E-00 và thiết bị ngưng tụ/làm mát E-06 để ngưng tụ hoàn toàn thành lỏng

và được chứa trong bồn sản phẩm trung gian B-04 Từ đây, dòng cồn tuyệt đối sẽ được phân tích nồng độ để xác định chất lượng của sản phẩm Nếu cồn đạt yêu cầu (nồng độ ≥ 99,5% V) thì được bơm EP-04 bơm về bồn chứa sản phẩm B-05 Còn nếu cồn chưa đạt yêu cầu thì được bơm EP-04 bơm trở lại bồn trung gian B-02 để tiến hành hấp phụ lại

Khi tháp A-01 tiến hành hấp phụ thì tháp A-02 tiến hành giải hấp và ngược lại

Cứ như thế quá trình diễn ra luân phiên nhau theo chu kỳ với thời gian được cài đặt phù hợp

1.3.3 Thu hồi cồn từ nước thải của quá trình giải hấp phụ

Nhiệm vụ: là cụm thu hồi cồn thải từ quá trình giải hấp đồng thời đóng vai trò tạo áp suất chân không cao với mục đích hỗ trợ cho quá trình giải hấp

Sau một chu kỳ hoạt động thì zeolite trong tháp hấp phụ (ví dụ tháp A-01) bị bão hòa và cần được hoàn nguyên Khi hệ thống làm việc, quá trình giải hấp xảy ra thì dòng hơi cồn sau giải hấp được bơm chân không VP-00 hút qua bộ trao đổi nhiệt E-05

tụ tại bình tách lỏng B-03 được bơm EP-03 hút về bồn nguyên liệu để phối trộn

Sơ đồ công nghệ tinh luyện cồn đạt nồng độ 99,5% V bằng công nghệ rây phân

tử (Phụ lục 3)

Trang 40

1.4 Mô phỏng trên phần mềm Pro II cho công nghệ tinh luyện cồn

1.4.1 Mô phỏng cho quá trình chưng luyện sản xuất cồn

Hình 1.13:Mô hình tháp chưng cất mô phỏng trên phần mềm Pro II

Bảng 1.2: Kết quả mô phỏng trên phần mềm Pro II của tháp chưng cất

Column T1 Summary

Tray Temp Pressure Liquid Vapor Feed Product Duties

C ATA KG-MOL/HR

TOP 78,1 1,0 2,350

C ATA KG-MOL/HR

BOTTOM 98,6 1,0 1,693

C ATA KG-MOL/HR

Tiêu đề	Nghiên cứu thiết kế, và chế tạo hệ thống thiết bị tự động tinh luyện cồn để sản xuất xăng pha cồn với công suất tối thiểu 2000 lít cồn 99,5
Tác giả	TS. Huỳnh Quyền
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa, Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ thuật Hóa và Sinh Học
Thể loại	Đề tài Nghiên cứu Khoa học
Năm xuất bản	2010
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	191
Dung lượng	5,4 MB