Đề tài " Thiết kế hệ thống hấp phụ tinh luyện cồn pha xăng " pot

Theo các chuyên gia, chúng ta đang phải đối mặt với su vấn đề có lin quan tới nhau v rất cấp bch: - Lương thực: Cứ sáu người thì có một người bị đói và suy dinh dưỡng trong khi đó quá t

Đề tài "Thiết kế hệ thống hấp phụ tinh luyện cồn pha xăng"

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHÓA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Thành phố Hồ Chí Minh

Khoa: Công nghệ Hóa & Thực phẩm

Bộ môn: Quá trình và Thiết bị

ĐỒ ÁN MÔN HỌC: ĐỒ ÁN CHUYN NGNH QT&TB

MÃ SỐ: 605109

Họ và tên sinh viên: Vũ Tiến Dũng Lớp: HC06MB

Ngành (nếu có): Qu Trình & Thiết Bị

1 Đầu đề đồ án: Thiết kế hệ thống thp hấp phụ tinh luyện cồn pha xăng

2 Nhiệm vụ (nội dung yêu cầu và số liệu ban đầu):

- Nồng độ nhập liệu: xF= 92%phần khối lượng

- Nồng độ sản phẩm cồn khan: xW = 99,5% phần khối lượng

- Nguồn năng lượng và các thông số khác tự chọn

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN

Cán bộ hướng dẫn Nhận xét: Điểm: Chữ ký:

Cán bộ chấm hay Hội đồng bảo vệ Nhận xét: _ Điểm: Chữ ký:

Điểm tổng kết:

Mục Lục

Chương 1 6

I Mục đích đề tài 6

1 Tính thực tiễn của đề tài 6

2 Lợi ích của việc dng gasohol 7

II Những đặc tính của cồn tinh luyện 8

1 Các phương pháp sản xuất cồn 8

2 Tính chất v ứng dụng của cồn 8

III Cồn nhiên liệu 9

1 Lịch sử pht triển 9

2 Yêu cầu về chất lượng 10

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 14

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 19

1 Cấu trc của zeolite 19

2 Phn loại Zeolite 19

3 Xác định bề mặt riêng của zeolite 20

4 Một số đặc trưng của Zeolite 4A 21

Chương 2 22

I Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 22

II Thuyết hấp phụ Fruendlich 23

III Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Brunauer – Emmett – Teller (BET) 24

IV Một số thực nghiệm về phương pháp hấp phụ sản xuất cồn bằng vật liệu zeolite 25

Chương 3 30

I Lựa chọn quy trình công nghệ 30

II Thuyết minh quy trình công nghệ 30

Chương 4 31

I Cn bằng vật chất cho qu trình hấp phụ 31

II Tính tốn chiều cao lớp hấp phụ 33

1 Đường kính của tháp 33

2 Tính chiều cao thp 34

3 Tính tốn thời gian hấp phụ 34

4 Tính toán lượng zeolite cần thiết 35

III Cân bằng nhiệt lượng cho quá trình hấp phụ 35

Chương 5 37

I Chọn tc nhn giải hấp phụ 37

II Cn bằng vật chất cho qu trình nhả hấp phụ 37

II Tính toán vận tốc hơi giải hấp đi trong tháp 39

II Các giai đoạn nhả hấp phụ 40

Chương 6 41

I Tính tốn chiều cao tồn bộ thp 41

II Tính tổn thất p suất của dịng khí qua lớp hấp phụ 41

III Tính toán cơ khí cho thân tháp 42

1 Tính bề dy cho thn trụ hn chịu p suất trong 42

2 Tính đáy, nắp tháp 43

3 Tính đường kính và bích ghép các ống dẫn 44

4 Tính chân đỡ tai treo cho tháp 46

Chương 7 49

I Tính toán nồi đun 49

1 Lượng hơi đốt cần dùng 49

2 Hiệu nhiệt độ trung bình 50

3 Hệ số cấp nhiệt của cồn sơi sủi bọt trong thiết bị đun sôi 50

4 Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ phía trong ống 51

5 Mật độ dịng nhiệt truyền qua vch 51

6 Hệ số truyền nhiệt tổng qut 52

7 Bề mặt truyền nhiệt 52

II Năng suất nhiệt của caloriphe 52

III Tính tốn thiết bị ngưng tụ sản phẩm 52

1 Lượng nước cần dùng để giải nhiệt 53

2 Hiệu nhiệt độ trung bình 53

3 Hệ số cấp nhiệt hơi cồn tình khiết ngưng tụ trên bề mặt ống đứng 53

4 Hệ số cấp nhiệt của nước giải nhiệt đi trong ống 53

5 Mật độ dịng nhiệt truyền qua vch 54

6 Hệ số truyền nhiệt tổng qut 55

7 Bề mặt truyền nhiệt 55

Kết Luận

Ti Liệu tham khảo

đe dọa chính loài người Theo các chuyên gia, chúng ta đang phải đối mặt với su vấn đề có

lin quan tới nhau v rất cấp bch:

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

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

- Năng lượng: Hiện nay nguồn năng lượng chính của chúng ta đến từ dầu mỏ và khí đốt, trong khi đó nguồn nhiên liệu hóa thạch này đang khan hiếm dần v dự đoán sẽ hết trong một tương lai rất gần

- Biến đổi khí hậu: Biến đổi khí hậu đ v đang diễn ra trn tồn thế giới, nĩ có ảnh hưởng rất lớn đến đời sống con người trên trái đất

- Đa dạng sinh học: Nhiều nh khoa học cho rằng thế giới đang bước vào cuộc “đại tuyệt chủng” lần thứ 6 do các vấn đề về ơ nhiễm môi trường và tăng dân số

- Ơ nhiễm: Các chất được cho l ơ nhiễm đ có trong tự nhiên từ rất lâu nhưng hiện giờ chúng đang có nồng độ cao đến mức báo động, nó đang gây ra nhưng thiệt hại v biến đổi to lướn đối với con người v sinh vật trên trái đất

Như trên đ nu, năng lượng v ơ nhiễm l hai vấn đề quan trọng cấp bch cần giải quyết nhanh chóng

Thực tế cho thấy, cng với sựu pht triển mạnh mẽ của nền đại công nghiệp thì ko theo l lượng năng lượng cần cho nó cũng tăng lên rất lớn Trong khi đó nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt, theo như dự bo của các nh khoa học thì trữ lượng xăng dầu của tồn thế giới chỉ đủ cho khoảng 50 năm nữa

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

Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo v thn thiện với môi trường là điều rất quan trọng v cần thiết Bn cạnh việc sử dụng các nguồn năng lượng như năng lượng thủy điện, năng lượng nguyn tử, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều…Thì năng lượng có nguồn gốc sinh học đang rất được quan tm Ethanol l nhiên liệu đi từ nguồn gốc sinh học đang được cả thế giới quan tm V hiện nay Ethanol được sử dụng như một phụ gia để pha vào xăng tạo thnh một loại nhiên liệu được gọi l gasohol hay gasoline – alcohol

Đặc biệt nước ta l một nước có nền kinh tế nơng nghiệp l chủ yếu với thế mạnh chính

l các ngnh trồng trọt và chăn nuôi đặc biệt l ngnh trồng la gạo Nước ta là nước có sản lượng

la gạo xuất khẩu đứng thứ hai trn thế giới với những năm gần đây kim nghạch xuất khẩu gạo tăng liên tục Bn cạnh đó ngành trồng trọt rau củ quả cũng pht triển rất mạnh

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

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

2 Lợi ích của việc dng gasohol

Xt về mặt năng lượng thì cồn tinh luyện khơng có lợi hơn so với xăng (năng lượng sinh ra khi đốt chy 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 nghóa l ta sẽ giảm được 10% lượng xăng nhập khẩu qua đó tiết kiệm được rất nhiều ngn sch dnh 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

- Tận dụng các nguồn phụ phế phẩm của nơng nghiệp để sản xuất cồn như rơm rạ, mật

rỉ, ngơ, sắn…Đồng thời tạo công ăn việc lm cho nhn dn Hng năm nước ta có khoảng 31 triệu tấn rơm rạ, ngồi việc sản xuất nấm rơm ra thì đây là ngồn sản xuất cồn rất lớn, rất có triển vọng

- Gip ổn định vấn đề về an ninh năng lượng v giảm bớt phụ thuộc năng lượng vào các quốc gia khác

II Những đặc tính của cồn tinh luyện

1 Các phương pháp sản xuất cồn

Ethanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thông thường nó được sản xuất từ các nguyn 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 p suất 70 – 80 atm với xc tc l 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 l chuyển hóa đường thnh ethanol bằng nấm men (người ta thường dng loại Sacácharomyses cerevisiae) trong điều kiện không có oxy hay điều kiện yếm khí, phản ứng hóa học tổng qut được viết

tốt Ethanol dễ chy v có thể tạo hỗn hợp nổ với khơng khí Ethanol tạo hỗn hợp đẳng phí với nước ở 89,4% mol, nhiệt độ sơi của hỗn hợp này ở 1 atm l 78,40C

Nhiệt độ sơi của ethanol nguyn chất 78,390C, tỷ trọng d154 = 0,794, nhiệt dung riêng đẳng p Cp(160C -210C) = 2,42 J.g-1.K-1, nhiệt chy 1370,82 kJ/mol

2.2 Ứng dụng

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

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

- Trong y tế cồn l nguyn liệu trung gian để sản xuất nhiều loại thuốc, cồn cịn lm chất st trng

- Trong ngnh công nghiệp sơn cồn dng lm dung mơi

- Trong công nghiệp hương liệu và nước hoa cồn dn lm dung mơi

- Trong hóa học cồn l chất trung gian sản xuất ra các hóa chất khác như: axit acetic, andehyt acetic, etyl acetat…

- Dng lm nhiên liệu pha xăng E10, E20, E85, E100…

III Cồn nhiên liệu

1 Lịch sử pht triển

Từ những năm 20 của thế kỉ XX cồn đ được nghin cứu, sử dụng lm nhiên liệu cho động cơ ôtô xe máy thay thế cho xăng dầu Điển hình cho hướng đi tiên phong này là Mỹ v Brasil Tuy nhiên với việc pht hiện ra các mỏ dầu có trữ lượng lớn cng với sự pht triển mạnh

mẽ của ngnh công nghiệp lọc hóa dầu đ sản xuất ra sản phẩm xăng dầu chất lượng cao gi thnh hạ đ lm cho cồn nhiên liệu bị đẩy li

Năm 1973 với cuộc khủng hoảng năng lượng thì vấn đề dng cồn nhiên liệu lại được

đề cập nhưng phải đến đầu thế kí XXI hì hướng pht triển cồn nhiên liệu mới được ưu tiên phát triển tuy vậy nĩ vẫn chỉ đóng vai trị thứ yếu so với các nhiên liệu hóa thạch, nhưng trong tương lai nó có thể l nguồn năng lượng chính khí dầu mỏ cạn kiệt

Trn thế giới hiện nay có các nước Mỹ, Ty u, Brasil, Trung Quốc, Nhật Bản đang là các nước sản xuất cồn nhiên liệu nhiều nhất

2 Yu cầu về chất lượng

Thực ra cồn cũng l hợp chất cacbuahydro như dầu mỏ nn có tính chy nổ tốt Vì vậy về nguyn tắc với cồn khan 99,5% trở ln l có thể cho vào động cơ chạy được, tuy nhiên cồn có nhiều đặc tính như ăn mịn kim loại, lăm hư các chi tiết cao su hay nhựa trong động cơ nên nếu khơng cải tiến động cơ thì khơng thể thay thế hồn tồn xăng bằng cồn khan để chạy động

cơ được

Đối với ơtơ, xe gắn máy thông thường chỉ được sử dụng xăng pha cồn với nồng độ tối

đa là 10% (xăng E10) Với xăng E10 không cần cải tiến hay thay đổi động cơ mà có thể chạy hồn tồn bình thường so với việc dng 100% xăng Cồn pha xăng ngày nay đ được tiu chuẩn hóa về chất lượng, ty theo quốc gia quy định, sau đây là một số tiu chuẩn điển hình

Bảng 1: Yu cầu kỹ thuật của cồn nhiên liệu

4 Hàm lượng nước, % thể tích, max 1,0

5 Hàm lượng chất biến tính (xăng, naphta),

12 Khối lượng ring ở 150C, kg/m3 -

Bảng 2: Tiu chuẩn cồn nhiên liệu của Mỹ năm 2003

1 Tỷ trọng tại 15,60C, max g/ml 0,796

2 Nồng độ ethanol ở 15,60C, min % tt 99,5

4 Axit qui về axit acetic, max % KL 0,006

5 Lượng chất rắn cịn lại khi bốc hơi

nguyên liệu, max

% KL 0,005

6 Lượng aldehyde qui về CH3COOC2H5 g/100ml 0,10

8 Methyl alcohol Ppm Thỏa mn các yu

cầu môi trường

9 Ketones, isopropyl, tertiary butyl Ppm Thỏa mn các yu

cầu môi trường

10 Các hợp chất chứa lưu huỳnh % tt Khơng có

Bảng 3: Tiu chuẩn cồn nhiên liệu của Ấn Độ

1 Tỷ trọng tại 15,60C, max g/ml 0,7961

2 Nồng độ ethanol ở 15,60C, min % tt 99,5

4 Axit qui về axit acetic, max mg/l 30

5 Lượng chất rắn cịn lại khi bốc hơi

nguyên liệu, max

6 Lượng aldehyde qui về

CH3COOC2H5, max

9 Khả năng dẫn điện, max microS/m 300

3 Các phương pháp pha cồn vào xăng

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

Hiện nay trn thị trường đang lưu hành các loại xăng pha cồn như E5, E7, E10, E15, E20, E85, E95, E100 Ký hiệu E có nghóa là xăng pha cồn cịn chỉ số có nghóa l phần trăm thể tích của cồn trong xăng

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

Ethanol có chỉ số octane cao RON = 120 – 135, MON = 100 – 106, thường được pha vào xăng với tỉ lệ 10%tt – 15%tt Khi pha vào xăng do bản thn ethanol có chỉ số octane cao nên nó cũng làm tăng chỉ số octane chung của xăng

Mặt khác, do bản thn qu trình chy trong động cơ là cháy cưỡng bức trong điều kiện thiếu oxy nn một số chất không cháy hoàn toàn và sinh ra CO gây độc hại Khi đưa ethanol vào thì sẽ có các ưu điểm sau:

- Đốt chy hồn tồn các chất trong hỗn hợp chy nhờ có thm oxy trong ethnol giảm tiêu hao năng lượng do chy khơng hết

- Oxy hóa các khí độc hại trong qu trình chy ln số oxy hóa cao nhất ít độc hại hơn với môi trường

Bn cạnh đó sử dụng ethanol pha xăng cũng có những nhược điểm:

- Ethanol khan rất háo nước do đó quá trình bảo quản sẽ khó khăn

- Ethanol khó bay hơi hơn phần nhẹ trong xăng nên khi nhiệt độ xuống thấp sẽ khó khởi động động cơ

- Nước có trong cồn pha xăng có thể lm tch lớp

- Gi cồn hiện nay tương đối cao

- Ngoài nhược điểm trn, do ethanol chủ yếu được sản xuất từ nơng nghiệp nn cần phải cân đối hợp lý giữa việc sử dụng lương thực để lm nguyn liệu sản xuất cồn v thực phẩm sinh hoạt

IV Các phương pháp sản xuất cồn nhiên liệu

Ethanol thu được sau qu trình ln 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, lm khan cồn Để lm khan cồn hiện nay người ta thường sử dụng các phương pháp:

1 Phương pháp chưng luyện

1.1 Phương pháp chưng luyện đẳng phí

Nguyn 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 thnh 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 nguyn chất

Cấu tử thứ ba thường dng l Benzene, Clorofom, toluene…

1.2 Phương pháp trích ly với muối rắn

Trong một vi hệ nào đó khi độ hịa tan cho php thì ta có thể hịa tan muối vào trong pha lỏng, đúng hơn là thêm vào chất lỏng như là một tc nhn ring cho qu trình chưng luyện trích

ly Khi đó muối sẽ làm thay đổi thnh phần hỗn hợp ở trạng thi cn bằng mà không làm thay đổi hỗn hợp ở trạng thái đầu, đối với hệ ethanol – nước khi thm muối khan làm cho độ bay hơi thay đổi đáng kể

2 Phương pháp bay hơi thẩm thấu qua mng

Phương pháp bay hơi thẩm thấu qua mng lọc dựa trn nguyn tắc sử dụng mng 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 qu trình phn tch hỗn hợp lỏng ví dụ như loại nước

ra khỏi hỗn hợp ethanol – nước để sản xuất cồn cao độ Kích thước của mng 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 xuyn thay mng

Hình 1 Nguyn tắc của phương pháp thẩm thấu qua mng

3 Phương pháp hấp phụ (rây phân tử)

Ry phn tử (hay cịn gọi l sng phn tử) l qu trình sử dụng các chất hấp phụ chọn lọc để phn ring 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 cịn cấu tử có kích thước lớn hơn sẽ đi ra ngoài và ta thu được dịng vật chất có nồng độ cao hơn Lợi dụng tính chất này của các chất hấp phụ người ta đ sử dụng để lm khan hỗn hợp ethnol – nước, với chất hấp phụ thường dng l zeolite, than hoạt tính, silicagel…

Kích thước động học của ethanol và nước được biết hiện nay l:

 Kích thước động học của nước 2,57 A0

 Kích thước động học của ethnol 4,46 A0

Do đó vật liệu hấp phụ có kích thước mao quản nằm trong khoảng 2,57 A0 – 4,46 A0

sẽ có khả năng làm khan được cồn và người ta thường dng Zeolite 3A hoặc 4A để lm chất hấp phụ Tuy vậy vẫn chưa có kết luận cuối cng no cho thấy zeolite 3A hay 4A có khả năng làm khan cồn tốt hơn Khi nhả hấp phụ thì sẽ dùng khí Nitơ nóng hoặc dng trực tiếp cồn khan

để nhả hấp…

Trong công nghệ lm khan cồn bằng chất hấp phụ lại được thực hiện bằng rất nhiều cách: hấp phụ cồn dưới dạng hơi, cồn dạng lỏng, thực hiện hấp phụ bằng hai thp hay ba thp, thp tầng cố định hoặc tầng sôi…Dưới đây là sơ đồ công nghệ của các phương pháp trên

Hình 2 Sơ đồ hấp thụ cồn dạng hơi sử dụng hai thp

Hình 3 Sơ đồ hấp thụ cồn dạng hơi sử dụng ba thp

4 Phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp

4.1 Phương pháp chưng luyện đẳng phí

- Yu cầu về năng lượng nhiệt cao

- Gi thnh sản phẩm tương đối cao

4.2 Phương pháp chưng luyện trích ly với muối khan

 Ưu điểm

- Chưng luyện trích ly có thể tao ra độ sạch cao hơn các tháp làm sạch thông thường

Cả vốn đầu tư và chi phí vận hành đều giảm

- Phương pháp này sử dụng tc nhn l muối tương đối dễ kiếm v rẻ tiền , thiết bị vận hành đơn giản, nông độ sản phẩm cao

 Nhược điểm

- Ring với cồn nhiên liệu người ta địi hỏi hàm lượng chất rắn hồ tanrất ít vì vậy có thể

phải có công đoạn tch muối

- Sự có mặt của muối dẫn đến độ ăn mịn vật liệu cao, phải ch tao thiết bị chịu ăn mịn tốt

4.3 Phương pháp rây phân tử

 Ưu điểm

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

- Có thể thay thế các thơng số vận hnh trong khoảng rộng

- Không có các tác nhân độc hại

- Có thể sử dụng chất hấp phụ sau nhiều lần ti sinh

- Thiết bị cấu tạo đơn giản dễ vận hnh

1 Cấu trc của zeolite

Zeolite l vật liệu xốp được biết đến đầu tiên vào năm 1756 bởi nh khống vật

học người Thụy Điển A.F Cronsteds Zeolite tự nhiên được hình thnh trong qu trình hoạt động của ni lửa v l các Aluminosilicat tinh thể cấu trc mao quản rất đồng đều cho php chng sng lọc những phn tử theo cấu trúc xác định Hiện nay có hơn 40 loại Zeolite được tìm thấy trong tự nhiên v có khoảng 100 loại zeolite tổng hợp với kích thước mao quản nằm trong khoảng 3A0 – 30A0 Kích thước mao quản dùng để đặt tn cho vật liệu này v nĩ cũng l yếu tố quyết định đến tính chất của zeolite Thnh phần cơ bản của zeolite như sau:

(M+)x.(AlO2)x.(SiO2)y.zH2O Trong đó:

M: l cation b trừ điện tích khung

x: l số cation b trừ điện tích

z: Số phn tử nước kết tinh trong Zeolite

2 Phn loại Zeolite

2.1 Phn loại theo kích thước mao quản

Theo kích thước mao quản thì zeolite được chia lm 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.Phn loại Zeolite theo tỉ lệ Si/Al

Ty thuộc vào hm lượng Si v Al có trong thnh phần zeolite mà chúng được phn loại như sau:

- Loại giu Al: theo quy tắc của Lowenstain thì hm lượng Si trong Zeolite lớn hơn của

Al, tức l tỉ số Si/Al luơn lớn hơn một, dựa vào tỉ số này ta phn loại Trong loại giu Al thì điển hình l các zeolite 3A, 4A, 5A với các cation b trừ điện tích lần lượt l Na, K, v 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 l zeolite họ X, Y

- Loại giu Si (ít Al): loại này có tỉ lệ Si/Al lớn hơn 2,5, tiêu biểu cho loại này có ZSM –

5, ZSM- 11

3 Xác định bề mặt ring của zeolite

Để xác định bề mặt ring của zeolite ta dựa vào công thức

Sr = nm.N.Sm m2/g Trong đó:

Sr: diện tích bề mặt ring của chất hấp phụ, m2/g

Sm: Diện tích bề mặt của một phn tử chất bị hấp phụ, m2

(Gần đúng có thể coi Sm bằng tiết diện ngang của chất bị hấp phụ, tham khảo bảng 4)

N: số Avàogadro

nm: Số mol chất bị hấp phụ đơn lớp trn 1g chất hấp phụ, mol/g

Bảng 4 Tiết diện ngang của một số chất khí Chất bị hấp phụ Nhiệt độ, K Sm, (A0)2

Ngày nay người ta sử dụng phương trình BET để xác định bề mặt riêng như là một tiu chuẩn vì độ chính xác cũng như cách thực hiện khơng phức qu phức tạp

Từ phương trình BET ta xc định số mol nm từ gi trị Vm như sau:

0 0

1

1)

P C V

C C V P P V

P

m m







Phương trình này được ứng dụng trong khoảng P/P0 = 0,05 – 0,35

Từ phương trình trn ta xc định gi trị Vm, v có gi trị nồng độ C suy ra được nm

4 Một số đặc trưng của Zeolite 4A

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

Bảng 5 Đặc tính kỹ thuật của Zeolite

cao 5750C/3h

%, max 1,5 1,5 1,5 1,5

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT HẤP PHỤ

I Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir

Theo Langmuir trn bề mặt chất hấp phụ có trường lực hóa trị chưa bo hịa vì vậy có thể hấp phụ các phn tử chất bị hấp phụ tại các vị trí này các vị trí này cị được gọi l trung tm hấp phụ Lực hấp phụ có bn kính tc dụng rất nhỏ l lực bản chất gần với lực hóa học nn mỗi tm chỉ giữ lại được một phn tử chất hấp phụ tạo thnh lớp hấp phụ đơn lớp trn bề mặt chất hấp phụ Các phn tử chất hấp phụ chỉ tương tác với trung tm hấp phụ mà không tương tác với các trung tm khác hay các phn tử khác gần đó

Những giả thiết khi lập phương trình Langmuir

 Các chất bị hấp phụ tạo thành đơn lớp phn tử

 Năng lượng hấp phụ các phn tử là đồng nhất (bề mặt đồng nhất)

 Sự hấp phụ l thuận nghịch

 Tương tác giữa các phn tử chất bị hấp phụ với nhau có thể bỏ qua

Nếu ta xem rằng bề mặt hấp phụ có các trung tm hấp phụ có diện tích S, phần bề mặt bị các phn tử chất bị hấp phụ chiếm S1, vậy phần cịn trống sẽ l S0 = S – S1

Vậy tốc độ hấp phụ sẽ phụ thuộc v diện tích bề mặt cịn trống, p suất hơi trên bề mặt, mức

độ hoạt động của các trung tm hấp phụ Mức độ hoạt động của trung tm hấp phụ được tính theo đại lượng , trong đó E là năng lượng hoạt hóa của qu trình hấp phụ

Trong khi đó vận tốc giải hấp tỉ lệ với phần diện tích bị che phủ v mức độ hoạt động của

qu trình nhả hấp , trong đó E’ là năng lượng hoạt hóa của qu trình nhả hấp

Khi qu trình cn bằng ta có:

RT

E RT

E

e S k e S S P k

' 1 01 1

k S S

S

02

01 1

P K

.1

P K v

.1

P



.1

II Thuyết hấp phụ Fruendlich

Nghin cứu thực nghiệm qu trình hấp phụ Fruendlich đ đưa ra phương trình thực nghiệm:

RT

Ee

e k



x = K.P1/n x- độ hấp phụ, P- p suất khí cn bằng trn bề mặt hấp phụ, K- hằng số, n- số phn tử bị hấp phụ

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 nh khoa học Brunauer – Emmett- Teller đ tìm ra lý thuyết giải thích v mối quan hệ định lượng chúng dưới dạng phương trình đẳng nhiệt BET

Lý thuyết BET cho rằng sự hấp phụ khí, hơi trên bề mặt chất rắn l hấp phụ vật lý, ở giai đoạn

p suất thấp thì tun theo quy luật như của phương trình đẳng nhiệt hấp phụ của Langmuir, nếu tăng áp suất thì sẽ diễn ra qu trình hấp phụ đa lớp khi p suất tiến tới bằng p suất hơi bo hịa trn bề mặt rắn thì có thể xảy ra hiện tượng ngưng tụ trong các mao quản hấp phụ Như vậy theo BET các phn tử chất hấp phụ khơng chuyển động tự do trn bề mặt và không tương tác với nhau, ở những điểm khác nhau có thể hình thnh nhiều lớp hấp phụ nhưng tổng bề mặt là không đổi Để thiết lập phương trình đẳng nhiệt BET người ta thừa nhận giả thiết của Langmuir v bổ sung thm một số điều

 Enthanpy của các phn tử khơng thuộc lớp thứ nhất đều bằng nhau v bằng enthanpy hóa lỏng

 Số lớp hấp phụ trở ln vơ cng lớn ở p suất bo hịa

Dựa trn cở sở đó người ta thiết lập phương trình BET

).1

).(

1(

0 0 0

0

P

P C P

P P

P P

P C V

Hay có thể viết dưới dạng

0 0

1

1)

P C V

C C V P P V

P

m m







Trong đó:

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

1 Bo co 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 st: zeolite 3A l 980C, 5A l 950C

Diện tích bề mặt ring 410m2/g

Bảng 6 Kết quả tính tốn từ thực nghiệm

Loại Zeolite

v nhiệt

độ

Tổng nhiệt hấp phụ,

mJ

Lượng Ethanol hấp phụ mmol

Enthanpy hấp phụ kJ/mol

Tổng nhiệt nhả hấp,mJ

Lượng Ethanol sau nhả hấp mmol

Enthanpy hấp nhả phụ kJ/mol

Nhiệt hấp phụ bất thuận nghịc kJ/mol 3A, RT 180,7 1,5 120,5 57,1 0,4 142,7 112,4 3A,980C 160,4 0,9 178,2 58,2 0,5 116,4 255,5 5A, RT 727,8 14,9 48,8 195,5 4,8 40,7 52,7 5A,950C 2262 35,1 63,8 429,7 8,1 53,0 69,7

Qua kết quả trn thấy rằng Zeolite 5A khơng thể dng lm chất hấp phụ lm kha cồn được Zeolite 3A l chất hấp phụ co ưu điểm hơn r rệt về nhiệt và lượng ethanol hấp phụ

2 Thực nghiệm “ Nghin cứu khảo sát động học qu trình hấp phụ cồn bằng Zeolite 4A” (Luận văn tốt nghiệp K05 – Nguyễn Văn Phúc ĐH Bách Khoa tp HCM)

Hệ thống thí nghiệm:

Đường kính trung bình hạt zeolite: 2mm

Loại Zeolite 4A nhập từ Trung Quốc

Tổng khối lượng zeolite 338,623g

Cột hấp phụ hình trụ cao 300mm, đường kính 60mm

Vật liệu: thp CT3

Bề dy 2mm

Nồng độ cồn đầu vào dạng hơi: 92% khối lượng, được đun sôi và quá nhiệt tới 1200C –

1300C Giải hấp phụ bằng cồn khan 99,2% khối lượng, nhiệt độ 1600C hoặc được giải hấp phụ bằng khí Nito khơ

Hình 5 Lượng nước hấp phụ theo thời gian ở các chế độ p suất khác nhau với nhiệt độ hơi

vào 1200C

Từ hình trn ta thấy rằng p suất cng lớn thì lượng nước hấp phụ cng nhiều hay ở p suất cao thuận lợi cho qu trình hấp phụ

Hình 6 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên lượng nước bị hấp phụ ở p suất 35 PSI

Từ đồ thị trn ta có thể thấy ở nhiệt độ thấp thì qu trình hấp phụ thuận lợi hơn

Từ đồ thị ta có

6486,7142,

25 



x P

Suy ra xm = 0,1308gH2O/gzeolite

 Qu trình nhả hấp phụ

Trong qu trình nhả hấp phụ ta sử dụng trực tiếp hơi cồn khan khi qua thp hấp phụ lm tc nhn giải hấp