Thiết kế hệ thống tháp hấp phụ tinh luyện cồn pha xăng

Thiết kế hệ thống tháp hấp phụ tinh luyện cồn pha xăng

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

Thành phố Hồ Chí Minh

Khoa: Công nghệ Hóa & Thực phẩm

Bộ môn: Quá trình và Thiết bị

ĐỒ ÁN MÔN HỌC: ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH QT&TB

MÃ SỐ: 605109

Họ và tên sinh viên: Vũ Tiến DũngLớp: HC06MB

Ngành (nếu có): Quá Trình & Thiết Bị

1 Đầu đề đồ án: Thiết kế hệ thống tháp 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 tốn:

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

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

Mục Lục 3

Chương 1 4

2 Tính chất và ứng dụng của cồn 8

3 Phương pháp hấp phụ (rây phân tử) 16

Chương 2 25

Chương 3 34

Chương 4 35

Chương 5 43

I Chọn tác nhân giải hấp phụ 43

Chương 6 48

III Tính tốn thiết bị ngưng tụ sản phẩm 64

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 lồi 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

- 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 và dự đốn sẽ hết trong một tương lai rất gần

- Biến đổi khí hậu: Biến đổi khí hậu đã và đang diễn ra trên tồn thế giới, nó có ảnh hưởng rất lớn đến đời sống con người trên trái đất

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

- Ô nhiễm: Các chất được cho là ô nhiễm đã 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 và biến đổi to lướn đối với con người và sinh vật trên trái đất

Như trên đã nêu, năng lượng và ô nhiễm là hai vấn đề quan trọng cấp bách cần giải quyết nhanh chóng

Thực tế cho thấy, cùng với sựu phát triển mạnh mẽ của nền đại công nghiệp thì kéo theo là 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 báo của các nhà 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 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

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

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

là các ngành trồng trọt và chăn nuôi đặc biệt là ngành trồng lúa gạo Nước ta là nước có sản lượng lúa gạo xuất khẩu đứng thứ hai trên thế giới với những năm gần đây kim nghạch xuất khẩu gạo tăng liên tục Bên cạnh đó ngành trồng trọt rau củ quả cũng phát triển rất mạnh

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

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

rỉ, ngô, sắn…Đồng thời tạo công ăn việc làm cho nhân dân Hàng 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

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

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 300

0

C 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 hay điều kiện yếm khí, phản ứng hóa học tổng quát được viết như sau:

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 78,4

0

CNhiệt độ sôi của ethanol nguyên chất 78,39

0

C, tỷ trọng d

15 4

= 0,794, nhiệt dung riêng đẳng áp C

- 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

- Trong công nghiệp hương liệu và nước hoa cồn dùn làm dung môi

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

- Dùng làm nhiên liệu pha xăng E10, E20, E85, E100…

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

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

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

Trên thế giới hiện nay có các nước Mỹ, Tây Âu, Brasil, Trung Quốc, Nhật Bản đang là các nước sản xuất cồn nhiên liệu nhiều nhất

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 hồn tồn xăng bằng cồn khan để chạy động cơ được

Đối với ôtô, 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 dùng 100% xăng Cồn pha xăng ngày nay đã được tiêu chuẩn hóa về chất lượng, tùy theo quốc gia quy định, sau đây là một số tiêu chuẩn điển hình

Bảng 1: Yêu cầu kỹ thuật của cồn nhiên liệu

STT Tên chỉ tiêu Giới hạn

4 Hàm lượng nước, % thể tích, max 1,0

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

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

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

5 Lượng chất rắn còn lại khi bốc hơi

nguyên liệu, max

cầu môi trường

9 Ketones, isopropyl, tertiary butyl Ppm Thỏa mãn các yêu

cầu môi trường

10 Các hợp chất chứa lưu huỳnh % tt Không có

Bảng 3: Tiêu chuẩn cồn nhiên liệu của Ấn Độ

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

5 Lượng chất rắn còn lại khi bốc hơi

nguyên liệu, max

9 Khả năng dẫn điện, max microS/m 300

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

Hiện nay trên thị trường đang lưu hành các loại xăng pha cồn như E5, E7, E10, E15, E20, E85, E95, E100 Ký hiệu E có nghĩa là xăng pha cồn còn chỉ số có nghĩa là 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 thân ethanol có chỉ số octane cao nên nó cũng làm tăng chỉ số octane chung của xăng

Mặt khác, do bản thân quá trình cháy trong động cơ là cháy cưỡng bức trong điều kiện thiếu oxy nên một số chất không cháy hồn tồn và sinh ra CO gây độc hại Khi đưa ethanol vào thì sẽ có các ưu điểm sau:

- Đốt cháy hồn tồn các chất trong hỗn hợp cháy nhờ có thêm oxy trong ethnol giảm tiêu hao năng lượng do cháy không hết

- Oxy hóa các khí độc hại trong quá trình cháy lên số oxy hóa cao nhất ít độc hại hơn với môi trường

Bên 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 làm tách lớp

- Giá cồn hiện nay tương đối cao

- Ngồi nhược điểm trên, do ethanol chủ yếu được sản xuất từ nông nghiệp nên cần phải cân đối hợp lý giữa việc sử dụng lương thực để làm nguyên liệu sản xuất cồn và thực phẩm sinh hoạt

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:

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…

1.2 Phương pháp trích ly với muối rắn

Trong một vài hệ nào đó khi độ hòa tan cho phép thì ta có thể hòa tan muối vào trong pha lỏng, đúng hơn là thêm vào chất lỏng như là một tác nhân riêng cho quá trình chưng luyện trích ly Khi đó muối sẽ làm thay đổi thành phần hỗn hợp ở trạng thái cân bằng mà không làm thay đổi hỗn hợp ở trạng thái đầu, đối với hệ ethanol – nước khi thêm muối khan làm cho độ bay hơi thay đổi đáng kể

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

Hình 1 Nguyên tắc của phương pháp thẩm thấu qua 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 ngồi và ta thu được dòng vật chất

có nồng độ cao hơn Lợi dụng tính chất này của các chất hấp phụ người ta đã sử dụng để làm

khan hỗn hợp ethnol – nước, với chất hấp phụ thường dùng là zeolite, than hoạt tính, silicagel…

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

 Kích thước động học của nước 2,57 A

Trong công nghệ làm 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 tháp hay ba tháp, tháp 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 tháp

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

4 Phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp

4.1 Phương pháp chưng luyện đẳng phí

- Yêu cầu về năng lượng nhiệt cao

- Giá thành sản phẩm tương đối cao

4.2 Phương pháp chưng luyện trích ly với muối khan

 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

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

- Thiết bị cấu tạo đơn giản dễ vận hành

 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 khống 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 3A

M: là cation bù trừ điện tích khung

x: là số cation bù trừ điện tích

z: Số phân tử nước kết tinh trong Zeolite

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 8A

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

- Loại giàu 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 riêng của zeolite

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

Sr = nm.N.Sm m

2

/gTrong đó:

Sr: diện tích bề mặt riêng của chất hấp phụ, m

2

/gS

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

Bảng 4 Tiết diện ngang của một số chất khíChất bị hấp phụ Nhiệt độ, K Sm, (A

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

Từ phương trình BET ta xác định số mol n

m

từ giá trị V

m

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 trên ta xác định giá trị V

m

, và có giá trị nồng độ C suy ra được n

m

4 Một số đặc trưng của Zeolite 4A

Zeolite 4A là loại Zeolite có kích thước mao quản trung bình 4A

0

Zeolite 4A được hình thành nhờ sự kết hợp giữa oxit natri, oxit nhôm, oxit silic với nhau với tỷ lệ 1Na

Bảng 5 Đặc tính kỹ thuật của Zeolite

Hình trụ Hình cầuĐường kính mm 1,5-1,7 3,0-3,3 1,7-2,5 3,0-5,0

Khối lượng riêng xốp g/cm3, min 0,67 ~ 0,75

Mức hao mòn do cọ sát %, max 0,20 0,25 0,20 0,20Cường độ chịu lực N, min 30/cm 45/cm 60/cm 70/cmKhả năng hấp phụ %, min 20,5 20,5 20,5 20,5Mức hao mòn do nhiệt độ

cao 575

0

C/3h

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 Các phân tử chất hấp phụ chỉ tương tác với trung tâm hấp phụ mà không tương tác với các trung tâm khác hay các phân tử khác gần đó

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

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

Nếu ta xem rằng bề mặt hấp phụ có các trung tâm hấp phụ có diện tích S, phần bề mặt bị các phân tử chất bị hấp phụ chiếm S

Vậy tốc độ hấp phụ sẽ phụ thuộc và diện tích bề mặt còn trống, áp suất hơi trên bề mặt, mức

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

Trong khi đó vận tốc giải hấp tỉ lệ với phần diện tích bị che phủ và mức độ hoạt động của quá trình nhả hấp , trong đó E’ là năng lượng hoạt hóa của quá trình nhả hấp

Khi quá trình cân 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

là hằng số chỉ phụ thuộc nhiệt độ

Khi đó phương trình hấp phụ có dạng

P K

P K

1

+

=θ

Thay vào phương trình trên ta có

P K

P K v

v m

1

+

P

+

= 1

RT

q

e k

II Thuyết hấp phụ Fruendlich

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

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 Lý thuyết BET cho rằng sự hấp phụ khí, hơi trên bề mặt chất rắn là hấp phụ vật lý, ở giai đoạn áp suất thấp thì tuân theo quy luật như của phương trình đẳng nhiệt hấp phụ của Langmuir, nếu tăng áp suất thì sẽ diễn ra quá trình hấp phụ đa lớp khi áp suất tiến tới bằng áp suất hơi bão hòa trên bề mặt rắn thì có thể xảy ra hiện tượng ngưng tụ trong các mao quản hấp phụ Như vậy theo BET các phân tử chất hấp phụ không chuyển động tự do trên bề mặt và không tương

tác với nhau, ở những điểm khác nhau có thể hình thành 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 và bổ sung thêm một số điều

 Enthanpy của các phân tử không thuộc lớp thứ nhất đều bằng nhau và bằng enthanpy hóa lỏng

 Số lớp hấp phụ trở lên vô cùng lớn ở áp suất bão hòa

Dựa trên 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

.

1

1 )

P C V

C C V P P V

P

m m

− +

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 98

0

C, 5A là 95

0

CDiện tích bề mặt riêng 410m

2

/gBảng 6 Kết quả tính tốn từ thực nghiệm

Loại Zeolite

và nhiệt độ

Tổng nhiệt hấp phụ, mJ

Lượng Ethanol hấp phụmmol

Enthanpy hấp phụkJ/mol

Tổng nhiệt nhả hấp,mJ

Lượng Ethanol sau nhả hấp mmol

Enthanpy hấp nhả phụkJ/mol

Nhiệt hấp phụ bất thuận nghịckJ/mol3A, RT 180,7 1,5 120,5 57,1 0,4 142,7 112,43A,98

0

5A, RT 727,8 14,9 48,8 195,5 4,8 40,7 52,75A,95

0

Qua kết quả trên thấy rằng Zeolite 5A không thể dùng làm chất hấp phụ làm kha cồn

được Zeolite 3A là chất hấp phụ co ưu điểm hơn rõ rệt về nhiệt và lượng ethanol hấp phụ

2 Thực nghiệm “ Nghiên cứu khảo sát động học quá 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

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

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

Từ đồ thị ta có

6486 , 7 142 ,

=

x P

Suy ra xm = 0,1308gH2O/gzeolite

 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

Hình 8 Tương quan mối quan hệ giữa tốc độ hấp phụ và giải hấp (140

0

C và -0,7atm)

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 tốn cho quá trình hấp phụ và giải hấp Ta chọn quá trình giải hấp tai nhiệt độ 140

0

C, 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

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 80

0

C 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 Quá trình giải hấp được thực hiện bằng dòng khí nito khan được cấp từ bồn chứa 10 và nén lên áp suất 1,5at đưa qua thiết bị gia nhiệt 7 nâng nhiệt độ lên 300

0

C và đưa vào tháp giải hấp Giữa quá trình giải hấp và hấp phụ có thời gian cân bằng để xả áp cao từ tháp hấp phụ xuống 1,5 at sau đó mới đưa dòng hơi nito vào giải hấp, dòng khí xả áp được sục vào nước và tuần hồn lại hệ thống chưng cất tạo cồn nguyên liệu cho quá trình hấp phụ

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

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

G

H2O

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

Gz: Khối lượng zeolite cần dùng, kg

v: Khối lượng riêng của hỗn hợp hơi đầu vào



r

: Khối lượng riêng hỗn hợp khí đầu ra

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

Cyr: Nồng độ pha hơi đầu ra, kg nước/m ethanol

r

: Nồng độ ethanol đầu ra, phần trăm khối lượng

Xv: Nồng độ ethanol đầu vào, phần trăm khối lượng

 Khối lượng riêng của pha hơi đi vào tháp

Khối lượng riêng của hơi ethanol

3 0

0

0

1.393

5,2.273.4,22

46

.273.4,22

P T

P M

P T

P T

ρ

Khối lượng riêng của hơi nước

3 0

0

0

1.393

5,2.273.4,22

18

.273.4,22

P T

P M

P T

P T

ρ

Khối lượng riêng của pha hơi đầu vào

3 2

1 E . N 0 , 92 3 , 56 0 , 08 1 , 39 3 , 38kg/m

V =ν ρ +ν ρ = + =ρ

 Khối lượng riêng pha hơi đi ra khỏi tháp

Dòng hơi đi ra khỏi tháp có nồng độ ethanol rất cao(99,5%V) nên ta coi dòng này là nguyên chất để tính



3 0

0

0

1.393

5,2.273.4,22

46

.273.4,22

P T

P M

P T

P T

E

ρ

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

Lưu lượng cồn ra khỏi tháp hấp phụ

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

Lưu lượng dòng trơ (dòng ethanol) đầu ra

Gtr = Gr.xr = 1780.0,995 = 1771,1 kg/h