Báo cáo: TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH REFORMING ETANOL ĐỂ SẢN XUẤT H2 SỬ DỤNG XÚC TÁC Ni/Al2O3 TRÊN PHẦN MỀM HYSYS doc

MỤC ĐÍCH VÀ Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀIMục đích: - Sản xuất hydro từ etanol một nguồn nguyên liệu biomass - Tối ưu hóa quá trình nhằm thu được tối đa H2 giảm lượng CO2 thoát ra môi trường dựa vào

Trường Đại Học Mỏ Địa Chất

SINH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI:

 Lương Văn Sơn

 Ngô Thị Hạnh

 Nguyễn Thị Thanh Mai

Giáo Viên Hướng Dẫn:

KS Đoàn Văn Huấn

MỤC ĐÍCH VÀ Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

Mục đích:

- Sản xuất hydro từ etanol một nguồn nguyên liệu biomass

- Tối ưu hóa quá trình nhằm thu được tối đa H2 giảm lượng CO2 thoát ra môi

trường dựa vào mô phỏng trên phần mềm Hysys

- Tổng hợp xúc tác cho phản ứng và nghiên cứu động học của phản ứng trên xúc

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

 Giới thiệu nguồn nhiên liệu H2

 Mô phỏng quá trình reforming etanol sản xuất H2

- Mô phỏng quá trình

- Tối ưu hóa quá trình

 Mô phỏng phản ứng reforming trên xúc tác Ni/Al2O3

- Nghiên cứu động học của phản ứng

- Tổng hợp xúc tác Ni/Al2O3 (đặc trưng bằng phương pháp XRay + BET)

- Mô phỏng phản ứng trên Hysys, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng

 Kết luận và kiến nghị

 CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG HIỆN NAY

Năng lượng mặt trời Năng lượng hóa thạch: dầu mỏ, than đá

Hạt nhân

Năng lượng sinh khối

Sơ đồ sản xuất etanol từ sinh khối

Thủy phân xenlulozơ Lên men glucozơ

Lên men pentozơ

Thu hồi etanol

Tận dụng licnin

Etanol

Với mục đích làm nhiên liệu, H2 có nhiều ưu điểm hơn

so với nhiên liệu hóa thạch

Là nhiên liệu sạch, gần như không phát khí thải.

Là nhiên liệu sạch, gần như không phát khí thải.

Là nguồn năng lượng có thể tái

chất bán dẫn

Tại sao lại dùng etanol để sản xuất H2 ?

Dễ reforming hơn hydrocacbon

Tiết kiệm năng lượng và chi phí

Tránh vấn đề ô nhiễm môi trường

Do không cần etanol tinh khiết nên bỏ qua các công đoạn sấy khô, chưng cất, hấp phụ

Do không dùng lưu huỳnh, một xúc tác độc như trong reforming hydrocacbon và

sử dụng nguồn etanol sinh khối

Độ chọn lọc H2 cao Tạo ra hiệu suất cao, > 90%

Dễ tổng hợp.

Tại sao lại dùng xúc tác Ni/Al2 O3 ?

MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT H2

100oC

Thiết bị PROX

70oC

H2(pin nhiên liệu)

Thiết bị ATR

100oC

Sơ đồ dòng mô phỏng

THIẾT LẬP PHẢN ỨNG

• CH3CH2OH + 3H2O 6H→ 6H 2 + 2CO2 (∆Ho =174kJmol-1)

• CH3CH2OH + 3H2O 4H→ 6H 2 + 2CO (∆Ho = 256 kJmol-1) • CH3CH2OH + 0.5 O2 CH → 6H 3CHO + H2O (∆H o = -175 kJmol-1) • CH3CH2OH C → 6H 2H4O + H2 (∆H o = 68 kJmol-1)

• CH3CH2OH C → 6H 2H4 (∆H o = 45 kJmol-1)

• CH3CH2OH 0.5 CO → 6H 2 + 1.5 CH4 (∆H o = -74 kJmol-1)

• CH3CH2OH CO + CH → 6H 4 + H2 (∆H o = 49 kJmol-1)

• C2H4O + H2O 2CO + 3H → 6H 2 (∆H o = 180 kJmol-1)

• CH4 + 2O2 CO → 6H 2 + 2H2O (∆H o = -800 kJmol-1)

• CH4 + 2O2 CO + 2H → 6H 2 (∆H o = -36 kJmol-1)

• CH4 + 2O2 CO→ 6H 2 + 2H2 (∆Ho = -320 kJmol-1)

• C2H4 + H2 C→ 6H 2H6 (∆Ho = -140 kJmol-1)

• C2H4 2C + 2H → 6H 2 (∆H o = -52 kJmol-1)

7CH 3 CH 2 OH + 5.5O 2 + 2H 2 O 6CO → 6CO 2 + 8CO + 23H 2 (∆H O = -825 kJmol -1 )

Trong thiết bị ATR

• Trong thiết bị HTS, MTS & LTS (WGS)

CO + H2O ↔ CO2 + H2 (∆Ho= -42 kJmol-1)

• Trong thiết bị PROX (mục đích là giảm nồng độ CO đến

mức cho phép)

CO+O2 ↔ CO2 và O2 + H2 = H2O.

THIẾT LẬP PHẢN ỨNG

Sơ đồ dòng mô phỏng

Kết quả các dòng ra khỏi thiết bị ATR và LTS

TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH

Nồng độ của CO và H 2 phụ thuộc lưu

lượng dòng không khí

Nhiệt độ dòng hơi ra khỏi thiết bị ATR thay đổi theo lưu lượng mol không khí

Sự thay đổi nồng độ của CO và H 2 ở dòng ra

khi thay đổi lưu lượng nước.

TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH

Nhiệt độ dòng hơi ra khỏi thiết bị ATR khi thay đổi lưu lượng dòng nước

Nồng độ CO của dòng hơi ra khỏi thiết bị PROX khi thay đổi lưu lượng dòng PROX air.

TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH

TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH

KẾT QUẢ TỐI ƯU

Dựa trên cơ chế Eley Rideal.

C2H6O(a) + (a) ↔ CH4O*(a) + CH2*(a)

CH4*(a) + H2O(g) ↔ CO2 + 3H2 + (a).

CH*2(a) + 2H2O(g) CO2 + 3H3 + (a).

Động học quá trình reforming etanol trên

Sấy khô Nung 600oC

- Phương pháp kết tủa hóa học (Precipitation)

Mẫu xúc

CP10 10 47,63 CP15 15 44,98 CP20 20 42,34 PT10 10 47,63 PT15 15 44,98 PT20 20 42,34

Các mẫu xúc tác đã tổng hợp

Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau CP5

00-004-0858 (D) - Aluminum Oxide - gamma-Al2O3 - Y: 86.62 % - d x by: 1 - WL: 1.5406 -

File: Son DH mo mau CP5.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 80.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 11 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi:

Kết quả đo XRD

Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau PT15

01-089-5881 (C) - Nickel Oxide - NiO - Y: 3.80 % - d x by: 1 - WL: 1.5406 - Cubic - a 8.35320 - b 8.35320 - c 8.35320 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Face-centered - Fm-3m (225) - 32 - 582 01-071-1123 (C) - Corundum - Al2O3 - Y: 42.51 % - d x by: 1 - WL: 1.5406 - Rhombo.H.axes - a 4.76170 - b 4.76170 - c 12.99470 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - R-3c (167) - 6 - File: Son DH mo mau PT15.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 80.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 19 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi

Kết Quả BET

Kết quả đo BET của mẫu xúc tác CP15.

BET Surface Area: 204.0826 ± 0.6923 m²/g

Mô phỏng phản ứng reforming trên xúc tác Ni/Al2O3

Kinetic reaction

Total volume [m3] 2.355Length [m] 3

Catalyst Data.

Particle Diameter [mm] 0.6Solid density [kg/m3] 2500

Các thông số của Thiết bị PFR

Mô phỏng phản ứng reforming trên xúc tác Ni/Al2O3

Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng reforming

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chuyển hóa

etanol và phần mol của H 2 Xu hướng tạo CO x và CH 4 tăng

khi áp suất tăng

Xu hướng tạo cốc có thể giảm bằng cách

 KẾT LUẬN

• Đã mô phỏng thành công quá trình reforming etanol để sản xuất

hydro trên phần mềm Hysys Kết quả thu được dòng sản phẩm H2

đạt độ tinh khiết cao

• Đã tối ưu hóa được quá trình với mục đích tăng hàm lượng H2 và giảm hàm lượng khí CO dựa vào sự thay đổi lưu lượng dòng nước

và khí

• Đã tổng hợp thành công 2 mẫu xúc tác PT15 và CP15 Kết quả sau

khi đo XRD và BET cho thấy cả 2 mẫu xúc tác trên đều có kích thước mao quản trung bình

• Đã nghiên cứu và mô phỏng phản ứng reforming etanol trên xúc

tác Ni/Al2O3 bằng phần mềm Hysys

 KIẾN NGHỊ

 Cần phân tích đặc trưng các mẫu xúc tác với hàm lượng Ni khác đã được tổng hợp để chọn ra xúc tác tối ưu nhất

 Nghiên cứu trên các xúc tác khác như CeO2-ZrO2

 Tiến hành thực nghiệm phản ứng trên thực tế để so sánh với kết quả mô phỏng trên Hysys nhằm đánh giá mức độ tin cậy của phần mềm.