Báo cáo: " Nền kinh tế hydro" ppsx

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Nguồn năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch1.1.1 Nguồn gốc của nhiên liệu hóa thạch Than đá có nguồn gốc sinh hóa từ quá trình trầm tích thực vật trong nhữngđầm lầy c

Tiểu luận Nền kinh tế hydro

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

Như chúng ta đã biết, nhiên liệu hóa thạch chủ yếu là than đá và dầu mỏ.Việc tạo ta than đá và dầu mỏ là 1 quá trình xảy ra hàng triệu năm Đó là quátrình cây cối và các hợp chất hữu cơ khác bị vùi lấp lâu ngay phân hủy tạo nên

Vì vậy, khi đốt cháy nhiên liệu hóa thạch thì sẽ xảy ra việc phát thải khí CO2,lượng CO2 này hàng triệu năm sau các loại thực vật mới hấp thụ hết để tạo cânbằng CO2 Người ta coi nhiên liệu hóa thạch là không tái tạo

Thế giới của chúng ta đang bị phụ thuộc nặng nề vào một nền kinh tếnhiên liệu hóa thạch Nhiên liệu của đa số các phương tiện giao thông hiện tại: xehơi, xe lửa, máy bay … là xăng dầu Hơn nữa, một tỉ lệ khá cao các nhà máy điện

là nhiệt điện dùng dầu hỏa, khí thiên nhiên hay than đá Nếu không có nhiên liệuhóa thạch, nền kinh tế cùng với các phương tiện giao thông, liên lạc, vận tải, sẽrơi vào khủng hoảng ngừng trệ Toàn bộ nền kinh tế, xã hội hiện đại đã phụthuộc vào nhiên liệu hóa thạch

Trong khi nhiên liệu hóa thạch đóng một vai trò quan trọng trong việc đưa

xã hội đến mức phát triển như ngày nay thì nó cũng tồn tại những vấn đề nhứcnhối lớn: ô nhiễm không khí, các vấn đề môi trường như tràn dầu, nguy hiểm hơn

cả là vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu Ngoài ra, nhiên liệu hóa thạch không thểđược tái tạo, và việc dựa trên nhiên liệu hóa thạch còn làm cho một số nướckhông có nhiều tài nguyên sẽ bị phụ thuộc vào những nước vốn có nguồn dầu dồidào ở Trung Đông, từ đó dẫn đến nhiều hệ quả chính trị và kinh tế khác, thậm chí

là chiến tranh giành dầu mỏ

Giữa bối cảnh đó, khái niệm về nền kinh tế hydro dựa trên nguồn nănglượng sạch, dồi dào phục vụ mục tiêu phát triển bền vững của nhân loại xuất hiệnnhư 1 giải pháp đầy tiềm năng Nền kinh tế hydro hay nói cách khác là hệ thốnglưu trữ, phân phối và sử dụng năng lượng dựa trên nhiên liệu chính là hydro hứahẹn sẽ đẩy lùi tất cả những vấn đề do nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch đãgây ra

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Nguồn năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch

1.1.1 Nguồn gốc của nhiên liệu hóa thạch

Than đá có nguồn gốc sinh hóa từ quá trình trầm tích thực vật trong nhữngđầm lầy cổ cách đây hàng trăm triệu năm Khi các lớp trầm tích bị chôn vùi, do

sự gia tăng nhiệt độ, áp suất cùng với điều kiện thiếu Ôxy nên thực vật (chứa 1lượng lớn Cellulose) chỉ bị phân hủy 1 phần nào Dần dần, hydro và ôxy tách radưới dạng khí để lại khối chất giàu C là than

Giống như than, dầu và khí thiên nhiên có nguồn gốc từ các trầm thíchbiển giàu xác bã động thực vật cách đây khoảng 200 triệu năm Các trầm tíchhữu cơ ở điều kiện chôn vùi thiếu ôxy, dưới nhiệt đô từ 50-250oC, áp suất cao,theo thời gian tạo nên hỗn hợp hydrocacbon là dầu và khí

Các mỏ dầu và khí thường đi đôi với nhau, do tỉ trọng nhỏ hơn đá, chúng

có xu hướng di chuyển lên phía trên qua các lỗ rỗng của đá và tích tụ thành cácvũng dưới những lớp đá không thấm Tầng đá không thấm phía trên và phía dướitạo nên bẫy dầu hoặc khí Có nhiều dạng bẫy khác nhau trong tự nhiên Một khitầng đá phủ bị mũi khoan xuyên thủng thì dầu và khí sẽ theo lỗ khoan lên mặt đất

để được chế biến và phân phối

1.1.2 Quá trình sinh năng lượng của nhiên liệu hóa thạch

Ôxy là 1 trong những nguyên tố thông dụng nhất trên trái đất, chiếm tới20.9% trong không khí Ôxy hóa nhiên liệu nhanh sẽ mang lại lượng nhiệt lớn.Nhiên liệu rắn hoặc lỏng phải chuyển hóa thành khí trước khi cháy Thôngthường, để chuyển hóa chất lỏng hoặc rắn sang dạng khí cần phải sử dụng nhiệt,khí nhiên liệu sẽ cháy ở trạng thái bình thường nếu có đủ không khí

Phần lớn trong số 79% không khí còn lại là nitơ cùng với 1 ít các thànhphần khác Nitơ được coi là yếu tố pha loãng làm giảm nhiệt độ cần có để đạtđược lượng ôxy cần cho quá trình cháy

Nitơ làm giảm hiệu suất cháy cho hấp thụ nhiệt từ nhiên liệu đốt cháy vàpha loãng khí lò Điều này làm giảm nhiệt để truyền qua bề mặt trao đổi nhiệt, nócòn làm tăng khối lượng của các sản phẩm phụ của quá trình cháy, những sảnphẩm này đi qua bộ trao đổi nhiệt và thoát ra ngoài ống khói nhanh hơn đểnhường chỗ cho hỗn hợp nhiên liệu - không khí mới được bổ sung

Nitơ có thể kết hợp với ôxy để tạo ra NOx, là chất gây ô nhiễm rất độc C,

S trong nhiên liệu kết hợp với ôxy trong không khí tạo thành CO2, SO2, giảiphóng 8.084kcal, 28.922 kcal và 2.224 kcal nhiệt

Sau đây sẽ xét đến quá trình cháy trong động cơ đốt trong (ĐCĐT), đây làquá trình hóa học giữa các phần tử nhiên liệu và không khí ở ĐCĐT có thể biểudiễn như sau:

Từ phương trình 2 cho thấy, để đốt cháy hoàn toàn 1 phân tử octan cầnphải có ít nhất 12.5 phân tử ôxy Nếu tính theo khối lượng thì cần có ít nhất 15,03

kg để đốt cháy hoàn toàn 1 kg octan Nếu sử dụng lượng không khí nhiều hơnlượng không khí lý thuyết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu trong điều kiện thực

tế thì trong khí thải sẽ có ôxy dư Ví dụ:

Nếu lượng không khí nạp vào động cơ ít hơn lượng không khí lý thuyếtthì nhiên liệu sẽ cháy không hoàn toàn và trong khí thải sẽ có thêm các sản phẩmkhác như: CO, H2, CnHm, C,

1.1.3 Vấn đề gây ô nhiễm từ nhiên liệu hóa thạch

Quá trình cháy diễn ra kèm theo sự phát thải các chất như CO, NOx, SO2,

là những chất trực tiếp gây ra hiệu ứng nhà kính hay mưa axit… cùng với việckhai thác than hay dầu, khí, làm xóa sổ thảm thực vật và lớp đất mặt, gây xóimòn đất Đặc biệt là những chất thải ra trong quá trình khai thác và chế biến, gây

ra không ít những tác hại về môi trường, gây ô nhiễm nguồn đất và nguồn nướccũng như gây bệnh tật đối với dân cư xung quanh khu vực sản xuất

- Hiệu ứng nhà kính: chúng ta biết rằng, bức xạ mặt trời là bức xạ sóngngắn (năng lượng lớn) nên nó dễ dàng xuyên qua lớp khí CO2 và tầng ozon đểchiếu xuống Trái đất Ngược lại, bức xạ nhiệt từ mặt đất phát vào vũ trụ là bướcsóng dài (yếu hơn), nên nó bị hấp thụ bởi CO2 và hơi nước trong khí quyển Cânbằng CO2 được duy trì nhờ sự hấp thụ của thực vật và hòa tan trong nước biểnđại dương Như vậy với một mức nào đó, lượng CO2 trong khí quyển là cần thiếtcho sự ổn định nhiệt trên trái đất cũng như cho quá trình quang hợp của thực vật.Tuy nhiên, ngày nay, con người thải CO2 vào khí quyển vượt quá mức cân bằngbình thường của nó (chỉ tính riêng than đá, mỗi năm thải vào khí quyển 2,5.1013

tấn CO2, điều này dẫn đến sự ra tăng nhiệt độ trên trái đất Người ta ước tính rằngnếu nồng độ CO2 trong khí quyển tăng lên gấp đôi thì nhiệt độ trung bình bề mặttrái đất sẽ tăng lên 3,6 oC, sự nóng lên toàn cầu này sẽ làm tan băng 2 cực, dângmực nước biển, ngập lụt những vùng ven biển Những sự biến đổi khí hậu làkhông lường trước được.

Đốt khí thiên nhiên gây ít ô nhiễm hơn dầu và than, đây là dạng nhiên liệuhóa thạch sạch nhất

- Các khí thải từ những động cơ xe ôtô còn gây ra các khói quang hóa,hiện tượng thường xảy ra ở những thành phố lớn, với mật độ xe lưu thông cao

Không khí bình thường có ít ôxy nguyên tử và ozon Nguyên tử ôxy sinh

ra từ phản ứng quang hóa khí NO2 dưới ánh sáng mặt trời

NO2 + năng lượng mặt trời  NO + [O]

Ôxy nguyên tử lại tác dụng với các hydrocacbon sinh ra từ quá trình cháynhiên liệu hóa thạch, qua 1 chuỗi các phản ứng trung gian để tạo NO2, ozon, và 1

số chất ô nhiễm thứ cấp như fhoặcmvàehit, perôxyacetuy nitrate (C2H3O5N), tậphợp các khí trên tạo ra khói quang hóa Chất này gây tổn thương nghiêm trọngnhiều loại cây, phá hoại tế bào lá, cản trở quá trình trao đổi chất ở thực vật Ở cácthành phố lớn, ô nhiễm khói quang hóa giống như lớp sương mù, hạn chế tầmnhìn, gây các bệnh về phổi…

- Một số vấn đề khác liên quan đến quá trình khai thác vận chuyển dầu

là các sự cố tràn dầu, rò rỉ giếng khoan

Ô nhiễm dầu gây tác hại nghiêm trọng đến môi trường Dầu hỏa bị ôxyhóa rất chậm Nơi có sự cố tràn dầu và nước thải công nghiệp chứa dầu thì cóbenzen, toluen rất độc, làm sinh vật chết trực tiếp polyclhoặcua diphenyl trungchuyển vào cơ thể cá rồi qua người gây ung thư Những hợp phần nặng của dầulắng xuống đáy biển hoặc bị sóng đánh dạt vào cửa sông sẽ tác động lâu dài đến

hệ sinh thái Dầu dạt vào bãi biển làm ngưng các hoạt động đánh bắt hải sản, dulịch Đất đai bị ô nhiễm dầu có thể thành đất chết dầu xâm nhập làm thay đổi kếtcấu, đặc tính cơ học của đất…

1.2 Nguồn năng lượng từ biomass

1.2.1 Giới thiệu sơ lược về biomass

Năng lượng sinh khối (Biomass) là vật liệu sinh học được lấy từ cơ thểsinh vật, hay vừa mới tồn tại trong cơ thể sinh vật (chất thải) Trong ngữ cảnhcủa ngành năng lượng, sinh chất thường được dùng để nói về các vật liệu từ cây

cỏ, nhưng sinh chất có thể được áp dụng cho cả vật liệu từ động vật và thực vật

- Thành phần hóa học:

Năng lượng sinh khối có nguồn gốc từ cacbon và được tạo thành từ cácphân tử hợp chất có chứa hidro, thường có cả nguyên tử ôxy, nitơ và cả 1 lượngnhỏ kiềm, đất kiềm và kim loại nặng Những kim loại này thường được tìm thấytrong phân tử hoạt động như những phoặcphyrin có bao gồm chất diệp lục chứamagiê.

- Vật liệu thực vật:

Cacbon được dùng để tạo thành sinh chất được hấp thụ từ không khí nhưkhí CO2 từ các hoạt động của thực vật, sử dụng năng lượng từ mặt trời.Thực vật sau đó có thể bị dùng làm thức ăn cho các loài động vật và do đó đượcbiến đổi thành sinh khối động vật Tuy nhiên sự hấp thụ cơ bản được tạo thành từthực vật

Nếu thực vật không bị dùng làm thức ăn thì thường sẽ bị phân hủy thành

vi sinh vật hoặc bị đốt cháy:

* Nếu bị phân hủy, nó sẽ thải cacbon lại trong không khí, chủ yếu là dướidạng khí CO2 hoặc CH4 tùy thuộc vào các điều kiện và quá trình phân hủy

* Nếu bị đốt cháy cacbon được thải ra môi trường dưới dạng khí CO2.Những quá trình này xảy ra cho đến khi nào còn có thực vật trên trái đất và nó là

1 phần của chu trình tuần hoàn của cacbon

- Các nhiên liệu hóa thạch

Các nhiên liệu hóa thạch như than, dầu và ga cũng tạo ra vật liệu sinh học,tuy nhiên các vật liệu đó đã hấp thụ khí CO2 từ không khí hàng triệu năm từtrước đây

Vì là nhiên liệu chúng tạo ra mật độ năng lượng cao, nhưng để sử dụngcác năng lượng đó ta phải thông qua quá trình đốt cháy nhiên liệu, với quá trìnhôxy hóa của cacbon thành khí cacbonic và hidro thành nước (hơi nước) Trừ khichúng được giữ lại, những sản phẩm cháy này thường được thải ra không khí, trởlại thành cacbon hình thành hàng triệu năm trước và do đó góp phần vào việc làmtăng nồng độ không khí

Sự khác nhau giữa năng lượng sinh khối và nhiên liệu hóa thạch:

Sự khác nhau quan trọng nhất giữa năng lượng sinh khối và nhiên liệu hóathạch là thời gian hình thành của chúng Sinh chất lấy cacbon ra khỏi không khíkhi chúng phát triển, và trả lại không khí khi nó bị đốt cháy Nếu được kiểm soáttrong sự bền vững cơ bản, sinh chất sẽ được thu hoạch như 1 phần của vụ mùa bổsung liên tiếp Sinh chất đến từ quá trình trồng rừng, quá trình quản lý cây, vùngtrồng cây, hoặc từ 1 giai đọan của quá trình trồng lại cây liên tục Cây phát triểnlấy khí CO2 từ không khí ngay khi khí được thải ra qua quá trình đốt cháy của vụ

mùa trước Chu trình này giữ lại sự tuần hoàn khép kín của cacbon mà không làmtăng mật độ CO2 trong không khí.

- Các loại vật liệu năng lượng sinh khối:

Với định nghĩa này, sinh chất cho năng lượng có thể bao gồm rất nhiềuloại vật liệu Vì mục đích kinh doanh, những vật liệu có giá trị cao trong một thịtrường khác (không phải thị trường năng lượng), ví dụ như gỗ to, chất lượng tốt,thường không được sử dụng trong ngành năng lượng Tuy nhiên có một lượnglớn từ chất cặn, phó sản phẩm và rác thải tồn tại ở Anh có tiềm năng được sửdụng với số lượng lớn với 1 giá tương đối rẻ, hoặc thậm chí giảm được chi phí ởnhững nơi hiện tại đang có yêu cầu trả tiền cho rác thải

- Có 5 loại vật liệu cơ bản:

* Gỗ mới, lấy từ rừng, các hoạt động trồng rừng hoặc từ các quá trình làmgỗ

* Vụ mùa năng lượng: nhiều vụ mùa với năng suất cao được trồng đặcbiệt để phục cho những ứng dụng về năng lượng

* Chất thải nông nghiệp: chất thải sinh ra từ quá trình thu hoạch hoặc xử

1.2.2 Việc sử dụng etanol đi từ nguồn biomas

1.2.2.1 Nguyên liệu sản xuất etanol

Đó là các nguyên liệu sinh khối Nguyên liệu sản xuất etanol thích hợpnhất là đường (từ củ cải đường, mía), rỉ đường và cây lúa miến ngọt, tinh bột(khoai tây, các loại hạt lúa, lúa mỳ, ngô, đại mạch)

Năng suất etanol trung bình dao động từ 2.100 đến 5.600 lít/ ha đất trồngtrọt tùy thuộc vào từng loại cây trồng

Đối với các loại hạt, năng suất etanol thu được vào khoảng 2.800 lít/ha,tức là vào khoảng 3 tấn nguyên liệu hạt sẽ thu được 1 tấn etanol

Hiện nay các hoạt động nghiên cứu và phát triển ở châu Âu về lĩnh vựcetanol sinh học (bioetanol) chủ yếu tập trung vào sử dụng các nguồn nguyên liệuxenlulo (từ gỗ) Các loại cây trồng quay vòng ngắn (liễu, bạch dương, bạch đàn),các chất thải nông nghiệp (rơm, bã mía), các phế thải của công nghiệp gỗ, gỗthải đều thích hợp để làm nguyên liệu sản xuất etanol Cứ khoảng 2 - 4 tấn vậtliệu gỗ khô hoặc cỏ khô đã có thể cho 1 tấn etanol

Nguyên nhân khiến người ta chuyển sang sản xuất etanol từ sinh khốixenlulo (gỗ, thân thảo) là vì các loại này sẵn có và rẻ tiền hơn so với các loại tinhbột ngũ cốc hoặc cây trồng khác, đặc biệt là với những nguồn chất thải hầu nhưkhông có giá trị kinh tế thì vấn đề càng có ý nghĩa, tuy nhiên quá trình chuyểnhóa các vật liệu này sẽ khó khăn hơn.

1.2.2.2 Ứng dụng của etanol

Etanol có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội

- Dùng để pha chế sản xuất các loại rượu, bia để uống, chế biến thức ăn

- Dùng làm chất sát trùng, rửa vết thương trong y tế Dùng làm dược phẩmchữa bệnh

- Trong tổng hợp hóa học: Cồn được xem là chất trung gian để sản xuất cácchất hóa học khác như: Acid axetic, Etyl Axetat… Ngoài ra người ta có thể dùngchúng làm dung môi hòa tan nhiều hợp chất hữu cơ và vô cơ khác

- Sử dụng etanol trong việc pha trộn vào xăng nhằm tăng trị số Octan vàgiảm ô nhiễm môi trường

- Ngoài ra, etanol còn được sử dụng trong quá trình reforming hơi nước đểtạo khí hydro – là nguồn nhiên liệu thay thế mũi nhọn.là nguồn nhiên liệu sạchgiảm thiểu tối đa lượng khí nhà kính phát thải cũng như các khi NOx, SOx,…Điều này sẽ được trình bày kĩ hơn ở phần dưới đây

1.2.3 Ứng dụng của etanol trong việc sử dụng để sản xuất hydro

Chúng ta đã khá quen thuộc với hình ảnh hydro như là nguyên liệu chonhiều ngành công nghiệp hóa học: chế tạo ammonia, methanol, lọc dầu, phânbón, luyện kim, mỹ phẩm, chất bán dẫn v.v Thế nhưng, không chỉ có vậy, hydrocòn là một nguồn nhiên liệu đầy tiềm năng với nhiều ưu điểm thuận lợi về môitrường và kinh tế Hydro là nguồn năng lượng sạch, gần như không phát thải khí

ô nhiễm mà chỉ sinh ra hơi nước Từ nước qua quá trình điện phân ta lại có thểthu được hydro Vì vậy, hydro là nguồn năng lượng gần như vô tận hay có thể tái

sinh được Hơn nữa, xét về mặt trọng lượng, hydro có tỉ trọng năng lượng cực kỳcao Trên thực tế, nhờ hai đặc tính nhẹ và tỉ trọng năng lượng cao này, hydro đãđược dùng làm nhiên liệu cho tên lửa từ những buổi ban đầu của công nghệ duhành không gian.

Khi dùng làm nhiên liệu, hydro có thể được đốt trực tiếp trong các động

cơ đốt trong, tương tự như trong các loại phương tiện giao thông chạy bằng xăngdầu phổ biến hiện nay Hydro cũng có thể thay thế khí thiên nhiên để cung cấpnăng lượng cho các nhu cầu dân dụng hàng ngày như đun nấu, sưởi ấm, chiếusáng v.v

Mặt khác, hydro còn có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng cung cấpcho hệ thống pin nhiên liệu, nhờ quá trình điện hóa để tạo ra điện năng Bên cạnhnhững ưu điểm của hydro như đã nêu trên (sạch, tái sinh ), pin nhiên liệu cònchạy rất êm, không gây ra tiếng động, chấn động như động cơ đốt trong Do dựatrên cơ chế của quá trình điện hóa tạo ra điện năng chứ không phải quá trình đốtnhư ở động cơ đốt trong, pin nhiên liệu còn đạt hiệu suất sử dụng cao hơn nhiều

so với động cơ đốt trong, vì thế mà tiết kiệm năng lượng hơn Với những ưu thếvượt trội đó, pin nhiên liệu đang ngày càng được quan tâm và dự đoán sẽ trở nênnguồn nhiên liệu đầy triển vọng, một thành phần chủ chốt của nền kinh tế hydrotrong viễn cảnh tương lai

CHƯƠNG 2 SẢN XUẤT H2 BẰNG QUÁ TRÌNH REFORMING ETANOL

TRÊN XÚC TÁC Ni/Al2O3 2.1 Cơ sở

Như đã nói ở chương 1, việc sử dụng H2 là nguồn nhiên liệu sạch thay thếnguồn nhiên liệu dầu mỏ đang cạn kiệt đã được nghiên cứu và phát triển trên thếgiới và cả ở Việt Nam Vấn đề sản xuất H2 từ những nguyên liệu sinh khối nhưmetanol, etanol cũng đang được xem xét rộng rãi Theo các nghiên cứu thì etanol

dễ dàng reforming hơn các hydrocacbon và cũng không cần cung cấp lưu huỳnhcho quá trình (một chất xúc tác rất độc dùng trong quá trình reforminghydrocacbon) Sự sản xuất etanol bằng quá trình reforming hơi nước đã đượcxem xét rộng rãi Trong tất cả các trường hợp, nước rất cần thiết cho quá trìnhsản xuất H2 Do đó không cần thiết phải giảm hàm lượng nước trong etanol lẫnnước (hỗn hợp 12% etanol là có thể dùng để sản xuất H2 bằng reforming) Bêncạnh đó, bằng cách sử dụng etanol chưa tinh chế, các thành phần có mặt trongnước đều có thể được reforming để bổ sung sản xuất H2 Đồng thời, quá trình nàykhông cần đến chưng cất hay sấy khô, hấp phụ để thu được etanol tinh khiết Vềmặt năng lượng và kinh tế thì quá trình reforming etanol rất hiệu quả

Từ các nghiên cứu của các học giả đi trước, có thể kết luận rằng etanol cókhả năng tạo thành nhiều sản phẩm Việc lựa chọn sản phẩm thu được với cácchất xúc tác khác nhau có thể được giải thích bằng các phản ứng dưới đây:

Reforming hơi etanol

CH4, CH3CHO, CH3COCH3, C2H4 là tất cả các sản phẩm không mong muốn bởi

vì chúng cạnh tranh với H2 về nguyên tử hydro

Trong đề tài nghiên cứu này, xúc tác được sử dụng là Ni/Al2O3 Qua việctham khảo những nghiên cứu trước đó về chất xúc tác sử dụng cho quá trìnhreforming etanol, nhận thấy xúc tác Ni/Al2O3 có những ưu điểm như: độ chọn lọc

H2 cao; hiệu suất có thể đạt được trên 90% Và đây cũng là một xúc tác tương đối

dễ tổng hợp trong qui mô phòng thí nghiệm,phù hợp để nghiên cứu Các phươngpháp phân tích xúc tác sẽ được đề cập đến trong chương sau

2.2 Mô hình hóa phản ứng

2.2.1 Mô hình toán số

Các mô hình toán số đã phát triển và sử dụng để mô hình hóa và mô phỏngthiết bị PBTR (thiết bị phản ứng bộ ống phức hợp) dựa trên các trạng thái cânbằng khối lượng và năng lượng (phương trình 2.1 và 2.2) trong thiết bị phản ứngvới sự có mặt của các phản ứng hóa học Căn cứ vào tổng khối lượng và cácphương trình cân bằng năng lượng, mô hình có thể được trình bày trong tọa độtrụ cho các thành phần z như trong phương trình (2.1) và (2.2)

(0,z) = 0, (0,z) =0 với r =0 và 0 ≤ z ≤L,

(r1,z) = 0, -λr (r1,z) = UTW(T1-T2) với r=r1 và 0≤ z ≤L,

Với: UTW là hệ số truyền nhiệt tổng qua thành ống và chỉ số trên 0 là thểhiện điều kiện đầu vào Về điều kiện biên ở đầu ra của lò phản ứng (ở z=L và 0≤r≤ r1), có thể giả định rằng phần đối lưu của vectơ trao đổi chất và nhiệt lượngchiếm ưu thế Phương pháp phân tích gần đúng được sử dụng để giải phươngtrình vi phân riêng phần (phương trình 2.1 và 2.2) tùy thuộc vào các điều kiệnban đầu và điều kiện biên Điều quan trọng cần lưu ý là các phương trình môhình toán số được giải quyết mà không có bất kỳ giả định đơn giản hóa nào như

số hạng phân tán dọc trục hay tọa độ trục

Các hệ số tốc độ ki phụ thuộc vào nhiệt độ được miêu tả bởi quy tắcArrhenius theo phương trình thực nghiệm trong biểu thức (2.7)

Phản ứng reforming etanol như sau:

C2H6O + 3H2O = 2CO2 + 6H2 (2.8)

3 giai đoạn cơ bản của cơ chế Eley Rideal được rút ra từ phương trình tốc

độ với giả định rằng đã có các dữ liệu cho quá trình, giả sử không có giới hạn sựtrao đổi chất và nhiệt lượng Trong cơ chế này, giai đoạn 1 là hấp phụ etanol trên

bề mặt xúc tác; giai đoạn 2 là sự tương tác giữa etanol hấp phụ với các chỗ trốngliền kề còn giai đoạn 3 gồm hai loại phản ứng bề mặt là hấp phụ và giải hấp phụtrong trạng thái khí Cơ chế này được đưa ra trong các phương trình (2.9) đến(2.12), sử dụng công thức hóa học của etanol để đơn giản hơn Sự hấp phụ etanollên các vị trí linh động:

CH4*(a) + H2O(g) CO2+ 3H2 + (a) (2.11)Phản ứng bề mặt của một phần hydrocacbon đã hấp phụ với hơi nướcchưa hấp phụ:

CH*(a) + 2H2O(g) CO2 + 3H2 + (a) (2.12)Với (a) tương ứng với một vị trí linh động, ki là hằng số tốc độ phản ứngthuận cho phản ứng i và k-i là hằng số tốc độ phản ứng nghịch cho phản ứng i

Đặt: C2H6O = A, CH4O*= B, CH*

2= S*, CO2 = C và H2 = D

Đánh giá 4 trường hợp có thể điều khiển tốc độ cơ chế reforming xúc tácetanol trên xúc tác đồng kết tủa Ni/Al2O3. Trong trường hợp đầu tiên (tức là sựtính toán theo công thức của mô hình số 1), sự hấp phụ etanol (phương trình(2.9)), giả sử là giai đoạn quyết định tốc độ

Điều này dẫn đến tốc độ mô hình như trong phương trình dưới đây:

Trong trường hợp 2(tính toán công thức theo mô hình số 2), phương trình(2.10), sự phân giải etanol đã hấp phụ giả sử quyết định tốc độ (ở đây yêu cầutăng thêm vị trí linh động) Dẫn đến tốc độ mô hình như dưới đây:

Trong trường hợp thứ 3 (tính toán theo công thức của mô hình số 3), phảnứng bề mặt (2.11) giả sử quyết định tốc độ Tốc độ mô hình là:

và vì phản ứng không thuận nghịch diễn ra nhanh hoặc chậm hơn ở khoảng nhiệt

độ sử dụng trong nghiên cứu động học Các mô hình đều được tóm tắt trong bảng2.2 (xem phụ lục) trong giới hạn nồng độ của mỗi chất và tốc độ lưu lượng khốicủa mỗi chất

Sự lựa chọn kích thước hạt chất xúc tác dựa trên các tài liệu có sẵn Các thí

nghiệm để thu thập dữ liệu động lực học thực hiện ở nhiệt độ phản ứng là 593,

693, 793K, chất xúc tác kích thước hạt trung bình là 0,6mm Theo đó, trong cáctài liệu tham khảo có các tiêu chuẩn cho lò phản ứng bộ ống để đảm bảo điềukiện dòng chảy lý tưởng,hoạt động đẳng nhiệt như sau: (a) tỷ lệ chiều cao lớpchất xúc tác trên kích thước hạt chất xúc tác (L/DP)> 50; (b) tỷ lệ đường kínhtrong của lò phản ứng trên kích thước hạt chất xúc tác (Dt/DP) > 10

Dữ liệu động học có được sau 3 giờ trên một dòng khi chất xúc tác hoạtđộng ổn định theo thời gian Kết quả sự biến thiên độ chuyển hóa etanol (X) theo

tỷ lệ khối lượng xúc tác trên lưu lượng khối lượng dòng etanol (W/FAO) ở nhiệt

độ phản ứng 593K, 693K, 793K được cho trong hình (2.1)

Kết quả cho thấy rằng, ban đầu độ chuyển hóa etanol tăng nhanh theo sựtăng của tỷ lệ W/FAO Khi W/FAO tăng hơn nữa thì sự tăng tương ứng của độchuyển hóa (X) ở ba nhiệt độ trên chậm lại Những kết quả này là điển hình chohầu hết các phản ứng xúc tác hiện nay, có độ chuyển hóa phụ thuộc vào lượngnguyên liệu

W/F AO, kg xúc tác trong 1 giờ/ kg nguyên liệu

Trên đây là cơ sở lý thuyết và các dữ liệu động học trong quá trìnhreforming etanol Trong thực tế, các thông số, độ chuyển hóa etanol, hiệu suất H2

… đều được tính toán trong các phần mềm mô phỏng Trong chương sau sẽ đềcập đến kết quả mô phỏng quá trình reforming etanol sản xuất H2 trên Hysys