Thiết kế phân xưởng tinh luyện cồn pha xăng bằng phương pháp hấp phụ

Với những lí do như trên, đề tài “Thiết kế phân xưởng tinh luyện cồn pha xăng bằng phương pháp hấp phụ” là công đoạn cuối cùng của dây chuyền sản xuất cồn pha xăng có ảnh hưởng lớn đến

MSSV: 2072134 Ngành: Công Nghệ Hóa Học - Khóa 33

Cần Thơ 05/2011

TRƯƠNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC - -

-

Cần Thơ, ngày 14 tháng 01 năm 2011

PHIẾU ĐỀ NGHỊ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP CỦA SINH VIÊN

NĂM HỌC 2010 – 2011

1 Tên đề tài thực hiện:

Thiết kế phân xưởng tinh luyện cồn pha xăng bằng phương pháp hấp phụ

2 Họ và tên sinh viên thực hiện:

Họ tên sinh viên: Phạm Trung Du Mã số sinh viên: 2072134

Ngành: Công Nghệ Hóa Học Khóa: 33

3 Họ và tên cán bộ hướng dẫn:

ThS Vũ Trường Sơn - Bộ môn Công Nghệ Thực Phẩm - Khoa Nông Nghiệp và

Sinh Học Ứng Dụng - Trường Đại học Cần Thơ

4 Mục tiêu của đề tài:

Tìm hiểu các quy trình sản xuất cồn tuyệt đối tiêu biểu

Tính toán, thiết kế phân xưởng sản xuất cồn tuyệt đối theo phương pháp hấp phụ

5 Các nội dung chính và giới hạn của đề tài:

5.1 Nội dung chính của đề tài:

Tìm hiểu quy trình công nghệ, thiết kế phân xưởng tinh chế cồn tuyệt đối, tính toán hiệu quả kinh tế đem lại khi sản xuất Nội dung đề tài gồm các phần như sau:

 Mở đầu: Mục tiêu và ý nghĩa của đề tài

 Lập luận kinh tế và chọn địa điểm xây dựng

 Tính chất của ethanol và các phương pháp sản xuất ethanol

 Thiết lập qui trình kỹ thuật

 Tính và chọn các thiết bị chính phụ

 Tính chi phí năng lượng

 Thuyết minh về xây dựng

 Kiểm tra sản xuất, an toàn lao động và phòng tránh cháy

 Tính kinh tế

5.2 Giới hạn của đề tài:

Do điều kiện về máy móc thiết bị và thời gian thục hiện đề tài tương đối ngắn nên

không tránh khỏi sai số trong quá trình thí nghiệm, thu thập số liệu và tính toán

6 Các yêu cầu hỗ trợ:

7 Kinh phí dự trù cho việc thực hiện đề tài:500.000 đồng

SINH VIÊN THỰC HIỆN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

LỜI CẢM ƠN

Trong những năm học tập và ngồi trên ghế giảng đường dưới sự giảng dạy và hướng dẫn tận tình của các thầy, các cô trong trường Đại Học Cần Thơ nói chung và các thây cô trong bộ môn Khoa Công Nghệ nói riêng đã chuẩn bị cho em những kiến thức cơ sở về mọi mặt và ngành nghề

Em chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa Công Nghệ đã tạo cho em những cơ hội để học hỏi và khẳng định mình trước khi ra trường

Em xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới thầy Vũ Trường Sơn - người thầy đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài luận văn của mình

Em xin cảm ơn thầy cô trong bộ môn Công Nghệ Hóa Học – Khoa Công Nghệ đã truyền đạt cho em những kiến thức chuyên môn để em có đủ kiến thức về ngành nghề trước khi bước đi làm việc

Em cũng gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè trong lớp Công Nghệ Hóa Học K33 đã giúp đỡ, động viên về tinh thần vật chất và kiến thức để em có thể hoàn thành luận văn này

Cuối cùng, xin chúc sức khỏe tới tất cả các quý thầy

cô cùng tất cả các bạn sinh viên./

Cần Thơ, ngày 17 tháng 04 năm 2011

Sinh viên thực hiện Phạm Trung Du

TRƯƠNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC - -

-

Cần Thơ, ngày 14 tháng 01 năm 2011 NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1 Họ và tên cán bộ hướng dẫn: ThS Vũ Trường Sơn - Bộ môn Công Nghệ Thực Phẩm - Khoa Nông Nghiệp và Sinh Học Ứng Dụng - Trường Đại học Cần Thơ 2 Tên đề tài thực hiện: Thiết kế phân xưởng tinh luyện cồn pha xăng bằng phương pháp hấp phụ 3 Họ và tên sinh viên thực hiện: Họ tên sinh viên: Phạm Trung Du Mã số sinh viên: 2072134 Ngành: Công Nghệ Hóa Học Khóa: 33 4 Nội dung nhận xét: a Nhận xét về hình thức LVTN:

b Nhận xét về nội dung của LVTN (đề nghị ghi chi tiết đầy đủ): Đánh giá nội dung thực hiện đề tài:

Những vấn đề còn hạn chế:

c Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm nếu có):

d Kết luận, đề nghị và điểm:

Cần Thơ, ngày tháng năm 2011

Cán bộ hướng dẫn ThS Vũ Trường Sơn

TRƯƠNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC - -

-

Cần Thơ, ngày 14 tháng 01 năm 2011 NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1 Cán bộ chấm phản biện:

2 Tên đề tài thực hiện: Thiết kế phân xưởng tinh luyện cồn pha xăng bằng phương pháp hấp phụ 3 Họ và tên sinh viên thực hiện: Họ tên sinh viên: Phạm Trung Du Mã số sinh viên: 2072134 Ngành: Công Nghệ Hóa Học Khóa: 33 4 Nội dung nhận xét: a Nhận xét về hình thức LVTN:

b Nhận xét về nội dung của LVTN (đề nghị ghi chi tiết đầy đủ): Đánh giá nội dung thực hiện đề tài:

Những vấn đề còn hạn chế:

c Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm nếu có):

d Kết luận, đề nghị và điểm:

Cần Thơ, ngày tháng năm 2011 Cán bộ chấm phản biện

LỜI MỞ ĐẦU

Đã từ rất lâu, dầu mỏ luôn giữ một vai trò quan trọng trong chiến lược phát triển kinh tế của mỗi quốc gia Hơn 90 % lượng dầu mỏ khai thác được phục vụ cho nhu cầu năng lượng như xăng nhiên liệu, nhiên liệu phản lực, diesel, nhiên liệu đốt lò… Có thể nói dầu mỏ là nền tảng của sự tăng trưởng và phát triển kinh tế của bất

kì một quốc gia nào

Trong những năm gần đây, với sự leo thang của giá xăng dầu gây nhiều tác động tiêu cực đến nền kinh tế thế giới Vì vậy việc tìm kiếm những nguồn năng lượng sạch, có khả năng tái tạo để thay thế một phần xăng dầu trở thành một vấn đề cấp thiết và được nhiều quốc gia quan tâm Một trong những hướng đi hiệu quả là

sử dụng ethanol để pha vào xăng vừa làm tăng chỉ số octane, vừa làm giảm ô nhiễm môi trường nên xăng pha cồn ngày càng trở nên phổ biến trên toàn thế giới

Hơn nữa, nước ta là một nước nông nghiệp có nguồn nguyên liệu để sản xuất ethanol là rất phong phú Việt Nam sở hữu hai đồng bằng rộng lớn là đồng bằng Sông Hồng và đồng bằng Sông Cửu Long và miền trung thuận lợi cho trồng sắn (khoai mì) Đây là những vùng nguyên liệu lí tưởng, là tiền đề cho sự ra đời của nhà máy sản xuất ethanol từ cellulose (rơm rạ…) và từ sắn

Với những lí do như trên, đề tài “Thiết kế phân xưởng tinh luyện cồn pha xăng bằng phương pháp hấp phụ” 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 và cũng là một

bước đi ban đầu cho việc sản xuất ethanol nhiên liệu phục vụ cho nhu cầu năng lượng ngày càng gia tăng ở nước ta

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Mục đích của đề tài 1

1.2 Những lợi ích của nhiên liệu sinh học (NLSH) 2

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU ETHANOL VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT 4

2.1 Nguyên liệu Ethanol 4

2.1.1 Khái niệm 4

2.1.2 Tính chất vật lý 4

2.1.3 Tính chất hóa học 5

2.1.4 Một số phản ứng điều chế 6

2.1.5 Ứng dụng của Ethanol 7

2.1.6 Tác dụng của phụ gia Ethanol khi pha vào xăng 8

2.1.7 Các chỉ tiêu chất lượng của xăng ethanol 9

2.1.8 Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới hiện nay 10

2.1.9 Tình hình sản xuất và khả năng sử dụng ethanol nhiên liệu ở nước ta 11 2.2 Các công nghệ sản xuất ethanol 13

2.2.1 Phương pháp chưng cất 13

2.2.1.1 Phương pháp chưng đẳng phí (chưng trích ly): 13

2.2.1.2 Chưng phân tử 14

2.2.2 Phương pháp dùng chất hấp phụ chọn lọc – Zeolites 16

2.2.2.1 Giới thiệu về zeolites 16

2.2.2.2 Quá trình hấp phụ 18

2.2.2.3 Phương pháp sản xuất cồn tuyệt đối bằng vật liệu hấp phụ chọn lọc 20

2.2.3 Phương pháp dùng các chất hút ẩm 24

2.2.4 Phương pháp thẩm thấu qua màng 25

2.2.5 Phương pháp kết hợp bốc hơi thẩm thấu và rây phân tử 27

2.2.6 Kết hợp chưng cất và thẩm thấu qua màng 27

3.1 Thiết kế sơ đồ sản xuất 30

3.2 Nguyên tắc hoạt động 30

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 32

4.1 Kết quả thực nghiệm về phương pháp hấp phụ sản xuất cồn bằng zeolites 3A 32

4.1.1 Các tính chất và các đại lượng nhiệt động của quá trình hấp phụ nước 32

4.1.2 Các tính chất và các đại lượng nhiệt động của quá trình hấp phụ ethanol 33

4.2 Tính toán cân bằng vật chất 34

4.2.1 Tính toán quá trình hấp phụ 34

4.2.2 Tính toán quá trình nhả hấp 37

4.3 Tính toán cân bằng năng lượng 40

4.3.1 Tính toán cho quá trình hấp phụ (1) ở 107,6 oC 40

4.3.2 Tính toán cho quá trình làm nóng vật liệu (2) từ 107 o C ÷ 350 o C 41

4.3.2.1 Tính nhiệt cần thiết để nâng nhiệt độ chất hấp phụ 42

4.3.2.2 Nhiệt lượng Q 2W để để nâng lượng nước bị hấp phụ từ 107,6 ÷ 350 o C 42

4.3.2.3 Nhiệt lượng Q 2E để nâng nhiệt của ethanol bị hấp phụ từ 107 ÷ 350 o C 42

4.3.3 Tính toán cho quá trình giải hấp (3) 43

4.3.4 Tính toán quá trình làm mát vật liệu (4) 44

4.3.5 Tính toán quá trình cấp nhiệt nhả hấp phụ 44

4.3.5.1 Tính nhiệt lượng do lượng khí N 2 mang vào trong quá trình làm nóng khối vật liệu lên nhiệt độ 350 o C 45

4.3.5.2 Tính lượng nhiệt do N 2 mang vào trong quá trình thực hiện quá trình nhả hấp phụ ở 350 o C 45

4.3.5.3 Tính toán lượng N 2 cần thiết cho quá trình nâng nhiệt độ của khối vật liệu từ nhiệt độ 107 ÷ 350 o C 45

4.3.5.4 Tính lượng N 2 cần thiết để thực hiện quá trình nhả hấp phụ 47

4.3.5.5 Tính tốc độ khí N 2 trong quá trình nhả hấp phụ và làm nóng khối vật liệu 48

4.3.6 Tính toán lựa chọn lượng N 2 để làm mát khối vật liệu trong quá trình

(4) 49

4.3.6.1 Lựa chọn tốc độ dòng khí để thực hiện quá trình làm mát khối vật liệu 49

4.3.6.2 Tính toán nhiệt độ trung bình của dòng khí N 2 sau khi ra khỏi tháp trong quá trình làm mát khối vật liệu 49

4.3.6.3 Tính toán nhiệt độ trung bình của dòng khí sau khi qua thiết bị trao đổi nhiệt dòng khí nhả hấp phụ 51

4.3.7 Tính toán lượng nước làm mát 53

4.3.7.1 Tính nhiệt toả ra do hỗn hợp khí nhả toả ra sau khi làm lạnh 54

4.3.7.2 Tính toán tốc độ dòng nước làm mát 54

4.3.7.2 Tính toán lưu lượng dòng hơi nước quá nhiệt đi trong calorifier 57

4.3.9 Tính toán cân bằng nhiệt lượng nồi hơi cung cấp 58

4.3.9.1 Tính lượng nước cần thiết để đun trong nồi hơi 58

4.3.9.2 Tính toán nhiệt lượng cần thiết nồi hơi cung cấp cho hơi nước 59

4.3.9.3 Tính lượng dầu cần cung cấp để đốt nồi hơi 60

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ PHỤ 62

5.1 Tính toán thiết bị chính 62

5.1.1 Chọn kích thước thiết bị 62

5.1.1.1 Tính vận tốc cho phép của dòng khí 62

5.1.1.2 Tính toán chiều cao vùng đệm 63

5.1.1.3 Tính tổn thấp áp suất qua lớp hạt 65

5.1.2 Tính chiều dày thân tháp 67

5.1.3 Tính đáy và nắp tháp 71

5.1.4 Chọn bích ghép thân, đáy và nắp 72

5.1.4.1 Bích ghép thân 72

5.1.4.2 Tai treo và chân đỡ 73

5.2 Tính toán và lựa chọn thiết bị phụ 76

5.2.1 Tính bồn chứa nguyên liệu và sản phẩm 76

5.2.1.1 Bồn chứa nguyên liệu 76

5.2.1.2 Bồn chứa sản phẩm 76

5.2.2 Thiết bị trao đổi nhiệt 77

5.2.2.1 Thiết bị truyền nhiệt loại vỏ bọc ngoài 77

5.2.2.2 Thiết bị truyền nhiệt loại ống 78

5.2.2.3 Thiết bị truyền nhiệt loại tấm 82

5.2.2.4 Thiết bị truyền nhiệt loại xoắn ốc 82

5.2.2.5 Thiết bị truyền nhiệt loại ống có gân 83

5.2.2.6 So sánh và lựa chọn thiết bị trao nhiệt 83

5.2.3 Calorifier cấp nhiệt 84

5.2.3.1 Calorifier điện 85

5.2.3.2 Calorifier hơi nước – không khí 86

5.2.3.3 Calorifier khói – khí 87

5.2.3.4 Lựa chọn calorifier cấp nhiệt 88

5.2.3 Nồi hơi 89

5.2.3.1 Lò hơi kiểu ống lò, ống lửa nằm ngang 89

5.2.3.2 Lò hơi ống nước 90

5.2.4 Thiết bị ngƣng tụ 91

5.2.4.1 Ngưng tụ gián tiếp 91

5.2.4.2 Lựa chọn thiết bị ngưng tụ 92

5.2.5 Lựa chọn thiết bị lọc bụi 93

5.2.5.1 Thiết bị đường lắng 93

5.2.5.2 Thiết bị buồng lắng 93

5.2.5.3 Xyclon lọc bụi 94

5.2.5.4 Thiết bị lọc tay áo 95

5.2.5.5 Thiết bị lọc kiểu vách ngăn 95

5.2.5.6 Một số thiết bị khác 96

5.2.5.7 Lựa chọn thiết bị 96

5.2.6 Lựa chọn bơm 97

5.2.6.1 Bơm vận chuyển chất lỏng 97

5.2.6.1 Bơm vận chuyển chất khí 97

CHƯƠNG 6: XÂY DỰNG CÔNG NGHIỆP 100

6.1 Xác định địa điểm xây dựng nhà máy 100

6.1.1 Các cơ sở để xác định địa điểm xây dựng 100

6.1.2 Các yêu cầu đối với địa điểm xây dựng 101

6.1.2.1 Các yêu cầu chung 101

6.1.2.2 Các yêu cầu về kỹ thuật xây dựng 102

6.2 Thiết kế tổng mặt bằng 103

6.2.1 Các nhiệm vụ chính khi thiết kế tổng mặt bằng nhà máy 103

6.2.2 Các yêu cầu thiết kế tổng mặt bằng nhà máy 103

6.2.3 Nguyên tắc phân vùng trong nhà máy 105

6.2.3.1 Vùng trước nhà máy 105

6.2.3.2 Vùng sản xuất 105

6.2.3.3 Vùng các công trình phụ 105

6.2.3.4 Vùng kho tàng và khu vực giao thông 106

6.2.3.5 Ưu nhược điểm của phương pháp phân vùng 106

6.2.4 Những căn cứ để sản xuất phân xưởng sản xuất cồn tuyệt đối theo phương pháp hấp phụ zeolites 107

6.2.5 Tính toán và xác định kích thước chính của các công trình trong nhà máy 107

6.2.5.1 Vùng trước nhà máy 107

6.2.5.2 Vùng sản xuất 108

6.2.5.3 Vùng các công trình phụ 108

6.2.5.4 Vùng kho tàng và khu vực giao thông 109

6.2.5.5 Tính hệ số K XD và K SD 109

6.2.5.6 Cấu tạo các khối nhà 110

CHƯƠNG 7: TÍNH ĐIỆN - NƯỚC NHÀ MÁY 111

7.1 Điện 111

7.1.1 Tính phụ tải chiếu sáng 111

7.1.2 Tính phụ tải động lực 113

7.1.3 Lượng điện tiêu thụ hàng năm của nhà máy 113

7.1.3.2 Điện năng cho phụ tải động lực 113

7.1.3.3 Điện năng tiêu thụ toàn phân xưởng trong một năm 114

7.2 Nước 114

7.2.1 Nước sinh hoạt 114

7.2.2 Nước sản xuất 114

CHƯƠNG 8: AN TOÀN LAO ĐỘNG 115

8.1 Bảo vệ con người 115

8.2 Bảo dưỡng thiết bị 115

8.2.1 Mở thiết bị (trước khi tiếp cận) 115

8.2.2 Tiếp cận thiết bị 116

8.3 Các chất độc hại 116

8.3.1 Ethanol 116

8.3.2 Nitơ 116

8.3.3 Sơ cứu khi hít phải khí độc 117

8.4 Hỏa hoạn 117

CHƯƠNG 9: TÍNH KINH TẾ 118

9.1 Tóm lược dự án 118

9.2 Kế hoạch sản xuất 118

9.2.1 Kế hoạch sản xuất 118

9.2.2 Tính toán kinh tế 118

9.2.2.1 Vốn cố định 118

9.2.2.2 Vốn lưu động 120

9.2.2.3 Giá thành sản phẩm 121

9.2.2.4 Lãi và thời gian thu hồi vốn 123

CHƯƠNG 10: KẾT LUẬN 125

TÀI LIỆU THAM KHẢO 126

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Cấu trúc phân tử ethanol 4

Hình 2.2: Quy trình sản xuất ethanol đi từ tinh bột 7

Hình 2.3: Xe sử dụng xăng sinh học E5 tại Việt Nam 8

Hình 2.4: Sơ đồ chưng trích ly 13

Hình 2.5: Sơ đồ sản xuất cồn tuyệt đối theo phương pháp trích ly ở Brazil 14

Hình 2.6: Tháp chưng phân tử 15

Hình 2.7: Cấu tạo phân tử zeolites 16

Hình 2.8: Cấu trúc cơ bản của zeolites 16

Hình 2.9: Sơ đồ của quá trình và trường nồng độ trong lớp chất hấp phụ đứng yên 19

Hình 2.10: Sơ đồ hấp phụ cồn – nước dạng lỏng 20

Hình 2.11: Sơ đồ hấp phụ cồn – nước dạng hơi 21

Hình 2.12: Sơ đồ sản xuất ethanol theo phương pháp hấp phụ với ba tháp 22

Hình 2.13: Sơ đồ nguyên tắc nhả hấp phụ 23

Hình 2.14: Sơ đồ sử dụng hơi nhiên liệu làm quá trình nhả hấp 23

Hình 2.15: Sơ đồ giảm áp cột hấp phụ 24

Hình 2.16: Sơ đồ nguyên tắc thẩm thấu qua màng 25

Hình 2.17: Sơ đồ sản xuất cồn tuyệt đối theo phương pháp thẩm thấu qua màng 26

Hình 2.18: Màng phân tách chọn lọc 26

Hình 2.19: Sơ đồ chưng cất kết hợp thẩm thấu qua màng 27

Hình 4.1: Sự phụ thuộc nồng độ nước vào thời gian hấp phụ 38

Hình 4.2: Giản đồ sự phụ thuộc của nhiệt độ khối vật liệu theo thời gian 40

Hình 4.3: Sơ đồ dòng khí N2 làm mát vật liệu 49

Hình 4.4: Sơ đồ thiết bị trao đổi nhiệt 51

Hình 5.1: Bích nối ống dẫn 70

Hình 5.2: Đáy và nắp ellipise 71

Hình 5.3: Bích liền không cổ 73

Hình 5.4: Tai cheo 75

Hình 5.6: Thiết bị truyền nhiệt loại vỏ bọc ngoài chịu áp suất cao 78

Hình 5.7:Thiết bị truyền nhiệt ống xoắn ruột gà 79

Hình 5.8:Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tưới 79

Hình 5.9: Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống 80

Hình 5.10: Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm có vách ngăn: 81

Hình 5.11: Thiết bị truyền nhiệt loại ống chùm có bù giản nở: 81

Hình 5.12: Thiết bị truyền nhiệt dạng tấm 82

Hình 5.13: Thiết bị truyền nhiệt loại xoắn ốc 82

Hình 5.15: Thiết bị truyền nhiệt loại ống có gân 83

Hình 5.16: Calorifier điện 85

Hình 5.17: Calorifier hơi nước – không khí 86

Hình 5.18: Sơ đồ hướng đi của hơi nước và không khí: 87

Hình 5.19: Calorifier khói – khí 88

Hình 5.20: Cấu tạo lò hơi ống lò, ống lửa nằm ngang 89

Hình 5.21: Lò hơi ống nước 90

Hình 5.22: Thiết bị ngưng tụ loại ống chùm chữ U có vách chảy tràn 92

Hình 5.23: Thiết bị đường lắng 93

Hình 5.24: Thiết bị buồng lắng 94

Hình 5.25: Xyclon lọc bụi 94

Hình 5.26: Thiết bị lọc tay áo 95

Hình 5.27: Thiết bị lọc kiểu vách ngăn 96

Hình 5.28: Máy nén thổi khí kiểu cánh guồng 98

Hình 6.1: Kết cấu móng 110

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Tính chất của ethanol 5

Bảng 2.2: Chỉ tiêu chất lượng của ethanol biến tính (TCVN 7716:2007) 9

Bảng 2.3: Tóm tắt các dự án xây dựng Nhà máy ethanol nhiên liệu tại Việt Nam 12

Bảng 2.4: So sánh phương pháp thẩm thấu qua màng và phương pháp hấp phụ chọn lọc: 25

Bảng 2.5: So sánh đánh giá các phương pháp 28

Bảng 4.1: Tính chất và các đại lượng nhiệt động của quá trình hấp phụ nước 32

Bảng 4.2: Tính chất và các đại lượng nhiệt động của quá trình hấp phụ ethanol 33

Bảng 4.3: Độ chọn lọc hình dáng của zeolites 3A 34

Bảng 4.4: Thống kê số liệu cân bằng vật chất: 38

Bảng 4.5: Nhiệt hấp phụ của nước và ethanol (đơn vị tính 0,02 g zeolites) 41

Bảng 4.6: Nhiệt hấp phụ của nước và ethanol (đơn vị tính 1 kg zeolites) 41

Bảng 4.7: Nhiệt nhả hấp phụ của nước và ethanol (đơn vị tính 0,02 g zeolites) 43

Bảng 4.8: Nhiệt nhả hấp phụ của nước và ethanol (đơn vị tính 1 kg zeolites) 43

Bảng 4.9: Tóm tắt số liệu nhiệt cho chu trình trên như sau: 44

Bảng 5.1: Chiều cao lớp zeolites theo đường kính tháp 62

Bảng 5.2: Các thông số của bích ghép ống dẫn hơi 71

Bảng 5.3: Các thông số bích ghép thân 73

Bảng 5.4: Các kích thước của một tai treo (đơn vị: mm) 76

Bảng 5.5: Thông số bồn chứa nguyên liệu 76

Bảng 5.6: Thông số bồn chứa sản phẩm 76

Bảng 5.7: Bảng so sánh 84

Bảng 6.1: Phân bố diện tích vùng sản xuất 108

Bảng 6.2: Tóm tắt diện tích đất sử dụng toàn nhà máy 109

Bảng 7.1: Số lượng đèn và công suất tiêu thụ 112

Bảng 7.2: Công suất động lực 113

Bảng 9.1: Vốn đầu tư máy móc, thiết bị 119

Bảng 9.3: Bố trí nhân công tham gia trực tiếp cho phân xưởng và tiền lương 121 Bảng 9.4: Tổng hợp chi phí chủ yếu 122 Bảng 9.5: Ước tính giá thành sản phẩm 123

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1 Mục đích của đề tài

Các nhà khoa học cho biết, chúng ta đang sống trong một giai đoạn lịch sử mới của trái đất – kỷ nguyên loài người – khi chúng ta là nguồn lực chính của trái đất Nhưng hiện nay sự thành công thái quá của con người về mặt khoa học kỹ thuật đã gây

ra những áp lực chưa từng thấy cho hệ sinh thái trái đất và đe dọa chính loài người Theo các chuyên gia, chúng ta đang phải đối mặt với sáu vấn đề có liên quan tới nhau

và rất cấp bách [31]:

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, khoảng 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 đoán

sẽ hết trong một tương lai rất gần

Biến đổi khí hậu: Biến đổi khí hậu đã và đang diễn ra trên toàn 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 những thiệt hại

và biến đổi to lớn 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 sự 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 và thời gian tái tạo rất dài, theo như dự báo của các nhà khoa học thì trữ lượng xăng dầu của toàn 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 pha xăng bằng phương pháp hấp phụ” 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

1.2 Những lợi ích của nhiên liệu sinh học (NLSH)

1 - Giảm thiểu ô nhiễm và khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính: Trong quá trình phát triển của các loại thực vật, chúng hấp thụ CO2 từ môi trường thông qua quá trình quang hợp Một lượng CO2 tương đương được giải phóng khi thực vật bị phân hủy tự nhiên hoặc đốt cháy Điều đó có nghĩa là NLSH có nguồn gốc từ thực vật không đóng góp vào quá trình phát thải CO2 - khí nhà kính Hơn nữa, sự cân bằng trong phát thải

CO2 đối với NLSH còn thể hiện qua chu trình khép kín: NLSH sau khi sử dụng sẽ thải khí CO2, cây trồng hấp thụ khí CO2 cùng với năng lượng mặt trời lại phát triển, tạo ra nguồn nguyên liệu cho sản xuất NLSH

Ở phạm vi toàn cầu, khí thải ô-tô chiếm gần 20 % tổng khí thải gây hiệu ứng nhà kính phát tán ra từ các quá trình liên quan tới năng lượng Nếu kể cả phát tán ngược gắn với quá trình sản xuất nhiên liệu thì tỷ lệ này đạt gần 25 % Cả ethanol và biodiesel đều bảo đảm giảm đáng kể phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính Kết quả các công trình nghiên cứu cho thấy ethanol sản xuất từ ngũ cốc giảm được 40 % phát thải khí nhà kính so với xăng, và giảm tới 100 % đối với ethanol sản xuất từ nguyên liệu cellulose và từ mía Hàm lượng các khí thải độc hại khác như CO, NOx, SOx, hydrocarbon đều giảm đi đáng kể khi sử dụng NLSH Ngoài ra, NLSH còn có khả năng phân hủy sinh học nhanh, ít gây ô nhiễm nguồn nước và đất

2 - Sản xuất và ứng dụng NLSH: Sản xuất và sử dụng NLSH tương đối đơn giản hơn so với các dạng nhiên liệu mới khác như hydro, pin nhiên liệu, LPG; không đòi

hỏi phải sử dụng những thiết bị và công nghệ đắt tiền Khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu chứa dưới 20 % ethanol hoặc biodiesel thì không cần cải tạo động cơ hiện đang sử dụng Mặt khác, chúng ta cũng không cần thay đổi hoặc chỉ thay đổi một phần nhỏ hệ thống tồn chứa và phân phối xăng dầu hiện có khi chuyển sang sử dụng NLSH Nhìn chung, công nghệ sản xuất NLSH không phức tạp, có thể sản xuất ở quy mô nhỏ (hộ gia đình) đến quy mô lớn Nguyên liệu cho sản xuất NLSH là các nguồn quen thuộc (cồn, dầu thực vật) và không gây độc hại Mặt khác, việc sử dụng NLSH cũng sẽ nâng cao ý thức tiết kiệm năng lượng cho cộng đồng do nhận thức về nguồn nhiên liệu có nguồn gốc từ thực phẩm Ngoài ra, NLSH còn cải thiện đáng kể chất lượng nhiên liệu

và hiệu suất động cơ ô-tô Ethanol có trị số octane cao và có thể dùng để nâng trị số octane của xăng Trong thực tế, ở mức hàm lượng thấp (< 5 %) trong hỗn hợp với xăng hoặc dầu diesel, ethanol và biodiesel có vai trò như là những phụ gia cải thiện chất lượng nhiên liệu

3 - Phát triển kinh tế nông nghiệp: Thông qua nguyên liệu đầu vào của các nhà máy là sản phẩm nông nghiệp, do đó NLSH có thể kích thích sản xuất nông nghiệp và

mở rộng thị trường cho sản phẩm nông nghiệp trong nước Việc sản xuất NLSH từ một số cây trồng như mía, ngô và sắn (cho ethanol) và dừa, đậu phộng, jatropha (cho biodiesel) mở ra cơ hội thị trường sản phẩm mới cho nông dân với tiềm năng tăng thu nhập hoặc tăng năng lực sản xuất của đất canh tác hiện có, tận dụng các vùng đất hoang hóa và tạo thêm công ăn việc làm cho người dân Chính sách phát triển nguồn nguyên liệu cho sản xuất NLSH phù hợp cũng sẽ tạo ra sự đa dạng môi trường sinh học với các chủng loại thực vật mới Bên cạnh đó, việc tận dụng các nguồn phụ, phế phẩm nông nghiệp để sản xuất NLSH sẽ giúp bảo đảm không ảnh hưởng đến an ninh lương thực khi phát triển NLSH, đồng thời nâng cao giá trị của sản phẩm nông nghiệp Trong quá trình sản xuất NLSH còn tận dụng nhiều chất phế thải từ các hoạt động sản xuất và sinh hoạt Về bản chất là cellulose sẽ là một nguồn nguyên liệu tiềm năng vô cùng to lớn để sản xuất NLSH Hiện nay, khi cuộc bàn cãi về việc ảnh hưởng của NLSH đến nền an ninh lương thực chưa ngã ngũ, nền sản xuất NLSH trên thế giới đang tập trung vào phát triển các nguồn nguyên liệu không ảnh hưởng đến lương thực loài người như các loại phụ, phế phẩm từ ngành nông nghiệp và các ngành khác (rơm

rạ, vỏ trấu, chất thải từ nhà máy giấy, rác sinh hoạt, )

4 - Bảo đảm an ninh năng lượng: phát triển NLSH giúp các quốc gia chủ động, không bị lệ thuộc vào vấn đề nhập khẩu nhiên liệu, đặc biệt đối với những quốc gia không có nguồn dầu mỏ và than đá; đồng thời kiềm chế sự gia tăng giá xăng dầu, ổn định tình hình năng lượng cho thế giới Do được sản xuất từ nguồn nguyên liệu tái tạo, NLSH thật sự là một lựa chọn ưu tiên cho các quốc gia trong vấn đề an ninh năng lượng

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU ETHANOL VÀ CÁC

thấp

2.1.2 Tính chất vật lý

Năm 1808 Nicola – Théodere de Saussure xác định công thức hóa học, năm 1858 Archibald Scott Couper đã công bố công thức cấu tạo, điều này đã làm cho ethanol trở thành một trong các hợp chất hóa học đầu tiên có sự xác định cấu trúc hóa học

Hình 2.1: Cấu trúc phân tử ethanol Ethanol lần đầu tiên Henry Hennel ở Anh Sérullas ở Pháp tổng hợp nhân tạo vào năm 1826 Faraday đã tổng hợp ethanol bằng phản ứng hyrdrat hóa etylen với xúc tác acid vào năm 1828 theo công nghệ tương tự như công nghệ tổng hợp ethanol ngày nay

Ethanol còn có tên: cồn tuyệt đối, cồn khô, etanol Là nguyên liệu được sử dụng rộng rã trong nhiều ngành kinh tế quốc dân

Ethanol là chất lỏng không màu, mùi thơm, dễ cháy, dễ hút ẩm, có độ phân cực mạnh Ethanol dễ dàng hòa tan trong nước với mọi tỷ lệ và có thể hòa tan nhiều chất

vô cơ cũng như hữu cơ nên được sử dụng làm dung môi rất tốt Ethanol dễ cháy và có thể tạo hỗn hợp nổ với không khí Ethanol tạo hỗn hợp đẳng phí với nước ở 96 % thể tích và một số tính chất sau:

Bảng 2.1: Tính chất của ethanol

09 Nhiệt dung riêng (20 oC) 2,480 KJ/Kg.độ

môi trường acid sulfuric đặc ở 170 oC

Phương pháp hydrat hóa anken để có rượu etylic

Hình 2.2: Quy trình sản xuất ethanol đi từ tinh bột

2.1.5 Ứng dụng của Ethanol

Ethanol có ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội:

Ethanol được sử dụng từ thời tiền sử, như mốt thành phần gây cảm giác say 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 Ethanol cũng được sử dụng trong gel vệ sinh kháng khẩn, phổ biến nhất có nồng độ khoảng 62 % Ethanol giết chết sinh vật theo cơ chế biến tính protein và hòa tan lipit của chúng Dùng làm dược phẩm chữa bệnh

Dung dịch ethanol 70 % chủ yếu sử dụng như là chất tẩy uế

Trong tổng hợp hóa học: Cồn được xem là chất trung gian để sản xuất các chất hóa học khác như: Acid axetic, Etyl Axetat…

Ngoài ra người ta có thể dùng chúng làm dung môi hòa tan nhiều hợp chất hữu

cơ và vô cơ khác

Ngày nay hướng nghiên cứu về nhiên liệu sạch, trong đó việc sử dụng cồn có nồng độ cao pha xăng được xem là một hướng đi hiệu quả và được chú ý rất nhiều trong công nghệ hóa dầu cũng như công nghệ hóa học Một số nước trên thế giới hiện nay đã ứng dụng thành công nghiên cứu này và cho kết quả tốt Điều này giúp giải

quyết được vấn đề mô trường, giảm thiểu được ô nhiễm môi trường, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên, kinh tế

Hình 2.3: Xe sử dụng xăng sinh học E5 tại Việt Nam

2.1.6 Tác dụng của phụ gia Ethanol khi pha vào xăng

Ethanol có trị số octan cao RON = 120 ÷ 135, MON = 100 ÷ 106, thường được pha vào xăng với hàm lượng 10 ÷ 15 % khối lượng Khi pha ethanol vào xăng do bản thân nó là chất có trị số octan cao do đó sẽ làm tăng trị số octan của xăng

Mặt khác, do bản thân quá trình cháy trong động cơ xăng là cháy cưỡng bức, việc tận dụng không khí trong buồng đốt sẽ không hoàn toàn Do đó, sẽ có những nhiên liệu cháy trong điều kiện thiếu oxy, dẫn đến sản phẩm cháy không hoàn toàn (sản phẩm cháy bẩn) Khi ta đưa ethanol vào ở dạng phụ gia thì quá trình cháy trong động

cơ sẽ:

Cháy hoàn toàn nhờ có oxy sẵn có trong cồn nên ta giảm thiểu được quá trình sinh khí CO độc hại ra môi trường

Giảm tiêu tốn nhiên liệu do động cơ không cháy hết nhiên liệu

Oxy hóa các khí độc hại trong quá trình cháy gây ra thành hợp chất có số oxy hóa cao nhất, ít gây ảnh hưởng tới môi trường

Chính sự bổ sung thêm oxy vào hỗn hợp cháy để đảm bảo quá trình cháy hoàn toàn, sản phẩm cháy sạch hơn Việc sử dụng Ethanol pha vào xăng đang là hướng phát triển có triển vọng nhất vì nó có những ưu điểm sau:

Có trị số octan cao thay thế phụ gia chì và methanol là những phụ gia độc hại với con người

Có hàm lượng oxy lớn hơn so với MTBE, TBA, TAME…

Động cơ sử dụng xăng pha cồn dễ khởi động, vận hành ổn định hơn so với các loại phụ gia oxygen khác

Công nghệ sản xuất đơn giản hơn và tận dụng được nguồn nguyên liệu sẵn có Bên cạnh đó việc sử dụng phụ gia ethanol cúng có những nhược điểm đó là:

Khả năng bảo quản phụ gia ethanol là rất khó do nó hút nước mạnh và dễ tách lớp khi pha vào xăng (đây là nhược điểm quan trọng nhất) Do đó gasohol phải được tồn trữ và bảo quản trong hệ thống bồn chứa đặt biệt

Về hiện tượng gây ô nhiễm: tuy giảm các hàm luợng các chất gây ô nhiễm như

HC, CO nhưng lại gây ra một số hợp phần khác như các andehyt, NOx cũng là những chất gây ô nhiễm

Do nhiệt trị của ethanol nói riêng (PCIethanol = 26,8 MJ/kg) và các loại ancol khác nói chung đều thấp hơn so với xăng (PCIxăng = 42,5 MJ/kg) nên khi dùng ethanol để pha trộn vào xăng sẽ làm giảm công suất động cơ so với khi dùng xăng Tuy nhiên sự giảm công suất này là không đáng kể nếu ta pha với số lượng ít

Giá thành của nhiên liệu là tương đối cao

Tóm lại, việc sử dụng gasohol có nhiều ưu điểm nhưng cũng có những mặt hạn chế Tuy nhiên khi phân tích tương quan giữa các mặt lợi và hại người ta vẫn thấy mặt lợi lớn hơn, mang ý nghĩa chiến lược hơn

2.1.7 Các chỉ tiêu chất lượng của xăng ethanol

Để dung làm nguyên liệu pha vào xăng, ethanol cần phải có một chỉ tiêu nhất định Trong bảng đưa ra mức quy định chất lượng của ethanol

Các chỉ tiêu chất lượng ethanol biến tính được xác định theo phương pháp ASTM

1613, ASTM D 5510, ASTM E 1064… hoặc một loạt tiêu chuẩn TCVN

Bảng 2.2: Chỉ tiêu chất lượng của ethanol biến tính (TCVN 7716:2007)

STT Tên chỉ tiêu Giới hạn Phương pháp đo

2.1.8 Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới hiện nay

Mặc dầu xăng sinh học đắt hơn xăng cổ sinh, mọi quốc gia trên thế giới đều dần dần chuyển hướng đến sử dụng xăng sinh học, vì lý do chính trị muốn ít tuỳ thuộc vào Trung Đông, vì tuân thủ theo quy ước Kyoto giảm sa thải khí nhà kính và sức ép của giới môi sinh, đồng thời phát triển nông nghiệp tạo công ăn việc làm cho vùng thôn quê

Brazil: Bắt nguồn từ khủng hoảng dầu hỏa 1972, Brazil có kế hoạch sản xuất xăng sinh học, và hiện nay dẫn đầu thế giới về sản xuất và sử dụng xăng ethanol và diesel sinh học Vào năm 2006 Brazil đã có trên 325 nhà máy ethanol, và khoảng 60 nhà máy khác đang xây cất, để sản xuất xăng ethanol từ mía (đường, nước mật, bã mía), và bắp Năm 2005, Brazil sản xuất 16 tỷ lít ethanol, chiếm 1/3 sản xuất toàn cầu Năm 2006, Brazil sản xuất được 17,8 tỷ lít ethanol, dự trù sẽ sản xuất 38 tỷ lít vào năm

2013 Ngày nay, diện tích trồng mía ở Brazil là 10,3 triệu ha, một nửa sản lượng mía dùng sản xuất xăng ethanol, nửa kia dùng sản xuất đường Tiên đoán là Brazil sẽ canh tác 30 triệu ha mía năm 2020 Giá xăng ethanol được bán bằng nửa giá xăng thường tại Brazil

Hoa Kỳ: Hoa kỳ sản xuất ethanol từ hạt bắp, hạt sorgho và thân cây sorgho - đường, và củ cải đường Khoảng 17 % sản lượng bắp sản xuất hàng năm ở Hoa Kỳ dùng để sản xuất ethanol Hoa Kỳ đặt chỉ tiêu sản xuất E10 để cung cấp 46 % nhiên liệu cho xe hơi năm 2010, và 100 % xe hơi vào 2012 Hãng General Motor đang thực hiện dự án sản xuất E85 từ cellulose (thân bắp), và hiện có khoảng hơn 4 triệu xe hơi chạy bằng E85 Hãng Coskata đang có 2 nhà máy lớn sản xuất xăng ethanol Hiện tại nông dân Hoa Kỳ chuyển hướng sản xuất lúa mì và bắp cho xăng sinh học, vì vậy số lượng xuất cảng hạt ngũ cốc giảm từ nhiều năm nay, làm giá nông phẩm thế giới gia tăng Vì giá cả xăng sinh học còn cao hơn xăng thường, chính phủ Mỹ phải trợ cấp, khoảng 1,9 USD cho mỗi gallon (= 3,78 lít) xăng sinh học, trợ cấp tổng cộng khoảng 7

tỷ USD/năm

Canada: Chỉ tiêu cho năm 2010 là 45 % toàn quốc tiêu thụ xăng E10

Âu Châu: Cộng đồng Âu châu (EU) ra biểu quyết chung là mỗi quốc gia phải sản xuất cung cấp 5,75 % xăng sinh học vào năm 2010, và 10 % năm 2020 cho nước mình Đức là nước tiêu thụ nhiều nhất xăng sinh học trong cộng đồng Âu châu, khoảng 0,48 triệu tấn ethanol Nguyên liệu chánh là củ cải đường để sản xuất ethanol Pháp là nước thứ hai tiêu thụ nhiều ethanol sinh học trong cộng đồng Âu châu năm 2006, khoảng 1,07 triệu tấn ethanol và diesel sinh học Công ty Téréos sản xuất ethanol là một đại công ty của Pháp Thụy Điển có chương trình chấm dứt hoàn toàn nhập cảng xăng cho

xe hơi vào năm 2020, thay vào đó là tự túc bằng xăng sinh học Hiện nay, 20 % xe ở Thụy Điển chạy bằng xăng sinh học, nhất là xăng ethanol Thụy Điển đang chế tạo xe hơi lai vừa chạy bằng ethanol vừa bằng điện Để khuyến khích sử dụng xăng sinh học,

chính phủ Thụy Điển không đánh thuế lên xăng sinh học, trợ cấp xăng sinh học rẻ hơn

20 % so với xăng cổ sinh, không phải trả tiền đậu xe ở thủ đô và một số thành phố lớn, bảo hiểm xe cũng rẻ hơn Vương quốc Anh: chỉ tiêu 5 % xe giao thông sử dụng xăng sinh học năm 2010 Hiện tại các xe bus đều chạy xăng sinh học Hãng hàng Không Virgin (Anh quốc) bắt đầu sử dụng xăng sinh học cho máy bay liên lục địa

Á Châu: Trung Quốc năm 2005 sản xuất 920,000 tấn ethanol Chỉ tiêu sản xuất 4 triệu tấn ethanol vào năm 2010, và 300 triệu tấn ethanol vào 2020 Hiện tại sản xuất xăng E10 ở 5 tỉnh phía nam, cung cấp 16 % nhiên liệu cho toàn xe hơi ở Trung Quốc Trung Quốc cũng trợ cấp khoảng 163 USD cho mỗi tấn xăng ethanol (nhưng không trợ cấp diesel sinh học) Vì giá cả nông phẩm gia tăng, và sợ thiếu thực phẩm, hiện nay Trung quốc chỉ cho phép canh tác khoai mì, sorgho - đường và một số hoa màu không quan trọng khác trên đất biên tế (nghèo), không thích ứng sản xuất nông phẩm như ở Shangdong và Xinjiang Uygur Hiện tại, Trung quốc có 2 nhà máy lớn là Longyan Zhuoyue New Energy Development (thiết lập năm 2001) và Xiamen Zhuoyue Biomass Energy Co (thiết lập năm 2006), cả 2 đều ở tỉnh Fujian nam Trung Quốc Ngoài ra còn khoảng hơn 100 nhà máy quốc doanh nhỏ ở Guizhou, Guangxi, Shandong, và Anhui Ấn Độ, Chính phủ có chính sách sử dụng xăng ethanol E5 hiện nay, sẽ tăng lên E10 và E20 trong những năm tới Ần Độ gia tăng diện tích canh tác mía cho xăng ethanol Thái Lan từ năm 1985 đã bắt đầu nghiên cứu sản xuất xăng sinh học Uỷ ban Nhiên liệu sinh học được thành lập năm 2001 để điều hành, và xăng E10

đã bắt đầu bán ở các trạm xăng từ 2003

2.1.9 Tình hình sản xuất và khả năng sử dụng ethanol nhiên liệu ở nước ta

Ở nước ta, công nghệ sản xuất ethanol còn rất nhỏ bé Chỉ có ngành sản xuất ethanol sinh học mà nguồn nguyên liệu chủ yếu từ tinh bột (sắn, ngô, khoai…) và từ rỉ đường Hoàn toàn chưa có nhà máy sản xuất ethanol từ các nguồn nguyên liệu chứa cellulose (rơm rạ, mùn cưa, cây cỏ…) Sản phẩm chủ yếu là ethanol thực phẩm (nồng

độ 40 % đến 45 %) và cồn công nghiệp (nồng độ từ 95,57 % đến 96 %), một lượng nhỏ được làm khan thành ethanol tuyệt đối (nồng độ 99,5 %)

Hiện tại có một số ít nhà máy sản xuất ethanol công nghiệp có công suất tương đối như nhà máy rượu Hà Nội, nhà máy rượu Bình Tây, nhà máy rượu Tam Hiệp

Do chưa đáp ứng được nhu cầu nên hiện nay ta vẫn phải nhập khẩu một lượng ethanol tuyệt đối đóng chai chủ yếu để làm hoá chất cho các nhu cầu khác nhau Không có khả năng sử dụng ethanol tuyệt đối làm nhiên liệu vì giá thành đắt (Giá tại thời điểm hiện tại cồn 99,5 % loại Trung Quốc có giá 55.000 đồng/lít)

Năm 2007 Bộ Công nghiệp đã xây dựng Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 số: 177/2007/QĐ - TTg Theo đề án, từ năm 2006 –

2010 Viêt Nam sẽ tiếp cận công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học, xây dựng mạng

lưới thí điểm phân phối nhiên liệu sinh học tại một số tỉnh thành, quy hoạch vùng trồng cấy nguyên liệu cho năng suất cao, đào tạo cán bộ chuyên sâu kỹ thuật Giai đoạn 2011 – 2015 sẽ phát triển sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học thay thế một phần nhiên liệu truyền thống Đến năm 2020 công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học sẽ đạt trình độ tiên tiến trên thế giới với sản lượng 5 tỷ lít xăng E10 Tầm nhìn đến năm

2025 sản lượng ethanol và dầu thực vật đạt 1,8 triệu tấn, đáp ứng khoảng 5 % nhu cầu xăng dầu của cả nước

Trong mấy tháng đầu năm nay (2011), tình hình sản xuất ethanol nhiên liệu ở nước ta đã có bước khởi sắc Ngày 2-4, Công ty CP Đồng Xanh tổ chức lễ khánh thành

và đưa vào hoạt động Nhà máy ethanol Đại Tân (Quảng Nam) Nhà máy được đầu tư trên 600 tỷ đồng, diện tích 18ha, công suất 100.000 tấn/năm, tương đương 125 triệu lít/năm, là nhà máy ethanol lớn nhất Việt Nam và là một trong 3 nhà máy lớn nhất Đông Nam Á

Bảng 2.3: Tóm tắt các dự án xây dựng Nhà máy ethanol nhiên liệu tại Việt Nam

Tên nhà máy Công suất Ngày hoạt

động dự kiến Chủ đầu tư Tiến độ

Nhà máy Đại Lộc,

Quảng Nam

100 Triệu lít/năm Tháng 3/2009

Công ty Đồng Xanh Đang hoạt động Nhà máy Cư-Dút,

Đắc Nông

50 Triệu lít/năm Tháng 12/2008

Công ty Đại Việt Đang hoạt động Nhà máy Tam

Nông,

Phú Thọ

100 Triệu lít/năm Tháng 6/2011

Công ty PVB, thuộc PV OIL

Đã động thổ khởi công ký hợp đồng

EPC

Nhà máy Dung

Quất

100 Triệu lít/năm Tháng 7/2011

Petrosetco, NMLD Bình Sơn thuộc Petrovietnam

Đã động thổ khởi công ký hợp đồng

EPC

Nhà máy Bình

Phước

100 Triệu lít/năm Tháng 7/2011

Liên doanh ITOCHU Nhật bản và PV OIL

Dự kiến quý I năm 2010 ký hợp đồng EPC và khởi

công

2.2 Các công nghệ sản xuất ethanol

Để thu được sản phẩm là cồn có nồng độ cao trên thế giới hiện nay đã sử dụng nhiều phương pháp tách nước từ cồn công nghiệp, cụ thể có thể liệt kê các phương pháp điển hình như sau:

+ Phương pháp thẩm thấu qua màng

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

2.2.1 Phương pháp chưng cất

2.2.1.1 Phương pháp chưng đẳng phí (chưng trích ly):

Sơ đồ chưng trích ly như sau:

Hình 2.4: Sơ đồ chưng trích ly Nguyên tắc:

Hỗn hợp etanol – nước có nhiệt độ sôi gần nhau tạo thành dung dịch đẳng phí ở 78,15oC áp suất 1,013 bar Với hỗn hợp này không thể dung phương pháp chưng

luyện thông thường để tách các phân tử ra ở dạng nguyên chất dù tháp vô cùng cao và lượng hồi lưu là rất lớn Phương pháp chưng luyện trích ly thực hiện đưa thêm cấu tử phân ly có tác dụng phá vỡ hỗn hợp đẳng phí, làm tăng độ bay hơi tương đối của một phân tử trong hỗn hợp

Công nghệ thực tế áp dụng ở Brazil sơ đồ công nghê như sau:

Hình 2.5: Sơ đồ sản xuất cồn tuyệt đối theo phương pháp trích ly ở Brazil

1- Cột tách nước 2- Thùng lắng gạn

3- Thiết bị ngưng tụ 4- Thiết bị làm lạnh

5- Cột tách Hydrocacbon 6- Thùng chứa cấu tử lôi cuốn

Thực hiện đưa cấu tử phá đẳng phí (entrainer) là Benzen, Heptan, hoặc Cyclohexan ethanol 96 % thể tích được đưa vào cột tách nước (De-hydrating Column)

ở giữa tháp ethanol 99,8 % thể tích thu được ở đáy tháp, được đưa đi làm lạnh và tồn chứa, bảo quản Hỗn hợp đồng sôi của 3 cấu tử thu được ở đỉnh tháp được ngưng tụ và phân tách trong thùng lắng gạn Lớp trên của thùng lắng gạn là các hợp chất hữu cơ chứa cả cấu tử phá đẳng phí được đưa về cột tách hydrocacbon, tại đó hydrocacbon phá đẳng phí, ethanol, một lượng hơi nước được đưa đi tuần hoàn về thiết bị ngưng tụ rồi đưa về thùng lắng gạn Stillage thu được tuần hoàn về tháp chưng cất etanol Một

số trường hợp khác stillage được sử dụng trong sản xuất thức ăn cho động vật

0,0001 mmHg) Ở áp suất này lực hút giữa các phân tử yếu đi và số lần va chạm giữa chúng giảm, làm khoảng cách chạy tự do của các phân tử tăng lên rất nhiều Trên cơ

sở đó, nếu làm khoảng cách giữa bề mặt bốc hơi và bề mặt ngưng tụ nhỏ hơn khoảng cách chạy tự do của các phân tử, thì khoảng cách phân tử của các cấu tử dễ bay hơi khi rời khỏi bề mặt bốc hơi sẽ va đập vào bề mặt ngưng tụ và ngưng tụ ở đó Trong thực tế khoảng cách giữa các phân tử duy trì ở mức 200 mm ÷ 30 mm Hiệu số nhiệt độ giữa hai bề mặt duy trì ở mức 100 oC

- Sơ đồ nguyên lý như sau:

Hình 2.6: Tháp chưng phân tử 1- Bề mặt bốc hơi 2- Bề mặt ngưng tụ

3- Vỏ làm lạnh 4- Đĩa phân phối

5- Phễu hứng sản phẩm đáy 6- Cửa sản phẩm đỉnh

7- Cửa ra của nước làm lạnh 8- Cửa vào của nước làm lạnh 9- Cửa hút chân không 10- Cửa dẫn hỗn hợp đầu vào

Phía trong phòng bốc hơi có một bộ phận đung nóng, phía ngoài là bộ phận ngưng tụ 2 Hệ thống có vỏ bọc 3 để làm lạnh Hỗn hợp đầu (etanol + nước) cho vào

bộ phận tạo màng 4 để chạy thành màng theo bề mặt bốc hơi 1 Sản phẩm đáy (nước) lấy ra ở phễu 5, sản phẩm đỉnh (etanol) được tập trung lại và đi ra cửa 5 Nước làm lạnh vào của 8 và ra cửa 7 Ống nối 9 nối với bơm chân không để giữ cho độ chân không cần thiết trong thiết bị

Do việc tạo áp suất và chế tạo thiết bị làm việc ở áp suất chân không đòi hỏi rất phức tạp và tốn kém, phương pháp này chỉ để nghiên cứu, không mở rộng được quy

mô

2.2.2 Phương pháp dùng chất hấp phụ chọn lọc – Zeolites

2.2.2.1 Giới thiệu về zeolites

Hình 2.7: Cấu tạo phân tử zeolites Zeolite là các Aluminosilicat tinh thể có cấu trúc không gian 3 chiều với hệ thống

lỗ xốp đồng đều và rất trật tự Hệ thống mao quản (pore) này có kích cỡ phân tử, cho phép chia (rây) các phân tử theo hình dạng và kích thước Vì vậy zeolites còn được gọi

là chất rây phân tử

Thành phần hóa học của zeolite có thể biểu diễn như sau:

(M+)x.(AlO2)x.(SiO2)y.zH2O

Trong đó:

+ M+: là cation bù trừ điện tích khung

+ z: là số phân tử nước kết tinh trong zeolites

+ Đơn vị cấu trúc cơ bản của zeolite là cá`c tứ diện TO4, với T là Al hoặc Si Có thể biểu diễn đơn vị cấu trúc cơ bản của zeolite như sau:

Hình 2.8: Cấu trúc cơ bản của zeolites Việc thay thế đồng hình Si4+ bằng Al3+ trong các tứ diện SiO4 dẫn đến dư một điện tích âm ở [AlO4]- Điện tích âm dư được cân bằng bởi sự có mặt của cation M+, gọi là cation bù trừ diện tích khung

Người ta tìm thấy 40 cấu trúc zeolites trong tự nhiên khác nhau Trong khi đó sự phát triển của vật liệu này trong lĩnh vực như hấp phụ, phân tách, quá trình xúc tác… đem lại những khả năng lớn nhờ các phương pháp tổng hợp zeolites đang được thực

hiện trong phòng thì nghiệm Hiện nay có khoảng 200 loại zeolite tổng hợp, tuy nhiên mới chỉ có một lượng nhỏ trong số đó được sử dụng trong công nghiệp

Tính chất chính của zeolite được thể hiện bởi cấu trúc và hình thái của chúng, tức

là sự sắp xếp trật tự của các tứ diện, phần thể tích rỗng, sự tồn tại của các mao quản và các lỗ, kích thước các lỗ và các mao quản Ngoài ra tính chất của các zeolite còn phụ thuộc vào tỷ lệ Si/Al (hoặc SiO2/Al2O3) và các cation bù trừ điện tích (K+, Na+…) + Phân loại zeolites:

- Phân loại theo kích thước mao quản

 Zeolite có mao quản rộng: Dmq > 8 Ao

 Zeolite có mao quản trung bình: Dmq = 5 ÷ 8 Ao

 Zeolite có mao quản nhỏ: Dmq < 5 Ao

Trong đó: Dmq là đường kính mao quản

- Phân loại theo tỷ lệ Si/Al: Cách phân loại này cho ta biết biến đổi tính chất của zeolite

 Loại giàu Al: Theo quy tắc của Lowenstein thì hàm lượng Si trong zeolite luôn lớn hơn Al, có nghĩa là tỉ lệ Si/Al luôn lớn hơn bằng 1 Trong loại giàu Al thì tỉ lệ này bằng 1,1 ÷ 1,2 Mao quản của zeolites này tương đối lớn

 Loại có hàm lượng Al trung bình: Với zeolite loại này tỷ lệ giữa Si/Al từ 1,2 ÷ 2,5

 Loại giàu Si: Loại này có tỷ lệ Si/Al > 2,5 tương đối bền nhiệt nên được sử dụng nhiều trong quá trình xúc tác có điều kiện khắc nghiệt

12 ion K+ hoặc 6 cation Ca2+

- Đặc tính kỹ thuật của zeolites 3A:

Là loại zeolite giàu nhôm, tỷ lệ Si/Al thấp

 Cation bù trừ điện tích K+: K12[(AlO2)12.(SiO2)12]

 Kích thước mao quản: 3 Ao

2.2.2.2 Quá trình hấp phụ

a) Các định nghĩa về hấp phụ

Hấp phụ là quá trình hút các chất trên bề mặt các vật liệu xốp nhờ các lực bề mặt Các vật liệu xốp đƣợc gọi là chất hấp phụ, chất bị hút đƣợc gọi là chất bị hấp phụ Hấp phụ xảy ra do lực hút tồn tại ở trên và ở gần sát bề mặt trong các mao quản + Hấp phụ hóa học: Lực hấp phụ mạnh nhất là lực hóa trị gây lên hấp phụ hóa học, tạo lên các hợp chất khá bền trên bề mặt, khó nhả hấp phụ hoặc chuyển các phân

+ Chuyển chất từ lòng pha lỏng đến bề mặt ngoài của hạt chất hấp phụ

+ Khuyếch tán vào các mao quản của hạt

+ Hấp phụ: Quá trình hấp phụ làm bão hòa dần từng phần không gian hấp phụ, đồng thời làm giảm độ tự do của các phân tử bị hấp phụ, kèm theo sự tỏa nhiệt

- Yêu cầu của các vật liệu hấp phụ:

+ Có bề mặt riêng lớn

+ Có các mao quản đủ lớn để các phân tử hấp phụ lên bề mặt, nhƣng cũng cần đủ nhỏ để loại các phân tử xâm nhập, có tính chọn lọc

+ Có thể hoàn nguyên dễ dàng

+ Bền năng lực hấp phụ, nghĩa là kéo dài thời gian làm việc

+ Đủ bền cơ để chịu đƣợc rung động và va đập

b) Hấp phụ gián đoạn có lớp chất hấp phụ đứng yên

Sự thay đổi nồng độ trong pha rắn và pha khí theo thời gian và chiều cao lớp chất hấp phụ

Biểu diễn sơ đồ sự thay đổi nồng độ chất bị hấp phụ theo chiều cao của lớp chất hấp phụ và theo thời gian khi hấp phụ gián đoạn có lớp hấp phụ đứng yên như sau:

Hình 2.9: Sơ đồ của quá trình và trường nồng độ trong lớp chất hấp phụ đứng yên Trong đó:

Y1: Nồng độ chất bị hấp phụ trong pha khí đi vào thiết bị, kg khí bị hấp phụ/kg khí trơ

Yc: Nồng độ tối thiểu của chất khí mà ta có thể tách được, kg chất bị hấp phụ/kg khí trơ

Xc: Nồng độ chất bị hấp phụ trong pha rắn, Tương ứng với Yc, kg chất bị hấp phụ/kg chất hấp phụ

Xbh: Nồng độ bão hoà của chất bị hấp phụ trong pha rắn, kg chất bị hấp phụ/kg chất hất phụ

Quá trình làm việc như sau:

+ Hỗn hợp khí có nồng độ Yd đi vào thiết bị Trước khi làm việc chất hấp phụ trong thiết bị đã có nồng độ X ≤ Xc Sau thời gian hấp phụ  nồng độ chất hấp phụ ở mặt cắt a - a đạt được X1, còn ở độ cao H1 thì đạt được nồng độ Xc Trong thời gian đó nồng độ khí thay đổi từ Yd đến Yc

Thời gian để chất hấp phụ ở mặt cắt a – a đạt được nồng độ bão hoà là bh, khi đó nồng độ đạt tới giá trị Yc và chất hấp phụ đạt tới Xc tương ứng với độ cao Hbh

Trước thời điểm bh các đường cong biểu diễn U = f(H) và K = f(H) thay đổi liên tục theo chiều cao

Ở thời điểm bh trong lớp hấp phụ thực tế đã tạo thành những mặt đồng nồng độ, chúng dịch chuyển lên với vận tốc không đổi khi tăng thời gian hấp phụ

Ở một thời điểm nhất định chỉ có một lớp chất hấp phụ làm việc, lớp này nằm giữa hai mặt phẳng có nồng độ Xc và Xbh

2.2.2.3 Phương pháp sản xuất cồn tuyệt đối bằng vật liệu hấp phụ chọn lọc

Nguyên tắc của phương pháp:

+ Dựa vào kích thước mao quản của zeolites 3A chất hấp phụ này có thể hấp phụ những phân tử có kích thước nhỏ hơn kích thước mao quản và không hấp phụ những phân tử có kích thước lớn hơn

+ Khi sử dụng zeolites 3A để hấp phụ sản xuất cồn tuyệt đối, bản chất là chất hấp phụ chọn lọc nước trong hỗn hợp nước và etanol có nồng độ thấp hơn

+ Kích thước động học của nước là 2,75 Ao < 3 Ao

+ Kích thước động học của ethanol là 4,4 Ao > 3 Ao

Như vậy: zeolites 3A hấp phụ nước nhưng không hấp phụ rượu ethanol

- Quá trình hấp phụ có thể thực hiện theo hai dạng:

+ Hấp phụ lỏng – rắn

+ Hấp phụ khí – rắn

- Sơ đồ nguyên lý của quá trình:

Hình 2.10: Sơ đồ hấp phụ cồn – nước dạng lỏng

Hình 2.11: Sơ đồ hấp phụ cồn – nước dạng hơi

- Mô tả quá trình làm việc:

+ Nguyên liệu (hỗn hợp etanol – nước có nồng độ thấp) được đưa qua cột hấp phụ chứa zeolite 3A ở pha lỏng hoặc pha hơi Nước sẽ bị hấp phụ và giữ lại trên cột, etanol không bị hấp phụ đi ra khỏi cột

Để quá trình làm việc liên tục, thông thường phải có ít nhất 2 tháp chứa chất hấp phụ Khi tháp A tiến hành hấp phụ thì tháp B phải tiến hành tái sinh xúc tác và ngược lại

Với quá trình sử dụng 3 tháp: Tháp 1 thực hiện quá trình hấp phụ, tháp 2 thực hiện quá trình nhả hấp phụ và tháp 3 thực hiện quá trình làm mát chất hấp phụ

- Sơ đồ nguyên lý hấp phụ, nhả hấp và làm mát của hệ thống 3 tháp như sau: