MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ETHANOL CỦA NHÀ MÁY BIOETHANOL DUNG QUẤT TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC

Với tốc độ phát triển chóng mặt của công nghệ thông tin, các phần mềm mô phỏng quá trình sản xuất được ứng dụng vào trong quá trình thiết kế,... Để đáp ứng yêu cầu đó cần sử dụng các phầ

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Đình Minh Tuấn

Phản biện 1: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân

Phản biện 2: T.S Nguyễn Đình Thống

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật học học họp tại Trường Đại học Bách khoa

vào ngày 31 tháng 8 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, ĐHĐN tại Trường Đại học Bách khoa

 Thư viện Khoa Hóa, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

Nhiên liệu hóa thạch đã và đang đóng vai trò hết sức quan trọng đối với sự phát triển kinh tế xã hội của mỗi quốc gia Bên cạnh những ưu điểm vượt trội, nhiên liệu hóa thạch đã bộc lộ những điểm hạn chế: không có khả năng tái sinh, ô nhiễm môi trường, nguy cơ cạn kiệt trong tương lai…; đây là những hạn chế có ảnh hưởng rất lớn đến 2 vấn đề mang tính thời sự của thế giới hiện nay: an ninh năng lượng và biến đổi khí hậu Để tìm lời giải cho bài toán này, nhiều giải pháp được đưa ra trong đó có giải pháp thúc đẩy mạnh mẽ các nghiên cứu nhằm tìm ra nguồn năng lượng thay thế, có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường

Để đảm bảo an ninh năng lượng, bảo vệ môi trường và thúc đẩy phát triển kinh tế nông thôn tại các vùng sâu, vùng xa ở nước ta, ngày 20/11/2007, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt "Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2025" Trên cơ sở pháp lý đó, hiện nay có rất nhiều công trình nghiên cứu về nhiên liệu sinh học đã được phát triển và ứng dụng vào thực tiễn Nhiên liệu sinh học hiện nay đang được nghiên cứu phát triển dưới các dạng khác nhau gồm: Biogas, Hydro, Bioethanol, Biodiesel,…trong đó Bioethanol là nhiên liệu sinh học phổ biến nhất hiện nay với những

ưu điểm: trị số octan cao, không gây ô nhiễm môi trường, nguyên liệu sản xuất dồi dào từ sản phẩm, phụ phẩm của nông nghiệp

Nhiệm vụ khó khăn trong thiết kế các nhà máy sản xuất Bioethanol là đảm bảo chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm và nâng cao hiệu quả kinh tế của công nghệ tại nơi trực tiếp sản xuất Với tốc độ phát triển chóng mặt của công nghệ thông tin, các phần mềm mô phỏng quá trình sản xuất được ứng dụng vào trong quá trình thiết kế,

vận hành ở các nhà máy nhằm giảm thiểu những khó khăn này Phần mềm mô phỏng hỗ trợ cho việc thiết kế quá trình không chỉ đảm bảo tính thân thiện với môi trường và sản xuất an toàn mà còn giúp giảm chi phí đầu tư và chi phí sản xuất Phần mềm mô phỏng cũng giúp xây dựng nên một mô hình có độ trung thực cao với đầy đủ những chức năng và sự linh động Phần mềm mô phỏng cũng được sử dụng

để thiết kế cải tiến quá trình thu hồi nhiệt và xác lập các phương án hoạt động có hiệu quả kinh tế cao

Hiệu quả kinh tế sản xuất là một yếu tố hết sức quan trọng để duy trì hoạt động các nhà máy sản xuất ethanol Để đáp ứng yêu cầu

đó cần sử dụng các phần mềm mô phỏng công nghiệp để xây dựng

mô hình chuẩn với các thông số tối ưu cho công nghệ sản xuất Bioethanol, từ đó có thể đánh giá, so sánh, lựa chọn và tìm ra các thông số vận hành hợp lý, đặc biệt là ở phân xưởng vận hành quan trọng nhất của nhà máy: phân xưởng chưng cất

Xuất phát từ cơ sở khoa học và thực tiễn trên, tôi chọn đề tài:

"Mô phỏng công nghệ sản xuất Ethanol của Nhà máy Bioethanol Dung Quất"

2 Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu

 Mục tiêu nghiên cứu:

- Mô phỏng được công nghệ sản xuất ethanol của Nhà máy Bioethanol Dung Quất dựa trên số liệu thiết kế

- Đánh giá dựa trên so sánh giữa kết quả mô phỏng và các thông số thiết kế, từ đó tìm ra thông số vận hành cho Nhà máy khi năng suất hoặc chất lượng của sản phẩm thay đổi

 Đối tượng nghiên cứu:

- Phần mềm mô phỏng ASPEN HYSYS

- Công nghệ sản xuất của Nhà máy Bioethanol Dung Quất (gồm: nguyên liệu, công nghệ, các thông số kỹ thuật, )

3 Nội dung nghiên cứu:

 Tìm hiểu quy trình công nghệ của Nhà máy, nguyên liệu sản xuất, đặc tính của sản phẩm

 Nghiên cứu các tính năng của phần mềm mô phỏng

 Xây dựng sơ đồ mô phỏng

 Chạy mô phỏng và hiệu chỉnh các thông số công nghệ

 Đánh giá và khai thác kết quả

4 Phương pháp nghiên cứu:

 Nghiên cứu chi tiết sơ đồ công nghệ và thông số công nghệ của từng khu vực sản xuất trong Nhà máy để đưa

ra các thông số phục vụ cho quá trình mô phỏng

 Nghiên cứu các tính năng của phần mềm mô phỏng để xây dựng sơ đồ mô phỏng công nghệ sản xuất Ethanol

 Chạy mô phỏng và hiệu chỉnh các thông số vận hành để đánh giá kết quả

 Khai thác mô phỏng, đề xuất phương án sản xuất hợp lý

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

 Xây dựng cơ sở dữ liệu các điều kiện vận hành nhà máy sản xuất Ethanol ở Việt Nam, góp phần vào việc nâng cao khả năng mô phỏng trong công nghệ hóa học

 Tiết kiệm chi phí thực nghiệm trên mô hình thực, giảm chi phí vận hành, tối ưu hóa chi phí sản xuất

 Có thể hiệu chỉnh được điều kiện sản xuất của Nhà máy khi năng suất, chất lượng sản phẩm thay đổi

6 Cấu trúc luận văn

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về nhiên liệu sinh học, bioethanol

1.1.1 Nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học theo định nghĩa rộng là những nhiên liệu rắn, lỏng, khí được chuyển hóa từ sinh khối

1.1.2 Bioethanol

a Định nghĩa:

Ethanol là hợp chất hữu cơ thuộc dãy đồng đẳng rượu no đơn chức có công thức phân tử C2H5OH hay C2H6O, còn được gọi bằng các tên khác như rượu Etylic, cồn, ethyl alcohol, ethyl hydrate, hydroxyethane

Ethanol có thể được tổng hợp bằng phương pháp hóa học hoặc phương pháp sinh học Bioethanol là ethanol được sản xuất theo phương pháp sinh học

a Thực trạng tình hình sản xuất và tiêu thụ hiện nay

b Triển vọng về phát triển nhiên liệu sinh học ở nước ta

1.3 Nguyên liệu sắn để sản xuất bioethanol

Bioethanol có thể sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu tinh bột ( sắn, ngô ), từ rỉ đường, từ nguyên liệu có nguồn gốc lignocellulose Hiện nay sắn và ngô là hai loại nguyên liệu phổ biến nhất, ở nước ta thì sắn được trồng với quy mô lớn và sử dụng làm nguyên liệu nhiều hơn

1.3.1 Thành phần hóa học của sắn

1.3.2 Thành phần và tính chất của tinh bột sắn

1.3.3 Tình hình sản xuất và tiêu thụ sắn

1.4 Công nghệ sản xuất bioethanol

1.4.1 Công nghệ sản xuất truyền thống

Công nghệ này áp dụng với đa phần các nhà máy sản xuất cồn thực phẩm sử dụng nguyên liệu là gạo, rỉ đường, sắn Quy trình sản xuất truyền thống gồm các công đoạn chính là: nghiền nguyên liệu, nấu và dịch hóa, đường hóa, lên men, chưng cất và tinh chế

1.4.2 Công nghệ sản xuất cồn đã cải tiến

Các công nghệ mới chủ yếu được cải tiến dựa trên sự ra đời của các chủng nấm men và enzym có nhiều ưu điểm Ví dụ như enzym cho phép thực hiện quá trình hồ hóa, dịch hóa ở nhiệt độ thấp hơn hay enzym cho phép thực hiện quá trình đường hóa không cần qua giai đoạn nấu [9], [10], [11] Ưu điểm này không những giúp giảm được thời gian sản xuất, tiết kiệm năng lượng và chi phí cho thiết bị, tạo điều kiện cho đường hóa và lên men đồng thời

CHƯƠNG 2 – GIỚI THIỆU NHÀ MÁY

BIOETHANOL DUNG QUẤT 2.1 Tổng quan công nghệ sản xuất bioethanol Dung Quất

Hình 2.1: Sơ đồ công nghệ tổng quan của Nhà máy

2.2 Nguyên liệu sản xuất

Nguyên liệu của Phân xưởng Bio-ethanol Dung Quất là sắn khô có chiều dày 20-30mm, đường kính 30-70mm với các chỉ tiêu chính như sau:

2.3 Các phân xưởng công nghệ

2.3.1 Kho chứa, nhà nghiền

Hình 2.6: Sơ đồ quá trình chưng cất

2.3.6 Tách nước

Hình 2.7: Sơ đồ quá trình tách nước

2.3.7 Phân xưởng thu hồi và nén khí CO2

2.3.8 Phân xưởng tách, sấy và tồn chứa bã

2.3.9 Phân xưởng xử lý nước thải

CHƯƠNG 3 – MÔ PHỎNG CÔNG ĐOẠN CHƯNG CẤT VÀ TÁCH NƯỚC CỦA NHÀ MÁY BIOETHANOL DUNG QUẤT 3.1 Giới thiệu phần mềm HYSYS

3.1.1 Giới thiệu chung:

3.1.1.1 Các phần mềm mô phỏng trong công nghệ hóa học:

3.1.1.2 Phần mềm HYSYS

31.2 Các bước mô phỏng bằng phần mềm Hysys v10

Để bắt đầu tiến hành thiết kế mô phỏng cho một quy trình công nghệ, sau khi khởi động phần mềm ứng dụng Hysys ta thực hiện các bước sau:

 Bước 1: Thiết lập hệ đơn vị sử dụng: Từ Menu Bar, chọn Home, và sau đó lựa chọn Unit Sets

 Bước 2: Lựa chọn cấu tử trong hệ:

 Bước 3: Lựa chọn mô hình nhiệt động:

3.2 Tiến hành mô phỏng

3.2.1 Cơ sở dữ liệu:

a Nguyên liệu:

Bảng 3.1: Lưu lượng và thành phần nguyên liệu

Dòng 3022 Lưu lượng (kg/h) Thành phần khối lượng

Sản phẩm của công đoạn chưng cất và tách nước là ethanol đạt 99%

22791

4059

Dòng sản phẩm đáy của 2 tháp chưng cất thô qua

xử lý bã

73181.2

4033

Dòng khí không ngưng đến hệ thống chân không

176.9

9011

Dòng khí không ngưng từ bình tách VS-4303

14

d Sơ đồ công nghệ

e Khai thác số liệu từ các bản vẽ và tài liệu liên quan:

3.2.2 Nhập thông số cho các dòng công nghệ và thiết bị

3.2.2.1 Công đoạn chưng cất ethanol:

- Tháp C-4102 hoạt động với 1 tiêu chuẩn ràng buộc là thành phần ethanol của dòng sản phẩm đỉnh đạt 51%, hiệu suất đĩa: 100%

Hình 3.7 Thông số ràng buộc cho tháp C-4102

* Đối với Cụm tháp C-4101:

- Dòng beer well (4003) với lưu lượng 45880.9 kg/h được gia nhiệt lên đến 87.8 0C trong thiết bị trao đổi nhiệt E-4105 trước khi đi vào đỉnh tháp chưng cất C-4101 Sản phẩm của cụm tháp C-

4101 là dòng ethanol 50%wt

Hình 3.12 Thông số hoạt động của tháp C-4101

- Tháp C-4101 hoạt động với một tiêu chuẩn ràng buộc là thành phần ethanol của dòng sản phẩm đỉnh đạt 52,3%, hiệu suất đĩa 100%

- Sau khi mô phỏng, ta so sánh thành phần dòng ethanol trước khi đi qua cụm tháp tách tinh Rectifier Column:

Hình 3.14 Sơ đồ mô phỏng cụm chưng cất thô

* Đối với Cụm tháp Rectifier Column C-4201

- Tháp tinh luyện rectifier column là tháp chưng cất quan trọng nhất trong công đoạn chưng cất, tháp được sử dụng để cô đặc nồng độ của dòng ethanol đến gần điểm đẳng phí của hỗn hợp ethanol và nước Sản phẩm ethanol sau khi đi qua tháp chưng cất tinh luyện sẽ đạt nồng độ hơn 90%wt

- Tháp rectifier column C-4201 sử dụng 59 đĩa thực tế, tháp

sử dụng 3 dòng nguyên liệu nạp liệu tại 3 đĩa khác nhau, 1 dòng hồi lưu đỉnh tháp và có rút dòng sản phẩm heavy alcohols (3-M-1-C4ol)

từ thân tháp vì vậy việc xây dựng mô hình mô phỏng cho tháp rectifier column phức tạp và khó khăn hơn nhiều so với 2 tháp chưng cất thô

- Khai thác số liệu công nghệ trong nhà máy bioethanol Dung Quất cho biết tháp C-4201 hoạt động ở áp suất cao với áp suất đỉnh và đáy lần lượt là 3.4 và 3.7 bara, nhiệt độ ở đỉnh tháp là

112.30C và ở đáy tháp là 1410C Vị trí các đĩa nạp liệu và đĩa rút sản

Bảng 3.5 Áp suất và nhiệt độ các dòng nguyên liệu cho tháp C-4201

- Ta tiến hành nhập thông số vận hành cho tháp C-4201, tháp vận hành với 59 đĩa thực tế, không có condenser mà chỉ có reboiler ở đáy tháp

- Sản phẩm heavy alcohols (3-M-1-C4ol) được rút ra tại đĩa số

54 ở pha hơi Để xác định đây là vị trí phù hợp để rút sản phẩm heavy alcohols ta dựa vào số liệu dự đoán thành phần cấu tử pha hơi trên từng đĩa Kết quả số liệu dự đoán thành phần mol pha hơi ở đĩa

số 54 trùng với số liệu trong bản vẽ của dòng sản phẩm heavy alcohols (4041) từ đó chúng ta biết được đây là đĩa thích hợp để rút sản phẩm thân tháp Rectifier Column.`

Dòng Nhiệt độ ( o C) Áp suất (bara)

Hình 3.20 Thông số vận hành của tháp Rectifier Column

C-4201

- Ta tiến hành thiết lập các tiêu chuẩn ràng buộc cho tháp: + Phần khối lượng của ethanol trong sản phẩm thân tháp là 0.42

+ Lưu lượng sản phẩm thân tháp heavy alcohols 544 kg/h

- Đối với tháp Rectifier Column phân tách hỗn hợp ethanol và nước ta thiết lập chỉ số Damping Factor bằng 0.25 để tăng tốc độ hội

tụ cho tháp, hiệu suất đĩa 80%

- Trước khi tiếp tục tiến hành mô phỏng cụm tách nước trong dòng ethanol, chúng ta so sánh thành phần lưu lượng các dòng sản phẩm của công đoạn chưng cất giữa mô phỏng và số liệu

Bảng 3.6 So sánh thành phần của dòng sản phẩm ethanol 90%wt

của công đoạn chưng cất

Kết quả từ bảng 3.6 cho thấy số liệu mô phỏng thành phần lưu lượng các cấu tử chính trong dòng ethanol 90%wt sau công đoạn chưng cất đều có sai số nhỏ hơn 5% so với số liệu trong bản vẽ Điều này cho phép chúng ta tiếp tục tiến hành mô phỏng công đoạn tách nước cho dòng ethanol trong nhà máy bioethanol Dung Quất

Sơ đồ mô phỏng cụm tháp chưng cất tinh ở hình sau:

Hình 3.24 Sơ đồ mô phỏng cụm tháp chưng cất tinh

Dòng 4044

Ethanol 90%wt Mô phỏng (kg/h) PFD (kg/h)

Sai số (%)

3.2.2.2 Cụm tách nước:

Để loại bỏ phần lớn nước còn sót lại trong dòng ethanol sau công đoạn chưng cất, nhà máy bioethanol Dung Quất sử dụng phương pháp tách nước bằng rây phân tử với 2 tháp hấp phụ hoạt động luân phiên Sau khi ra khỏi cụm tách nước, nồng độ ethanol được nâng lên đến 99%wt Tuy nhiên phần mềm Aspen Hysys chưa

hỗ trợ công cụ mô phỏng tháp hấp phụ vì vậy trong bài mô phỏng này chúng ta sử dụng công cụ Component Splitter thay cho tháp hấp

Dòng ethanol 90%wt (4044) được nâng nhiệt độ đến 135 0C trong thiết bị trao đổi nhiệt E-4301 sau đó sẽ đi vào công cụ Component Splitter Để chạy công cụ Component Splitter, ta tiến hành kết nối các dòng công nghệ và nhập tỷ lệ các cấu tử trong các dòng sản phẩm

Hình 3.25: Kết nối các dòng công nghệ của Component Splitter

VS-4301

Hình 3.26 Tỷ lệ phân tách cấu tử theo khối lượng của VS-4301

Đi ra khỏi công cụ Component Splitter VS-4301 là hai dòng công nghệ, đầu tiên là dòng ethanol 99%wt sẽ đi qua các thiết bị tiếp theo để trở thành dòng sản phẩm chính bioethanol của nhà máy, còn lại là dòng nước bị hấp phụ còn lẫn một ít ethanol sẽ được thu hồi trong giai đoạn giải hấp phụ

Trong mô phỏng này, lượng nước thu được trong quá trình giải hấp được thể hiện bằng dòng công nghệ ký hiệu H2O from desorption

CHƯƠNG 4 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1 Phân tích kết quả mô phỏng

Để đánh giá mức độ chính xác của bài mô phỏng, ta thực hiện phân tích kết quả mô phỏng và đem so sánh với số liệu trong bản vẽ PFD Phần dưới sẽ trình bày kết quả mô phỏng của các thiết

bị chính trong cụm tháp chưng cất và cụm tách nước

3.1.1 Kết quả mô phỏng cụm chưng cất:

4.1.1 Kết quả mô phỏng cụm chưng cất:

vẽ, đều có sai số dưới 5% Điều này cho phép kết luận quá trình xây dựng mô hình mô phỏng các tháp chưng cất đã đảm bảo được lưu lượng của các dòng sản phẩm đi ra khỏi tháp Ta tiếp tục tiến hành phân tích kết quả mô phỏng thành phần các dòng sản phẩm của cụm chưng cất

vẽ, đều có sai số dưới 5%

Cùng với kết quả so sánh số liệu mô phỏng về lưu lượng ở trên chúng ta có thể kết luận đã mô phỏng được thành công cụm tháp chưng cất ethanol trong nhà máy bioethanol Dung Quất

4.1.2 Kết quả phân tích cụm tách nước:

Kết quả phân tích số liệu mô phỏng cụm tách nước cho thấy các số liệu mô phỏng về thành phần và lưu lượng của các dòng sản phẩm đều gần giống với số liệu trong bản vẽ, có sai số dưới 5% Điều này cho thấy việc mô phỏng công đoạn tách nước cho dòng ethanol trong nhà máy bioethanol Dung Quất đã thành công

4.2 Nghiên cứu thay đổi điều kiện vận hành cụm tháp chưng cất

để đảm bảo chất lượng sản phẩm ethanol khi nguyên liệu từ công đoạn lên men biến động

Trong vận hành thực tế có nhiều trường hợp hàm lượng ethanol trong dòng nguyên liệu beer well từ quá trình lên men bị thay đổi Sự thay đổi này có thể vì các lý do như thiếu hụt nguyên liệu, thay đổi chất lượng nguyên liệu sắn hay quá trình lên men không đảm bảo, khi đó nhà máy cần thay đổi các điều kiện vận hành để đảm bảo chất lượng của ethanol thương phẩm không thay đổi Xuất phát

từ ý tưởng đó, trong bài mô phỏng này tác giả thực hiện thay đổi thành phần ethanol trong dòng nguyên liệu beer well (3022) từ công đoạn lên men và tiến hành thay đổi điều kiện vận hành các tháp trong cụm chưng cất để đảm bảo chất lượng của dòng ethanol trước khi qua công đoạn tách nước

Trong trường hợp này, thành phần ethanol trong nguyên liệu

từ công đoạn lên men được thay đổi tăng/giảm 2%wt ethanol trong khi lưu lượng dòng beerwell được giữ nguyên Dòng nguyên liệu beerwell sau khi được thay đổi thành phần ethanol được thể hiện ở bảng 4.12: