Luận Văn Tốt Nghiệp Xây dựng nhà máy sản xuất etanol tinh khiết bằng phương pháp hấp phụ.doc

Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Tải tài liệu tại kết bạn zalo : 0973.287.149
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HỮU CƠ – HÓA DẦU ======***======
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Néi dung :
ThiÕt kÕ x-ëng s¶n xuÊt cån tuyÖt ®èi
b»ng kü thuËt hÊp phô
Giáo viên hướng dẫn : TS. Văn Đình Sơn Thọ
095.33.59200
thovds-petrochem@mail.hut.edu.vn
Sinh viªn thùc hiÖn : Le Văn Trung
Líp : HD2 – K48
Hµ Néi 5 - 2008
1

PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG
Như ta đã biết Việt Nam 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 sản xuất lúa gạo. Hàng năm nước ta có sản lượng xuất khẩu lúa gạo
rất lớn và đứng thứ 2 trên thế giới, những năm gần đây kim nghạch xuất
khẩu gạo liên tục tăng.
Năm 2007 vừa qua các doanh nghiệp trong nước đã xuất khẩu một
lượng gạo rất lớn 4,5 triệu tấn gạo và giữ vững vị trí nhà cung cấp gạo đứng
thứ 2 trên thế giới sau thái lan.
Bên cạnh đó các ngành trồng trọt như rau, củ, quả, mía…Cũng phát
triển không ngừng.
Tất cả những yếu tố trên cho thấy đây là một nguồn nguyên liệu rất
phong phú, rồi dào và dư thừa của Việt Nam. Tạo điều kiện rất thuận lợi cho
các ngành công nghiệp sử dụng nguyên liệu là sản phẩm của ngành nông
nghiệp đặc biệt là các ngành sản xuất nhiên liệu xăng dầu, cồn, nhiên liệu
sinh học…
Trong khi đó tình hình xăng dầu thế giới hiện nay có nhiều biến động.
Trong những năm gần đây giá xăng dầu thế giới tăng với tốc độ chóng mặt.
Các nước có nguồn tài nguyên dầu mỏ dồi dào đã hạn chế khai thác gây ra
nhiều biến động xấu đến nền kinh tế toàn cầu. Đặc biệt là các nước có nền
công nghiệp đang phát triển phải chịu nhiều hậu quả nặng lề, tình hình lạm
phát tăng mạnh ảnh hưởng đến chất lượng của đời sống nhân dân. Đây là
một mối lo ngại đối với chính phủ, các doanh nghiệp trong nước và toàn thể
nhân dân ta. Song song với những khó khăn đó là tình hình về nguồn nhiên
liệu dầu mỏ của nước ta ngày càng cạn kiệt theo thời gian do nước ta chỉ
xuất khẩu dầu thô và nhập xăng dầu từ nước ngoài mà chưa có nhà máy lọc
dầu nào chính thức đi vào hoạt động.
Trước tình hình đó việc nghiên cứu sản xuất các nguồn nhiên liệu
khác thay thế xăng dầu là một việc làm cấp bách và quan trọng. Bên cạnh
việc xây dựng các nhà máy lọc dầu tại Việt Nam chúng ta cần nghiên cứu và
xây dựng các nhà máy sản xuất nguyên liệu sạch như cồn tuyệt đối, nhiên
liệu sinh học… Để tận dụng tối đa nguồn nguyên liệu dư thừa của nền nông
nghiệp, đảm bảo được an toàn về năng lượng cho phát triển nền kinh tế Việt
Nam vẫn đang nằm trong vùng các nươc nghèo nhất thế giới.
Đề tài của em là thiết kế phân xưởng sản xuất cồn tuyệt đối là một đề
tài rất hay và có ý nghĩa thực tiễn và đáp ứng được phần nào về nhu cầu sử
dụng năng lượng hiện nay của đất nước. Tuy nhiên, đây là một đề tài hết sức
mới mẻ trong quá trình làm việc sẽ gặp rất nhiều khó khăn và không tránh
2

khỏi những sai sót trong quá trình làm việc. Vì vậy em rất mong được sự
giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn Ts. Văn Đình Sơn Thọ với những ý kiến
đóng góp quý báu giúp em hoàn thành tốt đồ án này. Qua quá trình tìm hiểu
về các phương pháp sản xuất cồn tuyệt đối, các ưu và nhược điểm của mỗi
phương pháp em đã lựa chọn Phương pháp sản xuất cồn tuyệt đối theo
phương pháp hấp phụ bằng zeolite. Sau đây em xin trình bày bản đồ án
như sau:
3

PHẦN II: LÝ THUYẾT CHUNG
I. NGUYÊN LIỆU ETANOL
I.1. Tính chất của Etanol
+ Tính chất vật lý:
Etanol (C2H5OH) là chất lỏng không màu, mùi thơm, dễ cháy, dễ hút
ẩm. Etanol tạo hỗn hợp đẳng phí với nước có thành phần 95,47% thể tích.
Hình 2.1
a: là điểm đẳng phí
Nhiệt độ sôi của Etanol là 78,39 o
C, tỷ trọng d4
15
= 0.79356, nhiệt
dung riêng Cp(16÷21o
C) = 2,415 J.g-1
.K-1
, nhiệt cháy ở thể tích cố định là
1370,82 kJ/mol.
I.2. Cơ chế phụ gia của Etanol khi pha vào xăng
Etanol 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
Etanol vào xăng do bản than nó là chat có trị số octan cao do đó sẽ làm tăng
trị số octan của xăng.
Mặt khác, do bản than 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
4

cháy không hoàn toàn (sản phẩm cháy bẩn). Khi ta đưa Etanol 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 them oxy vào hỗn hợp cháy để đảm bảo quá trình
cháy hoàn toàn, sản phẩm cháy sạch hơn. Việc sử dụng Etanol pha vào xăng
dang 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 tạn dụng được nguồn nguyên
liệu sẵn có. Bên cạnh đó việc sử dụng phụ gia Etanol cúng có những nhược
điểm đó là:
- Khả năng bảo quản phụ gia Etanol là rất khó (đây là nhược điểm
quan trọng nhất).
- Giá thành của nhiên liệu là tương đối cao.
I.3. Ứng dụng của Etanol
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
phẩm chữa bệnh.
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. 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 môi
trường, giảm thiểu được ô nhiễm môi trường do các động cơ gây ra.
I.4. Tình hình sản xuất Etanol trên thế giới hiện nay
Trên thế giới, việc nghiên cứu sử dụng etanol để thay thế chất phụ gia
MTBE trong xăng dầu đã được tiến hành trong nhiều năm qua. Ở Mỹ, chính
phủ nước này đã công bố cấm sử dụng MTBE, vào đầu năm 2003, do nhiều
5

công trình nghiên cứu về sự ô nhiễm nguồn nước, mối trường không khí, sức
khỏe con người trong việc sử dụng MTBE.
Etanol nhiên liệu là cồn tuyệt đối (hay còn gọi là cồn khan, có độ cồn
từ 99,7÷ 100%), được sản xuất từ cồn công nghiệp (có hàm lượng etanol từ
92÷ 96%).
Chương trình etanol nhiên liệu được nhiều nước quan tâm, đầu tư xây
dựng chiến lược để xây dựng các nhà máy sản xuất etanol từ các loại ngũ
cốc như: Ngô, sắn, mía đường… Để đáp ứng nhu cầu cung cấp nhiên liệu tái
tạo trong tương lai. Đây là chương trình phát triển nông nghiệp nông thôn,
nhằm khai thác tiềm năng sẵn có về lao động, đất đai, nguồn nông sản ở mỗi
quốc gia.
Mỹ là một trong 2 nước sản xuất etanol lớn nhất thế giới với một
chương trình etanol nhiên liệu cụ thể. Tổng công suất sản xuất etanol nhiên
liệu ở Mỹ đến năm 2003 đạt 3,5 tỷ gallon, tương đương 13 tỷ lít. Tương lai,
Mỹ có thể vượt Braxin, nước sản xuất etanol lớn nhất thế giới hiện nay. Vào
năm do lệnh cấm sử dụng MTBE sẽ làm tăng mạnh nhu cầu đối etanol nhiên
liệu ở Mỹ hiện nay.
Braxin là quốc gia sản xuất etanol tuyệt đối lớn nhất thế giới hiện
nay. Từ 15 năm nay, tất cả xe cộ ở Braxin đều chạy bằng etanol tinh khiết,
đây như là một ví dụ điển hình về việc khai thác năng lượng sinh khối
(Biomas).
Năm 1975, chính phủ Braxin đưa ra một chương trình sản xuất etanol
từ mía để giải quyết vấn đề giá đường thế giới hạ giá và gánh nặng ngày
càng tăng của ngành dầu mỏ sau cuộc khủng hoảng dầu mỏ năm 1973. Để
giải quyết vấn đề này người ta tận dụng các nhà máy đường hiện có để sản
xuất etanol. Chương trình này kéo theo mở rộng diện tích trồng mía và xây
dựng thêm các nhà máy sản xuất cồn tuyệt đối. Sản lượng nhiên liệu sinh
học này tăng đều đặn, từ 0,6 tỷ lít năm 1975 đến 14 tỷ lít năm 1998. Từ cuối
năm 1970 toàn bộ xe cộ ở Braxin dùng nhiên liệu có chứa 20% etanol để
thay thế cho xăng và diesel mà không cần thay đổi động cơ. Từ năm 1984
đến 1988, tất cả số ôtô mới được bán ra thị trường đều chạy bằng cồn tuyệt
đối. Năm 1988 các loại xe này đã tiêu thụ hết 7,6 tỷ lít cồn, trong đó 5,3 tỷ
lít dùng để pha xăng, còn lại dùng cho ôtô.
6

Thống kê về tỷ lệ sử dụng etanol và gasoline ở Braxin như sau:
Hình 2.2
Ngoài Braxin và Mỹ là 2 quốc gia có sả lượng cồn tuyệt đối lớn nhất
thế giới còn phải kể đến một số quốc gia khác có tiềm lực cũng rất lớn đó là:
Tây Ban Nha, Trung Quốc, Ấn Độ, Thái lan…
Tình hình sản xuất etanol tuyệt đối ở nước ta hiện nay: Ở Việt Nam
hiện nay chưa có nhà máy nào sản xuất cồn tuyệt đối ở quy mô công nghiệp,
vì vậy việc nghiên cứu đầu tư công nghệ tiên tiến để xây dựng một nhà máy
sản xuất etanol nhiên liệu là cần thiết, phù hợp với chương trình etanol nhiên
liệu toàn cầu trong nền kinh tế thị trường như hiện nay. Mặt khác nó giải
quyết được một số vấn đề yếu kém tồn tại của nước ta hiện nay là;
- Nhiên liệu xăng và diesel đều phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu với
tổng nhu cầu hàng triệu tấn một năm. Cùng với đà phát triển của nền kinh tế
đất nước và quá trình hội nhập, nhu cầu sử dụng nguyên liệu sẽ tăng với tốc
độ lớn. Theo dự báo, đến năm 2020, ở Việt Nam nhu cầu sử dụng nhiên liệu
đạt 20 triệu tấn/ năm, trong đó sản xuất trong nước chỉ đáp ứng được khoảng
76% nhu cầu.
- Vì thế việc nghiên cứu các phương pháp sản xuất cồn tuyệt đối, kết
hợp với nghiên cứu lựa chọn các hệ phụ gia phù hợp để sản xuất các loại
nhiên liệu sinh học đáp ứng nhu cầu sử dụng nhiên liệu ở Việt Nam, đảm
bảo giảm ô nhiễm môi trường, phát triển nguồn tài nguyên thực vật, đặc biệt
7

là sử dụng nông sản và phế liệu công nghiệp chế biến nông sản đáp ứng
được an ninh năng lượng quốc gia.
II. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN CAO ĐỘ
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 chưng cất: - Phương pháp chưng đẳng phí
- Phương pháp chưng phân tử
+ Phương pháp dùng chất hấp phụ chọn lọc Zeolite.
+ Phương pháp dùng các chất hút ẩm.
+ Phương pháp thẩm thấu qua màng.
+ Phương pháp kết hợp bốc hơi thẩm thấu qua màng và dây phân tử.
II.1. Phương pháp chưng cất
II.1.1. Chưng trích ly:
Sơ đồ chưng trích ly như sau:
SÔ ÑOÀ NGUYEÂN LYÙ CHÖNG TRÍCH LY
Nöôùc laøm maùt Nöôùc laøm maùt
Nöôùc laøm maùt Nöôùc laøm maùt
A B
AB BR
Hôi nöôùc
Nöôùc ngöng
R
Hôi nöôùc
Nöôùc ngöng
R
Hình 2.3 Sơ đồ chưng trích ly
Nguyên tắc:
Hỗn hợp etanol – nước có nhiệt độ sôi gần nhau tạo thành dung dịch
đẳng phí ở 78,15 o
C áp suất 1,013 Bar. Với hỗn hợp này không thể dùng
8

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 Braxin [10] sơ đồ công nghê như sau:
Caáu töû loâi cuoán ( phaù ñaúng phí ):Benzen , Heptane, Cyclohexane
Caáu töû loâi cuoán
Hoãn hôïp ñoàng soâi cuûa 3 caáu töû
Ethanol 96%V
1
4
2
3
4
5
6 4
Nöôùc
Hôi nöôùc
Ethanol 99,98%V
Hình 2.4 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. Etanol 96% thể tích được đưa vào cột tách nước ( De-
hydrating Column) ở giữa tháp. Etanol 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, etanol,
9

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.
Lượng hơi nước sử dụng: 1 ÷ 1,5 kg/lít etanol 99,98%
II.1.2. Chưng phân tử [3]
Nguyên tắc:
Chưng phân tử thực hiện ở độ chân không cao ( tương đương với áp
suất 0,01 ÷ 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 200mm ÷ 30mm. Hiệu số nhiệt độ giữa hai
bề mặt duy trì ở mức 100o
C.
- Sơ đồ nguyên lý như sau:
10
4
1
7
2
3
8
5
6
10

Hình 2.5 Tháp chưng phân tử
1- Bề mặt bốc hơi
3- Vỏ làm lạnh
5- Phễu hứng sản phẩm đáy
7- Cửa ra của nước làm lạnh
9- Cửa hút chân không
2- Bề mặt ngưng tụ
4- Đĩa phân phối
6- Cửa sản phẩm đỉnh
8- Cửa vào của nước làm lạnh
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 +
rươu) 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.
II.2. Phương pháp dùng chất hấp phụ chọn lọc – Zeolite
II.2.1. Giới thiệu về Zeolite [1]
Hình 2.6 Cấu tạo phân tử zeolite
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 zeolite còn được gọi là chất rây phân tử.
11

Thành phần hóa học của zeolite có thể biểu diễn như sau:
Me2/nO.xAl2O3.ySiO2.zH2O
Trong đó:
+ M+
: là cation bù trừ điện tích khung.
+ z: là số phân tử nước kết tinh trong zeolite.
+ Đơn vị cấu trúc cơ bản của zeolite là các tứ diện TO4, với T là Al
hoặc Si. Có thể biểu diễn đơn vị cấu trúc cơ bản của zeolite như sau:
O2-
O2- O2-
Si4+
O2-
TÖÙ DIEÄN SiO4
O2-
O2- O
2-
Al3+
O2-
TÖÙ DIEÄN [AlO4]
-
-
Hình 2.7 Cấu trúc cơ bản của zeolite
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 zeolite 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 zeolite 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 Zeolite:
- 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.
12

* 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 zeolite này tương đối
lớn.
* Loại có hàm lượng Al trung bình: Với zeolite loại này tỷ lệ giữ
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.
- Zeolite A:
Là loại zeolite tổng hợp có cấu trúc dưới dạng lập phương đơn giản
tương tự như kiểu liên kết trong tinh thể NaCl, với các nút mạng lưới là các
bát diện cụt.
Đối với zeolite A tỷ lệ Si/Al = 1 nên số nguyên tử Si và Al trong mỗi
đơn vị Sodalit bằng nhau. Vì vậy với mỗi bát diện cụt được tạo bởi 24 tứ
diện có 48 nguyên tử Oxy làm cầu nối, vậy còn dư 12 điện tích âm. Để trung
hòa 12 điện tích âm này ta phải có 12 cation hóa trị 1 hoặc 6 cation hóa trị 2.
Trong trường hợp của zeolite A là 12 ion K+
hoặc 6 cation Ca2+
.
- Đặc tính kỹ thuật của zeolite 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
.
II.2.2. Quá trình hấp phụ [4- 241]
II.2.2.1. 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 được gọi là chất hấp phụ, chất bị hút được 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 tử thành các nguyên tử.
+ Hấp phụ vật lý: Lực hấp phụ là lực vật lý Vanderwall tác dụng trong
khoảng không gian gần sát bề mặt.
Một hiện tượng thường xảy ra trong bề mặt khí – rắn là pha khí ngưng
tụ thành chất lỏng trong mao quản nhỏ, điều này xảy ra dưới tác dụng của
lực mao quản.
Mỗi phân tử đã bị hấp phụ (dù dạng khí hay lỏng) đều giảm độ tự do,
do đó quá trình hấp phụ luôn kèm theo sự tỏa nhiệt.
+ Hấp phụ vật lý: Nhiệt hấp phụ nhỏ.
13

+ Hấp phụ hóa học: Nhiệt hấp phụ lớn hơn, có thể bằng nhiệt phản
ứng. Do sự tỏa nhiệt, trong quá trình hấp phụ vấn đề tách nhiệt luôn được đề
ra.
Động học của quá trình hấp phụ:
Quá trình hấp phụ từ pha lỏng hoặc pha khí lên bề mặt xốp của chất
hấp phụ gồm 3 giai đoạn:
+ 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, nhưng
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 được rung động và va đập.
II.2.2.2. Hấp phụ gián đoạn có lớp chất hấp phụ đứng yên [4 - 253]
a. 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:
H
Yc
H2
a a
Yd
Hbh
H H H
bh
bh
H1
H'2
0 XC X1 Xbh X 0 Yc Yd Y 0
U = f(H)
K = f(H)
U, K
Hình 2.8
Trong đó:
Y1: Nồng độ chất bị hấp phụ trong pha khí đi vào thiết bị, kg khí bị
hấp phụ/kg khí trơ.
14

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 1 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.
II.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 zeolite 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 zeolite 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 2,75Ao
< 3Ao
.
+ Kích thước động học của rượu là 3,95Ao
> 3Ao
.
Như vậy: zeolite 3A hấp phụ nước nhưng không hấp phụ rượu etanol.
- 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:
15

Quá trình hấp phụ với hỗn hợp etanol – nước ở dạng pha lỏng:
Saûn phaåm
Khoâng khí
6
1A 1B
Vent
Nguyeân lieäu
Nöôùc laøm maùt 5
Nöôùc laøm maùt
2 4
Nöôùc laøm maùt 5
Doøng tuaàn hoaøn
3
Hình 2.9 Sơ đồ hấp phụ cồn – nước dạng lỏng
16

Quá trình hấp phụ với hỗn hợp etanol – nước ở dạng hơi:
Vent
3
Doøng tuaàn hoaøn
Nöôùc
7B
6
Khoâng khí
4
2
5
1A 1B 1C
7A 5
8 5
2 Khoâng khí
Coàn 85-96%V
Saûn phaåm
Hình 2.10 Sơ đồ hấp phụ cồn – nước dạng hơi
- Mô tả quá trình làm việc:
+ Nguyên liệu (hỗn hợp etanol – nươc 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.
17

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, tháp 2
thực hiện quá trình nhả hấp 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:
Hình 2.11 Sơ đồ sản xuất cồn tuyệt đối theo
phương pháp hấp phụ với ba tháp
Trong đó:
Tháp 1 thực hiện hấp phụ, tháp 2 đang thực hiện nhả hấp phụ, tháp 3
đang thực hiện quá trình làm mát chất hấp phụ.
1a, 1b: Dòng khí thực hiện quá trình nhả hấp phụ.
2a, 2b: Dòng khí thực hiện làm mát.
3a, 3b: Dòng hới cồn 96%V vào tháp hấp phụ.
+ Các phương pháp nhả hấp phụ:
Có thể thực hiện nhả hấp phụ bằng 3 phương pháp:
II.2.3.1. Phương pháp 1:
Gia nhiệt cho cột và nhả khí sạch, nóng qua cột hấp phụ ở nhiệt độ
phù hợp. Thời gian nhả hấp phụ tuỳ thuộc vào mức độ hấp phụ.
18

Phương pháp này được sử dụng phổ biến trong việc nhả hấp phụ, tái sinh
chất hấp phụ.
Sơ đồ nguyên tắc như sau: [10]
Hình 2.12
Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ này là cả tháp nhả và tháp hấp phụ
làm việc song song. Khi tháp bên trái thực hiện hấp phụ thì tháp phải thực
hiện quá trình nhả hấp. Trong quá trình nhả hấp này thì khí được gia nhiệt
đến nhiệt độ yêu cầu rồi thực hiện quá trình nhả hấp có bổ xung nhiệt ở thân
tháp nhả.
19

Một số trường hợp sử dụng hơi nguyên liệu làm khí thực hiện quá
trình nhả hấp [8 - 380]
Ta có các sơ đồ như sau:
Hôi nguyeân lieäu
pha
taùch
Thaùp
phuï sinh
haáp taùi
Thaùp Thaùp
Saûn phaåm
Boä phaän ngöng tuï
maùt
laøm
Thaùp
noùng
Daàu
Thieát bò gia nhieät
noùng
Daàu
Hình 2.13
Nguyên tắc:
+ hơi nguyên liệu được trích ra một phần và đi vào tháp làm mát để
nâng nhiệt độ của dòng hơi nhả hấp sau đó được gia nhiệt bằng dầu nóng tới
nhiệt độ nhả hấp tối ưu. Sau khi thực hiện quá trình nhả hấp thì dòng hơi này
được ngưng tụ lại thành lỏng, rồi cho qua tháp tách pha để tách các hạt bụi
zeolite ra. pha lỏng được quay trở lại đi vào tháp hấp phụ.
+ Ngoài ra còn một số sơ đồ khác tuy nhiên nguyên tắc hoạt động
cũng tương tự sơ đồ công nghệ này.
Giảm áp cột hấp phụ Cách này khó thực hiện vì đòi hỏi thiết bị phức
tạp, đòi hỏi kỹ thuật cao và tính an toàn trong sản xuất khi sử dụng thiết bị
chịu áp.
20

Sơ đồ nguyên tắc của phương pháp:
Hình 2.14
Dùng một số chất có ái lực với nước lớn hơn của chất hấp phụ (ví dụ:
Amoniac NH3) để nhả hấp phụ.
II.3. Phương pháp dùng các chất hút ẩm
Khi ta cho các chất hút ẩm vào trong hệ Etanol – nước thì chất hút ẩm
sẽ hút nước trong cồn, nồng độ cồn thu được sẽ cao hơn nhưng chỉ đạt
khoảng 98% và hiệu suất thu hồi cồn không cao.
II.4. Phương pháp thẩm thấu qua màng
Hình 2.15
- Nguyên tắc:
21

Sử dụng vật liệu rây phân tử Zeolite như ở phương pháp hấp phụ chọn
lọc, nhưng tác dụng của vật liệu rây phân tử ở 2 phương pháp hoàn toàn
khác nhau.
So sánh phương pháp thẩm thấu qua màng và phương pháp hấp phụ
chọn lọc:
Bảng 2.1
Phương pháp hấp phụ chọn lọc Phương pháp thẩm thấu qua
màng
- Hỗn hợp Etanol – nước đi và tháp - Hỗn hợp Etanol – nước đi vào tháp
có thể ở một trong dạng lỏng hoặc ở dạng hơi
hơi
- Nước bị giữ lại trong lớp chất hấp - Nước và Etanol đều không bị giữ
phụ trong tháp và được tách ra trong lại
giai đoạn nhả hấp phụ
- Để làm việc liên tục , yêu cầu phải
có 2 tháp thiết kế song song với - Làm việc liên tục chỉ với 1 tháp
nhau
-Sơ đồ nguyên lý của quá trình :
Etanol
(96% theå tích)
3
Nöôùc laøm
o
maùt (20 C)
3
6
Hôi nöôùc 200kPa
5
Nöôùc ngöng
1
2 2
Nöôùc
Nöôùc laøm maùt ngöng tuï
Etanol
(99,9% V)
Etanol
(23% V)
Hình 2.16 sơ đồ sản xuất cồn tuyệt đối theo phương pháp
thẩm thấu qua màng
22

Trong đó:
1- Thiết bị loại màng zeolite 2- Bơm tuye
3- Bơm ly tâm 4- Thiết bị tận dụng nhiệt
5- Thiết bị trao đổi nhiệt 6- Bơm chân không
Để quá trình thu hồi Etanol được triệt để, người ta đã thực hiện ghép
các thiết bị thành modules thẩm thấu. Nguyên tác của Modules thẩm thấu
được thể hiện như sau:
- Cấu tạo của màng:
+Lớp phân tách chọn lọc: dày 0,5 – 2 µm.
+Lớp chất mang có cấu trúc xốp: dày 70-100 µm.
Hình 2.17 màng phân tách chọn lọc
II.5. Phương pháp kết hợp bốc hơi thẩm thấu và rây phân tử
Theo phương pháp này thì nước được hấp phụ bằng bốc hơi thẩm thấu qua
màng , sau đó qua rây phân tử để tiếp tục hấp phụ .
Phương pháp này cho nồng độ cồn cao nhưng đòi hỏi đầu tư cơ bản lớn .
II.6. Kết hợp chưng cất và thẩm thấu qua màng:
Bản chất của phương pháp là sử dụng tháp chưng cất nâng cao nòng độ
Etanol , đồng thời tạo hỗn hợp hơi đi vào thiết bị phân tách loại màng .Việc
sử dụng kết hợp sẽ cho phép linh động hơn trong nguồn nguyên liệu đầu
vào.
23

Hình 2.18
II.7. So sánh đánh giá các phương pháp
Ta lập bảng so đánh giá như sau:
Bảng 2.2
Ưu nhược điểm Giá Năng
Phương lượng
thành
pháp Ưu điểm Nhược điểm tiêu
đầu tư
tốn
- Chưng đẳng phí :
Nồng độ Etanol thu
được không cao (tối
đa 95,57% khối lượng
Phương Giá thành đầu
)
- Chưng phân tử: Việc
pháp tư không quá tạo áp suất chân không
chưng cất cao cao , chế tạo các thiết
bị làm việc ở áp suất 50% 100%
chân không đòi hỏi rất
phức tạp , tốn kém
- Giá thành đầu - Do trở lực của tháp
tư ban đầu dạng đệm lớn , yêu
không quá cao cầu công suất của bơm
Phương
(với năng suất cao .
nhỏ), chế tạo - Yêu cầu của hỗn hợp
pháp dùng thiết bị không nguyên liệu vào tháp
chất hấp quá phức tạp . cao.
80% -
phụ chọn -Nồng độ cồn
lọc sản phẩm thu
24

được khá cao
(≥99,5% khối
lượng)
- Dễ dàng
chuyển quy mô
thiết bị sang
quy mô công
nghiệp
Phương Đầu tư cơ bản - Nồng độ cồn sản
pháp dùng thấp nhất trong phẩm chưa cao , chỉ 40% 50%
chất hút các phương khoảng 98% thể tích
ẩm pháp.
- Hiệu suất thu hồi cồn
không cao
Phương Tách nước hiệu
pháp thẩm quả , nồng độ
thấu qua cồn sản phẩm Đầu tư cơ bản cao 100% 20%
màng cao.
Phương
pháp kết Tách nước hiệu
hợp bốc quả , nồng độ
hơi thẩm cồn sản phẩm Đầu tư cơ bản cao > 120% 35%
thấu và rây cao.
phân tử
Qua bảng so sánh các phương pháp trên ta thấy phương pháp sản xuất
cồn theo phương pháp hấp phụ chọn lọc có nhiều yêu điểm hơn cả. Đặc biệt
sản phẩm cồn thu được có nồng độ cồn cao, đầu tư kinh tế không quá tốn
kém. Do đó ta có thể sản xuất cồn theo phương pháp này theo quy mô công
nghiệp, có khả năng đáp ứng được nhu cầu về nhiên liệu ngày càng hạn hẹp
của xăng dầu hiện nay.
II.6. Thiết kế sơ đồ sản xuất và nguyên tắc hoạt động
Qua quá trình tính toán lựa chọn các thiết bị cho quá trình sản xuất
cồn tuyệt đối theo phương pháp hấp phụ trên zeolite 3A ta thiết kế sơ đồ sản
xuất như hình vẽ 2.19 (trang bên)
25

SO Đ? DÂY CHUY? N S? N XU? T C? N TUY?
T Đ? I B? NG PHUONG PHÁP H? P PH?
C?n v? tháp chung
Khí Nito tu?n hoàn
8
Nu?c l?nh
3
WRC WRC WRC
FC FC FC
FC FC F C
Nu?c nóng
2
9
1 1 1
Nu?c l?nh
10
TI
TI TI
4
TT C
TC TC TC
Nu?c nóng
C?n tuy?t d?i
F C FC FC
W RC FC WRC F C W RC F C
F C FC FC
FC F C FC
7 7 7
Thùng ch?a ch?t th?i
Khí Nito 9
TI
TT
C?n 96 %
9
C TI
5 C
TT
N?i hoi
9
Không khí
11
26

Nguyên tắc:
Sơ đồ làm việc với 3 tháp làm việc song song, tháp 1 thực hiện quá
trình hấp phụ, tháp 2 thực hiện quá trình nhả hấp, tháp 3 thực hiện quá
trình làm mát. Với sơ đồ trên ta có nguyên tắc làm việc cụ thể của từng
tháp như sau:
Tháp hấp phụ: Hơi cồn ở 107 o
C được bơm lên đỉnh tháp hấp phụ nhờ
bơm thổi khí kiểu hai cánh guồng, hơi cồn đi sâu vào trong và xuống dưới
lớp zeolite 3A và bị hấp phụ vào trong lớp vật liệu. Do có tín hiệu của dòng
(FC) nguyên liệu và dòng sản phẩm các van dẫn khí nhả và khí làm mát sẽ
được đóng lại. Hơi cồn đi ra ở đáy tháp và được qua thiết bị lọc bụi zeolite
sau đó được chuyển sang thiết bị ngưng tụ cồn sản phẩm.tất cả lớp hấp phụ
đã đạt tới trạng thái bão hoà nồng độ cồn sản phẩm ở đầu ra giảm van cồn
đầu vào sẽ tự động đóng nhờ bộ điều khiển tự động (WRC). Khi mất tín
hiệu nhiệt độ ở (TC) thì van dẫn khí làm mát sẽ tự động mở và thực hiện quá
trình làm mát.
Tháp làm mát: Khí có tín hiệu dòng khí làm mát các van dẫn hơi cồn
sản phẩm, cồn nguyên liệu, khí nhả hấp sẽ tự động đóng lại. Quá trình làm
mát sẽ kết thúc khi tín hiệu nhiệt độ (TC) đầu ra của dòng khí làm mát giảm
dưới mức cho phép van dẫn khí làm mát sẽ tự động đóng lại. Tín hiệu dòng
khí làm mát mất ở (FC) thì van dẫn khí nhả hấp sẽ tự động mở và thực hiện
quá trình nhả hấp.
Tháp nhả hấp phụ: Quá trình nhả hấp được thực hiện ở nhiệt độ 350
o
C. Nhiệt lượng cung cấp cho quá trình này được lấy từ calorifier hơi nước
với bộ chuyển tín hiệu nhiệt độ (χ c) dòng N2 đi vào tháp nhả. tốc độ dòng hơi
đi vào calorifier sẽ được khống chế nhờ một van tự động. Quá trình nhả hấp
phụ sẽ được kết thúc khi có sự thay đổi lớn về khối lượng riêng của dòng hơi
khi nhả thông qua (WRC) ở đầu ra của dòng khí nhả hấp, các van đầu vào và
ra dòng khí nhả sẽ tự động đóng lại kết thúc quá trình nhả hấp phụ.
Để tận dụng nhiệt cho toàn bộ quá trình làm việc, dòng khí nitơ được
xả ra từ bình nén khí và đi vào tháp thực hiện quá trình làm mát. Dòng khí
nitơ ra tiếp tục được trao đổi nhiệt với hơi, khí nhả có nhiệt độ cao thông
qua thiết bị tận dụng nhiệt khí – khí dạng tấm.
Hơi cồn sau khi nhả được ngưng tụ qua thiết bị ngưng tụ. Khí Nitơ
được nén trở lại bình chứa. Cồn lỏng có nồng độ thấp sẽ được hồi lưu quay
lại tháp chưng tách cồn công nghiệp.
27

III. MỘT SỐ CÁC THỰC NGHIỆM VỀ PHƯƠNG
PHÁP HẤP PHỤ SẢN XUẤT CỒN BẰNG ZEOLITE 3A
III.1 Các tính chất và các đại lượng nhiệt động của quá trình
hấp phụ nước:
Theo thí nghiệm của E.Lalik và cộng sự [7]:
Nhiệt độ hấp phụ: 107,6o
C; Nhiệt độ phòng 25o
C
Lượng Zeolite trong mẫu khảo sát: 0,02 (g)
Lượng chất mang (thạch anh) trong mẫu khảo sát: 0,2(g)
Bảng 2.3
Giá trị
Đại lượng Nhiệt độ phòng 25o
C 107,6o
C
Diện tích bề mặt riêng
SBET 410 410
( m2
/g Zeolite)
Tổng nhiệt hấp phụ 5612,6 7426,4
∑∆Had ( mJ )
Lượng nước bị hấp phụ 98,1 102,5
( µmol)
Entalpy hấp phụ ∆Had
57,2 72,5
( kJ /mol)
Tổng nhiệt nhả hấp phụ 2170 7572,7
∑∆Hdes ( mJ )
Lượng nước nhả hấp
phụ 35,2 100,1
( µmol)
Entalpy nhả hấp phụ
61,6 71,9
∆Hdes ( kJ /mol)
III.2 Các tính chất và các đại lượng nhiệt động của quá trình
hấp phụ Etanol
Theo thí nghiệm của E.Lalik và cộng sự [7]:
Nhiệt độ hấp phụ: 98o
C; Nhiệt độ phòng 25o
C
Lượng Zeolite trong mẫu khảo sát: 0,02 (g)
Lượng chất mang ( thạch anh ) trong mẫu khảo sát: 0,2 (g)
28

Giá trị
Đại lượng Nhiệt độ phòng 25o
C 98o
C
Diện tích bề mặt riêng
SBET 410 410
( m2
/g Zeolite)
Tổng nhiệt hấp phụ 180,7 160,4
∑∆Had ( mJ )
Lượng Etanol bị hấp
phụ 1.5 0.9
( µmol)
Entalpy hấp phụ ∆Had
120,5 178,2
( kJ /mol)
Tổng nhiệt nhả hấp
phụ 57,1 58,2
∑∆Hdes ( mJ )
Lượng nước nhả hấp 0,4 0,5
phụ ( µmol)
Entalpy nhả hấp phụ
142,7 116,4
∆Hdes ( kJ /mol)
Bảng 2.4
Cũng theo E.Lalik và cộng sự, nghiên cứu về độ chọn lọc hình dáng của
Zeolite 3A theo nhiệt độ :
Bảng 2.5
Nhiệt độ Độ chọn lọc hình dáng (SSI)
Nhiệt độ phòng 61,3
98o
C – 107,6o
C 114,4
29

PHẦN III: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG
A. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT
I. TÍNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ
Toàn bộ etanol và nước vào tháp hấp thụ ở dạng hơi.
Ký hiệu:
Gv: Lưu lượng khối lượng của hỗn hợp vào tháp (kg/h)
gv: Lưu lượng thể tích của hỗn hợp vào thạp (m3
/h)
ρv : Khối lượng riêng của hỗn hợp ở điều kiện hấp hấp phụ thp= 107 o
C
Ta có:
Gv= gv. ρv [ kg/h]
I.1. Tính ρv và ρr
Tra bảng I.2: Khối lượng riêng của một số chất lỏng và dung dịch với
nước thay đổi theo nhiệt độ [4- tr9] :
Chất
Khối lượng riêng (kg/m3
)
100o
C 120o
C
Rượu Etylic 100% 716 693
Rượu Etylic 80% 783 768
Nội suy từ bảng ta có :
Bảng 3.1
[kg/m3
]
ρ = 721,268
v
Giả thiết rằng: Nhiệt hấp phụ được tách hoàn toàn , thiết bị hấp phụ làm
việc trong điều kiện đoạn nhiệt:
Nội suy từ bảng ta có:
[kg/m3
]
ρ = 707,9604
r
I.2. Tính lưu lượng khối lượng hỗn hợp đầu vào
Gv= gv. ρv [ kg/h ]
Với :
gv = 1000 [l/ngày]
= 4,1667.10-3
[ m3
/h ]
30

ρ = 721,268 [kg/m3
]
v
Vậy:
Gv= 41,667.10-3
.721,268
=30,053 [ kg/h ]
I. 3. Tính lượng nước bị hấp phụ trong một giờ
Ký hiệu:
Gr: Lưu lượng khối lượng hỗn hợp đầu ra [kg/h]
GH2O: Lượng nước bị hấp phụ trong tháp [kg nước/h]
GE: Lượng Etanol bị hấp phụ trong tháp [kg Etanol/h]
Wv: Lượng nước đầu vào tháp [kg]
Wr: Lượng nước đầu ra tháp [kg]
Nguyªn liÖu
Gv , Wv , mv
mzeolite
Gr , Wr , mr
S¶n phÈm
Hình 3.1
Dòng vào:
- Cồn 96 %V
- Nước 4 %V
- Etanol 99,8 %V
- Nước 0,2 % V
I.4. Cân bằng vật chất lượng nước vào và ra khỏi tháp hấp phụ
GH2O = (Gv. mv – Gr. mr )/100 [kg nước/h]
Trong đó:
31

phẩm
mv, mr: Nồng độ % khối lượng nước trong nguyên liệu và sản
[% khối lượng]
Đổi nồng độ % thể tích sang nồng độ phần trăm khối lượng:
(100 v ).ρ
mv = v n
Trong đó:
vv: Nồng độ phần trăm thể tích của rượu trong nguyên liệu [%]
ρn : Khối lượng riêng của nước ở 107,6 o
C [kg/m3
]
Tra bảng I.5 Khối lượng riêng và thể tích riêng của nước phụ thuộc
vào nhiệt độ [4 – tr12] ta được:
ρn = 952,7712 [kg/h]
Thay số ta được:
mv = (100 96).952,7712
= 5.2838 [% khối lượng]
721,68
Tương tự ta có
mr = v2 . n
r
Trong đó:
vr: Nồng độ phần trăm thể tích của nước trong sản phẩm
Vậy ta có:
vr = 100 – 99,8 = 0,2 [% thể tích]
mr = 0,2.952,7712
= 0.2692 [% khối lượng]
707,9604
GH2O = 30,053. 5,2838 – (30,053 – GH2O – GE). 0.2692
100 100
[kg nươc/h]
Phương trình (1) thu được là:
GH2O = 1,511 + 0,002692.GE
32

Giả thiết rằng khi Zeolite hấp phụ nước đạt x % của giá trị bão hòa thì
lượng Etanol bị hấp phụ cũng đạt được tượng ứng là x % của giá trị bão hòa
Ký hiệu:
gE , gH2O: Lượng Etanol và nước bị hấp phụ trong tháp [m3
/h]
g 46.a
E = 1
Trong đó:
a1: Lượng Etanol bị hấp phụ trên một đơn vị xúc tác
a2: Lượng nước bị hấp phụ trên một đơn vị xúc
tác Một đơn vị xúc tác tượng ứng với 0.02 (g) Zeolite.
Theo thí nghiệm của E.Lalik và cộng sự ta có
a1 = 0.9 (µmol)
a2 = 102,5 (µmol)
Vậy ta có:
g
E =
46.0.9
= 0.0224
gH2O 18.102.5
G
E
=
ρE .gE
G
H2O
ρ
H2O
.g
H2O
Trong đó:
ρE , ρH2O : Lần lượt là khối lượng riêng của Etanol và nước ở
107.6 o
C
Tra bảng I.5 khối lượng riêng và thể tích riêng của nước [3 – tr12]
ta có:
ρE = 707,26 [kg/m3
]
ρ
H2O = 952,7712 [kg/m3
]
GE
= 707,26.46.0,9
= 0,0167
G
H2O 952,7712.18.102,5
Thay vào phương trình (1) ta có:
GH2O = 1,511 + 0,002692.0,0167.GH2O
GH2O = 1.512 [kg nước/h]
GE = 1,512. 0,0167
= 0,0253 [kg Etanol/h]
33

II. TÍNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH NHẢ HẤP
Phương trình cân bằng vật chất của tháp hấp phụ:
Gv = Gr + GH2O + GE
Gr = Gv – GH2O – GE
Thay số vào ta được
Gr = 30.053 – 1,512 – 0.0253
[kg/h]
= 28,5157
Lượng Etanol đầu vào là:
GEv = Gv.(1 – m1/100)
[kg/h]
= 30,053.(1 – 0,052838) = 28,465
Nồng độ phần khối lượng của Etanol ở đầu ra thiết tháp là:
mE =
(100 v
2
).ρ
E
ρr
=(100 0,2).707,26 = 99,7
707,9604
Lượng Etanol đầu ra là:
GEr = Gr.mE
[kg/h]
= 28,5157.0,997 = 28,459
Lượng nước trong nguyên liệu đầu vào là:
GH2Ov = Gv – GEv
[kg/h]
= 30,053 – 28,465 = 1,588
Lượng nước trong nhiên liệu đầu ra là:
GH2Or = Gr – GEr
[kg/h]
= 28,5157 – 28,465
= 0,05051
Ta có bảng thống kê số liệu sau:
Bảng 3.2
Đại lượng Giá trị đầu vào Giá trị đầu ra
Lưu lượng [ kg/h] 30,053 28,5157
Nhiệt độ [o
C] 107,6 107,6
% thể tích Etanol 96 99,8
Lượng Etanol [ kg/h] 28,465 28,459
Lượng nước [ kg/h] 1,588 0,05051
34

III. TÍNH LƯỢNG ZEOLITE CẦN THIẾT VÀ TỐC ĐỘ
HỖN HỢP ĐẦU VÀO
III.1 Tính lượng Zeolite cần thiết
Chọn sơ đồ thiết bị loại 3 tháp làm việc đồng thời:
+ Tháp hấp phụ
+ Tháp nhả hấp phụ
+ Tháp làm mát Zeolite
Các tháp làm việc luân phiên nhau:
Theo báo cáo thí nghiệm số 74 của S.M. Ben- Sebil năm 1999 về sự
phụ thuộc của nồng độ của nước vào thời gian hấp phụ ta có đồ thị:
Hình 3.2
Theo đồ thị ta thấy thời gian hấp phụ bão hòa nước của Zeolite
khoảng 450 phút.
Ta chọn thời gian hấp phụ là 8h.
Theo thí nghiệm 7 ta chọn thời gian tái sinh là 6h.
Như vậy ta chọn các thông số thời gian cho quá trình như sau:
+ Thời gian hấp phụ: 8h
+ Thời gian nhả hấp: 6h
35

+ Thời gian làm mát: 8h
+ Thời gian dự trữ chuyển chế độ làm việc: 2h
Lượng nước bị hấp phụ trong 8h là:
MH2O = GH2O. 8 = 1,512.8 = 12,16 [kg nước]
Lượng nước hấp phụ trong một ngày là:
MH2O = 12,16. 24/8
= 36,48
Lượng Etanol bị hấp phụ trong 8h là:
[kg nước]
MEtanol = GEtanol.8
= 0,0253.8
= 0,2024 [kg rượu]
Lượng Etanol bị hấp phụ trong một ngày là:
M
Etanol = MEtanol.(24/8)
= 0,2024.3
= 0,6072 [kg rượu]
Quá trình hấp phụ thực hiện đến 100% dung lượng hấp phụ bão hòa
của Etanol và của nước
Lượng Zeolite cần dùng để hấp phụ lượng nước trên là:
Mzeolite=
0,02
. MH2O
a2 .10 6
.18
= 0,02 .12,16
102,5.10 6
.18
= 131,82 [kg]
Lượng Zeolite cần dùng để hấp phụ lượng Etanol trên là:
M*
zeolite = 0,02 . MEtanol
a1 .10 6
.46
=
0,02
.0,2024
0,9.10 6
.46
= 97,78 [kg]
Tổng lượng Zeolite cần dùng trong một mẻ là:
Mtổng = 131,82 + 97,78
= 229,6 [kg]
Khối lượng của zeolite trong 3 tháp là: 229,6.3 = 688,8 kg
36

Cứ 1 năm ta phải thay zeolite một lần do đó lượng zeolite sử dụng
trong một năm là:
MZ = 688,8.1 = 668,6 kg
Theo nhóm nghiên cứu sản xuất cồn tuyệt đối bằng chất hấp phụ
zeolite ta có:
+ Mật độ đổ với zeolite 3A với đường kính hạt 2 mm là:
ρzeolite = 427 [kg/m3
]
Thể tích lớp Zeolite trong tháp là:
Vzeolite =
M zeolite
ρ
zeolite
Vzeolite =
229,6
427
[m3
]
Vzeolite = 0,537
B. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG
Dựa vào số liệu ở trên ta có giản đồ nhiệt của toàn bộ quá trình như
sau:
T oC
350
(3)
(4) (2)
(1)
107,6
8 h
2h t (s)
0
Hình 3.3
37

Giản đồ sự phụ thuộc của nhiệt độ khối vật liệu theo thời gian
Trong đó:
+ (1): Là quá trình hấp phụ ở nhiệt độ 107,3 o
C
+ (2): Là quá trình nâng nhiệt độ toàn bộ khối vật liệu lên tới nhiệt độ
ổn định 350 o
C
+ (3): Là quá trình nhả hấp phụ ở 350 o
C
+ (4): Là quá trình làm mát về nhiệt độ ban đầu
I. TÍNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ
I.1. Tính nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình hấp phụ ở 107 o
C
trong một mẻ:
Q1 = Q1N + Q1E
Trong đó:
Q1N: Nhiệt tỏa ra khi Zeolite hấp phụ nước.
Q1E: Nhiệt tỏa ra khi Zeolite hấp phụ Etanol.
Theo thí nghiệm của E.Lalik [7] ta có bảng nhiệt hấp phụ của nước và
Etanol trên Zeolite 3A như sau:
Bảng 3.3
Chất bị hấp phụ
Nhiệt hấp phụ(0,02g
Zeolite) [mJ]
Nước 7426,4
Etanol 160,4
Nhiệt nhả hấp phụ trên một đơn vị khối lượng Zeolite 3A
Bảng 3.4
Nhiệt hấp phụ(0,02g
Zeolite) [kJ/kg]
Nước 371,32
Etanol 8,02
Ta có:
Q1N = MZeolite.∆HadH2O
= MTổng .∆HadH2O
[kJ]
= 229,6. 371,32 = 85255
Q1E = MTổng. ∆HadE
= 229,6. 8,02
= 1841,39 [kJ]
Vậy:
38

Q1 = 1841,39 + 85255
[kJ]
= 87096,39
I.2. Tính toán nhiệt độ trung bình của toàn bộ thiết bị trong
quá trình thực hiện hấp phụ
Theo Tính toán ở trên ta có nhiệt độ tối ưu để hấp phụ là 107o
C (
107,6), nhiệt lượng toả ra của quá trình là Q1. Nhiệt lượng này có thể làm
cho nhiệt độ toàn thiết bị tăng lên. Do đó ta tính xem nhiệt độ này có đáng
kể hay không để có thể chế tạo thiết bị có tận dụng nhiệt của quá trình này.
Gọi nhiệt độ của toàn thiết bị tăng lên đến T*
1
o
C ta cần tính nhiệt độ
này với các giả thiết như sau:
+ Coi lượng nước bị hấp phụ trong lớp Zeolite là không đáng kể so
với lượng rượu đi vào và ra khỏi thiết bị hấp phụ.
+ Coi nhiệt độ làm việc là 107o
C.
+ Theo bảng cân bằng vật liệu 3.2 ở trên Ta có:
Khối lượng của etanol đi vào tháp hấp phụ trong 1 h là
mev = 30,053 [kg/h]
Khối lượng của etanol đi vào tháp hấp phụ trong vòng 8h là:
Mev = 30,053.8
= 240 [kg]
Nhiệt lượng cần thiết để đưa khối rượu này từ 107o
C đến T*
1 là:
T1*
Q1c = Mev. C pE .dT [kJ]
T1
Trong đó:
C*
pE: là nhiệt dung riêng của rượu phụ thuộc vào nhiệt độ.
+ Nhiệt dung riêng của Etanol trong khoảng nhiệt độ từ 107÷
350o
C theo [11] ta có:
CpE = 325,66 + 4,537.T [J/kg. o
C]
Thay số vào phương trình trên ta được:
T
*
1
Q1c = 240. (325,66 4,537.T ).dT [kJ]
T
1
= 240. { 325,66.(T*
1 – 107) + 4,537.( T*2
1 – 1072
). 1 } [kJ]
Nhiệt lượng cần thiết để nâng khối Zeolite từ 107o
C đến T*
2
1 là:
Q1zc = CpZ. (T*
1–T1)
Trong đó:
CpZ: là nhiệt dung riêng của zeolite [j/kg. o
C]
Nhiệt dung riêng của Zeolite theo [8] ta có:
39

Cp(zeolite) = 0,96 [kJ/kg.o
C]
Thay vào phương trình trên ta được:
Q1zc = 0,96.(T*
1 – 107)
Coi lượng nhiệt mất mát của quá trình này là 15% nên ta có lượng
nhiệt thực tế mà Q1 truyền để làm tăng nhiệt độ thiết bị lên T*
1 là:
Q1tt = (1 – 0,15). Q1
= 87096. 0,85
= 74031 [kJ]
Cân bằng nhiệt lượng ta có phương trình sau:
Q1tt = Q1c + Q1zc
1
74031 = 240. { 325,66.(T*
1 – 107) + 4,537.( T*2
1 – 1072
). } +
0,96.(T*
1 – 107)
2
Như vậy ta có phương trình bậc 2 của T*
1 như sau:
544,44.T*2
1 + 78399.T1 – 14622015 = 0
Giải phương trình bậc 2 ta được:
T* 1 108o
C.
Vậy với quá trình này ta không thể tận dụng nhiệt vì nhiệt độ này chỉ
để duy trì nhiệt độ ở vùng nhiệt độ tối ưu.
II. TÍNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH LÀM NÓNG VẬT LIỆU
(2) TỪ 107o
C ÷ 350o
C
Thực hiện quá trình nhả hấp phụ dưới tác dụng của nhiệt của hơi cồn
tuyệt đối sản phẩm. Quá trình thực hiện ở 350 o
C trong khoảng 6h.
Trạng thái của cồn sản phẩm như sau:
+ Nhiệt độ ban đầu: 25 o
C.
+ Nồng độ Etanol theo thể tích: 99,8 % V.
Giả thiết rằng: Hao tổn nhiệt do thành thiết bị và đường ống là 15
% lượng nhiệt cần thiết.
Lượng nhiệt của quá trình này bao gồm bao gồm:
+ Nhiệt lượng cần thiết Q2Z nâng nhiệt độ của chất hấp phụ từ 107,6 ÷
350 o
C.
+ Nhiệt lượng Q2N để để nâng lượng nước bị hấp phụ từ 107,6 ÷ 350
o
C.
II.1. Tính nhiệt cần thiết để nâng nhiệt độ chất hấp phụ:
Nhiệt dung riêng của Zeolite theo [8 - 192] ta có:
Cp(zeolite) = 0,96 [kJ/kg.o
C]
Nhiệt độ cần thiết để nâng nhiệt độ chất hấp phụ từ 107,6 ÷ 350 o
C là:
40

Q2Z = Cp(zeolite). MTổng(zeolite). (T2 – T1)
Với T2 = 350 o
C; T1 = 107,7 o
C
Q2Z = 0,96. 229,6. (350 – 107,6)
[kJ]
= 53428,84
II.2. Nhiệt lượng Q2N để để nâng lượng nước bị hấp phụ từ 107
÷ 350 o
C
+ Tính nhiệt dung riêng của nước trong khoảng nhiệt độ từ 107,6 ÷
350 o
C. Theo bảng I.142 tính nhiệt dung riêng của các đơn chất ở nhiệt độ
cao hơn 0o
C [3 - 153] ta có:
CpN = 1,67472. 103
+ 6,28. 10-1
T [J/kJ.o
C]
+ Ta có:
T2
Q2N = MH2O(hp).
C
p N
.dT
T1
350
= 12,16. (1,67472.103
6,28.10 1
.T )dT
107,6
= 12,16 1,67472.103
.(350- 107,6)+ 12,16.0,628.(3502
-107,62
)/2
= 4936,377 + 439,36 [kJ]
= 5375,74 [kJ]
II.3. Nhiệt lượng Q2E để nâng nhiệt của Etanol bị hấp phụ từ
107 ÷ 350 o
C
+ Nhiệt dung riêng của Etanol trong khoảng nhiệt độ từ 107,6 ÷
350o
C theo [3 - 157] ta có:
CpE = 325,66 + 4,537.T [J/kg. o
C]
Ta có:
350
Q2E = ME(hp).
C
pE
dT
107,6
= 0,2024.325,66.(350 - 107,6) + 0,2024.4,54.(3502
– 107,62
)/2
= 15,977 + 91,41 [kJ]
= 107,39 [kJ]
+ Tổng nhiệt cần thiết cho quá trình này là:
Q2 = Q2E + Q2N + Q2E
= 5375,39 + 107,39 + 53428,7
= 58911
III. TÍNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH GIẢI HẤP (3)
41

II.1. Tính nhiệt lượng cần thiết để thực hiện quá trình giải hấp
phụ Q3
Theo E. lalik và cộng sự đã nghiên cứu [7] ta có giá trị nhiệt nhả hấp
phụ với nước và Etanol tren Zeolite 3A như sau:
Bảng 3.5
Nhiệt nhả hấp phụ
(0,02g Zeolite) [mJ]
Nước 7572,7
Etanol 58,2
Tính nhiệt nhả hấp phụ trên một đơn vị khối lượng Zeolite 3A:
Bảng 3.6
Nhiệt nhả hấp phụ
(0,02g Zeolite) [mJ]
Nước 378,635
Etanol 2,91
+ Nhiệt lượng cần thiết thực hiện quá trình giải hấp phụ của nước trên
Zeolite 3A là:
Q3N = Mtổng(zeolite). ∆HdesN [kJ]
Q3N = 378,635 . 229,6
[kJ]
= 86934,6
+ Nhiệt lượng cần thiết thực hiện quá trình giải hấp phụ của Etanol
trên Zeolite 3A là:
Q3E = Mtổng(zeolite). ∆HdesE
= 229,6. 2,91
= 668,14 [kJ]
+ Tổng nhiệt lượng nhả hấp phụ là:
Q3 = Q31 + Q32
= 86934,6 + 668,14
= 87602,74 [kJ]
IV. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH LÀM MÁT VẬT LIỆU (4)
Do quá trình làm mát khối vật liệu hấp phụ từ nhiệt độ 350o
C về nhiệt
độ 107,6o
C nên ta có:
Q4 = Q2Z
[kJ]
= 53428,84
42

Quy ước nhiệt cần thiết là dương, nhiệt lượng toả ra là âm ta có bảng
số liệu nhiệt cho chu trình trên như sau:
Bảng 3.7
Hấp phụ(1) Nâng nhiệt độ(2) Nhả hấp phụ(3) Làm mát(4)
Q1N = -85255[kJ] Q2N = 5375 [kJ] Q3N= 86934 [kJ]
Q1E=1841 [kJ] Q2E = 107 [kJ] Q3E= 668 [kJ]
Q2Z = 53428 [kJ]
Q1 = -83384 [kJ] Q2 =58911 [kJ] Q3 = 87602 [kJ] Q4 = -53428
[kJ]
V. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH CẤP NHIỆT NHẢ HẤP PHỤ
Giả thiết rằng ta dùng khí N2 tính khiết để thực hiện quá trình nhả hấp
phụ. Quá trình được tiến hành như sau:
+ Giai đoạn 1: khí N2 sau khi được gia nhiệt tới nhiệt độ 110 o
C qua
bơm được thổi vào thiết bị phản ứng (vừa bơm vừa nâng dần nhiệt độ của
N2) để thực hiện quá trình vừa nhả vừa nâng nhiệt độ của khối thiết bị lên
nhiệt độ tối ưu 350 o
C. Giai đoạn này diễn ra trong vòng 2h.
+ Giai đoạn 2: Thực hiện quá trình nhả hấp phụ ở nhiệt độ ổn định
350 o
C trong vòng 6h.
Giả thiết khi quá trình nhả làm việc ở nhiệt độ ổn
định: - Nhiệt độ của dòng khí N2 đầu vào là 350 o
C.
- Nhiệt độ của dòng khí nhả (N2 + hơi nước, rượu) là 300 o
C.
Thiết bị gia nhiệt cho N2 ta sử dụng calorifier khí – khói.
V.1. Tính nhiệt lượng do lượng khí N2 mang vào trong quá
trình làm nóng khối vật liệu lên nhiệt độ 350o
C
Theo giả thiết lượng nhiệt mất mát là 15% so với lượng nhiệt cần thiết
nên ta có nhiệt lượng mất mát do quá trình này là:
Q2m = 0,15.Q2
= 0,15. 58910
= 8837 [kJ]
Lượng nhiệt thực tế mà khối khí Nitơ nóng đem vào là:
Q2tt = Q2 + Q2m
= 58910 + 8837
= 67747 [kJ]
V.2. Tính lượng nhiệt do Nitơ mang vào trong quá trình thực
hiện quá trình nhả hấp phụ ở 350o
C
43

Lượng nhiệt mất mát trong quá trình này là:
Q3m = 0,15. Q3 = 0,15.87602 [kJ]
Q3m = 13140 [kJ]
Nhiệt lượng thực tế mà khí N2 nóng phải cấp cho quá trình này là:
Q3tt = Q3Tổng + Q3m
= 87602 + 13140
= 100702 [kJ]
V.3. Tính toán lượng N2 cần thiết cho quá trình nâng nhiệt độ
của khối vật liệu từ nhiệt độ 107 ÷ 350o
C
Ta có:
T
2 tb
Q2C = mni.
C
ni
dT
T
2v
Trong đó:
+ mni: Khối lượng của N2 thực hiện quá trình này trong 2h.
+ Cni: Nhiệt dung riêng của N2 theo nhiệt độ.
+ T2v: Nhiệt độ của khí N2 khi vào thiết bị là 350o
C. Quy đổi ta
được: T2v = 623o
K.
+ T2tb: Nhiệt độ trung bình của khí N2 khi ra khỏi thiết bị nhả
+ dt: độ biến thiên nhiệt độ.
Tra bảng 1 [13- 190] ta có:
Cni = 1,024 + 0,00008855.T [kJ/kg K] Nhiệt độ
Trung bình được tính theo công thức:
T2tb =
T
rd
T
rc
2
Trong đó:
Trd: Nhiệt độ của dòng khí ra lúc đầu của quá trình. Chọn Trd =
120o
C. Quy đổi ta được Trd = 393o
K.
Trc: Nhiệt độ của dòng khí ra lúc cuối của quá trình này. Ta có
Trc = 300o
C. Quy đổi ta có Trc = 573o
K
393 573
T2tb = = 483 o
K
Như vậy ta có:
623
Q2C = - M2ni. (1,024 0,00008855.T )dT
483
= – M2ni. [ 1,024.(623 – 483) +
1
. 0,00008855(6232
– 2
4832
)]
44

= – 150,2.M2ni [kJ]
Cân bằng nhiệt lượng ta có phương trình:
Q2C = – Q2tt [kJ]
150,2.Mni = 67747 [kJ]
M2ni = 67747 = 451 [kg]
150,2
Vậy lượng khí N2 cần cung cấp trong một giờ là:
m2ni = 451/2 = 225 [kg/h]
V.4. Tính lượng N2 cần thiết để thực hiện quá trình nhả hấp
phụ
Cân bằng nhiệt lượng cho quá trình là:
Q3C =- Q3tt [kJ] (*)
Trong đó: Q3C được tính như công thức Q2C
Tương tự ta có:
T
3r
Q3C = M3ni. C
ni
.dT
T
3v
o o Trong đó T
3v
= 350 C. Quy đổi ta được T
3v
= 623 K.
573
Q3C = M3ni. (1,024 0,00008855.T ).dT
623
=- M3ni. [ 1,024.(623 – 573) +
1
. 0,00008855(6232
– 5732
)]
2
= - M3ni.53,85 [kJ]
Thay vào phương trình (*) ta được
M3ni =
Q
3tt 100702 = 1807 [kg]
58,85 53,85
45

Lượng N2 cần thiết để cung cấp trong một giờ là:
m3ni =1807 = 301 [kg/h]
6
Tổng lượng N2 cần dùng trong một giờ là:
mni = 301 + 225 = 526 [kg]
Tổng lượng N2 dùng trong một ngày là:
Mni = 526.24 = 16,6 [tấn/ ngày]
Do quá trình sản xuất N2 được nén quay trở lại thiết bị, mất mát do
sản xuất được tính 1 năm/lần. Do đó lượng N2 dùng trong một năm là: 16,6
tấn/ năm.
V.5. Tính tốc độ khí N2 trong quá trình nhả hấp phụ và làm
nóng khối vật liệu
- Tính khối lượng riêng của N2 ở điều kiện làm việc:
Tra bảng I.7 trong sổ tay hoá công 1 [3 –13] ta có khối lượng riêng
của N2 ở điều kiện tiêu chuẩn là:
0 = 1,25 [kg/m3
]
Từ phương trình trạng thái khí lý tưởng ta có:
P
0
.V
0
P
1
V
1
T
0
T
1
P
o .
m P
1 .
m
T00T11
.P1.T0 (2*)
P .T
1 0
0 1
-Trong đó:
+P0 = 1 at: là áp suất của khí N2 ở điều kiện tiêu chuẩn.
+V0: là thể tích của N2 ở điều kiện tiêu chuẩn.
+T0= 273o
K: là nhiệt độ của N2 ở điều kiện tiêu chuẩn.
+P1: áp suất của N2 ở điều kiện làm việc.
+V1: Thể tích của N2 ở điều kiện làm việc.
+T1: Nhiệt độ làm việc của N2 trong quá trình này.
+m: Khối lượng của khí N2.
-Thay số vào (2*) ta được:
46

1 1,25.
1.273
(273 350)
[kg/m3
]
= 0,547
- Tốc độ dòng khí N2 trong quá trình (2) là:
v2 =
m
2ni 225 [m3
/h]
0,547
1
[m3
/h]
= 411
- Tốc độ dòng khí N2 trong quá trình (3) là:
v3 =
m
3ni 301
0,547
1
[m3
/h]
= 550
VI. TÍNH TOÁN LỰA CHỌN LƯỢNG N2 ĐỂ LÀM MÁT
KHỐI VẬT LIỆU TRONG QUÁ TRÌNH (4)
VI.1. Lựa chọn tốc độ dòng khí để thực hiện quá trình làm mát
khối vật liệu
Vì 3 tháp hấp phụ làm việc song song nên quá trình đưa khí N2 vào có
thể coi là liên tục. Do đó dựa vào tốc độ dòng khí làm nóng khối vật liệu và
tốc độ dòng khí trong quá trình nhả hấp phụ ta tính tốc độ quá trình làm mát
này theo công thức sau:
2.v 6.v
v4 = 2 3
= 2.411 6.550
8
= 515 [m3
/h]
VI.2. Tính toán nhiệt độ trung bình của dòng khí N2 sau khi ra
khỏi tháp trong quá trình làm mát khối vật liệu
Giả thiết khí N2 được đưa vào làm mát ở điều kiện nhiệt độ không khí
là 25o
C, với vận tốc dòng khí là 515 [m3
/h], nhiệt mất mát trong quá trình
này là 20% lượng nhiệt do khối vật liệu cung cấp cho dòng khí.
Ta có sơ đồ khối như sau:
KhÝ N2 ë nhiÖt ®é
T4v = 298 oK
Khèi vËt liÖu ë 350 oC
KhÝ N2 ë nhiÖt ®é T4r
47

Hình 3.4
VI.2.1. Tính Lượng khí N2 truyền qua thiết bị trong 8h
+ Khối lượng riêng của khí N2 ở nhiệt độ 25o
C được tính theo công
thức (2*):
P4 .T0 3
40 [kg/m ]
P .T
0 4
Trong đó:
+P4: là áp suất dòng khí thổi vào làm mát chọn P4 = 1 at.
+T4: là nhiệt độ dòng khí vào T4 = 298 o
K.
4 1,25.
1.273
1.298
=1,15 [kg/m3
]
+ Khối lượng của N2 làm mát đi qua thiết bị trong 1h là:
m4ni = v4. 4 [kg/h]
= 515.1.15 [kg/h]
= 592 [kg/h]
+ Khối lượng của N2 làm mát đi qua thiết bị trong 8h là:
M4mi = 8.m4ni
M4ni = 8.592 = 4736 [kg]
VI.2.2. Tính lượng nhiệt thực tế mà khối vật liệu truyền cho khối khí
trong 8h
Theo giả thiết ở trên lượng nhiệt mất mát là 20% nên ta có lượng nhiệt
thực tế mà khối vật liệu truyền cho dòng khí N2 là:
Q4tt = Q4 – Q4m
-Trong đó:
Q4m = 0,02. Q4m
= 0,02.(-53428)
= -10685 [kJ]
Q4tt = -53428 – (-10685)
= - 42743 [kJ]
VI.2.3. Tính nhiệt độ dòng khí N2 sau khi ra khỏi thiết bị T4r
Nhiệt lượng cần thiết để nâng khối khí từ T4v÷ T4r là:
T
4 r
Q4ni = M4ni C pni .dT (3*)
T
4 v
Tra bảng 1 [6- 190] ta có:
Cpni = 1,024 + 0,00008855.T [kJ/kg K]
48

Thay số vào (3*) ta được:
T
4 r
Q4ni = 4736. (1,024 0,00008855.T ).dT
298
= 4736.1,024.(T4r- 298) + 4736.0,00008855.(T2
4r
= 0.42.T2
4r + 4481.T4r – 1463802 [kJ]
Q4ni = - Q4tt
0.21.T2
4r + 4850.T4r – 1463802 = 42743
0.21.T2
4r + 4850.T4r – 1506545 = 0 [kJ]
Giải hệ phương trình bậc 2 đối với T4r ta được:
T4r = 327o
K
– 2982
).
1
2
VI.3. Tính toán nhiệt độ trung bình của dòng khí sau khi qua
thiết bị trao đổi nhiệt dòng khí nhả hấp phụ
Giả thiết rằng dòng hơi nhả hấp (N2, hơi nước, hơi rượu) qua thiết bị
trao đổi nhiệt này thì nhiệt độ được làm lạnh về tới 120o
C. Lượng hơi nước
và rượu trong hơi nhả hấp là rất nhỏ so với lượng khí N2.
Ta có sơ đồ nhiệt như sau:
T5r = ? dé
T6r = 120 dé
T6v = 200 ®Õn 300 ®é
T5v = 54 ®é
49

Hình 3.5
VI.3.1. Tính nhiệt lượng dòng hơi nhả hấp truyền cho thiết bị trao đổi
nhiệt trong giai đoạn (2)
Theo tính toán ở trên lượng N2 vào thiết bị để thực hiện quá trình này
là:
M2ni = 451 [kg]
Nhiệt lượng toả ra của dòng khí nhả hấp hạ nhiệt độ từ T2tb = 483o
K
về 383o
K (110o
C) là:
393
Q2toả= M2ni.
c
pni
.dT
(4*)
483
Từ trên ta đã có:
Cpni = 1,024 + 0,00008855.T [kJ/kgo
K]
Thay vào phương trình (4*) ta được
393
Q2toả= M2ni. (1,024 0,00008855.T ).dT
483
= - 451. {1,024.(483-393) + 0,00008855.(4832
– 3932
) }
= - 44712 [kJ ]
VI.3.2. Tính lượng nhiệt dòng hơi nhả hấp truyền cho thiết bị trao đổi
nhiệt trong giai đoạn (3)
Theo tính toán ở trên lượng N2 vào thiết bị để thực hiện quá trình này
trong 6 h là:
M3ni = 1807 [kg]
Nhiệt lượng toả ra khi dòng khí nhả hấp hạ nhiệt độ từ T3r = 573o
K về
373o
K là:
393
Q3toả = M3ni.
C
pni
.dT
573
Q3toả = -1807. {1,024.(573- 393) + 0.00008855(5732
-3932
) }
= - 360316 [kg]
50

Vậy tổng nhiệt lượng nhiệt lượng toả ra do dòng khí nhả hấp truyền cho thiết
bị trao đổi nhiệt trong 8h là:
Q5toả = Q2toả + Q3toả
= - 44712– 360316
= - 405028 [kJ]
Giả sử nhiệt mất mát do quá trình này là 30% nhiệt lượng do dòng khí
N2 cấp cho thiết bị trao đổi nhiệt. Do đó lượng nhiệt mất mát do quá trình
này là:
Q5m = 0,3. Qtoả
= 0,3.(-405028)
= -121508 [kJ]
Nhiệt lượng thực tế mà thiết bị trao đổi nhiệt truyền cho dòng khí N2
tận dụng nhiệt sẽ là:
Q5tt = Q5toả - Q5m
= -405028+ 121508
= -283530 [kJ]
VI.3.3. Tính nhiệt độ của dòng khí N2 tận dụng nhiệt sau khi đi ra khỏi
thiết bị trao đổi nhiệt
Nhiệt độ dòng khí tận dụng nhiệt ở đầu vào thiết bị trao đổi nhiệt là:
T5v = T4r = 327o
K
Gọi nhiệt độ dòng khí tận dụng nhiệt sau khi ra khỏi thiết bị trao đổi
nhiệt là T5r ta có:
Nhiệt lượng cần thiết để đưa dòng khi N2 tận dụng nhiệt từ T5v đến T5r
là: T
5r
Q5ct = M4ni.
C
pni
.dT
(5*)
T
5v
Thay số vào phương trình (5*) ta có
T
5 r
Q5ct = 4736. (1.024 0.00008855.T ).dT
327
= 4736. {1,024.(T5r – 327) + 0,00008855.(T2
5r - 3272
). 1 }
= 0,21.T2
5r + 4850.T5r – 1630860 [kJ]
2
Cân bằng nhiệt lượng cho ta phương trình sau
Q5ct = - Q5tt
0,21.T2
5r + 4850.T – 1630860 = 283530
0,21.T2
5r + 4850.T – 1914380 = 0
Giải phương trình bậc 2 một ẩn ta được:
T5r = 388o
K
= 115 o
C
51

VII. TÍNH TOÁN LƯỢNG NƯỚC LÀM MÁT
Theo tính toán ở trên ta có lượng khí nhả hấp sau khi qua thiết bị tận
dụng nhiệt có nhiệt độ là T7v = T6r = 120 o
C.
Giả thiết sau khi được làm mát thì hỗn hợp khí nhả có nhiệt độ là
90o
C.
Nước sử dụng làm mát ở đầu vào thiết bị có nhiệt độ là Tnv= 20o
C.
Gọi lượng nước làm mát trong 8h là Mn.
VII.1.Tính nhiệt toả ra do hỗn hợp khí nhả toả ra sau khi làm
lạnh
Coi lượng rượu và nước trong hỗn hợp khí nhả hấp là rất nhỏ so với
lượng khí N2.
Nhiệt lượng toả ra do hỗn hợp khí nhả hấp sau khi làm lạnh là:
T
7 r
Q7t = Mnitơ. C
pN
.dT
T
7 v
Trong đó:
+ Mnitơ: là khối lượng của dòng N2 trong 8h.
+ CpN: là nhiệt dung riêng của N2 phụ thuộc vào nhiệt
độ. Tra bảng 1 [6 - 191] ta có:
Cpni = 1,024 + 0,00008855.T [kJ/kg K]
Mnitơ = M2ni + M3ni
= 451 + 1807
= 2258 [kg ]
Thay số vào phương trình trên ta có
90
Q7t = 2258. (1,024 0,00008855.T ).dT
120
= 2258. { 1,024.(90-120) + 0,00008855.(902
– 1202
)
= 70630 [kJ]
Nhiệt lượng mất mát do quá trình này là:
Q7m = 0,15.Q7t
= 0.15.7030
= 10579,5 [kJ]
Nhiệt lượng thực tế mà hỗn hợp khí nhả cung cấp cho khối nước làm
mát là:
Q7tt = Q7t – Q7m
= 70630 – 10579,5
= 59950,5 [kJ]
VII.2. Tính toán tốc độ dòng nước làm mát
52

Nhiệt lượng mà khối nước nhận được trong quá trình làm này la:
Q7n = Mn.Cn.(Tnr – Tnv)
Trong đó:
+ Cn: là nhiệt dung riêng của nước.
Tra bảng I.149 trong [4 – tr168] ta có:
Cn = 4,186
Thay vào công thức trên ta được:
Q7n = 4,186.Mn.(Tnr – 20)
Cân bằng nhiệt lượng ta có:
Q7n = - Q7tt
[kJ/kg.độ]
4,186.Mn.(Tnr – 20) = 59950,5
Mn.(Tnr – 20) = 14321,7
Ta có bảng các giá trị của Mn và Tnr như sau
Tnr 40 50 60 70 80 90
Mn 716 477 358 286 238 204
Ta chọn Tnr = 90o
C và Mn = 204 kg.
Vậy lượng nước làm mát trong một giờ sẽ là:
mn = 204 = 25,5 [kg/h]
8
Tra bảng I.1 trong [3 –9] ta có:
[kg/m3
]
Với:
n = 983
+ n : là khối lượng riêng của nước.
Tốc độ của dòng nước làm mát sẽ là:
Vn = mn 25,5 = 0,025 [m3
/h]
n983
VII.3. Tính nồng độ của rượu ngưng tụ lấy ra từ thiết bị làm
lạnh
Giả sử quá trình nhả là hoàn toàn.
Theo kết quả tính ở phần cân bằng vật chất ta có:
GH2O = 1.512 [kg nước/h] GE = 0,0253 [kg
Etanol/h]
Nồng độ phần khối lượng của rượu ngưng là:
C%ngưng =
GE
.100%
G
H 2O
G
E
53

0,0253
= .100%
1,512 0,253
=1,4%
VIII. TÍNH TOÁN NHIỆT LƯỢNG CALORIFIER CẦN CẤP
Ta có sơ đồ nhiệt như sau:
h¬i nuíc 600 oC
calorifier
Hình 3.6
N
2
115
oC
Q8t
h¬i nuíc 360 oC
VIII.1. Tính toán lượng nhiệt cần thiết để đưa dòng khí N2 từ
115o
C ÷ 350 o
C
54

Nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ dòng khí N2 từ 115 ÷ 350 o
C
trong 8h là:
T
8 r
Q8c = M8ni. C
pni
.dT
T8v
Trong đó:
+ M8ni = M4ni = 4736
+Cpni = 1,024 + 0,00008855.T
Quy đổi nhiệt độ ta có:
T8v = 115 oC = 388 oK
T8r = 350 oC = 623 oK
Thay lên phương trình trên ta được
[kg]
[kJ/kg độ K]
623
Q8c = 4736. (1,024 0,00008855.T ).dT
388
= 4736. { 1,024.(623-388) + 0,00008855. (6232
– 3882
) }
= 5002447 [kJ]
Coi nhiệt lượng mất mát của quá trình này là 30% ta có
Q8m = 0,3. Q8c
= 0,3. 5002447
= 1500734 [kJ]
Nhiệt lượng thực tế mà calorifier phải cấp cho khối khí là:
Q8tt = Q8c + Q8m
= 5002447 + 1500734
= 6503181[kJ]
VII.2.Tính toán lưu lượng dòng hơi nước quá nhiệt đi trong
calorifier
Với giả thiết rằng để đảm bảo nhiệt độ dòng khí N2 sau khi ra khỏi
calorifier đạt được tới 350 o
C thì nhiệt độ dòng hơi nước quá nhiệt sau khi ra
khỏi calorifier là 360 o
C.
Nhiệt lượng toả ra khi hơi nước quá nhiệt hạ nhiệt độ từ T8vao về T8ra
là:
T
8ra
Q8toả = Mhơi N. C
pn
.dT
T
8vao
Trong đó:
+ Mhơi N: là khối lượng của hơi nước quá nhiệt cần để làm nóng dòng
khí trong thời gian 8h.
+ Cpn: là nhiệt dung riêng của hơi nước phụ thuộc vào nhiệt độ.
Tra bảng 1 [13 – tr190] ta có:
Cpn = 1,833 + 0,0003.T [kJ/kg độ K]
55

+ T8ra = 360 o
C = 633 o
K.
Thay vào công thức trên ta được:
633
Q8toả = Mhơi N. (1,833 0,0003.T ).dT
T
8 vao
= Mhơi N . { 1,833.(633 – T8vao ) + 0,0003.
1
. (6332
- T2
8vao)
2
= -(0,00015.T2
8vao + 1,833.T8vao – 1220,4).Mhơi N
Cân bằng nhiệt lượng cho ta công thức sau:
Q8tt = - Q8toả
6503181 = (0,00015.T2
8vao + 1,833.T8vao – 1220,4).Mhơi N
Mhơi N =
(0,00015.T2 1,833.T2
- 1220,4)
8vao 8vao
6503181
- Lập bảng giá trị của T8vao và Mhơi N ta được bảng sau:
T8vao(độ K) 673 773 873 973
Mhơi N (kg) 80131 22726 13160 9222
- Từ bảng trên ta chọn T8vao = 873 o
K (600o
C) và Mhơi N = 13160 kg.
Vậy lượng hơi nước quá nhiệt sử dụng trong một giờ là:
mhơi N = Mhơi N/8
mhoi N = 13160
8
= 1645 [kg hơi/h]
Số mol hơi nước là:
nhơi N =
m
hoiN
Trong đó
M n
+Mn: là khối lượng phân tử của nước.
nhơi N = 1645 = 91,4 [Kmol/h]
18
Lưu lượng dòng hơi nước quá nhiệt là:
Vhơi N =
n.R.T
P
= 91,4.0,082.(273 600)
1
= 6542 [m3
hơi/h]
56

IX. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG NỒI HƠI
CUNG CẤP
IX.1. Tính lượng nước cần thiết để đun trong nồi hơi
Theo tính toán ở trên ta có.
+Quá trình cấp nhiệt bổ xung thực hiện trong thời gian 6h.
+Quá trình nhả hấp thực hiện trong 8h.
Lượng hơi nước dùng trong một mẻ 8h là:
Mtổng = Mhơi nb + Mhơi n
= 200 + 13160
= 13360 [kg hơi nước]
Lượng hơi nước cần cung cấp cho quá trình trong 1h là:
mtổng =
M
tong
= 13360
8
8
= 1670 [kg hơi/h]
Vì quá trình cấp hơi nước là quá trình hoàn toàn kín, hơi nước được
tuần hoàn trở lại nồi hơi. Coi lượng nước có trong nồi hơi gấp đôi lượng hơi
nước cần cung cấp cho toàn bộ quá trình cấp nhiệt.
Khối lượng của nước cần cho vào nồi hơi là:
M = 2. mtổng
= 2.1670
= 3340 [kg]
IX.2. Tính toán nhiệt lượng cần thiết nồi hơi cung cấp cho hơi
nước
Giả thuyết rằng: Quá trình cấp nhiệt cho hơi nước gồm 2 giai đoạn
+ Giai đoạn 1: cấp nhiệt cho hơi nước ở nhiệt độ thường lên 600o
C.
+ Giai đoạn 2: Bù nhiệt liên tục cho hơi nước khi trao đổi nhiệt qua
calorifier.
IX.2.1. Tính toán nhiệt lượng cần thiết đưa nước trong nồi hơi lên 600o
C
+ Nhiệt lượng cần thiết đưa M kg hơi nước từ 25o
C đến 100o
C là:
Q91 = M.Cn.(100 – 25)
Trong đó:
+ M = 3340 kg
+ Cn = 4186 J/kg. độ
Thay lên biểu thức trên ta được:
Q91 = 3340.4186.75
[kJ]
= 1,04.106
+ Nhiệt lượng cần thiết để hoá hơi hoàn toàn lượng nước trong nồi hơi
là:
57

Q92 = Ln.M
Trong đó:
+ Ln: nhiệt hoá hơi của nước ở 100o
C,
Tra bảng 4 [13 - 196] ta có nhiệt hoá hơi của nước ở 100 độ C là:
Ln = 2258 [kJ/kg]
Thay vào biểu thức trên ta có:
Q92 = 2258.3340
[kJ]
= 7,5.106
Nhiệt lượng cần thiết để đưa lượng hơi nước từ 100 độ C đến 600 độ
C là:
875
Q93 = Mhơi N. C
pn
.dT
373
Trong đó:
+ Cpm: là nhiệt dung riêng của hơi nước phụ thuộc vào nhiệt độ, Cpm
= 1,833 + 0,0003.T
Thay số vào ta được:
Q93 = 3340. [1,833.(873-373) + 0,0003.(8732
– 3732
) ]
= 3,7.106
[kJ]
Tổng nhiệt lượng cần cung cấp cho quá trình này sẽ là:
Q9 = Q91 + Q92 + Q93
= (1,04 + 7,5 + 3,7).106
= 11,74.106
[kJ]
IX.2.2. Tính nhiệt lượng cần thiết mà nồi hơi cần bù lại cho hơi nước
khi trao đổi nhiệt qua calorifier
Tổng nhiệt lượng mà 2 calorifier cần cấp cho dòng khí N2 là
QCal =.Qb
= 110772 [kJ]
Theo tính toán ở trên ta có nhiệt lượng thực tế mà hơi nước cấp cho
dòng khí N2 là:
Q8tt = 6503181 [kJ]
Vậy tổng nhiệt lượng mà hơi nước phải cấp cho dòng khí nhả là:
Qcap = Qcal + Q8tt
= 6503181 + 110772
= 6,6.106 [kJ]
Nhiệt lượng hơi nước cần truyền cho khối khí N2 trong 1h là:
58

Qcap(1h) =
Q
cap 6,6.106
= 0,825.10 6
[kJ]
8 8
IX.3. Tính lượng than cần cung cấp để đốt nồi hơi
Vì quá trình cấp nhiệt của than hiệu suất đốt rất thấp chỉ khoảng 40%
Gọi nhiệt lượng than cung cấp cho nồi hơi trong một giờ là Qthan ta có
nhiệt lượng thực tế mà than cung cấp cho nồi hơi là:
Qthantt = 0,4.Qthan
Cân bằng nhiệt lượng ta có:
Qthantt = Qcap(1h) (*)
Ta có:
Qthan = Lthan.mthan
Trong đó:
+ Lthan: là nhiệt cháy của than, kJ/kg than.
+ mthan: khối lượng than cần đốt trong 1h.
Ta chọn than đốt là than đá ta có Lthan đá = 44.103
kJ/kg than
0,4.44.103
.mthan = 0,825.106
mthan = 0,825.106
= 47 [kg than/h]
0,4.44.103
Lượng than đốt trong một ngày là: 47.24 = 1128 [kg/h]
Lượng than dùng trong một năm là:
Mt = 1128.336 = 379 [tấn]
PHẦN IV: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ
I. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
I.1. Chọn kích thước thiết bị
Kích thước thiết bị phải đảm bảo thể tích lớn hơn thể tích chất hấp phụ.
Ta chọn thân tháp hình trụ làm bằng thép không rỉ:
Theo [5 –154] ta có:
H =
V
zeolite
zeolite
.Dt2
4
Với lượng zeolite cho một thiết bị là Vzeolite= 0.537 [m3
] ta có bảng
các giá trị tương ứng của Dt và Hzeolite như sau:
Bảng 3.3
Dt [m3
] 0,7 0,8 0,5 0.6
Hzeolite [m3
] 1,4 1.1 2,7 2,0
Theo số liệu bảng trên ta chọn các thông số như sau:
59

Hzeolite= 1,1 [m]
Dt = 0,8 [m]
I.1.1. Tính vận tốc cho phép của dòng khí
Vg = C.(
Dp
)0,5 [8 – 391]
g
Trong đó:
Vg: Vận tốc khí cho phép, m/phút.
Dp: Đường kính hạt đệm.
Dp = 2.10-3
m
C: Hằng số, C = 1200.
g : Khối lượng riêng của khí, Kg/m3
.
Tại 107o
C, 1at ta có:
+ Khối lượng riêng của hơi nước là:
m P.V.Mn P.M 1.18 3
ρn = 0,573 kg/m
V R.T.V 0,082.(110 273)
T.R
+ Khối lượng riêng của của Etanol là:
P.M e 1.46 3
e 1.464 kg/m
R.T 0,082.(110 273)
+ Khối lượng riêng của hỗn hợp là:
g = x1. n + (1-x1). e [3–5]
Trong đó:
+ x1: là nồng độ phần mol của hơi nước, bằng nồng độ phần thể tích
g = 0,004.0,573 + (1- 0,004).1,464
= 1,434 [kg/m3
]
+ Vậy vận tốc dòng khí cho phép là:
Vg = 1200. (2.10 3
)0,5
1,434
= 44,8 [m/phut]
I.1.2. Tính toán chiều cao của tháp
Trong quá trình hấp phụ có sự phân chia thành các khu vực hấp phụ
theo chiều cao của tháp:
- Vùng cân bằng, tại đó chất hấp phụ đã bão hoà và quá trình hấp
phụ không còn tiếp tục xảy ra.
- Vùng hấp phụ tại đó diễn ra quá trình chính của hấp phụ, chất bị
hấp phụ vào trong mao quản của chất hấp phụ.
- Vùng hoạt hoá chất hấp phụ: Chưa diễn ra quá trình hấp phụ.
Chiều dài chất hấp phụ:
60

q0,7895
hz = A. [cm] [8 - 391]
Vg0,5506
.(R.S)0,2646
Trong đó:
A: Hằng số, A = 141.
hz: Chiều dài vùng hấp phụ, m.
q: Lượng nước trong pha hơi qua 1 m2
tiết diện tháp trong 1 h,
Kg/m2
.h
R.S: % ẩm bão hoà trong pha hơi, R.S = 100%.
Lượng nước tính theo công thức:
E.W.P.vg 2
q = [kg/m .h] [8 - 391]
T.z
Trong đó:
E: Hằng số, E = 0,000173
P: Áp suất hấp phụ, Kpa, P = 1.100 = 100
Kpa z: Tỷ số nén:
W: Lượng nước đi trong tháp, kg/
106
m3
Trong 1 m3
hỗn hợp hơi:
vg: Vận tốc của dòng hơi vào tháp
Theo nhóm nghiên cứu sản xuất cồn tuyệt đối của Ts. Văn Đình Sơn
Thọ ta có vận tốc dòng hơi đi vào tháp hấp phụ là:
Vg = 0,039
m/s Quy đổi:
Vg = 2,34 m/phút
a. Tính lượng ẩm đi trong tháp
Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp rượu etylic và nước là:
M = ve . e vn . n 96.1,464 4.0,573
= 44,88
ve . vn .n 96.1,464 4.0,573
46 18
M
e
M
n
Nồng độ phần khối lượng của nước trong hỗn hợp là:
a =
0,573.4
= 0,015 [Phần khối lượng]
0,573.4 1,464.96
Lượng ẩm đi trong tháp là:
W = a. g .106
[kg/106
m3
]
= 0,015.1,434.1000000 = 21500
= 1,63 [m/phút]
q =0,000173.21500.100.2,34
380.1
= 1,61 [kg/h.m2
]
61

hz = 141
1,610,7895
2.340,5506.1000,2646
= 38 [cm]
Từ hình 19.7 [8 – 389] ta có:
xs = 16
+ xs: là……..
Theo tính toán của nhóm nghiên cứu sản xuất cồn tuyệt đối của Thầy
Văn Đình Sơn Thọ ta có mật độ đổ của zeolite 30 với hạt có đường kính Dp
= 0.002 m là:
d = 427 [kg/m3
]
Với đường kính d = 0.5 m ta có chiều cao của lớp hấp phụ trong tháp
là:
hgel =
4.M
zeolite
d . .d 2
4.229,6
=
427.3,14.0,82
= 1,1 [m]
Theo công thức 19.1 [8 – 394] ta có:
x=
x
s
.(h
gel
0.45.h
z
)
h
gel
=
16.(1,1 0,45.0,8)
= 9,5kg H2O/100 kg gel
1,1
Trong đó:
+ x: là…….
Theo tính toán cân bằng vật chất ở trên ta có:
+ Lượng nước bị hấp phụ trong một mẻ là:
Gn(me) = 1,512.8
= 12 [kg/mẻ]
Chiều cao vùng đệm là:
hb = 127,3.
G
n( me)
[8 – 391]
e .d 2
.x
= 127,3.
12
427.0,82
.9,5
= 0,4 [m]
Từ số liệu tính được ta lựa chọn cấu tạo của tháp hấp phụ như sau:
+ Chiều cao tháp Ht = 2,0m
+ Chiều cao lớp hấp phụ hz = 1,1m
62

+ khoảng cách giữa lớp đệm đến bích trên ở hai mặt trên và dưới là
0,3 m
+ Chiều cao phần nắp trên và đáy là 0.6 m
2
I
3
II
1
HT = 20000 Hgel = 1100
6
Hb =400
10
7
8
9
Hình 4.1 Thiết bị hấp phụ
I.1.3. Tính tổn thấp áp suất qua lớp hạt
Tổng thất áp suất qua lớp hạt zeolite được tính theo công thức của
Ergun theo phương trình sau:
63

Δpbed =
Trong đó:
+ f: hệ số ma sát
+ L: chiều cao lớp hạt, m
+ : khối lượng riêng trung bình của dòng khí, kg/m3
+ : độ xốp
+ : vận tốc trung bình của dòng khí, kg/m3
+ d : đường kính trung bình của hạt zeolite 3A, m.
f = 1 . 150.(1 ) 1,75
Re
: là khối lượng riêng của hỗn hợp khí, = g =1,434 kg/m3
: là độ nhớt của hỗn hợp hơi được tính theo công thức:
M
hh
y.M
e
(1 y).M
n
en
Trong đó:
+ Mhh: khối lượng mol trung bình của hỗn hợp rượu và nước, Theo
tính toán ở trên ta có Mhh = 42,4 kg/kmol.
+ y: nồng độ phần mol của rượu etylic
+ Me, Mn : khối lượng mol của rượu và nước, kg/kmol.
+ e , n : độ nhớt của etylic và nước, Ns/m2
.
Tại 107o
C ta có độ nhớt của các cấu tử tra bảng I.101 [3 - 91] như
sau:
e = 105,32.10-7
Ns/m2
n = 118,24.10-7
Ns/m2
Thay vào công thức trên ta có:
42.4 0,96.46 (1 0,96).18
105,32.107 118,24.10 7
= 106,12.10-7
Ns/m2
d = 2 mm
= 0,4
Vậy ta có:
64
f .L. . 2
d

Re =1,434.0,039.2.10 3
106,12.10 7
= 10,5
Hế số ma sát là:
f =
1 0,4 150.(1 0,4)
= 96,4
.
1.75
0,4
3
105
Tổn thấp qua lớp đệm là:
96,4.1,2.1,434.0,0392
3
Δpbed = = 126 N/m
2.10 3
I.2. Tính chiều dày thân tháp
Tháp hấp phụ hình trụ đứng có đường kính trong d = 0,6 m làm việc ở
áp suất 1 at.
Ta chọn vật liệu là X18H10T.
Tra bảng XII.4 [2 - 309] ta được thông số của thép X18H10T như sau:
+ Độ bền kéo Sk = 540.106
N/m2
+ Độ bền uốn Sc = 220.106
N/m2
Chiều dày của thân hình trụ được tính theo công thức:
Dt .p
S = C , m [4 – 360]
2[ ] p
Trong đó:
+ p: Là áp suất trong thiết bị, N/m2
+ Dt: Đường kính trong thiết bị, Dt = d = 0,6 m
+: Hệ số bền hình trụ theo phương dọc
Dùng hàn giáp nối hai bên bằng hồ quang điện. Tra bảng giá trị hệ số
bền hàn của thân hình trụ [4 - 362] ta có:
= 0,95
: Ứng suất cho phép, N/m2
= . , N/m2
n
Trong đó:
: Hệ số hiệu chỉnh. Ta chọn thiết bị loại I. Theo bảng XIII.2 [4 -
356] được = 0,75.
Tra bảng XIII.3 [4 - 356] ta được:
nk = 2,6
nc = 1,5
nk,nc: Là hệ số an toàn theo giới hạn bền, giới hạn chảy
65

k = k . = 540.106
.0,75 = 155,77.106
N/m2
nk 2,6
c = c . = 220.106
.0,75 = 110.106
N/m2
nc 1,5
Ta chọn ứng suất cho phép [ ] = c = 110.106
N/m2
C: số bổ sung cho ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày,
m C=C1+C2+C3
C1: số bổ sung do ăn mòn, đối với vật liệu bền thời gian làm việc 15
÷20 năm ta chọn:
C1 = 1 mm
C2: Đại lượng bổ sung bào mòn. Chọn C2 = 0.
C3: Đại lượng bổ sung cho dung sai của chiều dày C3 phụ thuộc vào
chiều dày tấm vật liệu cho trong bảng XII.9 [4 - 364]
Giả sử chiều dày của tháp là 5mm thì C3 = 0,5mm
C = 1 + 0,5 = 1,5
mm Chiều dày của tháp là:
S =
0,6.1.9,81.104
1,5.10 3
2.110.106
.0,95 1.9,81.104
= 1,75.10-3
m
Ta chọn chiều dày của tháp là 3 mm
* Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử
Pth = 1,5.p = 1,5.1.9,81.104
= 147.103
N/m2
Ứng suất thử của thân thiết bị tho áp suất thử
[Dt (S C].pth 2
[ ] = , N/m [4 - 386]
2.(S C).
= [0,6 (0,003 0,0015)].147000
2.(0,003 0,0015).0,95
= 31,02.106
N/m2
< c = 110 = 91,67 N/m2
1,2 1,2
Do vậy với chiều dày vỏ tháp S = 3 mm ứng suất của thân thiết bị nhỏ
hơn giới hạn cho phép của vật liệu Ta chọn chiều dày của thân tháp là 3 mm.
I.3. Tính đường kính ống dẫn hơi vào tháp
Đường kính của ống dẫn hơi được tính theo công thức sau:
d =
V
, m [5 – 84]
0,785.
Trong đó:
66

+ d: Đường kính ống, m
+ V: Lưu lượng hoặc dung dịch chảy qua ống, m3
/s
+ ω: Tốc độ hơi hoặc dung dịch trong ống, m/s
V = 502,8 m3
/ngày
= 0,0058 m3
/s
Đường kính ống dẫn hơi vào tháp là:
d = V
= 0,0058
= 0,019 m
0,785. 0,785.20
Quy chuẩn d = 30 mm
ω = 8,2 m/s
I.4. Tính đáy và nắp tháp
Ta chọn đáy elip có gờ
Chiều dày đáy nắp tháp được xác định theo công thức:
S = Dt p . Dt C , m [4- 385]
3,8. k .K. k p 2hb
Trong đó:
+ hb: là chiều cao phần lồi của đáy(nắp), m
Tra bảng XII.10 [4 - 382] với Dt = 0,6 m thì hb = 150 mm
+ h : hệ số bền của mối hàn hướng tâm
h = 0,95
+ K: hệ số không thứ nguyên
K = 1 -
d
XIII.48 [4 - 385]
Dt
d- đường kính lớn nhất của lỗ không tăng cứng.
C- đại lượng bổ sung lấy C = 1,4.10-3
+ 2.10-3
=3,4.10-3
,
m + Nắp và đáy tháp:
d = 0,05 m K = 0,9
Thay các giá trị vào ta được:
S = 0,6.147000 . 0,6 3,4.10 3
, m
3,8.110000000.0,9.0,95 147000 2.0,15
= 3,9.10-3
, m
Chọn S = 5 mm
*Kiểm tra ứng suất thành của nắp tháp theo áp suất thử thuỷ lực bằng
công thưc:
67

D2
2.h .(S C).p 0
2
[ ] = t b
, N/m [4 -386]
7,6.k. h .hb .(S C)
= [0,62
2.0,15.(5.10 3
3,4.10 3
)].147000
7,6.0,9.0,95.0,15.(5.10 3
3,4.10 3
)
= 33,88.108
< = 91,67.106
, N/m2
1,2
Ta chọn chiều dày của nắp và đáy tháp là S = 5 mm
I.5. Chọn bích và chân đỡ tháp
I.5.1. Ta chọn bích liền kiểu I
Tra bảng XIII.27 [4 - 417] ta được các thông số trong bảng sau:
Dl
Do
D
h
Db
D
Hình 4.2
Bích nối thân thiết bị hấp phụ
Dtnt = 600 mm
D = 650 mm
Db = 625 mm
68

D1 = 620 mm
D0 = 606 mm
Bu lông:
db = M36
z = 52 cái
h = 50 mm
I.5.2. Chọn chân đỡ
Tính khối lượng toàn tháp:
mthan = .Vthan = .H d 2.0,003 2
d 2
4
= 7900. .3[(0,6 + 2.0,003)2
– 0,62
]
= 134 kg
mday+nap = 12,4.2 = 24,8 kg
mzeolite = 229.6 kg
Tổng khối lượng của tháp là:
mthap = mthan + mday+ nap + mzeolite
= 134 + 229,6 + 24,8
= 388,4 kg
Với hệ số 1,2 ta tính được tải trọng cần nâng đỡ là:
G = 388,4.1,2.9,81 = 4,57.103
N
Theo tải trọng trên tra bảng XIII.35 [4- 437] ta được
Bảng 3.4
Tải
trọng H B h Bz S1 S2
cho (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm)
phép
0,4.104
240 110 145 195 10 10
(N)
69

Luận Văn Tốt Nghiệp Xây dựng nhà máy sản xuất etanol tinh khiết bằng phương pháp hấp phụ.doc

Luận Văn Tốt Nghiệp Xây dựng nhà máy sản xuất etanol tinh khiết bằng phương pháp hấp phụ.doc

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Luận Văn Tốt Nghiệp Xây dựng nhà máy sản xuất etanol tinh khiết bằng phương pháp hấp phụ.doc

Similar to Luận Văn Tốt Nghiệp Xây dựng nhà máy sản xuất etanol tinh khiết bằng phương pháp hấp phụ.doc (20)

More from DV Viết Luận văn luanvanmaster.com ZALO 0973287149

More from DV Viết Luận văn luanvanmaster.com ZALO 0973287149 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Luận Văn Tốt Nghiệp Xây dựng nhà máy sản xuất etanol tinh khiết bằng phương pháp hấp phụ.doc