1

TRNG I HC BCH KHOA H NI
KHOA CễNG NGH HểA HC
B MễN CễNG NGH HU C HểA DU
======***======
N TT NGHIP
Nội dung :
Thiết kế xởng sản xuất cồn tuyệt đối
bằng kỹ thuật hấp phụ

Giỏo viờn hng dn : TS. Vn ỡnh Sn Th
095.33.59200

Sinh viên thực hiện : Le Vn Trung
Lớp : HD2 K48


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 3

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: 4

-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 5

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.

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.

bảo giảm ô nhiễm môi trường, phát triển nguồn tài nguyên thực vật, đặc biệt 8

là sử dụng nơng sản và phế liệu cơng nghiệp chế biến nơng sản đáp ứng
được an ninh năng lượng quốc gia.

II. CƠNG 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 cơng 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:

AB
A
B
R
BR
R
Nước ngưng
Hơi nước Hơi nước

Hơi nước
6
4
4
1
2
4
3
5
Cấu tử lôi cuốn
Hỗn hợp đồng sôi của 3 cấu tử
Cấu tử lôi cuốn ( phá đẳng phí ):Benzen , Heptane, Cyclohexane
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 lơi 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 sơi 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,
1
2
3
8
5 11

Hình 2.5 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 +
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

O.xAl
2
O
3
.ySiO
2
.zH
2
O
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 TO
4
, với T là Al
hoặc Si. Có thể biểu diễn đơn vị cấu trúc cơ bản của zeolite như sau:

O
2-
Si
4+
O
O
O
2-
2-
2-
TÖÙ DIEÄN SiO4

+
, 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 SiO
2
/Al
2
O
3
) và
các cation bù trừ điện tích (K
+
, Na
+
…).
+ Phân loại Zeolite:
- Phân loại theo kích thước mao quản
* Zeolite có mao quản rộng: D
mq
> 8 A
o


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 Ca
2+
.

- Đặc tính kỹ thuật của zeolite 3A:
* Là loại zeolite giàu nhôm, tỷ lệ Si/Al thấp.
* Cation bù trừ điện tích K
+
: K
12
[(AlO
2
)
12
.(SiO
2
)
12
]
* Kích thước mao quản: 3 A
o
.
II.2.2. Quá trình hấp phụ [4- 241]

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
H2
Hbh
H1
H'2
0 XC

H
H H
0
0 Yc
X
Y
U, K

X
c
: Nồng độ chất bị hấp phụ trong pha rắn, Tương ứng với Y
C
, kg
chất bị hấp phụ/kg chất hấp phụ.
X
bh
: 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 Y
d
đi vào thiết bị. Trước khi làm việc chất
hấp phụ trong thiết bị đã có nồng độ X

X
C
. Sau thời gian hấp phụ
1

nồng
độ chất hấp phụ ở mặt cắt a - a đạt được X
1
, còn ở độ cao H
1
thì đạt được
nồng độ X
c
. Trong thời gian đó nồng độ khí thay đổi từ Y

bh
.

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 2,75A
o
< 3A
o
.
+ Kích thước động học của rượu là 3,95A
o
> 3A
o
.
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:

17

Q trình hấp phụ với hỗn hợp etanol – nước ở dạng hơi:

7B
3
6
Nước
Nước làm mát
Không khí
Dòng tuần hoàn
7A
1C1B
2
8
5
4
5
5
1A
2
Sản phẩm
Không khí
Cồn 85-96%V
Vent Hình 2.10 Sơ đồ hấp phụ cồn – nước dạng hơi
- Mơ tả q trình làm việc:
+ Ngun liệu (hỗn hợp etanol – nươc có nồng độ thấp) được đưa qua


19

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. 20

Một số trường hợp sử dụng hơi ngun liệu làm khí thực hiện q
trình nhả hấp [8 - 380] Ta có các sơ đồ như sau: Sản phẩm
Bộ phận ngưng tụ
Tháp tách pha

Sơ đồ nguyên tắc của phương pháp:

Hình 2.14
II.2.3.3. Phương pháp 3:
Dùng một số chất có ái lực với nước lớn hơn của chất hấp phụ (ví dụ:
Amoniac NH
3
) 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:


-Sơ đồ ngun lý của q trình :
Nước ngưng
Hơi nước 200kPa
6
2
Nước làm mát

3
2
5
3
1
Nước
ngưng tụ
Etanol
(99,9%V)
Etanol
(23% V)
o
Nước làm
mát (20 C)
Etanol
(96% thể tích)Hình 2.16 sơ đồ sản xuất cồn tuyệt đối theo phương pháp
thẩm thấu qua màng 23

24

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
Phương
pháp
Ưu điểm Nhược điểm
Giá
thành
đầu tư
Năng
lượng
tiêu
tốn Phương
pháp
chưng cất Giá thành đầu
tư không quá
cao


Phương
pháp dùng
chất hấp
phụ chọn
lọc
- Giá thành đầu
tư ban đầu
không quá cao
(với năng suất
nhỏ), chế tạo
thiết bị không
quá phức tạp .
-Nồng độ cồn
sản phẩm thu
- Do trở lực của tháp
dạng đệm lớn , yêu
cầu công suất của bơm
cao .
- Yêu cầu của hỗn hợp
nguyên liệu vào tháp
cao.

80%

không cao

40%

50%
Phương
pháp thẩm
thấu qua
màng
Tách nước hiệu
quả , nồng độ
cồn sản phẩm
cao.

Đầu tư cơ bản cao

100%

20%
Phương
pháp kết
hợp bốc
hơi thẩm
thấu và rây
phân tử
Tách nước hiệu
quả , nồng độ
cồn sản phẩm
cao.