Đề tài "Thiết kế hệ
thống hấp phụ tinh
luyện cồn pha xăng" ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHÓA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Thành phố Hồ Chí Minh
Khoa: Công nghệ Hóa & Thực phẩm
Bộ môn: Quá trình và Thiết bị
ĐỒ ÁN
MÔN HỌC: ĐỒ ÁN CHUYN NGNH QT&TB
MÃ SỐ: 605109
Họ và tên sinh viên: Vũ Tiến Dũng
Lớp: HC06MB
Ngành (nếu có): Qu Trình & Thiết Bị
1. Đầu đề đồ án: Thiết kế hệ thống thp hấp phụ tinh luyện cồn pha xăng
2. Nhiệm vụ (nội dung yêu cầu và số liệu ban đầu):
- Nồng độ nhập liệu: x
F
= 92%phần khối lượng
- Nồng độ sản phẩm cồn khan: x
W


ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải

Trang 3

Mục Lục
Chương 1 6

I. Mục đích đề tài 6
1. Tính thực tiễn của đề tài 6
2. Lợi ích của việc dng gasohol 7
II. Những đặc tính của cồn tinh luyện 8
1. Các phương pháp sản xuất cồn 8
2. Tính chất v ứng dụng của cồn 8
III. Cồn nhiên liệu 9
1. Lịch sử pht triển 9
2. Yêu cầu về chất lượng 10
3. Các phương pháp pha cồn vào xăng 12
4. Ưu nhược điểm của xăng pha cồn với xăng truyền thống 12
IV. Các phương pháp sản xuất cồn nhiên liệu 13
1. Phương pháp chưng luyện 13
2. Phương pháp bay hơi thẩm thấu qua màng 14
3. Phương pháp hấp phụ (rây phân tử) 14
4. Phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp 17


I. Chọn tc nhn giải hấp phụ 37
II. Cn bằng vật chất cho qu trình nhả hấp phụ 37
II. Tính toán vận tốc hơi giải hấp đi trong tháp 39
II. Các giai đoạn nhả hấp phụ 40
Chương 6 41

I. Tính tốn chiều cao tồn bộ thp 41
II. Tính tổn thất p suất của dịng khí qua lớp hấp phụ 41
III. Tính toán cơ khí cho thân tháp 42
1. Tính bề dy cho thn trụ hn chịu p suất trong 42
2. Tính đáy, nắp tháp 43
3. Tính đường kính và bích ghép các ống dẫn 44
4. Tính chân đỡ tai treo cho tháp 46
Chương 7 49

I. Tính toán nồi đun 49
1. Lượng hơi đốt cần dùng 49
2. Hiệu nhiệt độ trung bình 50
3. Hệ số cấp nhiệt của cồn sơi sủi bọt trong thiết bị đun sôi 50
4. Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ phía trong ống 51
5. Mật độ dịng nhiệt truyền qua vch 51
6. Hệ số truyền nhiệt tổng qut 52
7. Bề mặt truyền nhiệt 52
II. Năng suất nhiệt của caloriphe 52
III. Tính tốn thiết bị ngưng tụ sản phẩm 52
1. Lượng nước cần dùng để giải nhiệt 53
2. Hiệu nhiệt độ trung bình 53
3. Hệ số cấp nhiệt hơi cồn tình khiết ngưng tụ trên bề mặt ống đứng 53
ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải Chương 1
TỔNG QUAN
I. Mục đích đề ti
1. Tính thực tiễn của đề ti
Các nh khoa học cho biết, chúng ta đang sống trong một giai đoạn lịch sử mới cảu trái
đất – kỷ nguyn loại người – khi chng ta l nguồn lực chính của trái đất. Nhưng hiện nay sự
thnh công thi qu của con người đ gy ra những p lực chưa từng thấy cho hệ sinh thái trái đất và
đe dọa chính loài người . Theo các chuyên gia, chúng ta đang phải đối mặt với su vấn đề có
lin quan tới nhau v rất cấp bch:
- Lương thực: Cứ sáu người thì có một người bị đói và suy dinh dưỡng trong khi đó quá
trình công nghiệp hóa v dn số tăng đang làm giảm diện tích trồng cây lương thực
- Nước: Đến năm 2025, 2/3 dân số thế giới phải sống trong vng thiếu nước sạch
- Năng lượng: Hiện nay nguồn năng lượng chính của chúng ta đến từ dầu mỏ và khí đốt,
trong khi đó nguồn nhiên liệu hóa thạch này đang khan hiếm dần v dự đoán sẽ hết trong một
tương lai rất gần
- Biến đổi khí hậu: Biến đổi khí hậu đ v đang diễn ra trn tồn thế giới, nĩ có ảnh hưởng rất
lớn đến đời sống con người trên trái đất
- Đa dạng sinh học: Nhiều nh khoa học cho rằng thế giới đang bước vào cuộc “đại tuyệt
chủng” lần thứ 6 do các vấn đề về ơ nhiễm môi trường và tăng dân số
- Ơ nhiễm: Các chất được cho l ơ nhiễm đ có trong tự nhiên từ rất lâu nhưng hiện giờ
chúng đang có nồng độ cao đến mức báo động, nó đang gây ra nhưng thiệt hại v biến đổi to
lướn đối với con người v sinh vật trên trái đất.
ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải

Trang 7


- Tiết kiệm được lượng xăng nhập khẩu nếu pha thêm 10% Ethanol vào xăng mà bảo
đảm động cơ vẫn hoạt động bình thường thì có nghóa l ta sẽ giảm được 10% lượng xăng nhập
khẩu qua đó tiết kiệm được rất nhiều ngn sch dnh cho việc nhập khẩu xăng.
ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải

Trang 8

- Ethanol có chỉ số octane cao, nên khi pha thêm Ethanol vào xăng làm tăng thêm chỉ
số này và cũng đồng thời tăng chất lượng xăng
- Tận dụng các nguồn phụ phế phẩm của nơng nghiệp để sản xuất cồn như rơm rạ, mật
rỉ, ngơ, sắn…Đồng thời tạo công ăn việc lm cho nhn dn. Hng năm nước ta có khoảng 31 triệu
tấn rơm rạ, ngồi việc sản xuất nấm rơm ra thì đây là ngồn sản xuất cồn rất lớn, rất có triển
vọng
- Gip ổn định vấn đề về an ninh năng lượng v giảm bớt phụ thuộc năng lượng vào các
quốc gia khác

II. Những đặc tính của cồn tinh luyện
1. Các phương pháp sản xuất cồn
1.1. Hydrat hóa ethylen
Ethanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thông thường nó được sản
xuất từ các nguyn liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp hydat hóa ethylen trên xúc
tác axit, được trình bày theo phản ứng hóa học sau. Cho ethylen hợp nước ở 300
0
C p suất 70
– 80 atm với xc tc l axit photphoric:
H
2
C = CH
2
+H

Ethanol có thể hịa tan nhiều chất vô cơ cũng như hữu cơ nên được sử dụng lm dung mơi rất
ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải

Trang 9

tốt. Ethanol dễ chy v có thể tạo hỗn hợp nổ với khơng khí. Ethanol tạo hỗn hợp đẳng phí với
nước ở 89,4% mol, nhiệt độ sơi của hỗn hợp này ở 1 atm l 78,4
0
C
Nhiệt độ sơi của ethanol nguyn chất 78,39
0
C, tỷ trọng d
15
4
= 0,794, nhiệt dung riêng
đẳng p C
p
(16
0
C -21
0
C) = 2,42 J.g
-1
.K
-1
, nhiệt chy 1370,82 kJ/mol
2.2. Ứng dụng
Cồn l hỗn hợp Ethanol và nước có ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống x
hội:
- Cồn pha với nước thành đồ uống, chế biến thức ăn, chế biến các loại hương

cơ được.
Đối với ơtơ, xe gắn máy thông thường chỉ được sử dụng xăng pha cồn với nồng độ tối
đa là 10% (xăng E10). Với xăng E10 không cần cải tiến hay thay đổi động cơ mà có thể chạy
hồn tồn bình thường so với việc dng 100% xăng. Cồn pha xăng ngày nay đ được tiu chuẩn
hóa về chất lượng, ty theo quốc gia quy định, sau đây là một số tiu chuẩn điển hình Bảng 1: Yu cầu kỹ thuật của cồn nhiên liệu

STT Tn chỉ tiu Giới hạn
1 Ethanol, % thể tích, min 92,1
2 Methanol, % thể tích, max 0,5
3 Hàm lượng nhựa đ rửa qua dung mơi,
mg/100ml, max
5,0
4 Hàm lượng nước, % thể tích, max 1,0
5 Hàm lượng chất biến tính (xăng, naphta),
% thể tích, min – max
1,96 – 5,0
6 Hàm lượng Clorua vô cơ, mg/l, max 32
7 Hàm lượng đồng, mg/kg, max 0,1
8 Độ axit (axit acetic), mg/l, max 0,007
9 Độ pH, min – max 6,5 – 9,0
10 Lưu huỳnh, mg/kg, max 30
11 Sulfat, mg/kg, max 4
12 Khối lượng ring ở 15
0
C, kg/m
3
-

5 Lượng chất rắn cịn lại khi bốc hơi
nguyên liệu, max
% KL 0,005
6 Lượng aldehyde qui về CH
3
COOC
2
H
5
g/100ml

0,10
7 Chì (Pb), max g/100ml

Khơng có
8 Methyl alcohol Ppm Thỏa mn các yu
cầu môi trường
9 Ketones, isopropyl, tertiary butyl Ppm Thỏa mn các yu
cầu môi trường
10 Các hợp chất chứa lưu huỳnh % tt Khơng có

Bảng 3: Tiu chuẩn cồn nhiên liệu của Ấn Độ

STT Tn chỉ tiu Đơn vị Giới hạn
1 Tỷ trọng tại 15,6
0
C, max g/ml 0,7961
2 Nồng độ ethanol ở 15,6
0
C, min % tt 99,5

4. Ưu nhược điểm của xăng pha cồn với xăng truyền thống
Ethanol có chỉ số octane cao RON = 120 – 135, MON = 100 – 106, thường được pha
vào xăng với tỉ lệ 10%tt – 15%tt. Khi pha vào xăng do bản thn ethanol có chỉ số octane cao
nên nó cũng làm tăng chỉ số octane chung của xăng
Mặt khác, do bản thn qu trình chy trong động cơ là cháy cưỡng bức trong điều kiện
thiếu oxy nn một số chất không cháy hoàn toàn và sinh ra CO gây độc hại. Khi đưa ethanol
vào thì sẽ có các ưu điểm sau:
- Đốt chy hồn tồn các chất trong hỗn hợp chy nhờ có thm oxy trong ethnol giảm tiêu
hao năng lượng do chy khơng hết
- Oxy hóa các khí độc hại trong qu trình chy ln số oxy hóa cao nhất ít độc hại hơn với
môi trường
Bn cạnh đó sử dụng ethanol pha xăng cũng có những nhược điểm:
- Ethanol khan rất háo nước do đó quá trình bảo quản sẽ khó khăn
- Ethanol khó bay hơi hơn phần nhẹ trong xăng nên khi nhiệt độ xuống thấp sẽ khó
khởi động động cơ
- Nước có trong cồn pha xăng có thể lm tch lớp
ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải

Trang 13

- Gi cồn hiện nay tương đối cao
- Ngoài nhược điểm trn, do ethanol chủ yếu được sản xuất từ nơng nghiệp nn cần phải
cân đối hợp lý giữa việc sử dụng lương thực để lm nguyn liệu sản xuất cồn v thực phẩm sinh
hoạt IV. Các phương pháp sản xuất cồn nhiên liệu
Ethanol thu được sau qu trình ln men rỉ đường, tinh bột hoặc xenllulo có nồng độ
khoảng 10%tt – 12%tt. Để thu được cồn có nồng độ lớn hơn nồng độ tại điểm đẳng phí thông
thường phải trải qua các giai đoạn chính sau:

lượng chảy qua màng. Phương pháp này màng lọc rất dễ bị ngộ độc hay mất dần khả năng
thầm thấu nên thường xuyn thay mng

Hình 1. Nguyn tắc của phương pháp thẩm thấu qua mng
3. Phương pháp hấp phụ (rây phân tử)
Ry phn tử (hay cịn gọi l sng phn tử) l qu trình sử dụng các chất hấp phụ chọn lọc để
phn ring hỗn hợp có nồng độ thấp. Khi cho một hỗn hợp các cấu tử có kích thước khác nhau
đi qua chất hấp phụ thì cấu tử có kích thước nhỏ hơn kích thước mao quản chất hấp phụ sẽ
được giữ lại cịn cấu tử có kích thước lớn hơn sẽ đi ra ngoài và ta thu được dịng vật chất có
nồng độ cao hơn. Lợi dụng tính chất này của các chất hấp phụ người ta đ sử dụng để lm khan
hỗn hợp ethnol – nước, với chất hấp phụ thường dng l zeolite, than hoạt tính, silicagel…
Kích thước động học của ethanol và nước được biết hiện nay l:
 Kích thước động học của nước 2,57 A
0

 Kích thước động học của ethnol 4,46 A
0

ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải

Trang 15

Do đó vật liệu hấp phụ có kích thước mao quản nằm trong khoảng 2,57 A
0
– 4,46 A
0

sẽ có khả năng làm khan được cồn và người ta thường dng Zeolite 3A hoặc 4A để lm chất
hấp phụ. Tuy vậy vẫn chưa có kết luận cuối cng no cho thấy zeolite 3A hay 4A có khả năng
làm khan cồn tốt hơn. Khi nhả hấp phụ thì sẽ dùng khí Nitơ nóng hoặc dng trực tiếp cồn khan

ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải

Trang 18

4.1. Phương pháp chưng luyện đẳng phí
 Ưu điểm:
- Là phương pháp tách hiệu quả hệ hai hay nhiều cấu tử có tạo thnh điểm đẳng phí khi
tiến hành chưng ở điều kiện thường
- Với việc lựa chọn dung mơi hợp lý qu trình chưng cất sẽ đơn giản dễ vận hnh
 Nhược điểm:
- Bằng việc thm vào Benzene, cyclohexane trong sản phẩm sẽ cịn lại một lượng dư
lượng nhỏ những chất này, nhưng đây là những chất rất độc hại với cơ thể con người
- Yu cầu về năng lượng nhiệt cao
- Gi thnh sản phẩm tương đối cao
4.2 Phương pháp chưng luyện trích ly với muối khan
 Ưu điểm
- Chưng luyện trích ly có thể tao ra độ sạch cao hơn các tháp làm sạch thông thường.
Cả vốn đầu tư và chi phí vận hành đều giảm
- Phương pháp này sử dụng tc nhn l muối tương đối dễ kiếm v rẻ tiền , thiết bị vận hành
đơn giản, nông độ sản phẩm cao
 Nhược điểm
- Ring với cồn nhiên liệu người ta địi hỏi hàm lượng chất rắn hồ tanrất ít vì vậy có thể
phải có công đoạn tch muối
- Sự có mặt của muối dẫn đến độ ăn mịn vật liệu cao, phải ch tao thiết bị chịu ăn mịn
tốt
ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải

Trang 19

4.3. Phương pháp rây phân tử

x
.(SiO
2
)
y
.zH
2
O
Trong đó:
M: l cation b trừ điện tích khung
x: l số cation b trừ điện tích
z: Số phn tử nước kết tinh trong Zeolite
2. Phn loại Zeolite
ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải

Trang 20

2.1. Phn loại theo kích thước mao quản
Theo kích thước mao quản thì zeolite được chia lm ba loại sau đây:
- Zeolite mao quản rộng: đường kính mao quản lớn hơn 8A
0

- Zeolite mao quản trung bình: đường kính nằm trong khoảng 5A
0
– 8A
0

- Zeolite mao quản nhỏ: đường kính mao quản nhỏ hơn 5A
0


2

(Gần đúng có thể coi Sm bằng tiết diện ngang của chất bị hấp phụ, tham khảo bảng 4)
N: số Avàogadro
n
m
: Số mol chất bị hấp phụ đơn lớp trn 1g chất hấp phụ, mol/g

Bảng 4. Tiết diện ngang của một số chất khí
Chất bị hấp phụ Nhiệt độ, K Sm, (A
0
)
2

N
2
77 16,2
ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải

Trang 21

O
2
90 14,1
Ar 77 13,8
Kr 77 20,2
Xe 273 22
CO 195 16,8
CO
2



Phương trình này được ứng dụng trong khoảng P/P
0
= 0,05 – 0,35
Từ phương trình trn ta xc định gi trị V
m
, v có gi trị nồng độ C suy ra được n
m
4. Một số đặc trưng của Zeolite 4A
Zeolite 4A l loại Zeolite có kích thước mao quản trung bình 4A
0
. Zeolite 4A được hình
thnh nhờ sự kết hợp giữa oxit natri, oxit nhơm, oxit silic với nhau với tỷ lệ 1Na
2
O: 1Al
2
O
3
:
2SiO
2
: xH
2
O. Bảng 5 dưới đây sẽ liệt k các tính chất đặc trưng của Zeolite 4A

Bảng 5. Đặc tính kỹ thuật của Zeolite

Đặc tính kỹ thuật
Mơ tả

Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT HẤP PHỤ
I. Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
Theo Langmuir trn bề mặt chất hấp phụ có trường lực hóa trị chưa bo hịa vì vậy có thể hấp
phụ các phn tử chất bị hấp phụ tại các vị trí này các vị trí này cị được gọi l trung tm hấp phụ.
Lực hấp phụ có bn kính tc dụng rất nhỏ l lực bản chất gần với lực hóa học nn mỗi tm chỉ giữ
lại được một phn tử chất hấp phụ tạo thnh lớp hấp phụ đơn lớp trn bề mặt chất hấp phụ. Các
phn tử chất hấp phụ chỉ tương tác với trung tm hấp phụ mà không tương tác với các trung tm
khác hay các phn tử khác gần đó.
Những giả thiết khi lập phương trình Langmuir
 Các chất bị hấp phụ tạo thành đơn lớp phn tử
 Năng lượng hấp phụ các phn tử là đồng nhất (bề mặt đồng nhất)
 Sự hấp phụ l thuận nghịch
ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải

Trang 23

 Tương tác giữa các phn tử chất bị hấp phụ với nhau có thể bỏ qua
Nếu ta xem rằng bề mặt hấp phụ có các trung tm hấp phụ có diện tích S, phần bề mặt bị
các phn tử chất bị hấp phụ chiếm S
1
, vậy phần cịn trống sẽ l S
0
= S – S

S
P .
02
01
1




Với q = E –E’ nĩ chính l nhiệt hấp phụ
Gọi:
l phần bề mặt đ bị hấp phụ

l hằng số chỉ phụ thuộc nhiệt độ

Khi đó phương trình hấp phụ có dạng
P
K
PK
.
1
.


 Thay vào phương trình trn ta có

P


RT
q
e
k
k
K
.
1
02
01

m
v
v


RT
E
e

ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải

Trang 24

x = K.P
1/n

x- độ hấp phụ, P- p suất khí cn bằng trn bề mặt hấp phụ, K- hằng số, n- số phn tử bị hấp
phụ

Langmuir v bổ sung thm một số điều
 Enthanpy của các phn tử khơng thuộc lớp thứ nhất đều bằng nhau v bằng enthanpy
hóa lỏng
 Số lớp hấp phụ trở ln vơ cng lớn ở p suất bo hịa
Dựa trn cở sở đó người ta thiết lập phương trình BET
).1).(1(
.
000
0
P
P
C
P
P
P
P
P
P
C
V
V
m


