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 xưởng 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

Hà Nội 5 - 2008

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

PHẦN II: LÝ THUYẾT CHUNG
I. NGUYÊN LIỆU ETANOL

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.
+ 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).

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. 7

Thống kê về tỷ lệ sử dụng etanol và gasoline ở Braxin như sau:


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
Nước ngưng
Nước làm mát
Nước làm mát
Nước làm mát
Nước làm mát
SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CHƯNG TRÍCH LY
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, 10
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%


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
II.2.1. Giới thiệu về Zeolite [1]


: 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

2-
2-
O
O
O
3+
Al
2-
O
-
-

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

* Zeolite có mao quản trung bình: D
mq
= 5 ÷ 8 A
o

* Zeolite có mao quản nhỏ: D
mq
< 5 A
o

Trong đó: D
mq

* 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]
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

đứng yên như sau:

H
H2
Hbh
H1
H'2
0 XC

H
H H
0
0 Yc
X
Y
U, K
X1 Xbh
bh




bh

Yd
U = f(H)
K = f(H)
Yd
Yc
a

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
d
đến Y
c
.
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 Y
c
và chất hấp phụ đạt tới X
c
tương ứng
với độ cao H
bh
.
Trước thời điểm
bh

+ 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:
16 Q trình hấp phụ với hỗn hợp etanol – nước ở dạng pha lỏng:

5
Không khí
Nguyên liệu
Sản phẩm
Vent
Dòng tuần hoàn
1A
1B
2

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
cột hấp phụ chứa zeolite 3A ở pha lỏng hoặc pha hơi. Nước sẽ bị hấp phụ và
giữ lại trên cột, etanol khơng bị hấp phụ đi ra khỏi cột. 18
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
Ta có các sơ đồ như sau: Sản phẩm
Bộ phận ngưng tụ
Tháp tách pha
Hơi nguyên liệu
Tháp tái sinh
Tháp hấp phụ
Dầu nóng
Dầu nóng
Thiết bò gia nhiệt
Tháp làm mát
Hình 2.13

Ngun tắc:
+ hơi ngun 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 q 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.
+ Ngồi ra còn một số sơ đồ khác tuy nhiên ngun tắc hoạt động
cũng tương tự sơ đồ cơng nghệ này.
II.2.3.2. Phương pháp 2:
Giảm áp cột hấp phụ Cách này khó thực hiện vì đòi hỏi thiết bị phức

Hình 2.15

- Nguyên tắc: 22
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 hồn tồn
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
có thể ở một trong dạng lỏng hoặc
hơi
- Nước bị giữ lại trong lớp chất hấp
phụ trong tháp và được tách ra trong
giai đoạn nhả hấp phụ
- Để làm việc liên tục , u cầu phải
có 2 tháp thiết kế song song với
nhau
- Hỗn hợp Etanol – nước đi vào tháp
ở dạng hơi

- Nước và Etanol đều khơng bị giữ

Hình 2.16 sơ đồ sản xuất cồn tuyệt đối theo phương pháp
thẩm thấu qua màng 23

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.

Giá thành đầu
tư không quá
cao
- Chưng đẳng phí :
Nồng độ Etanol thu
được không cao (tối
đa 95,57% khối lượng
)
- Chưng phân tử: Việc
tạo áp suất chân không
cao , chế tạo các thiết
bị làm việc ở áp suất
chân không đòi hỏi rất
phức tạp , tốn kém

50%

100%
80% - 25
được khá cao
(≥99,5% khối
lượng)
- Dễ dàng
chuyển quy mô
thiết bị sang
quy mô công
nghiệp
Phương
pháp dùng
chất hút
ẩm
Đầu tư cơ bản
thấp nhất trong
các phương
pháp.
- Nồng độ cồn sản
phẩm chưa cao , chỉ

cao.

Đầu tư cơ bản cao

> 120%

35%

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)