TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH REFORMING ETANOL SỬ DỤNG XÚC TÁC
Ni/Al
2
O
3
TRÊN PHẦN MỀM HYSYS
KS. ĐOÀN VĂN HUẤN, LƯƠNG VĂN SƠN, NGUYỄN THỊ THANH MAI, NGÔ
THỊ HẠNH
Trường Đại học Mỏ Địa chất
Tóm tắt: Dựa trên phần mềm Aspen Hysys, quá trình reforming etanol để sản
xuất hydro đã được mô phỏng nhằm nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng của quá
trình. Kết quả đã tìm được lượng hydro trong quá trình đạt tối đa tại lưu
lượng dòng nước là 70kmol/h, lưu lượng dòng khí là 845 kmol/h. Ngoài ra,
phản ứng reforming etanol trên xúc tác Ni/Al
2
O
3
cũng được mô phỏng trên
Hysys với các đặc trưng xúc tác thu được từ thực nghiệm. Kết quả đã chỉ ra
được sự ảnh hưởng của các thông số như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng dòng
đến phản ứng reforming etanol để sản xuất hydro.
1. Mở đầu
Như chúng ta đã biết, nhiên liệu hóa thạch đã và đang đóng vai trò hết sức quan
trọng. Bên cạnh những ưu điểm vượt trội, nhiên liệu hóa thạch ngày càng bộc lộ nhiều
điểm hạn chế: không có khả năng tái sinh, ô nhiễm môi trường và việc phụ thuộc quá
nhiều vào loại nhiên liệu này đang gây ra những bất ổn về kinh tế, chính trị.
Thực tế đặt ra nhu cầu cấp thiết cần phải tìm nguồn nhiên liệu thay thế cho nhiên
liệu hóa thạch. Rất nhiều nghiên cứu đã được tiến hành và đưa ra được nhiều nguồn
nhiên liệu mới. Trong đó, nhiên liệu có nguồn gốc sinh học đang được ưu tiên nghiên
cứu, sử dụng.
Hydro hiện được sử dụng như là một nguồn nhiên liệu sạch. Việc điều chế

O + (a) ↔ C
2
H
6
O(a)
Tương tác etanol hấp thụ với vị trí lỗ trống
liền kề
C
2
H
6
O(a) + (a) ↔ CH
4
O*(a) + CH
2
*(a)
Phản ứng bề mặt hấp phụ và giải hấp phụ CH
4
*(a) + H
2
O(g) ↔ CO
2
+ 3H
2
+ (a)
CH*
2
(a) + 2H
2
O(g) ↔ CO

etanol 100 kmol/h, nước 150 kmol/h và không khí 550 kmol/h dòng sản phẩm sau khi ra
khỏi thiết bị ATR được làm lạnh và đi vào cụm thiết bị WGS (gồm thiết bị HTS, MTS
1
và LTS) và cuối cùng dòng ra vào lò phản ứng PROX và thu được H
2
nhiệt độ của phản
ứng này là 70
o
C. Sơ đồ khối quá trình mô phỏng reforming etanol để sản xuất hydro.
3. Mô phỏng và thực nghiệm
3.1. Mô phỏng quá trình reforming etanol trên Hysys
Quá trình mô phỏng sử dụng mô hình Peng-Robinson.Các phản ứng được thiết
lập trong quá trình reforming là:
Trong thiết bị ATR: Có rất nhiều phản ứng xảy ra và tổng các phản ứng cân
bằng hệ số ta được phương trình tổng quát.
7CH
3
CH
2
OH + 5.5O
2
+ 2H
2
O → 6CO
2
+ 8CO + 23H
2
(∆H
O
= -825 kJmol

Xúc tác Ni/Al
2
O
3
được tổng hợp bằng 2 phương pháp:
- Phương pháp đồng kết tủa
Hòa tan Ni(NO
3
)
2
.6H
2
O và Al(NO
3
)
3
.9H
2
O vào nước được dung dịch A. Nhỏ từ
từ dung dịch Na
2
CO
3
(pH = 11.5) ở nhiệt độ 40
o
C-45
o
C. Hỗn hợp sau phản ứng có pH
khoảng 8.0 được khuấy mạnh trong 60-70 phút. Kết tủa được đem đi lọc và sấy ở 110
o

o
C (12h). Nung mẫu kết tủa thu được ở 600
o
C trong 3h (tốc độ
gia nhiệt 1
o
C/phút) Kí hiệu mẫu là PT.
3.3. Mô phỏng phản ứng reforming etanol trên xúc tác Ni/Al
2
O
3
Sơ đồ mô phỏng phản ứng (2.1) trên thiết bị Plug flow reaction.
Nguyên liệu gồm dòng etanol và nước được làm nóng để hóa hơi hoàn toàn
được đưa vào thiết bị phản ứng PFR ở áp suất 1atm, sử dụng mô hình Peng-Robinson
và phản ứng trong thiết bị PFR được chọn là kinetic. Chiều dài tổng thể thích thiết bị
PFR lần lượt là 3 m, 2.355 m
3
và đường kính xúc tác Ni/Al
2
O
3
là 0.6 mm. Kết quả mô
phỏng với hai trường hợp có xúc tác và không có xúc tác cho trong bảng sau:
2
Phản ứng
Trong thiết
bị ATR
100
o
C

2
0.2156
4. Kết quả và thảo luận
4.1. Kết quả mô phỏng
Sơ đồ kết quả cả quá trình mô phỏng reforming etanol để sản xuất hydro trên
phần mềm hysys
Kết quả thu được của dòng sản phẩm chính quá trình refoming etanol sau khi đã
tối ưu.
Thành phần Phần mol
H
2
0.656456
CO 0.000005
4.2. Tối ưu hóa quá trình
Tối ưu hóa mô hình là để tăng lượng H
2
và giảm tối đa lượng CO không mong muốn.
Hình 4.2.1 Nhiệt độ hơi ATR thay đổi theo
lưu lượng mol không khí.
Hình 4.2.2 Lưu lượng mol của CO và H
2
phụ thuộc lưu lượng khối lượng không
khí.
3
Hình 4.2.3 Sự thay đổi lưu lượng của CO và
H
2
ở dòng ra khi thay đổi lưu lượng nước.
Hình 4.2.4 Nhiệt độ ATR vap out khi
thay đổi lưu lượng khối lượng nước

01-089-5881 (C) - Nickel Oxide - NiO - Y: 3.80 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Cubic - a 8.35320 - b 8.35320 - c 8.35320 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Face-centered - Fm-3m (225) - 32 - 582.
01-071-1123 (C) - Corundum - Al2O3 - Y: 42.51 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Rhombo.H.axes - a 4.76170 - b 4.76170 - c 12.99470 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - R-3c (167) - 6 -
File: Son DH mo mau PT15.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 80.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 19 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi
Lin (Cps)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
2-Theta - Scale
20 30 40 50 60 70 80
d=3.490
d=2.555
d=2.386
d=2.421
d=2.089
d=1.965
d=1.743
d=1.603

2
O và Ni
2
Al(CO
3
)
2
(OH)
3
tại các vị trí 45
o
, 36
o
và 26
o
ngoài ra tại hai vị trí 53
o
và 58
o
cùng xuất hiện NiAl
2
O
4
4.3.2. Kết quả đo BED mẫu xúc tác CP15
BET Surface Area: 204.0826 ± 0.6923 m²/g
4.4. Kết quả các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình reforming etanol
Hình 4.11: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chuyển
hóa etanol và phần mol của H
2
[4]

Ethanol”, 2005.
[2]Abayomi Akandea,Ahmed Aboudheir, Raphael Idema &Ajay Dalai, International
Journal of Hydrogen Energy 31(2006)1707–1715 “Kinetic modeling of hydrogen
production by the catalytic reforming of crude ethanol over a co-precipitated Ni-Al
2
O
3
catalyst in a packed bed tubular reactor”.
[3]AhmedAboudheir,AbayomiAkandea, Raphael Idema &Ajay Dalai, “Experimental
studies and comprehensive reactormodeling of hydrogen production by the catalytic
reforming of crude ethanol in a packed bed tubular reactor over aNi/Al O catalyst”.
[4] MUHAMAD SYAFIQ BIN ADAM, graduate schemes, “Simulation and
optimization of ethanol autothermal reformer for fuel cell applications” Universiti
Teknologi Malaysia
[5] S.H.D. Lee, S. Ahmed, D. Applegate, R. Ahluwalia, “High Pressure Distributed
Ethanol Reforming” U.S Department of energy energy efficiency and renewable energy.
SUMMARY
Optimize the reforming process of ethanol on Ni/Al
2
O
3
to produce hydrogen using
Aspen Hysys
Doan Van Huan, Luong Van Son, Nguyen Thi Thanh Mai, Ngo Thi Hanh
Hanoi University of Mining and Geology
With using Aspen Hysys, the reforming process of ethanol to produce hydrogen
is simulated for research factors affected on this process. The results show that the
hydrogen content is optimized at the water flow rate of 70kmol/h and the air flow rate
of 845 kmol/h. Furthermore, the reaction of ethanol reforming using Ni/Al
2