Luận Văn Mô phỏng và Đánh giá các công nghệ tách nước để sản xuất Ethanol tuyệt đối

MỤC LỤC
Trang
LỜI MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC VÀ ETHANOL 3
1.1 Tổng quan về nhiên liệu sinh học. 3
1.1.1 Nhiên liệu sinh học ‒ Nguồn năng lượng tất yếu. 3
1.1.2 Tình hình phát triển nhiên liệu sinh học (BioFuel) hiện nay. 5
1.1.2.1 Phát triển nhiên liệu sinh học ở các nước trên thế giới 5
1.1.2.2 Phát triển nhiên liệu sinh học tại các nước trong khu vực. 5
1.1.3 Phân loại nhiên liệu sinh học. 6
1.1.3.1 Khí sinh học (Biogas). 6
1.1.3.2 Diesel sinh học (BioDiesel). 7
1.1.3.3 Xăng sinh học (Gasohol) . 8
1.2 Lý thuyết tổng quan về ethanol 9
1.2.1 Sơ lược về Ethanol 9
1.2.1.1 Tính chất Ethanol 9
1.2.1.2 Ứng dụng của Ethanol 10
1.2.1.2.1 Các chất điều chế từ Ethanol 10
1.2.1.2.2 Ethanol nhiên liệu. 11
1.2.1.2.3 Các ứng dụng khác. 11
1.2.1.3 Cơ chế phụ gia của Ethanol khi pha vào xăng. 12
1.2.1.4 Tình hình sản xuất Ethanol trên thế giới 13
1.2.1.5 Tình hình sản xuất Bioethanol tại Việt Nam 15
1.2.2 Quy trình chung sản xuất ethanol nhiên liệu. 18
1.2.2.1 Quá trình lên men (Fermentation). 18
1.2.2.2 Quá trình chưng cất (distillation). 19
1.2.2.3 Quá trình tách nước (dehydration). 20
1.2.3 Một số lưu đồ sản xuất bioethanol 20
1.2.3.1 Sản xuất Bioethanol từ tinh bột 20
1.2.3.2 Sản xuất Bioethanol từ rỉ đường. 21
1.2.3.3 Sản xuất Bioethanol từ Xenlulozo. 23
CHƯƠNG 2. CÁC CÔNG NGHỆ TÁCH NƯỚC CỦA ETHANOL 24
2.1 Phương pháp chưng cất 24
2.1.1 Pressure Swing Distillation (PSD). 24
2.1.2 Chưng luyện trích ly với muối khan. 24
2.1.3 Chưng cất chân không. 25
2.1.4 Chưng cất đẳng phí (Azeotropic Distillation). 25
2.1.5 Chưng cất trích ly (Extractive Distillation). 29
2.2 Dùng Na[SUB]2[/SUB]SO[SUB]4[/SUB], CaSO[SUB]4[/SUB], CaCO[SUB]3[/SUB], CuSO[SUB]4[/SUB] khan để hấp phụ nước. 30
2.3 Hấp phụ bằng rây phân tử. 30
2.3.1 Giới thiệu về phương pháp. 30
2.3.2 Giới thiệu về Zeolite. 31
2.3.3 Quá trình hấp phụ. 34
2.3.4 Công nghệ quá trình hấp phụ PSA 35
2.3.4.1 Chuẩn bị dòng nguyên liệu. 35
2.3.4.2 Quá trình tách nước. 36
2.3.4.3 Làm lạnh và ngưng tụ. 39
2.4 Công nghệ lọc màng (Membrane Technology). 40
2.4.1 Giới thiệu về phương pháp. 40
2.4.2 Các kỹ thuật tách sử dụng lọc màng. 44
2.4.2.1 Vi lọc (Microfiltration). 44
2.4.2.2 Siêu lọc (Ultrafiltration). 45
2.4.2.3 Thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis : RO). 45
2.4.2.4 Lọc nano (Nanofiltration). 45
2.4.2.5 Bốc hơi thẩm thấu qua màng (Pervaporation). 46
2.5 Phương pháp kết hợp bốc hơi thẩm thấu và rây phân tử. 48
2.6 Kết hợp chưng cất và thẩm thấu qua màng. 48
CHƯƠNG 3. LỰA CHỌN PHẦN MỀM MÔ PHỎNG THÍCH HỢP ĐỂ HỖ TRỢ TÍNH TOÁN 49
3.1 Phần mềm PRO/II 49
3.1.1 Giới thiệu chung. 49
3.1.2 Nhược điểm khi sử dụng cho công nghệ tách nước của ethanol 50
3.2 Phần mềm Hysys (Aspen Hysys). 50
3.2.1 Giới thiệu chung. 50
3.2.2 Lựa chọn phần mềm Aspen Hysys. 51
CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM HYSYS MÔ PHỎNG CÁC CÔNG NGHỆ TÁCH NƯỚC ĐỂ SẢN XUẤT ETHANOL TUYỆT ĐỐI. 53
4.1 Mô phỏng phương pháp chưng cất chân không. 53
4.1.1 Mô phỏng điểm đẳng phí của hỗn hợp ethanol – nước ở 760 mmHg. 53
4.1.1.1 Các thao tác mô phỏng. 53
4.1.1.2 Nhập dòng vào (Feed). 56
4.1.1.3 Mô phỏng tháp. 57
4.1.2 Mô phỏng tháp chưng cất ở 404.6 mmHg. 59
4.2 Mô phỏng chưng cất đẳng phí 61
4.2.1 Chưng cất đẳng phí với benzen. 61
4.2.1.1 Chọn mô hình nhiệt động. 61
4.2.1.2 Mô phỏng các thiết bị 62
4.2.1.2.1 Tháp làm đậm đặc Concentrator. 62
4.2.1.2.2 Thiết bị tách nước Dehydrator. 63
4.2.1.2.3 Bình tách DECANT đỉnh tháp Dehydrator. 65
4.2.1.2.4 Thiết bị thu hồi benzen BZ Stripper. 66
4.2.2 Chưng cất đẳng phí với cyclohexan (CH). 68
4.2.2.1 Thiết kế thiết bị tách nước Dehydrator. 68
4.2.2.2 Thiết kế bình tách 3 pha lỏng lỏng. 70
4.2.2.3 Mô phỏng tháp hồi lưu Cyclohexan. 71
4.3 Mô phỏng chưng cất trích ly. 72
4.3.1 Mô phỏng tháp tách nước Dehydrator. 72
4.3.2 Mô phỏng tháp hồi lưu EG 74
4.4 Hấp phụ bằng rây phân tử. 76
4.4.1 Mô phỏng hấp phụ bằng rây phân tử. 76
4.4.1.1 Mô phỏng tháp bốc hơi C-1601. 76
4.4.1.2 Mô phỏng thiết bị hấp phụ V-1601 và các thiết bị tách, phối trộn. 80
4.4.1.3 Mô phỏng cụm các thiết bị trao đổi nhiệt 82
4.4.2 Tính toán tháp hấp phụ. 85
4.4.2.1 Mục tiêu việc tính toán tháp hấp phụ. 85
4.4.2.2 Tính toán đường cong Breakthrough. 86
4.4.2.2.1 Tính chiều cao của vùng cân bằng. 86
4.4.2.2.2 Tính thời gian hấp phụ theo đường cong breakthrough. 87
4.4.2.3 Tính toán cơ khí tháp hấp phụ. 96
4.4.2.3.1 Tính lượng zeolite cần thiết 96
4.4.2.3.2 Tính lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình hấp phụ. 96
4.4.2.3.3 Tính chiều cao tháp hấp phụ. 97
4.4.2.3.4 Tính tổn thất áp suất qua lớp hạt xúc tác. 99
4.4.2.3.5 Tính chiều dày thân tháp. 100
4.4.3 Lựa chọn các thiết bị phụ. 101
4.4.3.1 Thiết bị trao đổi nhiệt 101
4.4.3.1.1 Thiết bị truyền nhiệt loại vỏ bọc ngoài 101
4.4.3.1.2 Thiết bị truyền nhiệt loại ống. 102
4.4.3.1.3 Thiết bị truyền nhiệt loại tấm 103
4.4.3.1.4 Thiết bị truyền nhiệt loại xoắn ốc. 104
4.4.3.1.5 Thiết bị truyền nhiệt loại ống có gân. 104
4.4.3.2 Thiết bị ngưng tụ. 105
4.4.3.3 Lựa chọn bơm . 105
CHƯƠNG 5. ĐÁNH GIÁ CÁC CÔNG NGHỆ TÁCH NƯỚC ĐỂ SẢN XUẤT ETHANOL TUYỆT ĐỐI 107
KẾT LUẬN 111
TÀI LIỆU THAM KHẢO 112











LỜI MỞ ĐẦU —–&—™


Sự khám phá ra dầu mỏ đã đánh dấu một bước ngoặt lớn trong lịch sử phát triển của xã hội loài người. Dầu mỏ và các sản phẩm từ dầu mỏ đã đóng góp trong tất cả các lĩnh vực đời sống nói chung và các ngành năng lượng nói riêng. Tuy nhiên, bên cạnh những mặt ưu việt, chúng ta không thể không nói đến những vấn đề tồn tại do quá trình khai thác và sử dụng dầu mỏ quá mức gây ra việc thiếu hụt năng lượng trong tương lai, nhưng đáng kể nhất là sự ô nhiễm môi trường do khí thải của quá trình đốt cháy nhiên liệu.
Người ta ước tính khí thải từ các hoạt động có liên quan các sản phẩm dầu mỏ và nhiên liệu hóa thạch chiếm khoảng 70% tổng lượng khí thải trên toàn thế giới. Khí thải là nguyên nhân trực tiếp gây ra những biến đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính và hàng loạt các vấn đề về môi trường. Nhiều nỗ lực đã và đang được thực hiện nhằm tìm kiếm những nguồn năng lượng thay thế, trong đó, một trong những nguồn năng lượng mới đang được quan tâm hiện nay là nhiên liệu sinh học. Ðây là nguồn năng lượng có thể tái sinh và ít gây ô nhiễm môi trường. Và nó có thể được chia thành các loại như sau:
· Nhiên liệu lỏng
· Khí sinh học (Biogas)
· Nhiên liệu sinh học rắn
Trong đó Bio ‒ Ethanol là một loại nhiên liệu sinh học lỏng mới, hiện đang được nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Loại năng lượng sinh học này ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu tiêu thụ năng lượng trên thế giới đồng thời có khả năng thay thế dần cho nguồn năng lượng hóa thạch đang có nguy cơ cạn kiệt trong tương lai.
Góp phần thực hiện mục tiêu đó em đã thực hiện đề tài: “Mô phỏng và Đánh giá các công nghệ tách nước để sản xuất Ethanol tuyệt đối” trên cơ sở kiến thức cơ bản, ứng dụng phần mềm mô phỏng và tính toán em đã hoàn thành đề tài này. Đề tài gồm các phần chính như sau:

· Tổng quan về nhiên liệu sinh học – Bioethanol trên thế giới và ở nước ta.
· Tổng quan các công nghệ tách nước của Ethanol.
· Lựa chọn phần mềm mô phỏng thích hợp hỗ trợ cho quá trình tách nước.

· Mô phỏng các công nghệ tách nước để sản xuất Ethanol tuyệt đối. Từ dữ liệu mô phỏng tính toán thiết kế thiết bị hấp phụ và lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt phù hợp với nhu cầu sử dụng.

· Đánh giá so sánh các phương pháp tách nước nhằm thu được cồn tinh khiết.