Đề tài " Thiết kế hệ thống hấp phụ tinh luyện cồn pha xăng " pot

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

= 99,5% phần khối lượng
- Nguồn năng lượng và các thông số khác tự chọn
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
Xem ở phần mục lục
4. Các bản vẽ và đồ thị (loại và kích thước bản vẽ):
Gồm 2 bản vẽ A1: bản vẽ quy trình công nghệ và bản vẽ chi tiết thiết bị
5. Ngày giao đồ án: 5/07/2010
6. Ngày hoàn thành đồ án: 4/9/2010
7. Ngày bảo vệ hay chấm: 7/9/2010
Ngày 4 tháng 09 năm 2010
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)
ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải

Trang 2

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN
Cán bộ hướng dẫn. Nhận xét:____________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
Điểm:________________ Chữ ký: ____________________

Cán bộ chấm hay Hội đồng bảo vệ. Nhận xét: _______________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
Điểm:________________ Chữ ký: ____________________

Điểm tổng kết:

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

V. Vật liệu hấp phụ Zeolite 19
1. Cấu trc của zeolite 19
2. Phn loại Zeolite 19
3. Xác định bề mặt riêng của zeolite 20
4. Một số đặc trưng của Zeolite 4A 21
Chương 2 22

I. Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 22
II. Thuyết hấp phụ Fruendlich 23
III. Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Brunauer – Emmett – Teller (BET) 24
IV. Một số thực nghiệm về phương pháp hấp phụ sản xuất cồn bằng vật liệu zeolite 25
Chương 3 30

I. Lựa chọn quy trình công nghệ 30
II. Thuyết minh quy trình công nghệ 30
Chương 4 31

I. Cn bằng vật chất cho qu trình hấp phụ 31
ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải

Trang 4

II. Tính tốn chiều cao lớp hấp phụ 33
1. Đường kính của tháp 33
2. Tính chiều cao thp 34
3. Tính tốn thời gian hấp phụ 34
4. Tính toán lượng zeolite cần thiết 35
III. Cân bằng nhiệt lượng cho quá trình hấp phụ
35
Chương 5 37

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

Trang 5

4. Hệ số cấp nhiệt của nước giải nhiệt đi trong ống 53
5. Mật độ dịng nhiệt truyền qua vch 54
6. Hệ số truyền nhiệt tổng qut 55
7. Bề mặt truyền nhiệt 55
Kết Luận
Ti Liệu tham khảo


















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

Trang 6

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

Như trên đ nu, năng lượng v ơ nhiễm l hai vấn đề quan trọng cấp bch cần giải quyết nhanh
chóng
Thực tế cho thấy, cng với sựu pht triển mạnh mẽ của nền đại công nghiệp thì ko theo l
lượng năng lượng cần cho nó cũng tăng lên rất lớn. Trong khi đó nguồn năng lượng hóa thạch
đang ngày càng cạn kiệt, theo như dự bo của các nh khoa học thì trữ lượng xăng dầu của tồn
thế giới chỉ đủ cho khoảng 50 năm nữa
Mặt khác việc sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch làm cho môi trường bị ơ nhiễm
nghim trọng. Việc đốt chy nhiên liệu hóa thạch thải ra rất nhiều khí ơ nhiễm như COx, NOx,
SOx, các hợp chất hydrocacbon… Gy nn nhiều hiệu ứng xấu đến môi trường sống, ảnh
hưởng lơn đến chất lượng cuộc sống
Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo v thn thiện với môi
trường là điều rất quan trọng v cần thiết. Bn cạnh việc sử dụng các nguồn năng lượng như
năng lượng thủy điện, năng lượng nguyn tử, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng
thủy triều…Thì năng lượng có nguồn gốc sinh học đang rất được quan tm. Ethanol l nhiên
liệu đi từ nguồn gốc sinh học đang được cả thế giới quan tm. V hiện nay Ethanol được sử
dụng như một phụ gia để pha vào xăng tạo thnh một loại nhiên liệu được gọi l gasohol hay
gasoline – alcohol
Đặc biệt nước ta l một nước có nền kinh tế nơng nghiệp l chủ yếu với thế mạnh chính
l các ngnh trồng trọt và chăn nuôi đặc biệt l ngnh trồng la gạo. Nước ta là nước có sản lượng
la gạo xuất khẩu đứng thứ hai trn thế giới với những năm gần đây kim nghạch xuất khẩu gạo
tăng liên tục. Bn cạnh đó ngành trồng trọt rau củ quả cũng pht triển rất mạnh.
Tất cả các yếu tố trn cho thấy việc sản xuất Ethanol pha xăng từ các phụ phẩm của sản
xuất nơng nghiệp ở Việt Nam l rất khả thi
Vì những lý do trn, đề ti “ Thiết kế phân xưởng tinh luyện cồn tuyệt đối dùng để pha
xăng” là công đoạn cuối cng của dy chuyền sản xuất cồn pha xăng có ảnh hưởng lớn đến chất
lượng của loại nhiên liệu mới này
2. Lợi ích của việc dng gasohol
Xt về mặt năng lượng thì cồn tinh luyện khơng có lợi hơn so với xăng (năng lượng
sinh ra khi đốt chy cồn chỉ bằng 62% khi đốt cháy xăng) nhưng việc ứng dụng gasohol vào
thực tế sẽ mang nhiều lợi ích kinh tế:

- 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

2
O → CH
3
CH
2
OH
1.2. Phương pháp lên men
Ethanol sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng như phần lớn ethanol sử dụng trong
công nghiệp, nhiên liệu… được sản xuất theo phương pháp lên men: quá trình này l chuyển
hóa đường thnh ethanol bằng nấm men (người ta thường dng loại Sacácharomyses cerevisiae)
trong điều kiện không có oxy hay điều kiện yếm khí, phản ứng hóa học tổng qut được viết
như sau:
C
6
H
12
O
6
→ 2 CH
3
CH
2
OH + 2CO
2

Qu trình nuơi cấy men rượu được gọi l ủ men. Sau khi chuyển hóa hết đường người ta lọc lấy
dung dịch và đem chưng cất để nng cao nồng độ ethanol
2. Tính chất v ứng dụng của cồn
2.1. Tính chất vật lý
Ethanol l chất lỏng không màu, mùi thơm, dễ chy, dễ ht ẩm, có độ phn cực mạnh.

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

- Trong y tế cồn l nguyn liệu trung gian để sản xuất nhiều loại thuốc, cồn cịn lm chất st
trng
- Trong ngnh công nghiệp sơn cồn dng lm dung mơi
- Trong công nghiệp hương liệu và nước hoa cồn dn lm dung mơi
- Trong hóa học cồn l chất trung gian sản xuất ra các hóa chất khác như: axit acetic,
andehyt acetic, etyl acetat…
- Dng lm nhiên liệu pha xăng E10, E20, E85, E100…

III. Cồn nhiên liệu
1. Lịch sử pht triển
Từ những năm 20 của thế kỉ XX cồn đ được nghin cứu, sử dụng lm nhiên liệu cho
động cơ ôtô xe máy thay thế cho xăng dầu. Điển hình cho hướng đi tiên phong này là Mỹ v
Brasil. Tuy nhiên với việc pht hiện ra các mỏ dầu có trữ lượng lớn cng với sự pht triển mạnh
mẽ của ngnh công nghiệp lọc hóa dầu đ sản xuất ra sản phẩm xăng dầu chất lượng cao gi
thnh hạ đ lm cho cồn nhiên liệu bị đẩy li
Năm 1973 với cuộc khủng hoảng năng lượng thì vấn đề dng cồn nhiên liệu lại được
đề cập nhưng phải đến đầu thế kí XXI hì hướng pht triển cồn nhiên liệu mới được ưu tiên
phát triển tuy vậy nĩ vẫn chỉ đóng vai trị thứ yếu so với các nhiên liệu hóa thạch, nhưng trong
tương lai nó có thể l nguồn năng lượng chính khí dầu mỏ cạn kiệt.
ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải

Trang 10

Trn thế giới hiện nay có các nước Mỹ, Ty u, Brasil, Trung Quốc, Nhật Bản đang là
các nước sản xuất cồn nhiên liệu nhiều nhất
2. Yu cầu về chất lượng
Thực ra cồn cũng l hợp chất cacbuahydro như dầu mỏ nn có tính chy nổ tốt. Vì vậy về
nguyn tắc với cồn khan 99,5% trở ln l có thể cho vào động cơ chạy được, tuy nhiên cồn có
nhiều đặc tính như ăn mịn kim loại, lăm hư các chi tiết cao su hay nhựa trong động cơ nên
nếu khơng cải tiến động cơ thì khơng thể thay thế hồn tồn xăng bằng cồn khan để chạy động

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
-

13 Ngoại quan Trong




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

Trang 11











Bảng 2: Tiu chuẩn cồn nhiên liệu của Mỹ năm 2003

STT Tn chỉ tiu Đơn vị Giới hạn
1 Tỷ trọng tại 15,6
0
C, max g/ml 0,796
2 Nồng độ ethanol ở 15,6
0
C, min % tt 99,5
3 Tính kiềm - Khơng có
4 Axit qui về axit acetic, max % KL 0,006

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

3 Tính kiềm - Khơng có
4 Axit qui về axit acetic, max mg/l 30
5 Lượng chất rắn cịn lại khi bốc hơi
nguyên liệu, max
%KL 0,005
ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải

Trang 12

6 Lượng aldehyde qui về
CH
3
COOC
2
H
5,
max
mg/l 60
7 Đồng (Cu), max mg/kg 0,1
8 Methyl alcohol, max mg/kg 300
9 Khả năng dẫn điện, max microS/m 300

3. Các phương pháp pha cồn vào xăng
Cồn có thể được sử dụng lm nhiên liệu cho vào động cơ ở nhiều dạng khác nhau, cụ
thể l pha lẫn với xăng với tỷ lệ nào đó hoặc sử dụng 100% cồn. Qua việc thử nghiệm trn các
loại động cơ với nhiên liệu có cồn người ta thấy rằng nếu tỉ lệ cồn khơng qu 10%tt thì khơng
cần thay đổi kết cấu động cơ
Hiện nay trn thị trường đang lưu hành các loại xăng pha cồn như E5, E7, E10, E15,
E20, E85, E95, E100. Ký hiệu E có nghóa là xăng pha cồn cịn chỉ số có nghóa l phần trăm
thể tích của cồn trong xăng

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:

 Giai đoạn 1: Sử dụng các phương pháp chưng cất thông thường để nâng cao độ cồn
tới gần điểm đẳng phí (96,4%tt)
 Giai đoạn 2: Sử dụng các phương pháp đặc biệt khác để tinh chế, lm khan cồn. Để lm
khan cồn hiện nay người ta thường sử dụng các phương pháp:
 Chưng luyện:
Chưng luyện đẳng phí
Trích ly muối rắn
 Phương pháp bay hơi thẩm thấu qua mng
 Phương pháp hấp phụ
1. Phương pháp chưng luyện
1.1. Phương pháp chưng luyện đẳng phí
Nguyn tắc của phương pháp này là cho thêm cấu tử thứ ba vào hỗn hợp để phá điểm
đẳng phí, cấu tử thứ ba này sẽ tạo thnh với cấu tử dễ bay hơi thành một dung dịch đẳng phí có
độ bay hơi lớn hơn và sản phẩm đáy tháp sẽ ở dạng nguyn chất.
Cấu tử thứ ba thường dng l Benzene, Clorofom, toluene…
1.2. Phương pháp trích ly với muối rắn
ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải

Trang 14

Trong một vi hệ nào đó khi độ hịa tan cho php thì ta có thể hịa tan muối vào trong pha
lỏng, đúng hơn là thêm vào chất lỏng như là một tc nhn ring cho qu trình chưng luyện trích
ly. Khi đó muối sẽ làm thay đổi thnh phần hỗn hợp ở trạng thi cn bằng mà không làm thay
đổi hỗn hợp ở trạng thái đầu, đối với hệ ethanol – nước khi thm muối khan làm cho độ bay
hơi thay đổi đáng kể
2. Phương pháp bay hơi thẩm thấu qua mng
Phương pháp bay hơi thẩm thấu qua mng lọc dựa trn nguyn tắc sử dụng mng có khả
năng hút nước cao, có khả năng thẩm thấu ngược để tách nước ra khỏi hỗn hợp các cấu tử.
Bay hơi qua màng rất hiệu quả cho qu trình phn tch hỗn hợp lỏng ví dụ như loại nước
ra khỏi hỗn hợp ethanol – nước để sản xuất cồn cao độ. Kích thước của mng phụ thuộc lưu

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

để nhả hấp…
Trong công nghệ lm khan cồn bằng chất hấp phụ lại được thực hiện bằng rất nhiều
cách: hấp phụ cồn dưới dạng hơi, cồn dạng lỏng, thực hiện hấp phụ bằng hai thp hay ba thp,
thp tầng cố định hoặc tầng sôi…Dưới đây là sơ đồ công nghệ của các phương pháp trên



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

Trang 16


Hình 2. Sơ đồ hấp thụ cồn dạng hơi sử dụng hai thp



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

Trang 17


Hình 3. Sơ đồ hấp thụ cồn dạng hơi sử dụng ba thp







4. Phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp

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

 Ưu điểm
- Có thể nâng cao độ cồn ln tới 99,9% tt với phương pháp hấp phụ ph hợp
- Có thể thay thế các thơng số vận hnh trong khoảng rộng
- Không có các tác nhân độc hại
- Có thể sử dụng chất hấp phụ sau nhiều lần ti sinh
- Thiết bị cấu tạo đơn giản dễ vận hnh
 Nhược điểm
- Phương pháp này chỉ p dụng với nồng độ đầu vào của cồn cao,thường l ngay tại gần
điểm đẳng phí. Bởi vì nếu lượng nước chứa trong hỗn hợp cồn nhiều sẽ lm cho lớp hấp phụ
nhanh chóng bị bo hịa năng suất sẽ thấp, qu trình ti sinh tốn nhiều năng lượng
V. Vật liệu hấp phụ Zeolite
1. Cấu trc của zeolite
Zeolite l vật liệu xốp được biết đến đầu tiên vào năm 1756 bởi nh khống vật
học người Thụy Điển A.F. Cronsteds. Zeolite tự nhiên được hình thnh trong qu trình hoạt
động của ni lửa v l các Aluminosilicat tinh thể cấu trc mao quản rất đồng đều cho php chng
sng lọc những phn tử theo cấu trúc xác định. Hiện nay có hơn 40 loại Zeolite được tìm thấy
trong tự nhiên v có khoảng 100 loại zeolite tổng hợp với kích thước mao quản nằm trong
khoảng 3A
0
– 30A
0
. Kích thước mao quản dùng để đặt tn cho vật liệu này v nĩ cũng l yếu tố
quyết định đến tính chất của zeolite. Thnh phần cơ bản của zeolite như sau:
(M
+
)
x
.(AlO
2
)

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

2.2.Phn loại Zeolite theo tỉ lệ Si/Al
Ty thuộc vào hm lượng Si v Al có trong thnh phần zeolite mà chúng được phn loại
như sau:
- Loại giu Al: theo quy tắc của Lowenstain thì hm lượng Si trong Zeolite lớn hơn của
Al, tức l tỉ số Si/Al luơn lớn hơn một, dựa vào tỉ số này ta phn loại. Trong loại giu Al thì điển
hình l các zeolite 3A, 4A, 5A với các cation b trừ điện tích lần lượt l Na, K, v Ca
- Loại có hàm lượng Al trung bình: với tỉ số Si/Al trong khoảng 1,2 – 2,5 ta có các
zeolite thuộc loại này l zeolite họ X, Y
- Loại giu Si (ít Al): loại này có tỉ lệ Si/Al lớn hơn 2,5, tiêu biểu cho loại này có ZSM –
5, ZSM- 11
3. Xác định bề mặt ring của zeolite
Để xác định bề mặt ring của zeolite ta dựa vào công thức
S
r
= n
m
.N.S
m
m
2
/g
Trong đó:
S
r
: diện tích bề mặt ring của chất hấp phụ, m
2
/g
S
m
: Diện tích bề mặt của một phn tử chất bị hấp phụ, m

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

298 20,7
H
2
O 298 10,8

Mặt khác ta cũng phải hết sức cẩn thận để tránh trường hợp hấp phụ l hấp phụ hóa học
hay hấp phụ đa lớp khi đó số mol chất hấp phụ đơn lớp trn một gam chất hấp phụ bị thay đổi
dẫn tới xác định sai bề mặt ring.
Ngày nay người ta sử dụng phương trình BET để xác định bề mặt riêng như là một tiu
chuẩn vì độ chính xác cũng như cách thực hiện khơng phức qu phức tạp
Từ phương trình BET ta xc định số mol n
m
từ gi trị V
m
như sau:
00
.
.
1
.
1
).( P
P
CV
C
CVPPV
P
mm





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

Đơn vị
Hình trụ Hình cầu
Đường kính mm 1,5-1,7 3,0-3,3 1,7-2,5 3,0-5,0
Mức đồng đều %, min 98 98 96 96
Khối lượng ring xốp g/cm3,
min
0,67 ~ 0,75
Mức hao mịn do cọ st %, max 0,20 0,25 0,20 0,20
Cường độ chịu lực N, min 30/cm 45/cm 60/cm 70/cm
Khả năng hấp phụ %, min 20,5 20,5 20,5 20,5
Mức hao mịn do nhiệt độ
cao 575
0
C/3h
%, max 1,5 1,5 1,5 1,5
ĐAMH CN Quá Trình & Thiết Bị GVHD: Lê Xuân Hải

Trang 22

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

1

Vậy tốc độ hấp phụ sẽ phụ thuộc v diện tích bề mặt cịn trống, p suất hơi trên bề mặt, mức
độ hoạt động của các trung tm hấp phụ. Mức độ hoạt động của trung tm hấp phụ được tính
theo đại lượng , trong đó E là năng lượng hoạt hóa của qu trình hấp phụ.
Trong khi đó vận tốc giải hấp tỉ lệ với phần diện tích bị che phủ v mức độ hoạt động của
qu trình nhả hấp , trong đó E’ là năng lượng hoạt hóa của qu trình nhả hấp
Khi qu trình cn bằng ta có:
RT
E
RT
E
eSkeSSPk
'
101102
) (.



Trong đó k
01
, k
02
l các hằng số tỉ lệ, ta có thể biểu diễn phương trình trn như sau
RT
q
e
k
k
SS

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

K
PK
vv
m
.
1
.



Hay ta chuyển về dạng
mm
v
P
vKv
P

.
1

II. Thuyết hấp phụ Fruendlich
Nghin cứu thực nghiệm qu trình hấp phụ Fruendlich đ đưa ra phương trình thực nghiệm:
RT
E
e
'
S
S
1



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

 Nếu n < 5 thì x = K.P
1/n

Suy ra dạng đường thẳng:
Lgx = lgb +(1/n).lgP
 Nếu n > 5 ta có dạng của đường Fruendlich
x = C
1
+C
2
lnP
Trong đó C
1
, C
2
l các hằng số


III. Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Brunauer – Emmett – Teller (BET)
Trong thực tế người ta thấy có nhiều dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ khác với đường đẳng
nhiệt Fruendlich hay Langmuir. Các nh khoa học Brunauer – Emmett- Teller đ tìm ra lý
thuyết giải thích v mối quan hệ định lượng chúng dưới dạng phương trình đẳng nhiệt BET.
Lý thuyết BET cho rằng sự hấp phụ khí, hơi trên bề mặt chất rắn l hấp phụ vật lý, ở giai đoạn
p suất thấp thì tun theo quy luật như của phương trình đẳng nhiệt hấp phụ của Langmuir, nếu
tăng áp suất thì sẽ diễn ra qu trình hấp phụ đa lớp khi p suất tiến tới bằng p suất hơi bo hịa
trn bề mặt rắn thì có thể xảy ra hiện tượng ngưng tụ trong các mao quản hấp phụ. Như vậy
theo BET các phn tử chất hấp phụ khơng chuyển động tự do trn bề mặt và không tương tác
với nhau, ở những điểm khác nhau có thể hình thnh nhiều lớp hấp phụ nhưng tổng bề mặt là
không đổi. Để thiết lập phương trình đẳng nhiệt BET người ta thừa nhận giả thiết của

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


