Báo cáo: TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH REFORMING ETANOL ĐỂ SẢN XUẤT H2 SỬ DỤNG XÚC TÁC Ni/Al2O3 TRÊN PHẦN MỀM HYSYS doc

Trường Đại Học Mỏ Địa Chất
Khoa Dầu Khí
Bộ Mơn: Lọc Hóa Dầu

ĐỀ TÀI:
TỐI ƯU HĨA Q TRÌNH REFORMING
ETANOL ĐỂ SẢN XUẤT H2 SỬ DỤNG XÚC
TÁC Ni/Al2O3 TRÊN PHẦN MỀM HYSYS

HN: 2011


SINH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI:
 Lương Văn Sơn
 Ngô Thị Hạnh
 Nguyễn Thị Thanh Mai
Giáo Viên Hướng Dẫn:
KS. Đoàn Văn Huấn


MỤC ĐÍCH VÀ Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI
Mục đích:
Sản xuất hydro từ etanol một nguồn nguyên liệu biomass
Tối ưu hóa quá trình nhằm thu được tối đa H2 giảm lượng CO2 thốt ra mơi
trường dựa vào mơ phỏng trên phần mềm Hysys
Tổng hợp xúc tác cho phản ứng và nghiên cứu động học của phản ứng trên xúc
tác Ni/Al2O3
Ý nghĩa:
- Sản xuất H2 nhằm thay thế nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt,
đồng thời giúp giảm ô nhiễm mơi trường do nhiên liệu hóa thạch gây ra.
- Sản xuất H2 là một hướng đi mới, phương pháp này có nhiều ưu điểm hơn

các phương pháp khác nó có tính ứng dụng cao, đơn giản và phù hợp với
điều kiện nguồn nguyên liệu biomass sẵn có như ở Việt Nam.


NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
 Giới thiệu nguồn nhiên liệu H2
 Mơ phỏng q trình reforming etanol sản xuất H2
- Mơ phỏng q trình
- Tối ưu hóa q trình
 Mơ phỏng phản ứng reforming trên xúc tác Ni/Al2O3
- Nghiên cứu động học của phản ứng
- Tổng hợp xúc tác Ni/Al2O3 (đặc trưng bằng phương
pháp XRay + BET)
- Mô phỏng phản ứng trên Hysys, đánh giá các yếu tố
ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng
 Kết luận và kiến nghị


CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG HIỆN NAY

Năng lượng mặt trời

Năng lượng hóa thạch: dầu mỏ, than đá


Năng lượng sinh khối

Hạt nhân

Sơ đồ sản xuất etanol từ sinh khối
Xử lý
nguồn
biomass

Xử lý sơ bộ

Sản xuất
enzim

Thủy phân
xenlulozơ

Etanol

Lên men
glucozơ

Lên men
pentozơ

Thu hồi
etanol

Tận dụng
licnin


Với mục đích làm nhiên liệu, H2 có nhiều ưu điểm hơn
so với nhiên liệu hóa thạch

Là nhiên liệu sạch, gần như khơng
Là nhiên liệu sạch, gần như khơng
phát khí thải. .
phát khí thải
Là nguồn năng lượng có thể tái
Là nguồn năng lượng có thể tái
sinh.
sinh.
Thay thế khí thiên nhiên cung cấp
Thay thế khí thiên nhiên cung cấp
năng lượng cho nhu cầu dân dụng. .
năng lượng cho nhu cầu dân dụng
Làm pin nhiên liệu cho động cơ,
Làm pin nhiên liệu cho động cơ,
chạy rất êm, không gây ồn. .
chạy rất êm, không gây ồn


Ứng dụng của nguồn H2

Cơng nghệ
hóa dầu

Nguồn H2

Luyện kim,
chất bán dẫn

Công nghệ

lọc dầu

Nhiên liệu
cho động cơ


Tại sao lại dùng etanol để sản xuất H2 ?
Dễ reforming hơn hydrocacbon

Tiết kiệm năng lượng và chi phí

Tránh vấn đề ô nhiễm môi trường

Do không cần etanol tinh khiết
nên bỏ qua các công đoạn sấy
khô, chưng cất, hấp phụ .
Do không dùng lưu huỳnh, một xúc tác
độc như trong reforming hydrocacbon và
sử dụng nguồn etanol sinh khối.


Tại sao lại dùng xúc tác Ni/Al2 O3 ?
• Xúc tác có các ưu điểm:

Độ chọn lọc H2 cao
Tạo ra hiệu suất cao, > 90%
Dễ tổng hợp.


MƠ PHỎNG Q TRÌNH SẢN XUẤT H2

TỪ ETANOL
Mơ phỏng q trình reforming etanol sản xuất hydro.
etanol
Air
Water
Sơ đồ khối

Thiết bị
ATR
100oC

Thiết bị
WGS
100oC

Thiết bị
PROX
70oC
Khơng khí
H2(pin nhiên liệu)


Sơ đồ dịng mơ phỏng


Dòng nguyên liệu
Dòng

Dòng 1

Dòng 2

Dòng 3

Đơn vị

Condition
Name

water

Air

etanol

Nhiệt độ

100

100

100

Lưu Lượng

150

550

100

kmol/h

Áp Suất

101.3

101.3

101.3

kPa

C

O


THIẾT LẬP PHẢN ỨNG
Trong thiết bị ATR
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•

•
•
•

CH3CH2OH + 3H2O → 6H2 + 2CO2
CH3CH2OH + 3H2O → 4H2 + 2CO
CH3CH2OH + 0.5 O2 → CH3CHO + H2O
CH3CH2OH → C2H4O + H2
CH3CH2OH → C2H4
CH3CH2OH → 0.5 CO2 + 1.5 CH4
CH3CH2OH → CO + CH4 + H2
C2H4O + H2O → 2CO + 3H2
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
CH4 + 2O2 → CO + 2H2
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2
C2H4 + H2 → C2H6
C2H4 → 2C + 2H2

(∆Ho =174kJmol-1)
(∆Ho = 256 kJmol-1)
(∆Ho = -175 kJmol-1)
(∆Ho = 68 kJmol-1)
(∆Ho= 45 kJmol-1)
(∆Ho= -74 kJmol-1)
(∆Ho= 49 kJmol-1)
(∆Ho= 180 kJmol-1)
(∆Ho= -800 kJmol-1)
(∆Ho= -36 kJmol-1)
(∆Ho= -320 kJmol-1)
(∆Ho= -140 kJmol-1)

(∆Ho= -52 kJmol-1)


THIẾT LẬP PHẢN ỨNG

• Trong thiết bị HTS, MTS & LTS (WGS)
CO + H2O ↔ CO2 + H2 (∆Ho= -42 kJmol-1)
• Trong thiết bị PROX (mục đích là giảm nồng độ CO đến
mức cho phép)
CO+O2 ↔ CO2 và O2 + H2 = H2O.


Sơ đồ dịng mơ phỏng


Kết Quả Mơ Phỏng
Kết quả các dịng ra khỏi thiết bị ATR và LTS

Thành phần

Dòng hơi ra khỏi
thiết bị ATR

Dòng hơi ra khỏi
thiết bị LTS

CO

0.033193

0.005956

H2

0.626474

0.658713


TỐI ƯU HĨA Q TRÌNH

Nồng độ của CO và H2 phụ thuộc lưu
lượng dịng khơng khí

Nhiệt độ dịng hơi ra khỏi thiết bị ATR
thay đổi theo lưu lượng mol không khí


TỐI ƯU HĨA Q TRÌNH

Sự thay đổi nồng độ của CO và H2 ở dòng ra
khi thay đổi lưu lượng nước.

Nhiệt độ dòng hơi ra khỏi thiết bị ATR
khi thay đổi lưu lượng dòng nước


TỐI ƯU HĨA Q TRÌNH

Nồng độ CO của dịng hơi ra khỏi thiết bị PROX khi thay đổi lưu lượng dòng PROX air.

TỐI ƯU HĨA Q TRÌNH

Thành phần

Dịng khí ra khỏi
thiết bị ATR

Dịng khí ra khỏi
thiết bị LTS

845 kmol/h

70 kmol/h

CO

0.0337

0.0049

H2

0.6355

0.6644

Nồng độ CO giảm 1.527% ÷ 17.73% và H2 đã
tăng lên 1.44%÷ 0.86% sau khi đã tối ưu

KẾT QUẢ TỐI ƯU
Worksheet/conditions
Name
Nhiệt độ

PROX vap out
126 oC

Áp suất

81.32 KPa

Tốc độ dòng

2601 kgmole/h

Worksheet/composition

Phần mol

H2O

0.003453

CO

0.000005

CO2

0.067303

H2

0.656456

N2

0.267014

O2

0.000014

AcetAldehyde

0.002564

Methane

0.001915

ethylene

0.001276


Động học quá trình reforming etanol trên

xúc tác Ni/Al2O3

Dựa trên cơ chế Eley Rideal.

C2H6O + 3H2O

2CO2 + 6H2 (∆HO=174kJmol-1)

1.Hấp thụ etanol
Lên bề mặt xúc tác

C2H6O + (a) ↔ C2H6O(a)

2.Tương tác giữa etanol
Hấp thụ với vị trí lỗ
Trống liền kề

C2H6O(a) + (a) ↔ CH4O*(a) + CH2*(a)

CH4*(a) + H2O(g) ↔ CO2 + 3H2 + (a).
3.Phản ứng bề mặt
Hấp phụ & giải hấp phụ CH*2(a) + 2H2O(g)
CO2 + 3H3 + (a).


Tổng Hợp Xúc Tác Ni/Al2O3
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã tổng hợp xúc tác
Ni/Al2O3 dựa trên 2 phương pháp:
- Phương pháp đồng kết tủa (coprecipitation)

Dd Na2CO3
Ni(NO3).6H2O
Al2(NO3)3.9H2O

Dung dịch A
40oC

Khuấy

Sấy khô

Lọc kết tủa
Nung 600oC
Mẫu CP