THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÁP HẤP PHỤ TINH LUYỆN CỒN PHA XĂNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
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 CHUYÊN NGÀNH QT&TB
MÃ SỐ: 605109
Họ và tên sinh viên: Vũ Tiến Dũng
Lớp: HC06MB
Ngành (nếu có): Quá Trình & Thiết Bị
1. Đầu đề đồ án:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÁP HẤP PHỤ TINH LUYỆN
CỒN PHA XĂNG
2. Nhiệm vụ (nội dung yêu cầu và số liệu ban đầu):
Nồng độ nhập liệu: xF= 92%phần khối lượng
Nồng độ sản phẩm cồn khan: xW = 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)

Trang 1


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:

Trang 2

Mục Lục
Chương 1........................................................................................................................................6
I. Mục đích đề tài.............................................................................................................................6
1. Tính thực tiễn của đề tài..........................................................................................................6
2. Lợi ích của việc dùng gasohol.................................................................................................7
II. Những đặc tính của cồn tinh luyện............................................................................................8
1. Các phương pháp sản xuất cồn...............................................................................................8
2. Tính chất và ứng dụng của cồn...............................................................................................8
III. Cồn nhiên liệu............................................................................................................................9
1. Lịch sử phát triển.....................................................................................................................9
2. Yêu cầu về chất lượng..............................................................................................................9
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.........................................................................13
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............................................................................................................18
1. Cấu trúc của zeolite...............................................................................................................18
2. Phân loại Zeolite....................................................................................................................18
3. Xác định bề mặt riêng của zeolite.........................................................................................19
4. Một số đặc trưng của Zeolite 4A...........................................................................................20

Chương 2......................................................................................................................................21
I. Thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir......................................................................................21

Trang 3

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

Chương 3......................................................................................................................................28
I. Lựa chọn quy trình công nghệ..................................................................................................28
II. Thuyết minh quy trình công nghệ...........................................................................................28

Chương 4......................................................................................................................................29
I. Cân bằng vật chất cho quá trình hấp phụ................................................................................29
II. Tính toán chiều cao lớp hấp phụ.............................................................................................31
1. Đường kính của tháp.............................................................................................................31
2. Tính chiều cao tháp................................................................................................................32
3. Tính toán thời gian hấp phụ..................................................................................................32
4. Tính toán lượng zeolite cần thiết..........................................................................................33
III. Cân bằng nhiệt lượng cho quá trình hấp phụ

.......................................................................33

Chương 5......................................................................................................................................35
I. Chọn tác nhân giải hấp phụ.......................................................................................................35
II. Cân bằng vật chất cho quá trình nhả hấp phụ.......................................................................35
II. Tính toán vận tốc hơi giải hấp đi trong tháp.........................................................................37
II. Các giai đoạn nhả hấp phụ.......................................................................................................37

Chương 6......................................................................................................................................39
I. Tính toán chiều cao toàn bộ tháp..............................................................................................39
II. Tính tổn thất áp suất của dòng khí qua lớp hấp phụ.............................................................39

III. Tính toán cơ khí cho thân tháp..............................................................................................39
1. Tính bề dày cho thân trụ hàn chịu áp suất trong................................................................40
2. Tính đáy, nắp tháp.................................................................................................................40
3. Tính đường kính và bích ghép các ống dẫn.........................................................................41
4. Tính chân đỡ tai treo cho tháp..............................................................................................44

Chương 7......................................................................................................................................47
I. Tính toán nồi đun.......................................................................................................................47

Trang 4


1. Lượng hơi đốt cần dùng........................................................................................................47
2. Hiệu nhiệt độ trung bình ......................................................................................................48
3. Hệ số cấp nhiệt của cồn sôi sủi bọt trong thiết bị đun sôi....................................................48
4. Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ phía trong ống................................................................48
5. Mật độ dòng nhiệt truyền qua vách......................................................................................49
6. Hệ số truyền nhiệt tổng quát ................................................................................................49
7. Bề mặt truyền nhiệt...............................................................................................................50
II. Năng suất nhiệt của caloriphe..................................................................................................50
III. Tính toán thiết bị ngưng tụ sản phẩm...................................................................................50
1. Lượng nước cần dùng để giải nhiệt......................................................................................50
2. Hiệu nhiệt độ trung bình.......................................................................................................51
3. Hệ số cấp nhiệt hơi cồn tình khiết ngưng tụ trên bề mặt ống đứng ..................................51
4. Hệ số cấp nhiệt của nước giải nhiệt đi trong ống ................................................................51
5. Mật độ dòng nhiệt truyền qua vách .....................................................................................52
6. Hệ số truyền nhiệt tổng quát ................................................................................................52
7. Bề mặt truyền nhiệt ..............................................................................................................53

Kết Luận

Tài Liệu tham khảo

Trang 5


Chương 1

TỔNG QUAN
I. Mục đích đề tài
1. Tính thực tiễn của đề tài
Các nhà khoa học cho biết, chúng ta đang sống trong một giai đoạn lịch sử mới cảu
trái đất – kỷ nguyên loại người – khi chúng ta là nguồn lực chính của trái đất. Nhưng hiện
nay sự thành công thái quá của con người đã gây ra những áp lực chưa từng thấy cho hệ sinh

Trang 6


thái trái đất và đe dọa chính loài người . Theo các chuyên gia, chúng ta đang phải đối mặt với
sáu vấn đề có liên quan tới nhau và rất cấp bách:
-

Lương thực: Cứ sáu người thì có một người bị đói và suy dinh dưỡng trong khi đó quá

trình công nghiệp hóa và dân số tăng đang làm giảm diện tích trồng cây lương thực
-

Nước: Đến năm 2025, 2/3 dân số thế giới phải sống trong vùng 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 và dự đoán sẽ hết trong một
tương lai rất gần
-

Biến đổi khí hậu: Biến đổi khí hậu đã và đang diễn ra trên toàn thế giới, nó có ảnh

hưởng rất lớn đến đời sống con người trên trái đất
-

Đa dạng sinh học: Nhiều nhà khoa học cho rằng thế giới đang bước vào cuộc “đại tuyệt

chủng” lần thứ 6 do các vấn đề về ô nhiễm môi trường và tăng dân số
-

Ô nhiễm: Các chất được cho là ô nhiễm đã 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 và biến đổi to
lướn đối với con người và sinh vật trên trái đất.
Như trên đã nêu, năng lượng và ô nhiễm là hai vấn đề quan trọng cấp bách cần giải quyết
nhanh chóng
Thực tế cho thấy, cùng với sựu phát triển mạnh mẽ của nền đại công nghiệp thì kéo
theo là 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 báo của các nhà khoa học thì trữ lượng xăng
dầu của toàn thế giới chỉ đủ cho khoảng 50 năm nữa

Trang 7

Mặt khác việc sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch làm cho môi trường bị ô nhiễm
nghiêm trọng. Việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch thải ra rất nhiều khí ô nhiễm như COx,
NOx, SOx, các hợp chất hydrocacbon… Gây nên 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 và thân thiện với môi
trường là điều rất quan trọng và cần thiết. Bên cạnh việc sử dụng các nguồn năng lượng như
năng lượng thủy điện, năng lượng nguyên tử, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng
lượng thủy triều…Thì năng lượng có nguồn gốc sinh học đang rất được quan tâm. Ethanol là
nhiên liệu đi từ nguồn gốc sinh học đang được cả thế giới quan tâm. Và hiện nay Ethanol
được sử dụng như một phụ gia để pha vào xăng tạo thành một loại nhiên liệu được gọi là
gasohol hay gasoline – alcohol
Đặc biệt nước ta là một nước có nền kinh tế nông nghiệp là chủ yếu với thế mạnh
chính là các ngành trồng trọt và chăn nuôi đặc biệt là ngành trồng lúa gạo. Nước ta là nước có
sản lượng lúa gạo xuất khẩu đứng thứ hai trên thế giới với những năm gần đây kim nghạch
xuất khẩu gạo tăng liên tục. Bên cạnh đó ngành trồng trọt rau củ quả cũng phát triển rất
mạnh.
Tất cả các yếu tố trên cho thấy việc sản xuất Ethanol pha xăng từ các phụ phẩm của
sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam là rất khả thi
Vì những lý do trên, đề tài “ Thiết kế phân xưởng tinh luyện cồn tuyệt đối dùng để
pha xăng” là công đoạn cuối cùng của dây chuyền sản xuất cồn pha xăng có ảnh hưởng lớn
đến chất lượng của loại nhiên liệu mới này

Trang 8


2. Lợi ích của việc dùng gasohol
Xét về mặt năng lượng thì cồn tinh luyện không có lợi hơn so với xăng (năng lượng
sinh ra khi đốt cháy 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 nghĩa là ta sẽ giảm được 10% lượng xăng
nhập khẩu qua đó tiết kiệm được rất nhiều ngân sách dành cho việc nhập khẩu xăng.
-

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 nông nghiệp để sản xuất cồn như rơm rạ, mật

rỉ, ngô, sắn…Đồng thời tạo công ăn việc làm cho nhân dân. Hàng năm nước ta có khoảng 31
triệu tấn rơm rạ, ngoài việc sản xuất nấm rơm ra thì đây là ngồn sản xuất cồn rất lớn, rất có
triển vọng
-

Giúp ổn định vấn đề về an ninh năng lượng và 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 nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp hydat hóa ethylen trên

Trang 9

0

xúc tác axit, được trình bày theo phản ứng hóa học sau. Cho ethylen hợp nước ở 300 C áp
suất 70 – 80 atm với xúc tác là axit photphoric:
2

2

2

3

2

H C = CH +H O → CH CH 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 là chuyển
hóa đường thành ethanol bằng nấm men (người ta thường dùng loại Saccharomyses
cerevisiae) trong điều kiện không có oxy hay điều kiện yếm khí, phản ứng hóa học tổng quát
được viết như sau:
6

12

6

3

2

2

C H O → 2 CH CH OH + 2CO
Quá trình nuôi cấy men rượu được gọi là ủ men. Sau khi chuyển hóa hết đường người ta lọc
lấy dung dịch và đem chưng cất để nâng cao nồng độ ethanol
2. Tính chất và ứng dụng của cồn
2.1. Tính chất vật lý
Ethanol là chất lỏng không màu, mùi thơm, dễ cháy, dễ hút ẩm, có độ phân cực mạnh.
Ethanol có thể hòa tan nhiều chất vô cơ cũng như hữu cơ nên được sử dụng làm dung môi rất
tốt. Ethanol dễ cháy và có thể tạo hỗn hợp nổ với không khí. Ethanol tạo hỗn hợp đẳng phí
0

với nước ở 89,4% mol, nhiệt độ sôi của hỗn hợp này ở 1 atm là 78,4 C
0

15
4

Nhiệt độ sôi của ethanol nguyên chất 78,39 C, tỷ trọng d
p

0

0

-1

= 0,794, nhiệt dung riêng

-1

đẳng áp C (16 C -21 C) = 2,42 J.g .K , nhiệt cháy 1370,82 kJ/mol
2.2. Ứng dụng
Trang 10


Cồn là hỗn hợp Ethanol và nước có ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống xã
hội:
-

Cồn pha với nước thành đồ uống, chế biến thức ăn, chế biến các loại hương

-

Trong y tế cồn là nguyên liệu trung gian để sản xuất nhiều loại thuốc, cồn còn làm

chất sát trùng
-

Trong ngành công nghiệp sơn cồn dùng làm dung môi

-

Trong công nghiệp hương liệu và nước hoa cồn dùn làm dung môi

-

Trong hóa học cồn là chất trung gian sản xuất ra các hóa chất khác như: axit acetic,

andehyt acetic, etyl acetat…
-

Dùng làm nhiên liệu pha xăng E10, E20, E85, E100…

III. Cồn nhiên liệu
1. Lịch sử phát triển
Từ những năm 20 của thế kỉ XX cồn đã được nghiên cứu, sử dụng làm nhiên liệu cho
động cơ ôtô xe máy thay thế cho xăng dầu. Điển hình cho hướng đi tiên phong này là Mỹ và
Brasil. Tuy nhiên với việc phát hiện ra các mỏ dầu có trữ lượng lớn cùng với sự phát triển
mạnh mẽ của ngành công nghiệp lọc hóa dầu đã sản xuất ra sản phẩm xăng dầu chất lượng
cao giá thành hạ đã làm cho cồn nhiên liệu bị đẩy lùi
Năm 1973 với cuộc khủng hoảng năng lượng thì vấn đề dùng cồn nhiên liệu lại được
đề cập nhưng phải đến đầu thế kí XXI hì hướng phát triển cồn nhiên liệu mới được ưu tiên
phát triển tuy vậy nó vẫn chỉ đóng vai trò thứ yếu so với các nhiên liệu hóa thạch, nhưng
trong tương lai nó có thể là nguồn năng lượng chính khí dầu mỏ cạn kiệt.

Trang 11


Trên thế giới hiện nay có các nước Mỹ, Tây Âu, Brasil, Trung Quốc, Nhật Bản đang
là các nước sản xuất cồn nhiên liệu nhiều nhất
2. Yêu cầu về chất lượng
Thực ra cồn cũng là hợp chất cacbuahydro như dầu mỏ nên có tính cháy nổ tốt. Vì
vậy về nguyên tắc với cồn khan 99,5% trở lên là có thể cho vào động cơ chạy được, tuy nhiên
cồn có nhiều đặc tính như ăn mòn kim loại, lăm hư các chi tiết cao su hay nhựa trong động cơ
nên nếu không cải tiến động cơ thì không thể thay thế hoàn toàn xăng bằng cồn khan để chạy
động cơ được.

Đối với ôtô, 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
hoàn toàn bình thường so với việc dùng 100% xăng. Cồn pha xăng ngày nay đã được tiêu
chuẩn hóa về chất lượng, tùy theo quốc gia quy định, sau đây là một số tiêu chuẩn điển hình

Bảng 1: Yêu cầu kỹ thuật của cồn nhiên liệu

STT

Tên chỉ tiêu

Giới hạn

1

Ethanol, % thể tích, min

92,1

2

Methanol, % thể tích, max

0,5

3

Hàm lượng nhựa đã rửa qua dung môi,

5,0

mg/100ml, max
4

Hàm lượng nước, % thể tích, max

1,0

5

Hàm lượng chất biến tính (xăng, naphta),

1,96 – 5,0

Trang 12


% thể tích, min – max
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
0

4
3

12

Khối lượng riêng ở 15 C, kg/m

-

13

Ngoại quan

Trong

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

STT

Tên chỉ tiêu

Đơn vị

Giới hạn

g/ml

0,796

0

1

Tỷ trọng tại 15,6 C, max
0

2

Nồng độ ethanol ở 15,6 C, min

% tt

99,5

3

Tính kiềm

-

Không có

4

Axit qui về axit acetic, max

% KL

0,006

Trang 13


5

Lượng chất rắn còn lại khi bốc hơi

% KL

0,005

nguyên liệu, max
3

2

5

6

Lượng aldehyde qui về CH COOC H

g/100ml

0,10

7

Chì (Pb), max

g/100ml

Không có

8

Methyl alcohol

Ppm

Thỏa mãn các
yêu cầu môi
trường

9

Ketones, isopropyl, tertiary butyl

Ppm

Thỏa mãn các
yêu cầu môi
trường

10

Các hợp chất chứa lưu huỳnh

% tt

Không có

Đơn vị

Giới hạn

g/ml

0,7961

Bảng 3: Tiêu chuẩn cồn nhiên liệu của Ấn Độ

STT

Tên chỉ tiêu
0

1

Tỷ trọng tại 15,6 C, max
0

2

Nồng độ ethanol ở 15,6 C, min

% tt

99,5

3

Tính kiềm

-

Không có

4

Axit qui về axit acetic, max

mg/l

30

5

Lượng chất rắn còn lại khi bốc hơi

%KL

0,005

mg/l

60

mg/kg

0,1

nguyên liệu, max
6

Lượng aldehyde qui về
3

2

5,

CH COOC H max
7

Đồng (Cu), max

Trang 14


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 làm nhiên liệu cho vào động cơ ở nhiều dạng khác nhau, cụ
thể là pha lẫn với xăng với tỷ lệ nào đó hoặc sử dụng 100% cồn. Qua việc thử nghiệm trên
các loại động cơ với nhiên liệu có cồn người ta thấy rằng nếu tỉ lệ cồn không quá 10%tt thì
không cần thay đổi kết cấu động cơ
Hiện nay trên thị trường đang lưu hành các loại xăng pha cồn như E5, E7, E10, E15,
E20, E85, E95, E100. Ký hiệu E có nghĩa là xăng pha cồn còn chỉ số có nghĩa là 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 thân ethanol có chỉ số octane cao
nên nó cũng làm tăng chỉ số octane chung của xăng
Mặt khác, do bản thân quá trình cháy trong động cơ là cháy cưỡng bức trong điều
kiện thiếu oxy nên 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 cháy hoàn toàn các chất trong hỗn hợp cháy nhờ có thêm oxy trong ethnol giảm

tiêu hao năng lượng do cháy không hết
-

Oxy hóa các khí độc hại trong quá trình cháy lên số oxy hóa cao nhất ít độc hại hơn

với môi trường

Trang 15


Bên 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 làm tách lớp

-

Giá cồn hiện nay tương đối cao

-

Ngoài nhược điểm trên, do ethanol chủ yếu được sản xuất từ nông nghiệp nên cần

phải cân đối hợp lý giữa việc sử dụng lương thực để làm nguyên liệu sản xuất cồn và thực
phẩm sinh hoạt

IV. Các phương pháp sản xuất cồn nhiên liệu
Ethanol thu được sau quá trình lên 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, làm khan cồn. Để

làm 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 màng

Trang 16


 Phương pháp hấp phụ
1. Phương pháp chưng luyện
1.1. Phương pháp chưng luyện đẳng phí
Nguyên 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 thành 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 nguyên chất.
Cấu tử thứ ba thường dùng là Benzene, Clorofom, toluene…
1.2. Phương pháp trích ly với muối rắn
Trong một vài hệ nào đó khi độ hòa tan cho phép thì ta có thể hòa tan muối vào trong
pha lỏng, đúng hơn là thêm vào chất lỏng như là một tác nhân riêng cho quá trình chưng
luyện trích ly. Khi đó muối sẽ làm thay đổi thành phần hỗn hợp ở trạng thái cân bằng mà
không làm thay đổi hỗn hợp ở trạng thái đầu, đối với hệ ethanol – nước khi thêm muối khan
làm cho độ bay hơi thay đổi đáng kể
2. Phương pháp bay hơi thẩm thấu qua màng
Phương pháp bay hơi thẩm thấu qua màng lọc dựa trên nguyên tắc sử dụng màng 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 quá trình phân tách hỗn hợp lỏng ví dụ như loại
nước ra khỏi hỗn hợp ethanol – nước để sản xuất cồn cao độ. Kích thước của màng 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 xuyên thay màng

Trang 17


Hình 1. Nguyên tắc của phương pháp thẩm thấu qua màng
3. Phương pháp hấp phụ (rây phân tử)
Rây phân tử (hay còn gọi là sàng phân tử) là quá trình sử dụng các chất hấp phụ chọn
lọc để phân riêng 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 còn cấu tử có kích thước lớn hơn sẽ đi ra ngoài và ta thu được dòng
vật chất có nồng độ cao hơn. Lợi dụng tính chất này của các chất hấp phụ người ta đã sử dụng
để làm khan hỗn hợp ethnol – nước, với chất hấp phụ thường dùng là zeolite, than hoạt tính,
silicagel…
Kích thước động học của ethanol và nước được biết hiện nay là:
0



Kích thước động học của nước 2,57 A
0



Kích thước động học của ethnol 4,46 A

0

0

Do đó vật liệu hấp phụ có kích thước mao quản nằm trong khoảng 2,57 A – 4,46 A
sẽ có khả năng làm khan được cồn và người ta thường dùng Zeolite 3A hoặc 4A để làm chất
hấp phụ. Tuy vậy vẫn chưa có kết luận cuối cùng nào cho thấy zeolite 3A hay 4A có khả năng

Trang 18


làm khan cồn tốt hơn. Khi nhả hấp phụ thì sẽ dùng khí Nitơ nóng hoặc dùng trực tiếp cồn
khan để nhả hấp…
Trong công nghệ làm 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 tháp hay ba
tháp, tháp tầng cố định hoặc tầng sôi…Dưới đây là sơ đồ công nghệ của các phương pháp
trên

Trang 19


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

Trang 20


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

Trang 21

4. Phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp
4.1. Phương pháp chưng luyện đẳng phí
 Ưu điểm:
-

Là phương pháp tách hiệu quả hệ hai hay nhiều cấu tử có tạo thành điểm đẳng phí khi
tiến hành chưng ở điều kiện thường
-

Với việc lựa chọn dung môi hợp lý quá trình chưng cất sẽ đơn giản dễ vận hành
 Nhược điểm:
-

Bằng việc thêm vào Benzene, cyclohexane trong sản phẩm sẽ còn lại một lượng dư
lượng nhỏ những chất này, nhưng đây là những chất rất độc hại với cơ thể con người
-

Yêu cầu về năng lượng nhiệt cao
-

Giá thành 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 tác nhân là muối tương đối dễ kiếm và rẻ tiền , thiết bị vận
hành đơn giản, nông độ sản phẩm cao
 Nhược điểm
-

Riêng với cồn nhiên liệu người ta đòi hỏi hàm lượng chất rắn hoà tanrất ít vì vậy có
thể phải có công đoạn tách muối
-

Sự có mặt của muối dẫn đến độ ăn mòn vật liệu cao, phải chê tao thiết bị chịu ăn mòn
tốt
4.3. Phương pháp rây phân tử
Trang 22


 Ưu điểm
-

Có thể nâng cao độ cồn lên tới 99,9% tt với phương pháp hấp phụ phù hợp
-

Có thể thay thế các thông số vận hành trong khoảng rộng
-

Không có các tác nhân độc hại
-

Có thể sử dụng chất hấp phụ sau nhiều lần tái sinh
-

Thiết bị cấu tạo đơn giản dễ vận hành
 Nhược điểm
-

Phương pháp này chỉ áp dụng với nồng độ đầu vào của cồn cao,thường là ngay tại gần
điểm đẳng phí. Bởi vì nếu lượng nước chứa trong hỗn hợp cồn nhiều sẽ làm cho lớp hấp phụ
nhanh chóng bị bão hòa năng suất sẽ thấp, quá trình tái sinh tốn nhiều năng lượng

V. Vật liệu hấp phụ Zeolite
1. Cấu trúc của zeolite
Zeolite là vật liệu xốp được biết đến đầu tiên vào năm 1756 bởi nhà khoáng vật
học người Thụy Điển A.F. Cronsteds. Zeolite tự nhiên được hình thành trong quá trình hoạt
động của núi lửa và là các Aluminosilicat tinh thể cấu trúc mao quản rất đồng đều cho phép
chúng sàng lọc những phân tử theo cấu trúc xác định. Hiện nay có hơn 40 loại Zeolite được
tìm thấy trong tự nhiên và có khoảng 100 loại zeolite tổng hợp với kích thước mao quản nằm
0

0

trong khoảng 3A – 30A . Kích thước mao quản dùng để đặt tên cho vật liệu này và nó cũng
là yếu tố quyết định đến tính chất của zeolite. Thành phần cơ bản của zeolite như sau:
+

x

2 x

2 y

2

(M ) .(AlO ) .(SiO ) .zH O
Trong đó:
M: là cation bù trừ điện tích khung

Trang 23


x: là số cation bù trừ điện tích
z: Số phân tử nước kết tinh trong Zeolite
2. Phân loại Zeolite
2.1. Phân loại theo kích thước mao quản
Theo kích thước mao quản thì zeolite được chia làm ba loại sau đây:
-

0

Zeolite mao quản rộng: đường kính mao quản lớn hơn 8A
-

0

0

Zeolite mao quản trung bình: đường kính nằm trong khoảng 5A – 8A
-

0

Zeolite mao quản nhỏ: đường kính mao quản nhỏ hơn 5A

2.2.Phân loại Zeolite theo tỉ lệ Si/Al
Tùy thuộc vào hàm lượng Si và Al có trong thành phần zeolite mà chúng được phân
loại như sau:
-

Loại giàu Al: theo quy tắc của Lowenstain thì hàm lượng Si trong Zeolite lớn hơn của
Al, tức là tỉ số Si/Al luôn lớn hơn một, dựa vào tỉ số này ta phân loại. Trong loại giàu Al thì
điển hình là các zeolite 3A, 4A, 5A với các cation bù trừ điện tích lần lượt là Na, K, và 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 là zeolite họ X, Y
-

Loại giàu 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 riêng của zeolite
Để xác định bề mặt riêng của zeolite ta dựa vào công thức
r

m

S = n .N.S

m

2

m /g

Trong đó:
r

2

S : diện tích bề mặt riêng của chất hấp phụ, m /g
Trang 24


2

m

S : Diện tích bề mặt của một phân tử chất bị hấp phụ, m
(Gần đúng có thể coi Sm bằng tiết diện ngang của chất bị hấp phụ, tham khảo bảng 4)
N: số Avogadro
m

n : Số mol chất bị hấp phụ đơn lớp trên 1g chất hấp phụ, mol/g
Bảng 4. Tiết diện ngang của một số chất khí
0 2

Chất bị hấp phụ

Nhiệt độ, K

Sm, (A )

77

16,2

O

90

14,1

Ar

77

13,8

Kr

77

20,2

Xe

273

22

CO

195

16,8

298

20,7

298

10,8

2

N
2

2

CO
2

HO

Mặt khác ta cũng phải hết sức cẩn thận để tránh trường hợp hấp phụ là hấp phụ hóa
học hay hấp phụ đa lớp khi đó số mol chất hấp phụ đơn lớp trên một gam chất hấp phụ bị
thay đổi dẫn tới xác định sai bề mặt riêng.
Ngày nay người ta sử dụng phương trình BET để xác định bề mặt riêng như là một
tiêu chuẩn vì độ chính xác cũng như cách thực hiện không phức quá phức tạp
m

m

Từ phương trình BET ta xác định số mol n từ giá trị V như sau:
P
1
C1 P


.
V .( P0  P) Vm .C Vm .C P0

Trang 25