Ứng dụng phương pháp phân tích exergy cho mô phỏng và tối ưu hóa hệ thống chưng cất nhớt thải động cơ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.21 MB, 95 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----ED------
CHUNG NHẬT PHƯƠNG
ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH EXERGY CHO
MƠ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HĨA HỆ THỐNG CHƯNG CẤT
NHỚT THẢI ĐỘNG CƠ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT HÓA DẦU
MÃ SỐ: 605355
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2012
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:
CHUNG NHẬT PHƯƠNG
MSHV: 11400178
Ngày, tháng, năm sinh: 09- 04 - 1987
Nơi sinh: Đồng Nai
Chuyên ngành:
Mã số:
Kỹ thuật hóa dầu
605355
TÊN ĐỀ TÀI:
ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH EXERGY CHO MƠ PHỎNG VÀ
TỐI ƯU HÓA HỆ THỐNG CHƯNG CẤT NHỚT THẢI ĐỘNG CƠ.
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-
Nghiên cứu tổng quan về dầu nhớt thải, phần mềm mô phỏng Aspen Hysys và phương pháp
phân tích exergy
-
Mơ phỏng các phương án chưng cất tái chế dầu nhớt thải
-
Phân tích, đánh giá hiệu suất exergy và lựa chọn phương án tối ưu trong việc sử dụng năng
lượng.
-
Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện nhập liệu đến hiệu suất exergy của hệ thống chưng cất tái
chế dầu nhớt thải.
NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài): 02/07/2012
NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài): 10/12/2012
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :
PGS. TS. NGUYỄN VĨNH KHANH – Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
TP.HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)
TRƯỞNG KHOA KỸ THẬT HÓA HỌC
(Họ tên và chữ ký)
iii
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI PHỊNG THÍ NGHIỆM DẦU KHÍ
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học :
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...............................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...............................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM vào ngày 23
tháng 01 năm 2013
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1.
2.
3.
4.
5.
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi
luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TRƯỞNG KHOA KỸ THẬT HĨA HỌC
LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ là một đánh giá quan trọng về quá trình làm việc và học tập
của một học viên cao học. Để vượt qua được 2 năm học tập cũng như q trình làm
luận văn tơi đã nhận được sự giúp đỡ và động viên rất nhiều từ gia đình, thầy cơ,
bạn bè…
Tơi xin chân thành gửi lời cám ơn sâu sắc đến gia đình tơi đã động viên và tạo
điều kiện cho tôi học tập. Xin cám ơn PGS.TS Nguyễn Vĩnh Khanh đã tạo điều
kiện, động viên và hướng đẫn tận tình cho tơi trong suốt quá trình học tập cũng như
làm luận văn. Xin gữi lời cám ơn đến các thầy cô Trường Đại Học Bách Khoa TP
Hồ Chí Minh đã tận tình dạy dỗ, các bạn học viên trong lớp đã giúp đỡ tơi trong q
trình thực hiện luận văn này. Tuy nhiên, đề tài nghiên cứu còn mặt hạn chế do nhiều
nguyên nhân khác nhau. Trong quá trình thực hiện luận văn này, do thời gian có hạn
nên việc nghiên cứu tìm hiễu phương pháp phân tích exergy cịn thiếu sót là điều
không thể tránh khỏi.
Và cuối cùng tôi xin trân trọng cám ơn các ý kiến đóng góp của các thầy, cơ
và từ phía bạn đọc để đề tài nghiên cứu này ngày càng được hoàn thiện hơn
Tp.HCM 12/2012
Chung Nhật Phương
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là cơng trình nghiên cứu của bản thân, xuất phát từ
nhu cầu thực tế của ngành công nghiệp chế biến dầu khí để định hướng nghiên cứu này.
Nội dung của luận văn được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết Exergy và ứng
dụng lý thuyết này vào quá trình phân tách tái chế dầu nhớt thải dưới sự hướng dẫn khoa
học của PGS. TS. Nguyễn Vĩnh Khanh (ĐH Bách Khoa TP.HCM).
Các số liệu, kết quả trong luận văn này là hồn tồn trung thực và được thực hiện
bởi chính tác giả. Kết quả luận văn chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào
trước khi trình, bảo vệ và công nhận bởi “Hội đồng đánh giá luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ
Kỹ thuật Hóa dầu”.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 12 năm 2012
iv
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS Nguyễn Vĩnh Khanh
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Theo thống kê tháng 6 năm 2011 của BP thì xu hướng sử dụng các sản phẩm nhiên
liệu hóa thạch ngày càng tăng. Kết quả dự báo của các nhà khoa học, nguồn năng lượng
hóa thạch này sẽ cạn kiệt trong khoảng 100 năm tới. Mặc dù đã có nhiều nguồn năng
lượng thay thế được nghiên cứu (năng lượng gió, năng lượng mặt trời, thủy điện, năng
lượng sinh học.v.v..). Tuy nhiên các nguồn năng lượng thay thế này không thể giải quyết
hồn tồn bài tốn thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch được. Với lý do đó, việc
nghiên cứu đánh giá hiệu suất sử dụng năng lượng nhằm hướng tới mục tiêu tối ưu năng
lượng cho hệ thống là một nhu cầu thiết yếu.
Ở Việt Nam, việc đánh giá độ tối ưu năng lượng của hệ thống thường sử dụng
phương pháp cân bằng năng lượng và hiệu suất năng lượng theo phương pháp truyền
thống, phương pháp này sử dụng nguyên lý thứ 1 của nhiệt động học. Tuy nhiên, việc
đánh giá hiệu suất năng lượng theo phương pháp này ngày càng bộc lộ nhiều mặt hạn
chế. Cụ thể, sự mất mát năng lượng do việc sinh ra entropy trong q trình hay thất thốt
nhiệt ra mơi trường thì phương pháp truyền thống không thể đánh giá được. Do vậy,
phương pháp phân tích exergy, phương pháp này kết hợp nguyên lý thứ 1 và 2 của nhiệt
động học, đã được nghiên cứu như một phương pháp đánh giá chính xác hơn việc sử
dụng năng lượng trong hệ thống.
Theo thống kê năm 2011, Việt Nam là đất nước có khoảng 87 triệu dân mà phương
tiện lưu thông của người dân chủ yếu là xe gắn máy. Vì vậy, nhu cầu về dầu nhớt và
lượng dầu nhớt thải từ xe gắn máy thải ra hằng năm là rất lớn. Lượng nhớt thải này, nếu
không được xử lý sẽ gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của
con người. Theo Quyết định số 23/2006/QĐ–BTNMT của Bộ tài nguyên môi trường quy
định dầu nhớt thải là chất thải nguy hại, chúng được phân loại theo nhóm nguồn thứ 17 là
dầu thải, chất thải từ nhiên liệu lỏng, chất thải dung môi hữu cơ, môi chất lạnh v.v.... Các
hướng nghiên cứu xử lý nhớt thải như sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu, tái chế thành
nhiên liệu lỏng DO, FO và tận dụng làm dầu gốc. Trong đó hướng tận dụng xử lý dầu
HVTH: Chung Nhật Phương
1
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS Nguyễn Vĩnh Khanh
nhớt thải thành dầu gốc rất được quan tâm nghiên cứu vì giữ nguyên bản chất ban đầu,
hạn chế được ô nhiễm môi trường và đáp ứng được nhu cầu dầu nhớt trong nước. Việc
nghiên cứu tái chế dầu nhớt thải thành dầu gốc ở Bộ mơn Chế biến dầu khí – Trường Đại
học Bách khoa TpHCM đã đạt được những thành công nhất định, tuy nhiên mới chỉ ở
quy mơ phịng thí nghiệm chưa tiến hành trên hệ thống pilot. Việc khảo sát trên mơ hình
hệ thống pilot tốn rất nhiều chi phí cho việc thiết kế, gia cơng và vận hành. Vì vậy, để tiết
kiệm chi phí, ta có thể sử dụng phần mềm mô phỏng công nghiệp Aspen Hysys để mô
phỏng hệ thống chưng cất tái chế nhớt thải từ các số liệu khảo sát đặc tính của nó ở
phịng thí nghiệm. Từ kết quả mơ phỏng thu được áp dụng phương pháp phân tích exergy
cho việc tối ưu năng lượng cho hệ thống này.
Xuất phát từ cơ sở khoa học và thực tiễn trên, tôi chọn đề tài “Ứng dụng phương
pháp phân tích Exergy cho mơ phỏng và tối ưu hố hệ thống chưng cất nhớt thải
động cơ”
Trong khn khổ luận văn này, tôi sử dụng phương pháp phân tích exergy trong đánh
giá hiệu suất exergy cho hệ thống chưng cất tái chế nhớt thải, từ đó lựa chọn công nghệ
chưng cất phù hợp để tái chế dầu nhớt thải từ xe gắn máy thành dầu gốc và tối ưu điều
kiện nhập liệu cho hệ thống chưng cất đó.
HVTH: Chung Nhật Phương
2
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS Nguyễn Vĩnh Khanh
ABSTRACT
At the present, Distillation is the most widely used separation operation in chemical and
petrochemical industries. However, this process consume about 40% of the total energy
used to operate plants in chemical and petrochemical industries, so examining to optimize
energy using for distillation is a necessary issue. In this thesis, the oil separation process
from waste oil is studied and publish some methods of distillation industry such as :
using a distillation colum, using two distillation column separation with direct sequence
method and using two collumn with indirect sequence method. All industries is simulated
by Aspen Hysys 7.3. Furthermore, this study also focuses on reviewing exery analysis,
exergy balance and exergetic efficiencies for mentioned processes. A model of exergy
loss calculations of distillation column is presented. Data from Aspen HYSYS allows to
do exergetic calculations to make a benchmark for measuring the performances of
systems. The exergy values so computed are then shown to give a comparison for
accessing which system is more effective and more efficient. This thus leads to a tradeoff between energy saving and capital investment of the system.
HVTH: Chung Nhật Phương
3
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS Nguyễn Vĩnh Khanh
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN......................................................................................................................... iv
TÓM TẮT LUẬN VĂN................................................................................................................ 1
ABSTRACT................................................................................................................................... 3
MỤC LỤC...................................................................................................................................... 4
MỤC LỤC HÌNH ẢNH ................................................................................................................ 7
MỤC LỤC BẢNG ......................................................................................................................... 9
Bảng I.1: Nhiệt trị của một số loại nhiên liệu ................................................................................. 9
Chương I ....................................................................................................................................... 10
TỔNG QUAN............................................................................................................................... 10
I.1 Giới thiệu chung................................................................................................................... 10
I.2 Dầu nhớt thải........................................................................................................................ 11
I.2.1 Tình hình dầu nhớt thải và phân loại............................................................................. 11
I.2.1.1 Tình hình dầu nhớt thải.......................................................................................... 11
I.2.1.2 Phân loại dầu nhớt thải .......................................................................................... 13
I.2.2 Các tính chất của dầu nhớt thải ..................................................................................... 13
Chất bẩn bên ngoài ...................................................................................................................... 13
Sản phẩm từ quá trình dầu xuống cấp ....................................................................................... 14
I.2.3 Ảnh hưởng của dầu nhớt thải đến môi trường [15]....................................................... 14
I.3 Các phương pháp và công nghệ tái sinh dầu nhớt thải hiện nay.......................................... 15
I.3.1 Định hướng tái chế dầu nhớt thải .................................................................................. 16
I.3.1.1 Khả năng tái sử dụng dầu nhớt thải. ...................................................................... 17
I.3.1.2 Hướng tái sinh dầu nhớt thải làm dầu gốc............................................................. 19
Cơ sở của quá trình tái sinh dầu nhớt thải................................................................................. 19
I.3.2 Các công nghệ tái sinh dầu trên thế giới[15]................................................................. 20
I.3.2.1 Xử lý bằng axit – đất sét........................................................................................ 20
I.3.2.2 Công nghệ tái sinh dầu của Phillip (PROP) .......................................................... 21
I.3.2.3 Quá trình B.V (Cơng nghệ KTI)........................................................................... 22
I.3.2.4 Cơng nghệ chiết bằng propan ................................................................................ 23
I.3.2.5 Cơng nghệ tài ngun, q trình INC.................................................................... 23
I.3.3 Các quá trình tái sinh dầu ở Việt Nam[11] ................................................................... 24
I.3.3.1 Phương pháp đông tụ............................................................................................. 24
HVTH: Chung Nhật Phương
4
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS Nguyễn Vĩnh Khanh
I.3.3.2 Phương pháp hấp phụ ............................................................................................ 25
I.3.3.3 Phương pháp làm sạch bằng acid sunfuric ............................................................ 25
I.3.3.4 Phương pháp làm sạch bằng kiềm ......................................................................... 26
I.3.3.5 Phương pháp làm sạch kết hợp acid sunfuric và kiềm .......................................... 26
I.3.3.6 Phương pháp tách tạp chất và xử lý bằng hydro.................................................... 26
I.3.3.7 Phương pháp chưng cất ......................................................................................... 26
Chương II...................................................................................................................................... 28
GIỚI THIỆU MƠ HÌNH HĨA, MƠ PHỎNG VÀ PHẦN MỀM MƠ PHỎNG ASPEN HYSYS
....................................................................................................................................................... 28
II.1 Giới thiệu về mơ hình hóa và mơ phỏng [9]....................................................................... 28
II.1.1 Các định nghĩa cơ bản [9] ............................................................................................ 28
II.1.2 Ý nghĩa của mơ hình hóa[9]......................................................................................... 29
II.2 Giới thiệu về phần mềm Aspen Hysys [9],[12].................................................................. 30
II.2.1 Ứng dụng của phần mền AspenHysys:[9],[12]............................................................ 32
II.2.2 Giới thiệu cấu trúc của AspenHysys[9],[12] ............................................................... 33
II.2.2.1 Unique Concepts. ................................................................................................. 33
II.2.2.2 Powerful Engineering Tools (Công cụ thiết kế tối ưu)[12] ................................ 36
II.2.2.3 Primary Interface Elements Những yếu tố tương giao cơ sở) [12] ...................... 36
Chương III..................................................................................................................................... 37
PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH EXERGY ................................................................................... 37
III.1 Phương pháp phân tích Exergy[10],[18],[19] ................................................................... 37
III.1.1 Đại lượng exergy E [10],[18],[19].............................................................................. 37
III.1.1.1 Tính chất của đại lượng exergy[18].................................................................... 39
III.1.1.2 Thành phần của exergy[18],[19]......................................................................... 39
III.1.2 Biểu thức tính toán exergy[10],[18] ........................................................................... 40
III.1.2.1 Cân bằng exergy ................................................................................................. 40
III.1.2.2 Exergy của dịng vật chất khi khơng chuyển động [10]...................................... 41
III.1.2.3 Exergy của dòng vật chất chuyển động [10]....................................................... 41
III.1.2.4 Exergy của nhiệt lượng[10] ................................................................................ 41
III.1.2.5 Hiệu suất Exergy[10],[18],[19]........................................................................... 42
III.1.2.7 Các nguyên tắc để nâng cao hiệu suất Exergy [18],[19]..................................... 42
III.1.3 Áp dụng phương pháp phân tích Exergy cho tháp chưng cất[24]:............................. 43
CHƯƠNG IV ................................................................................................................................ 47
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ASPEN HYSYS MÔ PHỎNG THÁP CHƯNG CẤT CHÂN
KHÔNG TÁI CHẾ DẦU NHỚT THẢI ....................................................................................... 47
IV.1 Các dữ liệu ban đầu:.......................................................................................................... 47
IV.2 Lựa chọn mơ hình nhiệt động ........................................................................................... 48
HVTH: Chung Nhật Phương
5
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS Nguyễn Vĩnh Khanh
IV.2.1 Cơ sở lựa chọn mơ hình nhiệt động ........................................................................... 48
IV.2.2 Chọn hệ nhiệt độ để tiến hành mô phỏng................................................................... 49
IV.3 Tiến hành thiết kế mô phỏng............................................................................................. 49
IV.3.1 Nhập và xử lý số liệu ban đầu .................................................................................... 50
IV.3.2 Tính tốn thơng số cho tháp chưng cất....................................................................... 54
CHƯƠNG V ................................................................................................................................. 62
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT EXERGY CHO HÊ THỐNG CHƯNG
CẤT............................................................................................................................................... 62
V.1 Kết quả mô phỏng: ............................................................................................................. 62
V.1.1 Phương án 1:................................................................................................................ 62
V.1.2 Phương án 2:................................................................................................................ 65
V.1.3 Phương án 3:................................................................................................................ 68
V.2 Phân tích Exergy ................................................................................................................ 72
V.3 Bàn luận.............................................................................................................................. 73
V.3.1 Phương án 1 ................................................................................................................. 73
V.3.2 Phương án 3 ................................................................................................................. 74
V.3.3 Phương án 2 ................................................................................................................. 74
V.3 Tối ưu điều kiện của dòng nhập liệu: ................................................................................. 75
V.3.1 Ảnh hưởng áp suất dòng nhập liệu đến hiệu suất exergy của tháp 1........................... 75
V.3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ dòng nhập liệu đến hiệu suất exergy của tháp 1........................ 76
V.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ dòng nhập liệu đến hiệu suất exergy của tháp 2 .................. 78
Chương VI .................................................................................................................................... 81
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................................... 81
VI.1 Kết luận ............................................................................................................................. 81
VI.2 Kiến nghị........................................................................................................................... 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................................ 83
PHỤ LỤC..................................................................................................................................... 85
HVTH: Chung Nhật Phương
6
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS Nguyễn Vĩnh Khanh
MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình I.1 Thị phần dầu nhớt ở Việt Nam năm 2008
Hình I.2 Các dịng sản phẩm dầu nhớt động cơ ở Việt Nam năm 2008
Hình I.3 Dự đốn nhu cầu dầu bơi trơn ở Việt Nam
Hình I.4: Cơng nghệ tái sinh dầu của Phillip.
Hình II.1 Phần mềm Aspen Hysys 7.3
Hình II.2 Mối liên hệ giữa các môi trường trong Aspen Hysys
Hình IV.2 Lựa chọn đơn vị trong hệ SI
Hình IV.3 Chọn mơ hình nhiệt động
Hình IV.4 Cửa sổ Oil manager
Hình IV.5 Nhập dữ liệu cho assay
Hình IV.6 Cửa sổ Cut/Blend của oil manager
Hình IV.7 Thành phần phân đoạn của mẫu dầu nhớt thải
Hình IV.8 Đồ thị Composite plot trong cửa sổ Oil manager
Hình IV.9 Kết quả shortcut của phương án 1
Hình IV.10 Kết quả shortcut 1 của phương án 2
Hình IV.11 Kết quả shortcut 2 của phương án 2
Hình IV.12 Kết quả shortcut 1của phương án 3
Hình IV.13 Kết quả shortcut 2 của phương án 3
Hình V.1 Sơ đồ hệ thống chưng cất của phương án 1
HVTH: Chung Nhật Phương
7
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS Nguyễn Vĩnh Khanh
Hình V.2 Sơ đồ công nghệ của hệ thống chưng cất ở phương án 2
Hình V.3 Sơ đồ cơng nghệ của hệ thống chưng cất ở phương án 3
Hình V.4 Ảnh hưởng của áp suất dòng nhập liệu đến hiệu suất exergy ở tháp 1
Hình V.5 Ảnh hưởng nhiệt độ dịng nhập liệu đến hiệu suất exergy của tháp 1
Hình V.6 Ảnh hưởng nhiệt độ dòng nhập liệu đến hiệu suất exergy của tháp 2
HVTH: Chung Nhật Phương
8
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS Nguyễn Vĩnh Khanh
MỤC LỤC BẢNG
Bảng I.1: Nhiệt trị của một số loại nhiên liệu
Bảng III.1. So sánh năng lượng energy và exergy
Bảng IV.1 Kết quả phân tích mẫu dầu nhớt thải
Bảng IV.2 Điều kiện của dịng nhập liệu
Bảng V.1 Thơng số vận hành tháp chưng cất ở phương án 1
Bảng V.2 Thông số của các dịng cơng nghệ trong phương án 1
Bảng V.3 Thành phần các cấu tử trong các dịng cơng nghệ ở phương án 1
Bảng V.4 Nhiệt lượng cần cung cấp cho tháp chưng cất ở phương án 1
Bảng V.5 Thông số vận hành tháp chưng cất ở phương án 2
Bảng V.6 Thông số của các dịng cơng nghệ trong phương án 2
Bảng V.7 Thành phần các cấu tử trong các dịng cơng nghệ ở phương án 2
Bảng V.8 Nhiệt lượng cần cung cấp cho tháp chưng cất ở phương án 2
Bảng V.9 Thông số vận hành tháp chưng cất ở phương án 3
Bảng V.10 Thành phần các cấu tử trong các dòng công nghệ ở phương án 3
Bảng V.11 Thành phần các cấu tử trong các dịng cơng nghệ ở phương án 3
Bảng V.12 Nhiệt lượng cần cung cấp cho tháp chưng cất ở phương án 3
Bảng V.13 Kết quả phân tích exergy của 3 phương án
Bảng V.14 So sánh nhiệt lượng Condenser và Reboiler trong 3 phương án
Bảng V.15. Ảnh hưởng áp suất dòng nhập liệu đối với hiệu suất Exergy của tháp 1
Bảng V.16. Ảnh hưởng nhiệt độ dòng nhập liệu đến hiệu suất exergy của tháp 1
Bảng V.17. Ảnh hưởng nhiệt độ dòng nhập liệu đến hiệu suất exergy của tháp 2
HVTH: Chung Nhật Phương
9
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS Nguyễn Vĩnh Khanh
Chương I
TỔNG QUAN
I.1 Giới thiệu chung
Dầu động cơ là nhóm dầu quan trọng nhất trong các loại dầu nhớt. Tính trung bình
chúng chiếm khoảng 40% tổng các loại dầu nhớt sản xuất trên thế giới. Ở Việt Nam hiện
nay, dầu động cơ chiếm khoảng 70% lượng dầu nhớt.
Có rất nhiều loại động cơ khác nhau, từ những loại nhỏ như động cơ xe gắn máy, máy
phát điện.v.v.. tới những động cơ khổng lồ trong máy tàu thủy hoặc các thiết bị công
nghiệp. Sự đa dạng về kích cỡ động cơ và dạng sử dụng chúng dẫn đến các yêu cầu bôi
trơn rất khác nhau. Điều này phản ánh trong các tính chất lý – hóa lẫn tính năng sử dụng
của các loại dầu động cơ. Từ đó, hàng loạt các sản phẩm được nghiên cứu để đáp ứng
mọi yêu cầu. Các loại dầu gốc và nhiều phụ gia thích hợp đã được sử dụng để đạt được
các tính năng hóa lý và tính năng sử dụng đề ra. Hầu hết các dầu gốc khoáng [5], [16],
[17] và phần lớn phụ gia dầu nhớt [5], [16], [17] được sử dụng để sản xuất dầu động cơ.
Tùy thuộc vào lĩnh vực sử dụng mà dầu động cơ có thể chứa từ 5 – 20% phụ gia. Các phụ
gia quan trọng nhất cho dầu động cơ bao gồm: các chất chống oxy hóa, các chất phân tán
– tẩy rửa, phụ gia chống gỉ và chống ăn mịn.
Cho dù mỗi động cơ cần loại dầu với tính chất hóa – lý và tính năng sử dụng riêng để
đáp ứng các vấn đề bôi trơn khác nhau, một số yếu tố ảnh hưởng tới việc bôi trơn vẫn là
chung cho mọi động cơ. Các yếu tố đó làm các chức năng như sau: bơi trơn, làm mát, làm
kín, làm sạch bên trong. Mức độ đạt được các chức năng này tới đâu phụ thuộc vào loại
dầu được lựa chọn phù hợp với đặc tính thiết kế ban đầu của động cơ, nhiên liệu sử dụng
và điều kiện vận hành. Chất lượng bảo dưỡng động cơ cũng rất quan trọng, nó liên quan
tới cả tuổi thọ động cơ và chu kỳ thay dầu.
Hiện nay, có rất nhiều cách phân loại dầu động cơ như phân loại theo độ nhớt,
phân loại theo tính năng, được trình bày rất chi tiết ở [5], [8].
HVTH: Chung Nhật Phương
10
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS Nguyễn Vĩnh Khanh
I.2 Dầu nhớt thải
I.2.1 Tình hình dầu nhớt thải và phân loại
I.2.1.1 Tình hình dầu nhớt thải
Dầu nhớt sử dụng trong cơng nghiệp, nơng nghiệp và dân dụng có hai loại chính là
dầu nhớt cơng nghệp và dầu nhớt động cơ. Ngồi ra có một vài loại dầu khác ít phổ biến
hơn như dầu biến thế, dầu gia cơng cơ khí ... Tất cả các loại dầu nhớt được sử dụng trong
các thiết bị máy móc với các cơng dụng khác nhau, đều có một thời hạn sử dụng nhất
định. Thời hạn sử dụng này được các nhà chế tạo dầu nhớt cùng các chuyên gia kỹ thuật
về máy móc thiết bị đề ra, và họ cũng đề ra quy trình thay dầu.
Để đảm bảo độ bền của máy móc người sử dụng phải tuân thủ quy trình và thời
hạn thay dầu, cũng như sử dụng đúng chủng loại đúng mục đích thì tuổi thọ của máy móc
sẽ được kéo dài và có tuổi thọ cao hơn. Vấn đề được đặt ra là tất cả các dầu nhớt thải ra
sẽ được thu gom, bảo quản và quản lý nó như thế nào?
Hàng năm trên thế giới sản xuất không dưới 50 triệu tấn dầu nhớt các loại [2] và
cũng khoảng một nữa lượng trên được thải ra môi trường dưới nhiều dạng khác nhau.
Chính vì vậy vấn đề tái sinh để tái sử dụng dầu thải, tránh ô nhiễm môi trường đã được
chú trọng nghiên cứu. Hơn nữa, việc thu gom xử lý dầu thải còn tiết kiệm nguồn tài
nguyên dầu mỏ đang dần cạn kiệt và tăng lợi ích kinh tế.
Thị trường Việt Nam mỗi năm tiêu thụ khoảng 270.000 tấn dầu nhớt các loại, những
năm gần đây lượng dầu sử dụng mỗi năm sau lại cao hơn năm trước khoảng 10 -15%.
Lượng dầu thải ở Việt Nam phân bố như sau:
-
Phương tiện giao thông (ô tô, xe máy)
-
Công nghiệp (các công ty lớn dùng nhiều dầu nhớt cho máy móc và giao
thông)
-
Các ngành khác (nông nghiệp, sản xuất nhỏ và các cơng ty, xí nghiệp nhỏ)
HVTH: Chung Nhật Phương
11
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS Nguyễn Vĩnh Khanh
Có rất nhiều loại dầu nhớt trên thị trường Việt Nam, thị phần dầu nhớt phân phố như
sau[6]:
Hình I.1 Thị phần dầu nhớt ở Việt Nam năm 2008
Trong thị trường dầu nhớt ở Việt Nam thì dầu cho động cơ chiếm khoảng 70% và
tỷ lệ phân bố trong nhóm dầu nhớt động cơ được phân bố như sau[6]:
Hình I.2 Các dịng sản phẩm dầu nhớt động cơ ở Việt Nam năm 2008
Dầu nhớt dành cho xe gắn máy chiếm 25% lượng dầu nhớt động cơ, như vậy
lượng dầu nhớt thải hằng năm từ xe gắn máy là rất lón. Điều này càng trở nên cấp thiết vì
HVTH: Chung Nhật Phương
12
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS Nguyễn Vĩnh Khanh
dầu thải gây ra các vấn đề về môi trường. Một tấn dầu thải có thể làm hỏng 3 ha đất hoặc
10 km2 mặt nước[15]. Dầu thải có thể tồn tại lâu dài trong đất, nước và gây ra những ảnh
hưởng thứ cấp nghiêm trọng đất hệ sinh thái và cuối cùng ảnh hưởng đến chuỗi thức ăn.
Dầu thải có chứa nhiều các hợp chất độc hại đã tích tụ từ lâu trong quá trình sử dụng
chúng như các hợp chất PAH (hydrocacbon đa vòng) và các kim loại nặng. Thực tế là
dầu không tan trong nước và nhẹ hơn nước nên chúng nổi trên mặt nước, ngăn sự hịa tan
khí và truyền ánh sáng vào nước và do đó làm nước thiếu oxy, ánh sáng và sẽ làm chết
các sinh vật trong nước. Chúng cũng có thể gây ra những ảnh hưởng nghiêm trọng đối
với các hệ thống thốt nước, có thể làm cho các hệ thống này không hoạt động được.
I.2.1.2 Phân loại dầu nhớt thải
Do tính chất phức tạp của dầu nhớt thải nên người ta thường phân chúng ra làm 3
nhóm như sau:
-
Nhóm 1: Dầu động cơ thải. Các loại dầu thải trong nhóm này cũng được chia
ra làm 3 loại để tiện cho việc tái sinh, hoặc sử dụng vào các lĩnh vực khác.
9 Loại 1: Gồm tất cả các dầu nhớt động cơ và dầu xe máy thải.
9 Loại 2: Dầu động cơ và dầu công nghiệp khác.
9 Loại 3: Dầu truyền động, dầu bánh răng và dầu hộp số.
-
Nhóm 2: Gồm tất cả các loại dầu cơng nghiệp, dầu tua bin, dầu máy nén.
-
Nhóm 3: Dầu dùng cho máy biến thế, máy cắt điện
Trong luận văn này, ta tập trung nghiên cứu về dầu nhớt thải từ xe gắn máy.
I.2.2 Các tính chất của dầu nhớt thải
Sự mất mát của dầu nhớt sẽ ảnh hưởng đến q trình vận hành của động cơ do sự có
mặt của các chất bẩn. Các chất bẩn có thể chia ra:
Chất bẩn bên ngoài
HVTH: Chung Nhật Phương
13
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS Nguyễn Vĩnh Khanh
Từ khơng khí và các hạt cơ học từ động cơ.
Từ khơng khí: bụi, bẩn, hơi ẩm. Bản thân khơng khí cũng là chất bẩn, sự có mặt của
nó là nguyên nhân gây ra sự tạo bọt trong dầu.
Từ động cơ: các hạt kim loại sinh ra từ việc ăn mòn động cơ, Cacbon do sự cháy
khơng hồn tồn của nhiên liệu, oxit kim loại, nước, nhiên liệu.
Sản phẩm từ quá trình dầu xuống cấp
Bùn: là hỗn hợp của dầu, nước, bụi, bẩn và các hạt cacbon từ q trình cháy khơng
hồn tồn của nhiên liệu. Bùn có thể bám vào động cơ hoặc là phân tán dưới dạng keo
trong dầu.
Sơn: là hợp chất rắn hoặc gum, bám lên thành động cơ, là kết quả của các chất bùn
tạo thành khi động cơ làm việc ở nhiệt độ cao
Sản phẩm hòa tan trong dầu: là sản phẩm của sự oxi hóa dầu, nó vẫn cịn lại trong
dầu do khơng lọc ra ngồi và bám lên thành động cơ. Ở nhiệt độ thấp, cặn bẩn chủ yếu là
sản phẩm từ q trình cháy khơng hồn tồn.
I.2.3 Ảnh hưởng của dầu nhớt thải đến mơi trường [15]
Đối với nguồn đất: do dầu thải chứa các hợp chất chứa axit, các hợp chất dị nguyên
tố, nếu thải dầu này ra đất sẽ làm cho vi khuẩn và vi sinh vật trong đất bị chết, các chất
axit tác dụng với chất khoáng tạo ra các loại kết tủa. Nhựa trong dầu thải ở trong đất sẽ
lâu phân hủy. Do đó, khi đổ dầu thải vào đất, đất sẽ bị biến chất, khơng cịn giá trị sử
dụng.
Đối với nguồn nước: Dầu nhớt thải nếu thải vào nguồn nước sẽ gây ơ nhiễm nguồn
nước. Các axít có trong dầu nhớt thải sẽ làm chết động thực vật trong nước. Do dầu nhớt
thải có khối lượng riêng thấp hơn nước nên khi lẫn vào nước sẽ nằm trên mặt nước và có
thể gây ra hiện tượng: tạo nhũ và nhũ đó rất lâu phân huỷ. Vì thế nguồn nước đó sẽ không
thể dùng được.
HVTH: Chung Nhật Phương
14
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS Nguyễn Vĩnh Khanh
Đối với động thực vật: Chủ yếu động thực vật lấy nguồn sống từ đất và nước. Khi
đất và nước bị ô nhiễm do dầu nhớt thải tất yếu sẽ làm cho động thực vật chết theo.
Đối với con người: Dầu nhớt thải sẽ làm ơ nhiễm nguồn khơng khí tại những nơi
thay thế dầu động cơ hay những nơi con người tiếp xúc trực tiếp với nó. Khí dầu thải tồn
tại trong khơng khí, khi hít khí dầu thải vào người chúng ta sẽ bị các bệnh về hô hấp, về
thần kinh.
I.3 Các phương pháp và công nghệ tái sinh dầu nhớt thải hiện nay
Theo ước tính thì nhu cầu về dầu bơi trơn mỗi năm tăng 15%. Tuy nhiên rất khó để
biết chính xác xem bao nhiêu lượng dầu bơi trơn được bán ở Việt Nam mỗi năm và như
vậy cũng rất khó dự đốn chính xác cho tương lai. Vì thực tế là các loại dầu bơi trơn rẻ
tiền có thể thâm nhập vào thị trường một cách bất hợp pháp và chính phủ khơng thể
thống kê được.
Nhu cầu
dầu bơi trơn
ở Việt Nam
Lubricant
Demand
Forecast
in Vietnam
300000
Tấn/năm
Metric
Ton/yr
250000
200000
150000
100000
50000
0
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 20072008 2009 2010
Year
Năm
Hình I.3 Dự đốn nhu cầu dầu bôi trơn ở Việt Nam
Nhu cầu tiêu thụ dầu bôi trơn ở nước ta, theo như thống kê ở trên là rất lớn, và vì thế,
lượng dầu thải thải ra hàng năm cũng rất lớn. Tuy nhiên, hiện nay việc thu gom dầu thải
chưa được tiến hành với quy mô nhỏ lẻ và chưa đồng bộ.
HVTH: Chung Nhật Phương
15
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS Nguyễn Vĩnh Khanh
Hiện nay, tính trên tổng lượng dầu thải ở Việt Nam thì ước tính chỉ có khoảng 50%
được thu hồi. Trong đó dầu động cơ là khoảng 60 - 70%, dầu công nghiệp là khoảng 30 –
60%. Dầu thải được thu gom trên một khu vực địa lý rộng trong đó các khu cơng nghiệp
và các tỉnh thành lớn thì tập trung nhiều hơn. Điều này khơng có nghĩa là dầu thải được
thải vào môi trường một cách đơn giản và việc tái sinh dầu không được tiến hành theo
phương pháp thân thiện với mơi trường. Ngồi ra việc cịn 50% lượng dầu thải (khoảng
135.000 tấn/năm) vẫn chưa được tính đến. Lượng dầu này có thể được xử lý theo một số
cách song dường như được thải loại vào môi trường. Từ thực tế đó có thể thấy được dầu
thải nếu khơng được thu gom và xử lý hợp lý sẽ là nguồn gây ơ nhiễm mơi trường
nghiêm trọng. Và hiện nay có rất nhiều các phương pháp tái sinh dầu trên thế giới cũng
như ở Việt Nam chúng ta.
I.3.1 Định hướng tái chế dầu nhớt thải
Khác với nhiên liệu bị đốt cháy hồn tồn trong động cơ tạo ra khí CO2 và hơi nước
thải vào khí quyển, dầu nhớt sau một quá trình làm việc trong động cơ bị biến chất thành
dầu thải.
Vấn đề đặt ra ở đây là xử lý lượng dầu thải như thế nào cho hợp lý. Nếu coi đó là
một chất thải và tùy tiện xả ra mơi trường xung quanh thì sẽ gây tác hại lớn làm ô nhiễm
môi trường, đồng thời lãng phí một lượng vật chất khá lớn trong khi cịn có thể tái sử
dụng.
Do đó, việc xả bỏ dầu thải cần được nghiêm cấm. Cần có những quy định và tổ
chức việc thu hồi và tái sinh dầu thải với quy mô từ nhỏ đến lớn.
Để làm được việc này trước tiên cần có sự tuyên truyền rộng rãi trong người tiêu
dùng về tác hại to lớn của việc xả bỏ bừa bãi dầu thải ra môi trường xung quanh, về cách
thức loại bỏ dầu thải phù hợp với những yêu cầu và quy định của Nhà nước về bảo vệ
môi trường sinh thái.
Tiếp theo cần tổ chức việc thu gom và tái sinh dầu thải cụ thể như cần xây dựng
những nhà máy dành riêng cho mục đích này.
HVTH: Chung Nhật Phương
16
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS Nguyễn Vĩnh Khanh
I.3.1.1 Khả năng tái sử dụng dầu nhớt thải.
Tùy theo phương án sử dụng mà dầu nhớt thải sau khi xử lý có thể được sử dụng
trong nhiều lĩnh vực khác nhau, dưới đây trình bày một số khả năng sử dụng của dầu nhớt
thải:
-
Sử dụng trực tiếp làm chất đốt: dầu nhớt thải được trộn với dầu đốt FO theo
một tỷ lệ nhất định để làm chất đốt cho các nhà máy địi hỏi chất lượng dầu đốt
khơng cao.
9 Ưu điểm: sử dụng được ngay không phải xử lý.
9 Nhược điểm: hiệu quả không cao và là yếu tố gián tiếp gây ô nhiễm
môi trường.
-
Tái chế thành nhiên liệu lỏng: Các nhiên liệu lỏng bao gồm dầu mỏ và các
sản phẩm dầu mỏ, nhiên liệu lỏng là loại nhiên liệu có vai trị quan trọng nhất,
nó được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực của nền kinh tế như công nghiệp,
năng lượng, giao thông vận tải, nông lâm ngư nghiệp, xây dựng, sản xuất tiểu
thủ cơng, dân dụng…
Nhiên liệu lỏng có tầm quan trọng như vậy vì nó có những ưu điểm hơn hẳn các
nhiên liệu khác:
9 Nhiệt trị cao, dễ cháy
9 Hiệu quả sử dụng nhiệt cao, mất mát nhiệt ít nhất
9 Dễ bảo quản, vận chuyển, cung ứng hàng đến nơi tiêu thụ xa
9 Thuận tiện khi sử dụng ở quy mô công nghiệp hiện đại
9 Dễ dàng tự động hóa các q trình đốt, cung cấp nhiên liệu, dễ khống
chế các chế độ công nghệ
9 Sạch sẽ, tạo ra rất ít tro xỉ
HVTH: Chung Nhật Phương
17
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS Nguyễn Vĩnh Khanh
Bảng I.1: Nhiệt trị của một số loại nhiên liệu
Loại nhiên liệu Nhiệt trị (Kcal/Kg)
Dầu thô
10150 – 10390
Xăng
11380
KO
10990
DO
11130
FO
10150
LPG
11820
LNG
12370
THAN ĐÁ
5660 – 8090
Dầu nhớt thải có nhiệt trị tương đối cao (≈ 10.500 Kcal/Kg) do đó hướng sử
dụng làm nhiên liệu rất thích hợp và giải quyết được một khối lượng tương đối
lớn dầu nhớt thải. Hướng tái sinh này chủ yếu là sử dụng các phản ứng cracking
dầu nhớt thải để sản xuất ra các sản phẩm có giá trị hơn như DO, FO. Phương
pháp cracking chủ yếu được quan tâm là cracking nhiệt và cracking xúc tác. Các
chất xúc tác thường được sử dụng là Zeolit, H2SO4, HI, NaOH, Na2CO3. So với
quá trình cracking nhiệt thì quá trình cracking xúc tác tạo ra các sản phẩm có
chất lượng cao hơn do tạo ra nhiều sản phẩm nhiều các hợp chất có nhánh hơn
và ít các hợp chất nối đơi hơn. Tuy nhiên vì trong dầu nhớt thải có nhiều cặn
bùn và các hợp chất dị nguyên tố nên rất dễ mất hoạt tính của xúc tác, vì vậy
quá trình cracking nhiệt được sử dụng nhiều hơn khi tái chế dầu nhớt thành
nhiên liệu DO, FO.
-
Tái sinh nhằm thu hồi dầu gốc: Hướng tái sinh này đã được nghiên cứu
nhiều trong và ngoài nước. Ưu điểm nổi trội của phương pháp này là giữ
nguyên được mục đích sử dụng ban đầu của dầu. Điều này khơng những tránh
được ơ nhiễm mơi trường mà cịn có tác dụng bảo tồn nguồn tài nguyên dầu
HVTH: Chung Nhật Phương
18
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS Nguyễn Vĩnh Khanh
mỏ. Nhược điểm của phương pháp là công nghệ chế biến phức tạo, quy mơ
lớn, địi hỏi nguồn ngun liệu phải tập trung, ổn định.
I.3.1.2 Hướng tái sinh dầu nhớt thải làm dầu gốc
Cơ sở của quá trình tái sinh dầu nhớt thải
Dựa vào các đặc tính của chất thải: Các chất thải nói chung được sử dụng làm
nguyên liệu khi nó có một số tính chất gần giống với nguyên liệu ban đầu.
Dầu nhớt thải sau khi được xử lý có các đặc tính sau:
-
Khả năng bơi trơn cao, ổn định hóa học và ổn định nhiệt
-
Nguyên liệu chứa rất ít các độc tố gây ơ nhiễm mơi trường, ăn mịn máy móc
thiết bị.
-
Ngồi ra sau khi xử lý cịn thu được một lượng cặn có thể dùng làm nhựa
đường
Bản chất của quá trình tái sinh dầu nhớt thải.
Dầu nhớt thải gây ra ơ nhiễm bởi trong nó tồn tại nhiều chất thải độc hại bao gồm
nhiên liệu đốt cháy chưa hết và các sản phẩm Oxy hóa dầu sinh ra trong quá trình động
cơ làm việc, cát bụi, tạp chất cơ học, các kim loại bị mài mòn, các chi tiết máy rơi vào
trong quá trính làm việc..tất cả chúng tồn tại trong dầu nhớt tạo thành hệ huyền phù, sự
tồn tại của các hợp chất này trong dầu sinh ra các acid, nhựa, cặn, bùn… làm cho độ nhớt
của dầu nhớt thay đổi mạnh, nhiệt độ chớp cháy hạ xuống thấp, trị số acid, hàm lượng
nước, hàm lượng tạp chất cơ học tăng cao..đồng thời màu của sản phẩm cũng bị tối đen.
Tái sinh dầu nhớt thực chất là quá trình tách lọc hết các tạp chất ra khỏi dầu thải,
phục hồi lại những tính chất ban đầu của dầu. Việc tách loại có thể sử dụng nhiều phương
pháp khác nhau như sấy, chưng cất, ly tâm, keo tụ, đông đặc, hấp phụ…
HVTH: Chung Nhật Phương
19
