Đánh giá hiệu quả trao đổi nhiệt của hệ thống trao đổi nhiệt trong công nghệ sản xuất cồn nhiên liệu thử nghiệm tại RPTC HCMUT bằng phần mềm HTRI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------------------------

VÕ NHƯ HOÀNG PHƯỚC

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ TRAO ĐỔI NHIỆT CỦA HỆ
THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG CÔNG NGHỆ SẢN
XUẤT CỒN NHIÊN LIỆU THỬ NGHIỆM TẠI RPTC –
HCMUT BẰNG PHẦN MỀM HTRI

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT HOÁ DẦU

MÃ SỐ: 605355

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2012


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. HUỲNH QUYỀN
Cán bộ chấm nhận xét 1: .....................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: .....................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG
Tp.HCM ngày … tháng … năm …

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 Bộ môn quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Bộ mơn quản lý chuyên ngành


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp. HCM, ngày 04 tháng 07 năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

VÕ NHƯ HOÀNG PHƯỚC

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh:

20/01/1984

Nơi sinh: Quảng Nam

Chuyên ngành:

Kỹ thuật hoá dầu

MSHV: 09400141

I – TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ TRAO ĐỔI NHIỆT CỦA
HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN
NHIÊN LIỆU THỬ NGHIỆM TẠI RPTC – HCMUT BẰNG PHẦN MỀM HTRI.
II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Nghiên cứu mô phỏng các c m thiết ị trong uy tr nh c ng nghệ tinh luyện
cồn để sản xuất xăng pha cồn tại Trung tâm nghiên cứu cơng nghệ Lọc Hóa
dầu (RPTC) trên phần mềm mơ phỏng HTRI từ số liệu thực tế của công nghệ
đang hoạt động.

-

ựa tr n phần mềm m phỏng, t nh toán thiết kế lại thiết bị trao đổi nhiệt, đề
xuất th ng số vận hành và những cải thiện cho c ng nghệ hiện hữu theo
hướng giảm chi ph năng lượng.

III – NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: ngày 04 tháng 07 năm 2011
IV – NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ngày 02 tháng 07 năm 2012
V – CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS. HUỲNH QUYỀN

TS. HUỲNH QUYỀN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

KHOA QL CHUYÊN

QL CHUYÊN NGÀNH

NGÀNH


LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tơi xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến TS. Huỳnh Quyền, người thầy
đã trực tiếp hướng dẫn và động viên tơi trong suốt q trình thực hiện luận văn. Sự
chỉ bảo chân tình của thầy đã cho t i những ước đi uan trọng để có thể hồn
thành luận văn này.
T i cũng xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong khoa Kỹ thuật Hóa học –
Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Ch Minh đã tận tình giảng dạy và trang bị cho
tơi những kiến thức quý báu trong trong suốt thời gian học cao học. Đồng thời tôi
cũng rất cảm ơn những đồng nghiệp tại Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Lọc Hóa
dầu – Trường Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh đã hỗ trợ nhiệt t nh và đóng góp
nhiều ý kiến quan trọng giúp tơi hồn thành luận văn.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đ nh, người thân và bạn

è đã lu n giúp đỡ động viên tôi trong học tập và cuộc sống. Những tình cảm q
áu đó lu n là động lực thúc đẩy tơi phấn đấu để có được kết quả như ngày h m
nay.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 06 năm 2012
Học viên thực hiện luận văn

Võ Như Hoàng Phước

i


ABSTRACT

Ethanol fuel which is derived from biomass conversion, has been widely using
as a gasoline additive for petrol engines to improve vehicle emission, reduce fossil
fuel consumption. Ethanol production based on molecular sieve which brings the
ethanol concentration to over 99.5%, has many advantages than other technologies.
An experimental workshop which produces 2000 liters ethanol per day for mixing
with gasoline, was built at Refinery and Petrochemical Technology Research Center
(RPTC) in 2010. However, this technology still needs improving to minimize
energy comsumption. And this is the important way to apply RPTC’s ethanol
dehydration process into industry.
The purpose of this study is evaluation the optimal operation of each
equipment and calculate the energy balances in the whole ethanol dehydration
system of RPTC workshop. Waste Heat utilization is studied to reduce energy
consumption in system. Most of works in this study were carried out with the
support of Mô phỏng softwares (Pro/II, HTRI). Some results of this study include:
the improvement process with lower energy comsumption than initial process, the
technological parameters of ethanol dehydration system. Both of them can be
applied to all scales.

ii


TĨM TẮT LUẬN VĂN

Ethanol (cồn) có nguồn gốc sinh học đã được sử d ng rộng rãi trên thế giới
như là một nguồn nhiên liệu bổ sung cho các động cơ xăng. C ng nghệ sản xuất cồn
nhiên liệu dựa trên nguyên lý rây phân tử có nhiều ưu điểm so với các công nghệ
khác. Một phân xưởng thử nghiệm tinh luyện cồn sản xuất xăng pha cồn quy mô
2000 l t/ngày đã được xây dựng tại Trung tâm Nghiên cứu Cơng nghệ Lọc Hóa dầu
(RPTC). Tuy nhiên, vấn đề hồn thiện cơng nghệ sản xuất sao cho chi ph năng
lượng là tối thiểu vẫn được uan tâm hàng đầu và là chìa khóa cho việc ứng d ng
cơng nghệ ra quy mô công nghiệp.
Nội dung luận văn này thực hiện đánh giá tối ưu hoạt động của các thiết bị và
tính tốn cân bằng năng lượng trong tồn hệ thống công nghệ tinh luyện cồn tại
RPTC. Phương án tận d ng nhiệt được đưa ra để giải quyết một phần năng lượng
hao phí trong q trình sản xuất. Cơng việc được thực hiện với sự hỗ trợ của các
phần mềm mô phỏng (Pro/II, HTRI). Kết quả của đề tài là một quy trình cơng nghệ
được cải tiến với chi ph năng lượng thấp hơn cùng ộ số liệu về thông số công
nghệ của hệ thống tinh luyện cồn và có thể ứng d ng cho nhiều quy mơ khác nhau.

iii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................... i
ABSTRACT ............................................................................................................................. ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ......................................................................................................... iii
MỤC LỤC .............................................................................................................................. iv

DANH MỤC BẢNG............................................................................................................... vi
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................................. viii
ĐẶT VẤN ĐỀ ...........................................................................................................................1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN......................................................................................................4
I.1.

Công nghệ và thiết bị cho q trình tinh luyện cồn ................................................4
I.1.1.

Các cơng nghệ tinh luyện cồn ..............................................................................4

I.1.2.

Công nghệ tinh luyện cồn đã triển khai quy mô công nghiệp .............................4

I.1.3.

Lựa chọn công nghệ tinh luyện cồn .....................................................................7

I.2.

Các nghiên cứu về công nghệ rây phân tử đã công bố ...........................................8

I.3.

Các nghiên cứu về tối ưu tiêu hao năng lượng cho hệ thống công nghệ ..............9

CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN NHIÊN LIỆU TẠI RPTC ........................12
II.1.

Thuyết minh cơng nghệ ..........................................................................................12
II.1.1.

C m chuẩn hóa ngun liệu...............................................................................13

II.1.2.

C m hấp ph - giải hấp và thu hồi cồn sản phẩm ..............................................15

II.1.3.

Thu hồi cồn từ nước thải của q trình giải hấp ................................................18

Hệ thống điều khiển cơng nghệ: ............................................................................20

II.2.

II.2.1.

Các cảm biến đo:................................................................................................20

II.2.2.

Các thiết bị điều khiển: ......................................................................................23

II.2.3.

Hệ thống điều khiển trung tâm: .........................................................................26

CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG SẢN XUẤT CỒN

NHIÊN LIỆU TẠI RPTC .......................................................................................................29
III.1.

Giới thiệu các phần mềm hỗ trợ mô phỏng, đánh giá tối ưu thiết bị: ..................29

III.1.1. Phần mềm Pro/II ................................................................................................29
III.1.2. Phần mềm HTRI [27] ........................................................................................31
III.2.

Đánh giá hiệu quả hoạt động cụm chuẩn hóa nguyên liệu..................................38

III.2.1. Tháp chưng cất ...................................................................................................38

iv


III.2.2. Thiết bị đun s i đáy tháp E-02 ...........................................................................45
III.2.3. Thiết bị đun s i nhập liệu E-01 ..........................................................................51
III.2.4. Thiết bị ngưng t đỉnh E-03 ...............................................................................53
III.3.

Đánh giá hiệu quả hoạt động cụm hấp phụ - giải hấp .........................................55

III.3.1. Thiết bị hóa hơi gia nhiệt E-04 ..........................................................................55
III.3.2. Thiết bị tận d ng nhiệt E-00 ..............................................................................58
III.3.3. Thiết bị ngưng t cồn sản phẩm E-06 ................................................................60
III.4.

Cụm thu hồi cồn từ nước thải của quá trình giải hấp ..........................................62

III.4.1. Thiết bị ngưng t E-05 .......................................................................................62
CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN TIÊU HAO NĂNG LƯỢNG VÀ HƯỚNG ĐỀ XUẤT CẢI
THIỆN CƠNG NGHỆ ............................................................................................................65
IV.1.

Tính chất của các dịng quá trình trong hệ thống: ...............................................65

IV.2.

Xác định nhiệt lượng cần thiết của quá trình và khả năng tận dụng nhiệt: ...........

IV.3.

Lựa chọn sơ đồ tận dụng nhiệt phù hợp: ..............................................................68

IV.3.1. Sử d ng HTRI thiết kế thiết bị E_new: .............................................................69
IV.3.2. Đánh giá lại thiết bị E-00 trong điều kiện hoạt động mới: ................................72
IV.3.3. Đánh giá lại thiết bị E-06 trong điều kiện hoạt động mới: ................................73
IV.3.4. Đánh giá lại thiết bị E-04 trong điều kiện hoạt động mới: ................................74
IV.3.5. Đánh giá lại thiết bị E-01 trong điều kiện hoạt động mới: ................................75
IV.3.6. Đánh giá lại thiết bị E-05 trong điều kiện hoạt động mới: ................................75
IV.3.7. Đánh giá hiệu quả năng lượng khi cải thiện cơng nghệ: ....................................77
IV.4.

Quy trình cơng nghệ hồn chỉnh: ..........................................................................79

IV.4.1. Sơ đồ cơng nghệ hồn chỉnh: .............................................................................79
IV.4.2. Bảng cân bằng vật chất – năng lượng cho toàn hệ thống: .................................79
IV.5.

Thông số tối ưu công nghệ:....................................................................................80

KẾT LUẬN .............................................................................................................................83
KIẾN NGHỊ............................................................................................................................84
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................................85
PHỤ LỤC................................................................................................................................88

v

66


DANH MỤC BẢNG
Bảng II.1: Bảng liệt kê các thiết bị chính và ph trợ ................................................13
Bảng II.2: Bảng liệt kê các thông số công nghệ của tháp chưng ..............................15
Bảng II. : Bảng liệt kê các thiết bị trong c m hấp ph và giải hấp ..........................16
Bảng II.4: Bảng liệt kê các thông số công nghệ của tháp hấp ph và giải hấp .........18
Bảng II.5: Bảng liệt kê các thiết bị trong c m thu hồi cồn sau quá trình giải hấp ....19
Bảng II.6: Bảng liệt kê các thông số công nghệ của bồn tách lỏng ..........................19
Bảng II. : Bảng liệt kê các cảm biến đo nhiệt độ .....................................................20
Bảng II.8: Bảng liệt kê các cảm biến đo lưu lượng chất lỏng ...................................21
Bảng II. : Bảng liệt kê các cảm biến đo mức lỏng ...................................................21
Bảng II.10: Bảng liệt kê các cảm biến đo áp suất .....................................................22
Bảng II.11: Bảng liệt kê các van tuyến tính ..............................................................23
Bảng II.12: Bảng liệt k các van đóng/mở ................................................................23
Bảng II.1 : Bảng liệt k các ơm chất lỏng ..............................................................25
Bảng III.1: Các m đun trong HTRI .........................................................................31
Bảng III.2: Đặc tính chi tiết tháp chưng cất ..............................................................41
Bảng III.3: Kết quả mô phỏng tháp và giá trị thực tế ...............................................44
Bảng III.4: Th ng số thiết kế thiết bị E-02 ...............................................................45

Bảng III.5: Bảng kết quả tóm tắt sau khi mơ phỏng E-02 ........................................50
Bảng III.6: Th ng số thiết bị E-01 ............................................................................51
Bảng III. : Tóm tắt kết quả đánh giá thiết bị E-01 ...................................................53
Bảng III. : Th ng số thiết bị E-03 ............................................................................53
Bảng III. : Tóm tắt kết quả đánh giá thiết bị E-03 ...................................................55
Bảng III.10: Th ng số thiết bị E-04 ..........................................................................55
Bảng III.11: Tóm tắt kết quả đánh giá thiết bị E-04 .................................................57
Bảng III.12: Kết quả mô phỏng E-04 ở chế độ Mô phỏng ........................................58
Bảng III.1 : Th ng số thiết bị E-00 ..........................................................................58
Bảng III.14: Kết quả đánh giá thiết bị E-00 ..............................................................60
Bảng III.15: Thông số thiết bị E-06 ..........................................................................60

vi


Bảng III.16: Kết quả đánh giá thiết bị E-06 ..............................................................62
Bảng III.1 : Th ng số thiết bị E-05 ..........................................................................62
Bảng III.1 : Kết quả mô phỏng thiết bị E-05 ...........................................................64
Bảng IV.1: Nhiệt độ và nhiệt chuyển pha các dịng q trình ..................................65
Bảng IV.2: T nh tốn điểm pinch của dịng q trình ...............................................67
Bảng IV. : Tổng hợp nhiệt độ tại các thiết bị trao đổi nhiệt ....................................68
Bảng IV.4: Kết quả thiết kế được sử d ng để đánh giá E_New ...............................70
Bảng IV.5: Kết quả thiết kế thiết bị E_New bằng HTRI ..........................................71
Bảng IV.6: Thông số thiết kế thiết bị E_New ...........................................................71
Bảng IV. : Kết quả đánh giá lại thiết bị E-00 ...........................................................73
Bảng IV. : Kết quả đánh giá lại thiết bị E-06 ...........................................................74
Bảng IV.9: Kết quả đánh giá lại E-04 trong điều kiện mới ......................................75
Bảng IV.10: Kết quả đánh giá E-05 trong điều kiện mới .........................................76
Bảng IV.11: Tổng hợp công suất nhiệt và nhu cầu dòng ph trợ cho hệ thống .......77
Bảng IV.12: Chi ph nhi n liệu cho một lít sản phẩm...............................................78

Bảng IV.1 : Cân ằng vật chất năng lượng trong tồn bộ cơng nghệ ......................79
Bảng IV.14: Th ng số công nghệ tối ưu ...................................................................81

vii


DANH MỤC HÌNH
H nh I.1: Sơ đồ cơng nghệ tinh luyện cồn bằng phương pháp chưng cất đẳng phí ....5
H nh I.2: Sơ đồ công nghệ tinh luyện cồn bằng phương pháp rây phân tử ................7
H nh II.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống tinh luyện cồn .................................................12
H nh II.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển .......................................................26
H nh II. : Màn h nh điều khiển/giám sát hệ thống ...................................................28
H nh III.1: Biểu tượng phần mềm Pro/II...................................................................29
Hình III.2: Giao diện phần mềm Pro/II .....................................................................30
H nh III. : Vào m i trường mô phỏng thiết bị chùm ống (Xist) ..............................33
H nh III.4: M i trường mô phỏng thiết bị chùm ống ................................................34
H nh III.5: Giản đồ cân bằng pha hệ ethanol – nước theo số liệu thực tế.................39
H nh III.6: Lựa chọn mơ hình nhiệt động .................................................................40
H nh III. : Giản đồ cân bằng pha theo mơ hình UNIFAC ........................................40
H nh III. : Nhập cấu tử cho hệ..................................................................................40
H nh III. : Nhập thơng số dịng ngun liệu ............................................................41
H nh III.10: Nhập dữ liệu cho tháp và ước lượng dòng sản phẩm............................42
H nh III.11: Nhập hiệu suất đĩa .................................................................................43
H nh III.12: Nhập yêu cầu công nghệ .......................................................................43
H nh III.1 : Nhập dữ liệu của đĩa tháp chưng ..........................................................44
H nh III.14: Nhập các thơng số phía vỏ ống .............................................................46
H nh III.15: Lựa chọn kiểu thiết bị đun s i lại ..........................................................46
H nh III.16: Nhập các thơng số phía ống ..................................................................47
H nh III.1 : Nhập dữ liệu cho lỗ vào/ra ....................................................................47
H nh III.1 : Khai báo vị trí các lỗ vào/ra ..................................................................48

H nh III.1 : K ch thước đường ống của thiết bị đun s i lại ......................................48
H nh III.20: Nhập dữ liệu các dòng ..........................................................................49
H nh III.21: Mặt chiếu bằng của chùm ống thiết bị E-02 .........................................51
H nh III.22: Nhập dữ liệu cho E-01 ..........................................................................52
H nh III.2 : Nhập dữ liệu cho thiết bị E-03 ..............................................................54

viii


H nh III.24: Nhập dữ liệu cho thiết bị E-04 ..............................................................56
H nh III.25: M phỏng E-04 ở chế độ Mô phỏng .....................................................57
H nh III.26: Nhập dữ liệu cho thiết bị E-00 ..............................................................59
H nh III.2 : Nhập dữ liệu cho thiết bị E-06 ..............................................................61
H nh III.2 : Nhập dữ liệu mô phỏng E-05 ................................................................63
H nh IV.1: Nhập dữ liệu thiết kế E_new...................................................................70
H nh IV.2: Đánh giá một kết quả trích từ kết quả thiết kế ........................................71
H nh IV. : Nhập dữ liệu thiết kế lại E-00 .................................................................72
H nh IV.4: Nhập dữ liệu thiết kế lại E-06 .................................................................73
H nh IV.5: Nhập dữ liệu đánh giá lại E-04 trong điều kiện mới ..............................74
H nh IV.6: Nhập dữ liệu đánh giá lại E-05 trong điều kiện mới ..............................76
H nh IV. : Nhu cầu nước hơi nước bão hòa cấp nhiệt cho hệ thống ........................78
H nh IV. : Nhu cầu nước làm mát cho hệ thống ......................................................78

ix


ĐẶT VẤN ĐỀ

ĐẶT VẤN ĐỀ
Việc phát hiện ra nguồn nhiên liệu truyền thống là một trong những ước

tiến vượt bậc của loài người. Dầu mỏ và những sản phẩm của dầu mỏ đã đóng góp
một phần quan trọng trong tất cả các lĩnh vực của đời sống đồng thời đảm bảo được
an ninh năng lượng cho các quốc gia trên thế giới. Tuy nhiên, với sự phát triển
không ngừng của xã hội, nhu cầu sử d ng nhiên liệu ngày một tăng cao đã gây ra
những tác động không nhỏ. Hiện nay, trữ lượng nguồn nguyên liệu để sản xuất ra
nhiên liệu truyền thống đang ngày càng cạn kiệt, từ đó dẫn tới những biến động về
giá cả trên thị trường nhiên liệu. Bên cạnh đó, việc khai thác, chế biến và sử d ng
nhiên liệu hóa thạch là một trong những nguyên nhân dẫn tới sự ô nhiễm môi
trường, hiệu ứng nhà k nh, gây tác động to lớn đến cuộc sống của cộng đồng.
Hiện nay, các quốc gia trên thế giới đặc biệt là những quốc gia có nguồn tài
nguyên về năng lượng bị hạn chế đã và đang nỗ lực tìm kiếm một giải pháp nhằm
từng ước hạn chế sự ph thuộc vào nhiên liệu truyền thống, tránh nguy cơ khủng
hoảng về năng lượng đồng thời đảm bảo an ninh năng lượng của quốc gia. Ngoài ra,
nguồn năng lượng thay thế cũng phải giải quyết được bài tốn cấp bách về mơi
trường. Và một trong những nguồn năng lượng mới đang được chú ý hiện nay đó là
nhiên liệu sinh học. Các nước như Mỹ, Brazil, Trung Quốc, các nước châu Âu… là
những nhà ti n phong trong lĩnh vực nghiên cứu, phát triển, ứng d ng và thương
mại hóa nhiên liệu sinh học.
Hịa cùng xu thế phát triển chung của thế giới, Việt Nam cũng đang từng ước
triển khai các dự án sản xuất nhiên liệu sinh học nhằm đảm bảo ổn định nhu cầu
tiêu th nhiên liệu và giá thành sản phẩm trong nước. Xăng sinh học E5 (pha 5%
cồn tinh khiết vào nhiên liệu xăng truyền thống) đã được cung cấp rộng rãi trên thị
trường và nhu cầu cồn nhiên liệu pha xăng ngày một gia tăng. Tuy nhi n, cho đến
hiện nay chúng ta chưa có một cơng nghệ sản xuất cồn nhiên liệu hiện đại được đưa
vào sử d ng mà các dự án sản xuất cồn nhiên liệu ở Việt Nam đều nhập từ nước
ngoài dẫn đến giá thành đầu tư cao và dĩ nhi n giá thành nhi n liệu cồn sẽ cao.
1


ĐẶT VẤN ĐỀ

Từ những vấn đề cấp bách trên, và từ những nghiên cứu trước đây đã đạt
được, Trung tâm Nghiên cứu Cơng nghệ Lọc Hóa dầu (RPTC) đã tiến hành thiết kế,
chế tạo thành công hệ thống công nghệ tinh luyện cồn để sản xuất xăng pha cồn
bằng phương pháp rây phân tử với năng suất 2000 lít cồn (99,5%V) /ngày và hiện
nay đã đưa vào hoạt động ổn định. Tuy nhi n, để đẩy nhanh việc ứng d ng cơng
nghệ này vào thực tiễn thì việc hồn thiện công nghệ mà c thể là vấn đề đánh giá
hiệu quả trao đổi nhiệt của hệ thống và tối ưu năng lượng đóng vai trị rất quan
trọng. Vì vậy đề tài này sẽ tập trung vào việc khai thác hệ thống sản xuất cồn nhiên
liệu tại RPTC cùng sự hỗ trợ của các phần mềm mô phỏng để đưa ra quy trình và
thơng số hoạt động với ti u hao năng lượng tối thiểu cho công nghệ sản xuất cồn
nhiên liệu bằng phương pháp rây phân tử.
Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
M c tiêu chung của đề tài sẽ tập trung vào vấn đề đánh giá hiệu quả trao đổi
nhiệt của từng thiết bị trao đổi nhiệt, đề ra các biện pháp nâng cao hiệu quả trao đổi
nhiệt cho công nghệ sản xuất cồn nhiên liệu theo phương pháp rây phân tử đang vận
hành tại RPTC.
Nội dung c thể của đề tài sẽ tập trung vào các vấn đề sau:
-

Nghiên cứu mô phỏng các c m thiết ị trong uy tr nh c ng nghệ tinh
luyện cồn từ số liệu thực tế của công nghệ đang hoạt động và so sánh
đánh giá kết uả m phỏng so với th ng số thực tế.

-

ựa tr n chương tr nh m phỏng, tiến hành t nh toán cân bằng năng
lượng trong uy tr nh.

-

Đề xuất th ng số vận hành tối ưu và những cải tiến để hoàn thiện c ng
nghệ hiện hữu.

Ý nghĩa khoa học, thực tiễn:
Hoàn chỉnh cơng nghệ sản xuất cồn nhiên liệu, làm chủ hồn tồn cơng nghệ
hiện đại tương đương c ng nghệ nước ngồi. Kết quả nghiên cứu có thể được ứng

2


ĐẶT VẤN ĐỀ
d ng để tính tốn thiết kế hệ thống sản xuất cồn nhiên liệu quy mô công nghiệp với
chế độ vận hành kinh tế nhất.

3


CHƯƠNG I

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
I.1.

Công nghệ và thiết bị cho q trình tinh luyện cồn
Cơng nghệ tinh luyện cồn để sản xuất cồn nhiên liệu đã được nghiên cứu và

triển khai từ khá lâu trên thế giới, đi đầu là các nước có nền nơng nghiệp phát triển
như Brazil, Ấn Độ, Thái Lan,… Tại Việt Nam, đây là một trong những hướng
nghiên cứu đang được tập trung với m c tiêu cơng nghệ sản xuất hồn tồn tự động,
ti u hao năng lượng thấp, không ô nhiễm m i trường và phù hợp với các nồng độ
khác nhau của nguyên liệu cồn th

an đầu.

I.1.1. Các công nghệ tinh luyện cồn
Để thu được sản phẩm cồn đạt tiêu chuẩn sử d ng làm nhiên liệu, có nhiều
phương pháp đã được nghiên cứu và ứng d ng để tách nước trong cồn cơng nghiệp
đã chưng cất đến điểm đẳng phí, c thể có thể liệt k các phương pháp sau:
 Phương pháp chưng cất:
o Phương pháp chưng đẳng phí
o Phương pháp chưng phân tử
 Phương pháp rây phân tử dùng chất hấp ph chọn lọc Zeolite.
 Phương pháp dùng các chất hút ẩm.
 Phương pháp thẩm thấu qua màng.
 Phương pháp kết hợp bốc hơi thẩm thấu qua màng và rây phân tử.
I.1.2. Công nghệ tinh luyện cồn đã triển khai quy mơ cơng nghiệp
I.1.2.1. Cơng nghệ chưng cất đẳng phí ứng dụng tại Brazil:
Quy tr nh chưng cất đẳng phí dùng cấu tử lôi cuốn là benzene, heptan hoặc
cyclohexane đã được ứng d ng tại Brazil từ những năm 0 của thế kỷ trước.
Dịng ngun liệu là ethanol 95% (thể tích) sau khi gia nhiệt được đưa vào cột
tách nước (Dehydrating Column) tại vị trí giữa tháp. Các cấu tử lơi cuốn từ bồn
chứa và từ sau thùng lắng gạn được ơm vào trong cột tại vị tr đỉnh cột. Dòng

4


CHƯƠNG I
ethanol ngun chất có nhiệt độ sơi cao thu được tại đáy và hỗn hợp đẳng phí ba
cấu tử có nhiệt độ sơi thấp thu được tại đỉnh.
Ethanol khan nồng độ 99,9% thể t ch thu được ở đáy tháp tách nước, qua thiết
bị làm lạnh rồi đưa về bồn chứa, bảo quản.

Hỗn hợp đẳng phí ba cấu tử ra khỏi tháp tách nước được ngưng t trong thiết
bị ngưng t và qua thiết bị làm lạnh rồi được đưa về thùng lắng gạn để thực hiện
quá trình phân tách. Lớp trên của thùng lắng gạn là các hydrocac on phá đẳng phí,
ethanol, một lượng hơi nước được đưa tuần hoàn về tháp tách nước. Phần dưới được
đưa trở về cột tách hydrocacbon. Đáy của cột phân tách hydrocacbon thành phần
chủ yếu là nước có thể được thải bỏ ra ngồi.
Ưu điểm:
-

Phương pháp thiết kế, cơng nghệ và thiết bị đã hồn thiện.

Nhược điểm của cơng nghệ:
-

Chi phí vận hành cao.

-

Sử d ng dung môi lôi cuốn gây ô nhiễm m i trường trong quá trình
vận hành cũng như trong việc sử d ng sản phẩm cồn nhiên liệu.

H nh I.1: Sơ đồ công nghệ tinh luyện cồn bằng phương pháp chưng cất đẳng phí

5


CHƯƠNG I
I.1.2.2. Công nghệ rây phân tử ứng dụng tại Ấn Độ, Thái Lan:
Dòng nhập liệu ở trạng thái lỏng, nồng độ thể tích 95,5% thể tích ethanol
được đưa vào tháp gia nhiệt, sau đó đưa vào tháp ốc hơi.

ịng ra ở tháp bốc hơi

có nhiệt độ khoảng 78,2oC được đưa vào thiết bị quá nhiệt để tăng nhiệt độ lên
100oC. Sau đó được đưa vào tháp hấp ph . Mỗi tháp hấp ph hoạt động bao gồm 4
chu kỳ: chu kỳ tăng áp, chu kỳ hấp ph , chu kỳ giảm áp và rồi lại thực hiện chu kỳ
tăng áp nhờ dòng nhập liệu. Mỗi mẻ hấp ph là 30 phút, quá trình giải hấp chiếm
khoảng 25 phút, quá trình hạ áp chiếm

phút, uá tr nh tăng áp chiếm 2 phút. Hai

tháp hoạt động luân phiên nên cả quá trình sản xuất là liên t c.

ịng hơi từ tháp

hấp ph ra có nồng độ trung bình khoảng 99,5% thể t ch ethanol. Sau đó dịng hơi
được đưa vào thiết bị lọc sơ ộ để tách b i zeolite, tiếp t c đưa ua thiết bị ngưng t
và làm lạnh, cuối cùng được ơm đưa vào thùng chứa.
Trong quá trình giải hấp với áp suất tuyệt đối khoảng 0,5 atm, một phần hơi
sản phẩm được tr ch ra để quay trở lại tháp đang giải hấp nhằm lôi cuốn các cấu tử
đang ị tách ra. Sau đó dịng hơi của quá trình giải hấp được đưa trở lại thiết bị bốc
hơi.
Ưu điểm cơng nghệ:
- Cơng nghệ hiện đại
- Chi phí vận hành thấp
- Hệ thống vận hành liên t c
Nhược điểm:
- Chưa có phương pháp thiết kế hồn thiện mà việc xây dựng thiết kế phải
dựa trên số liệu thực nghiệm
- Cần tính tốn, lựa chọn để tối ưu tr nh giải hấp cũng như thu hồi sản

phẩm cồn sau quá trình giải hấp.

6


CHƯƠNG I

H nh I.2: Sơ đồ công nghệ tinh luyện cồn bằng phương pháp rây phân tử

I.1.3. Lựa chọn công nghệ tinh luyện cồn
Việc nghiên cứu chọn lựa công nghệ có thể vận d ng vào điều kiện Việt Nam
phải phù hợp với tr nh độ khoa học công nghệ tại Việt Nam, cơng nghệ phải mang
tính hiện đại, các thiết bị có thể chế tạo tại Việt Nam, giá thành vận hành thấp để có
thể giảm tối đa giá thành cồn nhiên liệu, góp phần đẩy nhanh việc sử d ng nhiên
liệu sinh học tại Việt Nam theo chủ trương của Chính Phủ trong những năm trở lại
đây.
Đứng về ngun tắc, hiện nay chỉ có hai cơng nghệ đang được sử d ng phổ
biến trong cơng nghiệp đó là c ng nghệ chưng cất đẳng phí và cơng nghệ Rây phân
tử. Trong hai cơng nghệ này, thì cơng nghệ Rây phân tử có nhiều ưu điểm vượt trội
về tính hiện đại, dễ vận hành, chi ph năng lượng cho q trình vận hành thấp, đảm
bảo khơng ơ nhiễm trong quá trình vận hành cũng như chất lượng sản phẩm cồn

7


CHƯƠNG I
nhiên liệu đảm bảo yêu cầu. Công nghệ Rây phân tử là công nghệ hiện đại nhất
đang được sử d ng trong công nghiệp sản xuất cồn nhiên liệu hiện nay.
Tr n cơ sở phân tích hai cơng nghệ trên, công nghệ Rây phân tử thực sự là
công nghệ phù hợp để có thể triển khai tại Việt Nam. Cơng nghệ này hồn tồn phù

hợp với tr nh độ khoa học công nghệ cũng như những yêu cầu về bảo vệ m i trường
tại Việt Nam hiện nay và tương lai.
I.2. Các nghiên cứu về công nghệ rây phân tử đã công bố


Mô phỏng hệ thống hấp phụ loại PSA trong quy trình sản xuất cồn nhiên liệu:
[13]
Đây là ài áo của tác giả Marian Simoa, Christopher J. Brownb và Vladimir

Hlavaceka, năm 200 . Tác giả áp d ng các mơ hình tốn học để mơ phỏng q trình
hấp ph PSA. M h nh được xây dựng tr n cơ sở dữ liệu từ thực tế và thư viện cơ
sở dữ liệu sẵn có. Kết quả nghiên cứu cung cấp kiến thức, sự hiểu biết về nhiệt động
lực học của quá trình hấp ph PSA và các yếu tố ảnh hưởng đến các thông số vận
hành của hệ thống.


Sản xuất ethanol tinh khiết từ dung dịch đẳng phí bằng phương pháp hấp phụ
PSA [14]
Cơng trình nghiên cứu q trình tách ethanol ra khỏi hỗn hợp đẳng phí ethanol

– nước bằng phương pháp hấp ph PSA. M c đ ch của q trình nghiên cứu là phân
tích những dữ liệu động học và nhiệt động lực học của quá trình hấp ph hỗn hợp
ethanol – nước trên zeolite A trong thiết bị tầng cố định. Trong đó, c ng tr nh chú ý
quan sát và phân tích ảnh hưởng của các yếu tố: nhiệt độ đầu vào của nguyên liệu,
nồng độ nguyên liệu và tốc độ nhập liệu. Kết quả cho thấy rằng: đường đẳng nhiệt
hấp ph Langmuir thì phù hợp với quá trình thực tế. Và các yếu tố chính ảnh hưởng
đến tính hiệu quả của hệ thống hấp ph PSA là: tốc độ nạp liệu, nồng độ nguyên
liệu, áp suất, và thời gian. Kết quả mơ phỏng có thể được sử d ng để thiết kế hệ
thống PSA.

8


CHƯƠNG I


Mơ phỏng và thiết kế mơ hình của q trình hấp phụ [15]
Các tác giả sử d ng các phương tr nh tốn học để mơ hình hóa và mơ phỏng

hệ thống q trình hấp ph một tầng cố định. Từ đó, họ xem xét các yếu tố tác động
đến hệ thống hấp ph . Trong đó, các tác giả đề cập đến các m h nh như: m h nh
cân bằng, mơ hình Freundlich, mơ hình IAST (Ideal Adsorbed Solution Theory),
m h nh động học.


Sản xuất ethanol nhiên liệu [16]
Bài báo trình bày về lịch sử hình thành và phát triển, cũng như t nh h nh sản

xuất ethanol trên thế giới (t nh đến thời điểm 2003). Bên cạnh đó, tác giả cũng đề
cập đến các yếu tố li n uan đến quy trình sản xuất ethanol, như là: hiệu suất
chuyển hóa, uá tr nh l n men, uá tr nh chưng cất và khử nước, nguyên liệu là mỡ
động vật, năng lượng sử d ng. Đặc biệt, tác giả phân tích các quy trình sản xuất và
hiệu quả của quá trình.


Sản xuất ethanol nhiên liệu khan bằng phương pháp hấp phụ PSA trên quy mô
pilot [17]
Bài báo trình bày quá trình sản xuất ethanol nhiên liệu bằng phương pháp hấp

ph PSA với zeolite A. Năng suất của sản phẩm là 2000 lít/ngày ethanol 99,5%

khối lượng. Thơng số vận hành của hệ thống PSA là: lưu lượng nhập liệu (2 đến
62 Nm3/h cồn 93,2% khối lượng), nhiệt độ hấp ph (1 0 đến 140oC), tỷ lệ thu hồi,
và áp suất hấp ph (1,2 atm).
I.3. Các nghiên cứu về tối ưu tiêu hao năng lượng cho hệ thống công nghệ


Tối ưu năng lượng trong thiết kế nhà máy ethanol từ ngơ [18]
Nhóm tác giả Ramkumar Karuppiah, Andreas Peschel, Mariano Martín,

Ignacio E. Grossmann, Wade Martinson, Luca Zullo đã kết hợp các phương tr nh
cân bằng vật chất & năng lượng cho từng thiết bị để tính tốn lại tổng năng lượng
tiêu th của nhà máy với sự hỗ trợ của máy t nh. Phương án t nh toán tận d ng
nhiệt, xây dựng mạng nhiệt (HEN) và phân cấp cho uá tr nh chưng cất được thực
9


CHƯƠNG I
hiện nhằm tối ưu ti u th năng lượng trong nhà máy. Kết quả chỉ ra rằng chi phí
năng lượng cho thiết kế cải tiến thấp hơn 40% so với thiết kế an đầu.


Nghiên cứu tích hợp các dịng nhiệt trong nhà máy sản xuất ethanol và nấm
men [19]
Đây là một nghiên cứu nhằm giảm chi ph năng lượng bằng cách tích hợp các

dịng nhiệt dựa trên các kết quả phân tích điểm giới hạn của động lực truyền nhiệt
(pinch).
Quá trình sản xuất trong nhà máy được xem như là một mơ hình vật lý và
được chia nhỏ thành nhiều hệ thống con. Mỗi hệ thống được thiết kế lại để cải thiện
hiệu quả năng lượng. Sau những cải thiện từng phần này là phân tích pinch trên tồn

bộ hệ thống để tối ưu hóa năng lượng sử d ng với sự xây dựng hệ thống trao đổi
nhiệt hợp lý.
Nghiên cứu trong bài báo chủ yếu tập trung nâng cao hiệu quả thu hồi nhiệt
trong q trình hóa học bằng cách sử d ng mạng trao đổi nhiệt công nghiệp
(HENs). HENs có thể được thiết kế với sự kết hợp sử d ng nhiều phương pháp khác
nhau. Tất cả các phương pháp trong thiết kế HENs đều phù hợp cho tối thiểu hóa
chi ph và gia tăng lợi nhuận. Trong những dịng q trình, có những dịng cịn hữu
ch để làm nóng hay làm nguội các dịng khác ph thuộc vào nhiệt độ vào và nhiệt
độ ra cần đạt đến của q trình, và có thể tiết kiệm năng lượng để khỏi phải tốn
nước (hay hơi hước) từ dòng tiện ích. Nhiệm v chính là sử d ng kĩ thuật phân tích
điểm pinch để tối ưu số thiết bị trao đổi nhiệt, diện tích truyền nhiệt, chi phí sản
xuất, chi phí tiện ích, bằng cách sử d ng năng lượng các dịng hiện có. Với cách tối
ưu này, HENs có thể tăng lợi nhuận của nhà máy trong tương lai.


Nghiên cứu về tiêu hao lượng nước sử dụng trong nhà máy sản xuất ethanol
thế hệ II [20]
M c đ ch của nghiên cứu là giảm thiểu lượng nước sạch sử d ng trong quá

trình sản xuất ethanol, nhờ vậy lượng nước thải cũng giảm đi. Phương pháp tiếp cận
xem xét tất cả các lựa chọn có thể thay thế trong việc tối ưu hóa ti u th năng
10


CHƯƠNG I
lượng. Từ mỗi lựa chọn thay thế đó được tích hợp tương ứng với một mạng xử lý
nước. Để làm điều này, sử d ng a phương pháp: Thứ nhất, tối ưu năng lượng sử
d ng trong quá trình sản xuất, giảm được nhu cầu làm mát của quá trình, giảm được
mất mát nước do bốc hơi…Thứ hai, sử d ng một số công nghệ thay thế nước làm
tác nhân làm mát tương tự. Cuối cùng thiết kế mạng lưới nước tối ưu cho mỗi quá

trình sản xuất bằng cách xác định lượng nước tiêu th , tái sử d ng và xử lý. Kết quả
cho thấy lượng nước tiêu th giảm từ 1,5 – 3 lần, thấp hơn nhu cầu nước sản suất
gasoline.


Thiết kế tối ưu và mô phỏng hoạt động của mạng trao đổi nhiệt trên máy tính
[21]
Ngày nay các kĩ sư thiết kế có thể linh hoạt và kiểm soát hơn các vấn đề về tối

ưu chi chi ph các thiết bị truyền nhiệt với một chương tr nh máy t nh có t n là CA
– HEN (Computer Aided

esign Heat Exchanger Networks). Chương tr nh thiết kế

trên các nguyên tắc nhiệt động lực học, có khả năng phân t ch và m phỏng tốc độ
hoạt động của các bộ trao đổi nhiệt bằng các mô hình c thể. Trong giai đoạn đầu
ti n chương tr nh sẽ tính tốn tối ưu nhiệt độ để đạt được thu hồi nhiệt tối ưu. Vòng
lặp an đầu với các tối thiểu diện tích truyền nhiệt và dịng tiện ch được tổng hợp
và sau đó tối ưu hóa ởi các vịng lặp tiếp theo của thuật tốn. Cuối cùng mạng
nhiệt được kiểm tra lại khả năng hoạt động, tốc độ trên mơ hình c thể. Đây là c ng
c mạnh mẽ cho phép khảo sát các mạng trao đổi nhiệt đồng thời t nh toán được chi
ph đầu tư, chi ph sản xuất hằng năm cũng như thời gian khấu hao đem lại lợi
nhuận.

11


CHƯƠNG II

CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN NHIÊN LIỆU

TẠI RPTC
II.1. Thuyết minh công nghệ
Công nghệ được nghiên cứu dựa trên sự hấp ph nước trong ethanol của vật
liệu rây phân tử Zeolite 3A. Quy trình cơng nghệ tinh luyện cồn tại RPTC gồm 3
giai đoạn chính: (Ph l c A)
 Chuẩn hóa nguyên liệu
 Hấp ph - giải hấp và thu hồi cồn sản phẩm
 Thu hồi cồn từ nước thải của quá trình giải hấp

H nh II.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống tinh luyện cồn

12


CHƯƠNG II
II.1.1. Cụm chuẩn hóa nguyên liệu
C m chuẩn hóa nguyên liệu với m c đ ch tinh luyện cồn từ nồng độ 0%wt
đến 2 hoặc 5%wt để làm nguy n liệu cho c m thứ 2 (c m hấp ph và giải hấp).
Cồn nguyên liệu công nghiệp được sử d ng là cồn có nồng độ tối thiểu 70%wt
và cồn giải hấp (được t nh toán theo điều kiện thiết kế tháp hấp ph cũng khoảng
70%wt) được trộn tại ồn chứa B-00. Khi đó, dịng nguy n liệu có nồng độ khoảng
70%wt được ơm EP-00 đưa ua ộ gia nhiệt E-00 và E-01 đạt nhiệt độ ổn định
80,8C trước khi vào tháp chưng. Việc sử d ng bộ gia nhiệt E-00 nhằm m c đ ch
tận d ng nguồn nhiệt của cồn sản phẩm, giảm năng lượng sử d ng của hệ thống. Tại
tháp chưng cất, hỗn hợp ethanol – nước thực hiện các uá tr nh truyền khối và phân
tách thành 2 dòng: òng hơi đỉnh tháp với nồng độ cồn khoảng 2%wt được ngưng
t bởi bộ trao đổi nhiệt E-03 và chảy vào bồn trung gian B-01. Tại đây, một phần
được hoàn lưu về tháp th ng ua ơm EP-01, phần còn lại là sản phẩm đỉnh chảy
ua ồn trung gian B-02 làm nguyên liệu cho uá tr nh tiếp theo.

òng lỏng ở đáy

tháp được gia nhiệt bởi nồi đun E-02 cung cấp hơi và năng lượng cho tháp. Hơi ốc
lên ở nồi đun được đưa trở lại vào đáy tháp, phần lỏng lấy ra khỏi nồi đun có nồng
độ cồn 1%wt được xem như nước thải.
ảng II.1: Bảng liệt kê các thiết bị chính và phụ trợ

STT

Tên thiết bị

1

Tháp chưng cất C-01

2

Trao đổi nhiệt E-01

3

Trao đổi nhiệt E-02

Kiểu thiết bị
Tháp đĩa có ống chảy
chuyền

Ghi chú
Đĩa xuy n lỗ

Thiết bị gia nhiệt ống chùm Hơi nước đi ngoài
đặt đứng

ống

Thiết bị truyền nhiệt dạng Hơi nước đi ngoài
ống chùm đặt đứng

13

ống