CHƯƠNG I H nh I.2: Sơ đồ công nghệ tinh luyện cồn bằng phương pháp rây phân tử I. 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, công 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 nguyên tắc, hiện nay chỉ có hai công nghệ đang được sử d ng phổ biến trong công nghiệp đó là c ng nghệ chưng cất đẳng phí và công nghệ Rây phân tử. Trong hai công nghệ này, thì công nghệ Rây phân tử có nhiều ưu điểm vượt trội về tính hiện đại, dễ vận hành, chi ph năng lượng cho quá trình vận hành thấp, đảm bảo không ô nhiễm trong quá trình vận hành cũng như chất lượng sản phẩm cồn 6 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 công nghệ trên, công nghệ Rây phân tử thực sự là công nghệ phù hợp để có thể triển khai tại Việt Nam. Công nghệ này hoàn toàn 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. 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 mô hình toán học để mô phỏng quá trình hấp ph PSA. 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] Công trình nghiên cứu quá trình tách ethanol ra khỏi hỗn hợp đẳng phí ethanol – nước bằng phương pháp hấp ph PSA. M c đ ch của quá 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 mô phỏng có thể được sử d ng để thiết kế hệ thống PSA. 7 CHƯƠNG I Mô phỏng và thiết kế mô hình của quá trình hấp phụ [15] Các tác giả sử d ng các phương tr nh toán học để mô hình hóa và mô phỏng hệ thống quá 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, mô hình Freundlich, mô 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. Thông 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). 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 ngô [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 toán 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 8 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 0% so với thiết kế an đầu. Nghiên cứu tích hợp các dòng 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 dòng 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 mô 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 toàn 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 quá 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 dòng quá trình, có những dòng còn hữu ch để làm nóng hay làm nguội các dòng khác ph thuộc vào nhiệt độ vào và nhiệt độ ra cần đạt đến của quá 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 tích, bằng cách sử d ng năng lượng các dòng 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 9 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 tích và mô 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 toán 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 dòng tiện ch được tổng hợp và sau đó tối ưu hóa ởi các vòng lặp tiếp theo của thuật toán. Cuối cùng mạng nhiệt được kiểm tra lại khả năng hoạt động, tốc độ trên mô hình c thể.
Đây là c ng c mạnh mẽ cho phép khảo sát các mạng trao đổi nhiệt đồng thời tính toán được chi ph đầu tư, chi ph sản xuất hằng năm cũng như thời gian khấu hao đem lại lợi nhuận. 10 CHƯƠNG II CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN NHIÊN LIỆU TẠI RPTC II. 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 công 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 11 CHƯƠNG II II.
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 %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.
