Đề tài tỐi Ưu hÓa quÁ trÌnh reforming etanol ĐỂ sẢn xuẤt h2 sỬ dỤng xÚc tÁc...
DESCRIPTION
www.dAykemquyNhon.UcOz.comGiới thiệu chung MỤC ĐÍCH VÀ Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀIMục đích:- Sản xuất hydro từ etanol một nguồn nguyên liệu biomass- Tối ưu hóa quá trình nhằm thu được tối đa H2 giảm lượng CO2 thoát ra môi trường dựa vào mô phỏng trên phần mềm Hysys- Tổng hợp xúc tác cho phản ứng và nghiên cứu động học của phản ứng trên xúc tác Ni/Al2O3NỘI DUNG NGHIÊN CỨUGiới thiệu nguồn nhiên liệu H2 Mô phỏng quá trình reforming etanol sản xuất H2- Mô phỏng quá trình - Tối ưu hóa quá trìnhMô phỏng phản ứng reforming trên xúc tác Ni/Al2O3- Nghiên cứu động học của phản ứng- Tổng hợp xúc tác Ni/Al2O3 (đặc trưng bằng phương pháp XRay + BET)- Mô phỏng phản ứng trên Hysys, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứngKết luận và kiến nghịTRANSCRIPT
Trường Đại Học Mỏ Địa ChấtKhoa Dầu Khí
Bộ Môn: Lọc Hóa Dầu
ĐỀ TÀI: TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH REFORMING
ETANOL ĐỂ SẢN XUẤT H2 SỬ DỤNG XÚC TÁC Ni/Al2O3 TRÊN PHẦN MỀM HYSYS
HN: 2011
SINH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI:
Lương Văn Sơn Ngô Thị Hạnh Nguyễn Thị Thanh Mai
Giáo Viên Hướng Dẫn:
KS. Đoàn Văn Huấn
MỤC ĐÍCH VÀ Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI
Mục đích:
- Sản xuất hydro từ etanol một nguồn nguyên liệu biomass
- Tối ưu hóa quá trình nhằm thu được tối đa H2 giảm lượng CO2 thoát ra môi trường dựa vào mô phỏng trên phần mềm Hysys
- Tổng hợp xúc tác cho phản ứng và nghiên cứu động học của phản ứng trên xúc tác Ni/Al2O3
Ý nghĩa:
- Sản xuất H2 nhằm thay thế nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, đồng thời giúp giảm ô nhiễm môi trường do nhiên liệu hóa thạch gây ra.
- Sản xuất H2 là một hướng đi mới, phương pháp này có nhiều ưu điểm hơn các phương pháp khác nó có tính ứng dụng cao, đơn giản và phù hợp với điều kiện nguồn nguyên liệu biomass sẵn có như ở Việt Nam.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Giới thiệu nguồn nhiên liệu H2
Mô phỏng quá trình reforming etanol sản xuất H2
- Mô phỏng quá trình - Tối ưu hóa quá trình
Mô phỏng phản ứng reforming trên xúc tác Ni/Al2O3
- Nghiên cứu động học của phản ứng
- Tổng hợp xúc tác Ni/Al2O3 (đặc trưng bằng phương pháp XRay + BET)- Mô phỏng phản ứng trên Hysys, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng
Kết luận và kiến nghị
CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG HIỆN NAY
Năng lượng mặt trời Năng lượng hóa thạch: dầu mỏ, than đá
Hạt nhânNăng lượng sinh khối
Sơ đồ sản xuất etanol từ sinh khối
Xử lý nguồn
biomass
Xử lý sơ bộ
Sản xuất enzim
Thủy phân xenlulozơ
Lên men glucozơ
Lên men pentozơ
Thu hồi etanol
Tận dụng licnin
Etanol
Với mục đích làm nhiên liệu, HVới mục đích làm nhiên liệu, H2 2 có nhiều ưu điểm hơn có nhiều ưu điểm hơn
so với nhiên liệu hóa thạchso với nhiên liệu hóa thạch
Là nhiên liệu sạch, gần như không phát khí thải.
Là nhiên liệu sạch, gần như không phát khí thải.
Là nguồn năng lượng có thể tái sinh.
Là nguồn năng lượng có thể tái sinh.
Thay thế khí thiên nhiên cung cấp năng lượng cho nhu cầu dân dụng.
Thay thế khí thiên nhiên cung cấp năng lượng cho nhu cầu dân dụng.
Làm pin nhiên liệu cho động cơ, chạy rất êm, không gây ồn.
Làm pin nhiên liệu cho động cơ, chạy rất êm, không gây ồn.
Ứng dụng của nguồn H2
Nguồn H2Công nghệ
hóa dầu Công nghệ lọc dầu
Nhiên liệu cho động cơ
Luyện kim, chất bán dẫn
Tại sao lại dùng etanol để sản xuất H2 ?
Dễ reforming hơn hydrocacbonDễ reforming hơn hydrocacbon
Tiết kiệm năng lượng và chi phíTiết kiệm năng lượng và chi phí
Tránh vấn đề ô nhiễm môi trườngTránh vấn đề ô nhiễm môi trường
Do không cần etanol tinh khiết nên bỏ qua các công đoạn sấy khô, chưng cất, hấp phụ .
Do không dùng lưu huỳnh, một xúc tác độc như trong reforming hydrocacbon và sử dụng nguồn etanol sinh khối.
Độ chọn lọc H2 cao
Tạo ra hiệu suất cao, > 90%
Dễ tổng hợp.
Tại sao lại dùng xúc tác Ni/Al2 O3 ?
• Xúc tác có các ưu điểm:
MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT H2 TỪ ETANOL
Mô phỏng quá trình reforming etanol sản xuất hydro.
Sơ đồ khối
etanol
Air
Water
Không khí
Thiết bịWGS100oC
Thiết bịPROX70oC
H2(pin nhiên liệu)
Thiết bịATR100oC
Sơ đồ dòng mô phỏng
Dòng nguyên liệu
Dòng Dòng 1 Dòng 2 Dòng 3 Đơn vị
Condition
Name water Air etanol
Nhiệt độ 100 100 100 OC
Lưu Lượng 150 550 100 kmol/h
Áp Suất 101.3 101.3 101.3 kPa
THIẾT LẬP PHẢN ỨNG
• CH3CH2OH + 3H2O → 6H2 + 2CO2 (∆Ho =174kJmol-1) • CH3CH2OH + 3H2O → 4H2 + 2CO (∆Ho = 256 kJmol-1) • CH3CH2OH + 0.5 O2 → CH3CHO + H2O (∆Ho = -175 kJmol-1) • CH3CH2OH → C2H4O + H2 (∆Ho = 68 kJmol-1) • CH3CH2OH → C2H4 (∆Ho= 45 kJmol-1) • CH3CH2OH → 0.5 CO2 + 1.5 CH4 (∆Ho= -74 kJmol-1) • CH3CH2OH → CO + CH4 + H2 (∆Ho= 49 kJmol-1) • C2H4O + H2O → 2CO + 3H2 (∆Ho= 180 kJmol-1) • CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O (∆Ho= -800 kJmol-1) • CH4 + 2O2 → CO + 2H2 (∆Ho= -36 kJmol-1) • CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2 (∆Ho= -320 kJmol-1) • C2H4 + H2 → C2H6 (∆Ho= -140 kJmol-1)• C2H4 → 2C + 2H2 (∆Ho= -52 kJmol-1)
7CH3CH2OH + 5.5O2 + 2H2O → 6CO2 + 8CO + 23H2 (∆HO= -825 kJmol-1)
Trong thiết bị ATR
• Trong thiết bị HTS, MTS & LTS (WGS)
CO + H2O ↔ CO2 + H2 (∆Ho= -42 kJmol-1)
• Trong thiết bị PROX (mục đích là giảm nồng độ CO đến mức cho phép)
CO+O2 ↔ CO2 và O2 + H2 = H2O.
THIẾT LẬP PHẢN ỨNG
Sơ đồ dòng mô phỏng
Kết quả các dòng ra khỏi thiết bị ATR và LTS
Thành phần Dòng hơi ra khỏi thiết bị ATR
Dòng hơi ra khỏi thiết bị LTS
CO 0.033193 0.005956
H2 0.626474 0.658713
Kết Quả Mô Phỏng
TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH
Nồng độ của CO và H2 phụ thuộc lưu lượng dòng không khí
Nhiệt độ dòng hơi ra khỏi thiết bị ATR thay đổi theo lưu lượng mol không khí
Sự thay đổi nồng độ của CO và H2 ở dòng ra khi thay đổi lưu lượng nước.
TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH
Nhiệt độ dòng hơi ra khỏi thiết bị ATR khi thay đổi lưu lượng dòng nước
Nồng độ CO của dòng hơi ra khỏi thiết bị PROX khi thay đổi lưu lượng dòng PROX air.
TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH
TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH
Thành phần Dòng khí ra khỏi thiết bị ATR
Dòng khí ra khỏi thiết bị LTS
845 kmol/h 70 kmol/h
CO 0.0337 0.0049
H2 0.6355 0.6644
Nồng độ CO giảm 1.527% ÷ 17.73% và H2 đã tăng lên 1.44%÷ 0.86% sau khi đã tối ưu
KẾT QUẢ TỐI ƯU
Worksheet/conditions
Name PROX vap out
Nhiệt độ 126 oC
Áp suất 81.32 KPa
Tốc độ dòng 2601 kgmole/h
Worksheet/composition Phần mol
H2O 0.003453
CO 0.000005
CO2 0.067303
H2 0.656456
N2 0.267014
O2 0.000014
AcetAldehyde 0.002564
Methane 0.001915
ethylene 0.001276
Dựa trên cơ chế Eley Rideal.C2H6O + 3H2O 2CO2 + 6H2 (∆HO=174kJmol-1)
1.Hấp thụ etanolLên bề mặt xúc tác
2.Tương tác giữa etanolHấp thụ với vị trí lỗ
Trống liền kề
3.Phản ứng bề mặtHấp phụ & giải hấp phụ
C2H6O + (a) ↔ C2H6O(a)
C2H6O(a) + (a) ↔ CH4O*(a) + CH2*(a)
CH4*(a) + H2O(g) ↔ CO2 + 3H2 + (a).CH*2(a) + 2H2O(g) CO2 + 3H3 + (a).
Động học quá trình reforming etanol trên xúc tác Ni/Al2O3
Tổng Hợp Xúc Tác Ni/Al2O3
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã tổng hợp xúc tác Ni/Al2O3 dựa trên 2 phương pháp:
- Phương pháp đồng kết tủa (coprecipitation)
Ni(NO3).6H2O
Al2(NO3)3.9H2O
Dung dịch A40oC
Lọc kết tủa
Dd Na2CO3
Mẫu CP
Khuấy
Sấy khô Nung 600oC
- Phương pháp kết tủa hóa học (Precipitation)
Dung dịch B(Na2CO3 + Al2O3)
Ni(NO3)2.6H2O
Lọc kết tủa
Mẫu PT
Khuấy 24h
Sấy khô Nung 600oC
Mẫu xúc tác
Ni (% KL)(M=58,69)
Al (%kl)(M=27)
CP10 10 47,63
CP15 15 44,98
CP20 20 42,34
PT10 10 47,63
PT15 15 44,98
PT20 20 42,34
Các mẫu xúc tác đã tổng hợp
Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau CP5
00-004-0858 (D) - Aluminum Oxide - gamma-Al2O3 - Y: 86.62 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 -
File: Son DH mo mau CP5.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 80.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 11 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi:
Lin
(C
ps)
0
100
200
300
400
500
600
700
2-Theta - Scale
20 30 40 50 60 70 80
d=1.
413
d=1.
562
d=1.
997
d=2.
421
d=2.
803
Kết quả đo XRDFaculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau PT15
01-089-5881 (C) - Nickel Oxide - NiO - Y: 3.80 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Cubic - a 8.35320 - b 8.35320 - c 8.35320 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Face-centered - Fm-3m (225) - 32 - 582.01-071-1123 (C) - Corundum - Al2O3 - Y: 42.51 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Rhombo.H.axes - a 4.76170 - b 4.76170 - c 12.99470 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - R-3c (167) - 6 -
File: Son DH mo mau PT15.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 80.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 19 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi
Lin
(C
ps)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
2-Theta - Scale
20 30 40 50 60 70 80
d=3.
490
d=2.
555
d=2.
386
d=2.
421
d=2.
089
d=1.
965
d=1.
743
d=1.
603
d=1.
548 d=
1.51
3
d=1.
481
d=1.
405
d=1.
375
d=1.
236
d=1.
277
d=1.
240
d=1.
206
Kết Quả BET
Kết quả đo BET của mẫu xúc tác CP15.
BET Surface Area: 204.0826 ± 0.6923 m²/g
Mô phỏng phản ứng reforming trên xúc tác Ni/Al2O3
Source: [http://en.wikipedia.org/wiki/Plug_flow_reactor_model]
Thiết bị PFR
Name etanol Hơi nước
Nhiệt độ 78.81 oC 100oC
Áp suất 101.3Kpa 101.3Kpa
Tốc độ dòng 100 kmol/h 150 kmol/h
Kinetic reaction
Total volume [m3] 2.355
Length [m] 3
Catalyst Data.
Particle Diameter [mm] 0.6
Solid density [kg/m3] 2500
Các thông số của Thiết bị PFR
Mô phỏng phản ứng reforming trên xúc tác Ni/Al2O3
Dòng sản phẩm của quá trình phản ứng
Worksheet Không có xúc tác Có xúc tác
H2 0.5581 0.6469
CO2 0.1860 0.2156
etanol 0.1569 0.1092
H2O 0.0989 0.0283
Mô phỏng phản ứng reforming trên xúc tác Ni/Al2O3
Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng reforming
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chuyển hóa etanol và phần mol của H2
Xu hướng tạo COx và CH4 tăng
khi áp suất tăng
Xu hướng tạo cốc có thể giảm bằng cách tăng nhiệt độ
Xu hướng tạo cốc có thể giảm bằng cách tăng tỉ lệ hơi nước
so vơi etanol (S/C)
Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng reforming
KẾT LUẬN
• Đã mô phỏng thành công quá trình reforming etanol để sản xuất hydro trên phần mềm Hysys. Kết quả thu được dòng sản phẩm H2 đạt độ tinh khiết cao.
• Đã tối ưu hóa được quá trình với mục đích tăng hàm lượng H2 và giảm hàm lượng khí CO dựa vào sự thay đổi lưu lượng dòng nước và khí.
• Đã tổng hợp thành công 2 mẫu xúc tác PT15 và CP15. Kết quả sau khi đo XRD và BET cho thấy cả 2 mẫu xúc tác trên đều có kích thước mao quản trung bình.
• Đã nghiên cứu và mô phỏng phản ứng reforming etanol trên xúc tác Ni/Al2O3 bằng phần mềm Hysys.
KIẾN NGHỊ
Cần phân tích đặc trưng các mẫu xúc tác với hàm lượng Ni khác đã được tổng hợp để chọn ra xúc tác tối ưu nhất
Nghiên cứu trên các xúc tác khác như CeO2-ZrO2
Tiến hành thực nghiệm phản ứng trên thực tế để so sánh với kết quả mô phỏng trên Hysys nhằm đánh giá mức độ tin cậy của phần mềm.