Đề tài Tối ưu hóa quá trình reforming etanol để sản xuất H2 sử dụng xúc tác Ni/Al2O3 trên phần mềm hysys

Nội dung text: Đề tài Tối ưu hóa quá trình reforming etanol để sản xuất H2 sử dụng xúc tác Ni/Al2O3 trên phần mềm hysys

1. Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Khoa 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
2. SINH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI: ✓ Lương Văn Sơn ✓ Ngô Thị Hạnh ✓ Nguyễn Thị Thanh Mai Giáo Viên Hướng Dẫn: KS. Đoàn Văn Huấn
3. 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.
4. 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
5. ❖CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG HIỆN NAY Năng lượng mặt trời Năng lượng hóa thạch: dầu mỏ, than đá
6. Năng lượng sinh khối Hạt nhân
7. Sơ đồ sản xuất etanol từ sinh khối Xử lý Sản xuất nguồn enzim biomass Etanol Thu hồi Xử lý sơ bộ Thủy phân Lên men xenlulozơ glucozơ etanol Lên men Tận dụng pentozơ licnin
8. Với mục đích làm nhiên liệu, H2 có nhiều ưu điểm hơn so với nhiên liệu hóa thạch Là nhiên liệu sạch, gần như không phát khí thải. Là nguồn năng lượng có thể tái sinh. 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.
9. Ứng dụng của nguồn H2 Công nghệ Nguồn H Công nghệ hóa dầu 2 lọc dầu Nhiên liệu cho động cơ Luyện kim, chất bán dẫn
10. Tại sao lại dùng etanol để sản xuất H2 ? Dễ reforming hơn hydrocacbon Do không cần etanol tinh khiết Tiết kiệm năng lượng và chi phí nên bỏ qua các công đoạn sấy khô, chưng cất, hấp phụ . Do không dùng lưu huỳnh, một xúc tác Tránh vấn đề ô nhiễm môi trường độc như trong reforming hydrocacbon và sử dụng nguồn etanol sinh khối.
11. Tại sao lại dùng xúc tác Ni/Al2 O3 ? • Xúc tác có các ưu điểm: Độ chọn lọc H2 cao Tạo ra hiệu suất cao, > 90% Dễ tổng hợp.
12. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT H2 TỪ ETANOL Mô phỏng quá trình reforming etanol sản xuất hydro. etanol Thiết bị Thiết bị Thiết bị Air ATR WGS PROX o 100oC o Water 100 C 70 C Không khí Sơ đồ khối H2(pin nhiên liệu)
13. Sơ đồ dòng mô phỏng
14. 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
15. THIẾT LẬP PHẢN ỨNG Trong thiết bị ATR o • CH3CH2OH + 3H2O → 6H2 + 2CO2 (∆H =174kJmol-1) o • CH3CH2OH + 3H2O → 4H2 + 2CO (∆H = 256 kJmol-1) o • CH3CH2OH + 0.5 O2 → CH3CHO + H2O (∆H = -175 kJmol-1) o • CH3CH2OH → C2H4O + H2 (∆H = 68 kJmol-1) o • CH3CH2OH → C2H4 (∆H = 45 kJmol-1) o • CH3CH2OH → 0.5 CO2 + 1.5 CH4 (∆H = -74 kJmol-1) o • CH3CH2OH → CO + CH4 + H2 (∆H = 49 kJmol-1) o • C2H4O + H2O → 2CO + 3H2 (∆H = 180 kJmol-1) o • CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O (∆H = -800 kJmol-1) o • CH4 + 2O2 → CO + 2H2 (∆H = -36 kJmol-1) o • CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2 (∆H = -320 kJmol-1) o • C2H4 + H2 → C2H6 (∆H = -140 kJmol-1) o • C2H4 → 2C + 2H2 (∆H = -52 kJmol-1) O -1 7CH3CH2OH + 5.5O2 + 2H2O → 6CO2 + 8CO + 23H2 (∆H = -825 kJmol )
16. THIẾT LẬP PHẢN ỨNG • Trong thiết bị HTS, MTS & LTS (WGS) o -1 CO + H2O ↔ CO2 + H2 (∆H = -42 kJmol ) • Trong thiết bị PROX (mục đích là giảm nồng độ CO đến mức cho phép) CO+O2 ↔ CO2 và O2 + H2 = H2O.
17. Sơ đồ dòng mô phỏng
18. Kết Quả Mô Phỏng Kết quả các dòng ra khỏi thiết bị ATR và LTS Thành phần Dòng hơi ra khỏi Dòng hơi ra khỏi thiết bị ATR thiết bị LTS CO 0.033193 0.005956 H2 0.626474 0.658713
19. TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH Nhiệt độ dòng hơi ra khỏi thiết bị ATR Nồng độ của CO và H2 phụ thuộc lưu lượng dòng không khí thay đổi theo lưu lượng mol không khí
20. TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH Sự thay đổi nồng độ của CO và H2 ở dòng ra Nhiệt độ dòng hơi ra khỏi thiết bị ATR khi thay đổi lưu lượng nước. khi thay đổi lưu lượng dòng nước
21. TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH Nồng độ CO của dòng hơi ra khỏi thiết bị PROX khi thay đổi lưu lượng dòng PROX air.
22. TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH Thành phần Dòng khí ra khỏi Dòng khí ra khỏi thiết bị ATR 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
23. 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
24. Động học quá trình reforming etanol trên xúc tác Ni/Al2O3 Dựa trên cơ chế Eley Rideal. O -1 C2H6O + 3H2O 2CO2 + 6H2 (∆H =174kJmol ) 1.Hấp thụ etanol C H O + (a) ↔ C H O(a) Lên bề mặt xúc tác 2 6 2 6 2.Tương tác giữa etanol Hấp thụ với vị trí lỗ C2H6O(a) + (a) ↔ CH4O*(a) + CH2*(a) Trống liền kề 3.Phản ứng bề mặt CH4*(a) + H2O(g) ↔ CO2 + 3H2 + (a). Hấp phụ & giải hấp phụ CH*2(a) + 2H2O(g) CO2 + 3H3 + (a).
25. 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) Dd Na2CO3 Ni(NO3).6H2O Khuấy Dung dịch A Lọc kết tủa 40oC Al2(NO3)3.9H2O Sấy khô Nung 600oC Mẫu CP
26. - Phương pháp kết tủa hóa học (Precipitation) Ni(NO3)2.6H2O Khuấy 24h Lọc kết tủa Dung dịch B (Na CO + Al O ) 2 3 2 3 Sấy khô Nung 600oC Mẫu PT
27. Các mẫu xúc tác đã tổng hợp Mẫu xúc Ni (% KL) Al (%kl) tác (M=58,69) (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
28. Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau CP5 700 600 500 d=2.421 d=1.413 d=1.997 400 d=2.803 d=1.562 Lin (Cps) Lin 300 200 100 0 20 30 40 50 60 70 80 2-Theta - Scale 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: 00-004-0858 (D) - Aluminum Oxide - gamma-Al2O3 - Y: 86.62 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 -
29. Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau PT15 1500 1400 Kết quả đo XRD 1300 1200 1100 d=1.603 d=2.089 1000 d=2.555 900 800 700 Lin (Cps) Lin 600 d=1.375 d=1.743 500 d=3.490 400 d=1.405 d=2.386 300 d=1.240 d=1.236 200 d=1.513 100 d=2.421 d=1.481 d=1.548 d=1.277 d=1.206 d=1.965 0 20 30 40 50 60 70 80 2-Theta - Scale 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 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 - 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.
30. Kết Quả BET Kết quả đo BET của mẫu xúc tác CP15. BET Surface Area: 204.0826 ± 0.6923 m²/g
31. Mô phỏng phản ứng reforming trên xúc tác Ni/Al2O3 Name etanol Hơi nước Nhiệt độ 78.81 oC 100oC Áp suất 101.3Kpa 101.3Kpa Source: [ ] Tốc độ dòng 100 kmol/h 150 kmol/h Thiết bị PFR
32. Mô phỏng phản ứng reforming trên xúc tác Ni/Al2O3 Các thông số của Thiết bị PFR Kinetic reaction Total volume [m3] 2.355 Length [m] 3 Catalyst Data. Particle Diameter [mm] 0.6 Solid density [kg/m3] 2500
33. 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
34. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng reforming Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chuyển hóa Xu hướng tạo COx và CH4 tăng etanol và phần mol của H2 khi áp suất tăng
35. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng reforming Xu hướng tạo cốc có thể giảm bằng cách Xu hướng tạo cốc có thể giảm tăng nhiệt độ bằng cách tăng tỉ lệ hơi nước so vơi etanol (S/C)
36. ❖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.
37. ❖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.