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

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 nhân Năng 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, 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. Ứng dụng của nguồn H2 Nguồn H2 Công nghệ hóa dầu Công nghệ lọc dầu Nhiên liệu cho động cơ Tại sao lại dùng etanol để sản xuất H2 ? 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 bị WGS 100oC Thiết bị PROX 70oC H2(pin nhiên liệu) Thiết bị ATR 100oC Sơ đồ dòng mô phỏng Dòng nguyên liệu 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 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 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 Dựa trên cơ chế Eley Rideal.C2H6O + 3H2O 2CO2 + 6H2 (∆HO=174kJmol-1) 1.Hấp thụ etanol Lên bề mặt xúc tác 2.Tương tác giữa etanol Hấp thụ với vị trí lỗ Trống liền kề 3.Phản ứng bề mặt Hấp 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 A 40oC 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 Các mẫu xúc tác đã tổng hợp Kết quả đo XRD Kết Quả BET Kết quả đo BET của mẫu xúc tác CP15. Mô phỏng phản ứng reforming trên xúc tác Ni/Al2O3 Source: [] Thiết bị PFR Các thông số của Thiết bị PFR Mô phỏng phản ứng reforming trên xúc tác Ni/Al2O3 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.