Bài giảng Hoá công nghệ - Chương 8: Kỹ thuật nhiên liệu - Ngô Xuân Lương

Nội dung text: Bài giảng Hoá công nghệ - Chương 8: Kỹ thuật nhiên liệu - Ngô Xuân Lương

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN TH.S NGÔ XUÂN LƯƠNG Thanh Hóa, năm 2008
2. CHƯƠNG VIII. KỸ THUẬT NHIÊN LIỆU
3. Nhiên liệu là tên gọi của các chất cháy ở dạng rắng, lỏng khí có trong thiên nhiên hay nhân tạo được dùng làm nguồn cung cấp nhiệt hoặc làm nguyên liệu trong công nghiệp hoá chất. Bao gồm. Nhiên liệu thiên nhiên: than, gổ, dầu mỏ, khí TN Nhân tạo: than cốc, than gổ, xăng, dầu hoá, khí than, khí cốc chủ yếu được điều chế từ nhiên liệu thiên nhiên. A. KỶ THUẬT SẢN XUẤT KHÍ THAN I. Ý NGHĨA KINH TẾ CỦA KHÍ THAN Sản xuất than là quá trình chuyển hoá than ở dạng rắn thành dạng khí Thành phần chính CO, H2 dùng làm chất đốt hoặc tổng hợp hữu cơ CO + 2H2 → CH3OH
4. Dùng khí than có nhiều ưu điểm hơn than (nhiệt độ cháy cao → dễ điều chỉnh ngọn lửa, khi cháy không tro bụi → dễ vận chuyển) Khí than dùng trong lò luyện thép mác tanh, lò đúc nấu thuỷ tinh, dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong H2+ O2 → H2O T/H hữu cơ : sản xuất rượu metylic, etylic, hiđrôcacbon, HCHO CO + O2 → CO2 Quá trình hoá khí than ra đời đầu thế kỷ XIX (nga) Việt Nam: Thuỷ tinh Hải Phòng, sứ Hải Dương, phân đạm Bắc Giang, bóng đèn phích nước Rạng Đông.
5. II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Nguyên tắc chung oxi hoá không hoàn toàn của C của than nhờ chất oxi hoá chứa oxi: KK, H2O, CO2, O2 và 0 sản phẩm chủ yếu gồm H2, CO2, CH4, N2, H2S ở nhiệt độ phản ứng 1200 C . Qúa trình biến đổi hoá học từ C của than → khí gọi là quá trình hoá khí than. 2. Các phản ứng trong quá trình hoá khí than Các phản ứng chính
6. III. CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT Cơ sở phân loại: Dựa vào chiều chuyển động của gió (KK và hơi nước) đưa vào lò (than luôn đổ từ trên xuống) → 4 phương pháp.
7. a. Phương pháp hoá khí thuận: gió đưa vào từ đáy lò, xuyên qua lớp than, tạo thành khí rồi thoát lên trên, sản phẩn lấy ra ở phía trên lò. b. Phương pháp hoá khí nghịch: giá đưa vào từ đỉnh lò cùng chiều với than, sản phẩm lấy ra ở đáy lò c. Phương pháp hoá khí ngang: giá đưa vào ngang lò giữa lò thẳng gốc với chuyển động của than d. Phương pháp hoá khí liên hợp: gió đưa vào theo 2 chiều ngược nhau (trên – dưới) sản phẩm lấy ra giữa thân lò Dựa vào thành phần khí thổi vào lò → có 3 phương pháp a. Phương pháp khi than khô: Khí thổi vào lò là KK → sản phẩm chủ yếu là CO (34,7%), N2 (64,5%), Ar (0,8%), Ni 3 N2 còn lại tồn → năng suất toả nhiệt lớn 4300KJ/m
8. Sản phẩm dùng cho lò cao → cung cấp C, CO cho quá trình luyện gang → nhiệt độ lên tới 18000C. b. Phương pháp khí than ướt (ẩm) Khí thổi vào lò là HH (H2O, KK) → sản phẩm CO (27%), H2 (13,5%), N2 (52,6%), CH4 (0,5%) NH2/N2 > 3 đạt tỷ lệ cho tổng hợp NH3. 0 H = 80% thay KK = O2 và tăng nhiệt độ > 1200 C → tăng sản phẩm CO, H2 và CH4 → tăng năng suất tỏ nhiệt của khí đốt và tăng hiệu suất của quá trình hoá khí than. c. Phương pháp khí hơi nước Phương pháp gián đoạn (t/c chu kỳ): 2 giai đoạn chính Giai đoạn 1: thổi KK C + O2 → CO2 2C + O2 → CO2 Phản ứng có H < O → nhiệt độ tăng.
9. Giai đoạn 1 quyết định tới chất lượng sản phẩm vì phản ứng tạo khí hơi nước đòi hỏi Q lớn, bề mặt phản ứng lớn, tốc độ thổi khí lớn để CO2 không bị khử thành CO hạ thấp nhiệt độ lò. Song chọn tốc độ thích hợp để đỡ tổn thất nhiệt. Giai đoạn 2: Thổ hơi H2O C + H2O = CO + H2 C + H2O → CO2 + 2H2 Nhiệt độ phản ứng giảm → V giảm chất lượng khí giảm → PP liên tục + PP liên tục: phương pháp này dùng hơi nước quá nhiệt, hơi nước trước khi cho vào lò qua buồng thu hồi nhiệt để nâng nhiệt độ tới 1100-12000C
10. sản phẩm H2: 35-45%, CO : 20-21%, CO2 : 25-30% N2: 0,8%, CH4 : 8-10%, VH2 : VCO2 = 2:1 → phù hợp với sản xuất CH3OH, năng suất toả nhiệt 10.3500KJ/m3. IV. THIẾT BỊ HOÁ KHÍ (SGK) B. KỸ THUẬT LUYỆN THAN CỐC I. Ý NGHĨA KINH TẾ CỦA QUÁ TRÌNH CỐC HOÁ Sản phẩm gồm: rắn than cốc, nguyên liệu giàu C nhất (96,5-97,5%) Khí cốc: chủ yếu H2, CH4 còn lại CO, CO2, NH3, N2, C2H4 C6H6 chưa ngưng tụ. Lỏng < nhựa than đá: Nhiều hiđro cac bon thơm và fenol. Than cốc là nguyên liệu cần thiết cho luyện kim (gang cần 0,7-0,8 tấn cốc vì % Cmax → Q nhiệt ớn) trong giá thành gang, than cốc chiếm 40%. Cốc – sản xuất phân lân nung chảy, khí than.
11. Khí cốc, nhựa than đá là bán sản phẩm dùng sản xuất NH3, CH3OH, C2H5OH, benzen, toluen, thuốc trừ sâu, chất dẻo. VD: Khí cốc + H2SO4 → (NH4)2SO4 → NH3 Phát triển kỷ nghệ luyện cốc là một yêu cầu cần thiết với nền kinh tế quốc dân. ở Việt Nam kỷ nghệ này phát ở ở Hòn Hai, Làng Gốm (Thái Nguyên) và ở Công ty gang thép Thái Nguyên.
12. II. CƠ SỞ LÝ HOÁ 1. Khái niệm chung Cơ sở: là sự khử cấu tạo nhiệt của than Qúa trình cốc hoá là quá trình chưng khô than đá không có không khí ở nhiệt độ > 10000C. Than đá → than cốc Quá trình phức tạp + phản ứng hoá học kèm theo hiện tượng lý hoá khác nhau như biến đổi trạng thái liên hợp → khối chắc của bán cốc → cục cốc riêng biệt. Đồng thời mỗi giai đoạn kèm theo NN quá trình lý hoá như hấp thụ và khử hấp thụ hơn và khí 2. Những quá trình lý hoá xảy ra trong quá trình tạo cốc 0 Giai đoạn 1: T < = 100 C quá trình sấy than hơi ẩm và khí hấp phụ thoát Ra (N2, O2, CO2, CH4 )
13. Giai đoạn 2: quá trình bán cốc hoá (100-6000C) Than bắt đầu phân huỷ → các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (sản phẩm nhiệt phân sơ cấp), phần rắn còn lại là bán cốc, vẫn còn chứa nhiều chất bay hơi. Giai đoạn 3: 1000>= t > 600, quá trình tạo cốc t > 6000C các chất bay hơi tiếp tục thoát ra đến 8000C bay hơi hết, bán cốc → cốc. Qúa trình kết thúc ở 1000-9000C (quá trình nhiệt phân thứ cấp là quá trình thơm hoá hợp chất bay hơi). 3. Các phản ứng hoá học xảy ra khi tạo cốc Qúa trình phân sơ cấp: Cấu tạo HH của than gồm hệ ngưng tự nhận thơm và nhóm dị vòng, hiđrocacbon thơm, hợp chất chứa nhóm định chức oxi.
14. Bước 1: đứt mạch các hợp chất di dòng, đứt mạch nhóm COOH, OH -> N2, O2, CO, CO2, H2S, CH4, C2H4 Phản ứng phân huỷ nhân thơm, phân huỷ hợp chất có nhóm chứa andehit – xetôn C2H5COOH → CO +H2O + C2H4 C2H5NH → CH3CH = NH +H2 III. KỸ THUẬT LUYỆN CỐC (SGK) C. KỸ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU MỎ I. NGUỒN GỐC – THÀNH PHẦN VÀ Ý NGHĨA CỦA QUÁ TRÌNH CHẾ BIẾN DẦU MỎ Nguồn gốc : động – thực vật Xác sinh vật biển, xác động thực vật trên mặt đất → biển → biến đổi hàng triệu năm → dầu mỏ
15. Thành phần HH: chủ yếu H – C: 50-98%, C1 → C60, C1 – C4 Khí C5 – C60 Dầu n=prrapis – Isoparafin, xiclo parafin hay naphtalen H-C 2-50% h/c dị nguyên tố chứa O, N, S Đầu mỏ khác nhua về thành phần hoá học song thành phần chủ yếu là các nguyên tố C, H gần nhau: 83-87%, H : 11-14%. ý nghĩa: Cung cấp nhiên liệu và nguyên liệu cho công nghiệp ngày nay (đóng vai trò chính) Cung cấp xăng cho các loại động cơ, cung cấp nguyên liệu cho công nghiệp tạo ra các sản phẩm phục vụ công nghiệp, nông nghiệp và tiêu dùng như các loại sợi tổng hợp, chất dẻo, cao su nhân tạo, chất tẩy rửa tổng hợp, thuốc trừ sâu
16. II. CHẾ BIẾN DẦU MỎ 1. Chuẩn bị dầu thô trước khi đưa vào chế biến Tách khí và ổn định dầu: Dầu dưới mặt đất chịu một áp suất lớn → một phần khí và xăng nhẹ hoà tan vào dầu. Để tránh mất mát một lượng khí và xăng nhẹ trong quá trình bảo quản và vận chuyển, cần tách bằng đun nóng nhẹ hoặc giảm P. Tách nước lẫn trong dầu bằng cách đun nóng dầu thô Tách các muối khoáng, đất, cát bằng cách lắng lọc nhiều lần và chiết tách 2. Chế biến giữ nguyên cấu tạo Đó là quá trình chứng cất dưới P thường hoặc trong chân không dựa vào nhiệt độ sôi khác nhau cảu các phân đoạn
17. 3. Chế biến khử cấu tạo Là quá trình chuyển hoá hoá học dầu mỏ từ các chất có phân tử lượng cao, cấu tạo phức tạp thành các sản phẩmn có phân tử lượng thấp, cấu tạo đơn giản hơn nhờ vào nhiệt độ (Crắc kinh nhiệt) và xúc tác (Crắc kinh xúc tác). Gọi là quá trình Crắc kinh. Gần đây còn tiến hành Refoocming xúc tác và hiđro crắc kinh dầu mỏ để sản xuất ra nhiều xăng hơn và chất lượng xăng cao hơn. a. Crắc kinh nhiệt Phản ứng cơ bản là phản ứng phân huỷ Phản ứng phụ: phản ứng đóng vòng, phản ứng đồng phân hoá, phản ứng ngưng tụ thứ cấp.
18. Sản phẩm Khí hiđrocacbon (C1-C4) Sản phẩm lỏng là xăng Sản phẩm cặn crắc kinh Chất lượng sản phẩm phụ thuộc vào nguyên liệu, điều kiện nhiệt độ, P crắc kinh . Các phương pháp crắc kinh: áp suất cao (12-70atm) nhiệt độ = 5400C (nhiệt độ thấp) áp suất thấp (2-5atm) nhiệt độ < 6000C áp suất thường, nhiệt độ cao 670-7200C Với nguyên liệu là hiđrocacbon nặng thì điều kiện nhiệt độ P< hơn.
19. b. crắc kinh xúc tác phản ứng chính: phân huỷ mạnh các bon phản ứng điện phân hoá → hiđrocacbon nhánh → tăng chỉ số octan của xăng CH3(CH2)3CH3 → (CH3)2CH – CH2 – CH3 Phản ứng hiđrô hoá C2H2 + H2 → C2H4 , C2H4 + H2 → C2H6 Phản ứng ankyl hoá phản ứng giảm hiệu suất khí (nhiệt độ thấp) Phản ứng ankyl xảy ra ở nhiệt độ cao → tạo nhiều khí CH3(CH2)4CH3 → C6H6 + 4H2 C6H12 → C6H6 + 3H2 Phản ứng trùng hợp ở nhiệt độ thấp, áp suất cao đối với H – C không no
20. Phản ứng ngưng tụ xảy ra với H – C đa vòng phản ứng này tạo cốc bám trên bề mặt xúc tác → giảm hoạt tính. Phản ứng phụ: Tốc độ ankyl xúc tác > crắc kinh nhiệt (hàng trăm ngàn lần) và nhờ độ chọn lọc xúc rác cho phép quá trình xảy ra theo xu hướng tạo sản phẩm mong muốn. Xúc tác crắc kinh. Aluminosilicat tổng hợp: 89,5% SiO2 + 10%Al2O3 Aluminosilicat tự nhiên: 73,8% SiO2 + 17%Al2O3 + 2/3Fe2O3 Cao lanh : 53% SiO2 + 45%Al2O3 + 0,3Fe2O3 Zeolit :
21. c. Qúa trình Rifoocming xúc tác MoO2/Al2O3 hoặc PT/Al2O3 Nguyên liệu: xăng chưng cất trực tiếp, xăng của quá trình cốc hoá, xăng crắc kinh nhiệt → sản phẩm có chất lượng cao, nhiều H – C thơm và farafin, hiđrocacbon olepis < 3%, hiđrocacbon napyitaten < 10%. Hiđrôcacbon thơm là C6H6, C6H5CH3 (CH3)2 C6H4 là nguyên liệu tổng hợp. d. Qúa trình hiđro crắc kinh Xúc tác là hợp chất chứa Ni, Co, Pt, Mo chất mang Al2O3, SiO2 VD: Nguyên liệu : xăng nhẹ, xăng khí, cặn dầu năng Nguyên tắc: No hoá sản phẩm = hiđrô, làm bão hoà olepis + H- C thơm → sản xuất nhiều xăng chất lượng cao.