Bài giảng Hóa công nghệ - Chương VIII: Kỹ thuật nhiên liệu - Ngô Xuân Lương

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨCKHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊNHÓA CÔNG NGHỆTH.S NGÔ XUÂN LƯƠNGThanh Hóa, năm 2008CHƯƠNG VIII. KỸ THUẬT NHIÊN LIỆUNhiên 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 TNNhân 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 THANI. Ý NGHĨA KINH TẾ CỦA KHÍ THANSản xuất than là quá trình chuyển hoá than ở dạng rắn thành dạng khíThành phần chính CO, H2 dùng làm chất đốt hoặc tổng hợp hữu cơCO + 2H2  CH3OHDùng 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  H2OT/H hữu cơ : sản xuất rượu metylic, etylic, hiđrôcacbon, HCHO CO + O2  CO2Quá 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.II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT1. Nguyên tắc chungoxi hoá không hoàn toàn của C của than nhờ chất oxi hoá chứa oxi: KK, H2O, CO2, O2 và sản phẩm chủ yếu gồm H2, CO2, CH4, N2, H2S ở nhiệt độ phản ứng 12000C . 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 thanCác phản ứng chínhIII. CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤTCơ 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.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 lòc. Phương pháp hoá khí ngang: giá đưa vào ngang lò giữa lò thẳng gốc với chuyển động của thand. Phương pháp hoá khí liên hợp: gió đưa vào theo 2 chiều ngược nhau (trên – dưới) sản phẩm lấy ra giữa thân lòDựa vào thành phần khí thổi vào lò  có 3 phương phápa. 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 N2 còn lại tồn  năng suất toả nhiệt lớn 4300KJ/m3Sản 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.H = 80% thay KK = O2 và tăng nhiệt độ > 12000C  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 chínhGiai đoạn 1: thổi KK C + O2  CO2 2C + O2  CO2Phản ứng có H 10000C.Than đá  than cốcQuá 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 cốcGiai đoạn 1: T = t > 600, quá trình tạo cốct > 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 cốcQúa 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.Bước 1: đứt mạch các hợp chất di dòng, đứt mạch nhóm COOH, OH-> N2, O2, CO, CO2, H2S, CH4, C2H4Phản ứng phân huỷ nhân thơm, phân huỷ hợp chất có nhóm chứa andehit – xetônC2H5COOH  CO +H2O + C2H4C2H5NH  CH3CH = NH +H2III. KỸ THUẬT LUYỆN CỐC (SGK)C. KỸ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU MỎI. NGUỒN GỐC – THÀNH PHẦN VÀ Ý NGHĨA CỦA QUÁ TRÌNH CHẾ BIẾN DẦU MỎNguồn gốc : động – thực vậtXác sinh vật biển, xác động thực vật trên mặt đất  biển  biến đổi hàng triệu năm  dầu mỏThành phần HH: chủ yếu H – C: 50-98%, C1  C60, C1 – C4 Khí C5 – C60 Dầu n=prrapis – Isoparafin, xiclo parafin hay naphtalen H-C2-50% 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 sâuII. CHẾ BIẾN DẦU MỎ1. Chuẩn bị dầu thô trước khi đưa vào chế biếnTách 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 thôTách các muối khoáng, đất, cát bằng cách lắng lọc nhiều lần và chiết tách2. Chế biến giữ nguyên cấu tạoĐó là quá trình chứng cất dưới P thường hoặc trong chân không dựa vào nhiệt độ sôi khác nhau cảu các phân đoạn3. Chế biến khử cấu tạoLà 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 nhiệtPhản ứng cơ bản là phản ứng phân huỷPhản ứng phụ: phản ứng đóng vòng, phản ứng đồng phân hoá, phản ứng ngưng tụ thứ cấp.Sản phẩm Khí hiđrocacbon (C1-C4) Sản phẩm lỏng là xăng Sản phẩm cặn crắc kinhChất 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 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%Al2O3Aluminosilicat tự nhiên: 73,8% SiO2 + 17%Al2O3 + 2/3Fe2O3Cao lanh : 53% SiO2 + 45%Al2O3 + 0,3Fe2O3Zeolit : c. Qúa trình Rifoocming xúc tác MoO2/Al2O3 hoặc PT/Al2O3Nguyên 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 kinhXúc tác là hợp chất chứa Ni, Co, Pt, Mo chất mang Al2O3, SiO2VD:Nguyên liệu : xăng nhẹ, xăng khí, cặn dầu năngNguyên tắc: No hoá sản phẩm = hiđrô, làm bão hoà olepis + H- C thơm  sản xuất nhiều xăng chất lượng cao.