Đoàn Thị Lâm MSSV: 20103538 MỤC LỤC PHẦN MỘT: MỞ ĐẦU PHẦN HAI: TỔNG QUAN A- Các khái niệm nhựa, nhựa phế thải INhựa IICác vấn đề phát sinh từ chất dẻo B- Nhiệt phân ICác khái niệm nhiệt phân chất dẻo IILịch sử phát triển tình hình nhiệt phân nhựa phế thải III- Ưu, nhược điểm phương pháp nhiệt phân C- Quá trình thiết bị nhiệt phân nhựa phế thải thành nhiên liệu ICác khái niệm nhiệt phân nhựa phế thải IICơ sở hóa học trình nhiệt phân nhựa phế thải III- Xúc tác cho trình nhiệt phân nhựa phế thải IV- Thiết bị nhiệt phân phương thức vận hành VẢnh hưởng nhiệt phân sản phẩm phụ trình nhiệt phân VI- Tinh chế sản phẩm trình nhiệt phân D- Phân phối sản phẩm trình nhiệt phân IĐộ chuyển hóa, hiệu suất sản phẩm lỏng, thành phần cốc IICác đặc tính sản phẩm lỏng, khí III- Phân bố nhiệt độ sôi phân đoạn lỏng IV- Kết luận E- So sánh cracking xúc tác với cracking nhiệt F- Ảnh hưởng thông số vận hành INhiệt độ IILượng xúc tác III- Thời gian IV- Thành phần nguyên liệu nhựa phế thải G- Các khía cạnh thiết kế I- Thiết kế bể nhiệt phân II-Tốc độ khuấy III-Đặc điểm đầu đốt IV-Tháp chưng cất V-Máy ly tâm VI-Bình rửa PHẦN BA: CÁC QUÁ TRÌNH, CÔNG NGHỆ NHIỆT PHÂN THỬ NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP 1- Nhà máy thử nghiệm cho suất ga-lông/ngày Đồ án chuyên ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 5 8 11 11 11 13 16 27 32 34 35 37 38 39 41 41 43 44 45 46 47 47 47 49 49 49 49 50 51 51 Trang Đoàn Thị Lâm MSSV: 20103538 2- Công nghệ nhiệt phân nhựa ThermoFuel 3- Công nghệ Polymer-Engineering 4- Công nghệ Hitachi 5- Công nghệ Reectech 6- Công nghệ Veba 7- Công nghệ BP 8- Công nghệ Fuji 9- Công nghệ BASF 10- Công nghệ từ đại học Hunan 11- Mô tả trình nhiệt phân nhựa tổ hợp công nghiệp PHẦN BỐN: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ 1- Các số liệu từ thực nghiệm 2- Tính toán cân vật chất cho toàn hệ thống 3- Tính toán lượng tiêu thụ PHẦN NĂM: KẾT LUẬN Tài liệu tham khảo Đồ án chuyên ngành kỹ sư Hóa Dầu 53 56 60 62 65 65 66 66 67 68 73 73 74 75 77 79 Trang Đoàn Thị Lâm MSSV: 20103538 PHẦN MỘT: MỞ ĐẦU Từ năm 1970, vấn đề khan lượng ô nhiễm môi trường trở nên ngày nghiêm trọng Thêm nữa, bùng nổ ngành công nghiệp chất dẻo kéo theo lượng khổng lồ chất thải nhựa bị đẩy vào môi trường Từ túi đựng ta sử dụng ngày túi bim bim, túi kẹo, túi đựng thực phẩm… tất đồ vật xung quanh ta máy tính, hộp đựng mỹ phẩm, bút, điện thoại, xe máy, xe đạp… có mặt chất dẻo Nhựa phế thải xử lý phương pháp tái sử dụng, đốt chôn lấp Nhưng ta biết, có loại nhựa phân hủy sau vài tuần, vài tháng, vài năm có loại nhựa phải trăm năm để vi sinh vật phân hủy Nếu đốt loại nhựa PVC tạo khí HCl có tính axit cao dioxin gây ung thư Việc xử lý lượng khổng lồ chất thải nhựa mà không gây ô nhiễm môi trường thách thức lớn với tất quốc gia giới Công nghệ nhiệt phân nghiên cứu áp dụng nhiều ngành công nghiệp từ lâu, đặc biệt công nghiệp dầu mỏ Vấn đề bùng nổ chất thải nhựa khan lượng khiến cho trình nhiệt phân nhựa phế thải nhằm thu hồi nhiên liệu lỏng ngày ý Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ nhiệt phân để xử lý nhựa phế thải nghiên cứu phát triển thời gian gần đây, chủ yếu nước có ngành công nghiệp phát triển Công nghệ nhiệt phân thuộc nhóm công nghệ nhiệt – hóa giải pháp công nghệ có tốt ( Best Available Technology – BAT) tổ chức môi trường giới khuyến cáo sử dụng thay cho phương pháp chôn lấp xử lý lượng lớn chất thải rắn đô thị (Municipal Solid Waste) nói chung chất thải nhựa nói riêng Bản chất công nghệ nhiệt phân trình phân hủy xảy điều kiện nhiệt độ phù hợp, có xúc tác, Oxy, sản phẩm tạo thành gồm phần rắn, lỏng khí Trong phần lỏng phần có giá trị thương phẩm cao nhất, thường dùng làm nhiên liệu Với mục tiêu hình thành hướng giải pháp tích cực cho xử lý nhựa phế thải, chế công nghệ nhiệt phân nhựa ngàng nghiên cứu sâu rộng áp dụng rộng rãi nước phát triển Là nước phát triển, Việt Nam với dân số lên tới 80 triệu phát thải lượng khổng lồ chất thải rắn có nhựa phế thải Việc xử lý đốt chôn cất nhiều bất cập Chưa kể vấn đề khan nhiên liệu trở ngại đặt khiến ta phải tìm đến giải pháp xử lý vừa thân thiện với môi trường, vừa cung cấp nguồn nhiên liệu thay cho dầu mỏ Thành công nghiên cứu trình nhiệt phân xử lý nhựa phế Đồ án chuyên ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang Đoàn Thị Lâm MSSV: 20103538 thải mở hướng mới, hình thành giải pháp xử lý chất thải mang lại sản phẩm có giá trị sử dụng mà lại góp phần bảo vệ môi trường Đồ án chuyên ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang Đoàn Thị Lâm MSSV: 20103538 PHẦN HAI : TỔNG QUAN A – Các khái niệm nhựa, nhựa phế thải I- Nhựa “Chất dẻo” (plastics) tên gọi chung cho nhóm vật liệu tổng hợp tự nhiên chứa chuỗi cao phân tử, chuỗi cao phân tử chứa chứa chủ yếu nguyên tố Cacbon Thông thường khái niệm “chất dẻo”, “polyme” hay “nhựa” sử dụng gần tương đương Theo Society of Plastics Industry, trích Brady and Clauser, mục [1] chất coi chất dẻo “nằm nhóm lớn chất mà toàn thành phần phần tổ hợp Cacbon với Oxy, Hydro, Nitơ nguyên tố vô hữu cơ; có trạng thái cuối rắn; giai đoạn trình sản xuất, tác dụng nhiệt áp suất hai dạng lỏng, tạo thành sản phẩm có nhiều hình dạng khác tùy thuộc vào ứng dụng” Chất dẻo chế tạo từ monome Nghĩa khối có cấu trúc lặp lặp lại đơn phân tử, tạo nhờ nhiều trình hóa học khác như: - - Quá trình trùng hợp monome (cùng loại khác loại) sử dụng xúc tác peroxyt làm chất khơi mào Ví dụ: trùng hợp etylen, propylen đồng trùng hợp butadien + styren Quá trình đa trùng ngưng monome khác Ví dụ: axit hữu lưỡng chức với cồn amin Quá trình cộng hợp đơn phân hoạt động Trong trình trình với nhóm monome liệt kê tạo thành nguồn nguyên liệu hấp dẫn cho trình nhiệt phân Các monome quan trọng etylen, propylen, butadien có độ tinh khiết cao Ba sản phẩm thu từ trình cracking nhiệt hay nhiệt phân naphtha, gasoil nhẹ LPG (propan butan) tinh chế nhiệt độ thấp, áp suất cao, tạo thành hóa chất có độ tinh khiết cao Một điều quan trọng cần phải cân nhắc thực tiễn cho thêm nguyên tử khác loại vào monome Clo monome Vinyl Clorua gây khó khăn cho trình nhiệt phân trình tách loại nhựa phế thải phương pháp học (là giai đoạn tiền xử lý trình nhiệt phân) tuyển Đồ án chuyên ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang Đoàn Thị Lâm MSSV: 20103538 chìm/nổi, tuyển bọt, tách sau định tính dựa quang phổ thu/phát phân loại tĩnh điện sau nạp điện ma sát Trước tạo thành sản phẩm nhựa, chất dẻo tạo thành pha thêm phụ gia khác đặc tính thành phần Những phụ gia cho vào để tăng cường khả gia công, tăng độ ổn định đặc tính khí khác, tùy thuộc vào ứng dụng định trước (Ví dụ: sản phẩm thường xuyên để trời cần gia công cho chống tia tử ngoại, chống oxy hóa chịu nhiệt độ cao) Những loại phụ gia thường sử dụng là: - Chất chống oxy hóa (1%) Chất ổn định nhiệt ổn định quang (5%) Chất làm dẻo (40%) Chất làm tăng khả chịu va đập (10%) Chất tạo màu (5%) Chất làm chậm trình cháy (15%) Chất chống mốc Chất tạo độ xốp (2%) Chất làm đầy (40%) (Con số kèm lượng tối đa cho vào theo thống kê, tính theo % khối lượng) [1] Các phụ gia khác dùng chất chống tạo khối, chất làm trong, chất chống tĩnh điện, chất ổn định sinh học, chất tạo khí hóa học, chất lưu hóa, phụ gia làm tăng độ bền trùng hợp phụ gia gia công, chất bôi trơn, chất khử hoạt tính kim loại, chất làm sáng quang học, chất biến tính, chất cường hóa, chất hạn chế tạo vẩn dư huy (phát quang dư), chất thấm ướt… Trong loại chất dẻo PVC hấp thụ lượng phụ gia nhiều Sự có mặt chất này, hóa chất khác sử dụng giai đoạn đầu cuối trình trùng hợp nhân tố phức tạp tái chế nguyên vật liệu (còn gọi tái chế hóa học, trường hợp giới hạn gọi đơn giản nhiệt phân) trình cracking nhiệt phân nhựa phế thải Sự phức tạp gây đặc tính, hàm lượng tác động phụ gia tới trình nhiệt phân Các ảnh hưởng có tới sản phẩm phản ứng máy móc tương đối khó đoán biết, đặc biệt với loại nhựa phế thải không rõ nguồn gốc thành phần Người ta phân loại chất dẻo dựa nhiều tiêu chí Ví dụ: Đồ án chuyên ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang Đoàn Thị Lâm MSSV: 20103538 - - - Thành phần hóa học Liên quan trực tiếp tới đặc tính monome phương pháp trùng hợp Theo chất dẻo lại chia nhỏ thành loại khác như: polyme olefin, vinyl, styren, amit, este, nhựa epoxy, polyme Cacbonat, Uretan… Cấu trúc hóa học Ví dụ: cấu trúc thằng (như polyetylen đặc), cấu trúc nhánh (polyetylen loãng), mạng lưới liên kết ngang ba chiều (chất dẻo nhiệt rắn, cao su) Độ cứng: đàn hồi được, dẻo, cứng Ứng dụng: chất dẻo dùng dân dụng hay kỹ thuật, chất dẻo thông thường hay chuyên biệt Phương pháp gia công: đúc khuôn kiểu phụt, ép trồi, thổi màng, đúc thổi, ép nóng, đúc, cán láng… nhiều công nghệ khác II – Các vấn đề phát sinh từ chất dẻo Sản lượng chất dẻo sản xuất toàn giới ngày tăng kéo theo lượng chất thải phát sinh tăng lên Dù tạo thời gian ngắn chúng tồn lâu Thời gian tồn tính hàng tuần (với bao bì đóng gói), tới hàng tháng (màng bọc nông nghiệp) hàng năm (với ô-tô, sản phẩn gia dụng, nội thất), chí lên tới kỷ (với số phụ tùng điện nước) Nhiều loại phụ tùng xây dựng (ống phân phối nước, ván lát sàn, mái che khung cửa sổ) thời gian tồn chúng chưa định rõ 1- Khía cạnh an toàn Chất dẻo thường cho vô hại loại trừ từ đầu danh mục chất thải độc hại (ở Belgium – 1976 Netherlands – 1977) Chỉ trừ chất dẻo dùng để đóng gói hợp chất độc hại thuốc trừ sâu Tuy vậy, nhựa phế thải tồn chất gây hại phụ gia chứa Animon, Cadimi, chì, kẽm Crom hóa trị chất làm dẻo Các chất làm chậm trình cháy có chứa Brom giải phóng vào môi trường điều cần đặc biệt lưu tâm vấn đề gây tranh cãi xử lý sản phẩm nhựa WEE ASR 2- Khía cạnh môi trường Việc nhiệt phân nhựa phế thải gây vài tác động nhỏ tới môi trường Về mặt lý thuyết vấn đề chia nhỏ thành: - Thu thập, vận chuyển nguyên vật liệu Đồ án chuyên ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang Đoàn Thị Lâm MSSV: 20103538 - Tiền xử lý Quá trình nung nhiệt phân Các sản phẩm nhiệt phân Phân loại chất dẻo thường làm tay gây dị ứng gây vấn đề sức khỏe Đáng ý là, chất thải nhựa mùi, khí tách từ trình lưu trữ gia công khử mùi (như hệ thống khí hóa hãng Ube Industries) Một phần sản phẩm nhiệt phân hóa chất độc lại Chất thải nhựa phát sinh trình sản xuất, biến đổi tiêu thụ Ở hai phạm trù việc phân loại nguồn gốc, nhận biết tái chế đơn giản Các khái niệm phân loại đơn giản hai phạm trù không hữu ích trình tái chế sau sử dụng Lúc sản phẩm nhựa bị phân tán mặt địa lý chức năng, chưa kể đến việc bị lẫn phụ gia không rõ danh tính bị pha trộn, nhiễm bẩn hợp chất khác Lúc khó để thu gom chúng lại với mức giá phải Tái chế học, tức tái sử dụng vật liệu nhựa thành ứng dụng tương tự (tái chế vòng kín) phương án tái chế nhựa phế thải cho giá trị cao Sự suy giảm tính chất học gây hạn chế cho việc tái chế Nhựa phế thải tái chế thành sản phẩm có ứng dụng đơn giản hơn, đơn giản làm đồ gỗ thấp cấp, dùng trang thiết bị đô thị, ghế dài công viên chẳng hạn Quá trình tái chế biến đổi chất dẻo thành monome, hỗn hợp chất hóa học tạo thành khí tổng hợp khí nén B – Nhiệt phân I – Khái niệm nhiệt phân chất dẻo Nhiệt phân, hay gọi hỏa phân trình phân hủy nhiệt hóa học, thông thường tạo phân tử nhỏ Về mặt ngữ nghĩa học, khái niệm nhiệt phân thích hợp hỏa phân lửa (hỏa) ngụ ý đến tồn oxy ngụ ý tồn hợp chất trung gian chứa oxy Tuy nhiên, hầu hết trình nhiệt phân, không khí bị loại trừ lý an toàn, chất lượng hiệu suất sản phẩm [1] Quá trình nhiệt phân tiến hành nhiều mức nhiệt độ khác với thời gian phản ứng, áp suất khác có mặc thiếu chất khí chất lỏng động có mặt xúc tác Quá trình nhiệt phân Đồ án chuyên ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang Đoàn Thị Lâm MSSV: 20103538 nhựa tiến hành nhiệt độ thấp (600oC) Thông thường trình tiến hành áp suất khí Tuy nhiên sản phẩm mong muốn không bền nhiệt, dễ bị tái trùng hợp (như trình nhiệt phân cao su chẳng hạn) trình nhiệt phân tiến hành áp suất thấp nhờ máy hút chân không chất pha loãng (ví dụ: nước) Quá trình nhiệt phân polyme sinh chất khí (syngas), lỏng (tar) chất rắn (char) với hàm lượng biến đổi tương đối rộng Những sản phẩm dùng làm nhiên liệu, chất hóa dầu monome Tùy thuộc vào polyme hỗn hợp polyme làm nguyên liệu điều kiện vận hành mà sản phẩm tạo biến đổi lớn Thông thường sản phẩm khí lỏng hỗn hợp nhiều hợp chất khác Sản phẩm rắn (char) thường chứa chất làm đầy, chất nhuộm tro Quá trình nhiệt phân bao gồm việc bẻ gãy liên kết thường trình thu nhiệt, việc đảm bảo nguồn cung nhiệt cho chất phản ứng vấn đề mấu chốt Quá trình oxy hóa giúp cung cấp nguồn nhiệt nội sản phẩm nhiệt phân bị lẫn sản phẩm trình oxy hóa sản phẩm trình cháy Nhựa polyolefin chứa Cacbon Hydro phụ gia phụ gia chống oxy hóa chất ổn định UV Hơn nữa, có mặt nguyên tố khác loại Clo Brom điều không mong muốn, nguyên tố phân tán khắp ba pha sản phẩm (khí, lỏng, rắn), làm giảm khả tiêu thụ giá trị sản phẩm Việc nghiên cứu cách loại trừ nguyên tố vấn phát triển trình xử lý cho nhựa hỗn tạp II – Lịch sử phát triển tình hình nhiệt phân nhựa phế thải 1- Trên giới Xét khía cạnh công nghiệp, việc nhiệt phân chất dẻo quan tâm kể từ thời điểm bùng nổ sản xuất chất dẻo với quy mô lớn năm 1960 Công nghệ cracking nhiệt áp dụng cho nhựa phế thải phát minh từ đầu năm 1970 Người ta phát rằng, nhiệt độ cao, mạch Cacbon bị bẻ gãy, tạo thành nhiều monome khác nhau, nhóm phân tử hoạt động nhiều loại phân tử nhỏ khác Nhờ thu sản phẩm lỏng với tỷ lệ H/C tương đối cao Công nghệ chế cracking nhiệt nghiên cứu sâu rộng, loạt trình cracking nhiệt đời trình United Carbon, trình Đồ án chuyên ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang Đoàn Thị Lâm MSSV: 20103538 đại học Hamburg, BP… trình phát triển đưa vào công nghiệp hóa Quá trình cracking nhiệt có ưu điểm giá thành thấp vận hành đơn giản Tuy nhiên nhược điểm tiêu tốn lượng, độ chuyển hóa hiệu suất thấp, yếu tố cản trở phát triển trình cracking nhiệt Để làm tăng chất lượng hiệu suất phần nhiên liệu lỏng, nhiều nhà nghiên cứu tiến hành thử nghiệm với nỗ lực tìm loại xúc tác thích hợp Những xúc tác sử dụng làm giảm lượng tiêu thụ, làm tăng hiệu suất xử lý, nâng cao độ chọn lọc phản ứng chất lượng sản phẩm [2] Kể từ đó, công nghệ nhiệt phân nhựa phế thải sử dụng xúc tác đưa vào ứng dụng mạnh mẽ với quy mô công nghiệp Đáng kể phải nói đến sóng xí nghiệp Nhật Bản – nhà tiên phong quảng bá việc nhiệt phân chất dẻo giải pháp công nghệ Những sáng kiến Nhật đưa vào thực tiễn năm 1980 1990 Ví dụ: hệ thống tầng sôi kép đưa vào vận hành công ty Ebara (Stardust Project, Yakohama) công ty Tsukishima Kitai Hiện tại, nỗ lực bền bỉ công ty khiến cho hệ thống sử dụng công nghệ nâng tầm lên thành hệ thống nhiệt phân phủ sóng khắp nước giúp biến đổi nhựa phế thải thu thập từ đồ dân dụng thành nhiên liệu lỏng có ích monome Sản phẩm nhiệt phân dùng làm tác nhân khử lò đốt có máy quạt gió dùng để thay than thiết bị cốc hóa Chất dẻo biến đổi pha lỏng, thiết bị thùng có khuấy nhà máy Niigata Sapporo, PVC biến đổi thành cốc HCl tổ hợp lò quay hãng Nihon Kokan (hiện JFE Holdings) Hãng Ube Industries kết hợp với hãng Ebara Co để phát triển trình khí hóa áp suất tăng dần, khí tổng hợp làm dẫn tới thiết bị tổng hợp địa điểm [1] 2- Ở Việt Nam Với mục tiêu hình thành hướng giải pháp tích cực cho việc xử lý chất thải rắn nói riêng nhựa phế thải nói chung, tạo sản phẩm có khả ứng dụng, viện Nghiên cứu Cơ khí NARIME thực đề tài “nghiên cứu thiết kế, chế tạo tổ hợp thiết bị tái chế chất thải nguồn gốc hữu thành nhiên liệu” với đối tượng nghiên cứu cao su phế thải Thực tế, nhóm thực đề tài tiến hành nhiệt phân loại nhựa phế liệu khác PVC, PE… kết ghi nhận dầu có PE với điều kiện nhiệt độ thí nghiệm từ 200 – 600oC, áp suất khoảng atm không sử dụng xúc tác Về bản, nhóm thực đề tài có kết khả quan ban đầu: lượng dầu thu vào khoảng 30 – 40%, than 40 – 50%, lại khí nhiệt phân khí nóng sử dụng làm Đồ án chuyên ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 10 Đoàn Thị Lâm MSSV: 20103538 phận kích thích bay hơi) Nguyên liệu dạng cầu-khí làm bay nhờ xúc tác nóng phân giải nhờ nhiệt xúc tác phận xúc tác bay hơi, từ tạo nhiều sản phẩm khác Những sản phẩm trải qua nhiều trình khác phân tách thiết bị phân tách FCCU nhiều thiết bị khác Do trình cracking mà Cacbon (cốc) bám vào bề mặt xúc tác Xúc tác qua sử dụng đưa tới phận tái sinh, tái sinh cách đốt để loại bỏ Cacbon (dùng không khí nóng để đốt) Xúc tác sau tái sinh đưa tuần hoàn trở lại lò phản ứng, trình lại tiếp tục lặp lại [7] 6- Công nghệ Veba Trong công nghệ Veba, hỗn hợp gồm cặn chưng cất chân không, than non nhựa phế thải nhiệt phân điều kiện tương tự hydro hóa dầu thô Các sản phẩm gồm có hydrocacbon dạng khí, ankan, vòng no vòng thơm Điểm khác công nghệ Veba công nghệ khác công nghệ Veba sử dụng phương pháp hydro hóa, nhờ làm tăng chất lượng sản phẩm Đồng thời , nhựa phế thải khuấy trộn kỹ với hydro Cả tổ hợp thiết bị công nghệ xử lý 40000 nhựa phế thải năm Nhưng công nghệ tương đối phức tạp tốn [2] 7- Công nghệ BP Công nghệ BP dựa thiết bị nhiệt phân giả tầng sôi Nhiệt độ cracking giữ mức 400 – 600oC Có thể thu hydrocacbon hạ phân tử Công nghệ chủ yếu bao gồm trình biến nhựa phế thải thành hydrocacbon mạch thẳng thông thường, có khối lượng phân tử trung bình (300-500đvC) Công nghệ xử lý hầu hết loại nhựa Polyolefin phân giải thành phân tử nhỏ có cấu trúc thẳng PS phân giải thành mono styren PET thành hỗn hợp hydrocacbon, CO CO2 Công nghệ cho phép hàm lượng Clo sản phẩm thấp 5ppm xử lý hỗn hợp nhựa có tối đa 2% PVC thành phần Công nghệ BP đưa vào ứng dụng công nghiệp từ năm 1997 Đặc điểm khác lớn công nghệ với công nghệ khác nằm thiết bị phản ứng Ban đầu thiết bị tầng rĩnh Trong công nghệ BP, người ta sử dụng thiết bị tầng giả sôi Thiết bị tầng cát giả sôi giúp đảm bảo nhiệt độ thiết bị đồng nhờ vào kích cỡ hạt đặc tính giả sôi cát Trong công nghệ truyền thống, nhựa truyền nhiệt nên khó đạt Đồ án chuyên ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 65 Đoàn Thị Lâm MSSV: 20103538 nhiệt đồng khối nhựa, điều dẫn tới việc thời gian phản ứng phải dài Mặt khác, sau nhựa phế thải nấu chảy, thường bám vào bề mặt thiết bị phản ứng (do khả chảy hỗn hợp lỏng nóng kém) Công nghệ BP giải thành công tất vấn đề này, thiết lập thành công trình sản xuất liên tục dầu lỏng từ nhựa phế thải [2] 8- Công nghệ Fuji Công nghệ Fuji công nghệ bước điển hình (hình 26) Hình 26 – Sơ đồ khối công nghệ Fuji Nhựa phế thải biến đổi thành xăng, kerosen dầu diesel nhờ trình nhiệt phân reforming sử dụng xúc tác ZSM-5 Sau nghiền, nhựa phế thải đưa vào bể nung chảy (nhờ máy đùn) Tại hỗn hợp nhựa trộn với phần nhựa chưa cracking (nhựa đưa trở lại từ lò cracking nhiệt) Sau hỗn hợp nung đến 280 – 300oC bể nung vào lò cracking nhiệt, lò hỗn hợp nhiệt phân vào thiết bị reforming xúc tác biến đổi thành xăng, kerosen dầu diesel, hiệu suất đạt 80 – 90% Công nghệ có đặc điểm sau: thứ nhất, người ta dùng máy trộn ly tâm, máy làm tăng mạnh trình truyền nhiệt khuấy trộn khối chất lỏng nóng chảy bơm tuần hoàn khối nhựa nóng lỏng từ thiết bị cracking nhiệt tới bể nung chảy ngược lại Thứ hai, công nghệ dùng phương pháp tuần oàn thay khuấy trộn học Đây điểm khác biệt lớn công nghệ với công nghệ khác [2] 9- Công nghệ BASF Công nghệ BASF có nhiều điểm giống với công nghệ Fuji Nó gồm bước yêu cầu lượng PVC nguyên liệu 3500C) cho sản phẩm nhẹ, nhiệt độ cao lượng sản phẩm nhẹ cao Theo nghiên cứu giáo sư Yuan Xing Zhong thuộc khoa Khoa học Kỹ thuật môi trường Đại học Hunan, Changsha, tỉnh Hunan, Trung Quốc (bài báo: Converting waste plastics into liquid fuel by pyrolysis: development in China) ta thu bảng cân vật chất ứng với nguyên liệu đầu khác sau: Giả sử trình ta trình cracking PE cân vật chất sau: Đồ án chuyên ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 73 Đoàn Thị Lâm MSSV: 20103538 2- Tính toán cân vật chất cho toàn hệ thống Giả sử dây chuyền sản xuất liên tục 24/24 Thời gian cho công việc: bảo dưỡng, sửa chữa, vệ sinh… năm dự kiến 20 ngày Do thời gian làm việc dây chuyền năm là: 365 – 20 = 345 (ngày) Hay 345.24 = 8280 giờ/năm Năng suất thiết bị: giả sử thiết bị ta xử lý 40000 PE/năm  Năng suất thiết bị là: 40000.1000 𝑘𝑔 = 4830,918 ( ) 8280 ℎ Do PE phế thải nên ta giả sử thành phần nhựa phế thải có 90% PE, lại bụi bẩn, tạp chất, phụ gia… 10% PE loại bỏ giai đoạn tiền xử lý Như lượng nguyên liệu PE cần xử lý là: 4830,918.90% = 4347,8262 (kg/h)  Lượng tạp chất, phụ gia là: 4830,918 – 4347,8262 = 483,0918 (kg/h) Theo lưu trình cân vật chất, ta tính lượng sản phẩm sau: - Khí dầu hỏa : 0,02.4347,8262 = 86,9565 (kg/h) Xăng dạng khí: 0,46 4347,8262 = 2000,0001 (kg/h) Dầu diesel dạng khí: 0,34 4347,8262 = 1478,2609 (kg/h) Dầu cặn lỏng: 0,18 4347,8262 = 728,6087 (kg/h) Ta có bảng cân vật chất sau: Đồ án chuyên ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 74 Đoàn Thị Lâm MSSV: 20103538 Lượng vật chất vào Lượng vật chất Thành phần PE Kg/h Thành phần 4347,8262 Khí dầu hỏa Bụi bẩn, tạp chất, phụ gia… 483,0918 Tổng 4830,918 Kg/h 86,9565 Xăng dạng khí 2000,0001 Dầu diesel dạng khí 1478,2609 Dầu cặn lỏng 782,6087 Bụi bẩn, tạp chất, phụ gia… 483,0918 Tổng 4830,918 3- Tính toán lượng tiêu thụ Nhiệt yêu cầu có phản ứng cracking xúc tác thấp nhiều so với phản ứng cracking nhiệt, không cần cung cấp thêm nhiệt gia nhiệt cho tầng xúc tác lượng khí tạo thành phản ứng cung cấp nhiên liệu cho trình đốt, cấp nhiệt Do vậy, để đơn giản hóa ta tính cân nhiệt lượng cho phản ứng cracking nhiệt Nguyên liệu ta PE, sau phân giải ngưng tụ, PE chuyển hóa thành nhiên liệu lỏng (một hỗn hợp xăng dầu diesel) khí nhiên liệu Một lần để đơn giản hóa việc tính toán, ta lấy khối lượng phân tử trung bình PE 8,75.104 độ khử trùng hợp trung bình 3125 Ở khí nhiên liệu C3H8, xăng C8H18, dầu diesel C16H34 cặn dầu C30H62 Giả sử với 1kg nguyên liệu đầu PE, tổng lượng cần cho trình tính toán sau: Với Q lượng yêu cầu cho trình cracking (kJ), ni số phân tử cấu tử i (mol), Hi entanpi cấu tử i (kJ.mol-1) Bằng phương pháp tích phân, giáo sư Yuan Xinh Zhong thuộc đại học Hunan tính được: điều kiện áp suất 101-203Mpa, nhiệt độ 200 – 3000C, entanpi tổng cần cho trình cracking 1kg PE 2124,7kJ.kg-1 Đồ án chuyên ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 75 Đoàn Thị Lâm MSSV: 20103538 Vậy với suất tổ hợp cracking 4347,8262 kg/h ta cần lượng nhiệt là: 4347,8262 2124,7 = 9237826,3270 (kJ/h) Đồ án chuyên ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 76 Đoàn Thị Lâm MSSV: 20103538 PHẦN NĂM: KẾT LUẬN Như vậy, ưu điểm phương pháp nhiệt phân xử lý nhựa phế thải cho phép xử lý nhựa chưa phân loại, chưa làm Nhờ mà chất thải nhựa bị nhiễm bẩn nặng màng bọc nông nghiệp (loại chứa tới 20% chất bẩn đất) xử lý mà không gặp nhiều khó khăn Những loại nhựa khó tái chế khác màng đa lớp, hỗn hợp polyme dễ dàng xử lý mà không gặp nhiều trở ngại phương pháp truyền thống chôn lấp đốt, đồng thời lại gây ảnh hưởng tới môi trường Với tiêu chuẩn ngày ngặt nghèo vấn đề xử lý nhựa phế thải, khan lượng hóa thạch, hai yếu tố ngày thúc đẩy đầu tư nghiên cứu vào trình nhiệt phân, không nước có khoa học, công nghiệp phát triển mà nước phát triển Bản thân em nhận thấy đề tài mẻ hấp dẫn Sau 15 tuần, nhờ hướng dẫn tận tình cô giáo, PGS.TS Phạm Thanh Huyền, em hoàn thành đồ án: Tổng quan trình nhiệt phân nhựa phế thải, tính toán cân vật chất lượng cho trình nhiệt phân xử lý 30 000 PE/năm Trong trình em đạt kết sau: 1- Đưa chế phản ứng khử trùng hợp polyme, loại xúc tác sử dụng, đặc tính ưu nhược điểm loại xúc tác 2- Đưa loại lò nhiệt phân phổ biến, sơ đồ, phương thức phạm vi sử dụng loại lò 3- Phần lưu trình công nghệ đưa 11 công nghệ điển hình, áp dụng phổ biến nước phát triển, sơ đồ, ưu nhược điểm công nghệ 4- Nêu thông số ảnh hưởng tới trình vận hành tới sản phẩm 5- Phần tính toán tính toán cân vật chất lượng cần cung cấp cho toàn trình Do trình tìm hiểu có nhiều trở ngại tài liệu tính toán chi tiết ít, khả thời gian có hạn nên tránh khỏi thiếu sót Vì em mong cô thông cảm bảo để em rút kinh nghiệm cho trình làm đồ án tốt nghiệp tới Một lần em xin chân thành cảm ơn cô, em thật trân trọng tận tâm nhiệt tình cô với sinh viên Được làm đồ án cô may mắn em! Đồ án chuyên ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 77 Đoàn Thị Lâm MSSV: 20103538 Hà Nội, tháng 12 – 2014 Sinh viên thực hiện: Đoàn Thị Lâm Đồ án chuyên ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 78 Đoàn Thị Lâm MSSV: 20103538 Tài liệu tham khảo [1]- Introduction to feedstock recycling of Plastics – A.BueKens [2] – Converting waste plastics into liquid fuel by pyrolysis: Developments in China – Yuan Xingzhong [3]- Nghiên cứu công nghệ thiết bị nhiệt phân ứng dụng xử lý chất thải có nguồn gốc hữu – TS Dương Văn Long, giám đốc Trung Tâm Công Nghệ Thiết Bị Môi Trường – Viện Nghiên cứu Cơ khí [4]- Process and Equipment for conversion of Waste Plastics into Fuels – Alka Zadgaonka [5] – Catalytic degradation of Plastic Waste to Fuel over microporous Materials – George Manos [6]- Catalytic upgrading of Plastic Wastes – J.Aguado, D.P Serrano and J.M Escola [7]- Overview of commercial Pyrolysis processes for Waste Plastics – John Scheirs [8] – Introduction of Premium Oil Products from Waste Plastic by Pyrolysis and Hydroprocessing – S.J.Miller Đồ án chuyên ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 79 [...]... sẽ được tiến hành nhiệt phân bởi các hệ thống lò nhiệt phân khác nhau Trong số đó, có ba loại thiết bị chính: thiết bị nhiệt phân tầng sôi, lò quay và thiết bị nhiệt phân kiểu xoắn ốc [4] ●Thiết bị nhiệt phân tầng sôi Thiết bị nhiệt phân tầng sôi dùng khí đốt là các tiếp cận nhiệt phân hiệu quả nhất Trong thiết bị này, nhựa phế thải nằm lơ lửng giữa dung môi nhiệt, quá trình nhiệt phân được thực hiện... khắc phục những hạn chế này C – Quá trình và thiết bị nhiệt phân nhựa phế thải thành nhiên liệu I- Các khái niệm về nhiệt phân nhựa phế thải 1- Định nghĩa nhiệt phân Đồ án chuyên ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 11 Đoàn Thị Lâm MSSV: 20103538 Nhiệt phân được định nghĩa là một phản ứng phân hủy hóa học gây ra bởi năng lượng nhiệt có mặt không khí (oxy) Nhiệt phân là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để... cao [4] IV- Thiết bị nhiệt phân và phương thức vận hành 1- Nhiệt phân gián đoạn (theo mẻ): - Thiết bị nhiệt phân gián đoạn dùng cho quá trình nhiệt phân sử dụng xúc tác để nhiệt phân nhựa phế thải như trong hình 10 Hình 10 – Mô hình thiết bị nhiệt phân gián đoạn Chú thích: 1 – Khí chưa ngưng tụ 2 – Dòng nước ra cho thiết bị ngưng tụ 3 – Dòng nước vào cho thiết bị ngưng tụ 4 – Dòng nhiệt lỏng vào thiết... các phân tử khác loại (Cl, N, O) Trong quá trình nhiệt phân, các phân tử khác loại này sẽ bị biến đổi thành các hợp chất như HCl, N2, H2O… [4] Đồ án chuyên ngành kỹ sư Hóa Dầu Trang 12 Đoàn Thị Lâm MSSV: 20103538 II- Cơ sở hóa học của quá trình nhiệt phân nhựa phế thải Đối với quá trình cracking nhiệt, cracking nhựa phế thải sẽ phá vỡ các liên kết trùng hợp chỉ bằng tác động của nhiệt Các loại phế thải. .. làm giảm nhiệt độ tiến hành phản ứng Nếu sử dụng xúc tác phù hợp có thể làm giảm nhiệt độ phản ứng yêu cầu cho nhiệt phân từ hơn 1000oC xuống còn 400 – 500oC Việc tái chế nhựa phế thải bằng nhiệt phân có thể mang lại những thành quả tuyệt vời, cho dù là với các chất thải nhựa hỗn tạp vốn không đạt hiệu quả kinh tế bằng phương pháp phân tách thông thường [4] 2- Loại nhựa thích hợp cho nhiệt phân Về mặt... nguội khí thải và loại bỏ hơi ngưng tụ thoát ra từ thiết bị phản ứng.[4] ●Thiết bị nhiệt phân lò quay Ưu điểm chính của thiết bị nhiệt phân lò quay là sự quay lò nhiệt phân giúp đảm bảo cho nhựa phế thải được trộn đều liên tục, nhờ đó hỗn hợp được trộn đồng nhất với khí trơ nhiệt phân Mô hình thiết bị này được trình bày như hình 12 dưới đây Hình 12 – Thiết bị nhiệt phân lò quay Chú thích: 1 – Nhiệt kế... 5 – Khe thăng bằng 6 – Áo gia nhiệt 7 – Cửa vào khí gia nhiệt 8 – Cửa ra khí gia nhiệt 9 – 11 : Ống xả 12 – Cửa ra của khí bay hơi 13 – Cửa dỡ than 14 – Tấm ngăn *Các hình ảnh, thông tin trong mục này được trích dẫn từ tài liệu [4] Ảnh hưởng của nhiệt độ và sản phẩm phụ của quá trình nhiệt phân nhựa phế thải 1- Ảnh hưởng của nhiệt độ tới quá trình nhiệt phân nhựa phế thải V- Đồ án chuyên ngành kỹ sư... một cơ chế nhiệt phân mà nhiều cơ chế nhiệt phân có thể diễn ra cùng một lúc Cường độ liên kết giữa các phân tử là yếu tố chi phối việc loại phản ứng nào sẽ xảy ra Phản ứng nào ít tốn năng lượng nhất sẽ có khả năng xảy ra cao nhất [4] III- Xúc tác cho quá trình nhiệt phân nhựa phế thải 1- Vai trò và tác động của xúc tác Xúc tác đóng vai trò sống còn trong quá trình nhiệt phân Quá trình nhiệt phân có mặt... được đưa đi phân tích [6] Về nguyên tắc, các thiết bị xử lý nhiệt cho quá trình nhiệt phân nên được thiết kế và vận hành theo tiêu chí tiết kiệm về mặt kinh tế và hiệu quả về mặt năng lượng Động lực căn bản cho quá trình này là khả năng dẫn nhiệt nội tại, do đó khi thiết kế thiết bị nhiệt phân, nguyên tắc cơ bản là phải lưu tâm tới quá trình truyền nhiệt và kiểu tiếp xúc Các loại nhựa phế thải khác nhau... Thị Lâm MSSV: 20103538 lượng cấp nhiệt cho thiết bị nhiệt phân Hiện nay nhóm nghiên cứu đang tiếp tục hoàn thiện thiết bị và công nghệ để có thể ứng dụng được vào thị trường [3] III – Ưu, nhược điểm của phương pháp nhiệt phân 1- Ưu điểm Các ưu điểm của phương pháp nhiệt phân nhựa phế thải thành dạng lỏng bao gồm: - - Cho phép tái chế chất thải nhựa hỗn tạp, loại chất thải vốn không được tái chế có hiệu