Tổng quan nghiên cứu

Ethanol sinh học hiện là một trong những nhiên liệu tái tạo quan trọng, đóng góp tích cực vào việc giảm phát thải khí nhà kính và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Theo báo cáo ngành, công suất sản xuất ethanol sinh học toàn cầu đã đạt khoảng hàng chục tỷ lít mỗi năm, trong đó Brazil và Mỹ là hai quốc gia dẫn đầu với sản lượng lần lượt chiếm 34% và 37% tổng sản lượng toàn cầu. Tại Việt Nam, hiện có khoảng 7 nhà máy sản xuất ethanol sinh học với tổng công suất khoảng 200.000 m3/năm, tuy nhiên phần lớn công suất chưa được khai thác hết do thiếu thị trường tiêu thụ ổn định.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn là tính toán và lựa chọn công nghệ tối ưu cho quá trình tách nước (tách khí) ra khỏi ethanol trong nhà máy bioethanol với công suất 300.000 lít ethanol khan/ngày, đạt độ tinh khiết 99,5% khối lượng. Mục tiêu cụ thể là xác định các thông số thiết kế và vận hành phù hợp cho các công nghệ tách khí phổ biến như hấp phụ áp suất thay đổi (PSA), chiết tách dung môi và màng pervaporation, từ đó đánh giá hiệu quả kỹ thuật và kinh tế nhằm đề xuất giải pháp tối ưu cho nhà máy bioethanol tại Việt Nam.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các công nghệ tách khí ethanol hiện đại, áp dụng cho nhà máy bioethanol quy mô công nghiệp tại Việt Nam, trong giai đoạn từ năm 2019 đến 2020. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cải thiện hiệu suất tách khí, giảm tiêu hao năng lượng và chi phí vận hành, góp phần nâng cao tính cạnh tranh và bền vững của ngành ethanol sinh học trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Lý thuyết hấp phụ áp suất thay đổi (PSA): Mô hình Langmuir được sử dụng để mô tả quá trình hấp phụ ethanol và khí trên vật liệu hấp phụ zeolit 3A, với các thông số như nhiệt độ, áp suất vận hành và thời gian chu kỳ hấp phụ được xác định chi tiết.

  • Mô hình chiết tách dung môi: Dựa trên nguyên lý phân bố thành phần trong pha lỏng và pha hơi, sử dụng các dung môi có nhiệt độ sôi cao như ethylene glycol, cyclohexane để tăng hiệu quả tách nước khỏi ethanol.

  • Nguyên lý màng pervaporation: Màng polymer như polyvinylalcohol (PVA) được áp dụng để tách ethanol khỏi hỗn hợp ethanol - nước dựa trên sự khác biệt về khả năng thẩm thấu và vận chuyển phân tử qua màng.

Các khái niệm chính bao gồm: độ tinh khiết ethanol, công suất tách khí, hiệu suất hấp phụ, nhiệt độ và áp suất vận hành, tỉ lệ dung môi/dòng nhập liệu, và chi phí đầu tư vận hành.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập từ các tài liệu sách, tạp chí chuyên ngành, báo cáo kỹ thuật và số liệu thực tế từ các nhà máy ethanol trong và ngoài nước. Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Tính toán thiết kế: Xác định các thông số thiết kế như số tầng cột hấp phụ, kích thước cột, lượng vật liệu hấp phụ, nhiệt độ và áp suất vận hành dựa trên mô hình toán học và dữ liệu thực nghiệm.

  • Mô phỏng quá trình: Sử dụng phần mềm Aspen Adsorption và Aspen HYSYS để mô phỏng các quy trình PSA, chiết tách dung môi và pervaporation, đánh giá hiệu suất và tiêu hao năng lượng.

  • Phân tích kinh tế: Tính toán chi phí đầu tư và vận hành dựa trên số liệu mô phỏng và tham khảo tài liệu ngành, so sánh các công nghệ theo hai tiêu chí chính là tính khả thi kỹ thuật và tiềm năng kinh tế.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 8 năm 2020, với cỡ mẫu dữ liệu từ các nhà máy ethanol quy mô công nghiệp và các nghiên cứu thực nghiệm liên quan.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất tách khí của công nghệ PSA: Qua mô phỏng, công nghệ PSA với vật liệu zeolit 3A đạt hiệu suất thu hồi ethanol khan trên 90%, với áp suất vận hành trong khoảng 275-450 kPa và nhiệt độ từ 70 đến 167°C. Thời gian chu kỳ hấp phụ được tối ưu khoảng 15-20 phút, giúp duy trì hiệu quả liên tục. So với công nghệ ba cột, PSA hai cột có chi phí vận hành thấp hơn khoảng 15% nhưng hiệu suất thu hồi ethanol giảm nhẹ khoảng 3%.

  2. Chiết tách dung môi với ethylene glycol: Sử dụng ethylene glycol làm dung môi chiết tách ethanol đạt hiệu quả cao với tỉ lệ dung môi/dòng nhập liệu khoảng 0,27 và số tầng chiết tách 18. Nhiệt độ vận hành khoảng 80-100°C giúp giảm tiêu hao năng lượng so với các dung môi khác như benzen hay cyclohexane. Chi phí vận hành giảm khoảng 10% so với phương pháp chiết tách truyền thống.

  3. Màng pervaporation PVA: Màng polyvinylalcohol có độ dày 35-100 µm, khả năng thẩm thấu ethanol đạt 0,1-1,25 kmol/m2.h.kPa, giúp tách ethanol đạt độ tinh khiết 99,5%. Tuy nhiên, hiệu suất màng giảm khoảng 17-20% khi sử dụng dung dịch lên men lignocellulosic do hiện tượng bẩn màng. Chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống màng cao hơn PSA khoảng 20%, nhưng tiết kiệm năng lượng vận hành đến 25%.

  4. So sánh tổng thể: PSA có ưu điểm về chi phí đầu tư thấp và vận hành đơn giản, chiết tách dung môi phù hợp với quy mô lớn và có thể tái sử dụng dung môi, màng pervaporation thích hợp cho các nhà máy quy mô nhỏ đến vừa với yêu cầu tiết kiệm năng lượng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân hiệu suất cao của PSA là do khả năng hấp phụ chọn lọc ethanol trên zeolit 3A và chu trình vận hành tối ưu. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu gần đây trên thế giới, khẳng định PSA là công nghệ phổ biến trong tách ethanol khan. Chiết tách dung môi với ethylene glycol cho thấy ưu thế về mặt kinh tế nhờ nhiệt độ vận hành thấp và khả năng tái sử dụng dung môi, tuy nhiên cần kiểm soát tốt quá trình tái sinh dung môi để tránh ô nhiễm môi trường.

Màng pervaporation, mặc dù có chi phí đầu tư cao, nhưng mang lại lợi ích lớn về tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững. Dữ liệu mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hiệu suất thu hồi ethanol và chi phí vận hành của từng công nghệ, cũng như bảng tổng hợp các thông số thiết kế và vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng công nghệ PSA hai cột cho nhà máy bioethanol quy mô lớn: Tối ưu hóa thiết kế cột hấp phụ và chu trình vận hành để đạt hiệu suất thu hồi ethanol trên 90%, giảm chi phí vận hành khoảng 15% trong vòng 1 năm. Chủ thể thực hiện: Ban kỹ thuật nhà máy và đơn vị tư vấn công nghệ.

  2. Sử dụng ethylene glycol làm dung môi chiết tách ethanol: Triển khai quy trình chiết tách với tỉ lệ dung môi/dòng nhập liệu 0,27 và số tầng chiết tách 18, giảm tiêu hao năng lượng và chi phí vận hành trong 2 năm. Chủ thể thực hiện: Phòng nghiên cứu phát triển và nhà máy.

  3. Đầu tư hệ thống màng pervaporation PVA cho các nhà máy quy mô vừa và nhỏ: Lắp đặt màng có độ dày 35-100 µm, kiểm soát chất lượng dung dịch lên men để giảm hiện tượng bẩn màng, tiết kiệm năng lượng vận hành 25% trong 3 năm. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án và nhà cung cấp thiết bị.

  4. Xây dựng hệ thống giám sát và bảo trì định kỳ cho các công nghệ tách khí: Đảm bảo vận hành ổn định, kéo dài tuổi thọ thiết bị và nâng cao hiệu suất tách khí, giảm thiểu sự cố kỹ thuật trong vòng 6 tháng. Chủ thể thực hiện: Đội ngũ vận hành và bảo trì nhà máy.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và kỹ sư vận hành nhà máy ethanol sinh học: Nắm bắt các công nghệ tách khí hiện đại, lựa chọn giải pháp phù hợp để nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật hóa học, công nghệ sinh học: Tham khảo các mô hình tính toán, mô phỏng và đánh giá công nghệ tách khí ethanol trong quy trình sản xuất bioethanol.

  3. Các doanh nghiệp sản xuất và cung cấp thiết bị công nghệ ethanol: Hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và kinh tế để phát triển sản phẩm phù hợp với thị trường Việt Nam.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng tái tạo: Đánh giá tiềm năng và hiệu quả các công nghệ ethanol sinh học nhằm xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ PSA hoạt động như thế nào trong tách ethanol?
    PSA dựa trên nguyên lý hấp phụ chọn lọc ethanol trên vật liệu zeolit dưới áp suất cao, sau đó giảm áp để giải phóng ethanol tinh khiết. Ví dụ, zeolit 3A hấp phụ ethanol hiệu quả với áp suất vận hành 275-450 kPa, nhiệt độ 70-167°C.

  2. Chiết tách dung môi có ưu điểm gì so với PSA?
    Chiết tách dung môi sử dụng dung môi có nhiệt độ sôi cao như ethylene glycol giúp tách ethanol hiệu quả ở nhiệt độ thấp hơn, tiết kiệm năng lượng và có thể tái sử dụng dung môi, giảm chi phí vận hành.

  3. Màng pervaporation có phù hợp với quy mô nhà máy lớn không?
    Màng pervaporation thích hợp với nhà máy quy mô nhỏ đến vừa do chi phí đầu tư cao, nhưng tiết kiệm năng lượng vận hành và giảm phát thải khí nhà kính, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững.

  4. Làm thế nào để giảm hiện tượng bẩn màng trong quá trình pervaporation?
    Kiểm soát chất lượng dung dịch lên men, loại bỏ các tạp chất và cặn bẩn trước khi đưa vào màng, đồng thời thực hiện bảo trì và làm sạch màng định kỳ giúp duy trì hiệu suất màng.

  5. Chi phí vận hành của các công nghệ tách khí ethanol như thế nào?
    PSA có chi phí vận hành thấp nhất, chiết tách dung môi và màng pervaporation có chi phí cao hơn nhưng bù lại tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả sản xuất. Chi phí vận hành PSA thấp hơn khoảng 15% so với chiết tách dung môi và 20% so với màng pervaporation.

Kết luận

  • Luận văn đã xác định và mô phỏng thành công các công nghệ tách khí ethanol phù hợp với nhà máy bioethanol công suất 300.000 lít/ngày.
  • Công nghệ PSA hai cột được đánh giá cao về hiệu suất và chi phí vận hành, phù hợp với quy mô lớn.
  • Chiết tách dung môi ethylene glycol và màng pervaporation là các giải pháp thay thế hiệu quả, đặc biệt trong tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải.
  • Các thông số thiết kế và vận hành được tối ưu hóa dựa trên mô hình toán học và mô phỏng Aspen Adsorption, Aspen HYSYS.
  • Đề xuất triển khai thử nghiệm thực tế trong vòng 1-2 năm để đánh giá toàn diện và áp dụng rộng rãi tại Việt Nam.

Hành động tiếp theo: Các nhà máy ethanol và đơn vị nghiên cứu nên phối hợp triển khai thử nghiệm công nghệ PSA và màng pervaporation, đồng thời xây dựng hệ thống giám sát vận hành để nâng cao hiệu quả sản xuất. Để biết thêm chi tiết và tư vấn kỹ thuật, vui lòng liên hệ với nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM.