Khảo Sát Quá Trình Tổng Hợp Biodiesel Từ Dầu Ăn Phế Thải Và Methanol

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp khảo sát quá trình tổng hợp biodiesel từ dầu ăn phế thải và methanol, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Trương Nguyễn Phương Trang
• Người hướng dẫn: Ths. Nguyễn Thanh Thiện
• Trường học: Trường Đại Học Bà Rịa-Vũng Tàu
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Khảo Sát Quá Trình Tổng Hợp Biodiesel Từ Dầu Ăn Phế Thải Và Methanol
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Bà Rịa – Vũng Tàu

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 1.1. NHIÊN LIỆU DIESEL
• 1.2. Nhu cầu sử dụng nhiên liệu
• 1.3. Nhiên liệu diesel khoáng và vấn đề ô nhiễm môi trường
• 1.4. NHIÊN LIỆU SINH HỌC VÀ BIODIESEL
• 1.4.1. Nhiên liệu sinh học
• 1.4.2. Lịch sử phát triển của nhiên liệu biodiesel
• 1.4.3. Một số đặc tính của biodiesel
• 1.5. Sức căng bề mặt, độ nhớt và điểm vẩn đục
• 1.6. Độ ổn định oxi hóa
• 1.7. Chỉ số cetane
• 1.8. Điểm chớp cháy. Trọng lượng riêng. Ưu, nhược điểm khi sử dụng Biodiesel
• 1.8.1. Nhược điểm
• 1.9. Tình hình nghiên cứu, sản xuất và sử dụng biodiesel trên thế giới và ở Việt Nam
• 1.9.1. Trên thế giới
• 1.9.2. Tình hình trong nước
• 1.10. Nguyên liệu sản xuất Biodiesel
• 1.11. Dầu ăn phế thải
• 1.12. Phân loại các phương pháp tổng hợp biodiesel
• 1.12.1. Phương pháp sấy nóng
• 1.12.2. Phương pháp pha loãng
• 1.12.3. Phương pháp Cracking
• 1.12.4. Phương pháp nhũ tương hóa
• 1.12.5. Phương pháp ester hóa
• 1.13. Các phương pháp kỹ thuật để điều chế ankyl ester
• 1.14. Xúc tác sử dụng trong quá trình ester hóa
• 1.15. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng trao đổi este
• 2. CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM
• 2.1. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
• 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.2.1. Thiết bị phản ứng
• 2.2.2. Chuẩn bị nguyên liệu
• 2.2.3. Khảo sát nguyên liệu dầu
• 2.2.4. Xác định các chỉ số cơ bản của nguyên liệu dầu
• 2.2.5. Cách xác định độ nhớt
• 2.2.6. Cách xác định chỉ số axit
• 2.2.7. Khử nước trong dầu ăn trước khi phản ứng
• 2.2.8. Khảo sát quá trình tổng hợp biodiesel từ dầu ăn phế thải
• 2.2.8.1. Thực hiện phản ứng giai đoạn 1
• 2.2.8.2. Thực hiện phản ứng giai đoạn 2
• 3. CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. KHẢO SÁT NGUYÊN LIỆU
• 3.2. KHẢO SÁT HÀM LƯỢNG METHYLESTER TRONG HỖN HỢP GIỮA DẦU NGUYÊN LIỆU VÀ METHYLESTER ĐẾN ĐỘ NHỚT ĐỘNG HỌC
• 3.3. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ
• 3.3.1. Ảnh hưởng của thời gian đến độ nhớt và chỉ số axit
• 3.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ nhớt và chỉ số axit
• 3.3.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ Methanol/dầu đến độ nhớt và chỉ số axit (theo thể tích)
• 3.3.4. Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác đến độ nhớt và chỉ số axit
• 3.3.5. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất tổng hợp Biodiesel
• 3.3.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất tổng hợp Biodiesel
• 3.3.7. Ảnh hưởng của tỷ lệ Methanol/bán sản phẩm đến hiệu suất tổng hợp Biodiesel
• 3.3.8. Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác đến hiệu suất tổng hợp Biodiesel
• 3.4. XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM
• 4. CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN. HƯỚNG TIẾP TỤC NGHIÊN CỨU
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên cứu Biodiesel từ Dầu Ăn Phế Thải và Methanol

Nghiên cứu tổng hợp biodiesel từ dầu ăn phế thải và methanol đang trở thành một xu hướng quan trọng trong bối cảnh bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. Biodiesel là một loại nhiên liệu sinh học có thể tái tạo, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Việc sử dụng dầu ăn phế thải không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn góp phần giảm thiểu chất thải trong xã hội.

1.1. Tại sao Nghiên cứu Biodiesel lại Quan trọng

Nhu cầu về năng lượng tái tạo ngày càng tăng cao, đặc biệt là trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Biodiesel từ dầu ăn phế thải giúp giảm thiểu khí thải độc hại và bảo vệ sức khỏe con người.

1.2. Lịch sử Phát triển Nghiên cứu Biodiesel

Lịch sử phát triển biodiesel bắt đầu từ những năm 1980, khi các nhà khoa học nhận ra tiềm năng của dầu thực vật và mỡ động vật trong sản xuất nhiên liệu. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng biodiesel có thể thay thế hoàn toàn hoặc một phần diesel truyền thống.

II. Thách thức trong Nghiên cứu Biodiesel từ Dầu Ăn Phế Thải

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc sản xuất biodiesel từ dầu ăn phế thải cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như chất lượng nguyên liệu, quy trình sản xuất và chi phí vẫn là những yếu tố cần được giải quyết. Đặc biệt, việc đảm bảo hiệu suất cao trong quá trình tổng hợp là một thách thức lớn.

2.1. Chất lượng Nguyên liệu Dầu Ăn Phế Thải

Chất lượng của dầu ăn phế thải có thể ảnh hưởng đến hiệu suất sản xuất biodiesel. Việc xác định các chỉ tiêu như độ nhớt và chỉ số axit là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

2.2. Quy trình Sản xuất Biodiesel

Quy trình sản xuất biodiesel từ methanol và dầu ăn phế thải thường bao gồm các bước như ester hóa và phản ứng trao đổi este. Mỗi bước đều cần được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất cao nhất.

III. Phương pháp Tổng hợp Biodiesel Từ Dầu Ăn Phế Thải

Có nhiều phương pháp để tổng hợp biodiesel từ dầu ăn phế thải. Các phương pháp này bao gồm ester hóa, phản ứng trao đổi este và sử dụng xúc tác. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng.

3.1. Phương pháp Ester Hóa

Phương pháp ester hóa là một trong những cách hiệu quả nhất để sản xuất biodiesel từ dầu ăn phế thải. Phương pháp này giúp giảm thiểu chỉ số axit của dầu, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm.

3.2. Phản ứng Trao Đổi Este

Phản ứng trao đổi este là quá trình chính trong sản xuất biodiesel. Quá trình này diễn ra giữa methanol và dầu ăn phế thải, tạo ra methyl ester và glycerol.

IV. Ứng dụng Thực tiễn của Biodiesel Từ Dầu Ăn Phế Thải

Sản phẩm biodiesel từ dầu ăn phế thải có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ giao thông vận tải đến sản xuất điện. Việc sử dụng biodiesel không chỉ giúp giảm ô nhiễm mà còn tạo ra một nguồn năng lượng bền vững.

4.1. Ứng dụng trong Giao Thông Vận Tải

Nhiều phương tiện giao thông hiện nay đã bắt đầu sử dụng biodiesel như một nguồn nhiên liệu chính. Điều này giúp giảm thiểu khí thải độc hại và bảo vệ môi trường.

4.2. Ứng dụng trong Sản Xuất Điện

Ngoài giao thông, biodiesel cũng có thể được sử dụng để sản xuất điện năng. Việc này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn góp phần vào việc phát triển năng lượng tái tạo.

V. Kết luận và Tương lai của Nghiên cứu Biodiesel

Nghiên cứu tổng hợp biodiesel từ dầu ăn phế thải và methanol đang mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành năng lượng tái tạo. Với những lợi ích về môi trường và kinh tế, biodiesel hứa hẹn sẽ trở thành một phần quan trọng trong tương lai năng lượng của thế giới.

5.1. Tương lai của Năng Lượng Tái Tạo

Với sự gia tăng nhu cầu về năng lượng sạch, biodiesel sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ môi trường.

5.2. Khuyến khích Nghiên cứu và Phát triển

Cần có nhiều nghiên cứu hơn nữa để tối ưu hóa quy trình sản xuất biodiesel từ dầu ăn phế thải. Việc này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn giảm chi phí sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I TỔNG QUAN LÝ THUYẾT I. NHIÊN LIỆU DIESEL 1. Khái quát về nhiên liệu diesel Diesel là một loại nhiên liệu lỏng có nguồn gốc từ dầu mỏ. Thường thì diesel là phân đoạn dầu mỏ có nhiệt độ sôi từ 250 đến 350oC, chứa các hydrocacbon có số cacbon từ C16 đến C20, C21, với thành phần chủ yếu là n-parafin, iso-parafin và một lượng nhỏ hydrocacbon thơm, trong đó có một số hợp chất phi hydrocacbon (hợp chất chứa N, O, S).

Phân đoạn này được dùng làm nhiên liệu cho một loại động cơ đốt trong tự bắt cháy do nhà bác học Rudolf Diesel sáng chế, nên gọi là nhiên liệu diesel. Nhu cầu sử dụng nhiên liệu Ngày nay cùng với sự gia tăng dân số mạnh mẽ và nhịp độ phát triển kinh tế ngày càng tăng cao, kéo theo nhu cầu sử dụng các nguồn nhiên liệu ngày càng nhiều để phục vụ các lĩnh vực khác nhau. Khối lượng nhiên liệu sử dụng đến năm 2020 dự đoán đạt tới 13.6 tỉ tấn dầu quy đổi, gấp 1.5 lần so với 9. Nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu và khí tự nhiên) được dự đoán là đóng góp tới 90% trong mức tăng sự tiêu thụ năng lượng nói trên, và vì thế nó tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong các dạng năng lượng.

Sự tiêu thụ dầu mỏ dự báo là lớn nhất trong các dạng nhiên liệu hóa thạch, ước tính khoảng 35% trong tổng mức tiêu thụ năng lượng chủ yếu, tiếp sau đó là khí tự nhiên 30% và than đá là 26%. Mức tiêu thụ dầu mỏ được dự đoán tăng từ 70 triệu thùng/ngày trong năm 2000 đến 102 triệu thùng/ngày vào năm 2020, tốc độ tăng trung bình hàng năm khoảng 1. Trong đó, Châu Á góp phần tăng 50% mức tiêu thụ trên và sử dụng nhiều nhất là lĩnh vực giao thông vận tải (chiếm 60%). Đối với nước ta là một nước đang phát triển, nhịp độ phát triển kinh tế - xã hội ngày càng tăng, vì vậy nhu cầu về năng lượng sẽ tăng mạnh trong thời gian tới.

Dự báo tỷ lệ nhập khẩu năng lượng ở nước ta đến năm 2020 khoảng 11 – 20%, và tăng lên 50 – 58% vào năm 2050. Riêng nguồn dầu mỏ, theo thống kê của Tổng công ty Xăng dầu Ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học - 1- Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường ĐHBRVT Việt Nam (Petrolimex) vào năm 2004, thì mức tiêu thụ xăng dầu của cả nước khoảng 13. Dự báo nhu cầu tiêu thụ xăng dầu ở Việt nam sẽ tăng mạnh trong giai đoạn 2005 – 2020. Số liệu cụ thể ở bảng 1.1: Dự báo nhu cầu nhiên liệu xăng dầu đến năm 2020 Đơn vị: Nghìn tấn Sản phẩm 2005 2010 2015 2020 Gasoline 2.024 Kerosen 440 420 392 360 Nhiên liệu JA1 419 615 844 1.089 Tổng số nhiên liệu 12.036 Tổng số xăng diesel 8.564 (Nguồn: Viện chiến lược phát triển - Bộ Kế hoạch Đầu tư) Từ bảng số liệu trên ta thấy, trong các loại nhiên liệu thì diesel là loại nhiên liệu được tiêu thụ nhiều nhất.

Điều này cho thấy diesel có tầm quan trọng rất lớn. Do đó việc tìm cách nâng cao chất lượng diesel, cũng như tìm kiếm nguồn nhiên liệu thay thế diesel khoáng đang ngày càng cạn kiệt và thiếu hụt là hết sức cần thiết. Nhiên liệu diesel khoáng và vấn đề ô nhiễm môi trường Các thành phần phi hydrocacbon trong nhiên liệu diesel khoáng, như các hợp chất chứa lưu huỳnh, nitơ, nhựa, asphanten…khá cao. Các thành phần này không những không tốt cho động cơ, mà còn gây ô nhiễm môi trường.

Các loại khí thải chủ yếu là SO2, NOx, CO, CO2, hydrocacbon, vật chất dạng hạt… Khí SO2 không những gây ăn mòn động cơ mà còn ảnh hưởng đến sức khỏe của con người, gây mưa axit… Khí CO2 là nguyên nhân gây ra hiệu ứng nhà kính. Ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học - 2- Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường ĐHBRVT Khí CO rất độc, với lượng CO khoảng 70 ppm có thể gây ra các triệu chứng như đau đầu, mệt mỏi, buồn nôn. Lượng CO khoảng 150 - 200 ppm gây bất tỉnh, mất trí nhớ và có thể gây chết người. Các thành phần hydrocacbon trong khí thải của nhiên liệu diesel đặc biệt là các hợp chất thơm rất có hại cho con người, là nguyên nhân gây ra các bệnh về ung thư.

Khí thải diesel chứa các phần tử có kích thước rất nhỏ và các khí dễ cháy có thể đi vào sâu bên trong phổi. Các nghiên cứu trước đây đã chứng minh có sự liên hệ giữa các thành phần hữu cơ trong khí thải diesel với dị ứng, viêm đường hô hấp và biến đổi chức năng đường hô hấp. Nguy cơ tắc nghẽn phổi mãn tính (COPD) gia tăng 2.5% mỗi năm ở các công nhân bị phơi nhiễm trực tiếp với khói diesel. Như vậy, cùng với những lợi ích to lớn của nhiên liệu diesel khoáng, thì nó lại gây ra tác động xấu đến môi trường sống và sức khỏe con người.

Chính vì vậy mà vấn đề đặt ra là phải tìm giải pháp để nâng cao chất lượng nhiên liệu diesel, để nâng cao năng suất thiết bị, tuổi thọ động cơ, cũng như bảo vệ môi trường sinh thái. Hiện nay thì có bốn phương pháp nâng cấp chất lượng nhiên liệu diesel: - Phương pháp pha trộn: pha trộn giữa nhiên liệu diesel sạch với nhiên liệu diesel kém sạch để thu được nhiên liệu diesel đảm bảo chất lượng. Phương pháp này có hiệu quả kinh tế khá cao, có thể pha trộn với các tỷ lệ khác nhau để có nhiên liệu diesel thoả mãn yêu cầu. Tuy nhiên, dầu mỏ trên thế giới chủ yếu là dầu có chứa nhiều hợp chất phi hydrocacbon (dầu không sạch) nên phương pháp này cũng không phải là khả thi.

- Phương pháp hydro hoá làm sạch: phương pháp này có ưu việt là hiệu quả làm sạch rất cao. Tuy nhiên phương pháp này ít được lựa chọn vì vốn đầu tư khá cao, khoảng 60 - 80 triệu USD cho một phân xưởng hydro hoá. - Phương pháp nhũ hoá nguyên liệu diesel: người ta đưa nước vào nhiên liệu diesel và tạo thành dạng nhũ tương. Loại nhiên liệu này có nồng độ oxy cao nên quá trình cháy sạch hơn.

Phương pháp này nếu thực hiện được thì không những giảm được ô nhiễm môi trường mà còn có giá trị kinh tế cao. Tuy nhiên, hiện tại phương pháp này vẫn còn đang nghiên cứu, chưa được ứng dụng thực tế. Ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học - 3- Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường ĐHBRVT - Dùng kết hợp với biodiesel: biodiesel là methylester của các axit béo. Dạng nhiên liệu này có nồng độ oxy cao hơn, ít tạp chất, vì vậy quá trình cháy sạch, ít tạo cặn, khói thải ít độc hại.

Biodiesel được xem là loại phụ gia rất tốt cho diesel khoáng, nó có thể trộn lẫn với diesel khoáng theo mọi tỷ lệ. Trong bốn phương pháp trên thì sử dụng biodiesel là phương pháp được nhiều nước quan tâm và tập trung nghiên cứu nhiều nhất. Bởi biodiesel được sản xuất từ nguồn nguyên liệu sinh học, đó là một nguồn nguyên liệu vô tận, tái tạo được, dễ phân huỷ, không gây ô nhiễm môi trường. Hơn nữa khi trộn diesel với biodiesel thì sản phẩm cháy chứa rất ít các khí thải độc hại như COx, SOx, H2S, hydrocacbon thơm.NHIÊN LIỆU SINH HỌC VÀ BIODIESEL 1.

Nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học (biofuel) là loại nhiên liệu được sản xuất từ nguồn nguyên liệu sinh học – sinh khối như dầu thực vật, mỡ động vật, tinh bột, thậm chí là chất thải nông nghiệp, lâm nghiệp (rơm rạ, bã mía, trấu, mùn cưa, phân chuồng…). Đây là nguồn nhiên liệu sạch (chất thải ít độc hại) và đặc biệt là nguồn nhiên liệu có thể tái tạo được (renewable fuel) nên nó làm giảm sự phụ thuộc vào nguồn tài nguyên nhiên liệu khoáng vốn có hạn. Chính hai đặc điểm nổi bật này mà nhiên liệu sinh học là sự lựa chọn của nhiều nước trên thế giới hiện nay và cả trong tương lai. Nhiên liệu sinh học có nhiều loại như xăng sinh học (biogasoil), diesel sinh học (biodiesel), và khí sinh học (biogas) - loại khí được tạo thành do sự phân hủy yếm khí các chất thải nông nghiệp, chăn nuôi và lâm nghiệp.

Trong các dạng trên thì chỉ có biogasoil và biodiesel được quan tâm nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng trong quy mô công nghiệp. Một số nước đã đặt ra mục tiêu thay thế dần nguyên liệu truyền thống sang nhiên liệu sinh khối. Mỹ đặt ra mục tiêu thay thế khoảng 30% lượng xăng tiêu thụ bằng các sản phẩm có nguồn gốc từ sinh khối vào năm 2025. Ấn Độ đặt mục tiêu tăng dần sử dụng nhiên liệu sinh khối từ 5% lên 20% vào năm 2012.

EU đặt ra thị phần nhiên liệu sinh học chiếm 6% trong tổng nhiên liệu tiêu thụ. Braxin là nước đang đứng đầu thế Ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học - 4- Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường ĐHBRVT giới về nhiên liệu sinh học với nhiên liệu sản xuất từ sinh khối chiếm tới 30% trong tổng nhiên liệu đang sử dụng cho ngành giao thông vận tải. Lịch sử phát triển của nhiên liệu biodiesel Biodiesel hay diesel sinh học là một loại nhiên liệu có nguồn gốc từ dầu thực vật hay mỡ động vật, có chỉ tiêu kỹ thuật gần giống với diesel khoáng. Về bản chất hóa học nó là ankylester của các axit béo.

Biodiesel được xem là một loại phụ gia rất tốt cho diesel truyền thống. Cách đây hơn 100 năm, nhà phát minh Rudolf Diesel đã phát minh ra động cơ chạy bằng dầu thực vật. Vào những năm 1930 và 1940, dầu thực vật được sử dụng như là nhiên liệu diesel nhưng chỉ được sử dụng trong tình trạng khẩn cấp. Bắt đầu từ năm 1980, có nhiều cuộc tranh cãi lớn về việc sử dụng dầu thực vật làm một nhiên liệu.

Cũng vào năm 1980, Caterpilla Brazil đã sử dụng hỗn hợp 10% dầu thực vật cho động cơ diesel mà không có sự thay đổi cũng như thay thế gì. Tại thời điểm này, chưa có một thực hành nào sử dụng 100% dầu thực vật để thay thế cho nhiên liệu diesel, nhưng hỗn hợp pha trộn 20% dầu thực vật với 80% dầu diesel đã mang lại thành công rực rỡ. Một thời gian ngắn sau đó, người ta đã tiến hành thử nghiệm đến tỷ lệ 50/50. Tháng 8 năm 1982, hội nghị đầu tiên của thế giới về việc sử dụng dầu thực vật như là nhiên liệu được diễn ra tại Fargo, phía nam Dakota.