Luận Văn Thạc Sĩ: Ứng Dụng Kỹ Thuật Tạo Bong Bóng Hơi Trong Phản Ứng Tổng Hợp Biodiesel

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật hóa dầu ứng dụng kỹ thuật tạo bong bóng hơi trong phản ứng tổng hợp biodiesel, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Đình Phúc
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Vĩnh Khanh
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM - Trường Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa dầu
• Đề tài: Ứng dụng kỹ thuật tạo bong bóng hơi trong phản ứng tổng hợp biodiesel
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu biodiesel
• 1.2. Tính chất của biodiesel
• 1.2.1. Tính chất vật lý
• 1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của biodiesel
• 1.3. Ưu nhược điểm của Biodiesel so với Diesel truyền thống
• 1.4. Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel trên thế giới và tại Việt Nam
• 1.4.1. Thị trường biodiesel trên thế giới
• 1.4.2. Khả năng phát triển biodiesel ở Việt Nam
• 1.5. Nguyên liệu mỡ cá
• 1.5.1. Các tính chất hóa lý cơ bản của mỡ cá
• 1.5.2. Vai trò và ứng dụng khác của mỡ cá
• 1.5.3. Ưu nhược điểm của nguyên liệu mỡ cá
• 1.6. Phương pháp transester hóa
• 1.6.1. Cơ chế phản ứng
• 1.6.2. Các kỹ thuật thực hiện phản ứng transester hóa
• 1.6.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng
• 1.7. Quy trình sản xuất biodiesel
• 1.8. Chỉ tiêu chất lượng
• 1.9. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài
• 1.10. Lựa chọn công nghệ
• 1.10.1. Lý do chọn công nghệ tạo bong bóng hơi
• 1.10.2. Khái niệm về hiện tượng tạo bong bóng hơi
• 1.10.3. Kỹ thuật tạo bong bóng hơi bằng phương pháp thủy động lực học
• 2. CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Mục đích thí nghiệm
• 2.2. Nguyên liệu và hóa chất
• 2.3. Thiết bị thực hiện
• 2.3.1. Hệ thống thiết bị Khuấy_TT
• 2.3.2. Hệ thống thiết bị Cav
• 2.4. Quy trình thực hiện phản ứng tổng hợp biodiesel
• 2.4.1. Thực hiện phản ứng trong hệ thống Khuấy_TT
• 2.4.2. Thực hiện phản ứng trong hệ thống thiết bị Cav
• 2.5. Phương pháp tính toán và xử lý số liệu
• 2.6. Các phương pháp phân tích
• 2.6.1. Phân tích tính chất nguyên liệu
• 2.6.2. Tính chất của xúc tác
• 2.6.3. Phân tích kích thước và mật độ hạt nhũ
• 2.6.4. Xác định đường chuẩn
• 2.6.5. Phân tích tính chất sản phẩm
• 3. CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT
• 3.1. Khảo sát nguyên liệu
• 3.1.1. Thành phần acid béo
• 3.1.2. Phân tử lượng trung bình của mỡ cá
• 3.1.3. Khảo sát sự ảnh hưởng của % metyl ester đến độ nhớt của hỗn hợp sản phẩm
• 3.2. Tổng hợp biodiesel với xúc tác đồng thể NaOH
• 3.2.1. Trong hệ thống thiết bị Khuấy_TT
• 3.2.2. Trong hệ thống thiết bị Cav
• 3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng trong hệ thống thiết bị Cav
• 3.4. Tổng hợp biodiesel với xúc tác rắn CaO
• 3.5. Kết quả đo được thể hiện trong phần phụ lục
• 3.5.1. Tổng hợp biodiesel trong hệ thống thiết bị Khuấy_TT
• 3.5.2. Tổng hợp biodiesel trong hệ thống thiết bị Cav
• 3.5.3. Tính chất sản phẩm biodiesel
• 3.5.4. Xác định FAME trong biodiesel bằng phổ GC/MS
• 3.5.5. Xác định các tính chất cơ bản của biodiesel theo ASTM D6751
• 4. CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Kỹ thuật tạo bong bóng hơi

Kỹ thuật tạo bong bóng hơi là phương pháp sử dụng thủy động lực học để tăng diện tích tiếp xúc giữa các pha trong quá trình phản ứng. Trong tổng hợp biodiesel, kỹ thuật này giúp cải thiện hiệu suất phản ứng bằng cách tạo ra các bong bóng nhỏ, làm tăng diện tích tiếp xúc giữa dầu thực vật hoặc mỡ động vật và methanol. Phương pháp này được đánh giá cao nhờ khả năng rút ngắn thời gian phản ứng và giảm chi phí năng lượng so với các phương pháp truyền thống như khuấy trộn cơ học.

1.1. Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý của kỹ thuật tạo bong bóng hơi dựa trên việc tạo ra các bong bóng nhỏ trong dung dịch phản ứng. Các bong bóng này làm tăng diện tích tiếp xúc giữa các pha, từ đó thúc đẩy quá trình chuyển hóa dầu thực vật hoặc mỡ động vật thành biodiesel. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong việc xử lý các nguyên liệu có độ nhớt cao như mỡ cá.

1.2. Ưu điểm của kỹ thuật

Kỹ thuật tạo bong bóng hơi mang lại nhiều ưu điểm như giảm thời gian phản ứng, tiết kiệm năng lượng và cải thiện hiệu suất tổng hợp. Ngoài ra, phương pháp này còn giúp giảm thiểu sự hình thành các sản phẩm phụ không mong muốn, từ đó nâng cao chất lượng của biodiesel.

II. Tổng hợp biodiesel

Tổng hợp biodiesel là quá trình chuyển hóa dầu thực vật hoặc mỡ động vật thành methyl ester thông qua phản ứng transester hóa. Trong luận văn này, quá trình được thực hiện với hai loại xúc tác là NaOH (đồng thể) và CaO (rắn). Kết quả cho thấy, việc sử dụng kỹ thuật tạo bong bóng hơi giúp cải thiện đáng kể hiệu suất phản ứng so với phương pháp khuấy trộn truyền thống.

2.1. Phản ứng transester hóa

Phản ứng transester hóa là quá trình chính trong tổng hợp biodiesel, trong đó dầu thực vật hoặc mỡ động vật phản ứng với methanol để tạo thành methyl ester và glycerol. Hiệu suất phản ứng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tỷ lệ methanol/dầu, hàm lượng xúc tác và thời gian phản ứng.

2.2. So sánh hiệu suất

Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi sử dụng kỹ thuật tạo bong bóng hơi, hiệu suất phản ứng đạt cao hơn so với phương pháp khuấy trộn truyền thống. Điều này chứng tỏ tính ưu việt của phương pháp mới trong việc tối ưu hóa quá trình tổng hợp biodiesel.

III. Ứng dụng công nghệ

Ứng dụng công nghệ trong tổng hợp biodiesel không chỉ giới hạn ở việc cải thiện hiệu suất phản ứng mà còn hướng đến việc phát triển các quy trình sản xuất bền vững và thân thiện với môi trường. Kỹ thuật tạo bong bóng hơi là một ví dụ điển hình cho sự kết hợp giữa công nghệ hiện đại và nhu cầu sản xuất năng lượng tái tạo.

3.1. Công nghệ xanh

Việc áp dụng kỹ thuật tạo bong bóng hơi trong tổng hợp biodiesel góp phần thúc đẩy sự phát triển của công nghệ xanh. Phương pháp này giúp giảm thiểu lượng khí thải độc hại và tận dụng hiệu quả các nguồn nguyên liệu tái tạo như dầu thực vật và mỡ động vật.

3.2. Tiềm năng thương mại

Với những ưu điểm vượt trội, kỹ thuật tạo bong bóng hơi có tiềm năng lớn trong việc thương mại hóa biodiesel. Đây là hướng đi đầy hứa hẹn để giải quyết các vấn đề về năng lượng và môi trường trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu nhiên liệu diesel truyền thống ngày càng tăng trong khi nguồn tài nguyên dầu mỏ có giới hạn và giá cả biến động phức tạp trên thị trường thế giới. Đồng thời, khí thải từ động cơ diesel là nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Biodiesel, nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ dầu thực vật và mỡ động vật, được xem là giải pháp thay thế tiềm năng với khả năng cháy sạch và giảm phát thải khí độc hại như oxit lưu huỳnh, hydrocacbon. Theo ước tính, biodiesel giúp giảm 1/3 lượng muội than so với diesel truyền thống và không cần phụ gia để tăng chỉ số cetan.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tạo bong bóng hơi thủy động lực học trong phản ứng tổng hợp biodiesel từ mỡ cá tra, một nguồn nguyên liệu dồi dào tại Đồng bằng sông Cửu Long. Mục tiêu chính là xây dựng quy trình sản xuất biodiesel hiệu quả hơn so với phương pháp khuấy trộn truyền thống, thông qua việc tăng diện tích tiếp xúc pha giữa methanol và mỡ cá, từ đó nâng cao hiệu suất phản ứng và rút ngắn thời gian phản ứng. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2011 tại Viện Công nghệ Hóa học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, với phạm vi khảo sát các yếu tố ảnh hưởng như tỷ lệ methanol/mỡ cá, hàm lượng xúc tác và thời gian phản ứng.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ sản xuất biodiesel tại Việt Nam, góp phần tận dụng nguồn nguyên liệu phụ phẩm thủy sản, giảm ô nhiễm môi trường và thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

• Phản ứng transester hóa (chuyển este hóa): Đây là phản ứng chính để chuyển triglyceride trong mỡ cá thành methyl ester (biodiesel) và glycerin. Phản ứng gồm ba bước liên tiếp: triglyceride → diglyceride → monoglyceride → glycerin, được xúc tác bởi bazơ hoặc acid. Phản ứng thuận nghịch, hiệu suất phụ thuộc vào điều kiện phản ứng và xúc tác.

• Hiện tượng tạo bong bóng hơi thủy động lực học (cavitation): Khi dòng chảy chất lỏng đi qua vùng tiết diện hẹp, áp suất giảm xuống dưới áp suất hơi, tạo ra các bong bóng hơi. Bong bóng vỡ tạo ra xung áp suất lớn, tăng cường khuấy trộn và diện tích tiếp xúc pha, thúc đẩy phản ứng hóa học nhanh hơn.

• Khái niệm về xúc tác đồng thể và xúc tác rắn: Xúc tác đồng thể (NaOH) hòa tan trong methanol, phản ứng nhanh nhưng khó tách sản phẩm và dễ tạo xà phòng. Xúc tác rắn (CaO) dễ tách, tái sử dụng, thân thiện môi trường nhưng hiệu suất phản ứng thường thấp hơn nếu không tối ưu điều kiện.

Các khái niệm chính bao gồm: tỷ lệ mol methanol/mỡ cá, hàm lượng xúc tác, thời gian phản ứng, nhiệt độ phản ứng, kích thước hạt nhũ, hiệu suất chuyển hóa methyl ester.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu mỡ cá tra được thu thập từ Công ty cổ phần đầu tư và xây dựng Delta AGF, An Giang. Methanol công nghiệp 98% được sử dụng làm tác chất. Hai loại xúc tác được khảo sát là NaOH (đồng thể) và CaO (rắn).

• Thiết bị nghiên cứu: Hai hệ thống thiết bị được xây dựng gồm hệ thống khuấy trộn truyền thống (Khuấy_TT) và hệ thống tạo bong bóng hơi thủy động lực học (Cav). Hệ Cav bao gồm bồn chứa nguyên liệu, thiết bị tạo bong bóng hơi, bồn phản ứng có cánh khuấy và hệ thống tuần hoàn.

• Phương pháp phân tích: Tính chất nguyên liệu và sản phẩm được xác định bằng các phương pháp chuẩn như đo độ nhớt, phân tích thành phần acid béo bằng GC/MS, xác định hàm lượng methyl ester, kiểm tra các chỉ tiêu chất lượng theo tiêu chuẩn ASTM D6751.

• Quy trình thực hiện: Phản ứng được tiến hành ở 60oC, tỷ lệ mol methanol/mỡ cá 8:1, khảo sát các biến số như hàm lượng xúc tác (1-10% khối lượng), thời gian phản ứng (từ vài phút đến 120 phút). Mẫu được lấy định kỳ để phân tích hiệu suất và tính chất sản phẩm.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Nghiên cứu thực nghiệm với nhiều lần lặp lại để đảm bảo độ tin cậy, sử dụng mẫu mỡ cá đại diện cho nguồn nguyên liệu phổ biến tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong vòng 6 tháng, từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2011, bao gồm giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, xây dựng thiết bị, thực nghiệm và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất phản ứng tăng đáng kể khi sử dụng kỹ thuật tạo bong bóng hơi: Trong hệ thống Cav với xúc tác NaOH, hiệu suất chuyển hóa methyl ester đạt trên 90% chỉ sau 10 phút, trong khi hệ Khuấy_TT cần đến 70 phút để đạt hiệu suất tương tự. Ví dụ, tại 60oC, tỷ lệ mol methanol/mỡ cá 8:1, hàm lượng xúc tác 1% khối lượng, hiệu suất trong hệ Cav đạt 92% sau 10 phút, so với 88% sau 70 phút trong hệ Khuấy_TT.

2. Ảnh hưởng của tỷ lệ methanol/mỡ cá: Tăng tỷ lệ mol methanol/mỡ cá từ 6:1 lên 10:1 trong hệ Cav làm tăng hiệu suất phản ứng từ khoảng 85% lên gần 95% sau 5 phút phản ứng, cho thấy methanol dư giúp đẩy phản ứng thuận nghịch về phía sản phẩm.

3. Tác động của hàm lượng xúc tác: Với xúc tác CaO rắn, hiệu suất phản ứng tăng từ 70% lên 85% khi tăng hàm lượng xúc tác từ 3% lên 7% khối lượng, tuy nhiên vượt quá 7% không cải thiện đáng kể hiệu suất mà còn gây xà phòng hóa làm giảm chất lượng sản phẩm.

4. Tính chất sản phẩm đạt tiêu chuẩn ASTM D6751: Biodiesel thu được có độ nhớt 4.5 mm2/s, điểm chớp cháy 130oC, hàm lượng ester trên 96%, phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế. So sánh với biodiesel sản xuất bằng phương pháp khuấy trộn truyền thống, sản phẩm từ hệ Cav có độ tinh khiết cao hơn và ít tạp chất hơn.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả vượt trội của kỹ thuật tạo bong bóng hơi được giải thích bởi hiện tượng cavitation tạo ra các vùng áp suất và nhiệt độ cục bộ cao, đồng thời làm giảm kích thước hạt nhũ methanol trong mỡ cá, tăng diện tích tiếp xúc pha và thúc đẩy phản ứng nhanh hơn. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hiệu suất theo thời gian giữa hai hệ thống, thể hiện rõ sự rút ngắn thời gian phản ứng trong hệ Cav.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng siêu âm hoặc vi sóng, kỹ thuật tạo bong bóng hơi thủy động lực học có ưu điểm tiết kiệm năng lượng, dễ mở rộng quy mô công nghiệp và chi phí thấp hơn. Việc sử dụng xúc tác rắn CaO cũng góp phần giảm thiểu ô nhiễm và chi phí xử lý sản phẩm.

Tuy nhiên, nhược điểm của mỡ cá là hàm lượng acid béo tự do cao và dễ oxy hóa, gây khó khăn trong bảo quản biodiesel. Nghiên cứu đã đề xuất xử lý sơ bộ nguyên liệu và tối ưu điều kiện phản ứng để giảm thiểu các phản ứng phụ không mong muốn.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc phát triển công nghệ sản xuất biodiesel tại Việt Nam, tận dụng nguồn nguyên liệu phụ phẩm thủy sản, giảm chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng công nghệ tạo bong bóng hơi trong sản xuất biodiesel quy mô công nghiệp: Khuyến nghị các nhà máy sản xuất biodiesel tại Việt Nam nghiên cứu và đầu tư thiết bị tạo bong bóng hơi để tăng hiệu suất phản ứng, giảm thời gian sản xuất và tiết kiệm năng lượng. Thời gian triển khai dự kiến 1-2 năm.

2. Tối ưu hóa tỷ lệ methanol/mỡ cá và hàm lượng xúc tác: Đề xuất sử dụng tỷ lệ mol methanol/mỡ cá khoảng 8-10:1 và hàm lượng xúc tác CaO từ 5-7% khối lượng để đạt hiệu suất cao nhất, đồng thời hạn chế phản ứng xà phòng hóa. Chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm và nhà máy sản xuất.

3. Xây dựng quy trình xử lý sơ bộ nguyên liệu mỡ cá: Để giảm hàm lượng acid béo tự do và tạp chất, cần phát triển quy trình lọc, tinh chế mỡ cá trước khi đưa vào phản ứng, giúp nâng cao chất lượng biodiesel và kéo dài thời gian bảo quản. Thời gian nghiên cứu và áp dụng khoảng 6-12 tháng.

4. Phát triển hệ thống tái sử dụng xúc tác rắn CaO: Nghiên cứu khả năng tái sử dụng xúc tác CaO nhiều lần mà không giảm hoạt tính, giúp giảm chi phí sản xuất và ô nhiễm môi trường. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất.

5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho cán bộ kỹ thuật và công nhân vận hành nhà máy biodiesel về công nghệ tạo bong bóng hơi và quy trình sản xuất mới. Thời gian thực hiện 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật hóa dầu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về phản ứng transester hóa, kỹ thuật tạo bong bóng hơi và ứng dụng trong sản xuất biodiesel, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ mới.

2. Doanh nghiệp sản xuất biodiesel: Thông tin về quy trình, thiết bị và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất giúp doanh nghiệp tối ưu hóa sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí.

3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách phát triển năng lượng tái tạo, thúc đẩy sản xuất biodiesel từ nguồn nguyên liệu trong nước, góp phần bảo vệ môi trường.

4. Các tổ chức môi trường và phát triển bền vững: Hiểu rõ về lợi ích môi trường của biodiesel và công nghệ sản xuất thân thiện, từ đó hỗ trợ các chương trình tuyên truyền và dự án phát triển năng lượng sạch.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần sử dụng kỹ thuật tạo bong bóng hơi trong sản xuất biodiesel?
   Kỹ thuật tạo bong bóng hơi tăng diện tích tiếp xúc pha giữa methanol và mỡ cá, thúc đẩy phản ứng nhanh hơn, nâng cao hiệu suất và giảm thời gian phản ứng so với phương pháp khuấy trộn truyền thống.

2. Nguyên liệu mỡ cá có ưu điểm gì khi làm biodiesel?
   Mỡ cá là nguồn nguyên liệu dồi dào, giá rẻ, có hàm lượng acid béo không no cao giúp biodiesel có tính ổn định và ít khí thải độc hại. Việc tận dụng mỡ cá còn giảm ô nhiễm môi trường từ phụ phẩm thủy sản.

3. Xúc tác rắn CaO có lợi ích gì so với xúc tác đồng thể NaOH?
   Xúc tác rắn dễ tách khỏi sản phẩm, tái sử dụng được nhiều lần, giảm ô nhiễm môi trường và hạn chế tạo xà phòng, tuy nhiên cần tối ưu điều kiện phản ứng để đạt hiệu suất cao.

4. Thời gian phản ứng trong hệ tạo bong bóng hơi là bao lâu?
   Thời gian phản ứng trong hệ Cav chỉ khoảng 5-10 phút để đạt hiệu suất trên 90%, rút ngắn đáng kể so với 70-90 phút trong hệ khuấy trộn truyền thống.

5. Biodiesel sản xuất có đạt tiêu chuẩn chất lượng không?
   Sản phẩm biodiesel thu được đáp ứng các chỉ tiêu quan trọng theo tiêu chuẩn ASTM D6751 như độ nhớt, điểm chớp cháy, hàm lượng ester, đảm bảo an toàn và hiệu quả khi sử dụng làm nhiên liệu động cơ diesel.

Kết luận

• Kỹ thuật tạo bong bóng hơi thủy động lực học giúp tăng hiệu suất phản ứng tổng hợp biodiesel từ mỡ cá lên trên 90% trong thời gian ngắn (khoảng 10 phút).
• Sử dụng xúc tác rắn CaO có nhiều ưu điểm về môi trường và chi phí, phù hợp với sản xuất công nghiệp.
• Biodiesel thu được đạt tiêu chuẩn ASTM D6751, có tính chất vật lý và hóa học phù hợp làm nhiên liệu thay thế diesel truyền thống.
• Nghiên cứu góp phần tận dụng nguồn nguyên liệu phụ phẩm thủy sản, giảm ô nhiễm môi trường và thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam.
• Đề xuất triển khai ứng dụng công nghệ tạo bong bóng hơi trong sản xuất biodiesel quy mô công nghiệp trong vòng 1-2 năm tới, đồng thời phát triển quy trình xử lý nguyên liệu và tái sử dụng xúc tác.

Hành động tiếp theo là phối hợp với các doanh nghiệp và viện nghiên cứu để thử nghiệm quy mô lớn, hoàn thiện công nghệ và đào tạo nhân lực vận hành. Đây là bước quan trọng để đưa biodiesel từ mỡ cá trở thành nguồn nhiên liệu sinh học bền vững, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế năng lượng quốc gia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu biodiesel Biodiesel còn được gọi Diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất giống với dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật hay mỡ động vật [1]. Theo tiêu chuẩn ASTM thì Biodiesel được định nghĩa: “là các mono alkyl ester của các acid mạch dài có nguồn gốc từ các lipit có thể tái tạo lại như: dầu thực vật, mỡ động vật, được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel”. Biodiesel bắt đầu được sản xuất khoảng giữa năm 1800, trong thời điểm đó người ta chuyển hóa dầu thực vật để thu Glycerol ứng dụng làm xà phòng và thu được các phụ phẩm là Methyl hoặc Ethyl Ester gọi chung là Biodiesel.

10/08/1893 lần đầu tiên Rudolf Diesel đã sử dụng Biodiesel do ông sáng chế để chạy máy. Năm 1912, ông đã dự báo: “Hiện nay, việc dùng dầu thực vật cho nhiên liệu động cơ có thể không quan trọng, nhưng trong tương lai, những loại dầu như thế chắc chắn sẽ có giá trị không thua gì các sản phẩm nhiên liệu từ dầu mỏ và than đá”. Trong bối cảnh nguồn tài nguyên dầu mỏ đang cạn kiệt và những tác động xấu lên môi trường của việc sử dụng nhiên liệu, nhiên liệu tái sinh sạch trong đó có Biodiesel đang ngày càng khẳng định vị trí là nguồn nhiên liệu thay thế khả thi. Để tưởng nhớ nguời đã có công đầu tiên đoán được giá trị to lớn của Biodiesel, Nation Board Biodiesel đã quyết định lấy ngày 10 tháng 8 hằng năm bắt đầu từ năm 2002 làm ngày Diesel sinh học Quốc tế [1].

1900 tại Hội chợ thế giới tổ chức tại Pari, Diesel đã biểu diễn động cơ dùng dầu Biodiesel chế biến từ dầu Phụng (lạc). Trong những năm của thập kỷ 90, Pháp đã triển khai sản xuất Biodiesel từ dầu hạt cải và được dùng ở dạng B5 (5% Biodiesel với 95% Diesel), B30 (30% Biodiesel trộn với 70% Diesel) [4].Nguyễn Vĩnh Khanh 1 Ứng dụng công nghệ tạo bong bóng hơi trong sản xuất biodiesel SVTH: Nguyễn Đình Phúc Trong thời gian gần đây, do giá xăng dầu tăng nhanh, nguy cơ cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch đe dọa và yêu cầu bức thiết về chống sự biến đổi khí hậu toàn cầu mà nhiên liệu sinh học trở thành một nhu cầu thiết thực của nhân loại, nhất là khi các công nghệ biết đổi gen góp phần làm tăng đột biến sản lượng một số sản phẩm nông lâm nghiệp Tóm lại, có thể hiểu một cách tổng quát Diesel là loại nhiên liệu bất kì dùng cho động cơ Diesel. Dựa theo nguồn gốc, có thể chia Diesel thành 2 loại: - Petrodiesel (thường được gọi tắt là Diesel) là 1 loại nhiên liệu lỏng thu được khi chưng cất dầu mỏ ở phân đoạn có nhiệt độ từ 175 0C đến 370 0C, thành phần chủ yếu là hidrocacbon từ C16 – C21. - Biodiesel: có nguồn gốc từ dầu thực vật (cỏ, tảo, cây Jatropha, cây cao su…) hay mỡ động vật.

Các loại dầu mỡ động thực vật, dầu mỡ thải tuy rằng có thể cháy ở điều kiện thường nhưng vì có độ nhớt cao, một số loại có chỉ số acid lớn nên chúng không thể dùng trực tiếp cho các động cơ mà chúng cần phải được chuyển hóa thành Monoankyl – Este rồi mới đem đi sử dụng. Theo phương diện hóa học, Biodiesel là Metyl este của những acid béo (trong đó, thành phần tạo năng lượng chủ yếu là gốc hidrocacbon) [6]. Hiện nay biodiesel chính là giải pháp cho việc cạn kiệt nguồn tài nguyên dầu mỏ và sự đe dọa môi trường sống của con người do khói thải từ giao thông và công nghiệp. Tính chất của biodiesel 2.

Tính chất vật lý Biodiesel là chất lỏng màu vàng nhạt, có mùi nhẹ, dễ bay hơi, tỷ trọng khoảng 0,88 g/cm3, độ nhớt tương đương với diesel, không tan trong nước, bền và không chứa các thành phần nguy hiểm cho môi trường. Biodiesel tồn trữ tốt nhất trong container ở 50oF đến 120oF, không tiếp xúc với các chất oxy hóa, nguồn lửa nhiệt, hoặc dưới ánh nắng mặt trời và phải được thông hơi.Nguyễn Vĩnh Khanh 2 Ứng dụng công nghệ tạo bong bóng hơi trong sản xuất biodiesel SVTH: Nguyễn Đình Phúc Biodiesel có khả năng đóng vai trò chất khử đối với đồng, chì, thiếc, kẽm. do đó người ta không dùng các nguyên liệu trên cũng như hợp kim của chúng làm bồn chứa. Nhôm, thép, polymer hoặc Teflon thường được sử dụng làm vật liệu tồn trữ và vận chuyển biodiesel.

Biodiesel là một dung môi hưu cơ tốt hơn diesel. Nó gây ảnh hưởng ít nhiều khi tiếp xúc với các bề mặt sơn, vecni.hoặc làm thoái hóa cao su thiên nhiên. Biodiesel chứa từ 10-11% oxy, do đó quá trình cháy xảy ra hoàn toàn và không có tiếng ồn. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của biodiesel Một số chất có trong dầu mỡ động thực vật còn lại trong quá trình sản xuất biodiesel có thể gây ra một số tính chất như oxy hóa, polymer hóa.

làm ảnh hưởng đến chất lượng của biodiesel. Axit béo no hoặc không no tự do trong thành phần của biodiesel khi tiếp xúc với không khi sẽ bị oxy hóa thành chất rắn hoặc chất keo. Do đó mà biodiesel có nguồn gốc từ dầu mỡ động vật bền hơn từ thực vật. Tuy nhiên điểm chảy và điểm vẫn đục lại cao hơn, nghĩa là việc sử dụng biodiesel trong môi trường nhiệt độ thấp sẽ khó khăn hơn.

Tính chất của biodiesel phụ thuộc rất nhiều vào thành phần của nguyên liệu sử dụng. Mỗi loại dẫu mỡ có thành phần axit béo khác nhau. Các axit béo no như C14:0, C16:0, C18:0 cho biodiesel có chỉ số cetan, độ bền oxy hóa cao hơn nhưng lại dễ bị kết tinh và không chịu được nhiệt độ cao. Ngược lại, các axit béo không no dễ bi oxy hóa nhưng bền trong môi trường lạnh.

Axit béo mạch dài làm tăng độ nhớt và biodiesel không ổn định ở thời tiết lạnh. Những nghiên cứu gần đây cho thấy mỡ động vật là nguyên liệu thích hợp nhất để sản xuất biodiesel do thành phần có hàm lượng axit oleic cao làm cho biodiesel có tính ổn định phù hợp với những nước có khí hậu lạnh. TG và DG nếu có trong biodiesel do quá trình sản xuất sẽ làm tăng độ nhớt, tạo cặn khi bị đốt cháy. Nhóm –OH trong glycerine hoặc MG khi phản ứng với hợp kim chứa crom hoặc kim loại sẽ ăn mòn vòng xi hoặc vòng piston làm bằng crom GVHD: PGS.Nguyễn Vĩnh Khanh 3 Ứng dụng công nghệ tạo bong bóng hơi trong sản xuất biodiesel SVTH: Nguyễn Đình Phúc có trong động cơ.

Hydroperoxit nếu có trong biodiesel rất dễ bị oxy hóa thanh andehid và axit cũng như gây ra quá trình polymer tạo thành gum hoặc cặn không tan. Ảnh hưởng của nguyên liệu đến tính chất của biodiesel Độ nhớt Nhiệt Điểm Điểm Tỷ Chỉ số Điểm Nguyên liệu động học trị vẩn chớp trọng cetan chảy (mm2/s) (MJ/kg) đục cháy (kg/l) Đậu phụng 4.859 Biodiesel có thể bị oxy hóa khi tiếp xúc với không khí. Khả năng này được đánh giá thông qua chỉ số peroxit. Trong dầu mỡ động thực vật thường có sẵn một số chất chống oxy hóa như vitamin E (tocopherol).

Nếu loại các chất này đi thì quá trình oxy hóa sẽ xảy ra rất nhanh. Người ta nhận thấy rằng chỉ số peroxit tăng tỉ lệ với số nối đôi. Trong quá trình sản xuất để giảm hàm lượng glycerine tổng đáp ứng yêu cầu của các tiêu chuẩn, người ta thường chưng cất lại biodiesel. Gerpen cho rằng điều này sẽ làm cho biodiesel có chỉ số peroxit cao hơn do các chất chống oxy hóa tự nhiên bị mất đi.Nguyễn Vĩnh Khanh 4 Ứng dụng công nghệ tạo bong bóng hơi trong sản xuất biodiesel SVTH: Nguyễn Đình Phúc 3.

Ưu nhược điểm của Biodiesel so với Diesel truyền thống. Ưu điểm: Biodiesel là một trong những nguồn nhiên liệu thay thế ít gây ảnh hưởng đến môi trường và sức khoẻ con người; là loại nhiên liệu sạch hơn vì khí thải khi đốt Biodiesel hầu như sẽ không có SOx , hàm lượng CO và Hidrocacbon thơm giảm so với khi đốt Diesel truyền thống (chẳng hạn như Benzofluoranthense ít hơn 56%, Benzopysenes ít hơn 71% ). Là nguồn nhiên liệu thay thế cho Diesel khi sử dụng cho động cơ Diesel mà không ảnh hưởng đến động cơ. Là loại nhiên liệu có thể được dùng dạng tự do hoặc pha trộn với Diesel nhằm đạt được hiệu quả sử dụng và kinh tế theo yêu cầu của từng quốc qia.

Là loại nhiên liệu tái sinh nên Biodiesel sẽ là thế mạnh của các nước có nền nông nghiệp phát triển. Là loại nhiên liệu bị vi sinh vật phân huỷ nên khi thất thoát ra ngoài môi trường sẽ ít độc hại hơn rất nhiều so với các loại xăng dầu từ dầu mỏ. Khi đạt các tiêu chuẩn thì Biodiesel sẽ là nhiên liệu ít ăn mòn động cơ hơn so với Diesel. Nhược điểm Trong phân tử Biodiesel có chứa nguyên tử Oxy nên nhiệt trị thấp hơn Diesel truyền thống.

Vì vậy, khi sử dụng Biodiesel làm nhiên liệu sẽ tiêu hao hơn nhiều so với nhiên liệu Diesel truyền thống. Dễ bị Oxy hóa nên vấn đề bảo quản là vấn đề hàng đầu khi sử dụng Biodiesel (lưu trữ trung bình 6 tháng). Hàm lượng NOx cao trong khí thải, đây là nhược điểm đang được nghiên cứu khắc phục. Nhiệt trị thấp hơn so với Diesel nên cần một lượng nhiên liệu lớn hơn để đi được cùng một quãng đường.

Chi phí sản xuất còn cao so với Diesel. Hiện tại, Biodiesel trở thành thương phẩm vẫn phải cần chính sách hỗ trợ của chính phủ nhằm thúc đẩy nền công nghiệp năng lượng này. Với tình trạng nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn dần, Diesel GVHD: PGS.Nguyễn Vĩnh Khanh 5 Ứng dụng công nghệ tạo bong bóng hơi trong sản xuất biodiesel SVTH: Nguyễn Đình Phúc truyền thống ngày càng tăng giá, thì trong tương lai, Biodiesel gần như là giải pháp thay thế duy nhất. Một số thông số kỹ thuật được đưa ra so sánh giữa hai loại nhiên liệu: Bảng I.

So sánh nồng độ khí thải giữa Diesel và Biodisel Khí thải Đơn vị Diesel truyền thống BD từ dầu nành BD từ dầu thải NOx g 0. Bảng so sánh năng suất toả nhiệt của một số loại nhiên liệu Nhiên liệu Năng suất toả nhiệt (MJ/Kg) DO 44,8 BDO 37,2 Methanol 18,2 Glyxerin 18,3 Dầu dừa 35,3 Dầu Jatropha 39,6 Dầu hạt cao su 39. Một số đặc tính chọn lọc của Diesel và Biodiesel Đặc tính nhiên liệu Diesel Biodiesel Nhiệt trị, Btu/gal 129,05 118,17 Độ nhớt động học ở 400C, mm2/s 1,3 – 4,1 4,0 – 6,0 Tỉ trọng ở 150C, lb/gal 7,079 7,328 Hàm lượng nước và cặn cơ học, max 0,05 0,05 Điểm chớp cháy, 0C 60 - 80 100 – 170 Điểm đông đặc, 0C -15 - 5 -3 _ -12 Chỉ số cetane 40 - 55 48 - 65 GVHD: PGS.