Mô phỏng và thiết kế nhà máy sản xuất bioethanol từ nguồn nguyên liệu sắn lát khô việt nam và nghiên cứu công nghệ tách nước và biến tính sản phẩm

Mô phỏng và thiết kế nhà máy sản xuất BIOETHANOL từ nguồn nguyên liệu sắn lát khô VIỆT NAM và nghiên cứu công nghệ tách nước và biến tính sản phẩm. LỜI MỞ ĐẦUSự khám phá ra dầu mỏ đã đánh dấu một bước ngoặt lớn trong lịch sử phát triển của xã hội loài người. Dầu mỏ và các sản phẩm từ dầu mỏ đã đóng góp trong tất cả các lĩnh vực đời sống nói chung và các ngành năng lượng nói riêng. Tuy nhiên, bên cạnh những mặt ưu việt, chúng ta không thể không nói đến những vấn đề tồn tại do quá trình khai thác và sử dụng dầu mỏ quá mức gây ra việc thiếu hụt năng lượng trong tương lai, nhưng đáng kể nhất là sự ô nhiễm môi trường do khí thải của quá trình đốt cháy nhiên liệu.Người ta ước tính khí thải từ các hoạt động có liên quan các sản phẩm dầu mỏ và nhiên liệu hóa thạch chiếm khoảng 70% tổng lượng khí thải trên toàn thế giới. Khí thải là nguyên nhân trực tiếp gây ra những biến đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính và hàng loạt các vấn đề về môi trường. Nhiều nỗ lực đã và đang được thực hiện nhằm tìm kiếm những nguồn năng lượng thay thế, trong đó, một trong những nguồn năng lượng mới đang được quan tâm hiện nay là nhiên liệu sinh học. Ðây là nguồn năng lượng mới có thể tái sinh và ít gây ô nhiễm môi trường. Và nó có thể được chia thành các loại sau: •Nhiên liệu lỏng •Khí sinh học (biogas)•Nhiên liệu sinh học rắnTrong đó bioethanol là một loại nhiên liệu sinh học lỏng mới, hiện đang được nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Loại năng lượng sinh học này ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu tiêu thụ năng lượng trên thế giới đồng thời có khả năng thay thế dần cho nguồn năng lượng hóa thạch đang có nguy cơ cạn kiệt trong tương lai.Góp phần thực hiện mục tiêu đó em đã thực hiện đề tài: “Mô phỏng và thiết kế nhà máy sản xuất Bioethanol từ nguồn nguyên liệu sắn lát khô Việt nam và nghiên cứu công nghệ tách nước và biến tính sản phẩm” trên cơ sở kiến thức cơ bản, ứng dụng phần mềm mô phỏng và tính toán em đã hoàn thành đề tài này. Đề tài gồm các phần chính:•Tổng quan về tình hình nghiên cứu và sản xuất nhiên liệu sinh học – bioethanol trên thế giới và ở nước ta.•Nghiên cứu tài liệu và thực tế để lựa chọn các công nghệ cho các quy trình.•Nghiên cứu, lựa chọn phần mềm mô phỏng hỗ trợ cho quá trình tính toán.•Nghiên cứu để xác lập các số liệu cần thiết cho quá trình mô phỏng.•Mô phỏng các khu vực chính trong quá trình sản xuất bioethanol gồm khu dịch hóa, men hóa, chưng cất.•Đánh giá phân tích các phương pháp tách nước nhằm thu được cồn khan 99.8%vv. Mô phỏng khu vực tách nước, từ đó tính toán thiết kế thiết bị hấp phụ và các thiết bị trao đổi nhiệt trong khu vực.•Mô phỏng quá trình phối trộn Ethanol 99.8%vv thành Ethanol nhiên liệu biến tính. So sánh phối trộn động và tĩnh. Tính toán thiết bị phối trộn tĩnh (static mixer.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA HÓA KỸ THUẬTNGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU VÀ KHÍ

Đồ án tốt nghiệp là những gì đúc kết lại sau một quá trình học tập, nghiêncứu của sinh viên dưới sự hướng dẫn của các quý thầy cô Sau ba tháng làm việc,

em đã hoàn thành đề tài Thành quả đạt được hôm nay là do sự nỗ lực của bản thândưới sự hướng dẫn giúp đỡ động viên tận tâm của quý thầy cô, của bố mẹ cũng nhưcác anh chị em, bạn bè

Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Trường Đại Học Bách Khoa ĐàNẵng đã truyền đạt kiến thức cơ bản và giúp đỡ chúng em trong những năm học vừaqua, đặc biệt là các thầy cô trong Khoa Hóa và bộ môn công nghệ chế biến dầu-khí.Trên hết em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy TS Nguyễn Đình Lâm đãhướng dẫn đề tài và tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án tốtnghiệp này

Sau cùng em xin cảm ơn gia đình, bạn bè luôn là điểm tựa, nguồn động viên giúp

em vượt qua nhiều khó khăn trong thời gian qua

Em xin trân trọng gửi đến quý thầy cô, gia đình và bạn bè của em những lời chúc tốtđẹp nhất

Trong quá trình thực hiện, do nhiều nguyên nhân khác nhau nên những thiếu sót làđiều khó tránh khỏi Em rất mong sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô giáo và cácbạn để đề tài được hoàn thiện hơn

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU XI

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1 Tổng quan về nguyên liệu 1

1.1 Các nguồn nguyên liệu sản xuất bio-ethanol ở Việt Nam 1

1.2 Giới thiệu về nguồn nguyên liệu sắn lát 2

1.2.1 Giới thiệu cây sắn và giá trị của chúng[3] 2

1.2.1.1 Danh pháp và nguồn gốc 2

1.2.1.2 Dinh dưỡng và độc tố [3]: 3

1.2.1.3 Giá trị sử dụng [3] 4

1.2.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ sắn trên thế giới [4] 4

1.2.3 Tình hình sản xuất và xuất khẩu sắn ở Việt Nam [4] 6

1.2.4 Nhu cầu sắn cho nhiên liệu sinh học 8

1.3 Tổng quan về bio-ethanol 9

1.3.1 Tính chất của ethanol[6] 9

1.3.2 Ứng dụng 11

1.3.3 Sản xuất ethanol: 11

1.3.3.1 Nguyên liệu: 11

1.3.3.2 Phương pháp chung sản xuất bio-ethanol: 11

1.3.4 Nhiên liệu xăng pha cồn: 12

1.3.4.1 Khái niệm: 12

1.3.4.2 Đánh giá ưu nhược điểm của nhiên liệu xăng pha cồn[7], [8], [9], [10] 13

1.3.4.2.1 Ưu điểm 13

1.3.4.2.2 Thuận lợi và khó khăn khi pha ethanol vào xăng 14

1.3.5 Sản xuất bio-ethanol từ nguyên liệu sắn lát bằng phương pháp lên men: 14 1.4 Hiện trạng sử dụng và sản xuất của bio-ethanol trên thế giới: 15

1.5 Tình hình sản xuất và phát triển của bio-ethanol tại Việt Nam 15

CHƯƠNG 2 19

LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIOETHANOL 19

2.1 So sánh hiệu quả các công nghệ sản xuất bio-ethanol khác nhau trên thế giới 19

2.2 Phân tích các công nghệ và lựa chọn công nghệ thích hợp 23

2.2.1 Giai đoạn 1 23

2.2.2 Giai đoạn 2: Chưng cất và tách nước 28

2.2.3 Nhận xét chung 29

2.3 Xác lập số liệu dựa trên công nghệ Praj phục vụ mô phỏng 29

2.3.1 Thông số của nguyên liệu [12] 29

2.3.2 Quy trình chung để sản xuất bio-ethanol 29

2.3.3 Xử lí nước thải và bã phụ 30

2.3.3.1 Xử lí nước thải 30

2.3.3.2 Xử lí bã và sản phẩm phụ DDGS 31

CHƯƠNG 3 33

LỰA CHỌN PHẦN MỀM MÔ PHỎNG THÍCH HỢP HỖ TRỢ TÍNH TOÁN 33

3.1 Phần mềm Pro/II 33

3.1.1 Giới thiệu chung 33

3.1.2 Yếu điểm nếu áp dụng trong quá trình mô phỏng sản xuất bio-ethanol .34 3.2 Phần mềm Hysys (Aspen Hysys) 34

3.2.1 Giới thiệu chung 34

3.2.2 Lựa chọn phần mềm: Aspen Hysys 34

CHƯƠNG 4 36

MÔ PHỎNG CÁC KHU VỰC CHÍNH 36

4.1 Các bước ban đầu chuẩn bị mô phỏng 36

4.1.1 Thiết lập hệ đơn vị 36

4.1.2 Khai báo các cấu tử 36

4.1.3 Khai báo phản ứng 38

4.2 Khu vực dịch hóa (Liquefaction section) 38

4.2.1 Sơ đồ công nghệ khu dịch hóa 38

4.2.2 Tóm tắt quá trình mô phỏng 39

4.2.2.1 Quá trình dịch hóa [14] 39

4.2.2.2 Quá trình mô phỏng khu vực 39

4.2.2.2.1 Hình ảnh mô phỏng 40

4.2.2.2.2 Kết quả mô phỏng 42

4.3 Khu vực men hóa (Fermentation section) 42

4.3.1 Sơ đồ công nghệ của khu vực 42

4.3.2 Tóm tắt quá trình mô phỏng 42

4.3.2.1 Quá trình đường hóa-men hóa[14] 42

4.3.2.2 Quá trình mô phỏng khu vực 43

4.3.2.2.1 Hình ảnh mô phỏng 44

4.3.2.2.2 Kết quả mô phỏng: 48

4.4 Khu vực chưng cất (Distillation section): 48

4.4.2 Tóm tắt quá trình mô phỏng : 49

4.4.2.1 Quá trình chưng cất [14]: 49

4.4.2.2 Quá trình mô phỏng khu vực: 50

4.4.2.2.1 Hình ảnh mô phỏng 51

CHƯƠNG 5 63

KHU VỰC TÁCH NƯỚC 63

5.1 Đánh giá phân tích các phương pháp tách nước nhằm thu cồn khan 99,8%v/ v 63 5.1.1 Mục đích quá trình làm khan cồn 63

5.1.2 Các công nghệ làm khan cồn 63

5.1.2.1 Chưng cất chân không 63

5.1.2.2 Chưng cất đẳng phí 64

5.1.2.3 Dùng muối khan (Na2SO4, CaSO4, CaCO3, CuSO4 ) để hấp phụ nước 66 5.1.2.4 Bốc hơi thẩm thấu qua màng lọc 66

5.1.2.5 Hấp phụ rây phân tử 66

5.1.2.5.1 Vật liệu hấp phụ zeolite (rây phân tử) 66

5.1.2.5.2 Nguyên tắc của phương pháp 67

5.2.1 Sơ đồ chung của quá trình 69

5.2.2 Mô phỏng 69

5.2.2.1 Sơ đồ công nghệ 69

5.2.2.2 Thiết bị 70

5.2.3 Nghiên cứu thiết kế các thiết bị trong khu vực[17] 75

5.2.3.1 Thiết bị hấp phụ 75

5.2.3.1.1 Mục tiêu của việc tính toán 75

5.2.3.1.2 Thông số dòng nguyên liệu vào tháp hấp phụ 75

5.2.3.1.3 Quá trình tính toán và các công thức[17] 76

5.2.3.1.4 Kết luận chung về tính toán thiết bị hấp phụ 84

5.2.3.2 Thiết bị trao đổi nhiệt 84

5.2.3.2.1 Các thông số thiết kế 84

5.2.3.2.2 Phương pháp tính toán thiết kế một thiết bị trao đổi nhiệt 84

5.2.3.2.3 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng shell-tube 85

5.2.3.2.4 Giới thiệu về gói ứng dụng Exchanger Design and Rating User Interface của phần mềm Aspen 86

5.2.3.2.5 Thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt E-1401, E-1402, E-1403, E-1404, E-1406, E-1408 87

PHẦN 6 91

PHỐI TRỘN BIẾN TÍNH TĨNH 91

6.1 Giới thiệu công nghệ 91

6.1.1 Giới thiệu thiết bị khuấy trộn tĩnh (static mixer)[21] 91

6.1.2 Nguyên tắc hoạt động[23] 92

6.1.3 Thế mạnh[22] 92

6.1.4 Ứng dụng 93

6.2 So sánh giữa khuấy trộn truyền thống và khuấy trộn tĩnh[21, 22, 23] 93

6.3 Mô phỏng khu vực biến tính nhiên liệu bioethanol: 94

6.3.1 Nguyên liệu 94

6.3.2 Sơ đồ mô phỏng 95

6.3.3 Các thiết bị 95

6.3.4 Kết quả mô phỏng: 96

6.4 Tính toán thiết bị trộn lẫn tĩnh của hệ thống biến tính nhiên liệu bioethanol 96

6.4.1 Lý thuyết của quá trình[24] 96

6.4.2 Kết quả tính toán 97

CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ TỔNG HỢP MÔ PHỎNG 99

7.1 Mô phỏng 99

7.1.1 Khu vực dịch hóa 99

7.1.2 Khu vực lên men 99

7.1.3 Khu vực chưng cất 100

7.1.4 Khu vực tách nước 100

7.1.5 Phối trộn 101

KẾT LUẬN 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

PHỤ LỤC 103

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sản lượng ngô, sắn, mía ở Việt Nam qua một số năm [1] 1

Hình 1.2 Các hình ảnh về cây sắn Việt Nam [3] 3

Hình 1.3 Diện tích, năng suất và sản lượng sắn của thế giới từ năm 1995-2008

5

Hình 1.4 Sản lượng sắn ở Việt Nam và một số nước trên thế giới [1] 5

Hình 1.5 Hình ảnh công thức của ethanol 9

Hình 1.6 Đồ thị thể hiện đường đẳng phí của ethanol-nước 10

Hình 1.7 Hình ảnh về nhà máy sản xuất bio-ethanol Đại Tân 16

Hình 1.8 Hình ảnh về một nhà máy sản xuất bio-ethanol 17

Hình 2.1 Quy trình làm sạch và nghiền khô của công nghệ PRAJ 25

Hình 2.2 Hệ thống cyclone ba bậc của công nghệ PRAJ 26

Hình 2.3 Nam châm tĩnh tách các hạt kim loại của công nghệ PRAJ 26

Hình 2.4 Thiết bị tách đất đá của Montz 26

Hình 2.5 Hệ thống sàn rung 2 tầng của Technip 26

Hình 2.6 Hệ thống nam châm tĩnh của các công nghệ khác 27

Hình 2.7 Sơ đồ dịch hóa của công nghệ Montz 27

Hình 2.8 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tâm của công nghệ Praj 28

Hình 2.10 Sơ đồ hệ thống làm sạch CIP 29

Hình 2.11 Thiết bị lên men kiểu VAT của công nghệ Tomsa 29

Hình 2.12 Quy trình chung sản xuất bio-ethanol 33

Hình 3.1 Hình ảnh mô phỏng propylene bằng proII 35

Hình 3.2 Hình ảnh mô phỏng bằng Aspen hysys 35

Hình 4.1 Các phản ứng phụ trong khu vực dịch hóa và men hóa 39

Hình 4.2 Khu vực dịch hóa 41

Hình 4.3 Điều kiện và thành phần của thiết bị T-1211 41

Hình 4.4 Điều kiện và thành phần của thiết bị T-1216 42

Hình 4.5 Điều kiện và thành phần của thiết bị T-1213A/B 42

Hình 4.6 Điều kiện và thành phần của thiết bị T-1212 43

Hình 4.7 Điều kiện và thành phần của dòng sp cuối của dịch hóa 43

Hình 4.8 Hình ảnh mô phỏng khu vực men hóa 45

Hình 4.9 Điều kiện và thành phần của thiết bị lên men sơ bộ T-1335 44

Hình 4.10 Thông số các dòng vào và ra của T-1335 46

Hình 4.11 Thiết bị lên men chính R-1311 46

Hình 4.12 Thông số các dòng vào và ra của thiết bị R-1311 47

Hình 4.13 Thông số tháp hấp phụ CO2 (C-1311) 47

Hình 4.14 Thông số các dòng vào và ra của tháp C-1311 48

Hình 4.15 Thành phần của dòng trong tháp C-1311 48

Hình 4.16 Thiết bị T-1334 48

Hình 4.17 Điều kiện và thành phần của cụm 2 TB E-1314 và E-1335 49

Hình 4.18 Điều kiện và thành phần của dòng sp cuối của khu men hóa 49

Hình 4.19 Sơ đồ khối khu vực chưng cất 50

Hình 4.20 Khu vực chưng cất 52

Hình 4.21 Thông số tháp chưng sơ bộ C-1401 53

Hình 4.22 Thông số tháp tách khí C-1402 54

Hình 4.23 Thông số tháp thu hồi ethanol C-1412 54

Hình 4.24 Điều kiện và thành phần dòng nguyên liệu tháp C-1412 55

Hình 4.25 Điều kiện và thành phần của dòng sản phẩm tháp C-1412 55

Hình 4.26 Ba biểu đồ khảo sát tìm đĩa nạp liệu tối ưu 58

Hình 4.27 Biểu đồ khảo sát tìm đĩa nạp liệu tối ưu 58

Hình 4.28 Biểu đồ khảo sát tìm đĩa trích fusel tối ưu tại cùng đĩa nạp liệu 39 60

Hình 4.29 Thông số tháp chính C-1461 60

Hình 4.30 Thông số dòng nguyên liệu 60

Hình 4.31 Thông số dòng sản phẩm đỉnh tháp chính 61

Hình 4.32 Thông số dòng sản phẩm đáy tháp chính 601

Hình 4.33 Khu vực thu hồi nhiệt ở đỉnh tháp C-1461 62

Hình 4.34 Dòng hơi của tháp và lượng nhiệt thu hồi 62

Hình 4.35 Thông số thiết bị trao đổi nhiệt E-1465 63

Hình 4.36 Dòng vào và ra của thiết bị E-1465 63

Hình 4.37 Thông số dòng vào và ra của thiết bị E-1466 63

Hình 5.1 Sơ đồ đơn giản của chưng cất đẳng phí 66

Hình 5.2 Hình ảnh của zeolite loại 3A 68

Hình 5.3 Một số tính chất điển hình của Z3-03 68

Hình 5.4 Sơ đồ quá trình hấp phụ 69

Hình 5.5 Sơ đồ chung khu vực tách nước 70

Hình 5.6 Khu vực tách nước 71

Hình 5.7 Điều kiện và tiêu chuẩn tháp C-1601 72

Hình 5.8 Thành phần đỉnh và đáy tháp 73

Hình 5.9 Sơ đồ mô phỏng khu vực tách nước 73

Hình 5.10 Thông số dòng của thiết bị 74

Hình 5.11 Thông số dòng vào ra của TBTĐ nhiệt E-1603 74

Hình 5.12 Thông số dòng vào ra của TBTĐ nhiệt E-1604 74

Hình 5.13 Thông số dòng vào ra của TBTĐ nhiệt E-1608 75

Hình 5.14 Thông số dòng vào ra của TBTĐ nhiệt E-1608 74

Hình 5.15 Tính chất dòng sản phẩm cuối của khu vực tách nước 75

Hình 5.16 Đường cong breakthrough ở các chiều cao khác nhau 83

Hình 5.17 Bảng tham khảo thời gian chu trình hấp phụ theo phương pháp PSA 84 Hình 5.18 Các bước cơ bản tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt 85

Hình 5.19 Trao đổi nhiệt shell-tube dạng BEM 86

Hình 5.20 Phân loại các front, shell, rear 86

Hình 5.21 Hình ảnh khởi động của phần mềm Exchanger Design and Rating 88

Hình 5.22 Hình ảnh và các thông số dòng vào ra của thiết bị E-1602 88

Hình 5.23 Liên kết dữ liệu từ file Hysys qua Exchanger Design and Rating 89

Hình 5.24 Kết quả về nhiệt và thủy lực 89

Hình 5.25 Kết quả về cơ khí 89

Hình 6.1 Các loại static mixer chuyên dụng 91

Hình 6.2 Đơn vị phối trộn của static mixer và các cách nối 92

Hình 6.3 Nguyên tắc hoạt động của static mixer 92

Hình 6.4 Các ứng dụng của static mixer trong công nghiệp 93

Hình 6.5 Thiết bị trộn truyền thống và thiết bị phối trộn tĩnh cùng công suất 94

Hình 6.6 Sơ đồ mô phỏng khu phối trộn 95

Hình 6.7 Kết quả mô phỏng khu phối trộn 96

Hình 6.8 Cấu tạo thiết bị trộn lẫn tĩnh 97

Hình 6.9 Toán đồ tra các thông số thiết kế (Re, L/h, w, din) của thiết bị phối trộn tĩnh từ lưu lượng và độ nhớt của hỗn hợp phối trộn 98

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng1.1 Diện tích, năng suất và sản lượng sắn của Việt Nam từ năm

2001-2011 [1], [5] 6

Bảng 1.2 Thành phần lỏng- hơi theo nhiệt độ của hồn hợp ethanol-nước 10

Bảng 1.3 Các tính chất cơ bản của ethanol 11

Bảng 1.4 Các dự án xây dựng nhà máy bio-ethanol 18

Bảng 2.1 So sánh các công nghệ Praj, Technip, Changhae 21

Bảng 2.2 Các thông số năng lượng và enzyme của các công nghệ 22

Bảng 2.3 So sánh hiệu quả của quá trình sản xuất bio-ethanol từ sắn lát 22

Bảng 4.1 Cấu tử có sẵn trong data bank 38

Bảng 4.2 Cấu tử được định nghĩa trong quá trình mô phỏng bio-ethanol 39

Bảng 4.3 Thành phần dòng nguyên liệu (phần khối lượng) [15] 40

Bảng 4.4 Thành phần dòng nguyên liệu (phần khối lượng) 45

Bảng 4.5 Thành phần dòng nguyên liệu của chưng cất (phần khối lượng) 51

Bảng 4.6 Thành phần dòng Fusel (phần khối lượng) 52

Bảng 4.7 Khảo sát tìm đĩa nạp liệu tối ưu 57

Bảng 4.8 Bảng khảo sát tìm Qreb min từ đĩa 3340 58

Bảng 4.9 Khảo sát tìm đĩa fusel trích 59

Bảng 5.1 Các điểm đẳng phí của hỗn hợp ethanol-nước 65

Bảng 5.2 Tính chất của hỗn hợp đẳng phí ethanol – benzen - nước [19] 65

Bảng 5.3 Thông số nguyên liệu vào tháp hấp phụ 66

Bảng 5.4 Thông số phục vụ quá trình tính toán đường breakthrough 80

Bảng 5.5 Kết quả tính toán phục vụ khảo sát đường breakthrough 81

Bảng 5.6 Thời gian và c/cF theo các chiều cao lớp hấp phụ khác nhau 83

Bảng 6.1 So sánh thiết bị trộn truyền thống và thiết bị phối trộn tĩnh 94

Bảng 6.2 Thông số đầu vào phục vụ mô phỏng 95

Bảng 7.1 Kết quả mô phỏng khu dịch hóa 99

Bảng 7.2 Kết quả mô phỏng khu lên men 100

Bảng 7.3 Kết quả mô phỏng khu chưng cất 101

Bảng 7.4 Kết quả mô phỏng khu làm khan cồn 100

Bảng 7.5 Kết quả mô phỏng khu phối trộn biến tính tĩnh 102

LỜI MỞ ĐẦU

Sự khám phá ra dầu mỏ đã đánh dấu một bước ngoặt lớn trong lịch sử phát triểncủa xã hội loài người Dầu mỏ và các sản phẩm từ dầu mỏ đã đóng góp trong tất cảcác lĩnh vực đời sống nói chung và các ngành năng lượng nói riêng Tuy nhiên, bêncạnh những mặt ưu việt, chúng ta không thể không nói đến những vấn đề tồn tại doquá trình khai thác và sử dụng dầu mỏ quá mức gây ra việc thiếu hụt năng lượngtrong tương lai, nhưng đáng kể nhất là sự ô nhiễm môi trường do khí thải của quátrình đốt cháy nhiên liệu

Người ta ước tính khí thải từ các hoạt động có liên quan các sản phẩm dầu mỏ

và nhiên liệu hóa thạch chiếm khoảng 70% tổng lượng khí thải trên toàn thế giới.Khí thải là nguyên nhân trực tiếp gây ra những biến đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính

và hàng loạt các vấn đề về môi trường Nhiều nỗ lực đã và đang được thực hiệnnhằm tìm kiếm những nguồn năng lượng thay thế, trong đó, một trong những nguồnnăng lượng mới đang được quan tâm hiện nay là nhiên liệu sinh học Ðây là nguồnnăng lượng mới có thể tái sinh và ít gây ô nhiễm môi trường Và nó có thể đượcchia thành các loại sau:

 Nhiên liệu lỏng

 Khí sinh học (biogas)

 Nhiên liệu sinh học rắn

Trong đó bio-ethanol là một loại nhiên liệu sinh học lỏng mới, hiện đang đượcnghiên cứu, sản xuất và ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới Loại năng lượng sinhhọc này ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu tiêu thụ năng lượng trên thế giới đồng thời cókhả năng thay thế dần cho nguồn năng lượng hóa thạch đang có nguy cơ cạn kiệttrong tương lai

Góp phần thực hiện mục tiêu đó em đã thực hiện đề tài: “Mô phỏng và thiết kế

nhà máy sản xuất Bioethanol từ nguồn nguyên liệu sắn lát khô Việt nam và nghiên cứu công nghệ tách nước và biến tính sản phẩm” trên cơ sở kiến thức cơ

bản, ứng dụng phần mềm mô phỏng và tính toán em đã hoàn thành đề tài này Đềtài gồm các phần chính:

 Tổng quan về tình hình nghiên cứu và sản xuất nhiên liệu sinh học –bioethanol trên thế giới và ở nước ta

 Nghiên cứu tài liệu và thực tế để lựa chọn các công nghệ cho các quytrình.

 Nghiên cứu, lựa chọn phần mềm mô phỏng hỗ trợ cho quá trình tínhtoán

 Nghiên cứu để xác lập các số liệu cần thiết cho quá trình mô phỏng

 Mô phỏng các khu vực chính trong quá trình sản xuất bioethanol gồmkhu dịch hóa, men hóa, chưng cất

 Đánh giá phân tích các phương pháp tách nước nhằm thu được cồnkhan 99.8%v/v Mô phỏng khu vực tách nước, từ đó tính toán thiết kế thiết bị hấpphụ và các thiết bị trao đổi nhiệt trong khu vực

 Mô phỏng quá trình phối trộn Ethanol 99.8%v/v thành Ethanol nhiênliệu biến tính So sánh phối trộn động và tĩnh Tính toán thiết bị phối trộn tĩnh(static mixer

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1 Tổng quan về nguyên liệu

1.1 Các nguồn nguyên liệu sản xuất bio-ethanol ở Việt Nam

Hiện nay trên thế giới, bio-ethanol được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau:

- Cây nông phẩm chứa đường: mía, củ cải đường, các cây nông phẩmchứa tinh bột gồm các hạt ngũ cốc như lúa mì, lúa gạo, bắp,…củ nhưkhoai tây, khoai mì, khoai lang,…

- Thực vật hoang dại: tảo nước ngọt, tảo biển, lục bình, cỏ Vetiner, cỏvoi, cỏ lác, cỏ tranh, hạt cao su, hạt bông vải……

- Phó sản thực vật (biomass): rơm rạ, bã mía, thân gỗ, mạt cưa, trấu…

- Giấy phế thải…

Tùy theo điều kiện và nguồn nguyên liệu mỗi quốc gia mà chọn loại nguyênliệu thích hợp để sản xuất nhiên liệu sinh học Ví dụ như: Brazil sản xuất ethanol từmía, Mỹ sản xuất từ ngô…

Ở Việt Nam, nguyên liệu có thể sử dụng vào mục đích sản xuất bio-ethanolbao gồm: ngô, sắn, mía Theo số liệu của Tổng cục thống kế: sản lượng năm 2008đạt 16.1 tr.tấn mía, 9.3 tr.tấn sắn và 4.5 tr.tấn ngô [1]

Hình 1.1 Sản lượng ngô, sắn, mía ở Việt Nam qua một số năm [1]

Điều này cho thấy rằng nguyên liệu dồi dào nhất là cây mía, tiếp đến là sắn

và cuối cùng là ngô Dễ dàng nhận thấy sản lượng mía biến thiên không đều, bêncạnh đó mía chủ yếu dùng để sản xuất đường, đây là một sản phần có giá trị kinh tế

Vì vậy khả năng sử dụng mía làm nguyên liệu sản xuất bio-ethanol không cao Sảnlượng sắn tăng nhanh và đều qua các năm, cũng chứng tỏ tiềm năng của cây sắnlớn, có khả năng đáp ứng nhu cầu hiện tại cũng như trong tương lai cho các nhàmáy sản xuất bio-ethanol Ngoài ra, sắn là loài cây dễ trồng, thích hợp với điều kiệnthổ nhưỡng nhiều vùng ở Việt Nam

Theo số liệu của PRAJ, cứ mỗi tấn rỉ mật chuyển hóa sẽ thu được khoảng

300 lít ethanol, hiệu suất này đối với tinh bột là lớn hơn nhiều, khoảng 400 lítethanol/tấn[2] Xét về góc độ chi phí sản xuất, nếu sử dụng cây mía làm nguyên liệu,lúc này chi phí cho nguyên liệu chiếm khoảng 75% tổng chi phí Trong khi đó vớinguyên liệu là sắn, con số chỉ là 62%

Từ những lí do trên, chúng ta có thể kết luận rằng sắn là nguyên liệu thíchhợp nhất để sản xuất bio-ethanol ở Việt Nam

1.2 Giới thiệu về nguồn nguyên liệu sắn lát

1.2.1 Giới thiệu cây sắn và giá trị của chúng [3]

1.2.1.1 Danh pháp và nguồn gốc

Cây sắn hay còn gọi là khoai mì (tên danh pháp là Manihot esculenta) làcây lương thực dùng phần củ, có thể sống lâu năm, thuộc họ Euphorbiaceae (Đạikích); có nguồn gốc ở vùng nhiệt đới Châu Mỹ La tinh (Cranzt, 1976) và đượctrồng cách đây khoảng 5.000 năm (CIAT, 1993) Cây sắn được người Bồ Đào Nhađưa đến Congo của Châu Phi vào thế kỷ 16 (Barre và Thevet, năm 1558); Ở Châu Á

nó được du nhập vào Ấn Độ khoảng thế kỷ 17 (P.G Rajendran và Al, 1995) vàSrilanka vào đầu thế kỷ thứ 18 (W.M.S.M Bandara và M Sikurajapathy, 1992) Sau

đó sắn được trồng ở Trung Quốc, Myanmar và các nước Châu Á khác ở cuối thế kỷ

18, đầu thế kỷ 19 (Fang Baiping 1992 U Thun Than 1992) Riêng ở Việt Nam câysắn được du nhập và đưa vào trồng khoảng giữa thế kỉ 18 (Phạm Văn Biên, HoàngKim, năm 1991) Hiện chưa có tài liệu chắc chắn về nơi trồng và năm trồng đầutiên

Hình 1.2 Các hình ảnh về cây sắn Việt Nam [3]

Tại Việt Nam, sắn là một trong bốn loại cây trồng quan trọng và được trồngnhiều tại các tỉnh và thành phố như Thanh Hóa, Quảng Nam, Gia Lai, Kontum,Nghệ An, Bình Định, Quãng Ngãi, Yên Bái, Lai Châu…

- Sắn khô: xén mỏng củ sắn tươi và phơi dưới ánh nắng mặt trời cho

đến khi độ ẩm giảm xuống còn 14% Thành phần gồm có: nước13.12%, protit 0.2%, gluxit 74.7%, cellulose 11.1%, tro 1.69%

Ngoài ra, chất muối khoáng và vitamin trong 100 g củ sắn là 18.8-22.5 mgCa; 22.5-25.4 mg P; 0.02 mg B1; 0.02 mg B2; 0.5 mg PP Trong củ sắn, hàm lượngcác acid amin không được cân đối, thừa arginin nhưng lại thiếu các acid amin chứalưu huỳnh Thành phần dinh dưỡng khác biệt tuỳ giống, vụ trồng, số tháng thuhoạch sau khi trồng và kỹ thuật phân tích Lá sắn trong nguyên liệu khô 100% chứađựng đường + tinh bột 24.2%, protein 24%, chất béo 6%, xơ 11%, chất khoáng6.7%, xanhthophylles 350 ppm (Yves Froehlich, Thái Văn Hùng 2001) Chất đạmcủa lá sắn có khá đầy đủ các acid amin cần thiết, giàu lysin nhưng thiếu methionin.Trong lá và củ sắn ngoài các chất dinh dưỡng cũng chứa một lượng độc tố (HCN)đáng kể Các giống sắn ngọt có 80-110 mg HCN/kg lá tươi và 20-30 mg/kg củ tươi.Các giống sắn đắng chứa 160-240 mg HCN/kg lá tươi và 60-150 mg/kg củ tươi

Liều gây độc cho một người lớn là 20 mg HCN, liều gây chết người là 50 mg HCNcho mỗi 50 kg thể trọng.

1.2.1.3 Giá trị sử dụng [3]

Sắn là cây trồng có nhiều công dụng trong chế biến công nghiệp, thức ăn giasúc và lương thực thực phẩm Củ sắn được dùng để chế biến tinh bột, sắn lát khô,bột sắn nghiền hoặc dùng để ăn tươi Từ sắn củ tươi hoặc từ các sản phẩm sắn sơchế tạo thành hàng loạt các sản phẩm công nghiệp như bột ngọt, rượu cồn, mì ănliền, gluco, xiro, bánh kẹo, mạch nha, kỹ nghệ chất dính (hồ vải, dán gỗ), bìacartong (Hoàng Kim Anh, Ngô Kế Sương, Nguyễn Xích Liên 2004), bún, miến, mìống, mì sợi, bột khoai, bánh tráng, hạt trân châu (tapioca), phụ gia thực phẩm, phụgia dược phẩm, sản xuất màng phủ sinh học, chất giữ ẩm Củ sắn cũng là nguồnnguyên liệu chính để làm thức ăn gia súc Thân sắn dùng để làm giống, nguyên liệucho công nghiệp xenlulô, làm nấm, làm củi đun Lá sắn non dùng làm rau xanh giàuđạm Lá sắn dùng trực tiếp để nuôi tằm, nuôi cá Bột lá sắn hoặc lá sắn ủ chua dùng

để nuôi lợn, gà, trâu bò, dê,… Hiện tại, sản phẩm sắn ngày càng thông dụng trongbuôn bán, trao đổi thương mại quốc tế (P.Silvestre, M.Arraudeau, 1991) Đặc biệttrong thời gian gần đây, sắn là nguyên liệu chính cho công nghiệp chế biến nhiênliệu sinh học (ethanol)

1.2.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ sắn trên thế giới [4]

Sắn (Manihot esculenta Crantz) hiện được trồng trên 100 nước có khí hậunhiệt đới và cận nhiệt đới thuộc ba châu lục: châu Á, châu Phi và châu Mỹ Latinh

Tổ chức Nông lương thế giới (FAO) xếp sắn là cây lương thực quan trọng ở cácnước đang phát triển sau lúa gạo, ngô và lúa mì Tinh bột sắn là một thành phầnquan trọng trong chế độ ăn của hơn một tỷ người trên thế giới (www.TTTA.Foodmarket, 2009) Đồng thời, sắn cũng là cây thức ăn gia súc quan trọng tại nhiều nướctrên thế giới và cũng là cây hàng hóa xuất khẩu có giá trị để chế biến bột ngọt, bánhkẹo, mì ăn liền, ván ép, bao bì, màng phủ sinh học và phụ gia dược phẩm

Đặc biệt trong thời gian tới, sắn là nguyên liệu chính cho công nghiệp chếbiến nhiên liệu sinh học (ethanol) Năm 2008, Trung Quốc đã sản xuất một triệu tấnethanol, họ đã thoả thuận với một số quốc gia lân cận để cung cấp nguyên liệu chongành công nghiệp sản xuất ethanol Tại Thái Lan, nhiều nhà máy sản xuất ethanol

sử dụng sắn đã được xây dựng năm 2008 Indonesia đã lên kế hoạch sử dụng sắnsản xuất ethanol để pha vào xăng theo tỷ lệ bắt buộc 5% bắt đầu từ năm 2010 Cácnước như Lào, Papua New Guinea, đảo quốc Fiji, Nigeria, Colombia và Ugandacũng đang nghiên cứu thử nghiệm cho sản xuất ethanol (TTTA.Outlookfor, 2009).Diện tích, năng suất và sản lượng sắn trên thế giới có chiều hướng gia tăng từ năm

1995 đến 2008 Năm 2008, sản lượng sắn thế giới đạt 238.45 triệu tấn củ tươi so với223.75 triệu tấn năm 2007 và năm 1995 là 161.79 triệu tấn Nước sản xuất sắnnhiều nhất là Nigeria (45.72 triệu tấn), kế đến là Thái Lan (22.58 triệu tấn) vàIndonesia (19.92 triệu tấn) Nước có năng suất sắn cao nhất là Ấn Độ (31.43tấn/ha), kế đến là Thái Lan (21.09 tấn/ha), so với năng suất sắn bình quân của thếgiới là 12.87 tấn/ha (FAO, 2008) Việt Nam đứng thứ mười về sản lượng sắn trênthế giới (9.38 triệu tấn).

Hình 1.3 Diện tích, năng suất và sản lượng sắn của thế giới từ năm 1995-2008

Hình 1.4 Sản lượng sắn ở Việt Nam và một số nước trên thế giới [1]

1.2.3 Tình hình sản xuất và xuất khẩu sắn ở Việt Nam [4]

Ở Việt Nam, cây sắn đã nhanh chóng chuyển từ cây lương thực thành câycông nghiệp với tốc độ cao, năng suất và sản lượng tăng nhanh Cây sắn là nguồnthu nhập quan trọng của các hộ nông dân nghèo do sắn dễ trồng, ít kén đất, đầu tư ítvốn, phù hợp sinh thái và điều kiện kinh tế nông hộ Nghiên cứu và phát triển câysắn theo hướng sử dụng đất nghèo dinh dưỡng, đất đồi, núi là việc làm có hiệu quảcao (Hoàng Kim và Trần Công Khanh, 2005); đây là hướng hỗ trợ chính cho thựchiện Ðề án "Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025"của Chính phủ đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại quyết định số 177/2007/QĐ-TT ngày 20 tháng 11 năm 2007

Tại Việt Nam, sắn được canh tác phổ biến ở hầu hết các tỉnh của các vùngsinh thái nông nghiệp Diện tích sắn nhiều nhất ở vùng Bắc Trung Bộ và duyên hảimiền trung (168.80 ngàn ha) Tây Nguyên là vùng sản xuất sắn lớn thứ hai của cảnước, tập trung chủ yếu ở bốn tỉnh Kon Tum, Gia Lai, Đăk Lăk và Đăk Nông Năm

2008, diện tích sắn của Tây Nguyên đạt 150 ngàn ha, nhưng năng suất bình quânchỉ đạt 15.7 tấn/ha, tổng sản lượng 2.35 triệu tấn, thấp hơn nhiều so với vùng ÐôngNam Bộ là 23.74 tấn/ha và 2.69 triệu tấn (Theo tổng cục thống kê, 2009)

Bảng1.1 Diện tích, năng suất và sản lượng sắn của Việt Nam từ năm 2001-2011 [1], [5]

Tiêu thụ sắn hiện tại gồm ba nhóm chính là: sản xuất tinh bột; sản xuất thức

ăn chăn nuôi và sắn lát khô (sắn cồn) xuất khẩu Sản xuất sắn tinh bột có hai loại:tinh bột ướt dùng cho sản xuất bột ngọt và tinh bột khô chủ yếu cho xuất khẩu Cònsản xuất thức ăn chăn nuôi dùng sắn lát khô chất lượng cao Sắn cồn xuất khẩu làsắn lát khô có chất lượng thấp hơn, thị trường chủ yếu là Trung Quốc dùng để làm

nguyên liệu cho các nhà máy ethanol Năm 2007, sắn dùng cho tinh bột chiếm 37%,sắn lát khô xuất khẩu chiếm 34% và sắn cho thức ăn chăn nuôi chiếm 28% Tổnglượng xuất khẩu chiếm hơn 50% sản lượng sắn, bao gồm tinh bột sắn khô xuất khẩu

và sắn cồn xuất khẩu Theo thống kê, năm 2009, sắn là mặt hàng có khối lượng vàkim ngạch xuất khẩu tăng đột biến Bảy tháng đầu năm, cả nước xuất khẩu được2.66 triệu tấn sắn lát khô (sắn cồn) và tinh bột sắn, kim ngạch đạt 406 triệu USD,tăng 4.4 lần về sản lượng, 2.8 lần về kim ngạch so với cùng kỳ năm trước

Trong cơ cấu các sản phẩm sắn xuất khẩu của Việt Nam năm 2010, sắn lát chiếmkhoảng 56.8% còn tinh bột sắn chiếm khoảng 42.9%, các loại khác chiếm một tỷ lệrất nhỏ So với năm 2009, sắn lát đã giảm tới 13.5% về tỷ trọng còn tinh bột sắn lạităng tới 15.4% về tỷ trọng trong tổng lượng xuất khẩu

Diễn biến xuất khẩu sắn theo hướng tăng tỷ trọng sản phẩm tinh, giảm tỷ trọng sảnphẩm thô được cho là một tín hiệu tốt trong bối cảnh nhiều ngành sản xuất trongnước có liên quan đến sắn như thức ăn chăn nuôi, ethanol đang cần nguyên liệu vàgiá tinh bột sắn đang có xu hướng tăng mạnh trên thị trường thế giới

Trung Quốc tiếp tục là thị trường đầu ra lớn nhất cho các sản phẩm sắn xuất khẩucủa Việt Nam trong năm 2010, chiếm tới 94.8% tổng kim ngạch xuất khẩu sắn lát(tương đương 196.5 triệu đô la Mỹ) và 90% tổng kim ngạch xuất khẩu tinh bột sắn(tương đương 315.4 triệu đô la Mỹ) Để đẩy mạnh kim ngạch xuất khẩu sắn trongthời gian tới, các doanh nghiệp Việt Nam cần tiếp tục tìm kiếm thêm thị trường mớingoài thị trường Trung Quốc nhằm hạn chế sự phụ thuộc quá nhiều vào thị trườngTrung Quốc trong tình trạng bị ép giá Nhiều thị trường tiềm năng mà Việt Nam vẫnchưa khai thác hết như EU Hiện Thái Lan là nước cung cấp tinh bột sắn hàng đầucho thị trường EU, chiếm 45% thị phần nhập khẩu Ngoài Thái Lan, các nước đangphát triển khác chỉ chiếm 2%, trong đó Việt Nam chiếm 1.7% tổng thị phần nhậpkhẩu tinh bột sắn của EU Ngoài ra, các doanh nghiệp Việt Nam cần gia tăng hàmlượng chế biến trong sản phẩm xuất khẩu thay vì xuất khẩu sản phẩm thô (sắn lát vàsắn củ) như hiện nay

Tuy nhiên, năm 2010 nhu cầu tiêu dùng sắn cho các ngành chế biến trong nước tăngmạnh khiến nguồn cung dành cho xuất khẩu giảm Theo Tổng cục Thống kê, mặc

dù năng suất sắn vẫn đạt ở mức cao 17.2 tấn/héc ta nhưng sản lượng sắn cả nướcnăm 2010 chỉ đạt 8.52 triệu tấn, tức giảm 0.4% so với năm 2009 do diện tích trồngsắn đã giảm 2.5%, còn 496.200 ngàn héc ta Với kết quả trên, Bộ Công Thương đãxếp sắn vào mặt hàng xuất khẩu chủ lực từ năm 2009 [5]

Sự phát triển của ngành sắn hiện nay cho thấy nhu cầu cấp bách trong công táchoạch định chiến lược phát triển dài hạn cho ngành này, trong đó có tính đến các

khía cạnh cân đối cung cầu về xuất khẩu, nguồn cung nguyên liệu thức ăn chănnuôi, sản xuất ethanol, quỹ đất

1.2.4 Nhu cầu sắn cho nhiên liệu sinh học

Khi chương trình năng lượng sinh học (NLSH) của Nhà nước vận hành, cácnhà máy sản xuất ethanol sẽ tiêu thụ một khối lượng sắn rất lớn Dự kiến năm 2012,sản xuất ethanol sẽ tiêu thụ 16% sản lượng sắn, năm 2015 chiếm 35%, năm 2020chiếm 41%, đến năm 2025 chiếm 48% Các tính toán này dựa vào dự báo nhu cầuxăng tăng 8.5%/năm; năm 2012 áp dụng E5, năm 2015 áp dụng E10; sản lượng sắntăng 5%/năm Sự hình thành và phát triển của ngành công nghiệp NLSH làm thayđổi kết cấu thị trường sắn Việt Nam theo hướng có lợi cho nông nghiệp và nôngthôn trên các khía cạnh [5]

Với hơn 50% sản lượng sắn hiện đang xuất khẩu, khi được đưa vào sản xuấtethanol, sau đó đưa xăng, dầu ra tiêu thụ trên thị trường trong nước, lượng sắn này

sẽ là đầu vào và khâu đầu tiên của chuỗi giá trị thị trường NLSH, tồn tại song songvới thị trường xăng, dầu phục vụ cho nhu cầu trong nước Trong chuỗi giá trị thịtrường mới này, sắn được dùng làm nguyên liệu cho nhà máy chế biến ethanol, sau

đó được pha trộn, phân phối và bán lẻ đến người tiêu dùng trong nước Như vậy sảnphẩm sắn sẽ không còn phụ thuộc vào cung cầu và biến động giá của thị trườngnước ngoài Thay vào đó sản phẩm nông nghiệp sẽ tham gia thị trường năng lượngtrong nước, tiêu thụ ổn định và tăng trưởng hằng năm

Khi sắn trở thành một khâu trong chuỗi giá trị thị trường NLSH phục vụ nhucầu trong nước, chính thị trường NLSH - khi được hình thành và phát triển ổn định

sẽ tạo ra kênh chính sách để nhà nước tác động đến khâu sản xuất nông nghiệpthông qua việc điều tiết thị trường xăng, dầu Các chính phủ Thái lan và Philippinestác động vào sản xuất nông nghiệp thông qua việc điều hành công thức giá NLSH(xăng sinh học) trên thị trường xăng, dầu để ổn định giá nguyên liệu từ sản xuấtnông nghiệp (giá mía và sắn) Ðây sẽ là một công cụ quan trọng và tiện lợi để nhànước thực hiện các chính sách hỗ trợ nông nghiệp, nông dân và nông thôn

Phát triển NLSH sẽ tăng đầu tư vào vùng sâu, vùng xa của nông thôn ViệtNam Sự phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu của các nhà máy NLSH sẽ tạo động lựcxây dựng mối liên kết gắn bó giữa nhà máy và nông dân, thúc đẩy lợi ích của haibên Trong khi triển khai các dự án ethanol, Tập đoàn Dầu khí quốc gia Việt Nam

đã có chủ trương phát triển vùng nguyên liệu ổn định trên cơ sở hỗ trợ cho nông dânbảo đảm thu nhập ổn định Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tại hội nghịphát triển sắn bền vững (tháng 12-2009) cũng đã chỉ đạo triển khai mô hình liên kết

giữa nhà máy NLSH và nông dân có sự ủng hộ của chính quyền và các nhà khoahọc nông nghiệp.

Như vậy, có thể thấy chương trình ethanol là một cơ hội để hiện thực hóanhững mục tiêu phát triển nông nghiệp, nông thôn và cải thiện đời sống nông dânnghèo, nâng cao giá trị gia tăng của nông sản và tăng cường liên kết liên minh côngnông[5]

1.3 Tổng quan về bio-ethanol

1.3.1 Tính chất của ethanol [6]

Ethanol là một hợp chất hữu cơ dạng lỏng, nằm trong dãy đồng đẳng củarượu metylic, dễ cháy, không màu, mùi thơm, có vị cay, nhẹ hơn nước

Hình 1.5 Hình ảnh công thức của ethanol

Ethanol tạo hỗn hợp đẳng phí với nước có thành phần 95.54% khối lượng(tương đương 0.8933%mol) nên với phương pháp chưng cất thông thường chỉ thuđược ethanol có thành phần không quá 95.54% khối lượng

Ta có bảng thành phần lỏng-hơi theo nhiệt độu sôi của hỗn hợp Ethanol-Nước ở760mmHg:

ethanol-nước

X (% mol) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Y (% mol) 0 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100

T ( o C) 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4

Hệ Etanol -Nước

Hình 1.6 Đồ thị thể hiện đường đẳng phí của ethanol-nước

- Tĩm lại, ta thể hiện các tính chất của ethanol qua bảng sau

Bảng 1.3 Các tính chất cơ bản của ethanol

Tên khác Rượu etylic, Cồn, HydroxyetanCơng thức phân tử C2H5OH hay C2H6O

1.3.2 Ứng dụng

Ethanol được sử dụng rộng trong nhiều ngành công nghiệp

- Trong hóa mỹ phẩm: ethanol tinh chất và 95% là các dung môi tốt được sửdụng trong các loại nước hoa, sơn và cồn thuốc

- Trong thực phẩm: các loại đồ uống chứa cồn có hương vị khác nhau do cócác hợp chất tạo mùi khác nhau được hòa tan trong quá trình ủ và nấu rượu

- Trong y tế: dung dịch 70% ethanol được sử dụng như là chất tẩy uế Ethanolcũng được sử dụng trong các gel vệ sinh kháng khuẩn phổ biến nhất ở nồng độkhoảng 62% Khả năng khử trùng tốt nhất của ethanol khi nó ở trong dung dịchkhoảng 70%, nồng độ cao hơn hay thấp hơn của ethanol có khả năng kháng khuẩnkém hơn Ethanol giết chết các vi sinh vật bằng cách biến tính protein và hòa tanlipit của chúng Nó có hiệu quả trong việc chống lại phần lớn các loại vi khuẩn vànấm cũng như nhiều loại virut nhưng không hiệu quả trong việc chống lại các bào

C6H12O6 → 2 CH3CH2OH + 2 CO2

Quá trình nuôi cấy men rượu theo các điều kiện để sản xuất rượu được gọi là

ủ rượu Men rượu có thể phát triển trong sự hiện diện của khoảng 12% rượu, nhưngnồng độ của rượu trong các sản phẩm cuối cùng có thể tăng lên nhờ chưng cất

Để sản xuất ethanol từ các nguyên liệu chứa tinh bột như hạt ngũ cốc thì tinhbột đầu tiên phải được chuyển hóa thành đường Trong việc ủ men bia, theo truyềnthống nó được tạo ra bằng cách cho hạt nảy mầm hay ủ mạch nha Trong quá trìnhnảy mầm, hạt tạo ra các enzym có chức năng phá vỡ tinh bột để tạo ra đường Đểsản xuất ethanol làm nhiên liệu, quá trình thủy phân này của tinh bột thành glucozađược thực hiện nhanh chóng hơn bằng cách xử lý hạt với axit sulfuric loãng, enzymnấm amylas, hay là tổ hợp của cả hai phương pháp

Về tiềm năng, glucoza để lên men thành ethanol có thể thu được từxenluloza Phản ứng thủy phânxenluloza gồm các bước

- Bước 1: Thủy phân xenluloza thành mantoza dưới tác dụng của menamylaza

(C6H10O5)n → C12H22O11

- Bước 2: Thủy phân tiếp mantoza thành glucoza hoặc fructoza dưới tác dụngcủa men mantaza

C12H22O11→ C6H10O6

- Bước 3: Phản ứng lên men rượu có xúc tác là men rượu

C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2

P hương pháp hydrat hóa etylen

Ethanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thông thường nóđược sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp hyđrathóa etylen bằng xúc tác axit, được trình bày theo phản ứng hóa học sau Cho etylenhợp nước ở 300oC, áp suất 70-80 atm với chất xúc tác là axit wolframic hoặc axitphosphoric:

đường và nguyên liệu chứa tinh bột như ngũ cốc, khoai tây, sắn…hay các nguồnnguyên liệu sinh khối (có cellulose) như rơm rạ, bã mía, vỏ trấu

Ethanol nhiên liệu được sản xuất ngày càng nhiều trên thế giới để thay thếmột phần xăng dầu Đây là nguồn tài nguyên tái tạo, ít độc tính và ít gây ô nhiễmmôi trường Ethanol nhiên liệu có chỉ số Octan cao nên thường dùng để pha vàoxăng theo các tỷ lệ có thể thay đổi, gồm có E5 (xăng chứa 5% ethanol), E10 (10%),E85 (85%) và E100 (100%) Loại xăng này vẫn dùng được cho các loại động cơxăng truyền thống mà không cần phải thay đổi động cơ (E5 đã được kiểm chứng)cho phù hợp với hỗn hợp nhiên liệu xăng-ethanol

1.3.4.2 Đánh giá ưu nhược điểm của nhiên liệu xăng pha cồn [7], [8], [9], [10]

- Cháy tốt hơn xăng (quá trình cháy hoàn toàn hơn)

- Giảm phát thải các chất độc hại và các khí gây hiệu ứng nhà kính

- Khi nhiên liệu có hàm lượng ethanol thấp không cần phải thay đổi kết cấucủa động cơ

Về mặt kinh tế

- Ethanol có thể thúc đẩy nền nông nghiệp phát triển bằng cách cung cấp chonông dân một thị trường ổn định cho các loại cây trồng đã biết, như ngô và củ cảiđường, tạo ra nhiều công ăn việc làm cho người lao động, khuyến khích tinh thầnlao động của người dân

- Ethanol có nhiệt trị cao hơn một vài nhiên liệu khác, như methanol, điều này

có nghĩa là trong cùng một quãng đường đi thì nó yêu cầu một thể tích ít hơn Do đó

sẽ tiết kiệm nhiên liệu hơn

- Dùng nhiên liệu ethanol sẽ giảm sự phụ thuộc vào dầu nhập khẩu

Về môi trường

- Khi pha ethanol vào xăng giúp cho quá trình cháy hoàn toàn hơn, đồng thờitrong ethanol không có chứa các chất độc hại như chì và benzen Do đó giảm đượccác chất độc hại và các khí gây hiệu ứng nhà kính như CO2, CO, HC chưa cháy

- Loại bỏ được các phụ gia độc hại như phụ gia chì, MTBE

Về an ninh năng lượng

- Việc sử dụng ethanol làm tăng an ninh năng lượng quốc tế vì ethanol cónguồn gốc hữu cơ, có thể tái tạo được và có thể sản xuất trong nước nên giảm được

sự phụ thuộc vào nguồn dầu mỏ nhập khẩu

1.3.4.2.2 Thuận lợi và khó khăn khi pha ethanol vào xăng

 Ethanol có tỷ trọng gần với tỷ trọng của xăng, dễ hòa trộn vào xăng

 Trong phân tử ethanol có chứa oxy thúc đẩy quá trình cháy diễn ra tốthơn, giảm phát thải đáng kể các chất gây ô nhiễm

Khó khăn:

- Khi pha ethanol vào xăng gặp những khó khăn chủ yếu như sau:

 Sự có mặt của oxy trong phân tử ethanol làm giảm nhiệt trị của hỗn hợpkhi cháy Do đó sẽ làm tăng lượng tiêu thụ nhiên liệu

 Ethanol tạo với các hydrocacbon nhẹ trong xăng như (pentane, hexane…)hỗn hợp đẳng phí có nhiệt độ sôi thấp hơn nhiệt độ sôi của hỗn hợp ban đầu Vì vậykhi pha ethanol vào xăng nó sẽ làm tăng áp suất hơi bão hòa của hỗn hợp

 Ethanol có tính háo nước Nó dễ dàng hút nước có trong không khí ẩmlàm thay đổi thành phần của nhiên liệu, gây khó khăn cho vấn đề tồn trữ và bảoquản nhiên liệu

 Ethanol không tương thích với các vật liệu cao su, dễ làm trương nở cácống dẫn nhiên liệu làm bằng vật liệu này Tuy nhiên nếu dùng với nồng độ ethanolthấp (<15% thể tích ethanol) thì hoàn toàn không gây tác hại như trên

1.3.5 Sản xuất bio-ethanol từ nguyên liệu sắn lát bằng phương pháp lên men:

Phương pháp này sử dụng các chất men (enzyme) của vi sinh vật mà trong đóchủ yếu là các loại nấm mốc, nấm men và vi khuẩn để chuyển hóa gluxit, xenlulozathành đường khử và đường khử thành rượu, rồi chưng cất, tinh chế được ethanol

(C6H10O5)n + nH2O nC6H12O C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + Q

Quá trình này có thể phân thành hai công đoạn là công đoạn lên men nhằmsản xuất ethanol có nồng độ thấp và công đoạn làm khan để sản xuất ethanol cónồng độ cao để phối trộn vào xăng

Lên men

Sau khi điều chế ra ethanol, cần phải tách nước bằng phương pháp hấp thụtrong đó sao cho nồng độ đạt 99% Vì nếu lẫn nhiều nước sẽ có hiện tượng tách phaxăng khi pha chế ethanol này vào.

1.4 Hiện trạng sử dụng và sản xuất của bio-ethanol trên thế giới:

Hiện nay, 47% ethanol nhiên liệu trên thế giới sản xuất từ mía đường và 53%sản xuất từ tinh bột Năm 2003 toàn thế giới sản xuất được 38.5 tỷ ethanol nhiênliệu (Châu Mỹ 70%, Châu Á 17% và Châu Âu 10%) trong đó 70% dùng làm nhiênliệu, 30% dùng trong y tế, hóa chất và thực phẩm Đến năm 2007 ethanol sản xuấttăng lên 56 tỷ lít Một báo cáo mới đây về nhiên liệu sinh học của UNEP 2009 đãgiúp chúng ta tài liệu quý giá tổng kết tình hình nhiên liệu sinh học toàn cầu hiệnnay Năm 2007, nhiên liệu sinh học chiếm 1.8% nhiên liệu giao thông với sản lượngethanol tăng gấp ba lần so với năm 2000 và sản xuất dầu diesel sinh học tăng lênmười lần Nhiệm vụ pha trộn nhiên liệu sinh học vào nhiên liệu hóa thạch cho xe

đã được ban hành tại 17 nước vào năm 2006, chủ yếu là đòi hỏi phải pha trộn 15% ethanol hoặc 2-5% dầu diesel sinh học vào xăng Nhiên liệu sinh học nhữngnăm gần đây đã trở thành một thị trường rộng lớn với một nỗ lực thương mại mớiđang hình thành Năm 2008, Brazil đã xuất khẩu 5 tỷ lít ethanol và đầu tư vào nhiênliệu sinh học đã tăng lên 4 tỷ đô la Mỹ so với năm 2007 Thị trường thương mạinhiên liệu sinh học đang tăng mạnh ở Mỹ EU, Brazil và Trung Quốc [5]

10-Trên thế giới hiện nay, Mỹ, Brazil và Trung Quốc là 3 quốc gia đứng đầu vềsản xuất và sử dụng ethanol nhiên liệu Với việc sử dụng ethanol như sản phẩm thaythế một phần xăng dầu mà các nước này đã giảm được việc nhập khẩu dầu Tại khuvực Đông Nam Á thì Thái Lan là quốc gia phát triển nhanh về sản xuất và sử dụngxăng pha cồn Năm 2004 Thái Lan đã có trên 20 nhà máy sản xuất ethanol nhiênliệu

Năm 2006, ethanol sản xuất đã đạt được con số 51.000 triệu lít Theo dựđoán đến năm 2025 lượng ethanol sản xuất có thể đạt tới con số 120.000 triệu lít.Hiện tại khoảng 60% ethanol sinh học sản xuất từ cây mía mà chiếm ưu thế làBrazil, còn 40% ethanol sinh học còn lại được sản xuất từ các loại cây trồng khác

1.5 Tình hình sản xuất và phát triển của bio-ethanol tại Việt Nam

Ngày 20/11/2007, Thủ Tướng Chính Phủ đã chính thức phê duyệt “Đề ánphát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025”, trong đó đưa ra mục tiêu đến 2010 sản xuất 100.000 tấn xăng E5/năm và 50.000 tấn B5/năm, đảm bảo 0.4% nhu cầu nhiên liệu cả nước và đến năm 2025 sẽ có sảnlượng hai loại sản phẩm này đủ đáp ứng 5% nhu cầu thị trường nội địa Đề án cũng

đưa ra 6 giải pháp quan trọng nhằm phát triển năng lượng sinh học và kiến lập thịtrường để đưa ngành này từng bước hội nhập với thế giới.

Để thực hiện chiến lược này, PetroVietNam dự kiến từ 2011 đến 2015 sẽ đưa 3 nhàmáy ethanol sinh học ở Quảng Ngãi, Phú Thọ, Bình Phước vào hoạt động với tổngcông suất 230.000 tấn/năm và từ sản phẩm này sẽ pha thành nhiên liệu E5-E10, đápứng khoảng 20% tổng nhu cầu tiêu thụ xăng sinh học cả nước Từ năm 2008 đếnnay Việt Nam đã có 4 dự án sản xuất ethanol sinh học từ sắn lát hoặc rỉ đường đểtrộn với xăng thành gasohol Hiện nay có một nhà máy sản xuất cồn nhiên liệu lớnnhất Việt Nam, cũng là 1 trong 3 nhà máy lớn nhất khu vực Đông Nam Á đã đi vàohoạt động tại xã Đại Tân, huyện Đại Lộc, Quảng Nam Nhà máy sản xuất này docông ty Cổ phần Đồng Xanh làm chủ đầu tư đã hoạt động thử nghiệm được 7 tháng,với sản phẩm chính là cồn nhiên liệu hay còn gọi là cồn tuyệt đối (99.5%) dùng đểpha với xăng tạo thành xăng sạch (xăng E5) Mẻ cồn đầu tiên của Công ty cổ phầnĐồng Xanh (Quảng Nam) đạt 120.000 lit/ngày đã ra lò vào tháng 10/2009, gópphần đưa tổng sản lượng cồn của Việt Nam trong năm này đạt 50 triệu lit/năm

Hình 1.7 Hình ảnh về nhà máy sản xuất bio-ethanol Đại Tân

Tuy nhiên giá cồn trên thị trường trong nước đã tăng từ 5000 đồng/lit năm 2001 lên13.000 đồng/lit năm 2010 (và đến hiện nay tháng 4/2011 là 21.100 đồng/lit) trởthành cao hơn giá bán trong khu vực Sở dĩ có tình trạng này vì quy mô sản xuấtnhỏ, công nghệ lạc hậu, chưa sử dụng nhiều loại nguyên liệu khác rẻ hơn, chưa tậndụng các phụ phẩm để hạ giá thành sản phẩm, quan trọng nhất là do ảnh hưởng của

sự tăng mạnh giá xăng dầu trên thế giới Hiện nay, toàn quốc đã có 40 trạm cungcấp xăng E5 Dự kiến, đến năm 2012, sẽ có hơn 4.000 điểm bán xăng E5 trên cảnước, sẵn sàng phục vụ nhu cầu của người dân muốn sử dụng xăng sinh học để bảo

vệ môi trường Số trạm cung cấp xăng sẽ tăng tùy theo tình hình sản xuất ethanoltrong nước đáp ứng nhu cầu đến mức nào

Sản xuất nhiên liệu sinh học ở Việt Nam cũng được nhiều đối tác nướcngoài rất quan tâm Đáng chú ý trong số này là các Dự án JICA - Nhật bản hỗ trợ

Việt Nam nghiên cứu sản xuất nhiên liệu sinh học sử dụng các loại phế phẩm bãmía, rơm rạ; dự án do Chính phủ Hà Lan tài trợ sử dụng trấu, vỏ cà phê, trái điều,

vỏ điều, rong biển; chương trình tổng thể về nghiên cứu và phát triển nhiên liệu sinhhọc ở Việt Nam của Hàn Quốc sản xuất diesel sinh học và các hóa chất tinh khiếtthân thiện với môi trường từ dầu thực vật v.v…

Gần đây, nhiều dự án xây dựng nhà máy sản xuất bio-ethanol được khởiđộng với mục tiêu đáp ứng tỉ lệ pha ethanol bắt buộc là 5% trong giai đoạn năm

2012 đến năm 2014 và 10% cho giai đoạn từ năm 2015 đến năm 2025 Chẳng hạn

dự án đầu tư xây dựng nhà máy sản xuất bio-ethanol khu vực phía Bắc do công ty

cổ phần hóa dầu và nhiên liệu sinh học dầu khí (PVB) thuộc petrovietnam làm chủđầu tư Dự án xây dựng tập trung ở miền Trung gần khu công nghiệp Dung Quất(Đồng Xanh, Petrosetco) Dự án bio-ethanol ở Bình Phước cũng đang phát triển(20/3/2010 chính thức khởi công xây dựng tại xã Minh Hưng, huyện Bù Đăng, tỉnhBình Phước) Các nhà máy nói trên đều sử dụng sắn lát là nguồn nguyên liệu chính

Hình 1.8: Hình ảnh về một nhà máy sản xuất bio-ethanol

Bảng tóm tắt các dự án xây dựng Nhà máy ethanol nhiên liệu tại Việt Nam như sau[4]:

Bảng 1.4: Các dự án xây dựng nhà máy bio-ethanol

Tên nhà máy Công suất Ngày hoạt

động dự kiến

Chủ đầu tư Tiến độ

Nhà máy Đại Tân,

Quảng Nam

100Triệu lít/năm Tháng 3/2009

Công ty Đồng

Công ty PVB,thuộc PV OIL

Đã động thổkhởi công kýhợp đồng EPC

Nhà máy Dung

Quất

100Triệu lít/năm Tháng 7/2011

Petrosetco,NMLD BìnhSơn thuộcPetrovietnam

Đã động thổkhởi công kýhợp đồng EPC

Nhà máy Bình

Phước Triệu lít/năm100 Tháng 7/2011

Liên doanhITOCHU Nhậtbản và PV OIL

Dự kiến quý Inăm 2010 kýhợp đồng EPC

và khởi công

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIOETHANOL2.1 So sánh hiệu quả các công nghệ sản xuất bio-ethanol khác nhau trên thế giới

Sử dụng enzyme thủy phân và vi sinh vật có khả năng thủy phân tinh bột(quá trình hồ hoá) và chuyển hóa hồ tinh bột thành đường (quá trình đường hóa) sau

đó là chuyển hóa đường thành bio-ethanol (quá trình lên men), đây là các bướcchính của công nghệ sản xuất bioethanol chung Bản chất của việc so sánh ở đây

chính là so sánh về chi phí vận hành, hiệu quả chung của quá trình, giá thành của

thiết bị và công nghệ, chất lượng sản phẩm.

Với quy trình chung như thế thì có rất nhiều công nghệ được chào hàng như

Tomsa, Delta-T, Praj, Montz, Changhae, Technip….tuy nhiên khi so sánh hiệu quả

của các công nghệ khác nhau trong quá trình sản xuất Ethanol thì đối với một quátrình sản xuất, sự tiêu thụ năng lượng và nguyên liệu ban đầu là hai yếu tố quantrọng nhất Điều đó có nghĩa là giảm chi phí đầu tư nhưng phải bảo đảm hiệu quảcủa quá trình và chất lượng sản phẩm

Khi tiếp thị các công nghệ thì các nhà chào hàng sẽ đưa ra các bản tóm tắtđánh giá về năng lượng điện, nước, hơi nước, lưu lượng nguyên liệu, enzyme, tiêuthụ Thật khó để phân biệt sự khác nhau giữa chúng Ví dụ với công nghệ Changhaethì sự tiêu thụ nước của quá trình là 82km3/j Nhưng với Tomsa thì sự tiêu thụ này

là 1.8km3/j Bù lại Changhae chỉ tiêu thụ 10MW điện/j còn Tomsa thì 112MW/j [11].Tuy nhiên trong số các công nghệ đưa ra thì người ta nhận thấy rằng công nghệPRAJ (Ấn Độ-Hàn Quốc) tiêu thụ ít năng lượng và nguyên liệu ban đầu hơn cả

Mặc dù chi phí năng lượng, nguyên liệu là khác nhau nhưng hiệu quả của nó và chất lượng sản phẩm là tương đương nhau, như trong bảng1.5 và 1.6 dưới đây Hiệu suất của quá trình sản xuất theo công nghệ là 88% đến 90% (Bảng 2.3), sản phẩm ethanol thu được theo quy định của tiêu chuẩn chất lượng trong thế giới ngày nay Bảng 2.4 cho thấy chất lượng của các sản phẩm từ quá trình sản xuất ethanol sinh học từ sắn của công nghệ Chúng ta có thể thấy rằng

sự khác biệt trong chất lượng các sản phẩm sản xuất từ công nghệ là không đáng kể

 Một vài bảng số liệu cụ thể được đưa ra để tham khảo: [11]

Bảng 2.1 So sánh các công nghệ Praj, Technip, Changhae

SO SÁNH CÔNG NGHỆ PRAJ-CHANGHAE-TECHNIP Tiêu

Quá trình lên men liên tục liên tục liên tục Hiệu suất lên men 91% 91.60% Hiệu suất chưng cất 99%

Hiệu suất chung cả quy trình 90%

Quá trình chưng cất chân không, liên tục

Chất lượng nước thải COD: 30-50 kg/m 3

►Cho quá trình lên men 3658 tấn/ngày (max).

►Cho quá trình chưng cất 540 tấn/ngày 333.4 kL/ngày (max)

►Cho quá trình tách nước 165 tấn/ngày

Nước quá trình 1850-1900 m 3 /ngày 11000 m 3 /ngày (max) 1286 m 3 /ngày ►Cho phân xưởng lên men 2958 m 3 /ngày (max)

►Cho phân xưởng tái sinh

hơi nước 610 m 3 /ngày (max)

►Cho các quá trình khác 350-400 m 3 /ngày 7432 m 3 /ngày (max)

Tái sinh nước làm mát 2500-3000

m 3 /ngày, T=30oC, P=2kg/cm 3

71000 m 3 /day (max) ►Cho phân xưởng lên men 46000 m 3 /ngày (max)

►Cho phân xưởng chưng cất 25000 m 3 /ngày (max)

Nguồn điện sử dụng

380V, 50Hz, 3 pha 380V, 60Hz, 3 pha Máy nén khí

►Công suất 45 Nm3/phút

►Nhiệt độ làm việc Nhiệt độ thường

►Áp suất làm việc 7 bar (g)

tấn/ngày ►Hàm lượng ẩm 12 % (max)

CO2 hóa lỏng có (nếu yêu cầu) có 6000 kg/h

Quá trình lên men

►Nhiệt độ lên men 32 o C

►Thời gian lên men 60h 64h

Quá trình chưng cất 2 tháp 2 tháp 1 tháp ►Mash column P = P vacuum P = P khi quyen

►Rectification column P = P khi quyen P = 2 bar (bottom)

Quá trình tách nước Rây phân tử Rây phân tử Màng lọc

2 tháp làm việc liên tục 2 tháp làm việc liên tục

Thiết bị nấu 3 thiết bị (30 m 3 ) 1 thiết bị (160 m 3 )

Thiết bị dịch hóa 1 thiết bị (170 m 3 ) 1 thiết bị (400 m 3 )

Thiết bị lên men 6 thiết bị (1800 m 3 ) 11 thiết bị (1300 m 3 )

Mash column 1 tháp 1 tháp

Mash - Condenser

2 thiết bị (ống chùm) 2 thiết bị (ống chùm) Mash - Reboiler 2+1 thiết bị (ống chùm) 1 thiết bị (ống chùm)

Thiết bị TĐN ống chùm

Thùng chứa Thin slops 1 thiết bị (90 m 3 ) không có

Bơm chân không 1+1 thiết bị 2 thiết bị

Các loại bơm khác 9+9 thiết bị 10 thiết bị

Ngoài ra còn có thể khảo sát các công nghệ khác như Montz và Tomsa:

Bảng 2.2 Các thông số năng lượng và enzyme của các công nghệ

Năng suất (tonne/j) 300 kt/j

Sắn khô (tonne/j) 713 756 756 748.8 751.2 Hàm lượng tinh bột (w/w %) 73 65 65 70 65 Hàm lượng rượu (v/v %) 99.6 99.7 99.8 99.8 99.8 Hiệu suất thủy phân (%) 98

Hiệu suất lên men (%) 91 92

Hiệu suất chưng cất (%) 99 99.6

Hiệu suất quá trình tách nước (%) 99.9

Hiệu suất chung (%) 90 88 88 89.71 88.9

Bảng 2.4 Chất lượng sản phẩm theo các công nghệ

Sản phẩm Thông số Giá trị

Rượu

Nồng độ (% v/v) 99.6 Màu sắc Claire Lượng acid (ppm) 30 Méthanol (ppm) 5000 Nước (% v/v) 0.3 Thành phần khác (% v/v) 2 Ion Chlore (mg/100ml) 40 Hàm lượng Cu (mg/kg) 0.07

Conductivité (µS/cm) 500 Biogaz

Sản xuất (m 3 /jour) 31525

CH 4 tinh khiết (% v/v) 60 DDGS

Sản xuất (m 3 /jour) 31525

Độ ẩm (% v/v) 60

2.2 Phân tích các công nghệ và lựa chọn công nghệ thích hợp

Bất kì công nghệ nào cũng gồm các giai đoạn chung sau:

Giai đoạn đầu tiên

- Làm sạch và nghiền sắn khô

- Dịch hóa

- Đường hóa và men hóa

- Thu hồi CO2

Giai đoạn thứ hai

Yêu cầu nguyên liệu:

Sắn được chọn bao gồm tối thiểu 65%w/w tinh bột, tối đa vi khuẩn 10cfm/gm, tốithiểu 2%w/w đất, 10%w/w vỏ cây

Quá trình:

 Công nghệ PRAJ :

Hình 2.1 Quy trình làm sạch và nghiền khô của công nghệ PRAJ

Quá trình xử lí ban đầu được thực hiện nhờ hệ thống băng chuyền (để vậnchuyển); các lưới lọc để lọc sơ bộ các rác có kích thước lớn, hệ thống nam châmtĩnh để hút các bụi kim loại trong kim loại Đặc biệt với PRAJ sử dụng một hệthống cyclone ba tầng để loại bỏ các tạp chất rắn (cát, bụi, đất, đá…) nhờ vào lực litâm mạnh Hệ thống này đem lại hiệu quả tốt cho quá trình làm sạch, thiết bị làmviệc đơn giản đồng thời chi phí cho hệ thống này so với hệ thống làm sạch của cáccông nghệ khác là rẻ hơn rất nhiều

Hình 2.2 Hệ thống cyclone ba bậc của công nghệ PRAJ

Hình 2.3 Nam châm tĩnh tách các hạt kim loại của công nghệ PRAJ

 Các công nghệ khác (Tomsa, Technip, Montz, Changhae)

Quy trình công nghệ tương đối giống Praj nhưng thay vì hệ thống cyclonenhư Praj thì đối với công nghệ của Montz thì người ta sử dụng một thiết bị tách đất

đá hoặc với công nghệ Technip thì người ta dung sàn rung hai tầng

Sau đó sử dụng một nam châm tĩnh từ để tách các hạt kim loại Và để kiểm soát bụitrong quá trình này, chúng tôi sử dụng hệ thống điều khiển hoặc thiết bị lọc

Hình 2.4 Thiết bị tách đất đá của Montz

Hình 2.5 Hệ thống sàn rung 2 tầng của Technip

Hình 2.6 Hệ thống nam châm tĩnh của các công nghệ khác

Nói chung, về mặt chất lượng của quá trình làm sạch và nghiền sắn khô thìcác công nghệ không sai khác nhau là mấy nhưng công nghệ Praj chi phí thấp hơn

và đơn giản hơn

 Dịch hóa

Quá trình dịch hóa của các công nghệ theo hai phương pháp chính:

- Phương pháp đầu tiên sử dụng hai thiết bị phản ứng hoạt động song songnâng nhiệt độ dung dịch lên 85oC (đối với công nghệ Tomsa, Montz,

Changhae).

Hình 2.7 Sơ đồ dịch hóa của công nghệ Montz

- Phương pháp thứ hai, nguyên liệu được đun nóng đến 105-110oC, và sau

đó làm lạnh về 850C (đối với công nghệ Technip, Praj).

Mục đích của quá trình này là để phá vỡ cấu trúc tinh bột, tạo cấu trúc hạtnhỏ hơn, dễ hòa tan vào trong nước, có thể đạt hiệu quả thủy phân nhờ vào enzymdịch hóa Ngoài ra còn để khử trùng trước khi lên men (giảm lượng vi khuẩn đểtránh được vấn đề ô nhiễm vi khuẩn trong quá trình lên men)

Nhận xét

Căn cứ vào chi phí hoạt động, vào những điểm mạnh và điểm yếu của các côngnghệ này, chúng ta có thể kết luận rằng phương pháp thứ hai (Technip, Praj) có lợithế hơn so với phương pháp đầu tiên (Toms, Montz, Changhae) Do Praj sử dụng

thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm sẽ đạt hiệu quả cao hơn do sự truyền nhiệt giữa các

lá dễ dàng hơn, đồng thời tiết kiệm nhiều năng lượng

Hình 2.8 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tâm của công nghệ Praj

 Lên men

- Mục đích quá trình lên men là chuyển đổi các loại đường lên men (dextrose)

để sản xuất ethanol bằng cách thủy phân tinh bột sắn với sự có mặt của nấm men

- Theo các công nghệ đã khảo sát thì có hai phương pháp lên men chính sau :

 Phương pháp thứ nhất (Technip, Praj, Montz, Changhae) :

Phân xưởng lên men hoạt động với hai thiết bị lên men sơ bộ đầu là bán liên tục,còn cụm ba thiết bị lên men tiếp theo là hoạt động liên tục Quá trình lên men thực

tế qua ba giai đoạn : chuẩn bị nấm men với số lượng đủ lớn cho quá trình, lên men

sơ bộ, lên men chính Tổng thời gian của quá trình lên men khoảng 48h Bể lên mencuối cùng được sử dụng như một bể đệm giữa quá trình lên men và chưng cất.Trước quá trình lên men các bể được làm sạch và khử trùng bằng CIP, bảo đảm sựsống cho men; CO2 sau khi thu hồi rượu sẽ được sử dụng tùy theo mục đích nhà sảnxuất

- Ưu điểm của quá trình lên men gián đoạn là bể lên men có thời gian để trống

và làm sạch (khử trùng) trong hệ thống làm sạch CIP, vì vậy nguy cơ nhiễm khuẩncho men là rất hạn chế

- Trong công nghệ Montz, người ta sử dụng Jacket-cooling để giảm thời giancho quá trình

Hình 2.10 Sơ đồ hệ thống làm sạch CIP Hình 2.9 Thiết bị Jacket-cooling của công nghệ Montz

 Phương pháp thứ hai (Tomsa):

Là một quá trình lên men liên tục kiểu VAT

Hình 2.11 Thiết bị lên men kiểu VAT của công nghệ Tomsa

2.2.2 Giai đoạn 2: Chưng cất và tách nước

Hệ thống chưng cất và tách nước của các công nghệ khảo sát là hầu nhưkhông khác nhau nên ta sẽ xem xét chung quá trình cho tất cả công nghệ

Để có thể sử dụng ethanol làm nhiên liệu nước phải được loại bỏ Phần lớn nướcđược loại bỏ bằng quá trình chưng cất, nhưng độ tinh khiết bị giới hạn khoảng 95-96%v/v do điểm đẳng phí của hỗn hợp nước và ethanol Cụm công nghệ chưng cấthoạt động với 3 tháp chính: tháp chưng cất sơ bộ, tháp tách khí (làm việc ở áp suấtchân không) và tháp chưng cất tinh (hoạt động ở áp suất nhất định) Ngoài ra, cụmcông nghệ còn có hệ thống trao đổi nhiệt làm nhiệm vụ gia nhiệt cho các dòngnguyên liệu, làm mát sản phẩm, ngưng tụ sản phẩm đỉnh, đun sôi đáy tháp hoặc traođổi nhiệt giữa các dòng công nghệ Một hệ thống bơm tăng cường, duy trì áp chocác dòng công nghệ, nước làm mát và cụm thiết bị duy trì áp suất chân không chotháp chưng cất sơ bộ, tháp tách khí Quá trình chưng cất cho sản phẩm có thànhphần ethanol đạt 93.8% khối lượng Cuối cùng, ethanol 93.8% khối lượng sẽ đượctách triệt để nước bằng công nghệ hấp phụ, sau khi qua giai đoạn biến tính ta sẽ thuđược sản phẩm cuối là ethanol 99.8% thể tích

2.2.3 Nhận xét chung

Dựa trên sự so sánh như đã trình bày, về chi phí vận hành, hiệu quả tổng thể của quá trình, công nghệ quá trình và kiểm tra chi tiết các thiết bị sử dụng trong quá trình công nghệ sản xuất, nhìn chung các công nghệ đều có quy trình như nhau, chất lượng sản phẩm mang lại hầu như không sai khác mấy nhưng riêng công nghệ Praj đã có những ưu điểm hơn về chi phí (thấp) lẫn thao tác điều khiển

thiết bị (đơn giản hơn), vì vậy chúng ta có thể kết luận rằng công nghệ thích hợp là