THIẾT kế sơ bộ THIẾT bị PHẢN ỨNG DAO ĐỘNG DÒNG CHO QUÁ TRÌNH TỔNG hợp BIODIESEL từ dầu JATROPHA

Ngày nay, trong tiến trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, công nghiệp năng lượng đã trở thành một ngành sản xuất mũi nhọn và đóng vai trò không thể thay thế trong nền kinh tế, trong đó sản xuất nhiên liệu là một lĩnh vực sản xuất quan trọng. Tuy vậy trong điều kiện các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt, sản lượng khai thác giảm đòi hỏi phải có những nguồn năng lượng mới, giảm sự phụ thuộc và tiến tới thay thế cho năng lượng hóa thạch. Nhiên liệu sinh học nói chung và biodiesel nói riêng đang ngày càng thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học do thân thiện với môi trường. Do đó việc nghiên cứu phát triển nguồn nhiên liệu sinh học có ý nghĩa hết sức to lớn đối với vấn đề an ninh năng lượng thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Với yêu cầu đó, việc nghiên cứu xây dựng quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học đang được chú trọng. Một trong những vấn đề được quan tâm là việc nghiên cứu thiết bị phản ứng. Trải qua một thời gian dài nghiên cứu trên thế giới, thiết bị phản ứng dao động dòng liên tục dạng vách ngăn đã thể hiện những ưu điểm vượt trội so với những loại thiết bị phản ứng truyền thống. Tuy nhiên ở Việt Nam việc thiết kế, nghiên cứu thiết bị này mới ở bước đầu tìm hiều. Chính vì vậy thông qua đồ án “Thiết kế sơ bộ thiết bị phản ứng dao động dòng cho quá trình tổng hợp biodiesel từ dầu jatropha”, những lý thuyết ban đầu về thiết bị phản ứng dao động dòng liên tục dạng vách ngăn sẽ được làm rõ cùng với một quy trình thiết kế khoa học. Vì đây là một vấn đề mới được nghiên cứu ở nước ta nên trong quá trình nghiên cứu không thể tránh khỏi những thiếu sót, do đó rất mong được sự góp ý phê bình từ phía quý thầy cô và các bạn sinh viên để nội dung đồ án được hoàn thiện hơn.  

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN XUÂN TÙNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ SƠ BỘ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG DAO ĐỘNG DÒNG CHO QUÁ

TRÌNH TỔNG HỢP BIODIESEL TỪ DẦU JATROPHA

Th.s Hồ Văn Sơn

HÀ NỘI – 6/2014

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện nội dung yêu cầu của đồ án tốt nghiệp, được sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn và được sự tạo điều kiện từ phía nhà trường, bộ môn giúp tôi có một quá trình nghiên cứu, tìm hiểu và học tập nghiêm túc để hoàn thành

đồ án Kết quả thu được không chỉ do nỗ lực của cá nhân mà còn có sự giúp đỡ của quý thầy cô, gia đình và các bạn, không chỉ được đúc kết trong thời gian làm đồ án mà đó còn là sự tổng hợp từ toàn bộ những kiến thức, kỹ năng sau 5 năm học tập tại nhà trường Tôi xin chân thành cảm ơn :

 Ban giám hiệu nhà trường, ban chủ nhiệm khoa Dầu khí, bộ môn Lọc-Hóa dầu, Trường đại học Mỏ-Địa chất, giảng viên Th.s Hồ Văn Sơn cùng toàn thể các giảng viên trong bộ môn đã hướng dẫn tạo mọi điều kiện về kiến thức chuyên ngành và tài liệu giúp tôi hoàn thành đồ án này Cảm ơn sự tâm huyết trong giảng dạy của thầy cô

đã giúp tôi hoàn thiện bản thân, nâng cao kỹ năng và kiến thức sau thời gian học tập tại trường

 Gia đình đã tạo điều kiện tốt nhất về vật chất và tinh thần để hoàn thành nhiệm vụ học tập

 Toàn thể các bạn sinh viên trong lớp Lọc- Hóa dầu B-K54 đã giúp đỡ, trao đổi tài liệu và thông tin trong quá trình thực hiện đồ án

Trong quá trình thực hiện và trình bày đồ án không thể tránh khỏi những sai sót và hạn chế, do vậy tôi rất mong được sự góp ý, nhận xét, phê bình của quý thầy cô và các bạn sinh viên

Hà Nội, tháng 6/2014 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Xuân Tùng

Mục lục

LỜI CẢM ƠN 1

Mục lục 2

DANH MỤC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT 5

DANH MỤC BẢNG 7

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU BIODIESEL 10

1.1 Khái niệm 10

1.2 Giới thiệu về lịch sử của biodiesel 10

1.3 Ưu thế của nhiên liệu biodiesel 13

1.3.1 Về nguồn nguyên liệu 13

1.3.2 Về công nghệ 13

1.3.3 Về môi trường và sức khỏe 14

1.3.4 Về kinh tế và xã hội 15

1.4 Nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel 15

1.4.1 Phân loại 15

1.4.2 Các phương pháp chiết xuất dầu nguyên liệu thô 16

1.5 Các công nghệ sản xuất Biodiesel 17

1.5.1 Nhiệt phân hoặc cracking xúc tác 17

1.5.2 Este hóa 18

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU DẦU JATROPHA VÀ BIODIESEL TỪ JATROPHA 19

1.1 Giới thiệu về cây Jatropha 19

1.2 Tính chất của dầu Jatropha 22

1.3 Quá trình chế biến hóa học từ dầu Jatropha thành biodiesel 23

1.4 Quy trình sản xuất biodiesel từ dầu jatropha bằng quá trình este hóa 24

CHƯƠNG 3 TÌM HIỂU THIẾT BỊ PHẢN ỨNG DAO ĐỘNG DÒNG LIÊN TỤC DẠNG VÁCH NGĂN VÀ CƠ SỞ THIẾT KẾ CỦA THIẾT BỊ 28

3.1 Các khái niệm chính 28

3.2 Cấu tạo thiết bị phản ứng dao động dòng liên tục dạng vách ngăn 28

3.3 Lịch sử ra đời và phát triển của thiết bị phản ứng dao động liên tục 29

3.4 Dòng chảy dao động 31

3.4.1 Các chuẩn số hình học của dòng chảy dao động 32

3.4.2 Các thông số hình học 35

3.5 Ưu điểm của thiết bị phản ứng dao động dòng liên tục dạng vách ngăn 38

3.5.1 Tăng hiệu quả truyền khối 38

3.5.2 Tăng hiệu quả truyền nhiệt 38

3.5.3 Các ưu điểm khác 39

3.6 Cơ sở thiết kế thiết bị phản ứng dao động liên tục dạng vách ngăn 40

3.6.1 Điều kiện hoạt động 40

3.6.2 Các thông số cơ sở để thiết kế 41

3.6.3 Cấu hình ống 42

3.6.4 Yêu cầu năng lượng 42

3.6.5 Quy trình thiết kế 44

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ SƠ BỘ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG DAO ĐỘNG DÒNG LIÊN TỤC DẠNG VÁCH NGĂN CHO QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT BIODIESEL TỪ DẦU HẠT JATROPHA 48

4.1 Điều kiện thiết kế 48

4.1.1 Các giả thiết 48

4.1.2 Các thông số ban đầu 50

4.2 Tính toán sơ bộ 52

4.3 Kiểm tra, đánh giá 55

4.4 Cấu hình thiết bị 59

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61

Danh mục tài liệu tham khảo 62

DANH MỤC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT

Ren Chuẩn số Reynolds của dòng chảy chính

Reo Chuẩn số Reynolds của dòng chảy dao động

∆P Tổn thất áp suất N/m2

n Số đoạn uốn của ống thiết bị

PFR Thiết bị phản ứng dòng liên tục

DANH MỤC BẢNG

STT SỐ HIỆU

2 Bảng 2-2 Thành phần axit béo của dầu Jatropha 23

2 Bảng 4-1 Tính chất vật lý của dầu Jatropha nguyên liệu 49

3 Bảng 4-2 Tính chất vật lý của methanol 99,8 % 49

4 Bảng 4-3

Các thông số độ nhớt, khối lượng riêng của các thành phần nguyên liệu tham gia phản ứng este hóa ở 60oC

50

5 Bảng 4-4 Yêu cầu về thời gian lưu và nhiệt độ phản ứng

đối với các phương pháp este hóa 51

6 Bảng 4-5 Kết quả tính toán theo các giá trị kích thước

10 Bảng 4-9 Kết quả thiết kế sơ bộ thiết bị COBR cho quá

trình sản xuất biodiesel từ dầu Jatropha 60

4 Hình 2-3 Quy trình sản suất biodiesel từ dầu Jatropha 25

5 Hình 3-1 Sơ đồ cấu tạo của thiết bị phản ứng dao động

dòng liên tục dạng vách ngăn đơn giản 28

6 Hình 3-2 Cấu tạo thiết bị COBR trong thực tế 29

7 Hình 3-3 Cơ chế khuấy trộn của dòng chảy dao động 31

9 Hình 3-5 Dòng chảy dao động trong vách ngăn 33

10 Hình 3-6 Đồ thị biên độ, vận tốc, gia tốc dao động với ω

= 0,62 rad/s, f = 0,1 Hz, xo = 0,5 mm 34

11 Hình 3-7 Hiệu quả truyền nhiệt của thiết bị COBR 39

12 Hình 3-8 Ảnh hưởng của tỷ số vận tốc tời thời gian lưu 40

13 Hình 3-9 Thuật toán thiết kế thiết bị phản ứng dao động

MỞ ĐẦU

Ngày nay, trong tiến trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, công nghiệp năng lượng đã trở thành một ngành sản xuất mũi nhọn và đóng vai trò không thể thay thế trong nền kinh tế, trong đó sản xuất nhiên liệu là một lĩnh vực sản xuất quan trọng Tuy vậy trong điều kiện các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt, sản lượng khai thác giảm đòi hỏi phải có những nguồn năng lượng mới, giảm sự phụ thuộc và tiến tới thay thế cho năng lượng hóa thạch Nhiên liệu sinh học nói chung và biodiesel nói riêng đang ngày càng thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học do thân thiện với môi trường Do đó việc nghiên cứu phát triển nguồn nhiên liệu sinh học có ý nghĩa hết sức to lớn đối với vấn đề an ninh năng lượng thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng Với yêu cầu đó, việc nghiên cứu xây dựng quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học đang được chú trọng Một trong những vấn đề được quan tâm là việc nghiên cứu thiết bị phản ứng Trải qua một thời gian dài nghiên cứu trên thế giới, thiết bị phản ứng dao động dòng liên tục dạng vách ngăn đã thể hiện những ưu điểm vượt trội so với những loại thiết bị phản ứng truyền thống Tuy nhiên ở Việt Nam việc thiết kế, nghiên cứu thiết bị này mới

ở bước đầu tìm hiều Chính vì vậy thông qua đồ án “Thiết kế sơ bộ thiết bị phản ứng dao động dòng cho quá trình tổng hợp biodiesel từ dầu jatropha”, những lý thuyết ban đầu

về thiết bị phản ứng dao động dòng liên tục dạng vách ngăn sẽ được làm rõ cùng với một quy trình thiết kế khoa học Vì đây là một vấn đề mới được nghiên cứu ở nước ta nên trong quá trình nghiên cứu không thể tránh khỏi những thiếu sót, do đó rất mong được

sự góp ý phê bình từ phía quý thầy cô và các bạn sinh viên để nội dung đồ án được hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU BIODIESEL 1.1 Khái niệm

Diesel sinh học (biodiesel) là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật hay

mỡ động vật Diesel sinh học nói riêng, hay nhiên liệu sinh học nói chung, là một loại năng lượng tái tạo Nhìn theo phương diện hoá học thì diesel sinh học là methyl este của những axit béo

1.2 Giới thiệu về lịch sử của biodiesel

Để phù hợp với các tiêu chuẩn an toàn môi trường, giảm bớt sự phụ thuộc và thay thế nhiên liệu diesel truyền thống, hiểu biết về lịch sử và quá trình sản xuất biodiesel là thực sự cần thiết Một phần do người tiêu dùng có thói quen sử dụng nhiên liệu diesel truyền thống hơn là các loại nhiên liệu “xanh” vì giá rẻ hơn, mặt khác là một công nghệ mới khó khăn hơn để cạnh tranh với một công nghệ đã đạt tiêu chuẩn xã hội Tuy nhiên trong thời gian gần đây ngày càng có nhiều công nghệ sản xuất diesel mới được phát triển và ngày càng được cải thiện, giá thành hạ do tiềm năng thị trường được mở rộng trong điều kiện giá dầu thô tăng, nguồn nhiên liệu hóa thạch sụt giảm Biodiesel trong tương lại sẽ trở thành nhiên liệu "huyết mạch" của nền kinh tế

Ngay từ năm 1853, phương pháp ester hóa dầu thực vật được áp dụng để sản xuất glycerine giá rẻ dùng trong sản xuất thuốc nổ sử dụng trong chiến tranh thế giới thứ II bởi E Duffy và J Patrick Năm 1937, G Chavanne, nhà khoa học Bỉ được cấp bằng sáng chế cho nghiên cứu "Quá trình chuyển hóa dầu thực vật để sử dụng như nhiên liệu" Khái niệm “Diesel sinh học”xuất hiện từ đó Đó là một quá trình đơn giản chuyển hóa nhóm alkoxy của hợp chất este (dầu hoặc mỡ) được trao đổi với gốc rượu Tuy nhiên, phải đến năm 1977 bằng sáng chế đầu tiên về quá trình sản xuất dầu diesel sinh học được

áp dụng vào thương mại được cấp cho Expedito Parente, một nhà khoa học Brazil [9]

Trước khi nhiên liệu hóa thạch được phát hiện và bùng nổ trên thị trường, năng lượng chủ yếu được tạo ra từ hơi nước Tuy nhiên, việc sử dụng lọai năng lượng này kém hiệu quả do cần sử dụng thêm chất đốt, hiệu suất chỉ đạt từ 10-12% Bằng sáng chế

về động cơ sử dụng dầu lạc được phát minh bởi Rudolph Diesel vào năm 1892 tại Đức

Năm 1983, phát minh của Diesel được trình bày tại triển lãm Paris Trong vòng 5 năm sau khi thực hiện sáng chế này, động cơ của Diesel đạt hiệu suất 75% so với mức 26% ban đầu Vào năm 1912, Diesel cho ra đời 2 bài viết, trong đó ông viết: “Thực tế cho thấy các loại dầu từ thực vật không có ý nghĩa đáng kể trong giai đoạn hiện nay, nhưng trong tương lai, tầm quan trọng của nó không kém gì so với dầu mỏ và than bây giờ Trong bất cứ trường hợp nào, những loại nhiên liệu này đảm bảo chắc chắn rằng khi nào năng lượng cho máy móc vẫn được sản sinh từ nguồn năng lượng vô tận của mặt trời, thì vẫn còn đảm bảo cho các mục đích sử dụng trong nông nghiệp và các lĩnh vực khác,ngay cả trong trường hợp tất cả các nguồn nhiên liệu hóa thạch rắn và lỏng bị cạn kiệt” 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 (International Biodiesel Day) [11]

Nhu cầu sử dụng nhiên liệu sinh học bắt đầu tăng tại Mỹ từ năm 1910 đến năm

1920 Điều này được góp phần không nhỏ từ những thành tựu tiên phong công nghệ động cơ diesel của Adolphus Busch và Clessie L Cummins cùng với những nhà sản xuất động cơ khác Tuy nhiên ngành công nghiệp nhiên liệu sinh học phải đối mặt với thách thức lớn về giá và nguyên liệu Thật không may, tại cùng thời điểm đó, công nghiệp dầu khí đạt được nhiều tiến bộ vượt bậc về công nghệ giúp cải thiện các tính chất của dầu thô Việc tìm thấy nhiều mỏ dầu dẫn đến sự ra đời của thị trường dầu mỏ Bởi vậy vào năm 1940, động cơ diesel được cải tiến để có thể sử dụng nhiên liệu dầu mỏ có độ nhớt thấp hơn Doanh số của biodiesel bị sụt giảm và các nhà máy bị chìm vào quên lãng Mặc dù vậy không có một tác động đáng kể nào được tạo ra để thúc đẩy tiềm năng của loại nhiên liệu này Khoảng thời gian này thị trường tiêu thụ phương tiên vận tải được

mở rộng cùng với sự phát triển của công nghiệp dầu khí và cấu trúc hạ tầng giao thông [11]

Vào giai đoạn cuối của chiến tranh thế giới thứ II thị trường tiêu thụ và cung ứng nhiên liệu hóa thạch được kích thích bởi việc bắt đầu khai thác mỏ dầu khí Gulf tại Mexico và phát minh máy bay chiến đấu Tuy nhiên vào những năm 1970, dự đoán về trữ lượng nhiên liệu hóa thạch trở thành vấn đề đáng lưu tâm Trong năm 1973 và năm

1978, OPEC giảm nguồn cung dầu và tăng giá để đối phó với cuộc khủng hoảng dầu mỏ của thời điểm đó Điều này mở ra một cơ hội mới cho sự trở lại của nhiên liệu sinh học

trong sự quan tâm của cộng đồng Vì vậy, trong năm 1979, Nam Phi bắt đầu phát triển thương mại dầu diesel sinh học Dầu hướng dương được este hóa và để đạt tiêu chuẩn tương tự như dầu diesel thường Hệ quả là việc phát hiện ra những nguồn nguyên liệu mới, phát triển các công nghệ giúp cải thiện hiệu suất động cơ, giảm thiểu tác động tới môi trường Các kinh nghiệm được đúc kết từ quá khứ được sử dụng để cải thiện hiệu suất, giảm chi phí, quan tâm hơn tới vấn đề tiếp thị [13]

Quy trình sản xuất, chất lượng và kết quả thử nghiệm động cơ cho dầu diesel sinh học đã được hoàn thiện và công bố rộng rãi vào năm 1983 Công nghệ mang tên “The South African” được phát triển bởi Gaskoks, một công ty của Áo Gaskos thành lập nhà máy thí điểm đầu tiên để sản xuất dầu diesel sinh học vào năm 1987 Vào tháng 4 năm

1989, công ty xây dựng nhà máy quy mô thương mại đầu tiên sản xuất 20 triệu gallon mỗi năm (MGPY) Tuy nhiên trong thời gian này, diesel sinh học chỉ được sản xuất ở quy mô phi thương mại tại Hoa Kỳ Sự tăng trưởng trong sản xuất biodiesel ở châu Âu bắt đầu vào năm 1991 do yêu cầu giảm tác động môi trường từ khí thải khí nhà kính (GHG) Ba năm sau, dầu diesel sinh học lần đầu tiên được sản xuất thương mại tại Mỹ Đến năm 2000, Tổng công ty tín dụng hàng hóa bắt đầu trợ cấp sản phẩm nông nghiệp

có giá trị sản xuất dầu diesel sinh học Trong thập kỷ qua (2002-2012) đã gặt hái được những thành công chưa từng có trong việc sản xuất dầu diesel sinh học Ưu đãi từ các nhà hoạch định chính sách như miễn giảm thuế, các khoản tín dụng thuế và các tiêu chuẩn nhiên liệu về tái tạo hỗ trợ đắc lực cho sự phát triển của nhiên liệu sinh học nói chung và biodiesel nói riêng Tuy nhiên, một số đặc tính ưu việt của dầu diesel sinh học cũng góp phần vào sự tăng trưởng đáng kể đó [13]

Mối quan tâm về biodiesel tăng lên đòi hỏi cần thiết phải tìm một nhiên liệu diesel thay thế bền vững Điều này chủ yếu do các vấn đề môi trường, sự phụ thuộc vào vấn đề năng lượng cũng như vấn đề đột biến của giá cả Có nhiều lựa chọn để sản xuất biodiesel dựa trên các nguồn nguyên liệu và công nghệ khác nhau Việc lựa chọn một công nghệ

cụ thể phụ thuộc vào chất xúc tác và nguồn, chủng loại, chất lượng của nguyên liệu Các yếu tố khác bao gồm các khâu sau sản xuất như phân tách sản phẩm, tinh chế sản phẩm

và chất xúc tác, thu hồi ancol Yếu tố chi phối trong quá trình sản xuất là chi phí nguyên liệu trong khi chi phí vốn chỉ đóng góp khoảng 7% Do đó cần thiết phải giảm giá thành

nguyên liệu tiến tới giảm chi phí sản xuất chung Trong cùng một điều kiện, một số công nghệ được thiết kế để xử lý nhiều loại nguyên liệu khác nhau

1.3 Ưu thế của nhiên liệu biodiesel

Nhiên liệu thay thế được ưa chuộng vì có sẵn trong điều kiện thường, khả năng tái sinh, phát triển bền vững, khả năng phân hủy sinh học, giúp tạo thêm việc làm, phát triển sản xuất nông nghiệp và giảm tác động môi trường

1.3.1 Về nguồn nguyên liệu

Nhiều loại nguyên liệu đã được thử nghiệm trong sản xuất biodiesel, từ nguyên liệu truyền thống đến các loại nguyên liệu thải Nguyên liệu rẻ và sẵn có nhất là dầu ăn

và mỡ động vật đã qua sử dụng Những nỗ lực nghiên cứu này giúp giảm tác động liên quan đến môi trường cũng như giảm chi phí xử lý chất thải Một thành tựu đáng chú ý là việc sử dụng cây Jatropha – được xem như "cây phép lạ" ở nhiều nước đang phát triển

Có thể được trồng ở bất cứ nơi nào với yêu cầu nước và điều kiện chăm sóc tối thiểu, phù hợp với nông dân nghèo Năng suất cao được duy trì trong suốt vòng đời trung bình 30-50 năm Cây thầu dầu cũng được trồng xen với cây Jatropha để giúp duy trì khả năng kinh tế trong vòng 2 đến 3 năm đầu tiên Một loại cây có dầu khác dùng để cải tạo đất là

Pongamia pinnata có tác dụng cố định nitơ, cho hạt giống có hàm lượng dầu đáng kể

sử dụng nhiên liệu D2 Một bước đột phá quan trọng trong quá trình ester hóa là công nghệ Mcgyan, có thể sử dụng nhiều loại nguyên liệu giá rẻ, phi lương thực, chứa các axit béo tự do (FFAs) Quá trình này sử dụng xúc tác đồng thể, có thể cho sản phẩm trong thời gian 4 giây Axit béo dễ dàng được loại bỏ để đảm bảo không có chất thải được sản sinh ra từ quá trình, giúp loại bỏ chi phí làm sạch và các bước trung gian Để đạt độ chuyển hóa 100%, nguyên liệu không phản ứng và ancol dư thừa trở lại thiết bị phản

ứng Năng lượng được sử dụng hiệu quả thông qua cơ chế trao đổi nhiệt giữa nguyên liệu và sản phẩm

Hình 1-1 Công nghệ Mcgyan [11]

1.3.3 Về môi trường và sức khỏe

Theo báo cáo của Bộ nông nghiệp và Bộ năng lượng Mỹ, 78% lượng khí thải nhà kính đã được giảm nhờ sử dụng biodiesel Về cơ bản, biodiesel không chứa aromotic và

lưu huỳnh tự do, so sánh với diesel truyền thống chứa 20-40%wt aromatic và 500ppm S thì đây quả là một ưu điểm vượt trội về mặt môi trường Khả năng tạo khói của biodiesel nhỏ hơn 50% Ngoài ra các hợp chất sunfat và oxit sunfua gần như bị loại bỏ hoàn toàn, góp phần đáng kể vào việc kiềm chế hiệu ứng nhà kính Trung bình 22,5% lượng khói, 17,1% CO và 14% CO2 được giảm thiểu nhờ sử dụng loại nhiên liệu này Chất lượng không khí được cải thiện, đảm bảo sức khỏe cho con người

1.3.4 Về kinh tế và xã hội

Dầu diesel sinh học làm giảm sự phụ thuộc quá nhiều vào nhiên liệu hóa thạch Điều này giúp tăng cường an ninh năng lượng toàn cầu Nó cũng có khả năng để thay thế dầu thô nhập khẩu nếu được sản xuất trong nước, qua đó cung cấp thêm thị trường cho các sản phẩm nông nghiệp Nó hỗ trợ cộng đồng nông nghiệp, tạo thêm việc làm và bảo vệ, cải tạo tài nguyên đất Với lượng nhiên liệu sinh học đáp ứng 1% nhu cầu tiêu thụ nhiên liệu ô tô ở EU cũng đã giúp duy trì, tạo ra khoảng 75.000 việc làm Ước tính mỗi đơn vị năng lượng hóa thạch sử dụng trong quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học giúp tạo ra hơn 4,5 đơn vị năng lượng tái tạo

1.4 Nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel

Có hơn 350 loại cây có dầu đã được xác định có tiềm năng để sản xuất biodiesel Tuy nhiên chỉ có cây cọ, jatropha, cải dầu, đậu tương, hạt hướng dương, hạt bông, dầu cây rum, dầu phộng được coi là nguyên liệu có khả năng sản xuất thương mại

1.4.1 Phân loại

1.4.1.1 Nguồn nguyên liệu có thể làm thực phẩm

Tùy thuộc vào tính sẵn có, các loại dầu ăn thực vật khác nhau được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất biodiesel ở các nước khác nhau Dầu cọ và dầu dừa thường được

sử dụng ở Malaysia và Indonesia Dầu đậu nành được sử dụng ở Mỹ

1.4.1.2 Nguồn nguyên liệu không dùng làm thực phẩm

Để giảm chi phí sản xuất và đảm bảo an ninh lương thực, các loại dầu không dùng làm thực phẩm được sử dụng là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất biodiesel So với các loại dầu làm thực phẩm, loại dầu này có giá cả phải chăng và sẵn có hơn Chúng được thu từ hạt cây Jatropha, hạt cao su, hạt cây bông, hạt cọ, vi tảo… Nhiều nước châu

Âu sử dụng hạt cải dầu Trong chiến tranh thế giới thứ II, dầu từ hạt Jatropha đã được sử

dụng để pha trộn cùng và thay thế diesel Biodiesel sản xuất từ dầu cọ và dầu cây jatropha

có tính chất vật lý phù hợp, cùng với đó là mức độ oxy hóa và điểm đông đặc đạt mức cho phép Hầu hết các yêu cầu nghiêm ngặt theo quy định của tiêu chuẩn nhiên liệu sinh học Mỹ và châu Âu đối với biodiesel đã đạt được

1.4.2 Các phương pháp chiết xuất dầu nguyên liệu thô

1.4.2.1 Phương pháp cơ học

Phương pháp này được sử dụng bởi các nhà sản xuất nhỏ với công suất ít hơn 100.000 kg/ngày Thường sử dụng máy ép trục vít hoặc máy ép bằng tay với hiệu quả thu được 68-80% hoặc 60-65% lượng dầu ứng với từng trường hợp Trước khi ép nguyên liệu trải qua các bước tiền xử lý như loại vỏ (nếu có) giúp tăng lượng dầu đến 89%, và nấu chín giúp tăng lượng dầu đến 91% Tuy nhiên, hầu hết các máy ép cơ học được thiết

kế đặc trưng cho từng loại nguyên liệu (hạt) Ngoài ra còn có các bước xử lý sau ép như lọc và lắng [7]

1.4.2.2 Phương pháp hóa học

Các phương pháp chiết xuất hóa học bao gồm:

 Phương pháp chiết dung môi

 Phương pháp siêu âm

 Phương pháp chiết bằng nước nóng

Phương pháp chiết dung môi thường được sử dụng để xử lý hơn với công suất hơn 300.000 kg/ngày, sản lượng bị ảnh hưởng bởi kích thước hạt, loại dung môi và nồng độ, nhiệt độ và chất kích thích Để tăng sự tiếp xúc của dầu với dung môi, các hạt có dầu thường được làm giảm kích thước Sau khi chiết, hỗn hợp dầu-dung môi được lọc trong

và sử dụng nhiệt để làm bay hơi dung môi Hơi nước được thêm vào để loại bỏ các dung môi còn lẫn trong dầu Các tạp chất không trộn lẫn được vào dung môi và hơi nước được tách trong bể lắng sau quá trình ngưng tụ Dung môi chiết hiệu quả nhất là n-hexane Tuy nhiên, quá trình này đòi hỏi năng lượng cao hơn và thời gian dài hơn so với các phương pháp khác Hơn nữa việc sử dụng dung môi độc hại, nước thải và khí thải của các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi là những thách thức phải đối mặt với phương pháp này

1.4.2.3 Phương pháp tách bằng enzyme

Các hạt có dầu được giảm kích thước và dầu được chiết xuất bởi các enzyme thích hợp Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi không được sản sinh ra giúp phương pháp này thân thiện với môi trường khi so sánh với các phương pháp khác Tuy nhiên, nhược điểm của

nó là thời gian xử lý dài và chi phí cao của việc mua enzyme

1.5 Các công nghệ sản xuất Biodiesel

Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để khắc phục và giảm thiểu những hạn chế liên quan đến sản xuất biodiesel Các phương pháp được sử dụng để giảm độ nhớt của dầu thực vật để sử dụng cho động cơ đốt trong bao gồm: nhiệt phân, nhũ hóa, pha loãng

và ester hóa Pha loãng và nhũ hóa không phải là phương pháp sản xuất do đó không được đề cập đến trong nội dung này

1.5.1 Nhiệt phân hoặc cracking xúc tác

Nhiệt phân là quá trình phân hủy nhiệt của hợp chất hữu cơ trong điều kiện vắng mặt không khí, chất lỏng và chất rắn khác Sử dụng nhiệt hoặc kết hợp nhiệt và chất xúc tác để phá vỡ cấu trúc dầu thực vật hoặc mỡ động vật thành các thành phần nhỏ hơn Các thành phần olefin và parafin thu được có đặc tính tương tự như diesel Nghiên cứu về ảnh hưởng của kích thước hạt cải dầu cho thấy hàm lượng sản phẩm không phụ thuộc vào kích thước hạt Phạm vi nhiệt độ tối đa cho quá trình chuyển hóa thành biodiesel là 400°C đến 450°C Quá trình khử hơi của cellulose và hemicellulose xảy ra ở nhiệt độ này Tốc độ gia nhiệt và nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể sản lượng biodiesel, tro cặn và khí thải Độ nhớt, điểm chớp cháy, điểm đông đặc và nhiệt trị tương đương của sản phẩm thấp hơn so với nhiên liệu diesel thông thường Mặc dù sản phẩm từ nhiệt phân có trị số cetan cao hơn so với các phương pháp khác nhưng vẫn thấp hơn hơn so với dầu diesel Ngoài việc giảm độ nhớt của dầu nguyên liệu, phương pháp nhiệt phân có thể thực hiện trong điều kiện thiết bị tách rời khâu trong thời gian ngắn, dễ dàng về vị trí và quy mô, tạo ra sản phẩm sạch mà không cần các quá trình làm sạch, sấy khô hoặc lọc Sản phẩm nhiệt phân bao gồm các thành phần không đồng nhất như nước, tạp chất cơ học, lưu huỳnh, ankan, anken và axit cacboxylic Do đó, rất khó để mô tả nhiên liệu thu được Quá trình này thu nhiệt và chưng cất tốn kém Hơn nữa các thành phần lưu huỳnh và tro

có trong sản phẩm làm cho nó ít thân thiện với môi trường

1.5.2 Este hóa

Este hóa là quá trình được sử dụng rộng rãi nhất trong sản xuất biodiesel thương mại Dầu nguyên liệu được đun nóng đến nhiệt độ xác định cùng với ancol và chất xúc tác, từ đó sắp xếp lại cấu trúc hóa học của nó Quá trình này còn làm giảm độ nhớt của dầu và chất béo Để este hóa phân tử triglyceride (TG), cần có 3 phản ứng liên tục Trong các phản ứng này, các axit béo tự do được trung hoà bởi các TG từ ancol 1 mol glycerol

và 3 mol alkyl este được tạo ra (đối với mỗi mol của TG chuyển đổi) khi hoàn thành các giai đoạn phản ứng Sản phẩm phân thành ba lớp: glycerol ở dưới cùng, hỗn hợp xà phòng ở giữa, biodiesel ở lớp trên cùng Este hóa là một phản ứng thuận nghịch Để có được tỷ lệ chuyển đổi hợp lý đòi hỏi sự có mặt của chất xúc tác Các điều kiện phản ứng, nguyên liệu, giới hạn thành phần và các yêu cầu sau tách được xác định trước bởi bản chất của chất xúc tác

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU DẦU JATROPHA VÀ BIODIESEL TỪ

JATROPHA 1.1 Giới thiệu về cây Jatropha

Cây Jatropha curcas L., thuộc chi Jatropha, họ Thầu dầu Curcas là tên gọi thông thường của cây Physic nut ở Malabar, Ấn Độ Tên thông dụng của cây này ở các nước hiện nay là Jatropha, ở Việt Nam gọi là cây Cọc rào, Dầu mè

Jatropha là một loài cây có lịch sử 70 triệu năm, nguồn gốc từ Mexico (nơi duy nhất có hóa thạch của cây này) và Trung Mỹ, được người Bồ Đào Nha đưa qua Cape Verde, rồi lan truyền sang châu Phi, châu Á, sau đó được trồng ở nhiều nước, trở thành cây bản địa ở khắp các nước nhiệt đới, cận nhiệt đới trên toàn thế giới Hiện nay nhiều nước trên thế giới đang phát triển cây Jatropha để làm nguyên liệu sản xuất diesel sinh học hoặc làm xà phòng

Ý nghĩa lớn nhất của cây Jatropha là lấy hạt làm nguyên liệu sản xuất dầu diesel sinh học Hạt Jatropha có hàm lượng dầu từ 30% - 45% Diesel sinh học được sản xuất

từ nhiều loại nguyên liệu: cải dầu, hướng dương, đậu tương, dầu cọ, mỡ động vật , nhưng sản xuất từ hạt Jatropha vẫn có giá thành rẻ, chất lượng dầu tốt và không ảnh hưởng đến an ninh lương thực thế giới

Khi trồng 1 ha cây Jatropha trong điều kiện chăm sóc tốt sẽ đạt năng suất 8 -10 tấn hạt/ha/năm, có thể sản xuất được 3 tấn diesel sinh học Loại dầu này sẽ thay thế được một phần nhu cầu về dầu diesel truyền thống, giảm thiểu lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính, là loại dầu cháy hoan toàn và không có lưu huỳnh Đặc biệt hạt Jatropha không dùng để ép dầu ăn và cây có thể mọc trên những vùng đất khô cằn, cho nên giá thành sản xuất rẻ hơn so với các loại hạt có dầu truyền thống khác Hiện tại, trên thế giới dầu Jatropha đã được nghiên cứu chuyển hóa thành biodiesel sử dụng cho động cơ diesel

Hình 2-1: Cây và quả Jatropha [13]

Vấn đề sử dụng trực tiếp dầu Jatropha không qua quá trình este hóa mang lại nhiều lợi ích như: không phải đầu tư trang thiết bị và công nghệ lớn, thúc đẩy phát triển sản xuất nông nghiệp, phù hợp với mô hình phát triển kinh tế vừa và nhỏ Vì vậy, nghiên cứu sử dụng trực tiếp dầu Jatropha cho động cơ đốt trong là vấn đề cần thiết và có ý nghĩa lớn góp phần tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch, giảm thiểu hiệu ứng nhà kính, thân thiện với môi trường, tăng tính cạnh tranh trong nông nghiệp

Quả jatropha dạng hình trứng, lúc non có màu xanh, khi chín vỏ ngả màu vàng và

có các đường nứt chia quả thành 3 phần, bên trong quả có từ 3 - 4 hạt Hạt nhẵn, độ dài hạt khoảng 18 mm, chiều rộng khoảng 10 mm, trọng lượng 0,5 - 0,7 g/hạt Hạt Jatropha gồm 3 phần chính là vỏ, phôi và nội nhũ Vỏ hạt có màu đen, xám và rất giòn, cứng, cấu tạo chủ yếu từ xenluloza và hemixenluloza bám rất chắc với nhân có tác dụng bảo vệ phôi và nội nhũ tránh các tác động cơ học, hóa học, vi sinh vật, hoặc sâu bọ xâm nhập

làm hư hại hạt Khi ép hạt jatropha thì cần phải loại bỏ vỏ cứng, tuy nhiên điều đó mất rất nhiều thời gian, hơn nữa hiệu quả chưa chắc đã hơn khi để cả vỏ cứng Nghiên cứu

đã tiến hành thử nghiệm so sánh cho cả hai trường hợp ép hạt khi bóc vỏ cứng và khi không bóc vỏ cứng Nội nhũ còn gọi là nhân hạt, là phần có các mô chứa các chất dinh dưổng dự trữ cho phát triển của hạt khi nảy mầm và phát triển thành cây non So với các hạt có dầu khác thì hạt Jatropha có kích thước khá lớn, vì vậy khi sử dụng lực cơ học để

ép lấy dầu các tế bào chứa dầu trong mô rất dễ bị phá vỡ

Hình 2-2: Quả và hạt Jatropha [11]

Quá trình tạo thành dầu xảy ra khi hạt chín, các hợp chất vô cơ và hữu cơ trong thiên nhiên được chuyển vào hạt qua hiện tượng quang hợp của lá, chất dinh dưỡng trong đất chuyển qua rễ biến thành các chất dự trữ của hạt chủ yếu là tinh bột Khi hạt chín hàm lượng tinh bột giảm dần và hàm lượng dầu tăng Tách dầu từ hạt đạt hiệu quả cao nhất là khi hạt đã già, không bị lép hoặc sâu bệnh phá hoại và có độ ẩm phù hợp

Độ ẩm của hạt ảnh hưởng lớn đến chất lượng quá trình tách dầu từ hạt Nếu hạt quá khô khi ép nguyên liệu dễ bị vỡ vụn, hàm lượng dầu trong hạt ít Độ ẩm trong hạt cao khi ép hạt, khối hỗn hợp dễ bị chảy dẻo làm kín các lỗ sàng và tỷ lệ dầu còn lại trong

bã cao, mặt khác còn gây cản trở trong quá trình thoát bã khi ép Theo kinh nghiệm, độ

ẩm thích hợp nhất với hạt khi ép là 8 -12%

Nhiệt độ khối hỗn hợp trong quá trình ép có ảnh hưởng lớn tới năng suất dầu Do vậy có thể làm nóng hạt trước khi đưa vào ép hoặc làm nóng hỗn hợp bã và dầu trong buồng ép

Thành phần hóa học cơ bản của hạt Jatropha gồm: protein 18%; chất béo 38%; carbohydrates 17%; xellulo 15,5%; chất khoáng 5,3%, còn lại là nước

1.2 Tính chất của dầu Jatropha

Dầu jatropha có hàm lượng axit béo tự do tương đối cao so với dầu cọ, dầu nành

Do đó để ngăn ngừa sự xà phòng hóa xảy ra trong quá trình phản ứng este hóa người ta phải thực hiện trung hòa lượng axit béo này bằng cách sử dụng nhiệt kết hợp với xúc tác

Bảng 2- 2: Thành phần axit béo của dầu Jatropha [11]

1.3 Quá trình chế biến hóa học từ dầu Jatropha thành biodiesel

Để đạt được chất lượng thương mại cần phải thực hiện thêm quá trình este hóa Các axit béo có trong dầu được cho phản ứng với ancol để tạo thành este Xúc tác cho phản ứng có thể dùng axít hoặc kiềm Nhưng trong quá trình xúc tác đồng thể, xúc tác kiềm thúc đẩy phản ứng nhanh hơn xúc tác axít Trong những xúc tác kiềm, phổ biến nhất là NaOH, KOH và các ancolat tương ứng (CH3ONa, CH3OK).Tất cả các xúc tác này đều có thể giúp thu được biodiesel chất lượng cao Nhưng tùy thuộc vào công suất của nhà máy và những điều kiện cụ thể khác mà người ta lựa chọn Ở dạng thành phẩm, NaOH và KOH đều ở dạng hạt rắn Để tạo ra tác nhân xúc tác phản ứng là ion CH3O-, người ta phải hòa tan vào trong rượu CH3OH trước khi cho vào thiết bị phản ứng Quá trình hòa tan này tỏa nhiệt và rất nguy hiểm vì bản thân CH3OH và kiềm đều độc, nhất

là CH3OH Như vậy, ở những nhà máy sử dụng NaOH và KOH, phải mất thêm chi phí cho khâu chuẩn bị chất xúc tác cũng như các biện pháp xử lý an toàn Ở châu Âu và Mỹ, người ta dùng NaOH và KOH ở những nhà máy công suất thấp

Mặt khác, khi hòa tan NaOH, KOH với CH3OH, nước sinh ra theo phản ứng: NaOH + CH3OH→ CH3ONa + H2O

Nước gây thủy phân triglyceride và este tạo thành, làm giảm hiệu suất của quá trình đồng thời gây khó khăn thêm cho quá trình loại bỏ nước sau này

KOH có giá gấp đôi so với NaOH, nhưng KOH có lợi là hòa tan với CH3OH dễ dàng hơn NaOH và muối K2SO4 thu được trong quá trình làm sạch sản phẩm không tan,

có thể được dùng làm phân bón

Khác với NaOH và KOH, CH3ONa hoàn toàn không sinh ra nước CH3ONa thường dùng ở dạng hòa tan (25-30%) trong CH3OH do đó đã “sẵn sàng” cho phản ứng, không mất thêm chi phí cho việc chuẩn bị chất xúc tác Khi sử dụng xúc tác này, hiệu suất thu được biodiesel là cao nhất trong khi tiêu tốn ít xúc tác hơn so với NaOH và KOH Thêm vào đó, glycerol thu được tinh khiết hơn dẫn đến giảm chi phí cho quá trình làm sạch glyxerol

Do độ hấp thụ nước cao, CH3ONa thường được dùng trong trường hợp nguồn nguyên liệu chất lượng tốt (lượng nước và axít béo tự do nhỏ hơn 0,1%)

Mặc dù CH3ONa giá thành cao (gấp 2 lần KOH), nhưng những lợi ích của nó có thể bù đắp lại vấn đề này trong trường hợp công suất nhà máy lớn Trên thực tế, 2/3 nhà máy sản xuất biodiesel có công suất lớn ở Châu Âu và 70% biodiesel sản xuất tại Bắc

Mỹ sử dụng loại xúc tác này

Những nhà cung cấp công nghệ chính như Lurgi PSI, Desmet Ballestra và Crown Iron Works đều khuyến khích sử dụng CH3ONa Hai nhà cung cấp xúc tác CH3ONa và

CH3OK (ở dạng hòa tan trong CH3OH) chính là BASF và Degussa

Phản ứng xảy ra trong quá trình có thể tóm tắt như sau

(CnHn +2)COOH + CH3OH = H3C-OOC(CnHn +2)+H2O

1.4 Quy trình sản xuất biodiesel từ dầu jatropha bằng quá trình este hóa

Dầu nguyên liệu, ancol và chất xúc tác được trộn trong thiết bị phản ứng trong thời gian thích hợp (1-2h) ở nhiệt độ khoảng 60oC

Quá trình sản xuất biodiesel có thể được thực hiện liên tục hoặc theo chu kỳ Trên thực tế quá trình thường được thực hiện liên tục qua hai giai đoạn (2 thiết bị phản ứng): khoảng 80% lượng ancol và xúc tác được dùng ở thiết phản ứng thứ nhất Hỗn hợp phản ứng sau khi tách khỏi pha glycerol được đưa vào thiết bị phản ứng thứ hai để kết thúc phản ứng với lượng ancol và xúc tác còn lại

Hình 2-3: Quy trình sản xuất biodiesel từ dầu jatropha [9]

Glycerol tạo thành được tách ra khỏi pha este ở máy phân ly hoặc máy ly tâm Quá trình tách thường xảy ra dễ dàng vì glycerol hầu như không tan trong este Lượng ancol dư có thể làm chậm quá trình tách vì ancol hòa tan tốt cả glycerol lẫn este Nhưng không thể loại bỏ lượng ancol dư trước quá trình tách pha vì như thế sẽ dịch chuyển cân bằng về phía tạo ra triglyceride

Este sau khi tách khỏi glycerol được đưa đến khâu trung hòa và qua tháp tách ancol Ở khâu trung hòa người ta dùng axit như HCl, axit citric, axit phosphoric để trung hòa lượng xúc tác kiềm dư và lượng xà phòng tạo thành:

KOH + HA → KA + H2O

RCOOK + HA → RCOOH + KA

Tất cả lượng dư xúc tác, xà phòng, muối, ancol và glycerol tự do được tách khỏi biodiesel bằng quá trình rửa nước Việc trung hòa bằng axit trước khi rửa nước nhằm giảm tối đa lượng xà phòng và lượng nước rửa cần dùng do đó hạn chế được quá trình tạo nhũ tương (nước trong biodiesel với tác nhân tạo nhũ tương là xà phòng), gây khó khăn cho việc tách nước khỏi biodiesel Biodiesel được làm sạch nước trong tháp bay hơi Nếu sản xuất ở quy mô nhỏ người ta thường dùng các muối khô để hút nước

Một số loại nguyên liệu chứa một lượng lớn axit béo tự do Axit béo tự do phản ứng với xúc tác kiềm sinh ra xà phòng và nước Thực tế cho thấy rằng quá trình sản xuất biodiesel có thể xảy ra bình thường với hàm lượng axit béo tự do thấp hơn 5% Khi đó, cần dùng thêm xúc tác để trung hòa axit béo tự do Lượng xà phòng tạo ra nằm ở mức cho phép

Khi hàm lượng axit béo tự do lớn hơn 5%, lượng xà phòng tạo ra làm chậm quá trình tách pha este và glycerol, đồng thời tăng mạnh sự tạo nhũ tương trong quá trình rửa nước Để giảm hàm lượng axit béo tự do, trước phản ứng chuyển vị este, người ta dùng xúc tác axit, như H2SO4, chuyển hóa axit béo tự do thành este (phản ứng este hóa) RCOOH + CH3OH → RCOOCH3

Vì vậy, hàm lượng axit béo tự do là yếu tố chính trong việc lựa chọn công nghệ cho quá trình sản xuất biodiesel

 Cơ chế chuyển vị este

Tác nhân xúc tác thật sự chính là anion RO- (CH3O- trong trường hợp CH3OH), được tạo thành trong dung dịch ancol:

ROH + XOH → ROX + H2O

ROX RO- + X+

ROH RO- + H+

(R: ankyl; X: Na hoặc K)

Anion RO- tấn công vào trung tâm mang điện tích dương của liên kết C+O-, tiếp theo là sự tách phân tử este ra khỏi phân tử triglyceride và sự tạo thành phân tử diglyceride:

Cơ chế này lặp lại cho đến khi tạo thành phân tử glycerol

Có thể thấy rằng, phản ứng chuyển vị este xảy ra phức tạp, với sự tạo thành sản phẩm trung gian là diglyceride và monoglyceride

CHƯƠNG 3 TÌM HIỂU THIẾT BỊ PHẢN ỨNG DAO ĐỘNG DÒNG LIÊN TỤC DẠNG

VÁCH NGĂN VÀ CƠ SỞ THIẾT KẾ CỦA THIẾT BỊ 3.1 Các khái niệm chính

Thiết bị phản ứng dao động dòng liên tục dạng vách ngăn (Continuous Oscillatory Baffle Reactor-COBR) là một dạng của thiết bị phản ứng dòng liên tục (Plug Flow Reactor-PFR), cấu tạo bởi một hoặc nhiều ống, trong mỗi ống được bố trí các vách ngăn với khoảng cách đều nhau, mỗi vách ngăn có một lỗ thoát với đường kính nhỏ hơn đường kính của ống cho chất lưu chảy qua dao động với tần số từ 1,5-10 Hz.[1]

Sự kết hợp của các vách ngăn cùng với dòng chảy của chất lưu tạo ra dòng chảy dao động trong ống có lợi cho quá trình truyền nhiệt và truyền khối, đồng thời duy trì chế độ chảy nút (đẩy) của chất lưu trong ống

3.2 Cấu tạo thiết bị phản ứng dao động dòng liên tục dạng vách ngăn

Thiết bị COBR được cấu tạo bởi một ống hoặc nhiều ống có chiều dài z, trong mỗi ống có các vách ngăn được bố trí cách đều nhau một khoảng L Mỗi vách ngăn có một lỗ thoát với đường kính d o nhỏ hơn đường kính của ống Chiều dài Z của thiết bị bao gồm chiều dài của toàn bộ cấu tạo thiết bị

Hình 3-1: Sơ đồ cấu tạo thiết bị phản ứng dao động dòng liên tục dạng vách ngăn đơn giản

Ở quy mô công nghiệp, thiết bị COBR có thể cấu tạo bao gồm nhiều dãy ống, nhiều ngăn như trên hình 3.2 Nhờ có dao động khuấy trộn hiệu quả giúp tăng cường quá trình truyền khối và truyền nhiệt trong thiết bị nên yêu cầu về chiều dài của ống giảm đi đáng kể so với thiết bị PFR trong khi vẫn đáp ứng được công suất yêu cầu

Hình 3-2 Cấu tạo thiết bị COBR trong thực tế [3]

3.3 Lịch sử ra đời và phát triển của thiết bị phản ứng dao động liên tục

Việc sử dụng năng lượng bên ngoài dạng xung động (dòng chảy dao động khuấy trộn – Oscillatory Flow Mixing-OFM) đã được tiến hành trong một thời gian dài, thực

tế đã cho thấy loại năng lượng dòng chảy này giúp tăng cường hiệu suất phản ứng, tốc

độ truyền khối và truyền nhiệt Các công thức đầu tiên về thiết bị sử dụng loại năng lượng này đã được xây dựng từ năm 1935 bởi Van Dijck trên tháp tiếp xúc chất lỏng, tại phòng thí nghiệm Shell ở Amsterdam Kể từ đó nhiều kỹ thuật và thiết bị sử dụng dạng năng lượng này đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực [3]

Trong cuối những năm 1980,các nghiên cứu nhằm tạo ra dòng chảy lớp không ổn định, khi một dòng chảy dao động tồn tại trong một ống được trang bị các vách ngăn có

lỗ bố trí cách đều nhau đã quan sát được được sự hình thành của các khối chất lỏng dao động ở phía hạ lưu của các vách ngăn (phía sau của vách ngăn theo chiều của dòng chảy) Trên mỗi khối này, các dòng chảy dao động có xu hướng chuyển động hướng tâm (hướng vào tâm ống); chu kỳ hình thành, phát triển và biến mất của các khối chất lỏng này này gây ra trạng thái hỗn loạn trong mỗi vùng không gian giữa hai vách ngăn bất kỳ Điều này đánh dấu sự ra đời của thiết bị phản ứng dao động dòng Khái niệm đầu tiên về thiết

bị dao động dòng được phát biểu dựa trên đặc trưng của dòng chảy và cấu tạo thiết bị như sau: “ Thiết bị phản ứng dao động dòng là một dạng của thiết bị phản ứng dòng liên tục, được cấu tạo từ một ống trụ có chứa các vách ngăn có lỗ”[7][3]

Thiết bị phản ứng dao động dòng có thể hoạt động ở chế độ gián đoạn hoặc liên tục, theo phương ngang hoặc thẳng đứng Dòng chảy đơn pha lỏng hoặc dòng chảy đa pha dao động đối xứng theo trục của ống trong khoảng không gian giữa các vách ngăn

cố định được phân bố dọc theo ống tại các vị trí cách đều nhau một khoảng cách nhất

định (L)

Sự khuấy trộn nhờ dòng chảy dao động từ bên trong dòng chảy của thiết bị phản ứng dao động dòng là một cơ chế khuấy trộn rất hiệu quả Mức độ khuấy trộn chịu ảnh

hưởng bởi tần số dao động (f), và biên độ dao động (x o) Mức độ khuấy trộn tăng lên khi

tần số dao động và biên độ tăng Những kết quả này đã được kiểm chứng với các thiết

bị có đường kính 25 mm ( bởi Brunold và cộng sự năm 1989; Dickens và cộng sự năm 1989) và 50 mm ( Ni và đồng nghiệp, năm 1995 ) Kết quả cho thấy các điều kiện thủy lực trong một thiết bị phản ứng dao động dòng có thể thiết kế ở quy mô lớn một cách tuyến tính, có nghĩa là khi thay đổi kích thước của ống trong khi vẫn duy trì được chế độ dòng chảy, sự dao động và mức độ khuấy trộn vẫn được duy trì [5]

Ưu điểm đặc biệt của thiết bị phản ứng dao động dòng là có thể tiến hành phản ứng ở thời gian lưu dài với cấu tạo nhỏ gọn hơn rất nhiều so với thiết bị phản ứng gián đoạn, tỷ số giữa chiều dài và đường kính được giảm rất nhiều so với thiết bị phản ứng dòng liên tục (PFR)

3.4 Dòng chảy dao động

Hình 3-3: Cơ chế khuấy trộn của dòng chảy dao động [3]

Ta phân biệt hai dòng chảy cùng tồn tại trong thiết bị COBR là dòng chảy chính

và dòng chảy dao động Dòng chảy chính là dòng chảy của toàn bộ chất lưu trong ống theo hướng từ đầu ống đến cuối ống Dòng chảy dao động tồn tại bên trong dòng chảy chính ở khoảng không gian giữa hai vách ngăn, khi dòng chảy chất lỏng bị cản bởi vách ngăn, các phần tử chất lỏng bị dội ngược lại so với dòng chảy chính, sau đó lại tiếp tục

bị lôi kéo bởi chuyển động của dòng chảy chính tạo nên trạng thái dao động liên tục trong thiết bị COBR [5]

Cơ chế khuấy trộn của dòng chảy dao động được mô tả trên hình 3-3 Nhờ có các vách ngăn đặt vuông góc với chiều của dòng chảy tạo ra sự va đập thủy lực, dẫn tới hình thành dòng chảy ngược hướng với dòng chảy chính, dòng chảy ngược này lại tiếp tục bị cuốn theo dòng chảy chính dẫn đến hình thành các khối dao động khuấy trộn liên tục Chu kỳ hoạt động của các khối chất lỏng này có thể mô tả bằng một đường hình sin Ở nửa chu kỳ đầu, các khối dao động hình thành ở phía hạ lưu của các vách ngăn, đạt tốc

độ dao động tối đa, sau đó tốc độ giảm dần ở nửa chu kỳ sau Vận tốc hướng tâm phát sinh từ các chu kỳ hoạt động lặp đi lặp lại của các khối dao động tạo ra sự khuấy trộn