Đề tài “mô phỏng và đánh giá các công nghệ tách nước để sản xuất ethanol tuyệt đối”

Để đối phó với tình hình đó chúng ta cần tìm ra các nguồn năng lượngmới thay thế, và ưu tiên hàng đầu được dành cho các nguồn năng lượng tái sinh vàthân thiện với môi trường.Trong số các

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 cũngnhư các anh chị em, bạn bè

Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Trường Đại Học Bách Khoa

Đà Nẵng đã truyền đạt kiến thức cơ bản và giúp đỡ chúng em trong những nămhọc vừa qua, đặc biệt là các thầy cô trong Khoa Hóa và Bộ môn Công nghệ Hóahọc – Dầu và Khí Trên hết em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầyPGS.TS Nguyễn Đình Lâm đã hướng dẫn đề tài và tận tình giúp đỡ em trong suốtthời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp này

Sau cùng em xin cảm ơn gia đình, bạn bè luôn là điểm tựa, nguồn động viêngiúp em vượt qua nhiều khó khăn trong thời gian qua Em xin trân trọng gửi đếnquý thầy cô, gia đình và bạn bè những lời chúc tốt đẹp nhất

Trong quá trình thực hiện, do nhiều nguyên nhân khác nhau nên nhữngthiếu sót là điều khó tránh khỏi Em rất mong được sự đóng góp ý kiến của quýthầy cô giáo và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn

Đà nẵng, ngày 13 tháng 6 năm 2012

Sinh viên thực hiện

Lê Gia Trung

MỤC LỤC

Trang

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC VÀ ETHANOL .3 1.1 Tổng quan về nhiên liệu sinh học 3

1.1.1 Nhiên liệu sinh học ‒ Nguồn năng lượng tất yếu 3

1.1.2 Tình hình phát triển nhiên liệu sinh học (BioFuel) hiện nay 5

1.1.2.1 Phát triển nhiên liệu sinh học ở các nước trên thế giới 5

1.1.2.2 Phát triển nhiên liệu sinh học tại các nước trong khu vực 5

1.1.3 Phân loại nhiên liệu sinh học 6

1.1.3.1 Khí sinh học (Biogas) 6

1.1.3.2 Diesel sinh học (BioDiesel) 7

1.1.3.3 Xăng sinh học (Gasohol) … 8

1.2 Lý thuyết tổng quan về ethanol 9

1.2.1 Sơ lược về Ethanol 9

1.2.1.1 Tính chất Ethanol 9

1.2.1.2 Ứng dụng của Ethanol 10

1.2.1.2.1 Các chất điều chế từ Ethanol 10

1.2.1.2.2 Ethanol nhiên liệu 11

1.2.1.2.3 Các ứng dụng khác 11

1.2.1.3 Cơ chế phụ gia của Ethanol khi pha vào xăng 12

1.2.1.4 Tình hình sản xuất Ethanol trên thế giới 13

1.2.1.5 Tình hình sản xuất Bioethanol tại Việt Nam 15

1.2.2 Quy trình chung sản xuất ethanol nhiên liệu 18

1.2.2.1 Quá trình lên men (Fermentation) 18

1.2.2.2 Quá trình chưng cất (distillation) 19

1.2.2.3 Quá trình tách nước (dehydration) 20

1.2.3 Một số lưu đồ sản xuất bioethanol 20

1.2.3.1 Sản xuất Bioethanol từ tinh bột 20

1.2.3.2 Sản xuất Bioethanol từ rỉ đường 21

1.2.3.3 Sản xuất Bioethanol từ Xenlulozo 23

CHƯƠNG 2 CÁC CÔNG NGHỆ TÁCH NƯỚC CỦA ETHANOL 24

2.1 Phương pháp chưng cất 24

2.1.1 Pressure Swing Distillation (PSD) 24

2.1.2 Chưng luyện trích ly với muối khan 24

2.1.3 Chưng cất chân không 25

2.1.4 Chưng cất đẳng phí (Azeotropic Distillation) 25

2.1.5 Chưng cất trích ly (Extractive Distillation) 29

2.2 Dùng Na2SO4, CaSO4, CaCO3, CuSO4 khan để hấp phụ nước 30

2.3 Hấp phụ bằng rây phân tử 30

2.3.1 Giới thiệu về phương pháp 30

2.3.2 Giới thiệu về Zeolite 31

2.3.3 Quá trình hấp phụ 34

2.3.4 Công nghệ quá trình hấp phụ PSA 35

2.3.4.1 Chuẩn bị dòng nguyên liệu 35

2.3.4.2 Quá trình tách nước 36

2.3.4.3 Làm lạnh và ngưng tụ 39

2.4 Công nghệ lọc màng (Membrane Technology) 40

2.4.1 Giới thiệu về phương pháp 40

2.4.2 Các kỹ thuật tách sử dụng lọc màng 44

2.4.2.1 Vi lọc (Microfiltration) 44

2.4.2.2 Siêu lọc (Ultrafiltration) 45

2.4.2.3 Thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis : RO) 45

2.4.2.4 Lọc nano (Nanofiltration) 45

2.4.2.5 Bốc hơi thẩm thấu qua màng (Pervaporation) 46

2.5 Phương pháp kết hợp bốc hơi thẩm thấu và rây phân tử 48

2.6 Kết hợp chưng cất và thẩm thấu qua màng 48

CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN PHẦN MỀM MÔ PHỎNG THÍCH HỢP ĐỂ HỖ TRỢ TÍNH TOÁN 49

3.1 Phần mềm PRO/II 49

3.1.1 Giới thiệu chung 49

3.1.2 Nhược điểm khi sử dụng cho công nghệ tách nước của ethanol 50

3.2 Phần mềm Hysys (Aspen Hysys) 50

3.2.1 Giới thiệu chung 50

3.2.2 Lựa chọn phần mềm Aspen Hysys 51

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM HYSYS MÔ PHỎNG CÁC CÔNG NGHỆ TÁCH NƯỚC ĐỂ SẢN XUẤT ETHANOL TUYỆT ĐỐI 53

4.1 Mô phỏng phương pháp chưng cất chân không 53

4.1.1 Mô phỏng điểm đẳng phí của hỗn hợp ethanol – nước ở 760 mmHg 53 4.1.1.1 Các thao tác mô phỏng 53

4.1.1.2 Nhập dòng vào (Feed) 56

4.1.1.3 Mô phỏng tháp 57

4.1.2 Mô phỏng tháp chưng cất ở 404.6 mmHg 59

4.2 Mô phỏng chưng cất đẳng phí 61

4.2.1 Chưng cất đẳng phí với benzen 61

4.2.1.1 Chọn mô hình nhiệt động 61

4.2.1.2 Mô phỏng các thiết bị 62

4.2.1.2.1 Tháp làm đậm đặc Concentrator 62

4.2.1.2.2 Thiết bị tách nước Dehydrator 63

4.2.1.2.3 Bình tách DECANT đỉnh tháp Dehydrator 65

4.2.1.2.4 Thiết bị thu hồi benzen BZ Stripper 66

4.2.2 Chưng cất đẳng phí với cyclohexan (CH) 68

4.2.2.1 Thiết kế thiết bị tách nước Dehydrator 68

4.2.2.2 Thiết kế bình tách 3 pha lỏng lỏng 70

4.2.2.3 Mô phỏng tháp hồi lưu Cyclohexan 71

4.3 Mô phỏng chưng cất trích ly 72

4.3.1 Mô phỏng tháp tách nước Dehydrator 72

4.3.2 Mô phỏng tháp hồi lưu EG 74

4.4 Hấp phụ bằng rây phân tử 76

4.4.1 Mô phỏng hấp phụ bằng rây phân tử 76

4.4.1.1 Mô phỏng tháp bốc hơi C-1601 76

4.4.1.2 Mô phỏng thiết bị hấp phụ V-1601 và các thiết bị tách, phối trộn 80

4.4.1.3 Mô phỏng cụm các thiết bị trao đổi nhiệt 82

4.4.2 Tính toán tháp hấp phụ 85

4.4.2.1 Mục tiêu việc tính toán tháp hấp phụ 85

4.4.2.2 Tính toán đường cong Breakthrough 86

4.4.2.2.1 Tính chiều cao của vùng cân bằng 86

4.4.2.2.2 Tính thời gian hấp phụ theo đường cong breakthrough 87

4.4.2.3 Tính toán cơ khí tháp hấp phụ 96

4.4.2.3.1 Tính lượng zeolite cần thiết 96

4.4.2.3.2 Tính lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình hấp phụ 96

4.4.2.3.3 Tính chiều cao tháp hấp phụ 97

4.4.2.3.4 Tính tổn thất áp suất qua lớp hạt xúc tác 99

4.4.2.3.5 Tính chiều dày thân tháp 100

4.4.3 Lựa chọn các thiết bị phụ 101

4.4.3.1 Thiết bị trao đổi nhiệt 101

4.4.3.1.1 Thiết bị truyền nhiệt loại vỏ bọc ngoài 101

4.4.3.1.2 Thiết bị truyền nhiệt loại ống 102

4.4.3.1.3 Thiết bị truyền nhiệt loại tấm 103

4.4.3.1.4 Thiết bị truyền nhiệt loại xoắn ốc 104

4.4.3.1.5 Thiết bị truyền nhiệt loại ống có gân 104

4.4.3.2 Thiết bị ngưng tụ 105

4.4.3.3 Lựa chọn bơm 105

CHƯƠNG 5 ĐÁNH GIÁ CÁC CÔNG NGHỆ TÁCH NƯỚC ĐỂ SẢN XUẤT ETHANOL TUYỆT ĐỐI 107

KẾT LUẬN 111

TÀI LIỆU THAM KHẢO 112

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 – Cây Jatropha, một trong những nguyên liệu chính chế biến dầu sinh học 4

Hình 1.2 – Chế biến Biodiesel từ hoa hướng dương 8

Hình 1.3 – Công thức 3D của ethanol 9

Hình 1.4 – Một trong những nhà máy chế tạo nhiên liệu sinh học tại Mỹ 15

Hình 1.5 ‒ Hình ảnh về nhà máy sản xuất Bioethanol ở Đại Lộc – Quảng Nam 16

Hình 1.6 – Giãn đồ điểm đẳng phí của hỗn hợp ethanol – nước (1bar) 19

Hình 1.7 – Lưu đồ sản xuất Bioethanol của Lurgi từ lúa gạo 20

Hình 1.8 – Lưu đồ sản xuất Bioethanol từ hạt bắp 21

Hình 1.9 – Lưu đồ chung sản xuất bioethanol từ nhiều nguồn nguyên liệu 23

Hình 2.1 – Chưng sử dụng hai tháp chưng cất với áp suất khác nhau 24

Hình 2.2 – Tách hỗn hợp đẳng phí ethanol ‒ nước bằng Benzen 27

Hình 2.3 – Công nghệ chưng cất đẳng phí sử dụng Cyclohexane 27

Hình 2.4 – Sơ đồ mô phỏng công nghệ chưng đẳng phí sử dụng tác nhân Cyclohexane.28 Hình 2.5 – Sơ đồ chưng cất trích ly thông dụng 29

Hình 2.6 – Sơ đồ mô phỏng công nghệ chưng cất trích ly bằng Ethyleneglycol 30

Hình 2.7 – Sơ đồ mô phỏng công nghệ hấp phụ với rây phân tử 31

Hình 2.8 – Cấu trúc cơ bản của Zeolite 32

Hình 2.9 – Sơ đồ mô phỏng công nghệ tách nước bằng rây phân tử 36

Hình 2.10 – Nguyên lý lọc màng 40

Hình 2.11 – Cấu tạo của màng lọc zeolite 41

Hình 2.12 – Modules của Zeolite 41

Hình 2.13 – Nguyên tắc của thiết bị lọc màng Zeolite 42

Hình 2.14 – Sơ đồ sản xuất Ethanol nồng độ cao bằng phương pháp thẩm thấu qua màng lọc 43

Hình 2.15 – Sơ đồ công nghệ tách nước bằng phương pháp thẩm thấu qua màng lọc 48

Hình 3.1 – Hình ảnh mô phỏng tách Phenol bằng proII 50

Hình 3.2 – Hình ảnh mô phỏng bằng Aspen Hysys 51

Hình 4.1 – Sơ đồ công nghệ chưng cất ở áp suất khí quyển 53

Hình 4.3 – Lựa chọn đơn vị trong hệ SI 54

Hình 4.4 – Hộp thoại Simulation Basis Manager 54

Hình 4.5 – Danh sách các cấu tử trong databank Hysys 55

Hình 4.6 – Lựa chọn cấu tử 55

Hình 4.7 – Chọn mô hình nhiệt động 55

Hình 4.8 – PFD thao tác mô phỏng 56

Hình 4.9 – Nhập thành phần các cấu tử 56

Hình 4.10 – Kết quả thành phần dòng nguyên liệu vào 57

Hình 4.11 – Lựa chọn loại tháp để mô phỏng 57

Hình 4.12 – Thông số của tháp Concentrator 58

Hình 4.13 – Khai báo chỉ tiêu chất lượng sản phẩm 58

Hình 4.14 – Hội tụ tháp Concentrator 59

Hình 4.15 – Sơ đồ mô phỏng tháp chưng cất ở 404.6 mmHg 60

Hình 4.16 – Sơ đồ công nghệ mô phỏng chưng đẳng phí với benzen 61

Hình 4.17 – Chọn mô hình nhiệt động VLE, LLE cho các tháp chưng cất 61

Hình 4.18 – Hội tụ tháp Concentrator cho chưng đẳng phí với benzen 62

Hình 4.19 – Thông số tháp tách nước cho chưng đẳng phí với benzen 64

Hình 4.20 – Hội tụ tháp Dehydrator 64

Hình 4.21 – Sơ đồ mô phỏng khu vực tách nước của chưng đẳng phí bằng benzen 64

Hình 4.22 – Sơ đồ mô phỏng thiết bị DECANT tách pha nặng 65

Hình 4.23 – Thông số tháp hồi lưu benzen 66

Hình 4.24 – Hội tụ tháp hồi lưu benzen 67

Hinh 4.25 – Sơ đồ mô phỏng quá trình tách nước bằng chưng đẳng phí với cyclohexan.68 Hình 4.26 – Thông số vận hành tháp tách nước với chưng bằng CH 69

Hình 4.27 – Hội tụ tháp Dehydrator với chưng bằng CH 69

Hình 4.28 – Mô hình bình tách 3 pha 70

Hình 4.29 – Thông số vận hành tháp hồi lưu cyclohexan 71

Hình 4.30 – Hội tụ tháp hồi lưu cyclohexan 71

Hình 4.31 – Sơ đồ mô phỏng công nghệ tách nước bằng Ethyleneglycol 72

Hình 4.32 – Thông số tháp tách nước bằng chưng trích ly 73

Hình 4.33 – Hội tụ tháp tách nước bằng chưng trích ly 74

Hình 4.34 – Thông số vận hành tháp hồi lưu EG 75

Hình 4.35 – Hội tụ tháp hồi lưu EG 75

Hình 4.36 – Sơ đồ mô phỏng công nghệ tách nước bằng rây phân tử 76

Hình 4.37 – Thông số tháp bốc hơi C-1601 79

Hình 4.38 – Hình ảnh mô phỏng tháp bốc hơi C-1601 79

Hình 4.39 – Sơ đồ mô phỏng khu vực khử nước bằng rây phân tử 80

Hình 4.40 – Thông số vận hành tháp hấp phụ V-1601 80

Hình 4.41 – Sơ đồ mô phỏng thiết bị hấp phụ và giải hấp V-1601 81

Hình 4.42 – Sơ đồ mô phỏng cụm các thiết bị trao đổi nhiệt 82

Hình 4.43 – Đường cong breakthrough ở các chiều cao lớp hấp phụ khác nhau 95

Hình 4.44 – Bảng tham khảo thời gian quá trình hấp phụ bằng phương pháp PSA 96

Hình 4.45 – Thiết bị truyền nhiệt loại vỏ bọc ngoài 102

Hình 4.46 – Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống 103

Hình 4.47 – Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm 103

Hình 4.48 – Thiết bị truyền nhiệt loại xoắn ốc 104

Hình 4.49 – Thiết bị ngưng tụ loại ống chùm chữ U có vách chảy tràn 105

Hình 4.50 – Hình ảnh một loại bơm hút chân không 106

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 – Bảng thống kê một vài tính chất của ethanol 10

Bảng 1.2 – Sản lượng ethanol nhiên liệu ở 10 nước dẫn đầu trên thế giới 13

Bảng 1.3 – Các dự án xây dựng nhà máy Bioethanol tại Việt Nam 17

Bảng 2.1 – Các điểm đẳng phí của hỗn hợp ethanol ‒ nước 25

Bảng 2.2 – So sánh các kỹ thuật lọc màng 47

Bảng 4.1 – Kết quả mô phỏng tháp chưng cất ở áp suất khí quyển 59

Bảng 4.2 – Kết quả mô phỏng tháp chưng cất ở áp suất 404.6 mmHg 60

Bảng 4.3 – Hệ số tương tác aij giữa các cấu tử cho VLE 61

Bảng 4.4 – Kết quả mô phỏng tháp Concentrator 62

Bảng 4.5 – Thành phần nguyên liệu vào tháp tách nước Dehydrator 63

Bảng 4.6 – Thành phần vào ra của thiết bị tách nước Dehydrator 65

Bảng 4.7 – Thông số vào ra của thiết bị tách DECANT ở đỉnh tháp Dehydrator .66 Bảng 4.8 – Thông số kết quả mô phỏng tháp hồi lưu benzen BZ Stripper 67

Bảng 4.9 – Thành phần lưu lượng nguyên liệu vào tháp tách nước 68

Bảng 4.10 – Thành phần lưu lượng đi vào và ra khỏi tháp tách nước 69

Bảng 4.11 – Thành phần lưu lượng bình tách 3 pha 70

Bảng 4.12 – Kết quả mô phỏng tháp thu hồi cyclohexan 72

Bảng 4.13 – Thành phần nguyên liệu vào tháp tách nước 73

Bảng 4.14 – Kết quả mô phỏng tháp tách nước bằng chưng trích ly với EG 74

Bảng 4.15 – Kết quả mô phỏng tháp hồi lưu EG 75

Bảng 4.16 – Thành phần lỏng hơi và độ nhớt trên mỗi đĩa của tháp C-1601 77

Bảng 4.17 – Kết quả mô phỏng tháp bốc hơi C-1601 79

Bảng 4.18 – Thành phần vào ra của thiết bị hấp phụ V-1601 81

Bảng 4.19 – Kết quả mô phỏng thiết bị hấp phụ và giải hấp V-1601 82

Bảng 4.20 – Thông số vào ra của thiết bị trao đổi nhiệt H-1606 83

Bảng 4.21 – Thông số vào ra của thiết bị trao đổi nhiệt H-1603 83

Bảng 4.22 – Thông số vào ra của thiết bị trao đổi nhiệt H-1608 84

Bảng 4.23 – Thông số vào ra của thiết bị trao đổi nhiệt H-1604 84

Bảng 4.24 – Thông số vào ra của thiết bị trao đổi nhiệt H-1605 85

Bảng 4.25 – Một số tính chất của zeolite 3A 86

Bảng 4.26 – Một vài thông số của nguyên liệu trước khi vào tháp hấp phụ 88

Bảng 4.27 – Thông số phục vụ tính toán đường cong breakthrough 91

Bảng 4.28 – Kết quả tính toán phục vụ khảo sát đường cong Breakthrough 92

Bảng 4.29 – Thời gian và c/cf theo các chiều cao lớp hấp phụ khác nhau 94

Bảng 5.1 – Bảng so sánh đánh giá các công nghệ tách nước của ethanol 107

Bảng 5.2 – Chi phí của một vài thiết bị trong công nghệ tách nước 109

Bảng 5.3 – Nồng độ sản phẩm ethanol thu được của các công nghệ tách nước 110

LỜI MỞ ĐẦU



Sự khám phá ra dầu mỏ đã đánh dấu một bước ngoặt lớn trong lịch sử pháttriển của xã hội loài người Dầu mỏ và các sản phẩm từ dầu mỏ đã đóng góp trongtất cả các lĩnh vực đời sống nói chung và các ngành năng lượng nói riêng Tuynhiên, 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 hụtnăng lượng trong tương lai, nhưng đáng kể nhất là sự ô nhiễm môi trường do khíthải 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 thếgiới Khí thải là nguyên nhân trực tiếp gây ra những biến đổi khí hậu, hiệu ứng nhàkính và hàng loạt các vấn đề về môi trường Nhiều nỗ lực đã và đang được thựchiện nhằm tìm kiếm những nguồn năng lượng thay thế, trong đó, một trong nhữngnguồn năng lượng mới đang được quan tâm hiện nay là nhiên liệu sinh học Ðây lànguồn năng lượng có thể tái sinh và ít gây ô nhiễm môi trường Và nó có thể đượcchia thành các loại như 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 đangđược nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới Loại nănglượng sinh học này ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu tiêu thụ năng lượng trên thế giớiđồng 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 Đánh giá các công nghệ tách nước để sản xuất Ethanol tuyệt đối” trên cơ sở

kiến thức cơ bản, ứng dụng phần mềm mô phỏng và tính toán em đã hoàn thành đềtài này Đề tài gồm các phần chính như sau:

 Tổng quan về nhiên liệu sinh học – Bioethanol trên thế giới và ởnước ta

 Tổng quan các công nghệ tách nước của Ethanol

 Lựa chọn phần mềm mô phỏng thích hợp hỗ trợ cho quá trình táchnước

 Mô phỏng các công nghệ tách nước để sản xuất Ethanol tuyệt đối

Từ dữ liệu mô phỏng tính toán thiết kế thiết bị hấp phụ và lựa chọn thiết bị trao đổinhiệt phù hợp với nhu cầu sử dụng

 Đánh giá so sánh các phương pháp tách nước nhằm thu được cồntinh khiết

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC VÀ

ETHANOL

1.1 Tổng quan về nhiên liệu sinh học

1.1.1 Nhiên liệu sinh học ‒ Nguồn năng lượng tất yếu

Vào thế kỷ 19, gỗ là nguồn năng lượng làm chạy máy động cơ hơi nướctrong giao thông vận tải, giúp đẩy mạnh ngành công nghiệp cơ giới Sau đó, conngười chế tạo máy phát điện cung cấp nguồn điện năng mới có nhiều công dụngcho đời sống hàng ngày và thay thế dần những máy chạy bằng hơi nước Khi tìmthấy nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ và khí đốt, con người nhanhchóng chuyền sang sử dụng các nguồn năng lượng không tái tạo này để chạy máy

nổ, chủ yếu trong ngành vận tải, nhiệt và điện năng Dạng nhiên liệu lỏng (xăngdầu) trở nên thông dụng hơn cho nhiên liệu giao thông vận tải vì tỏa nhiều nhiệtlượng, dễ sử dụng hơn loại nhiên liệu khí và rắn, và từ đó nguồn năng lượng rắnđược sử dụng giảm dần

Năng lượng là vấn đề sống còn của toàn nhân loại Con người đang khaithác đến mức cao nhất các nguồn năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, khí thiên nhiên,than đá…), nhưng dự trữ của các nguồn nhiên liệu này ngày càng cạn kiệt với tốc

độ phi mã Theo các điều tra quốc tế thì nếu không tìm kiếm thêm được các nguồn

dự trữ mới thì với lượng khai thác như hiện nay, khoảng 85.9 triệu thùng mỗingày, thì dầu mỏ sẽ cạn kiệt sau 43 năm nữa Với lượng khai thác 19BBOE (tươngđương triệu thùng dầu mỏ) mỗi ngày thì khí thiên nhiên cũng sẽ cạn kiệt sau 60năm nữa Với lượng khai thác khoảng 29.85BBOE mỗi ngày thì than đá nhiều nhất

là 148 năm nữa cũng sẽ cạn kiệt

Theo tính toán của các chuyên gia kinh tế năng lượng, dầu mỏ và khí đốthiện chiếm khoảng 60 - 80% cán cân năng lượng thế giới Với diễn biến phức tạpcủa giá xăng dầu gần đây cho thấy nhu cầu dầu thô ngày càng lớn cũng như nhữngbất ổn chính trị tại những nước sản xuất dầu mỏ ngày càng lan rộng ra Hơn nữanhiên liệu hóa thạch phát sinh nhiều khí thải gây ô nhiễm môi trường, hiệu ứng

nhà kính Để đối phó với tình hình đó chúng ta cần tìm ra các nguồn năng lượngmới thay thế, và ưu tiên hàng đầu được dành cho các nguồn năng lượng tái sinh vàthân thiện với môi trường.

Trong số các nguồn năng lượng thay thế dầu mỏ đang sử dụng hiện nay(năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân,…), năng lượng sinhhọc đang là xu thế phát triển tất yếu, nhất là ở các nước nông nghiệp và nhập khẩunhiên liệu, do các lợi ích của nó như: công nghệ sản xuất không quá phức tạp, tậndụng nguồn nguyên liệu tại chỗ, tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp, không cầnthay đổi cấu trúc động cơ cũng như cơ sở hạ tầng hiện có và giá thành cạnh tranh

so với xăng dầu

Hình 1.1 – Cây Jatropha, một trong những nguyên liệu chính chế biến dầu sinh học

Trong những năm gần đây người ta đã sử dụng cồn đốt (Ethanol) pha vàoxăng chạy máy để giảm phần nào sự sử dụng xăng Ethanol được làm ra từ nhữngnguồn nguyên liệu tái sinh như: phế phẩm nông nghiệp (vật liệu phế thải sau gặthái như lá, rơm, rạ, thân bắp, lõi bắp), phế phẩm lâm nghiệp (vụn gỗ, mạt cưa, vụnthân cây hoặc cành cây), các phế phẩm hữu cơ trong rác (rác trong nhà các loạigiấy vụn), phế phẩm từ nhà máy thực phẩm gia công (phế phẩm của nhà máy rượu

và nhà máy giấy), cây công nghiệp (những loại thực vật lớn nhanh) được gieotrồng cho mục đích làm nguyên liệu.

1.1.2 Tình hình phát triển nhiên liệu sinh học (BioFuel) hiện nay

1.1.2.1 Phát triển nhiên liệu sinh học ở các nước trên thế giới

Năng lượng hóa thạch ngày càng cạn dần, yêu cầu bức xúc về vấn đề ônhiễm môi trường với những tác động gây biến đổi khí hậu toàn cầu là những lý dokhiến các nước trên thế giới từ 5 - 10 năm trở lại đây ráo riết nghiên cứu để pháttriển nguồn năng lượng thay thế Nhiên liệu sinh học không phải là nhiên liệu mới,

đã được áp dụng khá lâu kể từ khi động cơ diezel đầu tiên chạy bằng dầu lạc ra đờinăm 1898 triển lãm ở Paris (Pháp) Tác giả của động cơ diezel đầu tiên - ôngRudolf Diezel đã từng tiên đoán rằng nhiên liệu từ sinh khối sẽ là tương lai thậtcho động cơ của mình Từ năm 1993 đến năm 2001, sản lượng Biodiesel của EUtăng gấp 10 lần, từ mức 80.000 tấn vào năm 1993 lên 780.000 tấn vào năm 2001,Đức là nước sản xuất hàng đầu, tiếp theo là Pháp, Italia và Áo Hiện nay, trên toàn

EU Biodiesel được sử dụng chạy động cơ dưới dạng pha trộn với diesel thôngthường Tại Đức, Áo và Thụy Điển, Biodiesel được sử dụng dưới dạng tinh khiếttrong các loại xe tải nặng Bioethanol sử dụng làm nhiên liệu ô tô ở châu Âu tănggấp 4 - 5 lần, từ mức 47.000 tấn vào năm 1993 lên 216.000 tấn vào năm 2001.Pháp, Tây Ban Nha và Thụy Điển là các nước đóng vai trò lớn trong thị trườngBioethanol ở châu Âu Bioethanol tại đây cũng được dùng cả dưới dạng tinh khiếtlẫn pha trộn với xăng Tại Pháp, Bioethanol chủ yếu để chuyển hóa thành phụ giaETBE pha xăng Quy mô sản xuất Biofuel toàn cầu mở rộng dần suốt những năm

1980, trước khi đạt mức phát triển cao hơn nhiều vào những năm 1990 Sản lượngBiofuel toàn cầu hiện đạt khoảng 15 triệu tấn/năm Các nước EU chỉ chiếm mứcdưới 6% tổng sản lượng (890.000 tấn vào năm 2000) Hầu hết sản lượng Biofueltoàn cầu tập trung vào Bioethanol (năm 2000 đạt 14.6 triệu tấn)

1.1.2.2 Phát triển nhiên liệu sinh học tại các nước trong khu vực

 Trung Quốc

Trung Quốc đang dành mối quan tâm lớn cho sự phát triển Biofuel Do tốc

độ phát triển kinh tế cao và kéo dài liên tục nên Trung Quốc đang thiếu hụt nănglượng Nước này xem việc phát triển năng lượng sinh học là một trong các giải

pháp giảm thiểu chi phí nhập khẩu dầu mỏ, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng.Sản lượng ethanol của Trung Quốc hiện đứng thứ 3 thế giới với con số 3 tỉ lít/năm.

 Thái Lan

Hiện tại quy mô sản xuất ethanol ở Thái Lan còn nhỏ, năng suất và kỹ thuậtcanh tác mía và các cây trồng làm nguyên liệu chưa cao nên mặc dù nước này cóquan tâm tới các chương trình biofuel nhưng cho tới nay vẫn chưa có tiến bộ đáng

kể Chính phủ Thái Lan vừa ra thông báo áp dụng chính sách sản xuất gasohol sửdụng rộng rãi khắp thành phố Băng Cốc kể từ tháng 1/2005 với tỉ lệ pha trộn 10 -20% ethanol trong xăng sử dụng

 Nhật Bản

Nhật Bản là nước tiêu thụ xăng dầu lớn thứ 2 trên thế giới chỉ đứng sau

Mỹ, lên tới 215 triệu tấn trong năm 2003 (theo số liệu của Bộ Kinh tế, Thương mại

và Công nghiệp Nhật Bản), trong đó 99% được nhập khẩu

 Philippin

Bộ Khoa học và Hội đồng kỹ thuật R&D về công nghiệp và Năng lượngPhilippin đang có chính sách tích cực thúc đẩy sử dụng Biofuel ở xe máy và xe babánh để giảm ô nhiễm môi trường Biodiesel ở Philippin chủ yếu được sản xuất từdầu dừa (cocometyl este – CME) là nguồn năng lượng rẻ tiền có thể dùng thay thếxăng chạy xe máy và xe ba bánh động cơ 2 kỳ (lượng xe máy và xe ba bánh chiếmgần 35% trong tổng số 4 triệu đầu xe ở Philippin và hiện tại 75% trong tổng số xe

ở Philippin là động cơ 2 kỳ)

1.1.3 Phân loại nhiên liệu sinh học

Tùy theo tính chất cơ bản mà ta có thể chia nhiên liệu sinh học thành ba loạichính như sau:

 Khí sinh học (Biogas)

 Diesel sinh học (BioDiesel)

 Xăng sinh học (Gasohol)

1.1.3.1 Khí sinh học (Biogas): là sản phẩm khí từ quá trình phân hủy sinh

khối, phân gia súc và phân người, bùn cống… nhờ vi khuẩn lên men yếm khí(trong điều kiện không có oxy không khí) được gọi là Biogas Biogas chứa nhiềuMethane (CH4)

* Nguyên liệu để sản xuất khí sinh học: có nguồn gốc từ động vật và thực vật:

 Nguồn gốc thực vật như lá cây, thân cây, phụ phẩm cây trồng (rơm,

rạ, thân lá ngô, khoai, đậu.…), rác sinh hoạt hữu cơ và các loại cây xanh hoang dại(rong, bèo, các cây phân xanh thải) cũng được xem là một nguồn nguyên liệu đểsản xuất khí sinh học

 Nguồn gốc động vật như phân gia súc, gia cầm, phân bắc , các bộphận cơ thể của động vật như xác động vật chết, rác và nước thải các lò mổ, cơ sởchế biến thuỷ, hải sản…

* Ưu điểm khi sử dụng khí sinh học:

 Về mặt môi trường: dùng khí Biogas làm nhiên liệu sẽ giảm mộtphần việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch và việc chặt phá rừng để làm củi đốt nên đãgóp phần bảo vệ rừng, giảm đáng kể các chất khí gây hiệu ứng nhà kính

 Về mặt kỹ thuật: công nghệ đơn giản, dễ lắp đặt và tốn ít chi phí

 Về mặt kinh tế - xã hội: sẽ tiết kiệm được chi phí mua nhiên liệu vàphân bón

1.1.3.2 Diesel sinh học (BioDiesel): Diesel sinh học 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 được sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật bằng phản ứngchuyển hóa este

* Nguyên liệu để sản xuất Diesel sinh học như: dầu thực vật (cải dầu, dầu hoa

hướng dương, dầu dừa…), mỡ động vật, và dầu ăn phế thải đã qua sử dụng

* Các phương pháp chế biến Diesel sinh học: phương pháp pha loãng với diesel,

phương pháp vi nhũ tương hóa dầu, phương pháp nhiệt phân và phương pháp

chuyển đổi este

* Ưu nhược điểm khi sử dụng diesel sinh học:

 Ưu điểm: giảm được lượng khí thải gây ra hiệu ứng nhà kính, không

có hoặc chứa rất ít các hợp chất của lưu huỳnh (nhỏ hơn 0.001% so với 0.05%trong dầu diesel), không chứa HidroCacbon thơm nên không gây ung thư, có chỉ

số cetan cao hơn diesel

 Nhược điểm: Biodiesel có nhiệt trị thấp hơn so với diesel, và thườngđược sản xuất chủ yếu theo mẻ nên năng suất thấp

Hình 1.2 – Chế biến Biodiesel từ hoa hướng dương

1.1.3.3 Xăng sinh học (Gasohol): bao gồm Biomethanol, Bioethanol,… Trong

số các dạng xăng sinh học này, Bio-Ethanol là loại nhiên liệu sinh học thông dụngnhất hiện nay trên thế giới vì có khả năng sản xuất ở quy mô công nghiệp từnguyên liệu chứa đường như mía, củ cải đường và nguyên liệu chứa tinh bột như:ngũ cốc, khoai tây, sắn…

* Nguyên liệu để sản xuất xăng sinh học:

 Cây nông phẩm chứa đường như mía, củ cải đường, nông phẩmchứa tinh bột gồm hạt ngũ cốc như lúa mì, lúa, bắp,…và củ như khoai tây, khoai

mì, khoai lang

 Nông phẩm chứa dầu như đậu, đậu phộng, hột cải dầu, hạt…

 Thực vật hoang dại như tảo nước ngọt, tảo biển, cỏ Vetiver, cỏ voi(Elephant grass, Pennisetum Purpureum), cỏ tranh (Imperata cylindrica),…

 Phó thực vật từ sản xuất cây nông phẩm và cây kỹ nghệ: rơm rạ, bãmía, thân, gỗ, mùn cưa, trấu, hột cao su, hạt bông vải

 Ngoài ra còn có một số loại nguyên liệu khác như giấy phế thải, rácthải thành phố, phế thải chuồng trại gia súc (phân chuồng)

* Phương pháp sản xuất xăng sinh học:

Để sản xuất cồn tuyệt đối người ta tiến hành các bước như sau:

 Xử lý nguyên liệu và tiền xử lý

 Đường hoá và lên men

 Tinh chế sản phẩm (chưng cất, tách nước, bốc hơi, tách lỏng rắn)

* Ưu nhược điểm khi sử dụng xăng sinh học:

 Ưu điểm: sử dụng ethanol làm nhiên liệu là một biện pháp nhằm làmtăng chỉ số octane của xăng, thay thế cho những phụ gia gây ô nhiễm môi trường,đảm bảo an toàn năng lượng cho mỗi quốc gia vì đây là nguồn năng lượng có khảnăng tái tạo được

 Nhược điểm: chi phí bảo quản và tồn chứa gasohol cao do tính hút

ẩm của Ethanol, khi dùng ethanol để pha trộn vào xăng sẽ làm giảm công suấtđộng cơ so với khi dùng xăng

Tóm lại, việc sử dụng gasohol có nhiều ưu điểm nhưng cũng có những mặthạn chế Tuy nhiên khi phân tích tương quan giữa các mặt lợi và hại người ta vẫnthấy mặt lợi lớn hơn, mang nhiều ý nghĩa chiến lược hơn Như vậy việc sản xuất

và sử dụng gasohol nói chung hay Ethanol nói riêng là một trong những xu thế tấtyếu mang tính cấp bách và cần thiết cho nhu cầu hiện nay ở Việt Nam cũng nhưcác nước trên thế giới

1.2 Lý thuyết tổng quan về ethanol

1.2.1 Sơ lược về Ethanol

1.2.1.1 Tính chất Ethanol

Ethanol (C2H5OH) là một hợp chất hữu cơ dạng lỏng, nằm trong dãy đồngđẳng của rượu metylic, dễ cháy, không màu, có mùi thơm, vị cay, nhẹ hơn nước,khối lượng riêng là 0.789 g/ml ở 15oC, sôi ở nhiệt độ 78.15oC, hóa rắn ở âm114.3oC, tan vô hạn trong nước Sở dĩ ethanol tan trong nước vô hạn và có nhiệt độsôi cao hơn nhiều so với este hay aldehyde có khối lượng phân tử xấp xỉ là do sựtạo thành liên kết hydro giữa các phân tử rượu với nhau và với nước

Hình 1.3 – Công thức 3D của ethanol

Sau đây là bảng thống kê một vài thông số thể hiện tính chất của ethanol:

Bảng 1.1 – Bảng thống kê một vài tính chất của ethanol

Tên khác Rượu etylic, Cồn,

Hydroxyetan

Độ hòa tan trong

Công thức phân tử C2H5OH hay C2H6O Điểm nóng chảy -114.3

oC(158.7K)

Biểu hiện Chất lỏng trong suốt pKa

15.9(H+ từ nhóm –OH)

Trong sự hiện diện của chất xúc tác axit (thông thường là axit sulfuric

H2SO4 đậm đặc) ethanol phản ứng với các axit cacboxylic để tạo ra este:

CH3CH2OH + RCOOH → RCOOCH2CH3 + H2OHai etyle este được sản xuất nhiều nhất là etyle acrylat (từ ethanol và axitacrylic) và etyle axetat (từ ethanol và axit axetic) Etyle acrylat là một đơn phân tửđược sử dụng trong sản xuất polyme acrylat có công dụng làm chất kết dính haycác vật liệu che phủ Etyle axetat là dung môi phổ biến sử dụng trong sơn, các vật

liệu che phủ và trong công nghiệp dược phẩm Các etyle este khác cũng được sửdụng trong công nghiệp nhưng với sản lượng ít hơn như là các chất tạo mùi hoaquả nhân tạo.

 Dấm

Dấm là dung dịch loãng của axit axetic được điều chế bằng phản ứng của vikhuẩn Acetobacter trên dung dịch ethanol Mặc dù theo truyền thống người ta điềuchế dấm từ các đồ uống chứa cồn như rượu vang, rượu táo và bia nhưng dấm cũng

có thể điều chế từ các dung dịch ethanol công nghiệp Dấm điều chế từ ethanolchưng cất được gọi là “dấm chưng cất” và nó được sử dụng phổ biến trong ngâmdấm thực phẩm hay làm gia vị

 Etylamin

Khi nung nóng tới 150 – 220oC trên chất xúc tác Niken gốc silica- hayalumina-, ethanol và amoniac phản ứng với nhau để tạo ra etylamin Các phản ứngtiếp theo tạo ra dietylamin và trietylamin

CH3CH2OH + NH3 → CH3CH2NH2 + H2O

CH3CH2OH + CH3CH2NH2 → (CH3CH2)2NH + H2O

CH3CH2OH + (CH3CH2)2NH → (CH3CH2)3N + H2OCác etylamin được sử dụng trong việc tổng hợp các dược phẩm, hóa chấtnông nghiệp và các chất hoạt tính bề mặt

1.2.1.2.2 Ethanol nhiên liệu

Ethanol nhiên liệu cũng là ethanol (cùng một loại với ethanol trong rượuvới các sản phẩm có chứa cồn) được sử dụng như một loại nhiên liệu, thực chất đó

là nhiên liệu sinh học có thể sử dụng thay thế cho xăng dầu Bởi vì nó được sảnxuất dễ dàng từ những loại cây trồng phổ biến như mía, ngô, sắn, xác thực vật thângỗ,… 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 Octane cao nên thường dùng để pha vàoxăng, phổ biến nhất là tỉ lệ 10% ethanol và 90% xăng (xăng E10) Loại xăng nàyvẫn dùng được cho các loại động cơ xăng truyền thống mà không cần phải thay đổiđộng cơ cho phù hợp với hỗn hợp nhiên liệu xăng - ethanol Trên thế giới đã xuấthiện các dòng xe gọi là FFV (Flexible - Fuel Vehicles) sử dụng tốt hỗn hợp nhiên

liệu ethanol lẫn xăng nhưng tốt nhất là E85 (85% ethanol và chỉ 15% xăng truyềnthống) chứ không phải E100 (100% ethanol) như các dòng xe Chevrolet Corsa,Chevrolet Astra hay Saab BioPower.

1.2.1.2.3 Các ứng dụng khác

Ethanol tinh khiết và ethanol 95% là các dung môi tốt và được sử dụngtrong các loại nước hoa, sơn, cồn thuốc Các tỷ lệ khác của ethanol với nước haycác dung môi khác cũng có thể dùng làm dung môi

Các loại đồ uống chứa cồn có hương vị khác nhau do có các hợp chất tạomùi được hòa tan trong nó trong quá trình ủ và nấu rượu Khi ethanol được sảnxuất như là đồ uống hỗn hợp thì nó là rượu ngũ cốc tinh khiết

Dung dịch chứa 70% ethanol chủ yếu được sử dụng như là chất tẩy uế.Ethanol cũng được sử dụng trong các gel vệ sinh kháng khuẩn phổ biến nhất ởnồng độ khoảng 62% Khả năng khử trùng tốt nhất của ethanol khi nó ở trong dungdịch khoảng 70%, nồng độ cao hơn hay thấp hơn của ethanol có khả năng khángkhuẩn kém hơn Ethanol giết chết các vi sinh vật bằng cách biến tính protein củachúng và hòa tan lipit của chúng Nó hiệu quả trong việc chống lại phần lớn cácloại vi khuẩn và nấm cũng như nhiều loại virus, nhưng không hiệu quả trong việcchống lại các bào tử vi khuẩn

Rượu vang chứa ít hơn là 16% ethanol nên không tự bảo vệ được chúngtrước vi khuẩn Do điều này, vang Bordeaux thông thường được làm nặng thêmbằng ethanol tới ít nhất 18% ethanol theo thể tích để ngăn chặn quá trình lên mennhằm duy trì độ ngọt và trong việc pha chế để lưu trữ, từ thời điểm đó nó có khảnăng ngăn chặn vi khuẩn phát triển trong rượu, cũng như có thể lưu trữ lâu nămtrong các thùng gỗ, bằng cách này vang Bordeaux có thể lưu trữ lâu năm mà không

bị hỏng Do khả năng sát khuẩn của ethanol nên các đồ uống chứa trên 18%ethanol theo thể tích đều có khả năng bảo quản lâu dài

1.2.1.3 Cơ chế phụ gia của Ethanol khi pha vào xăng

Ethanol có trị số octane cao RON = 120 ÷ 135, MON = 100 ÷ 106, thườngđược pha vào xăng với hàm lượng 10 ÷ 15% khối lượng Khi pha ethanol vào xăng

do bản thân nó là chất có trị số octane cao do đó sẽ làm tăng trị số octane của xăng

Mặt khác, do bản thân quá trình cháy trong động cơ xăng là quá trình cháycưỡng bức, việc tận dụng không khí trong buồng đốt sẽ không hoàn toàn Do đó sẽ

có nhiên liệu cháy trong điều kiện thiếu oxy, dẫn đến sản phẩm cháy không hoàntoàn (sản phẩm cháy bẩn) Khi ta đưa ethanol vào ở dạng phụ gia thì quá trìnhcháy trong động cơ sẽ:

 Cháy hoàn toàn nhờ có oxy sẵn có trong ethanol nên ta giảm thiểuđược quá trình thải các khí độc hại ra môi trường

 Giảm tiêu tốn nhiên liệu

Chính sự bổ sung thêm oxy vào hỗn hợp cháy để đảm bảo quá trình cháyhoàn toàn, sản phẩm cháy sạch hơn Việc sử dụng ethanol pha vào xăng đang làhướng phát triển có triển vọng nhất vì nó có những ưu điểm sau:

 Có trị số octane cao thay thế những phụ gia độc hại với con người

 Có hàm lượng oxy lớn hơn so với MTBE, ETBE, TAME,…

 Động cơ sử dụng xăng pha ethanol dễ khởi động, vận hành ổn địnhhơn so với các loại phụ gia khác Công nghệ sản xuất đơn giản hơn và tậndụng được nhiều nguồn nguyên liệu sẵn có

Bên cạnh đó việc sử dụng phụ gia ethanol cũng có những nhược điểm đó là:khả năng bảo quản phụ gia ethanol là rất khó (đây là nhược điểm quan trọng nhất),giá thành của nhiên liệu tương đối cao

1.2.1.4 Tình hình sản xuất Ethanol trên thế giới

Dẫn đầu trong công nghiệp sản xuất ethanol năm 2006 là Hoa Kỳ với 4.855

tỷ gallon và Brazil với 4.49 tỷ gallon, chiếm 70% tổng lượng ethanol của thế giới

là 13.5 tỷ gallon (khoảng 40 triệu tấn) Năm 2007, Hoa Kỳ và Brazil tiếp tục chiếm88% trong tổng số 13.1 tỷ gallon ethanol được sản xuất trên thế giới Được khuyếnkhích mạnh mẽ, công nghiệp sản xuất ethanol cũng phát triển nhanh ở một số quốcgia như Thái Lan, Colombia và một số quốc gia Trung Mỹ

Bảng 1.2 – Sản lượng ethanol nhiên liệu ở 10 nước dẫn đầu trên thế giới

Nguồn: en.wikipedia.org

Tình hình sản xuất ethanol nhiên liệu ở các nước trên thế giới

(2007–2011) Tốp 10 quốc gia/khu vực dẫn đầu

(Triệu gallons của Mỹ/năm )

ra gần 1 triệu việc làm, và tiết kiệm được 60 tỉ đôla tiền nhập khẩu dầu trong 3

thập niên vừa qua Số tiền này lớn gấp 10 lần tổng số tiền đầu tư vào chương trìnhnày, và gấp hơn 50 lần số tiền trợ cấp ban đầu Các chính sách quan trọng củachính phủ Brazil để thúc đẩy sự bùng nổ của nguồn nhiên liệu mới này bao gồm:việc tiêu thụ được đảm bảo bởi công ty dầu khí quốc doanh Petrobras; cho cáchãng sản xuất ethanol vay với lãi suất thấp; giữ giá ethanol ổn định, bằng 59% giáxăng do nhà nước qui định Có gần 25% lượng xăng đã được thay thế bằng cồnethanol, số cồn được sản xuất trên 5% diện tích đất nông nghiệp.

Hình 1.4 – Một trong những nhà máy chế tạo nhiên liệu sinh học tại Mỹ

1.2.1.5 Tình hình sản xuất Bioethanol tại Việt Nam

Ngày 20/11/2007, Thủ Tướng Chính Phủ đã chính thức phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” (Quyết định

số 177/QĐ-TTg), trong đó năm 2010 sản xuất được 100.000 tấn xăng E5/năm và

50.000 tấn B5/năm (dầu diesel sinh học), đảm bảo 0.4% nhu cầu nhiên liệu cảnước và đến năm 2025 sẽ có sản lượng hai loại sản phẩm này đủ đáp ứng 5% nhucầu thị trường nội địa Đề án cũng đưa ra 6 giải pháp quan trọng nhằm phát triểnnăng lượng sinh học và kiến lập thị trường để đưa ngành này từng bước hội nhậpvới thế giới

Để thực hiện chiến lược này, PetroVietNam dự kiến từ 2011 đến 2015 sẽđưa 3 nhà máy ethanol sinh học ở Quảng Ngãi, Phú Thọ, Bình Phước vào hoạt

động với tổng công suất 300.000 tấn/năm và từ sản phẩm này sẽ pha thành nhiênliệu E5 – E10, đáp ứng khoảng 20% tổng nhu cầu tiêu thụ xăng sinh học cả nước.

Từ năm 2008 đến nay Việt Nam đã có 4 dự án sản xuất ethanol sinh học từ sắn láthoặc rỉ đường để trộn với xăng thành gasohol Hiện nay có một nhà máy sản xuấtcồn nhiên liệu lớn nhất Việt Nam, cũng là 1 trong 3 nhà máy lớn nhất khu vựcĐông Nam Á đã đi vào hoạt động tại xã Đại Tân, huyện Đại Lộc, Quảng Nam

Hình 1.5 ‒ Hình ảnh về nhà máy sản xuất Bioethanol ở Đại Lộc – Quảng Nam

Nhà máy sản xuất này do công ty Cổ phần Đồng Xanh làm chủ đầu tư đãhoạt động thử nghiệm được 7 tháng, với sản phẩm chính là cồn nhiên liệu hay còngọi là cồn tuyệt đối (99.5%) dùng để pha với xăng tạo thành xăng sạch (xăng E5)

Mẻ cồn đầu tiên của Công ty cổ phần Đồng Xanh (Quảng Nam) đạt 120.000lit/ngày đã ra lò vào tháng 10/2009, góp phần đưa tổng sản lượng cồn của ViệtNam trong năm này đạt 50 triệu lit/năm

Tuy nhiên giá cồn trên thị trường trong nước đã tăng từ 5000 đồng/lit năm

2001 lên 13.000 đồng/lit năm 2010 và đến tháng 5/2012 là 30.000 đồng/lit (giá

được tính đến ngày 15/05/2012 – Nguồn www.vatgia.com) trở thành giá cao hơn

giá bán trong khu vực Sở dĩ có tình trạng này vì quy mô sản xuất nhỏ, công nghệlạc hậu, chưa sử dụng nhiều loại nguyên liệu khác rẻ hơn, chưa tận dụng các phụphẩm để hạ giá thành sản phẩm, quan trọng nhất là do ảnh hưởng của sự tăngmạnh giá xăng dầu trên thế giới Hiện nay, toàn quốc đã có 40 trạm cung cấp xăng

E5 Dự kiến, đến năm 2015, sẽ có hơn 4.000 điểm bán xăng E5 trên cả nước, sẵnsàng phục vụ nhu cầu của người dân muốn sử dụng xăng sinh học để bảo vệ môitrường Số trạm cung cấp xăng sẽ tăng tùy theo tình hình sản xuất ethanol trongnước 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 trợViệt 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 liệusinh học ở Việt Nam của Hàn Quốc sản xuất diesel sinh học và các hóa chất tinhkhiết thân thiện với môi trường từ dầu thực vật v.v…

Gần đây, nhiều dự án xây dựng nhà máy sản xuất Bioethanol được khởicông 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 Bioethanol 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 Bioethanol 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 liệuchính

Bảng tóm tắt các dự án xây dựng Nhà máy ethanol nhiên liệu tại Việt Namnhư sau:

Bảng 1.3 – Các dự án xây dựng nhà máy Bioethanol tại Việt Nam

Nguồn: Tổng hợp từ Báo Thanhnien số 142 (5994)

và ORIENT BIOFUELS của TS Trần Ngọc Toản, Vietnamnet

Thống kê năm 2012

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 ĐồngXanh Đã hoạt độngNhà máy Cư-Dút, 50 Tháng 12/2008 Công ty Đại Việt Đang chạy thử

Đắc Nông Triệu lít/năm

Nhà máy Tam

Nông,

Phú Thọ

100Triệu lít/năm Tháng 6/2011

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

100Triệu lít/năm Tháng 7/2011

Liên doanhITOCHU Nhậtbản và PV OIL

Dự kiến quý Inăm 2010 kýhợp đồng EPC

và khởi công

1.2.2 Quy trình chung sản xuất ethanol nhiên liệu

Các bước cơ bản trong quá trình sản xuất ethanol quy mô lớn là lên menđường, chưng cất và tách nước (quá trình này tùy tiêu chuẩn và mục đích thu sảnphẩm ethanol mà có các công nghệ khác nhau) Trước khi lên men một số nguyênliệu từ nông nghiệp cần phải qua quá trình dịch hóa và đường hóa các hydratcacbon (xenlulozo, tinh bột) thành đường Quá trình này thực hiện nhờ enzym

1.2.2.1 Quá trình lên men (Fermentation)

Ethanol để sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng như phần lớn ethanol sửdụng làm nhiên liệu được sản xuất bằng cách lên men Khi một số loại men nhấtđịnh (quan trọng nhất là saccharomyces cerevisiae) chuyển hóa đường trong điềukiện không có oxy (gọi là yếm khí) chúng tạo ra ethanol và khí cacbonic Phản ứnghóa học tổng quát có thể viết như sau:

C6H12O6 → 2CH3CH2OH + 2CO2Quá trình nuôi cấy men theo các điều kiện để sản xuất ethanol được gọi làquá trình ủ hay quá trình lên men rượu

Để sản xuất ethanol từ các nguyên liệu chứa tinh bột như hạt ngũ cốc thìtrước tiên chúng phải được chuyển hóa thành đường Trong quá trình ủ men, theotruyền thống nó được tạo ra bằng cách cho hạt nảy mầm hay ủ 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 glucozo

được thực hiện nhanh chóng hơn bằng cách xử lý hạt với axit sulfuric, enzym nấmamylaza hay tổ hợp của cả hai phương pháp.

Quá trình lên men để sản xuất ethanol có thể thu được từ xenlulozo Việcthực hiện công nghệ này có thể giúp chuyển hóa một loạt các phế thải và phụ phẩmnông nghiệp chứa nhiều xenlulozo, chẳng hạn lõi ngô, rơm rạ hay mùn cưa thànhcác nguồn năng lượng tái sinh Cho đến gần đây thì giá thành của các enzymecellulas có thể thủy phân xenlulozo là rất cao Hãng Iogen ở Canada đã đưa vàovận hành xí nghiệp sản xuất ethanol trên cơ sở xenlulozo đầu tiên vào năm 2004

Phản ứng thủy phân xenlulozo gồm các bước:

 Bước 1: thủy phân xenlulozo thành đường mantozo dưới tác dụngcủa men amylaza

1.2.2.2 Quá trình chưng cất (distillation)

Để có thể sử dụng ethanol làm nhiên liệu thì nước cần được loại bỏ gần nhưhoàn toàn Phần lớn nước được loại bỏ bằng quá trình chưng cất, nhưng độ tinhkhiết bị giới hạn khoảng 95.57% do điểm đẳng phí của hỗn hợp nước – ethanol

Hình 1.6 – Giãn đồ điểm đẳng phí của hỗn hợp ethanol – nước (1bar)

Hỗn hợp Ethanol - nước 95.57% khối lượng (hay 96% thể tích ethanol) cóthể đã từng được sử dụng để chạy động cơ nhưng người ta nhận thấy nó không phùhợp để pha vào xăng truyền thống mà phải là ethanol tinh khiết (hàm lượng nướcphải nhỏ hơn 1%) Do đó sau quá trình chưng cất ethanol cần phải được xử lý táchnước để thu được sản phẩm ethanol tinh khiết (hay ethanol tuyệt đối) dùng pha vàoxăng chạy trên động cơ xăng thông thường

1.2.2.3 Quá trình tách nước (dehydration)

Quá trình này còn có thể gọi là quá trình làm tinh khiết ethanol Có nhiềucông nghệ nhằm mục đích tách nước ra khỏi ethanol cả trong phòng thí nghiệm vàtrong công nghiệp như chưng cất đẳng phí, dùng chất hút ẩm, hấp phụ bằng râyphân tử hay mới nhất là công nghệ dùng màng lọc Công nghệ nào cũng có hai mặtcủa nó, có công nghệ chi phí đầu tư thấp nhưng nồng độ ethanol chưa cao, có côngnghệ thì thu được nồng độ ethanol cao nhưng chi phí đầu tư ban đầu khá lớn Tómlại, tùy vào mục đích sử dụng ethanol, nồng độ cần đạt đến của ethanol và điềukiện đầu tư mà người ta sử dụng công nghệ cho phù hợp Mặc dù công nghệ sau ra

đời có khả năng tách ưu việt hơn công nghệ trước nhưng các công nghệ cũ vẫn cònphổ biến ở nhiều quốc gia.

1.2.3 Một số lưu đồ sản xuất bioethanol

1.2.3.1 Sản xuất Bioethanol từ tinh bột

Bioethanol hiện nay sản xuất dựa vào nguồn nguyên liệu tinh bột (lúa, sắn,hạt bắp,…) Dưới đây là một số lưu đồ đại diện cho quá trình sản xuất bioethanol

từ tinh bột:

Hình 1.7 – Lưu đồ sản xuất Bioethanol của Lurgi từ lúa gạo

Hình 1.8 – Lưu đồ sản xuất Bioethanol từ hạt bắp

1.2.3.2 Sản xuất Bioethanol từ rỉ đường

Rỉ đường là nguyên liệu chứa các loại đường không tinh khiết thu đượctrong quá trình sản xuất đường, tỷ lệ rỉ đường chiếm 3 ÷ 3.5% trọng lượng nước

mía Rỉ đường còn dùng làm thức ăn gia súc, dùng trong các ngành công nghiệpkhác Nhưng để giải quyết lượng rỉ đường của nhà máy đường thì chủ yếu dùng đểsản xuất ethanol.

Rỉ đường là nguồn nguyên liệu quan trọng để sản xuất rượu, nó phù hợp với

4 điều kiện để sản xuất rượu:

 Giá rẻ và không có tạp chất độc hại

 Sản lượng nhiều

 Sử dụng tiện lợi

 Nguồn cung cấp phổ biến

Vậy việc sử dụng rỉ đường để sản xuất rượu là tối ưu, một mặt sử dụng triệt

để phế liệu, mặt khác hạn chế việc sử dụng các loại lương thực chứa tinh bột như:sắn, ngô, khoai để sản xuất Bioethanol Quá trình sản xuất ethanol từ rỉ đường trảiqua các công đoạn chính sau:

1.2.3.3 Sản xuất Bioethanol từ Xenlulozo

Sản xuất bioethanol đi từ xenlulozo là một hướng mới đang trong giai đoạnphát triển và nghiên cứu vì một phần ảnh hưởng của việc sản xuất bioethanol đếnnguồn lương thực thế giới khi đi từ nguyên liệu tinh bột Vì các đơn vị cơ bản củaxenlulozo vẫn là glucozo nên nguyên tắc chung để thu được ethanol vẫn là các quátrình lên men, chưng cất và tách nước như với nguyên liệu tinh bột

Hình 1.9 – Lưu đồ chung sản xuất bioethanol từ nhiều nguồn nguyên liệu Tóm lại: Ethanol sinh học có khả năng thay thế hoàn toàn xăng sản xuất từ dầu mỏ

hoặc có thể pha trộn với xăng để tạo ra xăng sinh học Trên thị trường ta thườnggặp các loại xăng sinh học như E5, E20, E85…Các loại xăng thấp hơn E25 đượcdùng trực tiếp cho động cơ chạy xăng thông thường, không phải chỉnh sửa, cải tạomáy Dùng loại xăng này vừa giảm sự phụ thuộc nhập khẩu xăng sản xuất từ dầu

mỏ, vừa nâng cao chỉ số octane của xăng, lại giảm lượng khí phát thải độc hại Tuynhiên với các công nghệ sản xuất ethanol hiện nay thì chỉ thu được 96% thể tíchethanol, do ethanol tạo điểm đẳng phí với nước nên chưng cất thông thường khôngthể tạo ra ethanol tinh khiết hơn 96%, vì vậy việc tách nước để tạo ethanol tuyệtđối (hơn 99.8% thể tích) là điều cần thiết Sau đây, em xin trình bày một vài côngnghệ tách nước chính cho hỗn hợp ethanol – nước

CHƯƠNG 2 CÁC CÔNG NGHỆ TÁCH NƯỚC CỦA ETHANOL

2.1 Phương pháp chưng cất

2.1.1 Pressure Swing Distillation (PSD)

PSD là một dạng chưng cất đặc biệt để tách hỗn hợp đẳng phí mà không cầntiêu tốn thêm dung môi nào khác Công nghệ này gồm nhiều tháp chưng cất vậnhành ở các áp suất khác nhau để bẻ gãy điểm đẳng phí Tháp đầu tiên vận hành ởmột áp suất nào đó để tách một lượng nhỏ ethanol từ hỗn hợp Phần cất từ thápnày tiếp tục được đưa qua tháp tiếp theo vận hành ở một áp suất khác để tách mộtlượng nhỏ ethanol nữa Dòng đáy tháp hồi lưu, nhập lại với dòng nguyên liệu banđầu Quá trình được lặp lại cho đến khi thu được ethanol có nồng độ cao

Hình 2.1 – Chưng sử dụng hai tháp chưng cất với áp suất khác nhau

Phương pháp này không hiệu quả vì ethanol thu được có nồng độ chưa cao,cùng với việc phải dùng nhiều tháp chưng cất nên chi phí lắp đặt là khá lớn

2.1.2 Chưng luyện trích ly với muối khan

- Chưng luyện trích ly có thể tạo ra độ sạch cao hơn các tháplàm sạch thông thường Cả vốn đầu tư và chi phí vận hành đều giảm

- Phương pháp này sử dụng tác nhân là muối nên tương đối

dễ kiếm và rẻ tiền Thiết bị vận hành đơn giản, nồng độ sản phẩm ethanol cao hơn96% thể tích

2.1.3 Chưng cất chân không

Tiến hành chưng cất Ethanol công nghiệp ở áp suất chân không để phá vỡđiểm đẳng phí của hỗn hợp ethanol – nước

Dưới áp suất chân không, hỗn hợp ethanol – nước có những điểm đẳng phíkhác nhau

Bảng 2.1 – Các điểm đẳng phí của hỗn hợp ethanol ‒ nước

Áp suất (mmHg) Nhiệt độ sôi (oC) Hàm lượng rượu trong hỗn hợp

Tuy nhiên phương pháp này không có tính khả thi vì chi phí lắp đặt và vận

hành khá lớn sẽ đẩy giá cồn khan tăng cao

2.1.4 Chưng cất đẳng phí (Azeotropic Distillation)

Đây là phương pháp được sử dụng phổ biến trong công nghiệp Nguyên tắccủa phương pháp này là ta đưa vào ethanol công nghiệp một chất mới làm thay đổi

độ bay hơi tương đối của các cấu tử trong hỗn hợp, tạo hỗn hợp đẳng phí mới gồm

ba cấu tử: cấu tử mới, nước và ethanol có nhiệt độ sôi thấp hơn hỗn hợp đẳng phíban đầu Nhờ vậy có thể tách nước khỏi ethanol.

Yêu cầu của chất mới thêm vào:

 Có độ bay hơi lớn hơn các cấu tử trong hỗn hợp

 Tạo hỗn hợp đẳng phí với cấu tử cần tách (hoặc tạo hỗn hợp đẳng phí bacấu tử) ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ của hỗn hợp đẳng phí ban đầu

 Không hòa tan cấu tử cần tách, dễ dàng thu hồi

 Rẻ tiền, dễ kiếm

Ở đây dùng dung môi để tách một hỗn hợp đẳng phí ethanol – nước thường

là n-Heptane, Benzen hoặc Cyclohexane được gọi là Entrainer Do n-Heptane haycyclohexane có ưu điểm trội hơn là nó không độc hại bằng benzen khi có mặttrong sản phẩm nên vẫn được sử dụng nhiều hơn

Hỗn hợp ethanol ‒ nước sau quá trình chưng cất thông thường chỉ đạt đượcnồng độ ethanol tối đa là 95.57% về khối lượng do khi đó hỗn hợp đã đạt đến trạngthái đẳng phí Để đạt được nồng độ ethanol lớn hơn không thể tiếp tục tiến hànhchưng cất thông thường nữa mà phải tiến hành chưng cất đẳng phí bằng cách thêmvào một cấu tử thứ ba (Entrainer) để phá vỡ điểm đẳng phí

Để phá vỡ điểm đẳng phí của hỗn hợp ethanol ‒ nước trong quá trình chưngcất giả sử thêm vào một lượng nhỏ Benzen, và hỗn hợp này thực hiện quá trìnhchưng cất phân đoạn một lần nữa Benzen tạo điểm sôi hỗn hợp cấp ba với nước vàethanol ở 64.85oC nhằm tách ethanol ra khỏi nước, và điểm sôi hỗn hợp cấp haivới ethanol nhằm tách phần lớn benzen Tuy nhiên, một lượng rất nhỏ benzen vẫncòn lẫn trong sản phẩm vì thế việc sử dụng ethanol này với người có thể gây tổnhại cho gan và hệ trung ương thần kinh Việc sử dụng cyclohexane cũng mang lạihiệu quả như benzen và nó không độc như benzene, nên benzen đã bị cấm sử dụng

ở nhiều nước trên thế giới do tác hại gây ung thư của nó

Hình 2.2 – Tách hỗn hợp đẳng phí ethanol ‒ nước bằng Benzen

Ethanol 10% sau quá trình lên men được đưa qua thiết bị tinh chế MashColumn và Rectification Column

Hình 2.3 – Công nghệ chưng cất đẳng phí sử dụng Cyclohexane

Sau khi ra khỏi tháp Rectification nồng độ ethanol đạt khoảng 55% , tiếptục được đưa vào tháp chưng cất đẳng phí sử dụng cyclohexane Sản phẩm đỉnhđược làm lạnh sau đó được ngưng tụ, cyclohexane lắng xuống phía dưới đáy vàđược hồi lưu về tháp chưng cất, phần còn lại ở bình lắng được đưa vào tháp hồilưu dung môi (Recovery Column) Dung môi đi ra phía đỉnh được làm lạnh và đưavào thiết bị lắng rồi trở về tháp chưng cất đẳng phí Nước được đưa ra từ đáy củatháp hồi lưu dung môi với hàm lượng ethanol khoảng 100ppm Sản phẩm đáy ởtháp chưng cất đẳng phí là ethanol gần như tuyệt đối (khoảng 99.59%)

Hình 2.4 – Sơ đồ mô phỏng công nghệ chưng đẳng phí sử dụng tác nhân Cyclohexane

* Ưu nhược điểm của công nghệ chưng cất đẳng phí

- Yêu cầu về năng lượng nhiệt cao, để làm bay hơi dung môitrong quá trình chưng cất

- Dễ gây ô nhiễm môi trường nếu dung môi bị rò rỉ

- Giá thành sản phẩm tương đối cao

2.1.5 Chưng cất trích ly (Extractive Distillation)

Nguyên t ắc : Hỗn hợp Ethanol – nước có nhiệt độ sôi gần nhau tạo thành

dung dịch đẳng phí ở 78.15oC áp suất 101.3 kPa Với hỗn hợp này không thể dùngphương pháp chưng luyện thông thường để tách các phân tử ra ở dạng nguyên chất

dù tháp vô cùng cao và lượng hồi lưu là rất lớn Phương pháp chưng luyện trích lythực hiện bằng cách đưa thêm cấu tử phân ly có tác dụng phá vỡ hỗn hợp đẳng phí,làm tăng độ bay hơi tương đối của một phần tử trong hỗn hợp

Hình 2.5 – Sơ đồ chưng cất trích ly thông dụng

Chưng cất trích ly bằng Ethyleneglycol là một công nghệ bốc hơi một phần

của các cấu tử khó bay hơi và với dung môi (Entrainer) ở nhiệt độ cao không tạo

thành hỗn hợp đẳng phí với các cấu tử ban đầu trong hỗn hợp đẳng phí ban đầu.Trong công nghệ này gồm hai tháp chưng cất: một tháp chưng cất trích ly và một

tháp hồi lưu lại dung môi trích ly Dung môi này đưa vào đĩa thứ ba của tháp trích

ly, còn hỗn hợp đẳng phí nạp vào giữa tháp Tại đỉnh của tháp trích ly thu được sảnphẩm ethanol khan và ở đáy dòng ra là hỗn hợp của nước – Ethyleneglycol đượcđưa vào tháp thứ hai để hồi lưu dung môi Trong tháp này, nước được tách ra ởđỉnh tháp và đáy là Ethyleneglycol sạch được hồi lưu lại tháp trích ly