Nhóm sinh viên thực tập chúng em xin chân thành cám ơn TS. Nguyễn Đình Quân – Trƣởngphòng thí nghiệm Năng Lƣơng Sinh Học – Trƣờng đại học Bách Khoa TPHCM – Đại Học QuốcGia TPHCM – đã tạo điều kiện thuận lợi để chúng em có cơ hội đƣợc thực tập tại phòng thínghiệm. Đây là cơ hội để chúng em đƣợc tiếp xúc trực tiếp, tìm hiểu các thiết bị, các quá trìnhhóa lý và hóa học đã đƣợc học tập trong điều kiện thực tế, các yếu tố kỹ thuật và quy trình vậnhành sản xuất thực tế. Qua đó, quá trình thực tập đã giúp chúng em củng cố thêm những kiếnthức đã đƣợc học và cũng biết cách sơ bộ vận hành vào thực tế.Ngoài những kiến thức chuyên môn ra, chúng em còn học hỏi đƣợc rất nhiều kỹ năng, tinhthần làm việc nghiêm túc, tuân thủ chặc chẽ kỹ luật và nội quy an toàn lao động của các thầy côvà các anh chị kỹ sƣ đang công tác tại phòng thí nghiệm. Đây là những tố chất rất quan trọng vàcần thiết cho ngƣời kỹ sƣ.Chúng em cũng xin gởi lời cám ơn đến kỹ sƣ Lê Nguyễn Phúc Thiên – Tổ trƣởng phòngphân tích của phòng thí nghiệm. Anh chính là ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn chúng em về quy trìnhcông nghệ và thiết bị, giải đáp những thắc mắc và chia sẻ kinh nghiệm, những tình huống thực tếgặp phải trong suốt thời gian anh công tác tại phòng thí nghiệm.Chúng em xin cảm ơn khoa Kỹ Thuật Hóa Học và bộ môn Quá Trình Thiết Bị đã tạo cơhội cho chúng em đƣợc thực tập tại phòng thí nghiệm. Cám ơn thầy Nguyễn Sĩ Xuân Ân đã tậntâm hƣớng dẫn và tạo những điều kiện thuận lợi nhất cho chúng em. Hy vọng khoa và bộ môn sẽtạo ra thêm nhiều cơ hội thực tập bổ ích cho sinh viên có cơ hội đƣợc học hỏi những kiến thứcthực tế cũng nhƣ những kỹ năng cần thiết cho môi trƣờng lao động chuyên nghiệp sau này.
Trang 1KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC – DẦU KHÍ
BỘ MÔN MÁY VÀ THIẾT BỊ -
BÁO CÁO THỰC TẬP QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ Đơn vị thực tập : Phòng thí nghiệm Năng Lƣợng Sinh Học Biomass Facility
SV :
Ngành :
Năm học 2016 - 2017
Trang 2LỜI CẢM ƠN
Nhóm sinh viên thực tập chúng em xin chân thành cám ơn TS Nguyễn Đình Quân – Trưởng phòng thí nghiệm Năng Lương Sinh Học – Trường đại học Bách Khoa TPHCM – Đại Học Quốc Gia TPHCM – đã tạo điều kiện thuận lợi để chúng em có cơ hội được thực tập tại phòng thí nghiệm Đây là cơ hội để chúng em được tiếp xúc trực tiếp, tìm hiểu các thiết bị, các quá trình hóa lý và hóa học đã được học tập trong điều kiện thực tế, các yếu tố kỹ thuật và quy trình vận hành sản xuất thực tế Qua đó, quá trình thực tập đã giúp chúng em củng cố thêm những kiến thức đã được học và cũng biết cách sơ bộ vận hành vào thực tế
Ngoài những kiến thức chuyên môn ra, chúng em còn học hỏi được rất nhiều kỹ năng, tinh thần làm việc nghiêm túc, tuân thủ chặc chẽ kỹ luật và nội quy an toàn lao động của các thầy cô
và các anh chị kỹ sư đang công tác tại phòng thí nghiệm Đây là những tố chất rất quan trọng và cần thiết cho người kỹ sư
Chúng em cũng xin gởi lời cám ơn đến kỹ sư Lê Nguyễn Phúc Thiên – Tổ trưởng phòng phân tích của phòng thí nghiệm Anh chính là người trực tiếp hướng dẫn chúng em về quy trình công nghệ và thiết bị, giải đáp những thắc mắc và chia sẻ kinh nghiệm, những tình huống thực tế gặp phải trong suốt thời gian anh công tác tại phòng thí nghiệm
Chúng em xin cảm ơn khoa Kỹ Thuật Hóa Học và bộ môn Quá Trình & Thiết Bị đã tạo cơ hội cho chúng em được thực tập tại phòng thí nghiệm Cám ơn thầy Nguyễn Sĩ Xuân Ân đã tận tâm hướng dẫn và tạo những điều kiện thuận lợi nhất cho chúng em Hy vọng khoa và bộ môn sẽ tạo ra thêm nhiều cơ hội thực tập bổ ích cho sinh viên có cơ hội được học hỏi những kiến thức thực tế cũng như những kỹ năng cần thiết cho môi trường lao động chuyên nghiệp sau này
Trang 3Nhận xét của đơn vị thực tập :
TPHCM, ngày tháng năm ĐƠN VỊ THỰC TẬP
Trang 4Nhận xét của giáo viên hướng dẫn :
TPHCM, ngày tháng năm GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Trang 5MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN 2
MỤC LỤC 5
DANH SÁCH BẢNG BIỂU VÀ BẢN VẼ 8
DANH SÁCH HÌNH VẼ 9
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ PHÒNG THÍ NGHIỆM 10
1.1 Lịch sử hình thành và phát triển 10
1.2 Địa điểm xây dựng 11
1.3 Cơ cấu tổ chức nhân sự 12
1.4 Sản phẩm và sơ đồ bố trí mặt bằng 13
1.5 Nội quy an toàn lao động 15
CHƯƠNG 2 : NGUYÊN LIỆU – SẢN PHẨM – CHẤT THẢI 16
2.1 Nguyên liệu 16
2.1.1 Rơm rạ 16
2.1.2 Vỏ trấu 18
2.1.3 Dung dịch xút 18
2.1.4 Dung dịch acid 18
2.1.5 Enzyme 18
2.1.6 Nấm men 18
2.1.7 Nước – không khí – LPG 19
2.1.8 Khí nén 19
2.2 Sản phẩm 19
2.2.1 Syngas 19
2.2.2 Hơi nước quá nhiệt 19
2.2.3 Ethanol 19
Trang 62.3 Chất thải 20
CHƯƠNG 3 : QUY TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL SINH HỌC 21
3.1 Sơ đồ khối 21
3.2 Quy trình công nghệ 21
3.3 Quy trình công nghệ lò hơi 23
3.3.1 Quá trình lọc bụi 23
3.3.2 Quá trình khí hóa 24
3.3.3 Quá trình đốt khí Syngas 24
3.3.4 Quá trình lò hơi 24
3.4 Quy trình công nghệ sản xuất Ethanol từ rơm 25
3.4.1 Quá trình cắt 25
3.4.2 Quá trình nổ hơi 25
3.4.3 Quá trình kiềm hóa 26
3.4.4 Quá trình lọc ép 27
3.4.5 Quá trình trung hòa 28
3.4.6 Quá trình tiệt trùng 28
3.4.7 Quá trình thủy phân và lên men đồng thời 28
3.4.8 Quá trình chưng cất 28
CHƯƠNG 4 : THIẾT BỊ CHI TIẾT 30
4.1 Lò khí hóa 30
4.1.1 Kích thước 30
4.1.2 Buồng khí hóa 30
4.1.3 Vật liệu chế tạo 30
4.1.4 Công suất 31
4.1.5 Năng suất 31
4.1.6 Thông số kỹ thuật 31
4.1.7 Nguyên tắc vận hành 31
4.1.8 Sự cố 32
4.2 Bồn thủy phân và lên men đồng thời 34
4.2.1 Kích thước 34
Trang 74.2.2 Cấu tạo 34
4.2.3 Vật liệu 34
4.2.4 Công suất 34
4.2.5 Năng suất 34
4.2.6 Cơ chế hoạt động 35
4.2.7 Thông số kỹ thuật 35
4.2.8 Nguyên tắc vận hành 35
4.2.9 Sự cố 37
4.3 Tháp chƣng cất 39
4.3.1 Kích thước 39
4.3.2 Cấu tạo 39
4.3.3 Vật liệu chế tạo 39
4.3.4 Năng suất 40
4.3.5 Hiệu suất 40
4.3.6 Công dụng 40
4.3.7 Vị trí nhập liệu và tháo liệu 40
4.3.8 Nguyên lý hoạt động 40
4.3.9 Thông số kỹ thuật 41
4.3.10 Khắc phục sự cố 41
NHẬN XÉT VÀ KIẾN NGHỊ 43
Trang 8DANH SÁCH BẢNG BIỂU VÀ BẢN VẼ
Bảng 2.1 : Phương pháp xử lý chất thải 20
Bản vẽ 1 : Quy trình công nghệ 22
Bản vẽ 2 : Lò khí hóa 33
Bản vẽ 3 : Bồn thủy phân và lên men đồng thời 38
Bản vẽ 4 : Tháp mâm chưng cất thô 42
Trang 9DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 : Phòng thí nghiệm – xưởng thực nghiệm nhiên liệu sinh học Biomass 10
Hình 1.2 : Vị trí phòng thí nghiệm 12
Hình 1.3 : Cơ cấu tổ chức nhân sự 12
Hình 1.4 : sơ đồ bố trí mặt bằng tầng trệt 13
Hình 1.5 : Bên trong xưởng thực nghiệm 14
Hình 1.6 : Sơ đồ thiết bị thí nghiệm tầng 1 14
Hình 1.7 : Sơ đồ thiết bị thí nghiệm tầng 2 15
Hình 2.1 : Cấu trúc của rơm 16
Hình 2.3 : Các đơn vị mắt xích của Lignin và cách liên kết 17
Hình 2.4 : Cơ chế lên men của nấm men 19
Hình 3.1 : Sơ đồ khối của quy trình sản xuất 21
Hình 3.2 : Quy trình công nghệ lò hơi 23
Hình 3.3 : Máy cắt thô và máy cắt tinh 25
Hình 3.4 : Máy nổ hơi 26
Hình 3.5 : Phản ứng giữa Lignin với dung dịch xút 27
Hình 3.6 : Máy ép và khung lọc 27
Hình 3.7 : Tháp chưng cất 29
Hình 4.1 : Các phân vùng bên trong lò khí hóa 32
Hình 4.2 : Sơ đồ đường ống thiết bị thủy phân và lên men đồng thời 37
Hình 4.3 : Sơ đồ tháp chưng cất thô 41
Trang 10CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ PHÒNG THÍ NGHIỆM
1.1 Lịch sử hình thành và phát triển
Dầu mỏ và khí Condensate có vai trò quan trọng trong nền công nghiệp năng lượng của thế giới Đây là nguồn nguyên liệu quan trọng nhất để sản xuất nhiên liệu phục vụ cho giao thông vận tải Tuy nhiên, dầu mỏ và khí Condensate cũng là nguồn tài nguyên không thể phục hồi sau khi khai thác cùng với những ảnh hưởng đến môi trường trong quá trình khai thác và vận chuyển yêu cầu con người cần phải tìm nguồn năng lượng khác hiệu quả hơn
Nhằm đáp ứng nhu cầu đó, Ethanol sinh học đã được xem xét và nghiên cứu để thay thế cho nhiên liệu xăng truyền thống để giảm các tác động môi trường và nguồn tài nguyên hóa thạch Hiện nay công nghệ sản xuất xăng sinh học từ ethanol với nguyên liệu sắn, ngô, khoai…rất phổ biến trên thế giới Tuy nhiên với nguồn nguyên liệu từ thực phẩm sẽ gây ảnh hưởng đến an ninh lương thực và lãng phí Do đó, xuất hiện nhiều nghiên cứu tìm kiếm nguồn nguyên liệu từ các phế phẩm nông nghiệp như rơm rạ, vỏ trấu, bã mía để sản xuất Ethanol
Hình 1.1 : Phòng thí nghiệm – xưởng thực nghiệm nhiên liệu sinh học Biomass
Trang 11Ở nước ta, dự án “Kết hợp bền vững nền nông nghiệp địa phương với công nghiệp chế biến biomass” do JICA (Japanese International Cooperation Agency - Cơ quan Hợp Tác Quốc Tế Nhật Bản) tài trợ, có nhiệm vụ xây dựng và phát triển công nghệ sản xuất Bio-Ethanol từ các nguồn biomass là phế thải nông nghiệp như rơm, rạ, vỏ trấu, bã mía…bước đầu đã thành công ở quy mô phòng thí nghiệm Sản phẩm sẽ được ứng dụng vào mục đích làm nhiên liệu cho động cơ và các thiết bị đốt công nghiệp Dự án JICA sẽ được thực hiện trong vòng 5 năm (2009 – 2014) trong khuôn khổ hợp tác nghiên cứu giữa trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM và Viện Khoa học Công nghiệp thuộc trường Đại học Tokyo, với sự tham gia của các viện và cơ quan nghiên cứu liên quan Dự án hướng đến xây dụng phương pháp luận nhằm kết hợp bền vững nền nông nghiệp địa phương với nền công nghiệp chế biến sinh khối, thiết lập quy trình tinh chế bằng phương pháp sinh học quy mô nhỏ tại khu vực Từ đó, xây dựng chu trình tự cung tự cấp các nhiên – vật liệu sinh học
Trong khuôn khổ dự án, hai mô hình thí điểm về “Tổ hợp thử nghiệm quá trình chế biến sinh khối” và “Mô hình xưởng thực nghiệm kết hợp bền vững nền nông nghiệp địa phương và nền công nghiệp chế biến sinh khối” được thiết lập Bắt đầu triển khai xây dựng từ năm 2009, đến cuối năm 2010 phòng thí nghiệm năng lượng sinh học – xưởng thực nghiệm của dự án, cơ bản hoàn thành và bước đầu đi vào hoạt động năm 2011 Mục tiêu nghiên cứu của xưởng thực nghiệm là phản hồi lại mục tiêu chung của dự án, triển khai những kết quả thí nghiệm đạt được ở quy mô phòng thí nghiệm, hiểu được toàn bộ quy trình và hệ thống, cải tiến và phát triển các trang thiết bị
1.2 Địa điểm xây dựng
Xưởng thực nghiệm với tên gọi là phòng thí nghiệm năng lượng sinh học, được xây dụng trong khuôn viên trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM xưởng nằm sau lưng tòa nhà C4 và C5, từ cổng 3 trường Đại học Bách Khoa (đường Tô Hiến Thành) đi thẳng vào khoảng 100m sẽ thấy nằm bên phải
Trang 12Hình 1.2 : Vị trí phòng thí nghiệm
1.3 Cơ cấu tổ chức nhân sự
Tổ chức nhân sự của phòng thí nghiệm gồm các nhân sự thể hiện trên hình 1.3 :
Hình 1.3 : Cơ cấu tổ chức nhân sự
Trang 13bị đƣợc thể hiện theo hình 1.4 :
Hình 1.4 : sơ đồ bố trí mặt bằng tầng trệt
Trang 14Hình 1.5 : Bên trong xưởng thực nghiệm
Hình 1.6 : Sơ đồ thiết bị thí nghiệm tầng 1
Trang 15Hình 1.7 : Sơ đồ thiết bị thí nghiệm tầng 2
1.5 Nội quy an toàn lao động
1 Vận hành máy theo đúng trình tự đã được hướng dẫn
2 Phải thực hiện theo sự chỉ dẫn của các bảng cấm, bảng hướng dẫn, chỉ dẫn treo tại nơi sản xuất hoặc gắn tại máy, thiết bị
3 Không được sử dụng sửa chữa các máy thiết bị khi chưa được huấn luyện về các quy tắc
an toàn và quy trình vận hành máy thiết bị đó
4 Trong lúc làm việc phải giữ gìn các trang bị, phương tiện bảo hộ cá nhân và các dụng cụ
đã được cấp phát
5 Không được tháo gỡ hoặc giảm hiệu quả các thiết bị an toàn
6 Không được tự do đi lại các nơi không thuộc trách nhiệm của mình
7 Phải báo ngay cho quản lí khi máy, thiết bị đó có sự cố hoặc nghi ngờ có sự cố
8 Các phương tiện vật liệu, sản phẩm, phế liệu không được để sát lối đi, cửa thoát hiểm, tủ điện, phương tiện chữa cháy, tủ thuốc sơ cấp cứu
9 Nơi làm việc phải ngăn nắp, không được để dụng cụ, dây điện, vật tư, trang bị, các phương tiện gây cản trở sự hoạt động và đi lại
10 Có nghĩa vụ thông báo và khai báo với cấp trên về sự cố tai nạn lao động, về việc vi phạm nguyên tắc an toàn lao động xảy ra tại nơi làm việc
Trang 16CHƯƠNG 2 : NGUYÊN LIỆU – SẢN PHẨM – CHẤT THẢI
Cấu trúc rơm trình bày theo hình 2.1 :
Hình 2.1 : Cấu trúc của rơm
Cellulose là Carbonhydrate màu trắng, không mùi, không vị, không tan trong nước ngay cả
khi đun nóng và không tan trong các dung môi hữu cơ thông thường, là thành phần chính cấu tạo lớp màng tế bào thực vật Cenlulose có cấu trúc cao phân tử, đơn vị mắt xích là D-Glucopyrano với các liên kết 1,4 Glucoside
Hình 2.2 : Cấu trúc Cellulose
Trang 17Cellulose có khoảng từ 2000 đến 10000 mắt xích tương ứng chiều dài khoảng 5.2-7.7mm Các sợi Cellulose liên kết với nhau tạo thành sợi sơ cấp đường kính khoảng 3mm Các sợi sơ cấp lại liên kết với nhau tạo thành vi sợi tồn tại 2 dạng : vùng kết tinh và vùng vô định hình
Tại vùng kết tinh các mạch Cellulose liên kết với nhau bằng liên kết Hydro nên vi sợi
có cấu trúc rất bền vững, enzyme cellulase cũng chỉ có thể tác động trên bề mặt vùng này
Vùng vô định hình, các mạch Cellulose liên kết yếu với nhau bằng liên kết Waals nên chúng dễ bị tác động và thay đổi cấu trúc
Valder-Hemi-Cellulose là Carbonhydrate dị thể, có cấu trúc tương tự Cellulose nhưng kém bền
vững hơn do đơn vị mắt xích là đường Pentose, độ trùng hợp thấp hơn, dễ bị thủy phân hơn
Lignin là nhựa nhiệt dẻo, mềm dưới tác dụng của nhiệt độ và bị hòa tan trong một số tác chất
hóa học Trong gỗ, Lignin có màu trắng Cấu trúc : rất phức tạp, là một Polyphenol có mạng không gian mở, đơn vị cơ bản là Phenyl Propane và trong phân tử luôn chứa nhóm Metoxyl (-OCH3) Các đơn vị mắt xích này được liên kết với nhau bằng một số kiểu liên kết như: β-O-4 (chiếm chủ yếu 40 – 60 %), α-O-4 (chiếm 5 – 10 %), C-O-C, C-C…
Lignin có liên kết chặt chẽ với Carbohydrate đặc biệt là có liên kết hoá học với Cellulose Trong quá trình chế biến bột giấy, người ta dùng tác động cơ học hoặc hoá học để hoà tan Lignin hoặc biến tính Lignin để giải phóng các bó sợi Cellulose
Hemi-Hình 2.3 : Các đơn vị mắt xích của Lignin và cách liên kết
Trang 182.1.2 Vỏ trấu
Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay xát Vỏ trấu có
thành phần hóa học không ổn định, phụ thuộc vào giống lúa, mùa vụ hoặc loại đất Trong vỏ trấu chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá trình đốt và khoảng 25% còn lại chuyển thành tro Các thành phần của vỏ trấu bao gồm các chất mà hầu hết sinh vật không thể sử dụng trực tiếp được, nhưng có thể sử dụng làm chất đốt rất tốt vì chúng dễ cháy Ở đây, vỏ trấu được dùng làm nguyên liệu cho quá trình khí hóa để tạo ra hỗn hợp khí tổng hợp (Syngas) cung cấp cho quá trình đốt khí
2.1.3 Dung dịch xút
Sử dụng dung dịch NaOH để kiềm hóa, hòa tan thành phần Lignin có trong rơm, sau đó loại
bỏ bằng quá trình lọc ép
2.1.4 Dung dịch acid
Sử dụng dung dịch HCl để trung hòa rơm sau kiềm hóa để chuẩn bị cho quá trình thủy phân
và lên men đồng thời
Dung dịch HCl còn được dùng để trung hòa phần nước thải Lignin sau kiềm hóa
2.1.5 Enzyme
Phức hệ enzyme Cellulase được sử dụng để xúc tác phản ứng thủy phân cắt mạch Cellulose thành đường Glucose, tạo nguyên liệu cho quá trình lên men Phức hệ enzyme gồm các enzyme : Endoglucanase (EC3.2.1.4), Exoglucanase (EC3.2.1.91), β-glucosidase (EC3.2.1.21)
Trang 193 Pha cân bằng : nồng độ Ethanol tăng, Glucose giảm nên nấm men bị ức chế rồi chết dần, vận tốc chết bằng với vận tốc sinh sản nên sinh khối không tăng
4 Pha suy vong : nồng độ Ethanol cao, không còn chất dinh dưỡng nên nấm men chết rất nhiều
Cơ chế của quá trình lên men của nấm men theo chu trình hô hấp yếm khí (hình 2.4) :
Hình 2.4 : Cơ chế lên men của nấm men
2.2.2 Hơi nước quá nhiệt
Là sản phẩm của lò hơi, được dùng làm tác nhân trao đổi nhiệt trong các quá trình khác 2.2.3 Ethanol
Ethanol thô là sản phẩm của quá trình thủy phân và lên men đồng thời, nồng độ thấp (khoảng 5-10%) Để đạt nồng độ cao hơn, cần đưa sản phẩm này qua quá trình chưng cất
Sau khi chưng cất thô, nồng độ sản phẩm đạt được khoảng 70% Để đạt nồng độ yêu cầu của sản phẩm (khoảng 97%) cần thêm quá trình chưng cất tinh
Trang 202.3 Chất thải
Gồm 3 dạng : chất thải rắn, nước thải và khí thải Cách xử lý trình bày trong bảng 2.1 :
Bảng 2.1 : Phương pháp xử lý chất thải
Thành phần Tro của quá trình khí hóa
Bả lên men Dịch ép sau kiềm hóa
Trang 21CHƯƠNG 3 : QUY TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL SINH HỌC 3.1 Sơ đồ khối
Hình 3.1 : Sơ đồ khối của quy trình sản xuất
3.2 Quy trình công nghệ
Chưng cất
Không khí Khí hóa
Nổ hơi
Trấu
Thủy phân
và lên men đồng thời
Tiệt trùng
Nước
Lò hơi Trung hòa
Dd HCl Trung hòa
rơm Lọc
Cắt Rơm
Syngas
Dịch
lọc
Hơi quá nhiệt
Hơi nước Nước
thải
Sản phẩm
Khí thải
Nấm men Enzyme