Đề tài sản xuất biodiesel từ dầu ăn thải chuyển hóa hai giai đoạn có sử dụng xúc tác

NỘI DUNG BÁO CÁO1 TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm về biodiesel 1.2 Tính chất, ưu, nhược điểm của biodiesel 1.3 Khái quát quy trình tổng hợp biodiesel 2 SẢN XUẤT BIODIESEL BẰNG PHƯƠNG PHÁP HAI GI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

BÁO CÁO THỰC TẬP

GVHD: PGS.TS VĂN ĐÌNH SƠN THỌ

PGS.TS ĐÀO QUỐC TÙY

Sinh viên thực hiện: Vũ Tiến Dũng MSSV: 20160719

Đề tài: Sản xuất biodiesel từ dầu ăn thải chuyển hóa hai giai đoạn có sử dụng xúc tác

NỘI DUNG BÁO CÁO

1 TỔNG QUAN

1.1 Khái niệm về biodiesel

1.2 Tính chất, ưu, nhược điểm của biodiesel 1.3 Khái quát quy trình tổng hợp biodiesel

2 SẢN XUẤT BIODIESEL BẰNG PHƯƠNG PHÁP HAI GIAI ĐOẠN

2.1 Các giai đoạn phản ứng

2.2 Các quá trình sản xuất

TỔNG QUAN

KHÁI NIỆM BIODIESEL

Biodiesel là các alkyl este của axit béo, một phụ gia rất tốt

cho nhiên liệu diesel để làm giảm lượng khí thải; hơn thế nữa

nó còn là nguồn nhiên liệu có khả năng tái tạo được Biodiesel

được sản xuất từ các loại dầu thực vật, mỡ động vật, thậm chí

từ các loại dầu cặn phế thải

Ở Việt Nam, các nhà khoa học đã bắt tay vào nghiên cứu

sản xuất nhiên liệu biodiesel trong phòng thí nghiệm và quy mô

sản xuất nhỏ Nhà máy Agifish (An Giang) đã sản xuất biodiesel

từ mỡ cá ba sa, với 1 kg mỡ cá có thể sản xuất ra 1,13 lít

biodiesel

Diesel được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp chưng

cất dầu thô hoặc là sản phẩm của quá trình chế biến dầu mỏ

Tuy vậy sản lượng dầu mỏ sẽ giảm và bắt đầu thời kỳ suy thoái

trong khai thác => cần phải có giải pháp thay nhiên liệu dầu

khoáng bằng loại năng lượng khác

CÁCH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIODIESEL

Để động cơ diesel hoạt động bình thường, thì tỷ lệ pha trộn thích hợp là từ 2% đến 20%

biodiesel, còn lại là diesel khoáng Nếu sử dụng nhiên liệu 100% biodiesel thì có ưu điểm là giảm

đáng kể các khí độc hại có trong khí thải, nhưng lại gây khó khăn là phải thay đổi lại động cơ

Hiện nay trên thế giới, tại các nhà máy chế tạo nhiên liệu, người ta ưu tiên sử dụng nhiên liệu phối trộn, thường pha chế nhiên liệu biodiesel – diesel khoáng theo các tỷ lệ sau: B-5; B-10; B-15; B-20 tương ứng với 5%; 10%; 15%; 20% biodiesel trong hỗn hợp

Các nghiên cứu đã chứng tỏ rằng, với các tỷ lệ đó vẫn đảm bảo công suất của động cơ, không phải thay đổi cơ cấu của động cơ diesel mà lại giảm đáng kể lượng khí độc hại có trong khói thải Ở Việt Nam hiện nay, tỷ lệ pha trộn được đề nghị là B5, trong tương lai gần sẽ tiến tới pha chế B20

CÁCH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIODIESEL

Ngoài được ứng dụng trong lĩnh vực giao thông vận

tải biodiesel được sử dụng như là dầu đốt Ở Italia, este của

một vài loại dầu thực vật được đốt thay cho nhiên liệu

diesel

Biodiesel còn được bán lẻ để sử dụng như là nhiên

liệu cho ngành hàng không vì nó có nhiệt độ đông đặc rất

thấp, là đặc tính cần thiết cho nhiên liệu cho nhiên liệu máy

bay

Ngoài để thực hiện chức năng như là một loại nhiên

liệu, este của dầu thực vật và chất béo động vật được sử

dụng cho các mục đích khác Metyl este có thể sử dụng như

là chất trung gian trong quá trình sản xuất rượu béo từ dầu

thực vật

Este có nhánh của axit béo được sử dụng thay thế vai

trò dầu nhờn Este của dầu thực vật cũng có tính tốt của

dung môi, do đó chúng được sử dụng như là phương tiện

để làm sạch bãi biển bị ô nhiễm dầu thô

ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA NHIÊN LIỆU BIODIESEL

- Nhiên liệu diesel thông thường có trị số xetan từ 50 đến 52 và 53 đến 54 đối với động cơ cao tốc Biodiesel là các alkyl este mạch thẳng do vậy nhiên liệu bày có trị số xetan cao hơn diesel khoáng, thường từ 56 đến 58 Với trị số xetan như vậy, biodiesel đáp ứng dễ dàng yêu cầu của những động cơ đòi hỏi nhiên liệu có khả năng tự bắt cháy cao

- Do trong nhiên liệu biodiesel chứa khoảng 11% oxy nên

quá trình cháy của nhiên liệu xảy ra hoàn toàn nên sự tạo

muội, đóng cặn trong động cơ giảm đáng kể

- Trong biodiesel, hàm lượng lưu huỳnh rất thấp, khoảng

0,001% Đặc tính này giúp quá trình cháy giảm đáng kể

lượng khí thải SOx Ngoài ra nó còn chứa rất ít các hợp chất

thơm nên biodiesel cháy triệt để hơn, giảm được nhiều

thành phần hydrocacbon trong khí thải

Ngọn lửa của biodiesel và diesel

Ưu điểm

- Khả năng bôi trơn cao nên giảm mài mòn do đó, biodiesel coi như là một phụ gia rất tốt đối với nhiên liệu diesel thông thường Khi thêm vào với một tỷ lệ thích hợp biodiesel, sự mài mòn động cơ được giảm mạnh

- Biodiesel có nhiệt độ chớp cháy trên 1100C, cao hơn nhiều

so với diesel khoáng (khoảng 600C), vì vậy nó tan toàn hơn

trong tồn chứa và vận chuyển

- Không làm suy yếu các nguồn năng lượng tự nhiên, không gây ảnh hưởng đến sức khoẻ con người và môi trường

ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA NHIÊN LIỆU BIODIESEL

- Hạn chế do tính chất thời vụ của nguồn nguyên liệu dầu thực vật

Nhược điểm

- Biodiesel thu được từ dầu thực vật đắt hơn so với nhiên liệu diesel thông thường Nhưng trong quá trình sản xuất biodiesel có thể tạo ra sản phẩm phụ là glyxerin là một chất có tiềm năng thương mại lớn có thể bù lại phần nào giá cả của biodiesel

- Nếu quá trình sản xuất biodiesel không đảm bảo, chẳng hạn rửa biodiesel không sạch thì khi sử dụng vẫn gây ra các vấn

đề về ô nhiễm: do vẫn còn xà phòng, kiềm dư, metanol, glyxerin tự do,…

- Biodiesel dễ bị oxi hóa, ăn mòn các chi tiết của động cơ và tạo cặn trong bình nhiên liệu

NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIODIESEL

Thành phần chủ yếu của dầu thực vật là các phân tử

triglyceride chiếm 90 - 98% Các gốc acid béo trong

triglyceride ảnh hưởng rất nhiều đến đặc tính chất vật lý và

hóa học của nhiên liệu biodiesel

Dầu thực vật

Dầu lấy từ hạt cây có dầu như: đậu phộng, đậu nành, cải dầu, bông, hướng dương,… Dầu lấy từ quả cây có dầu như: dừa, cọ, ô liu,… Nguồn nguyên liệu thô ảnh hưởng đến giá cả của biodiesel Vì thế lựa chọn nguyên liệu thô cho sản xuất biodiesel phụ thuộc chủ yếu vào khả năng ứng dụng của chúng và giá thành nguyên liệu

Dầu thực vật cũng chứa một lượng nhỏ nước và gây

ảnh hưởng đến phản ứng chuyển hóa dầu thành các alkyl

ester của acid béo Nguyên liệu được sử dụng phải không

được chứa nhiều nước và hàm lượng nước phải thấp hơn

mức 0.1% nên phải tách ẩm trước khi sản xuất

Trong dầu thực vật có một lượng nhỏ khoảng 1-5% acid

béo tự do ảnh hưởng đến chỉ số acid của dầu mỡ Chỉ số acid

ảnh hưởng đến quá trình xúc tác của phản ứng transester

hóa Do đó, nguồn nguyên liệu lựa chọn nên có chỉ số acid

thích hợp, hoặc được điều chỉnh về giá trị sao cho quá trình

transester hóa là tối ưu nhất

Các loại mỡ của động vật thải ra từ các lò giết mổ và các dây chuyền sản xuất thịt được tận dụng lại để sản xuất biodiesel Tiến hành tách béo bằng cách đun nóng ở 110oC để tách ẩm và làm cho chất béo chảy ra, tách khỏi pha rắn, hỗn hợp sau cùng được đem đi ép để thu hồi toàn bộ chất béo dạng lỏng

NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIODIESEL

Mỡ động vật

Thành phần hóa học chính của mỡ động vật là các triglyceride Khoảng 50% các acid béo trong mỡ là acid béo no Nên ở nhiệt độ phòng, chúng tồn tại ở dạng rắn cho nên mỡ động vật thường phải qua biến đổi trước khi đưa vào làm nhiên liệu

Dầu thải nấu ăn

Các chất béo thải ra từ các nhà hàng, các quy

trình sản xuất thực phẩm, các cửa hàng thức ăn

nhanh mỗi ngày Dầu ăn đã bị biến đổi nhiều về mặt

hóa học và vật lý, tạo ra nhiều hợp chất hóa học

không mong muốn như các dimer và trimer hình

thành trong suốt quá trình nấu nướng ảnh hưởng tiêu

cực đến các tính chất của biodiesel Nên việc sử dụng

dầu phế thải cho sản xuất biodiesel bị giới hạn và phụ

thuộc vào mức độ biến chất của dầu ăn

Tính chất Dầu ăn đã

qua sử dụng

Dầu hạt bông

Dầu hạt cải

Dầu nành

Thành phần acid béo (%)

Acid palmitic C16:0 Acid stearic C18:0 Acid oleic C18:1 Acid linoleic C18:2 Acid linolenic C18:3

Khối lượng riêng tương đối

Độ nhớt (mm 2 /s) ở 40 0 C Chỉ số acid (mg KOH/g)

16 5.21 34.28 40.76

0 0.925 66.6 7.25

11.67 0.89 13.27 57.51

0 0.912

50 0.11

3.49 0.85 64.4 22.3 8.23 0.914 39.5 1.14

11.75 3.15 23.26 55.53 6.31 0.92

65 0.2

CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT BIODIESEL

Phương pháp pha loãng

Phương pháp nhiệt phân

Đun nóng và phân cắt liên kết hóa học để thu

được các phân tử nhỏ hơn Nhiệt phân hóa học rất

khó điều khiển bởi vì có rất nhiều phản ứng xảy ra khi

đun nóng và tạo ra các sản phẩm rất đa dạng Nguyên

liệu của quá trình nhiệt phân có thể là dầu thực vật,

mỡ động vật, các acid béo và các methyl ester của

acid béo

Vì dầu mỡ khi được sử dụng trực tiếp có các nhược điểm như đã nói ở phần trên, điển hình là độ nhớt cao Nên dầu

mỡ có thể được phối trộn với nhiên liệu diesel hoặc các dung môi như ethanol để tạo ra nhiên liệu có thể vận hành được cho động cơ Phối trộn dầu thực vật với nhiên liệu diesel đã được nhà nghiên cứu chứng minh là thành công

Cơ chế nhiệt phân triglyceride

Quá trình phân hủy do nhiệt của triglyceride

tạo ra các hợp chất thuộc nhiều phân nhóm như

alkane, alkene, alkadiene, hợp chất thơm và các acid

carboxylic Các loại nguyên liệu khác nhau tạo ra các

sản phẩm dầu nhiệt phân có thành phần khác nhau

Sản phẩm của quá trình nhiệt phân dầu thực

Bằng phương pháp cracking có thể tạo ra các alkan, xycloalkan, alkylbenzen,… Tuy nhiên việc đầu tư cho một dây

chuyền cracking xúc tác rất tốn kém nên phương pháp này ít sử dụng

CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT BIODIESEL

Phương pháp cracking xúc tác

Phương pháp transester hóa

Transester hóa là phản ứng để chuyển hóa các phân tử

triglyceride thành các alkyl ester của các acid béo mạch dài bằng

cách sử dụng các tác nhân như methanol, ethanol

Quá trình bao gồm nhiều phản ứng thuận nghịch nối tiếp

nhau Trong đó, phân tử triglyceride được chuyển hóa từng bước

thành diglyceride, monoglyceride và cuối cùng là thành glycerol

Nếu nguyên liệu đầu vào có hàm lượng axit béo tự do cao,

chúng phải được tinh chế để đạt yêu cầu Quá trình tinh chế

thường được tiến hành trên phản ứng hai giai đoạn: chuyển hóa

este trên xúc tác axit làm giảm hàm lượng axit béo tự do xuống

dưới 1%, sau đó tiến hành phản ứng trao đổi este bằng xúc tác

Phương pháp hai giai đoạn

SẢN XUẤT BIODIESEL BẰNG PHƯƠNG PHÁP

HAI GIAI ĐOẠN

Dầu ăn thải

CÁC GIAI ĐOẠN PHẢN ỨNG

Giai đoạn 1

Este hóa trên xúc tác axit nhằm chuyển lượng

axit béo thành este để đưa hàm lượng axit béo

tự do trong dầu xuống dưới 1%

Phản ứng được tiến hành trong 1.5 giờ, hàm

lượng xúc tác là 1% theo thể tích hỗn hợp phản

ứng, nhiệt độ phản ứng là 60oC

Giai đoạn 2

Tổng hợp biodiesel từ dầu đã xử lý trên xúc tác

kiềm (NaOH)

Phản ứng được tiến hành trong điều kiện: nhiệt

độ phản ứng 60oC, thời gian phản ứng 2h, hàm

lượng xúc tác (theo khối lượng dầu) 0.8%, tỷ lệ

mol metanol/dầu là 4/1

CÁC QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT BIODIESEL

Quá trình tiền xử lý

CÁC QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT BIODIESEL

Quá trình sản xuất

THANK YOU