ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ SINH HỌC QUY TRÌNH SẢN XUẤT SƠN SINH HỌC DÙNG DUNG MÔI XANH AXIT LACTIC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ SINH HỌC - - ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CƠNG NGHỆ SINH HỌC QUY TRÌNH SẢN XUẤT SƠN SINH HỌC DÙNG DUNG MÔI XANH AXIT LACTIC Giảng viên hướng dẫn: TS HOÀNG MỸ DUNG Sinh viên thực hiện: TRẦN LÊ KHẮC DUY MSSV: 1811747 Lớp: HC18SH2 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2021 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ SINH HỌC - - ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ SINH HỌC QUY TRÌNH SẢN XUẤT SƠN SINH HỌC DÙNG DUNG MƠI XANH AXIT LACTIC Giảng viên hướng dẫn: TS HOÀNG MỸ DUNG Sinh viên thực hiện: TRẦN LÊ KHẮC DUY MSSV: 1811747 Lớp: HC18SH2 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2021 i LỜI CẢM ƠN Trong q trình hồn thành đồ án thiết kế này, bên cạnh nỗ lực cố gắng thân em không nhắc đến quan tâm hướng dẫn tận tình TS Hồng Mỹ Dung Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Hồng Mỹ Dung, người dùng vốn tri thức kinh nghiệm quý báu để giúp đỡ em suốt trình học tập thực đồ án Nhờ hướng dẫn dạy tận tình cơ, em có hội tích lũy thêm khơng kiến thức hiểu biết để hoàn thành đồ án cách hiệu Do vốn kiến thức cịn hạn chế nên q trình thực đồ án khơng thể tránh khỏi có thiếu sót, em mong nhận ý kiến đóng góp để báo cáo hồn thiện Một lần em xin chân thành cảm ơn ii NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… iii NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… iv MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan sơn 1.1.1 Lịch sử sơn 1.1.2 Thành phần sơn 1.2 Sơn sinh học 1.2.1 Dung môi xanh 1.2.2 Các loại dung môi xanh 1.3 Dung môi xanh nguồn gốc từ sinh học 1.3.1 Dung môi nguồn gốc từ sinh khối cacbohydrate 1.3.2 Dung môi nguồn gốc từ sinh khối lipid 10 1.3.3 Dung môi nguồn gốc từ tecpen 12 1.3.4 Dung môi nguồn gốc từ sinh khối lignin 13 CHƯƠNG QUI TRÌNH SẢN XUẤT SƠN SINH HỌC 14 2.1 Công thức sản xuất sơn sinh học 14 2.2 Quy trình sản xuất sơn sinh học 14 2.3 Thiết bị quy trình sản xuất 16 2.3.1 Máy khuấy trộn 17 2.3.2 Máy nghiền 18 2.3.3 Các thiết bị, dụng cụ khác 19 2.4 Bố trí thiết bị 19 CHƯƠNG TÍNH CHI PHÍ SẢN XUẤT 21 3.1 Chi phí nguyên liệu, thiết bị 21 3.2 Chi phí mặt bằng, điện nước, nhân công 23 3.3 Lợi nhuận thu 24 KẾT LUẬN 26 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 27 v DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH BẢNG Bảng Một vài nguyên liệu sinh học thay thành phần cấu tạo sơn thường… Bảng Các loại dung môi xanh nay……………………………………………… Bảng Công thức sản xuất sơn sinh học……………………………………………….14 Bảng Thông số kĩ thuật máy khuấy trộn đứng PL…………………………………….17 Bảng Thông số kỹ thuật máy nghiền bi đứng SM6………………….……………… 18 Bảng Bảng chi phí dự tính nguyên liệu sản xuất sơn……………………………… 21 Bảng Bảng chi phí dự tính vật tư, thiết bị sản xuất sơn……………………………….22 HÌNH Hình Các loại dung môi sản xuất từ nguồn sinh khối cacbohydrate……………… 10 Hình Các loại dung mơi sản xuất từ sinh khối lipid…………………………………11 Hình Các loại dung mơi sản xuất từ tecpen…………………………………………12 Hình Qui trình sản xuất sơn sinh học……………………………………………… 15 Hình Máy khuấy trộn đứng PL………………………………………………………17 Hình Máy nghiền bi đứng SM6………………………………………………………18 Hình Bố trí thiết bị qui trình sản xuất 19 vi LỜI MỞ ĐẦU Sơn gắn liền với người từ thời xa xưa, giúp trang trí, bảo vệ cơng trình, ngơi nhà, đồ vật… Xã hội người ngày phát triển, vấn đề sức khỏe ngày quan tâm Sơn vốn có nguồn gốc nguyên liệu từ hóa chất độc hại, người dần tìm nguyên liệu nguồn gốc sinh học để thay chúng, không nhằm đảm bảo sức khỏe cho người mà cịn đem lại lợi ích bảo vệ môi trường – vấn đề chưa hết nóng hổi Và sơn sinh học đời, đáp ứng nhu cầu sức khỏe, mơi trường, chi phí rẻ thực tốt vai trị sơn gốc “hóa chất” Sơn sinh học đà phát triển, dự kiến tương lai, thay hồn tồn sơn gốc “hóa chất” Đề tài đồ án thiết kế đề xuất quy trình sản xuất loại sơn sinh học, sử dụng dung môi thay “dung môi xanh”, cụ thể axit lactic 1.1 CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU Tổng quan sơn 1.1.1 Lịch sử sơn Vào thời kì trước Cơng ngun, người ngun thủy biết trang trí tường, hang hốc sơn, với chất tạo màng (kết dính) lịng trắng trứng, sáp ong, mỡ động vật, nhựa trộn với chất tạo màu tự nhiên Hàng ngàn năm sau đó, người Ai Cập cổ đại, Người La Mã sáng tạo loại sơn riêng họ với vật liệu tự tìm Chất tạo màng sử dụng lúc nhựa thông (turpentine), loại chất màu hợp chất oxit, bột kim loại…Các văn minh nhân loại sau có cải tiến định sơn nguyên liệu tạo Đến kỉ 20, với phát triển ngành cơng nghiệp hóa chất, ngành cơng nghiệp sơn tổng hợp đời phát triển mạnh, đặc biệt nước có ngành cơng nghiệp hóa chất phát triển Toàn giới năm 1965 sản xuất khoảng 10 triệu sơn, năm 1975 tăng lên 16 triệu Đến ngày nay, ngành công nghiệp sơn không ngừng phát triển, người ta tìm khoảng 2700 loại nhựa làm chất tạo màng, 700 loại dầu, 2000 loại chất màu, 1000 loại dung môi khoảng 600 chất phụ gia Sơn thứ thiếu sống, đến lúc tiếp tục phát triển sơn theo hướng mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe người dùng để trang trí, tạo màu…Đó tạo sơn sinh học 1.1.2 Thành phần sơn Sơn hệ đồng gồm chất tạo màng, bột màu, dung môi số hợp chất phụ gia khác, phủ lên bề mặt tạo thành lớp phủ mỏng bám chắc, bảo vệ trang trí bề mặt cần sơn Thành phần sơn gồm: • Chất tạo màng (chất kết dính) Chất tạo màng (hay cịn gọi chất kết dính, nhựa…) thành phần quan trọng sơn, tạo nên “mạng lưới” nơi mà thành phần khác sơn kết hợp với nhau, định tính chất lý sơn Chất tạo màng phân thành nhiều loại tùy vào cách chúng hình thành lớp màng, cách chúng tự làm khô: chất tạo màng nhựa nhiệt dẻo rắn, chất tạo màng loại sơn mài, chất tạo màng oxi hóa, chất tạo màng xúc tác nhiệt độ phịng, chất tạo màng xử lí nhiệt, chất tạo màng loại nhũ tương…Chất tạo màng sử dụng phổ biến nhựa alkyd, nhựa acrylic, nhựa phenolic, urethane, nhựa epoxy, mủ cao su nhựa cao su clo hóa • Chất màu Chất tạo màu tạo cho màng sơn có màu sắc mong muốn, chức chúng Chất tạo màu cịn cung cấp giá trị thẩm mỹ, độ bóng cho sơn Hơn nữa, chúng cịn góp phần vào cấu trúc khả chống thấm màng sơn Chất tạo màu phải có khả tương thích chịu điều kiện môi trường Việc bổ sung chất màu không cung cấp màu sắc cho màng sơn mà bảo vệ bề mặt sơn khỏi ăn mịn tác hại tia cực tím • Phụ gia Các chất phụ gia thường thêm vào công thức chế tạo sơn với lượng nhỏ nhằm cung cấp chức cụ thể nâng cao tính hiệu sơn Ví dụ chúng làm tăng khả làm khô nhanh hơn, làm chậm hư hỏng chất tạo màng nhiệt độ cao ánh sáng mặt trời (dùng chất ổn định tia cực tím) Các chất phụ gia khác, chẳng hạn chất hỗ trợ kết dính sử dụng để thúc đẩy hình thành màng sơn cách đồng Chất hoạt động bề mặt chất ổn định nhũ tương sử dụng để cải thiện cân thành phần sơn, ví dụ phân tán đồng chất màu (khi dạng bột màu) giai đoạn trộn thành phần để tạo sơn • Dung mơi Mục tiêu việc sử dụng dung mơi hịa tan, phân tán thành phần khác sơn (chất tạo màng, chất màu, phụ gia) giảm độ nhớt dung dịch chất tạo màng để thu sơn dạng đồng Vai trị dung mơi trước sau sơn dùng Tecpen hợp chất tự nhiên, phù hợp dùng làm dung môi sinh học Một loại tecpen – nhựa thông, loại dung môi sử dụng lịch sử sơn, tìm thấy dùng làm dung mơi pha sơn để vẽ tranh họa sĩ thời kì Phục Hưng Sau nhựa thơng dùng làm dung mơi ngành công nghiệp sơn thời gian dài, người ta thay nhựa thông hóa chất gốc dầu khác nhu cầu sử dụng nhựa thông lớn, dẫn đến hao hụt Tuy nhiên việc sử dụng nhựa thông làm dung môi xem xét Ngồi nhựa thơng cịn dùng pinane, Dlimonene, terpineol… 1.3.4 Dung mơi nguồn gốc từ sinh khối lignin Lignin tạo từ phản ứng trùng hợp rượu cinnamyl (quế cồn) monolignol, tùy vào loại thực vật sử dụng Tuy nhiên nghiên cứu việc sử dụng lignin để làm dung mơi sinh học Do người ta tập trung sử dụng dung môi có nguồn gốc kể 13 2.1 CHƯƠNG QUI TRÌNH SẢN XUẤT SƠN SINH HỌC Cơng thức sản xuất sơn sinh học Công thức sau tham khảo dựa công thức sản xuất sơn nước tiêu chuẩn Nguyên liệu Tỉ lệ thành phần (%) Chất tạo màng (nhựa): nhựa acrylic 100% 30% Bột màu, bột độn: TiO2, CaCO3, Mica, 25% Silica, loại paste màu (để pha màu) Dung môi xanh nguồn gốc sinh học: 40% axit lactic Các chất phụ gia: chất làm đặc, chất thấm ướt, chất phân tán, chất phá bọt, chất 5% chống thối, chất chống rêu mốc, chất làm mờ, chất keo tụ, chất điều chỉnh pH… 2.2 Bảng Công thức sản xuất sơn sinh học Quy trình sản xuất sơn sinh học Đây qui trình chung sản xuất sơn sử dụng dung mơi hữu cơ, áp dụng tương tự sơn sử dụng dung môi xanh nguồn gốc sinh học 14 Hình Qui trình sản xuất sơn sinh học Các công đoạn sản xuất bao gồm: Chuẩn bị muối ủ: Nguyên liệu gồm bột màu, bột độn, chất tạo màng, số phụ gia chất khuếch tán, chất hỗ trợ thấm ướt bột màu, chất chống lắng dung môi xanh – axit lactic vào thùng 15 muối có cánh khuấy tốc độ 80 vòng/ phút Các nguyên liệu muối ủ để đủ độ thấm ướt chất tạo màng dung môi, tạo thành dạng hỗn hợp nhão (paste) cho công đoạn nghiền Nghiền: Đây công đoạn q trình sản xuất sơn Hỗn hợp nhão nguyên liệu (paste) sơn muối ủ chuyển vào thiết bị nghiền sơn Quá trình nghiền nhằm tạo thành dạng chất lỏng mịn, dàn tốt bề mặt vật cần sơn Hiện dây chuyền sản xuất sơn có loại máy nghiền hạt ngọc loại ngang loại đứng Tùy theo yêu cầu độ nhớt paste loại sơn, người ta sử dụng máy nghiền ngang đứng Thời gian nghiền kéo dài phụ thuộc vào loại bột màu, bột độn yêu cầu độ mịn sơn, ta thực quy trình nghiền tiếng Pha sơn: Paste sơn sau nghiền đến độ mịn hợp lí chuyển sang công đoạn pha sơn Công đoạn tạo thành sản phẩm cuối qui trình chế biến sơn Paste thành phẩm chuyển sang bể pha, nhiều mẻ paste đưa vào chung bể pha chung Bể pha có máy khuấy liên tục khuấy trình pha sơn, tốc độ cánh khuấy 300 vòng/phút Tại paste sơn đạt độ mịn bổ sung thêm đủ lượng chất tạo màng, dung môi, phụ gia cần thiết chất chống mốc, chất chống thối khuấy 2-3 tiếng Khi đạt độ đồng lúc sản phẩm hồn tất chuyển sang cơng đoạn đóng thùng Đóng gói: Cơng đoạn sử dụng dàn thiết bị đóng thùng tự động Các thùng sau dán nhãn, phun nắp nạp sơn, đóng nắp, sau đóng thùng, nhập kho sản phẩm 2.3 Thiết bị quy trình sản xuất 16 Hoạt động sản xuất sơn trộn, nghiền nguyên liệu (chất tạo màng, dung môi, bột màu, phụ gia) thành dung dịch có tính chất mong muốn nên thiết bị máy khuấy trộn máy nghiền 2.3.1 Máy khuấy trộn Hình Máy khuấy trộn đứng PL Tên thiết bị: Máy khuấy trộn đứng PL Thơng số kĩ thuật: Dung tích (L) 20000 Đường kính (m) 2.3 Chiều cao (m) 6.55 Áp lực bên (Mpa) 0.2 Tốc độ trục (rpm) 10-2990 Cơng suất (kWh) 7.5 Bảng Thông số kĩ thuật máy khuấy trộn đứng PL Nguyên lí hoạt động: Máy khuấy trộn dùng trình ủ muối nguyên liệu sơn, trình ủ muối, hỗn hợp khuấy với tốc độ chậm để hóa nhão (paste) Nguyên liệu bơm vào máy thông qua cổng nhập liệu Tốc độ cánh khuấy cài đặt hộp điều 17 khiển, cài tốc độ phù hợp với nhu cầu sử dụng Cánh khuấy khuấy đều, trộn hòa quyện nguyên liệu lại với Hỗn hợp nhão đưa đến công đoạn nghiền thơng qua cổng xuất liệu 2.3.2 Máy nghiền Hình Máy nghiền bi đứng SM6 Tên thiết bị: Máy nghiền bi đứng SM6 Thông số kỹ thuật Tốc độ motor trục (rpm) 1450 Cơng suất (kWh) 5.5 Dung tích bi chứa thùng 4.5 - nghiền (L) Độ mịn paste sau nghiền