39534723-Do-an-Biodiesel

Đồ án tổng hợp Biodiesel từ dầu tahr

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC ĐỒ ÁN MÔN HỌC CHUYÊN NGÀNH SẢN XUẤT BIODIESEL TỪ NGUYÊN LIỆU CÓ NGUỒN GỐC DẦU MỠ ĐỘNG THỰC VẬT SVTH: NGUYỄN ANH KHOA MSSV: 60604190 CBHD: PGS. TS. NGUYỄN ĐỨC LƯỢNG BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Tp. Hồ Chí Minh, 7/2010 ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đồ án, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của: Phó Giáo Sư, Tiến Sĩ Nguyễn Đức Lượng – Bộ môn Công nghệ Sinh Học, Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã gợi ý, định hướng đề tài cho tôi. Kỹ sư Huỳnh Nguyễn Anh Khoa – Bộ môn Công nghệ Sinh Học, Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã hướng dẫn dẫn tận tình và giúp tôi một số vấn đề về trình bày đồ án này. Các thầy cô trong bộ môn Công Nghệ Sinh Học đã tạo điều kiện hết sức thuận lợi cho chúng tôi học tập. Các bạn cùng lớp HC06BSH – Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã cùng tôi trao đổi, động viên tinh thần lẫn nhau trong thời gian làm đồ án. Xin gởi đến những người kể trên lời cảm ơn chân thành nhất! iii TÓM TẮT Dầu mỡ động thực vật là nguồn nguyên liệu chứa triglyceride được dùng để sản xuất nhiên liệu tái sinh cho các động cơ đốt trong – động cơ diesel. Các vấn đề gặp phải khi dùng dầu mỡ làm nhiên liệu trực tiếp đó là độ nhớt cao, độ bay hơi thấp, hiện tượng cháy không hoàn toàn của nhiên liệu này. Có nhiều phương pháp được sử dụng để làm cho dầu mỡ đạt được các yêu cầu khi sử dụng cho động cơ. Trong đó, phản ứng transester hóa chuyển triglyceride thành mono-alkyl ester của các acid béo mạch dài – biodiesel được sử dụng nhiều nhất ở quy mô công nghiệp. Trong báo cáo này, ta sẽ tìm hiểu về nguồn nguyên liệu, cũng như là các phương pháp chuyển hóa dầu mỡ thành nhiên liệu biodiesel. ii MỤC LỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv DANH MỤC BẢNG v DANH MỤC HÌNH vi CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU . 1 1.1. Đặt vấn đề . 1 1.2. Mục tiêu đề tài 1 1.3. Nội dung nghiên cứu 2 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3 2.1. Nhiên liệu diesel . 3 2.2. Nhiên liệu biodiesel và khả năng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch 4 2.2.1. Năng lượng tái sinh và năng lượng không tái sinh 4 2.2.2. Biodiesel 7 2.2.3. Khả năng thay thế của biodiesel cho nhiên liệu hóa thạch 9 CHƢƠNG 3: ĐẶC ĐIỂM NGUỒN NGUYÊN LIỆU TRONG SẢN XUẤT BIODIESEL . 12 3.1. Dầu thực vật 12 3.1.1. Nguồn cung ứng . 12 3.1.2. Thành phần hóa học . 15 3.1.3. Ưu điểm . 17 3.1.4. Nhược điểm . 18 3.2. Mỡ động vật 19 3.2.1. Nguồn cung ứng . 19 3.2.2. Thành phần hóa học . 20 3.2.3. Ưu điểm . 21 iii 3.2.4. Nhược điểm . 22 3.3. Dầu thải chiên rán . 22 3.3.1. Nguồn cung ứng . 22 3.3.2. Thành phần hóa học . 24 3.3.3. Ưu điểm . 28 3.3.4. Nhược điểm . 29 CHƢƠNG 4: CÁC PHƢƠNG PHÁP VÀ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIODIESEL . 30 4.1. Các phương pháp chuyển dầu mỡ thành nhiên liệu sử dụng được . 30 4.1.1. Phương pháp pha loãng . 30 4.1.2. Phương pháp nhiệt phân 30 4.1.3. Phương pháp tạo vi nhũ tương . 34 4.1.4. Phương pháp transester hóa sản xuất biodiesel . 35 4.2. Giới thiệu một số quy trình công nghệ trong sản xuất biodiesel 48 4.2.1. Transester hóa với xúc tác kiềm 48 4.2.2. Transester hóa với xúc tác acid 50 4.2.3. Transester hóa với enzyme lipase 52 4.2.4. Transester hóa với methanol siêu tới hạn 55 CHƢƠNG 5: TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ SỬ DỤNG BIODIESEL . 58 5.1. Hiện trạng sản xuất biodiesel . 58 5.2. Tính kinh tế của nhiên liệu biodiesel 60 CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 63 6.1. Kết luận . 63 6.2. Kiến nghị 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 iv CÁC TỪ VIẾT TẮT CCR Conradson carbon residue – Cặn lắng carbon conradson EU European Union – Liên minh châu Âu FAO Food and Agriculture Organization – Tổ chức Lương Nông của Liên Hiệp Quốc HPSEC High performance size exclusion chromatography – Sắc ký hiệu năng cao phân tách các hợp chất theo kích thước INE Spanish National Institute of Statistics – Viện Khoa Học Thống Kê Tây Ban Nha PBR Packed bed reactor – Thiết bị phản ứng dạng ống phức hợp v DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1-Tính chất vật lý của các hợp chất hydrocarbon trong nhiên liệu diesel 4 Bảng 2.2-So sánh tính chất của biodiesel với diesel được giảm thiểu lưu huỳnh . 8 Bảng 2.3-Mười quốc gia dẫn đầu về tiềm năng sản xuất biodiesel năm 2006 11 Bảng 3.1-Sản lượng hạt lấy dầu và lượng dầu thực vật tiêu thụ năm 2009 14 Bảng 3.2- Công thức hóa học của các acid béo thông dụng trong dầu mỡ . 16 Bảng 3.3-Thành phần acid béo của một số loại dầu thực vật 17 Bảng 3.4- Thành phần acid béo của một số loại mỡ động vật 20 Bảng 3.5- So sánh một số tính chất và thành phần acid béo của dầu ăn đã qua sử dụng với một số loại dầu thực vật điển hình . 24 Bảng 4.1-Thành phần của các loại dầu sau khi nhiệt phân . 32 Bảng 4.2-Tính chất nhiên liệu của dầu nành và dầu nành nhiệt phân . 33 Bảng 4.3-Đặc tính của xúc tác SO42-/TiO2-SiO2 . 40 Bảng 4.4-Tính chất của methanol ở các điều kiện khác nhau . 46 Bảng 4.5-Thành phần của các dòng chảy trong hệ thống . 54 Bảng 4.6-Thành phần của các dòng chảy trong hệ thống . 57 Bảng 5.1-Ước tính giá cả của biodiesel dựa trên nguồn nguyên liệu 61 vi DANH MỤC HÌNH Hình 3.1-Đồ thị sản lượng dầu thực vật được sản xuất và tiêu thụ qua các năm 13 Hình 3.2- Phần trăm khối lượng các loại hạt lấy dầu được sản xuất năm 2009 14 Hình 3.3- Phần trăm khối lượng tiêu thụ các loại dầu năm 2009 14 Hình 3.4- Công thức cấu tạo của triglyceride 15 Hình 3.5- Phản ứng giữa các nhóm acyl nội phân tử 25 Hình 3.6- Phản ứng tạo vòng từ các nối đôi nội phân tử . 26 Hình 3.7- Sơ đồ phản ứng oxy hóa theo cơ chế gốc tự do 26 Hình 3.8- Hai con đường biến đổi của gốc alkoxy 27 Hình 4.1-Cơ chế nhiệt phân triglyceride . 32 Hình 4.2- Phản ứng transester hóa của triglyceride với rượu 36 Hình 4.3-Cơ chế của phản ứng xúc tác kiềm tính . 37 Hình 4.4- Phản ứng giữa ester và acid béo tự do với chất xúc tác 38 Hình 4.5-Cơ chế của phản ứng transester hóa với xúc tác acid 39 Hình 4.6-Các giai đoạn của phản ứng transester hóa dầu hạt hướng dương với butanol bằng enzyme lipase 42 Hình 4.7-Cơ chế xúc tác của enzyme trong phản ứng trasester hóa . 44 Hình 4.8-Giản đồ pha của vật chất theo nhiệt độ và áp suất . 46 Hình 4.9-Phản ứng transester hóa triglycride với methanol ở điều kiện siêu tới hạn . 47 Hình 4.10-Cơ chế của phản ứng transester với methanol ở điều kiện siêu tới hạn . 47 Hình 4.11-Các bước quan trọng trong sản xuất biodiesel với xúc tác kiềm . 49 Hình 4.12-Thiết bị phản ứng liên tục sản xuất biodiesel với xúc tác kiềm . 50 Hình 4.13-Quy trình công nghệ sản xuất biodiesel liên tục với xúc tác rắn . 51 Hình 4.14-Quy trình công nghệ sản xuất biodiesel liên tục với xúc tác lipase . 52 Hình 4.15-Quy trình công nghệ sản xuất biodiesel với methanol siêu tới hạn . 55 Hình 5.1-Đồ thị sản lượng và trữ lượng biodiesel của EU 58 Hình 5.2-Đồ thị sản lượng và trữ lượng biodiesel của Hoa Kỳ 59 vii Hình 5.3-Đồ thị sản lượng và trữ lượng biodiesel trên toàn thế giới 59 Hình 5.4-Tiềm năng sản xuất biodiesel của các nước trên toàn thế giới 60 Hình 5. 5-Giá thành biodiesel dựa trên nguồn lipid hiện có ở các nước trên thế giới 61 Chương 1: Mở đầu 1 CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề Trong những năm gần đây, cùng với việc phát triển quá mức của các ngành công nghiệp và sự bùng nổ dân số, nhu cầu về nhiên liệu sử dụng ngày càng gia tăng. Các nguồn năng lượng hóa thạch như dầu mỏ, than đá, khí đốt đang ngày càng cạn kiệt. Việc sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch có một số nhược điểm như ô nhiễm không khí, gây ra hiệu ứng nhà kính. Đồng thời, khủng hoảng năng lượng đang có chiều hướng ngày một gia tăng. Nên việc tìm một nguồn năng lượng mới để thay thế cho những nguồn năng lượng hóa thạch là hết sức cần thiết. Nguồn sinh khối động vật và thực vật được xem là các nguồn có khả năng tái sinh được, đặc biệt là dầu mỡ động thực vật là nguồn nguyên liệu dùng để sản xuất ra biodiesel. Nhiên liệu biodiesel là một trong các loại nhiên liệu sinh học, có một số ưu điểm chính như: không độc hại, phân hủy được trong tự nhiên, sản xuất từ nguồn nguyên liệu có thể phục hồi, đạt được các chỉ tiêu về môi trường, và nhiều ưu điểm khác nữa khi ứng dụng cho các động cơ. Hiện nay, nhiên liệu biodiesel đang được chú trọng phát triển. Một số quốc gia đã tiến hành sử dụng biodiesel làm nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu xăng dầu cho các phương tiện và thiết bị có động cơ. Điển hình là ở châu Âu, các quốc gia thuộc khối liên minh EU đã đặt ra mục tiêu là vào năm 2020, tỷ lệ sử dụng nhiên liệu sinh học chiếm 20% trong tổng số nhiên liệu tiêu thụ cho các động cơ [108]. Còn ở Hoa Kỳ, biodiesel được phối trộn với diesel ở tỷ lệ 20% thể tích biodiesel đã được đưa vào sử dụng [108]. Trên thế giới, nguồn sinh khối từ các sinh vật rất dồi dào. Ứng dụng việc trồng trọt các loại thực vật cho tinh dầu để cung cấp nguyên liệu thô cho quá trình sản xuất biodiesel có nhiều tiềm năng lớn và đang được chú trọng phát triển. Hơn nữa, nếu các sản phẩm như dầu mỡ động thực vật, đặc biệt là dầu thải chiên rán từ nấu nướng-thải ra ngoài không qua xử lý thì sẽ dẫn đến ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Với hiện trạng này, việc ứng dụng các phương pháp để chuyển hóa dầu mỡ động thực vật thành nhiên liệu sử dụng được là một trong những vấn đề cấp bách trong công cuộc tìm ra nguồn nhiên liệu mới cho sự phát triển bền vững của nhân loại. 1.2. Mục tiêu đề tài 123doc.vn