đề tài tiểu luận sản xuất etanol

Ngoài mục đích sử dụng làm đồ uống, còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác như: trong công nghệ hoá chất, làm dung môi cho các phản ứng hoá học, nguyên liệu.. Có nhiều nguồn nguyên l

Đề Tài Tiểu Luận SẢN XUẤT ETANOL

Nhóm :

Nguyễn Thị Hiền

Nguyễn Ngọc Giang

Trần Thiện Tuấn

Đặng Công Tiến GVHD : TH.S Phan Thị Thùy Trang

Nguyễn Kiều Danh Lớp : CNKTHHK38 – HÓA DẦU

Trương Quang Sướng

Mu ̣c lu ̣c

MỞ ĐẦU 3

I Khái Quát Chung 4

I.1 Khái niệm về Etanol 4

I.2 Tính chất vật lý 4

I.3 Tính chất hóa học 4

I.4 Ứng dụng của Ethanol 5

I.5 Tình hình sản xuất và sử dụng etanol ở Việt Nam và Thế Giới: 6

II Các phương pháp sản xuất Ethanol 9

II.1 Công nghệ sản xuất ethanol tổng hợp 9

II.1.1 Hydrat hóa trực tiếp etylen 9

II.1.2 Hydrat hóa gián tiếp etylen 13

II.2 Công nghệ sản xuất ethanol sinh học 17

II.2.1 Sản xuất ethanol từ nguồn nguyên liệu chứa đường 17

II.2.2 Sản xuất ethanol từ nguồn nguyên liệu chứa tinh bột 21

II.2.2.1 Sắn 23

II.2.2.2 Ngô 26

II.2.3 Sản xuất ethanol từ nguổn nguyên liệu chứa cellulose 29

TÀI LIỆU THAM KHẢO 33

3

MỞ ĐẦU

Từ lâu, ngành công nghệ lên men nói chung và công nghệ sản xuất cồn ethanol nói riêng đã phát triển và ngày càng lớn mạnh Với việc ứng dụng những thành tựu của khoa học kỹ thuật vào sản xuất đã và đang tạo ra những sản phẩm cồn ethanol có chất lượng nhằm đáp ứng nhu cầu cuộc sống ngày càng cao của con người

Ngoài mục đích sử dụng làm đồ uống, còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác như: trong công nghệ hoá chất, làm dung môi cho các phản ứng hoá học, nguyên liệu Đối với quốc phòng cồn ethanol được dùng làm thuốc súng không khói, nhiên liệu hoả tiễn Trong y tế, cồn là chất sát trùng hoặc pha thuốc Trong nông nghiệp, cồn còn dùng sản xuất thuốc trừ sâu Đối với ngành dệt cồn còn dùng làm thuốc nhuộm, tơ nhân tạo, dùng làm sơn vecni trong chế biến gỗ Trong tương lai cồn ethanol được sử dụng làm nhiên liệu sinh học vì sản phẩm cháy không gây ô nhiễm môi trường

Chính sự cần thiết đó nên ngành công nghệ sản xuất rượu etylic đã đem lại thu nhập đáng kể, đóng góp to lớn trong nền kinh tế quốc dân Có nhiều nguồn nguyên liệu để sản xuất rượu etylic, với nền tảng của một quốc gia có nền sản xuất nông nghiệp đã tạo nên sự đa dạng trong nguồn nguyên liệu Ethanol là một trong những hơp chất hữu cơ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau: y tế, dược phẩm, hóa chất… cũng như trong đời sống hàng ngày

Do đó, sản xuất Ethanol với số lượng lớn trên quy mô công nghiệp là một trong những yêu cầu của nền kinh tế nhằm cung cấp phần nào nguồn nhiên liệu, hóa chất cho nền công nghiệp cũng như góp phần hạn chế ô nhiễm môi trường

Vì vậy trong tiểu luận này chúng em đi tìm hiểu về đề tài : “ Công Nghệ Sản Xuất Etanol ”

I Khái Quát Chung :

I.1 Khái niệm về Etanol : [1]

Etanol còn được biết đến như là rượu etylic, ancol etylic, rượu ngũ cốc hay cồn, là một hợp chất hữu cơ, nằm trong dãy đồng đẳng của rượu metylic, dễ cháy, không màu, là một trong các rượu thông thường có trong thành phần đồ uống chứa cồn Trong cách nói dân dã, thông thường nó được nhắt đến một cách đơn giản là rượu Công thức hóa học là C2H5OH

I.2 Tính chất vật lý :

Etanol là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng, vị cay, nhẹ hơn nước ( khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15°C), dễ bay hơi ( sôi ở nhiệt độ 78,39°C) hóa rắn ở -114,15°C, tan trong nước vô hạn, tan trong ete

và clorofom, hút ẩm, dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa có màu xanh

da trời Sở dĩ rượu etylic tan vô hạn trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều

so với ete hay andehyt có khối lượng phân tử xấp xỉ là do sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử rượu với nhau và với nước

I.3 Tính chất hóa học :

Etanol có công thức phân tử C2H5OH, nhóm chức là nhóm hydroxyl(-OH)

–OH, nó tham gia vào nhiều phản ứng hóa học quan trọng trong công nghệ hoá: dehydrat hóa, halogen hóa, tạo thành ete, sự oxi hóa,

Nhóm hydroxyl làm cho phân tử rượu phân cực, hai xu hướng hòa tan đối chọi nhau trong phân tử là: xu hướng của nhóm –OH phân cực làm tăng tính hòa tan trong nước và xu hướng chuỗi cacbon ngăn cản tính hòa tan trong nước Vì vậy metanol, etanol, propanol dễ hòa tan trong nước hơn butanol hay ancol cao hơn

5

Lực liên kết hóa học trong liên kết của rượu cao nên chúng ta có nhiệt bốc cháy cao

I.3.1 Tính chất của một rượu đơn chức:

Phản ứng thế với một kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ

I.3.2 Phản ứng riêng:

Phản ứng tạo ra butadien-1,3: cho hơi rượu đi qua chất xúc tác hỗn hợp

I.4 Ứng dụng của Ethanol:

Etanol được dùng nhiều trong đời sống

Bằng cách lên men từ các loại ngũ cốc khác nhau như: nho, lúa gạo, đường mía, lúa mì, khoai ngô, củ cải, đường, Mà ta có được các loại rượu khác nhau dùng làm thức uống: wisky, voka, rum, Các loại thức uống này có tác dụng kích thích dịch vị trong ăn uống

Etanol sản xuất từ quá trình hóa dầu có ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất, nó làm dung môi tốt cho nhiều chất, chỉ ít phổ biến hơn nước một chút Etanol còn dùng làm cồn thuốc, rửa vết thương, điều chế các loại dược phẩm, điều chế hương liệu, đồ gia vị, chất bảo quản

Dung dịch chứa 70% etanol chủ yếu được dùng làm chất tẩy uế, etanol cũng được sử dụng trong các gel vệ sinh kháng khuẩn phổ biến nhất ở nồng độ 62% Etanol giết chết các vi sinh vật bằng cách biến tính protein và hòa tan lipit của chúng, nó hiệu quả trong việc chống lại phần lớn các loại vi khuẩn, nấm cũng như nhiều loại virut, nhưng không hiệu quả trong việc chống lại các bào tử vi khuẩn

Etanol tổng hợp từ dầu mỏ chỉ được sử dụng trong công nghiệp hóa học, không được dùng để uống vì trong đó có chứa một ít các chất như: metanol, benzen, pyridin, formaldehyt, Là các chất gây ngộ độc cho cơ thể

Khi có mặt chất xúc tác axit etanol phản ứng với các axit cacbosilic để tạo

ra etyl este:

Hai etyl este được sản xuất nhiều nhất là etyl acrylat và etyl axetat Etyt acrylat là một dơn phân tử được sử dụng trong sản xuất polyme acrylat có công dụng làm chất kết dính hay các vật liệu che phủ và trong công nghiệp thực phẩm Các etyl este khác cũng được sử dụng trong công nghiệp nhưng với sản lượng ít hơn như chất tạo mùi hoa quả nhân tạo

Dấm là dung dịch loãng của axit axetic được điều chế bằng phản ứng của vi

khuẩn Acetobacter trên dung dịch etanol Theo truyền thống người ta điều chế

dấm từ các đồ uống chứa cồn như rượu vang, rượu táo, bia Nó được phổ biến trong ngâm dấm thực phẩm hay làm gia vị

Ngoài ra etanol tinh khiết còn được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ ôtô, môtô, Người ta thường dùng etanol trộn với xăng theo phần trăm thể tích, thông thường sử dụng 95% gasoline và 5% etanol, gọi là xăng E95, vì sử dụng xăng E85 không cần phải thay đổi lại cấu tạo của động cơ Ít khi sử dụng 100% nhiên liệu cho động cơ đốt trong vì áp suất hơi bão hòa của nó thấp do đó khó khởi động động cơ và phải thay đổi cấu tạo động cơ

I.5 Tình hình sản xuất và sử dụng etanol ở Việt Nam và Thế Giới:[2]

Ở nước ta, công nghệ sản xuất ethanol còn rất nhỏ bé và lạc hậu Chỉ có

nhà máy sản xuất ethanol mà nguồn nguyên liệu chủ yếu từ tinh bột (sắn, ngô, khoai…) và từ rỉ đường Hoàn toàn chưa có nhà máy sản xuất ethanol từ các nguồn nguyên liệu chứa cellulose (rơm rạ, mùn cưa, cây cỏ…) Sản phẩm chủ yếu là ethanol thương phẩm (nồng độ 40% đến 45%) và cồn công nghiệp (nồng

độ từ 95,57% đến 96%), một lượng nhỏ được làm khan thành ethanol tuyệt đối (nồng độ 99,5%)

Nước ta có nhà máy sản xuất ethanol đầu tiên là nhà máy ethanol Đại Tân Nhà máy có công suất 100.000 tấn/năm tương đương với 125 triệu lít/năm

Có tổng vốn đầu tư khoảng 900 tỉ đồng, được đặt tại xã Đại Tân, huyện Đại Lộc,

7

Quảng Nam do Công ty CP Đồng Xanh đầu tư Mỗi năm nhà máy cần 300.000 tấn sắn mì khô để sản xuất ra 100 ngàn tấn ethanol Nhà máy Ethanol Dung Quất, Bình Phước 100 triệu lít/năm, Nhà máy Ethanol Tùng Lâm 70 triệu lít/năm, Nhà máy Đại Lộc Quảng Nam 100 triệu lít/năm,…

Phân tích hạn chế của sản xuất ethanol, các nhà nghiên cứu cho rằng “ Đầu vào” không ổn định là khó khăn đầu tiên mà các nhà sản xuất không thể tự giải quyết Mặc dù sắn là nguyên liệu dồi dào trong sản xuất năng lượng sinh học, song do thiếu quy hoạch và cơ chế giúp nông dân phát triển vùng sản xuất nên nguồn cung cho các nhà máy khó ổn định Thiếu nguyên liệu là yếu tố khiến nhiều nhà máy phải sản xuất với chi phí cao( nguyên liệu chiếm tới 60% chi phí sản xuất)

Các kịch bản phân tích đã dựa trên chỉ số bền vững thực hiện trong điều kiện ở Việt Nam Trong giai đoạn sản xuất nguyên liệu, 2 hệ thống canh tác được xem xét là sản xuất trên đất phẳng và trên đất dốc Trong chế biến Ethanol, đến tháng 12 năm 2017, cả nước có 2 trong 5 nhà máy sản xuất Ethanol nhiên liệu còn hoạt động với sản lượng chỉ chiếm 1 phần nhỏ công suất Mức tiêu thụ

và thị phần sản xuất ethanol giới hạn nên tác động môi trường, xã hội và kinh tế

từ chuỗi giá trị ethanol từ sắn chưa đáng kể Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra, các tiêu chí về thu nhập và việc làm đóng góp nhỏ bé vào đa dạng năng lượng quốc gia Các chỉ số thể hiện nhu cầu về ethanol từ sẵn chưa gây áp lực đáng kể lên sử dụng đất, đa dạng sinh học, quyền sử dụng đất và an ninh lương thực Đồng thời với tăng năng suất của chuỗi cung ứng, các nhà máy sản xuất ethanol cần sử dụng nhiều hơn công nghệ chế biến hiệu quả

Sau đây là những thông tin mà chúng tôi biết và nhận được ở một số nước,

ở các thời điểm khác nhau :

lít

Bình quấn đầu người ,l/người

Bảng 1 Tình hình sản xuất cồn etylic ở một số nước – theo thống kê 1958

Hầu hết các nước trên thế giới đều dùng cồn để pha chế rượu và cho nhu cầu khác nhau như: y tế, nhiên liệu và nguyên liệu cho các ngành công nghiệp khác

9

Tùy theo tình hình phát triển ở mổi nước, tỷ lệ cồn dùng trong các ngành rất đa dạng và khác nhau

II Các phương pháp sản xuất Ethanol:

Ethanol có thể sản xuất bằng nhiều phương pháp khác nhau , trong đó có hai phương pháp sau là phổ biến và cơ bản nhất

II.1 Công nghệ sản xuất ethanol tổng hợp:[3,4]

Tổng hợp ethanol có nghĩa là sản xuất ethanol bằng phương pháp hoá học, trên thế giới người ta sản xuất ethanol bằng nhiều phương pháp khác nhau Trong công nghệ tổng hợp hoá dầu ethanol được sản xuất bằng dây chuyền công nghệ hydrat hoá đối với khí etylen hoặc công nghệ cacbonyl hoá với methanol

Hydrat hoá: CH2=CH2 + H2O C2H5OH

Cacbonyl: CH3OH + CO + 2 H2 C2H5OH + H2O

II.1.1 Hydrat hóa trực tiếp etylen :[4]

Cơ sở hóa lí của quá trình

Phản ứng của quá trình là phản ứng cân bằng thuận nghịch:

C2H4 + H2O ⇄ C2H5OH (1) ∆H=-43,4 kJ/mol

Động học của phản ứng (1) được nghiên cứu trên xúc tác axit phosphoric mang trên silicagel, bentonit, hay diatomit và trên một số xúc tác khác như vonfram oxit – silicagel ( năng lượng hoạt hóa là 125 kJ/mol ) Các thông số của quá trình như: nhiệt độ, áp suất, tỷ lệ mol giữa etylen và nước có ảnh hưởng đến mức độ chuyển hóa của etylen, ở nhiệt độ 280 – 300°C, áp suất 6 – 8 Mpa sự chuyển hóa etylen đạt 7 – 22%

Ở dưới nhiệt độ này sự chuyển hóa etylen cao hơn nhưng ngoài phản ứng (1) trong quá trình còn hình thành phản ứng phụ tạo ete:

Th áp tá ch et e

Th áp tá ch et an ol

Thi

ết b

ị h ydr

o h óa

Quy trình công nghệ

Nguyên liệu etylen mới và etylen tuần hoàn được nén tới áp suất làm việc 8 Mpa, cùng với dòng nước dưới áp suất 7 – 8 Mpa bơm trộn với dòng etylen, sau đó đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt ngoài của thiết bị chuyển hóa, dòng khí hỗn hợp đi qua

lò gia nhiệt để nung nóng đến nhiệt độ làm việc ( 280 – 300°C), vào thiết bị phản ứng từ trên đỉnh tháp, sản phẩm sau phản ứng trao đổi nhiệt ngoài với dòng nguyên liệu để giảm nhiệt độ rồi đưa sang thiết bị phân li khí lỏng

Sản phẩm ra khỏi thiết bị chuyển hóa là khí etylen chưa phản ứng, khí trơ, hơi nước, etanol, dietyl ete, polyme, axetaldehyt, và hơi axit phosphoric, sau khi qua thiết bị phân li khí lỏng và tháp rửa khí , chúng được rửa lại bằng nước để giữ lại etanol, ete và tách khí etylen để tuần hoàn lại thiết bị phản ứng, sản phẩm ở dạng lỏng gồm etanol, dietyl ete, axetaldehyt, axit phosphoric, polyme được đưa qua tháp chưng tách sơ bộ để tách bớt nước, polyme, và axit phosphoric Sản phẩm đỉnh của tháp được làm lạnh, đưa sang thiết bị hydro hóa chọn lọc, tại đây axetaldehyt chuyển hóa hoàn toàn thành etanol ở điều kiện nhiệt độ 160 – 200°C,

áp suất khí quyển và trên xúc tác Cu

CH3CHO + H2 ⇄ C2H5OH + 32,2 Kcal

Nếu lượng axetaldehyt có nhiều trong sản phẩm mà không được hydro hóa sẽ

có khả năng tạo thành crotonaldehyt C3H5CHO Xấp xĩ 2% dietyl ete tạo thành sẽ được tách khỏi etanol ở tháp ete, tại tháp tách etanol thu được etanol 95% ở đỉnh tháp, sản phẩm đáy chứa một ít etanol được tuần hoàn lại tháp tách sơ bộ để thu hồi etanol Với công nghệ này phải dùng nguyên liệu chứa trên 85% thể tích etylen Phương pháp hydrat hóa trực tiếp etylen với nhiều ưu điểm:

- Quá trình đơn giản

- Ít hao tổn hao axit, ăn mòn thấp

13

- Làm việc liên tục với năng suất cao

- Chi phí đầu tư ban đầu thấp, hiệu quả kinh tế cao

II.1.2 Hydrat hóa gián tiếp etylen :

Cơ sở hóa lý của quá trình

Tổng hợp etanol bằng quá trình hydrat hóa gián tiếp etylen gồm các giai đoạn este hóa và thủy phân hóa với có mặt xúc tác axit sunfuric

Etylen bị hấp thụ bởi axit sunfuric qua hai giai đoạn:

- Giai đoạn tạo thành este:

C2H4 + H2SO4 ⇄ C2H5OSO3H ∆H=-60 kJ/mol

C2H4 + C2H5OSO3H ⇄ C2H5OSO2OC2H5

Hai phản ứng của giai đoạn este xảy ra không song song nhau, đầu tiên C2H4 hấp thụ trên H2SO4 chỉ tạo ra este etylic, sau khi đã tạo thành khoảng 30% etyl este thì dietyl sulfat mới được tạo thành, thực tế thì chỉ có một phần etylen được phản ứng với axit sulfuric

- Giai đoạn thủy phân:

C2H5OSO3H + H2O ⇄ C2H5OH + H2SO4

(C2H5O)2SO2 + H2O ⇄ C2H5OH + C2H5OSO3H

C2H5OSO3C2H5 + C2H5OH ⇄ C2H5OC2H5 + C2H5OSO3H

Sản phẩm sau quá trình thủy phân thu được là etanol và 5 – 10% dietyl ete Hiệu suất sản phẩm phụ ete có thể điều khiển được bằng sự thay đổi điều kiện phản ứng, đặc biệt là tỉ lệ của etylen và axit sulfuric và nó còn phụ thuộc vào điều kiện thủy phân

Thông thường ta sử dụng nồng độ H2SO4 là 98%, nồng độ axit sulfuric nhỏ thì vận tốc phản ứng bé, nhưng nếu nồng độ axit sulfuric quá lớn sẽ xảy ra quá trình thủy phân este ⟶ etylen, làm cho lượng etylen bị trùng hợp dưới tác dụng của axit sulfuric, nếu dùng H2SO4 98% thì khống chế nhiệt độ ở 80 – 85°C Lượng etylen hấp thụ trên axit sulfuric tăng tỉ lệ thuận với sự tăng áp suất, nếu sử dụng etylen có độ tinh khiết cao thì tiến hành ở áp suất 15at, nguyên liệu chứa 50% etylen thì tiến hành ở 35at, Vì vậy nếu tăng áp suất thì giảm được lượng axit sulfuric cần dùng cho một đơn vị sản phẩm

Ngoài ra quá trình thủy phân etyl sulfat và dietyl sulfat để tạo thành etanol, trong quá trình còn tạo sản phẩm phụ dietyl ete

2C2H5OSO3H + H2O ⇄ C2H5OH + 2H2SO4

(C2H5O)2SO2 + H2O ⇄ C2H5OH + H2SO4

C2H5OSO3C2H5 + C2H5OH ⇄ C2H5OC2H5 + H2SO4

Để giảm lượng sản phẩm phụ tạo thành ta tách nhanh rượu ra khỏi vùng phản ứng, hay cho nước dư để tiến hành thủy phân:

C2H5OC2H5 + H2O ⇄ 2C2H5OH

Qua thực nghiệm cho thấy rằng dùng tỉ số axit bão hòa etylen và nước 1/1, với tỉ lệ này ít xảy ra phản ứng phụ và lượng axit thu hồi không loãng, nó có thể đem di cô đặc hoặc sử dụng trong các quá trình khác Nhiệt độ duy trì ở 100°C, không cho quá nhiều nước vì axit sulfuric thu được sẽ loãng, việc cô đặc để thu hồi axit sulfiric sẽ tốn nhiều năng lượng

y p hân

Th iết b hủ

y p hân

Th iết b hủ

y p hân

Th iết b

ô đ

ặc ax

it su lfu ric

Th iết b

ô đ

ặc ax

it ric lfu su

Th áp tá ch a xit s ulf uri c

Th áp tá ch a xit s ulf uri

Nguyên liệu etylen dùng để sản xuất etanol cần phải làm sạch và sấy khô, vì nếu

có hơi ẩm trong khí nguyên liệu, axit sulfuric bị loãng và etylen khó hấp thụ trong axit sulfuric

Nguyên liệu khí etylen dùng cho quá trình phải chứa ít nhất 35% thể tích etylen, còn lại là các khí trơ, metan, etan, và các đồng đẳng của etylen: propylene, buten, Chúng là nguyên nhân hình thành nhựa trong quá trình, vì vậy cần loại bỏ chúng khỏi nguyên liệu trước khi đưa vào thiết bị phản ứng

Etylen ở áp suất 1,5 Mpa hoặc nguyên liệu chứa khí etylen ở áp suất tương ứng cho vào hệ thống các tháp hấp thụ, khí etylen đi từ dưới lên ngược chiều vời dòng axit sulfuric đi từ trên xuống

Thiết bị phản ứng được cấu tạo để cho sự tiếp xúc giưa etylen và axit sulfuric được tốt nhất, trong công nghiệp hay dùng tháp đệm hay tháp đĩa, tháp đệm khó rút nhiệt phản ứng hay xảy ra hiện tượng nung nóng cục bộ, nên thường xuyên xử dụng tháp đĩa hơn

Duy trì nhiệt độ trong tháp ở 85°C, etyl sulfuric lấy ra ở đáy hệ thống các tháp hấp thụ, để axit sulfuric hấp thụ etylen một cách hiệu quả, khí thoát ra ở đỉnh tháp được làm lạnh và hồi lưu lại đỉnh tháp Etyl sulfuric qua van giảm áp suất 0,5 – 0,6 Mpa, sau đó cùng với nước cho vào hệ thống các tháp thủy phân Sản phẩm sau quá trình thủy phân bao gồm etanol, dietyl ete, dung dịch axit sulfuric còn dư Tất cả được bơm sang hệ thống các tháp chưng tách sơ cấp, tại đây axit sulfuric loãng được tách ra ở đáy tháp, chúng được đưa đi cô đặc để thu hồi lại axit sulfuric đặc

Sản phẩm đỉnh của các tháp chưng cất sơ bộ bao gồm etanol, dietyl ete, hơi axit sulfuric bay theo được đưa sang tháp rửa, tại đây hơi axit được rửa bằng dung dịch kiềm tươi từ trên đỉnh tháp, sản phẩm đỉnh của tháp rửa gồm ete và etanol,