Phòng thí nghiệm Năng lượng Sinh học Dầu mỏ cùng với các loại khí đốt đóng vai trò quan trọng trong hoạt động sản xuất kinh tế toàn cầu.. Thêm vào đó, dầu mỏ cũng được sử dụng trong côn
TỔNG QUAN VỀ PHÒNG THÍ NGHIỆM NĂNG LƯỢNG SINH HỌC
Lịch sử thành lập và phát triển
Hình 1 Phòng thí nghiệm Năng lượng Sinh học
Dầu mỏ cùng với các loại khí đốt đóng vai trò quan trọng trong hoạt động sản xuất kinh tế toàn cầu Đây là một trong những nguyên liệu quan trọng nhất dùng để sản xuất điện và cũng là nhiên liệu của tất cả các phương tiện giao thông vận tải Thêm vào đó, dầu mỏ cũng được sử dụng trong công nghiệp hóa dầu để sản xuất các chất dẻo và nhiều sản phẩm khác
Hiện nay, dầu mỏ vẫn giữ vai trò quan trọng nhất so với các dạng năng lượng khác Cùng với than đá, dầu mỏ và các loại khí đốt khác chiếm tới 90% năng lượng tiêu thụ toàn cầu Trữ lượng dầu mỏ tìm thấy và có khả năng khai thác đã tăng lên trong những năm gần đây Tuy nhiên, với tốc độ tiêu thụ hiện giờ và trữ lượng dầu mỏ hiện có, nguồn năng lượng này sẽ nhanh chóng bị cạn kiệt trong vòng 40 - 50 năm nữa Lượng dầu mỏ có hạn cùng với giá thành ngày càng tăng cao và ảnh hưởng của dầu mỏ đến môi trường (tràn dầu trên biển ,khí thải từ dầu mỏ như CO2,SO2 ) đòi hỏi con người phải tìm các nguồn năng lượng thay thế một cách hiệu quả Trong đó nguồn năng lượng từ nguyên liệu sinh học với các ưu điểm: tận dụng nguồn nguyên liêu tại chỗ như các phế phẩm nông nghiệp,công nghiệp; tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp, đang được thế giới quan tâm và nghiên cứu.Các loại nguyên liệu sinh học bao gồm : diesel sinh học, ethanol sinh học, ga sinh học
Ethanol được đánh giá là nguồn cung cấp nhiên liệu tốt cho tương lai vì con người có khả năng sản xuất với sản lượng lớn, không gây ô nhiễm môi trường và có thể thay thế được
8 cho xăng nhiên liệu Hiện nay, công nghệ sản xuất xăng sinh học từ ethanol với nguyên liệu sắn, ngô, khoai… rất phổ biến, nhưng nhiều quốc gia cảnh báo rằng, điều này sẽ ảnh hưởng đến an ninh lương thực thế giới Để tìm nguồn thay thế, nhiều nghiên cứu đang hướng đến việc tận dụng phụ phẩm trong nông nghiệp như rơm, rạ, vỏ trấu, bã mía… để sản xuất ethanol
Rơm rạ là nguồn phế thải trong nông nghiệp, bao gồm phần thân và cành lá của cây lúa, sau khi đã tuốt hạt lúa Rơm rạ chiếm khoảng một nửa sản lượng của cây ngũ cốc, như lúa mạch, lúa mì và lúa gạo Mặc dù nguồn phụ phẩm này có chứa các vật chất có thể mang lại lợi ích cho xã hội, song giá trị thực của nó thường bị bỏ qua do chi phí quá lớn cho các công đoạn thu thập, vận chuyển và các công nghệ xử lý để có thể sử dụng một cách hữu ích Việc đốt ngoài trời nguồn phế thải này đang gây ra các vấn đề môi trường, làm ảnh hưởng đến sức khỏe con người và đồng thời cũng là một sự thất thoát nguồn tài nguyên Nếu nguồn phế thải này có thể tận dụng để tăng cường cho sản xuất lương thực hay sản xuất nhiên liệu sinh học thì chúng sẽ không còn là nguồn phế thải nữa mà trở thành nguồn nguyên liệu mới Ở nước ta, dự án “Kết hợp bền vững nền nông nghiệp địa phương với công nghiệp chế biến biomass” do JICA (Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản – Japanese International Cooperation Agency) tài trợ, có nhiệm vụ xây dựng và phát triển công nghệ sản xuất bioethanol 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
Cách đây gần 10 năm, trong khoảng thời gian ở Nhật Bản với vai trò là Giáo sư thỉnh giảng cho trường Đại học Hiroshima , PGS.TS Phan Đình Tuấn (Nguyên Phó Hiệu trưởng trường ĐHBK – ĐHQG-HCM) đã nhận được lời đề nghị hợp tác từ một vị giáo sư bản xứ với mong muốn ứng dụng phương pháp sản xuất cồn làm nhiên liệu từ rơm rạ Nhận thấy hướng nghiên cứu có tính khả thi, đặc biệt là khả năng thay thế nguồn nguyên liệu như ngô, sắn, khoai… vốn đang được sử dụng để sản xuất cồn tại Việt Nam, ngay khi trở về nước (2005), thầy Tuấn đã đề xuất hướng nghiên cứu với Sở Khoa học – Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh, đồng thời tiến hành nghiên cứu trên cơ sở nguồn nguyên liệu sẵn có tại xã Thái Mỹ (huyện Củ Chi) “Phương pháp sản xuất cồn từ rơm rạ được ứng dụng rộng rãi tại Nhật Bản, nhưng tại Việt Nam còn khá mới mẻ Hơn nữa, hiệu suất cồn thu được trên rơm rạ cũng còn khá thấp nên chúng ta còn dè dặt là điều dễ hiểu” – thầy Tuấn nhận định
Dự án JICA được thực hiện trong khuôn khổ hợp tác nghiên cứu giữa trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM và Viện Khoa học Công nghiệp thuộc trường Đại học Tokyo Dự án hướng đến xây dựng 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
9 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 biomass” được thiết lập 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
Là dự án liên kết giữa Nhật Bản và Việt Nam nên hầu hết trang thiết bị máy móc do Nhật Bản cung cấp Dự án bắt đầu năm 2009 và kết thúc vào năm 2014 Từ năm 2009 tới cuối năm
2010 là gian đoạn lắp đặt nhà xưởng và cung cấp thiết bị, máy móc Đầu năm 2011 phòng thí nghiệm bắt đầu đi vào hoạt động.
Địa điểm xây dựng
Xưởng thực nghiệm có tên gọi là Phòng Thí nghiệm Năng lượng Sinh học, được xây dựng trong khuôn viên trường Đại học Bách Khoa- Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Xưởng nằm sau lưng tòa nhà C4 và C5, từ cổng 3 trường ĐHBK (đường Tô Hiến Thành) đi thẳng vào khoảng 100m sẽ thấy xưởng nằm bên phải
Sơ đồ bố trí mặt bằng
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.
Xử lý chất thải và công nghiệp
Khí thải Nước thải Chất thải rắn Đặc điểm Khí thải chủ yếu là khí
Chủ yếu là dịch ép mang tính kiềm, được đo pH trong quá trình trung hòa rơm bằng acid
Bã rắn sau chưng cất; tro thải từ quá trình khí hóa
Lượng chất thải Tùy theo năng suất nhập liệu và hiệu suất khí hóa nguyên liệu
Xử lý Khí thải được trộn với không khí để giảm nhiệt độ và nồng độ khí CO2 trước khi thải ra ngoài qua ống xả thải
Trung hòa bằng dung dịch HCl và sau đó thải ra môi trường ngoài Được làm mát và dùng làm phân bón cho đất
DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ
Nguyên liệu
Rơm rạ là nguồn nguyên liệu phong phú, rẻ và dễ tìm ở nước ta Ở phòng thí nghiệm sinh học rơm được thu mua từ xã Thái Mỹ (huyện Củ Chi, Tp.HCM) sau khi gặt và phơi dưới nắng trong 2 tuần Rơm được đựng trong các túi 25 kg và giữ ở nơi khô ráo
Thành phần chính của nó bao gồm cellulose, hemicellulose và lignin
Hình 2 Cấu trúc của lignocellulos
Tính chất vật lý: màu trắng, không mùi, không vị, không tan trong nước ngay cả khi đun nóng và các dung môi hữu cơ thông thường
Cellulose là thành phần chính tạo nên lớp màng tế bào thực vật, giúp cho các mô thực vật có độ bền cơ học và tính đàn hồi Là hợp chất cao phân tử, đơn vị mắt xích là D – glucopyrano liên kết với nhau bằng liên kết β -1,4-glucoside
Các đơn vị mắt xích gồm:
- Một nhóm rượu bậc một
- Hai nhóm rượu bậc hai
Hình 3 Cấu trúc cellulose theo Haworth
Số monomer có thể đạt từ 2000 đến 10000, độ trùng hợp này tương ứng với chiều dài mạch phân tử từ 5,2- 7,7 mm Sau khi thực hiện quá trình nấu gỗ với tác chất, độ trùng hợp còn khoảng 600-1500 Ở nhiệt độ thường nó có thể hoà tan trong một số dung môi như dung dịch phức đồng – amoniac Cu(NH3)4(OH)4, cupriethylendiamine (CED), cadimiethylediamine…Một số acid cũng có thể hoà tan cellulose như H2SO4 72%, H3PO4
Các sợi cellulose sắp xếp lại với nhau tạo thành sợi sơ cấp có đường kính xấp xỉ 3nm Các sợi sơ cấp tập hợp lại thành vi sợi Trong điều kiện tự nhiên, các vi sợi thường không đồng nhất, chúng thường tồn tại 2 vùng: vùng kết tinh và vùng vô định hình
- 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 Valder-Waals nên chúng dễ bị tác động và thay đổi cấu trúc
Thuộc nhóm cacbonhydrat loại polysaccharid dị thể Đơn vị cơ sở là đường hexose hoặc đường pentose Độ bền hoá học và bền nhiệt của hemicellulose thấp hơn so với cellulose, vì chúng có độ kết tinh và độ trùng hợp thấp hơn (độ trùng hợp < 90) Đặc trưng của nó là có thể tan trong dung dịch kiềm loãng, so với cellulose nó dễ bị thuỷ phân hơn trong môi trường kiềm hay acid Hemicellulose có 3 loại:
- Đơn giản: Có thể được tách ra dưới tác dụng của các hoá chất dùng trong quá trình nấu gỗ
- Phức tạp: Loại này liên kết khá chặt chẽ với lignin, và do vậy cần có những phản ứng hoà tan lignin khá mạnh Hemicellulose rất ái nước, sự có mặt của nó trong bột làm cho bột dễ nghiền hơn
- Cellulosesen: Là những hexose và pentose liên kết khá chặt chẽ với cellulose
Tính chất: 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 hemicellulose 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
Hình 4 Các đơn vị cơ bản của lignin
Hình 5 Liên kết β-O-4 trong lignin
Vỏ trấu có thành phần hóa học không ổn định, thay đổi theo giống lúa, theo mùa vụ, theo các loại đất ở các vùng khác nhau Tuy nhiên nhìn chung thành phần của vỏ trấu hầu hết đều chứa 75% chất hữu cơ, sau quá trình đốt sẽ bay hơi, còn lại 25% là các chất sẽ chuyển hóa thành tro sau quá trình đốt Ngoài ra vỏ trấu chứa các thành phần là các acid kim loại, trong đó
15 có Silic oxit, Nhôm oxit, -Kali oxit, Canxi oxit, Natri oxit Chiếm tỷ lệ lớn nhất là SiO2 với tỷ lệ theo khối lượng lên tới 80-90%
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 Đặc biệt sau khi đốt, tro trấu có chứa đến 80% là Silic Oxit, đây là chất sẽ được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống 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 Nấm men Ở đây sử dụng nấm men thuộc chủng Saccharomyces Cerevisiae
Quá trình sinh trưởng của nấm men:
Gồm 4 pha: pha thích nghi, pha tăng trưởng, pha cân bằng và pha suy vong
- Pha thích nghi (pha lag): nấm men mới cấy vào môi trường, đang thích nghi với môi trường mới Vận tốc sinh trưởng coi như bằng không, nồng độ chất dinh dưỡng còn rất nhiều Đây là thời kỳ tiềm phát của nấm men, trong đó một số tế bào bị ức chế, thậm chí có thể chết Số lượng tế bào nấm men trong giai đoạn này không tăng hoặc tăng không đáng kể, nhưng sự trao đổi chất diễn ra mạnh mẽ Kích thước tế bào tăng, hàm lượng protein, acid nucleic tăng lên Trong môi trường đầy đủ chất dinh dưỡng, nấm men cấy vào càng trẻ khỏe và pha lag càng ngắn
- Pha tăng trưởng (pha log): tăng sinh khối, tế bào phát triển ồ ạt theo cấp số nhân:
2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 … 2 n với tốc độ tăng trưởng là cực đại Kích thước tế bào nấm men ở pha này nhìn chung là nhỏ nhất, vì chúng cón phải sinh sản Đối với tế bào trong pha này chúng có hoạt tính sinh lý, sinh hóa rất đặc trưng và rất nhạy cảm với những nhân tố bất lợi của môi trường Chất dinh dưỡng giảm mạnh và bắt đầu xuất hiện sản phẩm trao đổi chất không cần thiết đối với giống và quá trình chuyển sang pha ổn định Nếu là quá trình thu sinh khối ta nên thu vào cuối giai đoạn này
- Pha cân bằng: ổn định, tỉ lệ sinh ra bằng tỷ lệ mất đi Sản phẩm trao đổi chất tích tụ nhiều, chất dinh dữơng cạn kiệt Thu sản phẩm trao đổi chất trong pha này
Các dạng năng lượng sử dụng và tiện nghi hỗ trợ sản xuất
2.2.1 Điện năng Điện năng được sử dụng để thắp sáng, chạy các động cơ máy cắt, bơm, quạt, trục khuấy, và để vận hành hệ thống điều khiển tự động
Nước được sử dụng hầu hết trong tất cả các giai đoạn của quy trình công nghệ: cung cấp cho nồi hơi, thiết bị nổ hơi, làm mát, tạo dung dịch, vệ sinh máy móc - thiết bị
LPG được sử dụng làm nhiên liệu chính để đốt cháy cấp nhiệt cho nồi hơi để tạo hơi nước cung cấp cho thiết bị chưng cấp; tiệt trùng trước khi lên men; ổn định nhiệt độ trong quá trình lên men khi hệ thống khí hóa không hoạt động Từ đó có thể so sánh về mặt kinh tế khi sử dụng LPG so với khi sử dụng hệ thống khí hóa
Ngoài ra LPG còn sử dụng để đốt mồi trong quá trình đốt cháy khí syngas trong lò đốt khí syngas ( Burner )
21 Được sử dụng để điều khiển tự động một số chi tiết: Dùng khí nén để đẩy hỗn hợp sau lên men ra khỏi thiết bị thủy phân và lên men đồng thời qua bồn chứa
Dùng cung cấp cho quá trình khí hóa, đốt cháy khí syngas, hạ nhiệt độ khí thải trước khi thải ra môi trường.
Sơ đồ bố trí thiết bị - máy móc
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Sơ đồ khối của quy trình công nghệ
Thủy phân và lên men đồng thời
Khí hóa Trấu Đốt cháy Đun nồi hơi
Quy trình công nghệ chi tiết
Sự cố và cách khắc phục của từng công đoạn trong quy trình công nghệ
Nếu trong quá trình lên men pH giảm thì cho NaOH vào để duy trì lại pH phù hợp bằng một van ở phía trên thiết bị
Quá trình nhập liệu vào thiết bị có thể làm cho pH môi trường tăng, lúc này cần cho vào acid citric để để đưa về pH phù hợp
Thiếu nước làm mát dẫn đến thiết bị ngưng tụ chính không kịp ngưng tụ lượng hơi ở tháp thì lượng hơi sẽ được chuyển qua thiết bị ngưng tụ phụ để ngưng tụ
Giai đoạn khí hóa-nồi hơi:
Khí syngas cung cấp cho lò đốt quá nhiều dẫn đễn nhiệt độ lò đốt tang nhanh tới 850 o C thì hệ thống sẽ báo lỗi Để khắc phục chúng ta cần giảm lượng khí cung cấp cho lò khí hóa.
MÁY – THIẾT BỊ
Máy cắt
Dùng để cắt nhỏ rơm ban đầu thành rơm có chiều dài 2 – 3 cm để thuận lợi cho quá trình nổ hơi Qua hai máy cắt là máy cắt thô và máy cắt tinh
Khá đơn giản: gồm cửa nhập liệu, bên dưới cửa là hệ thống bánh răng cắt Hệ thồng bánh răng được gắn với trục nối với motor quay
Rơm được đưa vào bằng tay, nhờ 2 chuyển động của 2 trục ép rơm sẽ được vận chuyển tới lưỡi cắt và bị cắt thành những đoạn ngắn khoảng 7-8 cm, sau đó được đẩy ra ngoài
Giống máy cắt tinh chỉ thêm bộ phận nâng đỡ
Rơm sau khi cắt thô được đưa qua máy cắt tinh qua cửa nhập liệu, từng ít một để tránh bị kẹt Hai lưỡi cắt bánh răng quay, vừa tạo lực cắt ngắn rơm vừa vận chuyển rơm về cửa tháo liệu Rơm qua máy cắt tinh khoảng 2 lần sẽ đạt được chiều dài khoảng 2-3 cm.
Máy nổ hơi
Quá trình nổ hơi nước là một quá trình cơ – hóa – nhiệt, là sự phá vỡ cấu trúc các hợp phần của rơm với sự kết hợp nhiệt ở dạng hơi, lực cắt do sự giãn nở của ẩm và thủy phân các liên kết glycosidic Quá trình này giúp phá vỡ lớp lignin bao bọc xung quanh cấu trúc lignocellulose của rơm sau khi cắt, giải phóng các bó sợi cellulose, kết hợp với thủy phân hemicellulose chuẩn bị cho bước xử lí hóa học tiếp theo bằng kiềm NaOH
Hình 15 Cấu trúc của rơm sau quá trình nổ hơi
Hình 16 Rơm sau khi qua máy nổ hơi nước
Cấu tạo máy nổ hơi:
Hình 17 Cấu tạo máy nổ hơi
- Input container: thùng nhập liệu rơm
- Weight feeder : trục vít nhập liệu
- Main screw: trục vít chính, cấp rơm rạ cho quá trình nổ hơi
- Inclination CV: trục vít tháo liệu
- Detector of blocking: đầu dò phân phối nguyên liệu, kiểm tra mức độ đồng đều
- Detector of water pressure: đầu dò áp suất hơi nước
- Water service control valve: thiết bị điều khiển áp suất hơi nước
- Water supply: cung cấp nước
- Detector of material : đầu dò mức nhập liệu
Rơm sau khi qua giai đoạn cắt cho vào thùng nạp liệu, được vận chuyển bằng vít tải xuống dưới qua thiết bị nổ hơi
Trục vít có cấu tạo với đường kính cánh vít giảm dần, nhờ vậy rơm sẽ được nén và chà xát với nhau và với thiết bị, khi đó những sợi rơm sẽ bị xé bung ra và có cấu trúc xốp hơn Hơi nước cũng được cho vào ở giai đoạn đề phối trộn với rơm rạ nhằm mục đích tránh cho rơm rạ bị cháy trong quá trình nén ép và chà xát
Mặt khác, do lực nén của trục vít làm áp suất tăng nhẹ khoảng 1,6MPa và sự chà xát với thiết bị làm nhiệt độ rơm trong bộ phận này lên đến khoảng 150 o C Khi rơm được đẩy ra ngoài, áp suất giảm đột ngột, hơi nước có năng lượng cao nhanh chóng thoát ra khỏi khối rơm gây
28 phá vỡ cấu trúc, phân hủy một phần hemicellulose và lignin, do đó cũng tạo ra những lỗ xốp bên trong cấu trúc rơm rạ
Rơm rạ sau khi nổ hơi sẽ được thu dưới đáy của thiết bị.
Thiết bị lọc ép khung bản
Quá trình lọc ép dùng để tách ép dung dịch ra khỏi phần bã rơm Các dung dịch đó gồm:
- Dung dịch NaOH 30% dùng để ngâm rơm sau khi nổ hơi trong 24 giờ nhằm hòa tan lớp hemicellulose, giúp cho việc tiếp cận cellulose của enzyme được thuận lợi
- Dung dịch HCl dùng để trung hòa lượng kiềm, điều chỉnh pH của rơm về khoảng 5-6
Là thiết bị lọc ép khung bản Có kết cấu đơn giản, sử dụng các bộ phận được tiêu chuẩn hóa cao
Máy lọc ép sử dụng động cơ 3 pha Khi motor trong động cơ hoạt động quay sẽ truyền lực cho hệ thống xi-lanh đẩy khung ép xuống Sau đó máy sẽ ép tách dung dịch xử lý ra khỏi rơm qua một bản có lỗ lọc, chất lỏng được thải ra ngoài qua một đường ống có van đóng – mở
Hình 18 Thiết bị lọc ép khung bản
Thiết bị khí hóa
Hình 19 Cụm thiết bị khí hóa
- Chiều cao thiết bị: 1280mm
- Chiều cao chân đỡ: 930mm
- Đường kính trục cánh khuấy: 55mm
- Đường kính cánh khuấy: 750mm
- Đường kính thiết bị: 1120mm
Cyclone là thiết bị có dạng hình trụ, đáy côn Cửa nhập liệu đặt vuông góc với trục của thân trụ, bên trên là cửa thoát cho bụi còn vỏ trấu di chuyển xuống cửa bên dưới
Buồng than hoá có dạng hình trụ đứng được đặt trên chân đỡ như hình, bên trên được lắp đặt một vít tải vận chuyển vỏ trấu từ hệ thống cyclone xuống Phía trên nắp còn có 1 cửa thông với buồng đốt – là nơi di chuyển của khí syngas sau khi tạo thành Bên thành còn có 1 cửa quan sát hình vuông
Hình 20 Cửa quan sát buồng đốt
Bên trong là không gian rỗng và có 1 trục khuấy Trục khuấy gồm 2 cánh khuấy nằm trên cùng một trục Mục đích của việc sử dụng cánh khuấy nhằm đảm bảo vỏ trấu được cháy đều, tránh nhiệt cục bộ ảnh hưởng đến quá trình khí hoá và thiết bị, đồng thời hỗ trợ cho việc đẩy than ra ngoài
Dưới đáy của hình trụ có 1 cửa tháo than Than sau khi được hình thành sẽ được vít tải vận chuyển đến thùng chứa than Quạt hút sẽ hút không khí từ phía dưới đáy thiết bị để đảm bảo duy trì sự cháy bên trong buồng than hoá
Thành của buồng khí hóa gồm có 3 lớp vật liệu:
- Trong cùng là lớp xi măng truyền nhiệt
- Lớp cao nhôm (gạch chịu lửa)
- Khung kim loại chịu lực
- Công suất động cơ: 0,2kW
- Tốc độ quay của rotor: 25Hz
- Động cơ quay: 1450 vòng/phút
- Tốc độ quay của cánh khuấy: 500 vòng/phút
- Năng suất nhập liệu: 55 – 65 kg/h
- Lượng than sinh ra: 15 – 25 kg/h
- Lưu lượng không khí đưa vào quá trình khí hóa: 22 m 3 /h
Khí hóa vỏ trấu trong điều kiện thiếu oxy tạo thành syngas để đốt cháy trong lò đốt cung cấp nhiệt cho nồi hơi Ưu điểm của quá trình khí hóa so với việc đốt cháy trực tiếp vỏ trấu là khí syngas cháy ở nhiệt độ cao hơn, cung cấp nhiều nhiệt hơn và có thể loại bỏ các yếu tố ăn mòn
Hệ thống khí hóa kiểu Updraft
4.4.9 Vị trí nhập liệu và tháo liệu
Vỏ trấu được đưa vào buồng đốt thông qua cửa buồng đốt ở phía trên
Than trấu sẽ được vận chuyển ra ngoài bằng trục vít ở phía dưới đáy buồng đốt
Khí syngas được đưa qua lò đốt bằng đường ống kế bên cửa nhập liệu phía trên buồng đốt
Trong quá trình vận hành, vỏ trấu sẽ được quạt hút qua cyclone để lọc bụi và khí, còn trấu được vít tải vận chuyển vào trong buồng khí hoá
Trong buồng khí hoá, vỏ trấu bị đốt thành than trong điều kiện thiếu khí oxy, sản phẩm tạo thành là khí syngas (chủ yếu là CO, H2) Khí này sau khi sinh ra sẽ bốc cháy ở buồng đốt tạo thành CO2 và một nhiệt lượng rất lớn cung cấp cho nồi hơi để tạo thành hơi, phần dư ra sẽ được làm nguội bằng không khí trước khi thải ra môi trường
- Áp suất: Áp suất hơi ra khỏi thiết bị là 5 at
Nhiệt độ vùng cháy - tro: 800 0 C – 1000C
Nhiệt độ vùng khí hóa: 600 0 C
Nhiệt độ vùng nhiệt phân: 300 0 C
- Thời gian lưu khoảng 14 – 40 phút tùy theo lượng vỏ trấu nhập liệu vào thiết bị
Cyclone phân riêng nhờ vào lực ly tâm với động lực là sự chênh lệch về khối lượng riêng của hệ Khi hệ được hút vào cyclone với tốc độ cao theo phương tiếp tuyến với tiết diện hình tròn của phần thân trụ, hệ sẽ chuyển động theo đường xoắn ốc
Dưới tác dụng của lực ly tâm, vỏ trấu sẽ chuyển động theo đường xoắn ốc bên ngoài và đi xuống đáy cyclone để vào buồng khí hóa, trong khi đó, hệ bụi sẽ chuyển động theo đường xoắn ốc bên trong, khi đến đáy thiết bị quay ngược trở lại và đi ra từ phía trên cyclone
Trấu sẽ được trục vít đưa vào buồng khí hóa, dùng dầu hoả KO để đốt cháy trấu ban đầu đồng thời khởi động quạt gió từ phía bên dưới Khoảng 1 phút sau, quá trình “khí hóa” xảy ra và sự cháy bằng khí kéo dài liên tục từ 14 – 40 phút (tùy lượng trấu đổ vào lò), nhiệt độ trên miệng lò từ 250 – 350 o C
Quá trình tạo khí syngas với nguyên liệu đi từ trên xuống Khi đi từ trên xuống, trọng lượng và kích thước hạt sinh khối giảm dần do tham gia phản ứng nhiệt phân, phản ứng khử, phản ứng cháy Tại đây nguyên liệu đi qua bốn vùng:
Vùng có nhiệt độ thấp nhất: vùng sấy
Không khí đi từ dưới lên lần lượt qua các vùng cháy, vùng khử, vùng nhiệt phân, vùng sấy và tầng không đỉnh lò
Vùng ghi lò: là nơi chứa xỉ lò Nhờ gió đi từ dưới lên làm giảm nhiệt nên nhiệt độ ở vùng này tương đối thấp Lượng oxy của không khí cấp vào cũng giảm đi chút ít do phản ứng với phần sinh khối còn lại trong xỉ
Vùng cháy: các phản ứng xảy ra như sau
Trong vùng cháy, sự cháy diễn ra mạnh mẽ do tiếp xúc với phần lớn lượng oxy hút từ bên ngoài Nhiệt toả ra lớn, nhiệt này cung cấp năng lượng cho vùng khử và các vùng khác Vùng khử: CO2 từ vùng cháy di chuyển sang vùng khử thực hiện 3 phản ứng sau
Những phản ứng này sinh ra khí syngas (chủ yếu là CO và H2), khí này có thể dùng làm khí đốt, sản xuất hoá chất hoặc phân bón,…
Vùng nhiệt phân: khí ra khỏi vùng khử nhiệt độ giảm do phải cung cấp nhiệt cho phản ứng khử Nếu nguyên liệu dùng cho khí hóa là các loại sinh khối, than biến tính thấp (như than nâu, than bùn ) thì khi bị bán cốc hóa, các sản phẩm phân huỷ chứa nhiều hydrocarbon và khí
CO2 Kết quả là khí sản phẩm không chỉ chứa CO, H2, CO2 mà còn có cả các hợp chất hữu cơ khác và sản phẩm khí này chỉ thuận lợi khi dùng làm nhiên liệu chứ không thuận lợi cho các quá trình tổng hợp hóa học Nếu nguyên liệu dùng cho quá trình khí hóa là than antraxide thì sẽ cho sản phẩm khí CO, H2 có độ tinh khiết cao, thuận lợi cho quá trình tổng hợp hóa học
Thiết bị nồi hơi – boiler
Tạo hơi quá nhiệt cung cấp cho quá trình chưng cất và lên men
Thiết bị hóa hơi nước là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống, trong đó nước đi bên trong ống còn dòng khí nóng đi bên ngoài để gia nhiệt
Hình 24 Sơ đồ công nghệ quá trình khí hóa
Trước khi đi vào thiết bị hóa hơi, nước sẽ được đi qua thiết bị làm mềm nước cứng, trong đó có các muối trao đổi ion, sau đó đi qua bể chứa rồi được bơm vào thiết bị
Nước sẽ được thực hiện quá trình bay hơi trong thiết bị (cấp nhiệt từ lò đốt hơi), hơi sau khi sinh ra sẽ được đem đi sử dụng
Khí nóng sau khi qua thiết bị bay hơi được quạt hút thải trực tiếp ra ngoài Trong quá trình bay hơi có một lượng hơi nước được ngưng tụ, lượng nước này sẽ tiếp tục được đưa trở lại tiến hành bay hơi
Nhiệt độ sinh ra rất lớn nên trước khi thải ra ngoài sẽ được giảm nhiệt độ bằng việc hòa trộn với không khí thông qua việc đóng mở hệ thống các cửa lấy không khí Dòng hơi nước nóng sẽ được dẫn truyền trực tiếp theo các đường ống đến các thiết bị lên men, thủy phân, chưng cất của xưởng và đó cũng sẽ là nguồn năng lượng chính của các quá trình lên men, thủy phân, chưng cất của xưởng thực nghiệm.
Thiết bị thủy phân và lên men đồng thời
- Thân hình trụ đứng đường kính d0 mm, chiều cao h49 mm
- Nắp ellip có chiều cao h = 174 mm
- Đáy hình ellip : Đường kính: d= 900 mm Chiều cao: 222 mm
- Vỏ áo: Đường kính trong: 950 mm Đường kính ngoài: 1010 mm Chiều cao: 1031 mm
- Chiều dài cánh khuấy: l = 450 mm
Là thiết bị hình trụ
Thân: đặt trên 3 chân đỡ cao khoảng 1.2m, bên trong thiết bị có 4 tấm chắn và 1 cánh khuấy mái chèo 2 tầng gắn với động cơ quay cánh khuấy đặt trên nắp thiết bị, dung tích 800L Thân còn gắn 1 kính quan sát
Nắp: hình ellip, trên nắp có 1 cửa nhập liệu và 1 kính quan sát
Thân và nắp được gắn với nhau bằng mặt bích Đáy: hình ellip, dưới đáy có đường ống tháo nước ngưng và 1 cửa tháo sản phẩm
Vỏ áo: bao xung quanh thân và đáy thiết bị
4.6.4 Công suất Động cơ điện quay cánh khuấy có công suất 2,2KW, tần số 80Hz
Tùy vào lượng nhập liệu
Chuyển phần cellulose và hemicellulose của rơm rạ thành ethanol hoặc đường hóa đồng thời với quá trình lên men
Việc thủy phân và lên men đồng thời nhằm để Glucose tạo thành trong quá trình thủy phân được tiêu thụ ngay lập tức bởi nấm men Nhờ vậy, lượng cellobiose và glucose tích tụ trong hệ thống là rất ít và giải quyết được vấn đề ức chế enzyme, do đó tốc độ tạo glucose sẽ được tăng nhanh, lượng enzyme cần dùng thì giảm đi
Ethanol tạo thành trong suốt quá trình sẽ làm giảm khả năng phát triển của vi sinh vật cũng như tạp chất, rất có lợi cho các quy trình liên tục
Thiết bị lên men hoạt động theo phương pháp nuôi cấy - các thiết bị hoạt động liên tục và gián đoạn
4.6.9 Vị trí nhập liệu và tháo liệu
Nhập liệu qua cửa nhập liệu trên nắp thiết bị
Tháo liệu ở đáy thiết bị
Trong suốt quá trình lên men quan trọng nhất là vô trùng vì thế việc đầu tiên và quan trọng nhất là khử trùng thiết bị lên men – thủy phân đồng thời Tiến hành khử trùng thiết bị gián tiếp bằng hơi nước thông qua vỏ áo
Nguyên liệu sau quá trình tiền xử lý sẽ được cho vào thiết bị cùng với enzyme và nấm men qua cửa nhập liệu ở phía trên thiết bị
Nhiệt độ để nấm men và enzyme có thể hoạt động tốt là 35 o C nhưng trong quá trình lên men, nhiệt độ bên trong môi trường lên men có thể lên đến 40 – 45 o C hay hạ xuống thấp hơn
35 o C, lúc đó ta cần ổn định nhiệt độ thiết bị ở 35 o C nhờ nước làm mát ở vỏ áo hoặc thiết bị gia nhiệt tự động để quá trình lên men – thủy phân đồng thời diễn ra với hiệu suất cao nhất Khi thiết bị hoạt động quá trình lên men sẽ giải phóng khí CO2, khí này sẽ được thoát ra khỏi thiết bị nhờ một lỗ ở phía trên đỉnh thiết bị Khi thiết bị hoạt động, cánh khuấy bên trong thiết bị sẽ hoạt động liên tục nhằm giúp quá trình thủy phân và lên men đồng thời xảy ra liên tục và đều đặn
- Áp suất: áp suất khí quyển
Giai đoạn tuyệt trùng: nhiêt độ của hơi nước khoảng 90oC trong vòng 15 phút
Giai đoạn thủy phân lên men: nhiệt độ phù hợp nhất là 30 - 35 o C, vì:
38 Đối với nấm men Saccharomyces, nhiệt độ tối ưu nằm trong khoảng 28-30 0 C Ở nhiệt độ cao, hoạt tính nấm men giảm nhanh nhưng chủ yếu là dễ bị nhiễm vi sinh vật như vi khuẩn lactic và nấm men hoang dại Ở nhiệt độ 30 0 C, nấm men hoang dại phát triển nhanh hơn Saccharomyces 2-3 lần, còn ở nhiệt độ 35-38 0 C chúng phát triển gấp 6-8 lần Mặt khác khi lên men ở nhiệt độ cao sẽ tạo nhiều sản phẩm phụ như ester, aldehyde và tổn thất ethanol theo CO2 sẽ tăng
Thời gian cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm Thời gian lên men phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ lên men, nồng độ đường, chủng nấm men,… Thời gian lên men được tính bắt đầu từ khi cấy chủng nấm men vào môi trường lên men, nhưng thời gian kết thúc thì tùy thuộc vào từng môi trường lên men cụ thể và tùy thuộc vào mục đích lên men mà ta dừng quá trình lên men
Nước được đưa vào bên trong thiết bị một ít Hơi nước nóng từ nồi hơi (Boiler) sẽ qua van 4 ngả, tiếp tục qua van 3 ngả chiều sau đó đi vào vỏ áo của thiết bị để gia nhiệt cho nước bên trong Hơi nước đi vào gia nhiệt sau khi trao đổi nhiệt ngưng tụ sẽ được lấy ra ở phía dưới lớp vỏ thiết bị, sau đó thải ra ngoài
Quá trình được tiến hành liên tục đến khi nhiệt độ đạt khoảng 90o
C, hơi nước bốc lên bên trong thiết bị sẽ được lấy ra từ đỉnh thiết bị lên men qua van 4 ngả và được ngưng tụ tại thiết bị ngưng tụ hơi nước Lượng nước ngưng tụ được nhập chung với nước lạnh từ bể chứa Quá trình khử trùng và làm sạch thiết bị lên men diễn ra ở 90 o C trong 15 phút, sau đó ngưng cung cấp nhiệt để nhiệt độ thiết bị giảm xuống 35 o C thì tiến hành nhập liệu
Lượng nguyên liệu cho vào thiết bị lên men – thủy phân đồng thời được chia làm 9 lần, mỗi lần 30kg vì nếu cho vào cùng một lúc thì cánh khuấy sẽ không khuấy được, enzyme sẽ làm việc kém hiệu quả vì cơ chất quá nhiều làm nấm men khó tiếp xúc được với glucose để thực hiện quá trình lên men Lượng nguyên liệu chưa nhập sẽ được bảo quản lạnh để hạn chế xâm nhiễm Tỷ lệ enzyme cellulase cho vào khoảng 1,875% enzyme/biomass Tỷ lệ nấm men cấy vào được tính theo công thức: Để làm mát thiết bị, nước được dùng là chất trao đổi nhiệt thông qua lớp vỏ áo Nước làm mát được đưa từ bồn làm mát qua bơm, sau đó đi vào lớp vỏ áo từ phía bên dưới, nước sau khi trao đổi nhiệt nóng lên sẽ thoát ra khỏi vỏ áo ở phía trên, qua van 3 ngả, rồi tiếp tục đi qua thiết
39 bị gia nhiệt tự động sau đó quay lại bồn làm mát và được làm mát tại đây Cũng trong quá trình nhập liệu, nhiệt độ có thể hạ xuống dưới 35 o C Lúc này đầu dò nhiệt độ sẽ cấp tín hiệu về bộ điều khiển, thiết bị gia nhiệt tự động sẽ hoạt động và tăng nhiệt nhằm đảm bảo nhiệt độ trong thiết bị luôn ổn định ở 35 o C Khi thiết bị gia nhiệt tự động hoạt động, dòng nước sau khi vào làm mát đi ra khi qua thiết bị gia nhiệt tự động không đi về bồn làm mát mà sẽ được gia nhiệt ngay tại thiết bị gia nhiệt tự động sau đó qua bơm rồi đi vào trao đổi nhiệt với thiết bị thông qua lớp vỏ áo Khi nào nhiệt độ thiết bị thủy phân – lên men đồng thời đạt đúng yêu cầu thì thiết bị gia nhiệt tự động sẽ ngưng hoạt động, quá trình trao đổi nhiệt lại diễn ra bình thường Khi quá trình kết thúc sản phẩm thu được có dạng huyền phù nên khi rút sản phẩm ra có phần khó khăn Thiết bị máy nén dùng để cung cấp khí nén để rút sản phẩm ra ngoài dễ dàng hơn Khí nén khi đó được nén vào rồi đi qua van 4 ngả sau đó vào phía trên thiết bị, khí nén sẽ ép sản phẩm ra khỏi thiết bị lên men dễ dàng
Ngoài ra còn có một bóng đèn được thắp sáng thông qua một tấm kính trên đỉnh thiết bị để quá trình thủy phân có thể xảy ra tốt hơn do enzyme hoạt động tốt khi có thêm tác dụng của ánh sáng
Hình 25 Sơ đồ công nghệ thủy phân – lên men đồng thời
4.6.13 Khắc phục sự cố Để bổ sung nguồn nitơ cho quá trình sinh trưởng và phát triển của nấm men thì cần bổ sung thêm 1% CSL Trong suốt quá trình lên men thì pH của môi trường phải ở khoảng 4,6 - 5,0 Nếu trong quá trình lên men pH giảm thì cho NaOH vào để duy trì lại pH phù hợp bằng một van ở phía trên thiết bị Quá trình nhập liệu vào thiết bị có thể làm cho pH môi trường tăng, lúc này cần cho vào acid citric để để đưa về pH phù hợp.
Thiết bị chưng cất
Hình 26 Tháp chưng tinh và chưng thô
Tháp chưng cất thô -Tháp mâm chóp
- Chiều cao từ đỉnh tháp đến đáy là 3600mm
- Nồi đun: chiều cao 900mm, đường kính 550mm
- Tháp có đường kính 250mm, chiều cao mỗi mâm là 250mm
- Mâm chóp gắn bằng ốc vào thân thiết bị, mỗi mâm có 17 chóp đường kính 25mm
- Ống chảy tràn có đường kính trong là 43mm, đường kính ngoài là 45mm
- Chiều cao chân đỡ là 460mm
- Cửa nhập liệu ở phía trên nồi đun có đường kính 70mm
- Ống tháo sản phẩm đáy đường kính 84mm
Tháp chưng cất tinh -Tháp đệm
- Chiều cao tháp từ đế tới đỉnh 5,8m
- Nồi đun: chiều cao 873mm, đường kính 550mm
- Tháp đệm có đường kính 165,2mm, chiều cao mỗi bậc là 1040mm
- Lỗ nhập liệu ở phía trên nồi đun có đường kính 72,3mm
- Ống tháo sản phẩm đáy đường kính 72,3mm
- Chiều dài ống truyền nhiệt là 1,3m
Tháp chưng cất thô –Tháp mâm chóp:
Hình 27 Tháp chưng cất thô
Thiết bị hoạt động gián đoạn gồm phần đế và tháp chưng cất
- Phần đế: dùng để nâng đỡ toàn bộ thiết bị, thuận tiện trong việc vận hành, vệ sinh, bảo dưỡng
- Phần tháp chưng: gồm nồi đun đáy tháp, các mâm chóp, và thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp Toàn bộ thân thiết bị được bọc lớp cách nhiệt
- Phần nồi đun đáy tháp: cấp nhiệt bằng hơi nước gián tiếp qua lớp vỏ áo Phía dưới đáy nồi có ống tháo sản phẩm đáy
Ngoài ra còn có đồng hồ áp đo áp suất trong nồi, và đầu đo nhiệt độ của dung dịch
- Phần các mâm chóp: tháp gồm 8 mâm Mỗi mâm đều có 2 cửa quan sát Mâm có 17 chóp, đường kính mỗi chóp 25mm được bố trí theo kiểu tam giác đều Ống chảy tràn có đường kính là 45mm Chiều cao mỗi đoạn là 250mm
- Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp: hình ống trụ, có chiều dài 0,67m; thiết bị ngưng tụ kiểu ống chùm truyền nhiệt ngược chiều, nước lạnh chảy bên ngoài ống từ dưới lên, hơi từ tháp chưng đi từ trên xuống
Tháp chưng cất tinh -Tháp đệm:
Hoạt động gián đoạn Các bộ phận chính giống như tháp chưng cất thô: phần đế và tháp chưng cất Tháp cũng được bọc lớp cách nhiệt
- Nồi đun đáy tháp: có cấu tạo và kích thước như nồi đun đáy tháp của thiết bị chưng cất thô
- Tháp chưng cất: tháp đệm gồm 4 bậc
- Thiết bị ngưng tụ: kiểu chùm ống ngược chiều, hơi từ đỉnh tháp ngưng tụ bên trong ống từ trên xuống, nước lạnh chảy bên ngoài ống từ dưới lên Chiều dài ống truyền nhiệt là 1,3m
Năng suất nhập liệu: 80kg/ mẻ
Tháp chưng cất thô –Tháp mâm chóp
Hiệu suất chưng thô trung bình là 83,5%
Dùng cất hỗn hợp sản phẩm lên men (Ethanol 3-5% và cặn rơm) thành ethanol với nồng độ cao hơn vào khoảng 95,6%
4.7.8 Vị trí nhập liệu và tháo liệu
Tháp chưng cất thô -Tháp mâm chóp
- Cửa nhập liệu ở phía trên nồi đun có đường kính 70mm
- Ống tháo sản phẩm đáy đường kính 70mm
Tháp chưng cất tinh -Tháp đệm
- Cửa nhập liệu ở phía trên nồi đun có đường kính 72,3mm
- Ống tháo sản phẩm đáy đường kính 72,3mm
Thực hiện quá trình chưng cất gián đoạn bằng tháp chưng cất thô, dùng cất hỗn hợp sản phẩm lên men (Ethanol 3-5% và cặn rơm) thành ethanol với nồng độ cao hơn vào khoảng 65%
Ethanol sau khi chưng cất sẽ tiếp tục được đưa qua tháp chưng cất tinh để làm tăng nồng độ Nồng độ ethanol thu được sau quá trình chưng cất tinh vào khoảng 95,6%, đây là nồng độ của ethanol trong hỗn hợp ethanol – nước thu được tại điểm đẳng phí, nhiệt độ lỏng sôi của hỗn hợp là 78,15 0 C
Giả sử nếu khối lượng rơm khô nạp liệu vào bồn lên men là 100kg thì sau quá trình chưng thô sẽ thu được trung bình khoảng 30kg cồn 65%, và qua quá trình chưng cất tinh sẽ thu được khoảng gần 20kg cồn 95,6%
Tháp chưng cất thô –Tháp mâm chóp:
Hình 28 Sơ đồ công nghệ quá trình chưng cất gián đoạn sơ bộ bằng tháp mâm chóp
Nhập liệu gián đoạn vào nồi đun đáy tháp theo mẻ, mỗi mẻ khoảng 80kg Được cấp nhiệt bằng hơi nước gián tiếp phía dưới vỏ áo để đun sôi dung dịch Các chất rắn và nước có nhiệt độ sôi cao sẽ thu ở đáy Ethanol có nhiệt độ sôi thấp hơn sẽ dần bay hơi lên đỉnh tháp qua thiết bị ngưng tụ Một phần sẽ được hoàn lưu về tháp ngưng tụ, phần còn lại là sản phẩm ta thu được Khi nhiệt độ dung dịch (nhiệt độ đáy) đạt 98 0 C thì ta dừng quá trình
Tháp chưng cất tinh –Tháp đệm:
Trong tháp đệm, chất lỏng chảy từ trên xuống theo bề mặt và khí đi từ dưới lên phân tán đều trong chất lỏng Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi tương ứng theo sự thay đổi nồng độ
Hình 29 Sơ đồ công nghệ quá trình chưng cất tinh bằng tháp đệm
Tháp chưng cất thô -Tháp mâm chóp:
- Áp suất: Áp suất làm việc và áp suất hơi nước là áp suất khí quyển
- Nhiệt độ: Nhiệt độ dung dịch đầu vào là nhiệt độ phòng và nhiệt độ dung dịch đạt 98 0 C thì ta dừng quá trình
- Thời gian lưu: tùy thuộc vào lượng hơi nước cấp cho nồi đun
Tháp chưng cất tinh –Tháp đệm:
- Áp suất: Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, cấp nhiệt bằng hơi nước có áp suất khoảng 2at
Khi lượng hơi ở tháp không ngưng tụ kịp bằng thiết bị ngưng tụ chính do thiếu nước làm mát thì hơi sẽ dẫn qua thiết bị ngưng tụ phụ.
SẢN PHẨM VÀ KINH TẾ CÔNG NGHIỆP
Etanol 96,5% dùng làm xăng sinh học
Lịch sử sử dụng: Êtanol đã được con người sử dụng từ thời tiền sử như là một thành phần gây cảm giác say trong đồ uống chứa cồn
Sau này, nó được sử dụng trong y tế, trong mỹ phẩm, dùng làm dung môi và sau này nó được biết đến như nguồn nhiên liệu cho động cơ đốt trong được ứng dụng ở nhiều nước như Anh, Pháp, Mĩ, Canada, Brazil…
Chiếc động cơ đầu tiên do Nikolaus August Otto chế thử năm 1860 đã sử dụng ethanol làm nhiên liệu Năm 1908, với ý tưởng “công – nông liên minh” nhằm thúc đẩy sự tăng trưởng nhanh chóng trong lĩnh vực nông nghiệp, Henry Ford đã tung ra thị trường những chiếc xe Ford model T sử dụng ethanol được sản xuất từ nông sản
Nguyên liệu sản xuất ethanol là tinh bột của các loại củ hạt như: rơm rạ, sắn, khoai, ngô, lúa, gạo, trái cây… Đây là nguồn nguyên liệu dồi dào trong tự nhiên Tạo ra nhiều công ăn việc làm cho nhiều lao động ở nông thôn, giải quyết được lượng lương thực bị tồn đọng, góp phần thúc đẩy nền nông nghiệp phát triển
Etanol được dung làm nhiên liệu sinh học giúp cho các quốc gia chủ động trong chính sách năng lượng của mình, ít phụ thuộc vào nước khác dẫn đến nền kinh tế phát triển bền vững Ethanol là cấu tử phối trộn làm tăng chỉ số octane (phổ biến là chỉ số RON – Research Octane Number) của xăng với RONethanol0÷120 làm hạn chế hiện tượng kích nổ
Ngoài ra, dùng ethanol “xăng xanh” làm nhiên liệu giảm được một lượng lớn các chất gây ô nhiễm môi trường Theo các tính toán cho thấy nếu thay thế việc đốt một lít xăng bằng một lít ethanol thì sẽ giảm 40% lượng phát sinh khí CO2vào khí quyển Khi đốt ethanol sự cháy xảy ra hoàn toàn hơn so với khi đốt xăng Hơn nữa ethanol được điều chế từ các sản phẩm nông nghiệp vì thế sẽ làm tăng diện tích đất trồng Điều này có nghĩa là làm tăng diện tích lá phổi của trái đất lên
Etanol còn được dùng làm dung môi sử dụng trong các loại nước hoa, sơn, và còn dùng pha chế thành các loại đồ uống…
Hình 30 Xe máy sử dụng nhiên liệu sinh học Ethanol
Ethanol có khả năng hút ẩm và hoà tan vô hạn trong nước Do đó gasohol phải được tồn trữ và bảo quản trong hệ thống bồn chứa đặt biệt
Về hiện tượng gây ô nhiễm: tuy giảm được hàm luợng các chất gây ô nhiễm như CO nhưng lại gây ra một số chất như các aldehyde, NOx Đây là những chất gây ô nhiễm
Do nhiệt trị của ethanol chỉ bằng khoảng 0,6 so với nhiệt trị của xăng thông dụng nên để có thể sản sinh ra một lượng nhiệt năng như nhau thì phải cần một lượng ethanol gấp khoảng 1,67 lần so với xăng để duy trì công suất cho động cơ Vì vậy, khi chuyển từ xăng sang ethanol nguyên chất hoặc nhiên liệu hỗn hợp có thành phần ethanol cao thì cần phải có các biện pháp để tăng lượng nhiên liệu cung cấp tương ứng với hàm lượng ethanol có trong đó Đối với một số kim loại, ethanol có tính ăn mòn cao Ngoài ra, êthanol còn có thể gây hư hỏng đối với một số chi tiết được làm từ cao su hoặc chất dẻo tổng hợp Tuy nhiên nếu dùng với nồng độ ethanol thấp (