Đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ chế biến dầu khí nghiên cứu thiết kế mô phỏng công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học biodiesel sử dụng nguyên liệu dầu thực vật

Đồ án Tốt nghiệp 1 GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân LỜI CẢM ƠN && Sau năm năm được học tập, đào tạo tại trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, được sự giảng dạy có hệ thống, sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo, chúng em đã hoàn thành khóa học và đồ án tốt nghiệp là bước kiểm duyệt cuối cùng trước khi chúng em được công nhận là một kỹ sư Chúng em xin chân thành cảm ơn toàn thể quý thầy cô trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng đã hướng dẫn giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập tại trường Đặc biệt là các thầy cô giáo khoa Hóa, Ngành kỹ thuật Dầu khí đã truyền đạt cho chúng em nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý giá Trong thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu thiết kế mô phỏng công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học Biodiesel sử dụng nguyên liệu dầu thực vật”, chúng em đã nắm bắt được các kiến thức bổ ích về quy trình công nghệ sản xuất dầu Biodiesel, các thao tác sử dụng phần mềm PRO/II version 9.0 Trong thời gian làm đồ án,chúng em đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của Giáo viên hướng dẫn là TS Nguyễn Thị Thanh Xuân và thầy cô giáo trong bộ môn Kỹ thuật Dầu khí Thông qua đồ án này, chúng em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy cô giáo bộ môn Kỹ thuật Dầu khí, cảm ơn sự chỉ bảo của các thầy cô Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến giáo viên hướng dẫn TS Nguyễn Thị Thanh Xuân đã tận tình giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này Chúng em xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng, ngày 30 tháng 5 năm 2015 Sinh viên thực hiện Trần Đăng Danh – Phan Thanh Đạt MỤC LỤC SVTH: Trần Đăng Danh_Phan Thanh Đạt_Lớp 10H5 Sản xuất Biodiesel Đồ án Tốt nghiệp 2 GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân LỜI CẢM ƠN i DANH MỤC HÌNH ẢNH iv DANH MỤC BẢNG BIỂU v LỜI MỞ ĐẦU .vi CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BIODIESEL VÀ CÁC CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIODIESEL .1 1.1 Khái quát chung về biodiesel 1 1.1.1 Giới thiệu biodiesel .1 1.1.2 Các nguồn nguyên liệu, xu hướng sản xuất và sử dụng Biodiesel 2 1.1.3 Tính chất của Biodiesel 3 1.2 Sản xuất Biodiesel bằng công nghệ chuyển ester hóa 9 1.2.1 Cơ sở lý thuyết 9 1.2.2 Nguyên liệu và tác nhân phản ứng 11 1.2.3 Các phương pháp chuyển ester hóa .15 1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng chuyển ester hóa 19 1.3 Các công nghệ sản xuất Biodiesel hiện nay 21 1.3.1 Công nghệ sản xuất Biodiesel gián đoạn theo từng mẻ (Batch processing) 21 1.3.2 Công nghệ sản xuất Biodiesel theo hệ thống liên tục (Continuous Process) 22 1.3.3 Công nghệ sản xuất Biodiesel đối với nguyên liệu có hàm lượng axit béo tự do cao (HFFA – High Free Fatty Acids) .23 1.3.4 Công nghệ sản xuất Biodiesel không xúc tác 26 1.3.5 Công nghệ sản xuất Biodiesel từ nguyên liệu tảo 28 CHƯƠNG II GIỚI THIỆU CÁC PHẦN MỀM MÔ PHỎNG VÀ KHAI THÁC SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIODIESEL TRONG CÁC PHẦN MỀM .30 2.1 Sơ lược về thiết kế mô phỏng 30 2.2 Khai thác sơ đồ công nghệ mô phỏng công nghệ sản xuất Biodiesel được ứng dụng trong các phần mềm 31 2.2.1 Sơ đồ mô phỏng công nghệ sản xuất Biodiesel được ứng dụng trong phần mềm PRO/II version 9.0 .31 SVTH: Trần Đăng Danh_Phan Thanh Đạt_Lớp 10H5 Sản xuất Biodiesel Đồ án Tốt nghiệp 3 GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân 2.2.2 Sơ đồ mô phỏng công nghệ sản xuất Biodiesel được ứng dụng trong phần mềm Aspen HYSYS version 7.2 39 2.2.3 Phân tích các Ưu – Nhược điểm của hai sơ đồ công nghệ được ứng dụng mô phỏng trong PRO/II và Aspen HYSYS 41 CHƯƠNG III ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PRO/II MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIODIESEL TỪ DẦU THỰC VẬT 44 3.1 Khai báo các cấu tử có trong thành phần nguyên liệu 44 3.2 Lựa chọn mô hình nhiệt động 45 3.2.1 Cơ sở lựa chọn 45 3.2.2 Các ứng dụng cụ thể 46 3.3 Xây dựng sơ đồ công nghệ và khai báo các cụm thiết bị 47 3.3.1 Sơ đồ công nghệ 47 3.3.2 Khai báo các cụm thiết bị 49 3.4 Kết quả mô phỏng 62 KẾT LUẬN 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 DANH MỤC HÌNH ẢNH SVTH: Trần Đăng Danh_Phan Thanh Đạt_Lớp 10H5 Sản xuất Biodiesel Đồ án Tốt nghiệp 4 GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân Hình 1.1: Công nghệ sản xuất Biodiesel gián đoạn theo từng mẻ .18 Hình 1.2: Hệ thống xử lý liên tục 19 Hình 1.3: Quá trình ester hóa sử dung xúc tác axit H3PO4 .21 Hình 1.4: Giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu nhiều axit béo tự do 21 Hình 1.5: Hệ thống lò phản ứng xúc tác bazơ 22 Hình 1.6: Quy trình Biox 23 Hình 1.7 Công nghệ sản xuất Biodiesel bằng phương pháp siêu tới hạn 24 Hình 2.1: Sơ đồ mô phỏng công nghệ sản xuất Biodiesel trong phần ứng dụng PRO/II version 9.0 29 Hình 2.2: Worksheet 1 trong chương trình tính toán EXCEL 31 Hình 2.3: Dữ liệu phản ứng chuyển Ester hóa 31 Hình 2.4: Động học phản ứng chuyển Ester hóa .32 Hình 2.5: Sơ đồ mô phỏng công nghệ sản xuất Biodiesel trong phần ứng dụng Aspen HYSYS version 7.2 36 Hình 2.6: Lỗi cân bằng phản ứng của phần mềm PRO/II 38 Hình 3.1: Sơ đồ công nghệ sản xuất Biodiesel từ dầu hạt đậu nành 44 Hình 3.2: Thiết lập tính toán lưu lượng cho dòng tác nhân methanol .48 Hình 3.3: Sơ đồ mô phỏng cho cụm chuẩn bị nguyên liệu 48 Hình 3.4: Thiết lập các phản ứng xảy ra trong thiết bị phản ứng chuyển Ester hóa 50 Hình 3.5: Thiết lập hiệu suất chuyển hóa cho các phản ứng .50 Hình 3.6: Sơ đồ mô phỏng cho cụm phản ứng 52 Hình 3.7: Thiết lập hiệu suất thu hồi cho thiết bị SC1 53 Hình 3.8: Sơ đồ mô phỏng cho cụm phân tách các sản phẩm 54 Hình 3.9: Sơ đồ mô phỏng toàn công nghệ sản xuất Biodiesel 56 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Sản xuất Biodiesel ở các nước trên thế giới[6] 2 Bảng 1.2: Tiêu chuẩn nhiên liệu Biodiesel[9] .5 SVTH: Trần Đăng Danh_Phan Thanh Đạt_Lớp 10H5 Sản xuất Biodiesel Đồ án Tốt nghiệp 5 GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân Bảng 1.3: Một số tính chất của diesel truyền thống và Biodiesel[10] 5 Bảng 1.4: Thành phần axit béo của các loại dầu và mỡ khác nhau [12] .11 Bảng 1.5: Tính chất 1 số loại rượu sử dụng để sản xuất Biodiesel [13] 12 Bảng 1.6: So sánh các phương pháp sản xuất Biodiesel 15 Bảng 3.1: Các cấu tử sử dụng để mô phỏng sơ đồ công nghệ 41 Bảng 3.2: Thành phần các dòng nguyên liệu ban đầu 47 Bảng 3.3: Đặc điểm dòng DRY_FEED2 48 Bảng 3.4: Thành phần dòng REACT_PROD 51 Bảng 3.5: Đặc điểm dòng MEOH_RECOV1và MEOH_RECOV2 54 Bảng 3.6: Đặc điểm dòng BIODIESEL100 và SEED_OIL_RES .55 Bảng 3.7: Đặc điểm dòng GLYCEROL và SALT .55 Bảng 3.8: Bảng cân bằng vật chất 56 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các nền kinh tế trên thế giới, các nguồn tài nguyên thiên nhiên ngày càng bị cạn kiệt Sự phát triển này cũng dẫn tới nhu cầu sử dụng dầu mỏ một cách mạnh mẽ, vì vậy mà nguồn nguyên liệu hóa thạch này ngày càng cạn kiệt bởi sự khai thác ồ ạt của con người Theo các điều tra SVTH: Trần Đăng Danh_Phan Thanh Đạt_Lớp 10H5 Sản xuất Biodiesel Đồ án Tốt nghiệp 6 GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân quốc tế thì nếu không tìm kiếm thêm được các nguồn dự trữ mới thì với lượng khai thác như hiện nay, khoảng 85.9 triệu thùng mỗi ngày, thì dầu mỏ sẽ cạn kiệt sau khoảng 30 ÷ 40 năm nữa.[1] Bên cạnh đó, việc phát thải CO2 do sử dụng nhiên liệu hóa thạch, trong đó có nhiên liệu diesel gây ô nhiễm cho môi trường và tác hại đến sức khỏe con người Sự cạn kiệt về dầu mỏ và sự quan tâm về môi trường ngày càng tăng đã dẫn đến việc nghiên cứu và phát triển nguồn năng lượng thay thế cho năng lượng hóa thạch Biodiesel là một sự thay thế đầy tiềm năng cho diesel dựa vào những tính chất tương tự và những ưu điểm vượt trội của nó Hơn nữa, việc sử dụng Biodiesel trong động cơ diesel làm tăng khả năng bôi trơn, giảm đáng kể lượng khí thải độc hại như CO 2, CO,… Do đó khi sử dụng nhiên liệu sinh học không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường, sử dụng tiết kiệm hơn nguồn tài nguyên đang dần cạn kiệt, góp phần đảm bảo sự phát triển bền vững, đây chắc chắc là xu hướng nhiên liệu của cả thế giới trong tương lai Tích hợp nhiều ưu điểm vượt trội và cho hiệu quả cao về mặt kinh tế và môi trường, dầu Biodiesel đang được sử dụng khá rộng rãi trên thế giới Đặc biệt, trong tình hình giá thành các sản phẩm hóa dầu ngày một tăng cao và hiện trạng ô nhiễm tầng ozone ngày càng nghiêm trọng thì việc sản xuất và sử dụng Biodiesel hòa trộn với diesel hoặc thay thế dần diesel là biện pháp đảm bảo an toàn năng lượng của nhiều quốc gia Hiện nay trên thế giới có 50 nước có chương trình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học Các nước APEC (Diễn đàn hợp tác kinh tế Châu Á – Thái Bình Dương) đã chọn nhiên liệu sinh học thay thế cho nhiên liệu hóa thạch Theo dự báo của các chuyên gia, đến năm 2025, thế giới sẽ sử dụng 12% nhiên liệu sinh học trong toàn bộ nhu cầu năng lượng; đến năm 2020, EU sẽ sử dụng 20% nhiên liệu sinh học[2] Ở Việt Nam, nghành sản xuất nhiên liệu sinh học cũng đã bắt đầu được quan tâm phát triển Nhiều đề tài nghiên cứu tổng hợp Biodiesel từ các nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước như dầu đậu nành, dầu hạt cải, dầu cao su, mỡ cá,… đã thu được nhiều kết quả khá tốt Nước ta đặt mục tiêu đến năm 2020  2025 phải sản xuất được 4.5  5 triệu tấn (xăng và Biodiesel), chiếm 20% nhu cầu xăng dầu cả nước[3] SVTH: Trần Đăng Danh_Phan Thanh Đạt_Lớp 10H5 Sản xuất Biodiesel Đồ án Tốt nghiệp 7 GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân Để sản phẩm Biodiesel dần dần có chỗ đứng trên thị trường nhiên liệu, ta cần phải giải quyết một trong những hạn chế của các nghiên cứu trong thời gian qua, đó là các nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở nghiên cứu khảo sát các nguồn nguyên liệu, nghiên cứu các yếu tố liên quan đến phản ứng chuyển ester hóa như tác nhân xúc tác, loại xúc tác,… chứ chưa có một dây chuyền công nghệ nhà máy sản xuất Biodiesel hoàn chỉnh Do đó việc nghiên cứu, ứng dụng các phần mềm chuyên dụng để mô phỏng công nghệ sản xuất Biodiesel sẽ giúp chúng ta thiết lập và xây dựng một dây chuyền công nghệ sản xuất hoàn chỉnh, đây là một đề tài thiết thực và là một trong những định hướng hoàn toàn khả thi Với tất cả những lý do trên, chúng em đã thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu thiết kế mô phỏng công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học Biodiesel sử dụng nguyên liệu dầu thực vật” do TS Nguyễn Thị Thanh Xuân hướng dẫn SVTH: Trần Đăng Danh_Phan Thanh Đạt_Lớp 10H5 Sản xuất Biodiesel Đồ án Tốt nghiệp 1 GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BIODIESEL VÀ CÁC CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIODIESEL 1.1 Khái quát chung về biodiesel 1.1.1 Giới thiệu biodiesel Biodiesel còn được gọi Diesel sinh học, là một loại nhiên liệu có tính chất giống với dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật hay mỡ động vật Biodiesel hay nhiên liệu sinh học nói chung là một loại năng lượng sạch Theo tiêu chuẩn ASTM (American Society for Testing and Materials) thì Biodiesel được định nghĩa: “là các mono alkyl Ester của các acid mạch dài có nguồn gốc từ các lipit có thể tái tạo lại như: dầu thực vật, mỡ động vật, được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel”.[4] Biodiesel bắt đầu được sản xuất khoảng giữa năm 1800, trong thời điểm đó người ta chuyển hóa dầu thực vật để thu Glycerol ứng dụng làm xà phòng và thu được các phụ phẩm là methyl hoặc ethyl Ester gọi chung là biodiessel Ngày 10/08/1893 lần đầu tiên Rudolf Diesel (1858 ÷ 1913, nhà phát minh, kĩ sư người Đức) đã sử dụng Biodiesel do ông sáng chế để chạy động cơ Năm 1900 tại Hội chợ thế giới tổ chức tại Pari, Rudolf Diesel đã biểu diễn động cơ dùng dầu Biodiesel chế biến từ dầu Phụng (lạc) Năm 1912, ông đã dự báo: “Hiện nay, việc dùng dầu thực vật cho nhiên liệu động cơ có thể không quan trọng, nhưng trong tương lai, những loại dầu như thế chắc chắn sẽ có giá trị không thua gì các sản phẩm nhiên liệu từ dầu mỏ và than đá” Trong bối cảnh nguồn tài nguyên dầu mỏ đang cạn kiệt và những tác động xấu lên môi trường của việc sử dụng nhiên liệu, nhiên liệu tái sinh sạch trong đó có Biodiesel đang ngày càng khẳng định vị trí là nguồn nhiên liệu thay thế khả thi Để tưởng nhớ nguời đã có công đầu tiên đoán được giá trị to lớn của Biodiesel, Nation Board Biodiesel đã quyết định lấy ngày 10/8 hằng năm bắt đầu từ năm 2002 làm ngày Diesel sinh học Quốc tế (International Biodiesel Day) [5] SVTH: Trần Đăng Danh_Phan Thanh Đạt_Lớp 10H5 Sản xuất Biodiesel Đồ án Tốt nghiệp 2 GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân Trong những năm của thập kỷ 90, Pháp đã triển khai sản xuất Biodiesel từ dầu hạt cải và được dùng ở dạng B5 (5% Biodiesel trộn với 95% Diesel) và B30 (30% Biodiesel trộn với 70% Diesel) 1.1.2 Các nguồn nguyên liệu, xu hướng sản xuất và sử dụng Biodiesel Trên thực tế, người ta đã và đang nghiên cứu gần như tất cả những nguồn dầu, mỡ có thể sử dụng để sản xuất Biodiesel Việc lựa chọn loại dầu thực vật hoặc mỡ động vật nào phụ thuộc vào nguồn tài nguyên sẵn có và điều kiện khí hậu cụ thể của từng vùng Dầu diesel sinh học đang được sử dụng tại Brazil, Hoa Kỳ, Liên minh châu Âu và nhiều nước khác Nó có thể được sản xuất từ các loại dầu thực vật như dầu hạt cải, dầu đậu nành, hướng dương, cọ, dầu thầu dầu cũng như dầu ăn thải từ các nhà hàng và mỡ động vật Ở Brazil 85% nhiên liệu sinh học được sản xuất từ đậu tương, và tương ứng với 2 triệu ha (10% diện tích chiếm đóng với đậu nành trong nước) Thông tin về sản xuất dầu diesel sinh học trên thế giới được thể hiện trong Bảng 1.1 Bảng 1.1 Tình hình sản xuất Biodiesel ở các nước trên thế giới[6] Sản xuất (tỷ lít) Nguyên liệu Dầu cọ, dầu đậu nành, dầu Brazil, 2006 0.9 Hoa Kỳ 2007 1.8 Dầu đậu nành Liên minh châu Âu, 2007 9.0 Hạt cải dầu thầu dầu, mỡ động vật Việt Nam đã quan tâm đến Biodiesel cách đây 20 năm, và “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt ngày 20/11/2007 Về tiềm năng có nhiều nguồn nguyên liệu sản xuất Biodiesel như:  Mỡ cá tra, cá basa là giải pháp hữu ích khi giảm thiểu ô nhiễm môi trường do mỡ cá thải ra… SVTH: Trần Đăng Danh_Phan Thanh Đạt_Lớp 10H5 Sản xuất Biodiesel Đồ án Tốt nghiệp 3 GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân  Vi tảo là giải pháp duy nhất có thể giải quyết vấn đề diện tích đất trồng vì nó có chu kỳ phát triển rất ngắn, sống được khắp nơi có ánh nắng mặt trời, nước và CO2  Dầu mỡ thải đã qua sử dụng: gồm các phế phẩm dầu mỡ từ các nhà máy chế biến dầu mỡ, dầu mỡ đã qua sử dụng  Cây Jatropha: có nguồn gốc từ Trung Mỹ, di thực sang châu Phi, Ấn Độ và Nam Mỹ Cây chịu hạn, trồng ở đất khô cằn, có nhiều loại Nước ta có thể tận dụng những vùng đất hoang, dọc ven các đường quốc lộ để trồng cây Jatropa lấy dầu Hiện nay, quá trình sản xuất Biodiesel đang được ứng dụng ở một số vùng, nó sử dụng dầu thải (tại thành phố Hồ Chí Minh) và mỡ cá basa (tại Cần Thơ) làm nguyên liệu Tuy nhiên, các đơn vị sản xuất được sản lượng nhỏ và chất lượng sản phẩm không được bảo đảm Các hướng nghiên cứu tập trung vào Jatropha trong những năm gần đây và loại sinh khối này đã được phát triển trong một số lĩnh vực như tỉnh Bình Phước, Bình Định, Nghệ An, Lạng Sơn Tuy nhiên, theo báo cáo tổng kết của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn về tình hình nghiên cứu cây Jatropha, loài cây này có mức tăng trưởng kém, năng suất chất béo rất thấp, cạnh tranh với đất nông nghiệp và lâm nghiệp[7] Do đó, việc tìm kiếm một nguồn sinh khối để sản xuất nhiên liệu sinh học thực sự là một nhu cầu cấp thiết cho đất nước của chúng ta Hiện nay có một số nghiên cứu về nguồn nguyên liệu sản xuất Biodiesel từ vi tảo, đây được coi là một hướng đi đầy hứa hẹn 1.1.3 Tính chất của Biodiesel Biodiesel là nhiên liệu sinh học được sản xuất nhằm mục đích thay thế một phần và tiến tới thay thế hoàn toàn năng lượng diesel truyền thống, vì vậy để sử dụng cho động cơ diesel, Biodiesel phải tuần thủ các đặc trưng kỹ thuật của nhiên liệu dùng cho động cơ diesel 1.1.3.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật của nhiên liệu cho động cơ diesel  Chỉ số Cetan SVTH: Trần Đăng Danh_Phan Thanh Đạt_Lớp 10H5 Sản xuất Biodiesel Đồ án Tốt nghiệp 59 GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân Hình 3.7: Thiết lập hiệu suất thu hồi cho thiết bị SC1 - Dòng đáy của thiết bị tách SC1 đưa vào bình tách SEED_OIL_REC để tách dầu thực vật chưa phản ứng ra khỏi sản phẩm biodiesel Điều kiện làm việc của bình tách: tổn thất áp suất bằng 0, nhiệt độ làm việc 400oC Dòng dầu thực vật chưa phản ứng đi ra ở đáy bình tách Dòng biodiesel REFINED_B100 được đưa đi làm lạnh ngưng tụ ở thiết bị E3 - Thiết bị làm lạnh E3: nhiệt độ đầu ra 35oC - Dòng đỉnh của thiết bị tách SC1 đi vào bình tách thu hồi methanol RECOV_MEOH2, điều kiện làm việc: áp suất làm việc 0.117bar, nhiệt độ làm việc 150oC - Dòng đi ra từ đáy của RECOV_MEOH2 là GLYC_M tiếp tục đi vào thiết bị phản ứng trung hòa bazơ SODIUM_REACT Trong thiết bị xảy ra phản ứng trung hòa xúc tác NaOH còn dư: H3PO4 + 3NaOH → Na3PO4 + 3H2O Hiệu suất phản ứng là 100% Áp suất dòng sản phẩm đi ra là 1bar SVTH: Trần Đăng Danh_Phan Thanh Đạt_Lớp 10H5 Sản xuất Biodiesel Đồ án Tốt nghiệp 60 GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân - Dòng axit H3PO4 đưa vào được tính toán lưu lượng mol bằng 1/3 lưu lượng mol của NaOH có trong dòng GLYC_M để đảm bảo phản ứng xảy ra hoàn toàn và không dư H3PO4 Sản phẩm đi ra khỏi thiết bị SODIUM_REACT là dòng FREE_NAOH tiếp tục đi tách muối ở thiết bị REMOV_SALT - Thiết bị tách muối REMOV_SALT: nhiệt độ làm việc 300oC Dòng muối đi ra ở đáy có thể đem sản xuất phân bón Dòng glycerol đi ra ở đỉnh có độ tinh khiết trên 99% Hình 3.8: Sơ đồ mô phỏng cho cụm phân tách các sản phẩm  Đặc điểm các dòng sản phẩm đi ra khỏi cụm phân tách sản phẩm - Dòng MEOH_RECOV1và MEOH_RECOV2: Bảng 3.5: Đặc điểm dòng MEOH_RECOV1và MEOH_RECOV2 MEOH_REC OV1 MEOH_RE COV2 tính o Nhiệt độ 132 150 Áp suất 0.117 0.117 SVTH: Trần Đăng Danh_Phan Thanh Đạt_Lớp 10H5 Đơn vị C bar Sản xuất Biodiesel Đồ án Tốt nghiệp 61 GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân Lưu lượng 340.331 1.983 H2 O 0.130 0.1 METHANOL 0.864 0.852 GLYCEROL 0.0035 0.048 MPALMITA 0.0005 MOLEATE 0.0005 MSTEARAT 0.0001 MLINOLEA 0.0012 MLINOLEN 0 ETOLEATE 0 kmol/h Phần mol - Dòng BIODIESEL100 và SEED_OIL_RES Bảng 3.6: Đặc điểm dòng BIODIESEL100 và SEED_OIL_RES BIODIESEL100 SEED_OIL_RES Nhiệt độ 35 500 Áp suất 1 1 bar Lưu lượng 106.185 31.477 kmol/h MPALMITA 0.051 0.005 Phần mol MOLEATE 0.313 0.0218 MSTEARAT 0.049 0.0066 MLINOLEA 0.514 0.0721 MLINOLEN 0.0027 0.0003 ETOLEATE 0.0356 0.0054 STEARIC 0 0 2PALDIOL 0.0012 0.0179 SVTH: Trần Đăng Danh_Phan Thanh Đạt_Lớp 10H5 Đơn vị tính o C Sản xuất Biodiesel Đồ án Tốt nghiệp 62 GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân 2OLEPALS 0.0032 0.0538 TRIOLEIN 0.0064 0.149 TRILINOL 0.0104 0.2726 TRILINEN 0.0038 0.1112 12DILIPA 0.0096 0.2843 Dòng GLYCEROL và SALT: Bảng 3.7: Đặc điểm dòng GLYCEROL và SALT GLYCEROL SALT Nhiệt độ 35 300 Áp suất 1 1 bar Lưu lượng 35.061 0.0699 kmol/h H2O 0.0017 0 METHANOL 0.0051 0 NaCl 0.197 NA3PO4 0.288 GLYCEROL 0.9932 SVTH: Trần Đăng Danh_Phan Thanh Đạt_Lớp 10H5 Đơn vị tính o C Phần mol 0.515 Sản xuất Biodiesel Đồ án Tốt nghiệp 63 GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân Hình 3.9: Sơ đồ mô phỏng toàn công nghệ sản xuất Biodiesel 3.4 Kết quả mô phỏng Bảng 3.8: Bảng cân bằng vật chất Lưu lượng các dòng vào Lưu lượng các dòng ra kg/h kg/h SEED_OIL 60000 WATER1 1269.206 METHANOL1 918.43 WATER2 937.953 ACID 0.512 BIODIESEL100 33412.211 CAUSTIC 0.451 SEED_OIL_RES 25407.586 METHANOL2 3312.667 GLYCEROL 3213.692 CATALYST 21.793 SALT 7.427 H3PO4 1.975 Tổng cộng: 64255.83 kg/h Tổng cộng: 64248.8 kg/h SVTH: Trần Đăng Danh_Phan Thanh Đạt_Lớp 10H5 Sản xuất Biodiesel Đồ án Tốt nghiệp 64 GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân Nhận xét: Với công suất xử lý 60000kg/h nguyên liệu dầu hạt đậu nành, ta có kết quả mô phỏng: sản phẩm chính Biodiesel100 thu được là 33412.211 kg/h, sản phẩm phụ Glycerol 3213.692 kg/h 3.5 Khai thác số liệu mô phỏng tính toán thiết kế thiết bị 3.5.1 Tính thiết bị trao đổi nhiệt Mục đích: xác định lưu lượng, nhiệt độ và áp suất dòng nóng, dòng lạnh, kích thước thiết bị trao đổi nhiệt, … Bảng 3.9: Công suất nhiệt của các thiết bị trao đổi nhiệt  Tên thiết bị trao đổi nhiệt Công suất nhiệt, M*kW E1 4.137*10-3 E2 1.952*10-3 E3 4.366*10-3 Tính thông số thiết bị trao đổi nhiệt E1 Thiết bị trao đổi nhiệt E1 có nhiệm vụ gia nhiệt cho dòng dầu nguyên liệu Giả sử dùng dòng hơi nước áp thấp ở 5bar để gia nhiệt cho dòng dầu nguyên liệu  Tính lưu lượng dòng nóng dựa vào ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước, dùng mô hình một thiết bị Flash để tính ẩn nhiệt của dòng hơi nước Dùng một dòng hơi nước có lưu lượng 100kmol/h, áp suất 5bar Kết quả thu được như sau: Công suất nhiệt của bình Flash: - 1.06*10-3 M*kW Ta có công suất nhiệt của thiết bị gia nhiệt E1 là 4.137*10-3 M*kW, từ đó tính được lưu lượng nước cần dùng: SVTH: Trần Đăng Danh_Phan Thanh Đạt_Lớp 10H5 Sản xuất Biodiesel Đồ án Tốt nghiệp 65 GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân Hình 3.10: Mô hình dùng thiết bị Flash để tính ẩn nhiệt dòng hơi nước  Dùng một thiết bị trao đổi nhiệt dạng Rigorous HX để tính các thông số đặc trưng cho một thiết bị trao đổi nhiệt Nhập số liệu cho thiết bị trao đổi nhiệt phức tạp: - Fixed Duty: 4.137*10-3 M*kW - Area/Shell: 930m2 - Number of Tube Passes/Shell: 4 Hình 3.11: Mô hình thiết bị trao đổi nhiệt dạng Rigorous HX  Kết quả: - Bề mặt trao đổi nhiệt yêu cầu: 931.9m2 SVTH: Trần Đăng Danh_Phan Thanh Đạt_Lớp 10H5 Sản xuất Biodiesel Đồ án Tốt nghiệp - 66 GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân Bề mặt trao đổi nhiệt thực tế: 930 m2 Hệ số hiệu chỉnh so với thiết bị trao đổi nhiệt thuần túy ngược dòng: 0.992 (lớn hơn 0.8, phù hợp) Kích thước ống: Số ống: 2676 Bề dày: 2.108 mm Chiều dài: 6.1 m Đường kính trong của vỏ thiết bị trao đổi nhiệt: 1700 mm SVTH: Trần Đăng Danh_Phan Thanh Đạt_Lớp 10H5 Sản xuất Biodiesel Đồ án Tốt nghiệp  67 GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân Các thiết bị trao đổi nhiệt E2, E3, E4 Các thiết bị trao đổi nhiệt có nhiệm vụ làm lạnh thì sử dụng dòng nước có nhiệt độ 90oF, áp suất 3 bar để làm lạnh Thiết lập mô hình như thiết bị E1 ta có: Bảng 3.10: Kích thước các thiết bị trao đổi nhiệt E2, E3, E4 Kết quả E2 E3 Bề mặt trao đổi nhiệt thực tế, m2 68 2050 Bề mặt trao đổi nhiệt yêu cầu, m2 62.4 2016 Hệ số hiệu chỉnh (FT) 1 0.959 Số ống 189 6008 Bề dày, mm 2.108 2.108 Chiều dài, m 6.1 6.1 Đường kính trong của vỏ thiết bị, mm 500 2400 Số Passes 1 8 Kích thước ống 3.5.2 Tính thiết bị tách (Bình Flash) Thiết bị tách hai pha lỏng – hơi (bình tách) dùng trong sơ đồ công nghệ có thể xem là loại ballon dạng trụ đứng Đối với loại thiết bị này, mực chất lỏng trong thiết bị tách chiếm khoảng 50% thể tích bình, thời gian lưu nằm trong khoảng 3 ÷ 5 phút [21] Khi đó thể tích của thiết bị tách: V = 2 * tR * Fliq (m3)[21] Với: tR là thời gian lưu của chất lỏng trong bình tách, giờ Fliq là lưu lượng lỏng đi ra khỏi bình tách, m3/h SVTH: Trần Đăng Danh_Phan Thanh Đạt_Lớp 10H5 Sản xuất Biodiesel Đồ án Tốt nghiệp 68 GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân Tính kích thước (đường kính và chiều cao) của ballon dựa vào quy chuẩn của tỉ lệ L/D như sau: [21] 2 ≤ L/D ≤ 3 Nếu áp suất nhỏ hơn 4 bar 3 ≤ L/D ≤ 5 Nếu áp suất lớn hơn hoặc bằng 4 bar L/D = 3, khi đó ta có D = 0.75*V1/3 Với: L là chiều cao của bình tách, m D là đường kính bình tách, m Tính thông số đặc trưng cho thiết bị tách DEWATER1  Chọn thời gian lưu trong thiết bị tách DEWATER1 là 4 phút Lưu lượng lỏng đi ra từ thiết bị tách DEWATER1: 64.112 m3/h Suy ra thể tích bình tách là: 8.55 m3 Chọn tỉ lệ L/D = 2.5, ta tính được D = 1.63 m và L = 4.08 m Các thiết bị tách khác  Tính toán tương tự như trên cho các thiết bị tách khác ta thu được kết quả như sau: Bảng 3.11: Thông số kích thước chính của các thiết bị tách khác Tên thiết bị Lưu lượng Thời gian lỏng ra khỏi lưu 3 DEWATER2 RECOV_MEOH 1 RECOV_MEOH 2 SEED_OIL_REC Thể tích m3 Đường kính Chiều cao m bình, m /h phút 65.26 4 8.55 1.63 4.08 68.017 4 9.07 1.66 4.76 2.555 4 0.34 0.55 1.39 27.605 4 3.68 1.23 3.08 SVTH: Trần Đăng Danh_Phan Thanh Đạt_Lớp 10H5 M Sản xuất Biodiesel Đồ án Tốt nghiệp 69 GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân 3.5.3 Tính thiết bị phản ứng Thiết bị phản ứng chuyển hóa dùng trong sơ đồ công nghệ là một thùng rỗng có cánh khuấy, hoạt động khuấy của thiết bị nhằm mục đích để tăng sự tiếp xúc của các chất tham gia phản ứng Với thiết bị phản ứng dạng này, thể tích làm việc của thiết bị tính như sau: Với: V = tR * Fliq (m3) tR là thời gian lưu của chất lỏng trong thiết bị, giờ Fliq là lưu lượng lỏng đi ra khỏi thiết bị, m3/h Chọn tỉ lệ L/D của thiết bị theo quy chuẩn của thiết bị tách thì ta sẽ tính được kích thước cơ bản của một thiết bị phản ứng dạng thùng rỗng  Tính kích thước cơ bản cho thiết bị phản ứng chuyển Ester hóa Phản ứng chuyển Ester hóa xảy ra ở điều kiện nhiệt độ 65 oC, áp suất 3bar có thời gian lưu là 1 giờ Ta có lưu lượng lỏng ra khỏi thiết bị chuyển Ester hóa REACTOR: 80.978 m3/h Tính được thể tích làm việc của thùng phản ứng: 80.978 m3 Chọn tỉ lệ L/D bằng 2.5 tính được đường kính D = 3.45m, chiều cao L = 8.64m  Các thiết bị khác Chọn loại thiết bị và tính toán tương tự như thiết bị phản ứng chuyển hóa Ester Bảng 3.12: Kích thước cơ bản của các thiết bị phản ứng khác Tên thiết bị Thời gian lưu, phút Thể tích, m3 Đường kính, Chiều cao, m m FFA_REACTOR 50 54.38 3.02 7.56 NEUTRALIZE 5 5.44 1.41 3.51 KẾT LUẬN Sau 3 tháng được giao đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu thiết kế mô phỏng công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học Biodiesel sử dụng nguyên liệu SVTH: Trần Đăng Danh_Phan Thanh Đạt_Lớp 10H5 Sản xuất Biodiesel Đồ án Tốt nghiệp 70 GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân dầu thực vật” với sự nỗ lực của bản thân và sự hướng dẫn tận tình của TS Nguyễn Thị Thanh Xuân, đến nay nhóm chúng em đã hoàn thành đồ án Đồ án đã giải quyết được một số vấn đề sau:  Tìm hiểu một cách tổng quan về nhiên liệu sinh học Biodiesel  Nghiên cứu và nắm bắt được các quy trình công nghệ sản xuất Biodiesel hiện nay  Mô phỏng được một quy trình công nghệ sản xuất Biodiesel từ dầu thực vật, dựa trên cơ sở dữ liệu mô phỏng được ứng dụng trong hai phần mềm mô phỏng PRO/II và Aspen HYSYS Từ đó khai thác kết quả mô phỏng tính toán các thông số cơ bản của một số thiết bị  Ngoài ra trong quá trình thực hiện đề tài đã giúp chúng em ôn lại những kiến thức được học Trong quá trình thực hiện đồ án, thuận lợi của chúng em là nhận được sự hướng dẫn tận tình của TS Nguyễn Thị Thanh Xuân và các thầy cô giáo trong Bộ môn Kỹ thuật Dầu khí, điều khó khăn nhất mà nhóm chúng em gặp phải đó là việc mô phỏng quy trình sản xuất Do đây là quy trình công nghệ còn khá mới mẻ chưa được ứng dụng rộng rãi, nhất là ở Việt Nam chưa có một nhà máy nào, cho nên quy trình mô phỏng không có được số liệu từ thực tế sản xuất Sau đây chúng em xin đưa ra một số kiến nghị về hướng phát triển cho đề tài Hướng phát triển đề tài:  Thiết kế mô phỏng hoàn chỉnh hơn sơ đồ công nghệ, tối ưu việc sử dụng hệ thống nhiệt và tính toán chi tiết các thông số kĩ thuật của thiết bị  Tính toán hiệu quả kinh tế cho quá trình sản xuất để có thể ứng dụng công nghệ đã được mô phỏng ngoài thực tế Trong quá trình thực hiện đồ án nhóm chúng em không tránh khỏi những thiếu sót chúng em mong nhận được ý kiến đánh giá, góp ý từ quý thầy cô và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn SVTH: Trần Đăng Danh_Phan Thanh Đạt_Lớp 10H5 Sản xuất Biodiesel Đồ án Tốt nghiệp 71 GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo sư Nguyễn Lân Dũng, chuyên gia cao cấp của Viện Vi sinh vật và CNSH (ĐHQG HN) "Bước đột phá mới về năng lượng sinh học" thu hoạch sau Hội thảo ANRRC ở Bắc Kinh, 24-25/11/2011 SVTH: Trần Đăng Danh_Phan Thanh Đạt_Lớp 10H5 Sản xuất Biodiesel Đồ án Tốt nghiệp 72 GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân [2]http://nlsh.khcn_moit.gov.vn/default.aspx? page=news&do=detail&category_id=111&news_id=9474 [3] http://www.congnghedaukhi.com/nhien-lieu-sach/27.html [4] J Van Gerpen, B Shanks, and R Pruszko,Iowa State University.D Clements,Renewable Products Development Laboratory G Knothe, USDA/NCAUR , August 2002–January 2004 (trang 22, courtesy of DOE NREL Biodiesel Production Technology Report_36244.pdf) [5] http://nhienlieu.blogspot.com/2007_09_01_archive.html [6] Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (2010), báo cáo 3435/BNN TCLN trên các nghiên cứu của Jatropha ở Việt Nam, (http://thuvienphapluat.vn/archive/Cong-van-3435-BNN-TCLN-bao-cao-tinh-hinhnghien-cuu-phat-trien-cay-Coc-rao-vb113750.aspx) [7] Suani Teixeira Coelho et al (2008), "The state of the art of biofuels in the world," Carburez Green Future, Brazilian Reference Biomass, University of Sao Paulo center [8] T.S Trương Hữu Trì, Hóa học dầu mỏ, Đại học Bách khoa Đà Nẵng [9] J Van Gerpen, B Shanks, and R Pruszko,Iowa State University.D Clements,Renewable Products Development Laboratory G Knothe, USDA/NCAUR , August 2002–January 2004 (bảng 6,trang 23,courtesy of DOE NREL Biodiesel Production Technology Report_36244.pdf) [10] NREL/TP-540-43672 September 2008, bảng 1, trang 11, Biodiesel handling and use guide (fourth edition) [11] J Van Gerpen, B Shanks, and R Pruszko,Iowa State University.D Clements,Renewable Products Development Laboratory G Knothe, USDA/NCAUR , August 2002–January 2004 (trang 52, courtesy of DOE NREL Biodiesel Production Technology Report_36244.pdf) [12] J Van Gerpen, B Shanks, and R Pruszko,Iowa State University.D Clements,Renewable Products Development SVTH: Trần Đăng Danh_Phan Thanh Đạt_Lớp 10H5 Laboratory G Knothe, Sản xuất Biodiesel Đồ án Tốt nghiệp 73 GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân USDA/NCAUR , August 2002–January 2004 (bảng 1, trang 2, courtesy of DOE NREL Biodiesel Production Technology Report_36244.pdf) [13] J Van Gerpen, D.Clement – 1/2004, Biodiesel Production Technology [14] G Pokoo-Aikins et al, Algae to biodiesel Grace 2010.pdf, trang 70 [15] T.S Nguyễn Đình Lâm (2007), "Nghiên cứu phản ứng tổng hợp Biodiesel bằng phương pháp siêu tới hạn và thu glycerol độ tinh khiết cao", Số 8 (68)/2007 – Hóa học và Ứng dụng, Đại học Bách khoa Đà Nẵng [16] J Van Gerpen, B Shanks, and R Pruszko,Iowa State University.D Clements,Renewable Products Development Laboratory G Knothe, USDA/NCAUR , August 2002–January 2004 (trang 34, courtesy of DOE NREL Biodiesel Production Technology Report_36244.pdf) [17] J Van Gerpen, B Shanks, and R Pruszko,Iowa State University.D Clements,Renewable Products Development Laboratory G Knothe, USDA/NCAUR , August 2002–January 2004 (trang 35, courtesy of DOE NREL Biodiesel Production Technology Report_36244.pdf) [18] J Van Gerpen, B Shanks, and R Pruszko,Iowa State University.D Clements,Renewable Products Development Laboratory G Knothe, USDA/NCAUR , August 2002–January 2004 (trang 36, courtesy of DOE NREL Biodiesel Production Technology Report_36244.pdf) [19] J Van Gerpen, B Shanks, and R Pruszko,Iowa State University.D Clements,Renewable Products Development Laboratory G Knothe, USDA/NCAUR , August 2002–January 2004 (trang 38, 39, courtesy of DOE NREL Biodiesel Production Technology Report_36244.pdf [20] T.S Nguyễn Thị Thanh Xuân, Thiết kế mô phỏng, Đại học Bách khoa Đà Nẵng [21] PGS.TS Nguyễn Đình Lâm, Thiết bị dầu khí, Đại học Bách khoa Đà Nẵng SVTH: Trần Đăng Danh_Phan Thanh Đạt_Lớp 10H5 Sản xuất Biodiesel ... DỤNG PHẦN MỀM PRO/II MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIODIESEL TỪ DẦU THỰC VẬT Chương đồ án mô sơ đồ công nghệ sản xuất Biodiesel từ nguyên liệu dầu hạt đậu nành, áp dụng phương pháp sản xuất gián... thi Với tất lý trên, chúng em thực đồ án tốt nghiệp với đề tài: ? ?Nghiên cứu thiết kế mô công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học Biodiesel sử dụng nguyên liệu dầu thực vật? ?? TS Nguyễn Thị Thanh Xuân... Các công nghệ sản xuất Biodiesel 1.3.1 Công nghệ sản xuất Biodiesel gián đoạn theo mẻ (Batch processing) Công nghệ sản xuất Biodiesel đơn giản công nghệ sản xuất gián đoạn theo mẻ sử dụng thiết