Ứng dụng kỹ thuật tạo bong bóng hơi trong phản ứng tổng hợp biodiesel

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ĐÌNH PHÚC ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TẠO BONG BÓNG HƠI TRONG PHẢN ỨNG TỔNG HỢP BIODIESEL Chuyên ngành : KỸ THUẬT HÓA DẦU Mã số: 605355 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ĐÌNH PHÚC ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TẠO BONG BÓNG HƠI TRONG PHẢN ỨNG TỔNG HỢP BIODIESEL Chuyên ngành : KỸ THUẬT HÓA DẦU Mã số: 605355 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2012 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI PHỊNG DẦU KHÍ VÀ XÚC TÁC VIỆN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC – VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM Cán hướng dẫn khoa học : GS TS Nguyễn Vĩnh Khanh Cán chấm nhận xét : TS Thái Nguyễn Huy Chí Cán chấm nhận xét : TS Mai Thanh Phong Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 27 tháng 07 năm 2012 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA………… ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN ĐÌNH PHÚC MSHV: 10400160 Ngày, tháng, năm sinh: 02-11-1987 Nơi sinh: Huế Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa dầu Mã số : 605355 TÊN ĐỀ TÀI: Ứng Dụng Kỹ Thuật Tạo Bong Bóng Hơi Trong Phản Ứng Tổng Hợp Biodiesel NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Xác định thành phần, tính chất vật lý nguyên liệu mỡ cá Chuẩn bị xúc tác cho phản ứng Nghiên cứu thực hai loại xúc tác bao gồm xúc tác đồng thể NaOH xúc tác rắn CaO Xây dựng quy trình sản xuất biodiesel tronghệ thống thiết bị truyền thống quy trình theo ngun lý tạo bong bóng dựa thiết bị tạo bong bóng có sẵn Thực phản ứng sản xuất biodiesel hệ thống thiết bị khuấy trộn thông thường ( hệ thống thiết bị Khuấy_TT) hệ thống thiết bị theo nguyên lý tạo bong bóng (hệ thống thiết bị Cav) xây dựng với điều kiện với phản ứng Từ rút so sánh kết hai phương pháp sản xuất Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thực phản ứng hệ thống thiết bị Cav Các yếu tố khảo sát bao gồm : tỷ lệ methanol/mỡ cá, hàm lượng xúc tác thời gian phản ứng Phân tích tính chất sản phẩm thu NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo QĐ giao đề tài): 04/07/2011 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo QĐ giao đề tài): 02/12/2011 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : GS TS Nguyễn Vĩnh Khanh i Tp HCM, ngày tháng năm 20 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA….……… (Họ tên chữ ký) ii Ứng dụng công nghệ tạo bong bóng sản xuất biodiesel SVTH: Nguyễn Đình Phúc Mở Đầu Nguồn nhiên liệu cung cấp cho động diesel ngày khan tài nguyên dầu mỏ có giới hạn với tình hình trị giới diễn biến phức tạp nên sản lượng, giá dầu liên tục biến động Ngồi khí thải động diesel nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Để thay cho diesel người ta dùng biodiesel, nhiên liệu có nguồn gốc từ dầu mỡ thực động vật.Những đặc điểm bật sử dụng biodiesel khả cháy thải khí độc hại cho môi trường oxyt luu huynh, hydrocacbon…, dùng biodiesel làm giảm 1/3 muội than so với diesel truyền thống, đồng thời không cần thêm phụ gia để làm tăng số cetan nhiệt độ sôi cao yếu tố thuận lợi cho việc tồn trữ lâu dài.Sản xuất biodiesel khơng địi hỏi cơng nghệ phức tạp, dễ thực hiện, nguồn nguyên liệu đa dạng, quốc gia sản xuất Hiện giới Việt Nam, biodiesel thương phẩm sản xuất từ dầu thực vật mỡ động vật, q trình chuyển ester hố (transeterification), với methanol ethanol, sử dụng xúc tác acid base Trong trình sản xuất này, dầu thực vật mỡ động vật methanol không tan lẫn vào Vì vậy, phản ứng chúng xảy bề mặt phân pha nên phụ thuộc nhiều vào diện tích tiếp xúc pha hai chất phản ứng Trong kỹ thuật sản xuất biodiesel dùng khuấy trộn học, thời gian phản ứng thường kéo dài diện tích tiếp xúc hai pha cịn thấp, kích thước hạt nhũ cịn lớn Vì vậy, để tăng vận tốc phản ứng tạo biodiesel nhiều nghiên cứu gần tập trung vào kỹ thuật tăng diện tích tiếp xúc pha hai tác chất dùng thiết bị phản ứng có kênh nhỏ, dịng xung, sóng siêu âm, tạo bong bóng thủy động lực học Trong luận văn tập trung vào kỹ thuật tạo bong bóng thủy động lực học ưu điểm riêng GVHD: PGS.TS.Nguyễn Vĩnh Khanh i Ứng dụng cơng nghệ tạo bong bóng sản xuất biodiesel SVTH: Nguyễn Đình Phúc MỤC LỤC Mở Đầu i Danh Sách Bảng iv Danh Sách Hình v Chương I: TỔNG QUAN 1 Giới thiệu biodiesel Tính chất biodiesel 2.1 Tính chất vật lý 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất biodiesel 3 Ưu nhược điểm Biodiesel so với Diesel truyền thống 3.1 Ưu điểm: 3.2 Nhược điểm Tình hình sản xuất sử dụng biodiesel giới Việt Nam 4.1 Thị trường biodiesel giới 4.2 Khả phát triển biodiesel Việt Nam Nguyên liệu mỡ cá 5.1 Giới Thiệu : 5.2 Trữ Lượng : 10 5.3 Các tính chất hóa lý mỡ cá 11 5.4 Vai trò ứng dụng khác mỡ cá 13 5.5 Ưu nhược điểm nguyên liệu mỡ cá 13 Phương pháp transester hóa 14 6.1 Cơ chế phản ứng 14 6.2 Các kỹ thuật thực phản ứng transester hóa 16 6.3 Xúc tác rắn 16 6.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng 17 6.5 Quy trình sản xuất biodiesel 18 6.6 Chỉ tiêu chất lượng 21 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài 23 7.1 Ngoài nước: 23 7.2 Trong nước: 27 Lựa chọn công nghệ: 30 8.1 Lý chọn cơng nghệ tạo bong bóng 30 8.2 Khái niệm tượng tạo bong bóng 31 8.3 Kỹ thuật tạo bong bóng phương pháp thủy động lực học 32 Chương II : THỰC NGHIỆM 34 Mục đích thí nghiêm: 34 Nguyên liệu hóa chất : 34 Thiết bị thực 35 3.1 Hệ thống thiết bị Khuấy_TT: 35 3.2 Hệ thống thiết bị Cav 37 Quy trình thực phản ứng tổng hợp biodiesel 38 4.1 Chuẩn bị xúc tác: 38 4.2 Thực phản ứng hệ thống Khuấy_TT 39 4.3 Thực phản ứng hệ thống thiết bị Cav 41 Phương pháp tính tốn xử lý số liệu: 44 GVHD: PGS.TS.Nguyễn Vĩnh Khanh ii Ứng dụng công nghệ tạo bong bóng sản xuất biodiesel SVTH: Nguyễn Đình Phúc Các phương pháp phân tích: 46 6.1 Phân tích tính chất nguyên liệu: 46 6.2 Tính chất xúc tác: 46 6.3 Phân tích kích thước mật độ hạt nhũ: 47 6.4 Xác định đường chuẩn: 47 6.5 Phân tích tính chất sản phẩm 47 Chương III : KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 48 Khảo sát nguyên liệu 48 1.1 Thành phần acid béo 48 1.2 Phân tử lượng trung bình mỡ cá 48 1.3 Các tính chất hóa lý 49 Khảo sát ảnh hưởng % metyl ester đến độ nhớt hỗn hợp sản phẩm 50 Tổng hợp biodiesel với xúc tác đồng thể NaOH 51 3.1 Trong hệ thống thiết bị Khuấy_TT 51 3.2 Trong hệ thống thiết bị Cav 52 3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng hệ thống thiết bị Cav 55 Tổng hợp biodiesel với xúc tác rắn CaO 58 4.1 Tính chất xúc tác 58 Kết đo thể phần phụ lục 58 4.2 Tổng hợp biodiesel hệ thống thiết bị Khuấy_TT 59 4.3 Tổng hợp biodiesel hệ thống thiết bị Cav 60 Tính chất sản phẩm biodiesel 61 5.1 Xác định FAME biodiesel phổ GC/MS 61 5.2 Xác định tính chất biodiesel theo ASTM D6751 62 Chương IV : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63 Kết luận 63 Kiến nghị 64 Tài Liệu Tham Khảo 65 PHỤ LỤC 68 GVHD: PGS.TS.Nguyễn Vĩnh Khanh iii Ứng dụng công nghệ tạo bong bóng sản xuất biodiesel SVTH: Nguyễn Đình Phúc Danh Sách Bảng Bảng I.1 Ảnh hưởng nguyên liệu đến tính chất biodiesel Bảng I.2 So sánh nồng độ khí thải Diesel Biodisel Bảng I.3 Bảng so sánh suất toả nhiệt số loại nhiên liệu Bảng I.4 Một số đặc tính chọn lọc Diesel Biodiesel Bảng I.5 Giá nhiên liệu trung bình tháng 9/2005 (USD/gallon) Bảng I.6 Sản lượng tiêu thụ biodiesel số nước Bảng I.7 Các số hóa lý mỡ cá tra 11 Bảng I.8 Thành phần acid béo loại nguyên liệu (%) 11 Bảng I.9 Thành phần acid béo mỡ cá Basa thô (hàm lượng %) 12 Bảng I.10 Các lọai xúc tác rắn sử dụng với thành đạt 17 Bảng I.11 Chỉ tiêu chất lượng cho biodiesel (B100) 21 Bảng I.12 tóm tắt tiêu chuẩn biodiesel số nước 22 Bảng I.12 Chỉ tiêu chất lượng biodiesel số nước 22 Bảng II.1 Hóa chất sử dụng 35 Bảng II.2 Thành phần khối lượng mỡ cá (a) hỗn hợp nguyên liệu xúc tác NaOH tương ứng với lượng mỡ cá sử dụng 3386g điều kiện khác 45 Bảng II.3 Thành phần khối lượng mỡ cá (a) hỗn hợp nguyên liệu xúc tác rắn CaO tương ứng với lượng mỡ cá 3386g điều kiện phản ứng khác 45 Bảng III.1 Kết phân tích thành phần acid béo mỡ cá 48 Bảng III.2 Các tính chất hóa lý mỡ cá 49 Bảng III.3 Ảnh hưởng hàm lượng methyl ester đến độ nhớt hệ 50 Bảng III.4 Hiệu suất sản suất biodiesel hệ thống thiết bị Khuấy_TT xúc tác NaOH theo thời gian 51 Bảng III.5 Hiệu suất sản xuất biodiesel hệ thống cơng nghệ bong bóng xúc tác NaOH theo thời gian 53 Bảng III.6 Kết phân tích hạt nhũ 54 Bảng III.7 Ảnh hưởng tỷ lệ methanol/mỡ cá hiệu suất phản ứng hệ thống thiết bị Cav xúc tác NaOH 55 Bảng III.8 Ảnh hưởng tỷ lệ % xúc tác NaOH hiệu suất phản ứng hệ thống thiết bị Cav 57 Bảng III.9 Lượng mát tối đa trình xà phịng hóa gây ứng với lượng xúc tác sử dụng 58 Bảng III.10 Hiệu suất phản ứng hệ thống thiết bị Khuấy_TT theo thời gian %kl xúc tác CaO 59 Bảng III.11 Hiệu suất phản ứng hệ thống thiết bị Cav theo thời gian %kl xúc tác CaO 60 Bảng III.12 So sánh tính chất biodiesel từ mỡ cá với tiêu chuẩn ASTM D6751 62 GVHD: PGS.TS.Nguyễn Vĩnh Khanh iv ... tưởng sử dụng kỹ thuật tạo bong bóng cgo phản ứng tổng hợp biodiesel với mục đích tăng diện tích tiếp xúc pha methanol mỡ cá 8.2 Khái niệm tượng tạo bong bóng Cavitation tượng tạo bong bóng chất... sinh: 02-11-1987 Nơi sinh: Huế Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa dầu Mã số : 605355 TÊN ĐỀ TÀI: Ứng Dụng Kỹ Thuật Tạo Bong Bóng Hơi Trong Phản Ứng Tổng Hợp Biodiesel NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Xác định thành... Kozyuk cộng ứng dụng công nghệ tạo bong bóng (cavitation) hệ thống thiết bị phản ứng tổng hợp liên tục biodiesel từ acid béo methanol Trong thiết bị phản ứng, dòng chảy hỗn hợp phản ứng nén cục