Mô hình thiết bị có công suất 100 kg sản phẩm/ngày/8giờ, nguyên liệu đầu vào là cặn xà phòng được thu mua ở các nhà máy dầu thực vật, hoặc có thể sử dụng FA thu được từ thiết bị khử mùi của quá trình tinh luyện dầu thực vật. Quá trình được thực hiện trên các thiết bị chính như sau:
+ Thiết bị axit hóa T1: Nguyên liệu cặn xà phòng và axit HCl được đưa vào thiết bị axit hóa T1, gia nhiệt đến 600C và khuấy trộn 100 phút, cặn xà phòng bị axit hóa hoàn toàn. Để yên cho hỗn hợp phân lớp trong khoảng thời gian 2 giờ. Cặn tạp chất lắng xuống đáy và được tháo bỏ, phần trên là hỗn hợp FA, dầu thừa và tạp chất còn sót lại. Cho nước muối NaCl 8% nóng vào để rửa, khuấy trộn và để yên cho hỗn hợp phân lớp, sau đó xả van đáy V2 để bỏ tạp chất và nước thải. Lặp lại quá trình rửa hai đến ba lần với nước nóng để cho hỗn hợp FA sạch hoàn toàn, quá trình rửa
được thực hiện khoảng 45 phút. Sau khi rửa sạch, mở van V3 để đưa hỗn hợp FA qua thiết bị sấy T2.
+ Thiết bị sấy axit T2: Thiết bị sấy axit T2là dạng thiết bị cô đặc chân không. Hỗn hợp FA được sấy trong điều kiện chân không, ở nhiệt độ 1200C. Ở điều kiện này nước dễ dàng bốc hơi, trong khoảng thời gian sấy 90 phút FA gần như khô hoàn toàn.
+ Thiết bị este hóa T3: Thiết bị este hóa T3 thực hiện các công đoạn: este hóa lần 1, lắng este 1, este hóa lần 2, tinh sạch biodiesel (lắng, rửa). Cấu tạo thiết bị este hóa T3 hoàn toàn giống thiết bị axit hóa T1. Sau khi sấy khô và gia nhiệt đến 600C, mở van V4 chuyển FA vào thiết bị este hóa T3, có chứa sẵn rượu và xúc tác H2SO4 đã gia nhiệt, bắt đầu thực hiện quá trình este hóa lần 1. Khuấy đảo liên tục, tốc độ khuấy cố định 600 vòng/phút. Sau 2 giờ, phản ứng kết thúc, để yên cho hỗn hợp phân lớp (khoảng 2 giờ). Sau khi phân lớp hoàn toàn, hỗn hợp este nằm ở phần dưới, hỗn hợp phía trên gồm rượu và tạp chất được tách ra để xử lý và thu hồi rượu dư. Mở van V7 để chuyển hỗn hợp este qua thiết bị sấy T4, thu hồi rượu dư và làm khô hỗn hợp este 1.
Quá trình este hóa 2 và tinh chế sản phẩm cũng được thực hiện trong thiết bị T3. Este 1 sau khi được sấy khô cho vào thiết bị T3 qua van V8để tiếp tục este hóa lần 2 và tinh sạch sản phẩm. Gia nhiệt đến 650C và trung hòa este 1 bằng dung dịch NaOH 1M để loại bỏ hoàn toàn H2SO4 và FA dư. Sau đó cho xúc tác, rượu vào để thực hiện quá trình este hóa 2 trong thời gian khoảng 15 phút. Sau khi este hóa lần 2 xong, để yên hỗn hợp, sau 2 giờ hỗn hợp phân thành hai lớp. Lớp dưới là glyxerin và rượu dưđược tách ra qua van V11, đem xử lý để thu hồi rượu. Lớp phía trên còn lại trong thiết bị có màu vàng là hỗn hợp ankyl este còn lẫn nước và rượu dư, tiến hành tinh sạch sản phẩm. Rửa sạch sản phẩm bằng nước nóng 3 đến 4 lần (tỉ lệ nước - este là 1:1). Kết thúc quá trình rửa, mở van V7, chuyển este qua thiết bị sấy T4để làm sạch sản phẩm.
+ Thiết bị sấy este T4: Cấu tạo thiết bị sấy este T4 hoàn toàn giống thiết bị sấy axit T2. Do thiết bị T2đã dùng để sấy FA nên rất khó rửa sạch, để sấy este cần phải sử dụng đến thiết bị sấy T4, tuy nhiên chỉ cần một hệ thống hút chân không dùng chung cho cả hai thiết bị là đủ do thời gian làm việc của hai thiết bị này được bố trí lệch nhau. Sau khi loại hết nước và rượu dư ra khỏi sản phẩm, kết thúc quá trình sản xuất biodiesel từ cặn xà phòng.
Để đảm bảo công suất của hệ thống thiết bị đạt 100 kg sản phẩm/ngày/8giờ, cần phân bố thời gian làm việc của các thiết bị hợp lý. Phân bố thời gian hoạt động của hệ thống thiết bị sản xuất trong ngày được trình bày theo hình 3.3. Thời gian làm
Hình 3.3. Phân bố thời gian hoạt động của hệ thống thiết bị sản xuất trong ngày Rửa E2 Este hóa 1 Đưa E2 qua sấy, nạp liệu, gia nhiệt Lắng hỗn hợp E1 Este hóa 2 Gia nhiệt và chuyển FA qua T3 Rửa FA Axit hóa Lắng hỗn hợp FA Sấy E2 (Biodiesel) Nạp liệu E2 Nạp liệu E1 Sấy E1 7 giờ 6 giờ 5 giờ 4 giờ 3 giờ 2 giờ 1 giờ Bắt đầu 8 giờ Thiết bị Sấy axit (T2) Thiết bị Axit hóa (T1) Thiết bị Este hóa (T3) Thiết bị Sấy este (T4) Lắng E2 Chuyển E1 qua thiết bị sấy T4 Rửa thiết bị T3 Nạp liệu Trung hòa Gia nhiệt Tháo sản phẩm Sấy FA Rửa T4 Nạp liệu FA Nạp liệu Gia nhiệt Gia nhiệt
3.9. Đánh giá hiệu quả kinh tế
Đánh giá sơ bộ hiệu quả kinh tế theo mô hình thiết bị sản xuất BD từ cặn xà phòng, quy mô 100 kg thành phẩm /ngày. Ước tính chi phí nguyên vật liệu để sản xuất 100 kg BD được trình bày ởbảng 3.31.
Bảng 3.31. Ước tính chi phí nguyên vật liệu sản xuất 100 kg biodiesel (*)
Metyl este Etyl este TT Nguyên vật liệu Đơn vị tính Đơn giá Số lượng Thành tiền (đồng) Số lượng Thành tiền (đồng) 1 Cặn xà phòng Kg 1000 216,10 216100 201,81 201810 2 Metanol** Lít 10000 31 310000 0 0 3 Etanol** Lít 12500 0 0 42 525000 4 HCl Lít 6000 21,61 129660 20,18 121080 5 H2SO4 Lit 24000 0,327 7848 0,305 7320 6 NaOH Kg 18000 0,017 306 0,031 558 7 NaCl Kg 2000 4,8 9600 5 10000 Tổng cộng 673514 865768
(*) Chi phí này chưa kể các chi phí điện, nước, chi phí quản lý và các chi phí khác. (**) Tỷ lệ thu hồi metanol 60%, etanol 70%.
Nhận xét:
- Chi phí nguyên vật liệu sản xuất metyl este là: 6 735,14 đồng/kg tương đương: 5 620 đồng /lít - Chi phí nguyên vật liệu sản xuất etyl este là : 8 657,68 đồng/kg
tương đương : 6 660 đồng/lít
Từ kết quả tính toán trên cho thấy việc sử dụng cặn xà phòng để sản xuất dầu BD chi phí không cao so với BD được sản xuất từ dầu tinh luyện và dầu mỏ truyền thống. Việc sử dụng dầu BD sẽ đem lại lợi ích kinh tế cao hơn so với các loại nhiên liệu dầu mỏ: giảm chi phí sản xuất sản phẩm, thân thiện với môi trường và ổn định hơn. Sử dụng metanol để sản xuất BD sẽ cho giá thành thấp hơn so với etanol do lượng metanol tham gia phản ứng ít hơn so với etanol và thời gian sản xuất cũng ngắn hơn.
KẾT LUẬN
Tổng hợp toàn bộ các kết quả nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu quy trình công nghệ và mô hình thiết bị sản xuất nhiên liệu công nghiệp từ cặn xà phòng”. Chúng tôi đã hoàn thành các nội dung đề tài đưa ra như sau:
1. Tái chế axit béo từ cặn xà phòng của quá trình tinh luyện và xử lý axit béo thu được từ thiết bị khử mùi.
2. Nghiên cứu xây dựng quy trình chuyển hóa axit béo thành este với hai tác nhân metanol và etanol.
3. Đưa ra công thức thử nghiệm phối trộn ME và EE với dầu DO làm nhiên liệu đốt lò hơi.
4. Xây dựng được quy trình công nghệ hoàn chỉnh chuyển hóa cặn xà phòng thành nhiên liệu BD.
5. Sản suất thử nghiệm 200kg thành phẩm este từ cặn xà phòng và sử dụng B10 (10% biodiesel + 90% diesel khoáng) đốt thử lò hơi.
6. Đưa ra mô hình thiết bị sản xuất nhiên liệu công nghiệp từ cặn xà phòng công suất 100kg sản phẩm/ngày.
7. Phân tích một số chỉ tiêu hóa lý của sản phẩm biodiesel: hàm lượng este, độ nhớt, điểm chớp cháy, trị số xetan, điểm vẩn đục, chỉ số axit, glyxerin tự do, tro sunfat, nước và cặn cacbon.
8. Đánh giá hiệu quả kinh tế:
- Chi phí nguyên vật liệu sản xuất metyl este: 5 620 đồng /lít - Chi phí nguyên vật liệu sản xuất etyl este: 6 660 đồng /lít
9. Các kết quả nghiên cứu thu được của đề tài còn có thể là cơ sở khoa học để ứng dụng giải quyết nhiều vấn đề thực tiễn khác nhau trong lĩnh vực sản xuất và sử dụng nhiên liệu, công nghiệp thực phẩm, trong lĩnh vực xử lý làm sạch môi trường…
KIẾN NGHỊ
Đề nghị tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện quy trình công nghệ và thiết bị pilot sản xuất biodisel từ dầu thực vật thứ phẩm với công suất 100 kg sản phẩm/mẻ. Nội dung nghiên cứu đề nghị như sau:
- Hoàn thiện quy trình công nghệ sản xuất biodiesel pilot từ: sortening, cặn xà phòng, dầu hạt cao su, dầu hạt bông, dầu dừa,…
- Nghiên cứu chế tạo thiết bị pilot sản xuất biodiesel công suất 100 kg sản phẩm/mẻ.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Vương Chí. Nghiên cứu tính chất nhiệt động lực học của động cơ vikyno- 01 xylanh sử dụng nhiên liệu biodiesel-dầu dừa. Khoa Kỹ thuật Giao thông, Đại học Bách khoa, Tp. Hồ Chí Minh, Việt Nam.
2. Võ Tấn Hậu, Vũ Hòa Bình, Nguyễn Thị Thà, Đoàn Thanh Sơn. Nghiên cứu công nghệ tách các axit béo không no từ mỡ cá basa và ứng dụng trong nghiệp thực phẩm, dược phẩm. Đề tài cấp Bộ Công nghiệp. 2004
3. Đặng Ngọc Lương, Nguyễn Hữu Lương, Trần Bình Trọng. Nghiên cứu khả năng sử dụng shortening phế thải làm nhiên liệu biodiesel. Tạp chí phát triển KH&CN, tập 11, số 8, 2008.
4. Đinh Thị Ngọ, Nguyễn Khánh Diệu Hồng. Nhiên liệu sạch và các quá trình xử lý trong hóa dầu. NXB Khoa học kỹ thuật, 2008
5. Phan Minh Tân. Tổng hợp hữu cơ và hóa dầu. NXB ĐHQG TP.HCM. 2005. 6. Nguyễn Thị Phương Thoa. Tình hình sản xuất và sử dụng Biodiesel trên thế giới và
khả năng tại Việt Nam, Hội thảo khoa học lần thứ nhất về nhiên liệu có nguồn gốc sinh học (Biofuel & Biodiesel) ở Việt Nam. Tp.HCM, 23/8/2006.
7. Lê Bạch Tuyết (chủ biên). Các quá trình cơ bản trong sản xuất thực phẩm. NXB Giáo dục. 1996.
8. Avinash Kumar Agarwal. Biofuels (alcohols and biodiesel) applications as fuels for internal combustion engines. Progress in energy and combustion science, Volume 33, Issue 3, june 2007, page 233 - 271
9. Ayhan Demirbas. Biodiesel : a realistic fuel alternative for diesel engines. British Library Cataloguing in Publication Data, 2008.
10. Chun-Xiao Wang. Determining the ester and Linoleic acid methyl ester content to comply with EN14103, Aligent Technologies, 2006.
11.Encinar, J. M. Gonzalez, J. F. Rodriguez-Reinares. Etanolysis of used frying oils, biodiesel preparation and characterization. Fuel Proc. Tech., 88, 2007, p.513 – 522.
12.Gerhard Knothe, Jon Van Gerpen, Jurgen Krahl. The Biodiesel handbook. AOCS Publishing.
13.Guo, Y., Leung, Y.C. and Koo, C.P, A Clean Biodiesel Fuel Produced from Recycled Oils and Grease Trap Oils. Department of Mechanical Engineering, 2002.
14.Haas, M. J.. Improving the economics of biodiesel production through the use of low value lipids as feedstock: Vegetable oil soapstock, Fuel Proc, Tech., 86, 2005, p.1087- 1096.
15.Kusdiana D, Saka S. Kinetics of Transesterification in Rapeseed Oil to Biodiesel Fuels as Treated in Supercritical Methanol. Fuel, 80, 2001, p. 693
16.Kusdiana D, Saka S. Methyl Esterification of Free Fatty Acids of Rapeseed Oil as Treated in Supercritical Metanol. Chemical Eng, Japan (in press).
17.S. Chongkhong, C. Tongurai, P. Chetpattananondh, C. Bunyakan. Biodiesel
production by esterification of palm fatty acid distillate. Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, Prince of Songkla University, HatYai, Songkhla 90112, Thailand. 7 May 2007.
18.Saifuddin, N.; Chua, K. H. Production of ethyl ester (biodiesel) from used frying oils:Optimization transesterification process using microwave irradiation.
Malaysian J. Chem., 6, 2004, p.77 - 82. 19.http://www.tapchicongnghiep.vn 20.http://www.congnghedaukhi.com 21.http://www.springer.com 22.http:// www.biodiezel.org 23.http:// www.prolea.com 24.http://www.Alternative.com 25.http://www.woodwind.com 26.http://www.sopae.org 27.http://www.nhienlieu.blogspot.com
PHỤ LỤC 1. PHÂN TÍCH ANOVA
1. Anh huong cua ty le axit – nguyen lieu den qua trinh axit hoa One-Way Analysis of Variance
---
Data: FA
Level codes: TYLEAXIT
Labels:
Means plot: LSD Confidence level: 95 Range test: LSD
Analysis of variance ---
Source of variation Sum of Squares d.f. Mean square F-ratio Sig. level --- Between groups 618.46800 5 123.69360 452.841 .0000 Within groups 3.27780 12 .27315 --- Total (corrected) 621.74580 17
0 missing value(s) have been excluded.
Multiple range analysis for FA by TYLEAXIT ---
Method: 95 Percent LSD
Level Count Average Homogeneous Groups
--- 4 3 77.090000 X 6 3 83.270000 X 8 3 89.110000 X 10 3 92.480000 X 12 3 92.580000 X 14 3 92.750000 X ---
contrast difference limits
4 - 6 -6.18000 0.93001 * 4 - 8 -12.0200 0.93001 * 4 - 10 -15.3900 0.93001 * 4 - 12 -15.4900 0.93001 * 4 - 14 -15.6600 0.93001 * 6 - 8 -5.84000 0.93001 * 6 - 10 -9.21000 0.93001 * 6 - 12 -9.31000 0.93001 * 6 - 14 -9.48000 0.93001 * 8 - 10 -3.37000 0.93001 * 8 - 12 -3.47000 0.93001 * 8 - 14 -3.64000 0.93001 * 10 - 12 -0.10000 0.93001 10 - 14 -0.27000 0.93001 12 - 14 -0.17000 0.93001 ---