Nguồn nguyên liệu:
Nguyên liệu dùng để thực hiện quá trình cracking xúc tác là dầu thực vật thải được thu gom từ các nhà hàng KFC. Dầu thực vật thải thu gom từ nhà hàng KFC chủ yếu sử dụng để rán gà nên thành phần và tính chất khá ổn định. Loại dầu này được chiết xuất chủ yếu từ dầu cọ với thành phần như sau:
Bảng 2.1. Các thành phần chính của dầu cọ thô [16].
Hợp phần % khối lượng Triglycerides > 90 Diglycerides 2 - 7 Monoglycerides < 1 Axít béo tự do 3-5 Phytonutrients 1
Thành phần triglyxêrit có trong dầu cọ như sau:
Bảng 2.2. Thành phần triglyxêrit có trong dầu cọ[19]. Thành phần C48 C50 C52 C54 C56 Thành phần (%) 7,6 38,7 39,4 10,5 0,5
Bảng 2.3.Thành phần axit béo tự do trong dầu cọ[19]. Chất Cấu trúc Thành phần % Myristic C14:0 2,5 Palmitic C16:0 40,8 Oleic C18:1 45,2 Linoleic C18:2 7,9 Stearic C18:0 3,6
Trong quá trình rán gà ở nhiệt độ cao, các thành phần dầu cọ đã có thay đổi: - Mỡ gà, và nước có trong gà sẽ di chuyển vào trong dầu.
- Các thành phần hóa học như bột chiên, muối, gia vị, phẩm màu sẽ còn dư lại trong dầu dưới dạng hòa tan.
- Các thành phần cơ học rắn sẽ xuất hiện.
- Các hợp chất sản phẩm của quá trình thủy phân dầu, cracking nhiệt của chính các thành phần gốc trong dầu sẽ có mặt.
Mỡ gà có thành phần axít béo như sau:
Bảng 2.4.Thành phần axit béo trong mỡ gà[13] Các loại axit béo Thành phần %
Myristic (C14) 1 Palmitic (C16) 23 Palmitoleic (C16:1) 5 Stearic (C18) 6 Oleic (C18:1) 45 Lioleic (C18:2) 15 Chất khác 5
So sánh 2 bảng 2.3 và 2.4 ta thấy số nguyên tử cacbon trong các axít béo tự do có trong mỡ gà và dầu cọ khá giống nhau đều chứa từ C14 – C18 cho nên sau khi tiến hành rán gà thì thành phần của dầu cọ hầu như không thay đổi và có thể sử dụng cho quá trình cracking tạo phân đoạn điêzen.
Sau khi tiến hành rán gà thì trong dầu thải có chứa các thành phần muối, nước, các tạp chất cơ học khác nên cần được lọc để tránh tắc bơm khi bơm nguyên liệu.
Xử lý nguyên liệu :
- Quá trình lắng.
Dầu thực vật được để lắng trong vòng 4 ngày ở trong tủ điều nhiệt để cho các tạp chất cơ học lắng xuống. Nhiệt độ luôn giữ ở trong khoảng 35 – 40 oC, nhờ vậy quá trình lắng được diễn ra thuận lợi.
- Quá trình lọc.
Để loại bỏ hết các tạp chất trong dầu thực vật thải sau quá trình lắng thì ta phải tiến hành phương pháp lọc. Dầu thực vật được lọc bằng giấy lọc Whatman với kích thước mao quản là 25 µm. Trong quá trình lọc ta sử dụng máy hút chân không để tăng hiệu quả cho quá trình lọc. Sau khi tham khảo tài liệu thì ta thấy khi tiến hành lọc 4 lần thì hàm lượng tập chất cơ học còn rất ít, chỉ còn 0,0268 % về khối lượng[2].
Trong quá trình lọc, tiến hành gia nhiệt ở 70 – 80 oC để làm giảm độ nhớt của dầu. Chính nhờ quá trình này mà một lượng lớn hàm lượng nước cũng được bay hơi ra khỏi dầu thực vật thải. Sau khi tiến hành lọc 4 lần thì hàm lượng nước chỉ còn 0,06 % về khối lượng[2].
Hình 2.2. Dầu thực vật thải trước khi xử lý.
Hình 2.3.Dầu thực vật thải sau khi xử lý. 2.1.2. Xúc tác FCC.
Xúc tác sử dụng cho quá trình cracking dầu thực vật thải là xúc tác FCC của nhà máy lọc – hóa dầu Dung Quất.
Thành phần của chất xúc tác FCC mới như sau:
Bảng 2.5.Thành phần xúc tác FCC của nhà máy lọc hóa dầu Dung Quất.
TT Chỉ tiêukỹ thuật Xúctác FCC mới
1 Diệntíchbềmặt, m2/g 159 2 TỷlệdiệntíchZeolite/Matrix 1,18 3 Kíchthước ô mạngcơsở, Å 24,29 4 Re2O3 , % 1,92 5 Al2O3 , % 51,63 6 MgO , mass % 3028 7 Ni, ppm 3916 8 V, ppm 827 9 Diệntíchbềmặt zeolite, m2/g 86 10 Diệntíchbềmặt matrix, m2/g 73 11 Kíchthướchạttrungbình, µm 77
(Tham khảo từ nhà máy lọc hóa dầu Dung Quất)
2.1.3. Thiết bị phản ứng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
-Thiết lập hệ thiết bị phản ứng :
Hiện nay các quá trình cracking xúc tác đều sử dụng hệ thiết bị phản ứng tầng sôi vì quá trình này có thể vận hành liên tục. Xúc tác được đưa vào thiết bị phản ứng và được tái sinh trong buồng tái sinh rồi lại đưa về thiết bị phản ứng bằng một chu trình tuần hoàn. Hơn nữa, với quá trình cracking xúc tác tầng sôi thì thời gian tiếp xúc giữa xúc tác và nguyên liệu ngắn hơn, hạn chế được các phản ứng phụ xảy ra không mong muốn như cracking sâu,… Tuy nhiên, việc mô phỏng hệ thiết bị phản ứng xúc tác tầng sôi trong thực tế rất khó khăn nên lựa chọn hệ thiết bị phản ứng với tầng xúc tác cố định.
Qua tham khảo các quá trình cracking xúc tác đối với phân đoạn dầu nặng trong nhà máy lọc- hóa dầu ta đưa ra được sơ đồ khối quá trình crackng xúc tác dầu thực vật thải như sau:
Hình 2.5.Sơ đồ công nghệ quá trình cracking xúc tác dầu thực vật thải. -Lắp đặt hệ thiết bị phản ứng:
Dựa vào sơ đồ công nghệ trên ta tiến hành lắp đặt hệ thống thiết bị phản ứng cracking xúc tác với lớp xúc tác cố định như sau :
Lắp đặt bơm nguyên liệu.
Lắp đặt đường ống dẫn nguyên liệu từ bơm qua lò gia nhiệt rồi vào thiết bị phản ứng.
Lắp thanh gia nhiệt để giữ và gia nhiệt dòng nguyên liệu từ lò gia nhiệt tới thiết bị phản ứng. Sau khi lắp thanh gia nhiệt ta quấn bên ngoài một lớp bông thủy tinh và giấy bạc để quá trình giữ nhiệt tốt hơn, tránh hiện tượng mất mát một lượng lớn nhiệt ra môi trường bên ngoài.
Lắp đặt đường ống dẫn khí từ bình khí qua hệ thống đo và điều khiển lưu lượng sau đó qua van rồi vào ống phản ứng.
Lắp đặt thiết bị đo áp suất trong thiết bị phản ứng để đảm bảo tính an toàn, tránh xảy ra hiện tượng cháy nổ ( do quá trình sử dụng khí đẩy).
Lắp đặt đường ống xả khí để giảm áp suất trong hệ thiết bị phản ứng khi áp suất trong hệ cao ( đảm bảo tính an toàn khi tiến hành thí nghiệm).
Sau khi lắp đặt hệ thiết bị phản ứng ta tiến hành kết nối điện để kiểm tra rò điện và kiểm tra độ chính xác nhiệt độ đo được của các can nhiệt.
Mở van khí N2, kiểm tra độ kín của hệ thống thiết bị phản ứng cracking xúc tác.
Sau khi tiến hành lắp đặt hệ thiết bị phản ứng cracking xúc tác với lớp xúc tác cố định có dạng như sau:
Hình 2.6.Sơ đồ công nghệ hệ thống thí nghiệm.
Các thiết bị chính được sử dụng trong hệ thống thí nghiệm được miêu tả trong bảng sau.
Bảng 2.6. Các thiết bị chính của hệ thống thí nghiệm.
STT Tên thiết bị Số lượng Chất lượng Chức năng 1 Thiết bị phản ứng: Ống thép, hình trụ, đường kính ngoài là 1,9 cm và dài 1,2 m
1 cái Theo tiêu chuẩn của thép
Nhồi chất xúc tác và thực hiện các phản ứng trong cột phản ứng
2 Các thiết bị đo và điều khiển lưu lượng có khoảng làm việc phù hợp
1 bộ 5-50 SLPM, độ chính xác 0,5 %
Đo và điều khiển lưu lượng dòng N2.
3 Thiết bị đo áp suất có khoảng làm việc: 0-6 bar
1 bộ 6 bar, độ chính xác
Đo áp suất của cột phản ứng
0,25 % 4 Thiết bị đo và điều chỉnh
nhiệt độ: các can nhiệt J và bộ hiển thị nhiệt độ
1 bộ 700 oC, độ chính xác 1,0 oC
Đo và điều chỉnh nhiệt độ tại ba vùng phản ứng và lò gia nhiệt. 5 Thiết bị gia nhiệt điện (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
năng có công suất 3 kW
1 bộ 3 kW Gia nhiệt cho cột phản ứng và lò gia nhiêt đến nhiệt độ mong muốn
6 Bơm cao áp 1 cái 0 - 10
ml/phút
Bơm dầu thực vật thải vào cột phản ứng với giá trị cài đặt
7 Khung đỡ hệ thống thiết bị: khung thép
1 cái thép Giữ cố định các thiết bị theo sơ đồ thiết kế
8 Bếp điện 1 cái Gia nhiệt dầu thực vật
để làm giảm độ nhớt, dễ dàng cho quá trình bơm.
9 Thanh gia nhiệt 1 cái thép Gia nhiệt dòng dầu thực vật thải lên đến 300 – 400 ℃ trước khi đưa vào thiết bị phản ứng.
Bảng 2.7. Đặc tính kỹ thuật của các thiết bị trong sơ đồ công nghệ. STT Tên thiết bị Ký hiệu Đặc tính kỹ thuật
1 Bơm cao áp B1 Bơm LabAlliance thế hệ I, 110SFN01, 0-10 ml/phút, 2500 psi, 110/220V
2 Lò gia nhiệt L1 Khối hộp (DxRxC, mm):
235 x 235 x 650
3 Lò phản ứng L2 Khối hộp (DxRxC, mm):
235 x 235 x 1100
4 Thanh gia nhiệt 1 Ống thép Ф 6.35x1, dài 1200mm 5 Cột phản ứng 2 Ống thép Ф 16x1,5, dài 1200 mm
6 Đồng hồ áp lực P 0-6 bar
7 Bộ đo và điều khiển N2
V1 Aalborg MFC, 0 - 50 lít/phút
9 Van một chiều V2 Swagelok, ¼ in
10 Van xả khí V3 Swagelok, ¼ in
11 Bình khí N2 C1 Crytech, 40 lít, 150 bar
Một số hình ảnh thực tế của hệ thống công nghệ cracking xúc tác dầu thực vật thải sử dụng hệ thiết bị lớp xúc tác cố định.
.
Hình 2.8.Bơm cao áp.
2.2. Tiến hành phản ứng.
2.2.1. Khảo sát các điều kiện để tiến hành phản ứng.
Quá trình thực nghiệm phản ứng được tiến hành trên hệ thống thiết bị phản ứng như trên. Chất xúc tác FCC mới được sử dụng trong quá trình thực nghiệm, bình khí nitơ sử dụng được chứa trong các bình khí nén 40 lít do công ty Cryotech Việt Nam cung cấp.
Qua quá trình khảo sát nhiệt độ của lò gia nhiệt cho thiết bị phản ứng thấy rằng lò gia nhiệt chỉ cung cấp nhiệt độ đúng với thiết bị cài đặt nhiệt độ ở phần trên của thiết bị phản ứng, khoảng cách giữa 2 can nhiệt là 30 cm nên quyết định lựa chọn đoạn trên của thiết bị phản ứng để đặt lớp xúc tác. Lớp xúc tác này có bề dày 20 cm và có khối lượng 30 g. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sau khi lựa chọn khối lượng xúc tác là 30 g, tiến hành khảo sát dòng khí thấy với dòng khí N2 nhỏ hơn 2 lít/ phút thì lưu lượng khí không đủ để đẩy dòng hơi dầu đi qua lớp xúc tác, với lưu lượng khí N2 lớn hơn 2 ml/ phút thì xảy ra hiện tượng tăng áp ở đồng hồ đo áp suất của thiết bị phản ứng. Điều này ảnh hưởng đến vấn đề an toàn của hệ thiết bị phản ứng nên quyết định lựa chọn thực hiện phản ứng cracking với lưu lượng dòng N2 là 2 lít/ phút.
Qua quá trình khảo sát lò gia nhiệt nguyên liệu thấy khi gia nhiệt ở 300 oC thì không đủ để hóa hơi hoàn toàn lượng dầu nguyên liệu. Một phần dầu thực vật thải không kịp hóa hơi vẫn còn ở trong ống cho nên không thể tiến hành điều khiển chính xác dòng dầu thực vật bơm vào đi đến cột phản ứng để tiến hành phản ứng cracking. Do vậy , các thí nghiệm khảo sát với dòng dầu thực vật từ bơm vào là 1 ml/ phút.
Vậy, với các thực nghiệm phản ứng cracking xúc tác dầu thực vật thải đều tiến hành với 30g chất xúc tác, lưu lượng dòng N2 là 2 lít/ phút, tốc độ bơm nguyên liệu là 1 ml/ phút.
Các thực nghiệm được tiến hành trong khoảng nhiệt độ 475 – 575 oC, và tiến hành khảo sát thời gian tối ưu để thu lượng sản phẩm điêzen sinh học và thời gian mất hoạt tính của xúc tác.
2.2.2. Quy trình vận hành hệ thống thiết bị thí nghiệm cracking xúc tác dầu thực vật thải. vật thải.
2.2.2.1.Sơ đồ quá trình cracking xúc tác dầu thực vật thải.
Hình 2.10.Sơ đô khối quá trình cracking dầu thực vật thải.
Dầu thực vật thải sau khi được xử lý sơ bộ ( loại bỏ các tạp chất cơ học, nước ) được đưa vào thiết bị gia nhiệt đến 300 oC rồi đưa vào thiết bị phản ứng có tâng xúc cố định đã được gia nhiệt lên đến nhiệt độ phản ứng. Sản phẩm lỏng của quá trình cracking xúc tác sau khi đã tách phần khí được đưa vào thiết bị chưng cất để thu phân đoạn điêzen.
2.2.2.2. Quy trình thao tác vận hành thí nghiệm.
Quy trình thực hiện phản ứng được tiến hành theo các bước sau :
(1). Lấy một lượng 30 g chất xúc tác đưa vào vào ông phản ứng rồi tiến hành lắp đặt hệ thiết bị phản ứng.
(2) Kết nối nguồn điện các thiết bị đo và điều khiển lưu lượng, thiết bi đo và điều khiển nhiệt. Sử dụng bút thử điện kiểm tra các thiết bị tránh hiện tượng rò rỉ điện gây nguy hiểm cho người vận hành thiết bị thí nghiệm.
(3) Gia nhiệt hệ thống thiết bị phản ứng và lò hóa hơi ở áp suất khí quyển đến nhiệt độ phản ứng trong khoảng 1 giờ ví dụ như nhiệt độ cột phản ứng là 500 oC, nhiệt độ buồng hóa hơi là 300 oC.
(4) Mở dòng nitơ để làm sạch hệ thiết bị và ổn định nhiệt độ hệ thống trong khoảng 20 - 30 phút, lưu lượng dòng khí N2 là 2 lít/ phút.
(5) Dùng bếp điện gia nhiệt dầu thực vật đến 70 – 80 oC để làm giảm độ nhớt của dầu, thuận lợi cho quá trình bơm nguyên liệu.
(6) Sau khi ổn định nhiệt độ của thiết bị phản ứng và lò gia nhiệt, tiến hành bơm dầu thực vật thải với tốc độ bơm là 1 ml/ phút.
(7) Tiến hành phản ứng trong khoảng 2 – 3 h. (8) Tắt bơm để dừng phản ứng.
(9) Mở van xả để cho dòng khí và dòng nguyên liệu còn lại có trong ống phản ứng ra ngoài.
(10) Lấy xúc tác ra khỏi thiết bị phản ứng và tiến hành nung ở 600 oC để tái sinh xúc tác.
(11) Làm sạch thiết bị phản ứng.
Trong quá trình tiến hành thí nghiệm phải luôn chú ý đến vấn đề an toàn. Khi thấy áp suất trong cột phản ứng tăng cao thì cần phải mở van xả và tạm dừng thí nghiệm. Lúc đó đã xuất hiện hiện tượng tắc khí, dòng khí không thổi qua được lớp xúc tác, nếu không mở van xả có thể gây hiện tượng nổ hoặc phá vỡ thiết bị. Mặt khác, do phải làm việc với những thiết bị có nhiệt độ cao nên cần phải sử dụng các trang thiết bị bảo hộ như găng tay, kính , khẩu trang,…để đảm bảo an toàn.
2.3. Chưng cất sản phẩm.
Sau khi tiến hành quá trình cracking xúc tác dầu thực vật thải, sản phẩm lỏng của quá trình này được đem đi chưng cất để thu được phân đoạn điêzen.
2.3.1. Thiết bị chưng cất.
Thiết bị sử dụng cho quá trình chưng cất sản phẩm là thiết bị chưng cất ASTM D1160. Thiết bị chưng cất này được thiết kế cho việc chưng cất ở áp suất thường và áp suất chân không ( 50 torr ).Thiết bị chưng cất ASTM D1160 có cấu tạo như sau:
Hình 2.11.Sơ đồ cụm thiết bị chưng cất theo ASTM D1160[11]. Thiết bị chưng cất gồm có :
Bình cầu có dung tích 500 ml làm bằng thủy tinh được thiết kế theo tiêu chuẩn có 1 vỏ bọc giữ nhiệt và có ống để cắm cảm biến đo nhiệt độ.
Thiết bị đo nhiệt độ có gắn cảm biến đo nhiệt độ, đo nhiệt độ đỉnh và đáy thiết bị chưng.
Đồng hồ đo hiển thị áp suất chân không trong cột chưng.
Cột cất làm bằng thủy tinh được thiết kế theo tiêu chuẩn, bên ngoài có bọc 1 lớp vỏ thủy tinh tráng bạc. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hệ thống thiết bị làm mát có điều chỉnh nhiệt độ của dòng làm mát. Hệ thống tạo áp chần không có van điều chỉnh áp suất chân không ở
phần đỉnh của thiết bị làm lạnh.
Bẫy ngưng tụ được lắp ở đỉnh của thiết bị ngưng tụ, chứa các chất làm lạnh với nhiệt độ cực thấp để thu hồi các thành phần cực nhẹ, tránh
không cho các thành phần này đi vào bơm gây hỏng bơm chân không.