Chương 2 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH
2.1. Nghiên cứu đề xuất quy trình công nghệ phối trộn xăng sinh học E10, E15 và E
và E20
2.1.1. Công nghệ phối trộn
Phối trộn là quá trình kết hợp các vật liệu khác nhau để tạo thành sản phẩm đồng nhất.
Thuật ngữ trộn được biết rõ ràng hơn với quá trình trộn lỏng-lỏng, khí-lỏng và vật liệu
có tính nhớt. Khuấy trộn trong môi trường lỏng thường ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hóa chất, thực phẩm để tạo thành dung dịch huyền phù, nhũ tương để tăng cường các quá trình truyền nhiệt, chuyển khối, phản ứng hóa học… Người ta
có thể khuấy trộn chất lỏng bằng cơ khí, bằng khí nén (sục khí) hoặc bằng tiết lưu hay
tuần hoàn chất lỏng.
2.1.1.1. Phân loại các công nghệ phối trộn
Phối trộn bằng phương pháp khuấy
Đây là công nghệ phối trộn thông thường, sử dụng mẫu thùng trộn có khuấy sử dụng lực đẩy hình học (Hình 2).
Hình 2. Mô hình phối trộn thùng có cánh khuấy (a), cánh khuấy (b)
Các loại cánh khuấy thường được sử dụng trong công nghiệp là loại tấm, mái chèo bản, mái chèo hai thanh và mái chèo có thanh đặt chéo được sử dụng khi số vòng quay nhỏ, loại mỏ neo (chữ U), mỏ neo ghép hay loại chân vịt, loại tuốc bin được sử dụng
khi số vòng quay lớn [18].
Phối trộn bằng phương pháp tuần hoàn
Hệ thống trộn liên tục hay tuần hoàn kín được trình bày trong Hình 3.
Hai dòng nguyên liệu được hút lần lượt vào bể sau đó được đảo trộn trong theo cánh
quay trong buồng bơm. Hệ thống phối trộn kiểu này có 2 dạng nạp liệu. Một là đường
nạp liệu sử dụng ống mềm linh hoạt để hút nguyên liệu, hai là sử dụng phễu nạp liệu
Hình 3. Mô hình phối trộn tuần hoàn
Hình 4. Các dạng nạp liệu của hệ thống phối trộn tuần hoàn
Phối trộn trong đường ống
Ngày nay, trong quá trình phối trộn lỏng – lỏng, người ta thường sử dụng thiết bị
khuấy trộn đơn giản kiểu xoáy ốc – trộn tĩnh. Đây là thiết bị trộn trong đường ống mà
trong đó các chất lỏng cần phối trộn được cho đi qua các khối hình học đặt bên trong
đường ống. Có hơn 30 kiểu thiết kế thiết bị trộn tĩnh khác nhau nhưng những thiết bị thương mại phổ biến nhất là của các nhà sản xuất sau đây [19]:
- Chemineer Kenics: KM series and HEV, - Komax mixer,
- Sulzer Chemtech: (or Koch) SMX, SMXL, SMV, SMVL, - Ross: LPD, LLPD, ISG.
Phối trộn bằng phương pháp sục khí trơ
Một phương pháp phối trộn khác, phương pháp trộn bằng cách sục khí trơ được áp
dụng để trộn hai cấu tử lỏng linh động với nhau. Có 3 cách sục khí vào hỗn hợp chất
lỏng là:
- Sục từ bộ phân phối khí từ dưới đáy thiết bị (Hình 5-a)
- Sục khí bằng đường ống phân phối khí đi từ trên xuống đáy và được bố trí ở
trung tâm thiết bị
- Xung quanh ống dẫn khí có các ống để tạo các bong bong khí nhỏ (Hình 5-b) Sục khí tuần hoàn thông qua một đường ống nối từ đáy thiết bị đến mặt chất
Khí được sục vào trong lòng chất lỏng từ dưới đáy thiết bị qua bộ chia để phân tán
bong bong khí trong lòng hỗn hợp chất lỏng cần trộn theo kiểu tầng sôi. Ngày nay, nhằm nâng cao khả năng khuếch tán của khí trong chất lỏng, người ta thiết kế ra loại
máy sục chìm có thêm máy phản lực làm tăng khả năng phân phối khí, khuấy động
dòng đối lưu tạo nhiều bong bóng khí nhỏ.
(a) (b) (c)
Hình 5. Thiết bị trộn kiểu sục khí
2.1.1.2 Chế độ phối trộn
Có thể mô tả phối trộn như biện pháp kết hợp các thành phần độ nhớt khác nhau
và/hoặc tỷ trọng khác nhau để tạo ra một chất có các tính chất đồng đều, không thay đổi theo thời gian.
Khi kết hợp các dung dịch hoặc các thể huyền phù để tạo ra chất đồng nhất liên tục thì
độ nhớt của các dòng tới và độ nhớt cuối cùng của hỗn hợp sẽ quyết định đặc tính của
quá trình khuấy phải áp dụng. Lưu lượng trong toàn hệ thống là yêu cầu đầu tiên vốn đòi hỏi sử dụng các bộ cánh khuấy dòng chảy theo hướng trục ở các hệ có độ nhớt
thấp.
Có thể chia các quá trình phối trộn thành hai nhóm lớn: - Phối trộn độ nhớt thấp < 50000 cP (< 50 Pa.s) - Phối trộn độ nhớt cao > 50000 cP (> 50 Pa.s)
Sự phân biệt này chỉ mang tính chất hướng dẫn khi xác định các cách phối trộn cần thiết. Các biến sau đây được dùng để đánh giá chất lượng phối trộn đối với cả hai nhóm phối trộn độ nhớt thấp hoặc độ nhớt cao [20]: Độ đồng đều nhiệt độ, độ đồng đều chất phản ứng/chất xúc tác, độ đồngđều sản phẩm, thăng giáng.
Phối trộn nhiên liệu độ nhớt thấp
Trong các áp dụng pha trộn độ nhớt thấp những yếu tố sau quyết định sự lựa chọn máy
khuấy [20]:
Điều kiện khởi động: Điều này liên quan đến chuyện máy trộn có chạy hay không khi
trước khi trộn thì để đạt tới độ đồng đều có thể phải lâu hơn từ 5 tới 10 lần so với vừa
chạy máy trộn vừa pha thêm các thành phần.
Đặc trưng của các chất cần pha trộn: Điều này bao gồm độ nhớt và tỷ trọng của mỗi
thành phần. Độ nhớt và/hoặc tỷ trọng càng khác nhau thì càng cần nhiều công suất.
Thời gian pha trộn: Điều này liên quan tới thời gian từ lúc tất cả thành phần đều được
pha vào khi máy khuấy đang chạy tới lúc lượng chứa trong máy khuấy được pha trộn
tới mức cần thiết cho quá trình.
Kích thước và hình dạng thiết bị: thể tích thiết bị càng lớn thì công suất càng phải lớn để có được thời gian pha trộn cần thiết và khi tỉ số Z/T (tỉ số độ sâu chất lỏng trên
đường kính thiết bị) tăng thường đòi hỏi quá trình khuấy nhiều hơn.
Phối trộn nhiên liệu độ nhớt cao
Phối trộn độ nhớt cao là cực kỳ quan trọng trong một số quá trình công nghiệp. Tuy
nhiên, chỉ khoảng 2% nhiên liệu áp dụng phối trộn thuộc nhóm nhiên liệu độ nhớt cao. Như vậy, hiện nay có 4 phương pháp được áp dụng trong phối trộn hệ hai cấu tử đó là
phương pháp khuấy trộn, bơm tuần hoàn, trộn tĩnh trong đường ống và sục khí trơ. Tuy nhiên, phương pháp phối trộn tĩnh trong đường ống là phương pháp khó thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm vì không có thiết bị. Hơn nữa, tại Việt Nam cũng chưa có công trình nghiên cứu nào công bố việc sử dụng phương pháp phối trộn này.
Do đó, chúng tôi lựa chọn 3 phương pháp gồm: khuấy trộn, bơm tuần hoàn và sục khí trơ để nghiên cứu trong điều kiện phòng thí nghiệm.
2.1.2. Quy trình phối trộn tổng quát
Quy trình công nghệ phối trộn xăng sinh học tổng quát được thể hiện trên Hình 6.
Hình 6. Sơ đồ quy trình công nghệ phối trộn xăng pha etanol tổng quát
Nhiên liệu xăng pha cồn etanol được tiến hành phối trộn theo các quy trình khác nhau với tỷ lệ thể tích của etanol nhiên liệu biến tính trong hỗn hợp lần lượt là 10%, 15%, 20%.
Theo quy trình phối trộn bằng phương pháp khuấy, nguyên liệu xăng và etanol nhiên liệu biến tính được đưa vào hệ thiết bị khuấy trộn theo tỷ lệ nhất định. Thiết bị có dung
tích 10 lít, sử dụng động cơ khuấy (động cơ an toàn với vật liệu dễ cháy nổ) để khuấy
trộn đều hỗn hợp xăng – etanol (Hình 7).
Hình 7. Sơ đồ hệ thiết bị khuấy trộn
Theo quy trình phối trộn bơm tuần hoàn, xăng và etanol nhiên liệu biến tính được cho vào hệ thiết bị phản ứng theo đúng tỷ lệ. Thiết bị có dung tích 60 lít sử dụng bơm để
trộn hỗn hợp (Hình 8). Bơm được sử dụng để phối trộn là lọai bơm tuần hoàn có thể điều chỉnh lưu lượng và là loại bơm không đánh lửa nhằm tránh cháy nổ trong quá
trình trộn. Ngoài ra, đường ống nạp liệu được lựa chọn là loại ống mềm không tan
trong dung môi.
Hình 8. Hệ thiết bị trộn tuần hoàn
Theo quy trình phối trộn bằng cách sục khí trơ, nguyên liệu xăng và etanol nhiên liệu
biến tính được đưa vào hệ thiết bị phản ứng với dung tích 10 lít. Đường ống dẫn khí được đưa sâu xuống phía đáy của thiết bị để tạo thành các dòng khí chuyển động hỗn
loạn trong lòng chất lỏng. Thiết bị được lắp sinh hàn không khí để làm giảm khả năng bay hơi của hỗn hợp nhiên liệu. Sơ đồ phối trộn được trình bày trong Hình 9.
Hình 9. Sơ đồ hệ thiết bị sục khí nitơ
Nhằm quan sát ngoại quan đánh giá khả năng tan lẫn của etanol vào xăng trong thí
nghiệm, etanol nhiên liệu biến tính được pha thêm một lượng nhỏ chất tạo màu (cỡ vài ppm). Ngoài ra, khả năng tan lẫn của etanol nhiên liệu biến tính vào xăng còn được đánh giá bằng giá trị chỉ số ốctan, nhờ phương pháp đo bằng máy đo chỉ số ốctan cầm
tay (Hình 10).
Hình 10. Thiết bị đo chỉ số ốctan cầm tay ZELTEX ZX-101XL
Các chỉ tiêu nhiên liệu của các mẫu E10, E15, E20 sau khi phối trộn được phân tích tại
Viện Hóa học công nghiệp Việt Nam.
Trước tiên, quy trình phối trộn tổng quát trên đây được áp dụng để phối trộn với tỷ lệ
etanol/xăng là 10% (E10). Cả 3 phương pháp phối trộn E10 gồm: phương pháp khuấy, phương pháp bơm tuần hoàn và phương pháp sục khí trơ đều được khảo sát để tìm được phương pháp thích hợp. Tiếp theo, một phương pháp được lựa chọn để áp dụng cho việc phối trộn E15 và E20.
2.1.3. Phối trộn xăng sinh học E10
Thành phần của hỗn hợp xăng sinh học E10 được trình bày trong Bảng 3.
Bảng 3. Thành phần hỗn hợp xăng sinh học E10
Thành phần Hàm lượng (%kl)
Xăng 89,0
Etanol 10,0
2.1.3.1. Theo phương pháp khuấy
Trước khi nghiên cứu sự ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến tính đồng nhất của nhiên liệu, chúng tôi tiến hành nghiên cứu sự phụ thuộc của chỉ số ốctan vào tính đồng nhất
của nguyên liệu.
Hình 11 mô tả sự quan sát ngoại quan mẫu E10 được pha trộn theo các phương pháp khác nhau. Trong thí nghiệm này, etanol nhiên liệu biến tính có màu hồng (đã pha
màu), xăng có màu xanh.
Quan sát bằng mắt thường thấy rõ, khi mới cho từ từ etanol nhiên liệu biến tính (NLBT) vào xăng, do etanol có tỷ trọng cao hơn xăng nên lắng xuống phía đáy (Hình 11-a). Để qua đêm, hai thành phần này dần tan lẫn vào nhau (Hình 11-b). Khi cho nhanh etanol nhiên liệu biến tính vào xăng (Hình 11-c), hai thành phần này hầu như
tan lẫn vào nhau, ngoại trừ phần phía trên ống nghiệm có màu hồng nhạt hơn so với
phần phía dưới ống nghiệm. Lặp lại thí nghiệm, cho nhanh etanol nhiên liệu biến tính vào xăng nhưng tiến hành khuấy nhẹ (tương đương 20 – 50 vòng/phút – máy khuấy
cần), quan sát thấy màu hồng đồng nhất trong toàn bộ ống nghiệm (Hình 11-d). Các kết quả quan sát ngoại quan này còn được kiểm chứng bằng các kết quả đo chỉ số ốctan của các mẫu.
(a) (b) (c) (d)
a: Mẫu cho từ từ etanol nhiên liệu biến tính vào xăng; b: Mẫu cho từ từ etanol nhiên liệu biến tính vào xăng và để qua đêm; c: Mẫu cho nhanh etanol nhiên liệu biến tính vào xăng; d: Mẫu
cho nhanh etanol nhiên liệu biến tính vào xăng rồi khuấy 20 – 50 vòng/phút
Hình 11. Khả năng tan lẫn của etanol trong xăng
Kết quả đo chỉ số ốctan được trình bày trong Bảng 4.
Kết quả trong Bảng 4 cho thấy, các mẫu xăng sinh học E10 tan lẫn tốt hoặc ít tan lẫn
tốt đều có chỉ số ốctan cao hơn so với xăng thông thường. Như đã trình bày ở trên,
trong phương pháp xác định nhanh chỉ số ốctan nhiên liệu, tia hồng ngoại chỉ đi qua
khe hở và phần mẫu ở dưới đáy lọ đựng mẫu. Ngoài ra, etanol có tỷ trọng cao hơn xăng nên nằm bên dưới của hỗn hợp và etanol có chỉ số ốctan cao hơn xăng (114 so
với 92,5). Do đó, ban đầu khi mới cho nguyên liệu vào, mẫu chưa khuấy có chỉ số ốctan cao hơn hẳn (102) so với mẫu E10 thành phẩm. Etanol chủ yếu nằm ở dưới
(Hình 11-a), chỉ một phần nhỏ etanol tan lẫn vào xăng. Khi để qua đêm, kéo dài thời
gian khuếch tán nên etanol tan lẫn vào xăng nhiều hơn (Hình 11-b) do đó chỉ số ốctan
của mẫu giảm mạnh so với mẫu khi mới cho từ từ etanol nhiên liệu biến tính vào và tiến gần tới giá trị chỉ số ốctan của xăng. Tuy nhiên, do nồng độ etanol trong hỗn hợp ở phía dưới cốc đựng mẫu vẫn cao hơn nồng độ etanol ở phía trên nên chỉ số ốctan đo
được vẫn cao hơn một chút so với chỉ số ốctan của E10 thành phẩm. Với mẫu cho
nhanh etanol vào (không khuấy), xu hướng thay đổi chỉ số ốctan cũng tương tự như xu hướng thay đổi của mẫu cho từ từ etanol nhiên liệu biến tính vào xăng rồi để qua đêm.
Riêng đối với mẫu cho nhanh etannol vào xăng kết hợp khuấy với tốc độ 20 – 50 vòng/phút, sự phối trộn của hỗn hợp là rất tốt, thể hiện qua giá trị chỉ số ốctan của mẫu
bằng với giá trị chỉ số ốctan của mẫu E10 thành phẩm.
Bảng 4. Ảnh hưởng của sự tan lẫn etanol tới chỉ số ốctan của nhiên liệu
STT Loại mẫu Chỉ số ốctan
1 Xăng 92,5
2 Etanol 114
3 E10 thành phẩm 94,7
4 Mẫu cho từ từ etanol NLBT vào xăng 102
5 Mẫu cho từ từ etanol NLBT vào xăng và để qua đêm 93,5
6 Mẫu cho nhanh etanol NLBT vào xăng 93,4
7 Mẫu cho nhanh etanol NLBT vào xăng rồi khuấy 20 – 50 vòng/phút
94,7
Các kết quả thí nghiệm này chứng tỏ, etanol nhiên liệu biến tính tan tốt vào xăng nhưng sự tác động của các yếu tố khuấy trộn từ bên ngoài (mặc dù không nhiều) cũng đóng một vai trò hết sức quan trọng. Cũng từ các kết quả này, có thể thấy tốc độ khuấy
trộn thích hợp khi pha trộn etanol nhiên liệu biến tính vào xăng là từ 20 – 50 vòng /phút. Khuấy trộn với tốc độ lớn hơn là không cần thiết vì không làm thay đổi khả năng phối trộn (do đã đạt mức tối ưu - Bảng 5) mà lại tiêu tốn năng lượng. vì vậy tốc độ khuấy trộn là 50 vòng/phút được sử dụng cho các thực nghiệm tiếp theo.
Bảng 5. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến chỉ số ốctan của nhiên liệu
STT Tốc độ khuấy (vòng/phút) Chỉ số ốctan
1 50 94,7
2 100 94,7
3 150 94,7
4 200 94,7
2.1.3.2. Theo phương pháp bơm tuần hoàn
Nguyên liệu etanol nhiên liệu biến tính và xăng được đưa vào thiết bị phối trộn tuần
hoàn (tổng thể tích hỗn hợp chiếm khoảng 80% thể tích thiết bị). Tốc độ bơm được khảo sát trong khoảng từ 5 lít/giờ đến 30 lít/giờ, với thời gian cố định là 5 phút. Sau
mỗi mẻ phối trộn đánh giá khả năng tan lẫn của nhiên liệu bằng chỉ số ốctan (Bảng 6). Mẫu được lấy ra theo đường xả đáy của thiết bị phản ứng.
Các kết quả trong Bảng 6 cho thấy tốc độ bơm thích hợp ở hệ thiết bị dung tích 60 lít
là khoảng 10 lít/giờ. Ở tốc độ bơm thấp hơn, 2 pha nguyên liệu chưa được trộn lẫn hoàn toàn. Điều này thể hiện ở giá trị chỉ số ốctan của sản phẩm tháo ở đáy thiết bị cao hơn hẳn so với giá trị chỉ số ốctan của E10 thành phẩm. Tốc độ bơm lớn hơn là không
Bảng 6. Ảnh hưởng của tốc độ bơm đến chỉ số ốctan của nhiên liệu
STT Tốc độ bơm (lít/giờ) Chỉ số ốctan
1 5 97,1
2 10 94,7
3 15 94,7
4 20 94,7
5 30 94,7
Ở một thử nghiệm tiếp theo, tốc độ bơm được giữ nguyên 10 lít/giờ, thực nghiệm phối trộn được tiến hành với thời gian khác nhau. Kết quả được trình bày trong Bảng 7.
Bảng 7. Ảnh hưởng của thời gian phối trộn tới chỉ số ốctan
STT Thời gian bơm tuần hoàn
(phút) Chỉ số ốctan 1 1 95,4 2 3 95,0 3 5 94,7 4 7 94,7 5 10 94,7
Kết quả thực nghiệm cho thấy, thời gian bơm tuần hoàn thích hợp trong quá trình phối
trộn là 5 phút.
Như vậy, qua quá trình khảo sát, điều kiện thích hợp để phối trộn nhiện liệu xăng sinh