BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
NGUYỄN XUÂN TÙNG
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ SƠ BỘ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG DAO ĐỘNG DÒNG CHO QUÁ
TRÌNH TỔNG HỢP BIODIESEL TỪ DẦU JATROPHA
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: GIÁO VIÊN CHẤM Th.s Hồ Văn Sơn



2

Mục lục
LỜI CẢM ƠN 1
Mục lục 2
DANH MỤC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT 5
DANH MỤC BẢNG 7
DANH MỤC HÌNH VẼ 8
MỞ ĐẦU 9
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU BIODIESEL 10
1.1. Khái niệm 10
1.2. Giới thiệu về lịch sử của biodiesel 10
1.3. Ưu thế của nhiên liệu biodiesel 13
1.3.1. Về nguồn nguyên liệu 13
1.3.2. Về công nghệ 13
1.3.3. Về môi trường và sức khỏe 14
1.3.4. Về kinh tế và xã hội 15
1.4. Nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel 15
1.4.1. Phân loại 15
1.4.2. Các phương pháp chiết xuất dầu nguyên liệu thô 16
1.5. Các công nghệ sản xuất Biodiesel 17
1.5.1. Nhiệt phân hoặc cracking xúc tác 17
1.5.2. Este hóa 18
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU DẦU JATROPHA VÀ BIODIESEL
TỪ JATROPHA 19
1.1. Giới thiệu về cây Jatropha 19
1.2. Tính chất của dầu Jatropha 22
1.3. Quá trình chế biến hóa học từ dầu Jatropha thành biodiesel 23
3

4.4. Cấu hình thiết bị 59
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61
Danh mục tài liệu tham khảo 62 5

DANH MỤC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT
Ký hiệu
Ý nghĩa
Đơn vị
Re
n
Chuẩn số Reynolds của dòng chảy chính

Re
o
Chuẩn số Reynolds của dòng chảy dao động

St
Chuẩn số Strouhal

ω
Vận tốc góc của dao động
Rad/s
ψ
Tỷ số vận tốc

z
Chiều dài ống yêu cầu

3

p
Mật độ năng lượng của thiết bị PFR dùng để so sánh
W/m
3

V
Thể tích thiết bị
m
3
Q
Công suất thiết bị
m
3
/s
x
o
Biên độ dao động
m


Hệ số tăng áp suất



Thời gian lưu

DANH MỤC BẢNG
STT
SỐ HIỆU
BẢNG
TÊN BẢNG
TRANG
1
Bảng 2-1
Tính chất của dầu Jatropha
22
2
Bảng 2-2
Thành phần axit béo của dầu Jatropha
23
2
Bảng 4-1
Tính chất vật lý của dầu Jatropha nguyên liệu
49
3
Bảng 4-2
Tính chất vật lý của methanol 99,8 %
49
4
Bảng 4-3
Các thông số độ nhớt, khối lượng riêng của
các thành phần nguyên liệu tham gia phản ứng
este hóa ở 60
o
C
50
8

DANH MỤC HÌNH VẼ

STT
SỐ HÌNH
VẼ
TÊN HÌNH VẼ
TRANG
1
Hình 1-1
Công nghệ Mcgyan
14
2
Hình 2-1
Cây và quả Jatropha
20
3
Hình 2-2
Quả và hạt Jatropha
21
4
Hình 2-3
Quy trình sản suất biodiesel từ dầu Jatropha
25
5
Hình 3-1
Sơ đồ cấu tạo của thiết bị phản ứng dao động

Hình 3-8
Ảnh hưởng của tỷ số vận tốc tời thời gian lưu
40
13
Hình 3-9
Thuật toán thiết kế thiết bị phản ứng dao động
dạng vách ngăn
45
14
Hình 4-1
Mã lệnh Matlab dùng để thực hiện thuật toán
thiết kế
52
15
Hình 4-2
Đồ thị mật độ năng lượng theo tỷ số z/d của thiết
bị COBR với Re
n
= 100, Re
o
= 500
58
16
Hình 4-3
Đồ thị mật độ năng lượng theo tỷ số z/d của thiết
bị PFR với Re = 2500
58

nhiên liệu dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật hay
mỡ động vật. Diesel sinh học nói riêng, hay nhiên liệu sinh học nói chung, là một loại
năng lượng tái tạo. Nhìn theo phương diện hoá học thì diesel sinh học là methyl este của
những axit béo.
1.2. Giới thiệu về lịch sử của biodiesel
Để phù hợp với các tiêu chuẩn an toàn môi trường, giảm bớt sự phụ thuộc và thay
thế nhiên liệu diesel truyền thống, hiểu biết về lịch sử và quá trình sản xuất biodiesel là
thực sự cần thiết. Một phần do người tiêu dùng có thói quen sử dụng nhiên liệu diesel
truyền thống hơn là các loại nhiên liệu “xanh” vì giá rẻ hơn, mặt khác là một công nghệ
mới khó khăn hơn để cạnh tranh với một công nghệ đã đạt tiêu chuẩn xã hội. Tuy nhiên
trong thời gian gần đây ngày càng có nhiều công nghệ sản xuất diesel mới được phát
triển và ngày càng được cải thiện, giá thành hạ do tiềm năng thị trường được mở rộng
trong điều kiện giá dầu thô tăng, nguồn nhiên liệu hóa thạch sụt giảm. Biodiesel trong
tương lại sẽ trở thành nhiên liệu "huyết mạch" của nền kinh tế.
Ngay từ năm 1853, phương pháp ester hóa dầu thực vật được áp dụng để sản xuất
glycerine giá rẻ dùng trong sản xuất thuốc nổ sử dụng trong chiến tranh thế giới thứ II
bởi E. Duffy và J. Patrick. Năm 1937, G. Chavanne, nhà khoa học Bỉ được cấp bằng
sáng chế cho nghiên cứu "Quá trình chuyển hóa dầu thực vật để sử dụng như nhiên liệu".
Khái niệm “Diesel sinh học”xuất hiện từ đó. Đó là một quá trình đơn giản chuyển hóa
nhóm alkoxy của hợp chất este (dầu hoặc mỡ) được trao đổi với gốc rượu. Tuy nhiên,
phải đến năm 1977 bằng sáng chế đầu tiên về quá trình sản xuất dầu diesel sinh học được
áp dụng vào thương mại được cấp cho Expedito Parente, một nhà khoa học Brazil [9].
Trước khi nhiên liệu hóa thạch được phát hiện và bùng nổ trên thị trường, năng
lượng chủ yếu được tạo ra từ hơi nước. Tuy nhiên, việc sử dụng lọai năng lượng này
kém hiệu quả do cần sử dụng thêm chất đốt, hiệu suất chỉ đạt từ 10-12%. Bằng sáng chế
về động cơ sử dụng dầu lạc được phát minh bởi Rudolph Diesel vào năm 1892 tại Đức.
11

Năm 1983, phát minh của Diesel được trình bày tại triển lãm Paris. Trong vòng 5 năm
sau khi thực hiện sáng chế này, động cơ của Diesel đạt hiệu suất 75% so với mức 26%


trong sự quan tâm của cộng đồng. Vì vậy, trong năm 1979, Nam Phi bắt đầu phát triển
thương mại dầu diesel sinh học. Dầu hướng dương được este hóa và để đạt tiêu chuẩn
tương tự như dầu diesel thường. Hệ quả là việc phát hiện ra những nguồn nguyên liệu
mới, phát triển các công nghệ giúp cải thiện hiệu suất động cơ, giảm thiểu tác động tới
môi trường. Các kinh nghiệm được đúc kết từ quá khứ được sử dụng để cải thiện hiệu
suất, giảm chi phí, quan tâm hơn tới vấn đề tiếp thị [13].
Quy trình sản xuất, chất lượng và kết quả thử nghiệm động cơ cho dầu diesel sinh
học đã được hoàn thiện và công bố rộng rãi vào năm 1983. Công nghệ mang tên “The
South African” được phát triển bởi Gaskoks, một công ty của Áo. Gaskos thành lập nhà
máy thí điểm đầu tiên để sản xuất dầu diesel sinh học vào năm 1987. Vào tháng 4 năm
1989, công ty xây dựng nhà máy quy mô thương mại đầu tiên sản xuất 20 triệu gallon
mỗi năm (MGPY). Tuy nhiên trong thời gian này, diesel sinh học chỉ được sản xuất ở
quy mô phi thương mại tại Hoa Kỳ. Sự tăng trưởng trong sản xuất biodiesel ở châu Âu
bắt đầu vào năm 1991 do yêu cầu giảm tác động môi trường từ khí thải khí nhà kính
(GHG). Ba năm sau, dầu diesel sinh học lần đầu tiên được sản xuất thương mại tại Mỹ.
Đến năm 2000, Tổng công ty tín dụng hàng hóa bắt đầu trợ cấp sản phẩm nông nghiệp
có giá trị sản xuất dầu diesel sinh học. Trong thập kỷ qua (2002-2012) đã gặt hái được
những thành công chưa từng có trong việc sản xuất dầu diesel sinh học. Ưu đãi từ các
nhà hoạch định chính sách như miễn giảm thuế, các khoản tín dụng thuế và các tiêu
chuẩn nhiên liệu về tái tạo hỗ trợ đắc lực cho sự phát triển của nhiên liệu sinh học nói
chung và biodiesel nói riêng. Tuy nhiên, một số đặc tính ưu việt của dầu diesel sinh học
cũng góp phần vào sự tăng trưởng đáng kể đó [13].
Mối quan tâm về biodiesel tăng lên đòi hỏi cần thiết phải tìm một nhiên liệu diesel
thay thế bền vững. Điều này chủ yếu do các vấn đề môi trường, sự phụ thuộc vào vấn đề
năng lượng cũng như vấn đề đột biến của giá cả. Có nhiều lựa chọn để sản xuất biodiesel
dựa trên các nguồn nguyên liệu và công nghệ khác nhau. Việc lựa chọn một công nghệ
cụ thể phụ thuộc vào chất xúc tác và nguồn, chủng loại, chất lượng của nguyên liệu. Các
yếu tố khác bao gồm các khâu sau sản xuất như phân tách sản phẩm, tinh chế sản phẩm
và chất xúc tác, thu hồi ancol. Yếu tố chi phối trong quá trình sản xuất là chi phí nguyên

sinh ra từ quá trình, giúp loại bỏ chi phí làm sạch và các bước trung gian. Để đạt độ
chuyển hóa 100%, nguyên liệu không phản ứng và ancol dư thừa trở lại thiết bị phản
14

ứng. Năng lượng được sử dụng hiệu quả thông qua cơ chế trao đổi nhiệt giữa nguyên
liệu và sản phẩm.

Hình 1-1 Công nghệ Mcgyan [11]
1.3.3. Về môi trường và sức khỏe
Theo báo cáo của Bộ nông nghiệp và Bộ năng lượng Mỹ, 78% lượng khí thải nhà
kính đã được giảm nhờ sử dụng biodiesel. Về cơ bản, biodiesel không chứa aromotic và
15

lưu huỳnh tự do, so sánh với diesel truyền thống chứa 20-40%wt aromatic và 500ppm S
thì đây quả là một ưu điểm vượt trội về mặt môi trường. Khả năng tạo khói của biodiesel
nhỏ hơn 50%. Ngoài ra các hợp chất sunfat và oxit sunfua gần như bị loại bỏ hoàn toàn,
góp phần đáng kể vào việc kiềm chế hiệu ứng nhà kính. Trung bình 22,5% lượng khói,
17,1% CO và 14% CO
2
được giảm thiểu nhờ sử dụng loại nhiên liệu này. Chất lượng
không khí được cải thiện, đảm bảo sức khỏe cho con người.
1.3.4. Về kinh tế và xã hội
Dầu diesel sinh học làm giảm sự phụ thuộc quá nhiều vào nhiên liệu hóa thạch.
Điều này giúp tăng cường an ninh năng lượng toàn cầu. Nó cũng có khả năng để thay
thế dầu thô nhập khẩu nếu được sản xuất trong nước, qua đó cung cấp thêm thị trường
cho các sản phẩm nông nghiệp. Nó hỗ trợ cộng đồng nông nghiệp, tạo thêm việc làm và
bảo vệ, cải tạo tài nguyên đất. Với lượng nhiên liệu sinh học đáp ứng 1% nhu cầu tiêu
thụ nhiên liệu ô tô ở EU cũng đã giúp duy trì, tạo ra khoảng 75.000 việc làm. Ước tính
mỗi đơn vị năng lượng hóa thạch sử dụng trong quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học
giúp tạo ra hơn 4,5 đơn vị năng lượng tái tạo.

1.4.2.2. Phương pháp hóa học
Các phương pháp chiết xuất hóa học bao gồm:
 Phương pháp chiết dung môi
 Phương pháp siêu âm
 Phương pháp chiết bằng nước nóng
Phương pháp chiết dung môi thường được sử dụng để xử lý hơn với công suất hơn
300.000 kg/ngày, sản lượng bị ảnh hưởng bởi kích thước hạt, loại dung môi và nồng độ,
nhiệt độ và chất kích thích. Để tăng sự tiếp xúc của dầu với dung môi, các hạt có dầu
thường được làm giảm kích thước. Sau khi chiết, hỗn hợp dầu-dung môi được lọc trong
và sử dụng nhiệt để làm bay hơi dung môi. Hơi nước được thêm vào để loại bỏ các dung
môi còn lẫn trong dầu. Các tạp chất không trộn lẫn được vào dung môi và hơi nước được
tách trong bể lắng sau quá trình ngưng tụ. Dung môi chiết hiệu quả nhất là n-hexane .
Tuy nhiên, quá trình này đòi hỏi năng lượng cao hơn và thời gian dài hơn so với các
phương pháp khác. Hơn nữa việc sử dụng dung môi độc hại, nước thải và khí thải của
các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi là những thách thức phải đối mặt với phương pháp này.
17

1.4.2.3. Phương pháp tách bằng enzyme
Các hạt có dầu được giảm kích thước và dầu được chiết xuất bởi các enzyme thích
hợp. Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi không được sản sinh ra giúp phương pháp này thân
thiện với môi trường khi so sánh với các phương pháp khác. Tuy nhiên, nhược điểm của
nó là thời gian xử lý dài và chi phí cao của việc mua enzyme.
1.5. Các công nghệ sản xuất Biodiesel
Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để khắc phục và giảm thiểu những hạn chế
liên quan đến sản xuất biodiesel. Các phương pháp được sử dụng để giảm độ nhớt của
dầu thực vật để sử dụng cho động cơ đốt trong bao gồm: nhiệt phân, nhũ hóa, pha loãng
và ester hóa. Pha loãng và nhũ hóa không phải là phương pháp sản xuất do đó không
được đề cập đến trong nội dung này.
1.5.1. Nhiệt phân hoặc cracking xúc tác
Nhiệt phân là quá trình phân hủy nhiệt của hợp chất hữu cơ trong điều kiện vắng

chất của chất xúc tác.

19

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU DẦU JATROPHA VÀ BIODIESEL TỪ
JATROPHA
1.1. Giới thiệu về cây Jatropha
Cây Jatropha curcas L., thuộc chi Jatropha, họ Thầu dầu. Curcas là tên gọi thông
thường của cây Physic nut ở Malabar, Ấn Độ. Tên thông dụng của cây này ở các nước
hiện nay là Jatropha, ở Việt Nam gọi là cây Cọc rào, Dầu mè
Jatropha là một loài cây có lịch sử 70 triệu năm, nguồn gốc từ Mexico (nơi duy
nhất có hóa thạch của cây này) và Trung Mỹ, được người Bồ Đào Nha đưa qua Cape
Verde, rồi lan truyền sang châu Phi, châu Á, sau đó được trồng ở nhiều nước, trở thành
cây bản địa ở khắp các nước nhiệt đới, cận nhiệt đới trên toàn thế giới. Hiện nay nhiều
nước trên thế giới đang phát triển cây Jatropha để làm nguyên liệu sản xuất diesel sinh
học hoặc làm xà phòng.
Ý nghĩa lớn nhất của cây Jatropha là lấy hạt làm nguyên liệu sản xuất dầu diesel
sinh học. Hạt Jatropha có hàm lượng dầu từ 30% - 45%. Diesel sinh học được sản xuất
từ nhiều loại nguyên liệu: cải dầu, hướng dương, đậu tương, dầu cọ, mỡ động vật ,
nhưng sản xuất từ hạt Jatropha vẫn có giá thành rẻ, chất lượng dầu tốt và không ảnh
hưởng đến an ninh lương thực thế giới.
Khi trồng 1 ha cây Jatropha trong điều kiện chăm sóc tốt sẽ đạt năng suất 8 -10
tấn hạt/ha/năm, có thể sản xuất được 3 tấn diesel sinh học. Loại dầu này sẽ thay thế được
một phần nhu cầu về dầu diesel truyền thống, giảm thiểu lượng khí thải gây hiệu ứng
nhà kính, là loại dầu cháy hoan toàn và không có lưu huỳnh. Đặc biệt hạt Jatropha không
dùng để ép dầu ăn và cây có thể mọc trên những vùng đất khô cằn, cho nên giá thành sản
xuất rẻ hơn so với các loại hạt có dầu truyền thống khác. Hiện tại, trên thế giới dầu
Jatropha đã được nghiên cứu chuyển hóa thành biodiesel sử dụng cho động cơ diesel.
20

nhất là khi hạt đã già, không bị lép hoặc sâu bệnh phá hoại và có độ ẩm phù hợp.
Độ ẩm của hạt ảnh hưởng lớn đến chất lượng quá trình tách dầu từ hạt. Nếu hạt
quá khô khi ép nguyên liệu dễ bị vỡ vụn, hàm lượng dầu trong hạt ít. Độ ẩm trong hạt
cao khi ép hạt, khối hỗn hợp dễ bị chảy dẻo làm kín các lỗ sàng và tỷ lệ dầu còn lại trong
22

bã cao, mặt khác còn gây cản trở trong quá trình thoát bã khi ép. Theo kinh nghiệm, độ
ẩm thích hợp nhất với hạt khi ép là 8 -12%.
Nhiệt độ khối hỗn hợp trong quá trình ép có ảnh hưởng lớn tới năng suất dầu. Do
vậy có thể làm nóng hạt trước khi đưa vào ép hoặc làm nóng hỗn hợp bã và dầu trong
buồng ép.
Thành phần hóa học cơ bản của hạt Jatropha gồm: protein 18%; chất béo 38%;
carbohydrates 17%; xellulo 15,5%; chất khoáng 5,3%, còn lại là nước.
1.2. Tính chất của dầu Jatropha
Dầu jatropha có hàm lượng axit béo tự do tương đối cao so với dầu cọ, dầu nành.
Do đó để ngăn ngừa sự xà phòng hóa xảy ra trong quá trình phản ứng este hóa người ta
phải thực hiện trung hòa lượng axit béo này bằng cách sử dụng nhiệt kết hợp với xúc tác
H
2
SO
4
loãng.
Bảng 2- 1: Tính chất của dầu Jatropha [11].
Tính chất
Giá trị
Chỉ số axit
38.2
Chỉ số bazo
195
Chỉ số iot