THIẾT kế sơ bộ THIẾT bị PHẢN ỨNG DAO ĐỘNG DÒNG CHO QUÁ TRÌNH TỔNG hợp BIODIESEL từ dầu JATROPHA

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

HÀ NỘI – 6/2014
1

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện nội dung yêu cầu của đồ án tốt nghiệp, được sự hướng
dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn và được sự tạo điều kiện từ phía nhà trường, bộ
môn giúp tôi có một quá trình nghiên cứu, tìm hiểu và học tập nghiêm túc để hoàn thành
đồ án. Kết quả thu được không chỉ do nỗ lực của cá nhân mà còn có sự giúp đỡ của quý
thầy cô, gia đình và các bạn, không chỉ được đúc kết trong thời gian làm đồ án mà đó
còn là sự tổng hợp từ toàn bộ những kiến thức, kỹ năng sau 5 năm học tập tại nhà trường.
Tôi xin chân thành cảm ơn :
 Ban giám hiệu nhà trường, ban chủ nhiệm khoa Dầu khí, bộ môn Lọc-Hóa dầu,
Trường đại học Mỏ-Địa chất, giảng viên Th.s Hồ Văn Sơn cùng toàn thể các giảng
viên trong bộ môn đã hướng dẫn tạo mọi điều kiện về kiến thức chuyên ngành và tài
liệu giúp tôi hoàn thành đồ án này. Cảm ơn sự tâm huyết trong giảng dạy của thầy cô
đã giúp tôi hoàn thiện bản thân, nâng cao kỹ năng và kiến thức sau thời gian học tập
tại trường.
 Gia đình đã tạo điều kiện tốt nhất về vật chất và tinh thần để hoàn thành nhiệm vụ
học tập.
 Toàn thể các bạn sinh viên trong lớp Lọc- Hóa dầu B-K54 đã giúp đỡ, trao đổi tài
liệu và thông tin trong quá trình thực hiện đồ án.
Trong quá trình thực hiện và trình bày đồ án không thể tránh khỏi những sai sót và
hạn chế, do vậy tôi rất mong được sự góp ý, nhận xét, phê bình của quý thầy cô và các
bạn sinh viên.
Hà Nội, tháng 6/2014
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Xuân Tùng

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

1.4. Quy trình sản xuất biodiesel từ dầu jatropha bằng quá trình este hóa 24
CHƯƠNG 3 TÌM HIỂU THIẾT BỊ PHẢN ỨNG DAO ĐỘNG DÒNG LIÊN TỤC
DẠNG VÁCH NGĂN VÀ CƠ SỞ THIẾT KẾ CỦA THIẾT BỊ 28
3.1. Các khái niệm chính 28
3.2. Cấu tạo thiết bị phản ứng dao động dòng liên tục dạng vách ngăn 28
3.3. Lịch sử ra đời và phát triển của thiết bị phản ứng dao động liên tục 29
3.4. Dòng chảy dao động 31
3.4.1. Các chuẩn số hình học của dòng chảy dao động. 32
3.4.2. Các thông số hình học 35
3.5. Ưu điểm của thiết bị phản ứng dao động dòng liên tục dạng vách ngăn 38
3.5.1. Tăng hiệu quả truyền khối 38
3.5.2. Tăng hiệu quả truyền nhiệt 38
3.5.3. Các ưu điểm khác 39
3.6. Cơ sở thiết kế thiết bị phản ứng dao động liên tục dạng vách ngăn 40
3.6.1. Điều kiện hoạt động 40
3.6.2. Các thông số cơ sở để thiết kế 41
3.6.3. Cấu hình ống 42
3.6.4. Yêu cầu năng lượng 42
3.6.5. Quy trình thiết kế 44
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ SƠ BỘ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG DAO ĐỘNG DÒNG LIÊN
TỤC DẠNG VÁCH NGĂN CHO QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT BIODIESEL TỪ DẦU
HẠT JATROPHA 48
4.1. Điều kiện thiết kế 48
4.1.1. Các giả thiết 48
4.1.2. Các thông số ban đầu 50
4.2. Tính toán sơ bộ 52
4

4.3. Kiểm tra, đánh giá 55

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

m
d
Đường kính ống
m
d
o
Đường kính lỗ vách ngăn
m
S
Độ mở của vách ngăn

T


Mật độ năng lượng tổng (trong thiết bị COBR)
W/m
3
n


Mật độ năng lượng của dòng chảy chính
W/m
3

v



Mật độ năng lượng của dòng chảy dao động
W/m

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

s


Độ nhớt động lực học
kg/(ms)
6

∆P
Tổn thất áp suất
N/m
2
E
Chiều dài toàn thiết bị
m
n
Số đoạn uốn của ống thiết bị

Z
Chiều dài ống thẳng
m
COBR
Thiết bị phản ứng dao động dòng liên tục dạng vách ngăn

PFR
Thiết bị phản ứng dòng liên tục



7

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

5
Bảng 4-4
Yêu cầu về thời gian lưu và nhiệt độ phản ứng
đối với các phương pháp este hóa
51
6
Bảng 4-5
Kết quả tính toán theo các giá trị kích thước
đường kính khác nhau
53
7
Bảng 4-6
Đường kính danh nghĩa trong ống thép DN6-
DN90
54
8
Bảng 4-7
Các giá trị tính toán hiệu chỉnh với giá trị
đường kính d = 36,568 mm
55
9
Bảng 4-8
So sánh các giá trị thiết kế của thiết bị COBR
và PFR
56
10
Bảng 4-9
Kết quả thiết kế sơ bộ thiết bị COBR cho quá
trình sản xuất biodiesel từ dầu Jatropha
60

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

dòng liên tục dạng vách ngăn đơn giản
28
6
Hình 3-2
Cấu tạo thiết bị COBR trong thực tế
29
7
Hình 3-3
Cơ chế khuấy trộn của dòng chảy dao động
31
8
Hình 3-4
Dòng chảy chính trong ống
32
9
Hình 3-5
Dòng chảy dao động trong vách ngăn
33
10
Hình 3-6
Đồ thị biên độ, vận tốc, gia tốc dao động với ω
= 0,62 rad/s, f = 0,1 Hz, x
o
= 0,5 mm
34
11
Hình 3-7
Hiệu quả truyền nhiệt của thiết bị COBR
39
12

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

9

MỞ ĐẦU
Ngày nay, trong tiến trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, công nghiệp
năng lượng đã trở thành một ngành sản xuất mũi nhọn và đóng vai trò không thể thay
thế trong nền kinh tế, trong đó sản xuất nhiên liệu là một lĩnh vực sản xuất quan trọng.
Tuy vậy trong điều kiện các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt, sản lượng
khai thác giảm đòi hỏi phải có những nguồn năng lượng mới, giảm sự phụ thuộc và tiến
tới thay thế cho năng lượng hóa thạch. Nhiên liệu sinh học nói chung và biodiesel nói
riêng đang ngày càng thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học do thân thiện với
môi trường. Do đó việc nghiên cứu phát triển nguồn nhiên liệu sinh học có ý nghĩa hết
sức to lớn đối với vấn đề an ninh năng lượng thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng.
Với yêu cầu đó, việc nghiên cứu xây dựng quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học đang
được chú trọng. Một trong những vấn đề được quan tâm là việc nghiên cứu thiết bị phản
ứng. Trải qua một thời gian dài nghiên cứu trên thế giới, thiết bị phản ứng dao động dòng
liên tục dạng vách ngăn đã thể hiện những ưu điểm vượt trội so với những loại thiết bị
phản ứng truyền thống. Tuy nhiên ở Việt Nam việc thiết kế, nghiên cứu thiết bị này mới
ở bước đầu tìm hiều. Chính vì vậy thông qua đồ án “Thiết kế sơ bộ thiết bị phản ứng dao
động dòng cho quá trình tổng hợp biodiesel từ dầu jatropha”, những lý thuyết ban đầu
về thiết bị phản ứng dao động dòng liên tục dạng vách ngăn sẽ được làm rõ cùng với một
quy trình thiết kế khoa học. Vì đây là một vấn đề mới được nghiên cứu ở nước ta nên
trong quá trình nghiên cứu không thể tránh khỏi những thiếu sót, do đó rất mong được
sự góp ý phê bình từ phía quý thầy cô và các bạn sinh viên để nội dung đồ án được hoàn
thiện hơn.
10

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU BIODIESEL
1.1. Khái niệm
Diesel sinh học (biodiesel) là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với

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%

ban đầu. Vào năm 1912, Diesel cho ra đời 2 bài viết, trong đó ông viết: “Thực tế cho
thấy các loại dầu từ thực vật không có ý nghĩa đáng kể trong giai đoạn hiện nay, nhưng
trong tương lai, tầm quan trọng của nó không kém gì so với dầu mỏ và than bây giờ.
Trong bất cứ trường hợp nào, những loại nhiên liệu này đảm bảo chắc chắn rằng khi nào
năng lượng cho máy móc vẫn được sản sinh từ nguồn năng lượng vô tận của mặt trời,
thì vẫn còn đảm bảo cho các mục đích sử dụng trong nông nghiệp và các lĩnh vực
khác,ngay cả trong trường hợp tất cả các nguồn nhiên liệu hóa thạch rắn và lỏng bị cạn
kiệt”. Để tưởng nhớ nguời đã có công đầu tiên đoán được giá trị to lớn của Biodiesel,
Nation Board Biodiesel đã quyết định lấy ngày 10 tháng 8 hằng năm bắt đầu từ năm
2002 làm ngày Diesel sinh học Quốc tế (International Biodiesel Day) [11].
Nhu cầu sử dụng nhiên liệu sinh học bắt đầu tăng tại Mỹ từ năm 1910 đến năm
1920. Điều này được góp phần không nhỏ từ những thành tựu tiên phong công nghệ
động cơ diesel của Adolphus Busch và Clessie L. Cummins cùng với những nhà sản xuất
động cơ khác. Tuy nhiên ngành công nghiệp nhiên liệu sinh học phải đối mặt với thách
thức lớn về giá và nguyên liệu. Thật không may, tại cùng thời điểm đó, công nghiệp dầu
khí đạt được nhiều tiến bộ vượt bậc về công nghệ giúp cải thiện các tính chất của dầu
thô. Việc tìm thấy nhiều mỏ dầu dẫn đến sự ra đời của thị trường dầu mỏ. Bởi vậy vào
năm 1940, động cơ diesel được cải tiến để có thể sử dụng nhiên liệu dầu mỏ có độ nhớt
thấp hơn. Doanh số của biodiesel bị sụt giảm và các nhà máy bị chìm vào quên lãng.
Mặc dù vậy không có một tác động đáng kể nào được tạo ra để thúc đẩy tiềm năng của
loại nhiên liệu này. Khoảng thời gian này thị trường tiêu thụ phương tiên vận tải được
mở rộng cùng với sự phát triển của công nghiệp dầu khí và cấu trúc hạ tầng giao thông
[11].
Vào giai đoạn cuối của chiến tranh thế giới thứ II thị trường tiêu thụ và cung ứng
nhiên liệu hóa thạch được kích thích bởi việc bắt đầu khai thác mỏ dầu khí Gulf tại
Mexico và phát minh máy bay chiến đấu. Tuy nhiên vào những năm 1970, dự đoán về
trữ lượng nhiên liệu hóa thạch trở thành vấn đề đáng lưu tâm. Trong năm 1973 và năm
1978, OPEC giảm nguồn cung dầu và tăng giá để đối phó với cuộc khủng hoảng dầu mỏ
của thời điểm đó. Điều này mở ra một cơ hội mới cho sự trở lại của nhiên liệu sinh học
12

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

liệu trong khi chi phí vốn chỉ đóng góp khoảng 7%. Do đó cần thiết phải giảm giá thành
13

nguyên liệu tiến tới giảm chi phí sản xuất chung. Trong cùng một điều kiện, một số công
nghệ được thiết kế để xử lý nhiều loại nguyên liệu khác nhau.
1.3. Ưu thế của nhiên liệu biodiesel
Nhiên liệu thay thế được ưa chuộng vì có sẵn trong điều kiện thường, khả năng
tái sinh, phát triển bền vững, khả năng phân hủy sinh học, giúp tạo thêm việc làm, phát
triển sản xuất nông nghiệp và giảm tác động môi trường.
1.3.1. Về nguồn nguyên liệu
Nhiều loại nguyên liệu đã được thử nghiệm trong sản xuất biodiesel, từ nguyên
liệu truyền thống đến các loại nguyên liệu thải. Nguyên liệu rẻ và sẵn có nhất là dầu ăn
và mỡ động vật đã qua sử dụng. Những nỗ lực nghiên cứu này giúp giảm tác động liên
quan đến môi trường cũng như giảm chi phí xử lý chất thải. Một thành tựu đáng chú ý là
việc sử dụng cây Jatropha – được xem như "cây phép lạ" ở nhiều nước đang phát triển.
Có thể được trồng ở bất cứ nơi nào với yêu cầu nước và điều kiện chăm sóc tối thiểu,
phù hợp với nông dân nghèo. Năng suất cao được duy trì trong suốt vòng đời trung bình
30-50 năm . Cây thầu dầu cũng được trồng xen với cây Jatropha để giúp duy trì khả năng
kinh tế trong vòng 2 đến 3 năm đầu tiên. Một loại cây có dầu khác dùng để cải tạo đất là
Pongamia pinnata có tác dụng cố định nitơ, cho hạt giống có hàm lượng dầu đáng kể.
1.3.2. Về công nghệ
Biodiesel là một trong những nhiên liệu thay thế được kiểm tra kỹ lưỡng nhất trên
thị trường hiện nay. Nhiều nghiên đã chứng minh rằng động cơ vận hành với biodiesel
có hiệu suất tương đương với diesel truyền thống. Biodiesel thu được từ quá trình este
hóa cho công suất tương tự, hàm lượng cặn carbon trong động cơ ở mức rất thấp, ngoại
trừ cặn carbon ở van nạp cao hơn một chút. Mức độ tạo cốc cũng giảm đáng kể so với
sử dụng nhiên liệu D2. Một bước đột phá quan trọng trong quá trình ester hóa là công
nghệ Mcgyan, có thể sử dụng nhiều loại nguyên liệu giá rẻ, phi lương thực, chứa các axit
béo tự do (FFAs). Quá trình này sử dụng xúc tác đồng thể, có thể cho sản phẩm trong
thời gian 4 giây. Axit béo dễ dàng được loại bỏ để đảm bảo không có chất thải được sản

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. Nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel
Có hơn 350 loại cây có dầu đã được xác định có tiềm năng để sản xuất biodiesel.
Tuy nhiên chỉ có cây cọ, jatropha, cải dầu, đậu tương, hạt hướng dương, hạt bông, dầu
cây rum, dầu phộng được coi là nguyên liệu có khả năng sản xuất thương mại.
1.4.1. Phân loại
1.4.1.1. Nguồn nguyên liệu có thể làm thực phẩm
Tùy thuộc vào tính sẵn có, các loại dầu ăn thực vật khác nhau được sử dụng làm
nguyên liệu sản xuất biodiesel ở các nước khác nhau. Dầu cọ và dầu dừa thường được
sử dụng ở Malaysia và Indonesia. Dầu đậu nành được sử dụng ở Mỹ.
1.4.1.2. Nguồn nguyên liệu không dùng làm thực phẩm
Để giảm chi phí sản xuất và đảm bảo an ninh lương thực, các loại dầu không dùng
làm thực phẩm được sử dụng là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất biodiesel. So với
các loại dầu làm thực phẩm, loại dầu này có giá cả phải chăng và sẵn có hơn. Chúng
được thu từ hạt cây Jatropha, hạt cao su, hạt cây bông, hạt cọ, vi tảo… Nhiều nước châu
Âu sử dụng hạt cải dầu. Trong chiến tranh thế giới thứ II, dầu từ hạt Jatropha đã được sử
16

dụng để pha trộn cùng và thay thế diesel. Biodiesel sản xuất từ dầu cọ và dầu cây jatropha
có tính chất vật lý phù hợp, cùng với đó là mức độ oxy hóa và điểm đông đặc đạt mức
cho phép. Hầu hết các yêu cầu nghiêm ngặt theo quy định của tiêu chuẩn nhiên liệu sinh
học Mỹ và châu Âu đối với biodiesel đã đạt được.
1.4.2. Các phương pháp chiết xuất dầu nguyên liệu thô
1.4.2.1. Phương pháp cơ học
Phương pháp này được sử dụng bởi các nhà sản xuất nhỏ với công suất ít hơn
100.000 kg/ngày. Thường sử dụng máy ép trục vít hoặc máy ép bằng tay với hiệu quả
thu được 68-80% hoặc 60-65% lượng dầu ứng với từng trường hợp. Trước khi ép nguyên
liệu trải qua các bước tiền xử lý như loại vỏ (nếu có) giúp tăng lượng dầu đến 89%, và
nấu chín giúp tăng lượng dầu đến 91%. Tuy nhiên, hầu hết các máy ép cơ học được thiết
kế đặc trưng cho từng loại nguyên liệu (hạt). Ngoài ra còn có các bước xử lý sau ép như
lọc và lắng [7].

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

mặt không khí, chất lỏng và chất rắn khác. Sử dụng nhiệt hoặc kết hợp nhiệt và chất xúc
tác để phá vỡ cấu trúc dầu thực vật hoặc mỡ động vật thành các thành phần nhỏ hơn. Các
thành phần olefin và parafin thu được có đặc tính tương tự như diesel. Nghiên cứu về
ảnh hưởng của kích thước hạt cải dầu cho thấy hàm lượng sản phẩm không phụ thuộc
vào kích thước hạt. Phạm vi nhiệt độ tối đa cho quá trình chuyển hóa thành biodiesel là
400°C đến 450°C. Quá trình khử hơi của cellulose và hemicellulose xảy ra ở nhiệt độ
này. Tốc độ gia nhiệt và nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể sản lượng biodiesel, tro cặn và khí
thải. Độ nhớt, điểm chớp cháy, điểm đông đặc và nhiệt trị tương đương của sản phẩm
thấp hơn so với nhiên liệu diesel thông thường. Mặc dù sản phẩm từ nhiệt phân có trị số
cetan cao hơn so với các phương pháp khác nhưng vẫn thấp hơn hơn so với dầu diesel.
Ngoài việc giảm độ nhớt của dầu nguyên liệu, phương pháp nhiệt phân có thể thực hiện
trong điều kiện thiết bị tách rời khâu trong thời gian ngắn, dễ dàng về vị trí và quy mô,
tạo ra sản phẩm sạch mà không cần các quá trình làm sạch, sấy khô hoặc lọc. Sản phẩm
nhiệt phân bao gồm các thành phần không đồng nhất như nước, tạp chất cơ học, lưu
huỳnh, ankan, anken và axit cacboxylic. Do đó, rất khó để mô tả nhiên liệu thu được.
Quá trình này thu nhiệt và chưng cất tốn kém. Hơn nữa các thành phần lưu huỳnh và tro
có trong sản phẩm làm cho nó ít thân thiện với môi trường.
18

1.5.2. Este hóa
Este hóa là quá trình được sử dụng rộng rãi nhất trong sản xuất biodiesel thương
mại. Dầu nguyên liệu được đun nóng đến nhiệt độ xác định cùng với ancol và chất xúc
tác, từ đó sắp xếp lại cấu trúc hóa học của nó. Quá trình này còn làm giảm độ nhớt của
dầu và chất béo. Để este hóa phân tử triglyceride (TG), cần có 3 phản ứng liên tục. Trong
các phản ứng này, các axit béo tự do được trung hoà bởi các TG từ ancol. 1 mol glycerol
và 3 mol alkyl este được tạo ra (đối với mỗi mol của TG chuyển đổi) khi hoàn thành các
giai đoạn phản ứng. Sản phẩm phân thành ba lớp: glycerol ở dưới cùng, hỗn hợp xà
phòng ở giữa, biodiesel ở lớp trên cùng. Este hóa là một phản ứng thuận nghịch. Để có
được tỷ lệ chuyển đổi hợp lý đòi hỏi sự có mặt của chất xúc tác. Các điều kiện phản ứng,
nguyên liệu, giới hạn thành phần và các yêu cầu sau tách được xác định trước bởi bản

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

Hình 2-1: Cây và quả Jatropha [13]
Vấn đề sử dụng trực tiếp dầu Jatropha không qua quá trình este hóa mang lại
nhiều lợi ích như: không phải đầu tư trang thiết bị và công nghệ lớn, thúc đẩy phát triển
sản xuất nông nghiệp, phù hợp với mô hình phát triển kinh tế vừa và nhỏ. Vì vậy, nghiên
cứu sử dụng trực tiếp dầu Jatropha cho động cơ đốt trong là vấn đề cần thiết và có ý
nghĩa lớn góp phần tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch, giảm thiểu hiệu ứng nhà kính, thân
thiện với môi trường, tăng tính cạnh tranh trong nông nghiệp.
Quả jatropha dạng hình trứng, lúc non có màu xanh, khi chín vỏ ngả màu vàng và
có các đường nứt chia quả thành 3 phần, bên trong quả có từ 3 - 4 hạt. Hạt nhẵn, độ dài
hạt khoảng 18 mm, chiều rộng khoảng 10 mm, trọng lượng 0,5 - 0,7 g/hạt. Hạt Jatropha
gồm 3 phần chính là vỏ, phôi và nội nhũ. Vỏ hạt có màu đen, xám và rất giòn, cứng, cấu
tạo chủ yếu từ xenluloza và hemixenluloza bám rất chắc với nhân có tác dụng bảo vệ
phôi và nội nhũ tránh các tác động cơ học, hóa học, vi sinh vật, hoặc sâu bọ xâm nhập
21

làm hư hại hạt. Khi ép hạt jatropha thì cần phải loại bỏ vỏ cứng, tuy nhiên điều đó mất
rất nhiều thời gian, hơn nữa hiệu quả chưa chắc đã hơn khi để cả vỏ cứng. Nghiên cứu
đã tiến hành thử nghiệm so sánh cho cả hai trường hợp ép hạt khi bóc vỏ cứng và khi
không bóc vỏ cứng. Nội nhũ còn gọi là nhân hạt, là phần có các mô chứa các chất dinh
dưổng dự trữ cho phát triển của hạt khi nảy mầm và phát triển thành cây non. So với các
hạt có dầu khác thì hạt Jatropha có kích thước khá lớn, vì vậy khi sử dụng lực cơ học để
ép lấy dầu các tế bào chứa dầu trong mô rất dễ bị phá vỡ.

Hình 2-2: Quả và hạt Jatropha [11]
Quá trình tạo thành dầu xảy ra khi hạt chín, các hợp chất vô cơ và hữu cơ trong
thiên nhiên được chuyển vào hạt qua hiện tượng quang hợp của lá, chất dinh dưỡng trong
đất chuyển qua rễ biến thành các chất dự trữ của hạt chủ yếu là tinh bột. Khi hạt chín
hàm lượng tinh bột giảm dần và hàm lượng dầu tăng. Tách dầu từ hạt đạt hiệu quả cao

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

101.7
Độ nhớt (31
o
C), cP
40.4
Tỷ khối (15
o
C)
0.918 – 0.923
Hàm lượng S, %
0.014
Hàm lượng axit béo tự do (FFA), %
5,8 – 7,5
Điểm chớp cháy,
o
C
191
Trị số cetan
57 – 62