Luận Văn Tổng hợp Diesel sinh học từ dầu Jatropha và Metanol bằng phương pháp truyền thống

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC
Vũng Tàu, 8-2012

MỤC LỤC iv
DANH MỤC BẢNG vii
DANH MỤC SƠ ĐỒ ix
DANH MỤC HÌNH x
TỪ VIẾT TẮT . xi

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT . 1

I.1 NHIÊN LIỆU KHOÁNG VÀ NHIÊN LIỆU DIESEL . 1
I.1.1 Động cơ diesel và nhiên liệu diesel 2
I.1.1.1 Động cơ diesel . 2
I.1.1.2 Nhiên liệu diesel truyền thống 2
I.1.2 Vấn đề ô nhiễm môi trường do diesel khoáng tạo ra 4
I.2 TỔNG QUAN VỀ DIESEL SINH HỌC . 5
I.2.1 Nhiên liệu sinh học 5
I.2.2 Giới thiệu về diesel sinh học 6
I.2.2.1 Định nghĩa . 6
I.2.2.2 Lịch sử hình thành và phát triển . 7
I.2.2.3 So sánh chất lượng của diesel sinh học và diesel 7
I.2.2.4 Ưu nhược điểm của diesel sinh học so với diesel truyền thống . 9
I.2.2.5 Phân loại các phương pháp tổng hợp diesel sinh học 12
I.2.2.6 Quá trình chuyển hóa este sử dụng xúc tác bazơ . 16
I.2.2.6.1 Cơ chế của phản ứng . 18
I.2.2.6.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình este hóa . 19
I.2.3 Giới thiệu một số nguyên liệu dùng để sản xuất diesel sinh học . 20
I.2.3.1 Nguyên liệu thực vật 21
I.2.3.2 Nguyên liệu động vật . 24
I.2.3.3 Các nguồn nguyên liệu khác 24
I.3 QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP DIESEL SINH HỌC TỪ DẦU JATROPHA VÀ METANOL . 25
I.3.1 Yêu cầu về nguyên liệu 25
I.3.1.1 Metanol . 25
I.3.1.2 Dầu jatropha 26
I.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp diesel sinh học . 26

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 29

II.1 NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ 29
II.1.1 Nguyên liệu . 29
II.1.2 Hóa chất 29
II.1.3 Thiết bị và dụng cụ 29
II.2 QUY TRÌNH ĐIỀU CHẾ DIESEL SINH HỌC TỪ DẦU HẠT JATROPHA
.. . .. .. .. ... .. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. .. .. 30
II.3 CÁCH XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ AXIT . 30
II.3.1 Phản ứng este hóa dầu jatropha với xúc tác H2SO4 để hạ chỉ số axit của dầu, đồng thời tạo diesel sinh học với hiệu suất thấp 31
II.3.2 Phản ứng chuyển vị este dầu jatropha có chỉ số axit thấp với tác chất là metanol và xúc tác NaOH . 32
II.4 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM . 37

II.4.1 Độ nhớt động học theo ASTM D445 . 37
II.4.1.1 Nguyên tắc . 37
II.4.1.2 Thiết bị . 37
II.4.1.3 Cách tiến hành 37
II.4.1.4 Kết quả tính toán 37
II.4.2 Đo hàm lượng cặn cacbon theo ASTM D4530 . 38
II.4.2.1 Nguyên tắc . 38
II.4.2.2 Thiết bị 38
II.4.2.3 Tiến hành thí nghiệm 38
II.4.3 Xác định điểm chớp cháy cốc hở theo ASTM D92 39
II.4.3.1 Nguyên tắc . 39
II.4.3.2 Thiết bị . 39
II.4.3.3 Cách tiến hành 40

CHƯƠNG iii: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN . 42

III.1 TÍNH CHẤT CỦA DẦU JATROPHA . 42
III.1.1 Xác định chỉ số axit . 42
III.1.2 Thành phần axit béo 43
III.2 QUÁ TRÌNH ESTE HÓA HẠ CHỈ SỐ AXIT CỦA DẦU JATROPHA ĐỒNG THỜI TẠO DIESEL SINH HỌC VỚI HIỆU SUẤT THẤP 44
III.2.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ mol metanol/ dầu . 44
III.2.2 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng . 45
III.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng . 47
III.2.4 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác 48
III.3 QUÁ TRÌNH CHUYỂN VỊ ESTE DẦU JATROPHA TẠO DIESEL SINH HỌC VỚI HIỆU SUẤT CAO 50
III.3.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ mol metanol/dầu đến hiệu suất của phản ứng . 51
III.3.2 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất của phản ứng 52
III.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất của phản ứng . 54
III.3.4 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác đến hiệu suất của phản ứng 56
III.4 KHẢO SÁT CÁC CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG ĐỐI VỚI SẢN PHẨM
DIESEL SINH HỌC THU ĐƯỢC . 59
III.4.1 Độ nhớt động học theo ASTM D445 . 59
III.4.2 Đo hàm lượng cặn cacbon theo ASTM D4530 . 60
III.4.3 Xác định điểm chớp cháy cốc hở theo ASTM D92 61

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64



DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1. So sánh giữa nhiên liệu dầu mỏ và nhiên liệu sinh học 5
Bảng 1.2. Các chỉ tiêu chất lượng của diesel sinh học gốc (B100) . 7
Bảng 1.3. So sánh tính chất của nhiên liệu diesel khoáng và nhiên liệu sinh học . 9
Bảng 1.4. So sánh khí phát thải của diesel sinh học và diesel dầu mỏ 11
Bảng 1.5. So sánh nồng độ khí thải của diesel sinh học và DO 11
Bảng 1.6. So sánh đặc tính nhiên liệu của diesel và diesel sinh học . 12
Bảng 1.7. So sánh hiệu suất thu diesel sinh học trên các loại xúc tác khác nhau 16
Bảng 3.1. Chỉ số axit của dầu jatropha nguyên liệu sau khi loại nước . 42
Bảng 3.2. Chỉ số axit của một số dầu nguyên liệu . 42
Bảng 3.3. Kết quả phân tích thành phần axit béo trong dầu hạt jatropha 43
Bảng 3.4. Hàm lượng axit béo có trong dầu mỡ thực, động vật . 43
Bảng 3.5. Kết quả thí nghiệm thay đổi tỷ lệ mol metanol/dầu . 44
Bảng 3.7. Kết quả thí nghiệm thay đổi thời gian phản ứng 46
Bảng 3.9. Kết quả thí nghiệm thay đổi nhiệt độ phản ứng . 47
Bảng 3.11. Kết quả thí nghiệm thay đổi hàm lượng xúc tác. . 48
Bảng 3.22. Bảng đo độ nhớt của diesel sinh học . 59
Bảng 3.23. Tiêu chuẩn chất lượng cho diesel sinh học (B100) theo ASTM D6751 .60
Bảng 3.24 Chỉ tiêu chất lượng cho nhiên liệu diesel sinh học theo TCVN 7717:07 61

DANH MỤC SƠ ĐỒ


Sơ đồ 1.8. Quá trình tổng hợp metyl este có xúc tác 18
Sơ đồ 2.1. Mô tả thiết bị phản ứng 30
Sơ đồ 2.2. Quá trình thực hiện phản ứng điều chế diesel sinh học qua hai giai đoạn . 35


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.9. Hạt cây đậu nành . 22
Hình 1.10. Hạt cây cao su . 22
Hình 1.11. Cây jatropha 24
Hình 1.12. Dầu jatropha nguyên liệu sau khi đã được lọc sạch 26
Hình 2.3 Hỗn hợp dầu và metanol sau este hóa tách pha . 36
Hình 2.4. Dầu jatropha sau rửa . 36
Hình 2.5. Hỗn hợp phản ứng tách pha sau giai đoạn 2 . 36
Hình 2.6. Sản phẩm diesel sinh học 36
Hình 2.7. Thiết bị đo cặn cacbon condradson 38
Hình 2.8. Thiết bị đo điểm chớp cháy cốc hở 40
Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của chỉ số axit vào tỷ lệ mol metanol/dầu . 45
Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của chỉ số axit vào thời gian phản ứng 46
Hình 3.10. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của chỉ số axit vào nhiệt độ phản ứng . 47
Hình 3.12. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của chỉ số axit vào hàm lượng xúc tác 49
Hình 3.13. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của % metyl este trong hỗn hợp sản phẩm vào độ nhớt của hỗn hợp . 50
Hình 3.14. Đồ thị thể hiện khả năng chuyển hóa của triglyxerit phụ thuộc vào tỷ lệ mol
metanol/dầu 51
Hình 3.15. Đồ thị đánh giá hiệu suất thu diesel sinh học . 52
Hình 3.16. Đồ thị thể hiện khả năng chuyển hóa của triglyxerit phụ thuộc vào thời gian
phản ứng . 53
Hình 3.17. Đồ thị đánh giá hiệu suất thu diesel sinh học . 54
Hình 3.18. Đồ thị thể hiện khả năng chuyển hóa của triglyxerit phụ thuộc vào nhiệt độ
. 55
Hình 3.19. Đồ thị đánh giá hiệu suất thu diesel sinh học . 56
Hình 3.20. Đồ thị thể hiện khả năng chuyển hóa của triglyxerit phụ thuộc vào hàm
lượng xúc tác 57
Hình 3.21. Đồ thị đánh giá hiệu suất thu diesel sinh học . 58


MỞ ĐẦU





Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu, thế giới đang nỗ lực tìm kiếm các giải pháp thay thế các dạng năng lượng đi từ nguyên liệu hóa thạch bằng năng lượng sạch, năng lượng tái tạo và nhiên liệu sinh học. Trong đó nhiên liệu sinh học được biết đến như là một dạng năng lượng mới, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường.
Việt Nam đã quan tâm đến diesel sinh học cách đây 20 năm. Đề án phát triển ngành nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 đã được thủ tướng chính phủ phê duyệt ngày 20/11/2007.
Diesel sinh học được biết đến như là một nhiên liệu thay thế đầy tiềm năng cho dầu diesel nhờ chúng mang những tính chất tương tự diesel, chứa đựng những ưu điểm vượt trội, cho hiệu quả cao về mặt kinh tế và môi trường.
Chúng ta có thể đi từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau để có thể tổng hợp được diesel sinh học, tuy nhiên các nguyên liệu cần phải được xử lý để tính chất của nó gần giống với nguyên liệu diesel. Có nhiều phương pháp để điều chế diesel sinh học đã được đưa ra như: sấy nóng, pha loãng, bẻ gãy mạch cacbon dưới tác dụng của nhiệt độ, nhũ tương hóa, quá trình chuyển vị este có xúc tác Trong các phương pháp trên thì phản ứng chuyển vị este của dầu thực vật bằng các loại rượu được xem là sự lựa chọn tốt nhất vì sản phẩm thu được là hỗn hợp monoalkyl este, các este tạo thành có thể được đốt cháy trực tiếp trong buồng đốt của động cơ và khả năng hình thành cặn thấp, hơn nữa quá trình sản xuất tương đối đơn giản
Tuy nhiên trong điều kiện hạn hẹp của phòng thí nghiệm tôi sẽ thực hiện phản ứng tổng hợp diesel sinh học như là một quá trình sản xuất diesel sinh học truyền thống bằng phản ứng chuyển vị este giữa triglyxerit (thành phần chính trong dầu jatropha) và metanol, dưới tác dụng của xúc tác axit, bazơ. Rượu sử dụng trong phản ứng này là rượu đơn chức bậc một, trong đó metanol được sử dụng rộng rãi nhất vì giá thành rẻ, dễ phản ứng với triglyxerit và dễ hòa tan xúc tác. Quá trình được tiến hành qua hai giai đoạn: este hóa làm giảm chỉ số axit của dầu jatropha đồng thời tạo diesel sinh học với hiệu suất thấp; quá trình chuyển vị este tạo diesel sinh học với hiệu suất cao. Mục tiêu của công trình này đó là nghiên cứu toàn diện các vấn đề liên quan đến phản ứng chuyển vị este làm cơ sở khoa học để xác định một số điều kiện thích hợp cho quá trình công nghệ sản xuất diesel sinh học. Để đạt được điều này nội dung nghiên cứu bao gồm:

- Khảo sát thành phần hóa học và tính chất hóa lý cơ bản của nguyên liệu dầu jatropha ban đầu.
- Thực hiện quá trình tổng hợp diesel sinh học từ nguyên liệu đầu là metanol và dầu jatropha, qua đó đánh giá chất lượng sản phẩm như: độ nhớt, hàm lượng cặn cacbon, điểm chớp cháy cốc hở, tỷ trọng
- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chuyển vị este như độ ẩm và các axit béo tự do, tốc độ khuấy trộn, thời gian phản ứng, nhiệt độ phản ứng, tỷ lệ mol metanol/ dầu, xúc tác bazơ, axit
- Đưa ra các thông số tối ưu để có thể đưa vào sản xuất đại trà.