Ứng dụng kỹ thuật tạo bong bóng hơi trong sản xuất liên tục biodiesel, sử dụng xúc tác rắn oxit kim loại
Lam Vân
11/07/2019
KH&CN trong nước
Đề tài do tác giả Nguyễn Vĩnh Khanh và cộng sự (Đại học Bách Khoa TP.HCM) thực hiện nhằm xây dựng quy trình công nghệ và hệ thống thiết bị phản ứng sản xuất liên tục biodiesel từ mỡ cá trên cơ sở kỹ thuật tạo bong bóng hơi (cavitation), năng suất tối thiểu 20L biodiesel/h; khảo sát và đề xuất thông số công nghệ cho hệ thống thiết bị nêu trên, với hỗn hợp phản ứng dị thể: mỡ cá – methanol và xúc tác rắn trên cơ sở CaO.
Bio-diesel là một trong các dạng nhiên liệu tái tạo quan trọng. Trong thực tế ứng dụng hiện tại, trên thế giới cũng như tại Việt Nam, bio-diesel thương phẩm được sản xuất từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật, bằng quá trình chuyển ester hoá (transeterification), với methanol hoặc ethanol, sử dụng xúc tác acid hoặc base. Quá trình sản xuất này còn tồn tại những vấn đề như tốc độ phản ứng bị giới hạn bởi quá trình truyền khối giữa pha dầu và pha rượu, bởi vì chúng không hoà tan lẫn nhau; quá trình chuyển este hoá là phản ứng thuận nghịch, nếu không liên tục tách sản phẩm ra khỏi hỗn hợp phản ứng, độ chuyển hoá sẽ bị giới hạn; quá trình sản xuất được thực hiện theo chế độ mẻ, không có được những ưu điểm của quá trình sản xuất liên tục.
Sản xuất bio-diesel theo hướng bền vững đòi hỏi nâng cao hiệu quả quá trình phản ứng, quá trình tinh chế bio-diesel và quá trình thu hồi sản phẩm phụ glycerine. Quá trình sản xuất bio-diesel sử dụng xúc tác rắn bằng thiết bị tạo bong bóng hơi thỏa mãn nhu cầu này.
Trong khuôn khổ của đề tài, nhóm nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tạo bong bóng hơi (cavitation) vào tổng hợp bio-diesel nhằm giải quyết những tồn tại nêu trên bằng cách tăng khả năng hòa trộn giữa 2 nguyên liệu; sử dụng xúc tác rắn trên nền oxit kim loại để có thể dễ dàng tách loại xác tác và tinh chế sản phẩm.
Theo đó, đối với phản ứng tạo bio-diesel bằng xúc tác rắn thì xúc tác Ca(OH)2 là thích hợp nhất do tính phổ biến, giá thành thấp. Quá trình hoạt hóa đóng vài trò then chốt trong hiệu suất phản ứng và năng suất thiết bị. Xúc tác Ca(OH)2 qua hoạt hóa cho khả năng phản ứng tốt, tỷ lệ methanol/dầu giảm đáng kể so với sử dụng xúc tác CaO hoạt hóa ở nhiệt độ cao. Xúc tác Ca(OH)2 hoạt hóa có thể sử dụng ở dạng bột, phản ứng được thực hiện bằng thiết bị cavitation 2 cấp hoạt động liên tục. Trong thực tế có thể triển khai hệ thống sản xuất liên tục bio-diesel nếu dùng thiết bị lọc liên tục.
Hệ thống thiết bị phản ứng tạo bong bóng hơi được nghiên cứu ở dạng 1 cấp và 2 cấp. Kết quả, hệ thống phản ứng cavitation 2 cấp có khả năng thực hiện phản ứng tạo bio-diesel hiệu quả trong cả xúc tác dị thể lẫn xúc tác đồng thể và đáp ứng được yêu cầu thực hiện phản ứng sản xuất bio-diesel liên tục. Phản ứng xảy ra ngay trong thiết bị tại cavitation nên sử dụng được toàn bộ các đặc tính ưu việt của hiện tượng cavitation. Tuy nhiên hệ thống tạo cavitation 2 cấp làm tăng tính phức tạp của quy trình sản xuất, đòi hỏi phải có thêm thiết bị lọc tách xúc tác liên tục, quy trình vận hành phức tạp hơn hệ thống tạo cavitation 1 cấp.
Các thiết bị quan trọng khác như tách glycerine, thu hồi methanol đã được thiết kế và chế tạo với năng suất 30 lít/giờ. Dựa trên kết quả nghiên cứu, quy trình sản xuất bio-diesel sử dụng xúc tác rắn đã được đề xuất. Sản phẩm phụ glycerine sau khi được sơ chế có thể đáp ứng được yêu cầu chất lượng sản phẩm thương mại. Quá trình sơ chế glycerine làm tăng tính hiệu quả kinh tế của tổng thể quy trình sản xuất bio-diesel giúp tăng khả năng phổ biến loại nhiên liệu tái tạo này một cách thành công.