Nghiên cứu chế tạo nhiên liệu phản lực sinh học từ sản phẩm của quá trình decacboxyl hóa dầu thực vật.

- Võ Hồ Vy Linh NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NHIÊN LIỆU PHẢN LỰC SINH HỌC TỪ SẢN PHẨM CỦA QUÁ TRÌNH DECACBOXYL HÓA DẦU THỰC VẬT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT HÓA HỌC Hà Nội – Năm 2015 VÕ HỒ VY LINH KỸ THUẬT HÓA HỌC 2014B Luận văn cao học Học viên: Võ Hồ Vy Linh Trang b BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI.
- Võ Hồ Vy Linh NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NHIÊN LIỆU PHẢN LỰC SINH HỌC TỪ SẢN PHẨM CỦA QUÁ TRÌNH DECACBOXYL HÓA DẦU THỰC VẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT HÓA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Hoàng Xuân Tiến Hà Nội – Năm 2015 Luận văn cao học Học viên: Võ Hồ Vy Linh Trang c LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu luận văn khoa học của tôi.
- Học viên Võ Hồ Vy Linh Luận văn cao học Học viên: Võ Hồ Vy Linh Trang d LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô đã tận tình giảng dạy, hƣớng dẫn trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu, rèn luyện.
- Học viên Võ Hồ Vy Linh Luận văn cao học Học viên: Võ Hồ Vy Linh Trang e MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.
- Khái quát chung về phân đoạn nhiên liệu kerosen.
- Tính chất và các chỉ tiêu kỹ thuật của kerosen khoáng.
- Các chỉ tiêu về chất lƣợng của nhiên liệu cho động cơ phản lực.
- Những chỉ tiêu liên quan đến quá trình cháy.
- Các tính chất liên quan đến điều kiện làm việc ở độ cao lớn.
- Nhiên liệu kerosen xanh.
- Ƣu, nhƣợc điểm của nhiên liệu kerosen xanh.
- Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu kerosen xanh trên thế giới và Việt Nam.
- Nguyên liệu cho quá trình decacboxyl hóa thu kerosen xanh.
- Xúc tác cho quá trình decacboxyl hóa thu kerosen xanh.
- Một số nghiên cứu và xúc tác sử dụng trong quá trình decacboxyl hóa.
- Giới thiệu về xúc tác trên cơ sở hydrotalcite, ứng dụng cho quá trình decacboxyl hóa dầu thực vật thu kerosen xanh.
- 20 Luận văn cao học Học viên: Võ Hồ Vy Linh Trang f CHƢƠNG II.
- Chuyển hóa dầu dừa thành nhiên liệu theo phƣơng pháp decacboxyl hóa.
- Kết quả khảo sát các điều kiện phản ứng của quá trình decacboxyl hóa nguyên liệu dầu dừa trên xúc tác dạng hydrotalcite 3 kim loại Mg-Al-Co.
- Đánh giá các tính chất của sản phẩm thuộc phân đoạn có nhiệt độ sôi 160-300oC.
- Nghiên cứu chế tạo nhiên liệu phản lực sinh học từ sản phẩm kerosen xanh thu đƣợc từ quá trình decacboxyl hóa dầu dừa.
- 58 Luận văn cao học Học viên: Võ Hồ Vy Linh Trang g DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1.
- Tính chất hóa lý của kerosen.
- Một số tính chất hóa lý của dầu dừa.
- Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến quá trình decacboxyl hóa.
- Ảnh hƣởng của thời gian đến quá trình decacboxyl hóa.
- Ảnh hƣởng của hàm lƣợng xúc tác đến quá trình decacboxyl hóa.
- Ảnh hƣởng của tốc độ khuấy trộn đến quá trình decacboxyl hóa.
- Các điều kiện công nghệ thích hợp cho quá trình decacboxyl hóa dầu dừa trên hệ xúc tác dạng hydrotalcite 3 kim loại Mg-Co-Al.
- Thành phần hóa học của sản phẩm thuộc phân đoạn 160-300oC thu đƣợc từ quá trình decacboxyl hóa dầu dừa.
- Các chỉ tiêu của nhiên liệu kerosen xanh, so sánh với các chỉ tiêu của nhiên liệu Jet A1 theo TCVN 6426:2009 với cùng phƣơng pháp xác định.
- Khảo sát điểm băng và độ nhớt động học của các nhiên liệu thu đƣợc với các tỷ lệ pha trộn khác nhau.
- Các chỉ tiêu của nhiên liệu phản lực sinh học với thành phần GK20 + J80, so sánh với các chỉ tiêu của nhiên liệu Jet A1 theo TCVN 6426:2009 với cùng phƣơng pháp xác định.
- 52 Luận văn cao học Học viên: Võ Hồ Vy Linh Trang h DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1.
- Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hiệu suất tạo phân đoạn 160-300oC.
- Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất tạo phân đoạn 160-300oC.
- Ảnh hƣởng của hàm lƣợng xúc tác đến hiệu suất tạo phân đoạn 160-300oC.
- Ảnh hƣởng của tốc độ khuấy trộn đến hiệu suất tạo phân đoạn 160-300oC.
- Sắc ký đồ của sản phẩm thuộc phân đoạn 160-300oC thu đƣợc từ quá trình decacboxyl hóa dầu dừa.
- 43 Luận văn cao học Học viên: Võ Hồ Vy Linh Trang i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ASTM: Tiêu chuẩn theo Mỹ TCVN: Tiêu chuẩn theo Việt Nam K 100: Kerosen 100% KLM: Hãng hàng không Hà Lan XRD: Phổ nhiễu xạ tia X SEM: Ảnh kính hiển vi điện tử quét TEM: Ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua GC-MS: Phƣơng pháp sắc ký kết nối khối phổ Jet A1: Nhiên liệu phản lực PJF: Công ty Nhiên liệu bay Petrolimex Luận văn cao học Học viên: Võ Hồ Vy Linh Trang 1 LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, nhiên liệu phản lực sinh học cho máy bay trở thành vấn đề thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học và các nƣớc trên thế giới bởi máy bay không thải khí thải trên mặt đất nhƣng lại thải trực tiếp khí thải vào khí quyển ở độ cao khoảng 10 km, gây ô nhiễm bầu không khí.
- Các hãng hàng không trên thế giới cũng đã tiến hành bay thử nghiệm trên nhiên liệu phản lực sinh học và thu đƣợc những kết quả rất khả quan.
- Trong những năm tới, các nƣớc trong Liên minh châu Âu EU quy định máy bay bay trong không phận của các quốc gia này phải là nhiên liệu sạch.
- Việc sản xuất nhiên liệu phản lực sinh học không chỉ góp phần giải quyết vấn đề tận dụng chất thải trong các quá trình chế biến nông lâm nghiệp mà còn giúp con ngƣời có thể chủ động trong việc tạo ra các nguồn nguyên liệu này, từ đó không bị phụ thuộc quá nhiều vào nguyên liệu hóa thạch.
- Một số loại dầu thực vật có thể chuyển hóa thành các hydrocabon có khoảng sôi nằm trong phân đoạn nhiên liệu phản lực – còn gọi là kerosen xanh bằng phƣơng pháp decacboxyl hóa.
- Quá trình này có mục đích tách các nhóm este, cacboxyl khỏi các gốc hydrocacbon để tạo ra các hydrocacbon mới nhƣng vẫn bảo toàn số nguyên tử cacbon của gốc hydrocacbon ban đầu.
- Sản phẩm kerosen xanh có nhiệt trị cao, hầu nhƣ không chứa lƣu huỳnh và aromatic, có thể pha chế vào nhiên liệu phản lực để trở thành nhiên liệu phản lực sinh học.
- Xúc tác cho quá trình decacboxyl hóa yêu cầu tính bazơ mạnh, dị thể, từ đó có khả năng thúc đẩy quá trình cắt đứt chọn lọc các nhóm este và cacboxyl trong nguyên liệu.
- Trong số nhiều loại xúc tác dị thể bazơ rắn hiện nay, xúc tác trên cơ sở hydrotalcite có tiềm năng lớn để ứng dụng cho quá trình này nhờ nhiều ƣu điểm: độ axit và bazơ dễ dàng biến tính bằng cách bổ sung kim loại chuyển tiếp vào cấu trúc, bền nhiệt, bề mặt riêng cao.
- Từ đó, ý tƣởng đặt ra cho đề tài là sử dụng xúc tác dạng hydrotalcite biến tính nhằm ứng dụng cho quá trình decacboxyl hóa dầu dừa thu phân đoạn nhiên liệu, sử dụng làm phân đoạn cơ sở chế tạo nhiên liệu phản lực.
- Luận văn cao học Học viên: Võ Hồ Vy Linh Trang 2 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1.
- Khái quát chung về phân đoạn nhiên liệu kerosen Phân đoạn kerosen có khoảng nhiệt độ sôi từ 180-250oC bao gồm những hydrocacbon có số nguyên tử cacbon trong phân tử từ C11-C15.
- Phân đoạn kerosen có dạng chất lỏng không màu, hoặc màu vàng nhạt, dễ cháy, có mùi đặc trƣng, độ bay hơi tƣơng đối nằm ở khoảng trung gian giữa xăng và dầu diesel.
- Trong phân đoạn này, các parafin hầu hết tồn tại ở dạng cấu trúc mạch thẳng (n-parafin), dạng cấu trúc nhánh rất ít, trong đó hàm lƣợng các iso-parafin có cấu trúc isoprenoid có thể chiếm đến 20-40% trong tổng số các dạng đồng phân.
- Những hydrocacbon loại naphten và thơm trong phân đoạn này bên cạnh những loại có cấu trúc một vòng và có nhiều nhánh phụ đính xung quanh còn có mặt các hợp chất 2 hoặc 3 vòng.
- Nếu nhƣ trong phân đoạn xăng, lƣu huỳnh dạng mercaptan chiếm phần chủ yếu trong số các hợp chất chứa lƣu huỳnh, thì trong phân đoạn kerosen lƣu huỳnh dạng mercapten đã giảm đi một cách rõ rệt, về cuối phân đoạn này hầu nhƣ không còn mercaptan nữa.
- Các hợp chất chứa oxy trong phân đoạn kerosen cũng cao hơn so với phân đoạn xăng.
- Đặc biệt ở phân đoạn này chứa nhiều các hợp chất chứa oxy dƣới dạng axit, chủ yếu là axit naphtenic.
- Các hợp chất của nitơ trong phân đoạn này có ít, chúng có thể nằm dƣới dạng các quinolin và đồng đẳng, hoặc các hợp chất chứa nitơ không mang tính bazơ nhƣ pyrol, indol và các đồng đẳng của nó.
- Trong phân đoạn kerosen, số lƣợng các chất nhựa rất ít, trọng lƣợng phân tử của Luận văn cao học Học viên: Võ Hồ Vy Linh Trang 3 nhựa còn thấp .
- Tính chất và các chỉ tiêu kỹ thuật của kerosen khoáng Phân đoạn kerosen khoáng có một số tính chất hóa lý nhƣ sau [17].
- thể tích (max) 22.0 11 Độ nhớt ở -200C, mm2/s (max) 8.0 Thành phần hóa học của phân đoạn kerosen khoáng bao gồm các hydrocacbon có số cacbon từ C11 - C15, C16.
- Trong phân đoạn này, chiếm hầu hết là các n-parafin, rất ít izo-parafin.
- Các chất nitơ Luận văn cao học Học viên: Võ Hồ Vy Linh Trang 4 với hàm lƣợng nhỏ, dạng quinolin, pyron, indol [12-19].
- Kerosen là một sản phẩm có độ ổn định cao, ngoài việc loại bỏ lƣợng aromatic nếu nó vƣợt quá ngƣỡng cho phép thì phân đoạn kerosen có thể chỉ cần rửa bằng kiềm hoặc trải qua một quá trình xử lý nếu có sự xuất hiện của lƣu huỳnh [12, 13].
- Ứng dụng lớn nhất của kerosen khoáng là làm nhiên liệu phản lực, do đó các tính chất lý, hóa học của loại nhiên liệu này ảnh hƣởng rất lớn đến các tính chất lý, hóa của nhiên liệu phản lực.
- Phần sau đây, tác giả sẽ phân tích các chỉ tiêu chất lƣợng của nhiên liệu phản lực.
- Các chỉ tiêu về chất lƣợng của nhiên liệu cho động cơ phản lực Trƣớc khi nêu và phân tích các chỉ tiêu của nhiên liệu ảnh hƣởng đến hoạt động của động cơ phản lực ta có những nhận xét ban đầu về đặc điểm hoạt động của động cơ phản lực nhƣ sau: Quá trình cháy trong động cơ phản lực là một quá trình cháy đặc biệt trong dòng khí xoáy có tốc độ lớn và động cơ làm việc trong điều kiện nhiệt độ và áp suất môi trƣờng thấp.
- Vì vậy để đảm bảo cho hoạt động của động cơ đƣợc ổn định thì nhiên liệu phải đạt đƣợc những tính chất sau.
- Những tính chất liên quan đến quá trình cháy.
- Những tính chất liên quan đến quá trình bao quản và phân phối cho động cơ.
- Cụ thể nhiên liệu phải đảm bảo các yêu cầu chính sau đây.
- Luận văn cao học Học viên: Võ Hồ Vy Linh Trang 5 1.3.1.
- Những chỉ tiêu liên quan đến quá trình cháy Trong động cơ phản lực thì quá trình cháy diễn ra trong một hệ mở nên tránh đƣợc những hiện tƣợng kích nổ.
- Vì vậy, ở gốc độ này thì những tính chất liên quan đến sự bắt cháy của nhiên liệu sẽ không ảnh hƣởng lớn nhƣ trong nhiên liệu xăng và diesel.
- Tuy nhiên thành phần hoá học của nhiên liệu củng có những ảnh hƣởng nhất định đến tốc độ cháy của nhiên liệu do đó sẽ ảnh hƣởng đến chất lƣợng của quá trình cháy.
- Các tính chất liên quan đến quá trình cháy này có thể phân thành hai nhóm.
- Các tính chất vật lý của nhiên liệu - Các tính chất về nhiệt hoá học a.
- Các tính chất vật lý của nhiên liệu Nhƣ đã nói trong phần trƣớc, trong động cơ phản lực thì nhiên liệu đƣợc phun vào trong một dòng khí có tốc độ lớn sau một khoảng thời gian nhất định mới bị đốt cháy, thời gian này cần thiết cho nhiên liệu bay hơi và tạo hỗn hợp với không khí.
- Chất lƣợng của quá trình cháy phụ thuộc nhiều vào cấu trúc hình học của buồng cháy và thiết bị phun nhiên liệu.
- Tuy nhiên, các tính chất nhƣ độ bay hơi, sức căng bề mặt độ nhớt của nhiên liệu sẽ có những ảnh hƣởng lớn đến sự phun nhiên liệu và sự khuất tán của nó vào trong không khí.
- Nếu nhƣ độ bay hơi lớn thì khả năng bay hơi tạo hỗn hợp với không khí dễ dàng cho quá trình cháy đƣợc tốt.
- Nhƣng khi quá trình bay hơi quá lớn thì dễ tạo ra hiện tƣợng nút hơi ảnh hƣởng xấu đến quá trình nạp liệu cũng nhƣ các tính chất về an toàn, mất mát vật chất.
- Nhiên liệu đƣợc phun vào buồng cháy dƣới dạng các hạt sƣơng, ở đây nó sẽ tiếp xúc với dòng không khí đã đƣợc nén đến nhiệt độ và áp suất nhất định, khi đó nhiên liệu sẽ nhận nhiệt từ không khí để bay hơi.
- Nếu nhƣ sức căng bề mặt nhỏ thì khả năng hoá hơi của các hạt sƣơng này tốt do đó nhiên liệu càng dễ hoà trộn với không khí để tạo hỗn hợp cháy tốt.
- Ngƣợc lại, khi sức căng bề mặt lớn thì khả năng bay hơi tạo hỗn hợp cháy sẽ kém nên quá trình cháy sẽ kém [20-24].
- Luận văn cao học Học viên: Võ Hồ Vy Linh Trang 6 Nhiên liệu đƣợc phun vào buồng cháy dƣới dạng các hạt sƣơng, kích thƣớc của các hạt sƣơng này cùng với không gian trong buồng cháy do các hạt sƣơng này chiếm chổ ngoài việc phụ thuộc vào cấu tạo và áp lực của kim phun thì độ nhớt của nhiên liệu cũng có những ảnh hƣởng đến quá trình này.
- Khi độ nhớt lớn thì các tia nhiên liệu phun ra càng dài, nghĩa là không gian chiếm chổ của nhiên liệu càng lớn, đây là điều có lợi cho quá trình bay hơi, nhƣng ngƣợc lại khi độ nhớt lớn thì kích thƣớc của các hạt sƣơng lớn làm cho quá trình bay hơi sẽ kém.
- Các tính chất về nhiệt hoá học Để bảo đảm cho hiệu suất sử dụng nhiệt cao và kéo dài tuổi thọ của các vật liệu trong buồng cháy, turbine và tuye thì yêu cầu đặt ra là nhiên liệu khi cháy phải có ngọn lửa sáng màu, hạn chế thấp nhất sự bức xạ nhiệt và sự tạo thành cặn cacbon.
- Điểm khói hay còn đƣợc gọi là chiều cao ngọn lửa không khói là chiều cao tính bằng mm của một ngọn lửa thu đƣợc khí đốt cháy nhiên liệu trong một ngọn đèn tiêu chuẩn không tạo ra khói.
- Chiều cao ngọn lửa không khói là một đại lƣợng đặc trƣng cho khả năng chống tạo cặn của nhiên liệu khi bị đốt cháy hay khả năng cháy hoàn toàn của nhiên liệu.
- Chiều cao ngọn lửa không khói càng lớn thì càng tốt, giá trị của nó liên quan trực tiếp đến thành phần hóa học của nhiên liệu.
- Ở đây ta cần phân biệt điểm khói và chỉ số khói, chí số khói thƣờng đƣợc dùng cho loại nhiên liệu động cơ phản lực loại phân đoạn rộng và nó liên hệ với điểm khói qua công thức sau: Chỉ số khói = Điểm khói + 0.42Z Trong đó Z là phần trăm chƣng cất của nhiên liệu ở 400F.
- Cƣờng độ sáng của nhiên liệu đƣợc so sánh với hỗn hợp hai hydrocacbon là tetraline và isooctan, trong đó ngƣời ta quy định độ sáng của isooctan là 100 còn tetraline bằng 0.
- Đây chính là ly do ngƣời ta khống chế hàm lƣợng của aromatic trong nhiên liệu cho động cơ phản lực dƣới .
- Các tính chất liên quan đến điều kiện làm việc ở độ cao lớn Các thế hệ máy bay dân dụng ngày nay thƣờng bay ở độ cao khoảng m trong nhiều giờ liền không tiếp nhiên liệu.
- Vì vậy, để đảm bảo cho chuyến bay thì nhiên liệu phải thoả mãn các chỉ tiêu về nhiệt trị, khả năng linh dộng ở nhiệt độ thấp.
- Khối lượng riêng và nhiệt cháy Đối với nhiên liệu cho động cơ phản lực thì ngƣời ta nghiên cứu đồng thời khối lƣợng riêng và nhiệt cháy bởi vì hai đại lƣợng này có những ảnh hƣởng ngƣợc nhau lên hiệu suất sử dụng của nhiên liệu, do đó nó ảnh hƣởng lên chiều dài chuyến bay.
- Khi khối lƣợng riêng nhỏ sẽ giảm đƣợc tổng khối lƣợng của nhiên liệu mà máy bay phải mang theo trong hành trình của nó.
- Tuy nhiên, khi khối lƣợng riêng nhỏ thì nhiệt cháy tổng thể tích hay khối lƣợng của toàn bộ nhiên liệu chứa trong thùng với cùng một kích thƣớc nhƣ trên sẽ nhỏ hơn do đó chiều dài của đƣờng bay sẽ ngắn lại.
- Ví dụ: Xét hai loại nhiên liệu có khối lƣợng riêng và nhiệt cháy nhƣ sau: Loại I có ρ = 0.790 kg/dm3 với PCIv = 34356 kJ/ dm3, PCIm = 43500 kJ/kg Loại II có ρ = 0.880 kg/dm3 với PCIv = 37180 kJ/ dm3, PCIm = 42250 kJ/kg Giả sử thùng chứa của của máy bay có thể tích 10 000 dm3 khi đó lƣợng nhiệt của hai nhiên liệu tảo ra khi đốt cháy nhƣ sau: Loại I: PCIm kJ Loại II: PCIm kJ

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt