Đang tải... (xem toàn văn)
báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - phòng thí nghiệm năng lượng sinh học
Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học LỜI CẢM ƠN Thực tập quá trình & thiết bị là cơ hội để nhóm sinh viên thực tập chúng em tiếp cận và tìm hiểu thực tế thông qua những kiến thức lí thuyết đã học tại trường trong suốt những năm qua. Trải qua thời gian thực tập tại phòng thí nghiệm năng lượng sinh học – ĐH Bách Khoa TP HCM, được tham gia vận hành một số thiết bị, chúng em đã học hỏi nhiều kiến thức thực tế, những kinh nghiệm quý báu, được tiếp xúc môi trường và điều kiện làm việc nơi đây. Có được những kiến thức đó, chúng em xin chân thành cảm ơn sự tận tình giúp đỡ từ thầy cô và các anh chị tại đây. Chúng em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Đình Quân. Cảm ơn Thầy đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em được thực tập tại Xưởng, đã truyền đạt cho chúng em những kinh nghiệm quý báu, đã giúp đỡ và hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình thực tập. Xin chân thành cảm ơn chú Nguyễn Văn Khanh, Chị Trần Phước Nhật Uyên, Chị Vũ Lê Vân Khánh, anh Lê Nguyễn Phúc Thiên, và anh Phan Đình Đông đã tận tình hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình thực tập, sẵn sàng giúp đỡ chúng em giải đáp những vướng mắc, trao đổi với chúng em những kinh nghiệm quý báu trong quá trình làm việc và trong cuộc sống. Chúng em xin cảm ơn khoa Kỹ thuật hóa học nói chung và bộ môn Quá trình &Thiết bị nói riêng đã tạo điều kiện để chúng em có cơ hội được thực tập tại đây, xin cảm ơn thầy Nguyễn Sĩ Xuân Ân đã tạo điều kiện và hướng dẫn tận tình để chúng em hoàn thành đợt thực tập này. 1 Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Nhận xét của Cán bộ hướng dẫn: ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………… Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng…… năm 2012. Cán bộ hướng dẫn: Xác nhận của phòng Thí nghiệm. 2 Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Nhận xét của giáo viên hướng dẫn: Tp. Hồ Chí Minh, ngày……tháng…… năm 2012. Xác nhận của bộ môn. 3 Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học MỤC LỤC I. Nghiên cứu ethanol từ rơm rạ: 1.Tình hình nước ta hiện nay Theo thống kê của các cơ quan chức năng, hàng năm, nước ta có sản lượng thóc khoảng 40 triệu tấn. Cứ 1 tấn thóc thu hoạch thì có 2 tấn rơm rạ, trấu. Đối với số phụ phẩm này, nông dân thường có tập quán đốt bỏ, hoặc xả thẳng ra kênh rạch, phơi bừa bãi ven đường lộ gây khói bụi, ô nhiễm môi trường, Khói rơm rạ là nguồn tạo ra các khí CO, CO 2 , NO 2 , SO 2 , H 2 O, các chất nhựa bay hơi và hàng trăm hợp chất khác có hại cho sức khỏe con người. Rơm rạ thối mục là nguồn sinh khí metan, làm tăng lượng khí thải vào bầu khí quyển, là 1 nguồn ô nhiễm đáng kể gây nên hiệu ứng nhà kính, làm tăng nhiệt độ của trái đất, biến đổi khí hậu toàn cầu. Khi đốt các chất hữu cơ có trong rơm rạ và trong đất, do nhiệt độ cao sẽ biến thành chất vô cơ làm cho đồng ruộng bị khô, chai cứng. Phần tro còn sót lại không giúp ích mấy cho cây trồng. Cách xử lý rơm rạ như hiện nay là một sự lãng phí nguồn nhiên liệu vô cùng lớn, gây ô nhiêm môi trường. Do vậy việc tận dụng nguồn năng lượng này một cách hiệu quả rất được quan tâm bởi các nhà quản lý, nhà khoa học trong và ngoài nước. Và phương pháp đang được quan tâm đặc biệt là sản xuất ethanol từ các phế phẩm nông nghiệp trên. Ethanol được đánh giá là nguồn cung cấp nhiên liệu tốt cho tương lai vì con người có khả năng sản xuất với sản lượng lớn, không gây ô nhiễm môi trường và có thể thay thế được cho xăng nhiên liệu. Ethanol làm nhiên liệu này hoàn toàn có thể sản suất được từ nguồn cellulose như rơm rạ, trấu, bã mía,…. Theo đánh giá sơ bộ, lượng rơm rạ hằng năm, nếu được chuyển thành ethanol, hoàn toàn có khả năng thay thế toàn bộ nhu cầu xăng dầu cả nước hiện nay. 2.Tình hình sản xuất ethanol từ biomass: Cho đến nay, trên thế giới việc sản xuất ethanol từ biomass nói chung và từ rơm rạ nói riêng vẫn chưa được thực hiện với quy mô công nghiệp. Lý do lớn nhất của vấn đề này là hiệu quả kinh tế mang lại của việc sản suất nhiên liệu ethanol so với nhiên liệu truyền thống như xăng dầu không cao. Ở các nước có nguồn biomass phụ phẩm nông nghiệp dồi dào như Canada và Mỹ, Nhật những dự án sản xuất ethanol từ rơm rạ với quy mô bán công nghiệp (vài chục tấn một ngày) đang dần được nghiên cứu và triển khai. Các nước bắc Âu như Hà Lan, Thụy Điển cũng đang có các dự án xây dựng nhà máy sản suất và tinh chế ethanol dùng cho động cơ. Trong khi đó đối với những nước đang trên đà phát triển và có nguồn rơm rạ dồi dào như Việt Nam thì việc sản xuất này cũng đang dần được quan tâm. Ở Việt Nam, ethanol cũng được sản suất với sản lượng khoảng 25 triệu lít mỗi năm. Trong đó chủ yếu là làm từ mật rỉ, ngô, gạo và khoai mì, chủ yếu phục vụ cho các ngành công nghiệp thực phẩm và hóa chất. Tuy nhiên, tình hình lương thực đang ngày càng khan hiếm. Với dân số tăng cao và quỹ đất dành cho sản xuất nông nghiệp ngày 4 Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học càng bị thu hẹp thì việc sản xuất cồn từ các nguyên liệu truyền thống trên rất khó được mở rộng để đáp ứng cho nhu cầu nhiên liệu ngày một tăng cao như hiện nay. Ngày nay sự lệ thuộc vào dầu mỏ của con người ngày càng cao dẫn đến tình trạng suy thoái kinh tế khi xảy ra khủng hoảng dầu mỏ. Chính vì thế nên ngày càng nhiều những dự án nghiên cứu và triển khai sử dụng năng lượng địa phương để thay thế dần dầu mỏ. Trong tình hình đó ethanol là một giải pháp được đánh giá cao cho khả năng thay thế nhiên liệu hóa thạch trong tương lai. Tiềm năng lớn và thân thiện với môi trường là 2 ưu điểm lớn của loại nhiên liệu này. II. Tổng quan về phòng thí nghiệm. 1. Lịch sử hình thành và phát triển. Hiện nay, công nghệ sản xuất xăng sinh học từ ethanol với nguyên liệu sắn, ngô, khoai… rất phổ biến, nhưng nhiều quốc gia cảnh báo rằng, điều này sẽ ảnh hưởng đến an ninh lương thực thế giới. Để tìm nguồn thay thế, nhiều nghiên cứu đang hướng đến việc tận dụng phụ phẩm trong nông nghiệp như rơm, rạ, vỏ trấu, bã mía… để sản xuất ethanol. Ở nước ta, dự án “Kết hợp bền vững nền nông nghiệp địa phương với công nghiệp chế biến biomass” do JICA (Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản) tài trợ, có nhiệm vụ xây dựng và phát triển công nghệ sản xuất bioethanol từ các nguồn biomass là phế thải nông nghiệp như: rơm, rạ, vỏ trấu, bã mía… bước đầu đã thành công ở quy mô phòng thí nghiệm. Sản phẩm sẽ được ứng dụng vào mục đích làm nhiên liệu cho động cơ và các thiết bị đốt công nghiệp. Dự án JICA được thực hiện trong khuôn khổ hợp tác nghiên cứu giữa trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM và Viện Khoa học Công nghiệp thuộc trường Đại học Tokyo. Dự án hướng đến xây dựng phương pháp luận nhằm kết hợp bền vững nền nông nghiệp địa phương với nền công nghiệp chế biến sinh khối, thiết lập quy trình tinh chế bằng phương pháp sinh học quy mô nhỏ tại khu vực. Từ đó, xây dựng chu trình tự cung tự cấp các nhiên – vật liệu sinh học. Trong khuôn khổ dự án, hai mô hình thí điểm về “Tổ hợp thử nghiệm quá trình chế biến sinh khối” và “Mô hình xưởng thực nghiệm kết hợp bền vững nền nông nghiệp địa phương và nền công nghiệp chế biến sinh khối” được thiết lập. Mục tiêu nghiên cứu của xưởng thực nghiệm là phản hồi lại mục tiêu chung của dự án, triển khai những kết quả thí nghiệm đạt được ở quy mô phòng thí nghiệm, hiểu được toàn bộ quy trình và hệ thống, cải tiến và phát triển các trang thiết bị. 5 Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Hình 1: Phòng thí nghiệm năng lượng sinh học Dự án bắt đầu năm 2009 và kết thúc vào năm 2014. Từ năm 2009 tới cuối năm 2010 là gian đoạn lắp đặt nhà xưởng và cung cấp thiết bị, máy móc. Đầu năm 2010 phòng thí nghiệm bắt đầu đi vào hoạt động. Địa điểm xây dựng: Xưởng thực nghiệm với tên gọi là phòng thí nghiệm năng lượng sinh học, được xây dựng trong khuôn viên trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM. Xưởng nằm sau lưng tòa nhà C4 và C5, từ cổng 3 trường ĐHBK (đường Tô Hiến Thành) đi thẳng vào khoảng 100m sẽ thấy xưởng nằm bên phải. 6 Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Hình 2: Địa điểm xây dựng phòng thí nghiệm. 2. Sơ đồ tổ chức mặt bằng. Phòng thí nghiệm năng lượng sinh học gồm có 2 lầu.Lầu 1 và lầu 2 là được sử dụng làm phòng thí nghiệm và phân tích.Tầng trệt là xưởng thực nghiệm và phòng làm việc, nghỉ ngơi của nhân viên. 7 Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Hình 3: Xưởng thực nghiệm. Các cụm thiết bị chính của xưởng: 1/ Máy nổ hơi rơm (công suất 350 kg/h) 2/ Bồn lên men (thể tích 800 L) 3/ Tháp chưng cất thô (tháp mâm xuyên lỗ, công suất 100 L/mẻ) 4/ Tháp chưng cất tinh chế (tháp đệm, công suất 100 L/mẻ) 5/ Máy lọc ép 6/ Lò hơi (thu nhiệt từ quá trình than hóa trấu) 3. An toàn lao động. An toàn lao động được xem là yếu tố quan trọng hàng đầu khi làm việc trong bất kỳ môi trường sản xuất nào, nắm được các nguyên tắc về an toàn lao động sẽ tránh được những tai nạn đáng tiếc cho bản thân và hạn chế được những hư hỏng gây ra cho thiết bị. Khi làm việc trong xưởng thực nghiệm cần nắm vững các yêu cầu an toàn: - Không phận sự miễn vào. 8 Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học - Khi vận hành thiết bị phải nắm rõ các thao tác vận hành và giới hạn an toàn của thiết bị để tránh xảy ra sự cố cho thiết bị và người vận hành. Đặc biệt, với nồi hơi là thiết bị làm việc ở áp suất và nhiệt độ cao nên rất nguy hiểm, vì vậy, người vận hành nên có ít nhất 2 năm kinh nghiệm. - Sử dụng dụng cụ và thiết bị đúng chức năng để tránh hư hỏng và tăng tuổi thọ của dụng cụ và thiết bị. - Tất cả các van trong hệ thống cần được cài đặt và kiểm tra kỹ càng bởi hội đồng trước khi vận hành. - Giai đoạn cắt rơm: phải mặc áo bảo hộ, đeo mắt kính, khẩu trang chống bụi rơm, mang găng tay bảo vệ tay không bị ngứa khi bốc rơm bỏ vào máy cắt, chân mang giày không được mang dép phòng chống rủi ro có thể xảy ra như bị ngứa dị ứng với bụi rơm. Đọc bảng hướng dẫn an toàn sử dụng thiết bị cắt trước khi tiến hành làm việc. Hình 4: Một số hú ý khi sử dụng máy cắt rơm. Giai đoạn ngâm kiềm, trung hòa acid: phải đeo bao tay chống thấm, mặc áo bảo hộ, mang tạp dề bằng nhựa dẻo phía trước người, đeo khẩu trang, đi ủng cao su bảo vệ chân, đội mũ có tấm kiếng bảo vệ mặt để tránh hóa chất rơi trúng mặt, vào mắt, v.v… - Giai đoạn chưng cất: cho lượng nguyên liệu vào thiết bị chưng cất sao cho không vượt mức quy định an toàn của thiết bị. - Những thiết bị đang vận hành ở nhiệt độ cao được treo biển cảnh báo. 4. Xử lí phế thải. - Than trấu: là phế thải sinh ra trong quá trình đốt lò bằng trấu nhằm cung cấp nhiệt cho hơi nước đun nóng thiết bị chưng cất. Sau quá trình đốt lò, than trấu được đem ra sân chứa, công ty 9 Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học môi trường và một số dịch vụ khác (chăm sóc cây kiểng, v.v…) sẽ thu nhận hoặc thu mua về để làm phân bón.v.v… - Xử lý khí thải: cần nghiên cứu nồng độ CO 2 thải ra môi trường đạt tiêu chuẩn hay không. - Rơm rạ: trong quá trình lên men, lượng rơm không được lên men hoàn toàn sẽ được đem ra sân phơi nắng cùng với lượng rơm bị thừa thải trong quá trình cắt, quá trình nổ hơi nhẹ, v.v…và được công ty môi trường thu nhận dùng làm phân bón cho cây trồng. - Dung dịch kiềm dùng thủy phân rơm rạ: sau quá trình ép rơm rạ, nước thải sẽ được trung hòa bằng dung dịch acid, lượng acid được cho vào từ từ đến khi pH của nước thải đạt khoảng 6-7 sẽ thải ra đường cống. - Dung dịch trung hòa: sau khi ép đợt 1 cho ra nước thải kiềm, rơm rạ sẽ được trung hòa bằng acid. Sau một khoảng thời gian trung hòa nhất định, rơm rạ được ép đợt 2, nước thải này đã được đo pH trong quá trình trung hòa rơm bằng acid, vì vậy không cần đo lại pH, thải trực tiếp ra đường cống. - Phế phẩm sinh ra trong quá trình chưng cất: thải trực tiếp ra đường cống. III. Quy trình công nghệ. 1. Dạng năng lượng sử dụng. Điện: Được dùng để thắp sáng, chạy các động cơ máy cắt, bơm, quạt và các hệ thống điều khiển tự động. Gas: dùng để tạo hơi nước cấp nhiệt cho bình phản ứng và tháp chưng cất khi không vận hành hệ thống khí hóa trấu. Ngoài ra còn dùng để đốt mồi trong quá trình đốt cháy syngas tại buồng đốt khí syngas (burner). Syngas: là dạng năng lượng sinh học được sản xuất từ trấu, dùng trong quy trình tạo hơi nước cung cấp cho thiết bị lên men và tháp chưng cất. Nước: Lấy từ hệ thống máy bơm, cung cấp cho hầu hết quá trình tại xưởng: làm mát, cung cấp cho nồi hơi, máy nổ hơi… Khí nén: Dùng để điều khiển tự động một số chi tiết thiết bị. 2. Sơ đồ khối quy trình. Quy trình chính của phòng thí nghiệm là sản xuất ethanol từ rơm rạ. Để đáp ứng tối đa mục đích của dự án là tận dụng phế thải nông nghiệp nên hệ thống pilot có ứng dụng đồng thời quy trình khí hóa trấu tạo syngas để cung cấp năng lượng cho việc sản xuất ethanol. 10 [...].. .Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Rơm rạ Cắt rơm Nổ hơi Xử lý bằng NaOH Trung hòa Lọc ép Thủy phân và lên men đồng thời Chưng cất Ethanol Nước Nước + NaOH Lọc ép Nước thải Bã rắn Nước + HCl Bã rắn Trung hòa và thải bỏ Enz cellulase Nấm men Nhân giống Than hóa và khí hóa Trấu Syngas Oxy hóa 11 Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng. .. xác - Kết cấu máy có thể theo kiểu đứng, kiểu nằm, đông thời kết cấu gọn nhẹ hơn so với kết cấu các máy cơ khí Nhược điểm: - Dễ bị ăn mòn hóa học và do các tác động của môi trường - Dễ gây ô nhiễm môi trường - Khi đường kính lỗ lọc lớn, chất lượng sản phẩm lọc bị giảm 29 Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Hình 15: Máy ép lọc khung bản 4 Thiết bị nổ hơi Quá trình. .. của quá trình nổ hơi là tạo ra những lỗ xốp bên trong cấu trúc rơm rạ để quá trình thủy phân sau này diễn ra thuận lợi hơn Năng suất, hiệu suất phụ thuộc vào quá trình tiến hành thí nghiệm Nhập liệu: Detector of material Tháo liệu: Inclination CV 32 Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Công dụng của máy: phá vỡ cấu trúc, phân hủy một phần hemicellulose và lignin,... hấp thu vào pha rắn Nồng độ ethanol thu được sau quá trình chưng thô khoảng 50 – 65 % (v/v) 24 Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Tháp chưng cất tinh là tháp đệm Nhiệm vụ chính của tháp này là làm tăng nồng độ ethanol thu hồi Nồng độ ethanol thu được sau quá trình chưng cất tinh là 97% Nếu khối lượng rơm khô nạp liệu vào bồn lên men 100kg thì sau quá trình chưng... điều kiện thích hợp tế bào con sẽ phát triển khỏe mạnh như tế bào mẹ Quá trình này kéo dài đến khi các tế bào bị lão hóa và chất dinh dưỡng bị cạn kiệt, sau đó tế bào chết Chu trình sinh trưởng của nấm men được nghiên cứu đóng một vai trò quan trọng trong công nghiệp cũng như là đại diện cho tế bào 16 Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học eukaryote Trên thực tế... 20 Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Hình 9: Rơm sau khi qua thiết bị nổ hơi nước Ưu nhược điểm của quá trình nổ hơi nước: Tóm tắt lại, theo quá trình nổ hơi nước có mấy tác động sau lên cấu trúc nguyên liệu lignocellulose: (1) Tăng sự kết tinh của cellulose bằng cách thúc đẩy sự kết tinh của vùng vô định hình (2) Hemicellulose bị thủy phân trong quá trình. .. đến 10 000, độ trùng hợp này tương ứng với chiều dài mạch phân tử từ 5, 2- 7,7mm Sau khi thực hiện quá trình nấu gỗ với tác chất, độ trùng hợp còn khoảng 60 0-1 500 Cellulose không tan trong nước, trong kiềm hay axit loãng, 12 Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học nhưng có thể bị phân huỷ và bị oxy hoá bởi dung dịch kiềm đặc ở nhiệt độ >150o C Ở nhiệt độ thường nó... còn bố trí thêm thiết bị ngưng tụ phụ 35 Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Hình 18: Tháp chưng cất tinh và thô - Nguyên lý hoạt động: Nhập liệu gián đoạn vào nồi đun đáy tháp Được cấp nhiệt bằng hơi nước dung dịch sẽ sôi Các chất rắn và nước có nhiệt độ sôi cao sẽ thu ở đáy Ethanol có nhiệt độ sôi thấp hơn sẽ dần bay hơi lên đỉnh tháp qua thiết bị ngưng tụ Một... thành tế bào chứa những enzyme có khả năng tạo điều kiện thuận lợi cho việc 15 Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học vận chuyển các phân tử vào trong tế bào chất Khoảng không gian giữa màng trong và màng ngoài (periplasme) của thành tế bào từ 2 5-4 5A Các tế bào S cerevisiae chứa 1 lượng chitin rất nhỏ ( khoảng 1% khối lượng khô) tập trung nhiều nhất tại các điểm nảy... phân và lên men khoảng 5 ngày, cấp nhiệt bằng hơi nước để duy trì nhiệt độ bình phản ứng ở 35 0C đến 400C Lưu ý khi nhập liệu không nên nhập một lần mà nên chia ra Trong bình phản ứng xảy ra đồng thời 2 quá trình thủy phân và lên men a/ Thủy phân 22 Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Quá trình này sử dụng enzyme cellulose thủy phân cellulose thành đường: -Enzyme . Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học LỜI CẢM ƠN Thực tập quá trình & thiết bị là cơ hội để nhóm sinh viên thực tập chúng em tiếp cận và tìm. làm phòng thí nghiệm và phân tích.Tầng trệt là xưởng thực nghiệm và phòng làm việc, nghỉ ngơi của nhân viên. 7 Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm Năng lượng sinh học Hình. quả thí nghiệm đạt được ở quy mô phòng thí nghiệm, hiểu được toàn bộ quy trình và hệ thống, cải tiến và phát triển các trang thiết bị. 5 Báo cáo thực tập quá trình và thiết bị - Phòng thí nghiệm