Luận văn Mô phỏng và tối ưu hóa quá trình chuyển hóa biodiesel từ mỡ cá trên cơ sở ngôn ngữ lập trình matlab

độ biến đổi nhiệt lượng của hỗn hợp phản ứng: hhpu v r pu dQ Q Q Q Q dt = − + + (38) Trang 49 Trong đó: ( . . . )hhpu dQ d CpV T dt dt ρ = . . .v v v v vQ Cp F Tρ= . . .r rQ Cp F Tρ= . ( . )pu i iQ V H r= ∆∑ . .( )j jQ U A T T= − Như vậy biểu thức (34) trở thành: ( . . . ) . . . . . . . ( . ) . .( )v v v v r i i j j d CpV T Cp F T Cp F T V H r U A T T dt ρ ρ ρ= − + ∆ + −∑ (39) Theo giả thiết ρ=const, ρv=const, Cp=const, Cpv=const. thế (31) vào (39) ta có: . .( )( . ) . .( . ) . . . j ji iv v v v U A T TH rF CpdT T T dt V Cp Cp CpV ρ ρ ρ ρ −∆ = − + +∑ (40) Xét cân bằng năng lượng cho lớp vỏ thiết bị phản ứng j e m dQ Q Q Q dt = − − (41) Trong đó: ( . )j dQ d D Tj dt dt = 2.60. ee i UQ R η= . .( )j jQ U A T T= − .mQ Qε= Giả sử D=const. Như vậy biểu thức (41) trở thành: 2 (1 ). . .( ).60. . j j je i dT U A T TU dt R D D ε η + − = − (42) Trang 50 Mà theo giả thuyết η=1, ε=0 nên (38) trở thành: 2 . .( ).60 . j j je i dT U A T TU dt R D D − = − (43) Hợp (36) và (38) lại được hệ: 2 . .( )( . ) . .( . ) . . . (1 ). . .( ).60. . j ji iv v v v j j je i U A T TH rF CpdT T T dt V Cp Cp CpV dT U A T TU dt R D D ρ ρ ρ ρ ε η −∆ = − + + + − = − ∑ (44) Đây là mô tả toán học cho sự thay đổi nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng và nhiệt độ lớp vỏ thiết bị theo thời gian dưới sự ảnh hưởng của dòng điện đốt nóng, nhiệt lượng của dòng vào, dòng ra, sự mất mát nhiệt ra môi trường bên ngoài. Trong phạm vi luận văn này, mô phỏng cho quá trình chuyển hóa biodiesel chỉ xét hệ 7 phương trình gồm phương trình (31), (35) và 5 phương trình đầu tiên của (36), các phương trình còn lại không xét. Mô hình toán gồm 7 phương trình có hai bộ thông số chưa biết là koi và Ei, i=1÷6. Vì luận văn được thực hiện trong khuôn khổ đề tài Trọng điểm ĐHQG-Tp.HCM- B2008 – 20 – 03 TD nên việc nhận dạng xác định các bộ thông số này cũng như việc kiểm định sự tương thích của mô hình toán được thực hiện bởi các nhóm khác thuộc đề tài. II. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA BIODIESEL TRÊN CƠ SỞ NGÔN NGỮ MATLAB 1. Khái quát Sau khi thành lập mô hình toán cho quá trình chuyển hóa biodiesel trong thiết bị phản ứng khuấy lí tưởng với các giả thuyết đã đ ặt ra, công việc mô phỏng trên computer sẽ bắt đầu được tiến hành. Việc mô phỏng trên máy tính sẽ giúp nhanh chóng có được các kết quả cần khảo sát, từ đó có thể dễ dàng kiểm soát, hiệu chỉnh các thông số công nghệ để đạt được chế độ hoạt động tối ưu. Trong luận văn này, ngôn ngữ lập trình MATLAB được dùng để tiến hành mô phỏng. Các mô hình toán được giải theo lược đồ tổng quát như sau: Trang 51 Hình 9 - Sơ đồ tính toán tổng quát cho các mô hình toán - Bước B1: phải nhập các thông số động học bao gồm năng lượng hoạt hóa E, hằng số Arrhenius ko, thành phần các chất của nguyên liệu mỡ cá đầu vào như phần trăm khối lượng TG,...các thông số của thiết bị phản ứng như thể tích thiết bị Vtb, hệ số chứa đầy, diện tích bề mặt truyền nhiệt, hệ số truyền nhiệt U, điện trở quấn quanh thân thiết bị Ri, hiệu điện thế sử dụng Ue, lưu lượng dòng vào Fv=u2, thời gian chạy phản ứng,.... - Bước B2: bước này tính toán các thông số cần thiết. Dựa vào thể tích phản ứng và tỉ lệ mole methanol: mỡ cá, tính ra khối lượng mỡ cá, khối lượng methanol cần dùng, từ đó tính ra nồng độ ban đầu của các chất để làm điều kiện ban đầu. - Bước B3: sau bước B2, thiết lập các đại lượng cho dòng vào xv, và đi ều kiện ban đầu về nồng độ cho các chất xC Bắt đầu Các thông số E, ko; các thông số của nguyên liệu, các thông số của thiết bị Tính toán các thông số ban đầu Các đại lượng của dòng vào xv Điều kiện ban đầu xC Bước thời gian tstep, thời gian chạy tndung, lưu lượng dòng vào FR Vòng lặp để giải mô hình toán Các kết quả cần thiết Kết thúc B1 B2 B3 B4 B5 B6 Trang 52 - Bước B4: ở bước này cài đặt khoảng thời gian để lấy giá trị tstep, thời gian chạy quá trình chuyển hóa tndung, và cài đặt giá trị lưu lượng dòng nguyên liệu vào thiết bị. - Bước B5: với các điều kiện cần thiết ,bắt đầu đi vào vòng lặp tính toán với điều kiện dừng cho trước để tìm ra sự biến thiên nồng độ các chất trong hỗn hợp phản ứng theo thời gian - Bước B6: sau khi dừng vòng lặp, cho xuất ra các kết quả tính toán cần thiết. Tính toán mô phỏng sẽ được dừng lại sau khi đã th ỏa được điều kiện dừng là thời gian chuyển hóa tndung. Kết quả mô phỏng có được là nồng độ các chất, hàm lượng methylester, hàm lượng glycerine tổng,... tại thời điểm dừng phản ứng. Để đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ, các trường hợp sẽ được mô phỏng: - Mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ - Mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của tỉ lệ mol methanol: mỡ cá - Mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của thời gian - Mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của chế độ cấp methanol (ở cùng nhiệt độ phản ứng) - Mô hình chỉ có 1 bình phản ứng dạng khuấy lí tưởng - Mô hình 2 bình phản ứng dạng khuấy lí tưởng nối tiếp nhau - Mô hình 2 bình phản ứng dạng khuấy lí tưởng nối tiếp nhau 2. Mô hình 1 bình phản ứng chuyển hóa gián đoạn Thuật toán mô phỏng Hướng giải của thuật toán là sau khi giải ra được giá trị cho thời điểm t(n) bất kỳ, sẽ lấy giá trị đó làm điều kiện đầu để giải hệ phương trình vi phân tìm ra giá trị cho thời điểm tiếp theo t(n+1) . Quá trình giải cứ tiếp tục cho đến khi thỏa điều kiện về thời gian chuyển hóa tndung đã được đề cập. Các bước lập trình tính toán tạo thành đoạn code trọng yếu khi mô phỏng cho một thiết bị được gọi là đoạn code TB1. Nếu có 2 hay 3 thiết bị nối tiếp nhau sau code TB1 sẽ bổ sung các đoạn code tương tự có kí hiệu TB2, TB3, ..... Cách này được dùng để lập trình cho hệ thống gồm 2 hay 3 thiết bị phản ứng dạng khuấy lí tưởng hoạt động liên tục. Trang 53 Sau khi thỏa điều kiện tính toán đặt ra (vòng lặp kết thúc), các kết quả cần thiết như thời gian chuyển hóa In, khối lượng ester tạo thành,... được truy xuất dưới dạng bảng dữ liệu và các đồ thị. Trong kết quả tính toán mô phỏng, sử dụng giả thiết sau đây: - Pha ester gồm: methyl ester và toàn bộ TG, (2/3 DG+1/3MG) chưa chuyển hóa. - Hàm lượng methyl ester trong pha ester = (khối lượng methyl ester / khối lượng của cả pha ester) x 100. - Chỉ số hiệu suất sản phẩm = (khối lượng E tạo thành / khối lượng mỡ cá) x 100. - Pha glyceine gồm tất cả các chất còn lại (G, Me, (1/3 DG+2/3MG), KOH, FFA, W,S). - Phần trăm glycerine tổng trong pha ester = (khối lượng G được qui ra từ khối lượng (TG+DG+MG) / khối lượng của cả pha ester) x 100. - Phần trăm glycerine tổng trong pha glycerine = [(khối lượng G tự do+khối lượng G qui ra từ khối lượng MG+DG) / khối lượng của cả pha] x 100. Trang 54 Hình 10 - Sơ đồ thuật toán mô phỏng cho quá trình chuyển hóa gián đoạn Đ Bắt đầu tn=tstep xC, xv X(1,:)=xC; x0=xC u2(1); Fr(1); Ue(1) i=length([0:tstep:tn]) tn <= tndung Ue(i); u2(i); Fr(i) tspan=[0 tstep] [T1,V1]=ode45(@heptvp,tspan,x0) X(i,:)=V1(end,:) x0=V1(end,:) tn=tn+tstep i=length([0:tstep:tn]) Kết quả:X, T, u2, mE,%E .... In=tn-0.5 Kết thúc S TB1 Trang 55 3. Mô hình 1 bình phản ứng chuyển hóa liên tục Thuật toán tương tự như trường hợp mô hình 1 bình phản ứng hoạt động gián đoạn, nhiệt độ phản ứng không đổi, nhưng suất lượng dòng vào, dòng ra là các đ ại lượng khác không. 4. Mô hình 2 bình phản ứng nối tiếp nhau, chuyển hóa liên tục Hình 11 - Sơ đồ thuật toán giải mô hình 2 bình phản ứng khuấy lí tưởng nối tiếp hoạt động liên tục Xuất phát từ mô hình 1 bình phản ứng dạng khuấy lí tưởng thực hiện quá trình chuyển hóa liên tục, mô hình 2 bình phản ứng dạng khuấy lí tưởng nối tiếp nhau thực hiện chuyển hóa liên tục sẽ gồm 2 thiết bị phản ứng gắn kết nối tiếp nhau. Ban đầu, 2 thiết bị hoạt động gián đoạn đến khí đạt được nồng độ methylester yêu cầu. Sau đó, Đ Bắt đầu tn=tstep X2lt(1,:)=X2(end,:); x02=X2(end,:) u2(1); Fr(1); Ue(1),xv i=length([0:tstep:tn]) tn <= tndung1 TB1 Xv1 tn=tn+tstep i=length([0:tstep:tn]) Kết quả Kết thúc S Xlt(1,:)=X(end,:); x0=X(end,:) TB2 Trang 56 cho dòng sản phẩm sau bình thứ nhất là dòng nguyên liệu đầu vào cho bình phản ứng thứ hai. 5. Mô hình 3 bình phản ứng nối tiếp nhau, chuyển hóa liên tục Tương tự như mô hình 2 bình ph ản ứng dạng khuấy lí tưởng nối tiếp nhau, thực hiện chuyển hóa liên tục. Mô hình thêm một thiết bị phản ứng nối tiếp sau thiết bị phản ứng thứ hai. Khi đó dòng sản phẩm sau thiết bị phản ứng thứ hai là dòng nguyên liệu đầu vào thiết bị phản ứng thứ ba, sản phẩm thu được sau bình phản ứng thứ ba. Thuật toán giải cho mô hình này xem phần phụ lục PL-2. III. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ BÀN LUẬN 1. Mô phỏng quá trình chuyển hóa xảy ra trong 1 thiết bị khuấy lí tưởng hoạt động gián đoạn 1.1. Mô phỏng một chế độ chuyển hóa biodiesel Chế độ hoạt động: - nhiệt độ phản ứng T=T0=323 K = 50 0C=const . Thể tích hỗn hợp phản ứng ban đầu V=30 lít. Tỉ lệ mole methanol:mỡ cá = 7:1.Trong quá trình chuyển hóa không có thêm methanol (u2=0). Lượng xúc tác KOH sử dụng lấy bằng 0,8% khối lượng mỡ cá dùng. Xem nguyên liệu 100% là trigliceride. Phần lập trình mô phỏng được trình bày trong phần phụ lục PL-2. Ở đây, trình bày phần code cho vòng lặp sử dụng thuật toán Runge-Kutta 45 (“ode45(@function,tspan, x0)”) để giải hệ các phương trình vi phân. Trong ode45 hàm số “odess1c” có ko(7), ko(8), ko(9), Ue, U đều bằng 0 vì không xét cân bằng năng lượng và các phản ứng phụ. Trang 57 Hàm số “odess1c” trong “ode45” được xác định theo đoạn code: Trang 58 Kết quả mô phỏng: Quá trình mô phỏng được thực hiện trong thời gian t = 19 phút. Các kết quả mô phỏng được trình bày trong bảng 10 và các đồ thị hình 12 – 13. Bảng 10 - Kết quả mô phỏng một chế độ chuyển hóa biodiesel Tỉ lệ methanol:mỡ cá 7:1 Khối lượng mỡ cá dùng (g) 20128 Khối lượng methanol dùng (g) 5157,3 Thời gian chuyển hóa (phút) 19 Số mole ester tạo thành (mole) 65,63 Khối lượng ester tạo thành (g) 19296 Khối lượng methanol đã chuyển hóa (g) 2100,3 Khối lượng methanol còn lại (g) 3057,1 Khối lượng glycerine tạo thành 1986,9 Khối lượng triglyceride đã chuyển hóa (g) 19441 Khối lượng triglyceride còn lại (g) 687,25 Tổng khối lượng di và mono glyceride còn lại (g) 340,66 Hàm lượng methylester trong pha ester (%) 95,6 Phần trăm glycerine tổng trong pha ester (%) 0,52 Phần trăm glycerine tổng trong pha glycerine (%) 38,84 Phần trăm glycerine tự do trong pha glycerine (%) 37,40 Chỉ số Hiệu suất sản phẩm (%) 95,86 Trang 59 Đồ thị nồng độ các chất theo thời gian: Hình 12 - Đồ thị nồng độ E, Me, G theo thời gian Trong đó: data1: CG; data2: CMe; data3: CE Hình 13 - Đồ thị nồng độ DG, MG, TG theo thời gian Trong đó: data1: CTG; data2: CDG; data3: CMG Data 1 Data 2 Data 3 Data 1 Data 2 Data 3 Trang 60 Nhận xét: Kết quả thu được là một trình diễn điển hình. Chương trình dừng sau khi đạt được thời gian chuyển hóa 19 phút. Từ đồ thị, nồng độ G và E tăng theo thời gian và đạt đến giá trị ổn định. Nồng độ TG và Me giảm dần đến giá trị không đổi. Các nồng độ DG và MG ban đầu tăng, sau đó cũng giảm dần. Chế độ chuyển hóa bên trên, là khá tốt vì hàm lượng methylesster trong pha ester cao. Sử dụng chương trình phần mềm như đã thực hiện trong phần trình diễn đã tiến hành các mô phỏng và thu được các kết quả được trình bày ở các phần dưới đây. 1.2. Mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian và tỉ lệ mole methanol:mỡ cá Trong quá trình chuyển hóa, nhiệt độ ,thời gian chuyển hóa và tỉ lệ mole methanol:mỡ cá có ảnh hưởng rất lớn đến chỉ số hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Phần mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian chuyển hóa và tỉ lệ mole methanol:mỡ cá được trình bày dưới đây sẽ cho thấy được sự ảnh hưởng của các thông số này. Kết quả mô phỏng Bảng 11 - Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian ở tỉ lệ mole methanol:mỡ cá =5:1 t(phút) nhiệt độ(0C) 45 60 90 120 150 180 45 88,12/1,33 89,78/1,15 91,15/0,99 91,58/0,94 91,73/0,95 91,78/0,92 50 89,99/1,13 90,91/1,03 91,49/0,96 91,61/0,95 91,63/0,95 91,63/0,95 55 90,88/1,04 91,28/1,00 91,44/0,98 91,46/0,98 91,46/0,98 91,46/0,98 60 91,13/1,03 91,25/1,01 91,28/1,00 91,28/1,00 91,28/1,00 91,28/1,00 *Trong mỗi ô số liệu, thông số đầu là hàm lượng methyl ester trong pha ester, thông số thứ hai là phần trăm glycerine tổng trong pha ester. Nhận xét: Với tỷ lệ mol bằng 5:1 sản phẩm chưa đạt, phần trăm methylester trong pha ester thấp (<96%). Trang 61 Bảng 12 - Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian ở tỉ lệ mole methanol:mỡ cá= 6:1 t(phút) nhiệt độ(0C) 45 60 90 120 150 180 45 92,1/0,89 93,96/0,68 95,49/0,51 95,97/0,46 96,12/0,44 96,18/0,43 50 95,4/0,53 95,78/0,49 95,92/0,47 95,94/0,47 95,94/0,47 95,94/0,47 55 95,67/0,51 95,77/0,50 95,79/0,49 95,79/0,49 95,79/0,49 95,79/0,49 60 95,62/0,52 95,63/0,52 95,62/0,52 95,63/0,52 95,62/0,52 95,63/0,52 Nhận xét: Với tỉ lệ này, chuyển hóa tốt tại 45 0C, thời gian 150 phút. Sản phẩm đạt yêu cầu, phần trăm methylester trong pha ester 96,12% (>96%). Bảng 13 - Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian ở tỉ lệ mole methanol:mỡ cá= 6.5:1 t(phút) nhiệt độ(0C) 45 60 90 120 150 45 96,23/0,43 96,86/0,36 97,16/0,33 97,2/0,32 97,2/0,32 50 96,85/0,37 97,03/0,35 97,09/0,34 97,09/0,34 97,09/0,34 55 96,92/0,37 96,96/0,36 96,97/0,36 96,97/0,36 96,97/0,36 60 96,83/0,38 96,83/0,38 96,83/0,38 96,83/0,38 96,83/0,38 Nhận xét: Chuyển hóa tốt tại 50 0C, 60 phút. Phần trăm methylester trong pha ester là 97,03%, đạt yêu cầu. Trang 62 Bảng 14 - Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian ở tỉ lệ mole methanol:mỡ cá =7:1 t(phút) nhiệt độ(0C) 45 60 90 120 150 45 97,45/0,30 97,82/0,26 97,95/0,24 97,96/0,24 97,96/0,24 50 97,77/0,26 97,85/0,26 97,86/0,25 97,86/0,25 97,86/0,25 55 97,75/0,27 97,76/0,27 97,76/0,27 97,76/0,27 97,76/0,27 60 97,64/0,29 97,64/0,29 97,64/0,29 97,64/0,29 97,64/0,29 Nhận xét: Chuyển hóa tốt tại 50 0C, 45 phút. Phầm trăm methylester là 97,77% đạt yêu cầu. Bảng 15 - Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian ở tỉ lệ mole methanol:mỡ cá =7.5:1 t(phút) nhiệt độ(0C) 45 60 90 120 45 98,23/0,21 98,42/0,19 98,47/0,18 98,47/0,18 50 98,36/0,2 98,39/0,19 98,19/0,19 98,19/0,19 55 98,3/0,21 98,3/0,21 98,3/0,21 98,3/0,21 60 98,2/0,22 98,2/0,22 98,2/0,22 98,2/0,22 Nhận xét: Chuyển hóa tốt tại 50 0C, 45 phút. Phần trăm methylester trong pha ester 98,36% đạt yêu cầu. Trang 63 Bảng 16 - Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian ở tỉ lệ mole methanol:mỡ cá =8:1 t(phút) nhiệt độ(0C) 45 60 90 45 98,72/0,15 98,81/0,14 98,82/0,14 50 98,75/0,15 98,76/0,15 98,76/0,15 55 98,68/0,16 98,68/0,16 98,68/0,16 60 98,6/0,18 98,6/0,18 98,6/0,18 Nhận xét: Chuyển hóa tốt tại 45 0C, 45 phút. Phần trăm methylester trong pha ester 98,72% đạt yêu cầu. Bảng 17- Ảnh hưởng của tỉ lệ mole ở nhiệt độ 50 0C, thời gian 60’ tỉ lệ mole 5:1 6:1 6.5:1 7:1 7.5:1 8:1 Hàm lượng methylester trong pha ester (%) 90,91 95,78 97,03 97,85 98,39 98,76 Phần trăm glycerine tổng trong pha ester (%) 1,03 0,49 0,35 0,26 0,19 0,15 Nhận xét: Kết quả mô phỏng trình bày trong các bảng 11- 17 cho thấy với cùng tỉ lệ mole và nhiệt độ, khi thời gian tăng thì hàm lư ợng (phần trăm) methylester trong pha ester tăng, phầm trăm glycerine tổng trong pha ester giảm đến giá trị không đổi (ổn định). Trong khi đó, với cùng thời gian chuyển hóa và tỉ lệ mol, kết quả mô phỏng chỉ ra một quy luật phức tạp hơn: khi nhiệt độ tăng, phần trăm methyl ester tăng sau đó giảm đi. Kéo dài thời gian chuyển hóa, điểm cực đại hàm lượng methyl ester có xu hướng chuyển dịch về phía nhiệt độ thấp hơn. Với tỷ lệ mol bằng 5:1 (bảng 11), nếu thực hiện phản ứng trong vòng 45 phút, hàm lư ợng methyl ester đạt cực đại ở 60 0C; nếu thực hiện phản ứng trong vòng 150 phút, hàm lượng methyl ester đạt cực đại ở 45 0C. Hiện tượng này cũng thể hiện ở các tỷ lệ mol cao hơn (bảng 12 – 16) và có thể giải thích bởi Trang 64 tác động của các phản ứng nghịch thể hiện mạnh hơn ở nhiệt độ cao hơn trong tình trạng các sản phẩm methyl ester đã được tạo ra nhiều hơn. Theo chiều tăng tỉ lệ mole, phần trăm methylester tăng, quá trì nh chuyển hóa đạt ổn định trong thời gian ngắn. Với tỷ lệ mol bằng 5:1 sản phẩm chưa đạt, phần trăm methylester trong pha ester thấp (<96%). Tỷ lệ 7:1 cho kết quả tốt vì phần trăm methylester cao, phần trăm glycerine tổng trong pha ester thấp và tiết kiệm methanol hơn so với tỉ lệ 7,5:1 và 8:1. Tỉ lệ 6,5:1 cũng đạt yêu cầu với kết quả khá tốt. 2. Mô phỏng quá trình chuyển hóa xảy ra trong 1 thiết bị khuấy lí tưởng hoạt động liên tục Mô tả cách thức hoạt động của thiết bị: quá trình chuyển hóa được thực hiện ở nhiệt độ không đổi, tỉ lệ mole methanol: mỡ cá trong dòng nhập liệu cố định. Ban đầu cho vào thiết bị hỗn hợp phản ứng thể tích 30 lít với tỉ lệ mole methanol:mỡ cá cố định, và lượng xúc tác cần thiết, cho chạy gián đoạn ở nhiệt độ không đổi T=const, đến khi đạt điều kiện 1 mole TG tạo ra được n mole E. Tiếp theo, cho dòng nguyên liệu với suất lượng u2 (lít/phút) là hỗn hợp mỡ cá và methanol (có xúc tác) vào thiết bị phản ứng bắt đầu chế độ chạy liên tục với suất lượng đầu ra Fr=u2 (lít/phút). Sau một thời gian chạy liên tục, hệ thống mới hoạt động ổn định (nồng độ các chất không đổi theo thời gian), lúc này xác định xem dòng sản phẩm đâu ra đã đ ạt điều kiện chưa, từ đó có sự điều chỉnh thời gian lưu (điều chỉnh suất lượng u2=Fr) cho thích hợp. Phần lập trình cho mô hình này được trình bày trong phụ lục PL-2. 2.1. Chuyển hóa biodiesel liên tục ở chế độ nhiệt độ 323 K (50 0C)=const, tỉ lệ mole methanol:mỡ cá= 7:1 trong dòng nguyên liệu đầu vào. Chế độ hoạt động gián đoạn: - Nhiệt độ phản ứng T=323K =50 0C=const. Thể tích hỗn hợp phản ứng ban đầu V=30 lít. Tỉ lệ mole methanol:mỡ cá ban đầu = 7:1 Trong quá trình chuyển hóa không có thêm methanol (u2=0). Các điều kiện khác tương tự. - Phản ứng chuyển hóa gián đoạn được tiến hành trong 20 phút Kết quả mô phỏng - Giai đoạn chạy gián đoạn: Nồng độ các chất sau khi chạy gián đoạn và bắt đầu chạy liên tục CTG (x(1)) = 0,0246 mol/lít; CDG (x(2)) = 0,0137 mol/lít; CMG (x(3)) = 0,0063 mol/lít; CG (x(4)) = 0,7228 mol/lít; CMe (x(5)) = 3,1775mol/lít; CE (x(6)) = 2,1948 mol/lit. Trang 65 Phần trăm methylester trong pha ester: 95,86% (96% là đạt) Phần trăm glycerine tổng trong pha glycerine: 0,49% - Giai đoạn chạy liên tục: Bảng 18 - Kết quả mô phỏng giai đoạn liên tục Suất lượng dòng vào (lít/phút) 0,01 0,02 0,05 0,09 0,1 0,11 Phần trăm ester trong pha ester(%) 97,65 97,44 96,84 96,08 95,90 95,72 Phần trăm glycerine tổng trong pha ester (%) 0,28 0,30 0,37 0,46 0,48 0,5 Thời gian chạy ổn đinh (phút) 63 49 49 55 31,5 28,5 Năng suất (lít/h) 0,6 1,2 3 5,4 6 6,6 Nhận xét: Suất lượng 0, 1 lít/phút có thể tạm chấp nhận. Năng suất chỉ đạt 6 lít/h, rất thấp. 2.2. Chuyển hóa biodiesel liên tục ở chế độ nhiệt độ 328 K (55 0C)=const, tỉ lệ mole methanol:mỡ cá =7:1 trong dòng nguyên liệu đầu vào. Chế độ hoạt động gián đoạn: Nhiệt độ phản ứng T=T0=323K=55 0C=const. Các điều kiện khác tương tự như trong phần 2.1. Kết quả mô phỏng - Giai đoạn chạy gián đoạn: Nồng độ các chất sau khi chạy gián đoạn và bắt đầu chạy liên tục CTG (x(1)) = 0,0170 mole/lít; CDG (x(2)) = 0,0111 mole/lít; CMG (x(3)) = 0,0057 mole/lít; CG (x(4)) = 0,7336 mole/lít; CMe (x(5)) = 3,1489mole/lít; CE (x(6)) =2,2234 mole/lit. Trang 66 Phần trăm ester trong pha ester: 97,02% (96% là đạt) Phần trăm glycerine tổng trong pha glycerine: 0,36% - Giai đoạn chạy liên tục Bảng 19 - Kết quả mô phỏng giai đoạn liên tục Suất lượng dòng vào (lít/phút) 0,02 0,05 0,1 0,12 0,14 0,15 Phần trăm ester trong pha ester(%) 97,47 97,06 96,4 96,15 95,9 95,77 Phần trăm glycerine tổng trong pha ester (%) 0,30 0,35 0,43 0,46 0,49 0,51 Thời gian chạy ổn đinh (phút) 33,5 26 29,5 30 32 34 Năng suất (lít/h) 1,2 3 6 7,2 8,4 9 Nhận xét: Suất lượng 0,14 lít/phút tạm chấp nhận. Năng suất 8,4 lít/h rất thấp. Như vậy, rõ ràng khi tăng nhi ệt độ lên thì hệ thống nhanh đạt đến trạng thái hoạt động ổn định và suất lượng sản phẩm tăng. 2.3. Chuyển hóa biodiesel liên tục ở chế độ nhiệt độ 323 K (50 0C)=const, tỉ lệ mole methanol:mỡ cá =8:1 trong dòng nguyên liệu đầu vào. Chế độ hoạt động gián đoạn: Nhiệt độ phản ứng T=T0=323K=const. Tỉ lệ mole methanol:mỡ cá =8:1.Các điều kiện khác tương tự như trong phần 2.1. Kết quả mô phỏng - Giai đoạn chạy gián đoạn: Nồng độ các chất sau khi chạy gián đoạn và bắt đầu chạy liên tục Trang 67 CTG (x(1)) = 0,0078 mole/lít; CDG (x(2)) = 0,0062 mole/lít; CMG (x(3)) = 0,0040 mole/lít; CG (x(4)) = 0,7257 mole/lít; CMe (x(5)) =3,7587mole/lít; CE (x(6)) = 2,1913 mole/lit. Phần trăm ester trong pha ester: 98,49% (>=96% là đạt). Phần trăm glycerine tổng trong pha glycerine: 0,19% - Giai đoạn chạy liên tục Bảng 20 - Kết quả mô phỏng giai đoạn liên tục Suất lượng dòng vào (lít/phút) 0,15 0,2 0,25 0,3 Phần trăm ester trong pha ester(%) 97,28 96,84 96,42 96,00 Phần trăm glycerine tổng trong pha ester (%) 0,33 0,38 0,44 0,49 Thời gian chạy ổn đinh (phút) 25,5 23 27 24,5 Năng suất (lít/h) 9 12 15 18 Nhận xét: Suất lượng 0,3 lít/phút đạt. Năng suất 18 lít/h, thấp. Tỉ lệ mole methanol:mỡ cá tăng thì năng su ất tăng, nhưng còn th ấp. Chuyển hóa liên tục trong một thiết bị phản ứng là không hiệu quả. 3. Mô phỏng quá trình chuyển hóa trong hệ thống gồm 2 thiết bị khuấy lí tưởng gắn nối tiếp nhau, hoạt động liên tục Mô tả quá trình chuyển hóa: các bước tiến hành tương tự như 1 thiết bị chuyển hóa liên tục. Cho dòng nguyên liệu với suất lượng u2 vào bình phản ứng thứ nhất và cho dòng đầu ra ở bình thứ nhất vào bình phản ứng thứ 2, sản phẩm thu được ở bình thứ 2 với suất lượng đầu ra bằng u2. Quá trình chuyển hóa được tiến hành liên tục với nhiệt độ không đổi T=const ở cả 2 bình phản ứng. Trang 68 Phần lập trình cho mô hình này được trình bày trong phụ lục PL-2 Chế độ hoạt động gián đoạn và liên tục ở bình 1 và bình 2: Mô phỏng cho 2 chế độ nhiệt độ: - Nhiệt độ 50 0C: tương tự như phần 2.1 - Nhiệt độ 55 0C: tương tự như phần 2.2 Kết quả mô phỏng: - Giai đoạn chạy gián đoạn :tương tự như phần 2.1và phần 2.2 lần lượt cho 2 chế độ nhiệt độ. - Giai đoạn chạy liên tục: xét đầu ra của bình thứ 2 Bảng 21 - Kết quả mô phỏng giai đoạn liên tục ở bình thứ 2, 50 0C Suất lượng dòng vào (lít/phút) 0,5 0,7 0,8 0,82 Phần trăm ester trong pha ester(%) 96,95 96,32 96,03 95,92 Phần trăm glycerine tổng trong pha ester (%) O,36 O,44 0,48 0,48 Thời gian chạy ổn đinh (phút) 47,5 55 47 48 Năng suất (lít/h) 30 42 48 49,2 Trang 69 Bảng 22 - Kết quả mô phỏng giai đoạn liên tục ở bình thứ 2, 55 0C Suất lượng dòng vào (lít/phút) 0,8 1 1.1 1.2 Phần trăm ester trong pha ester(%) 96,68 96,24 96,00 95,77 Phần trăm glycerine tổng trong pha ester (%) 0,40 0,45 0,48 0,50 Thời gian chạy ổn đinh (phút) 33 36,5 37 39 Năng suất (lít/h) 48 60 66 72 Nhận xét: Suất lượng dòng vào 0,82 lít/phút ở 50 0C, đạt. Thời gian chạy ổn định 48 phút. Năng suất chuyển hóa là 49,2 lít/h chấp nhận được. Tăng nhiệt độ lên 55 0C, thì năng suất sẽ tăng thêm (66 lít/h), thời gian chạy ổn định ngắn hơn (37 phút). Với tỉ lệ mole 7:1, nhiệt độ 50 0C-55 0C, sản xuất liên tục trên hệ thống 2 thiết bị phản ứng dạng khuấy lí tưởng nối tiếp nhau là khả thi, có thể áp dụng trên qui mô thiết bị lớn (thể tích phản ứng của thiết bị V=3000 lít). 4. Mô phỏng quá trình chuyển hóa trong hệ thống 3 thiết bị khuấy lí tưởng nối tiếp nhau, hoạt động liên tục Mô tả quá trình chuyển hóa: các bước tiến hành tương tự như 1 thiết bị chuyển hóa liên tục. Sau khi 1 mole TG ở mỗi bình đ ạt được n mole methylester, cho dòng nguyên liệu với suất lượng u2 vào bình phản ứng thứ nhất và cho đầu ra ở bình thứ nhất vào bình phản ứng thứ 2, đầu ra của bình thứ 2 là nguyên liệu đầu vào của bình thứ 3, sản phẩm thu được là ở bình thứ 3 với suất lượng đầu ra bằng u2. Quá trình chuyển hóa được tiến hành liên tục với nhiệt độ không đổi T=const ở cả 3 bình phản ứng. Chế độ hoạt động gián đoạn và liên tục ở bình 1, bình 2 và bình 3: Trang 70 Mô phỏng ở 2 chế độ khác nhau: - Nhiệt độ 50 0C:Tương tự như phần 2.1. - Nhiệt độ 55 0C: tương tự như phần 2.2. Kết quả mô phỏng - Giai đoạn chạy gián đoạn:tương tự phần 2.1 và phần 2.2 lần lượt cho 2 chế độ nhiệt độ chuyển hóa. - Giai đoạn chạy liên tục: xét đầu ra bình phản ứng thứ 3 Bảng 23 - Kết quả mô phỏng giai đoạn liên tục bình phản ứng thứ 3, 50 0C Suất lượng dòng vào (lít/phút) 1 1,5 1,9 2 Phần trăm ester tro