LỜI MỞ ĐẦU . 7
CHƯƠNG 1 DIESEL VÀ BIODIESEL . 9
I. DIESEL . 9
II. BIODIESEL . 12
1. Giới thiệu . 12
2. Tình hình sử dụng nhiên liệu diesel trên thế giới và Việt Nam . 14
2.1. Trên thế giới . 14
2.2. Tại Việt Nam. 15
3. Nguyên liệu sản xuất biodiesel . 15
3.1. Các nguồn nguyên liệu chính . 15
3.2. Giới thiệu về nguồn nguyên liệu mỡ cá tra . 18
III. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN. 20
1. Tình hình nghiên cứu . 20
2. Nhiệm vụ luận văn . 23
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT . 25
I. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIODIESEL . 25
1. Các phản ứng hóa học trong quá trình chuyển hóa biodiesel từ mỡ cá . 25
2. Xúc tác kiềm . 25
3. Qui trình công nghệ tiêu biểu . 27
II. GLYCERINE . 29
1. Một số tính chất và ứng dụng của Glycerine . 29
2. Các phản ứng hóa học của quá trình loại xà phòng trong tinh chế glycerine . 32
III. MÔ HÌNH HÓA – TỐI ƯU HÓA . 33
1. Mô hình hóa . 33
1.1. Khái niệm . 33
1.2. Thủ tục xây dựng mô tả toán học . 33
2. Tối ưu hóa . 34
2.1. Các thành phần cơ bản của bài toán tối ưu . 34
2.2. Phát biểu bài toán tối ưu . 34
2.3. Thủ tục xác lập và giải bài toán tối ưu . 35
2.4. Nguyên lý cực đại . 35
CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA
BIODIESEL TỪ MỠ CÁ TRÊN CƠ SỞ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH MATLAB . 41
I. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA BIODIESEL . 41
II. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA BIODIESEL TRÊN CƠ SỞ NGÔN NGỮ
MATLAB . 50
1. Khái quát . 50
2. Mô hình 1 bình phản ứng chuyển hóa gián đoạn . 52
3. Mô hình 1 bình phản ứng chuyển hóa liên tục . 55
4. Mô hình 2 bình phản ứng nối tiếp nhau, chuyển hóa liên tục . 55
5. Mô hình 3 bình phản ứng nối tiếp nhau, chuyển hóa liên tục . 56
III. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ BÀN LUẬN . 56
1. Mô phỏng quá trình chuyển hóa xảy ra trong 1 thiết bị khuấy lí tưởng hoạt động gián
đoạn . 56
1.1. Mô phỏng một chế độ chuyển hóa biodiesel . 56
1.2. Mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian và tỉ lệ mole methanol:mỡ cá . 60
2. Mô phỏng quá trình chuyển hóa xảy ra trong 1 thiết bị khuấy lí tưởng hoạt động liên tục .. 64
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. . 64
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. . 65
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. . 66
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 . 67
4. Mô phỏng quá trình chuyển hóa trong hệ thống 3 thiết bị khuấy lí tưởng nối tiếp nhau,
hoạt động liên tục . 69
5. Bàn luận kết quả mô phỏng . 71
IV. TỐI ƯU QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA BIODIESEL GIÁN ĐOẠN . 72
1. Xây dựng bài toán tối ưu. 72
2. Giải tìm nghiệm BTTU . 73
3. Kết quả tính toán tối ưu . 75
CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TINH CHẾ GLYCERINE . 83
I. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM . 83
1. Nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ, thiết bị sử dụng . 83
1.1. Nguyên liệu . 83
1.2. Hóa chất sử dụng . 83
1.3. Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm . 83
2. Phương pháp thí nghiệm . 84
II. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN . 86
1. Kết quả thí nghiệm . 86
2. Bàn luận . 89
III. ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH TINH CHẾ . 90
1. Giai đoạn phản ứng loại xà phòng . 90
2. Mô hình tháp chưng cất 2 cấu tử . 92
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 99
I. KẾT LUẬN . 99
II. KIẾN NGHỊ . 100
1. Khảo sát các công đoạn của qui trình gián đoạn . 100
2. Phát triển qui trình liên tục . 101
PHỤ LỤC . 105
Pl-1. GIỚI THIỆU VỀ MATLAB . 105
1. Khái niệm . 105
2. Phần mềm bao gồm các thành phần . 106
3. Lịch sử hình thành . 106
4. Một số phép toán cơ bản trong MATLAB . 108
4.1. Các lưu ý: . 108
4.2. Một số phép toán và lệnh . 108
PL-2. CODE LẬP TRÌNH . 110
1. Các kí hiệu dùng trong lập trình mô phỏng . 110
2. Các hàm số . 118
3. Code lập trình cho các mô hình . 119
3.1. Mô hình 1 bình phản ứng khuấy lí tưởng hoạt động gián đoạn . 119
3.2. Mô hình 1 bình phản ứng khuấy lí tưởng hoạt động liên tục . 123
3.3. Mô hình 2 bình phản ứng khuấy lí tưởng nối tiếp nhau hoạt động liên tục . 125
3.4. Mô hình 3 bình phản ứng khuấy lí tưởng nối tiếp nhau hoạt động liên tục . 127
4. Code lập trình tối ưu . 131
PL-3. QUY TRÌNH XỬ LÝ GLYCERINE . 140
1. Xử lý loại xà phòng . 140
2. Tẩy màu glycerine . 141
3. Kiểm tra pH và trung hòa acid . 141
4. Kết tinh loại muối . 142
5. Cô quay chân không thu hồi methanol và nước . 142
6. Xác định độ tính khiết của glycerine (hay hàm lượng glycerine) . 143
7. Đo độ trắng (độ màu) . 143
TÀI LIỆU THAM KHẢO. 145
146 trang |
Chia sẻ: netpro | Lượt xem: 2482 | Lượt tải: 1
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Mô phỏng và tối ưu hóa quá trình chuyển hóa biodiesel từ mỡ cá trên cơ sở ngôn ngữ lập trình matlab, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- Mô phỏng và tối ưu hóa quá trình chuyển hóa biodiesel từ mỡ cá trên cơ sở ngôn ngữ lập trình matlab.pdf