Luận văn lập trình kiểm soát nhiệt Độ thiết bị phản Ứng hóa học

Sự phụ thuộc khối lượng riêng của dầu an vào nhiệt độ Sự phụ thuộc khối lượng riêng của metanol vào nhiệt độ.... Độ chuyển hóa thay đổi khi nhiệt độ phần ứng vá lưu lượng dòng... Tử kết

DAIHOC QUOCGIAHANOL

TRƯỜNG DẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Đỗ Dinh Khai

LAP TRINH KIEM SOAT NHIET DO

THIET BI PHAN UNG HOA HOC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KIOA HỌC

Ila N@i — 2012

ĐẠI HỌC QUỐC GIA IIA NỘI

TRUONG ĐẠI TIỌC KIIOA HỌC TỰ KIIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hưởng dẫn khoa học: TS Hoàng Văn Hà

Hà Nội — 2012

MỤC TỤC

TOT CAM ON

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

LỠI NÓI DẦU

CHUUNG 1 TONG QUAN

1.1.1 Khái niệm và các ưu nhược điểm trong quá trình sử đụng 15

1.1.3.2 Một vải phương pháp lông hợp 19 1.2 Thiết kế thiết bị rao đổi nhiột, ¬ 34

1.2.1 Một vải thiết bị trao đỗi nhiệt thường gặp

1,3, M6 phéng qua trink sứ dụng Matlab_ Simulink ¬

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỬU VÀ TÍNH TOÁK 34

3.5 Nhiệt đụng riêng, Tre 3

3.1, Bién thién néng dé cac chat và độ chuyển hóa

3.2 Kiểm soát nhiệt độ cho quá trình truyền nhiệt trong thiết bị CSTR 84 3.3 Ảnh hưởng của các điều kiện phản mg tới việc kiểm soát nhiệt độ phản

3.3.1 Kết quả mô phông Smulink khi các điêu kiện phản ứng được giữ ôn

3.3.5 Kết quả mô phông Simulink khi thay đổi đồng thời lưu lượng dong

cấp nhiết, nhiệt độ và lưu lượng dòng nguyễn liệu ¬—

TAL LIBU THAM KHAQ.Q.wcececcescscassscisssssenesoitensseee

Bang 1.1 Tiêu chuẩn chất lượng bíodiczen của ASTM D 6751

táng 1.2 Tiêu chuẩn chất lượng biodiezen của EN 14214

Tháng 1.3 Hiệu suất bị ảnh hưởng bởi thời gian và nhiệt độ phẩm ứng

tảng 2.1 Thành phân axit béo bong đầu fin Simply

Bang 2.2 Thanh phan axit béo chính trong dau ăn Simply

Bang 2.3 Cac gid trị hằng số kạ, ào Sen ¬—

Bảng 2.4 Năng lượng hoạt hóa

Sự phụ thuộc khối lượng riêng của dầu an vào nhiệt độ

Sự phụ thuộc khối lượng riêng của metanol vào nhiệt độ

Sự phụ thuộc khối lượng riêng của glyxerol vào nhiệt độ

Sự phụ thuộc khối lượng riêng của nước (p+) vào nhiệt độ Nhiệt dụng riêng của đầu dậu nành phụ thuộc nhiệt độ

Bang 2.10 Nhiệt dung riêng của metanol phụ thuộc nhiệt dộ

Bang 2.11 Nhiệt dung riêng của nước phụ thuộc nhiệt độ

Bảng 2.12 Lộ dân nhiệt của metanol phụ thuộc nhiệt độ

Bảng 2.13 Lệ dần nhiệt của nước phụ thuộc nhiệt độ

Bảng 2.14 Lệ nhớt dẫu đậu nành phụ thuộc nhiệt độ

Bảng 2.18 Dộ nhớt của metanol phụ thuộc nhiệt độ

Bảng 2.16 Dộ nhớt của plyxerol phụ thuộc nhiệt độ

Bảng 2.17 Dộ nhớt của nước phụ thuộc nhiệt độ

36 .38

4

AL

Bảng 2.18 Độ nhới mot var mety] este phụ thuộc nhiệt độ 3Ø

Bang 3.1 Nang độ các chải tại thời điểm kết thúc phẩu ứng tại chế đỏ khuây

Re la 6200 va các nhiệt độ khác nhau TB

Bang 3.2 Néng dé este tai thời điểm 1500 giây ở các nhiệt độ khác nhau , 79

Bang 3.3, Thời gian đạt nồng dộ sste mong muốn ở các nhiệt độ khác nhau

ĐANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sự phụ thuộc định tính của các sân phẩm theo thời gian 2

THình 1.2 Thiết bị trao đôi nhiệt kiêu ông tong ông a 24 Tình 1-3 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu giản lưới - 25 Finh 1.4 Thidt bi tray déi uhiét kiéu dng eh 25 Hình 1.5 Sơ dễ thiết bị trao dỗi nhiệt kiểu ông xoắn ¬.- Hình 1.6 Thư viện các khỏi chuân trong, 3imulink "¬ 32 Hình 1.7 Mê hình mỏ phóng giá tri khéi luong riéng cia metanol thay déi

khi nhiệt dộ thay dỏ 33 Hình 1.8 Biến thiên nhiệt độ và sự thay đổi giá trị khối lượng riêng của

Tình 2.1 Sơ đồ mỏ phỏng thiết bị truyền nhiệt 34 Tình 2.2 Phố đỏ xác định thành phần axit béo trong dâu ăn Simply 36 Tình 3.1 Biến thiên nêng độ các chất của quá trình chuyến hóa dầu đậu nành

trong 60 phút ở 50°C và Re 6200 theo kết quả thực nghiệm của Noureddini

12

trong 6Ö phút ở 50%U và Re 6200 mô phỏng trong Exeel, cuoi 72

1inh 3.3 Biến thiên nễng độ các chất cúa quá trình chuyển hóa dầu đậu nành

trong 60 phút ở 50%C và Re 6200 mô phóng trong Matlab "-

Tĩnh 3.4 Biển thiên nổng độ các chất của quá trình chnyển hóa dầu đậu nành

trọng 60 phút ở 335C và Re 6300 mô phông trong Exeel 73

Hình 3.5 Biến thiên nống độ cáo chất của quá trình chuyển hóa dầu dâu nành trong 60 phut 6 55°C va Re 6200 mé phéng trong Matlab „73 Hình 3.6 Biến thiên nằng độ các chất của quá trình chuyển hỏa dau dau nành trong 60 phút 6 60%

Tĩnh 3.8 Bién thién néng độ các chất của quá trình chuyển hóa dầu đậu nành

trong 60 phil 4 65°C v4 Re 6200 ind phémg trong Excel 75

Tình 3.9 Biến thiên nồng độ các chất của quá trình chuyên hóa dầu đậu nành

trong 60 phút ở 639C va Re 6200 mé phéng trong Matlab T5

Tình 3.10 Ảnh hưởng của nhiệt đỏ và thời gian tới độ chuyên hóa tạo các

metyl este ở Re 6200 theo kết quả thực nghiệm cúa Noureddini (8) 30°C,

(A) 40°C, (A) 50°C, (#) 60°C, (0) 70°C coe 76 Tình 3.11 Biến thiên giá trị đê chuyên hóa của phản ứng chuyển đổi este

Hình 3.16 Ảnh hưởng nhiệt độ và thời gian phần ứng lên độ chuyển hỏa lại

50°C, ( À ) Re là 6200, (a) Re là 12400, theo thực nghiệm của H Noureddia

82

1lïnh 3.17 Biển thiên giá trị độ chuyên hóa của phán ứng chuyển đổi este

trong 60 phút, Re là 12400, nhiệt độ 50%7 mô phỏng trong Matlab 83

Tĩnh 3.18 Biển thiên nổng độ các chất của quả trinh chuyên hóa dầu đậu

nành trong 60 plnit & 50°C va Re 12400 mé phéng trong Matlab 84

Tỉnh 3.19 Dữ liệu xác đình điểm hoạt động ổn định trong tiết bị CSTR 83

Hình 3.20 Độ chuyển hỏa tại giá trị khảo sát mô phông trong Sinulink 88

Tình 3.21 Nhiệt độ trong quá trình vận hành ôn định ¬ 88 Tình 3.22 Nhiệt dộ dòng cấp thay đổi khi nhiệt độ dòng nguyên liệu thay đối

Tinh 3.26 Tệ số truyền nhiệt chung thay đổi khi lưn lượng đòng cấp thay đối

92

Hình 3.27 Giá trị độ chuyển hóa không đổi trơng thời gian phân ứng kÈn thay

Hình 5.28 Độ chuyển hóa thay đổi khi nhiệt độ phần ứng vá lưu lượng dòng

Hình 3.29 Nhiệt dô dòng cấp nhưệt thay đối kia nhiệt đồ nguyên liệu vả lưu

lượng dòng cấp thay dỗ "¬ "¬- OB Hinh 3.30 Độ chuyển hóa thay dồi khi nhiệt độ đong nguyên liệu, lưu lượng, dòng nguyên liệu và lưu lượng dòng cấp nhiệt thay đối DA

Tinh 3.31 Nhiệt độ dòng cấp nhiệt vào và ra thay đôi khi nhiệt đó dong

nguyên liệu, lưu lượng động nguyên liệu và lưu lượng dòng cấp nhiệt thay đối

98 Hình 3.32 Nhiệt độ nguyên liệu thấy đổi theo đang hình sin 96

Hình 3.33 Độ nhớt hỗn hợp phẩm ứng thay đổi theo chiêu nghịch với sự thay

LOT NOT DAT

Tai Việt Nam, các thí nghiệm vẫn thường được tiến hành theo quy

trinh: làm thí nghiệm, thu được kết quá, xử lý kết quả và đánh giả tháo luận Tiểu này gây tốn thời gian va công sức làm thực nghiệm Nhằm nắm bắt được biến đổi của phản ứng và các điều kiện cẩn thiết để đạt yêu câu sản phẩm

mong muốn, chứng tôi lập trình mô phông phân ứng trước khi tiến hành thực

nghiệm Tử kết quả mô hình chủng tôi so sảnh với thực nghiệm dé danh gia

dộ chỉnh xác và hiệu quả mỏ hình mang lại, tử đỏ sẽ áp dụng với các hệ phản

ứng tương tự khác, Các yêu tổ quan trọng ánh hướng tới phán ứng hóa học là

nhiệt đô, tốc độ khuấy trộn Trong luận văn này chúng tôi lựa chọn nhiệt độ

là đổi tượng cân kiếm soát va lay tên để tài là:

“1L ập trình kiểm suất nhiệt độ thiết bị phân ứng héa hoc”

Bé co ý nghĩa hơn trong Hưực tiên và có hướng phát triển để tài trong tương lai, chủng tôi lựa chọn phẩn ứng chuyển đổi csto trong sản xuất biodiezen, 1 phan img thuận nghịch diễn ra theo nhiều bước, dễ thực hiện

Chúng tôi sử dụng phần mềm Matlab Simulink dễ lập trình tỉnh toái

và mô phỏng động học của phản ứng trên đẳng thời khảo sát quá trình truyền nhiệt trong tiết bị từ đó kiểm soát, điều khiển nhiệt độ phản ứng nhằm dat yêu câu độ chuyên hóa đặt ra

Đã Định Khái

CHƯƠNG 1 TÔNG QUAN

1.1 Biodiezen

1.1.1 Khải niệm và các wn nhược điểm trung quả trình xử đụng

Biodiezem hay diczen sinh hoc là hồu hop este cia glyxerol va axit béo

cha yéu 1a mety] este (Matty Acid Methyl Ester FAME) Chung được tạo ra

bồi sự chuyến đối este của đầu thực vật hoặc mỡ động vật (nhóm các triglyxeri) và rượu metanol hoặc etanol Chứng là sản phẩm không độc hại,

có khả răng phần hủy sinh học vẻ lái tạo nhằm thay thể nhiên liệu diczen

truyền thống,

Biodiezem là chất thay thể hoặc trộn với petodiezen một cảnh đễ đảng

tạo ra diezen sinh học pha trộn Hàm lượng 2 5% biodiezen trong nhiền liệu

đảm bão tránh các nhược điểm kỹ thật của biodiezen thuận túy và đã được

sử đụng ö một số nước như Pháp, Disc, Ao, My (National Biodiezen Board, USA)

Một trong những uu chém via diezen sinh hoe la kha ning tai tao Stir

dung biodiezen giúp giảm dang ké lugng CO» (gidm higu img nhà kinh),

hidrocacbon dư thừa, CO, 8s, NOx, các hợp chét thom va byi Diezen sinh hoc cimg an toan hơn với môi trường do tính chất đễ phân hủy, độ độc thấp và

điớp cháy cao

Tuy nhiên biodiezen bị đông đặc kh thời tiết kmh xuống dưới 5° (điểm sương) Hiện nay có nhiều vồng trình nghiên cứu cáo xúc tác, phụ gia

dễ làm giảm điểm đồng đặc của biodiezen

Do dé bj phan huy bang sinh học nên biodiezen không bản Dễ bị ôxi

hóa và nước tích tụ sẽ làm xảu đi các tỉnh chất cúa biodiezen sau một thời

15

gian lưu trữ Ở các động cơ diczen có bộ phun nhiên liệu trực tiếp khi động cơ được vận hành có thời gian chạy không tải lâu, lượng nhiên liệu phun cảng it thi chất lượng phân tán của miệng phưn cảng giám và vị thể có xu hướng hình thành những giọt nhiên liệu không cháy bám vào thành xỉ lanh sau đỏ là đi

vào hệ thống tuần hoàn bồi tron Tai day do nhiệt độ cao, độ bền hóa học của biodezon kêm nén bi phân hủy dần bạo ra cáo cặn rắu hoặc keo bán cặn vào

thiết bị

Và một vẫn để quan trọng nữa cầu đặt ra là an nình lương thực nếu tịnh phướng phát triển nông nghiệp lẫy nguyên liệu sẵn xuất điezen sinh học

1.12 Các tiêu chuẩn kỹ truật

Biodiezen 100% hay 100 chứa hàm lượng biodiezen cao nhưng không tương thích với các động cơ vì vậy chúng được pha trộn với các tỷ 18,

tiêu chuẩn khác nhau phụ thuộc tỉmg quốc gia, khu vực Có 2 bộ tiêu chuẩn

duoc sit dung 1a ASTM D 6751 va EN 14214

Tiéu chudin ASTM D 6751: Tiga chuan đánh giá của Mỹ, viết tắt cụm từ American Society for Testing and Materials Day la tiéu chuan cho biodiezen dimg đề pha trộn tới 20% thể tích với phân đoạn cất trung binh thu từ đầu mỏ Bảng 1.1 Tiêu chuẩn chất lượng biođiexen của ASTM D 6751 (asbm.org)

Nhiệt độ chớp cháy cốc kin | ASTM D 93 93mm = [°C

(một trong hai yêu cầu sau}

1 Tiàm lượng metanol EN H110 0/2max |% khối lượng

2 Chứp chảy ASTM D 93 130 mint °C

Ham lượng nước vả cặn ASTM D 2709 0,05 max | % thé tích

Ham hrong cin cacbon ASTM D 4530 0,05 max | % khối lượng

(100% mẫu)

Tiềm lượng tro sunphat ASTMD 874 0,02 max | % khối lượng

Độ nhớt động học ö40C |ASTMD 445 19-60 | cSt

Tiềm lượng hưu huỳnh

Ấn mớn mãnh đồng ASTM PD 130 No 3 max,

Hàm lượng glyxerimtựdo | ASTM D 6854 0,02 max | % khdi lượng Tổng hàm lượng glyxerin | ASTMD 6834 024max | %4 khối lượng

Tri số xetan ASTMD 613 17 min

Diễm sương ASTM D 2500 Bao cao °C

Nhiệt độ cất, 90% thé tich,

Téng him lượng Ca, Mg |BN 14538 Smax |mg#kpg

Tổng hàm luong Na, K TEN 14538 Smax |mg#kg

‘Dé &n dinh oxy hóa TN 14112 3min Bid

1 cSt = 1 cm 4

Tiêu chuẩn EN 14214: Tiêu chuẩn đánh giá được đưa ra bởi Ủy bạn Tiêu chuân Chiu Au European Committee for Standardisation (CIN —

Comité Européen de Nonnalisation, France)

Bang 1.2 Tiêu chuẩn chất lượng biodiesen của BN 14214 (solarix.eu)

Thông số Thương phán | Đơn vị

Tỷ trọng ENISO 3675 | kgén3 860 900

Thiêm bắt cháy DINTN 22219 |*C >» 120

TIầm lượng sunfta TSO CD 20846 | mg/kg <10

1làm lượng cặn cacbon TNI8O 10870 |W%@mánm) -<0,3

‘Tro sunfat ISO 3987 %(m/im) <U,02

Tổng hàm lượng nhiễm bản EN 12662 me/ke, <24

Độ ôn định oxy hóa prEN 14112 Giờ =

‘Ham lugng methanol prEN 14110 % (mim) <0,20

Ham lueng glycol don prEN 14105 % (nim)

Ham lugng diglycol PIEN 14105 | % Gu4u)

Ham lugug triglycol PEN 14105 | % Gu‘)

1.1.3 Tang hop biodiezen

1.1.3.1 Mội vài nguyên liệu phố biến

Việc ling hop biodieven thường đi từ các nguồn đầu thực vật và mỡ động vật Chúng có thành phần khác nhau tuy nhiên chủ yéu bao gồm axit

oleic, axit linoleie, axit linolenic, axit panmitic, axit stearic, các axit béo kháe

và nước, Một số nguyên liệu hay sử dụng như:

«e- Cây cải dầu chữa 40 — 42% ham lượng đầu tính theo trọng lượng khô

© Dau cọ chứa khoảng 43% chất béo no, 43% chất béo chưa no đơn chức

và 13% chất béo chưa no đa chức,

© THại can sưu có hàm lượng dầu chiếm khoảng 40 — 60%

«Ẳ Dầu đậu nành có thành phản axit béo chú yêu 1a axit linoleic (50

57%) va axit oleic (23 — 29%)

« Dầu dừa chứa cae axit béo lauric (44 — 52%), myristie (13 — 199%),

panmitic (7,5 10,59%) làm lượng axit béo không no rất it

« Dầu lạc chứa chủ yêu aut oleic (50 — 63%), linoleic (13 — 33%),

pammitic (G 11%), Ham lượng axit béo khác không nhiễu

© Dấu vimg chita cic axil béo oleic (33 — 48%), linoleic (37 — 48%), panmitic (7 8%), stearic (4 6%)

Bén canh dé con rat nhiéu nguén nguyên liệu khác có thể sứ dụng như đâu ngô, đầu bỏng, đầu hướng đương, mỡ cá, mỡ lợn, đâu mỡ thải,

1.1.3.2 Một vài phương pháp tổng hợp

Phương pháp cơ bản đầu tiên và phổ biển được nghiên cứu ở nhiều quốc gia để sẵn xuất biodiezen là phương pháp điểu chế trong bê khuấy gián đoạn, xúc táo kiểm hoặc axit dé chuyển đổi esie giữa dâu hoặc mỡ với rượu (Knothe G., 2005; Gerpen J Van, 2004) Trong quá trình xúc tác động thể,

kiểm thúc dẫy phản ứng nhanh hơn axit nên dược dùng phổ biển, muội số xúc tác kiểm sử dụng phố biển nh NaOH, KOH va mudi tương ứng của metanolL

‘Tae nan Ia ion ClsQ" duge tao thanh trong dụng dịch rượu:

Anion C11;0” tén sông vào trung tâm mang điện tích dương của liên kết

CƠ, sau đó là sự phân tách phần tổ este ra khỏi triglvxeriL và tạo thành phân

Cơ chế này lặp lại tới khi tạo thanh phan ti glyxerol

Nhược điểm khi sử dụng NaOH và CHẠOH là tạo HạO Nước gây thủy

phân gÌyxerol và oste tao thành làm giảm hiệu suất phản ứng, đồng thời sinh ra

axit béo tự do Axit béo ty do làm tiêu hao xúc tác kiểm, hình thành xà phòng TRCOONa gây khó khăn cho việc tách lớp glyxerol và làm sạch sản phẩm sau này Vì vậy đòi hồi nguyên liệu có hàm lượng nước và axit béo tự đo thấp

n lốc độ và hiệu suất phân ứng là sự khó hòa lan

metanol vào đầu vi vậy cần tăng nhiệt độ, tốc đô khuấy nhất là ở thời diễm bắt dâu phẫn ứng Ngoài ra còn phụ thuộc tỷ lệ rượu : dằu, lượng kiểm, loại rượu

Măng 1.3 Hiệu suất bị ảnh lưưởng bởi thời gian và nhiệt độ phần ứng (Änothe

G., 2005; Gerpen J Van, 2004)

Thời gầm phan ung THiệu suất este (% khỏi lượng)

(phut) Metanol, 60°C | Fianol, 75°C 1-bulanol, 114°C

Thơ mm Tình 1.1 Sự phụ thuộc định tính của các sản phẩm theo thời gian (Knaihe

G., 2005; Gerpen J Van, 2004)

Nhéng niin gén day diét bi dug dong ndi bat lau 1a dt cach Gén hank

phan ứng hóa học ưu việt, được ứng dụng voi quy mé tir nhé dén Jon (Cintas Pedro, 2010) Két hop séng siéu 4m trong thiét bị ông dòng mang lại hiệu quá cao cimg nhu giém năng lượng tiêu thụ Thời gian phản ứng khoảng 10 — 20

phúi, tiến hành ở nhiệt độ phòng, sản phẩm tình khiết hơn, hiệu suất quả Irình

có thể dại 90 đến 100% tủy diều kiện tiến hành (Mguyln Hồng Thanh, 2009)

Sóng siêu âm có thể thúc đây tốc dộ phân ứng lên gấu ] thiêu lẳn do không tương tác với các phân tứ để tạo ra thay đổi hóa học (do bước sóng lớn

hơn nhiều kích thước phân tử) mà tạo ra các lễ hồng trong lòng chất lỏng gây

ra nhiệt độ và áp suất cục bệ rất lớn Ví vậy đây là phương pháp rất hiệu quả

đối với các loại dẫu, mỡ thấi sau sử dụng, dầu raỡ chứa nhiều nước và hàm

lượng axit béo tự do cao Có thể sứ dụng phương pháp siêu äm liên tục 2 bude dé san xuất biodiezen tử dẫu ăn phế thái Chất lượng sản phẩm đạt tiểu

chudn EN 14214 (Thanh Le Tu, 2010; Llingu Shishir M., 2010; Cintas Pedro, 2010),

Phương pháp khác hay sử dụng là sử dụng xúo táo đi thể Sử dụng các

xúc lác rắn mưmg lại hiệu suấi cao, giảm thời gian phân mg, giảm lượng xúc

2

tác cũng như lượng xmctmol cần sử dung va don giản hơu trong việc phân

lắc siêu axit ấm của SnQ¿ sunphat hỏa, Z1Ó¿ và zicon vơnlanal (WO¿/72O‡)

vì cho hiệu suất cao trên 90% (Furulaa Saloshi, 2004) Phân ứng thường tiêu

hanh ở 200 300°%C

Dổi với dầu mỡ thải chứa nhiều axit béo và nước có thể sứ dựng

phương pháp cố định lipaza trong hệ thông phản ứng xùc tác đạng tẳng nén (Chơn Ymngmring, 2009) Phương pháp này gặp hạn chế đo giả thành lipaza

cao, hiệu suất có thể đạt tôi da khoảng 9194

Thường phương pháp xúc tác dị thể gắn liễn với các loại thiết bị phản ứng như thiết bị dạng tảng nén cổ định (JJưma Shigi, 2007; lu Pengmei, 2010), cỗ định xúc tác kẽm amophot rin (Murutaa Satoshi, 2006), thidt bi

mang (Dube M.A., 2007; Hasanogli Ayca, 2009; Cheng LicHua, 2010),

giúp cô dmh và hú hồi xúc tác miột cách thuận lợi

Bên cạnh đỏ còn rất nhiều phương pháp sử dụng thiết bị phân ứng khác dược thiết kế nhằm nang cao hiệu suất, giảm thời gian phân ứng và các sẵn phẩm phụ khổng mong muốn như phương pháp điện phân chuyển đổi metyl

esie của các axit béo với hiệu suất cao (> 97%) thậm chỉ có mặt lượng lớn

nước (cao 2% khối lượng tổng hỗn hợp phản img) (Guana Guoging, 2008), phương pháp sử dụng thiết bị mảng trong thiết bị phần ứng đồng thể gián

don (Cheng [.i-Fiua, 2018), phường pháp cột trao dỗi mon sử đụng trong bễ

phan ứng dạng nén mở rộng (Sibasaki-Kitakawa Naomi, 2007) hoặc phương

pháp sử dụng như thiết bị phản ứng vi kênh ⁄4g⁄sg cho hiệu suất lên tới trên 99% (en Zhenzhong, 2009),

1.2 Thiết kế thiết bị trao dỗi nhiệt

1.2.1 Một tài thiết bị trư đôi nhiệt thường gap

Trong thực tế có rất nhiêu loại thiết bị trao đỏi nhiệt được thiết kế phụ

thuộc vào nhu cần, mục đích sử đụng khác nhau thí khae nhau Nhưng có thể phân ra thánh các loại phố biến như sau:

+ Loại gián tiếp: Truyền nhiệt qua bể mặt phân cách

| Loai héi nhiệt: Truyền nhiệt qua bộ tích điện

! Loại hỗn hợp: Các chất tải nhiệt tiếp xúc trực tiếp với nhau

Dưới đây là một vài thiết bị trao đối nhiệt kiểu giản tiếp

1 Thiết bị dạng ống lổng ông: Gồm hại ống lổng vào nhan và thường

được cuộn lại cho gọn Chất tải nhiệt Ï đi vào khoảng không gbm giữa lai

ng, chất tải nhiệt II di trong ống trong có thê củng chiều hoặc ngược chiều với chiều của chất tải I Thiết bị này có ưu điểm cầu tạo đơn giản, có thế điều khiển tếc độ lưu chất lớn, hệ số truyền nhiệt lên Tuy nhiên do cầu tạo lỏng

ng nên khó làm sạch bê mặt truyền nhiệt và kích thước cổng kênh

+ Thiết bị dạng giàn tưới: Lưu chất nỏng đi trong ông, môi chất lạnh

được tưới đều lên bề mặt truyền nhiệt Thiết bị có cau tao đơn giản, sử dụng

lương môi chất lâm mát ít tuy nhiên công kênh, bẻ mặt truyền nhiệt nhỏ

cao, kết cầu chắc chắn, gon gang Tuy nhiên khó chế tạo được từ các vật liệu

giòn với nhiệt như gang, thép silie giá thánh đắt

ốc gọi là xoắn ruột gả Ông xoắn chửa chất tải nhiệt I được đặt trong khoảng không gian thiết bị chứa chất tải nhiệt II Thiết bị nảy có ưu điểm thiết kế đơn

giản, đề kiểm tra sửa chữa nhưng cỏng kẻnh, hệ số truyền nhiệt nhỏ do hệ số cấp nhiệt bên ngoài bé, trở kháng thủy lực lớn hơn với ông thẳng và khó làm sạch phía trong Ông

+ Thiết bị dạng vỏ bọc ngoài: Vỏ bọc ngoài được

ghép vảo vỏ thiết bị tạo thành khoảng trồng ở giữa đề chất

tải nhiệt đi vào Thiết bị này được ứng dụng khi không thể

đặt được ống xoắn ruột gà hay ông chùm ở trong thiết bị khi

có cánh khuây

1.2.2 Tính toán truyền nhiệt

Nhằm tính toán thiết kế thiết bị và qua trình trao đổi nhiệt ở chương sau, chúng tôi tìm hiểu một vải trường hợp truyền nhiệt hay gặp

Đối với vách phẳng một lớp, lượng nhiệt truyền ¡

qua lả lượng nhiệt truyền từ môi trường I toi be mặt

vách bằng dẫn nhiệt qua vách và bằng từ vách tới môi

trường II

Goi a, a lần lượt là hệ số tỏa nhiệt (W/m2.độ),

 là hệ số dân nhiệt (W/m.độ), ổ là bê dày vách (m), &

(W/m độ) là hệ số truyền nhiệt chung thị:

Khi hai môi chất chuyên động để thực hiện quá trình truyền nhiệt thì nhiệt độ của hai chất tải nhiệt thay đổi theo vị trí bề mặt trao đổi nhiệt Qua trình nảy là truyền nhiệt biến nhiệt và hiệu só nhiệt độ trở thành hiệu số nhiệt

độ trung bình 47» và giá trị này phụ thuộc vảo chiều chuyển động của hai môi chất (củng chiẻu, ngược chiêu, chéo, hỗn hợp)

+ Trường hợp chuyên động củng chiêu:

Tình 1.5 Sơ đề tiết bị trao đôi nhiệt kiểu ống xoắn

Gọi 7, là chiêu dài ông, đ, là đường kinh ngoài, lượng nhiệt cần cấp:

Q@ =U,F.ATa = Úo(.a.dj I1â (W) (1.21)

Gọi ống xoản có đường kính trong đ, (m), đường kính ngoài d, (m) thi dường kính trung bình và clnểu đây ông xuân lần lượt là

Gọi d, là đường kính thiết bị, 7, là chiêu đải cánh khnậy, ÄV là tốc độ

khuấy thì bệ số truyền nhiệt của lưu chất chảy ngoài ông xoắn ño:

Cae gia tri # va ha tinh dugc thay vao phuong trinh (1.24) tinh được hệ

sé truyén nhiét trang binh U; va giá trị nhiệt wong cin cung cdp Q

13, Mé phéng quá trình sử dụng Matlab — Simulink

Matlab la ngén ngit lập trình cấp độ cao và là môi trưởng tương tác cho các tính toán sổ, hiện thị trực quan và lập trình Matlab cho phép phân tich dit liệu, phát triển các thuật toán, tạo ra các mô hình và các ứng đụng Ngôn ngữ lập trình, các uông cụ và các hảm toán học được xây dựng sẵn trong Matlab

cho phép chúng ta khám phá nhiều cách tiếp cận vấn dé va thu được lời giải nhanh hơn các phần mềm bảng tinh hoặc các ngôn ngữ lập trình truyền thông

như C, C++ hay Java Ngoài ra có thể tự định nghĩa các hàm con phục vụ nhụ

cầu ông việc riêng

Vi đụ tạ có một lập dữ liện hồi quy theo đường cong bậc 2

Ta có thể tạo hàm riêng ví dụ hàm giải phương trình bậc 2, đặt là

bac2.m được soạn như sau:

>> bac2(1,-2,1) %V6i 1, -2, 1 tương từng với hệ số a, b, e của x°~ 2x + 1 = 0

Matlab duoc str dung trong rat nhieu ửng dụng bao gẻm cả xử lý tin hiệu và truyền thông dữ liệu xử lý hình ảnh và video, kiểm soát hệ thông, kiểm tra và đo lường, tính toán tài chính vả sinh học Hơn một triệu kỹ sư và

các nhà khoa học sử dụng Matlab, ngồn ngữ lập trinh tỉnh toán kỹ thuật, trong công nghiệp và nghiên cứu khoa học

Simulink lả môi trưởng sơ đồ khỏi cho việc mô phỏng đa miền vả thiết

kế các mô hình cơ ban Simulink hồ trợ thiết kế hệ thông cao cấp, mô phỏng,

tự động tạo mã nguồn và tiếp tục kiểm tra, đánh giá hệ thống được nhúng

trong môi trường

Simulink cung cấp công cụ đồ họa, các thư viên khối tủy chỉnh, xây

dựng mô hình và mô phỏng các hệ thông động Chúng tương tác với Matlab,

cho phép tích hợp các thuật toán của Matlab vào mô hình và xuất kết quả mô phỏng ra Matlab đề tiếp tục phân tich kết quả Nghĩa lả để mô phỏng hệ thông

đang được mô tả ở dạng phương trình vi phân, tích phân, phương trình trạng

thái, hàm truyền đạt, thì cần chuyên các mã lệnh trong Matlab (dang m-file) sang các khỏi khác nhau trong Simulink theo câu trúc cần khảo sát

Môi trường làm việc của Simulink bao gồm các khối chuẩn trong thư viện gồm các khối Sources (khỏi nguồn phát tin hiệu), khối Sinks (khôi hiển thi ket qua), khối Continuous (khỏi hảm tuyến tính), khối Discontinuities (khối hàm phi tuyến), khối Dierete (khối tin hiệu rời rạc), khỏi Math

Operations (khối các hảm toán học), và các khối riêng biệt dùng cho các

lĩnh vực khoa học khác như sinh học, mạng noron, tự động hỏa

Fle fot Vinw Hep [+ Enerseerchtem iia lấƒ

Í LEawy SmulnldCennen Uaed 8&os | Search Resuts (1 «|r

Hình 1.6 Thư viện các khối chuẩn trong Sừnulink

Ví dụ mô phỏng biên thiên giá trị khỏi lượng riêng của metanol khi nhiệt độ thay đổi Mô hinh Simulink được thiết kế với khối giả trị nhiệt độ ban đầu là 25°C, biển đổi theo dạng hình sin với biên độ 1°C Khối khôi lượng riêng của metanol sử dụng khỏi Matlab Fen dé lay co sé dit liu tir ham roMe.m (hàm các giá trị khối lượng riêng của metanol theo nhiệt độ) Kết quả

mô phỏng trong 10 giây được hiển thị trên đồ thị là đường cong giá trị đô

nhớt biển thiên theo nhiệt độ và đường cong biển thiên nhiệt độ

Ham roMe.m soạn trong M-Eile nhu sau (The Engineering Toolbox):

function roMe = roMe(nhietdo)

Tee Khoi luơngrieng Netanol —— Bienbien

thoi lương rieng Metanal

>|

sine Wave Bien thien ahiet do

thao tín hÏau hình in

Hình 1.7 Mô hình mô phóng giá trị khối lượng riêng của mefanol thay đổi

khi nhiệt độ thay đôi

Thời gian (gay) “Thời gian (øiây)

Hình 1.8 Biến thiên nhiệt độ và sự thay đôi giá trị khối lượng riêng

của metanol khi nhiệt độ thay đôi Kết quả trên cho thây khi nhiệt độ tăng thi giá trị khỏi lượng riêng của

metanol giảm vả ngược lại.

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TOÁN

2.1 Đặt vấn đề

Đông học của phản ứng chuyển hoa este điều chế biodiezen được nghiên cứu bằng cách tiền hành phản ứng giữa dầu đậu nành và metanol trong,

môi trường kiểm bởi thiết bị khuây gián đoạn tại các điều kiện nhiệt độ khác

nhau nhằm khảo sát sự biên thiên nông độ các chất và độ chuyên hóa trong

Việc nghiên cứu động học phân ứng biodiezen hóa và quá trình truyền

nhiệt, kiểm soát nhiệt độ được lập trình tính toán vả mô phỏng sử dụng ngôn

ngữ Matlab — Simulink

Hình 2.1 Sơ đồ mô phỏng thiết bị truyền nhiệt

Bản toân được dặt ra cụ thể như sau:

Tiến hănh phản ứng biodiezen hóa long thiết bị phản ứng khuấy giân doan với nguyín liệu dầu dậu nănh vả motanol trong môi trường kiểm Tỷ lệ mol của metanol : đầu lă 6 : 1 Cô định khoâng 0,2% khối lượng NaOlI so với

lượng đđu Tốc độ khuấy trộn tương ứng với Re lă 6200 Nhiĩt 46 phin img

lần lượt lă $0°C, $5°C, 60°C va 63°C Tiĩn hănh phản ứng dưới âp suất khí quyển trong 60 phút (Tý, Noweddini, 7997) Khao sât sự biển thiín nông độ

câc chất vă độ chuyển hỏa tại câc nhiệt độ khâc nhau?

Sau dó tiển hănh phản ứng trín đốt với thiết bị CSTR hình trụ có dường

kính 72s, bín ngoăi được bâo ồn coi như hoăn toăn Cảnh khuấy cö đường kính 7 ứm) quay với tốc độ ÔY (s1) Nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng được giữ ở

T (°C) bang tuan hoăn nước nóng với hưu lượng khỏi lượng Ở (kg/3) chảy qua

cuộn ông xoắn ruột gâ có dường kinh vòng xoắn 72 (in) được lăm bằng hợp kim inox 304 theo chuẩn AlSI có độ dẫn nhiệt &, (W/m.K), ống xoắn có

đường kinh trong đ ứn), đường kinh ngoăi đ; (m) Dộ chính nhiệt độ trưng

bình câc mỗi chất trong vă ngoăi ổng xoắn lă ATs Ninĩt trở truyền nhiệt do bảm cặn bín trong ông xoắn lă 7⁄z (m°.K/V), nhiệt trổ truyền nhiệt do bâm cặn bín ngoăi ông xoắn lă 7⁄2 (m”,K/W) coi như khổng dang kể Xâc định nhiệt lượng @ (W) nước truyền cho hỗn hợp qua ống xoắn để duy trì nhiệt độ phản ứng, biển thiín nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng vâ đồng cấp trong toăn

bộ quả trình chuyển đổi este?

Câc thông sỏ vật lý của nước ở nhiệt độ trung bình: Ôø, /a, Cpụ, Ø¡

Câc thông số vật lý của hôn hợp phan img 6 T°C: ke, uz, Cor, 22

2.2 Thành phân dầu đậu nành nhãn hiệu Simply

Tuần văn sử dụng dầu đậu nành là đối tượng cho việc tinh toan động

học phân ứng chuyển dồi cste và mô phỏng quả trình truyền nhiệt từ nguồn cấp vào hỗn hợp phản ứng Thành phẩn axit béo của dầu ăn Simply ngoài thị trường được xác định bằng phương pháp GC - MS Dầu ăn được mety] este hoá bằng metylat natri trong, metanol 5% (khối hrợngAhế tích), sau khi chiết bằng mhexen Thú dược melyÏ exie của các sxït béo Kết qua phân tích dược trù bày dưới day

Hình 2 2 Phổ đồ xác định thành phân axit béo trong dẫu ăn Simply

Băng 2 1 Thanh phan axit béo trong dầu an Simply

5 [cle Undecanoic axit 0 °

36

Băng 2.2 Thành phẩn axit báo chính trong déu én Simply

1 CI6:0 Palmitic axit 8,980

2 CI8:0 Stearic axit 3,381

C18:2 có hàm lượng lớn nhất (65,41%), Ngoài ra, xuột số axit khác béo khác

cũng có hàm lượng tương đối cac như axit oleic Cl&] (21,49%), axit

palmitic C16:0 (8,989) và axit stearic C18:0 (3,381%)

2.3 Động học của phản ứng chuyên di este Phin ứng thủy phan đâu mỡ bằng metanol trong môi trưởng kiểm:

(2.1) Với ïR là các gốc hydrocacbon

36

Thừa nhận cơ chế phân ứng diễn ra theo ba bước như sau:

Phần ứng trên được viết ngắn gọn:

k,l,

k,, E, k,, F,

| 9G, DG, MG, G, Me, E Wn luot 18 trglyxerol, dighyxerit, monoglyxeral, glyxerol, metanol va metyl este

+ k (i=1, ,6), Hing sé téc dé phan umg (mol/L.s}

+, G-1, 6): Nang luong hoat héa (mol bode cal/mol)

Tại thời điểm trước khi phản ứng

39

—nrø= ố.nụ; nên giả thiết ng = 6 mol và mực = 1 mol,

npg — Tụg — nợ — ng — 0 mới (do chưa hình thành) Gọi ø (T2 là khối lượng riêng và MỸ (gÁnol) là khôi lượng mol phân lữ

cia TG va Me tại nhiệt độ phản ứng thị thể tich phản ứng:

pte Mrs | Mu Miw ý

Nông độ các chất 6 then didm bat dau hoa trén (mol/L):

[T8] = nøV, [Meli = nưưV, [DG = [MG] = [Gh = [Eh = 0 do chua hinh thanh

Công thức trên được áp dụng với thiết bị khuấy gián đoạn Đôi với thiết

bj CSTR, do nguyén liệu được nạp vào va san phim lẫy ra liên tục nên thé

tích phân ứng 7 được tỉnh là lưu lượng thể tích vŸ của hễn hợp phên ứng đi

Băng 2.3 Các giá tri hing sé ko

TIệ phương trình động học của các phần ứng chuyển hóa trên:

ae ø[_ k,[DG].[Me] | k,[MG][Z]1 |70||[A#| £.|22||#]

2e] =-k [AM] [Me]+k,[g][E]+k,[Ðpø][we]—k, [Me] [Z]

acl =k, [MG] [Me]- &, [G][Z]

Ae) ~-k, [TG] [Me]+&, [DG] [E]-&, [DG] [Me] +&, [MG] [2]

-k, [MG] [Me] +k, [G] [Z]

41

` [e]-k.|Del[£]~x,[pe][]—x,|346|J=]

Giải hệ phương trình vị phân trên theo phương pháp Range-Kultta được:

{TGh.i — {TG}: + ke {DG}.{E]:— ki {TG} {Me ji

{DG}: — [DG]: + kf TG]: {Me ]— ke [DG]: {Meh + kes [MG [E };

ke fDG}efEh IMG}: [MG + Ws fDGT.[Meh ke {MG).fEh + kefG)fEh

ks {MG} Me}

ƒGH«i — [GÌ 1 kẻ [MG]L|Me], ks (GREK

[Biv — (Ef \ kf TG} fMe}: ks [DG] fe} \ ks [MG}.fMe}i

—Ke {GET ke (MGPfER ke fDGHE)

Từ các giá trị k, Z, và nằng độ cáo chất tại thời điểm ban đầu ta xác định được nềng độ các chất tại thời điểm bất kỳ, đồng thời tính được độ chuyển hóa và liệu suất phân ứng

Đô chuyển hóa Lãnh theo lượng nguyên liệu lriglyxerol

Từ phương pháp và các công thức trên, chúng lối lập trình các mã lệnh

trong, Matlab nhắm giải hệ phương trình động học, từ dỏ xác dịnh biến thiên

nông độ các chất và độ chuyển hỏa trong quá trình phán ứng,

Dé chuyén héa: X =x TIệ phương trình vi phân (2.6) được viết lại:

tigen = trp; — k2.dig; est — k] trp Me,

đigm = địai | kl trp; Mei 3 dig; Me; ! k4 mogi.est —k2.digi est;

mogiei = mogi | k3.dig; Me; —k/.mogi est; | k6.glyi.est; —k5.mog; Me; slyin = gly; | k5.mogi Me; —k6.glyi.esti

estin = est; | k1.tngiMe; | k3.digi Me; 1k5.mogi Mei — k6.gly;.est; —

kd mogiest; —k2.digi-est;

Mein — Mui — (estina — esti)

Độ chuyên hóa Lĩnh theo lượng triglyrexol: