Tính toán thiết kế hệ thống sản xuất biodiesel từ mỡ cá da trơn 50 000 lngày

Tính toán thiết kế hệ thống sản xuất biodiesel từ mỡ cá da trơn 50 000 lngày.

LBỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Cộng Hòa - Xã Hội – Chủ Nghĩa – Việt Nam

Thành phố Hồ Chí Minh

Khoa : Kỹ Thuật Hóa Học

Bộ môn : Máy & Thiết Bị

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ

Ngành : Máy Thiết Bị

SẢN XUẤT BIODIESEL TỪ MỠ CÁ DA TRƠN 50 000 L/NGÀY

2 Nhiệm vụ (nội dung yêu cầu với số liệu ban đầu) :

1 Năng suất : 50 000 l/ngày

2 Thông số khác : tự chọn

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán, phần mềm Matlab

- Tổng quan công nghệ, matlab mô phỏng

- Thuyết minh qui trình công nghệ

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN

1 Cán bộ hướng dẫn Nhận xét:

………

………

………

………

………

………

Điểm : Chữ ký : 2 Cán bộ chấm đồ án Nhận xét: ………

………

………

………

………

………

Điểm tổng kết : _

LỜI CẢM ƠN

Biodiesel là nhiên liệu cần thiết cho vấn đề về an ninh năng lượng toàn cầu chotương lai Cùng với việc nghiên cứu công nghệ để có thể sản xuất biodiesel hàng loạt trong nước là vấn đề mang tính cấp bách cho Việt Nam trong thế kỉ XXI

Là một sinh viên chuyên ngành Máy Thiết Bị, luôn đòi hỏi phải tiếp cận với những vấn đề mới trong công nghiệp, xu hướng phát triển đất nước trong lĩnh vực mình nghiên cứu, đó là lý do Tôi chọn đề tài này Mặt dù tính toán thiết kế của một sinh viên không thể nào là hoàn hảo, và đưa vào sản xuất, nhưng từ đó Tôi cũng sẽ rútđược nhiều kinh nghiệm cho bản thân, không ngừng học hỏi để giỏi chuyên môn hơn

Trong một thời gian dài thực hiện, Tôi đã nhận được sự giúp đỡ,hướng dẫn tận tình của PGS.TSKH Lê Xuân Hải trong việc đánh giá, phân tích và nhìn nhận vấn đề dưới góc nhìn của một nhà khoa học thực thụ, cũng như cung cấp các nguồn tài liệu tham khảo quí báu trong quá trình thực hiện Được Thầy truyền đạt kiến thức về

Nguyên Lý Cực Đại của Pontrjaghin, thuật toán giải quyết vấn đề và những qui cách khi đặt bài toán tối ưu cho vấn đề Hướng dẫn sử dụng Matlab giải hệ phương trình động học của quá trình bằng phương pháp số để từ đó tìm ra các thông số công nghệ quan trọng trong quá trình tính toán thiết kế

Tôi cũng chân thành cảm ơn đến Chủ nhiệm bộ môn Thầy Vũ Bá Minh và đoàn thể giáo viên bộ môn ngành Máy & Thiết Bị đã tạo điều kiện cho tôi được bảo

vệ lại đồ án chuyên ngành của mình

Ngày 04 tháng 09 năm 2010

Sinh viên

Võ Mạnh Hoanh

MỤC LỤC

TÓM TẮT NỘI DUNG 5

I Đặt vấn đề: 6

II Tổng quan về lý thuyết của qui trình sản xuất biodiesel từ mỡ cá da trơn: 6

II.1 Thành phần của mỡ cá 6

II.1.1 Phương trình phản ứng 6

II.1.2 Phương động học của quá trình 7

II.2 Cơ sở lý thuyết để tính toán thiết kế hệ thống thiết bị sản xuất biodiesel và phần mềm mô phỏng bằng Matlab: 8

II.2.1 Hệ thống thiết bị: 8

II.2.1.1.Mô hình đồ họa của hệ thống thiết bị 8

II.2.1.2 Nguyên tắc hoạt động của mô hình: 8

II.2.2 Cơ sở lý thuyết của thiết bị khuấy trộn gián đoạn: 9

II.2.2.1 Giới thiệu về thuyết bị phản ứng: 9

II.2.2.2 Đặc trưng nhiệt trong thiết bị phản ứng: 9

II.2.2.3 Chế độ nhiệt tối ưu: 9

II.2.2.4.Các giải pháp để duy trì chế độ nhiệt tối ưu trong thiết bị phản ứng: 10

II.2.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ quá trình phản ứng của thiết bị: 10

II.2.2.6 Thời gian lưu của thiết bị: 10

II.3 Cơ sở lý thuyết mô phỏng phần chương trình điều khiển tối ưu quá trình bằng Matlab: 11

II.3.1 Nguyên lý cực đại Pontrjaghin: 11

II.3.1.1 Bài toán tác động nhanh 12

II.3.1.2 Tính chất hàm hamilton: 14

II.3.2 Qui trình xây dựng chương trình Matlab điều khiển tối ưu cho hệ thống sản xuất biodiesel: 14

II.3.2.1 Mô hình điều khiển: 14

II.3.2.2 Thuật toán lập trình trong Matlab dựa theo các bước tính toán của S.Nagaraja Rao và Rein Luus: 17

II.4 Một số kết quả của chương trình: 18

III Qui trình tính toán thiết kế hệ thống thiết bị: 21

III.1.1 Mô tả: 21

III.1.2.Cân bằng vật chất và năng lượng cho thiết bị chính: 21

III.1.2.1.Tính cân bằng vật chất: 21

III.1.2.2.Tính toán cơ khí cho thiết bị chính: 22

III.1.2.3 Tính cân bằng năng lượng cho thiết bị chính: 24

III.1.3.Tính toán thiết bị phụ: 27

III.1.3.1.Tính toán thiết bị hoàn lưu methanol: 27

III.1.3.1.Tính toán thiết bị thu hồi methanol: 33

Phụ lục 39

Tài liệu tham khảo: 46

TÓM TẮT NỘI DUNGNội dung bài viết được chia làm 3 phần chính

Phần 1: Tổng quan các kiến thức nền tản về thiết bị khuấy trộn làm việc gián đoạn, nội dung của nguyên lý cực đại Pontrjaghin, thuật toán để mô phỏng quá tình bằng MatlabPhần 2: Dựa trên thuật toán tiến hành viết lệnh trên Matlab để mô phỏng quá trình, đồng thời truy suất ra các kết quả, từ đó làm cơ sở cho quá trình tính toán thiết kế hệ thống sản xuất, nguyên tắc điều khiển hệ thống tuân theo kết quả của chương trình.Phần 3: Tính toán cho thiết bị chính (thiết bị khuấy trộn)

- Tính cân bằng vật chất cho thiết bị dựa trên quá trình truyền chất

- Tính cân bằng về năng lượng cho thiết bị dựa trên quá trình truyền nhiệt

Dựa trên kết tính toán cân bằng vật chất và năng lượng ta có thể tính toán cơ khí chế tạocho thiết bị đó

Phụ lục

Bảng kết quả tính toán của chương trình Matlad

I Đặt vấn đề

Tính toán thiết kế hệ thống sản xuất biodiesel từ mỡ cá da trơn đòi hỏi các thiết

bị phải đơn giản nhưng hiệu quả cao, không đơn thuần chỉ tạo ra biodiesel mà còn yêu cầu về mặt chất lượng sản phẩm, tiêu tốn năng lượng ít và chi phí vận hành thấp đây được xem là tiêu chí hàng đầu trong việc chọn lựa thiết bị và kiểu dáng thiết bị phản ứng Kết quả chương trình mô phỏng bằng Matlab là số liệu để tính toán thiết kế thiết bịnên đòi hỏi phải có độ chính xác và tin cậy trong phạm vi chấp nhận được Xây dựng trên có cơ sở của quá trình và thuật toán rõ ràng

II Tổng quan về lý thuyết của qui trình sản xuất biodiesel từ mỡ cá da trơn

K K K K K K

MG: Monoglyrid E: Methyl Ester

II.2 Cơ sở lý thuyết để tính toán thiết kế hệ thống thiết bị sản xuất biodiesel và phần mềm mô phỏng bằng Matlab

II.2.1 Hệ thống thiết bị

II.2.1.1 Mô hình đồ họa của hệ thống thiết bị

II.2.1.2 Nguyên tắc hoạt động của mô hình

Trình bày sự hoạt động của hệ thống và cách thức điều khiển

Nguyên liệu là nguồn mỡ cá, Xúc tác KOH và Methanol được phối trộn trước khi đưa vào thiết bị khuấy trộn, dòng nhập liệu sẽ là 2 dòng

Quá trình chuyển hóa biodiesel trong thiết bị phản ứng xảy ra theo qui trình tính toán sẵn của Mathlab trước khi cho ra thiết bị tách pha

Nguyên liệu để sản xuất là mỡ cá, Methanol và xúc tác cần thiết Trong đó xúc tác và Methanol sẽ được trộn chung thành một dòng trước khi đưa vào thiết bị phản ứng.

Phản ứng xảy ra xong thì sản phẩm tách pha sau đó được đưa thêm vào thiết bị tách pha

để tăng hiệu quả phân lớp, đồng thời làm nguội sản phẩm, sau đó, sản phảm được chuyển đến tháp rửa Tại đây sản phẩm sẽ được rửa bởi nước cất nóng cho đên khi sản phẩm có pH trung tính

Sản phẩm sau khi rửa mang đi sấy sau đó đưa qua hệ thống xử lý màu và bảo quản sản phẩm

Phần đáy sau khi rửa được đưa về thiết bị chưng cất để tái sinh lại Methanol còn dư, đồng thời thu hồi lại Glycerin thô để nâng cao hiệu quả kinh tế

Hệ thống làm việc gián đoạn theo từng mẻ, trong quá trình phản ứng, để hạn chế lượng tác chất cũng như Methanol bay hơi do nhiệt thất thoát thì chúng ta có gắn thêm thiết bị sinh hàn Nhiệt độ gia nhiệt cho quá trình phản ứng sử dụng bộ gia nhiệt ngoài, để nânghoặc giảm nhiệt độ của quá trình

II.2.2 Cơ sở lý thuyết của thiết bị khuấy trộn gián đoạn

II.2.2.1 Giới thiệu về thiết bị phản ứng

Nguyên liệu là pha lỏng phản ứng với nhau nên các bước của quá trình: nạp liệu,đun nóng, tiến hành phản ứng, làm nguội và tháo sản phẩm, được thực hiện trong một thiết bị chi đên khi đạt kết quả cuối cùng

Do đó các thông số như nồng độ, nhiệt độ, áp suất,… thay đổi theo thời gian

Mô hình thiết bị phản ứng gián đoạn và thay đổi nồng độ theo thời gian

II.2.2.2 Đặc trưng nhiệt trong thiết bị phản ứng

Phản ứng hóa học luôn kèm theo hiệu ứng nhiệt, thường là khá lớn để thay đổi nhiệt độ của quá trình

Nhiệt độ là thông số cường tính, ảnh hưởng mạnh đến vận tốc phản ứng Do đó khống chế nhiệt độ phản ứng liên quan đến làm việc an toàn của thiết bị và quá trình sản xuất.Các giải pháp duy trì chế độ nhiệt độ cho phản ứng ảnh hưởng đến kết cấu, hình dạng của thiết bị phản ứng.

II.2.2.3 Chế độ nhiệt tối ưu

Đây là nhân tố luôn được chú ý đến trong sản xuất công nghiệp, đặc biệt khi công suất lớn, để đảm bảo năng suất cũng như độ chuyển hóa X của quá trình phản ứng

Chế độ nhiệt tối ưu phụ thuộc vào đặc trưng nhiệt động, động học của phản ứng cũng như tính năng của xúc tác

Cho nên chế độ nhiệt tối ưu đa dạng, tùy từng trường hợp cụ thể

II.2.2.4 Các giải pháp để duy trì chế độ nhiệt tối ưu trong thiết bị phản ứng

Trao đổi nhiệt qua thành: thiết bị loại thùng khuấy có vỏ bọc ngoài và ống xoắn trong thiết bị

Thiết bị ống chùm với hàng nghìn ống với bề mặt trao đổi nhiệt rất lớn

Dùng tác nhân mang nhiệt là khí, lỏng, hay rắn

Khí: khí trơ, khí cháy ở nhiệt độ cao … và thương dùng hơi nước (có sẵn trong nhà máy)

Lỏng: dung môi hay các chất trơ có trong hỗn hợp phản ứng

Rắn: vật liệu rắn chịu nhiệt như gốm, sứ, các vật liệu silicats … và cả xúc tác rắn

II.2.2.5.Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ quá trình phản ứng của thiết bị

Quá trình khuấy làm tăng nhiệt độ của thiết bị

Quá trình bay hơi của cấu tử nhẹ mang một lượng nhiệt tổn thất ra ngoài

Quá trình ngưng tụ chất dễ bay hơi là giảm nhiệt độ thiết bị

II.2.2.6 Thời gian lưu của thiết bị

t chuẩn bị = t nạp liệu + t đun nóng nguyên liệu từ nhiệt độ đầu đến nhiệt độ phản ứng +

t làm nguội sản phẩm + t tháo sản phẩm + t phản ứng

II.3 Cơ sở lý thuyết mô phỏng phần chương trình điều khiển tối ưu quá trình bằng Matlab

II.3.1 Nguyên lý cực đại Pontrjaghin

Xét quá trình công nghệ hóa học được mô tả bởi hệ phương trình vi phân thường( ví dụ như quá trình chuyển hóa mỡ cá hoặc dầu hạt cao su thành biodiesel trong thiết

bị khuấy trộn hoạt động gián đoạn)

) , , , , , , ,

Hình 7.1 - Hình 7.2 - Giả sử hàm mục tiêu của quá trình có dạng một phiếm hàm

dt u

II.3.1.1 Nguyên lý cực đại với bài toán tác động nhanh

Xét hàm mục tiêu với trường hợp

Dựa vào hình 7.2 chúng ta sẽ tìm ra được giá trị sau

 0  1 (VII,6)Khi đó

) 0 ( )

Và bài toán điều khiển tối ưu đối với quá trình (VII.1) hoặc (VII.2) có dạng

Imin = min I(u)

Giả sử rằng đã tìm được nghiệm tối ưu uopt(t) điều khiển quá trình (VII.8) từ

trạng thái đầu x(0) tới trạng thái cuối x(k) sau một khoảng thời gian cực tiểu τk = t(k) ( vì

để đơn giản thường đã cho t(0) = 0 )

Điều khiển tối ưu uopt(t) không nhất thiết phải là hàm liên tục (hình 7.3)

Hình 7.3 – Hình 7.4 -

Tương ứng với Điều khiển tối ưu uopt(t) sẽ có quỹ đạo tối ưu xopt(t) thể hiện bằng đườngliền nét trên hình 7.4

Giáo sư Pontrjaghin L.C và các môn đệ đã đề nghị xây dựng hàm Hamilton là

tích vô hướng của các hàm φ[x(t), u(t)] với hàm λ(t)

Nguyên lý cực đại chỉ ra rằng: Tại mỗi điểm trên quỹ đạo, điều khiển tối ưu uopt(t)

được xác định từ điều kiện cực đại đối với hàm Hamilton H[ λ(t), x(t), u], nghĩa là

uopt(t) chính là nghiệm tối ưu của bài toán tối ưu sau

Nói cách khác nếu tồn tại điều khiển tối ưu uopt(t) Є U thì trên quỹ đạo tối ưu

xopt (t) hàm Hamilton H[ λ(t), x(t), u] phải đạt cực đại

Với hàm H[ λ(t), x(t), u] hệ phương trình (VII.1) có thể viết lại dưới dạng

II.3.1.2 Tính chất của hàm Hamiton trong bài toán tác động nhanh

Nếu một quá trình được mô tả bởi hệ phương trình vi phân

thì nguyên lý cực đại khẳng định những điều sau đây

Tồn tại hàm H được xác định bởi quan hệ

1( ), ( ), ( ) ( ),

m

i i k

H  t x t u  t  x t u



trong đó các biến λi(t) thỏa mãn hệ phương trình

1

( ), ( )( )

II.3.2.1 Mô hình điều khiển:

Bài toán điều khiển tối ưu được xây dựng dựa trên nguyên lý cực đại của Giáo

sư Pontrjaghin L.C cho đến nay có khá nhiều cách giải Ở đây ta sử dụng phương pháp

số của S Nagaraja Rao và Rein Luus để giải quyết 6 phương trình động học trên

Các bước tính toán như sau: Với bài toán chỉ chọn một biến điều khiển u(t) là nhiệt độ của phản ứng Ở đây chúng ta hiểu u là một hàm theo thời gian u = f(t) hoặc u(t)

đó tìm được giá trị hàm mục tiêu I = tf

Với việc sử dụng phương pháp này, khi thời gian tăng thêm một khoảng h ta sẽ thu được giá trị cụ thể của biến trạng thái xi(t) Từ những số liệu này ta sẽ tìm được một bộ giá trị x(i) tại từng thời điểm bất kì Với bài toán tác động nhanh ta đang xét thì khi đó hàm mục tiêu sẽ là

Cảm biếnu(t)

Ở đây khi chúng ta biết được bộ i( )t k khi đó ta tính tiếp bị i(t k h ) trước đó.

Nên ta tính được

6 1

1

( ),( ) k k k

x t u H

Ở đây j là lần lặp thứ j trong thuật toán của S.Nagaraja và Rein Luus để giải bài toán điều khiển tối ưu

x t u H

P Q

(j 1)

i

u 

= ( )j i

u + ( )j

i u

Biến điều khiển mới này sẽ làm thay đổi giá trị trạng thái của quá trình, vậy nên ta cần giải lại hệ phương trình trạng thái ứng với biến điều khiển (j 1)

i

u  này (chú ý rằng (j 1)

i

u  làmột véc tơ nhiệt độ theo từng thời điểm h) Cách giải tương tụ bước 2 và khi giải xong

ta sẽ được giá trị hàm mục tiêu mới (j 1)

Nếu sau 10 vòng lặp giá trị hàm mục tiêu vẫn không tốt thì ta kết thúc quá trình tính và kết luận rằng giá trị hàm mục tiêu ban đầu là nhỏ nhất và biến điều khiển ban đầu u(0) lànghiệm cần tìm

Nhưng ta cũng có thể kiểm tra lại nghiệm tối ưu trên bằng cách thay đổi giá trị biến diều khiển ban đầu u(0) (ở bước 1) bằng một giá trị khác

II.3.2.2.Thuật toán lập trình trong matlab dựa theo các bước tính toán của

S.Nagaraja Rao và Rein Luus

Trình bày chi tiết cách lập trình

Giai đoạn 1: Giải hệ phương trình vi phân

Biến điều khiển ban đầu: u(0)

Khi đó các phương trình động học trên được viết lại như sau

k TG k DG k MG k G k ME k E

Kết quả bộ giá trị điều khiển U(t) và véc tơ thời gian tương ứng

Thời gian tối ưu: 45,35 phút

Bảng biến thiên nhiệt độ theo thời gian phản ứng

Giá trị thời gian tương ứng sẽ là

Giá trị các hàm trạng thái tại thời điểm cuối sẽ là

Hiệu suất của quá trình:

Thông số nhiệt độ, thời gian ở kết quả trên sẽ được sử dụng trong việc tính toán thiết kế

hệ thống

III.1 Quy trình tính toán thiết kế hệ thống thiết bị

III.1.1 Mô tả

Mỡ cá da trơn và Methanol, xúc tác nhập liệu như hình vẽ, thiết bị sinh hàn để ngưng tụ tác chất bay hơi, đầu dò nhiệt độ đặc trong tâm thiết bị, hệ thống gia nhiệt là

bộ phận gia nhiệt ngoài, lấy từ đáy và nhập liệu lại ống nhập liệu

Thiết bị gồm 2 hệ thống phản ứng, thời gian phản ứng + thời gian nhập liệu sẽ được tính chung là 1 mẻ, con đường nhiệt độ phản ứng sẽ được điều khiển theo đúng với Matlab theo giản đồ thiết bị, Các thiết bị đặt ở độ cao khác nhau để tận dụng năng lượng thế năng

III.1.2 Cân băng vật chất & năng lượng cho thiết bị

III.1.2.1 Tính cân bằng vật chất cho thiết bị

Kết quả tính toán của chương trình mô phỏng bằng Matlab

Thời gian lưu của thiết bị được tính theo công thức

t = t nạp liệu (15 phút) + t đun nóng nguyên liệu từ nhiệt độ đầu đến nhiệt độ phản ứng (15 phút) + t tháo sản phẩm (15 phút) + t phản ứng (45 phút)

Do vậy chọn giá trị thời gian tiêu tốn để sản xuất 1mẻ là 1h30 phút

Ta có: Nếu 1 mol TG tham gia phản ứng với 6 mol Me thì cho ta 2,85 mol E

Vậy có 884 kg mỡ cá phản ứng cần dùng 192kg Methanol cho ra 843,6 kg Ester

ứng (kg) Thể tích phản ứng trong 1 đơnvị thời gian (m3)

Lượng xúc tác sử dụng chiếm thể tích xem như không đáng kể

Tổng thể tích tác chất tham gia phản ứng trong 1 h:

V V



III.1.2.2 Tính toán cơ khí cho thiết bị

Chọn đường kính trong của thiết bị là 1800 mm

Tra sổ tay Quá trình & Thiết bị tập 2: Trang 388, dựa theo đường kính trong của thiết bị

Các thông số kỹ thuật của khuấy vít tải như sau

Cơ cấu cánh khuấy vít tải