Đang tải... (xem toàn văn)
Tính toán thiết kế hệ thống sản xuất biodiesel từ mỡ cá da trơn 50 000 lngày.
SVTH: VÕ MẠNH HOANH PGS.TSKH. LÊ XN HẢILBỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Cộng Hòa - Xã Hội – Chủ Nghĩa – Việt NamTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúcThành phố Hồ Chí Minh Khoa : Kỹ Thuật Hóa HọcBộ mơn : Máy & Thiết BịĐỒ ÁN CHUN NGÀNH Q TRÌNH & THIẾT BỊHọ và tên sinh viên : VÕ MẠNH HOANH MSSV : 60600753Ngành : Máy Thiết Bị1. Đầu đề đồ án : TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẢN XUẤT BIODIESEL TỪ MỠ CÁ DA TRƠN 50 000 L/NGÀY2. Nhiệm vụ (nội dung u cầu với số liệu ban đầu) : 1. Năng suất : 50 000 l/ngày2. Thơng số khác : tự chọn.3. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn, phần mềm Matlab - Tổng quan cơng nghệ, matlab mơ phỏng- Thuyết minh qui trình cơng nghệ2. Các bản vẽBản vẽ chi tiết thiết bị chính1 bản A1Bản vẽ qui trình cơng nghệ 1 bản A15. Ngày giao đồ án: 3 / 20106. Ngày hồn thành đồ án: 9/ 20107. Ngày bảo vệ và chấm đồ án : 9/2010 Ngày…… tháng….năm 2010 HỘI ĐỒNG BẢO VỆ NGƯỜI HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)1 SVTH: VÕ MẠNH HOANH PGS.TSKH. LÊ XUÂN HẢINHẬN XÉT ĐỒ ÁN1. Cán bộ hướng dẫn. Nhận xét: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………Điểm : __________ Chữ ký : __________2. Cán bộ chấm đồ án. Nhận xét: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………Điểm : __________ Chữ ký : __________Điểm tổng kết : _________2 SVTH: VÕ MẠNH HOANH PGS.TSKH. LÊ XUÂN HẢILỜI CẢM ƠNBiodiesel là nhiên liệu cần thiết cho vấn đề về an ninh năng lượng toàn cầu cho tương 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 rút được 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 2010Sinh viên Võ Mạnh Hoanh3 SVTH: VÕ MẠNH HOANH PGS.TSKH. LÊ XUÂN HẢIMỤC LỤCTÓM 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 .8II.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 4 SVTH: VÕ MẠNH HOANH PGS.TSKH. LÊ XUÂN HẢI TÓM TẮT NỘI DUNGNội dung bài viết được chia làm 3 phần chínhPhần 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 tạo cho thiết bị đó.Phụ lụcBảng kết quả tính toán của chương trình Matlad5 SVTH: VÕ MẠNH HOANH PGS.TSKH. LÊ XUÂN HẢII. Đặt vấn đềTính 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 bị nên 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 trơnII.1.Thành phần của mỡ cáPhần lớn là các ester và các acid béo tự do có mạch C từ C12 đến C22 trong đó hàm luợng C18H34O2 chiếm 40%C16H32O2 chiếm 28% C18H32O2 chiếm 13% C18H36O2 chiếm 8 %C14H28O2 chiếm 4 % II.1.1. Phương trình phản ứngTrong đó Ri là các gốc hydrrocacbonQuá trình phản ứng sẽ diễn ra theo từng nấc như sauTrong đóTG: Triglycerid Me: MethanolDG: Diglycerid G: Glycerin6KOH142536KKKKKKTG Me DG EDG Me MG EMG Me G E→+ +←→+ +←→+ +←R1COOCH2R2COOCHR3COOCH2+ 3CH3OHR1COOHR2COOHR3COOHCH2- OHCH - OHCH2- OH+ SVTH: VÕ MẠNH HOANH PGS.TSKH. LÊ XUÂN HẢIMG: Monoglyrid E: Methyl EsterKi (i=1, ,6):hằng số tốc độ phản ứngII.1.2. Phương trình động học của quá trình sản xuất biodiesel từ mỡ cá da trơn:[ ][ ] [ ] [ ] [ ][ ][ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ][ ][ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ][ ][ ] [ ] [ ] [ ][ ][ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ][ ][ ] [ ] [ ] [ ]1 23 4 1 25 6 3 45 61 2 3 4 5 61 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .d TGk TG Me k DG Edtd DGk DG Me k MG E k TG Me k DG Edtd MGk MG Me k G E k DG Me k MG Edtd Gk MG Me k G Edtd Mek TG Me k DG E k DG Me k MG E k MG Me k G Edtd Ek TG Me k DG Edt= − += − + + −= − + + −= −= − + − + − += − +[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]3 4 5 6. . . . . . . .k DG Me k MG E k MG Me k G E− + −7 SVTH: VÕ MẠNH HOANH PGS.TSKH. LÊ XUÂN HẢIII.2. Cơ sở lý thuyết để tính toán thiết kế hệ thống thiết bị sản xuất biodiesel và phần mềm mô phỏng bằng MatlabII.2.1. Hệ thống thiết bịII.2.1.1. Mô hình đồ họa của hệ thống thiết bịII.2.1.2. Nguyên tắc hoạt động của mô hình Trình bày sự hoạt động của hệ thống và cách thức điều khiểnNguyên 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.8 SVTH: VÕ MẠNH HOANH PGS.TSKH. LÊ XUÂN HẢINguyên 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 nâng hoặc giảm nhiệt độ của quá trình.II.2.2. Cơ sở lý thuyết của thiết bị khuấy trộn gián đoạnII.2.2.1. Giới thiệu về thiết bị phản ứngNguyên 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 gianMô hình thiết bị phản ứng gián đoạn và thay đổi nồng độ theo thời gianII.2.2.2. Đặc trưng nhiệt trong thiết bị phản ứngPhản ứng hóa học luôn kèm theo hiệu ứng nhiệt, thường là khá lớn để thay đổi nhiệt độ của quá trình.9 SVTH: VÕ MẠNH HOANH PGS.TSKH. LÊ XUÂN HẢINhiệt 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 ưuĐây 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 ứngTrao 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 rắnKhí: 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.10 [...]... độ, thời gian ở kết quả trên sẽ được sử dụng trong việc tính tốn thiết kế hệ thống 21 SVTH: VÕ MẠNH HOANH PGS.TSKH LÊ XN HẢI III.1 Quy trình tính tốn thiết kế hệ thống thiết bị III.1.1 Mơ 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 ngồi, lấy từ đáy và nhập... thức (V.140), [6]: ⇒ Đường kính trong của thiết bị: D = t(b-1) + 4dn = 0,43(m) III.1.3 Thiết bị phụ trong qui trình III.1.3.1 Tính tốn thiết bị truyền nhiệt Hệ thống ta thiết kế dùng để khảo sát các hệ số thực nghiệm ở các chế độ với tỷ lệ dầu mỡ cá và Methanol khác nhau Sinh hàn sử dụng cần đảm bảo hoạt động tốt với mọi tỷ lệ mol dầu hạt mỡ cá và Methanol (từ 1:4 đến 1:20, thậm chí cao hơn) Khi lượng... đường thẳng nối 2 điểm ứng với q S va øqn để tìm giao điểm chính xác 32 SVTH: VÕ MẠNH HOANH PGS.TSKH LÊ XN HẢI q 20000 1 8000 1 6000 1 4000 1 2000 10000 8000 59.5 60 60.5 61 61.5 62 62.5 63 63.5 Tw1 Từ đồ thò, ta có thể chọn chính xác hơn Tw1 = 61,50C Sau đó, tính toán kiểm tra xác đònh lại các thông số chưa biết thu được bảng sau: αs Tw Tw1 qs ∆Tw Tw2 αn qn 61,5 3922,5 13729 7,2 54,3 57,9 666 ∆q 0,014... điều khiển tối ưu cho hệ thống sản xuất biodiesel Dựa trên các phương trình động học của của q trình cho ta thấy tại những thời điểm khác nhau thì nồng độ của tác chất tham gia và sản phẩm sẽ khác nhau Do vậy giá trị các biến trung gian được xem là các biến trạng thái, các yếu tố đầu vào ảnh hưởng đến q trình gồm nhiệt độ phản ứng, tỉ lệ Methanol /mỡ cá, hàm lượng xúc tác được xem là các biến điều khiển... lớp cáu: ∑r w = rcáu 1 + δ + rcáu 2 λ Trong đó: o rcáu 1 – nhiệt trở của lớp cáu phía hơi methanol ngưng tụ , m2.K/W o δ = 0,002 m – chiều dày thành ống thép o λ = 16,3 W/m.K – độ dẫn nhiệt của thép X18H10T o rcáu 2 – nhiệt trở của lớp cáu phía nước, m2.K/W Theo phụ lục bảng 31, bảng tra cứu quá trình cơ học – truyền nhiệt: rcáu 1 = rcáu 2 = ⇒ ∑r w = 1 m2.K/W 500 0 1 0,002 1 + + = 5,23.10-4 m2.K/W 500 0... 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 tốn của chương... thành ống thép o λ = 16,3 W/m.K – độ dẫn nhiệt của thép X18H10T o rcáu 2 – nhiệt trở của lớp cáu phía nước, m2.K/W Theo phụ lục bảng 31, bảng tra cứu quá trình cơ học – truyền nhiệt: rcáu 1 = rcáu 2 = ⇒ ∑r w = 1 m2.K/W 500 0 1 0,002 1 + + = 5,23.10-4 m2.K/W 500 0 16,3 500 0 • Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: qw = Tw1 − Tw 2 ∑ rw Xác đònh hệ số cấp nhiệt của hơi methanol ngưng tụ phía trong ống: α S =... 0, 02.1,8 III.1.2.2 Tính cân bằng năng lượng cho thiết bị Thiết bị khuấy trộn được đặt 2 thiết bị trao đổi nhiệt Trong đó một dạng gia nhiệt kiểu vỏ áo, một thiết bị dạng ống chùm 1 thiết bị có chức năng đun nóng và thiết bị còn lại có chức năng làm nguội để thực hiện q trình điều khiển nhiệt độ Đối với thiết bị đun nóng, và làm nguội hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ 25 ÷ 80 oC, Tính tốn thuyết bị... LÊ XN HẢI ε l - hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ giữa chiều dài l và đường kính d của ống lo 0,3 Ta có: d = 0,025 = 12 , tra bảng V.2 [trang 15,9], ε l = 1,2 ng • Hệ số cấp nhiệt phía nước: Nu.λ n αn = d td • Nhiệt tải của nước làm lạnh : qn = α n ( Tw 2 − Ttb ) Xác đònh nhiệt trở của lớp cáu: δ ∑ rw = rcáu 1 + λ + rcáu 2 Trong đó: o rcáu 1 – nhiệt trở của lớp cáu phía hơi methanol... ) I ( j +1) > 10−5 , ta tiếp tục tính tốn q trình trở lại từ bước 3 Bước 7 Nếu I ( j +1) > I ( j ) , nghĩa là giá trị hàm mục tiêu tìm được khơng tốt, vậy nên ta cần tính lại giá trị ε new theo cơng thức ε ε new = δI 2.(1 + ) ε P Với ε new tìm được ta tính trở lại mọi thứ từ bước 5 Nếu sau 10 vòng lặp giá trị hàm mục tiêu vẫn khơng tốt thì ta kết thúc q trình tính và kết luận rằng giá trị hàm mục tiêu . đ 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. TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẢN XUẤT BIODIESEL TỪ MỠ CÁ DA TRƠN 50 000 L/NGÀY2. Nhiệm vụ (nội dung u cầu với số liệu ban đầu) : 1. Năng suất : 50 000 l/ngày2.