Thông tin tài liệu
LỜI CẢM ƠN
Luận văn tốt nghiệp MÔ PHỎNG VÀ TỐI ưu HÓA QUÁ TRÌNH CHUYỂN
HÓA BIODIESEL TỪ MỠ CÁ TRÊN cơ SỞ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH MATLAB đã
được hoàn thành nhờ sự giúp đỡ vô cùng quý giá của gia đình, thầy cô, nhà trường và
bạn bè.
Bằng tất cả lòng chân thành của mình, con xin được nói lời cảm ơn đến cha mẹ,
bà ngoại, anh, chị, em và mọi người trong gia đnh. c ảm ơn mọi người đã luôn bên con,
động viên con, giúp đỡ con, tạo mọi điều kiện cho con hoàn thành xuất sắc luận văn tốt
nghiệp.
Tôi xin cảm ơn thầy PGS.TSKH. Lê Xuân Hải. Thầy là ngưòi trực tiếp giúp tôi,
hướng dẫn tôi từng bước một đi đến hoàn thành luận văn tốt nghiệp một cách tốt đẹp.
Tôi xin được xưng “con” với thầy để bày tỏ lòng kính trọng vói một ngưòi thầy tâm
huyết với nghề. Thầy không những giúp tôi về mặt vật chất, thầy còn dạy tôi nhiều điều
trong cuộc sống. Làm việc với thầy, tôi thấy mình còn nhiều điều cần phải học để hoàn
thiện bản thân.
Tôi xin cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Công Nghệ Chế Biến Dầu Khí, bộ môn
Quá Trình và Thiết Bị, bộ môn Hữu Cơ, cảm ơn tất cả các thầy cô thuộc Khoa Kỹ Thuật
Hóa Học, cảm ơn Trường Đại Học Bách Khoa TpHCM đí t ạo điều kiện thuận lợi cho
tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin cám ơn những người bạn của tôi (anh Hùng, anh Long, anh Đăng, Tùng,
My, Nguyên, anh Lợi và các bạn khác), những người đã đóng góp cho tôi những ý kiến,
cùng tôi giải quyết những khúc mắc, khó khăn trong lúc nghiên cứu. Mọi người luôn là
bạn tốt của tôi.
Tôi xin cám ơn một người, người này đã động viện tôi, cho tôi thêm nghị lực để
tôi có được thành công này. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn chính bản thân mình đã cố gắng
và đã không phụ lòng những người đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn.
Nhân dịp tết sắp đến, tôi xin chúc cha mẹ, ngoại, mọi người trong gia đình, thầy
Lê Xuân Hải, quí thầy cô thuộc các bộ môn trong khoa Kỹ Thuật Hóa Học, và toàn thể
thầy cô, công nhân viên trường Đại Học Bách Khoa TpHCM một năm mói an khang
thịnh vượng. Chúc tất cả mọi người có một cái tết thật vui vẻ bên gia đình và bạn bè.
Trang 2
LỜI CẢM ƠN..............................................................................................................................1
LỜI MỞ ĐẦU..............................................................................................................................2
Trang 1
CHƯƠNG 1 DIESEL YÀ BIODIESEL.....................................................................................3
CHƯƠNG 2...............................................................................................................................22
,(*)...................................................34
CHƯƠNG3................................................................................................................................41
MÔ HÌNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA BIODIESEL TỪ MỠ
CÁ TRÊN Cơ SỞ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH MATLAB.......................................................41
^(cs;v-^.cs) + rs....................................46
£ỊT=Í t) , Im -rắì ,.....................................48
=LH,trxH,*-L»,-x«, + F'-+V-y„, -V-y„, (62).............98
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................................101
PHỤ LỤC.................................................................................................................................105
Trang 6
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, nhu cầu sử dụng nhiên liệu và sản phẩm dầu mỏ phát triển mạnh dẫn
đến phát sinh nhiều vấn đề cần được giải quyết như: nhiên liệu ngày càng cạn kiệt, nạn
ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ, các lò đ ốt công nghiệp ngày càng gia tăng.
Điều này đang đòi hỏi các nhà khoa học phải nghiên cứu tìm ra các biện pháp nhằm góp
phần giải quyết các vấn đề còn tồn tại ữong lĩnh vực sản xuất và sử dụng nhiên liệu.
Nhiên liệu sinh học đã mở ra một trang mới ữong lĩnh vực nhiên liệu. Ngoài
chức năng như một phụ gia tăng cường oxy cho quá trình cháy, nhiên liệu sinh học còn
thay thế nhiên liệu khoáng đang ngày càng cạn kiệt, bởi đây là nhiên liệu có thể tái sinh
được. Hiện nay, nhiên liệu sinh học chủ yếu là biodiesel và bioethanol. Hai loại nhiên
liệu sinh học này được dùng khá phổ biến để pha chung nhiên liệu hóa thạch với tỉ lệ
thích hợp, đảm bảo cho động cơ hoạt động bình thường.
Ở Việt Nam, việc sản xuất biodiesel chỉ mới xuất hiện trong khoảng vài năm gần
đây và chỉ ở mức sản xuất thử nghiệm. Đã có nhiều đề tài về nghiên cứu cải thiện qui
trình sản xuất biodiesel, nhằm tìm ra chế độ tốt nhất cho quá trình sản xuất biodiesel.
Các nghiên cứu qui trình sản xuất biodiesel thường tiến hành theo con đường
thực nghiệm nên đòi hỏi nhiều công sức tiền của và thời gian. Việc ứng dụng phương
pháp mô hình hóa toán học và mô phỏng sẽ là những hỗ trợ hữu hiệu cho những nghiên
cứu thực nghiệm. Bởi vậy luận văn này đã đư ợc thực hiện theo định hướng sử dụng
Trang 2
công cụ mô tả toán học, mô phỏng nhờ ngôn ngữ lập trình để góp phần thúc đẩy nghiên
cứu quá trình sản xuất Biodiesel.
Trang 8
DIESEL YÀ BIODIESEL
CHƯƠNG 1
I. DIESEL [11]
Nhiên liệu diesel là sản phẩm của quá trình chưng cất trực tiếp dầu mỏ (còn gọi là
petrodiesel), với khoảng nhiệt độ sôi từ 250 đến 370°c, với số nguyên tử cacbon từ Ci4
đến c20Petrodiesel được sử dụng chủ yếu cho động cơ diesel (ngoài ra một phần sử dụng cho các
tuabin khí). Động cơ diesel được phát minh bởi Rudolf Diesel. Động cơ này ra đời sớm
nhưng không phát triển như động cơ xăng do gây nhiều tiếng ồn, khí thải bẩn. Tuy nhiên,
cùng với sự phát triển của kỹ thuật công nghệ, các vấn đề được giải quyết và động cơ diesel
ngày càng trở nên phổ biến và hữu dụng hơn. Nhờ vào những ưu điểm vượt trội của động cơ
diesel như tiết kiệm nhiên liệu và khả năng duy trì công suất trong những điều kiện hoạt
động rộng, động cơ diesel được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp như dùng làm động cơ
cho xe tải, máy xây dựng, nông nghiệp, công nghiệp nhẹ, các nhà máy điện và tàu thủy ...
Động cơ diesel cũng làm việc theo nguyên tắc 4 chu kỳ (hút, nén, nổ, xả) như động cơ
xăng nhưng khác động cơ xăng ở chỗ:
Hình 1- Sơ đồ cấu tạo động cơ diesel
- Trong động cơ xăng, hỗn họp xăng và không khí được phun trực tiếp vào trong xilanh
sau khi dã được phối trộn trước; còn ở động cơ diese 1, không khí được hút vào trước trong
Trang 3
xilanh và nén ở áp suất cao tạo ra môi trường có nhiệt độ cao, sau đó diesel mới được bơm
cao áp phun vào.
- Động cơ xăng dùng bugi đánh lửa để đốt cháy hỗn hcrp xăng và không khí; còn ở
động cơ diesel, diesel sẽ tự bốc cháy ở nhiệt độ cao và áp suất cao trong xilanh.
Những yêu cầu đối với nhiên liệu diesel gồm có:
- Độ nhớt thấp đảm bảo nhiên liệu được cấp liên lục vào buồng cháy, phù họp với quá
trình làm việc của động cơ.
- Có khả năng tự cháy và bay hơi phù hcrp để động cơ khởi động dễ dàng, có tốc độ
tăng áp suất xi lanh không quá lớn và có tốc độ cháy đủ lớn.
- ít đóng cặn trong hệ thống cấp nhiên liệu và trong xy lanh.
- Có tính ăn mòn thấp.
Để đánh giá chất lượng petrodiesel, hiện nay người ta đang sử dụng trên dưới 20 chỉ tiêu
kỹ thuật khác nhau [bảng 1], trong đó nột số chỉ tiêu quan trọng được nêu dưới đây:
- Trị số cetane: Đây là chỉ tiêu chất lượng quan trọng nhất của nhiên liệu diesel, đặc
trưng cho khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu diesel. Trị số cetane là một đại lượng quy
ước, có giá trị (là một số nguyên nhận giá trị từ 0 đến 100) bằng tỷ số phần trăm thể tích của
n-cetane (C16ĨỈ34) trong lỗn họp của nó với a-methyl naphthalene (C10H7CH3) sao cho hỗn
họp này có khả năng tự bốc cháy tương đương với mẫu nhiên liệu diesel trong ềii kiện thử
nghiệm tiêu chuẩn (theo quy ước till a-methyl naphthalene có tị số cetane bằng 0 và n
-heptane có tị số cetane bằng 100). Trị số cetane được xác đinh theo phương pháp thử
ASTM-D.613. Tuy nhiên phương pháp thử này tốn rất nhiều thời gian và nhiên lệu chuẩn
nên người ta đề nghị ra phương pháp tính toán trị số cetane ước lượng và được gọi là chỉ số
cetane. Việc tính toán này dựa trên một số yếu tố của diesel như tỉ trọng, nhiệt độ sôi trung
bình,...
- Độ nhớt: đây cũng là một chỉ tiêu rất quan trọng đối với nhiên liệu diesel vì độ nhớt
ảnh hưởng đến khả năng bơm và phun nhiên liệu vào xilanh. Độ nhớt động học được xác
định ở 40°c theo phương pháp thử ASTM-D.445 (TCVN 3171-1995).
- Nhiệt trị: là lượng nhiệt toả ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng nhiên
liệu.
- Hàm lượng lưu huỳnh: với áp suất cao và nhiệt độ cao trong xilanh, lưu huỳnh trong
diesel có tỉế bị đốt cháy để tạo thành so 2, SO3 gây ăn nòn các chi tết trong xilanh. Ngoài ra
các kpp chất của s khác như mercaptan (RSH) khi phân hựỷ tạo ra cặn rất cứng bám vào
piston, xilanh.
- Nhiệt độ đông đặc: là nhiệt độ cao nhất mà sản phẩm dầu lỏng đem làm lạnh trong
điều kiện nhất định không còn chảy được nữa. Nhiệt độ đông đặc ảnh hưởng đến khả năng
sử dụng nhiên liệu trong điều kiện nhiệt độ thấp (như khi thời tiết mùa đông).
Trang 4
- Nhiệt độ chớp cháy: là nhiệt độ mà tại đó, khi sản phẩm dầu được đốt nóng, hơi của
nó thoát ra sẽ tạo với không khí xung quanh một hỗn họp mà nếu ngọn lửa đến gần chúng sẽ
bùng cháy. Xác định nhiệt độ chớp cháy có ý nghĩa rất quan trọng trong việc tồn trữ và bảo
quản nhiên liệu. Nếu nhiệt độ chớp cháy thấp, khi bảo quản trong bể chứa ngoài trời nắng
nóng phải đề phòng có tia lửa điện ở gần để tránh cháy nổ.
- Hàm lượng nước: nước có trong dầu sẽ gây ăn mòn các chi tiết động cơ, làm giảm
hiệu suất cháy của nhiên liệu khi hòa trộn với không khí. Trong thực tế hàm lượng nước
trong dầu không được vượt quá 0,25%.
Trang 5
Bảng 1 -Tiêu chuẩn Việt Nam đối với nhiên liệu Diesel (TCVN 5689:2005)
Các chỉ tiêu
Phương pháp thử
Mức quy định
ASTM
Chỉ sô cetane (*)
min
D.4737
Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg
max
D.2622
TCVN
DO 500 s
46
6701:2000
500
6608:2000
55
D.445
3171:2003
2-4,5
3753:1995
+6
D.5453
Điểm chớp cháy, °c min
D.3828
D.93
Độ nhớt động học ở 40°c, mm2/s
Điểm đông đặc, °c
max
D.97
Hàm lượng nước, mg/kg
max
E 203
Khối lượng riêng ở 15°c, kg/m3
D.1298
200
6594:2000
820-860
D.4502
(*): Phương pháp tính chỉ sô cetane
không áp dụng cho các lọai nhiên liệu diesel có phụ
gia cải thiện chỉ số cetane.
Trong thực tế, khi động cơ nhiên liệu diesel hoạt động, thường thải ra một lượng rất
lớn các họp chất độc hại như COx, NOx, S02, hơi hydrocacbon, ... Khi nhu cầu sử dụng
các ản phẩm dầu mỏ nói chung và nhiên liệu diesel nói riêng gia tăng, nạn ô nhiễm môi
trường cũng gia tăng, dẫn đến thúc đẩy hiện tượng nóng lên của bề mặt trái đất dưới tác
dụng hiệu ứng nhà kính. Theo các nhà nghiên cứu trên thế giới thì cứ 1 kg nhiên liệu
diesel truyền thống khi cháy sẽ thải ra 3,2 kg C02. Ngoài ra những lí do
Trang 6
về mặt chính trị và tự túc năng lượng đặt ra một câu hỏi lớn trong việc tìm ra một nguồn
nhiên liệu thay thế là hết sức cấp bách. Các nước trên thế giới luôn đặt vấn đề an ninh
năng lượng lên hàng đầu để đảm bảo cho sự phát triển bền vững của nền kinh tế. Vì thế,
các nước thiếu năng lượng sẽ dễ bị phụ thuộc vào các nước có nguồn năng lượng dồi dào
hơn. Khi đó việc tìm ra nguồn năng lượng mới sẽ giúp các nước phát triển ổn định và độc
lập nền kinh tế của nước mìnhế
II. BIODIESEL [11]
1. Giói thiệu
Biodiesel là loại nhiên liệu diesel có nguồn gốc sinh học và có thể được định nghĩa
như sau: “Biodiesel là monoalkyl ester của axít béo có nguồn gốc từ dầu thực vật hoặc
mỡ động vật, được sử dụng cho động cơ diesel”. Như vậy, biodiesel là sản phẩm của quá
trình chuyển hoá dầu thực vật hoặc mỡ động vật nhằm thay đổi một số tính chất về nhiên
liệu do nguyên liệu ban đầu có độ nhớt quá cao nên không thể đưa trực tiếp vào động cơ
diesel để sử dụng ngay được.
Bảng 2 -Chỉ tiêu chất lượng cho Biodiesel BI00
Các chỉ tiêu
Giới hạn
Phương pháp thử
Đơn vi
•
ASTM
Điểm chớp cháy
D 93
130,0
min
°c
D 2709
0,050
max
% thê tích
học
Độ nhớt động học, 40°c
D 445
1,9 - 6,0
Hàm lượng lưu huỳnh
D 5453
0,05
max
Chỉ sô cetane
D 613
47
min
Chỉ sô acid
D 664
0,80
max
Hàm lượng nước và cặn cơ
mm2/s
% khối lượng
mgKOH/g
So với Petrodỉesel, biodiesel có những ưu điểm như:
Trang 7
- Biodiesel cháy tốt hom petrodiesel.
- Biodiesel có ngiồn gốc sinh học nên có những tác động tích cực đến môi trường như:
giảm lượng mưa axít, giảm hiệu ứng nhà kính khi đốt cháy do giảm lượng phát thải của các
hydrocacbon chưa cháy, các hydrocacbon thơm, co, muội than, bồ hóng,...
- Biodiesel là đốt không độc, dễ phân hủy sinh học (98% trong 3 tuần so với diesel chỉ
50%).
- Biodiesel hầu như không chứa họp chất lưu huỳnh nên khi sử dụng không xảy ra hiện
tượng ăn mòn thiết bị.
- Nhiệt độ chớp cháy của biodiesel cao hơn diesel nên không ậo hỗn hcrp cháy nổ với
không khí và hơi nhiên liệu. Điều này rất có ý nghĩa khi tồn trữ nhiên liệu.
- Biodiesel có chỉ số cetane cao hơn diesel.
- Khi sử dụng nhiên liệu biodiesel thì các nước không có nguồn nguyên liệu hóa thạch
có thể chủ động về nguồn nguyên liệu đồng thời có thể thúc đẩy nền nông nghiệp phát triển.
Như vậy, về mặt kinh tế, việc sử dụng biodiesel ngoài vấn đề giải quyết ô nhiễm môi trường,
còn góp phần thúc đẩy ngành nông nghiệp phát triển, tận dụng tiềm năng sẵn có của nước ta:
đất đai, khí hậu, nhân lực, hạn chế việc nhập khẩu nhiên liệu, từ đó giảm mức độ phụ thuộc
vào nước ngoài.
Bên cạnh những ưu điểm, biodiesel cũng có những nhược điểm sau:
- Trong phân ử biodiesel có chứa nguyên tử oxy nên nhiệt trị thấp hơn die sel truyền
thống. Vì vậy, khi sự dụng biodiesel làm nhiên liệu sẽ tiêu hao hơn nhiều so với nhiên liệu
diesel truyền thống.
- Khi sử dụng biodiesel thì hàm lượng khí NOx thải ra khi tăng khi giảm, không khống
chế được. Đây chính là một trong những nhược điểm đáng kể của biodiesel so với diesel
truyền thống.
- Biodiesel có điểm đông đặc cao hơn diesel truyền thống nên gây khó khăn cho việc sử
dụng ở các nước có nhiệt độ thấp vào mùa đông. Để khắc phục nhược điểm này, phụ gia làm
giảm điểm đông đặc được đưa thêm vào biodiesel.
- Khuyết điểm lớn nhất của biodiesel là giá thành cao hơn nhiều so với diesel truyền
thống. Đây chính là nguyên nhân dẫn đến việc sử dụng biodiesel chưa phổ biến hiện nay.
Tuy nhiên, vấn đề này không còn quan trọng nữa một khi nguồn dầu mỏ cạn kiệt và vấn đề
môi trường lên tiếng.
- Hiện nay biodiesel thường được sản xuất chủ yếu theo mẻ. Đây là điều bất lợi vì năng
suất thấp, khó ổn định được chất lượng sản phẩm cũng như các điều kiện của quá trình phản
ứng. Một phương pháp để khắc phục nhược điểm này chu)ển từ sản xuất biodiesel từ qui
trình sản xuất gián đoạn sang qui trinh sản xuất liên tục.
Trang 8
Trang 9
Bảng 3 - Một số đặc tính chọn lọc của Diesel và Biodiesel
Đặc tính nhiên liệu
Diesel
Nhiệt trị,
Biodiesel
Btu/gal
129,05
118,17
Độ nhớt động học ở 40°c,
mm2/s
1,3-4,1
4,0 - 6,0
Tỉ trọng ở 15°c,
lb/gal
7,079
7,328
Hàm lượng nước và cặn cơ học,
max
0,05
0,05
Điểm chớp cháy,
°c
60-80
100 - 170
Điểm đông đặc,
°c
-15-5
-3-12
40-55
48-65
Chỉ số cetane
2. Tình hình sử dụng nhiên liệu diesel trên thế giới và Việt Nam
2.1. Trên thế giới
Ôtô chuyển dịch sang động cơ diesel. Giá dầu thô ngày càng tăng cao, các công nghệ
tiên tiến như hybrid hay pin nhiên liệu vẫn còn quá xa để có thể áp dụng, diesel đang
ngày càng trở thành lựa chọn họp lý cho người sử dụng xe hơi.
Cùng với việc giá dầu thô tăng cao và hàng loạt công nghệ hiện đại như đa van hay
Common Rail Diesel (phun nhiên liệu đơn đường), xu hướng chuyển dần sang sử dụng
máy dầu của ngành công nghiệp xe hơi thế giới ngày càng rõ rệt. Thị trường châu Âu có
thể được coi là mảnh đất hứa đối với các loại xe máy dầu, vốn chiếm tới gần 50% lượng
ôtô các loại đang lưu hành. Tại một vài quốc gia như Pháp, Đức, Áo, Thụy Sĩ, sự hiện
diện của động cơ diesel còn lấn át cả động cơ xăng. Nhu cầu giảm tiêu thụ nhiên liệu
cũng giúp tăng lượng xe động cơ diesel tại thị trường ôtô lớn nhất thế giới là Mỹ. Ngay
Nhật Bản, tỷ lệ xe máy dầu hiện mới chiếm khoảng 3% đến 5% số xe lưu hành, cũng
Trang 10
đang trở thành thị trường mục tiêu cho những nhà sản xuất xe động cơ diesel hàng đầu
thế giới.
Mới đây, tổ hcrp công nghiệp nặng Fuji Heavy Industries, sở hữu nhãn hiệu Subaru,
tuyên bố sẽ tung ra mẫu xe diesel đầu tiên vào cuối năm 2007, nhật báo Nihon Keizai
Shimbun, dẫn lời Chủ tịch Kyoji Takenaka, cho biết. Trong tháng 3 vừa qua tại Anh, lượng
tiêu thụ xe máy dầu đã tăng 8,9%. Nhờ đó, với tổng số 156.932 sản phẩm từ đầu năm, con
số ôtô chạy bằng diesel các loại được bán ra hiện chiếm 36% ngành công nghiệp xe hơi xứ
sở sương mù.
Bước tiến gần đây nhất của công nghệ hybrid là sự kết hcrp giữa một mô-tơ điện và một
động cơ diesel (thay cho động cơ xăng trước đây). Mercedes-Benz là một trong những hãng
đi tiên phong khi giới thiệu mẫu xe hạng sang S-class được trang bị động cơ diesel-hybrid
tại triển lãm ôtô Detroit 2005. Cũng tại đây, người ta còn thấy hiện diện chiếc Meta One với
hệ thống động cơ tương tự của Ford Motor, vốn không mạnh trong lũih vực hybrid.
2ẳ2ẳ Tại Việt Nam
Tại Việt Nam, số xe động cơ diesel đang chiếm hơn 20% thị trường ôtô mới tại Việt
Nam, khoảng gần 40.000 chiếc. Năm 2001, con số này còn ở mức dưới 10%. Thông thường,
máy dầu được ưa chuộng trong lĩnh vực chuyên chở. Sau Ford Transit, lần lượt xuất hiện
Mercedes-Benz Sprinter và Toyota Hiace ráá làm tăng thêm lựa chọn cho khách hàng đối
với loại xe chở khách 16 chỗ trang bị động cơ dầu. Nhưng với các xe 7 chỗ chở xuống, sự
hiện diện của loại động cơ này còn ở mức rất khiêm tốn.
Gần như độc chiếm thị trường xe pickup (Pickup là loại xe bán tải đa năng được chế tạo
dựa trên cơ sở xe jeep và chỉ kém jeep khả năng vượt chướng ngại vật) ừong nước, với sự
cạnh tranh không đáng kể từ Isuzu D-Max, nhưng số xe Ford Ranger bán ra cả năm 2005
cũng mới đạt 778 chiếc, chiếm 15% tổng số xe Ford tiêu thụ được. Ở dòng xe đa đụng hiện
cũng chỉ có chiếc Isuzu Hi -Lander và một phiên bản Everest là trang bị động cơ diesel. Có
thể đây vẫn sẽ là mảnh đất tiềm năng nhất đối với xe máy dầu ở Việt Nam. Theo Ford, xe
máy dầu chiếm tới 75% số Everest hãng sản xuất.
Từ đó, ta thấy rằng thị trường động cơ sử dụng nhiên liệu diesel đang mở rộng trong
tương lai trên khắp thê giới. Điều đó càng khẳng định vai trò thay thế của nhiên liệu sinh
học biodiesel ngày càng quan trọng. Ở nước ta hiện nay đã có một cơ sở sản xuất biodiesel ở
tỉnh An Giang. Dù còn gặp nhiều khó khăn về giá cả nguyên vật liệu, công nghệ, chưa có
chỉ tiêu đánh giá chất lượng từ phía bộ khoa học- công nghệ... nhưng đã mở ra một tương lai
sáng lạn cho nhiên liệu sinh học biodiesel ở Việt Nam.
3ẵ Nguyên liệu sản xuất Biodiesel
Trang 11
Các nguồn nguyên liệu chính
Dầu thực vật__________________________________________________________
Dầu thực vật chủ yếu thu được ở trong phần hạt (cũng có một số ngoại lệ dầu nằm trong
phần thịt quả, như bơ). Thành phần chính của dầu thực vật là triglyceride. Hàm lượng
triglyceride có trong dầu thực vật khoảng 90 - 98%, nột lượng nhỏ monoglyceride,
diglyceride, acid béo ự do 1 - 5% gồm phospholipids, phosphotides, carotenes... và một
lượng nhỏ nước. Dầu thực vật không chứa các họp chất lưu huỳnh. Trong phân ử hàm lượng
oxy chiếm khoảng 10%. [6] Các loại dầu này có giá trị thương phẩm cao, được sử dụng trong
công nghệ thực phẩm.
Ngoài ra còn có nlững loại dầu khác không được dùng trong công nghệ thực phẩm
như dầu hạt cao su, dầu vỏ hạt điều, dầu Jatropha đều có thể sử dụng làm nguyên liệu.
Dầu thải từ các nhà hàng, xí nghiệp, gia đình sau khi đã qua chế biến:
Dầu thải từ các nhà hàng, từ các xí nghiệp chế biến thực phẩm như xí nghiệp sản xuất
mì ăn liền, bánh biscuit,... là dầu đã được qua chế biến một hoặc nhiều lần. Dầu sử dụng
trong các xí nghiệp sản xuất thường có nguồn gốc rõ ràng nên tính chất dầu rõ ràng. Còn dầu
từ các nhà hàng chủ yếu là dầu ăn được mua trong các siêu thị, khu mua sắm... là dầu được
tạo thành từ nhiều hỗn họp dầu khác nhau, nên tính chất dầu khó xác định. Tuy dầu thải có
nguồn gốc từ nhiều dầu khác nhau nhưng thành phần của chúng tương tự nhau, đây là một
ưu điểm của dầu thải do có thể phối trộn dầu thải của nhiều nguồn khác nhau để làm nguyên
liệu.
Bảng 4 - Thành phần acid béo có trong một mẫu dầu thải và một số tính chất
hoá lý cơ bản của mẫu dầu thu được tại Thành phố Hồ Chí Minh
Trang 12
Trang 13
Trang 14
Acid bo
Tn
% khối lượng
C8:0
Acid caprilic
0.03
C10:0
Acid captic
0.01
C12:0
Acid lauric
0.18
C14:0
Acid miristic
0.89
C16:0
Acid panmitic
36.5
C16:l
Acid panmitoleic
0.16
C18:0
Acid stearic
4.49
C18:l
Acid oleic
40.45
C18:2
Acid linoleic
15.62
C18:3
Acid linolenic
0.94
C20:0
Acid arachidic
0.38
C20:l
Acid gadoleic
0.21
C22:0
Acid behenic
0.14
Mỡ động vật
Mỡ động vật được chia ra làm 2 nhóm : mỡ động vật trên cạn và mỡ động vật
dưới nước. Mỡ động vật trên cạn chứa nhiều acid béo no, chủ yếu là acid panmitic và
acid stearic (mỡ heo, mỡ bò). Mỡ động vật trên cạn chứa nhiều acid béo thuộc nhóm
omega-6 hơn, hầu như không có omega-3 nên thường ở trạng thái rắn trong điều kiện
nhiệt độ thường. Mỡ động vật dưới nước chứa hàm lượng acid béo không no thuộc nhóm
omêga-3 tương đối lớn, ở thể lỏng trong điều kiện nhiệt độ thường.
Nước ta thuộc vùng nhiệt đới, có nhiều sông nước nên nghề nuôi và chế biến thủy
sản phát triển mạnh về cả chất và lượng, không chỉ phục vụ nhu cầu trong nước mà còn
Trang 15
hướng đến xuất khẩu. Trong đó phải kể đến nghề nuôi và chế biến cá da trơn ở khu vực
Đồng bằng sông Cửu Long. Hoạt động chế biến các sản phẩm từ cá da trơn thải ra ngoài
một lượng lớn các phế phẩm, ảnh hưởng đến môi trường, mà trong đó chiếm chủ yếu là
mỡ cá. Do đó, nếu sử dụng mỡ cá như nguồn nguyên liệu cho nhiên liệu mới là một
phương án có hiệu quả về mặt kinh tế lẫn cho môi trường.
Giới thiệu về nguồn nguyền liệu mỡ cá tra
Cá tra là loài các ănựp, thức ăn thích họp nhất là các loại đạm có nguồn gốc từ động
vật, đặc biệt là các loại các tạp , nhuyễn thể như ốc, nghêu, hến.... Cá tra là loại các nhiệt
đới, nhiệt độ thích họp khoảng 26 °c - 30°c, không ếng được trong môi trương có khí hậu
lanh. Cá tra quen sống ở nước ngọt, nhưng cũng có thể thích nghi ở cả những vùng nước
lợ có nồng độ muối thấp. Trong tự nhiên cũng như khi nuôi ao, cá tra sống thành từng
đàn và có thể sống được ở những nơi kênh rạch dơ bẩn, ao tù, nước đọng, mật độ nuôi
dày (10 con/m2). Ở nước ta hiện nay, cá tra đang được coi là loại cá nuôi có năng suất cao
nhất trong nghề nuôi thủy sản, năng suất trung bình theo năm khoảng 30 - 45 tấn/ha. Vì
loài cá này có thể thích nghi với nhiều loại thức ăn khác nhau và các điều kiện sống khác
nhau, nên các tra đang được coi là loài cá được nuôi phổ biến nhất, chiếm hơn một nửa
diện tích nuôi trồng thủy sản ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long.
Bảng 5 - Các tính chất hoá lý cơ bản của mỡ cá
Tính chât
Độ ẩm (%)
Chỉ sô axit (mg KOH/g mỡ)
Giá trị
0,287
0,94
Tỉ trọng ở 30°c
0,8638
Độ nhớt (Cst)
41,68
Bảng 6 - Kết quả phân tích thành phần acid béo của một mẫu mỡ cá tra
Trang 16
Acid
Công thức phân tử
Khối lượng phân tử
Hàm lượng (%)
C12:0
c12h24o2
200
0,37
C14:0
C14H2802
228
3,73
C15:0
C15H30O2
242
0,13
C16:0
C16H3202
256
27,18
C16:l
C16H30O2
254
0,98
C17:0
C17H3402
270
0,14
C18:0
C18ĨỈ3602
284
7,76
C18:l
C18ĨỈ3402
282
44,87
C18:2
C18ĨỈ3202
280
10,41
C18:3
Ci8H3o02
278
0,96
C20:0
C20H40O2
312
0,22
C20:l
C20H38O2
310
1,33
C20:4
C20H32O2
304
0,62
C20:5
C20H30O2
302
0,34
C22:0
C22H44O2
340
0,14
C22:l
C22H42O2
338
0,23
C22:5
C22H34O2
330
0,13
C24:0
C24ĨỈ48O2
368
0,12
C22:6
C22H32O2
328
0,33
Cm:n
Trang 17
Khối lượng mol trung bình của mỡ cá :
Mmacá=[Macidbé0- 1P3 + 41 với khối lượng
mol trung bình của acid béo được tính như sau:
________
M = -M____________
acid béo
19
Ẽmi
ì—1
Trong đó mi là phần trăm khối lượng của axit béo có khối lượng mol phân tử là Mi
trong mẫu.
III.
TÌNH HÌNH NGHIÊN cứu VÀ NHIỆM vụ LUẬN VĂN
Tình hình nghiên cứu[l]
Vói những ưu điểm của mình, biodiesel đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi ở
nhiều quốc gia: châu Âu (Đức, Ý, Áo , Pháp, Thụy Điển, Tây Ban Nha,...), Châu Mỹ
(Hoa Kỳ đứng đầu thế giới về lượng biodiesel sử dụng, Brazil,...), châu Á (Trung Quốc,
Ấn Độ, Nhật Bản,...), châu Phi và châu úcũng đã b ắt đầu nghiên cứu về biodiesel. Hầu
hết các nghiên cứu về biodiesel tập trung vào 2 vấn đề: xúc tác và các yếu tố ảnh hưởng
đến hiệu suất phản ứng. Các hệ xúc tác được nghiên cứu đến nay gồm: xúc tác kiềm, xúc
tác acid, không dùng xúc tác, hóa siêu âm, xúc tác enzym, xúc tác base không ion, xúc
tác rắn. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng như: tính chất của nguồn nguyên
liệu, nhiệt độ, thời gian phản ứng, tỉ lệ ancol:dầu, tỉ lệ xúc tác:dầu, tốc độ khuấy trộn.
Tại Việt Nam, việc điều chế và thử nghiệm nhiên liệu biodiesel từ dầu thực vật bắt
đầu được quan tâm từ những năm 1980. Công trinh lớn nhất được công bố có lẽ là Luận
án Tiến sĩ của tác giả Nguyễn Đức Minh vào năm 1997. Trong công trình này, tác giả đã
so sánh các tính năng kỹ thuật của nhiên liệu diesel có pha dầu đậu nành với các hàm
lượng 10, 20, 100% với nhiên liệu diesel truyền thống. Ngòai ra, tác giả cũng đã thử
nghiệm điều chế nhiên liệu biodiesel bằng phương pháp ester hóa dầu đậu nành với
ethanol, sử dụng xúc tác NaOH, nhiệt độ phản ứng khỏang 50 - 65°c, thòi gian phản ứng
6-7 giờ.
Trang 18
dầu thực vật phế thải đã được thực hiện ở Hà Nội (Trung tâm Khoa học Tự nhiên và
Công nghệ Quốc Gia) và Tp. Hồ Chí Minh (Đại học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh). Các
nghiên cứu này chủ yếu đi theo hướng điều chế biodiesel bằng phương pháp ester hóa.
Từ năm 2000, một số nhóm nghiên cứu ở Viện Hóa Học, Viện Môi Trường (Trung tâm
Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc Gia) và ở Trung tâm Khoa học Môi trường và
Phát triển bền vững thuộc Đại học Quốc Gia Hà Nội bắt đầu nghiên cứu công nghệ siêu
âm để điều chế nhiên liệu biodiesel từ dầu thực vật.
Từ năm 2001, nhóm nghiên cứu thuộc Bộ môn Công nghệ Chế biến Dầu khí và
Trung tâm Lạc - Hóa đầu (Trường Đại học Bách Khoa TPHCM) đã bắt đầu nghiên cứu
khả năng sản suất biodiesel từ các nguồn dầu thực vật.
Tác giả Trương Quốc Vương đã khảo sát khả năng pha trộn trực tiếp dầu thực vật
và dầu diesel để thay thế dầu diesel. Nguồn nguyên liệu sử dụng là dầu dừa hoặc dầu đậu
phộng. Kết quả cho thấy rằng hỗn họp pha trộn 3% thể tích dầu dừa và 97% thể tích
diesel hoặc hỗn họp 2% dầu đậu phộng và 98% dầu diesel có thể được sử dụng như
nguồn nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu diesel truyền thống. Đây là một phương pháp
đơn giản và có thể dễ dàng thực hiện ở quy mô sản xuất lớn hoặc nhỏ. Rõ ràng, khả năng
sử dụng trực tiếp nguồn nguyên liệu dầu thực vật là khả thi. Tuy nhiên, lượng dầu thực
vật sử dụng vẫn còn quá ít, và ử ợng diesel truyền thống dùng trong hỗn hợp nhiên liệu
vẫn còn quá cao. Một trong những nguyên nhân của điều này là do độ nhớt của dầu thực
vật quá cao dẫn đến những bất lợi trong quá trình phun nhiên liệu và đốt cháy. Vì vậy,
cần phải biến tính dầu thực vật trước khi đưa vào sử dụng. Hiện nay, phương pháp
chuyển vị ester với tác nhân ancol được lựa chọn khảo sát.
Tác giả Nguyễn Thị Hồng Nơ [27] đã nghiên cứu tổng hợp biodiesel từ nguồn
nguyên liệu dầu dừa trên cơ sở thực hiện phản ứng chuyển metyl ester hóa giữa các
triglyxerít có trong dầu dừa và methanol trên xúc tác rắn S04.Sn02 tự tổng họp. Điều kiện
thích hợp cho quá trìnhđi ều chế xúc tác như sau: Nhiệt độ nung: 800°c, Thòi gian sulfate
hóa: 2 h, Độ pH = 8 , Nồng độ H2S04: 4 M.
Trang 19
Trong nỗ lực nâng cao hiệu suất của quá trình chuyển methyl ester hóa dầu dừa,
các tác giả Phạm Hòan Vũ và Đào Đức Phú đã thay thế xúc tác rắn axít bằng xúc tác rắn
kiềm. Ở đây, tác giả sử dụng K2CO3/AI2O3 tự điều chế như là xúc tác. So vói xúc tác
rắn axít S04.Sn02 sử dụng ở ừên, xúc tác rắn kiềm này đã nâng hiệu suất phản ứng lên rất
cao, khỏang 87 - 92% mà vẫn giữ được điều kiện phản ứng tương đối đơn giản (phản
ứng được thực hiện ở nhiệt độ khỏang 60°c, áp suất khí quyển, sự phân tách sản phẩm
tương đối dễ dàng). Theo các tác giả này, các yếu tố liên quan đến quá trình điều chế xúc
tác (như thời gian tẩm, thời gian nung và nhiệt độ nung) và tỷ lệ xúc tác quyết định đến
hiệu suất của phản ứng. Một điểm đáng lưu ý nữa là khả năng phản ứng phụ thuộc rất lớn
vào quá trình xử lý sơ bộ nguyên liệu dầu dừa trước khi thực hiện phản ứng. Dầu dừa
phải được lọc bỏ các tạp chất cơ học, chất xơ trước khi đưa vào hệ phản ứng. Một trong
những tác hại của những tạp chất này có lẽ là do ảnh hưởng che phủ của chúng lên các
tâm họat động cũng như các lỗ xốp của chất mang, nhất là trong giai đọan đầu của phản
ứng khi độ nhớt của dầu dừa còn khá cao, dẫn đến khả năng xúc tác của hệ xúc tác rắn
giảm xuống.
Việc sử dụng biodiesel từ dầu thực vật đã góp phần đáng kể trong vấn đề giảm ô
nhiễm môi trường, giảm sự phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu nhập khẩu. Tuy nhiên, giá
thành vẫn còn cao hơn r ất nhiều so với diesel truyền thống. Nhằm mục đích giảm chi phí
cho quá trình sản xuất biodiesel, các tác giả Phan Ngọc Anh, Phùng Khánh Nghiêm và
Nguyễn Thanh Dũng đã thử nghiệm trên nguồn dầu ăn thải từ các quá trinh chế biến thực
phẩm. Tương tự như dầu thực vật, dầu ăn phế thải có thành phần chính là triglyxeride,
ngòai ra còn có một lượng nhỏ acid béo tự do. Thành phần acid béo ữong dầu ăn phế thải
không thay đổi nhiều so với dầu nguyên chất. Vì vậy, tính chất hóa lý của dầu phế thải
không khác nhiều so với dầu nguyên chất. Ở Việt Nam, lượng dầu này chủ yếu thải ra
môi trường bên ngòai gây ô nhiễm nguồn nước. Do vậy, việc nghiên cứu khả năng sử
dụng từ dầu ăn phế thải là cần thiết vì sẽ góp phần vào việc giảm ô nhiễm môi trường tò
nguồn dầu thải này. Đây cũng là hướng đã và đang được áp dụng tại nhiều nước trên thế
Trang 20
giói.
Các tác giả này đ& tập trung vào phản ứng ester hóa dầu ăn phế thải bằng phương
pháp hóa học với sử dụng xúc tác kiềm. Quá trình chuyển hóa được thực hiện ở nhiệt độ
môi trường, vói xúc tác KOH (0.75% khối lượng). Điều kiện tối ưu để phản ứng đạt hiệu
suất khỏang 88.3% là: tỷ lệ mol methanol: dầu = 7: 1; thòi gian phản ứng là 90 phút. Sản
phẩm methyl ester tổng họp tò dầu thải thỏa mãn hầu hết các tiêu chuẩn quy định cho
nhiên liệu diesel. Tuy nhiên, hàm lượng cặn carbon Condradson quá cao so vói tiêu
chuẩn và thành phần chưng cất của methyl ester dầu ăn phế thải khác xa so với nhiên liệu
diesel. Vì thế, không thể sử dụng trực tiếp methyl ester cho động cơ diesel mà phải phối
trộn methyl ester vói nhiên liệu diesel. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của các hệ nhiên liệu
phối trộn lên các tính năng kỹ thuật và thành phần khí thải của động cơ ở chế độ không
tải và có tải cho thấy mẫu hỗn hợp 20% biodiesel và 80% diesel (B20) hòan tòan có thể
dùng làm nhiên liệu thay thế cho diesel truyền thống.
Trên cơ sở kết quả của các nghiên cứu sản xuất biodiesel tò các nguồn dầu ăn thải, tác
giả Nguyễn Phúc Tuệ đã thỉ tính tóan sơ bộ để thiết kế phân xưởng sản xuất biodiesel từ
dầu thực vật thải với năng suất 50 tấn/ngày. Phương pháp để sản xuất là phản ứng chuyển
metyl ester hóa giữa ester của axít béo và methanol. Phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ
thường với xúc tác KOH. Theo tác giả, với tổng số vốn đầu tư gần 5 triệu USD mỗi năm
chúng ta có thể thu lãi hom USD 900.000 với năng suất sản phẩm là 15.000 tấn/năm (đây
là năng suất tối thiểu của nhà máy). Vì vậy, theo tác giả, dự án “Thiết kế phân xưởng sản
xuất biodiesel từ dầu thải” là đáng giá về mặt kinh tế và môi trường.
Nhiêm vu luân văn
•••
Luận văn này được thực hiện ữong khuôn khổ của đề tài nghiên cứu trọng điểm của
ĐHQG Tp.HCM (tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ chế biến Biodiesel từ mỡ cá da trơn
phế thải và từ dầu hạt cây cao su. Mã số: B2008 - 20 - 03 TD) với các nội dung
ứng dụng công cụ mô hình hóa toán học, vói sự hỗ trợ của ngôn ngữ lập trình
MATLAB, mô phỏng đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ
Trang 21
tới hiệu quả chuyển hóa biodiesel từ mỡ cá.
ứng dụng nguyên lý cực đại Pontryagin xác định các hàm điều khiển tối ưu (nhiệt độ
Topt(t), suất lượng dòng methanol u2opt(t)) đảm bảo quá trình chuyển hóa Biodiesel
đạt được hiệu suất chuyển hóa mong muốn trong thời gian ngắn nhất (bài toán tác
động nhanh).
Nghiên cứu thực nghiệm để xử lý thu hồi Glycerine như một sản phẩm phụ của quá
trình chuyển hóa biodiesel đã được thực hiện ở qui mô pilot.
CHƯƠNG 2
Cơ SỞ LÝ THUYẾT
I. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIODIESEL
Các phản ứng hóa học trong quá trình chuyển hóa biodiesel từ mỡ cá
Hiện nay, biodiesel chủ yếu được sản xuất từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật. Quá
trình được thực hiện thông qua phản ứng chuyển vị ester của các triglyceride có trong
dầu mỡ với tác nhân alcol như methanol... thành các ester béo 'ới mạch ngắn hơn .
Trong phạm vi luận văn này, nguyên liệu chuyển hóa biodiesel là mỡ cá có hàm lượng
acid béo ự do thấp (chỉ số acid AV80
>88.0
Độ tro
% khôi lượng
0
(22)
Chọn chế độ ban đầu: j=0,1=0,u(0)
Giải hệ phương trình vi phân các biến trạng thái: =>x(t)=>tính I(i)
Giải hệ phương trình vi phân phụ trợ:
->X(t)->tmh P(j),QG)
8©=e(j)*s®
■=> u(j+l)=u(j)+5(j)
_______ị____________
Giải hệ phương trình vi phân các biến trạng thái: =>x(t)=>tính I(j+1)
E
2.
ti
ơ)
ff
/
ÍƠ)PỨ)
r
Kết thức
Hình 7 - Sơ đồ thuật toán LUUS áp dụng nguyên lý cực đại
Nguyên lý cực đại là công cụ toán học cho phép giải quyết các bài toán điều khiển
tối ưu các hệ động lực được mô tả bởi các phương trình vi phân. Có nhiều thuật toán khác
nhau đã đư ợc xây dựng để cụ thể hóa nguyên lý cực đại khi ứng dụng cho các bài toán
điều khiển tối ưu khác nhau. Với quá trình chuyển hóa Biodiesel, căn cứ vào dạng các
phương tnnh vi phân (hệ phương trình ữạng thái ( 1) và phiếm hàm mục tiêu I (7)) thuật
toán thích hcrp được sử dụng là thuật toán LUUS[3]. Nội dung thuật toán LUUS được tóm
tắt theo sơ đồ Hình 7.
Với các công thức tính toán kèm theo:
Công thức tính s(i)
(23)
Công thức tính w®
(24)
Trong công thức trên, W(j) là một ma ữận gồm n hàng và n cột (n là số biến điều khiển
Ui)
-
Công thức tính p®
(25)
Công thức tính Q(i)
(27)
(26)
Công thức tính epsilon E® = P®/(2.Q®)
-
Công thức tính hàm mục tiêu dùng công thức bài toán tác động nhanh là công thức
(7) ở trên
-
Công thức tính các dXi/dt dùng công thức (9) ở ữên.
-
Công thức tính chênh lệch giá trị hàm mục tiêu giữa 2 lần hiệu chỉnh 51:
(28)
Trong các công thức trên, các đại lượng s, p, Q,s chỉ là những đại lượng phát sinh khi tiến
hành hiệu chỉnh để đạt được chế độ điều khiển tối ưu cho các biến điều khiển
CHƯƠNG3
MÔ HÌNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA
BIODIESEL TỪ MỠ CÁ TRÊN Cơ SỞ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH
MATLAB
L XÂY DựNG MÔ HÌNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA
BIODIESEL
Giả sử rằng trong hỗn hợp phản ứng chứa acid béo tự do (FFA), Triglyceride (TG),
Diglyceride (DG) và Monoglyceride (MG), Methylester (E), Methanol (Me), Glycerine
(G), nước (W), xúc tác (KOH), xà phòng (S). Phản ứng thực hiện trong thiết bị khuấy lí
tưởng có thể tích V ở nhiệt độ T và thời gian phản ứng t. Dòng nguyên liệu vào có lưu
lượng thể tích Fv, khối lượng riêng pv, nhiệt độ T v, và độ nhớt Uy. Hỗn hợp phản ứng
trong thiết bị cố khối lượng riêng p, khối lượng m=p.v, độ nhớt o. Dòng sản phẩm đầu ra
có lưu lượng thể tích Fr, khối lượng riêng pr=p, nhiệt độ Tr=T, độ nhớt
Ur=U.
Các phàn ứng hóa học của quá trình chuyển hóa được trình bày trong phần I,
chương 2Ễ
Hình 8 - Sơ đồ thiết bị phản ứng khuấy lí tưởng đem giản
Phân tích định tính các đại lượng của đối tượng công nghệ
Đối tượng công nghệ bao gồm các đại lượng được cho trong bảng sau:
Bảng 9 - Các đại lượng của thiết bị phản ứng khuấy lí tưởng
dòng
Dòng vào
Hỗn hợp phản ứng
Dòng ra
Tốc độ biến thiên nồng độ
TênMG
đại (mol/(lít.phút))
lượng
/
dCMG/dt
/
Lưu lượng
thê tích
Nồng
độ G (mol/lít)
(líưphút)
CF
G>vV
CG
/
r
CG,FĨ=C
G
pv
/
dcG/dt
p
/
Pr=P
T
C-Me,v
v
T
CMe
—
T>T
CMe,r
CMe
u/v
u /dt
dCMe
Ur=U
/
m
/
CE,V
CE
/
CE=96%) cho quá trình chuyển hóa gián đoạn.
Như vậy, giải bài toán điều khiển tối ưu bằng nguyên lý cực đại bước đầu đã cho
thấy cách thức điều khiển 2 thông số nhiệt độ và suất lượng methanol thêm vào theo
hình thức đơn giản (duy tó cố định biến điều khiển nhiệt độ và cho toàn bộ lượng
methanol cần dùng vào ngay từ thời điểm đầu tiên) chính là phương thức họp lý nhất
cho phép thực hiện quá trình chuyển hóa đạt yêu cầu đã đ ặt ra trong thời gian ngắn
nhất. Đây là kết quả bước đầu để định hướng tới các bài toán điều khiển tối ưu phức tạp
hơn nhằm xác lập các chế độ vận hành các quá trình chuyển hóa biodiesel quy mô công
nghiệp đạt tới hiệu quả cao nhất.
CHƯƠNG 4
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TINH CHẾ GLYCERINE
Trong quá trình triển khai ứng dụng biodiesel một khó khăn cản trở rất lớn là
nguyên liệu cho quá trình chuyển hóa có giá cao, ữong khi gia nhiên liệu bán ra lại
không đủ sinh lợi. Vì vậy, việc tận dụng các sản phẩm phụ, thu hồi nguyên liệu chưa
chuyển hóa là cần thiết. Sản phẩm phụ của quá trình chuyển hóa biodiesel là Glycerine,
một chất được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống và sản xuất công nghiệp. Việc tận
dụng nguồn sản phẩm phụ glycerine này sẽ đảm bảo lọi nhuận cho cả dây chuyền sản
xuất biodiesel. Vì vậy, ữong luận văn này, tình bày thêm qui trình tinh chế glycerine từ
nguồn glycerine thô của quá trình chuyển hóa biodiesel ở qui mô pilot.
I. PHƯƠNG PHÁP THựC NGHIỆM
Nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ, thiết bị sử dụng
Nguyên liệu
Glycerine thô (pha glycerine sau quá trình lắng tách pha) còn lẫn methanol, xà
phòng, methylester, KOH, các chất tạo màu,và các tạp chất khác...sau quá tình chuyển
vị ester tạo methyl ester (biodiesel)
1.2ẻ Hóa chất sử dụng
Acid H3P04 85% khối lượng, than hoạt tính mịn, KOH, methanol: sử dụng các
hóa chất có độ tinh khiết phân tích của Trung Quốc.
Thiết bi và dung cu thí nghiêm
máy cô quay chân không
•
I B •
o t
bình cầu phản ứng thể tích 1 lít và 2 lít.
hệ thống sinh hàn hồi lưu: sinh hàn, bình chứa nước, ống dẫn nước, máy bơm nước,
bệ đỡ, giá đỡ.
bếp từ, cá từ
máy li tâm
giấy lọc
hệ thống máy hút chân không dùng khi lọc cân
điện tử: chính xác đến 2 chữ số sau dấu phẩy
pipet, bóp silicon phiểu
chiết becher 250 ml đũa
khuấy
nhiệt kế rượu loại 100 °c
Phương pháp thí nghiệm
Hình 19 - Sơ đồ qui trình công nghệ tinh chế glycerine thô tò qui trình sản xuất
biodiesel
Trong qui trình này, methanolđóng vai trò r ất quan trọng trong việc làm giảm
độ nhớt của dung dịch phản ứng khi tiến hành phản ứng loại xà phòng. Khi cho acid
H3PO4 vào với lượng khoảng 13-14 ml cho 300 g mẫu glycerine thô, acid béo tự do tạo
thành. Vì có nhiệt độ sôi cao ,nên khi tạo thành, acid béo làm dung dịch đặc sệt lại.
Nếu không có methanol, độ nhớt dung dịch sẽ rất cao làm cho việc khuấy ữộn rất khó
khăn, phản ứng xảy ra cục bộ không đều. Nhờ methanol có sẵn trong glycerine ban đầu
làm cho độ nhớt dung dịch thấp nên quá trình khuấy trộn dễ dàng, phản ứng xảy ra đều
hơn. Nếu điều kiện khuấy trộn tốt, phản ứng chỉ cần tiến hành trong khoảng 30 phút,
tính ngay sau khi cho acid H3PO4 vào, chứ không cần phải đến 90 phút như bên trên.
Nhiệt độ của phản ứng được chọn là 60 °c vìđ ặc tính động học của quá trình phản ứng
loại xà phòng, khi nhiệt độ cao thì tốc độ phản ứng sẽ nhanh. Nhưng xét về mặt nhiệt
động, nhận thấy phản ứng tỏa nhiệt, nên nhiệt độ cao quá sẽ không tốt cho phản ứng.
Vả lại, nhiệt độ này dưới nhiệt độ sôi của methanol có ữong hỗn hợp phản ứng nên
tránh được phần nào sự bay hơi mạnh mẽ của methanol. Như vậy, nhiệt độ 60 °c là
nhiệt độ thích hợp cho quá trình phản ứng loại xà phòng.
Sau khi phản ứng xong, làm nguội hỗn hợp phản ứng xuống nhiệt độ phòng,
khoảng thòi gian làm nguội này mất khoảng 30 phút. Trong quá trình làm nguội này, để
cho hỗn hợp phản ứng lắng tự nhiên. Dưới tác dụng của trọng lực, hỗn hợp phản ứng
phân thành 3 lớp: lớp trên cùng là acid béo (có thể lẫn methanol), lớp giữa là glycerine
và methanol, lớp cuối là muối lẫn glycerine (và có thể lẫn methanol). Chiết lấy lớp trên
cùng và lớp giữa cho vào phiểu chiết. Lớp dưới cùng còn lẫn lớp giữa, đem đi lọc chân
không, lấy lớp giữa, còn muối được tách ra và giữa lại. Trong phiểu chiết chứa lớp trên
cùng và lớpgiữa, chiết lấy lớp giữa, lớp trên cùng sau chiết chứa acid béo chủ yếu (có
thể có lẫn methanol). Lớp giữa thu được, sẽ được đem đi khử màu.
Quá trình khử màu được tiến hành 3 lần để đảm bảo màu được khử hoàn toàn.
Quá trình khử màu được tiến hành kín trong bình phản ứng có hoàn lưu nhằm tránh
methanol bay hơi ra ngoài. Lượng than hoạt tính dùng lần đầu khoảng 5-6 % khối
lượng mẫu đem khử màu. Hai lần còn lại lấy khoảng 4-5 % khối lượng mẫu đem khử
màu. Than được cho trực tiếp vào hỗn hợp phản ứng, cho vào bình phản ứng, gia nhiệt
đến 60 °c, rồi bắt đầu khuấy trong vòng 15-20 phút. Theo kinh nghiệm, trong quá trình
gia nhiệt không cho khuấy, như vậy kết quả khử màu rất tốt. Quá trình khử màu là quá
trình hấp phụ. Các phân tử tạo màu sẽ bám lên bề mặt của các hạt than hoạt tính. Như
đã biết quá trình hấp phụ diễn ra tốt khi nhiệt độ thấp, áp suất cao, điều này đúng cho
hấp phụ pha khí. Còn quá trình này là hấp phụ pha lỏng, còn rất nhiều yếu tố khác ảnh
hưởng như khuếch tán nhiệt, nhiệt độ hấp phụ.... Nếu xét quá tình hấp phụ theo 2 khía
cạnh động học và nhiệt động, thì khi nhiệt độ tăng theo động học tốc độ hấp phụ tăng,
còn theo nhiệt động, tốc độ hấp phụ sẽ giảm, tốc độ giải hấp tăng. Chính vì vậy, tồn tại
một nhiệt độ tối ưu cho quá tình hấp phụ này. Ở đây, tạm chọn nhiệt độ hấp phụ 60 °c,
vì nhận thấy ở nhiệt độ này màu được khử tốt, vả lại nhiệt độ này thấp hơn nhiệt độ sôi
của methanol nên tránh methanol bay hơi mạnh.
Sau quá trình hấp phụ, làm nguội hỗn họp trong 20 phút, để nhiệt độ hạ xuống
gần bằng nhiệt độ phòng, khi đó methanol bay hơi r ất ít. Hỗn hợp sau khi khử màu
đem lọc chân không, loại than hoạt tính, thu lấy phần lỏng (lớp giữa sau khi khử màu
lần thứ nhất). Than hoạt tính sau khi lọc, có thể đem đi nung ở nhiệt độ cao để tái sinh,
sử dụng lại cho các lần khử màu tiếp theo. Phần lỏng thu được, đem khử màu thêm 2
lần nữa,cách tiến hành tương tự như lần đầu tiên, cùng điều kiện nhiệt độ, thời gian,
nhưng với lượng than ít hơn. Sau 3 lần khử màu , hỗn hợp gần như trong suốt không
màu, khi đó tiến hành kiểm ữa pH sẽ dễ dàng nhận biết hơn. Đẻ kiểm tra pH, thường
dùng chất chỉ thị là giấy quì tím, hay methylđ ỏ (pH6.2 màu vàng
cam).
Sau khi kiểm fra pH, nếu pH trung tính (giấy quì màu vàng, methytt ỏ màu vàng
cam) đem hỗn họp đi cô quay chân không loại methanol và một lượng rất nhỏ nước ở
nhiệt độ phản ứng 70-80 °c, ữong thời gian khoảng 40 phút. Sau khi cô quay làm
nguội, thu được glycerine tính chế. Nếu pH acid, thì hỗn hợp cần được trung hòa, vì
sản phẩm cần ở pH trung tính. Để trung hòa, lấy một lượng mẫu nhỏ đem chuẩn độ để
xác định lượng KOH trong methanol cần cho vào để trung hòa. Sau khi trung hòa, đem
hỗn hợp làm lạnh ở nhiệt độ khoảng 3 - 4 °c, trong thời gian 60 phút để cho muối kết
tinh lại. Đem hỗn họp lọc chân không, tách bỏ muối. Hỗn hợp sau khi tách muối, đem
đi cô quay chân không ở nhiệt độ 80 °c, trong 60 phút để loại methanol và nước. Sau
khi cô quay chân không xong, làm nguội, được glycerine tinh chế.
Sản phẩm glycerine được đánh giá chất lượng thông qua các phân tích xác định
hàm lượng và độ mầu.
Các quy trình thực nghiệm được trình bày chi tiết hơn trong phụ lục PL-3.
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Kết quả thí nghiệm
Vì hạn hẹp về thời gian, nên việc khảo sát các yếu tố ảnh hưởng các công đoạn
trong qui trình không thể tiến hành. Với qui trình tinh chế mói này, chỉ chọn ra một chế
độ tiến hành cho mỗi công đoạn trong qui trình. Hai thông số quan trọng được quan
tâm trong qui trình tinh chế này là hiệu suất thu hồi và độ tinh khiết của glycerine thu
được.
Mầu glycerine thô lấy từ quá trình chuyển hóa tạo biodiesel chỉ dùng xúc tác KOH
ưên pilot._____________________________________________________________
Chế độ tiến hành cho mỗi công đoạn trong qui trình công nghệ:
Công đoạn loại xà phòng:
o Lượng acid: 48-50 ml H3PO4 85 % cho 1000g glycerine thô o Nhiệt
độ phản ứng: 60 °c o Thòi gian phản ứng: 90 phút
Công đoạn khử màu lần i.Ệ
o Lượng than hoạt tính: 5,4 % khối lượng mẫu đem khử màu o Nhiệt
độ khử màu: 60 °c o Thời gian khử màu: 20 phút
Công đoạn khử màu lần 2 và lần 3:
o Lượng than hoạt tính: 4,5% khối lượng mẫu đem khử màu o Nhiệt độ
khử màu: 60 °c o Thời gian khử màu: 20 phút
Công đoạn trung hòa và kết tinh loại muối: vì lượng acid dùng vừa đủ, glycerine thu
được có pH trung tính, nên công đoạn này bỏ qua.
Cô quay chân không thu hồi methanol (và nước):
o Khối lượng mẫu đem cô quay: 250-350g
o Nhiệt độ cô quay: 70-80 °c
o Thời gian cô quay: 40 phút
o Tốc độ quay của trục quay: mức 5 (theo máy)
o Độ chân không không đổi
Bảng 27 - kết quả thực nghiệm
Khôi
lượng
Glycerine
thô(g)
Thê tích
acid H3PO4
85%(ml)
Lượng
than
trong lần
1 (g)
Lượng
than
trong làn
2 (g)
Lượng Khôi
lượngHiệu
than
Glycerine tinhthu
(%)
trong làn chế (g)
3 (g)
suất Hàm lượng
hồi methanol
trong
glycerine(%)
600,5
28
21,63
16,54
15,00
232,34
38,69
21,66
1083,91
50
40,41
31,5
29,7
437,50
40,37
32
1084,24
50
40,4
32
29,5
409,17
37,74
26,68
1022,21
48
35
26,73
25,2
399,18
39,05
20
Nhận xét:
Hiệu suất thu hồi của cả qui trình trong khoảng từ 38% đến 40%.
Xác định hàm lượng của glycerine tình chế:
Cân chính xác lg glycerine 3 tính ch ế hòa tan với khoảng 50 ml nước cất. cân
khoảng 5g KI04 hòa tan vói dung dịch glycerine vừa tạo, đem phản ứng khuấy không
gia nhiệt trong 2 giờ. Sau phản ứng, đem lọc lấy dung dịch, thêm nước cất để đạt
được 100 ml. Dùng pipet 10 ml (£ r ửa sạch hút chính xác 10 ml thêm phenolphtalein
làm chất chỉ thị, đem chuẩn độ với NaOH 0,1N.
Kết quả:
Bảng 28 - Kết quả chuẩn độ oxy hóa xác định hàm lượng glycerine
Mẩu
Khối lượngKhối lượngThòi
gianThể tích dd Thể tích
mẫu (g)
KIO4 (g)
phản ứng sau khỉ phản dd đem
(h)
ứng (ml)
đi chuẩn
đô (ml)
5,4
2
100
10
Mẩu chuẩn 1,00
(Merch)
Thể tích Hàm
NaOH
lượng
0,1N (ml) glycerine
(%)
10,5
96,6
Mẩu không 1,00
5,07
2
100
10
10,1
92,9
Mâu dùng 1,02
5,04
2
100
10
10,8
97,4
dùng muối
ngậm nước
muối ngậm
nước
Xác định độ trẳng của glycerine sau tình chế
Bảng 29 - Kết quả đo độ ừắng
Mâu
Lân đo L
1
63,76
Mâu
glycerine 2
61,76
chuân
3
60,79
TB
62,10
1
59,65
Mâu
glycerine 2
60,56
sau
tinh 3
58,89
chê
TB
59,7
a
-1,26
-1,3
-1,25
-1,27
-1,6
-1,66
-1,51
-1,59
b
6,5
6,7
6,3
6,5
7,15
7,3
6,92
7,12
AL
Aa
Ab
AE
-2,4,
-0,32
0,62
2,50
Mầu tốiMầu lục Mầu Có thể
hơn
hơn
vàng
phân
chuẩn chuẩn
hơn
biệt
chuẩn mẫu và
chuẩn
bằng
mắt
thường
Nhận xét:
Quá trình tẩy màu chưa tốt, mẫu sau tẩy màu bị nhiễm than nên lục và tối hơn.
Kết luân:
Qui trình đạt hiệu suất thu hồi từ 38%-40%, glycerien thu được ữong suốt không
màu. Độ tính khiết đạt 92,9%. Hàm lượng methanol thu hồi tối đa đạt 32% khối
lượng glycerine (trước cô quay chân không).
Bàn luân
•
Kết quả cho thấy qui trình mới đạt hiệu suất thu hồi và (độ tinh khiết) tốt. Công
đoạn phản ứng loại xà phòng, khử màu, lọc chân không dễ dàng nhờ methanol được
giữ lại nên làm độ nhớt của hỗn hợp thấp. Nhưng việc này cũng d ẫn đến một nhược
điểm là methanol có thể phát tán ra môi trường xung quanh gây độc hại vì vậy các
công đoạn phải được làm kín tốt, nhiệt độ không quá cao tránh methanol bay hơi
mạnh. Khi các thiết bị đã làm kin tốt thì qui trình này trở nên dễ dàng và đại hiệu quả
tiết kiện năng lượng, tăng tuổi thọ cho thiết bị tốt. Các thí nghiệm vói khối lượng
mẫu khoảng 1000 g được tiến hành dễ dàng chứng tỏ rằng qui trình hoàn toàn có thể
tiến hành ữên qui mô lớn hơn.
Xét ở khía cạnh qui mô lớn như qui mô công nghiệp, nếu ta có thể tiến hành
quá trình chuyển vị ester giữa triglyceride và methanol với các thiết bị phản ứng đạt
độ kín tốt, thì hoàn toàn có thể tiến hành tính chế glycerine thô theo qui trình công
nghệ đã nêu ra ở bên trên. Với việc methanol được giữ lại làm cho độ nhớt hỗn họp
thấp, khi tiến hành phản ứng nếu dùng thiết bị phản ứng dạng cánh khuấy thì công
suất khuấy sẽ giảm đáng kể, ứng suất momen xoắn sẽ giảm đi rất nhiều, độ bền thiết
bị tăng, tốc độ khuấy được cải thiện, phản ứng đồng đều hơn, triệt để hơn. Khi lọc,
nhờ độ nhớt thấp, quá trình lọc sẽ dễ dàng, tốn ít công lọc. giữ lại methanol sẽ làm
cho hỗn hợp sau phản ứng loại xà phòng dễ dàng phân lớp ữong thòi gian ngắn mà
không cần
phải tiến hành li tâm tách lớp, nhờ đó vừa tiết kiệm thời gian, tăng năng suất,vừa tiết
kiệm chi phí đầu tư ban đầu. Độ nhớt hỗn họp thấp, lưu chất trong ống sẽ dễ dàng lưu
chuyển, ít bám bẩn, tăng thời gian bảo trì,làm sạch đường ống, giảm công suất bơm.
Tác nhân khử màu nếu dùng than hoạt tính, nên có hệ thống tái sinh than hoạt tính sau
khi hấp phụ.
Acid béo thu được trong quá trình tinh chế glycerine (lớp ữên cùng) có thể được
đem đi thực hiện phản ứng ester hóa với methanol để tạo thêm biodiesel, hoặc cho các
quá trình khác ntr n ấu xà phòng. Muối kali photphat thu được có thể được dùng để sản
xuất phân bón cho nông nghiệp. Tận dụng tốt các sản phẩm phụ sẽ tăng hiệu quả kinh
tế và tính cạnh tranh cho quá trình sản xuất biodiesel.
ĐÈ XUẤT MÔ HÌNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH TINH CHÉ
Vì hạn chế về thời gian, đề xuất mô hình toán cho các công đoạn sau:
Giai đoạn phản ứng loại xà phòng
Pha glycerine thu được sau quá trình chuyển hóa biodiesel có thể chứa các chất
như: glycerine (chủ yếu), methanol, xà phòng, methylester (ít), KOH, các chất tạo màu
và các tạp chất khác là nguyên liệu cho quá trình chuyển hóa loại xà phòng. Dòng
nguyên liệu vào có lưu lượng thể tích Fv, khối lượng riêng pv, nhiệt độ Tv, và độ nhớt uv
được cho vào thực hiện phản ứng với acid H3PO4 trong thiết bị khuấy lí tưởng ở nhiệt độ
T và thời gian phản ứng t. Các chất tạo màu và các tạp chất không thực hiện phản ứng
hóa học. Các phản ứng được đề nghị cho quá trình này tham khảo chương 2- Cơ sở lý
thuyết, phần phản ứng hóa học cho quá trình loại xà phòng.
Hỗn hợp phản ứng trong thiết bị phản ứng có thể tích V, khối lượng riêng p, khối
lượng m=p.v, độ nhớt u. Thành phần hỗn họp trong thiết bị phản ứng sẽ gồm : acid
H3P04(A), KOH (B), KH2P04(C), H20(W), xà phong(S),acid béo(FFA), methylester(E),
methanol(Me), glycerine (G), các chất tạo màu và các tạp chất(R). Dòng sản phẩm đầu
ra có lưu lượng thể tích Fr, khối lượng riêng pr=p, nhiệt độ Tr=T, độ nhớt ur=u. Phản
ứng sẽ được tiến hành cho đến khi hết xà phòng (thời gian phản ứng t phút).
Mô hình toán của quá tình nàylư ợc tiến hành tương tự quá trình chuyển hóa
biodiesel.
Mô hình toán tổng quát bao gồm cả cân bằng năng lượng và cân bằng vật chất cho
quá trình loại xà phòng:
^^- = —(C — — c ) + r dt V A,v p '
A
LỜI CẢM ƠN....................................................................................................................................
LỜI MỞ ĐẦU....................................................................................................................................
CHƯƠNG 1 DIESEL YÀ BIODIESEL...........................................................................................
CHƯƠNG 2.....................................................................................................................................22
,(*).....................................................34
CHƯƠNG3......................................................................................................................................41
MÔ HÌNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA BIODIESEL TỪ MỠ CÁ
TRÊN Cơ SỞ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH MATLAB...................................................................41
^(cs;v-^.cs) + rs......................................46
£ỊT=Í t) , Im -rắì ,.......................................48
=LH,trxH,*-L»,-x«, + F'-+V-y„, -V-y„, (62)...............98
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................................................101
PHỤ LỤC.......................................................................................................................................105
cừ V
dr
=
A (Q^
r r)
, Ẹ ( A ^ ) , U - A J X T J -T )
dt V ' p Cp ' v
/?.Cp jO.Cp.V
dT, ue .60 (l + f).Ơ.A..(7’,-r)
2
-----— = /7- _! —--------------------------------zr------------------
/?,.£> £>
^4 = —k5CACB — kxCACs + k2CFFACc
r
B = ~k$CACB
c ~ k5CACg + kxCACs — k2CFFACc rG =0
r
r
Với
l
FFA
Me k3CECw kACFFACMe E kjCpCyự + kịC C
r = k.c. c. -k r__ r_ + k r_r_ -k r__ c.
r
K
1 '-'a'-'S 2 FFA C
T A
=
FFA
Me
'3'-'£'-'W 4 FFA Me
w ~ ^5 C f C B ~ k3CECw + k4CFFACMe r R = 0
s = ~k£sCằ + k9CFFACc
r
r
Xác định các thông số chưa bỉầ
Các thông số chưa biết cần xác định ừong mô hình là các ră ng lượng hoạt
hóa Eị, các hằng số Arhenius kOị, hệ số D.
Kiểm định mô hình
Cơ sở phản ứng hóa học cho quá trình loại xà phòng cần được kiểm định bằng
thực nghiệm.
Mô hình tháp chưng cất 2 cấu tử
Trong qui trinh tinh chế glycerine đã được hiệu chỉnh, giai đoạn cuối là tách và
thu hoi methanol ra khỏi hệ methanol và glycerine. Phương pháp thường được lựa
chọn là chưng cất chân không vì glycerine dễ biến tính khi nhiệt độ cao hơn 180 °c.
Phần này sẽ thiết lập mô hình toán mô tả tháp chưng cất cho hệ gồm 2 cấu tử
methanol và glycerine
Dòng nguyên liệu gồm methanol và glycerine đi vào tháp tại mâm thứ Np, sẽ
phân thành 2 phần lỏng và hơi, phần hơi sẽ đi lên trên, phần lỏng sẽ ở lại mâm Np và
đi xuống các mâm bên dưới. Dòng hơi từ đáy tháp với lưu lượng V sẽ đi từ dưới đáy
lên trên đỉnh tháp. Tại mỗi mâm cấu tử nhẹ sẽ được tách ra và đi lên trên, phần cấu
tô nặng sẽ theo ống chảy truyền chảy xuống các mâm bên dưới với lưu lượng L.
Phần nhẹ sẽ được ngưng tụ tại thiết bị ngưng tụ, được chứa trong bình chứa trang
gian. Lỏng ra khỏi bình chứa trung gian sẽ được phân thành 2 phần, phần hồi lưu về
đỉnh tháp với lưu lượng R, phần còn lại là sản phẩm với lưu lượng D. Phần mole cấu
tử nhẹ trong dòng sản phẩm đỉnh sẽ được điều chỉnh bằng lượng lỏng hồi lưu lại.
Mức lượng ở bình chứa trung gian sẽ được điều chỉnh bằng lượng sản phẩm đỉnh D
lấy ra. Trong bình chứa trung gian, ừên mỗi mâm trên tháp, đáy tháp và thiết bị đung
sôi đáy tháp luôn chứa một lượng lỏng M. Nhiệt độ và áp suất chân trong tháp sẽ
được thể hiện qua giá trị của các enthanpy h =f(T,P)và các độ bay hơi tương đối
a=f(T,P). Tháp chưng cất chỉ có sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy, không có sản phẩm
trích ngang.
Phân tích định tính hệ thống
Hình 20 - Sơ đề nguyên lý tháp chưng
cất Bảng 30 - Các đại lượng và các quan hệ
Tên đại lượng
Kí hiệu
Đơn vị
Tông sô mâm lý thuyêt của
tháp
NT
Lượng lỏng hôi lưu
R
m3/s
Lượng sản phẩm đỉnh
D
m3/s
Quan hệ với đại lượng khác
Lượng sản phâm đáy
B
nrVs
Lượng hơi ở đáy
V
m3/s
Lượng lỏng chảy từ mâm n
Ln
m3/s
Mn
m3
Lượng lỏng giữ lại tại bình MD
chứa sản phẩm đỉnh
m3
Lượng lỏng giữ lại ữên
mâm n
Thành phân mole câu tử nhẹ xn
trong pha lỏngtại mâm thứn
Thành phân mole câu tử nhẹ yn
trong pha hơi tại mâm thứn
a.xn
~ \ +(a-\).xn
Vn
Độ bay hơi tương đối của a
cấu tử nhẹ đối với cấu tử
nặng
Phân mole câu tử nhẹ ở
đỉnh
Phân mole câu tử nhẹ ở đáy
tháp
XD
XB
Chiêu dài của ông chảy tràn
L\v
Chiêu cao lỏng trên ông
chảy tràn
how
Lượng lỏng giữ lại tại đáy MB
tháp và nồi đun
Thành phân methanol nhập z
liệu
m3
Các g i ả thuyết và điều kiện:
Nhập liệu ở dạng lỏng sôi
Độ bay hơi tương đối là không đổi ừong toàn tháp
Lưu lượng hơi qua các mâm trong tháp bằng nhau: V=V 1=V2=....VnT
Pha lỏng tại các mâm, ở đáy tháp và nồi đun, tình ch ứa sản phẩm đỉnh đồng
nhất (nồng độ cấu tử nhẹ xn bằng nhau tại các điểm trong không gian)
Bỏ qua sự mất mát nhiệt (cứ 1 mole hơi ngưng tụ thì có 1 mole chất đó bay hơi)
Các đường hoạt động của phần chưng và phần luyện trong giản đồ MccabeThiele là đường thẳng
Lưu lượng hơi và lỏng đi qua phần chưng và phần cất là không đổi khi đạt trạng
thái ổn định
Trong lúc chưng cất không có phản ứng hóa học xảy ra Xây dựng mô hình toán
Tại thiết bị ngưng tụ condenser
Theo định luật bảo toàn khối lượng, biến thiên lượng mole chất lỏng giữ trong
thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh:
(53)
(54)
Tương tự, tại mâm thứ NT (mâm ở đỉnh tháp)
biến thiên tổng lượng lỏng giữ trên mâm Nx
(55)
biến thiên lượng methanol trong pha lỏng
(56)
Tại mâm thứ n - N j - l
dMN
— = L N - L N _j
..
(57)
dt
d ( M J>V X
) '
—1
N y ,—1
.X., . ' I
' iyT
iVy
iVy—1 iVy-
Avt ' N ~ AvT 1 - Nr ] + ^ - } y
X
t
X
2
—
1
(58)
Tại mâm thứ n dM
,;- = K*-K
(59)
at
=L-»-x°« ~L-X-+v-y- ~v-y" m
Tại mâm nhập liệu dM
dt
f^ = Ỉ^,-
L„r+F
(61)
d M
( NF-XNF)
= L H, t r x H,*
- L »,- x «, + F '-+V-y„, -V-y„,
(62)
dt
Tại mâm gần đáy tháp n=l dMl
dt
d (Ml .Xj)
dt
Tại đáy tháp và nồi đun (rebỉoler) dM
LỜI CẢM ƠN..............................................................................................................................
LỜI MỞ ĐẦU..............................................................................................................................
CHƯƠNG 1 DIESEL YÀ BIODIESEL.....................................................................................
CHƯƠNG 2................................................................................................................................
,(*)...................................................
CHƯƠNG3.................................................................................................................................
MÔ HÌNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA BIODIESEL
TỪ MỠ CÁ TRÊN Cơ SỞ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH MATLAB.........................................
^(cs;v-^.cs) + rs....................................
£ỊT=Í t) , Im -rắì ,.....................................
=LH,trxH,*-L»,-x«, + F'-+V-y„, -V-y„, (62).............
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................................
PHỤ LỤC.................................................................................................................................
+ (a-l).xn
phương trình thủy
lực
Phương trình thủy lực dùng kiểm soạt lượng lỏng tại mỗi mâm tránh không
cho vượt quá mức gây ngập lụt tháp. Phương tình th ủy lực thường được xác định
theo thực nghiệm, trong phạm luận văn xem như được cho trước. Trong trường hợp
ổn định Mn trên mỗi mâm có thể có thể có giá trị không đổi Mo, lưu lượng lỏng
L„ trong phần cất bằng lưu lượng lỏng hồi lưu vào tháp R và trong phần chưng
(stripping section) bằng R+F.
Lượng sản phẩm đỉnh và đáy phụ thuộc vào mức lỏng trong bình chứa sản
phẩm đỉnh và trong nồi đun đáy tháp hay gián tiếp qua lượng lỏng chưa trong sản
phẩm đỉnh MD và nồi đun MB. Quan hệ phụ thuộc thể hiện qua biểu thức
(được cho trước):
D = f ( M D ) B = f ( M B)
(69)
Đây là mô Hnh toán đơn gi ản chỉ dựa trên cân bằng vật chất mô tả một
chưng cất 2 cẩu tử.
Xác định các thông sổ chưa biết
Xác định bậc tự do của mô hình
tổng số biến số : 4NT+9 biến số, vói NT là tổng số mâm lý thuyết của
tháp Trong đó:
Thành phần lỏng hơi xn, yn:
2Nt
biến
số Lỏng chảy qua mỗi mâm Ln: N T biến số
Lỏng giữ trên mỗi mâm Mn: NT biến số D,
XD,
R, xB,yB,V,B,MD,MB : 9 biến số tổng số
các phương trình: 4NT+7 biến số Trong đó:
Phương trình bảo toàn khối lượng cho tổng lượng lỏng:
NT Phương trình bảo toàn khối lượng cho cấu tử : NT
Phương trình thủy lực : NT+1
tháp
Phương trình kiểm soát mức lỏng ở TBNT và nồi đun: 2
Phương trình cân bằng pha: NT
Phương trình bảo toàn khối lượng cho TBNT: 2
Phương trình bảo toàn khối lượng cho đáy tháp: 2
Số bậc tự do là 2, như vậy có 2 biến số cần được cho trước. Hai biến số
thường chọn là lượng lỏng hồi lưu R và lượng hơi ở đáy tháp V. Hai biến số R và V
có thể giữ không đổi hoặc có thể thay đổi thông qua 2 bộ kiểm soát hoạt động dựa
theo 2 quan hệ: R=f(xD) và V=f(xB). R tăng khi X nhỏ, V tăng khi X lớn.
D
B
Một thông số chưa biết nữa là độ bay hơi tương đối của methanol so với
glycerine. Độ bay hơi thường được xác định dựa vào hằng số cân bằng lỏng-hơi tra
trong sổ tay:
k
r
y
a = methannl với kmethanoi, kglycerine: hăng sô cân băng lỏng-hơi của methanol và
^glycerine
glycerine.
Kiểm định mô hình
Với các giả thuyết đề ra, mô hình tháp chưng cất có thể dùng để khảo sát sơ
bộ quá trình chưng cất glycerine và methanol, so với thực nghiệm còn nhiều sai khác
cần được kiểm chứng kỹ hơn.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
I. KẾT LUẬN
- Bằng phương pháp mô tinh hóa toán h ọc sau đó mô phỏng quá trình chuyển
hóa Biodiesel trên máy tính ái khảo sát được sự ảnh hưởng của các thông số nhiệt
độ, thời gian chuyển hóa, tỉ lệ mol methanol:mỡ cá cho quá trình chuyển hóa
Biodiesel. Kết quả của luận văn là một minh chứng thực tế cho khả năng và tính ưu
việt của phương pháp mô phỏng computer trong việc hỗ trợ các nghiên cứu thực
nghiệm.
- Kết quả mô phỏng quá trình chuyển hóa gián đoạn cho thấy:
Tỉ lệ mol methanol:mỡ cá tăng (cùng thòi gian và nhiệt độ chuyển hóa), thòi gian
chuyển hóa giảm, hàm lượng methylester tăng.
Thòi gian chuyển hóa tăng (cùng tỉ lệ mol và nhiệt độ chuyển hóa) thì hàm lượng
methylester tăng dần đến gián trị không đổi.
Khi nhiệt độ tăng, qui luật biến đổi phức tạp hơn, 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.
- Trong các kết quả mô phỏng gián đoạn, chế độ chuyển hóa vói tỉ lệ mol
methanol:mỡ cá = 7:1, nhiệt độ 55 °c đạt tiêu chuẩn về hàm lượng methylester
(>96%), thời gian đạt ổn định ngắn, tiết kiệm methanol vào. Khi chuyển hóa gián
đoạn nên tiến hành theo chế độ này với thòi gian chuyển hóa khoảng 45 phút.
- Chế độ với tỉ lệ mol = 7:1, nhiệt đô 55 °c cũng được áp dụng cho hệ thống
chuyển hóa liên tục. Kết quả mô phỏng các hệ thống chuyển hóa liên tục 1 bình, 2
bình nối tiếp, 3 bình nối tiếp (qui mô pilot thể tích mỗi bình V = 30 lít) cho thấy:
Chuyển hóa liên tục trên hệ thống 1 bình phản ứng là không khả thi vì năng suất
rất thấp.
Chuyển hóa liên tục trên hệ thống gồm 2 hay 3 bình nối tiếp nhau (dãyđơn
nguyên) là có thể thực hiện được, nhưng tốt hơn là hệ thống 3 bình nối tiếp
vói năng suất cao nhất trong 3 trường hợp (156 lít/h).
- Kết quả tối ưu cho thấy có thể điều khiển 2 thông số nhiệt độ, suất lượng cấp
methanol như là các hàm số theo thời gian T(t) và u2(t) để sản phẩm đầu ra đạt yêu
cầu trong thời gian chuyển hóa ngắn nhất. Từ các kết quả có được, khi giới hạn
lượng methanol thêm vào sao cho tỉ lệ mol tổng methanol:mỡ cá = 7:1 thì chế độ:
T(t) = Tmax = 55 °c = const; 0,5 phút đầu cấp methanol u2(t) = 0,988 líưphút, 15,5
phút cuối không cấp methanol u2(t) = 0 (tỉ lệ mol tổng methanol:mỡ cá = 7:1), thời
gian chuyển hóa 16 phút, hàm lượng methylester = 96,28% là chế độ tối ưu về thòi
gian chuyển hóa, tiết kiệm lượng methanol thêm vào. Kết quả hàm lượng
methylester = 96,28% hoàn toàn trùng khớp khi chuyển hóa gián đoạn ở tỉ lệ mol =
7:1, nhiệt độ 55 °c, thời gian chuyển hóa 16 phút.
Như vậy, nhờ tính toán tối ưu theo thuật toán LUUS đã giúp khẳng định chuyển
hóa gián đoạn theo hình thức đơn giản (duy tì cố định biến điều khiển nhiệt độ và
cho toàn bộ lượng methanol cần dùng vào ngay từ thời điểm đầu tiên) chính là
phương thức họp lý nhất cho phép thực hiện quá trình chuyển hóa đạt yêu cầu đã đặt
ra trong thời gian ngắn nhất.
- Quá trình tính chế glycerine bên trên chỉ mới ở giai đoạn khởi đầu, chưa được
tiến hành khảo sát các công đoạn. Với các điều kiện đã tiến hành cho các công đoạn,
quá trình tinh chế đạt hiệu suất thu hồi khá tốt 38 - 40%, hàm lượng Glycerine sau
tinh chế đạt 92,9% (hút nước kỹ bằng muối Na2S04 khan, hàm lượng Glycerine đạt
97,4%). Tuy nhiên độ trắng của sản phẩm chưa đạt yêu cầu vì trong quá trình lọc sau
công đoạn tẩy màu Glycerine bị nhiễm than hoạt tính, cần chú ý hơn trong khâu lọc.
KIẾN NGHỊ
Khảo sát các công đoạn của qui trình tinh chế glycerine gián đoạn
Vì lý do thời gian hạn hẹp, qui trình clra đư ợc khảo sát các yếu tố ảnh hưởng
trong các công đoạn. Đề nghị tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng ữong các công
đoạn để hoàn thiện qui trình tinh chế glycerine:
Công đoạn phản ứng loại xà phòng:
o Lượng acid H3PO4 85% o
Thời gian phản ứng o Tốc độ
khuấy o Nhiệt độ phản ứng
Công đoạn khử màu:
o Lượng than hoạt tính sử dụng
o Thòi gian khử màu o Nhiệt độ
khử màu
o Độ khuấy trộn
Cô quay chân không thu hồi methanol: o Khối lượng
mẫu đem cô quay o Nhiệt độ cô quay o
Thòi gian cô quay o Tốc độ quay o Độ chân
không
Để dễ dàng khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến các công đoạn ữong quá trình
tinh chế, có thể thành lập mô hình toán từ đó thành lập mô hình số hóa cho các công
đoạn. Có được mô hình số hóa, có thể dễ dàng tính toán tìm ra chế độ tối ưu cho các
công đoạn, từ đó đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất.
Tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện qui trình tinh chế glycerine đến độ tinh khiết
và độ trắng cao hơn.
Phát triển qui trình tinh chế glycerine liên tục
Nhờ tính phân tách nhanh sau phản ứng, sau phản ứng dẫn hỗn họp phản ứng
qua máy lọc loại muối, lỏng dẫn vào thiết bị tách pha lỏng-lỏng, tách lấy lớp giữa
được dẫn qua thiết bị làm lanh để tủa hoàn toàn acid béo còn lại sau đó lọc loại acid
béo nếu cần. Quá trình khử màu có thể thực hiện với than hoạt tính. Nếu dùng tác
nhân oxy hóa để khử màu khả năng glycerine cũng bị oxy hóa theo rất cao.
Hình 21 - Sơ đồ tinh chế glycerine liên tục
Trong qui trình tinh chế glycerine liên tục trên, dòng nguyên liệu ban đầu được đi
qua thiết bị trao đổi nhiệt để tận dụng nguồn nhiệt của dòng sản phẩm ra khỏi thiết bị
phản ứng, như vậy sẽ giảm năng lượng đun nóng ban đầu tại thiết bị gia nhiệt heater.
Dòng nguyên liệu này sẽ đi vào hệ thống thiết bị phản ứng hoạt động liên tục ở nhiệt
độ khoảng 60 °c. Dòng sản phẩm sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng, được làm nguội
nhờ trao đổi nhiệt vói dòng nguyên liệu đầu vào tại thiết bị trao đổi nhiệt. Sau khi
trao đổi nhiệt, nhiệt độ của dòng sản phẩm hạ xuống còn khoảng 30-40 °c. Dòng sản
phẩm tiếp tục đi vào thiết bị lọc, thiết bị lọc có thể là thiết bị lọc ly tâm hay thiết bị
lọc màng, để tách muối. Dòng lỏng qua thiết bị lọc sẽ được đưa vào thiết bị lắng tách
lớp liên tục để phân tách lớp trên cùng (lớp acid béo) và lớp giữa. Lớp giữa sau khi
được lấy ra tò thiết bị lắng sẽ được làm lạnh tại chiller để các acid béo và muối còn
lẫn (thường là các acid có mạch cacbon ngắn) kết tủa hoàn toàn. Dòng lỏng sau khi
làm lạnh sẽ đi qua một thiết bị lọc nữa để loại tinh acid béo (và muối có thể có). Sau
thiết bị lọc, lớp giữa đã sạch acid béo và muối, được đưa vào thiết bị khử màu.
Thiết bị khử màu có dạng là hệ thống thiết bị khuấy hoạt động liên tục. Glycerine
cần được khử màu sẽ được trộn với một lượng than hoạt tính nhất định, sau đó được
đưa vào hệ thống thiết bị khuấy có gia nhiệt nhiệt nhẹ (khoảng 60 °C). Lưu lượng
dòng vào thiết bị sẽ được hiệu chỉnh sau cho thời gian lưu qua hệ thống thiết bị đủ
lớn để quá trình hấp phụ diễn ra tốt. Hệ thống thiết bị hấp phụ có thể gồm 1 hoặc
nhiều thiết bị dạng khuấy nối tiếp nhau thành dãy đơn nguyên, vấn đề đặt ra là phải
nghiên cứu lượng than hoạt tính sử dụng, nhiệt độ hấp phụ, thòi gian hấp phụ tối ưu
cho công đoạn này để có thể đi đến một thiết kế cụ thể. Sau khi qua thiết bị dạng
khuấy, than sẽ được lọc khỏi dung dịch nhờ máy lọc. Than hoạt tính sau quá tình hấp
phụ được đưa về xưởng nun tái sinh, để tái sử dụng.
Sau khi khử sạch màu, việc loại methanol (có thể có lẫn một ít nước) để nâng cao
nồng độ của glycerine là cần thiết để có được glycerine thành phẩm đạt yêu cầu của
thị trường. Có nhiều giải pháp cho công đoạn này như dùng thiết bị phân tách cân
bằng lỏng-khí, chưng cất chân không...vì glycerine dễ biến tính khi nhiệt độ cao hơn
180 °c, nên nếu chưng cất thì chỉ có thể tiến hành chưng cất chân không. Việc thiết
kế và đầu tư cho một tháp chưng cất chân không là phức tạp và chi phí đầu tư lớn. Vì
vậy, giải pháp thiết bị phân tách cân bằng lỏng - khí với tính đơn giảm, mức đầu tư
thấp sẽ thích hcrp để lựa chọn. Theo kết quả mô phỏng từ phần mềm Pro/II của
Invensys Simsci, khi phân tách hệ glycerine và methanol trong thiết bị phân tách
lỏng khí (Hash Drum) ở điều kiện áp suất chân không là 50 cmHg và nhiệt độ 120
°c, thì hệ glycerine-methanol phân tách gần như hoàn toàn, glycerine đạt nồng độ
phần mol 99,16% (dòng nguyên liệu vào ở áp suất khí quyển). Trong qui trìnhđề
nghị bên trên, sử dụng để tạo áp chân không đã sử dụng một van điều chỉnh áp suất
có khả năng tiết lưu làm giảm áp tạo chân không mong muốn, thêm vào đó sẽ có một
bơm phía trước (có thể thêm phía sau một bơm) để hỗ trợ. Dòng lỏng sau khi tiết lưu
sẽ được bơm vào thiết bị tách lỏng khí dưới dạng bơm phun sương, tạo giọt lỏng
phân tán nhỏ nhằm tăng bề mặt tiếp xúc với môi trường trong thiết bị Flash được gia
nhiệt ở nhiệt độ khoảng 120 °c, áp suất chân không 50 cmHg. Hơi methanol ra khỏi
thiết bị Flash sẽ được ngưng tụ và được đưa đi nâng cao nồng độ (nếu cần) để làm
nguyên liệu cho quá trình chuyển hóa biodiesel. Glycerine sau ra khỏi Flash sẽ được
làm nguội đến khoảng 30-40 °c, và được đưa vào các công đoạn xử lý thêm hoặc
đưa vào kho chứa. Điều kiện phân tách chỉ ở nhiệt độ 120 °c, quá trình diễn ra liên
tục nên không sợ glycerine bị biến tính vì nhiệt.
Hiện nay, trên thế giới một số nơi đã dùng hệ thống tháp chưng cất đa cấu tử để
chưng cất tách ngay glycerine, biodiesel, methanol và các tạp chất ngay sau công
đoạn phản ứng. Hệ thống đạt năng suất cao nhưng chi phí đầu tư rất lớn, công nghệ
phức tạp, xét điều kiện kinh tế, kí thuật nước ta chưa cao nên khó có thể áp dụng.
Vói tính đơn giản về mặt công nghệ, chi phí đầu tư thấp, sản xuất liên tục, qui trình
tinh chế glycerine liên tục bên trên có tính khả thi rất cao khi áp dụng ở Việt Nam.
Qui trình đư ợc đề nghị chắc chắn còn rất nhiều khuyết điểm, hạn chế, cần được
tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện.
Trang 104
PHỤ LỤC
PL-1. GIỚI THIỆU VỀ MATLAB 1.
Khái niệm
Những năm gần đây MATLAB ă tr ở thành công cụ không thể thiếu của các cán
bộ nghiên cứu, giảng dạy, sinh viên đại học, cao học và nghiên cứu sinh thuộc các nghành
khoa học kỹ thuật nước ta.
Điều này có được trước hết là do MATLAB cung cấp một công cụ tính toán và bậc
cao dễ sử dụng, hiệu quả và thân thiện với người dùng. Đặc biệt với công cụ simulink,
MATLAB giúp cho người sử dụng dễ dàng thực hiện các bài toán mô hình hóa, mô
phỏng trên máy tính sau đó ghép máy tính vói thiết bị phần cứng để thực hiện việc mô
phỏng có phần cứng hay còn gọi hardware in the loop và cuối cùng là chế tạo nhanh mẫu
thử nghiệm tò kết quả mô phỏng (rapid phototyping). Một ưu điểm khác nữa của
MATLAB là tính mở, các hàm MATLAB và các toolbox không ngừng được bổ sung theo
sự phát triển của khoa học kỹ thuật không những bởi chính công ty The Math Works Inc,
mà còn bởi người sử dụng trên toàn thế giới làm việc ở những chuyên nghành khác nhau,
trong đó một số nhà nghiên cứu nước ta cũng đóng góp một phần nhỏế
MATLAB có nguồn gốc từ chữ matrix laboratory , là một phần mềm và cũng là ngôn
ngữ máy tính dùng để tính toán kỹ thuật. Ban đầu matlab được lập ra để giải quyết các
phép tính trên ma ữận, và điều này khiến cho MATLAB có ứng dụng rất lớn trong nhiều
nghành kỹ thuật khác nhau so với ngôn ngữ lập trình khác tính toán trên số vô hướng.
MATLAB kết hợp tính toán vói lập trình và đồ họa trong môi trường phát triển tương tác,
thời gian lập trình chỉ bằng một phần nhỏ so với thời gian lập trình bằng các ngôn ngữ
khác nhờ vào các hàm có sẵn. MATLAB có dữ liệu cùng với thư viện hàm lớn nhờ vậy
cho phép người sử dụng có thể có được các ứng dụng sau:
sử dụng các hàm toán học trong thư viện, thực hiện các tính toán thông thường cho
phép lập trình tạo ta những ứng dụng mới cho phép mô phỏng các mô hình thực
tế phân tích, khảo sát và hiển thị số liệu phần mềm đồ họa cực mạnh
cho phép phát triển, giao tiếp với các ngôn ngữ khác như FOTRAN, C++
Phần mềm bao gồm các thành phần
MATLAB, Simulink, Aerospace Blockset, Aerospace Toolbox, Bioinformatics, Toolbox,
Communications Blockset, Communications Toolbox, Control System Toolbox, Curve
Fitting Toolbox, Data Acquisition Toolbox, Database Toolbox, Datafeed Toolbox,
Distributed Computing Toolbox, Excel Link, Extended Symbolic Math Toolbox, Filter
Design HDL Coder, Filter Design Toolbox, Financial Derivatives Toolbox, Financial
Toolbox, Fixed-Income Toolbox, Fixed-Point Toolbox, Fuzzy Logic Toolbox, GARCH
Toolbox, Gauges Blockset, Genetic Algorithm and Direct Search Toolbox, Image
Acquisition Toolbox, Image Processing Toolbox, Instrument Control Toolbox, Link for
Cadence Incisive, Link for Code Composer Studio, Link for ModelSim, Link for
TASKING, MATLAB Builder for •NET, MATLAB Builder for Excel, MATLAB
Builder for Java, MATLAB Compiler, MATLAB Distributed Computing Engine,
MATLAB Report Generator, Mapping Toolbox, Model Predictive Control Toolbox,
Model-Based Calibration Toolbox, Neural Network Toolbox, OPC Toolbox,
Optimization Toolbox, Partial Differential Equation Toolbox, RF Blockset, RF Toolbox,
Real-Time Windows Target, Real-Time Workshop, Real-Time Workshop Embedded
Coder, Robust Control Toolbox, Signal Processing Blockset, Signal Processing Toolbox,
SimBiology,
SimDriveline,
SimEvents,
SimHydraulics,
SimMechanics,
SimPowerSystems, Simscape, Simulink Accelerator, Simulink Control Design, Simulink
Fixed Point, Simulink HDL Coder, Simulink Parameter Estimation, Simulink Report
Generator, Simulink Response Optimization, Simulink Verification and Validation,
Spline Toolbox, Stateflow, Stateflow Coder, Statistics Toolbox, Symbolic Math Toolbox,
System Identification Toolbox, SystemTest, Target for Freescale MPC5xx, Target for
Infineon Cl66, Target for TI C2000(tm), Target for TI C6000(tm), Video and Image
Processing Blockset, Virtual Reality Toolbox, Wavelet Toolbox, xPC Target, xPC Target
Embedded Option.
Lịch sử hình thành
Nhu cầu tính toán trên máy tính ẩtgia Ễng k ể từ cuộc cách mạng công nghiệp cách
đây hơn 3 thế kỷ. nhiều năm qua các cuộc chạy đua của con người phụ thuộc ngày càng
nhiều và tính toán số và máy tính số. kỹ thuật tính toán ban đầu được phát triển là tính tay
kết hợp dựa vào các bản tra và sau đó phát triển lên người ta đã ứng dụng máy t ính vào
tính toán
Máy tính đầu tiên được lập trình bằng ngôn ngữ máy. Sau đó, các ngôn ngữ lập trình
ra đời như ALGOL, FOTRAN, c,...trong nhều thập kỷ qua, người ta đã kết hợp ngôn
ngữ lập trình, các tính toán toán học để phát triển thành các phần mềm thay vì những
dòng code phức tạp. các phần mềm sẽ có cấu trúc lệnh đơn giản, giao diện đơn giản dễ sử
dụng, thêm vảo đỏ nỏ còn tích hợp nhiều chức năng hơn như về đồ họa, các bộ dò lỗi....và
MATLAB đi đư ợc phát triển tò nhu cầu tính toán kỹ thuật ngày càng phát triển, trải qua
một thời kỳ dài với nhiều phiên bản:
Matlab là viết tắt từ "MATrix LABoratory", được Cleve Moler phát minh vào cuối
thâp niên 1970. và sau đó là cù nhiệm khoa máy tính tại Đai hoc New Mexico.
MATLAB, nguyên sơ được viết bởi ngôn ngữ Fortran, cho đến 1980 nó vẫn chỉ là
một bộ phận được dùng nội bộ của Đai hoc Stanford.
Năm 1983, Jack Little, Ộ1 người đã học ở MIT và Stanford, ã vết lại MATLAB bằng
ngôn ngữ C và nó đuợc xây dựng thêm các thư viên phục vụ cho thiết kế hê thống
điều khiển, hệ thống hộp công cụ (tool b o x ) , mô phỏng... Jack xây dựng
MATLAB trở thảnh mô hình ngôn ngữ lâp trình trên cơ sở ma trân {matrixbasedprogramming language).
Steve Bangert là ngvừi đã viết trình thông dich cho MATLAB. Công VẸC này kéo
dài gạn 1V2 năm. Sau này, Jack Little kết hợp với Moler và Steve Bangert quyết
định đưa MATLAB thành dự án thương mại - công ty The MathWorks ra đời thời
gian này - năm 1984.
Phiên bản đầu tiên MATLAB 1.0 ra đời năm 1984 viết bằng c cho MS-DOS PC được
phát hành đầu tiên tại IEEE Conference on Design and Control (Hội nghị IEEE về
thiết kế và điều khiển) tại Las Vegas, Nevada.
Năm 1986, MATLAB 2 ra đời trong đó hỗ trợ UNIX.
Năm 1987. MATLAB 3 phát hành.
Năm 1990 Simulink 1.0 được phát hành gói chung với MATLAB.
Năm 1992 MATLAB 4 thêm vào hỗ trợ 2-D và 3-D đồ họa màu và các ma trận tiny
tìm. Mm này õng cho phá t hành phiên 6n MATLAB Student Edition (MATLAB ấn
bản cho học sinh).
Năm 1993 MATLAB cho MS Windows ra đời. Đồng thời công ty này có trang web là
www.mathworks.com
Năm 1995 MATLAB cho Linux ra dơi. Trình dịch MATLAB có khả năng chuyển
dịch từ ngôn ngữ MATLAB sang ngôn ngữ c cũng được phát hành trong dịp này.
Năm 1996 MATLAB 5 bao g)m thêm các kiểu dữ liêu, hình ảnh hóa, bỏ truy sửa lỗi
{ d e b u g g e r ) , và bộ tạo dựng GUI.
Năm 2000 MATLAB 6 cho ải mới môi trường làm việc MATLAB, thêm LAPACK và
FFTW (Fastest Fourier Transform in the West - "biến đổi Fourier nhanh nhất của
phương Tây").
Năm 2002 MATLAB 6.5 phát hành ãl cải thiện tốc độ tính toán, sử dụng phương
pháp dịch JIT (Just in Time) và tái hỗ trợ MAC.
Năm 2004 MATLAB 7 phát hành, có khả năng chính xác đơn và kiểu nguyên, hỗ trợ
hàm lồng nhau, công cụ vẽ điểm, và có môi trường phân tích số liệu tương tác.
Đến tháng 12, 2008. phiên bản 7.7 được phát hành với SP3 cải thiện Simulink cùng
với hơn 75 sản phẩm khác.
Năm 2009 cho ra đời 2 phiên bản 7.8 (R2009a) và 7.9 (R2009b).
Năm 2010 phiên bản 7.10 (R201 Oa) cũng đã được phát hành.
Một số phép toán cơ bản trong MATLAB
Các lưu ý:
Matlab có rất nhiều kiểu dữ liệu khác nhau như: integer, single, double, long,
sym, string,....
Matlab vì là ngôn ngữ bậc cao nên phân biệt chữ hoa chữ thường.
Biến trong matlab: chiều dài tên biến tối đa là 31 ký tự, bắt đầu bằng chữ sau đó là
các chữ, số hay dấu gạch dưới
Số: số thập phân dùng dấu chấm để tách phần nguyên và phần lẻ.
Ma trận , vecto và mảng trong matlab thường được dùng không phân biệt,
ma trận là đối tượng chủ yếu của matlab.
Một số phép toán và lệnh Bảng 31 - Các toán tử số học
Ký hiệu
Ý nghĩa
Ký hiệu
Ý nghĩa
+
Cộng mảng,ma trận
c
Chuyển vị liên họp
phức
-
Trừ mảng, ma trận
*
Nhân mảng
*
Nhân ma trận
./
Chia mảng
/
Chia ma ữận
A
Chia ữái mảng
\
Chia trái ma trận
A
Lũy thừa mảng
A
Lũy thừa
0
ân định thứ tự tính
toán
Bảng 32 - Các toán tử logic
Phép toán
Ký hiệu
Hàm m
AND
A&B
and(A,B)
OR
AIB
or(A,B)
NOT
-A
not(A)
Exclusive or
Xor(a,b)
Xor(A,B)
các toán tử so sảnh:
So sánh nhỏ hơn:<
So sánh nhỏ hơn hoặc bằng:
So sánh lớn hơn hoặc bằng :>=
So sánh bằng: = (lưu ý: một dấu ‘=’ là dấu gán)
So sánh khác: ~=
các lệnh điều khiển chương trình:
Lệnh if ....elseif ....else....end
Lệnh switch...
case....otherwise.
Lệnh for....end Lệnh while ...
end
Lệnh break thường dùng cho vòng lặp for hay while. Ngoài ra còn một số lệnh khác.
các hàm toán học: matlab có rất nhiều hàm toán học dựng sẵn, bạn có thể gõ help
elfun, help elmat, help specfun để tìm hiểu rõ hom. Sau đây tôi xin giói thiệu một
số hàm và biến thường dùng
Bảng 33 - Các biến và các hằng đặc biệt
ans
Đáp sô mới nhât
inf
eps
Độ chính xác chấm động
nan
Sô vô hạn
Không phải sô (0/0
realmax
Sô châm động dương lớn nhât
isnan
hay inf/inf)
Xét có phải không là sô
realmin
Số chấm động dương nhỏ nhất
isinf
Xét có phải là inf
pi
Sô pi=3.141592ểể.
isfinite
Xét có phải là sô hữu hạn
ij
Số ảo đơn vị
why
Câu trả lời ngăn gọn bât kỳ
Các hàm lượng giác và hyperbol: sin ,cos, tan, atan, see, asec,
cot(cotan),cosh,.....
Các hàm lũy thừa và logarit: epx, sqrt, log,.........
Các hàm phức, các hàm làm tròn, các hàm xử lý ma trận, các hàm giải phương
trình, hệ phương trình tuyến tính, phi tuyến, các hàm giải phương trình, hệ
phương trình vi phân..
Các hàm về vẽ đồ thị 2D, 3D, xử lý ảnh, điều khiển, xử lý số liệu,....
PL-2. CODE LẬP TRÌNH
Các kí hiệu dùng trong lập trình mô phỏng Bảng 34- Bảng phân tích các đại
lượng và kí hiệu được sử dụng trong mô phỏng
Tên đại lượng
Y nghĩa
Khoảng giá trị (nếu có)đơn vị
E
Năng lượng hoạt hóa
cal
ko
D
R
PerTG
TO
Hệ sô Arrhenius
Hệ sô tỉ lệ
Hăng sô khí
J/K
1,987 cal/mol.K
Vtb
PerDG
V
PerMG
Tv
u
PerG
Aj
PerE
roe
PerFFA
cp
PerW
Ri
Phân độ
khôi
lượng
Nhiệt
phản
ứngTG
bantrong
đâu Đơn vị K
nguyên liệu
Thể tích thiết bị phản ứng
Lít
Phân khôi lượng DG trong
Thê
tích hôn
nguyên
liệu hợp phản ứng Lít
Nhiệt
củalượng
dòngMG
vào trong
Phân độ
khôi
nguyên liệu
Hệ sô truyên nhiệt
Phần khối lượng G ữong
Diện
tíchliệu
bê mặt truyên
nguyên
nhiệt
Phần khối lượng methyl
Khôi
ester lượng riêng của dòng
sản phẩm ra khỏi TBPU
Phần khối lượng acid béo
Nhiệt
dung nguyên
riêng của
dòng
tự do trong
liệu
san r phẩm ra khỏi TBPU
Phần khối lượng nước có
Điện trở dây quân
trong nguyên liệu
K
W/m2.K
m2
904,4 Kg/m3 hay g/lít
Cal/Kg.K
Ohm (Q)
Persedimen
Phần khối lượng của các
tạp chất trong nguyên liệu
KLPTTG
KLPT của TG
KLPTDG
KLPT của DG
KLPTMG
KLPT của MG
KLPTG
KLPT của G
KLPTMe
KLPT cuả methanol
KLPTE
KLPT của methyl ester
KLPTFFA
KLPT của acid béo tự do
278,67 g/mol
KLPTW
KLPT của nước
18 g/mol
KLPTd
KLPT của dâu mỡ cá
KLRd
Khôi lượng riêng của dâu
mỡ cá
874,242 g/mol
32 g/mol
863,8 g/lít
KLRMe
Khôi lượng riêng của
methanol
TL
Tỉ lệ mole methanol:dâu
mỡ cá
Vd
Thê tích dâu mỡ cá cân
Lít
nMG
md
Khôi
lượng
cá
Sô mole
MGdâu
có mỡ
trong
nguyên liệu
Sô mole dâu mỡ cá cân
Sô mole G có trong nguyên
Khôi
liệu lượng TG trong
nguyên liệu
Sô mole methanol cân
Khôi lượng DG trong
Sô moleliệu
methyl ester có
nguyên
trong nguyên liệu
Khối lượng MG ữong
Sô
moleliệu
FFA có ừong
nguyên
nguyên liệu
Khối lượng G trong nguyên
Số
liệumole nước có trong
nguyên liệu
Khôi lượng methyl ester
Sô mole
KOHliệu
trong dòng
ữong
nguyên
vào
Khôi lượng FFA trong
Tổng
lượng
nguyên
liệu methanol được
phép thêm
Khôi lượng nước trong
Nồng độliệu
TG trong hhpu
nguyên
ban đầu
Khôi lượng xúc tác KOH
Nông
cần độ DG ữong hhpu
ban đầu
Khối lượng methanol cần
Nồng độ MG trong hhpu
Thê tích methanol cân
ban đầu
Mol
G
nd
nG
mTG
nMe
mDG
nE
mMG
nFFA
mG
nW
mE
nKOH
mFFA
tongMet
mW
CTG
mKOH
CDG
mMe
CMG
VMe
770 g/lít
Mol
Mol
g
Mol
g
Mol
g
Mol
g
Mol
g
Mol
g
Lít
g
Mol/lít
g
Mol/lít
g
Mol/lít
Lít
nTG
CG
Mol
Sô
mole
có trong
Nồng
độ TG
G ữong
hhpu ban Mol/lít
nguyên
liệu
đầu
nDG
CMe
Sô
mole
có trong
Nồng
độ DG
methanol
ừong
nguyên
liệu
hhpu ban đầu
CE
Nông độ methyl ester trong Mol/lít
hhpu ban đầu
CFFA
Nồng độ FFA ữong hỗn
hợp phản ứng ban đầu
Mol
Mol/lít
Mol/lít
cw
Nông độ nước trong hhpu
ban đầu
Mol/lít
CKOH
Nông độ KOH trong hhpu
ban đầu
Mol/lít
cs
Fr
Mol/lít
Nông độ xà phòng trong
Lưu hợp
lượng
dòng
raban đầu LíƯphút
hỗn
phản
ứng
XV
i
Mảng
nôngthay
độ các
Biên chạy
đôi chât
theo và
nhiệt
độ dòng vào TBPU
thời gian
Ue
[T1,V1]
TjO
ode45
tn
xC
odesslc
X
In
T
xO
X(end,:)
X(l,:)
TongMedung
X(end,
6)
TLmoleMedungS
V dau
X(end,9)
VE
u2
tongu2
Hiệu
dòng
đốt
Mảngđiện
gômthê
2 cột
giáđiện
trị thời
nóng
gian và giá trị các biến
ữạng thái theo thời gian
Nhiệt độ ban đâu của vỏ
TBPU
Hàm giải hệ vi phân
thường
theo
thuật toán
Thời gian
chạy
Runge-Kuta 4 và 5
Mảng giá trị ban đầu của
Tên của hệ phương trình vi
các biến trạng thái (cố
phân của các biến trạng
định)
thái
Mảng
giá trị
của các
Thời gian
chuyên
hóabiên
ữạng thái
Nhiệt độ hhpu theo thòi
Mảng giá trị ban đâu của các
gian
biến trạng thái sau 1 khoảng
thòi
gian
tích
(thay
Vecto
giá trị
cácphân
cột ở hàng
đổi)
cuối cùng của mảng X
V
K
Phút
phút
K
Mảng giá trị tại thời điêm
lượng
methanol
dùng g
tTông
=0 của
các biến
trạng thái
Giá
cột thứ
6 hàngđã
cuôi
Tỉ lệtrịmole
methanol
cùng
mảng
X
dùng của
trong
quá trình
chuyển hóa so với dầu mỡ
Giá trị cột thứ 9 hàng cuôi
cá
cùng của mảng X
Thê
ester thu Lít
Lưu tích
lượngmethyl
dùng vào
LíƯphút
được sau quá trình chuyển
Tông thê tích dòng vào
Lít
hóa
n
Chiêu dài của mảng x=sô
hàng của mảng X
k
Hăng sô tôc độ phản ứng
tspan
Khoảng thòi gian chạy
x(l)
Kí hiệu nông độ TG
x(2)
Kí hiệu nông độ DG
x(3)
Kí hiệu nồng độ MG
x(4)
dxdt(7)
x(5)
Kí hiệu nông độ G
Đạo hàm theo thời gian của
Kí
hiệu
nồng
độnông
FFA độ Me
dxdt(
x(6) 8)
Kí
E gian của
Đạohiệu
hàmnông
theođộ
thời
nồng độ w
Kí hiệu nồng độ FFA
Đạo hàm theo thời gian của
Kí hiệu nông độ w
thể tích hhpu V
Kí hiệu thê tích hhpu V
Đạo hàm theo thời gian của
nồng
độnồng
KOHđộ KOH
Kí hiệu
x(7)
dxdt(9)
x(8)
x(9) 10)
dxdt(
x(10)
dxdt(ll)
x(ll)
Đạohiệu
hàmnông
theođộ
thòi
của
Kí
xàgian
phòng
nồng độ s
s
dxdt(
x(12) 12)
x(13)
dxdt(13)
dxdt(l)
ones(m,n)
dxdt(2)
zeros(m,n)
dxdt(3)
TLKLRV perKLRhh
dxdt(4)
E(i)
dxdt(5)
Đạo
hàmnhiệt
theođộ
thòi
gian của
Kí hiệu
hhpu
nhiệt độ hhpu T
Kí hiệu nhiệt độ lớp vỏ
Đạo
hàm theo thời gian của
TBPU
nhiệt độ lớp vỏ TBPU Tj
Đạo hàm theo thòi gian của
nồng độ TG
Ma trận m hàng, n cột có
Đạo
hàm tử
theo
gian
các phần
đềuthòi
bằng
1 của
nồng độ DG
Ma trận m hàng, n cột có
Đạo
hàm tử
theo
gian
các phần
đềuthòi
bằng
0 của
nồng độ MG
Tỉ lệ KLR của dòng vào và
Đạo
theo thòi
dònghàm
sản phẩm
ra gian của
nồng độ G
Phân tử thứ i ữong vecto
Đạo
theo
thòihoạt
gianhóa
của
giá trịhàm
năng
lượng
nồng
độphản
Me ứng
của các
dxdt(6)
ko(i)
Đạo tử
hàm
thòi vecto
gian của
Phân
thứtheo
i trong
giá
độ Esô Arrhenius của
trịnồng
hằng
các phản ứng
xv(i)
Phân tử thứ i trong vecto giá
trị các đại lượng của dòng
vào
X(:,i)
Vecto giá trị cột thứ i của
mảng giá trị các biên trạng
thái X
X(i,0
Vecto giá trị hàng thứ i của
mảng giá trị các biến ữạng
thái X
tstep
Khoảng thòi gian chạy
FR
Lưu lượng thê tích vào
TBPU thư nhất
Phút
LíƯphút
Các hàm sô
Hàm sổ mô tả cho hệ các phương trình trạng tháỉịhệ phương trình ( 4 1 ) ) :
fu nc tion d.x cấ c = ode ss lc (c . / X )
glo ba l i u2
4 5 6
7 8
9
10 11
12
13 14
15 16
17
18
19
20 21
22
23
24
25 26
27
28 29
30
33
34
35
XV
Fr k:o E R U Aj
U e Ri D
TL
KL RV
pe rKL
Rhh= 1;
dxdt“
zeros
13,1)
dxdc(1) = (xv(l )
ko
dxdt (2 )
ko
ko
dxdt (3)
ko
ko
dxdt (4)
ko
dxdt (5)
ko
ko
ho
ko
dxdt (6 )
ko
ko
ko
ko
dxdt (7 )
ko
ko
dxdt (8 )
ko
ko
1) *exp
(
=(XV (2
)
1) *exp
(
3) *exp
(
=(XV (3
)
3) *exp
(
5) *exp
(
-(xv(4)
5) *exp
(
= |
XV (S)
1) *exp
(
3) *exp
(
5) *exp
(
7) *exp
(
-(X V(6 )
1) *exp
(
3) *exp
(
5) *exp
(
7) *exp
(
- (xv (7)
7)*exp(
9) *exp
(
= (xv(8)
7)*exp(
9)*exp(
(6)
(-E(1 )/ R/x(12) ) *x (1) *x (12) * (2)
x
(5)+ko(2)
*exp(- E(2)/ R/ x
)(12) * (2) *x (6) TLKLRVperKL Rhh*x(2))*u2( i-1 ) / X (9) + . . .
x
(-E(1)/ R/ x(12) ) *x (1) (5) -ko(2 ) *exp (- (12) * (3) *x (6
x
J
E (2 )/ R/x (-E(3)/R/ x(12 ) ) *x (2) * x(5)+ko (4)
(12) * (3)
(6) *exp (-E(4)/R/ x ) -TLKLRV perKL Rhh ^X (3) )
x
*u2 ( i -1) / X (9) + . . .
(12) * (4) *x (6)
x
(-E (3) / R/ x (12 ) ) *x (2) *x(5)- ko (4) *exp ((12)
(4)
XV|9) Ỉ +1(11) * (TLKLRVpecKLRhh*?;[n-i+2,11) -xv(IO)));
-
dldt (10J = lc(n -i+2 ,9) *I(n -i+2,’ 7) * [-1 (7Ị+1 (8)- 1 (10) +1 (11) ì -TLELRVperKLRh l^uỉ (n -.i+ỉ) '1 (lũ) /X(n -i+2 r9J ;
-
dldt(U)=-TLKLEVperKLRhh |tu2(n-i4i.)*l(ll)/X|n-i+2,9J ;
- (3ụj|
Code lập trình cho các mô hình
Mô hình 1 bình phản ứng khuấy lí tưởng hoạt động gián đoạn
— cl c
— clear all
— ciĩ sp (
%
1
Ho i h. xn.fci so l ioc qua tri nh chuyen ỉio a BIO DIESEL trong CSTR' ) ; ■4
ntiap E i---------------------
% HO Hir-IH 1 BINH CHA Y BA TCH V A SE M I BA TCH BINH THU ON G
— glo bal E t eo k: i X n TO T u2 XV Fr R u A j roe cp Ue Ri D
— E=Beros(ll,l) ;
—
—
—
—
—
—
—
— E (1 ) = 26869.3482 ;
— E (2 ) = 20516.943 15;
E (3) = 14280.8 81 ;
E ( *1) = 12 27 9 . 6549;
E (5) = 6497. 73;
E (6) = 15677.78;
E(7 )=100;
E(8 )=150;
E (9) = '?□ ; % ph an ung xa phong hoa
— E ( ÌO) =6ũũ;
— E ( 11) =50ũ;
%
— ko=
nl iei p koi-----------------------2
e r o s (11, 1) ;
— ko(l )= 6. 4467e+ 17;
— ko (2)= S.Ũ357 5e + 13;
— ko(3)= 1. 78 8e+ 9;
- ko(4)= 21 42 94339;
— ko (5)=7282.32 ;
— teo(6 )=81 058 48 0;
— ko (7) =0;
— ko(8)=□;
— ko (9) = o ; % p han ung xa phong Ỉ1O0L
— teo í ÌO ) =□ ;
— ko(11)=0;
%
R------
34 —
35 -
Tu = 328% input . (
Vt t o= 50% (l i t )
36 37 -
heso chuad a 7= 0.6
V-Vt b * l iesoc huaúay
38 39 -
Tv= 0;
u= 0. ũ; % (W/ Ĩ E I 2 . K )
40 41 —
Aj =5Ũ ;%(m2 )
roe=904 . 4 ; % ( K cf/rn3 )
42 43 —
44 —
45 -
cp=2 □ □ □ ; HJ/ K g'. K
Ri=5Ũ0Ũ; %Ohm
D=2 ŨŨ Ũ; %h e so t i le
tstep=ũ . 5;
46 -
FR= 0. 0;
1
nh iet do (K) :
1
) ;
47
49 -
%t l ianl ạ ph.a 11 d.&t i nguyen l ieu ban daA .1
perTG = 1; % pl ian tram Jcl io i 1 uong
50 51 —
52 —
perDG =0;
perHG =0;
perG= Q;
53 -
perFFA =0.0;
54 -
perE= ũ;
55 -
per¥= Q;
56 57 58 -
persedi men= ũ;
KL PTTG=8 74.242;
KL F'TDG= (K LPTTG -2 77. 67 + 17 ) ;
59 —
60 61 -
KL PTHG=K LPTDG -27 7. 67 +17 ;
KL PTG= 41 + 17 *3;
KL PTFF A =2 7 8. 67 ;
62 -
KL PTE= KL PTFFA +16;
63 —
KL PTW =18;
64 65 66 67 -
KL PTS=2 7 7. 67 +3 9;
KL PTd= KL PTTG*perTG+ KL PTDG* perDG+ KL PTH G* perHG +KLPTFFA *perF *perE+ KL PTW *per
FA +KLPTE
U.
KL PTHe= 32;
KL Rd=8 63.8; ^ cteg/m 3)
68 -
KL RHe = 770;% (fccr/ m 3)
70
%so m ol e inet anol : nm e = KLRi tt e* (Vl -Vd) / KL RTrne ị mo le) ;
71
%l ay t i l e mo 1 m et an ol /rao ca=6 : 1 . t-a gi ai phuong t trinl i nm e
72 -
TL = 6/ 1% TL l a Di l e mol e M et hano l: mole dau
73 -
Vd = KLRHe *v/ cTL^KLRd^KLPTHe+ KLRUe*KLPTcU *K LPTd;^ (l i t)
74 -
nd =KLRd* Vd /KLPTd .% (mol e)
75 -
md=nd. f f KL PTd;
IS 11 -
fprint f ( 1 fchoi l uong Wi o ca can dun g (ợ ) =^2 .Sg\ t t' ;
7S -
nTG= it tTG/ K LPTTG;
79 —
mD G=m d. '* p erD G-;
48
80 —
4
81 9—
82 95
—
83 se
—
84 97
—
85 98
—
86 39
—
87 100
—
83 101
89 102
90 103
91 104
92 105
93 106
107
100
109
mTG= mcl* p erTG ;
nD G =mD G/ KLP TD G ;
-mn G
»Ke=TL*na;%
=md * p e oCiviỡle)
r MG -;
í
-nH G=
tong!Iet
l í LP
n(ỉ í THG
'KLPTMe/KLRHe;%
(1) %cong so meranol
inMG /= K
;
—
ĩĩiKe
= nHe
* KL
mG=m
d. *
p e rG
; p THe;
-nG=mO/
V He=raHe/
KLPTG; KLRHe;% r1 it}
1
1
-tnF Ffpriritf
lĩhoi
A= mdí • *
per luonợ
FFA ; metanol ( C J ) =%2 . 5 cr\ n , rtìMe ì ;
-nF FcTG=
% [mo1e/1i
c)
A =i titiTG/V;
F F A/ KL
p TFF A;
-mKOH=0
CDG=nDC/V;
. ODQ*rt id;
-m KO H/ 56 ;
-nK OH
CHG=aMG/V;
ri d. * p e r E;
-mE =ĩ
CG=nG/V;
ĩ ĩì E nE
/ KL
/V;PTE ;
-nE =CE=
mU=m
d* p e r w;
CFJA=nrrA/V;
-nW =mW/
c w= nKLPTW
ĩ j ĩ / V; ;
t
nd;
-%H eO=7
CHe=aMe/V;%
Civiole/1 ít 1
CKOH=Ũ;% nKOH/V;
CS = Q;
XV-[0 0 Q 0 24.0Ổ2S 00 0 0 0 TV] ;
11Q
111 112 113 —
114 115
116 117 118 119 120 121 122 123 12-4
125
126
127
128
= 6 1 e ncl cie CO V d
% ------tt ứiiet. do—•—
Ue (1) =0; % Volt.
TjC=o?
t n=t step;% i phi.it j
5ỉC= [ CTG CDG CHG CG CHe CE CFFJ L cu V cKOH cs Tữ
l >C= [xl x2 x3 x5 xS x7 xS >:9 xio xll xl2 X13]
X(l,:1=XC;
KŨ = xC;
tiras (1,1) =0;
X [...]... một quá trình được mô tả bởi hệ phương trình vi phân ẩXị (í) dt được điều khiển bởi điều khiển tối ưu uopt(t) để sau một khoảng thời gian ngắn nhất hệ chuyển từ ữạng thái đầu LỜI CẢM ƠN 1 LỜI MỞ ĐẦU 2 CHƯƠNG 1 DIESEL YÀ BIODIESEL 3 CHƯƠNG 2 .22 ,(*) 34 CHƯƠNG3 41 MÔ HÌNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA BIODIESEL TỪ MỠ CÁ TRÊN Cơ SỞ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH MATLAB. .. của quá trình chuyển hóa biodiesel đã được thực hiện ở qui mô pilot CHƯƠNG 2 Cơ SỞ LÝ THUYẾT I CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIODIESEL Các phản ứng hóa học trong quá trình chuyển hóa biodiesel từ mỡ cá Hiện nay, biodiesel chủ yếu được sản xuất từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật Quá trình được thực hiện thông qua phản ứng chuyển vị ester của các triglyceride có trong dầu mỡ với tác nhân alcol như methanol thành các... lẫn vào nhau, do đó để tăng tiếp xúc phã cần thực hiện việc khuấy trộn, bằng cách bố trí cánh khuấy (5) trong thiết bị Trong thiết bị phản ứng sẽ xảy ra đồng thời các quá trình: quá trình phản ứng chuyển vị ester, quá trình trao đổi nhiệt và quá trình khuấy trộn nhằm thúc đẩy quá trình phản ứng xảy ra ;quá trình bốc hơi và ngưng tụ của metanol; tồn thất nhiệt ra ngoài môi trường, trong các quá trình. .. TOÁN VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA BIODIESEL TỪ MỠ CÁ TRÊN Cơ SỞ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH MATLAB .41 ^(cs;v-^.cs) + rs 46 £ỊT=Í t) , Im -rắì , 48 =LH,trxH,*-L»,-x«, + F'-+V-y„, -V-y„, (62) 98 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .101 Trang 22 PHỤ LỤC .105 Trong đó: TG -triglyceride; DG -diglyceride; MG -monoglyceride G -glycerol (glycerine); /ỈCOOK - sà phòng; /ỈCOOH - các acid... thể: là dùng các vật thật để mô tả ĐTCN - mô hình toán học: là dùng các đại lượng, các quan hệ biểu diễn thành các phương trình, bất phương trình để mô tả ĐTCN - mô hình số hóa: là dùng các phương pháp số hóa như lập trình trên máy vi tính để mô tả ĐTCN Thủ tục xây dựng mô tả toán học Phân tích định tính hệ thống để xác định các đại lượng, xác định cấu trúc của hệ thống thông qua định danh các quan hệ... toán học, vói sự hỗ trợ của ngôn ngữ lập trình MATLAB, mô phỏng đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ Trang 21 tới hiệu quả chuyển hóa biodiesel từ mỡ cá ứng dụng nguyên lý cực đại Pontryagin xác định các hàm điều khiển tối ưu (nhiệt độ Topt(t), suất lượng dòng methanol u2opt(t)) đảm bảo quá trình chuyển hóa Biodiesel đạt được hiệu suất chuyển hóa mong muốn trong thời gian ngắn nhất (bài toán... bài toán quá lớn Giải tìm nghiệm tối ưu Kiểm tra kết quả, đánh giá độ nhạy, công nhận kết quả Tùy thuộc vào từng BTTU cụ thể sẽ có các phương pháp tối ưu thích họp được sử dụng để xác định các nghiệm tối ưu Trong luận văn này BTTU được xây dựng trên cơ sở các phương tình vi phân Phương pháp cho BTTU này sẽ là phương pháp mang tên nguyên lý cực đại Nguyên lý cực đại Các khái niệm cơ bản Xét quá trình công... các quan hệ toán học, xác đinh các giới hạn, các điều kiện biên, Phân tích đinh tính thường được thể hiện bằng mô hình ngữ văn hay mô hình đồ họa Xây dựng các biểu thức, các phương ình đ ại số, phương ừnh vi phân, các phương trình tích phân, các phương trình vi tích phân để biểu đạt các quan hệ giữa các đại lượng đã xác định Đây là bước nhận dạng cấu trúc của mô hình toán học để thành lập toán tử mô. .. tử mô phỏng f(X) thay thế cho toán tử công nghệ F(X) Nhận dạng các thông số chưa biết có mặt trong toán tò mô phỏng f(X) thông qua các thực nghiệm trên mô hình vật thể và xử lý bằng các phương pháp toán học thích hợp Kiểm định sự tương thích của mô hình Nếu mô hình toán học chưa tương thích với nguyên bản của nó, phải tiến hành nhận dạng lại cấu trúc và các thông số của mô hình Trang 31 Tối ưu hóa Trong... Qz Qz là miền biến thiến của các biến Zi, i =1-H1 Thủ tục xác lập và giải bài toán tối ưu Phân tích đối tượng để liệt kê danh sách các đại lượng, các quan hệ cần thiết Xác định mô tả toán học: xác định hàm mục tiêu Xác định mô tả toán học: các quan hệ khác giữa các đại lượng; các điều kiện ràng buộc và giói hạn; nhận dạng các thông số, các hệ số; xác định các biến độc lập, biến phụ thuộc, bậc tự do ... DIESEL YÀ BIODIESEL CHƯƠNG .22 ,(*) 34 CHƯƠNG3 41 MÔ HÌNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA BIODIESEL TỪ MỠ CÁ TRÊN Cơ SỞ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH MATLAB. .. .22 ,(*) 34 CHƯƠNG3 41 MÔ HÌNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA BIODIESEL TỪ MỠ CÁ TRÊN Cơ SỞ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH MATLAB .41 ^(cs;v-^.cs) + rs 46 £ỊT=Í... CHƯƠNG .22 ,(*) 34 CHƯƠNG3 41 MÔ HÌNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA BIODIESEL TỪ MỠ CÁ TRÊN Cơ SỞ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH MATLAB 41 ^(cs;v-^.cs) + rs 46 £ỊT=Í t) , Im -rắì
Ngày đăng: 02/10/2015, 09:54
Xem thêm: Mô phỏng và tối ưu hóa quá trình chuyển hóa biodiesel từ mỡ cá trên cơ sở ngôn ngữ lập trình matlab , Mô phỏng và tối ưu hóa quá trình chuyển hóa biodiesel từ mỡ cá trên cơ sở ngôn ngữ lập trình matlab