Do an Biodiesel

5/11/2018 Do an Biodiesel - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/do-an-biodiesel-55a0cdfb9d5c5 1/68

Đồ án môn học QT&TB GVHD: PGS.TSKH Lê Xuân Hải

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN1.1 Giới thiệu về BD

1.1.1 Sơ lược về BD

1.1.1.1 Khái niệm về Diesel:BD đã manh nha từ rất sớm năm 1853 nhờ công trình nghiên cứu của

E.Dufy và J.Patrick về chuyển hĩa este của dầu thực vật, nhưng BD chỉ đượcchính thức ghi nhận vào ngày 10/08/1893, ngày mà kỹ sư người Đức Rudolf Christian Karl Diesel cho ra mắt động cơ Diesel chạy bằng dầu lạc, sau đĩ ngày10/08 được chọn là Ngày BD quốc tế ( International BD Day). Đến năm 1907Herry Ford, người sáng lập công ty đa quốc gia Ford Motor Company, cho rađời chiếc xe bằng Etanol. Nhưng do xăng dầu cĩ nguồn gốc từ nhiên liệu hĩathạch cĩ giá rẻ hơn nên nhiên liệu sinh học chưa được coi trọng. Nhưng trongthời gian gần đây, do giá xăng dầu tăng nhanh, nguy cơ cạn kiệt nhiên liệu hĩa

thạch đe dọa và yêu cầu bức thiết về chống sự biến đổi khí hậu tồn cầu mànhiên liệu sinh học trở thành một nhu cầu thiết thực của nhân loại, nhất là khicác công nghệ biết đổi gen gĩp phần làm tăng đột biến sản lượng một số sảnphẩm nông lâm nghiệp.

Tĩm lại, cĩ thể hiểu một cách tổng quát Diesel là loại nhiên liệu bất kì dùngcho động cơ Diesel. Dựa theo nguồn gốc, cĩ thể chia Diesel thành 2 loại:

− Petrodiesel ( thường được gọi tắt là Diesel) là 1 loại nhiên liệu lỏng thuđược khi chưng cất dầu mỏ ở phân đoạn cĩ nhiệt độ từ 175 0C đến 370 0C,thành phần chủ yếu là hidrocacbon từ C16 – C21.

− Biodiesel: cĩ nguồn gốc từ dầu thực vật ( cỏ, tảo, cây Jatropha, cây cao

su…) hay mỡ động vật. Các loại dầu mỡ động thực vật, dầu mỡ thải tuy rằng cĩ thể cháy ở điều kiện thường nhưng vì cĩ độ nhớt cao, một số loại cĩ chỉ số acidlớn nên chúng không thể dùng trực tiếp cho các động cơ mà chúng cần phảiđược chuyển hố thành Monoankyl – Este rồi mới đem đi sử dụng. Theo phươngdiện hĩa học, BD là metyl este của những acid béo ( trong đĩ, thành phần tạonăng lượng chủ yếu là gốc hidrocacbon).

1.1.1.2 Tại sao phải sử dụng BD?

SVTH: Hồ Thanh Tuyền 1




− Dân số thế giới ngày càng tăng nhanh, áp lực về năng lượng và môitrường càng lớn. Trữ lượng dầu mỏ ngày càng giảm dần, do đĩ vấn đề đặt ra làcần tìm những nguồn năng lượng thay thế. Đĩ là cĩ thể năng lượng hạt nhân,năng lượng mặt trời, năng lượng giĩ, sĩng biển, năng lượng nhiệt trong lịng đất. Tất cả nguồn năng lượng đĩ hiện đang được nghiên cứu ứng dụng nhưng vấnđề an tồn khi sản xuất và giá thành của nĩ cịn cao nên việc áp dụng đại trà cịnnhiều trở ngại.

− M ột nguồn năng lượng mới từ Biomass đang được chú ý và cĩ nhiềutriển vọng vì tính hiện thực cũng như khả năng tái sinh và phù hợp với sinhthái của nĩ.

− Etanol đi từ mía đường, tinh bột cũng sẽ là một dạng nhiên liệu sinh họccĩ triển vọng.− Dầu mỡ động thực vật cũng là một dạng nguyên liệu để tạo ra không

chỉ các hợp chất hữu cơ cơ bản mà cịn tạo ra nhiên liệu cho các động cơ đốttrong tương tự dầu DO hay FO của dầu mỏ. Đĩ chính là Biodiesel. Dự báonguồn nhiên liệu này sẽ chiếm 15-20% trong tổng nhu cầu nhiên liệu của thếgiới trong vịng 50 năm tới.

− Biodiesel không đơn thuần là nhiên liệu sinh học, mà kèm theo nĩ làtrồng cây cĩ dầu để phủ xanh đất trống đồi trọc, chống xĩi mịn đất, tăng lượngoxy khí quyển, giảm khí CO2, xĩa đĩi giảm nghèo cho vùng trung du miền núi.

Bên cạnh VO là một loạt sản phẩm cĩ giá trị khác thu được qua quá trình sảnxuất Biodiesel như glixerin, vitamin, đạm từ bả và các chất cĩ hoạt tính sinhhọc khác như saponin, photpholipit, gluxit…

1.1.2 Ưu nhược điểm của BD so với diesel truyền thống:

1.1.2.1 Ưu điểm:

− BD là một trong những nguồn nhiên liệu thay thế ít gây ảnh hưởng đếnmôi trường và sức khoẻ con người; là loại nhiên liệu sạch hơn vì khí thải khiđốt BD hầu như sẽ không cĩ SOx , hàm lượng CO và hidrocacbon thơm giảm sovới khi đốt diesel truyền thống (chẳng hạn như benzofluoranthense ít hơn

56%, benzopysenes ít hơn 71% ).





− Là nguồn nhiên liệu thay thế cho diesel khi sử dụng cho động cơ dieselmà không ảnh hưởng đến động cơ.

− Là loại nhiên liệu cĩ thể được dùng dạng tự do hoặc pha trộn với dieselnhằm đạt được hiệu quả sử dụng và kinh tế theo yêu cầu của từng quốc qia.

− Là loại nhiên liệu tái sinh nên BD sẽ là thế mạnh của các nước cĩ nềnnông nghiệp phát triển.− Là loại nhiên liệu bị vi sinh vật phân huỷ nên khi thất thốt ra ngồi môi

trường sẽ ít độc hại hơn rất nhiều so với các loại xăng dầu từ dầu mỏ.− Khi đạt các tiêu chuẩn thì BD sẽ là nhiên liệu ít ăn mịn động cơ hơn so

với diesel.

1.1.2.2 Nhược điểm:

− Trong phân tử biodiesel cĩ chứa nguyên tử oxy nên nhiệt trị thấp hơndiesel truyền thống. Vì vậy, khi sử dụng biodiesel làm nhiên liệu sẽ tiêu hao

hơn nhiều so với nhiên liệu diesel truyền thống.− Dễ bị oxy hố nên vấn đề bảo quản là vấn đề hàng đầu khi sử dụng BD( Lưu trữ trung bình 6 tháng).

− Hàm lượng NOx cao trong khí thải. Đây là nhược điểm đang đượcnghiên cứu khắc phục.

− Nhiệt trị thấp hơn so với diesel nên cần một lượng nhiên liệu lớn hơn đểđi được cùng một quãng đường.

− Chi phí sản xuất cịn cao so với diesel. Hiện tại BD trở thành thươngphẩm vẫn phải cần chính sách hỗ trợ của chính phủ nhằm thúc đẩy nền côngnghiệp năng lượng này. Với tình trạng nguồn nhiên liệu hĩa thạch đang cạn

dần, diesel truyền thống ngày càng tăng giá, thì trong tương lai, BD gần như làgiải pháp thay thế duy nhất.

1.1.3Một số thông số kỹ thuật được đưa ra so sánh giữa hai loại nhiên liệu:

Khí thải Đơn

vị

Diesel truyền

thống

BD từ dầu

nành

BD từ dầu

thải

NOx g 0.944 1.156 1.156

CO g 0.23 0.136 0.156

Hidrocacbon

g 0.0835 0.0040 0.0038

− Bảng1.1.3.1: So sánh nồng độ khí thải giữa DO và Biodisel

Nhiên liệu Năng suất toả nhiệt

(MJ/Kg)

DO 44,8

BDO 37,2

Methanol 18,2Glyxerin 18,3





Dầu dừa 35,3

Dầu Jatropha 39,6

Dầu hạt cao

su 39.18Bảng1.1.3.2: Bảng so sánh năng suất toả nhiệt của một số loại nhiên

liệu

Đặc tính nhiên liệu Diesel Biodiesel

Nhiệt trị, Btu/gal 129,05 118,17

Độ nhớt động học ở 400C,

mm2/s

1,3 –

4,1

4,0 – 6,0

Tỉ trọng ở 150C, lb/gal 7,079 7,328Hàm lượng nước và cặn cơ học,

max

0,05 0,05

Điểm chớp cháy, 0C 60 - 80 100 – 170

Điểm đông đặc, 0C -15 - 5 -3 _ -12

Chỉ số cetane 40 - 55 48 - 65

Bảng 1.1.3.3 – Một số đặc tính chọn lọc của Diesel và Biodiesel [5]

1.1.4 Các thông số hố lý kỹ thuật của Biodiesel:1.1.4.1 Chỉ số Cetan:Chỉ số Cetan là đơn vị đo quy ước, dùng để đánh giá khả năng tự bắt cháy

của các loại nhiên liệu diesel, cĩ giá trị đúng bằng giá trị của hỗn hợp chuẩn cĩ cùng khả năng tự bắt cháy. Hỗn hợp chuẩn này gồm 2 hidrocacbon:

− n – Cetan C16H34 là chất cĩ khả năng bắt cháy cao nhất với chỉ số qui địnhlà 100 , khi đĩ “hỗn hợp” chứa 100% thể tích n-Cetan

− α - metyl naphtalen C11H10 là chất khĩ bắt cháy nhất với chỉ số cetan quiđịnh là 0

Những hợp chất cĩ mạch thẳng thì dễ bắt cháy nên cĩ chỉ số Cetan cao,trong khi hợp chất vịng hoặc mạch nhánh thì cĩ chỉ số Cetan thấp hơn. Bảnchất cháy của diesel trong động cơ là bị nén áp suất cao (tỷ số nén khoảng14:1 đến 25:1) ở dạng đã phối trộn với Oxy và cĩ nhiệt độ cao thích hợp sẽcháy và sinh công.

Biodiesel cần cĩ chỉ số cetan cao để đảm bảo quá trình cháy, nếu cao quásẽ gây lãng phí nhiên liệu vì 1 số thành phần ở nhiệt độ cao trong xilang sẽphân hủy thành cacbon tự do (cịn gọi là muội than) trước khi cháy, tuy nhiênnếu chỉ số cetan quá thấp sẽ dễ gây ra hiện tượng kích nổ (do cĩ nhiều thànhphần khĩ bị oxy hĩa địi hỏi phải phun rất nhiều nhiên liệu vào xylanh mới xảyra quá trình tự cháy, dẫn đến lượng nhiên liệu bị đốt cháy nhiều hơn yêu cầu,

nhiệt lượng sinh ra rất lớn gây tăng mạnh áp suất, làm xylanh dễ bị mịn vàđộng cơ rung giật).Vì thế, chỉ số Cetan là một trong những tiêu chuẩn đã đượcquy định theo từng quốc gia cho các loại nhiên liệu trong đĩ cĩ Biodiesel.Thông





thường, với động cơ Diesel chậm (dưới 500 rpm), chỉ số cetan khoảng 45 đến50; cịn đối với động cơ chạy nhanh (đến 1000 rpm) chỉ cần trên 50.

1.1.4.2 Trị số octan: là một đơn vị đo quy ước dùng để đặc trưng cho khảnăng chống kích nổ nhiên liệu, cĩ giá trị đúng bằng giá trị của hỗn hợp chuẩn(ở điều kiện tiêu chuẩn) gồm iso-octan (2,2,4- trimetylpentan C8H18) và n-

helptan ( n- C7H16). Hỗn hợp chuẩn cĩ trị số octan là x ( x cĩ giá trị từ 0 đến 100)tức là hỗn hợp cĩ chứa x% (thể tích) iso-octan (2,2,4- trimetylpentan C8H18).

Nhiên liệu cĩ trị số octan càng cao thì càng tốt. Để tăng trị số octan, ta cĩ 3cách chính:

− Pha thêm phụ gia:+Hợp chất cơ kim: Pb (hiện cấm dùng), Mn và Fe (dùng hạn chế)…+Phụ gia Ferrocene- Diclopentadienyl (C2H5)2Cl. Phụ gia này rẻ tiền, ít độc

với môi trường nhưng lại độc với động cơ. Khi cháy, Ferrocene tạo ra lớp oxitsắt ( lớp màu đỏ trên bugi) ảnh hưởng đến các lớp xúc tác trong oto hiện đại,

gây mài mịn các vịng piston, lỗ khoan trên xylanh và trục cam ...HiệnFerrocene không được cơ quan bảo vệ môi trường của Mỹ chấp nhận cho sử dụng.

+MMT ( Methylcyclopentadienyl Maanganese Tricabonyl): hiện được dùngthay thế cho phụ gia Pb

+…− Pha trộn với nhiên liệu cĩ trị số octan cao

− Chuyển các hidrocacbon mạch thẳng thành mạch nhánh, hoặcvịng no, vịng thơm cĩ trị số octan cao như cracking, reforming …1.1.4.3 Điểm đục:

Điểm đục là nhiệt độ mà hỗn hợp bắt đầu vẩn đục do cĩ một số chất bắtđầu kết tinh. Điểm đục cĩ ý nghĩa rất quan trọng đối với dầu diesel, đặc biệtkhi nĩ được sử dụng ở các nước cĩ nhiệt độ hạ thấp khi mùa đông đến. Khinhiệt độ thấp, độ nhớt sẽ tăng lên, ảnh hưởng đến việc phun nhiên liệu. Nếunhiệt độ hạ thấp hơn nhiệt độ tạo điểm đục thì những tinh thể kết tinh sẽ kếthợp lại với nhau tạo thành những mạng tinh thể gây tắc nghẽn đường ống dẫncũng như thiết bị lọc làm động cơ không hoạt động được.

1.1.4.4 Điểm chảy:Điểm chảy là nhiệt độ mà tồn bộ thể tích của hỗn hợp chuyển pha từ thể

rắn sang thể lỏng. Điểm đục và điểm chảy là thông số được xác định nhằm dự đốn khả năng sử dụng của Biodiesel ở nhiệt độ thấp.

1.1.4.5 Điểm chớp cháy:Điểm chớp cháy là nhiệt độ mà ở đĩ hỗn hợp bắt đầu bắt lửa và cháy. Chỉsố này dùng để phân loại nhiên liệu theo khả năng cháy nổ của chúng. Điểmchớp cháy của Metyl este tinh khiết là hơn 200 0C, và Metyl este được xếp loạivào những chất khĩ cháy. Tuy nhiên, trong quá trình điều chế và tinh chế,Methanol dư cịn lẫn trong sản phẩm và làm hạ thấp điểm chớp cháy. Điều nàygây nguy hiểm khi điểm chớp cháy hạ xuống thấp. Đồng thời Methanol là chấtăn mịn thiết bị kim loại. Do vậy điểm chớp cháy vừa được sử dụng như mộttiêu chuẩn quản lý chất lượng Biodiesel vừa để kiểm tra lượng Methanol dư thừa.

1.1.4.6 Độ nhớt:

Độ nhớt: thể hiện khả năng kháng lại tính chảy của chất lỏng. Thông sốnày phụ thuộc vào sự ma sát của một phần chất lỏng khi trượt lên phần chất





lỏng khác. Độ nhớt của nhiên liệu càng cao càng không cĩ lợi khi sử dụng vì nĩ làm giảm khả năng phân tán khi được phun vào thiết bị để đốt cũng như làmtăng khả năng lắng căn trong thiết bị. Chính vì vậy người ta mới buộc phảichuyển các loại dầu mỡ động thực vật thành Biodiesel rồi mới đem đi sử dụngvì Biodiesel cĩ độ nhớt thấp hơn nhiều.

Ngồi ra cĩn cĩ các chỉ số khác. Tất cả các chỉ số hố lý này được nghiên cứuvà xây dựng thành tiêu chuẩn cụ thể cho Biodiesel.

Tính chất Phương pháp

thử

Giới hạn Đơn vị

Nhiệt độ chớp cháy

(phương pháp cốc kín)ASTM D 93 130 min 0C

Nước và cặn ASTM D 2709 0,05 max % thể tích

Độ nhớt động học ở

400C

ASTM D 445 1,9 – 6,0 mm2/s

Tro Sulfat ASTM D 874 0,020

max

% khối

lượng

Sulfur tổng ASTM D 4294 -

99

0,05 max % khối

lượng

Điểm đục ASTM D 2500 oC

Cặn Carbon ASTM D 4530 0,05 max % khốilượng

Chỉ số acid ASTM D 664 0,8 max mg KOH/g

Hàm lượng Glyxerin tự

do

ASTM D 6854 0,02 max % khối

lượng

Hàm lượng Glyxerin

tổng

ASTM D 6854 0,24 max % khối

lượng

Hàm lượng photpho ASTM D 4951 10 ppm

1.2 Các nguồn nguyên liệu để sản xuất BD1.2.1 Các nguồn nguyên liệu chính1.2.1.1 Dầu thực vật:

Cọ dầu Từ hơn 10 năm trước đã trồng tại Long An, đạt 4 tấn dầu /ha. Tuynhiên cĩ 1 số khĩ khăn: trồng qui mô lớn mới hiệu quả vì cần đầu tư dây chuyền xử lý ngay sau thu hoạch do trong hạt chứa mem lipasephân hủy dầu trong vịng 24 giờ thành este và glycerin nên cần diệt

men lipase (bằng nồi hơi); cọ dầu không khĩ trồng nhưng cần mưaquanh năm – khĩ đạt được ở Việt Nam. Hiện nay hầu như không pháttriển được.





Vừng Cây ngắn ngày, nhạy cảm thời tiết, hiện đang trồng đại trà tại NghệAn, Thanh Hĩa, Gia Lai, An Giang.Hiện nay vừng chủ yếu được xuấtkhẩu sang Nhật (cả hạt và dầu).

Dừa Diện tích trên 180000 ha, nhưng năng suất dầu thấp, tối đa đạt 1tấn dầu/ha, bằng ¼ so với cọ dầu. Sản lượng dầu ép không cao vì

cây dừa rất hiệu quả đối với nông dân do các sản phẩm khác như cơm dừa sấy, xơ dừa, than gáo dừa, thủ công mỹ nghệ từ gỗ dừa…nên giá dừa trái tăng (khoảng 15000 đ/l).

Đậunành

Hạt thu mua trong dân 5000 đ/kg, đậu nành nhập khẩu từ Mỹ 3500đ/kg ( kể cả thuế nhập khẩu).

Hướngdương

Trồng thử nghiệm ở Củ Chi (đạt khoảng 2.5 tấn /ha), Lâm Đồng ( đạt3.5 – 5 tấn/ha). Khi trồng thử nghiệm các thế hệ lai, năng suất đãtăng đáng kể. Do đĩ hướng dương trở thành nguồn nguyên liệu cĩ triển vọng.

Bông vải Theo chính sách Nhà nước về tự túc 70% nguyên liệu dệt may, diện

tích trồng cây bông sẽ phát triển nhanh chĩng. Diện tích 2003,2005, 2010 tương ứng là 33000 ha, 60000ha và 120000ha. Dầu hạtbông cải cĩ thể là nguồn nguyên liệu tốt để sản xuất BD và ta chưaloại được độc tố gossypol nên không thể dùng để sản xuất dầu ăn.Dầu bông vải thô hiện nay giá khoảng 7000 đ/l.

(Theo báo cáo khoa học lần thứ nhất về nhiên liệu cĩ nguồn gốc sinh học(Biofuel và BD ở Việt Nam) 23/08/2006 trang 18)

Tính chất Dầuhạt

cao su

Dầu hoahướng

dương

Dầu hạtcải

Dầu hạtbông cải

Dầu hạtdậu

nành Thành phần acid béo(i) Acid panmitic C(16:0)(ii) Acid stearic C(18:0)(iii) Acid oleic C(18:1)(iv) Acid linoleic C(18:2)(v) Acid linolenic C(18:3)

10,28,724,639,616,3

6,83,2616,9373,730

3,490,8564,422,38,23

11,670,8913,2757,510

11,753,1523,2655,536,31

Tỉ trọng 0,91 0,918 0,914 0,912 0,92Độ nhớt ở 400C (mm2/s) 66,2 58 39,5 50 65Điểm chớp cháy (0C) 198 220 280 210 230

Nhiệt trị (MJ/kg) 37,5 39,5 37,6 39,6 39,6Chỉ số acid 34 0,15 1,14 0,11 0,2

Nước ta tuy là nước nông nghiệp nhưng hàng năm chúng ta vẫn phải nhậpmột lượng rất lớn dầu thực vật để tinh luyện phục vụ nhu cầu trong nước vàxuất khẩu. Sở dĩ như vậy vì giá mua nguyên liệu hạt, quả cĩ dầu ở nước ta đôikhi bằng hoặc cao hơn so với giá nhập dầu thực vật thô từ những nước cĩ tiềmnăng như Malayxia, Mỹ…Do đĩ ta nên định hướng nghiên cứu sản xuất BD từ các loại dầu thực vật không cĩ giá trị thực phẩm cĩ giá thành thấp như dầubông, dầu hạt cao su, dầu hạt Jatropha …

1.2.1.2Mỡ động vật:

Mỡ động vật được chia ra làm 2 nhĩm : mỡ động vật trên cạn và mỡ độngvật dưới nước.





− Mỡ động vật trên cạn chứa nhiều axit béo no, chủ yếu là palmaitic vàaxit stearic (mỡ heo, mỡ bị). Mỡ động vật trên cạn chứa nhiều axit béo thuộcnhĩm omêga-6 hơn, hầu như không cĩ omêga-3 nên thường ở trạng thái rắntrong điều kiện nhiệt độ thường. Các axit béo thuộc nhĩm omêga-6 cĩ tác dụnglàm co mạch, tăng huyết áp.

− Mỡ động vật dưới nước chứa hàm lượng axit béo không no thuộc nhĩmomêga-3 tương đối lơn, ở thể lỏng trong điều kiện nhiệt độ thường.

Nước ta thuộc vùng nhiệt đới, cĩ nhiều sông nước nên nghề nuôi và chếbiến thủy sản phát triển mạnh về cả chất và lượng, không chỉ phục vụ nhu cầutrong nước mà cịn hướng đến xuất khẩu. Trong đĩ phải kể đến nghề nuôi vàchế biến cá da trơn ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long. Hoạt động chế biếncác sản phẩm từ cá da trơn thải ra ngồi một lượng lớn các phế phẩm, ảnhhưởng đến môi trường, mà trong đĩ chiếm chủ yếu là dầu hạt cao su. Do đĩ,nếu sử dụng dầu hạt cao su như nguồn nguyên liệu cho nhiên liệu mới là mộtphương án cĩ hiệu quả về mặt kinh tế lẫn cho môi trường.

Việc lựa chọn loại dầu thực vật hoặc mỡ động vật nào phụ thuộc vào nguồitài nguyên sẵn cĩ và điều kiện khí hậu cụ thể của từng vùng. Chẳng hạn như ởÛ Châu Aâu sử dụng chỉ yếu là cải dầu và dầu hướng dương; ở Mỹ- dầu đậunành; ở Châu Mỹ- dầu đậu nành, hướng dương và thầu dầu; ở miền Nam ChâuPhi- dầu đậu nành, dầu mè; ở Đông Nam Á- dầu cọ, dầu dừa và dầu mè; ởChâu Uùc- cải dầu,dầu lanh và dầu cọ nhập từ Đông Nam Á. Sử dụng nguồn tàinguyên sẵn cĩ, các nguyên liệu phế thải sẽ gĩp phần làm giảm giá BD, đưa BDvào sử dụng rộng rãi hơn.

1.2.2 Giới thiệu dầu hạt cao suCây cao su (danh pháp khoa học là Hevea brasiliensis) là một lồi cây thân

gỗ thuộc họ Đại kích (Euphorbiaceae).Nhân hạt cao su ( chiếm 50 – 60% hạt) chứa 40 – 50 % (khối lượng hạt) là

dầu cĩ màu nâu. Hạt cao su cĩ hình elipxoid với nhiều kích cỡ, dài 2.5 – 3 cm.Hạt bĩng, nặng 2- 4 g/hạt, trên hạt cĩ các chấm nâu.

Hàng năm, khoảng tháng 8 hoặc tháng 9 là thời điểm cao su cho trái rộnhất với năng suất khoảng 1 tấn hạt/ 1 ha.

Theo thống kê trên thế giới, khi ép 1 tấn hạt, trung bình ta thu được 100

kg dầu hạt cao su. Tại Việt Nam, theo thống kê năm 2007, diện tích trồng caosu hơn 500000 ha( Theo





http://www.hochiminhcity.gov.vn/left/tin_tuc/tin_thoi_su/2007/08/27-08-2007.02). Thu nhập từ cây cao su chỉ chú ý đến mủ và thân, cịn hạt cao su thìbị bỏ quên. Như vậy, với 500000 ha ta sẽ thu được 5000 tấn hạt, tương đương500 tấn dầu.

Dầu hạt cao su cĩ chứa cyanogenic glycosides, hợp chất này dưới tác dụng

của enzyme đặc hiệu hoặc trong môi trường acid yếu sẽ chuyển hĩa thành hợpchất cyanua. Do đĩ dầu cao su không thể sử dụng được trong thực phẩm. Thực ra, hạt dầu cao su cũng cĩ khả năng chế biến ra Methyl Ester như các

loại dầu thực vật khác để sử dụng trong công nghiệp.Vỏ bọc rớt trên đất được thu về và tách lấy nhân hạt.Những nhân hạt này

được sấy khô để tách ẩm. Sau đĩ, hạt được đưa vào máy nghiền và dầu đượclọc lấy. Dầu qua lọc sẽ được dùng làm nguyên liệu để sản xuất Biodiesel.

Tại thành phố Hồ Chí Minh và các tỉnh lân cận cĩ khoảng 20 cơ sở thủ cônghoặc bán thủ công ép hạt cao su lấy dầu với hiệu suất khoảng 17% là cao nhấtvà mỗi cơ sở chỉ làm khoảng vài tấn hạt trong một ngày, mặc khác do nguồnnguyên liệu không ổn định ( cao su cho trái rộ chỉ trong khoảng 2 tháng) nên

giá thành dầu hạt cao su rất cao, khoảng 17000 đồng/kg ( giá hạt trung bìnhkhoảng 2500 đồng/kg).





Để sử dụng hiệu quả hạt cao su đang cĩ ta phải đổi mới công nghệ chiết,tách nhằm tăng hiệu suất lên 30% và qua đĩ ta cĩ thể dùng dầu này để sảnxuất Metyl Este giá thành khoảng 10000 đồng/ lít nhưng chất lượng tươngđương với chất lượng Metyl Este của dầu đậu nành mà ở Mỹ đang sản xuất sử dụng và xuất khẩu với tên thương mại là Soyat.

Thành phần dầu cao su thu được:− Chứa trên 90% gốc Acid cĩ mạch C18 và phân tử lượng khoảng 870± 10,

Kg/m3

− Chỉ số Iot 130 ± 5 g iot/ 100g.− Chỉ số xà phịng 185 ± 5 mg KOH/g.− Chỉ số acid 50 ± 5 mg KOH/g.− Acid trong dầu hạt cao su gồm 2 nhĩm chính:+ Acid béo bão hịa:

o Acid Palmitico Acid Stearic+ Acid béo không bão hịa:o Acid oleico Acid linoleico Acid linolenic

Trong dầu hạt cao su, các metyl este của các acid béo no làm tăng điểmđông, trị số cetan và tăng độ bền trong khi những polymer không no làm giảmđiểm đông, trị số cetan và cả độ bền, Loại và thành phần acid béo cĩ trong dầuthực vật phụ thuộc vào vùng đất trồng cây và điều kiện chăm sĩc. Mặc dù câythực vật thuộc nhĩm cĩ độ bay hơi thấp trong tự nhiên, nĩ lại nhanh chĩng tạo

ra các hợp chất dễ cháy cĩ khả năng bay hơi khi cháy.1.3 Công nghệ sản xuất BD :1.3.1 Các phương pháp điều chế BD từ dầu thực vật:Để sản xuất BD cần áp dụng các phương pháp xử lí VO để tính chất của nĩ

gần với nhiên liệu Diesel. Sự khác nhau cơ bản của VO so với nhiên liệu Dieselchính là độ nhớt. Aûnh hưởng của độ nhớt cao làm cho hệ thống cấp nhiên liệucủa động cơ làm việc không bình thường, nên chất lượng của quá trình phunvà cháy kém hơn. Do chất lượng của quá trình phun và cháy kém nên các chỉtiêu của động cơ Diesel sẽ kém đi khi sử dụng VO. Vì lý do trên, trong số cácgiải pháp xử lý VO để tính chất của nĩ gần với Diesel thì các giải pháp làmgiảm độ nhớt được quan tâm trước tiên.

1.3.1.1 Phương pháp sấy nĩng:Hiện ít sử dụng vì không thích hợp, cần cĩ nhiệt độ trên 80 0C.1.3.1.2 Phương pháp pha lỗng:Đây là phương pháp đơn giản, dễ dàng thực hiện ở mọi qui mô. Pha trộn

được tiến hành bằng phương pháp cơ học, không địi hỏi thiết bị phức tạp, hỗnhợp nhận được bền vững và ổn định trong thời gian dài. Nhược điểm củaphương pháp này là khi tỷ lệ dầu thực vật lớn hơn 50% thì không thích hợp, vìlúc này độ nhớt của hỗn hợp lớn hơn độ nhớt Diesel nhiều. Khi pha lỗng Dieselbằng dầu thực vật, hỗn hợp 10% VO cĩ độ nhớt thay đổi không đáng kể so vớiDiesel và thể hiện tính năng kỹ thuật tốt đối với động cơ Diesel.

1.3.1.3 Phương pháp cracking:





Quá trình này gần giống với quá trình cracking dầu mỏ. Nguyên tắc cơ bảncủa quá trình là cắt ngắn mạch hydrocacbon của VO dưới tác dụng của nhiệtvà chất xúc tác thích hợp. Sản phẩm của quá trình cracking VO thông thườngbao gồm khí, xăng, Diesel và một số sản phẩm phụ khác. Phương pháp này cĩ nhược điểm là tốn năng lượng, khĩ thực hiện ở qui mô nhỏ và sản phẩm gồm

nhiều dạng nhiên liệu.1.3.1.4 Phương pháp nhũ tương hĩa:Nhũ tương là một hệ phân tán cao của hai chất lỏng mà thông thường

không tan được với nhau. Thể trong ( thể phân tán) là các giọt nhỏ được phântán trong thể ngồi ( chất phân tán). Tùy theo môi trường chất phân tán màngười ta gọi thí dụ như là nhũ tương nước trong dầu hau nhũ tương dầu trongnước.

Để tạo độ bền cho nhũ tương cĩ thể cho thêm các chất hoạt tính bề mặt( như chất nhũ hĩa, xà phịng…), các chất này ngăn hỗn hợp tự tách ra thànhcác thành phần riêng lẻ. Nhìn về mặt nhiệt động lực học thì nhũ tương lại làmột hệ thống không bền.

Nguyên liệu ban đầu là dầu thực vật, rượu và chất tạo sức căng bề mặt.Với thiết bị tạo nhũ cĩ thể tạo ra nhũ tương VO – rượu trong đĩ các hạt rượu cĩ kích thước hạt khoảng 150 µm được phân bố đều trong nhũ tương.

Nhược điểm: khĩ khăn trong việc tạo và duy trì nhũ, lọc nhiên liệu và dorượu bay hơi ( nhiệt độ hĩa hơi của rượu thấp) làm cản trở hoạt động bìnhthường của hệ thống cấp nhiên liệu cho động cơ.

1.3.1.5 Phương pháp transeste hĩa:Este là sản phẩm khi thay thế 1 hoặc nhiều nguyên tử hidro trong phân tử

acid bằng gốc hidrocacbon.Phản ứng transeste cĩ thể hiểu nôm na là phản ứng cĩ dạng:

R-COO- R’ + R”- → R-COO- R” + R’-Đây là phương pháp không phức tạp cĩ thể thực hiện ở qui mô nhỏ với điềukiện cần cĩ các hiểu biết cơ bản về phản ứng este hĩa.

Trong các phương pháp trên, phản ứng transete hĩa là lực chọn tối ưu doquá trình phản ứng đơn giản và tạo ra sản phẩm este cĩ tính chất hĩa lý gầnvới nhiên liệu Diesel. Hơn nữa, các este cĩ thể đốt cháy trực tiếp trong buồngđốt động cơ và khả năng hình thành cặn rất thấp.





Các kỹ thuật thực hiện phản ứng transeste hĩa:

So với các phương pháp khác, phương pháp khuấy gia nhiệt cĩ nhiều triển

vọng áp dụng trong công nghiệp do tính dễ thực hiện. Nhược điểm củaphương pháp này là thời gian phản ứng dài. Để khắc phục nhược điểm này,ta sẽ dùng xúc tác thích hợp.





1.3.2Các loại xúc tác thường sử dụng cho phản ứng chuyển hĩa este1.3.2.1 Xúc tác acid

Thường sử dụng các acid Bronsted như H2SO4, HCl và acid sulfonic ( acodp-toluensulfomic). Phản ứng cho độ chuyển hĩa các ankyl cao. Tuy nhiênphản ứng diễn ra chậm, thời gian phản ứng là hơn 3 giờ để đạt đến độchuyển hĩa hồn tồn. Phản ứng chọn lọc, địi hỏi nhiệt độ cao (trên 1000C).Ngồi ra xúc tác acid cĩ giá thành khá cao và cịn gây ăn mịn thiết bị phản ứng,đây cũng là một trong những nguyên nhân chính làm cho loại xúc tác này ítđược sử dụng rỗng rãi trong công nghiệp. Thường ta chỉ dùng xúc tác khi dầuthực vật cĩ hàm lượng acid béo tự do FFA ( Free fatty acid) cao.

1.3.2.2 Xúc tác basePhản ứng diễn ra nhanh hơn khi ta dùng xt acid. Vì lý do này, cũng với

việc xúc tác base ít ăn mịn thiết bị hơn acid nên loại xúc tác này rất được ưachuộng trong công nghiệp, như là alkoxit kim loại kiềm, các hidroxit cũngnhư các muối cacbonat của kali và natri.

1.3.2.3 Xúc tác enzymeDo tính sẵn cĩ và sự thân thiện với môi trường, các enzyme thủy phânngày càng được ứng dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ. Chúng cịn cĩ tínhchọn lọc cao, tương đối ổn định và chịu được môi trường dung môi hữu cơ.

Mặc dù phản ứng chuyển hĩa este với xúc tác lipase chưa được đưa vàosản xuất công nghiệp, những nghiên cứu về xúc tác enzyme vẫn được pháttriển mạnh mẽ. Điểm chủ yếu của những công trình này là tối ưu hĩa các điềukiện phản ứng (dung môi, nhiệt độ, pH, cơ chế sinh enzyme…) để thiết lậpnhững đặc tính phù hợp để áp dụng vào sản xuất. Tuy nhiên, hiệu suất phảnứng vẫn chưa hiệu quả bằng khi ta dùng xúc tác base và thời gian phản ứngcịn khá dài ( hàng chục giờ).





Như đã nêu ở trên, dầu hạt cao su chứa một lượng lớn acid béo tự do FFA.Khi dùng kiềm làm xúc tác cho phản ứng transeste hĩa, những acid béo tự donày phản ứng với xúc tác kiềm tạo ra xà phịng, gây kiềm hãm sự phân táchcủa este và glixerin. Một quá trình chuyển vị este 2 giai đoạn được phát triểnđể chuyển hĩa dầu cĩ FFA cao thành những đơn este của nĩ.

Bước đầu, phản ứng este hĩa với xúc tác acid làm giảm hàm lượng FFAtrong dầu xuống dưới 2%.

Bước thứ hai, quá trình chuyển vị este với xúc tác kiềm chuyển sản phẩmcủa bước đầu thành những đơn este và glixerin.

1.3.3 Những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển hĩa este :Nguyên liệu: Thành phần và bản chất của nguyên liệu cĩ ảnh hưởng quantrọng đến quá trình điều chế biodiesel. Theo cơng trình nghiên cứu “Điều chếnhiên liệu diesel sinh học (biodiesel) từ dầu thực vật phế thải theophương pháp hĩa siêu âm” do tác giả Nguyễn Thị Phương Thoa làm chủnhiệm đề tài [14], trong khi cĩ thể sử dụng NaOH làm xúc tác cho quá trìnhester hĩa dầu đậu nành, việc sử dụng NaOH trong quá trình ester hĩa dầu cọsẽ dẫn đến phản ứng xà phịng hĩa quá mức làm giảm hiệu suất thu methylester. Các tác giả này khuyến cáo rằng, trong trường hợp ester hĩa dầu cọ,xúc tác KOH nên được sử dụng thay cho NaOH. Ngịai ra, lượng axít béo tự do cĩ trong nguyên liệu ban đầu cũng cần được xử lý trước khi tiến hành phảnứng ester hĩa.





Nhiệt độ phản ứng: đây là lọai phản ứng thu nhiệt nên nhiệt độ phản ứngtăng thì tốc độ phản ứng tăng, dẫn đấn hiệu suất phản ứng tăng. Tuy nhiên,khi thực hiện phản ứng ở điều kiện áp suất thường thì nhiệt độ phản ứngkhơng nên vượt quá nhiệt độ sơi của methanol.

Thời gian phản ứng: thời gian phản ứng ở một giai đọan nhất định tăng thì

hiệu suất phản ứng cũng tăng. Tuy nhiên, vì đây là một phản ứng thuậnnghịch nên đến một lúc nào đĩ, phản ứng sẽ đạt cân bằng. Nếu tiếp tục tăngthời gian phản ứng sẽ làm giảm hiệu suất do nhiều nguyên nhân khác nhau,nhưng chủ yếu cĩ thể là do thời gian phản ứng quá lâu sinh ra những sảnphẩm khơng mong muốn làm giảm họat tính xúc tác, hoặc do sự gia tăngphản ứng xà phịng hĩa (trong trường hợp sử dụng xúc tác kiềm) dẫn đến giảmhiệu suất phản ứng và khả năng phân tách sản phẩm.

Tỷ lệ (methanol:dầu): theo lý thuyết thì 1 mol dầu chỉ cần 3 mol alcol, tuynhiên, khi tăng tỷ lệ mol methanol thì hiệu suất phản ứng tăng.

Tỷ lệ xúc tác:dầu: Sự gia tăng tỷ lệ xúc tác:dầu sẽ ảnh hưởng đến hiệusuất phản ứng. Vì vậy, ta cần khảo sát tìm tỷ lệ xúc tác:dầu cho hợp lý đối vớimỗi lọai xúc tác.

Tốc độ khuấy trộn: Phản ứng chuyển hĩa ester dầu thực vật với alcol mạchngắn là hỗn hợp phản ứng hai pha. Sự hịa trộn các pha rất khĩ khăn. Vì vậy,tốc độ khuấy phải lớn để tăng hiệu suất phản ứng. Ở một số nước ngườita sử dụng tetrahydrofurane (THF) trong hỗn hợp phản ứng. Lúc này tốc độkhuấy khơng ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng nữa [12]. Tuy nhiên, giáthành của THF tương đối cao [13]. Ngịai ra, thành phần, bản chất và cấu trúccủa xúc tác cũng đĩng một vai trị quan trọng lên hiệu suất của phản ứng.

1.3.4 Phản ứng điều chế Biodiesel1.3.4.1 Các loại phản ứng thường sử dụng :

Trong dầu thực vật và mỡ động vật, thành phần chính là Triglycerit và acidbéo tự do ( lượng ít hơn Triglycerit nhiều). Quá trình chuyển hĩa dầu mỡ thànhnhiên liệu sinh học cĩ thể chia làm hai loại phản ứng:

− Phản ứng chuyển hĩa acid béo : được gọi phản ứng este hĩa− Phản ứng chuyển hĩa Triglycerit: được gọi là phản ứng ancol phân

1.3.4.1.1 Phản ứng este hố:Phản ứng este hố điều chế Biodiesel là phản ứng giữa axit béo với ancol

tạo thành este và nước.

Trong trường hợp axit hay ancol cĩ nhiều hơn hai chức thì sản phẩm phảnứng cĩ thể là monoeste hoặc polyeste tuỳ thuộc vào tỷ lệ mol sử dụng:

Trong trường hợp cả hai chất tham gia phản ứng đều đa chức thì phản ứngcĩ thể xảy ra theo nhiều chiều hướng khác nhau. Thông thường người ta áp

dụng loại phản ứng này trong việc tổng hợp các polyme là các polyeste.





Các phản ứng trên đều là thuận nghịch. Khi tiến hành ở điều kiện thường,không xúc tác, phản ứng vẫn xảy ra nhưng rất chậm. Thậm chí ngay cả khigia nhiệt đến nhiệt độ cao (200 oC – 300 oC) thì phản ứng xảy ra cũng kháchậm.

Khi cĩ sự hiện diện của xúc tác acid Bronsted mạnh như H2SO4 , HCl ...

phản ứng este ở nhiệt độ 70o

C – 150o

C đã xảy ra với tốc độ khá cao. Phươngpháp này thường được sử dụng để tổng hợp nhiều este do hiệu suất thu đượckhá cao và tinh chế sản phẩm dễ dàng.

Các xúc tác acid Lewis dị thể như Al2O3 , AlCl3 ... cũng cho kết quả khá tốtnhưng phản ứng phải được tiến hành trong pha khí. Chính vì vậy mà phươngpháp nàykhá tốn kém và chỉ được sử dụng để điều chế các este đặc biệt màphương pháp phản ứng trong pha lỏng không đáp ứng được.

Nước sinh ra trong quá trình phản ứng sẽ làm giảm tốc độ cũng như hoạttính của xúc tác nên để tăng khả năng phản ứng người ta thường sử dụng cácdẫn xuất của axit như : anhydryt axit, clorua axit...

Mạch hydrocacbon của axit béo càng dài thì khả năng phản ứng càng

giảm. Tương tự, bậc và mức độ phân nhánh mạch của ancol càng cao thì cànggiảm khả năng phản ứng.

1.3.4.1.2 Phản ứng ancol phân:Phản ứng ancol phân điều chế Biodiesel là phản ứng giữa rượu và este

dạng TriGlyxerit thành este của rượu đĩ và Glyxerin. Phương trình phản ứng

tổng quát:

Trong đĩ R1,R2,R3 là những mạch hydrocacbon mạch dài. Đây là loại phản

ứng thuận nghịch và tốc độ phản ứng phụ thuộc rất nhiều vào bản chất và

nồng độ của loại xúc tác sử dụng, nhiệt độ phản ứng, tỷ lệ tác chất, tốc độ

khuấy trộn và thời gian phản ứng.

1.3.4.2 Cơ chế phản ứng:Đã cĩ nhiều cơ chế phản ứng được đề nghị nhưng cơ chế sau đây được ứngdụng rộng rãi nhất

1.3.4.2.1 Với xúc tác kiềm:





Giai đoạn đầu tiên của phản ứng là phản ứng của bazơ với ancol tạo anionancolat và xúc tác proton hố:

Anion ancolat tấn công lên nguyên tử cacbon ở nhĩm C=O của este

O O

R1O

R2

-OR

O

R1O

R2

O

O R

O-

O

R 3

O

-O

O

R2

O

R1

O

O R

O

R 3

O

O

R2

H

RO H

+-OR+

δ +

δ −

R – Nhĩm ankyl trong phân tử ancolR1,R2,R3 – Gốc của axit béoM – K,Na

Anion này deproton hố xúc tác và giải phĩng kim loại kiềm trạng thái hoạtđộng để bắt đầu tấn công một phân tử ancol mới. Cứ như thế vịng tuần hồn

của phản ứng được thực hiện.Năng lượng hoạt hố là năng lượng cần thiết để tạo ra liên kết giữa anion (–OR) này với nhĩm cacbonyl. Các nhĩm thế R hay R’ cĩ xu hướng làm thay đổitính chất của nhĩm C=O và cần tạo điều kiện dễ dàng cho phản ứng tạo rabằng cách giảm năng lượng hoạt hố.

Năng lượng hoạt hố của phản ứng ancol phân bằng Methanol cĩ giá trịtrong khoảng 6 – 20 Kcal/mol. Hằng số tốc độ phản ứng k tăng theo nhiệt độđối với TriGlyxerit (TG), DiGlyxerit và MonoGlyxerit cho cả chiều thuận vàchiều nghịch. Tuy nhiên, hằng số tốc độ phản ứng tạo Glyxerin giảm theo thờigian. Giá trị kt – hằng số tốc độ phản ứng theo chiều thuận- ở nhiệt độ 60 0Ctuân theo thứ tự sau: kMGt > kDGt > kTGt.

Phản ứng ancol phân với xúc tác kiềm xảy ra với vận tôc lớn ngay cả ởnhiệt độ thường. Tuy nhiên nĩ chỉ cĩ lợi khi chất béo sử dụng cĩ hàm lượng axít





béo tự do thấp và hỗn hợp thật khan. Nếu hỗn hợp chứa nhiều nước và axitbéo tự do thì xà phịng hình thành làm mất hoạt tính kiềm vì xúc tác sẽ chuyểnsang dạng muối tức mất đi khả năng xúc tác cho phản ứng. Ngồi ra xà phịngcịn tạo thành cấu trúc gel làm cản trở giai đoạn tinh chế sản phẩm sau này.

Ví dụ ta cĩ phản ứng xà phịng hố:

COH

O

(CH2

)7

CH CH(CH2)7CH

3 KOH CK+-O

O

(CH2

)7

CH CH(CH2)7CH

3 H2O+ +

Axit oleic Kali hydroxit Kali oleate (xa phong)

Nước trong hỗn hợp cịn gây ra một hiện tượng bất lợi khác là phản ứngthuỷ phân.. Và với sự cĩ mặt của xúc tác kiềm, các axit béo phản ứng với kiềmlại tạo thành xà phịng. Xà phịng của các loại axit béo no cĩ xu hướng đĩng rắnở nhiệt độ thường vì thế sản phảm cĩ chứa nhiều xà phịng thường quánh lạithành khối rất khĩ tinh chế.

CH2

CH

O C

O

OR1

CH2

O C

O

OR2

O C

O

OR 3

+

Triglyxerit

H2

O

CH2

CH

CH2

O C

O

OR2

O C

O

OR 3

OH

C

O

OH R1

+

DiglyxeritNöôùc Axít beo'

Xúc tác bazơ chỉ tốt với trường hợp chất tham gia phản ứng là methanol

tuyệt đối hay cĩ nồng độ cao.Mỗi loại dầu mỡ động thực vật đều cĩ một hàm lượng acid béo tự do (FFA)

nhất định.

Loại mỡ Hàm lượng FFA (% khối

lượng)

Dầu mỡ sau xử lý 0,05

Dầu thực vật tinh luyện 0,3 – 0,7Dầu thải 2 -7

Dầu mỡ chưa xử lý 5 - 30

Bảng 1.5: Hàm lượng acid béo tự do trong dầu mỡ

1.3.4.2.2 Với xúc tác axit:

Cơ chế phản ứng ancol phân với xúc tác axit cĩ thể tĩm tắt bởi quá trìnhsau: Đầu tiên, các nhĩm cacbonyl của TG được proton hố bởi xúc tác axit. Sauđĩ các nhĩm cacbonyl đã được proton hố bị tấn công bởi ancol theo cơ chế ái

nhân tạo hợp chất trung gian. Giai đoạn tiếp theo dung môi sẽ giúp cho quátrình dịch chuyển điện tích tạo điều kiện cho sự tách nhĩm. Giai đoạn 4 là sự


R2

R1

R3

R2

R3




hình thành hợp chất trung gian, ankyl este được proton hố và một phân tử DG.Giai đoạn 5 cĩ sự chuyển hố proton làm tái tạo xútác axit. Quá trình trên đượclặp lại cho đến khi tạo thành 3 ankyl este và 1 phân tử Glyxerin.

O

O O

R1O

R2

H A

O

O O+

R1O

R2

O

H

O

R

H

O

R 3

O

O

O

R2

O

O

H

O+

RH

R1

O

R 3

O

O+

O

R2

O

O

H

O RR1

- A-

- H+,+ H+

O

R 3

O

O - H

O

R2

O

+O+

R1

O R

H

A- O

R1

O R

+ H A

(1 )

(2 )

( 3)

(4)

( 5)

δ −

δ +

A – H Xúc tác axit R1,R2,,R3 Gốc của axit béo

Yếu tố khiến cho xúc tác cĩ khả năng làm tăng hiệu quả quá trình phản ứnglà nhờ vào quá trình proton hố nhĩm cacbonyl của TG. Sự tác động qua lại giữaxuc tác và chất mang làm tăng tính ái điện tử của nguyên tố cacbon của nhĩmcacbonyl kế cận làm cho nĩ bị tấn công bởi tác nhân ái nhân.





So với xúc tác axít, cơ chế phản ứng xúc tác bazơ thực hiện sự hoạt hốphản ứng một cách trực tiếp hơn hay sự khác biệt giữa hai loại xúc tác này làxúc tác axit tạo tác nhân ái điện tử cịn xúc tác bazơ tạo tác nhân ái nhân.

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ2.1. Quy trình cơng nghệ:2.1.1 Sơ đồ bố trí thiết bị:





2.1.2 Sơ đồ khối qui trình (theo [4])


Metanol , xúc tác H2SO4

Dầu có chỉ số FFA < 2%

Este hóabằng

Dầu hạt cao su

Tách pha

Este hóabằng base

Tách pha

Metyl este

Trung hòabase dư

Rửa

(khuấy, tách)

Metanol, xúc tác NaOH

T = 45 0C, τ = 30

T = 50 0C, τ = 30

Nước nóng, T= 70 0C

Phanhiều

Glyxerin

Phanhiều

Glyxerin




2.1.3 Qui trình công nghệ:Hệ thống được được nhập liệu gián đoạn và được tháo liệu liên tục.

− Giai đoạn 1:+ Dầu hạt cao su và Methanol ở nhiệt độ 25 0C được dẫn vào bình 5.+ Tiến hành khuấy sơ bộ (nhờ bơm 3) để hỗn hợp đạt độ đồng nhất tương

đối (thời gian khuấy khoảng 1 phút).

+ Bật điện trở để nâng nhiệt độ hỗn hợp lên 50 0C, lúc này phản ứng đãdiễn ra một phần. Nhiệt lượng cần cung cấp cho giai đoạn này tương đối lớn.

+ Giữ nhiệt độ ổn định trong thiết bị 5 và khuấy trong vịng 20 – 30 phút ởáp suất thường, nhằm giúp phản ứng xảy ra triệt để hơn.

+ Nhiệt độ được giữ ổn định bằng hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động.+ Trong bình 5, nồng độ metanol khoảng 18% - 24%, do đĩ trong thành

phần pha hơi, nồng độ metanol chiếm khoảng 60%. Metanol là một chất rấtđộc đối với cơ thể con người, vì thế ta dùng sinh hàn để hồn lưu hơi metanol.Nhiệt độ hơi bão hịa Metanol duới áp suất khí quyển dưới 650C, do đĩ dùng sinhhàn nước thích hợp.

+ Thực hiện quá trình tách pha trong thiết bị tách pha 6.+ Hỗn hợp sau phản ứng cần được bơm lên bình cao vị để thực hiện quá

trình tách pha. Nếu đặt bơm ngay phía sau thiết bị 6, khi lượng lỏng cịn lạitrong thiết bị 6 càng ít, khả năng bơm hút khí càng nhiều, dẫn đến va đậpthủy lực trong bơm (hiện tượng xâm thực) . Điều này ảnh hưởng khơng tốt đếntuổi thọ của bơm. Do đĩ, ta cần đặt bình chứa 8 sau thiết bị 6.

+ Hoạt động của bơm được điều khiển bằng tín hiệu điện.+ Tín hiệu được truyền liên tục từ bộ phận lấy tín hiệu mức lỏng trong thiết

bị 11. Tín hiệu này được chuyển hĩa thành tín hiệu điện ở hộp chuyển đổi tínhiệu. Khi mức lỏng trong bơm thấp hơn 1 giới hạn nào đĩ (do ta cài đặt), bơmsẽ ở chế độ ON để cung cấp lỏng cho thiết bi 11. Ngược lại, khi mức lỏng trongbình 11 quá cao (cao hơn 1 giới hạn nào đĩ do ta cài đặt), bơm sẽ ở chế độOFF.

+ Bình 8 chứa hỗn hợp của mẻ thứ i, thiết bị 6 chứa hỗn hợp của mẻ thứ i+ 1.Sau khi thực hiện xong quá trình tách pha ở thiết bị 6, hỗn hợp i+1 đượcchuyển dần sang bình 8, đồng thời hỗn hợp ở 8 cũng được bơm chuyển lênbình cao vị 11.

+ Thời gian tiến hành phản ứng và thời gian xúc rửa thiết bị 5 khoảng 40phút, trong khi thời gian tách pha khoảng 4 giờ . Do đĩ ta cần thiết bị

tách pha( mỗi bình cĩ thể tích sử dụng bằng thể tích của hỗn hợp cần tách phatrong 1 mẻ).


BD

Làm khan( khuấy)




Thời gian rửa tùy thuộc vào thành phần của dung dịch rửa, độ sạch củathiết bị sau khi rửa… Tùy thuộc vào thời gian rửa thiết bị mà ta xác địnhđược số thiết bị tách pha cần thiết tương ứng.+ Sau quá trình tách pha ta thu được:+ Pha A ở phía trên: gồm rượu dư, acid sunfuric và tạp chất.+ Pha B ở phía dưới: chứa chủ yếu là BD, lượng dầu hạt cao su chưa được

chuyển hĩa. Hỗn hợp này được phân tách và sử dụng cho quá trình phía sau(chuyển vị ester bằng kiềm).

− Giai đoạn 2:+ Hỗn hợp ở pha B được chứa trong bình 11. Từ đây, hỗn hợp được dẫn

đến thiết bị phản ứng 13. Metanol và xúc tác bazo cũng được dẫn vào thiết bị13 trong thời gian này.

+ Khuấy trộn và gia nhiệt hỗn hợp đến 45 0C. Thời gian lưu trung bình củahỗn hợp ở thiết bị này là 30 phút. Sau khoảng thời gian trên, ta cũng tiến hànhthực hiện quá trình phân pha như ở giai đoạn 1.Lớp dưới, chủ yếu chứa tạpchất và glixerin, được lấy ra trước ( chứa trong bình 16); Ester vẫn cịn nằm ởlớp trên.

+ Lớp trên chứa Methyl ester (chủ yếu) được dẫn vào bình 15 để rửanhằm loại bỏ tạp chất và glixerin cịn sĩt. Nước nĩng (khoảng 10% thể tích)được xịt lên bề mặt của lớp ester và khuấy nhẹ. Lớp dưới được bỏ, cịn lớp cĩ màu vàng ở phía trên (thành phần chính là biodiesel) được giữ lại trong thiếtbị. Tiến hành gia nhiệt để làm khan nước cịn sĩt lại ( lượng nước cịn lại trongBD phải thỏa tiêu chuẩn về BD).

+ Do nước bay lên cĩ khả năng lơi kéo theo các chất như Metanol,Biodiesel, các chất trong dung dịch rửa, dù lượng rất thấp nhưng vẫn cĩ, vì thếta cần dùng sinh hàn ngưng tụ để thu hồi hơi bay lên.

2.2. Nhiệm vụ đồ án2.2.1 Thiết kế hệ thống gián đoạn, liên tục hay bán liên tục ? Thành phần của hỗn hợp nhập liệu thường biến động ( thành phần dầu hạt

cao su thay đổi theo giống cây trồng, phương pháp canh tác, phương pháptách dầu từ hạt cao su thô, thời gian thu hoạch…), quá trình chính diễn ra kháphức tạp, quá trình chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố … Do đĩ, thiết kế hệthống hoạt động liên tục sẽ rất khĩ kiểm sốt được chất lượng sản phẩm.

Nếu hệ thống hoạt động gián đoạn, năng suất hệ thống thấp dẫn đến việctăng giá thành sản phẩm.

Nguyên liệu phải trải qua nhiều giai đoạn, nhiều thiết bị để thành sảnphẩm. Để tận dụng công suất hoạt động của thiết bị ( nhất là thiết bị táchpha), ở đây tôi sẽ thiết kế hệ thống hoạt động bán liên tục: nhập liệu giánđoạn và tháo liệu liên tục.

Như đã nêu ở trên, quá trình chuyển hĩa dầu hạt cao su trải qua 2 giaiđoạn: chuyển vị este bằng acid và bằng kiềm.

Do tầm quan trọng của thiết bị phản ứng chính đối với chất lượng và năngsuất sản phẩm, ở đây tôi chọn thiết kế chi tiết thiết bị phản ứng này.

2.2.2 Tác nhân gia nhiệt:Nhiệt độ của các hỗn hợp cần gia nhiệt tương đối thấp (dưới 55 0C), trong

thiết bị phản ứng cĩ đặt thiết bị khuấy nên ta dùng điện trở ngồi để gia nhiệt làrất thuận tiện.





Môi trường trong thiết bị cĩ tính ăn mịn tương đối cao. Để đảm bảo tính bềncủa thiết bị và độ tinh khiết của sản phẩm, ta dùng điện trở ngồi. Ở đây tôichọn vịng nhiệt. Ta cũng cĩ thể dùng điện trở dạng sợi hoặc bản mỏng quấnquanh thiết bị, nhưng như thế thì diện tích truyền nhiệt và độ bền của thiết bị(dưới tác dụng của điểm nhiệt) đều giảm.

2.3. Chọn thiết bị thiết kếCác quá trình cần cấp nhiệt: quá trình tăng nhiệt độ của hỗn hợp dịng vào,

quá trình phản ứng, quá trình bay hơi của Methanol và tổn thất nhiệt qua vỏthiết bị... Nhiệt lượng cần cung cấp ở thiết bị phản ứng 2 và ở thiết bị 14(theosơ đồ nguyên lý ở trên) là lớn nhất. Tuy nhiên, thể tích lượng lỏng trong thiếtbị 14 nhiều hơn ở thiết bị 2 nên ta sẽ thực hiện tính tốn thiết kế và kiểm tracác điều kiện bền cũng như quá trình khuấy trộn, trao đổi nhiệt trên thiết bịnày. Các thông số thu được cũng sẽ là thông số thiết kế cho các thiết bị tươngtự cịn lại trong hệ thống.





CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT BỊ3.1 Thiết bị phản ứng chính3.1.1 Các thông số kỹ thuật phục vụ cho tính tốn thiết kế

ST T

Chỉ tiêu phântích

Phương pháp Kết quả Đơnvị

1 FFA AOCS CD 3d –93

28.58(Theo axit Oleic)

2 Thành phần axit

béo (theo kếtquả phân tíchsắc kí)

AOCS Ce 1e -

91

A. Palmitic (C16H32O2) 6.84

A. Palmitoleic (C16H30O2) 0.12A. Stearic (C18H36O2) 9.15A. Oleic (C18H34O2) 24.99A. Linoleic (C18H32O2) 39.64A. Linolenic (C18H30O2) 19.26

Bảng 1.9: Thành phần và hàm lượng axit béo cĩ trong dầu hạt cao su.

( Theo [3] )Phân tử lượng trung bình của axit béo: Mtb = 278,81 Kg/Kmol. TryGlyxerit quy đổi cùng axit béo trung bình:M TG = 874,42 Kg/KmolDầu cao su cĩ phân tử lượng trung bình là Md = 551.78 Kg/Kmol.

Ta cĩ:

→ FFFA = 0,5417→ % FFFA =Dầu cao su ở nước ta % FFFA khoảng 27,37%. Do không cĩ điều kiện thực

hiện thí nghiệm, nên tôi sẽ lấy kết quả dựa theo báo cáo “sản xuất BD từ dầuhạt cao su cĩ hàm lượng FFA cao” của nhĩm tác giả A.S. Ramadhas, S. Jayaraj,C.Muraleedharan.

Các thông số hố lý:

Thông số hĩa lý Dầu nhập Methanol Glyxerin Dầu BD





liệuPhân tử lượng trung bình

Mi,Kg/Kmol551,78 32 92 287,41

Khối lượng riêng ρi, Kg/m3 1000,6* 770,0 1260,0 904,3Nhiệt dung riêng Ci, J/Kg.K 2820 2715 3520 3110

Hệ số dẫn nhiệt λi, W/m.K 0,1100 0,2068 0,285 0,1722Độ nhớt µi, N.s/m2

35,6 10 -3 0,40 10-3

2,6 10 -3 3,9 10 -3

Với i là d,m,g,b,n,a tương ứng với thông số của dầu hạt cao su, metanol,glycerin, BD, nước và acid.

Kí hiệu F, m, X, x... với các số kèm theo i mang ý nghĩa là ta đang đề cậpđến thành phần của chất nào đĩ trong hỗn hợp vào của thiết bị i.

Chẳng hạn như : số mol BD trong hỗn hợp đầu vào của thiết bị 6 _bình

chứa 6.Dịng nước giải nhiệt:+ Nhiệt độ dịng vào: T1 = 300C+ Nhiệt độ dịng ra: T2 = 340C+ Nhiệt độ trung bình: Tn tb = 320C+ Nhiệt dung riêng trung bình: Cn = 4181 J/Kg.K

+ Khối lượng riêng:

+ Độ nhớt:

+ Hệ số dẫn nhiệt:ρd được tính dựa theo [3], cụ thể như sau:Khi dầu nhập liệu cĩ chỉ số acid là 34 thì hỗn hợp cĩ %FFA là 17%(%FFA : khối lượng (g)FFA trong 100 mL nguyên liệu)Chỉ số acid là lượng base được biểu diễn theo lượng mg KOH cần phải cĩ để

trung hịa các thành phần acid trong 1 g mẫu thử. Trong 1 g mẫu thử

mol

→ =0,169 g

→ Trong 1g dầu cĩ 0,169 g FFA (a)

Trong 100 mL dầu cĩ 17g FFA → cĩ 0,169 g FFA trong

(b) Từ (a)& (b), ta cĩ 1g dầu tương ứng với 0,994 mL,do đĩ

3.1.2 Tính cân bằng vật chất





Phản ứng chuyển vị este ở giai đọan 1 duới tác dụng của xúc tác acidH2SO4

RCOOH+ CH3OH → RCOOCH3+ H2OXét 1 L dầu hạt cao su nhập liệu cho hệ thống trong 1 đợt nhập liệu :

Với dầu nhập liệu cĩ %FFA là 17%

=Với dầu nhập liệu cĩ %FFA là 27,37%

Dầu nhập liệu cĩ hàm lượng FFA 17%, thể tích Metanol cần dùng là 0,2 LDầu nhập liệu cĩ hàm lượng FFA 27,37%, thể tích Metanol cần dùng là

0,2 +

Giai đoạn

1

Thể tích methanol sử

dụng

0.2 L

Giai đoạn

2

Thể tích methanol sử

dụng

0.3 L

Ta xem thể tích xúc tác sử dụng xem như không đáng kể:1 L dầu hạt cao su + 200 mL metanol (chứa trongthiết bị 5) →tách pha

Hỗn hợp thu được đem đi thực hiện tiếp giai đoạn 2 cĩ thể tích phụ thuộcvào khả năng tách pha và phụ thuộc vào yêu cầu về độ tinh khiết của sảnphẩm. Một cách tương đối, ở đây ta chọn lượng lỏng thu được là 1 L

Thiết bị 13 chứa lượng lỏng = 1 L hỗn hợp (từ giai đoạn 1) + 300 mLmetanol = 1,3 L.

Với 1 L hạt dầu cao su, thể tích làm việc của thiết bị 13 cần là 1.3 L. Thiết bị phản ứng chính cĩ dung tích làm việc là 30 L (dung tích thiết kế là

50) Thể tích dầu cao su nhập liệu tương ứng làXét tương quan thời gian phản ứng giữa 2 giai đoạn(theo [4] ):

− Giai đoạn 1: 30 phút− Giai đoạn 2: 30 phút→ Một dãy đơn nguyên thiết bị ở giai đoạn 1 tương ứng với một dãy đơnnguyên thiết bị ở giai đoạn 2.

Sau khi hỗn hợp ở mẻ thứ i được tháo ra khỏi 1 thiết bị, hỗn hợp ở mẻ thứ i+1 được bơm ngay vào. Thời gian nhập và tháo hỗn hợp ra khỏi thiết bị ngắn. Tùy theo mục đích làm thí nghiệm khảo sát hay thực hiện qui trình sản xuấtthử mà ta quyết định xem cĩ rửa thiết bị giữa các mẻ hay khơng.

Xét năng suất của hệ thống khi thực hiện qui trình sản xuất thử:− Trong 1h ta nhập liệu được mẻ nên năng suất hệ thống (tính theo

dầu hạt cao su):





− Năng suất dầu hạt cao su nhập liệu G để thực hiện phản ứng:− Thiết bị hoạt động 8 giờ/ngày.

G = L/ngàyCác điều kiện phản ứng:Dầu hạt cao su ban đầu cĩ %FFA là 27,37%, sau khi chuyển hĩa este bằng

acid thì %FFA cịn 2% là đạt yêu cầu để thực hiện tiếp giai đoạn 2Hiệu suất chuyển hĩa FFA

% (ma pu/ma) =

Tỷ lệ metanol/ dầu hạt cao su ( theo thể tích) 0,5:

1

Giai

đoạn 1

Tỷ lệ metanol/ dầu hạt cao su

( theo thể tích)

0,2:

1

Nhiệt độ phản ứng,0

C 50 Thời gian phản ứng, phút 30

Hàm lượng xúc tác,%( mxt/md) 0,5

Hiệu suất chuyển hĩa acid tự do,%

(ma pu/ma)

92,

7

Giai

đọan 2

Tỷ lệ metanol/ dầu hạt cao su

( theo thể tích)

0,3:

1

Nhiệt độ phản ứng,0

C 45 Thời gian phản ứng, phút 30

Hàm lượng xúc tác,%( mxt/md) 0,5

Hiệu suất các phản ứng 90

% Tỷ lệ thu hồi không chỉ phụ thuộc nguyên liệu, điều kiện phản ứng…mà cịn

phụ thuộc vào độ tinh khiết của sản phẩm (ảnh hưởng trực tiếp đến chỉ số hồilưu trong thiết bị tách pha).Với nhiều yếu tố tác động phức tạp, việc xác địnhtỷ số thu hồi chỉ cĩ ý nghĩa tương đối.Ở đây ta chọn %( mBD/m TG)= 90%

Thông số nhập liệu:Hệ thống hoạt động theo chế độ nhập liệu gián đoạn, vì thế ở đây ta tính tốncác thông số ở thiết bị phản ứng chuyển hĩa este bằng acid ( thuộc giai đoạn1 trong hệ thống sản xuất) theo từng mẻ.

− Lượng dầu nhập liệu :

− Lượng metanol nhập liệu :





− Số mol acid H2SO4 nhập liệu :

− Phần mol của dầu hạt cao su Fd:

− Lượng acid béo tự do trong dầu nhập liệu:

KgGiai đoạn 1:

Phản ứng chuyển vị este ở giai đọan 1 duới tác dụng của acid H2SO4:RCOOH+ CH3OH → RCOOCH3+ H2O

Lượng FFA tham gia phản ứng chuyển hĩa este :

Lượng BD tạo thành trong hỗn hợp ra khỏi thiết bị 5

Sau phản ứng hỗn hợp trong thiết bị gồm Metyl este (BD), xúc tác acidH2SO4 ,metanol dư, triglycerit, acid béo tự do chưa phản ứng . Thực ra ở giaiđọan này,1 phần triglycerit cũng đã chuyển thành BD, nhưng ở đây, do quátrình diễn ra rất phức tạp và việc xác định nồng độ các chất trong hỗn hợp rấtkhĩ khăn nên việc xác định lượng chính xác các chất trong hỗn hợp sau phảnứng là điều không thể. Chính vì thế, ở giai đọan này tôi xem phản ứng chuyểnhĩa triglycerit thành BD là không xảy ra.

Sau phản ứng− Lượng BD:

− Lượng glyceride: không đổi

− Lượng acid (ta xem như lượng acid bay hơi không đáng kể):

− Lượng Metanol dư:

− Lượng nước:

− Lượng FFA dư:

Hỗn hợp ra khỏi thiết bị 5 được dẫn vào thiết bị tách pha. Lớp trên chủ yếugồm metanol dư, acid sunfuric và tạp chất được tách bỏ. Pha dưới chứa chủyếu là triglyceride, BD được phân tách và sử dụng cho giai đoạn 2_ chuyển hĩaeste bằng xúc tác kiềm. Ở đây, ta xem lượng: metanol, acid sunfuric, tạp

chất…cịn sĩt lại trong hỗn hợp pha dưới không đáng kể; lượng triglyceride vàBD thu hồi với hiệu suất 90%; lượng FFA cịn lại trong hỗn hợp vào thiết bị tách





rất ít, qua quá trình tách pha lượng FFA giảm đáng kể, do đĩ ta xem như lượngFFA 0Giai đoạn 2:

Nguyên liệu vào thiết bị 13 gồm:Lượng TG:

Lượng BD:

Lượng metanol:

Lượng xúc tác kiềm:

Hiệu suất phản ứng (1): 90%

Khi thực hiện giai đoạn tách pha, hiệu suất tách pha đạt 90%.Khi thực hiện giai đoạn rửa, hiệu suất thu hồi BD của quá trình tách đạt

90% .

Lượng BD thu được do phản ứng chuyển hĩa este bằng acid

Lượng BD thu được khi thực hiện phản ứng chuyển hĩa este bằng kiềm

g

Lượng TG dư:


(1)




Lượng Metanol dư:

Hỗn hợp trong thiết bị 14 gồm:

Thành phần Trước khi thực hiện phản

ứng

Sau khi thực hiện phản

ứng

F Triglyceride, Kmol

FBD, Kmol 1,88 6,52

FMetanol, KmolDầu sau phản ứng cĩ thành phần FFA khác với dầu nhập liệu

(độ chênh lệch không lớn lắm). Tuy nhiên, do số liệu thu được từ các thí nghiệm là rất hạn chế, nên ta xem như .

Thành phần Trước khi thực hiện phản

ứng

Sau khi thực hiện phản

ứng

m Triglycerid Kg 15,04 15,04

mBD Kg 5,23 18,74

mMetanol Kg 5,31 3,83

Lượng Glycerine vào thiết bị 16:

Trước khi thực hiện phản ứng:

+Phần khối lượng của dầu hạt cao su( xem khối lượng xúc tác là không đángkể):





Sau khi thực hiện phản ứng

+

Hỗn hợp vào thiết bị 16 gồm Metanol dư , Glycerine và Triglyceride:

Tính chất hố lý của hỗn hợp phản ứng thay đổi theo thời gian phản ứng.Với hệ thống phản ứng hoạt động gián đoạn thì thông số hố lý sẽ thay đổi theovị trí lưu chất trong từng thiết bị. Chọn thông số hố lý của hỗn hợp theo giá trịtrung bình cộng của hỗn hợp dịng lưu chất nhập liệu ban đầu và hỗn hợp lưuchất ra khỏi hệ thống thiết bị kết thúc phản ứng và tạm coi đây là giá trị dùngđể tính thiết kế cho thiết bị.

− Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu:

− Nhiệt dung riêng của hỗn hợp cuối:

− Nhiệt dung riêng trung bình của hỗn hợp phản ứng:

− Độ nhớt của hỗn hợp cuối giai đoạn 1: theo [5,(I.12),tr84]





0,09

→

− Độ nhớt của hỗn hợp cuối:

0,01

→

− Độ nhớt trung bình của hỗn hợp trong thiết bị:

3.1.3 Tính kích thước thiết bị23 L dầu ban đầu + 4,6L Metanol → phản ứng→ tách phaVì không cĩ số liệu thực nghiệm nên ở đây tôi xem lượng dung dịch thu được

đem thực hiện phản ứng ở giai đọan 2 cĩ thể tích 23 L, lượng dung dịch loại bỏ( chứa phần lớn Metanol dư, xúc tác và tạp chất) cĩ thể tích 4 L.

Thể tích làm việc: Vlv = 30 L Thể tích thiết kế: Vtt thuộc khỏang lân cận 50 L Thiết bị cĩ:− Chiều cao : H− Đường kính trong : Dt

(a)Với thiết bị cĩ dùng cánh khuấy, để thiết bị cân đối, ta chọn Dt = HKhi Vđ =0, →

+ Chọn giá trị đường kính quy chuẩn Dt= 0,4 m.

Đáy nắp elíp tiêu chuẩn cĩ gờ:ht = 0,1 m

h = 25 m

Thay Vđ, Dt vào (a), tìm lại H = 0,215mQui chuẩn chiều cao thiết bị H = 0,25 m.


h

ht




Tỉ số khá nhỏ làm thiết bị mất cân đối.

+ Chọn giá trị đường kính quy chuẩn Dt= 0,3 mChọn ht = 0,1 m và h = 40

→

Qui chuẩn chiều cao thiết bị Ht = 0,55 m.

Chiều cao thuỷ tĩnh của hỗn hợp chất lỏng trong thiết bị 5:

0,33 m

= 25 = 0,46 m

Ta thấy khi Dt= 0,30 m, chiều cao thiết bị và chiều cao mực chất lỏng trongthiết bị đều cân đối. Do đĩ chọn Dt = 0,30 m.

Aùp suất tính tĩan Ptt = Pth + Ph

− Aùp suất trên mặt thống Pth : Thiết bị cĩ gắn sinh hàn (để hồi lưu hơi Metanol) thông trực tiếp với khí

quyển, do đĩ áp suất trên mặt thống chất lỏng bằng áp suất khí quyểnPth = 1 at = 9,81

− Aùp suất Ph do lượng lỏng trong thiết bị gây ra: Ph =+ Khối lượng riêng của hỗn hợp chất lỏng trong thiết bị 13 trước khi xảy ra

phản ứng:

+ Khối lượng riêng của hỗn hợp chất lỏng trong thiết bị 13 sau khi xảy ra

phản ứng:





→ Ptt = Ph = 0,46

=0,4Nhiệt độ làm việc Tlv :nhiệt độ cao nhất của môi trường bên trong thiết bị

Tlv = 50 0C

Nhiệt độ tính tĩan Ttt :

− Thiết bị được gia nhiệt bằng điện trở ngịai. Do đĩ ta lấy nhiệt độ tính tốnlà nhiệt độ cao nhất của điện trở trong lúc hoạt động.

− Nhiệt độ hoạt động của điện trở tùy thuộc vào giá trị điện trở, diện tíchtiếp xúc giữa điện trở và thân thiết bị, hiệu suất nhiệt, nhiệt độ cần đạt đến

sau khi gia nhiệt, thời gian để hỗn hợp lỏng đạt được nhiệt độ yêu cầu…− Điện trở gia nhiệt ta sử dụng dạng vịng nhiệt, nhiệt độ hỗn hợp lỏng cầnđạt đến không cao (50 0C), do đĩ ta lấy số liệu giả định nhiệt độ điện trở TR =200 0C.

− Ttt = TR+ 50 = 200 + 50=250 0C− Điện trở gia nhiệt được thiết kế tùy vào yêu cầu của khách hàng. Do đĩ,

ta hồn tồn cĩ thể chọn giá trị giả định để tính tốn mà vẫn đảm bảo tính thực tếcủa qui trình.

Vì môi trường hoạt động cĩ tác nhân ăn mịn vật liệu nên phải dùng vật liệu

là thép không rỉ, chọn vật liệu là X18H10T. Một số tính chất của thép

X18H10T:

Bề

dày,m

m

Giới hạn bền Độ dãn dài

tương đối khi

kéo δ ,%

Độ nhớt va đập

σ k σ c

1_3 540 220 40 2,0

4_25 550 220 38 2,0

Hệ số an tồn khi chế tạo thiết bị bằng phương pháp cán và rèn : theo bảng

1.6,tr 14, [9]

Aùp suất dư trong TB < 0,5

N/mm2

Hệ số bền kéo nB 2,6

Hệ số bền chảy nBc 1,65

Hệ số mỏi nm 1,5Hệ số biến dạng 1,0





dẻo nd

Giới hạn bền mỏi của vật liệu, [σ m]* = 450 x 106 N/m2

Hệ số hiệu chỉnh: η hc = 0,9. Thiết bị chứa hố chất độc với môi trường và

không bị đốt nĩng trực tiếp bởi nguồn đốt.Hệ số bền mối hàn ϕ h: theo bảng 1.8, tr 19, [9]

Thiết bị cĩ Dt=0,3 m , không cĩ khả năng hàn giáp mối 2 phía

→ϕ h = 0,8

Khối lượng riêng

Hệ số dẫn nhiệt

Ứng suất cho phép tiêu chuẩn: σ *= 134 N/mm2 ( theo hình 1.2, tr 16, [9])Ứng suất cho phép : N/mm2

Bề dày tối thiểu S’ của thân thiết bị :

Do Dt = 300 mm < 400 mm nên chọn sơ bộ S’ = 2 mm

Hệ số bổ sung bề dày tính tốn:

ocba C C C C C +++= Trong đĩ:

+ Ca: hệ số bổ sung do ăn mịn hố học của môi trường, mmChọn tốc độ ăn mịn v = 0,1 mm/năm; thời gian sử dụng thiết bị là 10năm nên Ca = v.t = 0,1.10 = 1 mm

+ Cb: hệ số bổ sung do bào mịn cơ học của môi trường, mmChọn Cb= 0, do môi trường chất lỏng.+ Cc: hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, lắp ráp, mm.

Chọn Cc = 0 mm

+ C0: hệ số bổ sung để quy trịn kích thước:Co = 0 mm

⇒ C = 1 mmBề dày tính tốn của thân thiết bị:

S = S’ + C = 2 + 1 = 3 mm

Kiểm tra điều kiện bền:





=>=+

×××=−+

−=

<=−

=− −

2

T T

2

3

N /m0 0 4,0 p N / mm2 8,123 0 0

28,06,1 2 02

)(

)(][2][

1,01 0.7,63 0 0

13

C S D

C S p

D

C S

t

h

t

ϕ σ

⇒ Thoả mãn điều kiện bền.

Chọn kích thước đáy và nắp như nhau.

Bề dày đáy và nắp bằng bề dày thân: S = 3 mm.

Kiểm tra áp suất cho phép tính tốn đối với đáy và nắp khi chịu áp suất

trong:

)(

)(][2][C S R

C S pt

h

−+−= ϕ σ

Trong đĩ Rt – bán kính cong bên trong ở đỉnh đáy (nắp), mm

Đối với đáy (nắp) eclipse tiêu chuẩn thì Rt = Dt = 300 mm.

Do đĩ:

2

TT

2 N/mm004,0 p N/mm28,12300

28,06,1202

)(

)(][2][ =>=

+×××

=−+−

=C S D

C S p

t

hϕ σ

Vậy với bề dày S = 3 mm thì thiết bị thoả các yêu cầu về độ bền. Trên nắp, ta cần khoét các lỗ:− Lỗ để gắn hộp đệm (để gắn trục khuấy) : đường kính 34 mm− 2 lỗ để gắn ống nhập liệu dầu hạt cao su và Methanol: đường kính 25

mm (đường kính trong 20 m + 2 2 mm + khoảng để làm kín chỗ nối ( bằngkeo).

− Lỗ gắn ống dẫn nước để rửa thiết bị: đường kính 25 mm.− Lỗ để gắn sinh hàn: đường kính 25 mm.

(chọn ống thép tiêu chuẩn Φ δ = 21,2 1,83 theo [15]

Áp suất làm việc của thiết bị là áp suất khí quyển, do đĩ khi khoét lỗ ở đáyvà nắp ta khơng cần phải tăng cứng. tr125, HLVKhoảng cách cho phép bé nhất A0 giữa 2 tâm lỗ gần nhau:





Chọn A0 = 80 mm

3.1.4 Tính cân bằng năng lượngQ = Q1+Q2+Q3+ Q4

Q: Nhiệt lượng do điện trở cung cấp

Q1:Nhiệt lượng cĩ ích làm nĩng hỗn hợp trong thiết bị 14 từ nhiệt độ T1 đến45 5 0C.

Q2: Nhiệt lượng cung cấp để phản ứng xảy ra.Q3: Nhiệt lượng làm bay hơi Metanol.Q4 :Nhiệt lượng hao phí do :làm nĩng thân thiết bị, thất thĩat qua thân thiết

bị …Tìm Q1:

T1 là nhiệt độ của hỗn hợp gồm:+ Dầu ở giai đọan 1: vì thời gian tách pha lâu (khoảng 4h). Nhiệt độ dầu

thay đổi tùy vào hệ số hồi lưu, tùy thuộc vào sự mất mát nhiệt qua thân của

thiết bị tách. Ở đây ta xem T1= 250

C+ Metanol ở nhiệt độ 25 0CAùp dụng định luật bảo tịan nhiệt năng:Nhiệt lượng dầu tỏa ra khi giảm nhiệt độ = Nhiệt lượng do Metanol hấp thu

để tăng nhiệt độ

J J

Tìm Q2:

Hiện tại ta chưa xác định cĩ giá trị khoảng bao nhiêu. Ở đây tôi giả định

=

= 41,8

Tìm Q3 vàQ4


A0




Metanol trong hỗn hợp bốc hơi dưới áp suất khí quyển ở nhiệt độ nhỏ hơnnhiệt độ sôi của dung dịch Metanol bão hịa. Lượng Metanol bay hơi lên sinhhàn rất khĩ (nếu nĩi là không thể) xác định được. Nhiệt lượng hao phí ra môitrường cũng không thể tính tốn một cách chính xác được. Vì thế ta lấy Q3

=Q4= 5% Q

→ Q = Q1+Q2+Q3+ Q4= Q1+Q2+ (5%+5%)Q

→

→ Q3 =Q4= 5% Q =5% 0,12

Xác định công suất nhiệt của điện trở theo lý thuyết:

Thời gian điện trở cung cấp nhiệt cho thiết bị 14: t = 30 phút

Thời gian nâng nhiệt độ hỗn hợp từ nhiệt độ ban đầu lên nhiệt độ yêu cầu:dưới 5 phút.

phút

Trong 5 phút đầu, điện trở cung cấp lượng nhiệt:− Q1 để làm nĩng hỗn hợp

− Nhiệt để cung cấp cho phản ứng xảy ra 1 phần và

nhiệt hao phí trong 5 phút đầu với.Lúc đầu nồng độ tác chất cao, sau khi gia nhiệt tốc độ phản ứng được tăng

cường. Do đĩ ta rất khĩ để xác định lượng nhiệt cần cung cấp cho phản ứng tạimỗi khoảng thời gian xác định.Lượng nhiệt thất thốt cũng rất khĩ xác định khi xét một khoảng thời gian

xác định trong quá trình ở thiết bị 15. Ta xem lượng nhiệt lượng cung cấp cho phản ứng và nhiệt lượng hao phí

trong khoảng thời gian t’ là như nhau khi xét tại bất kì thời điểm nào của quátrình phản ứng tại thiết bị 14.

Công suất điện trở:

Công suất nhiệt khi xét cả quá trình : t = 30 phút

Chọn công suất điện trở P = max (P1;Ptb) = max(





Hệ thống thiết bị ta thiết kế ở đây cĩ thể dùng để khảo sát tỷ lệ dầu hạtcao su và Methanol tối ưu. Hỗn hợp trước phản ứng càng chứa nhiều Methanol,lượng nhiệt mất mát do Methanol càng nhiều, tỷ lệ càng lớn

→ Tùy vào khoảng khảo sát của tỷ lệ dầu và Methanol, hệ số trừ hao côngsuất của điện trở càng lớn.

Chọn→

3.1.5 Các thiết bị kèm theo3.1.5.1 Tính tốn chọn cánh khuấy:

3.1.5.1.1 Vật liệu làm cánh khuấy, trục khuấy:

Do hỗn hợp trong thiết bị được gia nhiệt, cĩ tính ăn mịn cao (Metanol vàbase) nên theo bảng XII.45, tr 348,[8] và bảng XII.50, tr 352 ta chọn vật liệuchế tạo các chi tiết tiếp xúc trực tiếp với môi trường trong thiết bị (như cánhkhuấy, trục khuấy, bộ phận làm kín…) là thép không gỉ X18H10T.

3.1.5.1.2 Chọn dạng cánh khuấy: dựa vào độ nhớt

Chất lỏng trong thiết bị cĩ độ nhớt , thuộc dạng chất

lỏng cĩ độ nhớt thấp, do đĩ cĩ thể khuấy được với tốc độ cao (chất lỏng trongthiết bị cần được khuấy với tốc độ tương đối để đảm bảo quá trình trộn lẫn 2pha khĩ tan) mà không địi hỏi công suất thiết bị khuấy quá lớn.

Với độ nhớt của chất lỏng như trên, theo hình 2.5 a, tr 31,[5], ta cĩ thể sử

dụng cánh khuấy chân vịt hoặc cánh khuấy turbin hở.Tuy nhiên, cánh khuấyturbin hở cĩ khả năng pha trộn các chất không tan vào nhau tốt hơn, san bằngnhiệt độ tốt hơn, năng lượng sử dụng ít hơn nhiều..khi so sánh với cánh khuấychân vịt.→ Ta chọn cánh khuấy turbin hở.

3.1.5.1.3 Kích thước hình học, vị trí lắp đặt cánh khuấy:

Theo bảng 2.9, tr 37, [5], cách khuấy turbin hở cĩ 6 cánh cĩ các thông số hình

học sau:





→

→ Chọn m

→

→

→

Chiều cao từ đáy thiết bị đến điểm thấp nhất của cánh khuấy hk:

→

→ Chọn

3.1.5.1.4 Kích thước hình học của tấm chắn và vị trí lắp đặt

Tốc độ khuấy n= 2 vịng/s thuộc loại khuấy nhanh. Để tăng cường sự chảyxốy (tức là khả năng khuấy trộn dọc) và để giảm khả năng tạo phễu, ta bố trí tấm chặn. Các tấm chặn này cĩ thể phân bố ngay cạnh thành thiết bị hoặccách thành thiết bị 1 đoạn. Khi bố trí ngay cạnh thành thiết bị sẽ dễ dẫn đếnviệc hình thành vùng ứ đọng quanh tấm chắn.Mặc dù chất lỏng ở đây cĩ độnhớt không cao, nhưng do ta sử dụng điện trở ngồi để gia nhiệt, chất lỏng sẽrất dễ bị quá nhiệt (nhiệt độ cao hơn so với nhiệt độ cần để tiến hành phản


dk

b

adtr

d0

0,75dk

s1




ứng), làm tăng khả năng tạo sản phẩm phụ ( tạo xà phịng, các sản phẩm oxyhĩa khác….)…Do đĩ, tôi sẽ chọn cách bố trí tấm chặn cách thành thiết bị 1đoạn.

Số tấm chặn:Bề rộng tấm chặn B:

→

→ Chọn

Bề dày tấm chặn:→ Chọn

Khoảng cách từ tấm chặn đến thân thiết bị:

→ Chọn

Chiều cao tấm chặn bằng kích thước thân. Nhưng khi vận hành chiều caolàm việc của tấm chặn bằng với mực hỗn hợp chất lỏng ứng với phần thânthiết bị:

→ =

Chiều cao tấm chặn:b/ Vật liệu chế tạo:

+ Hỗn hợp trong thiết bị cĩ tính ăn mịn cao

+ Thiết bị được gia nhiệt bằng điện trở ngồi

3.1.5.1.5 Tốc độ khuấy:

Với mỗi thí nghiệm khảo sát tỉ lệ các chất phản ứng, nhiệt độ, độ chuyểnhĩa của các chất…đều ứng với 1 tốc độ khuấy cụ thể. Theo báo cáo khoa học

ta chọn làm cơ sở để tính tốn cân bằng vật chất ở trên thì tốc độ khuấy n= 2vịng/s.Chuẩn số Reynold khuấy:

>

Theo tr 66, [5], với giá trị Rek như trên, ta xác định được chế độ thủy độngcủa hỗn hợp là chế độ chảy rối .

3.1.5.1.6 Công suất khuấy:

Theo IV.7a, tr 618, [7], công suất khuấy:





Công suất khởi động động cơ thường gấp 2-3 lần công suất làm việc:

W

Chọn N = 0,10 KW

Chọn máy khuấy cĩ công suất :

Trong đĩ:

+ Hệ số dự trù là 0,25

+ Hiệu suất truyền lực từ động cơ sang máy khuấy .

Chọn

Công suất thể tích :

ε =

Thơng thường, động cơ khuấy với cơng suất nhỏ thường đi kèm với bộ giảm

tốc.

Với các thơng số trên của động cơ khuấy, ta cĩ thể chọn động cơ Varimot:

+ Hãng sản xuất Sew-Eurodrive.

+ Xuất xứ Đức

+ Cơng suất nhỏ nhất: 120 W.

+ Cơng suất lớn nhất 11 KW.+ Giá tham khảo: 11 USD.


http://opt/scribd/conversion/tmp/scratch6201/Close




3.1.5.1.7 Tính thời gian khuấy để đạt được mức độ đồng nhất xác định:

Vận tốc dịng chảy dọc trục theo (3.35),tr135,[6]

Trong đĩ:

+ Số lượng cánh khuấy lắp trên trục khuấy Zk =1

+ Hệ số trở lực cánh khuấy của Tuabin hở theo Bảng 3.1,tr118,[6]

4,8=k ξ

+ Thông số chứa đầy của thiết bị theo (3.11),tr121,[6]

→

Hệ số khuếch tán theo 3.67, tr 153, [6]

Khi bố trí tấm chặn trong thiết bị, theo [6] thì tốc độ dọc trục giữ vai trị

chủ yếu trong thiết bị.Theo 3.68, tr 153, [6] thời gian khuấy để hỗn hợp trongthiết bị đạt được độ đồng nhất

Với là chuẩn số Furie

là độ đồng nhất. Chọn





3.1.5.2 Tính bền trục:

Tính trục khuấy theo điều kiện bền: tính tốn theo 5.1.2, tr 134, [5] Tính tốn đường kính trục sơ bộ:

− Ứng suất xoắn cho phép:

− Mômen xoắn của trục khuấy:

Trong đđĩ:

- Công suất động cơ, W

xC - Hệ số dao động tải, cĩ giá trị từ 1,1 đến 1,6. Chọn Cx = 1,2

Qui chuẩn

Lực hướng kính bằng lực tác dụng lên 1 cánh của cơ cấu khuấy (cĩ điểm đặt

lực nằm cách đường trục của trục khuấy một đoạn rF):

Nc: số cánh của cơ cấu khuấy, Nc = 6rF: khoảng cách từ điểm đặt lực FC đến trục quay.

rF = (0,7 _ 0,805) dk = (0,7 _ 0,805) 0,1=(0,07 _ 0,08) m

Chọn rF = 0,07 m

Trục ra của bộ truyền động là trục máy khuấy. Hộp đệm đặt ngay nắp thiết bị.

Khoảng cách trục từ cánh khuấy đến hộp đệm

+0,55 - 0,10= 0,58 m





→ Chọn cách bố trí cả 2 ổ đỡ đều ở phía dưới bộ biến tốc và ngay trên hộp

đệm

Khoảng cách giữa 2 ổ đỡ m.

Chọn a = 0,10 m

Khoảng cách từ hộp đệm đến ổ đỡ thứ nhất .

Chọn

Ổ đỡ thứ nhất đặt ngay phía trên nắp thiết bị.

→ Chiều dài trục khuấy đến ổ đỡ thứ nhất = 0,58 + 0,03 = 0,61 m

Ổ đỡ thứ hai đặt ngay phía trên nắp thiết bịMoment uốn đạt cực đại tại vị trí ổ

thứ nhất:

• Ứng suất mỏi cho phép:

[ ] =×

××==

2,13

02,110450*][ 6

bm

d mm

n

k

β

σ σ 128 x 106 N/m2

Trong đĩ:

m – giới hạn bền mỏi, N/m2

nm : hệ số an tồn mỏi, nm = 2_3. Chọn nm = 3

β b : hệ số tác dụng bậc. Chọn β b = 1,2

kđ : hệ số độ lớn, chọn sơ bộ đường kính trục khuay dt = 12 mm, suy ra kđ =

1,02.

• Tính đường kính trục theo xoắn và mỏi đồng thời cĩ tính đến sự mỏi:

Vậy ta chọn đường kính trục khuấy là dtr = 14 mm.

Lẽ ra ta phải tính lại a, , L, L1, nhưng do độ chênh lệch d tr sb và d tr khơng lớn,

mặc khác các thơng số trên đều được chọn theo dtr với hệ số tỷ lệ thuộc

khoảng xác định. Do đĩ ta khơng cần tính tốn lại.• Kiểm tra ứng suất tương đương:





=130.106

N/m2

( thỏa)• Kiểm tra bền cho trục theo điều kiện cứng.

Độ võng của trục tại các ổ đỡ:

f 0 = 6.10-4.dtr = 6.10-4.0,014 = 8,4.10-6 m

Độ võng tổng của trục tại tiết diện cĩ cơ cấu khuấy: theo (5-40, tr 144, [5])

Trong đĩ:f 0 : độ võng của trục tại các ổ trục

E = 2,05.1011 N/m2 : Môđun đàn hồi của vật liệu.

J: moment quán tính của trục:

44

2

014,0

424

=

=

π π tr d J = 1,89 10-9 Nm

+

××××+

×+=⇒ −

−

61,0

07,01

1089,110.05,23

61,058,26

07,0

61,02110.4,8

911

26

k f = 0,0096 m

Độ võng của trục tại tiết diện cĩ hộp đệm:

−

++

+=

3

1

1

2

1

1

2

1

1

2

11' 3

2

6

21

L

b

L

b

L

ab

J E

LM

a

b f f

t

uBoC

−

+××

××××+

×+=⇒ −

−32

2911

26

'61,0

03,0

61,0

03,03

61,0

03,010,02

1089,110.05,26

61,058,26

10,0

03,021.10.4,8C f

=> f C’ = 10-3 m

• Kiểm tra điều kiện cứng:Với cơ cấu khuấy:

( ) ( ) =−×=−= 10,030,05,05,0 k t cck d D f 0,10 m > f k = 0,0092 m

Với hộp đệm:

( ) '

310.64 C cd f m f >÷= − = 10-3 m

Vậy với đường kính trục khuấy dtl = 14 mm thì điều kiện cứng được đảm bảo.

Tĩm lại, trục khuấy cĩ kích thước như sau:

• Chiều dài trục từ cơ cấu khuấy đến ổ đỡ thứ nhất: L = 0,61 m





• Khoảng cách giữa hai ổ đỡ là: a = 0,10 m

• Khoảng cách từ hộp đệm đến ổ đỡ thứ nhất: = 0,03 m

Đường kính trục: dtr = 0,014 m

3.2 Thiết bị khác trong qui trình

3.2.1 Thiết bị ngưng tụ hồn lưu methanol bay hơi:

Hệ thống ta thiết kế dùng để khảo sát các hệ số thực nghiệm ở các chế độ vớitỷ lệ dầu cao su và Methanol khác nhau. Sinh hàn sử dụng cần đảm bảo hoạtđộng tốt với mọi tỷ lệ mol dầu hạt cao su và Methanol (từ 1:4 đến 1:20, thậmchí cao hơn). Khi lượng Methanol càng chiếm đa số trong hỗn hợp nhập liệu,lượng nhiệt hao phí choĐiện trở ta sử dụng để cấp nhiệt cho thiết bị cĩ công suất thực là 6 KW. Trườnghợp trong thiết bị chứa 100% Methanol, lượng nhiệt do điện trở cung cấp được

chuyển trực tiếp sang Methanol. Khi đĩ nhiệt lượng tối đa mà nước cần lấybằng nhiệt lượng do Methanol nhận trực tiếp từ điện trở ( ở đây ta xem nhiệtmất mát qua thân thiết bị bằng 0, Methanol nhận nhiệt đều hĩa hơi hồn tồn)

Trong đĩ, chọn nhiệt độ nước vào giải nhiệt T1 = 270C; nhiệt độ nướcra T2 = 310C. Nhiệt độ hơi Metanol khoảng 50 đến 65 0C, thời gian lưutrung bình của nước trong sinh hàn khơng lớn

- Lưu lượng hơi methanol đi vào thiết bị ngưng tụ trong 1 giây:

Gh = ==1118

6

S

h

r

Q5,4.10-3 kg/s

với ẩn nhiệt ngưng tụ của methanol là : rmethanol = 1118 kJ/kg.- Chọn thiết bị ngưng tụ kiểu vỏ ống đặt đứng. Các dịng lưu chất được bố trí như sau: hơi đi trong các ống truyền nhiệt, cịn nước đi ở phía vỏ ống .- Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống là 25 x 2

mm.• Đường kính ngồi của ống là dng = 25 mm = 0,025 m.





• Bề dày ống là δ = 2 mm = 0,002 m.• Đường kính trong của ống là dtr = 21 mm = 0,021 m• Chiều cao ống truyền nhiệt là lo = 30 cm = 0,3 m

- Nước đi trong ống cĩ nhiệt độ vào là T1 = 270C; nhiệt độ nước ra là T2 =

410

C.- Nhiệt độ phía vách tiếp xúc với hơi methanol ngưng tụ là Tw1; Nhiệt độ phíavách tiếp xúc với nước là Tw2

- Lưu lượng nước tối thiểu cần dùng để ngưng tụ lượng methanol bay hơi:

( ) ( )=

−×=

−=

274118,4

6

. 12T T c

QG

n

hh

ntt 0,1 kg/s

- Chọn lưu lượng nước thực tế dùng cho quá trình giải nhiệt gấp khoảng 2 lầnlưu lượng nước tối thiểu:

GNthực = 2 x 0,1 = 0,2 kg/s

- Bố trí hai dịng lưu chất chuyển động ngược chiều nhau nên chênh lệch nhiệtđộ trung bình được tính như sau:

=

−=

∆

∆

∆−∆=∆

24

38ln

2438

ln2

1

21

log

T

T

T T T

30,47 K

Trong đĩ:

∆T1 = Tnt – T1 = 65 – 27 = 38 K

∆T2 = Tnt – T2 = 65 – 41 = 24 K - Hệ số truyền nhiệt tổng quát K được tính như sau :

D

t

n

r

K

α α

11

1

++=

∑

Với : nα - Hệ số cấp nhiệt của nước chảy ngồi ống; W/m2.K

Dα - Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ trong ống; W/m2.K

∑t r - Nhiệt trở của thành ống và lớp cáu ; m2.K/W Xác định hệ số cấp nhiệt phía nước giải nhiệt đi ngồi ống:

- Nhiệt độ trung bình của nước đi trong ống : Ttb = 0,5.(T1 + T2) = 0,5.(27 +41) = 340C.- Tại nhiệt độ này thì:

Khối lượng riêng của nước: ρ n = 994 (kg/m3) Độ nhớt của nước: ν n = 7,23.10-7 (m2/s) Hệ số dẫn nhiệt của nước: λ n = 0,626 (W/mK) Chuẩn số Prandtl: Prn = 4,9

- Theo [9, trang 176], vận tốc nước đi trong ống được chọn từ 0,3 đến 2 m/s.- Vận tốc thực tế của nước trong ống:





vn = ==4.025,0..994

2,0.4

...

.422 π π ρ nd

G

ng

N 0,1 m/s

• Chuẩn số Reynolds:

=== −710.23,7

025,0.1,0.

Ren

n d v

υ

ng

3458 > 2300 =) nước đi ngồi ống ở chế độ

chảy quá độ

• Áp dụng công thức [V.44, trang 16, 9] để tính chuẩn số Nusselt phía nước:

Nu =25,0

43,00

Pr

Pr .Pr ..

w

l k ε

Trong đĩ:• k0 – hệ số phụ thuộc Reynolds.

Với Re = 3458 , tra bảng [trang 16, 9], k0

= 10.• l ε - hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ giữa

chiều dài l và đường kính d của ống.

Ta cĩ: ==025,0

3,0

ng

o

d

l 12 , tra bảng V.2 [trang 15,9], l

ε = 1,2.

• Hệ số cấp nhiệt phía nước:

td

.

d

Nu n

n

λ α =

• Nhiệt tải của nước làm lạnh : ( )tbwnn T T q −= 2.α

Xác định nhiệt trở của lớp cáu:

2caùu1caùu r r r w ++=∑λ

δ

Trong đĩ:o rcáu 1 – nhiệt trở của lớp cáu phía hơi methanol ngưng tụ , m2.K/W

o δ = 0,002 m – chiều dày thành ống thép

o λ = 16,3 W/m.K – độ dẫn nhiệt của thép X18H10T.o rcáu 2 – nhiệt trở của lớp cáu phía nước, m2.K/W

Theo phụ lục bảng 31, bảng tra cứu quá trình cơ học – truyền nhiệt:

rcáu 1 = rcáu 2 =5000

1m2.K/W

⇒ ∑ =++=5000

1

3,16

002,0

5000

1wr 5,23.10-4 m2.K/W

• Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:





∑−

=w

www

r

T T q 21

Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi methanol ngưng tụ phía trong ống:

4

0W1S

S

).l T-.(Tg.r

µ λ ρ α 32 ..15,1=S

o Ẩn nhiệt ngưng tụ : rmethanol = 1118 kJ/kg.

o Các thông số hố lý cịn lại tra tại nhiệt độ trung bình Tm =2

1wS T T +

Trong trường hợp này, các nhiệt độ vách Tw1 và Tw2 đều chưa biết nêncần chọn trước giá trị để thực hiện việc tính tốn. Quá trình tính tốn dựa trênsự cân bằng nhiệt lượng: lượng nhiệt truyền từ hơi methanol ngưng tụ đến

vách ngồi qS, phải bằng với lượng nhiệt truyền qua tường và lớp cáu qw, vàbằng với lượng nhiệt truyền từ tường đến nước qn.• Chọn Tw1 = 630C (< TS = 650C):

o Tm = 0,5.(TS + Tw1) = 0,5.(65 + 63) = 640C.

o ∆T2 = TS – Tw1 = 65 – 63 = 20C

=⇒ S α 4511 W/m2.K

qS = ( ) ( )6365.45111 −=− wS D T T α = 9021 W/m2

∆Tw = qS.∑rw = 9021 x 5,23.10-4 = 4,7 K

Tw2 = Tw1 - ∆Tw = 63 – 4,7 = 58,30C

wT = 0,5.(63+ 58,3) = 60,60C ⇒ Prw = 2,98

αn = 674 W/m2.K

qn = ( ) ( ) =−×=− 346,60674. 2 tbwn T T α 16361 W/m2

Do qS và qn cách nhau rất xa nên cần tính lại lần 2.Chọn Tw1 = 600C (∆T1 = 3 K)

Quá trình tính tốn tương tự lần thứ nhất thu được kết quả như bảng sau: Tw1 s qs T w Tw2 w

T n qn ∆q60 3588 17940 9,4 50,6 55,3 659 10955 0,64

Kết quả sai số ∆q lúc này vẫn rất lớn, cần tính lặp lần 3.

Ở lần này, ta cĩ thể vẽ đường thẳng nối 2 điểm ứng với q S va øqn để tìm giaođiểm chính xác.





8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

59.5 60 60.5 61 61.5 62 62.5 63 63.5

Tw1

q

Từ đồ thị, ta cĩ thể chọn chính xác hơn Tw1 = 61,50C. Sau đĩ, tính tốn kiểm traxác định lại các thông số chưa biết thu được bảng sau:

Tw1 s qs T w Tw2 wT n qn ∆q

61,53922

,5 13729 7,2 54,3 57,9 666 13536 0,014

Như vậy sai số trong trường hợp này là 1,4% < 5%, cĩ thể chấp nhận được.

Khi đĩ, n = 3922,5 W/m2.K và s = 666 W/m2.K • Hệ số truyền nhiệt tổng quát K:

=

++

=

++

=−∑ 666

110.23,55,3922

1

1

11

1

4

S

t

n

r

K

α α 439 W/m2

.K

• Diện tích bề mặt truyền nhiệt :

=×

=∆

=47,30439

10.6

.

3

logT K

Q F hh

nt 0,45 m2

• Số ống trong chùm ống là:

n ==

××=

+ 023,04,0

45,0

2.

'

0

π π

ng tr d d l

F

14

Vậy thiết bị ngưng tụ loại vỏ ống cĩ cấu tạo như sau:• Số ống truyền nhiệt là 14 ống.

• Kích thước ống truyền nhiệt: 25 x 2mm, chiều cao ống là 0,4 m.

Kích thước hình học của sinh hàn: tính tốn theo tr 176, [9]

Các ống truyền nhiệt được bố trí theo đỉnh tam giác đều.

Ống truyền nhiệt được gắn chặt vào vỉ ống nhờ các mối hàn.

Khe hở giữa ống và lỗ trên vỉ ống:





mm

Chọn

Đường kính khoét lổ trên vỉ ống: d = +2 = 25,4 mm

Số ống nằm trên đường chéo của hình 6 cạnh: b = 5

Trị số bước tối thiểu t giữa các ống trong vỉ ống:

mm

Ống truyền nhiệt được gắn chặt vào vỉ ống nhờ các mối hàn.

Khe hở giữa ống và lỗ trên vỉ ống:

mm

Chọn

3.2.2 Thiết bị ngưng tụ nhằm thu hồi Metanol từ pha glycerine:- Khi tiến hành phản ứng xong một mẻ (thời gian thực hiện phản ứng là t1 =60 phút) thì thực hiện quá trình tách pha ester và pha glycerine. Do bản chấthố học của methanol là một rượu, nên cĩ khuynh hướng di chuyển vào phaglycerine khi thực hiện sự tách pha.

mmethanol dư = 3,83 Kg

- Giả định thời gian chưng thu hồi methanol (tương ứng với một mẻ) là t2 = 18phút, và lượng methanol bay hơi trong thời gian này bằng 80% lượngmethanol lý thuyết nằm trong pha glycerine.- Lưu lượng hơi methanol đi vào thiết bị ngưng tụ:

G’methanol = =××6018

2,38,02,8.10-3 kg/s

- Lưu lượng nước cần thiết để ngưng tụ methanol được xác định từ phươngtrình cân bằng nhiệt:

G’methanol.rS = G’N.CN.(tNR – tNV)

Trong đĩ: G’N

- lưu lượng nước cần thiết , kg/stNV = 270C - nhiệt độ nước đi vào thiết bị ngưng tụ, 0C

tNR = 410C - nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị ngưng tụ, 0C

→ =−

×=

−=

−

)2741.(18,4

111810.8,2

).(

. 3'

'

NV NR N

S methanol

N t t C

r GG 0,054 kg/s

- Chọn lượng nước thực tế cần sử dụng để ngưng tụ hơi methanol gấp 1,5 lầnlượng nước cần thiết:

G’Ntt = 1,5.G’N = 1,5 . 0,054 = 0,081 kg/s

- Chọn thiết bị ngưng tụ là thiết bị trao đổi nhiệt loại vỏ ống đặt đứng, ốngtruyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T.





• Đường kính ngồi của ống là d’ng = 25 mm = 0,025 m.• Bề dày ống là δ’ = 2 mm = 0,002 m.• Đường kính trong của ống là d’tr = 21 mm = 0,021 m• Chiều cao ống truyền nhiệt là l’o = 30 cm = 0,3 m

- Bố trí các dịng lưu chất chuyển động như sau: hơi methanol ngưng tụ phíangồi ống cịn nước di chuyển phía trong ống. Chênh lệch nhiệt độ trung bìnhđược tính như sau:

=

−=

∆

∆

∆−∆=∆

24

38ln

2438

ln2

1

21log

T

T

T T T

30,47 K

Trong đĩ:

∆ T1 = Tnt – TNV = 65 – 27 = 38 K

∆ T2 = Tnt – TNR = 65 – 41 = 24 K

- Gọi nhiệt độ phía vách tiếp xúc với hơi methanol ngưng tụ là Tv1; nhiệt độphía vách tiếp xúc với nước là Tv2.- Hệ số truyền nhiệt tổng quát K được tính như sau :

D

t

n

r

K

α α

11

1

++=

∑

Với : nα - Hệ số cấp nhiệt của nước chảy ngồi ống; W/m2.K

Dα - Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ trong ống; W/m2.K

∑t r

- Nhiệt trở của thành ống và lớp cáu ; m

2

.K/W Xác định hệ số cấp nhiệt phía nước giải nhiệt :- Nhiệt độ trung bình của nước đi trong ống : Ttb = 0,5.(T1 + T2) = 0,5.(27 +41) = 340C.- Tại nhiệt độ này thì:

Khối lượng riêng của nước: ρ n = 994 (kg/m3) Độ nhớt của nước: ν n = 7,23.10-7 (m2/s) Hệ số dẫn nhiệt của nước: λ n = 0,626 (W/mK) Chuẩn số Prandtl: Prn = 4,9

- Vận tốc thực tế của nước trong ống:

vn = ==22 021,0..994

081,0.4

'..

.4

π π ρ tr

N

d

G0,24 m/s

• Chuẩn số Reynolds của nước đi trong ống:

=== −710.23,7

021,0.24,0'.Re

n

tr N d v

υ 6880 > 2300

=) nước đi ngồi ống ở chế độ chảy quá độ• Áp dụng công thức [V.44, trang 16, 9] để tính chuẩn số Nusselt phía nước:

Nu =25,0

43,00

Pr

Pr .Pr ..

w

l k ε





Trong đĩ:• k0 – hệ số phụ thuộc Reynolds

Với Re = 6880 , tra bảng [trang 16, 9], k0 = 22.

• l ε - hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ giữa

chiều dài l và đường kính d của ống.Chọn sơ bộ l

ε = 1

• Hệ số cấp nhiệt n phía nước:

tr

n

nd

Nu

'

.λ α =

• Nhiệt tải của nước làm lạnh :

( )tbvnn T T q

−=2.α

Xác định nhiệt trở của lớp cáu:

2caùu1caùu r r r w ++=∑λ

δ

Trong đĩ:

o rcáu 1 – nhiệt trở của lớp cáu phía hơi methanol ngưng tụ , m2.K/W

o δ = 0,002 m – chiều dày thành ống thép

o λ = 16,3 W/m.K – độ dẫn nhiệt của thép X18H10T.o rcáu 2 – nhiệt trở của lớp cáu phía nước, m2.K/W

Theo phụ lục bảng 31, bảng tra cứu quá trình cơ học – truyền nhiệt:

rcáu 1 = rcáu 2 =5000

1m2.K/W

⇒ ∑ =++=5000

1

3,16

002,0

5000

1wr 5,23.10-4 m2.K/W

• Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:

∑−

=w

vv

wr

T T q 21

Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi methanol ngưng tụ phía ngồi ống:

4

0V1S

S

).l' T-.(T

g.r

µ

λ ρ α

32..

15,1=S

o Ẩn nhiệt ngưng tụ : rmethanol = 1118 kJ/kg.





o Các thông số hố lý cịn lại tra tại nhiệt độ trung bình Tm =2

2wS T T +

Trong trường hợp này, các nhiệt độ vách Tv1 và Tv2 đều chưa biết nên

cần chọn trước giá trị để thực hiện việc tính tốn. Quá trình tính tốn dựa trên

sự cân bằng nhiệt lượng: lượng nhiệt truyền từ hơi methanol ngưng tụ đến

vách ngồi qS, phải bằng với lượng nhiệt truyền qua tường và lớp cáu qw, và

bằng với lượng nhiệt truyền từ tường đến nước qn.

Chọn Tv1 = 630C (< TS = 650C):

Trong trường hợp này, các nhiệt độ vách Tv1 và Tv2 đều chưa biết nên

cần chọn trước giá trị để thực hiện việc tính tốn. Quá trình tính tốn dựa trên

sự cân bằng nhiệt lượng: lượng nhiệt truyền từ hơi methanol ngưng tụ đếnvách ngồi qS, phải bằng với lượng nhiệt truyền qua tường và lớp cáu qw, và

bằng với lượng nhiệt truyền từ tường đến nước qn.

Chọn Tv1 = 630C (< TS = 650C):

o Tm = 0,5.(TS + Tv1) = 0,5.(65 + 63) = 640C.

o ∆T1 = TS – Tw1 = 65 – 63 = 20C

=⇒ S α 4221,7 W/m2.K

qS = ( ) ( )6365.7,42211 −=− vS D T T α = 8443,5 W/m2

∆Tv = qS.∑rw = 8443,5 x 5,23.10-4 = 4,4 K

Tv2 = Tv1 - ∆Tw = 63 – 4,4 = 58,60C

vT = 0,5.(63+ 58,6) = 60,80C ⇒ Prw = 2,97

αn = 1471,4 W/m2.K

qn = ( ) ( ) =−×=− 346,584,1471. 2 tbvn T T α 36177 W/m2

Do qS và qn cách nhau rất xa nên cần tính lại lần 2.

Chọn Tv1 = 550C (∆T1 = 10 K)

Quá trình tính tốn tương tự lần thứ nhất thu được kết quả như bảng sau:

Tv1 s qs T v Tv2 vT n qn ∆q

552823

,328232,

5 14,8 40,2 47,6 1398 8725,3 0,69

Kết quả sai số ∆q lúc này vẫn rất lớn, cần tính lặp lần 3.





Ở lần này, ta cĩ thể vẽ đường thẳng nối 2 điểm ứng với q S va øqn để tìm giaođiểm chính xác.

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

54 56 58 60 62 64

Tv1

q

Từ đồ thị, ta cĩ thể chọn chính xác hơn tw1 = 58,50C (sai số là 3,57 %)

Khi đĩ, n = 1426 W/m2.K và s = 3144 W/m2.K

• Hệ số truyền nhiệt tổng quát K:

=++

=++

=−∑

3144

110.23,5

1426

1

1

11

1

4

S

t

n

r

K

α α

648,4 W/m2.K

• Diện tích bề mặt truyền nhiệt :

=×

=∆

=47,304,648

1118.8,2

.

'

logT K

Q F hh

nt 0,16 m2

• Tổng chiều dài truyền nhiệt :

L ==

+××

=+ )025,0021,0(14,3

16,02

2

''.

ng tr

nt

d d

F

π 2,2 m

• Kiểm tra lại: L/d’tr = 4,1/0,021 = 195 > 50 nên chọn ε l = 1 là phù hợp.• Vậy thiết bị ngưng tụ loại vỏ ống cĩ cấu tạo như sau:

Số ống truyền nhiệt là 7 ống.

Kích thước ống truyền nhiệt: 21 x 2mm, chiều dài ống là 0,35 m.

Bước ống: t = 1,35.d’ng = 1,35 . 25 = 34 mm

3.2.3 Thiết bị tách pha:Hỗn hợp trong thiết bị cĩ thể tích 30L.Hệ số chứa đầy: 0,8

→Thể tích thiết bị 37,5LChọn thiết bị cĩ đường kính 400 mm, đáy nĩn tiêu chuẩn, nắp phẳng.





Đáy:Đáy gĩc 600:

Thể tích đáy nĩn:Đáy nĩn 600 tiêu chuẩn đường kính 400 mm cĩ thể tích đáy là

Qui chuẩn

Chiều cao thiết bị tách pha:3.2.4 Thiết bị thu hồi Methanol từ pha Glycerine: Thể tích hỗn hợp trong thiết bịDo thể tích hỗn hợp G-M của 1 mẻ khá bé, nên ta dồn nhiều mẻ lại rồimới xử lí. Chọn số mẻ là 4. Thể tích làm việc của thiết bị là 4Chọn sơ bộ hệ số chứa đầy là 0,7. Thể tích thiết bị sơ bộ làChọn thiết bị cĩ đường kính trong là 300 mm, đáy nắp elip.Các thông số hình học của thiết bị nhằm thu hồi Metanol từ pha

Glycerine đều giống như thiết bị phản ứng chính đã tính ở trên, chỉ khácở chiều cao thân thiết bị.


2.R

hđ

ht r

2.

s




→

Qui chuẩn chiều cao thiết bị Ht = 0,400 m.

Chiều cao thuỷ tĩnh của hỗn hợp chất lỏng trong thiết bị 5:

0,307 m

= 25 = 0,432 m3.2.5 Bơm:i. Năng suất:

- Thể tích hỗn hợp lỏng nhập liệu:

GF = 30 lít = 0,03 m3

- Thời gian bơm nhập liệu: τ = 2 phút

- Suất lượng thể tích của dịng nhập liệu đi trong ống:

QF = ==

60

203,0

τ F V 1,8 (m3/h)

Vậy chọn bơm cĩ năng suất Qb = 2 (m3/h)

ii. Cột áp:

- Chọn :

Mặt cắt (1-1) là mặt thống chất lỏng trong thiết bị khuấy trộn sơ bộ

Mặt cắt (2-2) là mặt thống chất lỏng trong thiết bị phản ứng

- Áp dụng phương trình Bernoulli cho các mặt cắt (1-1) và (2-2):

z1 + g

P

F .1

ρ +

g

v

.2

2

1 + Hb = z2 + g

P

F .2

ρ +

g

v

.2

2

2 +∑hf1-2

Trong đĩ:

z1: độ cao tính từ mặt đất đến mép trên thân thiết bị 8.

o Chọn z1 = 20 mm

z2: độ cao tính từ mặt đất đến mép trên thân thiết bị 11.





o Chọn z2 = 240 + 50 = 290 mm

v1,v2 : vận tốc tại mặt thống chất lỏng ở thiết bị 8 (mặt 1-1) và mặt

thống chất lỏng ở thiết bị 11(2-2)

o Xem v1= v2 = 0(m/s). ∑hf1-2 : tổng tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2).

Hb : cột áp của bơm.

Tính t ổng trở lực trong ống :

- Chọn đường kính trong của ống hút và ống đẩy bằng nhau: dtr = 21 mm

- Tra bảng II.15, trang 381, [8] ⇒ Độ nhám của ống: ε = 0,1(mm) =

0,0001(m)- Tổng trở lực trong ống hút và ống đẩy

∑hf1-2 = g

v

d

l l F d h

tr

d h

2.

2

Σ+Σ+

+ξ ξ λ

Trong đĩ:

lh : chiều dài ống hút.

⇒ Chọn lh = 0,5 (m).

lđ : chiều dài ống đẩy, chọn lđ = 3 (m).

∑ ξ h : tổng tổn thất cục bộ trong ống hút.

∑ ξ đ : tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy.

λ : hệ số ma sát trong ống hút và ống đẩy.

vF : vận tốc dịng nhập liệu trong ống hút và ống đẩy (m/s).

22 021,03600

24

3600

4

××

×==

π π tr

b

F d

Q

v = 1,6 m/s

Xác định hệ số ma sát trong ống hút và ống đẩy :

000715,0

842021,06,1Re

××==

F

F tr F F

d v

µ

ρ = 39568 > 4000 => chế độ chảy

xốy rối

- Chuẩn số Reynolds giới hạn trên thuộc khu vực nhẵn thuỷ học:

Regh = =

=

7/87/8

0001,0

021,0

.6.6 ε tr d

37581





Trong đĩ: ε = 0,0001 m – độ nhám tuyệt đối- Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:

Ren = =

=

8/98/9

0001,0

021,0.220.220

ε tr d 90140

- Do Regh < ReF < Ren nên hệ số ma sát λ được tra theo bảng II.14, trang379, [8] là λ = 0,033.

Xác định tổng tổn thất cục bộ trên đường ống hút :

Chỗ uốn cong :

Tra bảng II.16, trang 382, [8]:

Chọn dạng ống uốn cong 90o cĩ bán kính R với R/d = 2 thì ξ u1 (1 chỗ) = 0,15

Ống hút cĩ 1 chỗ uốn ⇒ ξ u1 = 0,15. 1 = 0,15

Van :

Tra bảng 9.5, trang 110, [16]: Chọn van cầu với độ mở hồn tồn thì ξ v1 (1 cái) =

10.

Ống hút cĩ 1 van cầu ⇒ ξ v1 = 10

Do đĩ, tổng tổn thất cục bộ trên đường ống hút là:

∑ ξ h = ξ u1 + ξ v1 = 10,15Xác định tổng tổn thất cục bộ trên đường ống đẩy :

Chỗ uốn cong :

Tra bảng II.16, trang 382, [8]: Chọn dạng ống uốn cong 90o cĩ bán kính R với

R/d = 2 thì ξ u2 (1 chỗ) = 0,15.

Ống đẩy cĩ 3 chỗ uốn ⇒ ξ u2 = 0,15. 3 = 0,45

Van :

Tra bảng 9.5, trang 110, [1]: Chọn van cầu với độ mở hồn tồn thì ξ v2 (1 cái) =

10.

Ống đẩy cĩ 1 van cầu ⇒ ξ v2 = 10

V ào thiết bị phản ứng : ξ cv = 1

Nên: ∑ ξ đ = ξ u2 + ξ v2 + ξ cv = 0,45 + 10 + 1 = 11,45

Vậy tổng trở lực trong ống hút và ống đẩy là:

∑hf1-2 =81,92

6,1.45,1115,10

021,0

52033,0

2

×

+++ = 0,019 m





Tính cột áp của bơm :

Hb = (z2 – z1) + ∑hf1-2 = (3 – 1) + 0,019 = 2,019 m

3. Công suất:

Chọn hiệu suất của bơm: η b = 0,9.

Công suất thực tế của bơm: Nb =9,03600

81,984202,22

.3600

.

××××

=b

F bb g H Q

η

ρ = 31,86 W

K ết luận: Bơm ly tâm được chọn cĩ các thông số sau:

- Năng suất: Qb = 2 (m3/h)

- Cột áp: Hb = 2,02 (m)

- Công suất: Nb = 50 W

3.2.6 Tính tốn tai đỡ thiết bị: Tải trọng tối đa:

− Khối lượng thiết bị phản ứng:

22,91 Kg− Khối lượng chất lỏng chứa trong thiết bị 14:

− Khối lượng 4 tấm chặn:

Ngồi chịu tải trọng từ vật liệu làm thân thiết bị, làm tấm chặn, khối lượnghỗn hợp lỏng trong thiết bị..., tai đỡ cịn chịu các tải trọng của các chi tiết đikèm như ống nối, sinh hàn…

Khối lượng trừ hao:

1,2





9,81 Tải trọng cho phép trên 1 tai treoBệ đỡ: chọn vật liệu làm bệ đỡ là thép CT3 Theo bảng XIII.36, tr 438, [8], khi G = 1000 N, ta xác định được các kích

thước hình học của tai đỡ như sau:F,m2 Q, L,mm Btđ,

mm

B1,m

m

Htđ,m

m

Stđ,m

m

l,m

m

mtđ,

Kg

42,5 0,24 80 55 70 125 4 30 0,53

Trong đĩ:− Bề mặt đỡ : F− Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ: q− Khối lượng 1 tai đỡ: mtđ

Vị trí đặt tai đỡ:


l

đ

Btđ

L

Htđđđ

B1đđ

stđđđ

Htđđđ




Thiết bị được gia nhiệt bằng vịng nhiệt, do đĩ vị trí gắn tai treo cần cao hơn vịtrí mép trên của vịng nhiệt.Chiều cao mực lỏng trong thiết bị

Chọn chiều cao mép trên của vịng nhiệt:Ở đây ta chọn vị trí tai đỡ:

3.2.7 Bộ phận điều khiển và điều chỉnh nhiệt độ cho vịng nhiệt:

Nhiệt độ điện trở ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ hỗn hợp trong thiết bị.

Nhiệt độ đĩ cĩ thể được điều khiển tự động bằng 2 cách:

Điều khiển chế độ ON-OFF:Phương pháp điều khiển ON-OFF cịn được gọi là phương pháp đĩng ngắt,

tức là cơ cấu chấp hành sẽ đĩng nguồn để cung cấp năng lượng ở mức tối đacho thiết bị tiêu thụ nhiệt nếu nhiệt độ đặt ( nhiệt độ của lỏng cần đạt được)lớn hơn nhiệt độ đo ( nhiệt độ của lỏng được xác định nhờ vào thiết bị lấy tínhiệu nhiệt độ). Ngược lại, mạch điều khiển sẽ ngắt mạch cung cấp năng lượngkhi nhiệt độ đặt nhỏ hơn nhiệt độ đo.


Vòngnhiệt

Mạchcôngsuất

Mạch biếnđổiPC, Win XP

Ht

Htđ




Một vùng trễ được đưa vào để hạn chế tần số đĩng ngắt như sơ đồ khối:

Nguồn chỉ đĩng khi sai số e(k) = | nhiệt độ đặt – nhiệt độ đo | Δ và ngắt

khi |nhiệt độ đặt – nhiệt độ đo| Δ. Như vậy, nhiệt độ đo sẽ dao động quanhgiá trị đặt và 2 Δ cịn được gọi là vùng trễ của Rơ le.Điều khiển ON-OFF+ Ưu điểm là:

o Thiết bị tin cậy, đơn giản, chắc chắn, hệ thĩng luôn hoạt động được vớimọi tải.o Tính tốn thiết kế ít phức tạp, dễ dàng.+ Nhược điểm: nhiệt độ dao động quanh giá trị đặt, do đĩ không dùng chếđộ điều khiển ON-OFF khi cần gia nhiệt hỗn hợp cĩ khoảng sai số nhiệt độ nhỏ. Tuy nhiên khuyết điểm này cĩ thể hạn chế khi dùng phần tử đĩng ngắt điện tử

ở mạch cơng suất.o Điện tử cơng suất là cơng nghệ biến đổi điện năng từ dạng này

sang dạng khác trong đĩ các phần tử bán dẫn cơng suất đĩng vai trị trung tâm.o Bộ biến đổi điện tử cơng suất cịn được gọi là bộ biến đổi tĩnh

(static converter) để phân biệt với các máy điện truyền thống (electricmachine) biến đổi điện dựa trên nguyên tắc biến đổi điện từ trường.

o Theo nghĩa rộng, nhiệm vụ của điện tử cơng suất là xử lý và điềukhiển dịng năng lượng điện bằng cách cung cấp điện áp và dịng điện ở dạngthích hợp cho các tải. Tải sẽ quyết định các thơng số về điện áp, dịng điện, tầnsố, và số pha tại ngõ ra của bộ biến đổi. Thơng thường, một bộ điều khiển cĩ

hồi tiếp sẽ theo dõi ngõ ra của bộ biến đổi và cực tiểu hĩa sai lệch giữa giá trịthực của ngõ ra và giá trị mong muốn (hay giá trị đặt).


Vòng nhiệt

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=%C4%90i%E1%BB%81u_khi%E1%BB%83n&action=edit&redlink=1


http://vi.wikipedia.org/wiki/%C4%90i%E1%BB%87n_%C3%A1p

http://vi.wikipedia.org/wiki/D%C3%B2ng_%C4%91i%E1%BB%87n

http://vi.wikipedia.org/wiki/T%E1%BA%A7n_s%E1%BB%91


http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=B%E1%BB%99_bi%E1%BA%BFn_%C4%91%E1%BB%95i&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=B%E1%BB%99_%C4%91i%E1%BB%81u_khi%E1%BB%83n&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=H%E1%BB%93i_ti%E1%BA%BFp&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=C%E1%BB%B1c_ti%E1%BB%83u_h%C3%B3a&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Sai_l%E1%BB%87ch&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/wiki/%C4%90i%E1%BB%87n_%C3%A1p

http://vi.wikipedia.org/wiki/D%C3%B2ng_%C4%91i%E1%BB%87n



http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=B%E1%BB%99_bi%E1%BA%BFn_%C4%91%E1%BB%95i&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=B%E1%BB%99_%C4%91i%E1%BB%81u_khi%E1%BB%83n&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=H%E1%BB%93i_ti%E1%BA%BFp&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=C%E1%BB%B1c_ti%E1%BB%83u_h%C3%B3a&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Sai_l%E1%BB%87ch&action=edit&redlink=1






Điều khiển PID (proportional integral derivative controller):Bộ điều khiển PID được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế để điều khiển

nhiều loại đối tượng khác nhau như nhiệt độ lị nhiệt, tốc độ động cơ, mực lỏngtrong bồn chứa…Lý do bộ điều khiển này được sử dụng rộng rãi là vì nĩ cĩ khảnăng làm giảm (hoặc triệt tiêu) độ giao động nhiệt độ quanh giá trị đặt. Do sự

thông dụng của nĩ nên ngày càng cĩ nhiều hãng sản xuất thiết bị điều khiểncho ra đời các bộ điều khiển thương mại rất thông dụng.

Với hệ thống ta đang thiết kế, ta chọn bộ điều khiển PID để điều khiển.Cài đặt ban đầu: nhiệt độ đặt và thời gian để đạt được nhiệt độ trên.

Tín hiệu điều khiển: lấy tín hiệu nhiệt độ lỏng trong thiết bị.

Nguyên lí hoạt động :


Vòng nhiệt




TÀI LIỆU THAM KHẢO:

[1]: hội thảo khoa học[2]: Báo cáo kết quả


Baét ñaàu

Ñoïc nhieät ñoä ñaët

Ñoïc giaù trò nhieät ñoä hieän

taïi cuûa loø

Tính sai soá :e = nhieät ñoä ñaët – nhieät ñoä ño

Xöû lyù PID

Coâng suaát caáp cho loø

Keát thuùc




[3]: Lê Duy Hùng, Thiết kế phân xưởng chế biến Biodiesel từ mỡ cá da

trơn (60 tấn dầu cá ngày), Luận văn tốt nghiệp, 2008.

[4]: Sản xuất

[5]: Nguyễn Minh Tuyển, Quá trình và thiết bị khuấy trộn trong công nghệ.[6]: Nguyễn Văn Lụa, Quá trình và thiết bị công nghệ hĩa học và thực phẩm,

tập 1 các quá trình và thiết bị cơ học, quyển 1 khuấy lắng lọc.

[7]: Nguyễn Bin (chủ biên), Sổ tay Quá trình và Thiết bị hĩa chất tập 1,

NXB Khoa học & Kỹ thuật, Hà Nội, 2004.

[8]: Nguyễn Bin (chủ biên), Sổ tay Quá trình và Thiết bị hĩa chất tập 2,

NXB Khoa học & Kỹ thuật, Hà Nội, 2004.

[9]:Hồ Lê Viên, tính tốn thiết kế các chi tiết thiết bị hĩa chất và dầu khí, ĐHBách Khoa Hà Nội.

[10]:Bảng tra cứu quá trình cơ học và truyền nhiệt.

[11]: Quá trình và thiết bị truyền nhiệt,tập 5 quá trình và thiết bị truyền nhiệt,

quyển 1 truyền nhiệt ổn định.

[12]: Nguyễn Thị Hồng Nơ (2005). Nghiên cứu tổng hợp biodiesel từ dầu thực

vật với xúc tác rắn. Luận văn tốt nghiệp, trường Đại học Bách Khoa TPHCM.

[13]: Phan Ngọc Anh (2002). Nghiên cứu cơng nghệ sản xuất biodiesel từ dầuăn phế thải. Luận văn cao học, trường Đại học Bách Khoa TPHCM.

[14]: 10. Nguyễn Thị Phương Thoa (2005). Điều chế nhiên liệu diesel sinh học

(biodiesel) từ dầu thực vật phế thải theo cơng nghệ hĩa siêu âm. Báo cáo

tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại

học Quốc Gia TPHCM.

[15]: Nguyễn Hữu Lương, Tổng quan tài liệu về các nghiên cứu sản xuất

biodiesel, Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM, 2005.

[16]:Phạm Văn Bôn, Quá trình và thiết bị trong công nghệ hố học & thực

phẩm - Tập 5 - Quyển 1,Bài tập truyền nhiệt , NXB ĐHQGTPHCM, 2004.


Do an Biodiesel

Documents

Transcript of Do an Biodiesel