Đồ án Sơ lược về BD

CHÖÔNG 1:TOÅNG QUAN Giôùi thieäu veà BD Sô löôïc veà BD Khaùi nieäm veà Diesel: BD ñaõ manh nha töø raát sôùm naêm 1853 nhôø coâng trình nghieân cöùu cuûa E.Dufy vaø J.Patrick veà chuyeån hoùa este cuûa daàu thöïc vaät, nhöng BD chæ ñöôïc chính thöùc ghi nhaän vaøo ngaøy 10/08/1893, ngaøy maø kyõ sö ngöôøi Ñöùc Rudolf Christian Karl Diesel cho ra maét ñoäng cô Diesel chaïy baèng daàu laïc, sau ñoù ngaøy 10/08 ñöôïc choïn laø Ngaøy BD quoác teá ( International BD Day). Ñeán naêm 1907 Herry Ford, ngöôøi saùng laäp coâng ty ña quoác gia Ford Motor Company, cho ra ñôøi chieác xe baèng Etanol. Nhöng do xaêng daàu coù nguoàn goác töø nhieân lieäu hoùa thaïch coù giaù reû hôn neân nhieân lieäu sinh hoïc chöa ñöôïc coi troïng. Nhöng trong thôøi gian gaàn ñaây, do giaù xaêng daàu taêng nhanh, nguy cô caïn kieät nhieân lieäu hoùa thaïch ñe doïa vaø yeâu caàu böùc thieát veà choáng söï bieán ñoåi khí haäu toaøn caàu maø nhieân lieäu sinh hoïc trôû thaønh moät nhu caàu thieát thöïc cuûa nhaân loaïi, nhaát laø khi caùc coâng ngheä bieát ñoåi gen goùp phaàn laøm taêng ñoät bieán saûn löôïng moät soá saûn phaåm noâng laâm nghieäp. Toùm laïi, coù theå hieåu moät caùch toång quaùt Diesel laø loaïi nhieân lieäu baát kì duøng cho ñoäng cô Diesel. Döïa theo nguoàn goác, coù theå chia Diesel thaønh 2 loaïi: Petrodiesel ( thöôøng ñöôïc goïi taét laø Diesel) laø 1 loaïi nhieân lieäu loûng thu ñöôïc khi chöng caát daàu moû ôû phaân ñoaïn coù nhieät ñoä töø 175 0C ñeán 370 0C, thaønh phaàn chuû yeáu laø hidrocacbon töø C16 – C21. Biodiesel: coù nguoàn goác töø daàu thöïc vaät ( coû, taûo, caây Jatropha, caây cao su…) hay môõ ñoäng vaät. Caùc loaïi daàu môõ ñoäng thöïc vaät, daàu môõ thaûi tuy raèng coù theå chaùy ôû ñieàu kieän thöôøng nhöng vì coù ñoä nhôùt cao, moät soá loaïi coù chæ soá acid lôùn neân chuùng khoâng theå duøng tröïc tieáp cho caùc ñoäng cô maø chuùng caàn phaûi ñöôïc chuyeån hoaù thaønh Monoankyl – Este roài môùi ñem ñi söû duïng. Theo phöông dieän hoùa hoïc, BD laø metyl este cuûa nhöõng acid beùo ( trong ñoù, thaønh phaàn taïo naêng löôïng chuû yeáu laø goác hidrocacbon). Taïi sao phaûi söû duïng BD? Daân soá theá giôùi ngaøy caøng taêng nhanh, aùp löïc veà naêng löôïng vaø moâi tröôøng caøng lôùn. Tröõ löôïng daàu moû ngaøy caøng giaûm daàn, do ñoù vaán ñeà ñaët ra laø caàn tìm nhöõng nguoàn naêng löôïng thay theá. Ñoù laø coù theå naêng löôïng haït nhaân, naêng löôïng maët trôøi, naêng löôïng gioù, soùng bieån, naêng löôïng nhieät trong loøng ñaát. Taát caû nguoàn naêng löôïng ñoù hieän ñang ñöôïc nghieân cöùu öùng duïng nhöng vaán ñeà an toaøn khi saûn xuaát vaø giaù thaønh cuûa noù coøn cao neân vieäc aùp duïng ñaïi traø coøn nhieàu trôû ngaïi. M oät nguoàn naêng löôïng môùi töø Biomass ñang ñöôïc chuù yù vaø coù nhieàu trieån voïng vì tính hieän thöïc cuõng nhö khaû naêng taùi sinh vaø phuø hôïp vôùi sinh thaùi cuûa noù. Etanol ñi töø mía ñöôøng, tinh boät cuõng seõ laø moät daïng nhieân lieäu sinh hoïc coù trieån voïng. Daàu môõ ñoäng thöïc vaät cuõng laø moät daïng nguyeân lieäu ñeå taïo ra khoâng chæ caùc hôïp chaát höõu cô cô baûn maø coøn taïo ra nhieân lieäu cho caùc ñoäng cô ñoát trong töông töï daàu DO hay FO cuûa daàu moû. Ñoù chính laø Biodiesel. Döï baùo nguoàn nhieân lieäu naøy seõ chieám 15-20% trong toång nhu caàu nhieân lieäu cuûa theá giôùi trong voøng 50 naêm tôùi. Biodiesel khoâng ñôn thuaàn laø nhieân lieäu sinh hoïc, maø keøm theo noù laø troàng caây coù daàu ñeå phuû xanh ñaát troáng ñoài troïc, choáng xoùi moøn ñaát, taêng löôïng oxy khí quyeån, giaûm khí CO2, xoùa ñoùi giaûm ngheøo cho vuøng trung du mieàn nuùi. Beân caïnh VO laø moät loaït saûn phaåm coù giaù trò khaùc thu ñöôïc qua quaù trình saûn xuaát Biodiesel nhö glixerin, vitamin, ñaïm töø baû vaø caùc chaát coù hoaït tính sinh hoïc khaùc nhö saponin, photpholipit, gluxit… Öu nhöôïc ñieåm cuûa BD so vôùi diesel truyeàn thoáng: Öu ñieåm: BD laø moät trong nhöõng nguoàn nhieân lieäu thay theá ít gaây ảnh höôûng ñeán moâi tröôøng vaø söùc khoeû con ngöôøi; laø loaïi nhieân lieäu saïch hôn vì khí thaûi khi ñoát BD haàu nhö seõ khoâng coù SOx , haøm löôïng CO vaø hidrocacbon thôm giaûm so vôùi khi ñoát diesel truyeàn thoáng (chaúng haïn nhö benzofluoranthense ít hôn 56%, benzopysenes ít hôn 71% ). Laø nguoàn nhieân lieäu thay theá cho diesel khi söû duïng cho ñoäng cô diesel maø khoâng aûnh höôûng ñeán ñoäng cô. Laø loaïi nhieân lieäu coù theå ñöôïc duøng daïng töï do hoaëc pha troän vôùi diesel nhaèm ñaït ñöôïc hieäu quaû söû duïng vaø kinh teá theo yeâu caàu cuûa töøng quoác qia. Laø loaïi nhieân lieäu taùi sinh neân BD seõ laø theá maïnh cuûa caùc nöôùc coù neàn noâng nghieäp phaùt trieån. Laø loaïi nhieân lieäu bò vi sinh vaät phaân huyû neân khi thaát thoaùt ra ngoaøi moâi tröôøng seõ ít ñoäc haïi hôn raát nhieàu so vôùi caùc loaïi xaêng daàu töø daàu moû. Khi ñaït caùc tieâu chuaån thì BD seõ laø nhieân lieäu ít aên moøn ñoäng cô hôn so vôùi diesel. Nhöôïc ñieåm: Trong phaân töû biodiesel coù chöùa nguyeân töû oxy neân nhieät trò thaáp hôn diesel truyeàn thoáng. Vì vaäy, khi sử duïng biodiesel laøm nhieân lieäu seõ tieâu hao hôn nhieàu so vôùi nhieân lieäu diesel truyeàn thoáng. Deã bò oxy hoaù neân vaán ñeà baûo quaûn laø vaán ñeà haøng ñaàu khi söû duïng BD ( Löu tröõ trung bình 6 thaùng). Haøm löôïng NOx cao trong khí thaûi. Ñaây laø nhöôïc ñieåm ñang ñöôïc nghieân cöùu khaéc phuïc. Nhieät trò thaáp hôn so vôùi diesel neân caàn moät löôïng nhieân lieäu lôùn hôn ñeå ñi ñöôïc cuøng moät quaõng ñöôøng. Chi phí saûn xuaát coøn cao so vôùi diesel. Hieän taïi BD trôû thaønh thöông phaåm vaãn phaûi caàn chính saùch hoã trôï cuûa chính phuû nhaèm thuùc ñaåy neàn coâng nghieäp naêng löôïng naøy. Với tình trạng nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn dần, diesel truyền thống ngày càng tăng giá, thì trong tương lai, BD gần như là giải pháp thay thế duy nhất. Moät soá thoâng soá kyõ thuaät ñöôïc ñöa ra so saùnh giöõa hai loaïi nhieân lieäu: Khí thải Ñôn vò Diesel truyeàn thoáng BD töø daàu naønh BD töø daàu thaûi NOx g 0.944 1.156 1.156 CO g 0.23 0.136 0.156 Hidrocacbon g 0.0835 0.0040 0.0038 Baûng1.1.3.1: So saùnh noàng ñoä khí thaûi giöõa DO vaø Biodisel Nhieân lieäu Naêng suaát toaû nhieät (MJ/Kg) DO 44,8 BDO 37,2 Methanol 18,2 Glyxerin 18,3 Daàu döøa 35,3 Daàu Jatropha 39,6 Daàu haït cao su 39.18 Baûng1.1.3.2: Baûng so saùnh naêng suaát toaû nhieät cuûa moät soá loaïi nhieân lieäu Ñaëc tính nhieân lieäu Diesel Biodiesel Nhieät trò, Btu/gal 129,05 118,17 Ñoä nhôùt ñoäng hoïc ôû 400C, mm2/s 1,3 – 4,1 4,0 – 6,0 Tæ troïng ôû 150C, lb/gal 7,079 7,328 Haøm löôïng nöôùc vaø caën cô hoïc, max 0,05 0,05 Ñieåm chôùp chaùy, 0C 60 - 80 100 – 170 Ñieåm ñoâng ñaëc, 0C -15 - 5 -3 _ -12 Chæ soá cetane 40 - 55 48 - 65 Baûng 1.1.3.3 – Moät soá ñaëc tính choïn loïc cuûa Diesel vaø Biodiesel [5] Caùc thoâng soá hoaù lyù kyõ thuaät cuûa Biodiesel: Chæ soá Cetan: Chæ soá Cetan laø ñôn vò ño quy öôùc, duøng ñeå ñaùnh giaù khaû naêng töï baét chaùy cuûa caùc loaïi nhieân lieäu diesel, coù giaù trò ñuùng baèng giaù trò cuûa hoãn hôïp chuaån coù cuøng khaû naêng töï baét chaùy. Hoãn hôïp chuaån naøy goàm 2 hidrocacbon: n – Cetan C16H34 laø chaát coù khaû naêng baét chaùy cao nhaát vôùi chæ soá qui ñònh laø 100 , khi ñoù “hoãn hôïp” chöùa 100% theå tích n-Cetan α - metyl naphtalen C11H10 laø chaát khoù baét chaùy nhaát vôùi chæ soá cetan qui ñònh laø 0 Nhöõng hôïp chaát coù maïch thaúng thì deã baét chaùy neân coù chæ soá Cetan cao, trong khi hôïp chaát voøng hoaëc maïch nhaùnh thì coù chæ soá Cetan thaáp hôn. Baûn chaát chaùy cuûa diesel trong ñoäng cô laø bò neùn aùp suaát cao (tyû soá neùn khoaûng 14:1 ñeán 25:1) ôû daïng ñaõ phoái troän vôùi Oxy vaø coù nhieät ñoä cao thích hôïp seõ chaùy vaø sinh coâng. Biodiesel caàn coù chæ soá cetan cao ñeå ñaûm baûo quaù trình chaùy, neáu cao quaù seõ gaây laõng phí nhieân lieäu vì 1 soá thaønh phaàn ôû nhieät ñoä cao trong xilang seõ phaân huûy thaønh cacbon töï do (coøn goïi laø muoäi than) tröôùc khi chaùy, tuy nhieân neáu chæ soá cetan quaù thaáp seõ deã gaây ra hieän töôïng kích noå (do coù nhieàu thaønh phaàn khoù bò oxy hoùa ñoøi hoûi phaûi phun raát nhieàu nhieân lieäu vaøo xylanh môùi xaûy ra quaù trình töï chaùy, daãn ñeán löôïng nhieân lieäu bò ñoát chaùy nhieàu hôn yeâu caàu, nhieät löôïng sinh ra raát lôùn gaây taêng maïnh aùp suaát, laøm xylanh deã bò moøn vaø ñoäng cô rung giaät).Vì theá, chæ soá Cetan laø moät trong nhöõng tieâu chuaån ñaõ ñöôïc quy ñònh theo töøng quoác gia cho caùc loaïi nhieân lieäu trong ñoù coù Biodiesel.Thoâng thöôøng, vôùi ñoäng cô Diesel chaäm (döôùi 500 rpm), chæ soá cetan khoaûng 45 ñeán 50; coøn ñoái vôùi ñoäng cô chaïy nhanh (ñeán 1000 rpm) chæ caàn treân 50. Trò soá octan: laø moät ñôn vò ño quy öôùc duøng ñeå ñaëc tröng cho khaû naêng choáng kích noå nhieân lieäu, coù giaù trò ñuùng baèng giaù trò cuûa hoãn hôïp chuaån (ôû ñieàu kieän tieâu chuaån) goàm iso-octan (2,2,4- trimetylpentan C8H18) vaø n-helptan ( n- C7H16). Hoãn hôïp chuaån coù trò soá octan laø x ( x coù giaù trò töø 0 ñeán 100) töùc laø hoãn hôïp coù chöùa x% (theå tích) iso-octan (2,2,4- trimetylpentan C8H18). Nhieân lieäu coù trò soá octan caøng cao thì caøng toát. Ñeå taêng trò soá octan, ta coù 3 caùch chính: Pha theâm phuï gia: Hôïp chaát cô kim: Pb (hieän caám duøng), Mn vaø Fe (duøng haïn cheá)… Phuï gia Ferrocene- Diclopentadienyl (C2H5)2Cl. Phuï gia naøy reû tieàn, ít ñoäc vôùi moâi tröôøng nhöng laïi ñoäc vôùi ñoäng cô. Khi chaùy, Ferrocene taïo ra lôùp oxit saét ( lôùp maøu ñoû treân bugi) aûnh höôûng ñeán caùc lôùp xuùc taùc trong oto hieän ñaïi, gaây maøi moøn caùc voøng piston, loã khoan treân xylanh vaø truïc cam ...Hieän Ferrocene khoâng ñöôïc cô quan baûo veä moâi tröôøng cuûa Myõ chaáp nhaän cho söû duïng. MMT ( Methylcyclopentadienyl Maanganese Tricabonyl): hieän ñöôïc duøng thay theá cho phuï gia Pb … Pha troän vôùi nhieân lieäu coù trò soá octan cao Chuyeån caùc hidrocacbon maïch thaúng thaønh maïch nhaùnh, hoaëc voøng no, voøng thôm coù trò soá octan cao nhö cracking, reforming … Ñieåm ñuïc: Ñieåm ñuïc laø nhieät ñoä maø hoãn hôïp baét ñaàu vaån ñuïc do coù moät soá chaát baét ñaàu keát tinh. Ñieåm ñuïc coù yù nghóa raát quan troïng ñoái vôùi daàu diesel, ñaëc bieät khi noù ñöôïc söû duïng ôû caùc nöôùc coù nhieät ñoä haï thaáp khi muøa ñoâng ñeán. Khi nhieät ñoä thaáp, ñoä nhôùt seõ taêng leân, aûnh höôûng ñeán vieäc phun nhieân lieäu. Neáu nhieät ñoä haï thaáp hôn nhieät ñoä taïo ñieåm ñuïc thì nhöõng tinh theå keát tinh seõ keát hôïp laïi vôùi nhau taïo thaønh nhöõng maïng tinh theå gaây taéc ngheõn ñöôøng oáng daãn cuõng nhö thieát bò loïc laøm ñoäng cô khoâng hoaït ñoäng ñöôïc. Ñieåm chaûy: Ñieåm chaûy laø nhieät ñoä maø toaøn boä theå tích cuûa hoãn hôïp chuyeån pha töø theå raén sang theå loûng. Ñieåm ñuïc vaø ñieåm chaûy laø thoâng soá ñöôïc xaùc ñònh nhaèm döï ñoaùn khaû naêng söû duïng cuûa Biodiesel ôû nhieät ñoä thaáp. Ñieåm chôùp chaùy: Ñieåm chôùp chaùy laø nhieät ñoä maø ôû ñoù hoãn hôïp baét ñaàu baét löûa vaø chaùy. Chæ soá naøy duøng ñeå phaân loaïi nhieân lieäu theo khaû naêng chaùy noå cuûa chuùng. Ñieåm chôùp chaùy cuûa Metyl este tinh khieát laø hôn 200 0C, vaø Metyl este ñöôïc xeáp loaïi vaøo nhöõng chaát khoù chaùy. Tuy nhieân, trong quaù trình ñieàu cheá vaø tinh cheá, Methanol dö coøn laãn trong saûn phaåm vaø laøm haï thaáp ñieåm chôùp chaùy. Ñieàu naøy gaây nguy hieåm khi ñieåm chôùp chaùy haï xuoáng thaáp. Ñoàng thôøi Methanol laø chaát aên moøn thieát bò kim loaïi. Do vaäy ñieåm chôùp chaùy vöøa ñöôïc söû duïng nhö moät tieâu chuaån quaûn lyù chaát löôïng Biodiesel vöøa ñeå kieåm tra löôïng Methanol dö thöøa. Ñoä nhôùt: Ñoä nhôùt: theå hieän khaû naêng khaùng laïi tính chaûy cuûa chaát loûng. Thoâng soá naøy phuï thuoäc vaøo söï ma saùt cuûa moät phaàn chaát loûng khi tröôït leân phaàn chaát loûng khaùc. Ñoä nhôùt cuûa nhieân lieäu caøng cao caøng khoâng coù lôïi khi söû duïng vì noù laøm giaûm khaû naêng phaân taùn khi ñöôïc phun vaøo thieát bò ñeå ñoát cuõng nhö laøm taêng khaû naêng laéng caên trong thieát bò. Chính vì vaäy ngöôøi ta môùi buoäc phaûi chuyeån caùc loaïi daàu môõ ñoäng thöïc vaät thaønh Biodiesel roài môùi ñem ñi söû duïng vì Biodiesel coù ñoä nhôùt thaáp hôn nhieàu. Ngoaøi ra coùn coù caùc chæ soá khaùc. Taát caû caùc chæ soá hoaù lyù naøy ñöôïc nghieân cöùu vaø xaây döïng thaønh tieâu chuaån cuï theå cho Biodiesel. Tính chaát Phöông phaùp thöû Giôùi haïn Ñôn vò Nhieät ñoä chôùp chaùy (phöông phaùp coác kín) ASTM D 93 130 min 0C Nöôùc vaø caën ASTM D 2709 0,05 max % theå tích Ñoä nhôùt ñoäng hoïc ôû 400C ASTM D 445 1,9 – 6,0 mm2/s Tro Sulfat ASTM D 874 0,020 max % khoái löôïng Sulfur toång ASTM D 4294 - 99 0,05 max % khoái löôïng Ñieåm ñuïc ASTM D 2500 oC Caën Carbon ASTM D 4530 0,05 max % khoái löôïng Chæ soá acid ASTM D 664 0,8 max mg KOH/g Haøm löôïng Glyxerin töï do ASTM D 6854 0,02 max % khoái löôïng Haøm löôïng Glyxerin toång ASTM D 6854 0,24 max % khoái löôïng Haøm löôïng photpho ASTM D 4951 10 ppm Caùc nguoàn nguyeân lieäu ñeå saûn xuaát BD Caùc nguoàn nguyeân lieäu chính Daàu thöïc vaät: Coï daàu Töø hôn 10 naêm tröôùc ñaõ troàng taïi Long An, ñaït 4 taán daàu /ha. Tuy nhieân coù 1 soá khoù khaên: troàng qui moâ lôùn môùi hieäu quaû vì caàn ñaàu tö daây chuyeàn xöû lyù ngay sau thu hoaïch do trong haït chöùa mem lipase phaân huûy daàu trong voøng 24 giôø thaønh este vaø glycerin neân caàn dieät men lipase (baèng noài hôi); coï daàu khoâng khoù troàng nhöng caàn möa quanh naêm – khoù ñaït ñöôïc ôû Vieät Nam. Hieän nay haàu nhö khoâng phaùt trieån ñöôïc. Vöøng Caây ngaén ngaøy, nhaïy caûm thôøi tieát, hieän ñang troàng ñaïi traø taïi Ngheä An, Thanh Hoùa, Gia Lai, An Giang.Hieän nay vöøng chuû yeáu ñöôïc xuaát khaåu sang Nhaät (caû haït vaø daàu). Döøa Dieän tích treân 180000 ha, nhöng naêng suaát daàu thaáp, toái ña ñaït 1 taán daàu/ha, baèng ¼ so vôùi coï daàu. Saûn löôïng daàu eùp khoâng cao vì caây döøa raát hieäu quaû ñoái vôùi noâng daân do caùc saûn phaåm khaùc nhö côm döøa saáy, xô döøa, than gaùo döøa, thuû coâng myõ ngheä töø goã döøa… neân giaù döøa traùi taêng (khoaûng 15000 ñ/l). Ñaäu naønh Haït thu mua trong daân 5000 ñ/kg, ñaäu naønh nhaäp khaåu töø Myõ 3500 ñ/kg ( keå caû thueá nhaäp khaåu). Höôùng döông Troàng thöû nghieäm ôû Cuû Chi (ñaït khoaûng 2.5 taán /ha), Laâm Ñoàng ( ñaït 3.5 – 5 taán/ha). Khi troàng thöû nghieäm caùc theá heä lai, naêng suaát ñaõ taêng ñaùng keå. Do ñoù höôùng döông trôû thaønh nguoàn nguyeân lieäu coù trieån voïng. Boâng vaûi Theo chính saùch Nhaø nöôùc veà töï tuùc 70% nguyeân lieäu deät may, dieän tích troàng caây boâng seõ phaùt trieån nhanh choùng. Dieän tích 2003, 2005, 2010 töông öùng laø 33000 ha, 60000ha vaø 120000ha. Daàu haït boâng caûi coù theå laø nguoàn nguyeân lieäu toát ñeå saûn xuaát BD vaø ta chöa loaïi ñöôïc ñoäc toá gossypol neân khoâng theå duøng ñeå saûn xuaát daàu aên. Daàu boâng vaûi thoâ hieän nay giaù khoaûng 7000 ñ/l. (Theo baùo caùo khoa hoïc laàn thöù nhaát veà nhieân lieäu coù nguoàn goác sinh hoïc (Biofuel vaø BD ôû Vieät Nam) 23/08/2006 trang 18) Tính chất Dầu hạt cao su Dầu hoa hướng dương Dầu hạt cải Dầu hạt boâng caûi Dầu hạt daäu naønh Thaønh phaàn acid beùo (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) 10,2 8,7 24,6 39,6 16,3 6,8 3,26 16,93 73,73 0 3,49 0,85 64,4 22,3 8,23 11,67 0,89 13,27 57,51 0 11,75 3,15 23,26 55,53 6,31 Tỉ trọng 0,91 0,918 0,914 0,912 0,92 Độ nhớt ở 400C (mm2/s) 66,2 58 39,5 50 65 Điểm chớp chaùy (0C) 198 220 280 210 230 Nhiệt trị (MJ/kg) 37,5 39,5 37,6 39,6 39,6 Chỉ số acid 34 0,15 1,14 0,11 0,2 Nöôùc ta tuy laø nöôùc noâng nghieäp nhöng haøng naêm chuùng ta vaãn phaûi nhaäp moät löôïng raát lôùn daàu thöïc vaät ñeå tinh luyeän phuïc vuï nhu caàu trong nöôùc vaø xuaát khaåu. Sôû dó nhö vaäy vì giaù mua nguyeân lieäu haït, quaû coù daàu ôû nöôùc ta ñoâi khi baèng hoaëc cao hôn so vôùi giaù nhaäp daàu thöïc vaät thoâ töø nhöõng nöôùc coù tieàm naêng nhö Malayxia, Myõ…Do ñoù ta neân ñònh höôùng nghieân cöùu saûn xuaát BD töø caùc loaïi daàu thöïc vaät khoâng coù giaù trò thöïc phaåm coù giaù thaønh thaáp nhö daàu boâng, daàu haït cao su, daàu haït Jatropha … Môõ ñoäng vaät: Môõ ñoäng vaät ñöôïc chia ra laøm 2 nhoùm : môõ ñoäng vaät treân caïn vaø môõ ñoäng vaät döôùi nöôùc. Môõ ñoäng vaät treân caïn chöùa nhieàu axit beùo no, chuû yeáu laø palmaitic vaø axit stearic (môõ heo, môõ boø). Môõ ñoäng vaät treân caïn chöùa nhieàu axit beùo thuoäc nhoùm omeâga-6 hôn, haàu nhö khoâng coù omeâga-3 neân thöôøng ôû traïng thaùi raén trong ñieàu kieän nhieät ñoä thöôøng. Caùc axit beùo thuoäc nhoùm omeâga-6 coù taùc duïng laøm co maïch, taêng huyeát aùp. Môõ ñoäng vaät döôùi nöôùc chöùa haøm löôïng axit beùo khoâng no thuoäc nhoùm omeâga-3 töông ñoái lôn, ôû theå loûng trong ñieàu kieän nhieät ñoä thöôøng. Nöôùc ta thuoäc vuøng nhieät ñôùi, coù nhieàu soâng nöôùc neân ngheà nuoâi vaø cheá bieán thuûy saûn phaùt trieån maïnh veà caû chaát vaø löôïng, khoâng chæ phuïc vuï nhu caàu trong nöôùc maø coøn höôùng ñeán xuaát khaåu. Trong ñoù phaûi keå ñeán ngheà nuoâi vaø cheá bieán caù da trôn ôû khu vöïc Ñoàng baèng soâng Cöûu Long. Hoaït ñoäng cheá bieán caùc saûn phaåm töø caù da trôn thaûi ra ngoaøi moät löôïng lôùn caùc pheá phaåm, aûnh höôûng ñeán moâi tröôøng, maø trong ñoù chieám chuû yeáu laø daàu haït cao su. Do ñoù, neáu söû duïng daàu haït cao su nhö nguoàn nguyeân lieäu cho nhieân lieäu môùi laø moät phöông aùn coù hieäu quaû veà maët kinh teá laãn cho moâi tröôøng. Vieäc löïa choïn loaïi daàu thöïc vaät hoaëc môõ ñoäng vaät naøo phuï thuoäc vaøo nguoài taøi nguyeân saün coù vaø ñieàu kieän khí haäu cuï theå cuûa töøng vuøng. Chaúng haïn nhö ôûÛ Chaâu Aâu söû duïng chæ yeáu laø caûi daàu vaø daàu höôùng döông; ôû Myõ- daàu ñaäu naønh; ôû Chaâu Myõ- daàu ñaäu naønh, höôùng döông vaø thaàu daàu; ôû mieàn Nam Chaâu Phi- daàu ñaäu naønh, daàu meø; ôû Ñoâng Nam AÙ- daàu coï, daàu döøa vaø daàu meø; ôû Chaâu Uùc- caûi daàu,daàu lanh vaø daàu coï nhaäp töø Ñoâng Nam AÙ. Söû duïng nguoàn taøi nguyeân saün coù, caùc nguyeân lieäu pheá thaûi seõ goùp phaàn laøm giaûm giaù BD, ñöa BD vaøo söû duïng roäng raõi hôn. Giôùi thieäu daàu haït cao su Caây cao su (danh phaùp khoa hoïc laø Hevea brasiliensis) laø moät loaøi caây thaân goã thuoäc hoï Ñaïi kích (Euphorbiaceae). Nhaân haït cao su ( chieám 50 – 60% haït) chöùa 40 – 50 % (khoái löôïng haït) laø daàu coù maøu naâu. Haït cao su coù hình elipxoid vôùi nhieàu kích côõ, daøi 2.5 – 3 cm. Haït boùng, naëng 2- 4 g/haït, treân haït coù caùc chaám naâu. Haøng naêm, khoaûng thaùng 8 hoaëc thaùng 9 laø thôøi ñieåm cao su cho traùi roä nhaát vôùi naêng suaát khoaûng 1 taán haït/ 1 ha. Theo thoáng keâ treân theá giôùi, khi eùp 1 taán haït, trung bình ta thu ñöôïc 100 kg daàu haït cao su. Taïi Vieät Nam, theo thoáng keâ naêm 2007, dieän tích troàng cao su hôn 500000 ha( Theo Thu nhaäp töø caây cao su chæ chuù yù ñeán muû vaø thaân, coøn haït cao su thì bò boû queân. Nhö vaäy, vôùi 500000 ha ta seõ thu ñöôïc 5000 tấn hạt, tương đương 500 taán daàu. Daàu haït cao su coù chöùa cyanogenic glycosides, hôïp chaát naøy döôùi taùc duïng cuûa enzyme ñaëc hieäu hoaëc trong moâi tröôøng acid yeáu seõ chuyeån hoùa thaønh hôïp chaát cyanua. Do ñoù daàu cao su khoâng theå söû duïng ñöôïc trong thöïc phaåm. Thöïc ra, haït daàu cao su cuõng coù khaû naêng cheá bieán ra Methyl Ester nhö caùc loaïi daàu thöïc vaät khaùc ñeå söû duïng trong coâng nghieäp. Voû boïc rôùt treân ñaát ñöôïc thu veà vaø taùch laáy nhaân haït.Nhöõng nhaân haït naøy ñöôïc saáy khoâ ñeå taùch aåm. Sau ñoù, haït ñöôïc ñöa vaøo maùy nghieàn vaø daàu ñöôïc loïc laáy. Daàu qua loïc seõ ñöôïc duøng laøm nguyeân lieäu ñeå saûn xuaát Biodiesel. Taïi thaønh phoá Hoà Chí Minh vaø caùc tænh laân caän coù khoaûng 20 cô sôû thuû coâng hoaëc baùn thuû coâng eùp haït cao su laáy daàu vôùi hieäu suaát khoaûng 17% laø cao nhaát vaø moãi cô sôû chæ laøm khoaûng vaøi taán haït trong moät ngaøy, maëc khaùc do nguoàn nguyeân lieäu khoâng oån ñònh ( cao su cho traùi roä chæ trong khoaûng 2 thaùng) neân giaù thaønh daàu haït cao su raát cao, khoaûng 17000 ñoàng/kg ( giaù haït trung bình khoaûng 2500 ñoàng/kg). Ñeå söû duïng hieäu quaû haït cao su ñang coù ta phaûi ñoåi môùi coâng ngheä chieát, taùch nhaèm taêng hieäu suaát leân 30% vaø qua ñoù ta coù theå duøng daàu naøy ñeå saûn xuaát Metyl Este giaù thaønh khoaûng 10000 ñoàng/ lít nhöng chaát löôïng töông ñöông vôùi chaát löôïng Metyl Este cuûa daàu ñaäu naønh maø ôû Myõ ñang saûn xuaát söû duïng vaø xuaát khaåu vôùi teân thöông maïi laø Soyat. Thaønh phaàn daàu cao su thu ñöôïc: Chöùa treân 90% goác Acid coù maïch C18 vaø phaân töû löôïng khoaûng 870± 10, Kg/m3 Chæ soá Iot 130 ± 5 g iot/ 100g. Chæ soá xaø phoøng 185 ± 5 mg KOH/g. Chæ soá acid 50 ± 5 mg KOH/g. Acid trong daàu haït cao su goàm 2 nhoùm chính: Acid beùo baõo hoøa: Acid Palmitic Acid Stearic Acid beùo khoâng baõo hoøa: Acid oleic Acid linoleic Acid linolenic Trong daàu haït cao su, caùc metyl este cuûa caùc acid beùo no laøm taêng ñieåm ñoâng, trò soá cetan vaø taêng ñoä beàn trong khi nhöõng polymer khoâng no laøm giaûm ñieåm ñoâng, trò soá cetan vaø caû ñoä beàn, Loaïi vaø thaønh phaàn acid beùo coù trong daàu thöïc vaät phuï thuoäc vaøo vuøng ñaát troàng caây vaø ñieàu kieän chaêm soùc. Maëc duø caây thöïc vaät thuoäc nhoùm coù ñoä bay hôi thaáp trong töï nhieân, noù laïi nhanh choùng taïo ra caùc hôïp chaát deã chaùy coù khaû naêng bay hôi khi chaùy. Coâng ngheä saûn xuaát BD : Caùc phöông phaùp ñieàu cheá BD töø daàu thöïc vaät: Ñeå saûn xuaát BD caàn aùp duïng caùc phöông phaùp xöû lí VO ñeå tính chaát cuûa noù gaàn vôùi nhieân lieäu Diesel. Söï khaùc nhau cô baûn cuûa VO so vôùi nhieân lieäu Diesel chính laø ñoä nhôùt. Aûnh höôûng cuûa ñoä nhôùt cao laøm cho heä thoáng caáp nhieân lieäu cuûa ñoäng cô laøm vieäc khoâng bình thöôøng, neân chaát löôïng cuûa quaù trình phun vaø chaùy keùm hôn. Do chaát löôïng cuûa quaù trình phun vaø chaùy keùm neân caùc chæ tieâu cuûa ñoäng cô Diesel seõ keùm ñi khi söû duïng VO. Vì lyù do treân, trong soá caùc giaûi phaùp xöû lyù VO ñeå tính chaát cuûa noù gaàn vôùi Diesel thì caùc giaûi phaùp laøm giaûm ñoä nhôùt ñöôïc quan taâm tröôùc tieân. Phöông phaùp saáy noùng: Hieän ít söû duïng vì khoâng thích hôïp, caàn coù nhieät ñoä treân 80 0C. Phöông phaùp pha loaõng: Ñaây laø phöông phaùp ñôn giaûn, deã daøng thöïc hieän ôû moïi qui moâ. Pha troän ñöôïc tieán haønh baèng phöông phaùp cô hoïc, khoâng ñoøi hoûi thieát bò phöùc taïp, hoãn hôïp nhaän ñöôïc beàn vöõng vaø oån ñònh trong thôøi gian daøi. Nhöôïc ñieåm cuûa phöông phaùp naøy laø khi tyû leä daàu thöïc vaät lôùn hôn 50% thì khoâng thích hôïp, vì luùc naøy ñoä nhôùt cuûa hoãn hôïp lôùn hôn ñoä nhôùt Diesel nhieàu. Khi pha loaõng Diesel baèng daàu thöïc vaät, hoãn hôïp 10% VO coù ñoä nhôùt thay ñoåi khoâng ñaùng keå so vôùi Diesel vaø theå hieän tính naêng kyõ thuaät toát ñoái vôùi ñoäng cô Diesel. Phöông phaùp cracking: Quaù trình naøy gaàn gioáng vôùi quaù trình cracking daàu moû. Nguyeân taéc cô baûn cuûa quaù trình laø caét ngaén maïch hydrocacbon cuûa VO döôùi taùc duïng cuûa nhieät vaø chaát xuùc taùc thích hôïp. Saûn phaåm cuûa quaù trình cracking VO thoâng thöôøng bao goàm khí, xaêng, Diesel vaø moät soá saûn phaåm phuï khaùc. Phöông phaùp naøy coù nhöôïc ñieåm laø toán naêng löôïng, khoù thöïc hieän ôû qui moâ nhoû vaø saûn phaåm goàm nhieàu daïng nhieân lieäu. Phöông phaùp nhuõ töông hoùa: Nhuõ töông laø moät heä phaân taùn cao cuûa hai chaát loûng maø thoâng thöôøng khoâng tan ñöôïc vôùi nhau. Theå trong ( theå phaân taùn) laø caùc gioït nhoû ñöôïc phaân taùn trong theå ngoaøi ( chaát phaân taùn). Tuøy theo moâi tröôøng chaát phaân taùn maø ngöôøi ta goïi thí duï nhö laø nhuõ töông nöôùc trong daàu hau nhuõ töông daàu trong nöôùc. Ñeå taïo ñoä beàn cho nhuõ töông coù theå cho theâm caùc chaát hoaït tính beà maët ( nhö chaát nhuõ hoùa, xaø phoøng…), caùc chaát naøy ngaên hoãn hôïp töï taùch ra thaønh caùc thaønh phaàn rieâng leû. Nhìn veà maët nhieät ñoäng löïc hoïc thì nhuõ töông laïi laø moät heä thoáng khoâng beàn. Nguyeân lieäu ban ñaàu laø daàu thöïc vaät, röôïu vaø chaát taïo söùc caêng beà maët. Vôùi thieát bò taïo nhuõ coù theå taïo ra nhuõ töông VO – röôïu trong ñoù caùc haït röôïu coù kích thöôùc haït khoaûng 150 µm ñöôïc phaân boá ñeàu trong nhuõ töông. Nhöôïc ñieåm: khoù khaên trong vieäc taïo vaø duy trì nhuõ, loïc nhieân lieäu vaø do röôïu bay hôi ( nhieät ñoä hoùa hôi cuûa röôïu thaáp) laøm caûn trôû hoaït ñoäng bình thöôøng cuûa heä thoáng caáp nhieân lieäu cho ñoäng cô. Phöông phaùp transeste hoùa: Este laø saûn phaåm khi thay theá 1 hoaëc nhieàu nguyeân töû hidro trong phaân töû acid baèng goác hidrocacbon. Phaûn öùng transeste coù theå hieåu noâm na laø phaûn öùng coù daïng: R-COO- R’ + R”- → R-COO- R” + R’- Ñaây laø phöông phaùp khoâng phöùc taïp coù theå thöïc hieän ôû qui moâ nhoû vôùi ñieàu kieän caàn coù caùc hieåu bieát cô baûn veà phaûn öùng este hoùa. Trong caùc phöông phaùp treân, phaûn öùng transete hoùa laø löïc choïn toái öu do quaù trình phaûn öùng ñôn giaûn vaø taïo ra saûn phaåm este coù tính chaát hoùa lyù gaàn vôùi nhieân lieäu Diesel. Hôn nöõa, caùc este coù theå ñoát chaùy tröïc tieáp trong buoàng ñoát ñoäng cô vaø khaû naêng hình thaønh caën raát thaáp. Caùc kyõ thuaät thöïc hieän phaûn öùng transeste hoùa: So vôùi caùc phöông phaùp khaùc, phöông phaùp khuaáy gia nhieät coù nhieàu trieån voïng aùp duïng trong coâng nghieäp do tính deã thöïc hieän. Nhöôïc ñieåm cuûa phöông phaùp naøy laø thôøi gian phaûn öùng daøi. Ñeå khắc phuïc nhöôïc ñieåm naøy, ta seõ duøng xuùc taùc thích hôïp. Caùc loaïi xuùc taùc thöôøng söû duïng cho phaûn öùng chuyeån hoùa este Xuùc taùc acid Thöôøng söû duïng caùc acid Bronsted nhö H2SO4, HCl vaø acid sulfonic ( acod p-toluensulfomic). Phaûn öùng cho ñoä chuyeån hoùa caùc ankyl cao. Tuy nhieân phaûn öùng dieãn ra chaäm, thôøi gian phaûn öùng laø hôn 3 giôø ñeå ñaït ñeán ñoä chuyeån hoùa hoaøn toaøn. Phaûn öùng choïn loïc, ñoøi hoûi nhieät ñoä cao (treân 1000C). Ngoaøi ra xuùc taùc acid coù giaù thaønh khaù cao vaø coøn gaây aên moøn thieát bò phaûn öùng, ñaây cuõng laø moät trong nhöõng nguyeân nhaân chính laøm cho loaïi xuùc taùc naøy ít ñöôïc söû duïng roãng raõi trong coâng nghieäp. Thöôøng ta chæ duøng xuùc taùc khi daàu thöïc vaät coù haøm löôïng acid beùo töï do FFA ( Free fatty acid) cao. Xuùc taùc base Phaûn öùng dieãn ra nhanh hôn khi ta duøng xt acid. Vì lyù do naøy, cuõng vôùi vieäc xuùc taùc base ít aên moøn thieát bò hôn acid neân loaïi xuùc taùc naøy raát ñöôïc öa chuoäng trong coâng nghieäp, nhö laø alkoxit kim loaïi kieàm, caùc hidroxit cuõng nhö caùc muoái cacbonat cuûa kali vaø natri. Xuùc taùc enzyme Do tính saün coù vaø söï thaân thieän vôùi moâi tröôøng, caùc enzyme thuûy phaân ngaøy caøng ñöôïc öùng duïng roäng raõi trong toång hôïp höõu cô. Chuùng coøn coù tính choïn loïc cao, töông ñoái oån ñònh vaø chòu ñöôïc moâi tröôøng dung moâi höõu cô. Maëc duø phaûn öùng chuyeån hoùa este vôùi xuùc taùc lipase chöa ñöôïc ñöa vaøo saûn xuaát coâng nghieäp, nhöõng nghieân cöùu veà xuùc taùc enzyme vaãn ñöôïc phaùt trieån maïnh meõ. Ñieåm chuû yeáu cuûa nhöõng coâng trình naøy laø toái öu hoùa caùc ñieàu kieän phaûn öùng (dung moâi, nhieät ñoä, pH, cô cheá sinh enzyme…) ñeå thieát laäp nhöõng ñaëc tính phuø hôïp ñeå aùp duïng vaøo saûn xuaát. Tuy nhieân, hieäu suaát phaûn öùng vaãn chöa hieäu quaû baèng khi ta duøng xuùc taùc base vaø thôøi gian phaûn öùng coøn khaù daøi ( haøng chuïc giôø). Nhö ñaõ neâu ôû treân, daàu haït cao su chöùa moät löôïng lôùn acid beùo töï do FFA. Khi duøng kieàm laøm xuùc taùc cho phaûn öùng transeste hoùa, nhöõng acid beùo töï do naøy phaûn öùng vôùi xuùc taùc kieàm taïo ra xaø phoøng, gaây kieàm haõm söï phaân taùch cuûa este vaø glixerin. Moät quaù trình chuyeån vò este 2 giai ñoaïn ñöôïc phaùt trieån ñeå chuyeån hoùa daàu coù FFA cao thaønh nhöõng ñôn este cuûa noù. Böôùc ñaàu, phaûn öùng este hoùa vôùi xuùc taùc acid laøm giaûm haøm löôïng FFA trong daàu xuoáng döôùi 2%. Böôùc thöù hai, quaù trình chuyeån vò este vôùi xuùc taùc kieàm chuyeån saûn phaåm cuûa böôùc ñaàu thaønh nhöõng ñôn este vaø glixerin. Nhöõng yeáu toá aûnh höôûng ñeán hieäu suaát chuyeån hoùa este : Nguyên liệu: Thành phần và bản chất của nguyên liệu có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình điều chế biodiesel. Theo công trình nghiên cứu “Điều chế nhiên liệu diesel sinh học (biodiesel) từ dầu thực vật phế thải theo phương pháp hóa siêu âm” do tác giả Nguyễn Thị Phương Thoa làm chủ nhiệm đề tài [14], trong khi có thể sử dụng NaOH làm xúc tác cho quá trình ester hóa dầu đậu nành, việc sử dụng NaOH trong quá trình ester hóa dầu cọ sẽ dẫn đến phản ứng xà phòng hóa quá mức làm giảm hiệu suất thu methyl ester. Các tác giả này khuyến cáo rằng, trong trường hợp ester hóa dầu cọ, xúc tác KOH nên được sử dụng thay cho NaOH. Ngòai ra, lượng axít béo tự do có trong nguyên liệu ban đầu cũng cần được xử lý trước khi tiến hành phản ứng ester hóa. Nhiệt độ phản ứng: đây là lọai phản ứng thu nhiệt nên nhiệt độ phản ứng tăng 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 ứng không nên vượt quá nhiệt độ sôi 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 thuận nghịch nên đến một lúc nào đó, phản ứng sẽ đạt cân bằng. Nếu tiếp tục tăng thời gian phản ứng sẽ làm giảm hiệu suất do nhiều nguyên nhân khác nhau, nhưng chủ yếu có thể là do thời gian phản ứng quá lâu sinh ra những sản phẩm không mong muốn làm giảm họat tính xúc tác, hoặc do sự gia tăng phản ứng xà phòng hóa (trong trường hợp sử dụng xúc tác kiềm) dẫn đến giảm hiệu 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, tuy nhiên, 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 hiệu suất phản ứng. Vì vậy, ta cần khảo sát tìm tỷ lệ xúc tác:dầu cho hợp lý đối với mỗi lọai xúc tác. Tốc độ khuấy trộn: Phản ứng chuyển hóa ester dầu thực vật với alcol mạch ngắn là hỗn hợp phản ứng hai pha. Sự hòa trộn các pha rất khó khăn. Vì vậy, tốc độ khuấy phải lớn để tăng hiệu suất phản ứng. Ở một số nước người ta sử dụng tetrahydrofurane (THF) trong hỗn hợp phản ứng. Lúc này tốc độ khuấy không ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng nữa [12]. Tuy nhiên, giá thành của THF tương đối cao [13]. Ngòai ra, thành phần, bản chất và cấu trúc của xúc tác cũng đóng một vai trò quan trọng lên hiệu suất của phản ứng. Phaûn öùng ñieàu cheá Biodiesel Caùc loaïi phaûn öùng thöôøng söû duïng : Trong daàu thöïc vaät vaø môõ ñoäng vaät, thaønh phaàn chính laø Triglycerit vaø acid beùo tự do ( löôïng ít hôn Triglycerit nhieàu). Quaù trình chuyeån hoùa daàu môõ thaønh nhieân lieäu sinh hoïc coù theå chia laøm hai loaïi phaûn öùng: Phaûn öùng chuyeån hoùa acid beùo : ñöôïc goïi phaûn öùng este hoùa Phaûn öùng chuyeån hoùa Triglycerit: ñöôïc goïi laø phaûn öùng ancol phaân Phaûn öùng este hoaù: Phaûn öùng este hoaù ñieàu cheá Biodiesel laø phaûn öùng giöõa axit beùo vôùi ancol taïo thaønh este vaø nöôùc. Trong tröôøng hôïp axit hay ancol coù nhieàu hôn hai chöùc thì saûn phaåm phaûn öùng coù theå laø monoeste hoaëc polyeste tuyø thuoäc vaøo tyû leä mol söû duïng: Trong tröôøng hôïp caû hai chaát tham gia phaûn öùng ñeàu ña chöùc thì phaûn öùng coù theå xaûy ra theo nhieàu chieàu höôùng khaùc nhau. Thoâng thöôøng ngöôøi ta aùp duïng loaïi phaûn öùng naøy trong vieäc toång hôïp caùc polyme laø caùc polyeste. Caùc phaûn öùng treân ñeàu laø thuaän nghòch. Khi tieán haønh ôû ñieàu kieän thöôøng, khoâng xuùc taùc, phaûn öùng vaãn xaûy ra nhöng raát chaäm. Thaäm chí ngay caû khi gia nhieät ñeán nhieät ñoä cao (200 oC – 300 oC) thì phaûn öùng xaûy ra cuõng khaù chaäm. Khi coù söï hieän dieän cuûa xuùc taùc acid Bronsted maïnh nhö H2SO4 , HCl ... phaûn öùng este ôû nhieät ñoä 70 oC – 150 oC ñaõ xaûy ra vôùi toác ñoä khaù cao. Phöông phaùp naøy thöôøng ñöôïc söû duïng ñeå toång hôïp nhieàu este do hieäu suaát thu ñöôïc khaù cao vaø tinh cheá saûn phaåm deã daøng. Caùc xuùc taùc acid Lewis dò theå nhö Al2O3 , AlCl3 ... cuõng cho keát quaû khaù toát nhöng phaûn öùng phaûi ñöôïc tieán haønh trong pha khí. Chính vì vaäy maø phöông phaùp naøykhaù toán keùm vaø chæ ñöôïc söû duïng ñeå ñieàu cheá caùc este ñaëc bieät maø phöông phaùp phaûn öùng trong pha loûng khoâng ñaùp öùng ñöôïc. Nöôùc sinh ra trong quaù trình phaûn öùng seõ laøm giaûm toác ñoä cuõng nhö hoaït tính cuûa xuùc taùc neân ñeå taêng khaû naêng phaûn öùng ngöôøi ta thöôøng söû duïng caùc daãn xuaát cuûa axit nhö : anhydryt axit, clorua axit... Maïch hydrocacbon cuûa axit beùo caøng daøi thì khaû naêng phaûn öùng caøng giaûm. Töông töï, baäc vaø möùc ñoä phaân nhaùnh maïch cuûa ancol caøng cao thì caøng giaûm khaû naêng phaûn öùng. Phaûn öùng ancol phaân: Phaûn öùng ancol phaân ñieàu cheá Biodiesel laø phaûn öùng giöõa röôïu vaø este daïng TriGlyxerit thaønh este cuûa röôïu ñoù vaø Glyxerin. Phöông trình phaûn öùng toång quaùt: Trong ñoù R1,R2,R3 laø nhöõng maïch hydrocacbon maïch daøi. Ñaây laø loaïi phaûn öùng thuaän nghòch vaø toác ñoä phaûn öùng phuï thuoäc raát nhieàu vaøo baûn chaát vaø noàng ñoä cuûa loaïi xuùc taùc söû duïng, nhieät ñoä phaûn öùng, tyû leä taùc chaát, toác ñoä khuaáy troän vaø thôøi gian phaûn öùng. Cô cheá phaûn öùng: Ñaõ coù nhieàu cô cheá phaûn öùng ñöôïc ñeà nghò nhöng cô cheá sau ñaây ñöôïc öùng duïng roäng raõi nhaát Vôùi xuùc taùc kieàm: Giai ñoaïn ñaàu tieân cuûa phaûn öùng laø phaûn öùng cuûa bazô vôùi ancol taïo anion ancolat vaø xuùc taùc proton hoaù: Anion ancolat taán coâng leân nguyeân töû cacbon ôû nhoùm C=O cuûa este R – Nhoùm ankyl trong phaân töû ancol R1,R2,R3 – Goác cuûa axit beùo M – K,Na Anion naøy deproton hoaù xuùc taùc vaø giaûi phoùng kim loaïi kieàm traïng thaùi hoaït ñoäng ñeå baét ñaàu taán coâng moät phaân töû ancol môùi. Cöù nhö theá voøng tuaàn hoaøn cuûa phaûn öùng ñöôïc thöïc hieän. Naêng löôïng hoaït hoaù laø naêng löôïng caàn thieát ñeå taïo ra lieân keát giöõa anion (–OR) naøy vôùi nhoùm cacbonyl. Caùc nhoùm theá R hay R’ coù xu höôùng laøm thay ñoåi tính chaát cuûa nhoùm C=O vaø caàn taïo ñieàu kieän deã daøng cho phaûn öùng taïo ra baèng caùch giaûm naêng löôïng hoaït hoaù. Naêng löôïng hoaït hoaù cuûa phaûn öùng ancol phaân baèng Methanol coù giaù trò trong khoaûng 6 – 20 Kcal/mol. Haèng soá toác ñoä phaûn öùng k taêng theo nhieät ñoä ñoái vôùi TriGlyxerit (TG), DiGlyxerit vaø MonoGlyxerit cho caû chieàu thuaän vaø chieàu nghòch. Tuy nhieân, haèng soá toác ñoä phaûn öùng taïo Glyxerin giaûm theo thôøi gian. Giaù trò kt – haèng soá toác ñoä phaûn öùng theo chieàu thuaän- ôû nhieät ñoä 60 0C tuaân theo thöù töï sau: kMGt > kDGt > kTGt. Phaûn öùng ancol phaân vôùi xuùc taùc kieàm xaûy ra vôùi vaän toâc lôùn ngay caû ôû nhieät ñoä thöôøng. Tuy nhieân noù chæ coù lôïi khi chaát beùo söû duïng coù haøm löôïng axít beùo töï do thaáp vaø hoãn hôïp thaät khan. Neáu hoãn hôïp chöùa nhieàu nöôùc vaø axit beùo töï do thì xaø phoøng hình thaønh laøm maát hoaït tính kieàm vì xuùc taùc seõ chuyeån sang daïng muoái töùc maát ñi khaû naêng xuùc taùc cho phaûn öùng. Ngoaøi ra xaø phoøng coøn taïo thaønh caáu truùc gel laøm caûn trôû giai ñoaïn tinh cheá saûn phaåm sau naøy. Ví duï ta coù phaûn öùng xaø phoøng hoaù: Nöôùc trong hoãn hôïp coøn gaây ra moät hieän töôïng baát lôïi khaùc laø phaûn öùng thuyû phaân.. Vaø vôùi söï coù maët cuûa xuùc taùc kieàm, caùc axit beùo phaûn öùng vôùi kieàm laïi taïo thaønh xaø phoøng. Xaø phoøng cuûa caùc loaïi axit beùo no coù xu höôùng ñoùng raén ôû nhieät ñoä thöôøng vì theá saûn phaûm coù chöùa nhieàu xaø phoøng thöôøng quaùnh laïi thaønh khoái raát khoù tinh cheá. R3 R2 R1 R2 R3 Xuùc taùc bazô chæ toát vôùi tröôøng hôïp chaát tham gia phaûn öùng laø methanol tuyeät ñoái hay coù noàng ñoä cao. Moãi loaïi daàu môõ ñoäng thöïc vaät ñeàu coù moät haøm löôïng acid beùo töï do (FFA) nhaát ñònh. Loaïi môõ Haøm löôïng FFA (% khoái löôïng) Daàu môõ sau xöû lyù 0,05 Daàu thöïc vaät tinh luyện 0,3 – 0,7 Daàu thaûi 2 -7 Daàu môõ chöa xöû lyù 5 - 30 Baûng 1.5: Haøm löôïng acid beùo töï do trong daàu môõ Vôùi xuùc taùc axit: Cô cheá phaûn öùng ancol phaân vôùi xuùc taùc axit coù theå toùm taét bôûi quaù trình sau: Ñaàu tieân, caùc nhoùm cacbonyl cuûa TG ñöôïc proton hoaù bôûi xuùc taùc axit. Sau ñoù caùc nhoùm cacbonyl ñaõ ñöôïc proton hoaù bò taán coâng bôûi ancol theo cô cheá aùi nhaân taïo hôïp chaát trung gian. Giai ñoaïn tieáp theo dung moâi seõ giuùp cho quaù trình dòch chuyeån ñieän tích taïo ñieàu kieän cho söï taùch nhoùm. Giai ñoaïn 4 laø söï hình thaønh hôïp chaát trung gian, ankyl este ñöôïc proton hoaù vaø moät phaân töû DG. Giai ñoaïn 5 coù söï chuyeån hoaù proton laøm taùi taïo xuùtaùc axit. Quaù trình treân ñöôïc laëp laïi cho ñeán khi taïo thaønh 3 ankyl este vaø 1 phaân töû Glyxerin. A – H Xuùc taùc axit R1,R2,,R3 Goác cuûa axit beùo Yeáu toá khieán cho xuùc taùc coù khaû naêng laøm taêng hieäu quaû quaù trình phaûn öùng laø nhôø vaøo quaù trình proton hoaù nhoùm cacbonyl cuûa TG. Söï taùc ñoäng qua laïi giöõa xuc taùc vaø chaát mang laøm taêng tính aùi ñieän töû cuûa nguyeân toá cacbon cuûa nhoùm cacbonyl keá caän laøm cho noù bò taán coâng bôûi taùc nhaân aùi nhaân. So vôùi xuùc taùc axít, cô cheá phaûn öùng xuùc taùc bazô thöïc hieän söï hoaït hoaù phaûn öùng moät caùch tröïc tieáp hôn hay söï khaùc bieät giöõa hai loaïi xuùc taùc naøy laø xuùc taùc axit taïo taùc nhaân aùi ñieän töû coøn xuùc taùc bazô taïo taùc nhaân aùi nhaân. CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Quy trình công nghệ: Sơ đồ bố trí thiết bị: Sô ñoà khoái qui trình (theo [4]) Daàu haït cao su Metanol , xuùc taùc H2SO4 Este hoùa baèng acid T = 50 0C, t = 30 phuùt T T Pha nhieàu Glyxerin Taùch pha Daàu coù chæ soá FFA < 2% Este hoùa baèng base Metanol, xuùc taùc NaOH T = 45 0C, t = 30 phuùt T T Pha nhieàu Glyxerin Taùch pha Metyl este Trung hoøa base dö Nöôùc noùng, T= 70 0C Röûa (khuaáy, taùch) Laøm khan ( khuaáy) BD Qui trình coâng ngheä: Heä thoáng ñöôïc ñöôïc nhaäp lieäu giaùn ñoaïn vaø ñöôïc thaùo lieäu lieân tuïc. Giai ñoaïn 1: Dầu hạt cao su và Methanol ở nhiệt độ 25 0C ñöôïc daãn vaøo 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 leân 50 0C, luùc naøy phaûn öùng ñaõ dieãn ra moät phaàn. Nhieät löôïng caàn cung caáp cho giai ñoaïn naøy töông ñoái lôùn. Giöõ nhieät ñoä oån ñònh trong thieát bò 5 vaø khuaáy trong voøng 20 – 30 phuùt ôû aùp suaát thöôøng, nhaèm giuùp phaûn öùng xaûy ra trieät ñeå hôn. Nhiệt độ được giữ ổn định bằng hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động. Trong bình 5, noàng ñoä metanol khoaûng 18% - 24%, do ñoù trong thaønh phaàn pha hôi, noàng ñoä metanol chieám khoaûng 60%. Metanol laø moät chaát raát ñoäc ñoái vôùi cô theå con ngöôøi, vì theá ta duøng sinh haøn ñeå hoaøn löu hôi metanol. Nhieät ñoä hôi baõo hoøa Metanol duôùi aùp suaát khí quyeån döôùi 650C, do ñoù duøng sinh haøn nöôùc thích hôïp. Thực hiện quaù trình taùch pha trong thieát bò taùch 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 còn lại trong thiết bị 6 càng ít, khả năng bơm hút khí càng nhiều, dẫn đến va đập thủy lực trong bơm (hiện tượng xâm thực) . Điều này ảnh hưởng không tốt đến tuổi thọ của bơm. Do đó, 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 hóa thành tín hiệu điện ở hộp chuyển đổi tín hiệu. Khi mức lỏng trong bơm thấp hơn 1 giới hạn nào đó (do ta cài đặt), bơm sẽ ở chế độ ON để cung cấp lỏng cho thiết bi 11. Ngược lại, khi mức lỏng trong bình 11 quá cao (cao hơn 1 giới hạn nào đó do ta cài đặt), bơm sẽ ở chế độ OFF. 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 được chuyển dần sang bình 8, đồng thời hỗn hợp ở 8 cũng được bơm chuyển lên bình cao vị 11. Thời gian tiến hành phản ứng và thời gian xúc rửa thiết bị 5 khoảng 40 phút, trong khi thời gian tách pha khoảng 4 giờ . Do đó ta cần thiết bị tách pha( mỗi bình có thể tích sử dụng bằng thể tích của hỗn hợp cần tách pha trong 1 mẻ). Thời gian rửa tùy thuộc vào thành phần của dung dịch rửa, độ sạch của thiết bị sau khi rửa… Tùy thuộc vào thời gian rửa thiết bị mà ta xác định được số thiết bị tách pha cần thiết tương ứng. Sau quá trình tách pha ta thu được: Pha A ở phía trên: gồm röôïu dö, acid sunfuric vaø taïp chaát. Pha B ở phía dưới: chứa chủ yếu là BD, lượng dầu hạt cao su chưa được chuyển hóa. 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 bị 13 trong thời gian này. Khuấy trộn và gia nhiệt hỗn hợp đến 45 0C. Thời gian lưu trung bình của hỗn hợp ở thiết bị này là 30 phút. Sau khoảng thời gian trên, ta cũng tiến hành thực hiện quá trình phân pha như ở giai đoạn 1.Lớp dưới, chủ yếu chứa tạp chất và glixerin, được lấy ra trước ( chứa trong bình 16); Ester vẫn còn nằm ở lớp trên. Lớp trên chứa Methyl ester (chủ yếu) được dẫn vào bình 15 để rửa nhằm loại bỏ tạp chất và glixerin còn sót. Nước nóng (khoảng 10% thể tích) được xịt lên bề mặt của lớp ester và khuấy nhẹ. Lớp dưới được bỏ, còn lớp có màu vàng ở phía trên (thành phần chính là biodiesel) được giữ lại trong thiết bị. Tiến hành gia nhiệt để làm khan nước còn sót lại ( lượng nước còn lại trong BD phải thỏa tiêu chuẩn về BD). Do nước bay lên có khả năng lôi kéo theo các chất như Metanol, Biodiesel, các chất trong dung dịch rửa, dù lượng rất thấp nhưng vẫn có, vì thế ta cần dùng sinh hàn ngưng tụ để thu hồi hơi bay lên. Nhiệm vụ đồ án Thieát keá heä thoáng giaùn ñoaïn, lieân tuïc hay baùn lieân tuïc ? Thaønh phaàn cuûa hoãn hôïp nhaäp lieäu thöôøng bieán ñoäng ( thaønh phaàn daàu haït cao su thay ñoåi theo gioáng caây troàng, phöông phaùp canh taùc, phöông phaùp taùch daàu töø haït cao su thoâ, thôøi gian thu hoaïch…), quaù trình chính dieãn ra khaù phöùc taïp, quaù trình chòu aûnh höôûng cuûa nhieàu yeáu toá … Do ñoù, thieát keá heä thoáng hoaït ñoäng lieân tuïc seõ raát khoù kieåm soaùt ñöôïc chaát löôïng saûn phaåm. Neáu heä thoáng hoaït ñoäng giaùn ñoaïn, naêng suaát heä thoáng thaáp daãn ñeán vieäc taêng giaù thaønh saûn phaåm. Nguyeân lieäu phaûi traûi qua nhieàu giai ñoaïn, nhieàu thieát bò ñeå thaønh saûn phaåm. Ñeå taän duïng coâng suaát hoaït ñoäng cuûa thieát bò ( nhaát laø thieát bò taùch pha), ôû ñaây toâi seõ thieát keá heä thoáng hoaït ñoäng baùn lieân tuïc: nhaäp lieäu giaùn ñoaïn vaø thaùo lieäu lieân tuïc. Nhö ñaõ neâu ôû treân, quaù trình chuyeån hoùa daàu haït cao su traûi qua 2 giai ñoaïn: chuyeån vò este baèng acid vaø baèng kieàm. Do taàm quan troïng cuûa thieát bò phaûn öùng chính ñoái vôùi chaát löôïng vaø naêng suaát saûn phaåm, ôû ñaây toâi choïn thieát keá chi tieát thieát bò phaûn öùng naøy. Taùc nhaân gia nhieät: Nhieät ñoä cuûa caùc hoãn hôïp caàn gia nhieät töông ñoái thaáp (döôùi 55 0C), trong thieát bò phaûn öùng coù ñaët thieát bò khuaáy neân ta duøng ñieän trôû ngoaøi ñeå gia nhieät laø raát thuaän tieän. Moâi tröôøng trong thieát bò coù tính aên moøn töông ñoái cao. Ñeå ñaûm baûo tính beàn cuûa thieát bò vaø ñoä tinh khieát cuûa saûn phaåm, ta duøng ñieän trôû ngoaøi. ÔÛ ñaây toâi choïn voøng nhieät. Ta cuõng coù theå duøng ñieän trôû daïng sôïi hoaëc baûn moûng quaán quanh thieát bò, nhöng nhö theá thì dieän tích truyeàn nhieät vaø ñoä beàn cuûa thieát bò (döôùi taùc duïng cuûa ñieåm nhieät) ñeàu giaûm. Choïn thieát bò thieát keá Caùc quaù trình caàn caáp nhieät: quaù trình taêng nhieät ñoä cuûa hoãn hôïp doøng vaøo, quaù trình phaûn öùng, quaù trình bay hôi cuûa Methanol vaø toån thaát nhieät qua voû thieát bò... Nhieät löôïng caàn cung caáp ôû thieát bò phaûn öùng 2 vaø ôû thieát bò 14(theo sô ñoà nguyeân lyù ôû treân) laø lôùn nhaát. Tuy nhieân, theå tích löôïng loûng trong thieát bò 14 nhieàu hôn ôû thieát bò 2 neân ta seõ thöïc hieän tính toaùn thieát keá vaø kieåm tra caùc ñieàu kieän beàn cuõng nhö quaù trình khuaáy troän, trao ñoåi nhieät treân thieát bò naøy. Caùc thoâng soá thu ñöôïc cuõng seõ laø thoâng soá thieát keá cho caùc thieát bò töông töï coøn laïi trong heä thoáng. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ Thiết bị phản ứng chính Caùc thoâng soá kyõ thuaät phuïc vuï cho tính toaùn thieát keá STT Chæ tieâu phaân tích Phöông phaùp Keát quaû Ñôn vò 1 FFA AOCS CD 3d – 93 28.58(Theo axit Oleic) 2 Thaønh phaàn axit beùo (theo keát quaû phaân tích saéc kí) AOCS Ce 1e - 91 A. Palmitic (C16H32O2) 6.84 A. Palmitoleic (C16H30O2) 0.12 A. Stearic (C18H36O2) 9.15 A. Oleic (C18H34O2) 24.99 A. Linoleic (C18H32O2) 39.64 A. Linolenic (C18H30O2) 19.26 Baûng 1.9: Thaønh phaàn vaø haøm löôïng axit beùo coù trong daàu haït cao su. ( Theo [3] ) Phaân töû löôïng trung bình cuûa axit beùo: Mtb = 278,81 Kg/Kmol. TryGlyxerit quy ñoåi cuøng axit beùo trung bình:MTG = 874,42 Kg/Kmol Daàu cao su coù phaân töû löôïng trung bình laø Md = 551.78 Kg/Kmol. Ta coù: → FFFA = 0,5417 → % FFFA = Daàu cao su ôû nöôùc ta % FFFA khoaûng 27,37%. Do khoâng coù ñieàu kieän thöïc hieän thí nghieäm, neân toâi seõ laáy keát quaû dựa theo baùo caùo “saûn xuaát BD töø daàu haït cao su coù haøm löôïng FFA cao” cuûa nhoùm taùc giaû A.S. Ramadhas, S. Jayaraj, C.Muraleedharan. Caùc thoâng soá hoaù lyù: Thoâng soá hoùa lyù Daàu nhaäp lieäu Methanol Glyxerin Daàu BD Phaân töû löôïng trung bình Mi,Kg/Kmol 551,78 32 92 287,41 Khoái löôïng rieâng ρi, Kg/m3 1000,6* 770,0 1260,0 904,3 Nhieät dung rieâng Ci, J/Kg.K 2820 2715 3520 3110 Heä soá daãn nhieät λi, W/m.K 0,1100 0,2068 0,285 0,1722 Ñoä nhôùt µi, N.s/m2 35,6 10 -3 0,40 10 -3 2,6 10 -3 3,9 10 -3 Vôùi i laø d,m,g,b,n,a töông öùng vôùi thoâng soá cuûa daàu haït cao su, metanol, glycerin, BD, nöôùc vaø acid. Kí hieäu F, m, X, x... vôùi caùc soá keøm theo i mang yù nghóa laø ta ñang ñeà caäp ñeán thaønh phaàn cuûa chaát naøo ñoù trong hoãn hôïp vaøo cuûa thieát bò i. Chaúng haïn nhö : soá mol BD trong hoãn hôïp ñaàu vaøo cuûa thieát bò 6 _bình chöùa 6. Doøng nöôùc giaûi nhieät: Nhieät ñoä doøng vaøo: T1 = 300C Nhieät ñoä doøng ra: T2 = 340C Nhieät ñoä trung bình: Tn tb = 320C Nhieät dung rieâng trung bình: Cn = 4181 J/Kg.K Khoái löôïng rieâng: Ñoä nhôùt: Heä soá daãn nhieät: ρd ñöôïc tính döïa theo [3], cuï theå nhö sau: Khi daàu nhaäp lieäu coù chæ soá acid laø 34 thì hoãn hôïp coù %FFA laø 17% (%FFA : khoái löôïng (g)FFA trong 100 mL nguyeân lieäu) Chæ soá acid laø löôïng base ñöôïc bieåu dieãn theo löôïng mg KOH caàn phaûi coù ñeå trung hoøa caùc thaønh phaàn acid trong 1 g maãu thöû. Trong 1 g maãu thöû mol →=0,169 g → Trong 1g daàu coù 0,169 g FFA (a) Trong 100 mL daàu coù 17g FFA → coù 0,169 g FFA trong (b) Töø (a)& (b), ta coù 1g daàu töông öùng vôùi 0,994 mL,do ñoù Tính cân bằng vật chất Phản ứng chuyển vị este ở giai ñoïan 1 duôùi taùc duïng cuûa xuùc taùc acid H2SO4 RCOOH+ CH3OH → RCOOCH3+ H2O Xeùt 1 L daàu haït cao su nhaäp lieäu cho heä thoáng trong 1 ñôït nhaäp lieäu : Vôùi daàu nhaäp lieäu coù %FFA laø 17% = Với dầu nhập liệu coù %FFA laø 27,37% Dầu nhập liệu coù haøm lượng FFA 17%, thể tích Metanol cần duøng laø 0,2 L Dầu nhập liệu coù haøm lượng FFA 27,37%, thể tích Metanol cần duøng laø 0,2 + Giai ñoaïn 1 Theå tích methanol söû duïng 0.2 L Giai ñoaïn 2 Theå tích methanol söû duïng 0.3 L Ta xem theå tích xuùc taùc söû duïng xem nhö khoâng ñaùng keå: 1 L daàu haït cao su + 200 mL metanol (chöùa trongthieát bò 5) →taùch pha Hoãn hôïp thu ñöôïc ñem ñi thöïc hieän tieáp giai ñoaïn 2 coù theå tích phuï thuoäc vaøo khaû naêng taùch pha vaø phuï thuoäc vaøo yeâu caàu veà ñoä tinh khieát cuûa saûn phaåm. Moät caùch töông ñoái, ôû ñaây ta choïn löôïng loûng thu ñöôïc laø 1 L Thieát bò 13 chöùa löôïng loûng = 1 L hoãn hôïp (töø giai ñoaïn 1) + 300 mL metanol = 1,3 L. Vôùi 1 L haït daàu cao su, theå tích laøm vieäc cuûa thieát bò 13 caàn laø 1.3 L. Thieát bò phaûn öùng chính coù dung tích laøm vieäc laø 30 L (dung tích thieát keá laø 50) Theå tích daàu cao su nhaäp lieäu töông öùng laø Xeùt töông quan thôøi gian phaûn öùng giöõa 2 giai ñoaïn(theo [4] ): Giai ñoaïn 1: 30 phuùt Giai ñoaïn 2: 30 phuùt → Moät daõy ñôn nguyeân thieát bò ôû giai ñoaïn 1 töông öùng vôùi moät daõy ñôn nguyeân thieát bò ôû giai ñoaïn 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 xuất thử mà ta quyết định xem có rửa thiết bị giữa các mẻ hay không. Xét năng suất của hệ thống khi thực hiện qui trình sản xuất thử: Trong 1h ta nhaäp lieäu ñöôïc meû neân naêng suaát heä thoáng (tính theo daàu haït cao su): Naêng suaát daàu haït cao su nhaäp lieäu G ñeå thöïc hieän phaûn öùng: Thieát bò hoaït ñoäng 8 giôø/ngaøy. G = L/ngaøy Caùc ñieàu kieän phaûn öùng: Daàu haït cao su ban ñaàu coù %FFA laø 27,37%, sau khi chuyeån hoùa este baèng acid thì %FFA coøn 2% laø ñaït yeâu caàu ñeå thöïc hieän tieáp giai ñoaïn 2 Hieäu suaát chuyeån hoùa FFA % (ma pu/ma) = Tyû leä metanol/ daàu haït cao su ( theo thể tích) 0,5:1 Giai ñoaïn 1 Tyû leä metanol/ daàu haït cao su ( theo theå tích) 0,2:1 Nhieät ñoä phaûn öùng, 0C 50 Thôøi gian phaûn öùng, phuùt 30 Haøm löôïng xuùc taùc,%( mxt/md) 0,5 Hieäu suaát chuyeån hoùa acid töï do,% (ma pu/ma) 92,7 Giai ñoïan 2 Tyû leä metanol/ daàu haït cao su ( theo theå tích) 0,3:1 Nhieät ñoä phaûn öùng,0C 45 Thôøi gian phaûn öùng, phuùt 30 Haøm löôïng xuùc taùc,%( mxt/md) 0,5 Hiệu suất các phản ứng 90% Tyû leä thu hoài khoâng chæ phuï thuoäc nguyeân lieäu, ñieàu kieän phaûn öùng…maø coøn phuï thuoäc vaøo ñoä tinh khieát cuûa saûn phaåm (aûnh höôûng tröïc tieáp ñeán chæ soá hoài löu trong thieát bò taùch pha).Vôùi nhieàu yeáu toá taùc ñoäng phöùc taïp, vieäc xaùc ñònh tyû soá thu hoài chæ coù yù nghóa töông ñoái.ÔÛ ñaây ta choïn %( mBD/mTG)= 90% Thoâng soá nhaäp lieäu: Heä thoáng hoaït ñoäng theo cheá ñoä nhaäp lieäu giaùn ñoaïn, vì theá ôû ñaây ta tính toaùn caùc thoâng soá ôû thieát bò phaûn öùng chuyeån hoùa este baèng acid ( thuoäc giai ñoaïn 1 trong heä thoáng saûn xuaát) theo töøng meû. Löôïng daàu nhaäp lieäu : Löôïng metanol nhaäp lieäu : Số mol acid H2SO4 nhaäp lieäu : Phaàn mol cuûa daàu haït cao su Fd: Löôïng acid beùo töï do trong daàu nhaäp lieäu: Kg Giai ñoaïn 1: Phản ứng chuyển vị este ở giai ñoïan 1 duôùi taùc duïng của acid H2SO4: RCOOH+ CH3OH → RCOOCH3+ H2O Löôïng FFA tham gia phaûn öùng chuyeån hoùa este : Löôïng BD taïo thaønh trong hoãn hôïp ra khoûi thieát bò 5 Sau phản ứng hỗn hợp trong thiết bị gồm Metyl este (BD), xuùc taùc acid H2SO4 ,metanol dư, triglycerit, acid beùo tự do chưa phản ứng . Thực ra ở giai ñoïan naøy,1 phần triglycerit cũng ñaõ chuyển thaønh BD, nhưng ở ñaây, do quaù trình diễn ra rất phức tạp vaø vieäc xaùc ñònh nồng ñoä caùc chất trong hỗn hợp rất khoù khăn neân vieäc xaùc ñònh lượng chính xaùc caùc chất trong hỗn hợp sau phản ứng laø ñieàu khoâng thể. Chính vì thế, ở giai ñoïan naøy toâi xem phản ứng chuyển hoùa triglycerit thaønh BD laø khoâng xảy ra. Sau phaûn öùng Löôïng BD: Lượng glyceride: khoâng ñoåi Löôïng acid (ta xem nhö löôïng acid bay hôi khoâng ñaùng keå): Löôïng Metanol dö: Lượng nước: Löôïng FFA dư: Hoãn hôïp ra khoûi thieát bò 5 ñöôïc daãn vaøo thieát bò taùch pha. Lôùp treân chuû yeáu goàm metanol dö, acid sunfuric vaø taïp chaát ñöôïc taùch boû. Pha döôùi chöùa chuû yeáu laø triglyceride, BD ñöôïc phaân taùch vaø söû duïng cho giai ñoaïn 2_ chuyeån hoùa este baèng xuùc taùc kieàm. ÔÛ ñaây, ta xem löôïng: metanol, acid sunfuric, taïp chaát…coøn soùt laïi trong hoãn hôïp pha döôùi khoâng ñaùng keå; löôïng triglyceride vaø BD thu hoài vôùi hieäu suaát 90%; löôïng FFA coøn laïi trong hoãn hôïp vaøo thieát bò taùch raát ít, qua quaù trình taùch pha löôïng FFA giaûm ñaùng keå, do ñoù ta xem nhö löôïng FFA0 Giai ñoaïn 2: Nguyeân lieäu vaøo thieát bò 13 goàm: Löôïng TG: Löôïng BD: Löôïng metanol: Löôïng xuùc taùc kiềm: (1) Hieäu suaát phaûn öùng (1): 90% Khi thöïc hieän giai ñoaïn taùch pha, hieäu suaát taùch pha ñaït 90%. Khi thöïc hieän giai ñoaïn röûa, hieäu suaát thu hoài BD cuûa quaù trình taùch ñaït 90% . Löôïng BD thu ñöôïc do phaûn öùng chuyeån hoùa este baèng acid Löôïng BD thu ñöôïc khi thực hiện phaûn öùng chuyeån hoùa este baèng kieàm g Lượng TG dư: Lượng Metanol dư: Hoãn hôïp trong thieát bò 14 goàm: Thaønh phaàn Tröôùc khi thöïc hieän phaûn öùng Sau khi thöïc hieän phaûn öùng FTriglyceride, Kmol FBD, Kmol 1,88 6,52 FMetanol, Kmol Daàu sau phaûn öùng coù thaønh phaàn FFA khaùc vôùi daàu nhaäp lieäu (ñoä cheânh leäch khoâng lôùn laém). Tuy nhieân, do soá lieäu thu ñöôïc töø caùc thí nghieäm laø raát haïn cheá, neân ta xem nhö . Thaønh phaàn Tröôùc khi thöïc hieän phaûn öùng Sau khi thöïc hieän phaûn öùng mTriglyceridKg 15,04 15,04 mBDKg 5,23 18,74 mMetanolKg 5,31 3,83 Löôïng Glycerine vaøo thieát bò 16: Tröôùc khi thöïc hieän phaûn öùng: + Phaàn khoái löôïng cuûa daàu haït cao su( xem khoái löôïng xuùc taùc laø khoâng ñaùng keå): Sau khi thöïc hieän phaûn öùng + Hỗn hợp vào thiết bị 16 gồm Metanol dư , Glycerine và Triglyceride: Tính chaát hoaù lyù cuûa hoãn hôïp phaûn öùng thay ñoåi theo thôøi gian phaûn öùng. Vôùi heä thoáng phaûn öùng hoaït ñoäng giaùn ñoaïn thì thoâng soá hoaù lyù seõ thay ñoåi theo vò trí löu chaát trong töøng thieát bò. Choïn thoâng soá hoaù lyù cuûa hoãn hôïp theo giaù trò trung bình coäng cuûa hoãn hôïp doøng löu chaát nhaäp lieäu ban ñaàu vaø hoãn hôïp löu chaát ra khoûi heä thoáng thieát bò keát thuùc phaûn öùng vaø taïm coi ñaây laø giaù trò duøng ñeå tính thieát keá cho thieát bò. Nhieät dung rieâng cuûa hoãn hôïp ñaàu: Nhieät dung rieâng cuûa hoãn hôïp cuoái: Nhieät dung rieâng trung bình cuûa hoãn hôïp phaûn öùng: Ñoä nhôùt cuûa hoãn hôïp cuoái giai ñoaïn 1: theo [5,(I.12),tr84] 0,09 → Ñoä nhôùt cuûa hoãn hôïp cuoái: 0,01 → Ñoä nhôùt trung bình cuûa hoãn hôïp trong thieát bò: Tính kích thước thiết bị 23 L daàu ban ñaàu + 4,6L Metanol → phaûn öùng→ taùch pha Vì khoâng coù soá lieäu thöïc nghieäm neân ôû ñaây toâi xem löôïng dung dòch thu ñöôïc ñem thöïc hieän phaûn öùng ôû giai ñoïan 2 coù theå tích 23 L, löôïng dung dòch loaïi boû ( chöùa phaàn lôùn Metanol dö, xuùc taùc vaø taïp chaát) coù theå tích 4 L. Theå tích laøm vieäc: Vlv = 30 L Theå tích thieát keá: Vtt thuoäc khoûang laân caän 50 L Thieát bò coù: Chieàu cao : H Ñöôøng kính trong : Dt (a) Vôùi thieát bò coù duøng caùnh khuaáy, ñeå thieát bò caân ñoái, ta choïn Dt = H Khi Vñ =0,→ h Choïn giaù trò ñöôøng kính quy chuaån Dt= 0,4 m. ht Ñaùy naép elíp tieâu chuaån coù gôø: ht = 0,1 m h = 25 m Thay Vñ, Dt vaøo (a), tìm laïi H = 0,215m Qui chuaån chieàu cao thieát bò H = 0,25 m. Tæ soá khaù nhoû laøm thieát bò maát caân ñoái. Choïn giaù trò ñöôøng kính quy chuaån Dt= 0,3 m Choïn ht = 0,1 m vaø h = 40 → Qui chuaån chieàu cao thieát bò Ht = 0,55 m. Chieàu cao thuyû tónh cuûa hoãn hôïp chaát loûng trong thieát bò 5: 0,33 m = 25= 0,46 m Ta thaáy khi Dt= 0,30 m, chieàu cao thieát bò vaø chieàu cao möïc chaát loûng trong thieát bò ñeàu caân ñoái. Do ñoù choïn Dt = 0,30 m. Aùp suaát tính toùan Ptt = Pth + Ph Aùp suaát treân maët thoaùng Pth : Thieát bò coù gaén sinh haøn (ñeå hoài löu hôi Metanol) thoâng tröïc tieáp vôùi khí quyeån, do ñoù aùp suaát treân maët thoaùng chaát loûng baèng aùp suaát khí quyeån Pth = 1 at = 9,81 Aùp suaát Ph do löôïng loûng trong thieát bò gaây ra: Ph = Khoái löôïng rieâng cuûa hoãn hôïp chaát loûng trong thieát bò 13 trước khi xảy ra phản ứng: Khoái löôïng rieâng cuûa hoãn hôïp chaát loûng trong thieát bò 13 sau khi xảy ra phản ứng: → Ptt = Ph = 0,46 =0,4 Nhieät ñoä laøm vieäc Tlv :nhieät ñoä cao nhaát cuûa moâi tröôøng beân trong thieát bò Tlv = 50 0C Nhieät ñoä tính toùan Ttt : Thieát bò ñöôïc gia nhieät baèng ñieän trôû ngoøai. Do ñoù ta laáy nhieät ñoä tính toaùn laø nhieät ñoä cao nhaát cuûa ñieän trôû trong luùc hoaït ñoäng. Nhieät ñoä hoaït ñoäng cuûa ñieän trôû tuøy thuoäc vaøo giaù trò ñieän trôû, dieän tích tieáp xuùc giöõa ñieän trôû vaø thaân thieát bò, hieäu suaát nhieät, nhieät ñoä caàn ñaït ñeán sau khi gia nhieät, thôøi gian ñeå hoãn hôïp loûng ñaït ñöôïc nhieät ñoä yeâu caàu… Ñieän trôû gia nhieät ta söû duïng daïng voøng nhieät, nhieät ñoä hoãn hôïp loûng caàn ñaït ñeán khoâng cao (50 0C), do ñoù ta laáy soá lieäu giaû ñònh nhieät ñoä ñieän trôû TR = 200 0C. Ttt = TR+ 50 = 200 + 50=250 0C Ñieän trôû gia nhieät ñöôïc thieát keá tuøy vaøo yeâu caàu cuûa khaùch haøng. Do ñoù, ta hoaøn toaøn coù theå choïn giaù trò giaû ñònh ñeå tính toaùn maø vaãn ñaûm baûo tính thöïc teá cuûa qui trình. Vì moâi tröôøng hoaït ñoäng coù taùc nhaân aên moøn vaät lieäu neân phaûi duøng vaät lieäu laø theùp khoâng ræ, choïn vaät lieäu laø X18H10T. Moät soá tính chaát cuûa theùp X18H10T: Beà daøy,mm Giôùi haïn beàn Ñoä daõn daøi töông ñoái khi keùo d,% Ñoä nhôùt va ñaäp sk sc 1_3 540 220 40 2,0 4_25 550 220 38 2,0 Heä soá an toaøn khi cheá taïo thieát bò baèng phöông phaùp caùn vaø reøn : theo baûng 1.6,tr 14, [9] Aùp suaát dö trong TB < 0,5 N/mm2 Heä soá beàn keùo nB 2,6 Heä soá beàn chaûy nBc 1,65 Heä soá moûi nm 1,5 Heä soá bieán daïng deûo nd 1,0 Giôùi haïn beàn moûi cuûa vaät lieäu, [sm]* = 450 x 106 N/m2 Heä soá hieäu chænh: hhc = 0,9. Thieát bò chöùa hoaù chaát ñoäc vôùi moâi tröôøng vaø khoâng bò ñoát noùng tröïc tieáp bôûi nguoàn ñoát. Heä soá beàn moái haøn jh: theo baûng 1.8, tr 19, [9] Thieát bò coù Dt=0,3 m , khoâng coù khaû naêng haøn giaùp moái 2 phía →jh = 0,8 Khoái löôïng rieâng Heä soá daãn nhieät ÖÙng suaát cho pheùp tieâu chuaån: s*= 134 N/mm2 ( theo hình 1.2, tr 16, [9]) ÖÙng suaát cho pheùp : N/mm2 Beà daøy toái thieåu S’ cuûa thaân thieát bò : Do Dt = 300 mm < 400 mm neân choïn sô boä S’ = 2 mm Heä soá boå sung beà daøy tính toaùn: Trong ñoù: Ca: heä soá boå sung do aên moøn hoaù hoïc cuûa moâi tröôøng, mm Choïn toác ñoä aên moøn v = 0,1 mm/naêm; thôøi gian söû duïng thieát bò laø 10 naêm neân Ca = v.t = 0,1.10 = 1 mm Cb: heä soá boå sung do baøo moøn cô hoïc cuûa moâi tröôøng, mm Choïn Cb= 0, do moâi tröôøng chaát loûng. Cc: heä soá boå sung do sai leäch khi cheá taïo, laép raùp, mm. Choïn Cc = 0 mm C0: heä soá boå sung ñeå quy troøn kích thöôùc: Co = 0 mm ⇒ C = 1 mm Beà daøy tính toaùn cuûa thaân thieát bò: S = S’ + C = 2 + 1 = 3 mm Kieåm tra ñieàu kieän beàn: ⇒ Thoaû maõn ñieàu kieän beàn. Choïn kích thöôùc ñaùy vaø naép nhö nhau. Beà daøy ñaùy vaø naép baèng beà daøy thaân: S = 3 mm. Kieåm tra aùp suaát cho pheùp tính toaùn ñoái vôùi ñaùy vaø naép khi chòu aùp suaát trong: Trong ñoù Rt – baùn kính cong beân trong ôû ñænh ñaùy (naép), mm Ñoái vôùi ñaùy (naép) eclipse tieâu chuaån thì Rt = Dt = 300 mm. Do ñoù: Vaäy vôùi beà daøy S = 3 mm thì thieát bò thoaû caùc yeâu caàu veà ñoä beàn. Treân naép, ta caàn khoeùt caùc loã: Loã ñeå gaén hoäp ñeäm (ñeå gaén truïc khuaáy) : ñöôøng kính 34 mm 2 loã ñeå gaén oáng nhaäp lieäu daàu haït cao su vaø Methanol: ñöôøng kính 25 mm (ñöôøng kính trong 20 m + 2 2 mm + khoaûng ñeå laøm kín choã noái ( baèng keo). Loã gaén oáng dẫn nước để rửa thiết bị: ñöôøng kính 25 mm. Loã ñeå gaén sinh haøn: ñöôøng kính 25 mm. (chọn ống thép tiêu chuẩn Fd = 21,2 1,83 theo [15] Áp suất làm việc của thiết bị là áp suất khí quyển, do đó khi khoét lỗ ở đáy và nắp ta không cần phải tăng cứng. tr125, HLV Khoảng cách cho phép bé nhất A0 giữa 2 tâm lỗ gần nhau: A0 Chọn A0 = 80 mm Tính cân bằng năng lượng Q = Q1+Q2+Q3+ Q4 Q: Nhieät löôïng do ñieän trôû cung caáp Q1:Nhieät löôïng coù ích laøm noùng hoãn hôïp trong thieát bò 14 töø nhieät ñoä T1 ñeán 455 0C. Q2: Nhieät löôïng cung caáp ñeå phaûn öùng xaûy ra. Q3: Nhieät löôïng laøm bay hôi Metanol. Q4 :Nhieät löôïng hao phí do :laøm noùng thaân thieát bò, thaát thoùat qua thaân thieát bò … Tìm Q1: T1 laø nhieät ñoä cuûa hoãn hôïp goàm: Daàu ôû giai ñoïan 1: vì thôøi gian taùch pha laâu (khoaûng 4h). Nhieät ñoä daàu thay ñoåi tuøy vaøo heä soá hoài löu, tuøy thuoäc vaøo söï maát maùt nhieät qua thaân cuûa thieát bò taùch. ÔÛ ñaây ta xem T1= 250C Metanol ôû nhieät ñoä 25 0C Aùp duïng ñònh luaät baûo toøan nhieät naêng: Nhieät löôïng daàu toûa ra khi giaûm nhieät ñoä = Nhieät löôïng do Metanol haáp thu ñeå taêng nhieät ñoä J J Tìm Q2: Hieän taïi ta chöa xaùc ñònh coù giaù trò khoaûng bao nhieâu. ÔÛ ñaây toâi giaû ñònh = = 41,8 Tìm Q3 vaøQ4 Metanol trong hoãn hôïp boác hôi döôùi aùp suaát khí quyeån ôû nhieät ñoä nhoû hôn nhieät ñoä soâi cuûa dung dòch Metanol baõo hoøa. Löôïng Metanol bay hôi leân sinh haøn raát khoù (neáu noùi laø khoâng theå) xaùc ñònh ñöôïc. Nhieät löôïng hao phí ra moâi tröôøng cuõng khoâng theå tính toaùn moät caùch chính xaùc ñöôïc. Vì theá ta laáy Q3 =Q4= 5% Q → Q = Q1+Q2+Q3+ Q4= Q1+Q2+ (5%+5%)Q → → Q3 =Q4= 5% Q =5%0,12 Xaùc ñònh coâng suaát nhieät cuûa ñieän trôû theo lyù thuyeát: Thôøi gian ñieän trôû cung caáp nhieät cho thieát bò 14: t = 30 phuùt Thôøi gian naâng nhieät ñoä hoãn hôïp töø nhieät ñoä ban ñaàu leân nhieät ñoä yeâu caàu: döôùi 5 phuùt. phuùt Trong 5 phuùt ñaàu, ñieän trôû cung caáp löôïng nhieät: Q1 ñeå laøm noùng hoãn hôïp Nhieät ñeå cung caáp cho phaûn öùng xaûy ra 1 phaàn vaø nhieät hao phí trong 5 phuùt ñaàu vôùi. Luùc ñaàu noàng ñoä taùc chaát cao, sau khi gia nhieät toác ñoä phaûn öùng ñöôïc taêng cöôøng. Do ñoù ta raát khoù ñeå xaùc ñònh löôïng nhieät caàn cung caáp cho phaûn öùng taïi moãi khoaûng thôøi gian xaùc ñònh. Löôïng nhieät thaát thoaùt cuõng raát khoù xaùc ñònh khi xeùt moät khoaûng thôøi gian xaùc ñònh trong quaù trình ôû thieát bò 15. Ta xem löôïng nhieät löôïng cung caáp cho phaûn öùng vaø nhieät löôïng hao phí trong khoaûng thôøi gian t’ laø nhö nhau khi xeùt taïi baát kì thôøi ñieåm naøo cuûa quaù trình phaûn öùng taïi thieát bò 14. Coâng suaát ñieän trôû: Coâng suaát nhieät khi xeùt caû quaù trình : t = 30 phuùt Choïn coâng suaát ñieän trôû P = max (P1;Ptb) = max( Heä thoáng thieát bò ta thieát keá ôû ñaây coù theå duøng ñeå khaûo saùt tyû leä daàu haït cao su vaø Methanol toái öu. Hoãn hôïp tröôùc phaûn öùng caøng chöùa nhieàu Methanol, löôïng nhieät maát maùt do Methanol caøng nhieàu, tyû leä caøng lôùn → Tuøy vaøo khoaûng khaûo saùt cuûa tyû leä daàu vaø Methanol, heä soá tröø hao coâng suaát cuûa ñieän trôû caøng lôùn. Choïn → Các thiết bị kèm theo Tính toaùn choïn caùnh khuaáy: Vaät lieäu laøm caùnh khuaáy, truïc khuaáy: Do hoãn hôïp trong thieát bò ñöôïc gia nhieät, coù tính aên moøn cao (Metanol vaø base) neân theo baûng XII.45, tr 348,[8] vaø baûng XII.50, tr 352 ta choïn vaät lieäu cheá taïo caùc chi tieát tieáp xuùc tröïc tieáp vôùi moâi tröôøng trong thieát bò (nhö caùnh khuaáy, truïc khuaáy, boä phaän laøm kín…) laø theùp khoâng gæ X18H10T. Choïn daïng caùnh khuaáy: döïa vaøo ñoä nhôùt Chaát loûng trong thieát bò coù ñoä nhôùt , thuoäc daïng chaát loûng coù ñoä nhôùt thaáp, do ñoù coù theå khuaáy ñöôïc vôùi toác ñoä cao (chaát loûng trong thieát bò caàn ñöôïc khuaáy vôùi toác ñoä töông ñoái ñeå ñaûm baûo quaù trình troän laãn 2 pha khoù tan) maø khoâng ñoøi hoûi coâng suaát thieát bò khuaáy quaù lôùn. Vôùi ñoä nhôùt cuûa chaát loûng nhö treân, theo hình 2.5 a, tr 31,[5], ta coù theå söû duïng caùnh khuaáy chaân vòt hoaëc caùnh khuaáy turbin hôû.Tuy nhieân, caùnh khuaáy turbin hôû coù khaû naêng pha troän caùc chaát khoâng tan vaøo nhau toát hôn, san baèng nhieät ñoä toát hôn, naêng löôïng söû duïng ít hôn nhieàu..khi so saùnh vôùi caùnh khuaáy chaân vòt. → Ta choïn caùnh khuaáy turbin hôû. Kích thöôùc hình hoïc, vò trí laép ñaët caùnh khuaáy: Theo baûng 2.9, tr 37, [5], caùch khuaáy turbin hôû coù 6 caùnh coù caùc thoâng soá hình hoïc sau: dk s1 b dtr a 0,75dk d0 → → Choïn m → → → Chiều cao từ đáy thiết bị đến điểm thấp nhất của cánh khuấy hk: → → Choïn Kích thöôùc hình hoïc cuûa taám chaén vaø vò trí laép ñaët Toác ñoä khuaáy n= 2 voøng/s thuoäc loaïi khuaáy nhanh. Ñeå taêng cöôøng söï chaûy xoaùy (töùc laø khaû naêng khuaáy troän doïc) vaø ñeå giaûm khaû naêng taïo pheãu, ta boá trí taám chaën. Caùc taám chaën naøy coù theå phaân boá ngay caïnh thaønh thieát bò hoaëc caùch thaønh thieát bò 1 ñoaïn. Khi boá trí ngay caïnh thaønh thieát bò seõ deã daãn ñeán vieäc hình thaønh vuøng öù ñoïng quanh taám chaén.Maëc duø chaát loûng ôû ñaây coù ñoä nhôùt khoâng cao, nhöng do ta söû duïng ñieän trôû ngoaøi ñeå gia nhieät, chaát loûng seõ raát deã bò quaù nhieät (nhieät ñoä cao hôn so vôùi nhieät ñoä caàn ñeå tieán haønh phaûn öùng), laøm taêng khaû naêng taïo saûn phaåm phuï ( taïo xaø phoøng, caùc saûn phaåm oxy hoùa khaùc….)…Do ñoù, toâi seõ choïn caùch boá trí taám chaën caùch thaønh thieát bò 1 ñoaïn. Số tấm chặn: Beà roäng taám chaën B: → → Choïn Bề dày tấm chặn: → Choïn Khoaûng caùch töø taám chaën ñeán thaân thieát bò: → Choïn Chieàu cao taám chaën baèng kích thöôùc thaân. Nhöng khi vaän haønh chieàu cao laøm vieäc cuûa taám chaën baèng vôùi möïc hoãn hôïp chaát loûng öùng vôùi phaàn thaân thieát bò: →= Chiều cao tấm chặn: b/ Vaät lieäu cheá taïo: Hoãn hôïp trong thieát bò coù tính aên moøn cao Thieát bò ñöôïc gia nhieät baèng ñieän trôû ngoaøi Toác ñoä khuaáy: Vôùi moãi thí nghieäm khaûo saùt tæ leä caùc chaát phaûn öùng, nhieät ñoä, ñoä chuyeån hoùa cuûa caùc chaát…ñeàu öùng vôùi 1 toác ñoä khuaáy cuï theå. Theo baùo caùo khoa hoïc ta choïn laøm cô sôû ñeå tính toaùn caân baèng vaät chaát ôû treân thì toác ñoä khuaáy n= 2 voøng/s. Chuaån soá Reynold khuaáy: > Theo tr 66, [5], vôùi giaù trò Rek nhö treân, ta xaùc ñònh ñöôïc cheá ñoä thuûy ñoäng cuûa hoãn hôïp laø cheá ñoä chaûy roái . Coâng suaát khuaáy: Theo IV.7a, tr 618, [7], coâng suaát khuaáy: Coâng suaát khôûi ñoäng ñoäng cô thöôøng gaáp 2-3 laàn coâng suaát laøm vieäc: W Choïn N = 0,10 KW Choïn maùy khuaáy coù coâng suaát : Trong ñoù: Heä soá döï truø laø 0,25 Hieäu suaát truyeàn löïc töø ñoäng cô sang maùy khuaáy . Choïn Coâng suaát theå tích : = Thông thường, động cơ khuấy với công suất nhỏ thường đi kèm với bộ giảm tốc. Với các thông số trên của động cơ khuấy, ta có thể chọn động cơ Varimot: Hãng sản xuất Sew-Eurodrive. Xuất xứ Đức Công suất nhỏ nhất: 120 W. Công suất lớn nhất 11 KW. Giá tham khảo: 11 USD. Tính thôøi gian khuấy ñeå ñaït ñöôïc möùc ñoä ñoàng nhaát xaùc ñònh: Vaän toác doøng chaûy doïc truïc theo (3.35),tr135,[6] Trong ñoù: Soá löôïng caùnh khuaáy laép treân truïc khuaáy Zk =1 Heä soá trôû löïc caùnh khuaáy cuûa Tuabin hôû theo Baûng 3.1,tr118,[6] Thoâng soá chöùa ñaày cuûa thieát bò theo (3.11),tr121,[6] → Heä soá khueách taùn theo 3.67, tr 153, [6] Khi boá trí taám chaën trong thieát bò, theo [6] thì toác ñoä doïc truïc giöõ vai troø chuû yeáu trong thieát bò.Theo 3.68, tr 153, [6] thôøi gian khuấy ñeå hỗn hợp trong thiết bị ñaït ñöôïc ñoä ñoàng nhất Vôùi laø chuaån soá Furie laø ñoä ñoàng nhaát. Choïn Tính beàn truïc: Tính truïc khuaáy theo ñieàu kieän beàn: tính toaùn theo 5.1.2, tr 134, [5] Tính toaùn ñöôøng kính truïc sô boä: ÖÙng suaát xoaén cho pheùp: Moâmen xoaén cuûa truïc khuaáy: Trong đñoù: - Coâng suaát ñoäng cô, W - Heä soá dao ñoäng taûi, coù giaù trò töø 1,1 ñeán 1,6. Choïn Cx = 1,2 Qui chuaån Löïc höôùng kính baèng löïc taùc duïng leân 1 caùnh cuûa cô caáu khuaáy (coù ñieåm ñaët löïc naèm caùch ñöôøng truïc cuûa truïc khuaáy moät ñoaïn rF): Nc: soá caùnh cuûa cô caáu khuaáy, Nc = 6 rF: khoaûng caùch töø ñieåm ñaët löïc FC ñeán truïc quay. rF = (0,7 _ 0,805)dk = (0,7 _ 0,805)0,1=(0,07 _ 0,08) m Choïn rF = 0,07 m Truïc ra cuûa boä truyeàn ñoäng laø truïc maùy khuaáy. Hộp đệm đặt ngay nắp thiết bị. Khoảng cách trục từ cánh khuấy đến hộp đệm +0,55 - 0,10= 0,58 m → Choïn caùch boá trí caû 2 oå ñôõ ñeàu ôû phía döôùi boä bieán toác vaø ngay treân hoäp ñeäm Khoảng cách giữa 2 ổ đỡ m. Chọn a = 0,10 m Khoaûng caùch töø hoäp ñeäm ñeán oå ñôõ thöù nhất . Chọn OÅ ñôõ thöù nhaát ñaët ngay phía treân naép thieát bò. → Chieàu daøi truïc khuaáy ñeán oå ñôõ thöù nhaát = 0,58 + 0,03 = 0,61 m OÅ ñôõ thöù hai ñaët ngay phía treân naép thieát bòMoment uoán ñaït cöïc ñaïi taïi vò trí oå thöù nhaát: ÖÙng suaát moûi cho pheùp: 128 x 106 N/m2 Trong ñoù: sm – giôùi haïn beàn moûi, N/m2 nm : heä soá an toaøn moûi, nm = 2_3. Choïn nm = 3 bb : heä soá taùc duïng baäc. Choïn bb = 1,2 kñ : heä soá ñoä lôùn, choïn sô boä ñöôøng kính truïc khuay dt = 12 mm, suy ra kñ = 1,02. Tính ñöôøng kính truïc theo xoaén vaø moûi ñoàng thôøi coù tính ñeán söï moûi: Vaäy ta choïn ñöôøng kính truïc khuaáy laø dtr = 14 mm. Lẽ ra ta phải tính lại a, , L, L1, nhưng do độ chênh lệch d tr sb và d tr không lớn, mặc khác các thông số trên đều được chọn theo dtr với hệ số tỷ lệ thuộc khoảng xác định. Do đó ta không cần tính toán lại. Kieåm tra öùng suaát töông ñöông: =130.106 N/m2 ( thoûa) Kieåm tra beàn cho truïc theo ñieàu kieän cöùng. Ñoä voõng cuûa truïc taïi caùc oå ñôõ: f0 = 6.10-4.dtr = 6.10-4.0,014 = 8,4.10-6 m Ñoä voõng toång cuûa truïc taïi tieát dieän coù cô caáu khuaáy: theo (5-40, tr 144, [5]) Trong ñoù: f0 : ñoä voõng cuûa truïc taïi caùc oå truïc E = 2,05.1011 N/m2 : Moâñun ñaøn hoài cuûa vaät lieäu. J: moment quaùn tính cuûa truïc: = 1,8910-9 Nm = 0,0096 m Ñoä voõng cuûa truïc taïi tieát dieän coù hoäp ñeäm: => fC’ = 10-3 m Kieåm tra ñieàu kieän cöùng: Vôùi cô caáu khuaáy: 0,10 m > fk = 0,0092 m Vôùi hoäp ñeäm: = 10-3 m Vaäy vôùi ñöôøng kính truïc khuaáy dtl = 14 mm thì ñieàu kieän cöùng ñöôïc ñaûm baûo. Toùm laïi, truïc khuaáy coù kích thöôùc nhö sau: Chieàu daøi truïc töø cô caáu khuaáy ñeán oå ñôõ thöù nhaát: L = 0,61 m Khoaûng caùch giöõa hai oå ñôõ laø: a = 0,10 m Khoaûng caùch töø hoäp ñeäm ñeán oå ñôõ thöù nhaát: = 0,03 m Ñöôøng kính truïc: dtr = 0,014 m Thiết bị khác trong qui trình Thieát bò ngöng tuï hoaøn löu methanol bay hôi: Heä thoáng ta thieát keá duøng ñeå khaûo saùt caùc heä soá thöïc nghieäm ôû caùc cheá ñoä vôùi tyû leä daàu cao su vaø Methanol khaùc nhau. Sinh haøn söû duïng caàn ñaûm baûo hoaït ñoäng toát vôùi moïi tyû leä mol daàu haït cao su vaø Methanol (töø 1:4 ñeán 1:20, thaäm chí cao hôn). Khi löôïng Methanol caøng chieám ña soá trong hoãn hôïp nhaäp lieäu, löôïng nhieät hao phí cho Ñieän trôû ta söû duïng ñeå caáp nhieät cho thieát bò coù coâng suaát thöïc laø 6 KW. Tröôøng hôïp trong thieát bò chöùa 100% Methanol, löôïng nhieät do ñieän trôû cung caáp ñöôïc chuyeån tröïc tieáp sang Methanol. Khi đó nhieät löôïng toái ña maø nöôùc caàn laáy baèng nhieät löôïng do Methanol nhaän tröïc tieáp töø ñieän trôû ( ôû ñaây ta xem nhieät maát maùt qua thaân thieát bò baèng 0, Methanol nhaän nhieät ñeàu hoùa hôi hoaøn toaøn) Trong ñoù, choïn nhieät ñoä nöôùc vaøo giaûi nhieät T1 = 270C; nhieät ñoä nöôùc ra T2 = 310C. Nhiệt độ hơi Metanol khoảng 50 đến 65 0C, thời gian lưu trung bình của nước trong sinh hàn không lớn - Löu löôïng hôi methanol ñi vaøo thieát bò ngöng tuï trong 1 giaây: Gh = 5,4.10-3 kg/s vôùi aån nhieät ngöng tuï cuûa methanol laø : rmethanol = 1118 kJ/kg. - Choïn thieát bò ngöng tuï kieåu voû oáng ñaët ñöùng. Caùc doøng löu chaát ñöôïc boá trí nhö sau: hôi ñi trong caùc oáng truyeàn nhieät, coøn nöôùc ñi ôû phía voû oáng . - OÁng truyeàn nhieät ñöôïc laøm baèng theùp X18H10T, kích thöôùc oáng laø 25 x 2 mm. Ñöôøng kính ngoaøi cuûa oáng laø dng = 25 mm = 0,025 m. Beà daøy oáng laø δ = 2 mm = 0,002 m. Ñöôøng kính trong cuûa oáng laø dtr = 21 mm = 0,021 m Chieàu cao oáng truyeàn nhieät laø lo = 30 cm = 0,3 m - Nöôùc ñi trong oáng coù nhieät ñoä vaøo laø T1 = 270C; nhieät ñoä nöôùc ra laø T2 = 410C. - Nhieät ñoä phía vaùch tieáp xuùc vôùi hôi methanol ngöng tuï laø Tw1; Nhieät ñoä phía vaùch tieáp xuùc vôùi nöôùc laø Tw2 - Löu löôïng nöôùc toái thieåu caàn duøng ñeå ngöng tuï löôïng methanol bay hôi: 0,1 kg/s - Choïn löu löôïng nöôùc thöïc teá duøng cho quaù trình giaûi nhieät gaáp khoaûng 2 laàn löu löôïng nöôùc toái thieåu: GNthöïc = 2 x 0,1 = 0,2 kg/s - Boá trí hai doøng löu chaát chuyeån ñoäng ngöôïc chieàu nhau neân cheânh leäch nhieät ñoä trung bình ñöôïc tính nhö sau: 30,47 K Trong ñoù: ∆T1 = Tnt – T1 = 65 – 27 = 38 K ∆T2 = Tnt – T2 = 65 – 41 = 24 K - Heä soá truyeàn nhieät toång quaùt K ñöôïc tính nhö sau : Vôùi : - Heä soá caáp nhieät cuûa nöôùc chaûy ngoaøi oáng; W/m2.K - Heä soá caáp nhieät cuûa hôi ngöng tuï trong oáng; W/m2.K - Nhieät trôû cuûa thaønh oáng vaø lôùp caùu ; m2.K/W Xaùc ñònh heä soá caáp nhieät phía nöôùc giaûi nhieät ñi ngoaøi oáng: - Nhieät ñoä trung bình cuûa nöôùc ñi trong oáng : Ttb = 0,5.(T1 + T2) = 0,5.(27 + 41) = 340C. - Taïi nhieät ñoä naøy thì: Khoái löôïng rieâng cuûa nöôùc: rn = 994 (kg/m3) Ñoä nhôùt cuûa nöôùc: nn = 7,23.10-7 (m2/s) Heä soá daãn nhieät cuûa nöôùc: ln = 0,626 (W/mK) Chuaån soá Prandtl: Prn = 4,9 - Theo [9, trang 176], vaän toác nöôùc ñi trong oáng ñöôïc choïn töø 0,3 ñeán 2 m/s. - Vaän toác thöïc teá cuûa nöôùc trong oáng: vn = 0,1 m/s Chuaån soá Reynolds: 3458 > 2300 =) nöôùc ñi ngoaøi oáng ôû cheá ñoä chaûy quaù ñoä AÙp duïng coâng thöùc [V.44, trang 16, 9] ñeå tính chuaån soá Nusselt phía nöôùc: Nu = Trong ñoù: k0 – heä soá phuï thuoäc Reynolds. Vôùi Re = 3458 , tra baûng [trang 16, 9], k0 = 10. - heä soá tính ñeán aûnh höôûng cuûa heä soá caáp nhieät theo tyû leä giöõa chieàu daøi l vaø ñöôøng kính d cuûa oáng. Ta coù: 12 , tra baûng V.2 [trang 15,9], = 1,2. Heä soá caáp nhieät phía nöôùc: Nhieät taûi cuûa nöôùc laøm laïnh : Xaùc ñònh nhieät trôû cuûa lôùp caùu: Trong ñoù: rcaùu 1 – nhieät trôû cuûa lôùp caùu phía hôi methanol ngöng tuï , m2.K/W δ = 0,002 m – chieàu daøy thaønh oáng theùp λ = 16,3 W/m.K – ñoä daãn nhieät cuûa theùp X18H10T. rcaùu 2 – nhieät trôû cuûa lôùp caùu phía nöôùc, m2.K/W Theo phuï luïc baûng 31, baûng tra cöùu quaù trình cô hoïc – truyeàn nhieät: rcaùu 1 = rcaùu 2 = m2.K/W ⇒ 5,23.10-4 m2.K/W Nhieät taûi qua thaønh oáng vaø lôùp caùu: Xaùc ñònh heä soá caáp nhieät cuûa hôi methanol ngöng tuï phía trong oáng: AÅn nhieät ngöng tuï : rmethanol = 1118 kJ/kg. Caùc thoâng soá hoaù lyù coøn laïi tra taïi nhieät ñoä trung bình Tm = Trong tröôøng hôïp naøy, caùc nhieät ñoä vaùch Tw1 vaø Tw2 ñeàu chöa bieát neân caàn choïn tröôùc giaù trò ñeå thöïc hieän vieäc tính toaùn. Quaù trình tính toaùn döïa treân söï caân baèng nhieät löôïng: löôïng nhieät truyeàn töø hôi methanol ngöng tuï ñeán vaùch ngoaøi qS, phaûi baèng vôùi löôïng nhieät truyeàn qua töôøng vaø lôùp caùu qw, vaø baèng vôùi löôïng nhieät truyeàn töø töôøng ñeán nöôùc qn. Choïn Tw1 = 630C (< TS = 650C): Tm = 0,5.(TS + Tw1) = 0,5.(65 + 63) = 640C. ∆T2 = TS – Tw1 = 65 – 63 = 20C 4511 W/m2.K qS = = 9021 W/m2 ∆Tw = qS.∑rw = 9021 x 5,23.10-4 = 4,7 K Tw2 = Tw1 - ∆Tw = 63 – 4,7 = 58,30C = 0,5.(63+ 58,3) = 60,60C ⇒ Prw = 2,98 αn = 674 W/m2.K qn = 16361 W/m2 Do qS vaø qn caùch nhau raát xa neân caàn tính laïi laàn 2. Chọn Tw1 = 600C (∆T1 = 3 K) Quaù trình tính toaùn töông töï laàn thöù nhaát thu ñöôïc keát quaû nhö baûng sau: Tw1 as qs DTw Tw2 an qn ∆q 60 3588 17940 9,4 50,6 55,3 659 10955 0,64 Keát quaû sai soá ∆q luùc naøy vaãn raát lôùn, caàn tính laëp laàn 3. ÔÛ laàn naøy, ta coù theå veõ ñöôøng thaúng noái 2 ñieåm öùng vôùi qS va øqn ñeå tìm giao ñieåm chính xaùc. Töø ñoà thò, ta coù theå choïn chính xaùc hôn Tw1 = 61,50C. Sau ñoù, tính toaùn kieåm tra xaùc ñònh laïi caùc thoâng soá chöa bieát thu ñöôïc baûng sau: Tw1 as qs DTw Tw2 an qn ∆q 61,5 3922,5 13729 7,2 54,3 57,9 666 13536 0,014 Nhö vaäy sai soá trong tröôøng hôïp naøy laø 1,4% < 5%, coù theå chaáp nhaän ñöôïc. Khi ñoù, an = 3922,5 W/m2.K vaø as = 666 W/m2.K Heä soá truyeàn nhieät toång quaùt K: 439 W/m2.K Dieän tích beà maët truyeàn nhieät : 0,45 m2 Soá oáng trong chuøm oáng laø: n = 14 Vaäy thieát bò ngöng tuï loaïi voû oáng coù caáu taïo nhö sau: Soá oáng truyeàn nhieät laø 14 oáng. Kích thöôùc oáng truyeàn nhieät: 25 x 2mm, chieàu cao oáng laø 0,4 m. Kích thước hình học của sinh hàn: tính toán 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 Thieát bò ngöng tuï nhaèm thu hoài Metanol töø pha glycerine: - Khi tieán haønh phaûn öùng xong moät meû (thôøi gian thöïc hieän phaûn öùng laø t1 = 60 phuùt) thì thöïc hieän quaù trình taùch pha ester vaø pha glycerine. Do baûn chaát hoaù hoïc cuûa methanol laø moät röôïu, neân coù khuynh höôùng di chuyeån vaøo pha glycerine khi thöïc hieän söï taùch pha. mmethanol dö = 3,83 Kg - Giaû ñònh thôøi gian chöng thu hoài methanol (töông öùng vôùi moät meû) laø t2 = 18 phuùt, vaø löôïng methanol bay hôi trong thôøi gian naøy baèng 80% löôïng methanol lyù thuyeát naèm trong pha glycerine. - Löu löôïng hôi methanol ñi vaøo thieát bò ngöng tuï: G’methanol = 2,8.10-3 kg/s - Löu löôïng nöôùc caàn thieát ñeå ngöng tuï methanol ñöôïc xaùc ñònh töø phöông trình caân baèng nhieät: G’methanol.rS = G’N.CN.(tNR – tNV) Trong ñoù: G’N - löu löôïng nöôùc caàn thieát , kg/s tNV = 270C - nhieät ñoä nöôùc ñi vaøo thieát bò ngöng tuï, 0C tNR = 410C - nhieät ñoä nöôùc ra khoûi thieát bò ngöng tuï, 0C → 0,054 kg/s - Choïn löôïng nöôùc thöïc teá caàn söû duïng ñeå ngöng tuï hôi methanol gaáp 1,5 laàn löôïng nöôùc caàn thieát: G’Ntt = 1,5.G’N = 1,5 . 0,054 = 0,081 kg/s - Choïn thieát bò ngöng tuï laø thieát bò trao ñoåi nhieät loaïi voû oáng ñaët ñöùng, oáng truyeàn nhieät ñöôïc laøm baèng theùp X18H10T. Ñöôøng kính ngoaøi cuûa oáng laø d’ng = 25 mm = 0,025 m. Beà daøy oáng laø δ’ = 2 mm = 0,002 m. Ñöôøng kính trong cuûa oáng laø d’tr = 21 mm = 0,021 m Chieàu cao oáng truyeàn nhieät laø l’o = 30 cm = 0,3 m - Boá trí caùc doøng löu chaát chuyeån ñoäng nhö sau: hôi methanol ngöng tuï phía ngoaøi oáng coøn nöôùc di chuyeån phía trong oáng. Cheânh leäch nhieät ñoä trung bình ñöôïc tính nhö sau: 30,47 K Trong ñoù: T1 = Tnt – TNV = 65 – 27 = 38 K T2 = Tnt – TNR = 65 – 41 = 24 K - Goïi nhieät ñoä phía vaùch tieáp xuùc vôùi hôi methanol ngöng tuï laø Tv1; nhieät ñoä phía vaùch tieáp xuùc vôùi nöôùc laø Tv2. - Heä soá truyeàn nhieät toång quaùt K ñöôïc tính nhö sau : Vôùi : - Heä soá caáp nhieät cuûa nöôùc chaûy ngoaøi oáng; W/m2.K - Heä soá caáp nhieät cuûa hôi ngöng tuï trong oáng; W/m2.K - Nhieät trôû cuûa thaønh oáng vaø lôùp caùu ; m2.K/W Xaùc ñònh heä soá caáp nhieät phía nöôùc giaûi nhieät : - Nhieät ñoä trung bình cuûa nöôùc ñi trong oáng : Ttb = 0,5.(T1 + T2) = 0,5.(27 + 41) = 340C. - Taïi nhieät ñoä naøy thì: Khoái löôïng rieâng cuûa nöôùc: rn = 994 (kg/m3) Ñoä nhôùt cuûa nöôùc: nn = 7,23.10-7 (m2/s) Heä soá daãn nhieät cuûa nöôùc: ln = 0,626 (W/mK) Chuaån soá Prandtl: Prn = 4,9 - Vaän toác thöïc teá cuûa nöôùc trong oáng: vn = 0,24 m/s Chuaån soá Reynolds cuûa nöôùc ñi trong oáng: 6880 > 2300 =) nöôùc ñi ngoaøi oáng ôû cheá ñoä chaûy quaù ñoä AÙp duïng coâng thöùc [V.44, trang 16, 9] ñeå tính chuaån soá Nusselt phía nöôùc: Nu = Trong ñoù: k0 – heä soá phuï thuoäc Reynolds Vôùi Re = 6880 , tra baûng [trang 16, 9], k0 = 22. - heä soá tính ñeán aûnh höôûng cuûa heä soá caáp nhieät theo tyû leä giöõa chieàu daøi l vaø ñöôøng kính d cuûa oáng. Choïn sô boä = 1 Heä soá caáp nhieät an phía nöôùc: Nhieät taûi cuûa nöôùc laøm laïnh : Xaùc ñònh nhieät trôû cuûa lôùp caùu: Trong ñoù: rcaùu 1 – nhieät trôû cuûa lôùp caùu phía hôi methanol ngöng tuï , m2.K/W δ = 0,002 m – chieàu daøy thaønh oáng theùp λ = 16,3 W/m.K – ñoä daãn nhieät cuûa theùp X18H10T. rcaùu 2 – nhieät trôû cuûa lôùp caùu phía nöôùc, m2.K/W Theo phuï luïc baûng 31, baûng tra cöùu quaù trình cô hoïc – truyeàn nhieät: rcaùu 1 = rcaùu 2 = m2.K/W ⇒ 5,23.10-4 m2.K/W Nhieät taûi qua thaønh oáng vaø lôùp caùu: Xaùc ñònh heä soá caáp nhieät cuûa hôi methanol ngöng tuï phía ngoaøi oáng: AÅn nhieät ngöng tuï : rmethanol = 1118 kJ/kg. Caùc thoâng soá hoaù lyù coøn laïi tra taïi nhieät ñoä trung bình Tm = Trong tröôøng hôïp naøy, caùc nhieät ñoä vaùch Tv1 vaø Tv2 ñeàu chöa bieát neân caàn choïn tröôùc giaù trò ñeå thöïc hieän vieäc tính toaùn. Quaù trình tính toaùn döïa treân söï caân baèng nhieät löôïng: löôïng nhieät truyeàn töø hôi methanol ngöng tuï ñeán vaùch ngoaøi qS, phaûi baèng vôùi löôïng nhieät truyeàn qua töôøng vaø lôùp caùu qw, vaø baèng vôùi löôïng nhieät truyeàn töø töôøng ñeán nöôùc qn. Choïn Tv1 = 630C (< TS = 650C): Trong tröôøng hôïp naøy, caùc nhieät ñoä vaùch Tv1 vaø Tv2 ñeàu chöa bieát neân caàn choïn tröôùc giaù trò ñeå thöïc hieän vieäc tính toaùn. Quaù trình tính toaùn döïa treân söï caân baèng nhieät löôïng: löôïng nhieät truyeàn töø hôi methanol ngöng tuï ñeán vaùch ngoaøi qS, phaûi baèng vôùi löôïng nhieät truyeàn qua töôøng vaø lôùp caùu qw, vaø baèng vôùi löôïng nhieät truyeàn töø töôøng ñeán nöôùc qn. Choïn Tv1 = 630C (< TS = 650C): Tm = 0,5.(TS + Tv1) = 0,5.(65 + 63) = 640C. ∆T1 = TS – Tw1 = 65 – 63 = 20C 4221,7 W/m2.K qS = = 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 = 0,5.(63+ 58,6) = 60,80C ⇒ Prw = 2,97 αn = 1471,4 W/m2.K qn = 36177 W/m2 Do qS vaø qn caùch nhau raát xa neân caàn tính laïi laàn 2. Chọn Tv1 = 550C (∆T1 = 10 K) Quaù trình tính toaùn töông töï laàn thöù nhaát thu ñöôïc keát quaû nhö baûng sau: Tv1 as qs DTv Tv2 an qn ∆q 55 2823,3 28232,5 14,8 40,2 47,6 1398 8725,3 0,69 Keát quaû sai soá ∆q luùc naøy vaãn raát lôùn, caàn tính laëp laàn 3. ÔÛ laàn naøy, ta coù theå veõ ñöôøng thaúng noái 2 ñieåm öùng vôùi qS va øqn ñeå tìm giao ñieåm chính xaùc. Töø ñoà thò, ta coù theå choïn chính xaùc hôn tw1 = 58,50C (sai soá laø 3,57 %) Khi ñoù, an = 1426 W/m2.K vaø as = 3144 W/m2.K Heä soá truyeàn nhieät toång quaùt K: 648,4 W/m2.K Dieän tích beà maët truyeàn nhieät : 0,16 m2 Toång chieàu daøi truyeàn nhieät : L = 2,2 m Kieåm tra laïi: L/d’tr = 4,1/0,021 = 195 > 50 neân choïn εl = 1 laø phuø hôïp. Vaäy thieát bò ngöng tuï loaïi voû oáng coù caáu taïo nhö sau: Soá oáng truyeàn nhieät laø 7 oáng. Kích thöôùc oáng truyeàn nhieät: 21 x 2mm, chieàu daøi oáng laø 0,35 m. Böôùc oáng: t = 1,35.d’ng = 1,35 . 25 = 34 mm Thiết bị tách pha: Hỗn hợp trong thiết bị có thể tích 30L. Hệ số chứa đầy: 0,8 →Thể tích thiết bị 37,5L Chọn thiết bị có đường kính 400 mm, đáy nón tiêu chuẩn, nắp phẳng. Đáy: Đáy góc 600: 2.R s 2.rđ r hđ r ht r Thể tích đáy nón: Đáy nón 600 tiêu chuẩn đường kính 400 mm có thể tích đáy là Qui chuẩn Chiều cao thiết bị tách pha: Thieát bò thu hoài Methanol töø pha Glycerine: Theå tích hoãn hôïp trong thieát bò Do theå tích hoãn hôïp G-M cuûa 1 meû khaù beù, neân ta doàn nhieàu meû laïi roài môùi xöû lí. Choïn soá meû laø 4. Theå tích laøm vieäc cuûa thieát bò laø 4 Choïn sô boä heä soá chöùa ñaày laø 0,7. Theå tích thieát bò sô boä laø Choïn thieát bò coù ñöôøng kính trong laø 300 mm, ñaùy naép elip. Caùc thoâng soá hình hoïc cuûa thieát bò nhaèm thu hoài Metanol töø pha Glycerine ñeàu gioáng nhö thieát bò phaûn öùng chính ñaõ tính ôû treân, chæ khaùc ôû chieàu cao thaân thieát bò. → Qui chuaån chieàu cao thieát bò Ht = 0,400 m. Chieàu cao thuyû tónh cuûa hoãn hôïp chaát loûng trong thieát bò 5: 0,307 m = 25= 0,432 m Bôm: i. Naêng suaát: - Theå tích hoãn hôïp loûng nhaäp lieäu: GF = 30 lít = 0,03 m3 - Thời gian bơm nhập liệu: = 2 phuùt - Suaát löôïng theå tích cuûa doøng nhaäp lieäu ñi trong oáng: QF = 1,8 (m3/h) Vaäy choïn bôm coù naêng suaát Qb = 2 (m3/h) ii. Coät aùp: - Choïn : Maët caét (1-1) laø maët thoaùng chaát loûng trong thieát bò khuaáy troän sô boä Maët caét (2-2) laø maët thoaùng chaát loûng trong thieát bò phaûn öùng - AÙp duïng phöông trình Bernoulli cho caùc maët caét (1-1) vaø (2-2): z1 + + + Hb = z2 + + +åhf1-2 Trong ñoù: z1: ñoä cao tính töø maët ñaát ñeán meùp treân thaân thieát bò 8. Choïn z1 = 20 mm z2: ñoä cao tính töø maët ñaát ñeán meùp treân thaân thieát bò 11. Choïn z2 = 240 + 50 = 290 mm v1,v2 : vaän toác taïi maët thoaùng chaát loûng ôû thieát bò 8 (maët 1-1) vaø maët thoaùng chaát loûng ôû thieát bò 11(2-2) Xem v1= v2 = 0(m/s). åhf1-2 : toång toån thaát trong oáng töø (1-1) ñeán (2-2). Hb : coät aùp cuûa bôm. Tính toång trôû löïc trong oáng: - Choïn ñöôøng kính trong cuûa oáng huùt vaø oáng ñaåy baèng nhau: dtr = 21 mm - Tra baûng II.15, trang 381, [8] Þ Ñoä nhaùm cuûa oáng: e = 0,1(mm) = 0,0001(m) - Toång trôû löïc trong oáng huùt vaø oáng ñaåy åhf1-2 = Trong ñoù: lh : chieàu daøi oáng huùt. Þ Choïn lh = 0,5 (m). lñ : chieàu daøi oáng ñaåy, choïn lñ = 3 (m). åxh : toång toån thaát cuïc boä trong oáng huùt. åxñ : toång toån thaát cuïc boä trong oáng ñaåy. l : heä soá ma saùt trong oáng huùt vaø oáng ñaåy. vF : vaän toác doøng nhaäp lieäu trong oáng huùt vaø oáng ñaåy (m/s). = 1,6 m/s Xaùc ñònh heä soá ma saùt trong oáng huùt vaø oáng ñaåy : = 39568 > 4000 => cheá ñoä chaûy xoaùy roái - Chuaån soá Reynolds giôùi haïn treân thuoäc khu vöïc nhaün thuyû hoïc: Regh = 37581 Trong ñoù: ε = 0,0001 m – ñoä nhaùm tuyeät ñoái - Chuaån soá Reynolds khi baét ñaàu xuaát hieän vuøng nhaùm: Ren = 90140 - Do Regh < ReF < Ren neân heä soá ma saùt λ ñöôïc tra theo baûng II.14, trang 379, [8] laø λ = 0,033. Xaùc ñònh toång toån thaát cuïc boä treân ñöôøng oáng huùt : Choã uoán cong : Tra baûng II.16, trang 382, [8]: Choïn daïng oáng uoán cong 90o coù baùn kính R vôùi R/d = 2 thì xu1 (1 choã) = 0,15 OÁng huùt coù 1 choã uoán Þ xu1 = 0,15. 1 = 0,15 Van : Tra baûng 9.5, trang 110, [16]: Choïn van caàu vôùi ñoä môû hoaøn toaøn thì xv1 (1 caùi) = 10. OÁng huùt coù 1 van caàu Þ xv1 = 10 Do ñoù, toång toån thaát cuïc boä treân ñöôøng oáng huùt laø: åxh = xu1 + xv1 = 10,15 Xaùc ñònh toång toån thaát cuïc boä treân ñöôøng oáng ñaåy : Choã uoán cong : Tra baûng II.16, trang 382, [8]: Choïn daïng oáng uoán cong 90o coù baùn kính R vôùi R/d = 2 thì xu2 (1 choã) = 0,15. OÁng ñaåy coù 3 choã uoán Þ xu2 = 0,15. 3 = 0,45 Van : Tra baûng 9.5, trang 110, [1]: Choïn van caàu vôùi ñoä môû hoaøn toaøn thì xv2 (1 caùi) = 10. OÁng ñaåy coù 1 van caàu Þ xv2 = 10 Vaøo thieát bò phaûn öùng : xcv = 1 Neân: åxñ = xu2 + xv2 + xcv = 0,45 + 10 + 1 = 11,45 Vaäy toång trôû löïc trong oáng huùt vaø oáng ñaåy laø: åhf1-2 == 0,019 m Tính coät aùp cuûa bôm: Hb = (z2 – z1) + åhf1-2 = (3 – 1) + 0,019 = 2,019 m 3. Coâng suaát: Choïn hieäu suaát cuûa bôm: hb = 0,9. Coâng suaát thöïc teá cuûa bôm: Nb = = 31,86 W Keát luaän: Bôm ly taâm ñöôïc choïn coù caùc thoâng soá sau: Naêng suaát: Qb = 2 (m3/h) Coät aùp: Hb = 2,02 (m) Coâng suaát: Nb = 50 W Tính toaùn tai ñôõ thieát bò: Tải trọng tối đa: Khoái löôïng thieát bò phaûn öùng: 22,91 Kg Khối lượng chất lỏng chứa trong thiết bị 14: Khối lượng 4 tấm chặn: Ngoài chịu tải trọng từ vật liệu làm thân thiết bị, làm tấm chặn, khối lượng hỗn hợp lỏng trong thiết bị..., tai đỡ còn chịu các tải trọng của các chi tiết đi kèm như ống nối, sinh hàn… Khối lượng trừ hao: 1,2 9,81 Tải trọng cho phép trên 1 tai treo Bệ 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,mm Htđ,mm Stđ,mm l,mm mtđ, Kg 42,5 0,24 80 55 70 125 4 30 0,53 Trong đó: Bề mặt đỡ : F Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ: q Khối lượng 1 tai đỡ: mtđ Btđ Htđđđ đ l L stđđđ Htđđđ B1đđ Vị trí đặt tai đỡ: Htđ Ht Thiết bị được gia nhiệt bằng vòng nhiệt, do đó vị trí gắn tai treo cần cao hơn vị trí mép trên của vòng nhiệt. Chiều cao mực lỏng trong thiết bị Chọn chiều cao mép trên của vòng nhiệt: Ở đây ta chọn vị trí tai đỡ: Boä phaän ñieàu khieån vaø ñieàu chænh nhieät ñoä cho voøng nhieät: PC, Win XP Mạch biến đổi Mạch công suất Vòng nhiệt Nhieät ñoä ñieän trôû aûnh höôûng tröïc tieáp ñeán nhieät ñoä hoãn hôïp trong thieát bò. Nhieät ñoä ñoù coù theå ñöôïc ñieàu khieån töï ñoäng baèng 2 caùch: Ñieàu khieån cheá ñoä ON-OFF: Phöông phaùp ñieàu khieån ON-OFF coøn ñöôïc goïi laø phöông phaùp ñoùng ngaét, töùc laø cô caáu chaáp haønh seõ ñoùng nguoàn ñeå cung caáp naêng löôïng ôû möùc toái ña cho thieát bò tieâu thuï nhieät neáu nhieät ñoä ñaët ( nhieät ñoä cuûa loûng caàn ñaït ñöôïc) lôùn hôn nhieät ñoä ño ( nhieät ñoä cuûa loûng ñöôïc xaùc ñònh nhôø vaøo thieát bò laáy tín hieäu nhieät ñoä). Ngöôïc laïi, maïch ñieàu khieån seõ ngaét maïch cung caáp naêng löôïng khi nhieät ñoä ñaët nhoû hôn nhieät ñoä ño. Moät vuøng treã ñöôïc ñöa vaøo ñeå haïn cheá taàn soá ñoùng ngaét nhö sô ñoà khoái: Vòng nhiệt Nguoàn chæ ñoùng khi sai soá e(k) = | nhieät ñoä ñaët – nhieät ñoä ño | Δ vaø ngaét khi |nhieät ñoä ñaët – nhieät ñoä ño| Δ. Nhö vaäy, nhieät ñoä ño seõ dao ñoäng quanh giaù trò ñaët vaø 2 Δ coøn ñöôïc goïi laø vuøng treã cuûa Rô le. Ñieàu khieån ON-OFF Öu ñieåm laø: Thieát bò tin caäy, ñôn giaûn, chaéc chaén, heä thoùng luoân hoaït ñoäng ñöôïc vôùi moïi taûi. Tính toaùn thieát keá ít phöùc taïp, deã daøng. Nhöôïc ñieåm: nhieät ñoä dao ñoäng quanh giaù trò ñaët, do ñoù khoâng duøng cheá ñoä ñieàu khieån ON-OFF khi caàn gia nhieät hoãn hôïp coù khoaûng sai soá nhieät ñoä nhoû. Tuy nhiên khuyết điểm này có thể hạn chế khi dùng phần tử đóng ngắt điện tử ở mạch công suất. Điện tử công suất là công nghệ biến đổi điện năng từ dạng này sang dạng khác trong đó các phần tử bán dẫn công suất đóng vai trò trung tâm. Bộ biến đổi điện tử công suất còn được gọi là bộ biến đổi tĩnh (static converter) để phân biệt với các máy điện truyền thống (electric machine) biến đổi điện dựa trên nguyên tắc biến đổi điện từ trường. Theo nghĩa rộng, nhiệm vụ của điện tử công suất là xử lý và điều khiển dòng năng lượng điện bằng cách cung cấp điện áp và dòng điện ở dạng thích hợp cho các tải. Tải sẽ quyết định các thông số về điện áp, dòng điện, tần số, và số pha tại ngõ ra của bộ biến đổi. Thông thường, một bộ điều khiển có hồi tiếp sẽ theo dõi ngõ ra của bộ biến đổi và cực tiểu hóa sai lệch giữa giá trị thực của ngõ ra và giá trị mong muốn (hay giá trị đặt). Ñieàu khieån PID (proportional integral derivative controller): Boä ñieàu khieån PID ñöôïc söû duïng raát roäng raõi trong thöïc teá ñeå ñieàu khieån nhieàu loaïi ñoái töôïng khaùc nhau nhö nhieät ñoä loø nhieät, toác ñoä ñoäng cô, möïc loûng trong boàn chöùa…Lyù do boä ñieàu khieån naøy ñöôïc söû duïng roäng raõi laø vì noù coù khaû naêng laøm giaûm (hoaëc trieät tieâu) ñoä giao ñoäng nhieät ñoä quanh giaù trò ñaët. Do söï thoâng duïng cuûa noù neân ngaøy caøng coù nhieàu haõng saûn xuaát thieát bò ñieàu khieån cho ra ñôøi caùc boä ñieàu khieån thöông maïi raát thoâng duïng. Vòng nhiệt Vôùi heä thoáng ta ñang thieát keá, ta choïn boä ñieàu khieån PID ñeå ñieàu khieån. Caøi ñaët ban ñaàu: nhieät ñoä ñaët vaø thôøi gian ñeå ñaït ñöôïc nhieät ñoä treân. Tín hieäu ñieàu khieån: laáy tín hieäu nhieät ñoä loûng trong thieát bò. Nguyeân lí hoaït ñoäng : 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 TAØI LIEÄU THAM KHAÛO: [1]: hoäi thaûo khoa hoïc [2]: Baùo caùo keát quaû [3]: Leâ Duy Huøng, Thieát keá phaân xöôûng cheá bieán Biodiesel töø môõ caù da trôn (60 taán daàu caù ngaøy), Luaän vaên toát nghieäp, 2008. [4]: Saûn xuaát [5]: Nguyeãn Minh Tuyeån, Quaù trình vaø thieát bò khuaáy troän trong coâng ngheä. [6]: Nguyeãn Vaên Luïa, Quaù trình vaø thieát bò coâng ngheä hoùa hoïc vaø thöïc phaåm, taäp 1 caùc quaù trình vaø thieát bò cô hoïc, quyeån 1 khuaáy laéng loïc. [7]: Nguyeãn Bin (chuû bieân), Soå tay Quaù trình vaø Thieát bò hoùa chaát taäp 1, NXB Khoa hoïc & Kyõ thuaät, Haø Noäi, 2004. [8]: Nguyeãn Bin (chuû bieân), Soå tay Quaù trình vaø Thieát bò hoùa chaát taäp 2, NXB Khoa hoïc & Kyõ thuaät, Haø Noäi, 2004. [9]:Hoà Leâ Vieân, tính toaùn thieát keá caùc chi tieát thieát bò hoùa chaát vaø daàu khí, ÑH Baùch Khoa Haø Noäi. [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 công nghệ sản xuất biodiesel từ dầu ăn 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 công nghệ hóa 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]: Nguyeãn Höõu Löông, Toång quan taøi lieäu veà caùc nghieân cöùu saûn xuaát biodiesel, Tröôøng Ñaïi hoïc Baùch Khoa Tp.HCM, 2005. [16]:Phaïm Vaên Boân, Quaù trình vaø thieát bò trong coâng ngheä hoaù hoïc & thöïc phaåm - Taäp 5 - Quyeån 1,Baøi taäp truyeàn nhieät, NXB ÑHQGTPHCM, 2004.