Đang tải... (xem toàn văn)
Mô phỏng và tối ưu hóa quá trình chuyển hóa biodiesel từ mỡ cá trên cơ sở ngôn ngữ lập trình matlab
Trang 1 LỜI CẢM ƠN Luận văn tốt nghiệp MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA BIODIESEL TỪ MỠ CÁ TRÊN CƠ SỞ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH MATLAB đã được hoàn thành nhờ sự giúp đỡ vô cùng quý giá của gia đình, thầy cô, nhà trường và bạn bè. Bằng tất cả lòng chân thành của mình, con xin được nói lời cảm ơn đến cha mẹ, bà ngoại, anh, chị, em và mọi người trong gia đình. C ảm ơn mọi người đã luôn bên con, động viên con, giúp đỡ con, tạo mọi điều kiện cho con hoàn thành xuất sắc luận văn tốt nghiệp. Tôi xin cảm ơn thầy PGS.TSKH. Lê Xuân Hải. Thầy là người trực tiếp giúp tôi, hướng dẫn tôi từng bước một đi đến hoàn thành luận văn tốt nghiệp một cách tốt đẹp. Tôi xin được xưng “con” với thầy để bày tỏ lòng kính trọng với một người thầy tâm huyết với nghề. Thầy không những giúp tôi về mặt vật chất, thầy còn dạy tôi nhiều điều trong cuộc sống. Làm việc với thầy, tôi thấy mình còn nhiều điều cần phải học để hoàn thiện bản thân. Tôi xin cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Công Nghệ Chế Biến Dầu Khí, bộ môn Quá Trình và Thiết Bị, bộ môn Hữu Cơ, cảm ơn tất cả các thầy cô thuộc Khoa Kỹ Thuật Hóa Học, cảm ơn Trường Đại Học Bách Khoa TpHCM đã t ạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Tôi xin cám ơn những người bạn của tôi (anh Hùng, anh Long, anh Đăng, Tùng, My, Nguyên, anh Lợi và các bạn khác), những người đã đóng góp cho tôi những ý kiến, cùng tôi giải quyết những khúc mắc, khó khăn trong lúc nghiên cứu. Mọi người luôn là bạn tốt của tôi. Tôi xin cám ơn một người, người này đã động viện tôi, cho tôi thêm nghị lực để tôi có được thành công này. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn chính bản thân mình đã cố gắng và đã không phụ lòng những người đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn. Nhân dịp tết sắp đến, tôi xin chúc cha mẹ, ngoại, mọi người trong gia đình, thầy Lê Xuân Hải, quí thầy cô thuộc các bộ môn trong khoa Kỹ Thuật Hóa Học, và toàn thể thầy cô, công nhân viên trường Đại Học Bách Khoa TpHCM một năm mới an khang thịnh vượng. Chúc tất cả mọi người có một cái tết thật vui vẻ bên gia đình và bạn bè. Trang 2 Trang 3 NỘI DUNG LỜI MỞ ĐẦU . 7 CHƯƠNG 1 DIESEL VÀ BIODIESEL 9 I. DIESEL 9 II. BIODIESEL . 12 1. Giới thiệu 12 2. Tình hình sử dụng nhiên liệu diesel trên thế giới và Việt Nam 14 2.1. Trên thế giới 14 2.2. Tại Việt Nam . 15 3. Nguyên liệu sản xuất biodiesel . 15 3.1. Các nguồn nguyên liệu chính 15 3.2. Giới thiệu về nguồn nguyên liệu mỡ cá tra . 18 III. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN 20 1. Tình hình nghiên cứu 20 2. Nhiệm vụ luận văn 23 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 25 I. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIODIESEL 25 1. Các phản ứng hóa học trong quá trình chuyển hóa biodiesel từ mỡ cá 25 2. Xúc tác kiềm . 25 3. Qui trình công nghệ tiêu biểu 27 II. GLYCERINE . 29 1. Một số tính chất và ứng dụng của Glycerine 29 2. Các phản ứng hóa học của quá trình loại xà phòng trong tinh chế glycerine . 32 III. MÔ HÌNH HÓA – TỐI ƯU HÓA 33 1. Mô hình hóa 33 1.1. Khái niệm 33 1.2. Thủ tục xây dựng mô tả toán học 33 2. Tối ưu hóa . 34 2.1. Các thành phần cơ bản của bài toán tối ưu . 34 2.2. Phát biểu bài toán tối ưu . 34 2.3. Thủ tục xác lập và giải bài toán tối ưu 35 2.4. Nguyên lý cực đại . 35 CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA BIODIESEL TỪ MỠ CÁ TRÊN CƠ SỞ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH MATLAB 41 Trang 4 I. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA BIODIESEL . 41 II. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA BIODIESEL TRÊN CƠ SỞ NGÔN NGỮ MATLAB 50 1. Khái quát . 50 2. Mô hình 1 bình phản ứng chuyển hóa gián đoạn 52 3. Mô hình 1 bình phản ứng chuyển hóa liên tục 55 4. Mô hình 2 bình phản ứng nối tiếp nhau, chuyển hóa liên tục . 55 5. Mô hình 3 bình phản ứng nối tiếp nhau, chuyển hóa liên tục . 56 III. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ BÀN LUẬN . 56 1. Mô phỏng quá trình chuyển hóa xảy ra trong 1 thiết bị khuấy lí tưởng hoạt động gián đoạn 56 1.1. Mô phỏng một chế độ chuyển hóa biodiesel 56 1.2. Mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian và tỉ lệ mole methanol:mỡ cá . 60 2. Mô phỏng quá trình chuyển hóa xảy ra trong 1 thiết bị khuấy lí tưởng hoạt động liên tục 64 2.1. Chuyển hóa biodiesel liên tục ở chế độ nhiệt độ 323 K (50 0 C)=const, tỉ lệ mole methanol:mỡ cá= 7:1 trong dòng nguyên liệu đầu vào. . 64 2.2. Chuyển hóa biodiesel liên tục ở chế độ nhiệt độ 328 K (55 0 C)=const, tỉ lệ mole methanol:mỡ cá =7:1 trong dòng nguyên liệu đầu vào. . 65 2.3. Chuyển hóa biodiesel liên tục ở chế độ nhiệt độ 323 K (50 0 C)=const, tỉ lệ mole methanol:mỡ cá =8:1 trong dòng nguyên liệu đầu vào. . 66 3. Mô phỏng quá trình chuyển hóa trong hệ thống gồm 2 thiết bị khuấy lí tưởng gắn nối tiếp nhau, hoạt động liên tục . 67 4. Mô phỏng quá trình chuyển hóa trong hệ thống 3 thiết bị khuấy lí tưởng nối tiếp nhau, hoạt động liên tục . 69 5. Bàn luận kết quả mô phỏng 71 IV. TỐI ƯU QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA BIODIESEL GIÁN ĐOẠN . 72 1. Xây dựng bài toán tối ưu . 72 2. Giải tìm nghiệm BTTU . 73 3. Kết quả tính toán tối ưu 75 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TINH CHẾ GLYCERINE 83 I. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 83 1. Nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ, thiết bị sử dụng 83 1.1. Nguyên liệu . 83 1.2. Hóa chất sử dụng 83 1.3. Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm . 83 2. Phương pháp thí nghiệm . 84 II. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 86 1. Kết quả thí nghiệm 86 Trang 5 2. Bàn luận 89 III. ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH TINH CHẾ 90 1. Giai đoạn phản ứng loại xà phòng 90 2. Mô hình tháp chưng cất 2 cấu tử . 92 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99 I. KẾT LUẬN 99 II. KIẾN NGHỊ . 100 1. Khảo sát các công đoạn của qui trình gián đoạn . 100 2. Phát triển qui trình liên tục 101 PHỤ LỤC 105 Pl-1. GIỚI THIỆU VỀ MATLAB . 105 1. Khái niệm 105 2. Phần mềm bao gồm các thành phần 106 3. Lịch sử hình thành 106 4. Một số phép toán cơ bản trong MATLAB 108 4.1. Các lưu ý: 108 4.2. Một số phép toán và lệnh 108 PL-2. CODE LẬP TRÌNH . 110 1. Các kí hiệu dùng trong lập trình mô phỏng 110 2. Các hàm số 118 3. Code lập trình cho các mô hình 119 3.1. Mô hình 1 bình phản ứng khuấy lí tưởng hoạt động gián đoạn 119 3.2. Mô hình 1 bình phản ứng khuấy lí tưởng hoạt động liên tục 123 3.3. Mô hình 2 bình phản ứng khuấy lí tưởng nối tiếp nhau hoạt động liên tục 125 3.4. Mô hình 3 bình phản ứng khuấy lí tưởng nối tiếp nhau hoạt động liên tục 127 4. Code lập trình tối ưu . 131 PL-3. QUY TRÌNH XỬ LÝ GLYCERINE 140 1. Xử lý loại xà phòng . 140 2. Tẩy màu glycerine 141 3. Kiểm tra pH và trung hòa acid 141 4. Kết tinh loại muối . 142 5. Cô quay chân không thu hồi methanol và nước 142 6. Xác định độ tính khiết của glycerine (hay hàm lượng glycerine) . 143 7. Đo độ trắng (độ màu) 143 TÀI LIỆU THAM KHẢO 145 Trang 6 Trang 7 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, nhu cầu sử dụng nhiên liệu và sản phẩm dầu mỏ phát triển mạnh dẫn đến phát sinh nhiều vấn đề cần được giải quyết như: nhiên liệu ngày càng cạn kiệt, nạn ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ, các lò đ ốt công nghiệp ngày càng gia tăng. Điều này đang đòi hỏi các nhà khoa học phải nghiên cứu tìm ra các biện pháp nhằm góp phần giải quyết các vấn đề còn tồn tại trong lĩnh vực sản xuất và sử dụng nhiên liệu. Nhiên liệu sinh học đã mở ra một trang mới trong lĩnh vực nhiên liệu. Ngoài chức năng như một phụ gia tăng cường oxy cho quá trình cháy, nhiên liệu sinh học còn thay thế nhiên liệu khoáng đang ngày càng cạn kiệt, bởi đây là nhiên liệu có thể tái sinh được. Hiện nay, nhiên liệu sinh học chủ yếu là biodiesel và bioethanol. Hai loại nhiên liệu sinh học này được dùng khá phổ biến để pha chung nhiên liệu hóa thạch với tỉ lệ thích hợp, đảm bảo cho động cơ hoạt động bình thường. Ở Việt Nam, việc sản xuất biodiesel chỉ mới xuất hiện trong khoảng vài năm gần đây và chỉ ở mức sản xuất thử nghiệm. Đã có nhiều đề tài về nghiên cứu cải thiện qui trình sản xuất biodiesel, nhằm tìm ra chế độ tốt nhất cho quá trình sản xuất biodiesel. Các nghiên cứu qui trình sản xuất biodiesel thường tiến hành theo con đường thực nghiệm nên đòi hỏi nhiều công sức tiền của và thời gian. Việc ứng dụng phương pháp mô hình hóa toán học và mô phỏng sẽ là những hỗ trợ hữu hiệu cho những nghiên cứu thực nghiệm. Bởi vậy luận văn này đã đư ợc thực hiện theo định hướng sử dụng công cụ mô tả toán học, mô phỏng nhờ ngôn ngữ lập trình để góp phần thúc đẩy nghiên cứu quá trình sản xuất Biodiesel. Trang 8 Trang 9 CHƯƠNG 1 DIESEL VÀ BIODIESEL I. DIESEL [11] Nhiên liệu diesel là sản phẩm của quá trình chưng cất trực tiếp dầu mỏ (còn gọi là petrodiesel), với khoảng nhiệt độ sôi từ 250 đến 370 0 C, với số nguyên tử cacbon từ C 14 đến C 20 . Petrodiesel được sử dụng chủ yếu cho động cơ diesel (ngoài ra một phần sử dụng cho các tuabin khí). Động cơ diesel được phát minh bởi Rudolf Diesel. Động cơ này ra đời sớm nhưng không phát triển như động cơ xăng do gây nhiều tiếng ồn, khí thải bẩn. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của kỹ thuật công nghệ, các vấn đề được giải quyết và động cơ diesel ngày càng trở nên phổ biến và hữu dụng hơn. Nhờ vào những ưu điểm vượt trội của động cơ diesel như tiết kiệm nhiên liệu và khả năng duy trì công suất trong những điều kiện hoạt động rộng, động cơ diesel được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp như dùng làm động cơ cho xe tải, máy xây dựng, nông nghiệp, công nghiệp nhẹ, các nhà máy điện và tàu thủy . Động cơ diesel cũng làm việc theo nguyên tắc 4 chu kỳ (hút, nén, nổ, xả) như động cơ xăng nhưng khác động cơ xăng ở chỗ: Hình 1- Sơ đồ cấu tạo động cơ diesel - Trong động cơ xăng, hỗn hợp xăng và không khí được phun trực tiếp vào trong xilanh sau khi đã được phối trộn trước; còn ở động cơ diese l, không khí được hút vào trước trong xilanh và nén ở áp suất cao tạo ra môi trường có nhiệt độ cao, sau đó diesel mới được bơm cao áp phun vào. - Động cơ xăng dùng bugi đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp xăng và không khí; còn ở động cơ diesel, diesel sẽ tự bốc cháy ở nhiệt độ cao và áp suất cao trong xilanh. Trang 10 Những yêu cầu đối với nhiên liệu diesel gồm có: - Độ nhớt thấp đảm bảo nhiên liệu được cấp liên tục vào buồng cháy, phù hợp với quá trình làm việc của động cơ. - Có khả năng tự cháy và bay hơi phù hợp để động cơ khởi động dễ dàng, có tốc độ tăng áp suất xi lanh không quá lớn và có tốc độ cháy đủ lớn. - Ít đóng cặn trong hệ thống cấp nhiên liệu và trong xy lanh. - Có tính ăn mòn thấp. Để đánh giá chất lượng petrodiesel, hiện nay người ta đang sử dụng trên dưới 20 chỉ tiêu kỹ thuật khác nhau [bảng 1], trong đó một số chỉ tiêu quan trọng được nêu dưới đây: - Trị số cetane: Đây là chỉ tiêu chất lượng quan trọng nhất của nhiên liệu diesel, đặc trưng cho khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu diesel. Trị số cetane là một đại lượng quy ước, có giá trị (là một số nguyên nhận giá trị từ 0 đến 100) bằng tỷ số phần trăm thể tích của n-cetane (C 16 H 34 ) trong hỗn hợp của nó với α-methyl naphthalene (C 10 H 7 CH 3 ) sao cho hỗn hợp này có khả năng tự bốc cháy tương đương với mẫu nhiên liệu diesel trong điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn (theo quy ước thì α-methyl naphthalene có trị số cetane bằng 0 và n -heptane có trị số cetane bằng 100). Trị số cetane được xác định theo phương pháp thử ASTM-D.613. Tuy nhiên phương pháp thử này tốn rất nhiều thời gian và nhiên liệu chuẩn nên người ta đề nghị ra phương pháp tính toán trị số cetane ước lượng và được gọi là chỉ số cetane. Việc tính toán này dựa trên một số yếu tố của diesel như tỉ trọng, nhiệt độ sôi trung bình, . - Độ nhớt: đây cũng là một chỉ tiêu rất quan trọng đối với nhiên liệu diesel vì độ nhớt ảnh hưởng đến khả năng bơm và phun nhiên liệu vào xilanh. Độ nhớt động học được xác định ở 40 0 C theo phương pháp thử ASTM-D.445 (TCVN 3171-1995). - Nhiệt trị: là lượng nhiệt toả ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng nhiên liệu. - Hàm lượng lưu huỳnh: với áp suất cao và nhiệt độ cao trong xilanh, lưu huỳnh trong diesel có thể bị đốt cháy để tạo thành SO 2 , SO 3 gây ăn mòn các chi tiết trong xilanh. Ngoài ra các hợp chất của S khác như mercaptan (RSH) khi phân huỷ tạo ra cặn rất cứng bám vào piston, xilanh. - Nhiệt độ đông đặc: là nhiệt độ cao nhất mà sản phẩm dầu lỏng đem làm lạnh trong điều kiện nhất định không còn chảy được nữa. Nhiệt độ đông đặc ảnh hưởng đến khả năng sử dụng nhiên liệu trong điều kiện nhiệt độ thấp (như khi thời tiết mùa đông). - Nhiệt độ chớp cháy: là nhiệt độ mà tại đó, khi sản phẩm dầu được đốt nóng, hơi của nó thoát ra sẽ tạo với không khí xung quanh một hỗn hợp mà nếu ngọn lửa đến gần chúng sẽ bùng cháy. Xác định nhiệt độ chớp cháy có ý nghĩa rất quan trọng trong việc tồn trữ và bảo quản nhiên liệu. Nếu nhiệt độ chớp cháy thấp, khi bảo quản trong bể chứa ngoài trời nắng nóng phải đề phòng có tia lửa điện ở gần để tránh cháy nổ. [...]... một sản phẩm phụ của q trình chuyển hóa biodiesel đã được thực hiện ở qui mơ pilot Trang 24 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT I CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT BIODIESEL 1 Các phản ứng hóa học trong q trình chuyển hóa biodiesel từ mỡ cá Hiện nay, biodiesel chủ yếu được sản xuất từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật Q trình được thực hiện thơng qua phản ứng chuyển vị ester của các triglyceride có trong dầu mỡ với tác nhân alcol... tìm nghiệm tối ưu - Kiểm tra kết quả, đánh giá độ nhạy, cơng nhận kết quả Tùy thuộc vào từng BTTU cụ thể sẽ có các phương pháp tối ưu thích hợp được sử dụng để xác định các nghiệm tối ưu Trong luận văn này BTTU được xây dựng trên cơ sở các phương trình vi phân Phương pháp cho BTTU này sẽ là phương pháp mang tên ngun lý cực đại 2.4 Ngun lý cực đại Các khái niệm cơ bản Xét q trình cơng nghệ hóa học được... tốn học, với sự hỗ trợ của ngơn ngữ lập trình MATLAB, mơ phỏng đánh giá sự ảnh hưởng của các thơng số cơng nghệ tới hiệu quả chuyển hóa biodiesel từ mỡ cá Trang 23 b Ứng dụng ngun lý cực đại Pontryagin xác định các hàm điều khiển tối ưu (nhiệt độ Topt(t), suất lượng dòng methanol u2opt(t)) đảm bảo q trình chuyển hóa Biodiesel đạt được hiệu suất chuyển hóa mong muốn trong thời gian ngắn nhất (bài tốn... mục đích tối ưu, phải ln xác định mục tiêu muốn hướng đến Mục tiêu đó có thể là tối thiểu về chi phí, hay cực đại về lợi nhuận, hay tối ưu về thời gian phản ứng 2.1 Các thành phần cơ bản của bài tốn tối ưu - Đối tượng cơng nghệ: ta phải xác định cho được vấn đề mà ta cần giải quyết là trên đối tượng cơng nghệ nào Đây là bước tối cần thiết trong bài tốn mơ hình hóa cũng như bài tốn tối ưu - Các đại lượng... hiện việc khuấy trộn, bằng cách bố trí cánh khuấy (5) trong thiết bị Trong thiết bị phản ứng sẽ xảy ra đồng thời các q trình: q trình phả n ứng chuyển vị ester, q trình trao đổi nhiệt và q trình khuấy trộn nhằm thúc đẩy q trình phản ứng xảy ra;q trình bốc hơi và ngưng tụ của metanol; tổn thất nhiệt ra ngồi mơi trường trong các q trình đó thì q trình bốc hơi của metanol là q trình Trang 28 quan trọng... xuất biodiesel từ dầu thải” là đáng giá về mặt kinh tế và mơi trường 2 Nhiệm vụ luận văn Luận văn này được thực hiện trong khn khổ của đề tài nghiên cứu trọng điểm của ĐHQG Tp.HCM (tên đề tài: Nghiên cứu cơng nghệ chế biến Biodiesel từ mỡ cá da trơn phế thải và từ dầu hạt cây cao su Mã số: B2008 – 20 – 03 TD) với các nội dung sau: a Ứng dụng cơng cụ mơ hình hóa tốn học, với sự hỗ trợ của ngơn ngữ lập trình. .. khan biodiesel Hình 3 - Sơ đồ qui trình điều chế biodiesel dùng xúc tác kiềm 3 Qui trình cơng nghệ tiêu biểu [11] Với nguồn ngun liệu mỡ cá có hàm lượng acid béo tự do thấp (AV . c n t n t i trong l nh v c s n xu t v s d ng nhi n li u. Nhi n li u sinh h c đã m ra m t trang m i trong l nh v c nhi n li u. Ngo i ch c n ng nh m t. t t nh t cho qu tr nh s n xu t biodiesel. C c nghi n c u qui tr nh s n xu t biodiesel thư ng ti n h nh theo con đư ng th c nghi m n n đ i h i nhi u c ng
