MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO THIẾT BỊ SẢN XUẤT BIODIESEL TỪ MỠ CÁ BASA

MO HèNH HOA & TOI ệU
TRONG CONG NGHE HOA HOẽC
ti:
Mễ T TON HC CHO THIT B SN XUT
BIODIESEL T M C BASA
Trỡnh by : Vừ Mnh Hoanh
2009
Mục lục
Phần I: Giới thiệu
Biodiesel
Nguyên liệu sản xuất
Phần II:
Tiếp cận hệ thống
Mô tả toán học
Quy hoạch thực nghiệm
Phần III: Ý nghĩa bài học
Tài liệu tham khảo
Phần I: Giới thiệu
•
Đặt vấn đề:
Động cơ Diesel được sử dụng rất phổ biến trên thế
giới do công suất lớn, dễ vận hành. Trong khi nguồn
nguyên liệu cho động cơ này ngày càng khan hiếm,
đồng thời khí thải của Diesel gây ô nhiễm môi trường
nghiêm trọng. Do vậy, việc tìm ra nguồn nhiên liệu
sạch, ổn định kinh tế hơn người ta tiến hành sản xuất
Biodiesel thay thế cho Diesel với công nghệ sản xuất
đơn giản, nguồn nguyên liệu dồi dào.
Phần I: Giới thiệu
Giới thiệu Diesel là gì?
Là sản phẩm của quá trình cracking dầu mỏ gồm có những loại

1,2,4 theo tiêu chuẩn của Mỹ ASTM(American Society for
Testing and Meterials) ASTM (American Society for Testing and
Meterials).
Loại 1: gồm những sản phẩm ở phân đoạn 179 – 270
o
C, sử dụng
cho những động cơ có tốc độ cao, thường xuyên thay đổi tải
trọng tốc độ.
Loại 2: sản phẩm của phân đoạn 180-340
o
C, sử dụng cho các
động cơ có tốc độ cao, tải trọng và tốc độ tương đối, chứa nhiều
alkyl mạch thẳng, vòng, alkyl benzen…
Loại 4: gồm nhiều sản phẩm có độ nhớt cao và hợp chất của
chúng với dầu, sử dụng cho động cơ có tốc độ thấp và trung
bình, tải trọng và tốc độ cố định
Phần I: Giới thiệu
•
Biodiesel là gì?
Biodiesel là sản phẩm của phản ứng giữa mỡ động vật hoặc
dầu thực vật với alcol trong sự hiện diện của xúc tác. Sản
phẩm của phản ứng này là hỗn hợp của Methyl ester được gọi
là Biodiesel và Glycerin.
R
1
; R
2
; R
3
trong sản phẩm là các hydrocacbon mạch dài của acid

béo chiếm lượng lớn trong dầu thực vật hoặc mỡ động vật từ đó
quyết định tính chất của Biodiesel
Phần I: Giới thiệu
1. Chỉ số cetan:
Là đại lượng không thứ nguyên nó đặc trưng cho sự bốc
cháy của nhiên liệu Biodiesel, nó được xem là biểu thị chất
lượng của Biodiesel.
Chỉ số này dựa trên khái niệm giống chỉ số octan trong xăng
dầu biểu thị sự bốc cháy của dầu mỏ
2. Độ nhớt:
Đặc trưng cho sự cản trở của chất lỏng do ma sát nội của
dòng, nó ảnh hưởng đến thiết bị phun trong buồng đốt và
tạo cặn trong thiết bị, tăng lượng khói xả, giảm tuổi thọ
động cơ.
Điều này giải thích tại sao dầu thực vật không được chấp
nhận như là một nhiên liệu thay thế cho diesel.
3. Ngoài ra còn có các chỉ số như nhiệt cháy, điểm vẫn đục,
nhiệt chảy, điểm chớp cháy.
Phần I: Giới thiệu
Phần I: Giới thiệu
Ưu điểm và Nhược điểm của Biodiesel
Ưu điểm:
Không chứa chất độc hại, là nhiên liệu ít gây ảnh hưởng đến
môi trường và sức khỏe con người, có thể sản xuất từ nội địa,
giảm bớt sự phụ thuộc vào dầu mỏ, có thể pha trộn với diesel
cho hỗn hợp đạt hiệu quả cao trong kỹ thuật, kinh tế, có tính
bôi trơn cao hơn diesel…
Nhược điểm:
Độ nhớt cao hơn diesel, dễ bị đông đặc ở các quốc gia có
nhiệt độ thấp…

Trong thực tế nó thường pha trộn với Diesel và cho hỗn hợp
có kí hiệu BXX, XX là phần trăm khối lượng của Biodisel
Ví dụ: B100, B20…
Phần I: Giới thiệu
Phần I: Giới thiệu
Nguyên liệu: Mỡ Cá Basa
•
Thuận lợi khi sản xuất Biodiesel ở Việt Nam
Có nguồn thủy sản phong phú, đặt biệt Đồng bằng sông Cửu
Long sản lượng cá tra, cá basa xuất khẩu hàng năm tăng lên
đáng kể trên 250.000 tấn, trong khi lượng mỡ là 30.000 tấn.
Do vậy, để tận dụng nguồn nhiên liệu dồi dào giá thành rẻ
bằng cách dùng vào sản xuất Biodiesel
Phần I: Giới thiệu
•
Thành phần chính mỡ cá basa:
Phần lớn là các ester và các acid béo tự do có mạch C từ C
12

đến C
22
trong đó hàm luợng
C
18
H
34
O
2
chiếm 40%
C

16
H
32
O
2
chiếm 28%
C
18
H
32
O
2
chiếm 13%
C
18
H
36
O
2
chiếm 8 %
C
14
H
28
O
2
chiếm 4 %
Còn lại là các phần khác trong mỡ cá basa
Phần I: Giới thiệu
Phần II: Tiếp cận hệ thống

•
Đối tượng:
Sản xuất nhiên liệu sạch Biodiesel từ mỡ cá basa và Alcol dưới
xúc tác NaOH.
Sạch: là loại bỏ được các hydrocacbon thơm và hợp chất của
lưu huỳnh
Phần II: Tiếp cận hệ thống
•
Động học của quá trình
TG : triglycerid DG : diglycerid
MD: monoglycerid GL: glycerin ROH: alcol
Phần II: Tiếp cận hệ thống
•
Thiết bị sản xuất là bồn
khuấy gia nhiệt có gắn thiết
bị ống sinh hàn để ngưng tụ
methanol bay hơi, vì sản
phẩm được sử dụng rộng
rãi trong công nghiệp nên
cần được sản xuất với quy
mô công nghiệp, dễ thực
hiện.
Phần II: Tiếp cận hệ thống
•
Các yếu tố ảnh hưởng quá trình
1. Hàm lượng xúc tác
2. Tỉ lệ Methanol/mỡ cá
3. Nhiệt độ phản ứng
4. Thời gian phản ứng
5. Nguyên liệu

6. Chế độ khuấy trộn
Phần II: Tiếp cận hệ thống
•
Ảnh hưởng của nguyên liệu:
Nguyên liệu dùng để điều chế Biodiesel rất đa dạng từ các loại
dầu thực vật, động vật, dầu ăn phế thải Mỗi loại nguyên liêu
khác nhau sẽ có thành phần khác nhau dẫn đến hiệu suất sản
phẩm khác nhau. ở đây được cố định là mỡ cá basa.
Phần II: Tiếp cận hệ thống
•
Ảnh hưởng của chế độ khuấy trộn
Khi Methanol và TG tiếp xúc sẽ phân thành hai lớp, làm giảm
sự khuếch tán và giảm tốc độ phản ứng. Do vậy, cần phải được
tăng cường hiệu quả truyền khối giữa các pha.
Phần II: Tiếp cận hệ thống
•
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Tốc độ phản ứng ứng phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ, theo
Van’t Hoff khi tăng nhiệt độ lên 10 lần thì tốc độ phản ứng
tăng lên từ 2-4 lần.
*10
n
t
t
K n
K
γ
+
=
Phần II: Tiếp cận hệ thống

•
Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
Nếu thời gian phản ứng ít thì TG chưa hoàn toàn chuyển hóa
thành Biodiesel, nhưng nếu thời gian phản ứng dài dưới tác
dụng của xúc tác sẽ sinh ra sản phẩm phụ làm hiệu suất của quá
trình giảm và quá trình tinh chế sản phẩm gặp nhiều khó khăn.
Phần II: Tiếp cận hệ thống
•
Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác
Chất xúc tác sẽ làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng,
thúc đẩy quá trình xảy ra nhanh hơn theo chiều được chọn.
Theo Arrhenius mối quan hệ giữa hằng số tốc độ phản ứng và
năng lượng hoạt hóa như sau:
*
E
RT
K A e
α
−
=
•
Xúc tác NaOH
Việc chọn xúc tác NaOH vì rẻ tiền, hoạt tính xúc tác mạnh, rút
ngắn thời gian phản ứng. Tuy nhiên, nó cũng gây ra phản ứng
xà phòng hóa với acid béo tự do làm tăng độ nhớt cho sản
phẩm khó khăn khi tinh chế sản phẩm. Thủy phân ester tạo ra
lượng nước đáng kể làm giảm hiệu suất sản phẩm.
Phần II: Tiếp cận hệ thống
•
Ảnh hưởng của tỉ lệ tác chất tham gia

Dựa theo nguyên lý dịch chuyển cân bằng của Lơ Sa-tơ-li-ê.
Khi tăng nồng độ các chất phản ứng thì cân bằng dịch chuyển
theo chiều giảm nồng độ tác chất
Phần II: Mô tả toán học
Phần II: Quy hoạch thực nghiệm
•
Sử dụng quy hoạch trực giao cấp 2
Định nghĩa:
Xây dựng quy trình thí nghiệm và xử lý sô liệu dựa trên một số
tiêu chí giồng QHTG cấp 1, được sử dụng khi quy hoạch tuyến
tính không tương thích với mô hình thực tế.
Xöû lyù mỡ
Nhiệt độ phản ứng
Thời gian phản ứng
Hàm lượng xúc tác
Tỉ lệ tác chất
Khối lượng biodiesel
y = b
0
+ b
1
x
1
+ … + b
k
x
k
+ b
12
x

1
x
2
+ … + b
11
x
1
2
+ … + b
kk
x
k
2
Phần II: Quy hoạch thực nghiệm
•
Xác định tâm phương án bằng phương pháp
luân phiên từng biến.
Theo phương án này với 4 biến ta cố định 3 biến và
cho biến còn lại thay đổi để khảo xác miền giới hạn
của biến.