Lập trình kiểm soát nhiệt độ thiết bị phản ứng hóa học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----***----

Đỗ Đình Khải

LẬP TRÌNH KIỂM SỐT NHIỆT ĐỘ
THIẾT BỊ PHẢN ỨNG HÓA HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2012


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----***----

Đỗ Đình Khải

LẬP TRÌNH KIỂM SỐT NHIỆT ĐỘ
THIẾT BỊ PHẢN ỨNG HĨA HỌC

Chun ngành: Hóa kỹ thuật
Mã số: 62 44 37

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS. Hoàng Văn Hà

Hà Nội – 2012

MỤC LỤC

MỤC LỤC ......................................................................................................... 5 
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... 7 
DANH MỤC BẢNG ......................................................................................... 8 
DANH MỤC HÌNH ........................................................................................ 10 
LỜI NĨI ĐẦU ................................................................................................ 14 
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................... 15 
1.1. Biodiezen .................................................................................................. 15 
1.1.1. Khái niệm và các ưu nhược điểm trong quá trình sử dụng ............... 15 
1.1.2. Các tiêu chuẩn kỹ thuật ..................................................................... 16 
1.1.3. Tổng hợp biodiezen ........................................................................... 19 
1.1.3.1. Một vài nguyên liệu phổ biến .................................................... 19 
1.1.3.2. Một vài phương pháp tổng hợp .................................................. 19 
1.2. Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt .................................................................. 24 
1.2.1. Một vài thiết bị trao đổi nhiệt thường gặp......................................... 24 
1.2.2. Tính tốn truyền nhiệt ....................................................................... 26 
1.3. Mơ phỏng q trình sử dụng Matlab – Simulink ..................................... 30 
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TỐN............... 34 
2.1. Đặt vấn đề................................................................................................. 34 
2.2. Thành phần dầu đậu nành nhãn hiệu Simply ........................................... 36 
2.3. Động học của phản ứng chuyển đổi este.................................................. 38 
2.4. Khối lượng riêng ...................................................................................... 47 

5


2.5. Nhiệt dung riêng ....................................................................................... 51 

2.6. Độ dẫn nhiệt ............................................................................................. 54 
2.7. Độ nhớt ..................................................................................................... 56 
2.8. Hệ số truyền nhiệt chung ......................................................................... 61 
2.9. Tính tốn q trình truyền nhiệt ............................................................... 61 
2.10. Mơ phỏng q trình truyền nhiệt............................................................ 70 
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 71 
3.1. Biến thiên nồng độ các chất và độ chuyển hóa ........................................ 71 
3.2. Kiểm sốt nhiệt độ cho quá trình truyền nhiệt trong thiết bị CSTR ........ 84 
3.3. Ảnh hưởng của các điều kiện phản ứng tới việc kiểm sốt nhiệt độ phản
ứng và q trình truyền nhiệt .......................................................................... 87 
3.3.1. Kết quả mô phỏng Simulink khi các điều kiện phản ứng được giữ ổn
định .............................................................................................................. 88 
3.3.2. Kết quả mô phỏng Simulink khi thay đổi nhiệt độ dịng ngun liệu
..................................................................................................................... 89 
3.3.3. Kết quả mơ phỏng Simulink khi thay đổi lưu lượng dòng cấp nhiệt 90 
3.3.4. Kết quả mô phỏng Simulink khi thay đổi đồng thời nhiệt độ phản ứng
và lưu lượng dòng cấp nhiệt ........................................................................ 92 
3.3.5. Kết quả mô phỏng Simulink khi thay đổi đồng thời lưu lượng dòng
cấp nhiệt, nhiệt độ và lưu lượng dòng nguyên liệu ..................................... 94 
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 97 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 100 

6


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1. Tiêu chuẩn chất lượng biodiezen của ASTM D 6751 ................. 16
Bảng 1.2. Tiêu chuẩn chất lượng biodiezen của EN 14214 ......................... 17
Bảng 1.3. Hiệu suất bị ảnh hưởng bởi thời gian và nhiệt độ phản ứng ........ 21

Bảng 2.1. Thành phần axit béo trong dầu ăn Simply ................................... 36
Bảng 2.2. Thành phần axit béo chính trong dầu ăn Simply ......................... 38
Bảng 2.3. Các giá trị hằng số ko.................................................................... 41
Bảng 2.4. Năng lượng hoạt hóa .................................................................... 41
Bảng 2.5. Sự phụ thuộc khối lượng riêng của dầu ăn vào nhiệt độ.............. 47
Bảng 2.6. Sự phụ thuộc khối lượng riêng của metanol vào nhiệt độ ........... 48
Bảng 2.7. Sự phụ thuộc khối lượng riêng của glyxerol vào nhiệt độ ........... 49
Bảng 2.8. Sự phụ thuộc khối lượng riêng của nước (ρ1) vào nhiệt độ ......... 49
Bảng 2.9. Nhiệt dung riêng của dầu đậu nành phụ thuộc nhiệt độ ............... 51
Bảng 2.10. Nhiệt dung riêng của metanol phụ thuộc nhiệt độ ..................... 52
Bảng 2.11. Nhiệt dung riêng của nước phụ thuộc nhiệt độ .......................... 53
Bảng 2.12. Độ dẫn nhiệt của metanol phụ thuộc nhiệt độ............................ 54
Bảng 2.13. Độ dẫn nhiệt của nước phụ thuộc nhiệt độ ................................ 55
Bảng 2.14. Độ nhớt dầu đậu nành phụ thuộc nhiệt độ ................................. 56
Bảng 2.15. Độ nhớt của metanol phụ thuộc nhiệt độ ................................... 57
Bảng 2.16. Độ nhớt của glyxerol phụ thuộc nhiệt độ ................................... 57
Bảng 2.17. Độ nhớt của nước phụ thuộc nhiệt độ ........................................ 58

8


Bảng 2.18. Độ nhớt một vài metyl este phụ thuộc nhiệt độ ......................... 59
Bảng 3.1. Nồng độ các chất tại thời điểm kết thúc phản ứng tại chế độ khuấy
Re là 6200 và các nhiệt độ khác nhau ........................................................... 78
Bảng 3.2. Nồng độ este tại thời điểm 1500 giây ở các nhiệt độ khác nhau . 79
Bảng 3.3. Thời gian đạt nồng độ este mong muốn ở các nhiệt độ khác nhau
....................................................................................................................... 79
Bảng 3.4. Độ chuyển hóa tại thời điểm 1500 giây ở các nhiệt độ khác nhau
....................................................................................................................... 79
Bảng 3.5. Thời gian đạt độ chuyển hóa mong muốn ở các nhiệt độ khác nhau

....................................................................................................................... 80
Bảng 3.6. Sai lệch các giá trị được mô phỏng từ hai phần mềm .................. 81

9


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Sự phụ thuộc định tính của các sản phẩm theo thời gian ............. 22
Hình 1.2. Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống ..................................... 24
Hình 1.3. Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu giàn tưới ............................................ 25
Hình 1.4. Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm .......................................... 25
Hình 1.5. Sơ đồ thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống xoắn .................................. 29
Hình 1.6. Thư viện các khối chuẩn trong Simulink ..................................... 32
Hình 1.7. Mơ hình mơ phỏng giá trị khối lượng riêng của metanol thay đổi
khi nhiệt độ thay đổi ...................................................................................... 33
Hình 1.8. Biến thiên nhiệt độ và sự thay đổi giá trị khối lượng riêng của
metanol khi nhiệt độ thay đổi ........................................................................ 33
Hình 2.1. Sơ đồ mơ phỏng thiết bị truyền nhiệt ........................................... 34
Hình 2.2. Phổ đồ xác định thành phần axit béo trong dầu ăn Simply .......... 36
Hình 3.1. Biến thiên nồng độ các chất của q trình chuyển hóa dầu đậu nành
trong 60 phút ở 50oC và Re 6200 theo kết quả thực nghiệm của Noureddini
....................................................................................................................... 72
Hình 3.2. Biến thiên nồng độ các chất của q trình chuyển hóa dầu đậu nành
trong 60 phút ở 50oC và Re 6200 mô phỏng trong Excel ............................. 72
Hình 3.3. Biến thiên nồng độ các chất của quá trình chuyển hóa dầu đậu nành
trong 60 phút ở 50oC và Re 6200 mơ phỏng trong Matlab ........................... 72
Hình 3.4. Biến thiên nồng độ các chất của quá trình chuyển hóa dầu đậu nành
trong 60 phút ở 55oC và Re 6200 mô phỏng trong Excel ............................. 73

10


Hình 3.5. Biến thiên nồng độ các chất của quá trình chuyển hóa dầu đậu nành
trong 60 phút ở 55oC và Re 6200 mơ phỏng trong Matlab ........................... 73
Hình 3.6. Biến thiên nồng độ các chất của quá trình chuyển hóa dầu đậu nành
trong 60 phút ở 60oC và Re 6200 mơ phỏng trong Excel ............................. 74
Hình 3.7. Biến thiên nồng độ các chất của q trình chuyển hóa dầu đậu nành
trong 60 phút ở 60oC và Re 6200 mô phỏng trong Matlab ........................... 74
Hình 3.8. Biến thiên nồng độ các chất của q trình chuyển hóa dầu đậu nành
trong 60 phút ở 65oC và Re 6200 mô phỏng trong Excel ............................. 75
Hình 3.9. Biến thiên nồng độ các chất của q trình chuyển hóa dầu đậu nành
trong 60 phút ở 65oC và Re 6200 mô phỏng trong Matlab ........................... 75
Hình 3.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian tới độ chuyển hóa tạo các
metyl este ở Re 6200 theo kết quả thực nghiệm của Noureddini. (■) 30oC,
(▲) 40oC, (∆) 50oC, (●) 60oC, (□) 70oC ....................................................... 76
Hình 3.11. Biến thiên giá trị độ chuyển hóa của phản ứng chuyển đổi este
trong 60 phút, Re là 6200, nhiệt độ 50oC ...................................................... 76
Hình 3.12. Biến thiên giá trị độ chuyển hóa của phản ứng chuyển đổi este
trong 60 phút, Re là 6200, nhiệt độ 55oC ...................................................... 77
Hình 3.13. Biến thiên giá trị độ chuyển hóa của phản ứng chuyển đổi este
trong 60 phút, Re là 6200, nhiệt độ 60oC ...................................................... 77
Hình 3.14. Biến thiên giá trị độ chuyển hóa của phản ứng chuyển đổi este
trong 60 phút, Re là 6200, nhiệt độ 65oC ...................................................... 77
Hình 3.15. Biến thiên hằng số tốc độ phản ứng ki theo nhiệt độ ................. 82

11


Hình 3.16. Ảnh hưởng nhiệt độ và thời gian phản ứng lên độ chuyển hóa tại

50oC, (▲) Re là 6200, (□) Re là 12400, theo thực nghiệm của H. Noureddini
....................................................................................................................... 82
Hình 3.17. Biến thiên giá trị độ chuyển hóa của phản ứng chuyển đổi este
trong 60 phút, Re là 12400, nhiệt độ 50oC mơ phỏng trong Matlab ............. 83
Hình 3.18. Biến thiên nồng độ các chất của quá trình chuyển hóa dầu đậu
nành trong 60 phút ở 50oC và Re 12400 mơ phỏng trong Matlab ................ 84
Hình 3.19. Dữ liệu xác định điểm hoạt động ổn định trong thiết bị CSTR . 85
Hình 3.20. Độ chuyển hóa tại giá trị khảo sát mơ phỏng trong Simulink.... 88
Hình 3.21. Nhiệt độ trong quá trình vận hành ổn định................................. 88
Hình 3.22. Nhiệt độ dòng cấp thay đổi khi nhiệt độ dòng nguyên liệu thay đổi
....................................................................................................................... 89
Hình 3.23. Độ chuyển hóa thay đổi khi nhiệt độ dịng ngun liệu thay đổi
....................................................................................................................... 89
Hình 3.24. Biến thiên giá trị lưu lượng dịng nước cấp................................ 91
Hình 3.25. Mối quan hệ giữa nhiệt độ dòng cấp nhiệt và lưu lượng nước
trong quá trình trao đổi nhiệt ......................................................................... 91
Hình 3.26. Hệ số truyền nhiệt chung thay đổi khi lưu lượng dịng cấp thay đổi
....................................................................................................................... 92
Hình 3.27. Giá trị độ chuyển hóa khơng đổi trong thời gian phản ứng khi thay
đổi lưu lượng dịng nước ............................................................................... 92
Hình 3.28. Độ chuyển hóa thay đổi khi nhiệt độ phản ứng và lưu lượng dòng
cấp nhiệt thay đổi .......................................................................................... 93

12


Hình 3.29. Nhiệt độ dịng cấp nhiệt thay đổi khi nhiệt độ nguyên liệu và lưu
lượng dòng cấp thay đổi ................................................................................ 93
Hình 3.30. Độ chuyển hóa thay đổi khi nhiệt độ dòng nguyên liệu, lưu lượng
dòng nguyên liệu và lưu lượng dịng cấp nhiệt thay đổi ............................... 94

Hình 3.31. Nhiệt độ dòng cấp nhiệt vào và ra thay đổi khi nhiệt độ dòng
nguyên liệu, lưu lượng dòng nguyên liệu và lưu lượng dịng cấp nhiệt thay đổi
....................................................................................................................... 95
Hình 3.32. Nhiệt độ nguyên liệu thay đổi theo dạng hình sin ...................... 96
Hình 3.33. Độ nhớt hỗn hợp phản ứng thay đđộ dịng ngun
liệu cao hơn 25oC thì cần ít nhiệt lượng để nâng lên 60oC. Mà lượng nhiệt cần
cấp Q=Cp1.(T2 – T1).G, Q giảm thì (T2 – T1) giảm nên T2 giảm và T1 tăng hoặc
T1 ổn định. Tương tự, nhiệt độ dịng ngun liệu giảm thì cần cung cấp nhiều
năng lượng hơn để nâng lên 60oC nên nhiệt độ dòng cấp cần cao hơn 70oC.
Khi nhiệt độ dòng nguyên liệu tăng, nhiệt độ dòng cấp nhiệt giảm dẫn
tới độ chuyển hóa giảm và ngược lại, phù hợp với kết quả khảo sát động học
phản ứng biodiezen hóa đã nghiên cứu ở Mục 3.1.
3.3.3. Kết quả mô phỏng Simulink khi thay đổi lưu lượng dịng cấp nhiệt

Chúng tơi khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dịng cấp tới q trình
truyền nhiệt bằng cách bổ sung một khối tín hiệu tăng dần 0,1 đơn vị vào khối
lưu lượng dòng cấp đồng thời giữ cố định các điều kiện phản ứng khác như cơ
sở lý thuyết về tính tốn q trình truyền nhiệt.

Kết quả mơ phỏng sự thay đổi nhiệt độ dịng cấp như sau:

90


Hình 3.24. Biến thiên giá trị lưu lượng dịng nước cấp

Hình 3.25. Mối quan hệ giữa nhiệt độ dịng cấp nhiệt và lưu lượng nước

trong quá trình trao đổi nhiệt
Từ Hình 3.25 và 3.26, lưu lượng nước tăng dần, nhiệt độ dòng nước

vào hệ thống giảm dần và nhiệt độ nước ra tăng dần tới khi chúng không đổi ở
khoảng 63oC thì ổn định do lưu lượng dịng nước lớn giúp quá trình truyền
nhiệt diễn ra nhanh ở khoảng đầu phản ứng, sau đó nước nhanh chóng ra khỏi
thiết bị (thời gian lưu ngắn). Nguyên nhân quá trình truyền nhiệt diễn ra
nhanh hơn vì hệ số truyền nhiệt chung Uo tăng dần.

91


Hình 3.26. Hệ số truyền nhiệt chung thay đổi khi lưu lượng dịng cấp thay đổi

Giá trị độ chuyển hóa không thay đổi (X = 85,25%) do giá trị nhiệt độ
và chế độ khuấy trộn khơng đổi.

Hình 3.27. Giá trị độ chuyển hóa khơng đổi trong thời gian phản ứng

khi thay đổi lưu lượng dịng nước
3.3.4. Kết quả mơ phỏng Simulink khi thay đổi đồng thời nhiệt độ phản ứng
và lưu lượng dịng cấp nhiệt

Chúng tơi tiếp tục khảo sát quá trình truyền nhiệt khi thay đổi các điều
kiện vận hành thiết bị. Nhiệt độ phản ứng và lưu lượng dịng cấp nhiệt đồng
thời được bổ sung tín hiệu tăng liên tục 0,1 đơn vị. Nhiệt độ dòng nước cấp
nhiệt cần thay đổi và các giá trị độ chuyển hóa, hệ số truyền nhiệt chung,…
thay đổi như kết quả mô phỏng dưới đây:

92


Hình 3.28. Độ chuyển hóa thay đổi khi nhiệt độ phản ứng và

lưu lượng dịng cấp nhiệt thay đổi

Hình 3.29. Nhiệt độ dòng cấp nhiệt thay đổi khi nhiệt độ nguyên liệu

và lưu lượng dòng cấp thay đổi

93


Khi nhiệt độ phản ứng tăng thì độ chuyển hóa tăng do nhiệt độ phản
ứng tăng làm tăng các giá trị hằng số tốc độ phản ứng làm tốc độ phản ứng
tăng, độ chuyển hóa tăng.
Khi lưu lượng dịng cấp nhiệt tăng làm tăng hệ số truyền nhiệt chung
Uo dẫn tới tăng khả năng truyền nhiệt. Vì vậy thời gian đạt cân bằng giảm, độ
chuyển hóa tăng.
3.3.5. Kết quả mơ phỏng Simulink khi thay đổi đồng thời lưu lượng dòng
cấp nhiệt, nhiệt độ và lưu lượng dịng ngun liệu

Chúng tơi khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện tiến hành phản ứng tới
độ chuyển hóa và q trình truyền nhiệt khi đồng thời thay đổi ba dữ liệu ban
đầu:
+ Nhiệt độ dịng ngun liệu thay đổi theo dạng hình sin với tín hiệu bổ
sung là 5 đơn vị,
+ Lưu lượng dòng nguyên liệu tăng từ 3,3.10-5 lên 3,3.10-3,
+ Lưu lượng dịng cấp nhiệt được bổ sung tín hiệu tăng dần 0,1 đơn vị.
Kết quả mơ phỏng như sau:

Hình 3.30. Độ chuyển hóa thay đổi khi nhiệt độ dịng ngun liệu,

lưu lượng dòng nguyên liệu và lưu lượng dòng cấp nhiệt thay đổi

94


Hình 3.31. Nhiệt độ dịng cấp nhiệt vào và ra thay đổi khi nhiệt độ dòng

nguyên liệu, lưu lượng dòng nguyên liệu và lưu lượng dòng cấp nhiệt thay đổi
Tại điều kiện vận hành này độ chuyển hóa rất thấp, biến thiên theo đồ
thị hình sin từ 11,99 tới 12,13% đồng thời nhiệt độ ban đầu của dòng cấp cần
rất cao, gần 1000oC. Điều này khơng hợp lý vì nhiệt độ sôi của nước là 100oC.
Nguyên nhân của kết quả trên là lưu lượng dòng nguyên liệu và lưu
lượng dòng cấp nhiệt tăng dần dẫn tới thời gian lưu giảm, hệ phản ứng chưa
thực hiện được quá trình truyền nhiệt đưa nhiệt độ phản ứng lên 60oC thì dịng
hỗn hợp phản ứng và dòng nước đi ra khỏi thiết bị. Vì vậy nhiệt độ dịng nước
vào hệ thống phải rất lớn để kịp thời truyền nhiệt cho hỗn hợp phản ứng.
Như vậy mơ hình mơ phỏng cho phép dự đốn tính khả thi của thực
nghiệm tại các điều kiện vận hành khác nhau. Và bằng cách kiểm tra ở các
điều kiện tiến hành khác nhau có thể tìm ra giới hạn của từng thông số trong
thực nghiệm.
95


Ngồi ra từ mơ hình mơ phỏng có thể khảo sát sự biến thiên của các đại
lượng khác như khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, độ nhớt, độ chuyển hóa,
các hệ số truyền nhiệt,... dựa vào các khối Scope đặt tại các khối hàm đó.
Ví dụ nhiệt độ ngun liệu ban đầu là 25oC, biến thiên dạng hình sin,
độ nhớt hỗn hợp phản ứng giảm khi nhiệt độ nguyên liệu tăng và ngược lại.

Hình 3.32. Nhiệt độ nguyên liệu thay đổi theo dạng hình sin

Hình 3.33. Độ nhớt hỗn hợp phản ứng thay đổi theo chiều nghịch với sự thay

đổi nhiệt độ dịng ngun liệu
Như vậy có thể thay đổi bất kỳ tín hiệu vào nào hoặc kết hợp thay đổi
nhiều tín hiệu vào, Simulink cho phép mơ phỏng tồn bộ biến thiên của q
trình truyền nhiệt, từ đó cho phép tính tốn, kiểm sốt, dự đốn sự biến đổi
từng thơng số và tồn bộ q trình phản ứng nhằm đạt yêu cầu ban đầu đặt ra.

96


KẾT LUẬN

Trong luận văn này chúng tôi đã thu được các kết quả sau:
1. Thu thập được các giá trị khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, độ dẫn
nhiệt, độ nhớt phụ thuộc nhiệt độ của dầu đậu nành, metanol, glyxerol, nước
và các este tạo thành trong phản ứng biodiezen hóa.
2. Sử dụng Matlab và Simulink để lập trình tính tốn, mô phỏng động
học phản ứng chuyển đổi este điều chế biodiezen trong thiết bị phản ứng
khuấy gián đoạn và khuấy liên tục. Từ đó nghiên cứu q trình truyền nhiệt,
kiểm soát được các điều kiện tiến hành phản ứng: nhiệt độ dòng, lưu lượng
dòng,… nhằm đạt giá trị độ chuyển hóa mong muốn.
3. Đối với mơ hình phản ứng khuấy gián đoạn, chúng tôi xác định được
nồng độ các chất và độ chuyển hóa tại điều kiện khuấy Re là 6200 và ở các
nhiệt độ 50oC, 55oC, 60oC, 65oC trong thời gian 60 phút.
50oC

55oC

60oC

65oC

[TG]

0,088

0,081

0,074

0,069

[DG]

0,055

0,054

0,053

0,052

[MG]

0,013

0,015

0,016

0,017

[G]

0,629

0,634

0,636

0,638

[Me]

2,748

2,712

2,682

2,656

[E]

1,970

1,984

1,993

2,000

X (%)

88,77

89,70

90,45

91,11

Từ các kết quả thu được là tương đồng với thực nghiệm của Noureddini
kết luận mô hình phản ánh đúng thực nghiệm ở điều kiện phản ứng trên. Đồng

97


thời khẳng định mơ hình khơng phù hợp khi mở rộng áp dụng đối với điều
kiện khuấy Re là 12400.
4. Ở giai đoạn đầu của phản ứng, tốc độ khuấy trộn lớn ảnh hưởng
chính tới tốc độ phản ứng, làm tăng độ chuyển hóa. Khi phản ứng gần đạt tới
trạng thái cân bằng thì nhiệt độ quyết định chính tới độ chuyển hóa.
5. Đối với thiết bị khuấy liên tục, ở điều kiện khuấy 60 vòng/giây trong
60 phút, nguyên liệu có tỷ lệ mol metanol : dầu là 6 :1 được bơm vào bể phản
ứng với lưu lượng thể tích 2 L/phút, nước nóng được bơm vào ống xoắn
truyền nhiệt dài 17m đặt trong lòng thiết bị CSTR với lưu lượng 0,05 kg/giây
thì:

+ Lượng nhiệt nước nóng cần cung cấp cho hỗn hợp phản ứng để duy
trì phản ứng ở 60oC là 1949,4 W
+ Nhiệt độ dòng nước cấp nhiệt vào và ra khỏi ống xoắn lần lượt là
70,3oC và 61oC.
+ Độ chuyển hóa đạt được là 85,25% thấp hơn trong thiết bị khuấy gián
đoạn (88,77%) là phù hợp về lý thuyết kỹ thuật tiến hành phản ứng.
6. Tiến hành mơ phỏng q trình truyền nhiệt trong thiết bị CSTR bằng
Simulink tại điều kiện vận hành ổn định, độ chuyển hóa của q trình có giá
trị 85,25%, nhiệt độ dịng nước cấp nhiệt vào 70,3oC và ra là 61oC.
7. Khi thay đổi nhiệt độ dòng nguyên liệu vào hệ thống theo dạng hình
sin, Simulink mơ phỏng kết quả nhiệt độ dịng nước cấp nhiệt thay đổi theo
hình sin nhưng ngược chiều biến thiên với chiều biến đổi của nhiệt độ dòng
nước.

98


8. Khi thay đổi lưu lượng dòng cấp nhiệt tăng dần và giữ cố định các
điều kiện vận hành khác, mơ hình Simulink cho biết q trình truyền nhiệt
diễn ra nhanh hơn, nhiệt độ dịng nước nóng đi vào ống xoắn thấp dần.
9. Khi tăng đồng thời nhiệt độ phản ứng và lưu lượng dịng cấp trong
mơ hình Simulink, tốc độ phản ứng tăng, thời gian đạt cân bằng giảm và giá
trị độ chuyển hóa tăng từ 85,25% lên 86,51% trong 100 giây mô phỏng.
10. Khi tăng đồng thời lưu lượng dòng cấp nhiệt, nhiệt độ và lưu lượng
dòng nguyên liệu, mơ hình Simulink cho kết quả mơ phỏng giá trị độ chuyển
hóa thấp và nhiệt độ dịng cấp cần xấp xỉ 1000oC do lưu lượng dòng cấp và
dòng nguyên liệu tăng nên thời gian lưu giảm, để đạt nhiệt độ phản ứng 60oC
cần nhiệt độ dòng cấp rất lớn. Điều này khơng hợp lý. Vì vậy từ mơ hình có
thể xác định giới hạn của các điều kiện tiến hành phản ứng.
11. Từ mơ hình lập trình bởi Matlab và mơ hình mơ phỏng Simulink có

thể khảo sát sự biến thiên của các đại lượng khác của phản ứng như khối
lượng riêng, nhiệt dung riêng, độ nhớt, các hệ số truyền nhiệt,… dựa vào phép
nội suy hàm trong Matlab hoặc từ các khối Scope trong Simulink. Đồng thời
áp dụng mơ hình trên đối với nguồn ngun liệu khác ngồi dầu đậu nành.

99


TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

1. Nguyễn Hồng Thanh, Nguyễn Trần Tú Nguyên, Nguyễn Thị Phương Thoa
(2009), ”Điều chế biodiezen từ mỡ cá basa bằng phương pháp hóa siêu âm”,
Tạp chí phát triển KH&CN, Tập 12, Số 03.
2. Huỳnh Trang Thanh, Lê Thị Thanh Hương (2007), “Điều chế biodiezen từ
mỡ cá tra sử dụng xúc tác K2CO3/ γ-Al2O3”, Trường Đại học Công nghiệp
TP. HCM.

Tiếng Anh

3. Chen Yingming, Xiao Bo, Chang Jie, Fu Yan, Lv Pengmei, Wang Xuewei
(2009), “Synthesis of biodiesel from waste cooking oil using immobilized
lipase in fixed bed reactor”, Energy Conversion and Management, Vol 50 (3),
p. 668 - 673.
4. Cheng Li-Hua, Yen Shih-Yang, Su Li-Sheng, Chen Junghui (2010), “Study
on membrane reactors for biodiesel production by phase behaviors of canola
oil methanolysis in batch reactors”, Bioresource Technology, Vol 101 (17), p.
6663 - 6668.
5. Cintas Pedro, Mantegna Stefano, Gaudino Emanuela Calcio, G Cravotto

iancarlo (2010), “A new pilot flow reactor for high-intensity ultrasound
irradiation. Application to the synthesis of biodiesel”, Ultrasonics
Sonochemistry, Vol 17 (6), p. 985 - 989.
6. Coulson & Richardson’s (2005), Chemical Engineering, Vol. 6, Elservier
Butterworth – Heinemann, Oxford, p.778 – 780.
100


7. D. Darnoko and M. Cheryan (2000), “Kinetics of Palm Oil Transesterification
in a Batch Reactor”, JAOCS, Vol. 77 (12), p. 1263 - 1267.
8. D. O. Soetan (2010), “Biodiesel processor design & manufacture”, The
Design and Manufacture of Biodiesel Processors, p.228
9. Dossin Tanguy F., Reyniers Marie-Francoise, Berger Rob J., Marin Guy B.
(2006), “Simulation of heterogeneously MgO-catalyzed transesterification for
fine-chemical and biodiesel industrial production”, Applied Catalysis B:
Environmental, Vol 67 (1-2), p. 136 - 148.
10. Dube M.A., Tremblay A.Y., Liu J. (2007), “Biodiesel production using a
membrane reactor”, Bioresource Technology, Vol 98 (3), p. 639 - 647.
11. F. A. L. Machado, E. B. Zanelato, A. O. Guimarães, E. C. da Silva, A. M.
Mansanares

(2012),

“Thermal

Properties

of

Biodiesel

and

Their

Corresponding Precursor Vegetable Oils Obtained by Photopyroelectric
Methodology”, Int J Thermophys, (33), p.1848 - 1855.
12. Furutaa Satoshi, Matsuhashi Hiromi, Arata Kazushi (2006), “Biodiesel fuel
production with solid amorphous-zirconia catalysis in fixed bed reactor”,
Biomass and Bioenergy, Vol 30 (10), p. 870 - 873.
13. Furutaa Satoshi, Matsuhashi Hiromi, Arata Kazushi (2004), “Biodiesel fuel
production with solid superacid catalysis in fixed bed reactor under
atmospheric pressure”, Catalysis Communications, Vol 5 (12), p. 721 - 723.
14. Glycerine Producers Association (1963), Physical properties of glycerine and
its solutions, Glycerine Producers' Association, New York, p.4
15. Guana Guoqing, Kusakabe Katsuki (2008), “Synthesis of biodiesel fuel using
an electrolysis method”, Chemical Engineering Journal, Vol 153 (1-3), p. 159
- 163.

101


16. Hama Shinji, Yamaji Hideki, Fukumizu Takahiro, Numata Takao,
Tamalampudi Sriappareddy, Kondo Akihiko, Noda Hideo, Fukuda Hideki
(2007), “Biodiesel-fuel production in a packed-bed reactor using lipase
producing Rhizopus oryzae cells immobilized within biomass support
particles”, Biochemical Engineering Journal, Vol 34 (3), p. 273 - 278.
17. Hasanolu Ayỗa, Salt Yavuz, Keleer Sevinỗ, Dinỗer Salih (2009), “The
esterification of acetic acid with ethanol in a pervaporation membrane
reactor”, Desalination, Vol 245 (1-3), p. 662 - 669.

18. Hingu Shishir M., Gogate Parag R., Rathod Virendra K. (2010), “Synthesis
of biodiesel from waste cooking oil using sonochemical reactors”, Ultrasonics
Sonochemistry, Vol 17 (5), p. 827 - 832.
19. Hong Wei Xiang, Arno Laesecke, Marcia L. Huber (2006), “A New
Reference Correlation for the Viscosity of Methanol”, Physical and Chemical
Properties Division, National Institute of Standards and Technology, Vol. 35
(4), p. 1611.
20. Hossein Noureddini, B.C. Teoh, L. Davis Clements (1992), "Densities of
Vegetable Oils and Fatty Acids", JAOCS, Vol. 69 (12), p.14, 1184 - 1188.
21. Hossein Noureddini and D. Zhu (1997), “Kinetics of Transesterification of
Soybean Oil”, JAOCS, Vol. 74 (11), p. 1457 - 1461.
22. K.J. Bell, A.C. Mueller (2001), Volverine tube heat transfer engineering data
book, Wolverien Tube Inc, p. 77 - 84
23. Knothe G., Gerpen J. V., Krahl J. (2005), The Biodiesel Handbook,
Champaign, IL: AOCS Press, p. 37, 51.

102


24. Lu Pengmei, Yuan Zhenhong, Li Lianhua, Wang Zhongming, Luo Wen
(2010), “Biodiesel from different oil using fixed-bed and plug-flow reactors”,
Renewable Energy, Vol 35 (1), p. 283 - 287.
25. Luis FelipeRamírez Verduzco (2012), “Density and viscosity of biodiesel as
a function of temperature: Empirical models”, Renewable and Sustainable
Energy Reviews, Vol. 19, p. 652 - 665.
26. Luis Felipe Ramírez Verduzco, Javier Esteban Rodríguez Rodríguez, Alicia
del Rayo Jaramillo-Jacob (2012), “Predicting cetane number, kinematic
viscosity, density and higher heating value of biodiesel from its fatty acid
methyl ester composition”, Fuel, Vol. 19, p. 102 - 111.
27. M. L. V. Ramires, C. A. Nieto de Castro, Y. Nagasaka, A. Nagashima, M. J.

Assael and W. A. Wakeham (1994), “Standard Reference Data for the
Thermal Conductivity of Water”, American Institute of Physics and American
Chemical Society, p. 1380.
28. Michael Allen and Gumpon Prateepchaikul (2003), “The modelling of the
biodiesel reaction”, The Journey to Forever.
29. Maria Jorge Pratas, Samuel Freitas, Mariana B. Oliveira, Sılvia C. Monteiro,
Alvaro S. Lima and Joao A. P. Coutinho, “Densities and Viscosities of Fatty
Acid Methyl and Ethyl Esters”, J. Chem. Eng. Data, Vol. 55, p. 3983 - 3990.
30. N.E. Dorsey (1940), Viscosity of water taken from Properties of Ordinary
Water-Substance, New York, p. 184.
31. O.O. Fasina and Z. Colley (2008), “Viscosity and specific heat of vegetable
oils as a function of temperature 35°C to 180°C”, International Journal of
Food Properties, (11), p. 738 - 746.

103


32. Ravindra Pogaku, Jegannathan Kenthorai Raman, Gujjula Ravikumar (2012),
“Evaluation of Activation Energy and Thermodynamic Properties of EnzymeCatalysed Transesterification Reactions”, Advances in Chemical Engineering
and Science, Vol. 2, p. 150 - 154.
33. Samuel V. D. Freitas, Maria Jorge Pratas, Roberta Ceriani, Alvaro S. Lima
and Joao A. P. Coutinho (2011), “Evaluation of Predictive Models for the
Viscosity of Biodiesel”, Energy Fuels, Vol. 25, p. 352 - 358.
34. Shibasaki-Kitakawa Naomi, Honda Hiroki, Kuribayashi Homare, Toda
Takuji, Fukumura Takuya, Yonemoto Toshikuni (2007), “Biodiesel
production using anionic ion-exchange resin as heterogeneous catalyst”,
Bioresource Technology, Vol 98 (2), p. 416 - 421.
35. Thanh Le Tu, Okitsu Kenji, Sadanaga Yasuhiro, Takenaka Norimichi, Maeda
Yasuaki, Bandowa Hiroshi (2010), “A two-step continuous ultrasound
assisted production of biodiesel fuel from waste cooking oils: A practical and

economical approach to produce high quality biodiesel fuel”, Bioresource
Technology, Vol 101 (14), p. 5394 - 5401.
36. Wen Zhenzhong, Yu Xinhai, Tu Shan-Tung, Yan Jinyue, Dahlquist Erik
(2009), “Intensification of biodiesel synthesis using zigzag micro-channel
reactors”, Bioresource Technology, Vol 100 (12), p. 3054 - 3060.
37. Zykova T.B. (1989), “Heat Capacity of Saturated Monovalent Alcohols”,
Inzh.Fiz.Zh, (56), p. 991 - 994.
38. Biodiesel Professionals – solarix.eu
39. Matlab and Simulink for Technical Computing – mathworks.com
40. National Biodiezen Board, USA – biodiesel.org

104


41. Tools and Basic Information for Engineering and Design of Technical
Applications – engineeringtoolbox.com
42. The American Society for Testing and Materials (ASTM) – astm.org

105