Ứng dụng kỹ thuật tạo bong bóng hơi cavitation trong sản xuất liên tục biodiesel sử dụng xúc tác rắn ô xít kim loại

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRƢỜNG ĐH BÁCH KHOA BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: Ứng dụng kỹ thuật tạo bong bóng (Cavitation) để sản xuất liên tục bio-diesel, sử dụng xúc tác rắn ơ-xít kim loại CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI NGUYỄN VĨNH KHANH THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG TĨM TẮT Bio-diesel dạng nhiên liệu tái tạo quan trọng Sản xuất bio-diesel theo hướng bền vững đòi hỏi nâng cao hiệu trình phản ứng, trình tinh chế biodiesel trình thu hồi sản phẩm phụ glycerine Quá trình sản xuất bio-diesel sử dụng xúc tác rắn thiết bị tạo bong bóng thỏa mãn nhu cầu Nghiên cứu sản xuất bio-diesel từ mỡ cá đạt kết tốt mặt xúc tác, phản ứng thiết bị phản ứng Các xúc tác rắn CaO-La2O3, CaO Ca(OH)2 nghiên cứu phương pháp chế tạo, hoạt tính phản ứng Thiết bị phản ứng tạo bong bóng nghiên cứu dạng cấp cấp Các thiết bị quan trọng khác tách glycerine, thu hồi methanol thiết kế chế tạo với suất 30 lít/giờ Dựa kết nghiên cứu, quy trình sản xuất bio-diesel sử dụng xúc tác rắn đề xuất ABSTRACT Bio-diesel is one of important renewable energies Sustainable production of biodiesel is based on the improvement of reaction efficiency, separation performance and utilization of glycerin Production of bio-diesel using solid catalyst combined with cavitation reactor fulfills those needs The research on production of bio-diesel of fish fat achieved positive results on catalyst, reaction and reactor Catalysts as CaO-La2O3, CaO Ca(OH)2 were investigated in preparation and characteristics Two kinds of cavitation reactors: one stage and two stages were studied Other important equipment such as glycerin separation, methanol recovery were designed and fabricated with capacity of 30 l/hr Based on the results of this research, the process flow diagram of production of biodiesel was proposed MỤC LỤC TÓM TẮT PHẦN MỞ ĐẦU I Thông tin chung: Nội dung: Sản phẩm đề tài TỔNG QUAN TÀI LIỆU II Các vấn đề sản xuất bio-diesel 10 Kết nghiên cứu giới 11 Nâng cao khả hoà trộn, hiệu truyền nhiệt/truyền khối 11 Phát triển hệ xúc tác rắn dị thể 12 Phát triển hệ thống thiết bị phản ứng – tinh chế tích hợp 15 Tình hình nghiên cứu Việt Nam 16 Ý tưởng nghiên cứu 18 Nội dung nghiên cứu đề tài: 19 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU III Phương pháp nghiên cứu tổng thể: 19 Phương pháp nghiên cứu điều chế xúc tác: 20 Phương pháp nghiên cứu đặc tính phản ứng xúc tác: 20 Phương pháp nghiên cứu khả hệ thống phản ứng cavitation: 20 Phương pháp nghiên cứu hệ thống quy trình cơng nghệ sản xuất biodiesel: 20 KẾT QUẢ THỰC HIỆN CÁC NỘI DUNG IV Nội dung 1: Xây dựng hệ thống thiết bị phản ứng tổng hợp bio-diesel sở kỹ thuật cavitation, sử dụng xúc tác rắn oxit kim loại 20 a) Tính tốn thiết kế, điều chỉnh thiết kế mặt hình học cho thiết bị tạo nhũ theo nguyên tắc cavitation 20 b) Thiết kế chế tạo thiết bị tách bio-diesel / glycerine 23 Thiết kế chế tạo thiết bị thu hồi methanol từ pha bio-diesel 27 Thiết kế chi tiết thiết bị phân tách methanol từ pha glycerine 29 Nội dung 2: Điều chế xúc tác rắn, nghiên cứu phản ứng tổng hợp biodiesel sở kỹ thuật cavitation: 32 a) Điều chế xúc tác CaO 32 b) Điều chế xúc tác CaO – La2O3: 32 c) Tạo viên xúc tác CaO CaO biến tính 35 d) Điều chế xúc tác Ca(OH 40 Tổng hợp bio-diesel từ mỡ cá: 41 Hướng 1: Sử dụng kết hợp thiết bị cavitation thùng khuấy xúc tác tầng cố định 43 a) Thực phản ứng với xúc tác CaO, thiết bị tạo cavitation kết hợp thiết bị tầng xúc tác cố định 43  Khả tạo hệ phân tán pha methanol/mỡ cá, pha methanol/mỡ cá/xúc tác rắn CaO 43 b) Khảo sát sơ phản ứng tổng hợp bio-diesel thiết bị phản ứng khuấy thông thường (TBPƯ TT thiết bị phản ứng kết nối với thiết bị khuấy trộn theo nguyên tắc cavitation (TBPƯ Cav sử dụng xúc tác đồng thể xúc tác rắn CaO 46  Kết thực nghiệm tổng hợp bio-diesel sử dụngthiết bị tạo cavitation bơm qua, xúc tác CaO bình khuấy: 48  Kết thực nghiệm tổng hợp bio-diesel sử dụng thiết bị tạo cavitation bơm hoàn lưu, xúc tác CaO thiết bị khuấy 49  Ảnh hưởng tốc độ lưu lượng thể tích đến hiệu suất tổng hợp biodiesel liên tục sử dụng thiết bị phản ứng tầng xúc tác cố định 51 c) Hoạt tính xúc tác CaO sau lần sử dụng 53 d) Thực phản ứng với xúc tác CaO-La2O3 54  Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng a2O3 xúc tác 54  Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng xúc tác 55  Khảo sát tỉ lệ mol methanol/mỡ cá: 56 f) Thực phản ứng với xúc tác Ca(OH hoạt hóa: 57 Nội dung 3: Phân tích tính chất thử nghiệm sản phẩm bio-diesel thu 61 a) Phân tích tính chất sản phẩm bio-diesel 61 b) Sản phẩm lycerine 63 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ V Tài liệu tham khảo PHỤ LỤC QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIODIESEL Quy trình cơng nghệ sản xuất bio-diesel từ mỡ cá sử dụng xúc tác rắn thiết bị phản ứng cavitation 68 Mơ tả qui trình cơng nghệ: 69 PHỤ LỤC 2: Lý thuyết trình Cavitation PHỤ LỤC 3: Các thiết bị phân tách methanol I DANH SÁCH BẢNG Bảng Số cavitation 22 Bảng Thông số thiết kế thiết bị phân tách bio-diesel/glycerin 26 Bảng Thông số thiết kế thiết bị tách methanol 31 Bảng Bộ chất thị sử dụng: 34 Bảng Kết chuẩn độ theo phương pháp Hammett 35 Bảng Độ kiềm xúc tác 35 Bảng Độ bền nén xúc tác nguyên sinh xúc tác sau thực phản ứng 60 phút thiết bị phản ứng dạng ống liên tục 40 Bảng Kết phân tích thành phần acid béo mỡ cá 41 Bảng Các tính chất hóa lý mỡ cá 42 Bảng 10 Kết phân tích hệ phân tán methanol/mỡ cá 44 Bảng 11 Kích thước trung bình hạt xúc tác CaO điều kiện khuấy trộn khác 45 Bảng 12 Kết thưc phản ứng tổng hợp bio-diesel thiết bị phản ứng bình khuấy xúc tác đồng thể NaOH 47 Bảng 13 Tổng hợp kết phản ứng tổng hợp bio-diesel với xúc tác rắn CaO thiết bị phản ứng khác 48 Bảng 14 Hiệu suất phản ứng hệ thống TBPƯ_Cav theo thời gian %kl xúc tác CaO 49 Bảng 15 Độ chuyển hoá mỡ cá theo thời gian phản ứng, với thời gian khuấy khác 50 Bảng 16 Độ chuyển hoá mỡ cá theo thời gian tốc độ lưu lượng thể tích 0,25 min-1, xúc tác CaO, tỷ lệ mol methanol/mỡ cá = 8/1 51 Bảng 17 Độ chuyển hoá mỡ cá theo thời gian tốc độ lưu lượng thể tích khác nhau, xúc tác CaO, tỷ lệ mol methanol/mỡ cá = 20/1 52 Bảng 18 Kết tái sử dụng xúc tác CaO 53 Bảng 19 Ảnh hưởng hàm lượng a2O3 đến hiệu suất phản ứng 54 Bảng 20 Ảnh hưởng hàm lượng xúc tác tới hiệu suất phản ứng 55 Bảng 21 Ảnh hưởng tỷ lệ mol methanol/mỡ cá đến hiệu suất 56 Bảng 22 Ma trận thí nghiệm cho xúc tác Ca(OH 58 Bảng 23 Các tính chất hóa lý sản phẩm 62 DANH SÁCH HÌNH Hình 1: Cơ chế phản ứng tổng hợp bio-diesel với xúc tác rắn CaO 14 Hình Mơ tả thiết bị khuấy trộn tạo nhũ theo nguyên tắc cavitation chế tạo 23 Hình Mơ hình thiết bị phân tách bio-diesel/glycerine 24 Hình ượng methanol bay (% khối lượng bio-diesel theo thời gian 28 Hình ượng methanol bay (% khối lượng glycerine theo thời gian 30 Hình Quy trình biến tính xúc tác CaO 32 Hình Phổ XRD xúc tác CaO 33 Hình Phổ XRD xúc tác CaO – La2O3 34 Hình Quy trình tạo viên theo phương pháp giọt dầu 37 Hình 10 Qui trình tạo hạt xúc tác CaO: (a) Chảo tạo hạt; (b) Quá trình quấy trộn hỗn hợp nguyên liệu; (c) Q trình phun sương tạo kết dính; (d) Sản phẩm sau trình tạo hạt 39 Hình 11 Hình ảnh hệ phân tán methanol/mỡ cá quan sát kinh hiển vi 44 Hình 12 Phân bố kích thước hạt xúc tác CaO điều kiện khuấy trộn 45 Hình 13 Hệ thống phản ứng kết hợp cavitation khuấy thơng thường 46 Hình 14 Độ chuyển hố mỡ cá theo thời gian phản ứng thời gian lưu Cavitator 50 Hình 15 Hệ thống thiết bị kết hợp cavitation xúc tác tầng cố định 52 Hình 16 Ảnh hưởng hàm lượng xúc tác tới hiệu suất phản ứng 54 Hình 17 Ảnh hưởng hàm lượng xúc tác tới hiệu suất phản ứng 56 Hình 18 Ảnh hưởng tỷ lệ mol methanol/mỡ cá đến hiệu suất 57 Hình 19 Thiết bị phản ứng tạo cavitation cấp 60 Hình 20 Kết phân tích GC-MS sản phẩm 62 Hình 21 Quy trình xử lý glycerin 64 Hình 22 Sản phẩm glycerin qua sơ chế, hàm lượng glycerin 58% 64 Hình 23 Sự thay đổi tỷ lệ bán kính bong bóng theo thời gian 73 Hình 24 Sự thay đổi xung áp lực với thời gian cho trường hợp Cv > 73 Hình 25 Mơ tả thiết bị dạng rotor/stator 80 Hình 26 Hiện tượng Cavitation xảy venturi 81 Hình 27 Sơ đồ thiết bị phân tách methanol/bio-diesel gồm đĩa 82 Hình 28 Sơ đồ bố trí bên đĩa với gờ chảy tràn mặt cắt A-A, BB, C-C, D-D 82 Hình 29 Mặt cắt A-A, B-B, C-C, D-D thể hình dạng kích thước gờ tràn đĩa tháp tách methanol/bio-diesel 83 Hình 30 Sơ đồ thiết bị phân tách methanol/glycerine gồm đĩa 84 Hình 31 Sơ đồ bố trí bên đĩa với gờ chảy tràn mặt cắt A-A, B-B, C-C, D-D 84 Hình 32 Mặt cắt A-A, B-B, C-C, D-D thể hình dạng kích thước gờ tràn đĩa tháp tách methanol/glycerine 85 PHẦN MỞ ĐẦU I Thông tin chung: Tên đề tài: Ứng dụng kỹ thuật tạo bong bóng (Cavitation) sản xuất liên tục biodiesel, sử dụng xúc tác rắn ơ-xít kim loại Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Vĩnh Khanh Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Tp HCM Thời gian thực dự án: 18 tháng; từ tháng 09/2013 đến tháng 04/2015 Gia hạn đến tháng 10/2015 Kinh phí đƣợc duyệt: đ Kinh phí cấp: 315.000.000 đ Mục tiêu: Đề tài có mục tiêu sau: 1) Xây dựng quy trình công nghệ hệ thống thiết bị phản ứng sản xuất liên tục biodiesel từ mỡ cá sở kỹ thuật cavitation, suất tối thiểu 20 L biodiesel/h 2) Khảo sát đề xuất thông số công nghệ cho hệ thống thiết bị nêu trên, với hỗn hợp phản ứng dị thể : mỡ cá – methanol xúc tác rắn sở CaO Nội dung: Công việc dự kiến (theo thuyết minh dự án) 1) Kết nghiên cứu Nội dung 1: Xây dựng, hoàn thiện hệ thống Đã hoàn thành hệ thống thiết bị phản ứng với tầng xúc tác xít kim loại cố định, vận thiết bị phản ứng tổng hợp biodiesel hành theo chế độ dòng liên tục, hoạt động sở kỹ thuật cavitation, sử dụng xúc tác rắn ổn định, bao gồm vả thiết bị thu hồi methanol, thiết bị tách xúc tác thiết bị oxit kim loại phân tách biodiesel/glycerin Năng suất 20L/h 2) Nội dung 2: Thực nghiệm tổng hợp Báo cáo khoa học cơng nghệ, qui trình cơng nghệ sản xuất biodiesel hệ biodiesel hệ thống thiết bị xây dựng, thống thiết bị với xúc tác rắn, sử dụng loại nguyên liệu: - Kết thực nghiệm phân tích chi tiết ảnh hưởng thơng số cơng nghệ, qua đề xuất thơng số vận hành tối ưu cho thiết bị dầu ăn thải; mỡ cá thải 3) Nội dung 3: Phân tích tính chất thử Đã phân tích tính chất sản phẩm biodiesel thu nghiệm sản phẩm biodiesel thu Sản phẩm đề tài Sản phẩm Theo thuyết minh Qui trình cơng nghệ sản xuất biodiesel 01 sở kỹ thuật cavitation, sử dụng Thực tế đạt 01 Qui trình xây dựng nguyên tắc công nghệ cavitation xúc tác rắn Hệ thống thiết bị sản xuất biodiesel 01 với xúc tác rắn sử dụng kỹ thuật 01 hệ thống hoạt động ổn định, vận hành đơn giản NS 20L/h cavitation Biodiesel B100 50L 50L Bài báo 01 Đang chờ phản biện Hội nghị 01 tham gia Hội nghị: The 5th World Conference on Applied Sciences, Engineering and Technology (WCSET 2016) Sở hữu trí tuệ 01 đơn đăng ký Đang chờ Sở KHCN đăng ký Đào tạo 01 học viên cao 01 sinh viên đại học học atm Khi bong bóng khí nổ gần bề mặt phân chia pha, phá hủy bề mặt tạo khuấy trộn dẫn đến hình thành hệ nhũ tương mịn Sóng siêu âm kỹ thuật hứa hẹn trình tạo nhũ Một máy siêu âm tạo hệ nhũ nước dầu với kích thước hạt khoảng μm vịng vài giây phút đạt kích thước hạt 1/10 μm Đường cong phân bố hạt sắc nét so với phương pháp tạo hệ đồng thể học Thơng thường có hai loại thiết bị tạo nhũ siêu âm : cường độ cao cường độ thấp Hệ thống cường độ thấp thơng thường bao gồm bình chứa chất lỏng gắn nhiều thiết bị truyền âm (transducers) xung quanh thành hay đáy bình Thiết bị cường độ cao có transducer cắm trực tiếp vào chất lỏng Mỗi transducer cung cấp lượng máy phát hay máy khuếch đại lượng Thông số kỹ thuật siêu âm mật độ lượng (power density) định nghĩa lượng điện truyền cho transducers chia cho diện tích phát loa (horn) Trong thiết bị cường độ thấp thông thường cường độ 1-2 W/cm2 mà ta cần nhiều transducer hệ thống cường độ thấp Trong thiết bị cường độ cao, cường độ lên đến hàng trăm W/cm2.Trong hai trường hợp tần số làm việc khoảng 20 – 40 kHz Hệ thống cường độ cao thường có ưu điểm sau: cường độ rung mạnh, cường độ lượng lớn, điều chỉnh nhiều cấp độ cường độ mẫu thử b) Ứng d ng nguyên tắc thủy động lực học Thiết bị tạo trình Cavitation theo nguyên tắc thủy động lực học (Hydrodynamic cavitation) đơn giản nhiều so với kỹ thuật siêu âm, chi phí thiết bị lượng vận hành rẻ hơn, khả ứng dụng cho quy trình cơng nghệ quy mô công nghiệp khả quan Về mặt lý thuyết, kỹ thuật tạo trình Cavitation theo nguyên tắc thủy động lực học thực cách đơn giản cho dòng chất lỏng chảy qua khúc co hẹp đột ngột ống venturi, van tiết lưu, đĩa lỗ…Tại phần co hẹp áp suất lỏng giảm xuống ngưỡng áp suất mà bong bóng tạo lịng chất lỏng, bong bóng phát triển, tăng kích thước vỡ áp suất phục hồi phần hạ lưu Độ lớn xung áp suất tạo thời điểm vỡ hạt bong bóng gọi áp suất phá vỡ Áp suất phá vỡ phụ thuộc vào thông số vận hành cấu trúc hình học hệ thống thiết bị cavitation, chẳng hạn áp suất đầu vào, diện tích dịng chảy miệng phun (đường kính miệng phun số lượng miệng phun), bán kính 71 ban đầu mầm hạt bong bóng Sự thay đổi áp suất phá vỡ theo các thông số yếu tố sở quan trọng cho tính tốn thiết kế hệ cavitation theo phương pháp thủy động lực học 3) ô tả thủy động lực học cho tượng cavitation Mô tả thuỷ động lực học tượng cavitation nghiên cứu trình bày số cơng trình tác giả nước ngồi Phần tóm tắt kết cơng trình a) Ch số Cavitation (Cv) Chỉ số cavitation thông số quan trọng thủy động lực học cavitation, tính tốn theo cơng thức: Trong p áp suất hồi ph c cuối dòng chảy, pv áp suất dòng chất lỏng, vo tốc độ trung bình dịng chất lỏng miệng phun, ρl tỷ trọng chất lỏng Ở điều kiện lý tưởng Cv 2, bong bóng hình thành liên tục khơng có tượng phá vỡ xảy Sự thay đổi tỷ lệ bán kính bong bong theo thời gian hiển thị Hình I.3, hạt bong bóng tạo qua chu kỳ liên tục mở rộng co lại mà khơng bị vỡ Bên cạnh đó, cường độ xung áp suất (Hình I.4) tạo nhỏ Ở điều kiện này, áp suất phá vỡ không truyền mức lượng đáng kể cho lưu chất Vì vậy, Cv cần phải nhỏ hơn, để tượng cavitation mang lại hiệu lượng cho lưu chất 72 Hình Sự thay đổi tỷ lệ bán kính bong bóng theo thời gian trường hợp Cv > cho thấy khơng có s p đổ hạt bong bóng Hình Sự thay đổi xung áp lực với thời gian cho trường hợp Cv > Hiện tượng cavitation xảy Cv giá trị lớn Điều diện hạt khí bị hịa vào hình thành lơ lửng chất lỏng, bọt khí hạt mầm cho bong bong Cv phụ thuộc vào dạng hình học dịng chảy (Yan Thorpe, 1990; Vichare cộng 2000a) nói chung, số cavitation khởi nguồn lớn tăng đường kính miệng phun c) Mơ hình dịng chảy rối Khi chất lỏng chảy qua miệng phun, giảm diện tích mặt cắt ngang dòng chảy, vận tốc lưu chất tăng áp suất giảm Khi chảy qua miệng phun, dịng chảy bị tách 73 phía cuối miệng phun dịng xốy tạo Sự chuyển động xoáy gây nhiễu loạn tổn thất ma sát lớn xảy Vì vậy, tổn thất áp suất vĩnh viễn xảy trường hợp áp suất khơng thể phục hồi cách hồn tồn Mơ hình chảy rối dao động áp suất xung quanh bong bong kết hợp với phương trình động lực bong bóng để tính bán kính bong bóng áp suất phá vỡ bong bóng hơi, bong bong di chuyển theo dòng chảy lưu chất phía sau miệng phun Trường hợp dịng chảy rối, vận tốc tức thời theo hướng X xác định công thức: ' v x  v xm  v x (2) Trong vxm vận tốc trung bình theo thời gian điểm theo hướng X dòng lỏng, vx’ vận tốc dao động tức thời Biên độ vận tốc dao động theo hướng X mơ tả trung bình bình phương vận tốc dao động (vx’) Động chảy rối đơn vị khối lượng chất lỏng tính sau: Năng lượng tiêu tán đơn vị khối lượng chất lỏng tốc độ mát động chế độ chảy rối tính sau: Đối với dòng rối đẳng hướng, vx’ = vy’ = vz’ = v’; đó: Để dự đốn vận tốc dao động cần phải ước tính chiều dài vùng xốy mức độ tiêu tán lượng đơn vị khối lượng cho trường hợp chảy rối đẳng hướng Chiều dài vùng xoáy, vận tốc dao động quan hệ với PM theo phương trình sau: 74 Vùng xốy có kích thước trung bình có động cao hơn, thường gọi vùng xoáy chứa nhiều lượng, hay vùng xoáy Prandtl Chiều dài vùng xoáy ước tính theo phương trình (Davies, 1972): l = 0,08.dx Trong dx đường kính ống dẫn mà lưu chất chảy qua Trong trường hợp lưu chất chảy ống có đường kính dp qua miệng phun có đường kính do, chiều dài vùng xốy tạo thành tính theo phương trình: l  0, 08 d  d p (7) Tần số chảy rối, lưu chất chuyển động qua vùng chảy rối quy định đường kính ống đường kính miệng phun, tính cơng thức: fT  v l ' (8) Năng lượng đưa vào đơn vị khối lượng hệ lưu chất với mức lượng tiêu tán đơn vị khối lượng lưu chất, ước tính cách xem xét tổn thất áp suất qua miệng phun Tốc độ tiêu tán lượng phát sinh từ tổn thấp áp suất vùng xốy tích số tổn thấp áp suất qua miệng phun lưu lượng thể tích dịng chảy Tổn thất áp suất qua miệng phun tính cơng thức: p  f r L r v t2  l dp (9) Trong fr hệ số ma sát, L chiều dài vùng ph c hồi áp suất, dp đường kính ống, vt vận tốc dòng chảy miệng phun Đối với dòng chảy rối ống, fr tính cơng thức: fr 0, 079 Re 0,25 (10) Với Re chuẩn số Reynolds dòng chảy lưu chất d) Động lực học bong bóng 75 Phương trình Rayleigh-Plesset cho động học bong bóng diễn tả sau: Trong p áp suất rối vùng dịng chảy miệng phun, tính cơng thức Với vo vận tốc dòng chảy miệng phun, vtd vận tốc dịng chảy vùng xốy sau miệng phun vo tính cơng thức sau: v0  vp n (13) Trong vp vận tốc dòng chảy ống, β tỷ lệ đường kính miệng phun so với đường kính ống, n số miệng phun vtd tính theo cơng thức : Trong tượng cavitation, bong bóng coi bị phá vỡ hồn tồn kích thước chúng 10% kích thước ban đầu Áp suất phá vỡ chịu ảnh hưởng thông số hoạt động khác nhau, bao gồm áp suất đầu vào kích thước ban đầu mầm bong bóng hệ thống, đường kính miệng phun, tỷ lệ phần trăm tiết diện chảy miệng phun e) Ảnh hưởng áp suất đầu vào Theo nghiên cứu tác giả (Gareth Danver, 1996) (Harrison Pandit, 1992) thấy gia tăng áp suất đầu vào làm tăng áp suất tạo vỡ cuối Sự vỡ hạt bong bóng phụ thuộc vào tốc độ phục hồi áp suất phần mở rộng dịng chảy phía sau miệng phun Sự gia tăng áp suất đầu vào làm tăng áp suất đầu tốc độ tiêu tán lượng, dẫn đến tổn thất áp suất cao qua miệng phun Vì 76 vậy, vỡ hạt bong bóng trở nên mãnh liệt hơn, mà kết làm gia tăng xung áp suất tạo vỡ hạt bong bóng Cũng cần lưu ý gia tăng áp suất đầu vào làm tăng số cavitation Cv Sự hình thành bong bóng thường xảy gần áp suất bão hòa chất lỏng nhiệt độ hoạt động Khi tăng áp suất đầu vào, áp suất miệng phun tăng, qua làm giảm tạo thành bong bóng Có nghĩa Cv tăng tăng áp suất đầu vào, số lượng bong bóng tạo thành giảm Tổng lượng áp suất phá vỡ (tích số áp suất phá vỡ gây bong bóng số lượng bong bóng hơi) giảm áp suất đầu vào định, mà số lượng bong bóng tạo thành nhỏ Như có giá trị áp suất đầu vào tối ưu, hiệu cavitation đạt cực đại f) Ảnh hưởng bán kính tác nhân tạo Cavitation Áp suất lưu chất có mặt khí hồ tan vào lưu chất có ảnh hưởng đến bán kính ban đầu bong bóng Áp suất phá vỡ phụ thuộc vào có mặt khí hồ tan lưu chất Cho dù kích thước ban đầu bong bóng lớn (áp suất phá vỡ nhỏ), có mặt khí hồ tan, số lượng bong bóng nhiều, dẫn đến tổng lượng áp suất phá vỡ tạo thành (tích số áp suất phá vỡ gây bong bóng số lượng bong bóng hơi) tăng lên g) Ảnh hưởng đường kính lỗ miệng phun Khi đường kính lỗ tăng, xung áp suất cuối tăng, điều thay đổi số Cavitation khởi phát theo đường kính lỗ Cần ý trường hợp đường kính lỗ thay đổi tỉ lệ diện tích tự số, áp suất đầu vào số, số Cavitation hệ thống không thay đổi Yan Thorpe (1990) số Cavitation khởi phát tăng theo tăng đường kính lỗ Vì vậy, lỗ lớn hơn, tượng Cavitation xảy số Cavitation cao hơn, phạm vi tượng Cavitation tăng cho số Cavitation hệ thống (với điều kiện thấp số Cavitation khởi phát), kết biên độ xung áp suất cuối cao h) Ảnh hưởng tiết diện tự cho dòng chảy lưu chất Xung áp suất cuối giảm theo tăng tỉ lệ diện tích tự dòng lỏng Trong trường hợp lưu lượng khơng đổi tăng tỉ lệ diện tích tự dòng làm giảm vận tốc qua khúc co hẹp, điều làm giảm tốc độ khôi phục áp suất sau khúc co hẹp 77 làm tăng số Cavitation Kết tạo cường độ thấp xung áp suất cuối Khi số Cavitation giảm theo giảm vận tốc qua khúc co hẹp, số lượng bong bóng tạo giảm, tổng áp suất vỡ tổng bong bóng giảm Selthikumar et al (2000) nghiên cứu tác động tỉ lệ diện tích tự dịng lỏng sử dụng đĩa lỗ khác cho trình thủy phân dung dịch KI Kết cho thấy lượng Iot thu lớn đĩa lỗ có tỉ lệ diện tích tự nhỏ i) Phương trình thực nghiệm mô tả quan hệ áp suất phá vỡ thông số hệ thống Áp suất vỡ bong bóng xác định hàm phụ thuộc vào áp suất đầu vào, kích thước ban đầu tác nhân kích thích, đường kính khúc co hẹp (tác động đến tần số dòng rối tỉ lệ diện tích tự do), tỉ lệ diện tích tự (quyết định đến lưu lượng dịng lỏng qua khúc co hẹp) Thơng số liên quan tới điều kiện vận hành hệ thống, tương tự với cường độ tần số sóng âm trường hợp acoustic Cavitation (Kỹ thuật Cavitation siêu âm) Tỉ lệ phần trăm diện tích tự do, liên quan tới đặc điểm hệ thống mơ tả số tỉ lệ C1 Gogate Pandit nghiên cứu họ mô tả áp suất vỡ bong bóng trường hợp thiết bị dạng venturi đĩa nhiều lỗ sau: Pcollapse = C × Pia × Rob × doc (15) Từ mơ hình thực nghiệm đưa hàm áp suất vỡ bong bóng nghiên cứu Save et al., 1997 [18]; Gopalkrishnan, 1997, suất cavitation đơn vị lượng điện trường hợp hydrodynamic cavitation cao hẳn (3 tới lần; Senthilkumar et al., 2000) so với acoustic cavitation Hằng số tỉ lệ C1 ước lượng từ giá trị thực nghiệm: C1  7,527 A 2,55 (16) Trong A tỷ lệ phần trăm diện tích tự miệng phun so với tiết diện ống Cuối phương trình cho trình thủy động lực học cavitation là: P collapse  7527 A 2,55 ( p i ) 2,46 R 0,80 d 2,37    (17) Trong thơng số có thứ ngun sau R (mm), pi (atm), d (mm) 78 Khoảng sử dụng phương trình (17): R : 0,01 – 0,1 mm; pi : – atm; d : – 10 mm; A: – 20% Cần ý mối liên hệ áp dụng cho vận tốc không 1500 m/s, giới hạn vận tốc mà vượt qua chất lỏng mang đặc tính bị nén Phương trình mơ tả cường độ áp suất vỡ cuối bong bóng tạo thiết bị tạo Cavitation Một cách tổng quát suất Cavitation quy trình mơ tả sau: Cavitational yield = K.(Pcollapse)w (18) Trong số K số mũ w ph thuộc vào dạng hình học thiết bị thông số vận hành q trình hóa học diễn thiết bị Zhang Xiaodong Fu Yong nghiên cứu mơ hình động học thiết bị dạng Venturi đưa mối liên hệ áp suất tối đa vỡ bong bóng theo thơng số hình học thiết bị thông số vận hành P c max (Mpa)  82,065. p10,759.L 0,314. 0,810 0,177 (19) Trong α – phần thể tích khí khơng tan lỏng ban đầu, p – áp suất đầu vào venturi, Mpa, L – chiều dài phần hạ lưu venturi (khu vực phát triển vỡ bong bóng hơi), mm, β – t số đường kính cổ co hẹp đường kính ống 1) Thiết bị tạo Hydrodynamic cavitation: a) Thiết bị đồng hóa áp suất cao: Loại thiết bị hoạt động theo nguyên tắc giảm áp đột ngột áp suất cao dòng chất lỏng bơm cao áp đẩy qua van tiết lưu nhiều cấp Cơ cấu hệ thống thông thường gồm bồn nhập liệu, bơm cao áp van tiết lưu có nhiều cấp Dịng lỏng bơm liên tục qua bơm vào van tiết lưu, cấp thứ áp suất dịng lỏng van lên tới 1000 psi, sang cấp thứ hai van tiết lưu áp suất lên tới 10000 psi Q trình Cavitation xảy sau cấp cuối van tiết lưu Cường độ Cavitation phụ thuộc vào độ lớn áp suất đầu vào van cấu tạo van tiết lưu Thiết bị đồng hóa áp suất cao sử dụng nhiều q trình nhũ hóa quy mơ cơng nghiệp chế biến sữa, hóa chất, dược phẩm…Nhược điểm loại thiết bị yêu cầu phải có độ an tồn xác cao, lượng tiêu tốn cho trình lớn b) Thiết bị dạng rotor – stator: 79 Thiết bị dạng cấu tạo gồm bánh cơng tác (rotor) stator làm thép không gỉ Rotor vận hành motor có tốc độ vịng quay lớn (có thể lên đến 16000 rpm) Kích thước khe hở rotor stator thông số quan trọng thiết kế, tính tốn phụ thuộc vào vùng hoạt động Cavitation mong muốn thiết bị Dòng lỏng bơm liên tục qua thiết bị, tốc độ rotor đạt đến ngưỡng làm cho áp suất lỏng giảm xuống áp suất trình Cavitation xảy làm tăng mức độ rối, tăng cục nhiệt độ áp suất lỏng Hình Mơ tả thiết bị dạng rotor stator c) Thiết bị dạng ống venturi: Thiết bị tạo trình Cavitation dạng venturi hoạt động theo nguyên tắc tượng venturi Khi dòng lỏng chảy qua ống venturi có tượng giảm áp suất vùng co hẹp dòng chảy, độ giảm áp suất phụ thuộc vào tương quan đường kính khúc co hẹp đường kính ống, góc tới venturi…Ở điều kiện vận hành thích hợp cho áp suất giảm xuống ngưỡng áp suất trình xảy tượng Cavitation Các bong bóng tạo liên tục, lớn lên, vỡ phần hạ lưu thiết bị Quá trình Cavitation thiết bị dạng venturi mơ tả hình 26 80 a Cơ chế Cavitation Venturi b Biến thiên áp suất theo dịng chảy Hình Hiện tượng Cavitation xảy venturi Trong thiết bị dạng venturi có ba thơng số quan trọng tác động tới hiệu Cavitation thiết bị, tỉ số chu vi diện tích cổ co hẹp (α), tỉ số chiều dài chiều cao (đường kính trường hợp venturi tiết diện trịn) phần co hẹp, góc phân kì thiết bị venturi d) Thiết bị dạng đĩa lỗ: Thiết bị tạo trình Cavitation dạng đĩa lỗ hoạt động dựa nguyên tắc thiết bị dạng venturi Sự khác biệt đĩa có nhiều lỗ so với venturi nên thông số α tăng lên nhiều, phần hạ lưu nơi xảy tượng Cavitation thiết kế khác biệt Áp suất hồi phục thiết bị dạng đĩa nhiều lỗ hồi phục nhanh so với thiết bị dạng venturi Vì lí nên thiết bị dạng đĩa nhiều lỗ có nhiều ưu điểm đề nghị sử dụng cho trình thực phản ứng hóa học mức độ sâu, cần điều kiện áp suất nhiệt độ cao 81 PHỤ LỤC : Các thiết bị phân tách methanol 1) THIẾT BỊ PHÂN TÁCH METHANOL/BIO-DIESEL Bố trí bên đĩa gồm gờ chảy tràn (hình dạng kích thước chi tiết gờ chảy tràn thể hình 29) Các gờ chảy tràn giúp xáo trộn dòng nguyên liệu, tăng thời gian lưu nguyên liệu tháp, hướng dòng nguyên liệu chảy ngược chiều kim đồng hồ điền đầy tất ngăn: từ ngăn vào tới ngăn Bố trí bên đĩa 3, 5, giống hoàn toàn đĩa Trong bố trí bên đĩa 2, 4, khác đĩa đường nhập liệu vào, nguyên liệu đĩa 2, 4, chảy theo hướng chiều kim đồng hồ Hình Hình Sơ đồ thiết bị phân tách methanol bio-diesel gồm đĩa Sơ đồ bố trí bên đĩa với gờ chảy tràn mặt cắt A-A, B-B, C-C, D-D 82 Hình ặt cắt A-A, B-B, C-C, D-D thể hình dạng kích thước gờ tràn đĩa tháp tách methanol/bio-diesel 2) THIẾT BỊ PHÂN TÁCH METHANOL/GLYCERINE Bố trí bên đĩa gồm gờ chảy tràn (hình dạng kích thước chi tiết gờ chảy tràn thể hình 32) Các gờ chảy tràn giúp xáo trộn dòng nguyên liệu, tăng thời gian lưu nguyên liệu tháp, hướng dòng nguyên liệu chảy ngược chiều kim đồng hồ điền đầy tất ngăn: từ ngăn vào tới ngăn Bố trí bên đĩa 3, 5giống hồn tồn đĩa Trong bố trí bên đĩa 2, khác đĩa đường nhập liệu vào, nguyên liệu đĩa 2, 4, chảy theo hướng chiều kim đồng hồ 83 Hình Hình Sơ đồ thiết bị phân tách methanol glycerine gồm đĩa Sơ đồ bố trí bên đĩa với gờ chảy tràn mặt cắt A-A, B-B, C-C, D-D 84 Hình Mặt cắt A-A, B-B, C-C, D-D thể hình dạng kích thước gờ tràn đĩa tháp tách methanol glycerine 85