Nghiên cứu quá trình làm khan cồn cao độ bằng phương pháp thấm bốc qua màng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VĂN QUANG NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH LÀM KHAN CỒN CAO ĐỘ BẰNG PHƯƠNG PHÁP THẤM BỐC QUA MÀNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Quá trình – Thiết bị Công nghệ Hóa học Thực phẩm HÀ NỘI 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VĂN QUANG NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH LÀM KHAN CỒN CAO ĐỘ BẰNG PHƯƠNG PHÁP THẤM BỐC QUA MÀNG Chuyên ngành: Quá trình – Thiết bị Công nghệ Hóa học Thực phẩm LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Quá trình – Thiết bị Công nghệ Hóa học Thực phẩm NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN MINH TÂN HÀ NỘI 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu khoa học trình bày luận văn hoàn toàn thật Các nội dung mang tính chất lý thuyết vào việc đọc – dịch tài liệu khoa học có nguồn gốc rõ ràng nước Các nội dung mang tính chất thực nghiệm vào số liệu thực nghiệm thu cách nghiêm túc Các nội dung mang tính chất suy luận có sở lý thuyết thực nghiệm chắn Hà Nội, ngày 12 tháng 10 năm 2010 Học viên Nguyễn Văn Quang MỤC LỤC Trang Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU Chương I: TỔNG QUAN I.1 Khái niệm chung lịch sử phát triển trình thấm bốc qua màng I.2 Cơ sở lý thuyết trình thấm bốc qua màng 12 I.3 Vật liệu màng module 18 I.3.1 Vật liệu màng 18 I.3.2 Module 23 I.4 Thiết kế trình thấm bốc qua màng 24 I.5 Ứng dụng trình thấm bốc qua màng 29 I.5.1 Tách nước dung dịch 28 I.5.2 Tách hợp chất hữu phân tán nước 32 I.5.3 Tách hỗn hợp hữu cơ/hữu 35 Chương II: THỰC NGHIỆM 40 II.1 Mục tiêu thực nghiệm 40 II.2 Lựa chọn màng thực nghiệm 40 II.3 Xây dựng mô hình thực nghiệm 41 II.3.1 Hệ thống thiết bị thực nghiệm 41 II.3.2 Các thông số kỹ thuật hệ thống thiết bị thực nghiệm 42 II.3.3 Dụng cụ hóa chất sử dụng 43 II.4 Trình tự tiến hành thực nghiệm 43 II.4.1 Chuẩn bị 43 II.4.2 Vận hành hệ thống thiết bị thực nghiệm 43 II.5 Phương pháp đo công thức tính toán 44 II Kết thực nghiệm 45 II.6.1 Theo nồng độ dung dịch đầu 46 II.6.2 Theo nhiệt độ dung dịch đầu 48 II.6.3 Theo áp suất hút chân không 50 Chương III: MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH THẤM BỐC QUA MÀNG 52 III.1 Những khái niệm chung mô hình hóa trình công nghệ hóa 52 học III.1.1 Định nghĩa mô hình 52 III.1.2 Các tiên đề để thiết lập mô hình 54 III.1.3 Các bước thiết lập mô hình vật lý 54 III.2 Xác định mô hình vật lý mô hình hóa trình thấm bốc qua màng 56 III.2.1 Xác định yếu tố công nghệ hệ nghiên cứu 56 III.2.2 Thiết lập chuẩn số 58 III.2.1.1 Thiết lập chuẩn số đơn giản 58 III.2.2.2 Thiết lập chuẩn số phức tạp 59 III.2.3 Xác định thông số mô hình 60 III.3 Đánh giá tính tương hợp nhận xét mô hình vật lý tìm 62 III.3.1 Đánh giá tính tương hợp mô hình 62 III.3.2 Nhận xét mô hình 64 KẾT LUẬN 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHỤ LỤC 71 Chương trình giải hệ phương trình tuyến tính theo thuật toán Gauss – Jordan ngôn ngữ lập trình C để tìm thông số mô hình DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT PV: Thấm bốc qua màng VOC: Các hợp chất hữu dễ bay MEK: Methyl ethyl ketone TCE: Trichloroethylene MTBE: Methyl tertiary buty ether PDMS: Poly dimethysiloxane PTMSP: Poly trimethysinylpropyne DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Những vật liệu màng thấm bốc phổ biến Bảng 1.2 Yếu tố phân riêng điển hình module màng thấm bốc cao su silicone (Tách VOC khỏi nước) Bảng 2.1 Tổng hợp số liệu thực nghiệm Bảng 2.2 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch ethanol đầu đưa vào màng đến nồng độ dung dịch ethanol dòng qua màng dòng qua màng Bảng 2.3 Ảnh hưởng nhiệt độ đun nóng dung dịch ethanol đầu đưa vào màng đến dòng qua màng Bảng 2.4 Ảnh hưởng áp suất hút chân không sau màng đến dòng qua màng Bảng 3.1 Các yếu tố công nghệ hệ nghiên cứu Bảng 3.2 Ma trận thứ nguyên yếu tố lại Bảng 3.3 Kết giải hệ phương trình Bảng 3.4 Giá trị thông số thực nghiệm Bảng 3.5 So sánh giá trị dòng qua màng thu từ thực nghiệm tính toán theo mô hình DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Nguyên lý trình thấm bốc qua màng Hình 1.2 Mô tả trình thấm bốc qua màng Hình 1.3 Các sơ đồ tiềm trình thấm bốc qua màng đề xuất Hình 1.4 Sử dụng hệ thống ngưng tụ phân đoạn thấm qua để nâng cao hiệu phân riêng thấm bốc qua màng dung dịch dễ bay (ethanol) Hình 1.5 Sơ đồ kết hợp chưng cất – thấm bốc qua màng để tách ethanol từ dấm chín Hình 1.6 Một vài khả kết hợp thấm bốc qua màng – chưng cất Hình 2.1 Sơ đồ thiết bị thực nghiệm Hình 2.2 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch ethanol đầu đưa vào màng đến nồng độ dung dịch ethanol dòng qua màng Hình 2.3 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch ethanol đầu đưa vào màng đến dòng qua màng Hình 2.4 Ảnh hưởng nhiệt độ đun nóng dung dịch ethanol đầu đưa vào màng đến nồng độ dung dịch ethanol dòng qua màng Hình 2.5 Ảnh hưởng nhiệt độ đun nóng dung dịch ethanol đầu đưa vào màng đến dòng qua màng Hình 2.6 Ảnh hưởng áp suất hút chân không sau màng đến dòng qua màng Hình 3.1 Mối quan hệ chủ thể, nguyên mô hình Hình 3.2 Quá trình đưa hàm toán mô tả hệ Hình 3.3 Sơ đồ quy tắc xác định cấu trúc hệ MỞ ĐẦU Trong hai thập niên qua, chứng kiến phát triển mạnh mẽ kinh tế giới, với phát triển nhu cầu sử dụng dầu mỏ tăng nhanh chưa có làm cho kinh tế toàn cầu cân cách mong manh Có nhiều nguồn lượng thay khác lượng mặt trời, gió, thủy triều,.… gặp nhiều khó khăn mặt khai thác sử dụng lý khó khăn mặt kỹ thuật, chi phí cao, công nghệ không phù hợp, lưu trữ sử dụng linh hoạt Nhà vật lý học tiếng George Porter nói rằng: “Mặt trời nguồn lượng đáng tin cậy nhất, thực vật nhà máy sản xuất lượng hiệu nhất” Việc sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu thực vật chứa đường, tinh bột, dầu diesel từ nguồn nguyên liệu thực vật chứa dầu, tận dụng phế liệu sản xuất lượng lựa chọn tốt Năm 2003, giới sản xuất 38,5 tỷ lít ethanol (châu Mỹ chiếm khoảng 70%, châu Á 17% châu Âu 10%), 70% dùng làm nhiên liệu, 30% sử dụng công nghiệp thực phẩm, y tế, hoá chất,… Nhưng đến năm 2007, lượng ethanol nhiên liệu sản xuất tăng lên 56 tỷ lít, tỷ lệ sử dụng làm nhiên liệu tăng lên 75% Dự báo năm 2012, lượng Ethanol nhiên liệu giới tăng lên 79,3 tỷ lít tỷ lệ sử dụng làm nhiên liệu tăng lên tới 85% Trên giới, Mỹ, Brazin Trung Quốc quốc gia đứng đầu sản xuất sử dụng ethanol nhiên liệu Ở khu vực Đông Nam Á, Thái Lan quốc gia phát triển nhanh sản xuất sử dụng xăng pha cồn làm từ phế phẩm sắn, ngô mía Năm 2004, Thái Lan sản xuất 280.000 m3 cồn nhiên liệu, đầu tư thêm 20 nhà máy để đến năm 2015 đạt 2,5 tỷ lít cồn nhiên liệu Cồn Việt Nam sản xuất chủ yếu từ nguồn nguyên liệu rỉ đường tinh bột với tổng công suất khoảng 25 triệu lít/năm tập trung vài nhà máy lớn, lại phân tán nhiều sở sản xuất nhỏ khác Các đơn vị sản xuất cồn nước ta gặp nhiều khó khăn nguồn nguyên liệu không ổn định, công nghệ sản xuất lạc hậu, chi phí sản xuất cao nên sản phẩm sức cạnh tranh Tuy nhiên, nhu cầu thị trường tiêu thụ cồn nước ngày tăng, đơn vị sản xuất cồn nước đẩy mạnh sản xuất, đồng thời mở rộng thêm nhiều nhà máy [4] Nước ta có kinh tế nông nghiệp chủ yếu, nhiều thuận lợi cho việc sản xuất cồn tuyệt đối làm nguồn nhiên liệu bổ sung thay nguồn nhiên liệu dầu mỏ ngày cạn kiệt Hơn nữa, nguồn nhiên liệu tái sinh có ý nghĩa cho việc bảo vệ môi trường phát triển bền vững Trong năm gần đây, có nhiều hội nghị, chương trình, đề tài khoa học, đề án, dự án xoay quanh vấn đề Năm 2007, Công ty Cổ phần Đồng Xanh đầu tư xây dựng nhà máy cồn nhiên liệu huyện Đại Lộc, tỉnh Quảng Nam với tổng số vốn đầu tư 600 tỷ đồng công suất 100.000 ethanol/năm vào hoạt động từ năm 2008 Hiện nay, đơn vị trực thuộc Tổng công ty Dầu khí Việt Nam triển khai dự án xây dựng nhà máy sản xuất cồn nhiên liệu huyện Tam Nông, tỉnh Phú Thọ khu kinh tế Dung Quất, tỉnh Quãng Ngãi với tổng vốn đầu tư nhà khoảng 80 triệu USD công suất nhà máy 100.000 m3 ethanol/năm Quá trình tách nước khỏi dung dịch ethanol phương pháp thấm bốc qua màng (PV) nghiên cứu ứng dụng nhiều nước phát triển Đặc biệt trình làm khan cồn cao độ tạo sản phẩm cồn tinh khiết > 99,5% khối lượng ethanol Mặc khác, hỗn hợp ethanol/nước tạo điểm đẳng phí nồng độ 95% khối lượng ethanol nên phương pháp chưng cất đơn giản thực mà phải tiến hành chưng cất đẳng phí, hấp phụ, trích ly lỏng – lỏng Quá trình tiếp tục nghiên cứu phát triển Đối với xưởng sản xuất có công suất < 5000 kg ethanol/h phương pháp có vốn đầu tư ban đầu tiêu tốn lượng nhiều so với phương pháp PV Mặt khác, trình làm việc phải tiến hành nhả hấp phụ, tái sinh dung môi thứ nên hệ thống thiết bị cồng kềnh Nếu trình PV kết hợp với chưng cất sơ đồ lai để làm khan cồn cao độ giảm chi phí lượng đáng kể so với chưng cất đẳng phí, hấp phụ Hơn nữa, PV có nhiều ứng dụng 10 III.2.2.2 Thiết lập chuẩn số phức tạp Thống kê yếu tố lại: J0, tdd, Cdd, λdd, υdd, A, l, pck Như vậy, số yếu tố lại n’ = 8, suy số chuẩn số phức tạp lại phải tìm p’ = n’ – r = – = Ma trận thứ nguyên yếu tố lại (aiρ) (i = 1,n’ = 8; ρ = 1,r = 4) thể bảng (3.2): Bảng 3.2 Ma trận thứ nguyên yếu tố lại i=1 i=2 i=3 i=4 i=5 i=6 i=7 i=8 J0 A l υdd tdd Cdd Pck λdd ρ=1 L -2 2 -1 ρ=2 T -1 0 -1 -2 -2 -3 ρ=3 M 0 0 1 ρ=4 θ 0 0 -1 -1 Từ đó, ta lập hệ phương trình: -2k1j + 2k2j + k3j + 2k4j + 0k5j + 2k6j - k7j + k8j = 0; -k1j + 0k2j + 0k3j - k4j + 0k5j - 2k6j - 2k7j - 3k8j = 0; k1j + 0k2j + 0k3j + 0k4j + 0k5j + 0k6j + k7j + k8j = 0; (3.7) 0k1j + 0k2j + 0k3j + 0k4j + k5j - k6j + 0k7j - k8j = Hệ phương trình có phương trình có ẩn số nên ta phải chọn p’ = n’ – r = – = nghiệm tự Các nghiệm tự chọn theo nguyên tắc sau: kij = (3.8) ∀i,j, i = 1,8; j = 1,4 kii = Bằng cách chọn p’ = nghiệm tự theo nguyên tắc trên, thay vào hệ phương trình (3.7), giải hệ phương trình ta tìm r = nghiệm lại, kết tìm nghiệm sau: k1j = 1, k2j = 0, k3j = 0, k4j = 0, k5j = -1/2, k6j = 1/2, k7j = -1, k8j = 0; k1j = 0, k2j = 1, k3j = 0, k4j = 0, k5j = -1, k6j = 1, k7j = 2, k8j = -2; 62 k1j = 0, k2j = 0, k3j = 1, k4j = 0, k5j = -1/2, k6j = 1/2, k7j = 1, k8j = -1; k1j = 0, k2j = 0, k3j = 0, k4j = 1, k5j = -1, k6j = 0, k7j = 1, k8j = -1 Các nghiệm thể bảng (3.3) sau: Bảng 3.3 Kết giải hệ phương trình i=1 i=2 i=3 i=4 i=5 i=6 i =7 i=8 J0 A l υdd tdd Cdd pck λdd J=1 Π1 0 -1/2 1/2 -1 J=2 Π2 0 -1 -2 J=3 Π3 0 -1/2 1/2 -1 J=4 Π4 0 -1 -1 Dựa vào kết giải hệ phương trình thể bảng trên, ta thiết lập chuẩn số phức tạp: Π1 = J0.tdd-1/2.Cdd1/2.pck-1; Π2 = A.tdd-1.Cdd.pck2.λdd-2; Π3 = l.tdd-1/2.Cdd1/2.pck.λdd-1; Π4 = υdd.tdd-1.pck.λdd-1 Áp dụng định lý Π ta biểu diễn Πjp theo chuẩn số lại: ΠJp = CΠα1XFΠα2X0Πα3XpΠα4αmemΠα5DΠα6cosθΠα7KΠα8∆prΠα91Πα102Πα113Πα124 (3.9) III.2.3 Xác định thông số mô hình Lôgarit hóa vế biểu thức (3.9) ta phương trình: lg(ΠJp) = lg(C) + α1lg(ΠXF) + α2lg(ΠX0) + α3lg(ΠXp) + α4lg(Παmem) + α5lg(ΠD) + α6lg(Πcosθ) + α7lg(ΠK) + α8lg(Π∆pr) + α9lg(Π1) + α10lg(Π2) + α11lg(Π3) + α12lg(Π4) (3.10) Phương trình có 12 ẩn số, để giải ta phải tiến hành 12 thí nghiệm khác để thiết lập hệ gồm 12 phương trình độc lập tuyến tính Tuy nhiên, điều kiện nghiên cứu định có thông số công nghệ không xác định thực nghiệm, tra cứu sổ tay, rút từ kinh nghiệm Trong 63 trường hợp đó, ta đưa chuẩn số vào số C làm đơn giản hóa mô hình để giải Đối với mô hình ta nghiên cứu viết gọn lại sau: ΠJp = CΠα1XFΠα2XpΠα31Πα42Πα53 (3.11) Lôgarit hóa vế biểu thức ta phương trình: lg(ΠJp) = lg(C) + α1lg(ΠXF) + α2lg(ΠXP) + α3lg(Π1) + α4lg(Π2) + α5lg(Π3) (3.12) Phương trình có ẩn số, để giải ta phải tiến hành thí nghiệm khác để thiết lập hệ gồm phương trình độc lập tuyến tính Phương trình (3.12) viết lại sau: lg( Jp J0 ) = lg(C) + α1lg(XF) + α2lg(Xp) + α3lg(J0.tdd-1/2.Cdd1/2.pck-1) + α4lg(A.tdd-1.Cdd.pck2.λdd-2) α5lg(l.tdd-1/2.Cdd1/2.pck.λdd-1) + (3.13) Trong thông số cần đo, tính toán tra bảng là: XF, Xp, tdd, Cdd, λdd, A, l, pck, J0, Jp Các giá trị thông số thực nghiệm thể bảng (3.4) sau: Bảng 3.4 Giá trị thông số thực nghiệm tính toán TT XF Xp tdd Cdd λdd A l Pck J0 Jp 0,9205 0,9825 40 2831,2 0,2018 12.10-4 0,2.10-3 0,94.105 0,1447 2,444.10-3 0,9290 0,9910 40 2817,8 0,1979 12.10-4 0,2.10-3 0,94.105 0,1447 2,494.10-3 0,9495 0,9965 35 2724,3 0,1872 12.10-4 0,2.10-3 0,96.105 0,1447 2,686.10-3 0,9494 0,9940 55 2973,5 0,19385 12.10-4 0,2.10-3 0,96.105 0,1447 2,914.10-3 0,9010 0,9660 50 2967,1 0,2130 12.10-4 0,2.10-3 0,88.105 0,1447 2,314.10-3 0,9011 0,9659 50 2967,1 0,2130 12.10-4 0,2.10-3 0,98.105 0,1447 2,514.10-3 Từ kết thực nghiệm bảng số liệu trên, ta thiết lập hệ phương trình tuyến tính sau để xác định thông số mô hình: 64 -1,7724 = lg(C) – 0,035976α1 – 0,0076674α2 – 4,8877α3 + 10,2655α4 + 2,8942α5 (1) -1,7636 = lg(C) – 0,031984α1 – 0,0039264α2 – 4,8887α3 + 10,2804α4 + 2,9016α5 (2) -1,7314 = lg(C) – 0,022505α1 – 0,0015227α2 – 4,8762α3 + 10,3903α4 + 2,9566α5 (3) -1,696 = lg(C) – 0,022508α1 – 0,0026136α2 – 4,9554α3 + 10,2015α4 + 2,86218α5 (4) -1,7961 = lg(C) – 0,045275α1 – 0,015023α2 – 4,8973α3 + 10,0847α4 + 2,8038α5 (5) -1,7601 = lg(C) – 0,045227α1 – 0,015068α2 – 4,9441α3 + 10,1782α4 + 2,8416α5 (6) Sử dụng chương trình giải hệ phương trình tuyến tính theo thuật toán Gauss Jordan ngôn ngữ lập trình C để giải hệ ta kết quả: lgC = -6,5316, α1 = 4,2209, α2 = -2,4656, α3 = -0,5118, α4 = 0,4803, α1 = -0,8777 (3.14) Như vậy, ta thiết lập mô hình vật lý mô tả hệ sau: ΠJp = 10-6,5316ΠXF4,2209ΠXp-2,4656Π1-0,5118Π20,4803Π3-0,8777 (3.15) Jp/J0 = 10-6,5316XF4,2209Xp-2,4656(J0.A2/mp.υdd)-0,5118.(tdd-1/2.Cdd1/2.pck-1.m0.υdd/A2)-0,5118 (A.tdd-1.Cdd.pck2.λdd-2)0,4803(l.tdd-1/2.Cdd1/2.pck.λdd-1)-0,8777 (3.16) Jp/J0 = 10-6,5316XF4,2209Xp-2,4656Re-0,5118.(tdd-1/2.Cdd1/2.pck-1.m0.υdd/A2)-0,5118 (A.tdd-1.Cdd.pck2.λdd-2)0,4803(l.tdd-1/2.Cdd1/2.pck.λdd-1)-0,8777 (3.17) Nếu thiết lập mô hình vật lý mô tả hệ theo thông số công nghệ ta được: Jp = 10-6,5316.A0,4803.l-0,8777.XF4,2209.Xp-2,4656.J00,4882.tdd0,21445.pck0,5947.Cdd-0,21445.λdd-0,0829 (3.18) III.3 Đánh giá tính tương hợp nhận xét mô hình vật lý tìm III.3.1 Đánh giá tính tương hợp mô hình Để đánh giá tính tương hợp mô hình vật lý tìm ta tiến hành nhiều thực nghiệm riêng lẻ đo yếu tố công nghệ dòng khối lượng ethanol qua màng Jp điều kiện thực nghiệm khác thay đổi yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến hệ đem so sánh với kết tính toán theo mô hình vật lý tìm biểu thức (3.18), kết thu thể bảng (3.5) sau: 65 Bảng 3.5 So sánh giá trị dòng qua màng thu từ thực nghiệm tính toán theo mô hình TT XF Xp tdd Cdd λdd A l Pck J0 Jp TN Jp TT 0,9010 0,9635 40 2861,0 0,2103 12.10-4 0,2.10-3 0,94.105 0,1447 2,3417.10-3 2,3279.10-3 0,595% 0,2066 12.10 -4 0,2.10 -3 0,94.10 0,1447 2,3944.10 -3 2,3627.10 -3 1,343% 12.10 -4 0,2.10 -3 0,94.10 2,5472.10 -3 2,6092.10 -3 2,377% -4 0,2.10 -3 0,94.10 0,1447 2,5972.10 -3 2,7132.10 -3 4,276% 0,1447 2,7500.10-3 2,7507.10-3 0,024% -3 -3 0,228% 0,9094 0,9411 0,9742 0,9957 40 40 2848,0 2800,0 0,1928 0,1447 Sai số 0,9495 0,9963 40 2787,0 0,1891 12.10 0,9497 0,9962 40 2786,7 0,1890 12.10-4 0,2.10-3 0,96.105 -4 -3 0,1447 2,8111.10 0,1447 2,8667.10-3 2,8563.10-3 0,363% 0,1447 2,9583.10 -3 2,9564.10 -3 0,066% 2,3667.10 -3 2,3396.10 -3 1,157% 2,4167.10 -3 2,3649.10 -3 2,189% -3 2,3979.10 -3 2,288% 2,4324.10-3 2,091% 0,9494 0,9958 45 2848,9 0,1907 12.10 0,9493 0,9952 50 2912,1 0,1923 12.10-4 0,2.10-3 0,96.105 0,1954 12.10 -4 0,2.10 -3 0,96.10 12.10 -4 0,2.10 -3 0,90.10 12.10 -4 0,2.10 -3 0,92.10 -4 0,2.10 -3 0,94.10 0,1447 2,4528.10 0,96.105 0,1447 2,4833.10-3 10 0,9496 0,9011 0,9008 0,9935 0,9658 0,9661 60 50 50 3035,5 2979,6 2980,3 0,2176 0,2178 11 0,9009 0,9659 50 2979,8 0,2177 12.10 12 0,9012 0,9658 50 2979,4 0,2175 12.10-4 0,2.10 0,2.10-3 0,96.10 0,1447 0,1447 2,8047.10 Để đánh giá mức độ tin cậy sử dụng mô hình, ta xác định sai số trung bình (kỳ vọng sai số) hệ số tương quan giá trị thu từ thực nghiệm tính toán theo mô hình Trong hệ số tương quan xác định theo công thức sau [2]: ρ x, y = Cov ( X , Y ) σ xσ y (3.19) đó: Cov( X , Y ) = n ∑ ( xi − µ x )( yi − µ y ) n i =1 σ x ,σ y : phương sai dãy số X, Y; µ x , µ y : giá trị trung bình (kỳ vọng) dãy số X, Y Theo kết so sánh giá trị dòng qua màng thu từ thực nghiệm tính toán theo mô hình bảng (3.5), ta có: - Kỳ vọng sai số là: 1,42 %; - Hệ số tương quan giá trị dòng qua màng thu từ thực nghiệm tính toán theo mô hình là: 0,895 66 Qua kết tính toán thu ta kết luận mô hình vật lý thiết lập tương hợp sử dụng để tính toán với sai số chấp nhận Ngoài ra, hầu hết thông số công nghệ có mặt mô hình, thể có khả đại diện cho trình làm khan cồn cao độ phương pháp PV cách đầy đủ III.3.2 Nhận xét mô hình Từ mô hình vật lý thu trình làm khan cồn cao độ phương pháp PV ta rút số nhận xét sau: - Tỷ lệ dòng qua màng không qua màng tỷ lệ nghịch với chuẩn số Re theo lũy thừa 0,5118 Như vậy, dòng không qua màng tăng dòng qua màng tăng theo xấp xỉ bậc hai Điều chứng tỏ trình chuyển khối qua màng phụ thuộc nhiều vào trình khuếch tán phân tử - Nồng độ dung dịch ethanol đầu đưa vào màng thông số công nghệ ảnh hưởng lớn đến dòng qua màng, tỷ lệ thuận với lũy thừa 4,2209 Điều hoàn toàn phù hợp với sở lý thuyết trình PV màng PDMS sử dụng thực nghiệm vật liệu kỵ nước ưu tiên cho ethanol thấm qua Khi nồng độ dung dịch ethanol đầu đưa vào màng lớn tốc độ hòa tan - khuếch tán phân tử ethanol qua màng lớn, kết dòng dung dịch ethanol qua màng lớn - Các thông số công nghệ như: áp hút chân không sau màng, nhiệt độ đun nóng dung dịch ethanol đầu đưa vào màng dòng không qua màng ảnh hưởng lớn đến dòng qua màng, tỷ lệ thuận với lũy thừa khác 0,5947; 0,21445; 0,4882 Điều hoàn toàn phù hợp với sở lý thuyết trình PV Khi áp suất tăng làm tăng động lực trình Lúc này, áp suất riêng phần cấu tử thấm qua màng nhỏ áp suất riêng phần dung dịch phía màng Còn nhiệt độ tăng phân tử ethanol nước linh động dẫn đến tốc độ hòa tan – khuếch tán qua màng tăng lên dẫn đến dòng qua màng lớn - Các thông số công nghệ như: nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt dung dịch ethanol đầu đưa vào màng thông số phụ thuộc vào nhiệt độ nồng độ dung dịch ethanol đầu đưa vào màng Các thông số công nghệ thay đổi ảnh hưởng 67 không nhiều đến dòng qua màng Còn thông số công nghệ nồng độ dung dịch ethanol dòng qua màng thông số phụ thuộc vào nồng độ nhiệt độ dung dịch ethanol đầu đưa vào màng phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ dung dịch ethanol đầu đưa vào màng, tỷ lệ thuận với lũy thừa gần Thông số công nghệ tỷ lệ nghịch với dòng qua màng - Diện tích màng bề dày màng thông số công nghệ có tính chất số hệ thống thiết bị Tuy nhiên, bề dày màng thay đổi ảnh hưởng lớn đến dòng qua màng, tỷ lệ nghịch với lũy thừa 0,8777 Còn diện tích màng thay đổi ảnh hưởng đến dòng qua màng, tỷ lệ thuận với lũy thừa 0,4803 Như vậy, mô hình vật lý thu cho thấy ảnh hưởng chế độ thủy động đến trình PV cách rõ nét với xuất chuẩn số Re với lũy thừa 0,5118 qua phản ánh trình chuyển khối qua màng phụ thuộc nhiều vào trình khuếch tán phân tử Mặt khác, cho biết thông số công nghệ ảnh hưởng đến dòng qua màng trình làm khan cồn cao độ phương pháp PV nồng độ nhiệt độ dung dịch ethanol đầu đưa vào màng, áp suất hút chân không sau màng dòng không qua màng Các thông số công nghệ tỷ lệ thuận với dòng qua màng theo lũy thừa khác Ngoài ra, kết luận hoàn toàn phù hợp với sở lý thuyết trình PV 68 KẾT LUẬN Các kết nghiên cứu thu luận văn dẫn đến việc xây dựng mô hình vật lý mô tả trình làm khan cồn cao độ phương pháp PV cho hệ thống thiết bị đồng dạng với hệ thống thiết bị thực nghiệm công nghệ sản xuất cồn nhiên liệu Mô hình có độ xác tương đối cao, ứng dụng để tính toán điều khiển trình làm khan cồn cao độ phương pháp PV Tính xác mô hình kiểm chứng thông qua việc so sánh giá trị dòng qua màng thu từ thực nghiệm tính toán theo mô hình Mặt khác, mô hình thiết lập hoàn toàn phù hợp với sở lý thuyết trình PV Ngoài ra, dựa số liệu thực nghiệm ta đưa số mô tả ảnh hưởng thông số công nghệ đến trình làm khan cồn cao độ phương pháp PV hoàn toàn phù hợp với sở lý thuyết trình Cụ thể, luận văn đạt số kết sau: Xây dựng mô hình vật lý mô tả trình làm khan cồn cao độ phương pháp PV cho hệ thống thiết bị đồng dạng với hệ thống thiết bị thực nghiệm, phù hợp với sở lý thuyết trình có mặt hầu hết thông số công nghệ bản, có khả đại diện cho trình Mô hình vật lý thiết lập cho thấy ảnh hưởng rõ nét chế độ thủy động đến trình trình chuyển khối qua màng Căn vào mô hình, tính toán định lượng điều khiển tối ưu thông số công nghệ trình như: dòng qua màng, nồng độ nhiệt độ dung dịch ethanol đầu đưa vào màng, áp hút chân không sau màng, dòng không qua màng nồng độ dung dịch ethanol dòng qua màng Mô tả ảnh hưởng qua lại thông số công nghệ trình làm khan cồn cao độ phương pháp PV phù hợp với sở lý thuyết trình mô hình Dòng qua màng trình làm khan cồn cao độ phương pháp PV tỷ lệ thuận với nồng độ nhiệt độ dung dịch ethanol đầu đưa vào màng, áp hút chân không sau màng dòng không qua màng Nồng độ dung dịch ethanol dòng 69 qua màng tỷ lệ thuận với nồng độ dung dịch ethanol đầu đưa vào màng tỷ lệ nghịch với nhiệt độ dung dịch ethanol đầu đưa vào màng Mặt khác, qua vùng tối ưu thông số công nghệ trình làm khan cồn cao độ phương pháp PV Dựa vào việc tính toán thông số công nghệ mô hình cách dễ dàng, hoàn toàn kiểm tra chế độ làm việc hệ thống thiết bị có ổn định hay không, đặt biệt trường hợp màng bị lão hóa Mô hình vật lý thiết lập để mô tả trình làm khan cồn cao độ phương pháp PV hệ thống thiết bị đồng dạng với hệ thống thiết bị thực nghiệm sử dụng dùng để mô tả định tính số trình PV tương tự khác Đã đưa mô hình lý thuyết để mô tả trình làm khan cồn cao độ phương pháp PV đơn giản mặt tính toán, dễ dàng điều khiển thông số công nghệ có tính ứng dụng cao Tuy nhiên, mô hình áp dụng hệ thống thiết bị đồng dạng với hệ thống thiết bị thực nghiệm Với kết nêu trên, nghiên cứu thu trình làm khan cồn cao độ phương pháp PV luận văn có ý nghĩa lớn mặt lý thuyết tính ứng dụng công nghệ sản xuất cồn nhiên liệu phương pháp PV, đặc biệt mô hình vật lý thu để mô tả trình 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Vũ Cao Đàm (2007), Phương pháp luận nghiên cứu khoa học, NXB Khoa học Kỹ thuật [2] Nguyễn Lanh (2002), Mô hình hóa trình trao đổi ion thu hồi Uran công nghiệp, Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội [3] Tập thể tác giả (1992), Sổ tay Quá trình Thiết bị Công nghệ Hóa chất, NXB Khoa học Kỹ thuật, Tập [4] Nguyễn Đình Thưởng Nguyễn Thanh Hằng (2005), Công nghệ sản xuất kiểm tra cồn etylic, NXB Khoa học Kỹ thuật [5] Nguyễn Minh Tuyển Phạm Văn Thiêm (1997), Kỹ thuật hệ thống Công nghệ Hóa học, Tập 1, NXB Khoa học Kỹ thuật Tiếng Anh [6] Araujo W.A., Alvarez M.E.T., Moraes E.B and Wolf–Maciel M.R (2008), Evaluation of Pervaporation Process for Recovering a Key Orange Juice Flavour Compound: Modeling and Simulation, Elsevier B.V., Ltd [7] Arpornwichanop A., Sahapatsombud U., Patcharavorachot Y and Assabumrungrat S (2008), Hybrid Process of Reactive Distillation and Pervaporation for the Production of Tert–amyl Ethyl Ether, Chinese Journal of Chemical Engineering, Vol 16, No 1, pp 100–103 [8] Baker R.W (2004), Membrane Technology and Applications, Jonh Wiley & Sons., Ltd [9] Chandak M.V., Lin Y.S., Ji W and Higgins R.J (1998), Sorpation and Diffusion of Volatile Organic Compounds in PDMS Membranes, J Appl Polym Sci 67, pp 165–175 71 [10] Hoch P.M., Daviou M.C and Eliceche (2003), Optimization of the Operating Conditions of Azeotropic Distillation Columns with Pervaporation Membranes, Latin American Applied Research, pp 177–183 [11] Huang Y and Vane L.M (2006), BoisepTM: A New Ethanol Recovery Technology for Small Scale Rural Production of Ethanol from Biomass [12] Ikegami T., Yanagishita H., Kitamoto D., Haraya K., Nakane T., Matsuda H., Koura N and Sano T (1997), Production of Highly Concentrated Ethanol Coupled Fermentation/Pervaporation Process Using Silicalite Membranes, Biotechnology Techniques, Vol 11, No 12, pp 921–924 [13] Kita H., Noue T., Asamura H., Tanaka K and Okamoto K (1997), NaY Zeolite Membrane for the Pervaporation Separation of Methanol–Methyl Tert Butyl Ether Mixtures, Chem Commu [14] Kujawaski W (2000), Application of Pervaporation and Vapor Permeation in Environmental Protection, Polish Journal of Environmental Studies, Vol 9, No 1, pp 13–26 [15] Kujawaski W., Kapala W., Palczewska-Tulinska M., Ratajczak W., Linkiewicz D and Michalak (2002), Application of Membrane Process to Enhanced Separation of Fusel oils, Chem Pap, Vol 56, No 1, pp 3–6 [16] Lui S.X., Vane L.M and Peng M (2003), Theoretical Analysis of Concentration Polarization Effect on VOC Removal by Pervaporation, Journal for Hazardous Substance Research, Vol 4, No 5, pp 1–21 [17] Mulder M.H.V., Hendrikman J.O., Hegeman H and Smolders C.A.(1983), Ethanol– Water Separation Pervaporation, Journal of Membrane Science., 16, pp 269–284 [18] Schmidt S.L., Myers M.D., Kelley S.S., McMillan J.D and Padukone N.(1997), Evaluation of PTMSP Membranes in Achieving Enhanced Ethanol Removal from Fermentation by Pervaporation, Humana Press [19] Veen H.M.V., Delft Y.C.V., Engelen C.W.R and Pex P.P.A.C (2001), Dewatering of Organics by Pervaporation with Silica Membranes, ECN–RX–01–066 72 [20] Veen H.M.V., Delft Y.C.V., Bongers B., Engelen C.W.R., Pex P.P.A.C (2004), Methanol Separation from Organics by Pervaporation with Modified Silica Membranes, ECN–RX–04–053 [21] Vente J.F (2009), Organic–Inorganic Hybrid Microporous Membrane (Hybsi®) For Pervaporation Applications, ECN–09–065 [22] Wilson I.D., Cooke M., Poole C.F and Adlard E.R (2000), Encyclopedia of Separation Science, Academic Press [23] Xiangli F., Chen Y., Jin W and Xu N (2007), Polydimethysiloxane (PDMS)/Ceramic Composite Membrane with Hight Flux for Pervaporation of Ethanol– Water Mixtures, Ind Chem Res., 46, pp 2224 – 2230 73 PHỤ LỤC Chương trình giải hệ phương trình tuyến tính theo thuật toán Gauss - Jordan ngôn ngữ lập trình C để tìm thông số mô hình: #include #include #include #include float amoi(float a,float b,float c,float d) { float x; x=a-(b*c)/d; return x; } void main() { float a[100][100]; int i,j,n,t=1,doi,g=0,f,k=0; clrscr(); printf("\n ma tran vuong cap ?: ");scanf("%d",&n); for(i=1;i