Nghiên cứu các tính chất đặc trưng và khả năng sử dụng dầu hạt cao su việt nam với vai trò nguyên liệu sản xuất biodiesel

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ DUY HÙNG NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT ĐẶC TRƯNG VÀ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG DẦU HẠT CAO SU VIỆT NAM VỚI VAI TRÒ NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIODIESEL Chun ngành: Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HĨA HỌC Mã ngành: 605277 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH - 2011 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH Lê Xuân Hải Chữ ký: Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày … tháng … năm 2011 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Xác nhận Chủ tịch hội đồng đánh giá luận văn môn quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Bộ môn quản lý chuyên ngành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH _ _ Tp HCM, ngày … tháng … năm … NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ DUY HÙNG Ngày tháng năm sinh: 1985 Phái: Nam Nơi sinh: Bình Phước Chun ngành: Q trình & Thiết bị Cơng nghệ hóa học MSHV: 09290131 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT ĐẶC TRƯNG VÀ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG DẦU HẠT CAO SU VIỆT NAM VỚI VAI TRÒ NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIODIESEL I NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG - Khảo sát thành phần hóa học tính chất hóa lý nguyên liệu RSO - Xác định điều kiện phân tích phù hợp - Xác định phương pháp tiền xử lý nguyên liệu - Khảo sát, nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố phản ứng chuyển hóa tạo thành biodiesel II - Khảo sát, nghiên cứu tinh chế, thu hồi sản phẩm phụ chất thải trình phản ứng - Thiết kế, chạy thử nghiệm phản ứng sản xuất biodiesel hệ thiết bị pilot 50 lit - Chạy thử nghiệm biodiesel động diesel NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: tháng năm 2010 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: tháng năm 2011 IV CÁN BỘ HƯỚNGNG DẪN: PGS.TSKH Lê Xuân Hải CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QUẢN LÝ (Họ tên chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) ABSTRACT Rubber seed oil (RSO) is a kind of vegetables oil which has high content of free fatty acid (FFA>2%) To produce biodiesel, RSO is eliminated impurities, esterified to reduce FFA and transfer ester to mix of methyl esters (FAME, biodiesel) by a transferred agent - methanol H2SO4 was used as a catalyst in transferring reaction of fatty acid, whilst KOH was used to catalyse in transferring reaction of ester Factors affect the process to handle rubber seed oil become biodiesel included methanol/oil mol rate, content of catalyst, temperature of catalysis and reacted time The result showed that the deposited time 72 hours with a suitable amount of methanol, almost impurities in oil phase were separated With 2% H 2SO4, reacted temperature 600C, methanol : oil mol rate 6:1, reacted time 90 minutes, content of FFA in RSO decreased lower 2% and could be reacted to transfer ester with catalyst KOH With 0.5% mass catalyst KOH, reacted temperature 500C, methanol : oil mol rate : 1, reacted time 60 minutes, rubber seed oil was transferred to biodiesel Recovery rate of biodiesel at stage of transfer ester attained 91.6% From laboratory scale, transformation of RSO to biodiesel was successfully done by pilot apparatus 50 liters Biodiesel was mixed diesel to create B20 fuel and operated for trial purpose on diesel machine (electric generator EV26) and observed generated smoke, technical standards for biodiesel (B100) The result indicated RSOcan be produced biodiesel Byproducts of glycerin and methanol which were redundant in process of manufacture of biodiesel were also preliminary observed to look for a process to deal with pigment, odor, impurities Coarse glycerin was see-through, odorless, the purity reach 92.9% Spare methanol was transparent, recycle in process of handle rubber seed oil to biodiesel TÓM TẮT Dầu hạt cao su loại dầu thực vật có hàm lượng acid béo tự lớn (FFA>2%) Để sản xuất thành biodiesel, dầu xử lý tạp chất, ester hóa làm giảm FFA chuyển vị ester tạo thành hỗn hợp metyl ester (FAME, biodiesel) Tác nhân tham gia phản ứng methanol H2SO4 sử dụng làm xúc tác phản ứng ester hóa acid béo tự do, cịn KOH sử dụng làm xúc tác phản ứng chuyển vị ester Các yếu tố ảnh hưởng tới trình xử lý dầu thành biodiesel khảo sát tỷ lệ mol methanol/dầu, hàm lượng xúc tác, nhiệt độ xúc tác, thời gian phản ứng Kết thực nghiệm cho thấy với thời gian lắng tách 72 có mặt lượng methanol thích hợp, tạp chất có pha dầu tách bỏ Với 2% khối lượng xúc tác H2SO4, nhiệt độ phản ứng 60oC, tỷ lệ mol methanol/dầu 6:1, thời gian phản ứng 90 phút , FFA dầu hạt cao su giảm xuống 2% đủ điều kiện tiến hành phản ứng chuyển vị ester với xúc tác KOH Với 0.5% khối lượng xúc tác KOH, nhiệt độ phản ứng 50oC, tỷ lệ mol methanol/dầu 6:1, thời gian phản ứng 60 phút dầu hạt cao su (đã giảm FFA) chuyển vị ester tạo thành biodiesel Tỷ suất thu hồi sản phẩm biodiesel tính cho giai đoạn chuyển vị ester đạt 91.6% Từ quy mơ phịng thí nghiệm, q trình chuyển hóa RSO thành biodiesel thực thành công hệ thiết bị quy mơ pilot dung tích 50 lít Sản phẩm biodiesel pha trộn với diesel thành nhiên liệu B20 vận hành thử nghiệm động diesel (máy phát điện EV26) Kết khảo sát vận hành, khảo sát khói thải động kết phân tích số tiêu dành cho biodiesel (B100) cho thấy sản xuất biodiesel từ dầu hạt cao su Sản phẩm phụ glyxerin trình sản xuất biodiesel khảo sát sơ để tìm quy trình xử lý màu, mùi, tạp chất Sản phẩm glyxerin thô thu suốt, khơng cịn mùi, độ tinh khiết đạt 92.9% Methanol dư thu hồi suốt, tái sử dụng quy trình xử lý dầu hạt cao su thành biodiesel LỜI CẢM ƠN Trong trình làm thực nghiệm hoàn thành luận văn thầy Lê Xuân Hải tận tình hướng dẫn, hỗ trợ tất điều kiện thuận lợi Đồng thời thầy ln động viên lúc khó khăn Em xin gửi lời cảm ơn thành kính đên thầy Em xin gửi lời cảm quý thầy cô mơn Máy Thiết bị nói riêng, Khoa Kỹ thuật hóa học nói chung, Trường đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh truyền đạt kiến thức khoa học chuyên ngành năm học giảng đường đại học sau đại học tạo điều kiện thuận lợi để em thực đề tài Lời cảm ơn chân thành xin gửi tới Chương trình lượng tái tạo (ĐHQG TP.HCM), Đề tài trọng điểm B2008-20-03TĐ (ĐHQG Tp.HCM), chị Lê Thị Tuyết Anh, thầy Lâm Quốc Trình, bác Trần Trác, bạn Võ Khôi Nguyên bạn sinh viên khoa Kỹ thuật hóa học khóa 2007 hỗ trợ tơi trình thực luận văn Cảm ơn gia đình, bạn bè người thân hỗ trợ động viên tinh thần cho tơi suốt q trình học tập thực đề tài Xin chân thành cảm ơn gửi lời chúc sức khỏe i DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT TG Triglyxerit DG Diglyxerit MG Monoglyxerit FAME Methy ester axit béo FFA Axit béo tự ( Free Fatty Acid) AV Chỉ số acid DC Dầu ép hạt cao su FFO Mỡ cá ( Fatty Fish Oil) RSO Dầu ép hạt cao su (Rubber Seed Oil) DO Dầu diesel HCN Hidro xianua HHN11 Tác nhân sơ chế RSO ii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1:Phân loại giống cao su Bảng 1.2: Tính chất vật lý hạt cao su so sánh với loại hạt khác Bảng 1.3: Hàm lượng HCN thay đổi theo thời gian bảo quản hạt cao su Bảng 1.4: Giá thu mua hạt cơng ty Hịa Phước qua số năm Bảng1.5: Giá dầu hạt cao su số năm Bảng 1.6: Phân loại cá tra 12 Bảng 1.7: Phân loại giống họ cá tra Việt Nam 13 Bảng 1.8: Tiêu chuẩn biodiesel Việt Nam (TCVN 7717:2007, nhiên liệu sinh học gốc B100) 16 Bảng 3.1: Kết phân tích Mỡ cá tra công nghiệp 32 Bảng 3.2: Kết phân tích Mỡ cá tra thủ cơng 33 Bảng 3.3: Chỉ số axít Mỡ cá tra cơng nghiệp thay đổi theo thời gian bảo quản 34 Bảng 3.4: Kết phân tích thành phần RSO 2008 35 Bảng 3.5: Kết phân tích hóa lý RSO 2008 36 Bảng 3.6: Kết phân tích RSO (Phịng thí nghiệm) 36 Bảng 3.7:Độ nhớt RSO 2008 theo nhiệt độ 37 Bảng 3.8: AV RSO mùa hạt 2008(đợt 2) biến đổi theo thời gian 37 Bảng 3.9: Kết phân tích thành phần RSO 2009 38 Bảng 3.10: Kết phân tích thành phần RSO 2010 38 Bảng 3.11: AV RSO mùa 2009 2010 39 Bảng 3.12: Kết phân tích dầu cao su trích ly từ hạt mùa vụ 2009 39 Bảng 3.13: Kết phân tích dầu trích ly từ hạt cao su mùa vụ 2010 41 iii Bảng 3.14: Kết phân tích dầu trích ly từ hạt cao su mùa vụ 2010 sau tháng bảo quản 42 Bảng 3.15: RSO mùa vụ 2009 sau năm bảo quản sau sơ chế 46 Bảng 3.16: Kết phản ứng ester hóa RSO 2008 đợt 47 Bảng 3.17: Kết phản ứng ester hóa RSO 2008 đợt 52 Bảng 3.18: Chỉ số acid độ nhớt sản phẩm giai đoạn ester hóa RSO 2009 qua sơ chế 56 Bảng 3.19:Kết khảo sát phản ứng chuyển hóa biodiesel từ mỡ cá 57 Bảng 3.20: Chỉ số acid độ nhớt theo thời gian RSO 2008 đợt tiền xử lý 58 Bảng 3.21: Độ nhớt biodiesel thu chuyển vị ester RSO 59 Bảng 3.22: Độ nhớt sản phẩm Biodiesel thô (qua sơ chế Methanol) 61 Bảng 3.23: Kết chuyển hóa FFO thành biodiesel hệ thống phản ứng pilot 76 Bảng3.24 : Chuyển hóa RSO thành Biodiesel với tác nhân Methanol 80 Bảng3.25: AV độ nhớt sàn phẩm FAME thực chuyển hóa từ RSO quy mô pilot 81 Bảng 3.26: Nhiệt trị nhiên liệu Diesel Biodiesel 82 Bảng3.27: Thành phần biodiesel thử nghiệm 83 iv DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Quả hạt cao su Hình 1.2: Hệ thống phân phối hạt máy ép dầu Hình 3.1: Hệ HHN11/RSO lắng giai đoạn sơ chế HHN11 45 Hình 3.2: Ảnh hưởng tỷ lệ M/O hàm lượng xúc tác số AV (T = 500C, t = 1h) 50 Hình 3.3: Ảnh hưởng tỷ lệ M/O thời gian phản ứng số AV (T = 600C, hàm lượng xúc tác = 2.5%) 50 Hình 3.4: Ảnh hưởng tỷ lệ M/O hàm lượng xúc số AV (T = 600C, t = 0.5h) 51 Hình 3.5: Ảnh hưởng tỷ lệ M/O thời gian phản ứng số AV (tỷ lệ xúc tác = 1.5%, T = 600C) 51 Hình 3.6: Ảnh hưởng hàm lượng xúc tác nhiệt độ số AV sản phẩm trước rửa (tỷ lệ mol 6:1, t=30 phút) 54 Hình 3.7: Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian số AV sản phẩm trước rửa (tỷ lệ mol 6:1, 1%H2SO4) 55 Hình 3.8: Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian số AV sản phẩm sau rửa (tỷ lệ mol 6:1;1.5%H2SO4) 55 Hình 3.9: Sơ đồ qui trình cơng nghệ tinh chế glycerine thơ từ qui trình sản xuất biodiesel 66 Hình 3.10: Sơ đồ ngun lý quy trình công nghệ sản xuất biodiesel 70 Hình 3.11: Hệ thiết bị pilot 73 Hình 3.12: Mẫu trích từ phản ứng thử nghiệm hệ thiết bị pilot 77 Hình 3.13: Sản phẩm biodiesel (trái) nguyên liệu RSO qua sơ chế (dạng khan) 81 Hình 3.14: Máy phát điện EV26 sử dụng thử nghiệm 83 Hình 3.15: Thiết bị đo nồng độ khí cháy Testo 350XL 84 v - Do thể tích thiết bị cần thiết kế phản lớn thể tích hỗn hợp Chọn thể tích thiết bị cần thiết kế 30 lít, thiết bị có dạng hình trụ đặt đứng, đáy nón chế tạo theo tiêu chuẩn, nắp phẳng - Nước rửa sử dụng nước nóng có nhiệt độ đầu 800C Ta bỏ qua phần tính tốn truyền nhiệt thiết bị nước sau rửa biodiesel trở thành nước thải - Giả sử giai đoạn rửa pha ester, lượng nước rửa nằn lại pha ester lần chiếm 5% khối lượng khối lượng nước ban đấu (giả sử lần rửa dùng lít nước) => Khối lượng nước nằm lại pha ester mẻ: mnước giữ = x 5 x mnước = x x = 0,6 kg 100 100 => Khối lượng pha ester lẫn nước có thiết bị tách nước mẻ: mhh = mester + mnước = 18 + 0,6 = 18,6 kg - Sau đưa vào thiết bị tách nước hỗn hợp ester gia nhiệt khoảng thời gian 30 phút sau lấy phía đáy - Lượng nước tách bay ước lượng 0,2 kg - Quá trình gia nhiệt có kèm theo q trình khuấy Máy khuấy chọn có cơng suất tương tự trên, tức P = 150W - Kích thước thiết bị tương tự thiết bị phản ứng Tính cân nhiệt lượng cho thiết bị Phương trình cân lượng: Q = Qbiodiesel + Qnước + Qm , KJ/mẻ - Q : Nhiệt lượng mà điện trở cần cung cấp cho trình sấy - Qbiodiesel : Nhiệt lượng cung cấp để gia nhiệt cho biodiesel - Qnước : Nhiệt lượng cung cấp để làm bay nước - Qm : Nhiệt lượng tổn thất Chọn tổn thất chiếm 10% tổng nhiệt lượng cần cung cấp Nhiệt lượng cần cung cấp cho biodiesel nước lẫn để tăng nhiệt đọ từ 30oC lên 100oC: Q1 = Qbiodiesel + Qnước = (Gbio.Cbio + Gnước.Cnước).(T2 – T1) Q1 = (18 x 3,11 + 0,6 x 4,18).(100 – 30) = 4094 kJ  Nhiệt lượng cần cung cấp để làm bay 0,2 kg nước: Qnước = Gnước.rhh = 0,2 x 2260 = 452 kJ  Nhiệt lượng tổng cộng cần cung cấp: Q = Q1 + Qnước + Qm Q = 1,1.(Q1 + Qnước) = 1,1.(4094 + 452) = 5000 kJ  Nhiệt lượng tổn thất: Qm = 0,1.Q = 0,1 x 5000 = 500 kJ - Xác định công suất điện trở theo lí thuyết:  Thời gian gia nhiệt hỗn hợp ban đầu từ nhiệt độ ban đầu lên đến nhiệt độ yêu cầu t1 = phút  Thời gian điện trở cung cấp nhiệt cho thiế bị t2 = 30 phút  Nhiệt mà điện trở cung cấp dùng để: Gia nhiệt sơ hỗn hợp phản ứng phút đầu Duy trì nhiệt độ ổn định suốt thời gian nước bay hơi: 30 phút  Công suất nhiệt điện trở Q1 QH 20  Qm 4094.103 452.103  500.103 P     14 kW t1 t2  60 30  60 Chọn điện trở có cơng suất nhiệt 20 kW 2.5 Thiết bị tách thu hồi methanol từ pha glycerine: - Thể tích pha glyxerin nhập liệu vào thiết bị Vpha glycerine = 7,5 lít - Do thể tích nhỏ nên chưng thu hồi methanol từ hỗn hợp sau chứa lượng pha glycerin từ thiết bị lắng tương ứng với mẻ phản ứng Khi thể tích pha glycerine tính tốn là: Vpha glycerine (tt) = 3.7,5 = 22,5 lít = 0,0225 m3 - Khối lượng methanol có thiết bị mmethanol (tt) = 3.mmethanol dư(1 mẻ = 3,2 = 9,6 kg - Thể tích methanol có thiết bị Vmethanol (tt) = mmethanol (tt )  methanol  9,6  0,0125 m 770 - Khối lượng glyxerin có thiết bị mglyxerin (tt) = (Vpha glyxerin (tt) – Vmethanol(tt)).ρglyxerin = (0,0225 – 0,0125).1260 = 12,6 kg - Khối lượng hỗn hợp có thiết bị (giả sử khối lượng tạp chất nhỏ: mhh pha glycerine = mmethanol (tt) + mglycerine (tt) = 9,6 + 12,6 = 22,2 kg - Phần khối lượng chất có thiết bị xmethanol( tt )  mmethanol (tt ) mhhphaglyxerine  9,6  0,432 22,2 x glycerine   xmethanol (tt )  – 0,432 = 0,568 - Với thể tích hỗn hợp 22,5 lít, để đồng dây chuyền sản xuất, ta chọn thể tích thiết bị cần thiết kế V = 30 lít Thiết bị cần thiết kế có dạng hình trụ đặt đứng, đáy nắp có dạng tương tự thiết bị gia nhiệt tách ẩm 2.6 Thiết bị ngưng tụ hoàn lưu methanol - Khi tiến hành q trình chuyển hố mỡ cá thành biodiesel, phản ứng diễn điều kiện nhiệt độ trì 600C Với nhiệt độ này, methanol, tác chất phản ứng, bay dẫn đến mát chất phản ứng, giảm hiệu suất phản ứng Do yêu cầu cần thiết kế thiết bị ngưng tụ (ở gọi sinh hàn ngưng tụ, dùng chất tải nhiệt (chọn nước làm chất tải nhiệt), để đảm bảo ngưng tụ methanol bị bay hơi, đảm bảo phản ứng không tác chất - Tuy nhiên, trình bay methanol diễn phức tạ Trong khoảng thời gian gia nhiệt hỗn hợp nguyên liệu (t1 = phút), lượng methanol có khả bị bay mát phản ứng lại thấp Sau thời gian này, lượng methanol bị bay thời gian thực phản ứng ngưng tụ hồi lưu lại thiết bị phản ứng để thực phản ứng Do đó, lượng methanol giảm dần theo thời gian phản ứng - Giả sử thiết bị phản ứng có methanol (Vmethanol = Vlỏg = 30 lít) Mặt khác, giả sử thiết bị ngưng tụ thiết kế nhằm ngưng tụ lấy lượng methanol bị bay mà khơng hồn lưu trở lại thiết bị phản ứng - Giả sử nhiệt lượng điện trở cung cấp để làm bay methanol thiết bị xem lượng nhiệt hố methanol Qhh với lượng nhiệt điện trở cung cấp (theo tính tốn cơng suất điện trở kW) Và toàn lượng nhiệt methanol hoá nước giải nhiệt nhận lấy Yêu cầu thiết kế thiết bị ngưng tụ nước nhận nhiệt methanol để methanol ngưng tụ nhiệt độ chuyển pha tS = 650C - Lưu lượng methanol vào thiết bị ngưng tụ giây: Gh = Qh   5,4.10-3 kg/s rS 1118 với ẩn nhiệt ngưng tụ methanol : rmethanol = 1118 kJ/kg - Chọn thiết bị ngưng tụ kiểu vỏ ống đặt đứng Các dòng lưu chất bố trí sau: ống truyền nhiệt, cịn nước phía vỏ ống - Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống 25 x mm  Đường kính ngồi ống dng = 20 mm = 0,02 m  Bề dày ống δ = mm = 0,002 m  Đường kính ống dtr = 16 mm = 0,016 m  Chiều cao ống truyền nhiệt lo = 40 cm = 0,4 m - Nước ống có nhiệt độ vào T1 = 270C; nhiệt độ nước T2 = 410C - Nhiệt độ phía vách tiếp xúc với methanol ngưng tụ Tw1; Nhiệt độ phía vách tiếp xúc với nước Tw2 - Lưu lượng nước tối thiểu cần dùng để ngưng tụ lượng methanol bay hơi: G ntt  Qhh   0,1 kg/s c n T2  T1  4,18  41  27  - Chọn lưu lượng nước thực tế dùng cho trình giảm nhiệt gấp khoảng lần lưu lượng nước tối thiểu: GNthự = x 0,1 = 0,2 kg/s - Bố trí hai dịng lưu chất chuyể động ngược chiều nên chênh lệch nhiệt độ trung bình tính sau: Tlog  T1  T2 38  24   30,47 K T1 38 ln ln 24 T2 Trong đó: ∆T1 = Tnt – T1 = 65 – 27 = 38 K ∆T2 = Tnt – T2 = 65 – 41 = 24 K - Hệ số truyền nhiệt tổng quát K tính sau : K Với : 1   rt  n D  n - Hệ số cấp nhiệt nước chảy ống; W/m2.K  D - Hệ số cấp nhiệt ngưng tụ ống;  r - Nhiệt trở thành ống lớp cáu t ; W/m2.K m2.K/W  Xác định hệ số cấp nhiệt phía nước giải nhiệt ngồi ống: - Nhiệt độ trung bình nước ống : Ttb = 0,5.(T1 + T2) = 0,5.(27 + 41) = 340C - Tại nhiệt độ thì:  Khối lượng riêng nước: n = 994 (kg/m3)  Độ nhớt nước: n = 7,23.10-7 (m2/s)  Hệ số dẫn nhiệt nước: n = 0,626 (W/mK)  Chuẩn số Prandtl: Prn = 4,9 vận tốc nước ống chọn từ 0,3 đến m/s - Vận tốc thực tế nước ống: = 4.G N 4.0,2   0,1 m/s   d ng n 994. 0,02 2.4  Chuẩn số Reynolds: Re  d ng n  0,1.0,025  3458 7,23.10 7 tính chuẩn số Nusselt phía nước: Nu = k  l Pr 0, 43  Pr     Prw  0, 25 Trong đó: k0 – hệ số phụ thuộc Reynolds Với Re = 3458, k0 = 10 > 2300 => nước ống chế độ chảy độ εl - hệ số tính đến ảnh hưởng hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ chiều dài l đường kính d ống lo 0,3   12, εl = 1,2 d ng 0,025 Ta có:  Hệ số cấp nhiệt phía nước: Nu. n d td n   Nhiệt tải nước làm lạnh : qn   n Tw  Ttb   Xác định nhiệt trở lớp cáu: r w  rcaùu    rcaùu  Trong đó: rcáu – nhiệt trở lớp cáu phía methanol ngưng tụ , m2.K/W = 0,002 m – chiều dày thành ống thép = 16,3 W/m.K – độ dẫn nhiệt thép X18H10T rcáu – nhiệt trở lớp cáu phía nước, m2.K/W rcáu = rcáu = r w  m2.K/W 5000 0,002    5,23.10-4 m2.K/W 5000 16,3 5000 Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: qw  Tw1  Tw  rw Xác định hệ số cấp nhiệt methanol ngưng tụ phía ống:  S  1,154 rS  g.3  (TS - TW1 ).l Ẩn nhiệt ngưng tụ: rmethanol = 1118 kJ/kg Các thơng số hố lý cịn lại tra nhiệt độ trung bình Tm = TS  Tw1  Trong trường hợp này, nhiệt độ vách Tw1 Tw2 chưa biết nên cần chọn trước giá trị để thực việc tính tốn Q trình tính tốn dựa cân nhiệt lượng: lượng nhiệt truyền từ methanol ngưng tụ đén vách qS, phải với lượng nhiệt truyền qua tường lớp cáu qw, với lượng nhiệt truyền từ tường đến nước qn Chọn Tw1 = 630C (< TS = 650C): o Tm = 0,5.(TS + Tw1) = 0,5.(65 + 63) = 640C o ∆T2 = TS – Tw1 = 65 – 63 = 20C   S  4511 W/m2.K qS =  D TS  Tw1   4511.65  63 = 9021 W/m2 ∆Tw = qS.∑rw = 9021 x 5,23.10-4 = 4,7 K Tw2 = Tw1 - ∆Tw = 63 – 4,7 = 58,30C Tw = 0,5.(63+ 58,3) = 60,6 C n Prw = 2,98 = 674 W/m2.K qn =  n Tw2  Ttb   674  60,6  34   16361 W/m2 Do qS qn cách xa nên cần tính lại lần Chọn Tw1 = 600C (∆T1 = K) Q trình tính tốn tương tự lần thứ thu kết bảng sau: Tw1 s qs DTw Tw2 Tw n qn ∆q 60 3588 17940 9,4 50,6 55,3 659 10955 0,64 Kết sai số ∆q lúc lớn, cầ tính lặp lần Ở lần này, ta vẽ đường thẳng nối điểm ứng với qS qn để tìm giao điểm xác q 20000 18000 16000 14000 12000 10000 8000 59.5 60 60.5 61 61.5 62 62.5 63 63.5 Tw1 Từ đồ thị ta chọn xác Tw1 = 61,50C Sau đó, tính tốn kiểm tra xác định lại thơng số chưa biết thu bảng sau: Tw1 s 61,5 3922,5 13729 qs DTw Tw2 Tw n qn ∆q 7,2 54,3 57,9 666 13536 0,014 Như sai số trường hợp 1,4% < 5%, chấp nhận Khi đó,  n = 3922,5 W/m2.K  s = 666 W/m2.K  Hệ số truyền nhiệt tổng quát K: K 1   rt  n S  1  5,23.10   3922,5 666  Diện tích bề mặt truyền nhiệt : Fnt  Qhh 6.103   0,45 m K Tlog 439  30,47  Số ống chùm ống là: n = F' 0,45   19 d tr  d ng 0,4    0,018 l 0 Vậy thiết bị ngưng tụ loại vỏ ống có cấu tạo sau:  Số ống truyền nhiệt 19 ống  439 W/m K  Kích thước ống truyền nhiệt: 25 x 2mm, chiều cao ống 0,4 m 2.7 Thiết bị ngưng tụ thu hồi methanol từ pha glycerine: - Khi tiến hành phản ứng xong mẻ (thời gian thực phản ứng t1 = 60 phút) thực trình tách pha ester pha glycerine Do chất hoá học methanol rượu, nên có khuynh hướng di chuyển vào pha glycerine thực tách pha Do việc chưng thu hồi methanol thực sau thu pha glycerine từ thiết bị lắng tách pha mẻ nên lượng methanol có pha glyxerin theo lý thuyết là: Gmethanol = 3.mmethanol dư mẻ = 3,2 = 9,6 kg/mẻ - Giả định thời gian chưng thu hồi methanol t2 = 45 phút, lượng methanol bay thời gian 80% lượng methanol lý thuyết nằm pha glyxerin - Lưu lượng methanol vào thiết bị ngưng tụ G’methanol = 0,8  9,6 -3  2,8.10 kg/s 45  60 - Lưu lượng nước cần thiết để ngưng tụ methanol xác định từ phương trình cân nhiệt: G’methanol.rS = G’N.CN.(tNR – tNV) Trong đó: G’N - lưu lượng nước cần thiết , kg/s tNV = 270C - nhiệt độ nước vào thiết bị ngưng tụ tNR = 410C - nhiệt độ nước khỏi thiết bị ngưng tụ C C ' Gmethanol rS 2,8.10 3  1118 →? G    0,054 kg/s C N (t NR  t NV ) 4,18.(41  27) ' N - Chọn lượng nước thực tế cần sử dụng đề ngưng tụ methanol gấp 1,5 lần lượng nước cần thiết: G’Ntt = 1,5.G’N = 1,5 0,054 = 0,081 kg/s - Chọn thiết bị ngưng tụ thiết bị trao đổi nhiệt loại vỏ ống đặt đứng, ống truyền nhiệt làm thép X18H10T  Đường kính ngồi ống d’ng = 20 mm = 0,020 m  Bề dày ống δ’ = mm = 0,002 m  Đường kính ống d’tr = 16 mm = 0,016 m  Chiều cao ống truyền nhiệt l’o = 40 cm = 0,4 m - Bố trí dịng lưu chất chuyển động sau: methanol ngưng tụ phía ngồi ống cịn nước di chuyển phía ống Chênh lệch nhiệt độ trung bình tính sau: Tlog  T1  T2 38  24   30,47 K T1 38 ln ln 24 T2 Trong đo: ∆T1 = Tnt – TNV = 65 – 27 = 38 K ∆T2 = Tnt – TNR = 65 – 41 = 24 K - Gọi nhiệt độ phía vách tiếp xúc với methanol ngưng tụ Tv1; nhiệt độ phía vách tiếp xúc với nước Tv2 - Hệ số truyền nhiệt tổng quát K tính sau : K Với : 1   rt  n D  n - Hệ số cấp nhiệt nước chảy ống; W/m2.K  D - Hệ số cấp nhiệt ngưng tụ ống;  r - Nhiệt trở thành ống lớp cáu t ; W/m2.K m2.K/W  Xác định hệ số cấp nhiệt phía nước giải nhiệt : - Nhiệt độ trung bình nước ống : Ttb = 0,5.(T1 + T2) = 0,5.(27 + 41) = 340C - Tại nhiệt độ thì:  Khối lượng riêng nước: n = 994 (kg/m3)  Độ nhớt nước: n = 7,23.10-7 (m2/s)  Hệ số dẫn nhiệt nước: n = 0,626 (W/mK)  Chuẩn số Prandtl: Prn = 4,9 - Vận tốc thực tế nước ống: = 4.GN 4.0,081   0,24 m/s   d 'tr 994. 0,0212  Chuẩn số Reynolds nước ống: Re  v N d 'tr 0,24.0,021   6880 > 2300 n 7,23.10 7 => nước ống chế độ chảy độ tính chuẩn số Nusselt phía nước: Nu = k  l Pr 0, 43  Pr     Prw  0, 25 Trong đo: k0 – hệ số phục thuộc Reynolds Vớ Re = 6880 , k0 = 22 εl - hệ số tính đến ảnh hưởng hệ số cấp nhiệt theo tỷ lệ chiều dài l đường kính d ống Chọn sơ εl =  Hệ số cấp nhiệt phía nước: Nu.n d 'tr n   Nhiệt tải nước làm lạnh : q n   n Tv  Ttb   Xác định nhiệt trở lớp cáu: r w  rcaùu    rcáu  Trong đó: rcáu – nhiệt trở lớp cáu phía methanol ngưng tụ , m2.K/W = 0,002 m – chiều dày thành ống thép = 16,3 W/m.K – độ dẫn nhiệt thép X18H10T rcáu – nhiệt trở lớp cáu phía nước, m2.K/W rcáu = rcáu = r w  m2.K/W 5000 0,002    5,23.10-4 m2.K/W 5000 16,3 5000  Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: qw  Tv1  Tv  rw  Xác định hệ số cấp nhiệt methanol ngưng tụ phía ngồi ống:  S  1,154 rS  g.3  (TS - TV1 ).l'  Ẩn nhiệt ngưng tụ: rmethanol = 1118 kJ/kg  Các thơng số hố lý cịn lại tra nhiệt độ trung bình Tm = TS  Tw 2  Trong trường hợp này, nhiệt độ vách Tw1 Tw2 chưa biết nên cần chọn trước giá trị để thực việc tính tốn Q trình tính tốn dựa cân nhiệt lượng: lượng nhiệt truyền từ methanol ngưng tụ đén vách qS, phải với lượng nhiệt truyền qua tường lớp cáu qw, với lượng nhiệt truyền từ tường đến nước qn Chọn Tv1 = 630C (< TS = 650C): o Tm = 0,5.(TS + Tv1) = 0,5.(65 + 63) = 640C o ∆T1 = TS – Tw1 = 65 – 63 = 20C   S  4221,7 W/m2.K qS =  D TS  Tv1   4221,7.65  63 = 8443,5 W/m2 ∆Tv = qS.∑rw = 8443,5 x 5,23.10-4 = 4,4 K Tv2 = Tv1 - ∆Tw = 63 – 4,4 = 58,60C Tv = 0,5.(63+ 58,6) = 60,8 C n Prw = 2,97 = 1471,4 W/m2.K qn =  n Tv  Ttb   1471,4  58,6  34  36177 W/m2 Do qS qn cách xa nên cần tính lại lần Chọn Tv1 = 550C (∆T1 = 10 K) Q trình tính tốn tương tự lần thứ thu kết bảng sau: Tv1 s qs DTv Tv2 Tv n qn ∆q 55 2823,3 28232,5 14,8 40,2 47,6 1398 8725,3 0,69 Kết sai số ∆q lúc lớn, cần tính lặp lần Ở lần này, ta vẽ đường thẳng nối điểm ứng với qS qn để tìm giao điểm xác q 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 54 56 58 60 62 64 Tv1 Từ đồ thị ta chọn xác tw1 = 58,50C (sai số 3,57 %) Khi đó,  n = 1426 W/m2.K  s = 3144 W/m2.K  Hệ số truyền nhiệt tổng quát K: K 1   rt  n S  1  5, 23.10 4  1426 3144  648,4 W/m K  Diện tích bề mặt truyền nhiệt : Fnt  Q'hh 2,8.1118   0,16 m2 K Tlog 648,4  30,47  Tổng chiều dài truyền nhiệt : L = Fnt  0,16   2,2 m d 'tr  d 'ng 3,14  (0,021  0,025)   Kiểm tra lại: L/d’tr = 4,1/0,021 = 195 > 50 nên chọn l = phù hợp  Vậy thiết bị ngưng tụ loại vỏ ống có cấu tạo sau:  Số ống truyền nhiệt ống  Kích thước ống truyền nhiệt: 21 x 2mm, chiều dài ống 0,35 m  Bước ống: t = 1,35.d’ng = 1,35 25 = 34 mm LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Lê Duy Hùng Năm sính: 13/12/1985 Nơi sinh: Bình Phước Địa liên lạc: Khu phố Phú Thanh, Phường Tân phú, Thị xã Đồng Xồi, Bình Phước QUÁ TRÌNH ĐẢO TẠO: - Từ 2003 – 2009: học đại học Trường Đại học Bách Khoa TP HCM - Từ 2009 – 2011: học cao học Trường Đại học Bách Khoa TP HCM ... văn nghiên cứu tính chất đặc trưng dầu hạt cao su Việt Nam nghiên cứu vấn đề liên quan, yếu tố tác động lên chuyển hóa dầu hạt cao su thành biodiesel từ xác định khả sử dụng dầu hạt cao su với vai. .. Việt Nam( 2009) định hướng trồng khai thác triệu hecta vào năm 2020 [1,2,3,4] Từ xuất phát trên, đề tài thạc sĩ: ? ?Nghiên cứu tính chất đặc trưng khả sử dụng dầu hạt cao su Việt Nam với vai trò nguyên. .. Phái: Nam Nơi sinh: Bình Phước Chuyên ngành: Quá trình & Thiết bị Cơng nghệ hóa học MSHV: 09290131 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT ĐẶC TRƯNG VÀ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG DẦU HẠT CAO SU VIỆT NAM VỚI VAI