Dựa vào các tài liệu đã tìm hiểu, ta thấy có nhiều yếu tố gây ảnh hưởng đến hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Do điều kiện thí nghiệm còn có nhiều hạn chế nên em tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, tốc độ cấp nhiệt đến quá trình nhiệt phân. 3.2 Dụng cụ và thiết bị Trong đó: 1- Thiết bị phản ứng chính. 2- Hộp điều khiển. 3- Sinh hàn. 4- Bình tách sản phẩm lỏng. 5- Bình đựng nước. 6- Bình đựng NaOH
Hình 3.1:Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm.
3.2.1 Nguyên liệu
- Nguyên liệu nhựa bao lilông
Túi ni lông được dùng là túi mua sắm hàng hóa thành phần chủ yếu là nhựa Polyethylene.
- Bình chiết - Phễu lọc
- Đồng hồ nhiệt Nais - Sensor nhiệt
Hệ thống thiết bị đo độ nhớt
Hệ thống gồm nhớt kế mao quản thủy S50 F199 phù hợp với độ nhớt của mẫu xác định, bể điều nhiệt, nhiệt kế chính xác, đồng hồ bấm giây.
Xác định độ nhớt động học theo tiêu chuẩn ASTM D445. Tiêu chuẩn này giúp xác định độ nhớt động học của sản phẩm dầu mỏ trong cũng như đục, bằng cách đo thời gian để một thể tích chất lỏng xác định chảy qua một mao quản thủy tinh dưới tác dụng của trọng lực.
Hình 3.2: Thiết bị đo độ nhớt
Độ nhớt động học là kết quả tính được từ thời gian chảy và hằng số tương ứng của nhớt kế.
phổ ghi nhận. Các kết quả được ghi nhận, so sánh với dữ liệu hiện có trong thư viện và kết luận.
Hình 3.3: Sơ đồ máy sắc ký khí - khối phổ (GC – MS)
Sắc ký khí GC
Đây là giai đoạn phân tách các cấu tử thông qua cột sắc ký.
Mẫu khảo sát là mẫu khí hay mẫu lỏng (mẫu lỏng sẽ được gia nhiệt và chuyển sang dạng khí) được bơm vào bộ phận nạp mẫu.
Mẫu khí qua cột sắc ký được tách thành các cấu tử và qua đầu dò chuyển thành các tín hiệu điện. Các tín hiệu được khuếch đại và chuyển sang bộ ghi.
Thông thường dòng khí mang sẽ là khí trơ với mẫu và thường là N2 hay H2. Yếu tố quan trọng nhất trong phương pháp GC là khả năng chịu đựng của cột sắc ký đối với mẫu. Bên cạnh các tiêu chuẩn cơ bản như tính thấm, tải trọng, … thì các cột sắc ký còn bị giới hạn bởi nhiệt độ và độ nhớt. Do đó với các mẫu dầu phân tích sẽ là một hạn chế với những thành phần dầu nặng có nhiệt độ sôi cao.
Phương pháp khối phổ MS
tương thích (Forward Fit và Reverse Fit) và kinh nghiệm của nhà khoa học sử dụng thiết bị để kết luận cấu tử.
Đây là phương pháp hữu hiệu nhất hiện nay để xác định thành phần mẫu dầu. Tuy nhiên vẫn mắc phải các khuyết điểm:
- Giới hạn trong yêu cầu cho thiết bị: nhiệt độ (thường < 320oC), độ nhớt, … - Giới hạn trong thư viện phổ nên ít nhiều có các cấu tử không thể định danh. - Đối với các mẫu có thành phần phức tạp như dầu mức độ chính xác bị giảm xuống do mỗi cấu tử đi ra có thể là hỗn hợp nhiều đồng phân cùng tính chất phân tách. Do đó còn phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của kỹ thuật viên và các kiến thức đối với mẫu thử.
Hệ thống thiết bị đo nhiệt độ chớp cháy
Thí nghiệm được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D56. Phương pháp này được sử dụng cho chất lỏng có điểm chớp cháy < 93oC.
Mẫu được đặt trong thiết bị thí nghiệm và được gia nhiệt ở một tốc độ truyền nhiệt ổn định; một ngọn lửa nhỏ có kích thước tiêu chuẩn được đưa vào cốc ở phạm vi quy định. Điểm chớp cháy ghi nhận là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó dưới tác dụng của ngọn lửa thử hỗn hợp hơi nằm ở phía trên mẫu đủ để trở nên bắt lửa và chớp cháy.
3.2.3 Cách tiến hành
Hình 3.4: Sơ đồ tiến hành thí nghiệm
Cách tiến hành.
Đầu tiên nhựa phế thải được thu gom và xử lí cơ học để loại bỏ các tạp chất, sau đó cần 200g nạp vào thiết bị nhiệt phân, cài đặt các thông số: tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ phù hợp để khảo sát. To, tốc độ gia nhiệt Nhựa phế thải Cân 200g Nhiệt phân Sản phẩm khí Ngưng tụ khí Lỏng Cặn Khí không ngưng Xử lí
CHƯƠNG4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ cuối 3.1.1 Cách tiến hành
-Cố định tốc độ gia nhiệt 5oC/pht, ta khảo st qu tình nhiệt phn ở cc nhiệt độ, 450, 500, 550, 600oC.
-So sánh các kết quả ở các lần thí nghiệm khác nhau ở mỗi nhiệt độ.
- Tiến hành đo xác định độ nhớt, nhiệt độ chớp cháy và nhiệt trị của sản phẩm ( ở 550oC).
3.1.2 Kết quả và bàn luận
Bảng 4.1: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt cuối đến quá trình nhiệt phân
Nhiệt độ (oC) Khối lượng dầu (g) Hiệu suất (%) Độ nhớt (cst) Điểm chớp cháy (oC) 450 26 13% 2,765 36 500 46,92 23,46% 2,923 37 550 61,36 30,68% 2,9625 37 600 50,92 25,46% 3,0415 38
Hình 4.2 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất lỏng trong quá trình nhiệt phân
Nhận xét
- Hiệu suất lỏng của quá trình nhiệt phân tăng từ nhiệt độ 450oC đến 550oC sau đó giảm khi nhiệt độ tăng đến 600oC.
- Độ nhớt và nhiệt độ chớp cháy tăng dần theo nhiệt độ nhưng không đáng kể.
Giải thích hiện tượng
Hiệu suất lỏng khi nhiệt phân nhựa tăng từ nhiệt độ 450oC đến 550oC sau đó giảm khi nhiệt độ tăng đến 600oC do nhiệt phân nhựa xảy ra theo cơ chế gốc tự do. Sự đứt mạch C xảy ra tự do và các hydrocacbon phân tử thấp được tạo ra. Khi nhiệt độ càng cao vị trí đứt mạch C - C càng nghiêng về phía cuối mạch và như vậy làm hiệu suất khí tăng, còn hiệu suất lỏng lại giảm. Khi polymer tham gia nhiệt phân tại 450oC, đầu tiên sẽ bị phân cắt thành các cấu tử trong phân đoạn lỏng, nhưng với nhiệt độ này chưa đủ để polymer phân cắt hết. Sau đó tăng nhiệt độ từ từ thì lỏng thu được nhiều hơn, và
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 400 450 500 550 600 650 Hiệu suất (%) Nhiệt độ (oC) Hiệu suất (%)
hydrocacbon thơm và naphthen có độ nhớt cao. Số vòng càng nhiều thì độ nhớt càng lớn.
Kết luận
Qua thí nghiệm trên cho ta thấy khi nhiệt phân nhựa ở các nhiệt độ khác nhau thì hiệu suất thu sản phẩm lỏng cũng khc nhau. Cần nghiên cứu tiến hành nhiều thí nghiệm thực tế hơn để tìm ra nhiệt độ phù hợp cho quá trình nhiệt phân nhựa.
4.2 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt4.2.1 Cách tiến hành 4.2.1 Cách tiến hành
-Cố định nguyên liệu ở 200g và nhiệt độ cuối ở 550oC
-Thay đổi tốc độ gia nhiệt lần lượt ở các chế độ 3oC , 5oC, 7oC.
- So sánh kết quả giữa các lần thí nghiệm ở tốc độ gia nhiệt khác nhau. - Tiến hành đo xác định độ nhớt, nhiệt độ chớp cháy của sản phẩm.
4.2.2 Kết quả và bàn luận
Bảng 4.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt
Tốc độ gia nhiệt ( o C/phút) Khối lượng (g) Hiệu suất (%) Độ nhớt (cst) Điểm chớp cháy (oC) 3 40,873 20,4 2,565 36 5 61,36 30,68 2,923 37 7 28,170 14,08 2,854 37
Hình 4.3 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt lên hiệu suất lỏng trong quá trình nhiệt phn
Nhận xét
- Dựa vào đồ thị ta thấy hiệu suất lỏng tăng lên khi tăng tốc độ cấp nhiệt, cao nhất là 30,68% ứng với tốc độ cấp nhiệt là 5oC/phút, sau đó giảm xuống 14,08% ứng với tốc độ cấp nhiệt là 7oC/phút.
- Độ nhớt và nhiệt độ chớp cháy cốc của sản phẩm lỏng thu được sau nhiệt phân tăng khi tốc độ gia nhiệt tăng.
Giải thích hiện tượng
- Khi tăng tốc độ cấp nhiệt sẽ làm nhiệt độ của quá trình tăng dẫn đến tốc độ phản ứng tăng lên rất nhanh. Mà trong quá trình cracking nhiệt luôn xảy ra đồng thời phản ứng phân hủy và phản ứng trùng hợp. Do đó phản ứng trùng hợp xảy ra với tốc độ cũng rất nhanh, dễ tạo cốc và làm giảm hiệu suất và chất lượng sản phẩm lỏng.
- Bên cạnh đó, lưu lượng khí ra quá lớn, không kịp ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ và thoát ra ngoài, gây giảm hiệu suất lỏng.
Kết luận
- Tốc độ cấp nhiệt là một yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến quá trình nhiệt phân. - Qua thí nghiệm trên ta thấy tốc độ gia nhiệt 5oC/phútlà phù hợp.
4.3 Kết quả khảo sát sản phẩm dầu nhiệt phân 4.3.1 Kết quả đo GC – MS
Hình 4.4 Kết quả đo GC - MS
Từ kết quả đo thu được các chất có trong dầu nhiệt phân gồm có:
Bảng 4.3 Các thành phần hóa học có trong dầu nhiệt phân.
Thành phần các chất Phần trăm theo chiều cao peak (%)
Benzene, propyl- 1,332 Benzene, 1-ethyl-3-methyl- 3,741 alpha.-Methylstyrene 2,429 Benzene, 1-ethenyl-3-methyl- 8,999 Benzene, cyclopropyl- 2,524 Indene 8,764 Benzene, 1-ethenyl-3-ethyl- 1,342 2-Methylindene 1,776 2-Methylindene 1,440 Naphthalene 8,456 Naphthalene, 1-methyl- 1,267 Tổng 93,426 % Cịn lại 6,574% la các tạp chất
4.3.2 So sánh dầu nhiệt phân với xăng, dầu diesel về các tính chất
Hình 4.5 So sánh dầu nhiệt phân với xăng, dầu diezel về điểm chớp cháy
a. Kết luận
Theo đồ thị trên thì dầu nhiệt phn cĩ nhiệt độ điểm chớp cháy gần với dầu diezel.
b. Giải thích
Do trong dầu nhiệt phân chứa ít hydrocacbon nhẹ nên có điểm chớp cháy cao hơn so với điểm chớp cháy của xăng. Nhưng do dầu nhiệt phân có thành chủ yếu la các benzen, toluen, styrene là các thành phần dễ bay hơi và dễ bắt cháy nên có nhiệt độ chớp cháy tháp hơn so với dầu diezel.
Hình 4.6 So sánh dầu nhiệt phân với xăng, dầu diezel về nhiệt trị
a. Kết luận
Cũng theo đồ thị hình 4.5 cho ta biết được rằng nhiệt trị của dầu nhiệt phân có giá trị gần với giá trị của dầu diezel.
b. Giải thích
Theo sự so sánh nhiệt trị của các hydrocacbon được sắp xếp theo thứ tự parafin > naphthen > aromat. Mà dầu nhiệt phân có chứa nhiều các aromat làm cho nhiệt trị của dầu nhiệt phân thấp hơn so với xăng và dầu diezel. Aromat được tạo ra do khi nhiệt phân tao ra các olefin. Các olefin này ở nhiệt độ cao sẽ xảy ra trùng hợp và trùng ngưng tạo thành các hydrocacbon thơm.
So sánh về độ nhớt
b. Giải thích
Các hydrocacbon parafinic có độ nhớt thấp hơn so với các loại khác. Các hydrocacbon thơm và naphthen có độ nhớt cao. Số vòng càng nhiều thì độ nhớt càng lớn. Do dầu nhiệt phân chủ yếu có chúa các hydrocacbon thơm nên có độ nhớt cao hơn so với độ nhớt của xăng. Mà dầu diezel có thành phần chủ yếu là naphthen nên có độ nhớt cao vì vy dầu nhiệt phn cĩ độ nhớt gần bằng với độ nhớt của dầu diezel.
Kết luận chung
Sau khi so sánh các tính chất về nhiệt độ chớp cháy, độ nhớt, và nhiệt trị cho ta thấy được dầu nhiệt phân có các tính chất gần với dầu diezel. Có thể xem xét để phát triển như một nhiên liệu lỏng.
CHƯƠNG 5:KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
4.2 Kết luận chung
Quá trình nghiên cứu ta đã thực hiện được:
- Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ vào đến quá trình nhiệt phân. - Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt.
Qua các kết quả phân tích và số liệu thực nghiệm thu được, ta có thể rút ra được một số kết luận như sau:
- Nhiệt độ và tốc độ gia nhiệt ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất lỏng thu được sau khi nhiệt phân. Tốc độ gia nhiệt khoảng 5oC/phút bước đầu cho kết quả tốt trong khoảng khảo sát.
- Qua quá trình khảo sát về sản phẩn dầu nhiệt phân ta đã xác định được độ nhớt, nhiệt trị, nhiệt độ chớp cháy, và thành phần hóa học có trong dầu nhiệt phân.
- Dầu lỏng thu được có tính chất gần giống dầu diezen. Nhiệt trị khá cao, có thể xem xét đến như nhiên liệu lỏng. Tuy nhiên hàm lượng cặn còn khá cao và mùi cũng khó chịu.
- Hiệu suất của quá trình chuyển hoá thành lỏng chưa thật sự cao có thể do mất mát trong quá trình lọc và thao tác, thiết bị ngưng tụ chưa hoàn toàn nên một lượng lớn khí ra không kịp ngưng tụ và thoát ra ngoài.
5.2 Kiến nghị
Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng do thời gian thực hiện luận văn có hạn nên chưa thể khảo sát hết và đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất quá trình và chất lượng sản phẩm. Do vậy nếu đề tài này được tiếp tục nghiên cứu thì nên quan tâm đến các yếu tố sau:
- Lắp đặt thêm hệ thống bơm tuần hoàn và thiết bị ngưng tụ để có thể ngưng tụ hoàn toàn các khí có khả năng ngưng tụ, làm tăng hiệu suất lỏng.
PHỤ LỤC : Kết quả đo GC – MS và kết quả đo nhiệt trị Kết quả đo GC-MS 1 2.776 0.08 D:\Database\NIST08.L 1,3-Cyclopentadiene 372 000542-92-7 90 1,3-Cyclopentadiene 373 000542-92-7 90 1-Buten-3-yne, 2-methyl- 381 000078-80-8 83 2 3.110 1.18 D:\Database\NIST08.L Benzene 1014 000071-43-2 91 Benzene 1013 000071-43-2 91
Ethylbenzene 5043 000100-41-4 91 Ethylbenzene 5040 000100-41-4 91 Ethylbenzene 5042 000100-41-4 91 5 4.688 11.74 D:\Database\NIST08.L p-Xylene 5030000106-42-3 97 p-Xylene 5032000106-42-3 97 Benzene, 1,3-dimethyl- 5058 000108-38-3 95 6 5.000 20.05 D:\Database\NIST08.L Styrene 4832 000100-42-5 94 Bicyclo[4.2.0]octa-1,3,5-triene 4838 000694-87-1 94 Styrene 4830 000100-42-5 93 7 5.397 0.31 D:\Database\NIST08.L Benzene, (1-methylethyl)- 9305 000098-82-8 94 Benzene, (1-methylethyl)- 9306 000098-82-8 94 Benzene, (1-methylethyl)- 9304 000098-82-8 91 8 5.731 0.83 D:\Database\NIST08.L Benzene, cyclopropyl- 8864 000873-49-4 95 Benzene, 1-ethenyl-2-methyl- 8874 000611-15-4 93 Benzene, 1-propenyl- 8859 000637-50-3 93 9 5.863 1.33 D:\Database\NIST08.L Benzene, propyl- 9294 000103-65-1 90 Benzene, propyl- 9296 000103-65-1 87 Ethanol, 2-[(phenylmethyl)amino]- 24577 000104-63-2 72
alpha.-Methylstyrene 8868 000098-83-9 86 alpha.-Methylstyrene 8865 000098-83-9 76 12 6.610 9.00 D:\Database\NIST08.L Benzene, 1-ethenyl-3-methyl- 8879 000100-80-1 95 Benzene, 1-ethenyl-2-methyl- 8874 000611-15-4 92 Benzene, 1-ethenyl-4-methyl- 8878 000622-97-9 92 13 6.901 0.28 D:\Database\NIST08.L o-Isopropenyltoluene 13889 007399-49-7 96 Benzene, 2-butenyl- 13881 001560-06-1 95 Benzene, 2-butenyl- 13887 001560-06-1 94 14 7.192 2.52 D:\Database\NIST08.L Benzene, cyclopropyl- 8864 000873-49-4 95 Benzene, 1-propenyl- 8859 000637-50-3 95 Benzene, 1-ethenyl-2-methyl- 8874 000611-15-4 95 15 7.457 1.21 D:\Database\NIST08.L Indane 8851 000496-11-7 91 Indane 8853 000496-11-7 87 Benzene, cyclopropyl- 8867 000873-49-4 83 16 7.685 8.76 D:\Database\NIST08.L Indene 8322 000095-13-6 97 Benzene, 1-propynyl- 8328 000673-32-5 94
Benzene, 1-ethenyl-3-ethyl- 13895 007525-62-4 93 1-Phenyl-1-butene 13878 000824-90-8 92 Benzene, 2-butenyl- 13881 001560-06-1 90 19 8.564 1.18 D:\Database\NIST08.L Undecane 27916 001120-21-4 93 Undecane 27915 001120-21-4 90 Undecane 27913 001120-21-4 89 20 9.305 0.34 D:\Database\NIST08.L 2,4-Dimethylstyrene 13880 002234-20-0 96 Benzene, 1-methyl-4-(2-propenyl)- 13929 003333-13-9 95 Benzene, 2-ethenyl-1,4-dimethyl- 13913 002039-89-6 95 21 9.400 0.32 D:\Database\NIST08.L Benzene, 2-ethenyl-1,4-dimethyl- 13913 002039-89-6 96 Benzene, 1-butenyl-, (E)- 13893 001005-64-7 95
Benzene, 4-ethenyl-1,2-dimethyl- 13917 027831-13-6 95