Phản ứng chuyển hóa este sản xuất biodiezen được thực hiện trong thiết bị khuấy gián đoạn tại chế độ khuấy Re là 6200, nhiệt độ phản ứng lần lượt là 50oC, 55oC, 60oC, 65oC trong 60 phút. Sự biến thiên nồng độ các chất và độ chuyển hóa thu được từ mơ hình lập trình bởi Matlab được so sánh với kết quả mô phỏng bằng ngôn ngữ Visual Basic trong Excel và kết quả thực nghiệm của Noureddini.
Các kết quả được ở các điều kiện tiến hành phản ứng khác nhau trình
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
Hình 3.2. 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 Excel
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
Hình 3.4. Biến thiên nồng độ các chất của q trình chuyển hóa dầu đậu
nành trong 60 phút ở 55oC và Re 6200 mơ phỏng trong Excel
Hình 3.5. Biến thiên nồng độ các chất của q trình chuyển hóa dầu đậu
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
Hình 3.7. Biến thiên nồng độ các chất của quá trình chuyển hóa dầu đậu
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
Hình 3.9. Biến thiên nồng độ các chất của q trình chuyển hóa dầu đậu
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
Hình 3.11. Biến thiên giá trị độ chuyển hóa của phản ứng chuyển đổi
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
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
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
Tại chế độ khuấy trộn Re là 6200 và các nhiệt độ khác nhau, kết quả được tổng hợp trong bảng dưới đây:
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
Excel Matlab 50oC 55oC 60oC 65oC 50oC 55oC 60oC 65oC [TG] 0,092 0,084 0,078 0,073 0,088 0,081 0,074 0,069 [DG] 0,058 0,056 0,056 0,055 0,055 0,054 0,053 0,052 [MG] 0,014 0,015 0,017 0,018 0,013 0,015 0,016 0,017 [G] 0,660 0,667 0,672 0,677 0,629 0,634 0,636 0,638 [Me] 2,874 2,851 2,833 2,816 2,748 2,712 2,682 2,656 [E] 2,064 2,087 2,105 2,121 1,970 1,984 1,993 2,000 X (%) 83,61 84,54 85,27 85,93 88,77 89,70 90,45 91,11 X – Độ chuyển hóa Từ các đồ thị trên:
Nồng độ TG giảm dần trong quá trình phản ứng do phản ứng (2.2) đồng thời giá trị ko1 lớn hơn khoảng 800 lần ko2 nên [TG] giảm.
Nồng độ DG ban đầu tăng sau do hình thành ở phản ứng (2.2), sau đó xuất hiện phản ứng (2.3) với ko3 lớn hơn khoảng 6000 lần ko1 nên lượng DG giảm đột ngột.
Nồng độ MG ban đầu tăng lên sau đó giảm dần vì phản ứng (2.3) tạo
MG sau đó xuất hiện phản ứng (2.4) chuyển hóa MG thành G và E làm giảm dần lượng MG.
Nồng độ G tăng dần do chỉ hình thành ở phản ứng (2.4).
Nồng độ E tăng nhanh và nhanh chóng đạt cân bằng do được tạo thành
Độ chuyển hóa tính theo nồng độ TG tăng dần vì TG phản ứng tạo ra E.
Ban đầu phản ứng diễn ra nhanh do lượng chất tham gia phản ứng lớn, sau đó phản ứng chậm dần do các sản phẩm trung gian được hình thành và
tham gia phản ứng, đồng thời do các phản ứng dần đạt tới trạng thái cân bằng. Khi nâng nhiệt độ, tốc độ phản ứng tăng, phản ứng diễn ra nhanh và
hiệu quả thể hiện qua lượng sản phẩm thu được nhiều hơn tại cùng thời điểm
và thời gian đạt tới cùng giá trị nồng độ sản phẩm, đạt cân bằng nhanh hơn.
Bảng 3.2. Nồng độ este tại thời điểm 1500 giây ở các nhiệt độ khác nhau
t = 1500 (s) 50oC 55oC 60oC 65oC
[E] 1,857 1,927 1,968 1,991
Bảng 3.3. Thời gian đạt nồng độ este mong muốn ở các nhiệt độ khác nhau
[E] = 1,857 (mol/L) 50oC 55oC 60oC 65oC
t (s) 1500 1080 794 593
Tại thời điểm 1500 giây, nồng độ este tạo thành ở các nhiệt độ khác
nhau tăng dần đồng thời thời gian để đạt nồng độ este cho trước giảm. Theo
dõi bảng trên ta thấy thời gian để đạt nồng độ este là 1,857 (mol/L) khi tăng
nhiệt độ từ 50oC lên 55oC giảm 420 giây (tương ứng 7 phút). Nếu tăng lên
60oC thì thời gian giảm 706 giây (tương ứng 11,77 phút) và khi tăng lên 65oC thời gian giảm hơn 15 phút. Như vậy thời gian phản ứng để đạt nồng độ mong muốn giảm đáng kể khi tăng lên mỗi 5oC.
Bảng 3.4. Độ chuyển hóa tại thời điểm 1500 giây ở các nhiệt độ khác nhau
t = 1500 (s) 50oC 55oC 60oC 65oC
Bảng 3.5. Thời gian đạt độ chuyển hóa mong muốn ở các nhiệt độ khác nhau
X = 85,27% 50oC 55oC 60oC 65oC
t (s) 1500 1007 694 487
Tương tự, độ chuyển hóa tăng khi nhiệt độ tăng, đồng thời thời gian đạt
độ chuyển hóa mong muốn giảm nhanh khi tăng nhiệt độ lên mỗi 5oC. Để đạt
độ chuyển hóa 85,27%, ở 50oC cần 1500 giây (tương ứng 25 phút) thì tại
55oC chỉ cần 1007 giây (giảm 8,22 phút), tại 60oC chỉ cần 694 giây (giảm 13,43 phút) và tại 65oC chỉ cần gần 487 giây (giảm gần 17 phút tương ứng
giảm 2/3 thời gian phản ứng so với ban đầu).
Từ đồ thị biểu diễn sự biến thiên độ chuyển hóa theo thời gian ở 50oC (Hình 3.11) ta thấy độ chuyển hóa tại thời điểm 2000 giây và 3600 giây tương
ứng là 87,11% và 88,77%. Phải mất 1600 giây để tăng độ chuyển hóa lên
1,66% là rất lãng phí. Như vậy từ mơ hình có thể dự đốn được thời gian đạt
độ chuyển hóa mong muốn giúp giảm thời gian tiến hành thực nghiệm và
giảm năng lượng tiêu tốn.
Tại thời điểm kết thúc phản ứng (giây thứ 3600), khi nhiệt độ tăng từ
50oC lên 65oC, độ chuyển hóa tăng từ 88,77% lên 91,11%.
Thực tế thí nghiệm ở nhiệt độ phản ứng 65oC thì độ chuyển hóa và hiệu suất phản ứng giảm (H. Noureddini, 2012) do lúc này nhiệt độ phản ứng đạt tới nhiệt độ sôi của metanol dẫn tới metanol bay hơi. Mặc dù hệ thống phản ứng lắp đặt sinh hàn để hồi lưu hoàn toàn lượng metanol bay hơi nhưng thành
phần của metanol trong hỗn hợp vẫn giảm nên hiệu quả tương tác tạo phản
ứng giữa các cấu tử giảm dẫn tới giảm độ chuyển hóa, giảm hiệu suất quá
Xét trường hợp tiến hành phản ứng trong các điều kiện thời gian 60
phút, Re là 6200 tại nhiệt độ 50oC thấy rằng giá trị độ chuyển hóa từ thực
nghiệm của Noureddini đạt khoảng 80% (Hình 3.10) và từ mơ hình lập trình bởi Matlab đạt khoảng 88% (Hình 3.11). Ngun nhân do mơ hình lập trình bởi ngơn ngữ Matlab sử dụng cơ sở dữ liệu sử dụng từ nguồn khác: các giá trị khối lượng riêng của dầu đậu nành và metanol tại nhiệt độ phản ứng nhỏ hơn của tác giả, khối lượng mol phân tử của dầu đậu nành chúng tôi sử dụng lớn hơn khoảng 40 g/mol so với của tác giả.
So sánh kết quả trong Bảng 3.1 thu được từ hai mơ hình lập trình sử dụng Excel, Matlab và kết quả thực nghiệm của Noureddini chúng tôi thấy đồ thị nồng độ các chất biến thiên theo thời gian là phù hợp nhau và các giá trị nồng độ là xấp xỉ nhau với sai lệch nhỏ và sai lệch với cùng giá trị cụ thể do nguồn dầu đậu nành được sử dụng khác nhau vì vậy có thể bỏ qua sai số này.
Bảng 3.6. Sai lệch các giá trị được mô phỏng từ hai phần mềm
50oC 55oC 60oC 65oC [TG] 0,004 0,003 0,004 0,004 [DG] 0,003 0,002 0,003 0,003 [MG] 0,001 0 0,001 0,001 [G] 0,031 0,033 0,036 0,039 [Me] 0,126 0,139 0,151 0,16 [E] 0,094 0,103 0,112 0,121 X (%) 5,16 5,16 5,18 5,18
Các giá trị hằng số tốc độ phản ứng có xu hướng tăng khi tăng nhiệt độ phản ánh đúng lý thuyết nhiệt động học phản ứng về ảnh hưởng của nhiệt độ
Hình 3.15. Biến thiên hằng số tốc độ phản ứng ki theo nhiệt độ
Như vậy từ đồ thị biểu diễn sự biến thiên nồng độ các chất, độ chuyển hóa và hằng số tốc độ ki chúng tơi kết luận mơ hình này phản ánh đúng thực
nghiệm.
Thử nghiệm áp dụng mơ hình trên khảo sát độ chuyển hóa đối với chế
độ khuấy Re là 12400 ở 50oC. Kết quả thực nghiệm của Noureddini:
Kết quả mô phỏng sử dụng Matlab như sau:
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 mô phỏng trong Matlab
Hình 3.16 chỉ ra vùng trễ hay là vùng tốc độ chậm ở một chế độ khuấy trộn tại 50oC và mong muốn giảm thời gian trễ này khi tăng tốc độ khuấy
nhằm đạt tới giá trị không đổi trong khoảng 1 đến 2 phút (khi Ne > 10000).
Điều này phù hợp với lý thuyết về chuyển khối tại thời gian đầu phản ứng.
Cuối cùng các đường cong độ chuyển hóa có hiện tượng gặp nhau ở vùng cuối của đồ thị nhưng với Re là 12400 độ chuyển hóa nhanh đạt tới trạng thái cân bằng hơn với Re là 6200.
Như vậy tốc độ khuấy là quan trọng nhất trong khoảng thời gian đầu của phản ứng nhằm nhanh chóng đưa hệ đạt tới trạng thái cân bằng. Khi hệ vượt qua vùng trễ, chế độ khuấy trộn không ảnh hưởng nhiều tới tốc độ phản
ứng mà chủ yếu do nhiệt độ.
Hình 3.17 cho thấy độ chuyển hóa mơ phỏng rất thấp so với thực
nghiệm. Và từ các kết quả biến thiên nồng độ các chất của mơ hình ở chế độ khuấy Re là 12400 trong 60 phút, nhận thấy mơ hình khơng ổn định và khơng
cho kết quả mơ phỏng gần với thực tế nên mơ hình trên không phù hợp với thực nghiệm ở điều kiện khuấy Re là 12400.
Hình 3.18. Biến thiên nồng độ các chất của q trình chuyển hóa dầu đậu
nành trong 60 phút ở 50oC và Re 12400 mô phỏng trong Matlab