Quy trình công nghệ sản xuất Biodiesel từ mỡ cá 10.000 lít/ ngày.
Đầu tiên dầu nguyên phế thải đã qua xử lý (lọc bỏ tạp chất cơ học…) sẽ được bơm đưa lên bể chứa dầu (1), cùng lúc đó methanol cũng được bơm đưa lên bể chứa methanol (2). Trên hai thùng chứa đều có gắn 2 thiết bị cảm biến mức (LE) để điều khiển hoạt động của bơm. Sau đó dầu và methanol được đưa vào thiết bị phản ứng bậc 1. Quá trình đưa dầu từ bể chứa đến thiết bị phản ứng do các cảm biến mức chất lỏng cảm nhận và gửi tín hiệu đến máy tính từ đó điều khiển độ đóng mở của van (3) phụ thuộc vào người cài đặt (nhưng luôn luôn giữ cho tỉ lệ methanol/dầu bằng 6/1), trên ống còn được lắp 2 cảm biến nhiệt độ để cảm nhận và gửi tín hiệu về bộ xử lý trung tâm từ đó điều chỉnh độ đóng mở để lưu lượng dòng sản phẩm có nhiệt độ cao vào gia nhiệt cho dòng nguyên liệu vào. Trong cụm phản ứng bậc 1 có 2 thiết bị phản ứng (5) và (6) hoạt động luân phiên nhau mỗi 30 phút nhờ bộ timer điều khiển dòng nguyên liệu vào, nhiệt độ chung của các thiết bị phản duy trì ở 60o
C, methanol và dầu nguyên liệu được trộn trong thiết bị khoâý trộn trước khi đưa qua thiết bị phản ứng. Tại thiết bị phản ứng xảy ra quá trình tiếp xúc pha giữa dầu và methanol với xúc tác được đặt trong thiết bị phản ứng và xảy ra quá trình chuyển hóa dầu thành các methyleste của các acid béo (palmitic, linoleic, stearic…) và glycerin, hiệu suất của phản ứng chuyển hóa ở bậc này khoảng 80%. Sau đó hỗn hợp sản phẩm được đưa qua thiết bị lọc để lọc (7) bỏ cặn và tiếp tục đưa qua thiết bị tách 3 pha (8) để tách glyxerin nhằm nâng cao hiệu suất của phản ứng trong bậc thứ 2 vì đây là phản ứng thuận nghịch. Tại thiết bị tách 3 pha: ta có thể thấy mặc dù sản phẩm của chúng ta thu được là biodiesel và glycerin không tan trong nhau nhưng cả hai lại tan trong methanol do vậy trước khi qua tháp tách 3 pha ta gia nhiệt lên trên 65oC để methanol bay hơi hoàn toàn và tách ra khỏi hỗn hợp, khi đó biodiesel và glycerin sẽ tự tách lớp, trên thiết bị tách 3 pha có lắp các cảm biến
mức biodiesel và glycerin để thuận tiện cho việc lấy biodiesel cũng như glycerin một cách dễ dàng và tinh khiết hơn. Sau khi tách glycerin hỗn hợp sản phẩm tiếp tục được trộn với lượng methanol mới từ bể chứa methanol trước khi đi vào thiết bị phản ứng bậc 2 (quá trình này cũng được điều khiển một cách tự động). Trong bậc phản ứng này các quá trình xảy ra giống như ở bậc 1 và nâng hiệu suất chung của cả hai bậc phản ứng lên khoảng 95%, sau đó hỗn hợp sản phẩm lại được lọc và tách glyxerin, methanol tại thiết bị lọc và tách 3 pha. Biodiesel sau khi thu được từ tháp tách 3 pha sẽ có lẫn ít methanol, bụi xúc tác… nên được rửa ở tháp rửa (14) trước khi đem đi chưng cất. phần glycerin thu được từ tháp tách 3 pha cũng được dẫn qua thiết bị chưng cất để thu hồi glycerin tinh khiết. Biodiesel sau khi rửa lúc này hỗn hợp đưa vào chủ yếu là biodiesel và một phần dầu chưa phản ứng và nước rửa còn lẫn được đưa qua thiết bị chưng cất; Hiệu suất của thiết bị chưng cất khoảng 90% và dòng biodiesel sinh ra sẽ được đưa qua các thiết bị trao đổi nhiệt để gia nhiệt cho nguyên liệu vào, do dòng sản phẩm của chúng ta chia làm nhiều dòng nhỏ để gia nhiệt cho nguyên liệu vào và trong quá trình hoạt động có thể có những lúc không cần gia nhiệt hoặc lưu lượng sản phẩm cần để gia nhiệt thất nên các vale sẽ bị đóng trong khi đó dòng sản phẩm vẫn cứ hoạt động, điều này có thể sẽ gây phá hủy đường ống, do đó để bảo vệ sự hoạt động liên tục chúng ta lắp đặt một cảm biến áp suất để điều chỉnh lưu lượng sản phẩm trực tiếp thoát ra ngoài nhờ vale điều khiển.
CHƢƠNG III TÍNH TOÁN QUY TRÌNH SẢN XUẤT BIODIESEL I. TÍNH TOÁN MÁY ÉP TRỤC VÍT
I.1. Tính toán cho quá trình ép
Lượng nguyên liệu (mỡ cá) đưa vào quá trình ép là: 1800 (Kg/h).
Lượng nước trong nguyên liệu 27,27%.
Lượng dầu trong nguyên liệu 54,54%.
Lượng chất khô trong nguyên liệu 18,19%.
Lúc ép chất khô tổn thất theo dịch ép 20% (số thực nghiệm).
Lượng dầu còn lại trong bã là 3% lượng chất khô.
Lượng nước trong bã ép ra là 45%.
Từ những thông số trên tính được lượng bã sau khi ép là: Yb = P( ) + Yb + P( ) Yb = ( )( ) Trong đó: p- Lượng chất khô, 327,42( Kg/h).
n- Lượng chất khô tổn thất (trong dịch ép ra). m- Lượng dầu trong bột cá.
B- Lượng nước trong bã ép. - Do đó:
Yb = ( )( )
= 490,53 (Kg/h).
Vậy lượng chất lỏng ép ra là: Ddầu sau ép = 1800 – 490,53 = 1309,47 (Kg/h). Hàm lượng dầu cá mất mát khi qua các quá trình lọc, rửa, tấy màu khoảng 10% (130,95 kg/h).
Vậy lượng dầu cá tinh luyện thu được là: 13009,47 – 130,95 = 1178,52 (Kg/h).
I.2. Thông số kĩ thuật máy ép trục vít Bảng 7. Thông số máy ép trục vít Đặc tính thiết bị Giá trị Năng suất (tấn/h) Công suất (kW) Số vòng quay trục vít (vòng/phút) Số vòng xoắn
Đường kính trong thiết bị (mm) Đường kính ngoài thiết bị (mm)
Chiều dài trục vít (mm) Kích thước tổng quát (mm)
Dài Rộng
Cao
Khối lượng thiết bị (Kg)
2 6 2,5 14 260 255 1880 4630 1360 1750 2000 II. CÂN BẰNG VẬT CHẤT
II.1 Các thông số kỹ thuật của nguyên liệu
Bảng 8. Thành phần dầu từ mỡ cá
Tên axit béo Phần trăm %
Công thức phân tử (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Liên kết đôi
Khối lượng phân tử (g/mol)
Axit Myristic 1,21 C14H28O2 14:1 228 Axit Palmitic 22,22 C16H32O2 16:1 254
Axit Stearic 6,7 C18H36O2 18:0 284
Axit Oleic 44,43 C18H34O2 18:1 282 Axit Linoleic 16,76 C18H32O2 18:2 280 Axit Linolenic
(C18:3)
Axit Arachidic 0,37 C20H40O2 20:0 312 Axit Gadoleic 0,62 C20H38O2 20:1 310 Axit Cetoleic 0,43 C22H42O2 22:1 338 Axit
Decosahexanenoic
0,34 C22H32O2 22:6 328
Các thành phần khác: 6,1 %
II.1.1. Công thức trung bình của nguyên liệu và sản phẩm
Từ thành phần dầu cá ở bảng 7, ta có: - Số nguyên tử C: =17 - Số nguyên tử H2 =31. - Số nguyên tử O2 2. Trong đó:
x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9,x10: % của các thành phần nguyên liệu . n1,n2,n3,n4,n5,n6,n7,n8,n9,n10: số nguyên tử C,H,O từng thành phần nguyên liệu.
- Công thức trung bình của chất béo: CH2 – OOCC16H31
CH – OOCC16H31 CH2 – OOCC16H31
C54H98O6
842 g/mol.
- Công thức phân tử trung bình của Biodiesel: C16H31COOCH3
282 g/mol.
II.1.2. Nhiệt dung riêng
Nhiệt dung riêng của nguyên liệu
Cnguyên liệu =
= = 3024 (J/kg.K). Nhiệt dung riêng của Biodiesel
CBiodiesel =
=
= 3095 (J/kg.K).
Trong đó:
c1, c2, c3 lần lượt là nhiệt dung riêng của nguyên tử C, H và O (J/kg.K). n1, n2, n3 lần lượt là số nguyên tử của C,H và O.
Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1(tra bảng I.141) trang 152. Tra bảng I.trang 176 (Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1) ta có:
+ Nhiệt dung riêng của metanol: Cmethanol=2760 J/kg.K. + Nhiệt dung riêng của glixerol: Cglixerin= 2412 J/kg.K. + Dầu nguyên liệu: d = 910 (kg/m3). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
II.1.3. Khối lƣợng riêng
Biodiesel: d= 880 (kg/m3). Methanol: d=792 (kg/m3). Glixerol: d=1237,61 (kg/m3).
II.2. Tính toán cân bằng vật chất
Gọi n là số mol của dầu nhập vào: Giả thiết độ tinh khiết của dầu nguyên liệu là 95%.
Bậc phản ứng thứ nhất:
-Thừa nhận hiệu suất phản ứng: 80%. Như vậy ta có 0,8.n mol dầu phản ứng. Theo (*), sau thiết bị phản ứng bậc 1, ta có:
nTriglyxerit (n1)
nMetanol (n2) nBiodiesel (n3) nGlyxerin (n4)
Ban đầu n n 6.n 0 0
Phản ứng 0,8.n 2,4.n 2,4.n 0,8.n
Còn lại n’ 0,2.n 3,6.n 2,4.n 0,8.n
- Thừa nhận mất mát sản phẩm sau khi qua thiết bị lọc, tách là 5%. Qua thiết bị lọc bậc 1 ta xem như hàm lượng cặn không đáng kể thu được:
(mol).
- Tương tự, sau khi qua thiết bị tách bậc 1, mất mát 5%:
.
Vậy trước khi qua bậc phản ứng thứ 2 thành phần nguyên liệu vào là: 2,28.n mol Bio, 20% dầu nguyên liệu chưa phản ứng và một ít methanol lẫn theo.
Bậc phản ứng thứ 2:
- Dự tính khoảng 15% trong 20% dầu chưa phản ứng sẽ chuyển hóa trong bậc này và nâng hiệu suất chung của cả hai bậc là 95%.
nTriglyxerit (n1) nMetanol (n2) nBiodiesel (n3) nGlyxerin (n4) Ban đầu n 0,2.n 1,2.n 2,28.n 0 Phản ứng 0,15.n 0,45.n 0,45.n 0,15.n Còn lại n’ 0,05.n 0,75.n 2,73.n 0,15.n
Vậy sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng bậc 2: (mol).
- Thừa nhận mất mát sản phẩm sau khi qua thiết bị lọc, tách là 5%. Qua thiết bị lọc bậc 2 ta xem như hàm lượng cặn không đáng kể thu được:
(mol).
- Tương tự, sau khi qua thiết bị tách bậc 2, mất mát 5%:
(mol). - Qua thiết bị rửa: Thừa nhận mất mát 5%.
(mol). - Qua thiết bị chưng cất: Thừa nhận mất mát 5%.
(mol).
Theo đề bài, năng suất của quy trình là 10000 l/ngày = 10m3/ngày, chọn
một ngày làm 10 giờ, năng suất biodiesel trong 1 giờ là 1 m3/h. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Vậy khối lượng Biodiesel thu được: mBio= d.V = 880.1= 880 (kg/h) Số mol Biodiesel thu được:
( )
Bảng 9. Thành phần vật chất để sản xuất biodiesel trong 1h
Thành phần Dầu (kg) Methanol (kg) Biodiesel (kg) Glixerol
(kg) Nước (ml) Phản ứng 1 Dòng vào 1122,39 255,93 0 0 Dòng ra 224,47 153,56 902,17 98,108 Lọc 1 Dòng vào 224,47 153,56 902,17 98,108 Dòng ra 224,47 153,56 902,17 Tách 1 Dòng vào 224,47 153,56 902,17 mất 5% 98,108 Dòng ra 224,47 7,67 857,06 98,108 Phản ứng 2 Dòng vào 224,47 7,67 (thêm 51,187) 857,06 0 Dòng ra 56,119 58,857 1026,22 Lọc 2 Dòng vào 56,119 58,857 1026,22 18,395 Dòng ra 56,119 58,857 1026,22 18,395 Tách 2 Dòng vào 56,119 2,94 1026,22 18,395 Dòng ra 56,119 974,90 18,395 Tháp rửa Dòng vào 56,119 2,94 974,90 Dòng ra 2,79 926,155 0
III. CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG III.1. Tại thiết bị phản ứng bậc 1 III.1. Tại thiết bị phản ứng bậc 1
- Ta thừa nhận nhiệt độ của methanol và dầu nguyên liệu là 25oC và ước tính sau khi trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm sẽ nâng nhiệt độ lên 50oC. Nhiệt độ được duy trì trong suốt quá trình phản ứng là 60oC.
Qtỏa = Qthu (Với Qthu = Q1 + Q2 + Q3)
Q1: nhiệt lượng cần cung cấp để nâng nhiệt độ dầu và methanol từ 50oC lên nhiệt độ phản ứng 60oC.
methanol bay hơi).
Q3: nhiệt lượng mất mát.
Q1 = (mdầu. Cdầu + mmethanol. Cmethanol) .Δt
Trong đó:
mdầu: khối lượng dầu cung nhập liệu:1122,39 Kg . mmethanol: khối lượng methanol nhập liệu: 255,93 Kg. Cdầu: nhiệt dung riêng của dầu: 3,024 KJ/Kg.độ.
Cmethanol: nhiệt dung riêng của methanol: 2,760 KJ/Kg.độ.
Q1 = (1122,39.3,024 + 255,93.2,760).(60-50) = 41004,742KJ Q2 = 0,8.m’methanol.λmethanol = 0,8 . 153,56. 1100 = 135132,8 KJ
Với:
m’methanol: lượng methanol chưa phản ứng = 153,56 Kg λmethanol: nhiệt hóa hơi của methanol. [tra bảng]
- Ta thừa nhận lượng nhiệt mất mát là 5%
Q = Q1 + Q2 + 0,05Q 0,95Q = 41004,742 + 135132,8 Q = 185407,94 KJ - Lượng nước cần dung:
W=
=
( )=2213 (kg/h)
III.2. Tại thiết bị lọc bậc 1
- Do dòng sản phẩm có độ nhớt cao nên cần thời gian để lắng đọng cặn, vì vậy ta thừa nhận mất mát nhiệt trong thiết bị lọc là 10%.
- Sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng. Dòng sản phẩm gồm có: • Methanol còn lại: m’methanol = 153,56 Kg.
• Dầu dư (20%): m’methanol = 0,2.mdầu = 224,47 Kg. • Biodiesel : mBio = 902,17 Kg.
• Glycerin: mGli = 98,108 Kg. • Nhiệt độ sản phẩm ra: 60 oC.
Theo định luật bảo toàn năng lượng, nhiệt lượng dòng sản phẩm mang theo ≈ Q. Gọi Q’ là nhiệt lượng sản phẩm sau khi ra khỏi thiết bị lọc:
Q’ = 0,9 . Q = 0,9. 185407,94 = 166867,15 KJ. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mà Q’ = (m’methanol. Cmethanol + m’dầu. Cdầu + mBiodiesel.CBiodiesel +mGli.CGli).(60 - t) Với t là nhiệt độ sản phẩm sau khi ra khỏi thiết bị lọc.
Q’ =(153,56.2,76 + 224,47.3,024 + 902,17.3,095 + 98,108.2,412).(60 - t) t = 20oC.
- Sau khi đi qua thiết bị lọc, nhiệt độ của dòng sản phẩm chỉ còn 20oC sau đó được gia nhiệt lên 65oC để methanol bay hơi dễ dàng trong tháp tách 3 pha. Điều này là cần thiết vì tuy biodiesel và glycerin không tan trong nhau nhưng cả hai đều tan trong methanol, do đó khi methanol bay hơi thì biodiesel và glycerin tự tách lớp và ta tách riêng được hai dòng này.
- Nhiệt lượng cần cung cấp vào để nâng dòng khí từ 20oC lên 65oC:
Q’’ = (m’methanol.Cmethanol + m’dầu.Cdầu + mBio.CBio + mGli. CGli).(65 – 20)
Q” = (153,56.2,76 + 224,47.3,024 + 902,17.3,095 + 98,108.2,412).45
= 185916,6 KJ.
- Gọi Q3 là nhiệt lượng dòng sản phẩm mang theo sang tháp tách: Q3 = Q’ + Q’’ = 166867,15 + 185916,6 = 352783,75 KJ.
III.3. Tại thiết bị tách 3 pha bậc 1
Dòng vào: nhiệt độ 65oC
Methanol dư: m’methanol = 153,56 Kg. Dầu dư (20%): m’dầu= 224,47 Kg. Ban đầu : mBiodiesel = 902,17 Kg.
Glyceron: mGli = 98,108 Kg.
Dòng ra:
- Ta dự tính lượng methanol dư sẽ bay hơi hết 95%. Mất mát nhiệt trong tháp tách 3 pha là 10%.Hàm lượng biodiesel bị cuốn theo glyceron là 5%.
- Nhiệt lượng mà 95% còn lại của methanol bay hơi:
Q’methanon= 0,95.m’methanol.λmethanol = 0,95 . 153,56. 1100 = 160470,2 KJ ( 1100 nhiệt hóa hơi của methanol ).
- Gọi T2 là nhiệt độ sau khi ra khỏi tháp tách 3 pha thứ nhất:
- Nhiệt lượng của dòng sản phẩm còn lại: (5%methanol còn lại,biodiesel,glyceron).
Q4 = Q3 – Q’methanol = 352783,75 -160470,2 = 160470,2 KJ.
Mặc khác:
Q4.0,9 = (mGli.CGli + mBiodiesel.CBiodiesel + mmethanol.Cmethanol + mdầu.Cdầu).(65- T2)
160470,2.0,9 = (153,56.2,76 + 224,47.3,024 + 902,17.3,095 +98,108.2,412).(65- T2).
T2 = 30oC
- Sau khi qua tháp tách, thành phần sản phẩm gồm có:
Dầu dư (20%): m’dầu = 224,47 Kg. Ban đầu: mBiodiesel = 857,06 Kg.
III.4 Tại thiết bị phản ứng bậc 2
Qthu = Q’1 + Q’2 + Q’3
Q’1: nhiệt lượng cần cung cấp để nâng nhiệt độ dầu, biodiesel và methanol từ 500C lên nhiệt độ phản ứng 600C.
Q’2: nhiệt lượng cung cấp để methanol dư bốc hơi (ta thừa nhận có 80% methanol bay hơi).
Q’1=( mBiodiesel.CBiodiesel + mmethanol.Cmethanol + mdầu.Cdầu).Δt (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong đó:
mdầu: khối lượng dầu còn lại 224,47 Kg.
mmethanol: khối lượng methanol nhập liệu 51,187 Kg. mBiodiesel: khối lượng biodiesel 857,06 Kg.
CBiodiesel = 3,095 KJ/Kg.độ.
Cdầu: nhiệt dung riêng của dầu 3,024KJ/Kg.độ.
Cmethanol: nhiệt dung riêng của methanol 2,76KJ/Kg.độ .
Q’1 = (mBiodiesel .CBiodiesel+mmethanol.Cmethanol+mdầu.Cdầu). .
Q’1=(224,47.3,024 + 857,06.3,095 + 51,187.2,76).(60 -50). = 34726,7 KJ
Q’2 = Q’methanon= 0,8.mmethanol.λmethanol = 51,187 .0,8 . 1100 = 45044,6 KJ Q’ = Q’1 + Q’2 + 0.1Q’
Q’=88634,8 K
III.5. Tại tháp chƣng biodiesel
Sau khi rửa, dòng sản phẩm sẽ mang theo 5% nước, do đó cần qua tháp chưng cất để thu biodiesel tinh khiết, sau khi qua tháp rửa thì dòng sản phẩm sẽ có nhiệt độ bằng nhiệt độ môi trường (25oC).
Nhiệt lượng cần cung cấp vào để hỗn hợp sản phẩm tăng từ 25oC lên 110o C. Q = (mnước.Cnước + MBiodiesel.CBiodiesel + Mdầu.Cdầu).(110 - 25)
= (48,7.4,19 + 974,9.3,095 + 56,119.3,024).(110-25)
CHƢƠNG IV TÍNH TOÁN THIẾT BỊ I. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH BẬC 1
Thiết bị phản ứng (bậc 1) có dạng hình trụ, có lắp cụm ống chùm song song chứa xúc tác.
I.1. Tính toán chùm ống chứa xúc tác I.1.1.Tính lƣợng xúc tác cần thiết I.1.1.Tính lƣợng xúc tác cần thiết
- Chọn một ngày quy trình làm trong 10 giờ. Vậy lượng Methanol nhập liệu: Vmethanol =
=
0,323 ( ) 323( ). - Lượng dầu nhập liệu:
Vdầu =
=
1,233( ) 1233 ( ).
Theo kết quả thí nghiệm, cần 1g xúc tác Na/NaOH- Al2O3 để xúc tác cho phản ứng giữa hỗn hợp rượu/dầu trong đó chứa 36 ml dầu.
Vậy lượng xúc tác Na/NaOH- Al2O3 cần cho quá trình phản ứng là (tính theo lượng dầu):
mxúc tác =
( ) (Kg).
Do hạt xúc tác gồm nhiều lỗ xốp, nên khối lượng riêng của hạt xúc tác được tính theo công thức:
= .(1 – q) + .q = 2231.(1-0,5)+1.0,5=1116 (Kg/m3).
Trong đó: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- khối lượng riêng của xương hạt (Kg/m3).
- khối lượng thể tích của pha khí nằm giữa các hạt xúc tác (Kg/m3). q – độ xốp của hạt.
I.1.2. Khối lƣợng thể tích của tầng xúc tác
I.1.3. Thể tích lớp xúc tác
Vxt = =
0,095 m3.
Thể tích thiết bị phụ thuộc vào chùm ống chứa xúc tác và lượng nước cấp nhiệt cho thiết bị.
Tổng diện tích của bề mặt ống chùm: