ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
“TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẢN
XUẤT BIODIESEL TỪ MỠ CÁ DA TRƠN 50
000 L/NGÀY” Họ và tên sinh viên : VÕ MẠNH HOANH

MSSV : 60600753


DA TRƠN 50 000 L/NGÀY 2. Nhiệm vụ (nội dung yêu cầu với số liệu ban đầu) :
1. Năng suất : 50 000 l/ngày
SVTH: VÕ MẠNH HOANH PGS.TSKH. LÊ XUÂN HẢI

4

2. Thông số khác : tự chọn.
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán, phần mềm Matlab
- Tổng quan công nghệ, matlab mô phỏng
- Thuyết minh qui trình công nghệ
2. Các bản vẽ
Bản vẽ chi tiết thiết bị chính1 bản A1
Bản vẽ qui trình công nghệ 1 bản A1
5. Ngày giao đồ án: 3 / 2010
6. Ngày hoàn thành đồ án: 9/ 2010
7. Ngày bảo vệ và chấm đồ án : 9/2010
Ngày…… tháng….năm 2010
HỘI ĐỒNG BẢO VỆ NGƯỜI H

Điểm : __________ Chữ ký : __________
Điểm tổng kết : _________
SVTH: VÕ MẠNH HOANH PGS.TSKH. LÊ XUÂN HẢI

6

LỜI CẢM ƠN
Biodiesel là nhiên liệu cần thiết cho vấn đề về an ninh năng lượng toàn cầu cho
tương lai. Cùng với việc nghiên cứu công nghệ để có thể sản xuất biodiesel hàng loạt
trong nước là vấn đề mang tính cấp bách cho Việt Nam trong thế kỉ XXI.
Là một sinh viên chuyên ngành Máy Thiết Bị, luôn đòi hỏi phải tiếp cận với
những vấn đề mới trong công nghiệp, xu hướng phát triển đất nước trong lĩ
nh vực
mình nghiên cứu, đó là lý do Tôi chọn đề tài này. Mặt dù tính toán thiết kế của một
sinh viên không thể nào là hoàn hảo, và đưa vào sản xuất, nhưng từ đó Tôi cũng sẽ rút
được nhiều kinh nghiệm cho bản thân, không ngừng học hỏi để giỏi chuyên môn hơn.
Trong một thời gian dài thực hiện, Tôi đã nhận được sự giúp đỡ,hướng dẫn tận
tình của PGS.TSKH. Lê Xuân Hải trong việc đánh giá, phân tích và nhìn nhận vấn
đề
dưới góc nhìn của một nhà khoa học thực thụ, cũng như cung cấp các nguồn tài liệu
tham khảo quí báu trong quá trình thực hiện. Được Thầy truyền đạt kiến thức về
Nguyên Lý Cực Đại của Pontrjaghin, thuật toán giải quyết vấn đề và những qui cách
khi đặt bài toán tối ưu cho vấn đề. Hướng dẫn sử dụng Matlab giải hệ phương trình
động học của quá trình bằng phương pháp số
để từ đó tìm ra các thông số công nghệ
quan trọng trong quá trình tính toán thiết kế.
Tôi cũng chân thành cảm ơn đến Chủ nhiệm bộ môn Thầy Vũ Bá Minh và

II.2.1.1.Mô hình đồ họa của hệ thống thiết bị 8
II.2.1.2 Nguyên tắc hoạt động của mô hình: 8
II.2.2 Cơ sở lý thuyết của thiết bị khuấy trộn gián đoạn: 9
II.2.2.1. Giới thiệu về thuyết bị phản ứng: 9
II.2.2.2. Đặc trưng nhiệt trong thiết bị phản ứng: 9
II.2.2.3. Chế độ nhiệt tối
ưu: 9
II.2.2.4.Các giải pháp để duy trì chế độ nhiệt tối ưu trong thiết bị phản ứng: 10
II.2.2.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ quá trình phản ứng của thiết bị: 10
II.2.2.6. Thời gian lưu của thiết bị: 10
II.3. Cơ sở lý thuyết mô phỏng phần chương trình điều khiển tối ưu quá trình bằng
Matlab: 11
II.3.1. Nguyên lý cực đại Pontrjaghin:
11
II.3.1.1. Bài toán tác động nhanh 12
II.3.1.2. Tính chất hàm hamilton: 14
II.3.2. Qui trình xây dựng chương trình Matlab điều khiển tối ưu cho hệ thống sản
xuất biodiesel: 14
II.3.2.1 Mô hình điều khiển: 14
II.3.2.2. Thuật toán lập trình trong Matlab dựa theo các bước tính toán của
S.Nagaraja Rao và Rein Luus: 17
II.4. Một số kết quả của chương trình: 18
III. Qui trình tính toán thiết kế hệ thống thiết bị: 21
III.1.1. Mô tả: 21
III.1.2.Cân bằng vật chất và năng lượng cho thi
ết bị chính: 21
III.1.2.1.Tính cân bằng vật chất: 21
III.1.2.2.Tính toán cơ khí cho thiết bị chính: 22
III.1.2.3. Tính cân bằng năng lượng cho thiết bị chính: 24
III.1.3.Tính toán thiết bị phụ: 27
SVTH: VÕ MẠNH HOANH PGS.TSKH. LÊ XUÂN HẢI

9 I. Đặt vấn đề
Tính toán thiết kế hệ thống sản xuất biodiesel từ mỡ cá da trơn đòi hỏi các thiết
bị phải đơn giản nhưng hiệu quả cao, không đơn thuần chỉ tạo ra biodiesel mà còn yêu
cầu về mặt chất lượng sản phẩm, tiêu tốn năng lượng ít và chi phí vận hành thấp đây
được xem là tiêu chí hàng đầu trong việc chọn lựa thiết bị và kiểu dáng thiết b
ị phản
ứng. Kết quả chương trình mô phỏng bằng Matlab là số liệu để tính toán thiết kế thiết bị
nên đòi hỏi phải có độ chính xác và tin cậy trong phạm vi chấp nhận được. Xây dựng
trên có cơ sở của quá trình và thuật toán rõ ràng.
II. Tổng quan về lý thuyết của qui trình sản xuất biodiesel từ mỡ cá da trơn
II.1.Thành phần của mỡ cá

36
O
2
chiếm 8 %
C
14
H
28
O
2
chiếm 4 %

II.1.1. Phương trình phản ứng
Trong đó Ri là các gốc hydrrocacbon
Quá trình phản ứng sẽ diễn ra theo từng nấc như sau Trong đó
TG: Triglycerid Me: Methanol
DG: Diglycerid G: Glycerin
KOH

R
2
COOCH

R
3
COOCH
2
+ 3CH
3
OH

R
1
COOH

R
2
COOH

R
3
COOH

CH
2
- OH
CH

- OH

12
. .

. .
dTG
kTG Me k DG E
dt
dDG
k DG Me k MG E k TG Me k DG E
dt
dMG
kMGMekGE kDGMekMGE
dt
dG
kMGMe kGE
dt
dMe
k TG Me k DG E k DG Me k MG E k MG Me k G E
dt
dE
kTG Me k DG E
dt
=− +
=− + + −
=− + + −
=−
=− + − + − +

m sẽ được rửa bởi nước cất nóng cho đên khi sản
phẩm có pH trung tính.
Sản phẩm sau khi rửa mang đi sấy sau đó đưa qua hệ thống xử lý màu và bảo quản sản
phẩm.
Phần đáy sau khi rửa được đưa về thiết bị chưng cất để tái sinh lại Methanol còn dư,
đồng thời thu hồi lại Glycerin thô để nâng cao hiệu quả kinh tế

Hệ thống làm việc gián
đoạn theo từng mẻ, trong quá trình phản ứng, để hạn chế lượng
tác chất cũng như Methanol bay hơi do nhiệt thất thoát thì chúng ta có gắn thêm thiết bị
sinh hàn. Nhiệt độ gia nhiệt cho quá trình phản ứng sử dụng bộ gia nhiệt ngoài, để nâng
hoặc giảm nhiệt độ của quá trình.

II.2.2. Cơ sở lý thuyết của thiết bị khuấy trộn gián đoạn
II.2.2.1. Giới thiệu về thiế
t bị phản ứng
Nguyên liệu là pha lỏng phản ứng với nhau nên các bước của quá trình: nạp liệu,
đun nóng, tiến hành phản ứng, làm nguội và tháo sản phẩm, được thực hiện trong một
thiết bị chi đên khi đạt kết quả cuối cùng.
Do đó các thông số như nồng độ, nhiệt độ, áp suất,… thay đổi theo thời gian
Mô hình thiết bị phản ứng gián đoạn và thay đổi nồng
độ theo thời gian

II.2.2.2. Đặc trưng nhiệt trong thiết bị phản ứng

Phản ứng hóa học luôn kèm theo hiệu ứng nhiệt, thường là khá lớn để thay đổi
nhiệt độ của quá trình.
SVTH: VÕ MẠNH HOANH PGS.TSKH. LÊ XUÂN HẢI

13


14

Quá trình bay hơi của cấu tử nhẹ mang một lượng nhiệt tổn thất ra ngoài.
Quá trình ngưng tụ chất dễ bay hơi là giảm nhiệt độ thiết bị.

II.2.2.6. Thời gian lưu của thiết bị
t chuẩn bị = t nạp liệu + t đun nóng nguyên liệu từ nhiệt độ đầu đến nhiệt độ phản ứng +
t làm nguội sản phẩm + t tháo sản phẩm + t phản ứng
II.3. C
ơ sở lý thuyết mô phỏng phần chương trình điều khiển tối ưu quá trình
bằng Matlab
II.3.1. Nguyên lý cực đại Pontrjaghin
Xét quá trình công nghệ hóa học được mô tả bởi hệ phương trình vi phân thường (
ví dụ như quá trình chuyển hóa mỡ cá hoặc dầu hạt cao su thành biodiesel trong thiết bị
khuấy trộn hoạt động gián đoạn)
), ,,,, ,,(
2121 rm
i
uuuxxx
dt
dx
ϕ
= i = 1,…,m (VII,1)
hoặc ở dạng vectơ :
),( ux
dt
dx
ϕ
=

SVTH: VÕ MẠNH HOANH PGS.TSKH. LÊ XUÂN HẢI

15

Giả sử hàm mục tiêu của quá trình có dạng một phiếm hàm

dtuxI
k
t
t
),(
)(
)0(
0
∫
=
ϕ
(VII,5) II.3.1.1. Nguyên lý cực đại với bài toán tác động nhanh
Xét hàm mục tiêu với trường hợp

Dựa vào hình 7.2 chúng ta sẽ tìm ra được giá trị sau 1
0
≡
ϕ

ϕ
=
i = 1,…,m (VII,8)

Giả sử rằng đã tìm được nghiệm tối ưu u
opt
(t) điều khiển quá trình (VII.8) từ
trạng thái đầu x
(0)
tới trạng thái cuối x
(k)
sau một khoảng thời gian cực tiểu τ
k
= t
(k)
( vì
để đơn giản thường đã cho t
(0)
= 0 ).
Điều khiển tối ưu u
opt
(t) không nhất thiết phải là hàm liên tục (hình 7.3)
SVTH: VÕ MẠNH HOANH PGS.TSKH. LÊ XUÂN HẢI

16

Hình 7.3 – Hình 7.4 -

Tương ứng với Điều khiển tối ưu u
opt

k
k
i
xt u t
dt
t
dt x
ϕ
λ
λ
=
∂
=−
∂
∑

1, ,im
=
(VII,45)
Nguyên lý cực đại chỉ ra rằng: Tại mỗi điểm trên quỹ đạo, điều khiển tối ưu u
opt
(t)
được xác định từ điều kiện cực đại đối với hàm Hamilton H[ λ(t), x(t), u], nghĩa là
u
opt
(t) chính là nghiệm tối ưu của bài toán tối ưu sau [][]
(), (), ax (), (),

(VII,50)
Khi đó hệ phương trình (VII.45) được biểu diễn như sau

i
i
d
H
dt x
λ
∂
=−
∂

1, ,im=
(VII,51)
hoặc
i
d
H
dt x
λ
∂
=−
∂
(VII,52)

II.3.1.2. Tính chất của hàm Hamiton trong bài toán tác động nhanh

Nếu một quá trình được mô tả bởi hệ phương trình vi phân
[]

(), (), () (),
m
ii
k
H t xt u t xt u
λλϕ
=
=
∑
(VII,46)
trong đó các biến λ
i
(t) thỏa mãn hệ phương trình
[
]
1
(), ()
()
() ()
m
kOPT
i
kk
k
i
xt u t
dt
tt
dt x
ϕ

=≥
⎣⎦
(VII,66)

II.3. 2. Qui trình xây dựng chương trình Matlab điều khiển tối ưu cho hệ thống
sản xuất biodiesel
Dựa trên các phương trình động học của của quá trình cho ta thấy tại những thời điểm
khác nhau thì nồng độ của tác chất tham gia và sản phẩm sẽ khác nhau. Do vậy giá trị
các biến trung gian được xem là các biến trạng thái, các yếu tố đầu vào ảnh hưởng đến
quá trình gồm nhiệt độ phản ứ
ng, tỉ lệ Methanol/mỡ cá, hàm lượng xúc tác được xem là
các biến điều khiển.

II.3.2.1. Mô hình điều khiển:

Bài toán điều khiển tối ưu được xây dựng dựa trên nguyên lý cực đại của Giáo
sư Pontrjaghin L.C cho đến nay có khá nhiều cách giải. Ở đây ta sử dụng phương pháp
số của S. Nagaraja Rao và Rein Luus để giải quyết 6 phương trình động học trên.
Các bước tính toán như sau: Với bài toán chỉ chọn mộ
t biến điều khiển u(t) là nhiệt độ
của phản ứng. Ở đây chúng ta hiểu u là một hàm theo thời gian u = f(t) hoặc u(t).
Bước 1:
Chọn giá trị biến điều khiển ban đầu u
(0)
= T(
0
) = 50
0
C
Bước 2:

này, ta lấy tích phân
ngược phương trình phụ trợ để tìm các giá trị của λi
(t)
.
Như ta đã biết λi
(t)
là nghiệm của hệ phương trình
[
]
1
(), ()
()
()
m
kOPT
i
k
k
i
xt u t
dt
t
dt x
ϕ
λ
λ
=
∂
=−
∂

[][]
()
[]
6
1
(), (), (), , () () (),
kk
k
H t xt u xt u t t xt u
λϕλλϕ
=
==
∑
(VII,46)
Ở đây ta chỉ xét một biến điều khiển là nhiệt độ u(t) = T (t) - (T: giá trị nhiệt độ), nhưng
trong nhiều trường hợp tổng quát hơn ta có thể thêm 1 hay nhiều biến điều khiển khác
vào hệ phương trình trạng thái, nên ở đây xem u = u
1
= T(t).
Nên ta tính được
[
]
6
1
1
11
(),
().
k
k

PS SdtSdt==
∫∫

()
1
()
jT
S : ma trận chuyển vị của
()
1
()
j
S
Ở đây j là lần lặp thứ j trong thuật toán của S.Nagaraja và Rein Luus để giải bài toán
điều khiển tối ưu.
- Tính giá trị Q
Giá trị Q được xác định theo công thức
SVTH: VÕ MẠNH HOANH PGS.TSKH. LÊ XUÂN HẢI

19

2
() ()
1
2
0
(). .().
tf
jT j
H

k
x
tu
H
t
uu
ϕ
λ
=
∂
=
∂∂
∑

Từ những số liệu xi(t),
()t
i
λ
, S(t) và U(t) cho trước ta sẽ tính được giá trị Q
1
.
Bước 4:
Tính ε từ vecto P, Q
1
theo công thức
1
2.
P
Q
ε


Biến điều khiển mới này sẽ làm thay đổi giá trị trạng thái của quá trình, vậy nên ta cần
giải lại hệ phương trình trạng thái ứng với biến điều khiển
(1)j
i
u
+
này (chú ý rằng
(1)j
i
u
+
là
một véc tơ nhiệt độ theo từng thời điểm h). Cách giải tương tụ bước 2 và khi giải xong
ta sẽ được giá trị hàm mục tiêu mới
(1)j
I
+

Bước 6 + Bước 8
So sánh
(1)j
I
+
và
()j
I
trước đó
Nếu
(1)j

u
+
là nghiệm cần tìm của bài toán điều khiển tối
ưu ta xét.
Nếu
(1)j
I
+
≤
()j
I
và
(1) ()
5
(1)
10
jj
j
II
I
+
−
+
−
>
, ta tiếp tục tính toán quá trình trở lại từ bước 3
Bước 7
Nếu
(1)j
I

kết luận rằng giá trị hàm mục tiêu ban đầu là nhỏ nhất và biến điều khiển ban đầu
(0)
u
là nghiệm cần tìm.
Nhưng ta cũng có thể kiểm tra lại nghiệm tối ưu trên bằng cách thay đổi giá trị biến
diều khiển ban đầu
(0)
u (ở bước 1) bằng một giá trị khác.

II.3.2.2.Thuật toán lập trình trong matlab dựa theo các bước tính toán của
S.Nagaraja Rao và Rein Luus
Trình bày chi tiết cách lập trình
Giai đoạn 1: Giải hệ phương trình vi phân
Biến điều khiển ban đầu:
(0)
u

Một số kí hiệu
1
2
3
4
5
6
x
TG
x
DG
x
MG

1
() () () ()
11 5 2 2 6
()
2
() () () () () () () ()
32 5 43 6 11 5 22 6
()
3
() () () () () () () ()
53 5 64 6 32 5 43 6
()
4
t
tt tt
t
tt tt tt tt
t
tt tt tt tt
t
dx
kx x kx x
dt
dx
kxx kxx kxx kxx
dt
dx

tt tt tt tt tt tt
t
tt tt tt t
kx x kx x
t
dx
kxx kxx kxx kxx kxx kxx
dt
dx
kxxkxxkxxkx
dt
=−
⎡⎤
⎣⎦
=−+−+−+
⎡⎤
⎣⎦
=−+−
() () () () ()
6535646

ttttt
x
kx x kx x+−

Như vậy phương trình tổng quát được viết là
), ,,,, ,,(
2121 rm
i
uuuxxx

E
x
C
x
x
x
x
C
x
=
=
=
=
=
=
; thời điểm
() ()
()
kk
x
tx= giá trị biến trạng thái là
()
1
()
2
()
3
()
4
()

=
=
=
=
=
=II.4. Một số kết quả của chương trình
Kết quả bộ giá trị điều khiển U(t) và véc tơ thời gian tương ứng
Thời gian tối ưu: 45,35 phút
Bảng biến thiên nhiệt độ theo thời gian phản ứng

SVTH: VÕ MẠNH HOANH PGS.TSKH. LÊ XUÂN HẢI

22 Thông số nhiệt độ, thời gian ở kết quả trên sẽ được sử dụng trong việc tính toán thiết kế
hệ thống III.1. Quy trình tính toán thiết kế hệ thống thiết bị
III.1.1 Mô tả
Mỡ cá da trơn và Methanol, xúc tác nhập liệu như hình vẽ, thiết bị sinh hàn để
ngưng tụ tác chất bay hơi, đầu dò nhiệt độ đặc trong tâm thiết bị, hệ thống gia nhiệt là
bộ
phận gia nhiệt ngoài, lấy từ đáy và nhập liệu lại ống nhập liệu
Thiết bị gồm 2 hệ thống phản ứng, thời gian phản ứng + thời gian nhập liệu sẽ được
tính chung là 1 mẻ, con đường nhiệt độ phản ứng sẽ được điều khiển theo đúng với
Matlab theo giản đồ thiết bị, Các thiết bị đặt ở độ cao khác nhau để
tận dụng năng
lượng thế năng.
III.1.2 Cân băng vật chất & năng lượng cho thiết bị
III.1.2.1. Tính cân bằng vật chất cho thiết bị
Kết quả tính toán của chương trình mô phỏng bằng Matlab
STT Các thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
1 Thời gian phản ứng T 45 phút

Thời gian lưu của thiết bị được tính theo công thức
t = t nạp liệu (15 phút) + t đun nóng nguyên liệu từ nhiệt độ
đầu đến nhiệt độ phản ứng
(15 phút) + t tháo sản phẩm (15 phút) + t phản ứng (45 phút)
Do vậy chọn giá trị thời gian tiêu tốn để sản xuất 1mẻ là 1h30 phút.
STT Các thông số Khối lượng phân tử
(kg)

= 4,55 + 0,64 = 5,49 m
3
/h
Thể tích thiết bị được tính theo công thức
5,49
7,32
0,75
PU
tb
V
V
ϕ
== =
m
3
/h
III.1.2.2. Tính toán cơ khí cho thiết bị
Chọn đường kính trong của thiết bị là 1800 mm
Tra sổ tay Quá trình & Thiết bị tập 2: Trang 388, dựa theo đường kính trong của thiết bị
ta chọn thể tích đáy Elip là 0,8657 m
3
/h.
Thể tích phần thân trụ được tính theo công thức
7,32 0,8657 6,4543
ttbelip
VVV=− = − = m
3
/h
Chiều cao thiết bị được xác định theo công thức
22

k
d
dD
D
=÷ ⇒= = =
mm
1 1170
k
k
t
td
d
=⇒= = mm
0,1 .0,1 1800.0,1 180
b
bD
D
=⇒= = = mm
(Tra bảng 2.9 trang 53, [4] )
Trong đó
d
k
: đường kính cơ cấu khuấy