Phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) là một phương pháp thống kê sử dụng các dữ liệu định lượng từ các thí nghiệm để xác định và giải thích nhiều biến phương trình. RSM khám phá các mối quan hệ giữa các biến giải thích và một hay nhiều biến phản ứng. Phương pháp này đã được giới thiệu bởi GEP Box và KB Wilson vào năm 1951.
Ý tưởng chính của RSM là sử dụng một chuỗi các thí nghiệm được thiết kế để có được một phản ứng tối ưu. Để làm điều này, Box và Wilson đã sử dụng một mô hình đa thức bậc hai. Mô hình này chỉ là xấp xỉ, nhưng lại tương đối dễ dàng áp dụng.
2.7.1 Công dụng của RSM
- Xác định các mức yếu tố làm thỏa mãn đồng thời các thông số kỹ thuật mong muốn.
- Kết hợp tối ưu hóa cho các yếu tố để cho ra kết quả mong muốn đạt được và mô tả kết quả tối ưu đó.
- Cho ra một kết quả đặc trưng khi nó bị ảnh hưởng bởi những sự thay đổi của các mức yếu tố vượt quá mức đang quan tâm.
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Nguyễn Văn Đạt 24 SVTH: Trần Quang Thanh - Đạt được một sự hiểu biết về định lượng của hệ thống xử lý vượt quá
vùng thử nghiệm. Sản xuất các sản phẩm đặc trưng trong vùng, ngay cả khi kết hợp với các yếu tố không chạy.
- Tìm ra các điều kiện cho một quá trình ổn định bằng dấu hiệu vô tình 2.7.2 Ƣu, nhƣợc điểm của RSM
a. Một số ưu điểm của RSM
- Mang tính thực tế vì số liệu được lấy từ thực nghiệm.
- Có thể áp dụng cho bất kỳ hệ thống nào có biến đầu vào và mục tiêu đầu ra.
- Đánh giá được tác động của các yếu tố ảnh hưởng.
- Thực hiện dễ dàng và nhanh chóng.
b. Nhược điểm
- Chỉ mang tính gần đúng.
- Phạm vi tác dụng bị giới hạn, mặt đáp ứng sẽ không có giá trị đối với những vùng khác ngoài dải yếu tố đang nghiên cứu.
- RSM thiếu việc sử dụng các nguyên tắc thống kê.
2.8 Hiệu suất phản ứng transester hóa xúc tác base
2.8.1 Xác định hiệu suất phản ứng transester hóa xúc tác base
Khối lượng mol trung bình của dầu Jatropha được tính theo công thức sau:
Khối lượng mol trung bình của acid béo được tính như sau:
Trong đó, mi là phần trăm khối lượng của acid béo có khối lượng mol phân tử Mi trong mẫu.
Khi đó hiệu xuất phản ứng được tính theo công thức sau:
m 100 H m
LT TT
JME , với mLT =M JME3ndầu.
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Nguyễn Văn Đạt 25 SVTH: Trần Quang Thanh 2.8.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng transester hóa
2.8.2.1 Nhiệt độ phản ứng
Đây là loại phản ứng thu nhiệt nên nhiệt độ phản ứng tăng thì tốc độ phản ứng tăng, dẫn đến hiệu suất phản ứng tăng. Tuy nhiên, khi thực hiện phản ứng ở điều kiện áp suất thường thì nhiệt độ phản ứng không nên vượt quá nhiệt độ sôi của methanol.
2.8.2.2 Thời gian phản ứng
Thời gian phản ứng ở một giai đoạn nhất định tăng thì hiệu suất phản ứng tăng. Tuy nhiên, vì đây là một phản ứng thuận nghịch nên đến một lúc nào đó, phản ứng sẽ đạt cân bằng. Nếu tiếp tục tăng thời gian phản ứng sẽ làm giảm hiệu suất do nhiều nguyên nhân khác nhau, nhưng chủ yếu có thể là do thời gian phản ứng quá lâu sinh ra những sản phẩm không mong muốn là giảm hoạt tính xúc tác, hoặc do sự gia tăng phản ứng xà phòng hóa (trong trường hợp sử dụng xúc tác kiềm) dẫn đến giảm hiệu suất phản ứng và khả năng phân tách sản phẩm.
2.8.2.3 Tỉ lệ methanol/dầu
Methanol là alcohol được dùng phổ biến trong sản xuất biodiesel. Các alcohol khác cũng được dùng như là ethanol, propanol, isopropanol và butanol.
Ethanol thì đặc biệt được quan tâm ở một số nơi vì nó rẻ hơn methanol như Brasil và biodiesel được làm từ ethanol thì hoàn toàn sinh học vì ethanol cũng được điều chế từ các nguyên liệu sinh học.
Ethanol thì cho phản ứng transester hóa chậm hơn methanol bởi anion methoxide có hoạt tính cao hơn anion ethoxide.
Điều kiện thông thường khi dùng butanol sản xuất biodiesel là theo tỷ lệ mol 6:1 của butanol với dầu, nhiệt độ 114oC, 600 rpm, trong 1giờ để tạo thành butyl ester và glycerine. Butanol thì tan hoàn toàn trong dầu bởi nó ít phân cực hơn methanol và ethanol. Vì thế phản ứng transester hóa được thực hiện trong một pha duy nhất. Do đó phản ứng xảy ra nhanh hơn nhưng lại có hiệu suất thấp hơn so với methanol bởi vì phản ứng trong một pha dẫn đến khả năng glycerine tạo thành có thể phản ứng ngược trở lại với butyl ester vừa hình thành.
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Nguyễn Văn Đạt 26 SVTH: Trần Quang Thanh Theo lý thuyết thì 1 mol dầu chỉ cần 3 mol alcohol. Tuy nhiên, khi tăng tỉ
lệ mol methanol thì hiệu suất phản ứng tăng.
2.8.2.4 Lƣợng xúc tác
Sự gia tăng xúc tác sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng. Vì vậy, ta cần khảo sát tìm tỉ lệ giữa xúc tác và dầu cho hợp lý đối với mỗi loại xúc tác.
2.8.2.5 Tốc độ khuấy trộn
Phản ứng chuyển hóa ester dầu thực vật với alcohol mạch ngắn là hỗn hợp phản ứng hai pha. Sự hòa trộn các pha rất khó khăn. Vì vậy, tốc độ khuấy phải lớn để tăng hiệu suất phản ứng. Ở một số nước người ta sử dụng tetrahydrofurane (THF) trong hỗn hợp phản ứng. Lúc này tốc độ khuấy không ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng nữa. Tuy nhiên, giá thành của THF tương đối cao. Ngoài ra, thành phần bản chất và cấu trúc của xúc tác cũng đóng một vai trò quan trọng đến hiệu suất của phản ứng.
2.8.2.6 Hàm lƣợng acid béo tự do (FFA)
Nếu nguồn nguyên liệu có chứa một tỉ lệ đáng kể hàm lượng acid béo tự do (FFA) (≥ 3%) thì các loại xúc tác đồng thể như sodium hoặc potassium hydroxide hoặc methoxide sẽ không đạt được hiệu quả như mong muốn bởi có phản ứng phụ trong đó các chất xúc tác sẽ phản ứng với FFA tạo thành xà phòng và nước (hoặc methanol trong trường hợp dùng sodium methoxide).
Kết quả là tạo thành một hỗn hợp không mong muốn gồm FFA, TAG chưa phản ứng, DAG, MAG, biodiesel, glycerine, nước và methanol.
Trong thực tế phản ứng transester hóa bằng xúc tác base sẽ không xảy ra hoặc hiệu suất rất thấp nếu hàm lượng FFA ≥ 3%. Một vấn đề quan trọng khi hàm lượng FFA cao là sự tạo thành nước khi FFA tác dụng với chất xúc tác, sự hiện diện của nước trong dầu sẽ làm thủy phân biodiesel tạo thành FFA và alcohol tương ứng.
2.8.2.7 Hàm lượng nước
Phản ứng ester hóa và phản ứng transester hóa đều là những phản ứng cân bằng và nước là một trong những yếu tố ảnh hưởng bất lợi đến sự dịch chuyển cân bằng của các phản ứng này.