بخشی از مقاله
چکیده
بیودیزل از لحاظ شیمیایی مونو آلکیل استرهای با زنجیره ی طولانی اسیدهای چرب میباشد که از مواد خام تجزیه پذیر مانند روغنهای گیاهی و چربی های حیوانی گرفته می شود. برخی چالش های فنی که تولید بیودیزل با استفاده از ترانس - استریفیکاسیون با آن مواجه است شامل زمان طولانی انجام واکنش، هزینه های بالای عملیاتی، و بازده پایین تولید می باشد. در سالهای اخیر مطالعات بر روی توسعه ی تکنولوژیهای تولید بیودیزل برای حل این مشکلات متمرکز شده اند. راکتورهای مخزنی همزندار بچ مرسوم ترین تکنولوژی های تولید در صنعت تولید بیودیزل می باشند. هدف از این مطالعه، یافتن شرایط بهینه برای تولید بیودیزل از روغن سویا در نوعی راکتور مخزنی همزن دار بچ می باشد .
برای یافتن شرایط بهینه ی تولید، آزمایشات با نسبت مولاریته ی 6:1 متانول به روغن سویای خالص و استفاده از کاتالیزور بازی هیدروکسید پتاسیم به میزان %1 وزنی روغن، در سه سطح دمایی 45، 55، 63 C، سه سطح سرعت همزنی 600، 750، و 900 دور بر دقیقه، و شش سطح زمانی به فواصل 10 دقیقه انجامشد. برای تعیین ترکیبات و درصد خلوص بیودیزل، نمونه های تولیدشده تحت آنالیز کروماتوگرافی گازی قرار گرفتند و شرایط تولیدی نمونه ی با درصد خلوص مدنظر، بعنوان شرایط بهینه ی تولید انتخاب گردید. در این کار، اختلاط مؤثری که همزن هلیسی شبهریبون انجام داد، سبب شد که فازهای نامحلول الکل و روغن بخوبی در یکدیگر حل شوند تا در مدت زمان واکنشی 20 دقیقه، دمای عملیاتی 55 C، و سرعت همزنی 750 دور بر دقیقه محصول بیودیزل با درصد خلوص بالای 95% حاصل شود.
کلمات کلیدی: بیودیزل، درصد خلوص، راکتور، شبهریبون، شرایط بهینه
مقدمه
با توجه به افزایش قیمت نفت خام و نگرانی های زیست محیطی در مورد آلودگی های ناشی از گازهای خروجی از اگزوز وسایل نقلیه و تغییرات اقلیمی ناشی از آن در جو زمین و نیز افزایش استفاده از موتورهای دیزل، بدلیل عملکرد بهتر آنها نسبت به موتورهای بنزینی، باعث شده است سوخت جایگزین بیو دیزل به فضای با اهمیت توسعه تبدیل گردد . [Marchetti et al., 2007] همچنین کمبود ذخایر نفت خام و قوانین سختگیرانه برای خروجی های اگزوز وسایل نقلیه، لزوم ایجاد سوخت های فسیلی با آلودگی کمتر و دسترس ی آسان به سوخت های تجدید پذیر جهت استفاده در موتورهای احتراق داخلی را بیش از پیش نمایان م یسازد.
بیودیزل از لحاظ شیمیایی مونو آلکیل استرهای با زنجیرهی طولانی اسیدهای چرب است که از مواد خام تجزیه پذیر مانند روغن های گیاهی و چربیهای حیوانی گرفته میشود و ویسکوزیتهای برابر 0/88 دارد که نزدیک به ویسکوزیته ی سوخت دیزل میباشد Sahoo] .[and Das, 2009عمدهترین روش تولید بیودیزل، روش ترانس استریفیکاسیون می باشد که در آن از لحاظ نسبت استکیومتری سه مول متانول با یک مول تری گلیسیرید در حضور کاتالیزور وارد واکنش می شوند و سه مونو متیلاستر - بیودیزل - به همراه یک مول گلیسیرین - بعنوان محصول جانبی - تولید میشود .[Van Gerpen et al., 2003]
ولی برای انجام بهتر واکنش از نسبت های مولاریتهی بالاتری استفاده می شود که مرسوم ترین آن 6:1 میباشد. در صنعت حتی نسبتهای 10:1 و 12:1 نیز گزارش شده اند .[Freedman et al., 1986] از میان روشهای مختلف ترانس - استریفیکاسیون، روش کاتالیزوری بازی مرسوم ترین و اقتصادی ترین روش مورد توجه است . در صورتیکه روش کاتالیزوری اسیدی اغلب بعنوان یک فرایند پیش تیمار - استریفیکاسیون - برای مواد خام با درصد بالای اسید چرب مورد استفاده قرار میگیرد .[Crabbe et al., 2001]جزئیات واکنش تری گلیسیرید با متانول به این صورت است که این فرآیند یک واکنش سه مرحله ای برگشتپذیر است که ابتدا در مرحله ی اول، متانول با تری گلیسیرید واکنش داده و دی گلیسیرید را تولید می کند و بدنبال آن واکنش دیگلیسیرید با متانول منجر به تولید مونوگلیسیرید می شود و در نهایت با واکنش م ونوگلیسیرید با متانول گلیسیرین تولید میشود.
در هر یک از مراحل اشاره شده یک مول متیل استر اسید چرب - بیودیزل - تولید میشود .[Freedman et al., 1986] بنابراین کل واکنش میتواند در معادلهی زیر خلاصه شود :[Busto et al., 2006]
معادله : - 1-2 - 3 FAME + Glycerol catalyst TG + 3 MeOH هریک از این واکنش ها با ثابت سرعت واکنش - kn - متفاوتی در هر دو مسیر رفت و برگشت پیشروی می کنند. همهی و اکنشها بعنوان واکنش های مرتبه ی دوم یا مرتبه ی دوم کاذب شناخته می شوند Freedman et al.,] .[1986 اولین واکنش در مقایسه با واکنش دوم یا سوم با سرعت آرامتری پیش می رود. دلیل این امر شکل گیری دیگلیسیرید و محدودیت های انتقال جرمی است که با انحلال ناپذیر بودن ترکیب روغن والکل تحمیل می شود[Darnoco and Cheryan, 2000, Vicente et al., 2006].
واکنش دوم سریعترین رژیم واکنشی را دارد زیرامتیلاسترهای تولید شده در مرحله ی اول نقش کمک حلالی را ایفا کرده و باعث ایجاد فاز همگن میشوند که باهمگنسازی فازی میزان برخورد بین مولکولهای متانول و روغن افزایش یافته و سرعت واکنش بالا می رود[Vicente et al., 2006]. بر خلاف دو مرحلهی اول، واکنش سوم بدلیل مقادیر کم مواد واکنش دهنده تمایل به پیشروی در جهت برگشت را دارد .[Chiu, 2005]فاکتورهای مهمی که بر سینتیک واکنش اثر می گذارند شامل: مقدار و نوع کاتالیزور، نسبت مولاریته الکل به تری - گلیسیرید، نوع الکل ، دمای واکنش، محتوای اسیدهای چر ب آزاد در ماده ی خام، محتوای آب ماده ی خام اولیه ، شدت همزنی ، نوع روغن استفاده شده ، و زمان واکنش میباشد Canakci and Van Gerpen, 1999, ] .[Shimada et al., 1999 , Sivasamy et al., 2009, Ma and Hanna 1999, Fukuda et al., 2001, در این مطالعه با تمرکز بر شدت همز نی، دمای واکنش، و مدت زمان انجام واکنش، سعی بر آن شد تا شرایط بهینه ی تولید بیودیزل در راکتور مخزنی همزندار بچ بدست آمده و با راکتورهای مشابه مقایسه گردد.
مواد و روشها
آزمایشات برای تعیین حالت بهینه ی تولید برنامهریزی شدند. کل آزمایشات با نسبت مولاریتهی بهینهی 6:1 الکل به روغن و کاتالیزور KOH به میزان %1 وزنی روغن صورت پذیرفت . هدف، یافتن دما، سرعت همزنی، و زمان بهینهی تولید بود. بنابراین آزمایشات بر مبنای دو فاکتور متغیر دما و سرعت همزنی هر کدام در سه سطح، و زمان واکنش در 6 سطح، پی ریزی شدند. روغن مورد استفاده، روغن سویای خالص به چگالی 0/92 g/cm3 و به میزان 6 کیلوگرم 6/5 - لیتر - در هر آزمایش بود . در روغن خالص تازه بدلیل وجود مقادیر ناچیز اسیدهای چرب آزاد - FFAs - و آب نیاز به عملیات پیش تیمار نیست. وجود آب باعث تولید صابون و کاهش راندمان واکنش می شود و مراحل بعدی تولید بیودیزل مانند جداسازی فازی را با مشکل مواجه می کند.
در روغن خالص تازه بدلیل وجود مقادیر ناچیز اسیدهای چرب آزاد و آب نیاز به عملیات پیش تیمار نیست. الکل بکار رفته نیز متانول بوده و طبق محاسبات برای هر آزمایش به میزان 1/65 لیتر بکار برده شد. فرض بر این بود که روغن سویای خالص، تریولین محض است . بنابراین وزن مولکولی آن 889/46 g/mol در نظر گرفته شد. کاتالیزور هیدروکسیدپتاسیم نیز به مقدار 60 گرم استفاده گردید . ابتدا هیدروکسیدپتاسیم داخل متانول هم زده شد و محلول متانول / هیدروکسید-پتاسیم داغ بدست آمد. همزمان با آماده سازی محلول متانول KOH/، روغن ریخته شده در داخل راکتور حرارت دادهشد تا به دمای از پیش تعیین شده برسد.
سپس محلول الکل/کاتالیزور به داخل راکتور اضافه گردید و همزنی با سرعت از پیش تعیین شده آغاز گردید . واکنش ترانساستریفیکاسیون با مقادیر یکسان مواد اولیه با تغییر دما در سه سطح 45 ، 55 ، و 63 درجهی سانتیگراد و نیز تغییر سرعت همزنی در سه سطح 600، 750، و 900 دور بر دقیقه انجام پذیرفت . در مجموع 9 آزمایش برای یافتن شرایط بهینه انجام پذیرفت و با لحاظ 6 نمونه برای هر آزمایش، که با فواصل زمانی 10 دقیقه از راکتور استخراج و در لوله های فالکون 50cc جمعآوری شدند، در مجموع 54 نمونهی آزمایشی برای یافتن شرایط بهینه ی تولید از راکتور استخراج گردید. پس از یک ساعت، همزنی متوقف گردید.
نمونهها در مکان ثابتی قرار داده شدند تا اینکه جداسازی فازی بین محصولات بیودیزل و گلیسیرین صورت پذیرد. نمونههای بیودیزل تولیدی برای پس از تخلیص و آبشویی برای تعیین ترکیبات درونشان و بدستآوردن درصد تبدیل تری گلیسیریدها به متیل استرها، تحت آنالیزکروماتوگرافی گازی - - GC قرار گرفتند تا مطلوبترین شرایط تولید تعیین گردد . آنالیزکروماتوگرافیگازی در آزمایشگاه شیمی تجزیه دانشگاه ارومیه انجام شد . درصد متیلاسترها با استفاده از فرمول زیر محاسبهشد.
نتایج و بحث
مقایسهی آنالیز GC ی 54 نمونهی مستخرج از راکتور نشان داد که نمونه ی مستخرج از راکتور تحت دمای 55 C، سرعت همزنی 750rpm، و مدت زمان واکنش 20 دقیقه، تبدیل مدنظر و تولید بیودیزل با درصد خلوص 95% که مطابق با استانداردهاست را حاصل نموده و نیاز به مدت زمان بیشتر واکنشی و نیز دما و سرعت همزنی بالاتر را از بین برد . در مدت زمان بیش از 20 دقیقه تغییر محسوسی در میزان محصول حاصل نشد - نمودار. - 1 تحت دما و سرعت همزنی بالاتر نیز علاوه بر این که تغییر محسوسی در میزان محصول نداشتیم، حتی در برخی موارد نیز شاهد کاهش محصول بودیم.
