بخشی از مقاله
چکیده -
بایودیزل یک نوع سوخت غیرسمی، ایمن، تجدیدپذیر و تجزیهپذیر است که از منابع طبیعی نظیر روغنهای گیاهی، روغن پسماند غذایی، چربی حیوانات و جلبکها بهدست میآید. نتیجههای مثبت بهکار بردن زیستدیزل در کاهش آلودگی هوا از سوی سازمانهای معتبر جهانی تأیید شده است. از آنجایی که قیمت بایودیزل تولید شده از روغنهای گیاهی خوراکی بسیار بالاست لذا روغنهای پسماند و غیر خوراکی به عنوان پتانسیلی با هزینه پایین برای تولید بایودیزل ترجیح داده میشوند.
در این مقاله تولید بایودیزل از پسماند روغنها با استفاده از روش استریفیکاسیون و توسط نرم افزار هایسیس مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج این مقاله حاکی از آن است که افزایش دما، دبی جریان ورودی و فشار منجر به افزایش تولید بایودیزل میشود همچنین تولید بایودیزل از اولئیک اسید نسبت به تولید بایودیزل از تریولین از نظر اقتصادی مقرون به صرفه میباشد.
-1 مقدمه
استفاده روز افزون از سوختهای فسیلی، افزایش قیمت محصولات نفتی و کاهش ذخایر موجود، محققان را برای یافتن منابع جدید انرژی غیر نفتی وادار کرده است. در حال حاضر میزان تقریبی حجم ذخایر نفتی جهان به اندازهای است که چنانچه روند تکیه بر سوختهای فسیلی ادامه یابد در آینده نزدیک، جهان با مشکلات زیادی در خصوص زیست محیط و کمبود مواد اولیه روبه رو خواهد بود.
-1-1 تاریخچه استفاده از بایودیزل
سابقه استفاده از بایودیزل در موتور دیزل به ساخت اولین موتورهای دیزل بازمیگردد. در واقع رودلف دیزل مخترع موتور دیزل برای اولین بار از روغن بادام برای بهکار انداختن موتور دیزل خود استفاده نمود که این را می توان اولین استفاده از بایودیزل در موتور دیزل نام برد. همینطور شرکت فرانسوی اتو از روغن بادام درنمایشگاه جهانی پاریس در سال 1990 میلادی در موتور دیزل خود استفاده نمود. پس از سال1920بود که دیزل پالایشگاهی جای روغن های گیاهی را در موتورهای دیزل گرفت ولی درخلال جنگ جهانی دوم بسیاری از کشورها مجددا به روغن گیاهی بهعنوان سوخت دیزل روی آوردند. در واقع در سال 1937 در یک دانشگاه بلژیک روشی برای الکلیزه نمودن روغن گیاهی و تولید سوخت بایودیزل ارائه شد و این را میتوان اولین تولید بایودیزل نام برد.
نام بایودیزل اولین بار در آمریکا در سال 1992 به وسیلهی مؤسسهی ملی بایودیزل تعیین شد و این مؤسسه پیشقدم در تجاری کردن بایودیزل در آمریکا شد. از زمانی که روغن سویا سهم عمده ای از روغن تولیدی در آمریکا را تشکیل داد توجه به این روغن به عنوان ماده اولیه برای تولید بایودیزل گسترش پیدا کرد
بایودیزل عبارت است از ترکیب استرهای مونوالکیلی زنجیره بلند اسیدهای چرب که حاصل از واکنش یک الکل با مواد لیپیدی تجدیدپذیر میباشد. براساس نتایج دپارتمان انرژی ایالات متحده آمریکا مزایای بایودیزل را می توان این گونه بیان کرد:
-1 تجدیدپذیر بودن منابع تولید آن،
-2 تولید دی اکسید کربن کمتربه میزان 78درصد نسبت به سوخت های فسیلی معمول،
-3 بایودیزل بر خلاف سوختهای فسیلی، آلودگی گوگرد و سولفات ندارد زیرا این ترکیبات منجر به بارانهای اسیدی میشوند
-4 از نشر آلودگیهای هیدروکربنی به میزان 56درصد میکاهد
-5 روانکاری بالاتر در موتور داشته که باعث دوام بیشتر قطعات موتور میشود
-6 حدود 94درصدعوامل سرطان زا را کمتر به هوا وارد میکند
-7 مونواکسید و ذرات دوده کمتری در هنگام سوختن تولید میکند.
بایودیزل - متیل استر - یک مایع روشن تا زرد تیره است که عملاً غیرقابل امتزاج با آب بوده و نقطه جوش بالا و فشار بخار پایین دارد. نقطه فلش آن حدود 150 درجهی سانتیگراد است که آن را سوختی نسبتاً غیرقابل اشتعال و بسیار ایمنتر از دیزل میکند. بایودیزل میتواند با سوخت دیزل معمولی، با هر نسبتی حتی در مقادیر بسیار کم - که سبب کاهش انتشارات و روانی بهتر موتور شده - مخلوط شود. بررسیها نشان میدهد که حدود یک درصد بایودیزل، باعث افزایش روان شدگی تا 65 درصد میشود.
روانی بهتر به معنای سایش کمتر موتور بوده که در نهایت هزینه تعمیر و نگهداری دیزل را کاهش میدهد. همچنین اگر میزان بایودیزل را به 20 درصد برسانیم، آنگاه عدد »ستان« تا حدود سه واحد بهبود پیدا میکند. »عدد ستان« برای دیزل - بایودیزل - مفهومی همانند »عدد اکتان« برای بنزین دارد. این عدد معیار اندازه گیری برای نشان دادن زمان احتراق سوخت در موتورهای دیزل است. به هر حال طی 15 میلیون تست میدانی انجام شده، مصرف بایودیزل به لحاظ قدرت اسب بخار خواصی همچون سوختهای دیزل معمولی را نشان داده است.[3]
فرآیندهای تولید بایودیزل
فرآیندهای تولید بایودیزل بهخوبی شناخته شدهاند. برای تولید بایودیزل معمولی از روغنها و چربیها سه مسیر اساسی وجود دارد:
-1-2-1 ترانس استریفیکیشن کاتالیست بازی روغن. -2-2-1 ترانس استریفیکیشن مستقیم اسیدی روغن.
-3-2-1 تبدیل روغن به اسیدهای چرب آن و سپس به بایودیزل.
بیشتر بایودیزل تولیدی امروزه به چندین دلیل زیر توسط واکنش باز کاتالیستی تولید میشود.
-1دما و فشار این واکنش پایین است.
-2دارای بازدهی تبدیل بالا - 98 درصد - با حداقل واکنشهای جانبی و زمان واکنش است.
-3این واکنش یک تبدیل مستقیم به بایودیزل بدون اجزاء و مواد واسطه است.
-4 هیچ مادهی اضافی برای تولید مورد نیاز نیست4]و.[5 بایودیزل را میتوان از روغنهای گیاهی تازه و یا مستعمل و چربی حیوانات تولید کرد، روغن های گیاهی میتوانند برای تولید ترکیبات شیمیایی که استر خوانده میشوند با یکالکل - معمولاً متانول - ترکیب شوند. زمانیکه این استرها به منظور سوخت مورد استفاده قرار میگیرند، بایودیزل خوانده شوند. گلیسیرول - که در داروسازی و تولید لوازم آرایش نیز مورد استفاده قرار میگیرد - به عنوان یک محصول فرعی بایودیزل طی فرایندی با نام ترانس استریفیکیشن تولید میشود.
در این فرآیند ابتدا روغن گیاهی - یا چربی حیوانی - از فیلتر عبور داده میشود، سپس برای از بین بردن اسیدهای چرب آزاد، با قلیا واکنش میدهند؛ بعد با یکالکل - معمولاً متانول - و یک کاتالیزور ترکیب میشود. تری گلیسریدهای روغن برای تشکیل استرها و گلیسرول واکنش شیمیایی انجام میدهندو بعداً از یکدیگر جدا شده و مورد تصفیه قرار میگیرند . بیشتر تمایلاتی که امروز برای تولید بایودیزل وجود دارد ناشی از ظرفیت بسیار بالای تولید سویا، تولیدات مازاد و کاهش قیمت ها است. متیل سویات، که از واکنش متانول با روغن سویا حاصل می شود، اصلیترین شکل بایودیزل در آمریکاست.
چربیهای بلااستفاده حیوانی و روغن سوخته - که بهعنوان شبه گریس شناخته میشوند - نیز منابع و ذخایر خوبی هستند. این منابع از روغن سویا ارزان ترند و به عنوان راهی برای کاهش هزینه های تامین مواد اولیه در نظر گرفته میشوند. بادام زمینی، پنبه دانه، گل آفتاب گردان و کنولا - گونه ای از دانه شلغم روغنی - نیز از منابع روغنی دیگرند
-3-1 پیشینه های انجام شده در زمینه ی تولید بایودیزل از پسماند روغن ها:
فریده عتابی و مریم اژدرزاده - [6] - 1390، تولید بایودیزل از پسماند روغنهای خوراکی را بررسی کردند. در این مقاله پس از بررسی انواع روشهای تولید بایودیزل، استانداردها، مزایا و معایب و بررسی جنبه های فنی، اقتصادی و زیست محیطی آن، تولید بایودیزل از پسماند روغنهای خوراکی مورد تایید قرار گرفت. نتایج این مطالعه نشان میدهد که ترانس استریفیکیشن مناسب-ترین روش جهت استفاده از روغن های گیاهی به منظور تولید بایودیزل میباشد.
راکیب یودین و همکاران - [8] - 2012، تولید بایودیزل از پسماند روغنهای مورد استفاده برای آشپزی را مورد بررسی قرار دادند، در این مقاله بایودیزل با استفاده از روغن هدررفته ی پختن - WCO - به روش سه مرحلهای سنتز شد و تجزیه و تحلیل های رگرسیون انجام شد. روغن خام حاوی 1/9درصد چربی آزاد اسید چرب - FFA - و ویسکوزیته 47/6میلی متر مربع بر ثانیه بود. روش ترانس استریفیکیشن عملکرد پایینتر از روش سه مرحلهای داشت. در روش سه مرحلهای، مرحلهی اول صابونی کردن روغن است و سپس اسیدی شدن برای تولید FFA و در نهایت استریفیکیشن FFA برای تولید بایودیزل است.
در واکنش صابونی شدن، پارامترهای مختلف واکنش مانند نسبت مولی روغن به سدیم هیدروکسید و زمان واکنش بهینه سازی شد و نسبت مولی روغن به سدیم هیدروکسید1:2 بود، در واکنش استریفیکیشن، پارامترهای واکنش مانند نسبت مولی متانول به FFA، غلظت کاتالیست و دمای واکنش بهینه شدند. ژل سیلیکا در واکنش استریفیکیشن برای جذب آب تولید شده در واکنش استفاده شد. از این رو سرعت واکنش افزایش یافت و در نهایت FFA به 0/52 درصد وزنی کاهش یافت. در نهایت خواص مختلف بایودیزل مانند FFA، ویسکوزیته، وزن مخصوص، شاخص عدد ستان، نقطهی فلش اندازه گیری شد و با استاندارد بایودیزل و پترودیزل مقایسه شد. بازده واکنش مورد نظر 79درصد بود.
وانودیا اسری کاونتار و همکاران [9] - 2013 - ، تولید بایودیزل از پسماند روغنهای آشپزی را بررسی کردند. این تحقیق با هدف بررسی واکنش سینیتیکی ترانس استریفیکیشن تبدیل روغن پخت و پز شده به بایودیزل و تعیین شرایط مطلوب فرایند آن انجام شده است. در این مقاله واکنش ترانس استریفیکیشن در راکتور ناپیوسته مورد بررسی قرار گرفت. متانول به عنوان یک واکنش دهنده مورد استفاده قرار گرفته و KOH به عنوان یک کاتالیزور پایه استفاده شده است.
پارامترهای مطالعه عبارت بودند از دما، نسبت مولی الکل به روغن و غلظت کاتالیزور. چندین نوع آنالیز شامل تجزیه و تحلیل تجزیه و تحلیل کل گلیسرول، تجزیه و تحلیل اسید چرب آزاد - FFA - و آنالیز صابونی شدن انجام شد. این تجزیه و تحلیل ها برای محاسبه میزان تبدیل و مقدار استر از نمونه بایودیزل استفاده شد. شرایط بهینه - مقدار استر 92/76درصد - از تولید بایودیزل در دمای 66/5 درجه سانتیگراد، نسبت مولی متانول به روغن 1 :6/18 و غلظت KOH یک درصد وزنی به دست آمده است.
در این مقاله تاثیر فشار، دما، دبی جریان پسماند روغن و نسبت مولی تریولین به اولئیک اسید در میزان تولید بایودیزل بررسی شده است.
-2 معرفی واحد و شبیه سازی فرآیند
-1-2 معرفی واحد فرآیند شبیه سازی واحد فرآیندی در این مقاله در شکل 1 نشان داده شده است.
شرح فرآیند:
پسماند روغن - 1000Kg/hr - با پمپ P-1 به یک مبدل گرمایی پمپ میشود. پسماند روغن بعد از کاهش فشار در شیرV-1برای برطرف شدن رطوبت از روغن، گرم شده و داخل مخزن F-1 تحت عملیات فلش قرار می گیرد. فشار دریافتی ازP-1 و گرمای دریافتی ازE-1 برای رسیدن به درجات مختلف از خشک کردن پسماند روغن تنظیم میشوند. رطوبت برطرف شده با جریان 05 مخزن فلش را ترک میکند.
روغن فاقد رطوبت تا 60 درجهی سانتیگراد با مبدل گرماییE-2 خنک شده و با پمپ P-2 به M-1 پمپ میشود جاییکه با متانول حاوی کاتالیزور سولفوریک اسید - 30Kg/hr - ترکیب شده و با پمپP-3 پمپ میشود. خروجی میکسر به راکتور استریفیکیشن - R-1 - با پمپ 4 P-پمپ میشود. فشار دریافتی P-4 برای نگه داشتن متانول در فاز مایع در راکتورتنظیم میشود در زمانی که دمای عملیاتی بالاتر از نقطه جوش نرمال باشد. خروجی راکتور استریفیکیشن از طریق شیرV-2 کاهش فشار داشته و خروجی راکتور حاوی بایودیزل خواهد بود.
-1-2 شرایط خوراک خوراک ورودی - پسماندروغن - حاوی90 درصدتریولین و 5 درصدFFA و 5درصد رطوبت همچنین میزان دبی جرمی پسماند روغن - - 1000Kg/hr میباشد.
محتوای رطوبت در خوراک به صورت زیر بیان شده است:
نسبت مولی متانول به پسماند روغن خوراک فاقد رطوبت به صورت زیر مشخص شده است:
-2-2 اجزای سازنده
تریولین برای مدل تریگلیسیریدها، اولئیک اسید برای مدل FFA در پسماند روغن، متیل اولئیک اسید برای مدل استر متیل اسید
