بخشی از مقاله
طراحی و بهینه سازي فرآیند تولید بیودیزل از پسماندهاي صنایع غذایی
چکیده
در این تحقیق با استفاده از روش طراحی مفهومی و بکارگیري الگوریتمهاي ارائه شـده توسـط (1988) Douglas و Malone (1985) بــه طراحــی فرآینــدهاي بهینــه تولیــد بیــودیزل از پسماندهاي صنایع غذایی پرداختـه شـد. بـراي بررسـی تـاثیر متغیرهاي طراحی بر عملکرد کل فرآیند بخصوص راکتورهاي استریفیکاسیون و ترانس استریفیکاسـیون, راکتورهـاي فرآینـد مدل سازي شد. در فرآیند پیوسـته، درصـد اسـید چـرب آزاد خوراك، درصدتبدیل و نسـبت مـولی واکنشـگرها در راکتـور استریفیکاسیون, درصـدتبدیل و نسـبت مـولی واکنشـگرها در راکتور ترانس استریفیکاسیون و تناژ تولیـد بعنـوان متغیرهـاي اصلی طراحی انتخاب شدند. مقادیر بهینه این متغیرها بترتیـب %45-50 مولی, %82-89 (تـابعی از تنـاژ تولیـد), ,%96 ,11:1 8:1 بــه دســت آمـدرـد. فرآینــد ناپیوســته بــه بهینــه ســازي پارامترهــایی نظیــر زمــان گــردش (Cycle Time)، میــزان کاربري (Utilization) تجهیـزات، میـزان ادغـام (Merging) و تفکیک (Splitting) تجهیزات فرآیند، تعداد مسیرهاي مـوازي، نحوه ترکیب تجهیزات پیوسته و ناپیوسته و موقعیـت مخـازن میانی در فرآیند پرداخته شـد. زمـان گـردش بهینـه درحـدود 3/257 ساعت به ازاي هر دوره تولید (Batch) تعیین شـد. بـا مطالعه تاثیر تناژ تولید بر پتانسیل اقتصادي فرآیندهاي پیوسـته و ناپیوسته، فرآیند ناپیوسته براي تناژهاي تولیـد کمتـر از 260 تن بر سال و فرآیند پیوسته براي تناژهاي تولید بیشتر توصـیه میشود. در این تحقیق، با توجه به رابطه مستقیم بین پتانسـیل اقتصادي و تناژ تولید، بیشترین پتانسیل اقتصـادي در حـداکثر مقدار تولید ممکن حاصل میشود. با توجـه بـه مقـادیر بهینـه متغیر هاي طراحی، نقطـه سـر بـه سـر فرآینـدهاي پیوسـته و ناپیوسته به ترتیب در تناژهاي تولید 157 و 130 تـن در سـال واقع میشود.
مقدمه
بر اساس استاندارد ASTM، بیودیزل عبارت اسـت از ترکیـب استرهاي مونوالکیلی زنجیره بلند اسـیدهاي چـرب حاصـل از واکنش یک الکل با لیپیـدهاي تجدیدپـذیري نظیـر روغنهـاي نباتی و چربیهاي حیوانی. این ماده بواسطه دارا بودن خواص سوختی مشابه دیزل به عنوان مناسبترین جـایگزین سـوخت فسیلی در موتورهاي دیزل محسوب میشود .[1]
علاوه بر تجدیدپـذیري ایـن سـوخت بـه واسـطه دارا بـودن خواصی نظیر تجزیهپذیري بیولوژیکی، عدمسمیت و کـاهش آلایندههاي خروجی از اگزوز موتـور، توجـه محققـان عرصـه سوختهاي نوین را به خود جلب کردهسال است. از بعد این ماده به عنوان یکی از سوختهاي رایـج در کشـورهاي ایتالیا، استرالیا، آلمان و فرانسه مورد استفاده قرار گرفته اسـت.
درحال حاضر مهمترین معضـل در زمینـه تجـاريسـازي ایـن ســوخت، قیمــت بــالاي آن نســبت بــه ســوختهاي فســیلی است. Zhang و همکاران (2002) قیمت بیودیزل را درحـدود 3-5 برابر پترودیزل گزارش کرده اند که در حـدود 75 -%90 از این هزینهها به مواد اولیه مورد استفاده در فرآینـد تولیـد آن مربوط میشود .[2] لذا از مناسـبتـرین راهکارهـاي کـاهش هزینههاي تولید این ماده میتوان بـه اسـتفاده ازخـوراكهـاي ارزانتر نظیر روغنهاي پسـماند و چربـیهـاي حیـوانی اشـاره نمود. البته این خوراکها به واسـطه دارا بـودن ناخالصـیهـایی نظیـر آب و اسـیدهاي چـرب آزاد موجــب پیچیـدگی بیشـتر فرآیند مورد نیاز میشود. لذا استفاده از این خوراكها نیازمنـد بهینهسازي اقتصادي و عملیاتی فرآیند است.
مطالعات وسیعی در زمینه مباحـث اقتصـادي تولیـد بیـودیزل صورتنمونهپذیرفته است. براي Zhang و همکاران (2003) چهـار نـوع از فرآینـدهاي محتمـل جهــت تولیـد بیـودیزل از خوراکهاي خام و پسماند را شبیه سازي کردهاند. همچنـین بـا استفاده از متدهاي آنالیز حساسیت، سودآورترین فرآیند ممکن و تاثیر پارامترهایی نظیر قیمت خوراك، قیمـت محصـولات و تناژ تولید را بر اقتصاد فرآیند بررسی کردهاند .[1] بـر اسـاس نتایج حاصل، تولید بیودیزل از خوراكهاي پسماند با اسـتفاده از متد ترانساستریفیکاسیون پس از حالت خوراکهاي خـام بـا روش ترانساستریفیکاسیون، اقتصاديترین فرآیند تعیین شد.
دراین تحقیق تناژ تولیدي برابر با 8000 تن بـر سـال انتخـاب شده و از خوراکی با %6 وزنی اسید چرب آزاد اسـتفاده شـده است. همچنـین Tapasvi و همکـاران (2004) بـا ارائـه مـدل بسیار سادهاي از فرآیند تولید بیودیزل، به بررسی امکانپذیري اقتصادي تولید بیودیزل از خوراكهاي مختلـف نظیـر روغـن سویا و روغن کلزا پرداختند. مدل ارائه شده تنهـا در بردارنـده معادلات بقاي جرم و انرژي بـوده و از تخمـین مشخصـات و هزینه تجهیزات مـورد اسـتفاده صـرفنظـر شـده اسـت .[3]
Canakci و همکاران (2003) با سـاخت پـایلوت 190 لیتـري تولید بیودیزل از خوراکهایی با درصد بالاي اسید چـرب آزاد، به مطالعه امکان پذیري عملیاتی و اقتصادي تولید بیـودیزل از این دسته از مواد پرداختهاند .[4] خوراكهاي مورد استفاده از نوع گریسهاي زرد و قهوهاي بوده و بترتیب حاوي 9 و %40 وزنی اسید چـرب آزاد اسـت. بـر اسـاس نتـایج حاصـل، بـا صـرفنظر از هزینـههـاي عملیـاتی و سـود حاصـل از فـروش محصول جانبی ارزشمند گلیسیرین، هزینـه تولیـد بیـودیزل از روغنخام ، گریس زرد و گریس قهوهاي بـه ترتیـب 0/418 ، 0/317 و 0/241 دلار بـر لیتـر تعیـین شـد. بنـابر ایـن نتـایج ملاحظه میشود کـه اسـتفاده از گریسـهاي زرد و قهـوه اي از لحاظ اقتصادي توجیهپذیر است. البته در این تحقیق هیچگونه بهینهسازي در شرایط عملیاتی صورت نپذیرفته است.
با توجه به تحقیقات انجـام شـده ملاحظـه شـد کـه در کلیـه تحقیقـات قبلـی، شـرایط عملیـاتی فرآینـد دقیقــاً مطـابق بـا دستورالعمل توصیه شده توسط شیمیدانها فرض شده اسـت.
این شـرایط در مقیـاس آزمایشـگاهی قابـل اعتمـاد اسـتدر. مقیاس صنعتی به واسطه وجود پارامتر مهمی بـه نـام اقتصـاد، نیاز است تـا بـا در نظرگـرفتن هزینـههـاي سـرمایه گـذاري، عملیاتی و قوانین طراحـی بـه بهینـه سـازي عملکـرد فرآینـد پرداخته شود. همچنین در هیچ یک از این مطالعات به بررسی عملکرد بهینه واحدهاي عملیاتی و استفاده بهینه از تجهیـزات پرداخته نشده است. لذا ملاحظه میشـود کـه فرآینـد نیازمنـد بهینه سازي شرایط عملیاتی و عملکردي تجهیـزات اسـتاز.
مهمترین پارامترهایی که در فرآیند ناپیوسته مورد بحث نیازمند بهینهسازي هستند، میتوان به درصد تبدیل راکتورهـا، نسـبت مولی مواد واکنشگر در راکتورهاي فرآیند، تناژ تولیـد فرآینـد، نحوه زمانبندي مراحل تولید، میزان کاربري تجهیزات ، درصد اسیدهاي چرب آزاد خوراك، نحوه ترکیب تجهیزات پیوسته و ناپیوسته جهت سنتز فرآیند، ظرفیت هر batch و غیـره اشـاره کرد. همانگونه که ملاحظـه مـیشـود مسـئله حاصـل از نـوع MINLP است.
2
طراحی فرآیند
براي سادگی بیشـتر طراحـی، مناسـب دیـده شـد تـا مراحـل طراحـی بـه دو بخـش تقسـیم شـود. در ابتـدا بـا اسـتفاده از الگـوریتم ارائـه شـده توسـط Douglasـی (1988) بـه طراحـ مفهــومی فرآینــد پیوســته و تعیــین مقــدار بهینــه تعــدادي از متغیرهاي طراحی پرداخته شود و سپس بـا کـاربرد الگـوریتم پیشــنهادي (1985) Malone و بــا اســتفاده از مقــادیر بهینــه قسمت اول به طراحی و بهینهسازي فرآینـد ناپیوسـته و سـایر متغیرهاي طراحی پرداخته میشود.[5]
در طراحی فرآیند پیوسته، پس از بررسی روشهـاي مختلـف تولید بیودیزل بواسطه ماهیت خوراکهاي مورد استفاده در ایـن تحقیق (درصد بالاي اسیدهاي چرب آزاد همراه خـوراك)، از بین روشهاي گوناگون توصیه شده جهت تولید بیودیزل نظیر ترانس استریفیکاسیون، پیرولیز، استفاده از الکل فوق بحرانی و یــا اســتفاده از ترکیبــات CoSolvent، مناســبتــرین روش، استریفیکاسیون اسید چرب آزاد در حضور کاتالیست اسیدي و سپس تـرانس استریفیکاسـیون روغـن در حضـور کاتالیسـت قلیایی تشخیص داده شد.
لذا پس از انتخاب شـماي کلـی فرآینـد، متغیرهـاي طراحـی بصورت جدول (1) انتخاب شد. همانگونه که مشاهده میشود، کلیه متغیرهاي طراحی انتخاب شده از نوع فراگیر بوده و تغییر در آنها منجر به تغییر در مشخصات کلیه واحـدهاي عملیـاتی فرآیندخواهد شد.
بــراي بررســی تــاثیر پارامترهــایی نظیــر دمــا، نســبت مــولی واکنشگرهاي ورودي به راکتور، اختلاط و زمان ماند بر میـزان درصد تبدیل و انتخاب پذیري، بـه مـدل سـازي راکتورهـاي فرآیند پرداخته شد. براي این منظور، نـرم افـزارMATLAB® مـورد اسـتفاده قـرار گرفـت. مـدلهاي سـینتیکی ارائـه شـده همکارانتوسط Tesser و 2005)و) Noureddini و همکاران (1997) در این مدلها استفاده شد 6] و.[7
جدول (1) متغیرهاي طراحی منتخب فرآیند تولید بیودیزل
بر اساس الگوریتم داگلاس به ترتیب به طراحـی سـاختارهاي ورودي- خروجی، جریانهاي برگشتی، سیستمهاي جداسـازي پرداخته شد. در این مراحل به ترتیـب بـه بررسـی و طراحـی مهمتــرین جریانهــاي فرآینــد، راکتورهــا و برجهــاي فرآینــد پرداخته شده است. براي نمونه شکلهـاي (1) و (2) بترتیـب ساختار سیستم جداسازي بخشهاي استریفیکاسـیون و تـرانس استریفیکاسیون را در مرحله طراحی ساختار کلـی سیسـتمهاي جداسازي نمایش میدهند.
مشخصات کلیه جریانها و تجهیزات انتخابی فرآیند بصـورت تابعی از متغیرهاي طراحی استخراج شد. با توجـه بـه تجزیـه پذیري گلیسیرین و بیودیزل در دماهاي 150C و 250C، دما و فشار واحدهاي عملیاتی طوري انتخاب شـد کـه از تجزیـه حرارتــی محصــولات جلــوگیري بــه عمــلاســیآیــد .[8]
سولفوریک و هیدروکسیدسدیم به عنوان کاتالیسـتهاي فرآینـد مورد استفاده قرار گرفت. مقدار مورد نیـاز ایـن کاتالیسـتهـا برابر با مقادیر بهینه توصیه شده توسـط Canakci و همکـاران (2003) انتخاب شد .[4] در طراحی برج شستشو، از معادلـه Kremser و دادههاي گزارش شده توسط Chuang و همکاران شد (2005) استفاده .[9] پتانسیل اقتصادي به عنوان تابع هدف بهینه سازي انتخاب شد. در نهایت فلوشیت حاصل از طراحی مفهومی فرآیند بصورت شکل (3) است.
3
براي حل مسـئله MINLP موجـود بـا اسـتفاده از نـرم افـزار MATLAB® برنامــهاي تهیــه شــد. در ایــن برنامــه از روش جستجوي مستقیم (Direct Search) براي یـافتن نقـاط بهینـه طراحی استفاده شد. در نهایت روند تغییرات پتانسیل اقتصادي با تغییرات تناژ تولید و درصـد اسـیدهاي چـرب بـه صـورت شکل (4) است. شرایط بهینه حاصـل از مـدل پیشـنهادي، بـه صورت جدول (2) است. نتایج حاصـل در مـورد تنـاژ تولیـد بهینه دقیقا مطـابق بـا نتـایج گـزارش شـده توسـط Zhang و همکاران (2003) است .[1] همچنین ملاحظه میشـود کـه در شرایط بهینه XFO ، خـوراك فرآینـد در محـدوده گریسـهاي قهوهاي قرار میگیرد که این نتایج مطابق با نتایج گزارش شده توسط Canakci و همکاران (2003) است کـه در قبـل اشـاره شد. این امر بیانگر این نکته است که برخلاف تصـور اسـتفاده از گریسهاي قهوهاي با وجود درصد بیشتر اسـیدهاي چـرب آزاد و پیچیدگی بیشتر فرآیند نسبت به گـریسهـاي زرد و یـا مواد خـام، داراي پتانسـیل اقتصـادي بـالاتري هسـتند در.[4]
منابع مقدار XE در مورد گریسهاي زرد و قهوهاي بـا فـرض دو مرحلهاي بودن راکتور و خارج نمودن آب تولیدي واکنش (ماده ممانعت کننده از پیشرفت تعادل) ، به ترتیـب 95 و %98 گزارش کردهاند .[4] همچنین Zhang و همکـاران 2003)در) مورد خوراکی با %6 وزنی اسـید چـرب آزاد، درصـد تبـدیلی برابر %97 گزارش کرده اند .[1] مقدار بهینـه ایـن پـارامتر بـر اساس نتایج این مدل در محدوده %82-89 میباشد کـه خـود تـابعی از تنـاژ تولیـد فرآینـد اسـت. درحالیکـه Canakci و همکاران (2003) براي گریسهاي زرد و قهوهاي مقدار MRE را به ترتیب 20:1 و 40:1 گزارش کردهاند، Zhang و همکاران (2003) براي خوراکی با %6 وزنی اسید چرب آزاد از نسـبت 6:1 استفاده کردهاند 1]و.[4 اما مشاهده میشود که در مقیـاس صنعتی و با اعمـال پـارامتر اقتصـاد، میـزان بهینـه حاصـل در محدود میانی این مقادیر واقع شده است. مقادیر گزارش شـده XT و MRT توسط Zhang و همکاران (2003) بترتیب برابـر %96 و 6:1 است .[1] اما با توجه به نتایج حاصل، مقادیر بهینه بترتیــب عبارتنــد از 96و% .8:1 همانگونــه کــه در نتــایج آزمایشگاهی گـزارش شـده توسـط Noureddini و همکـاران (1997) ملاحظه میشود جهت رسیدن به درصد تبدیلی بالاتر از %90 در راکتور یک مرحله اي، نیاز بـه یـک نسـبت مـولی بزرگتر از 6:1 میباشد .[7] البته با استفاده از یک راکتور چنـد مرحلهاي میتوان با نسبت مولی 6:1 نیز به این درصـد تبـدیل رسید که خود نیازمند یک بهینه سازي است.
جدول (2) مقادیر بهینه متغیرهاي طراحی در مدل پیشنهادي
با دقت در شکل (4) نتایج زیر حاصل میشود.
.1 در مورد خوراکی با درصد مشخص اسـیدهاي چـرب آزاد، افزایش تناژ تولید موجب افزایش پتانسیل اقتصادي فرآیند میشود.
.2 بــا افــزایش درصــد اســیدهاي چــرب آزاد خــوراك، از حساسیت پتانسیل اقتصادي فرآیند نسبت به تناژ تولید کاسـته میشود. در حالی که حساسیت پتانسیل اقتصـادي نسـبت بـه محتوي اسیدهاي چرب آزاد خوراك بیشتر میشود. ســها.3در مــورد گری Gerpen و همکــاراندرصــد((2003 اسیدهاي چرب آزاد را در محدوده %50-100 وزنـی گـزارش کردهاند .[10] با توجه به نتایج حاصل، درصـورت در اختیـار داشتن چنین خوراکهایی مناسب است تا با مخلوط کردن ایـن مواد با خوراكهایی با درصد اسید چرب آزاد کم، خوراکهایی با %20-25 وزنی %45-50) مولی) FFA ایجاد کرد. بنابر نتایج حاصل، پتانسیل اقتصادي استفاده از این خوراكهـا بصـورت تقریبی بـا پتانسـیل اقتصـادي خـوراكهـایی بـا ارزش بـالاتر (درصد کمتر اسیدهاي چرب آزاد) برابر است.
.4 تناژ تولید هیچ تاثیري بر مقدار بهینه XFO ندارد.
در کلیــه تناژهــاي تولیــد، مناســبترین خــوراك عبارتســت از خوراکی با درصد ناچیز اسیدهاي چرب آزاد. این نتیجهدقیقـاً منطبق با نتـایج بـه دسـت آمـده توسـط Zhang و همکـاران (2003) است که قبلا اشاره شد .[1]
براي اثبات وجود Trade off در همسایگی نقاط بهینه حاصـل از مدل، به بررسی رفتار پتانسیل اقتصادي در همسایگی مقادیر بهینه متغیرهاي طراحی پرداخته شد. نتایج حاصـل در شـکل- هـاي (5) -( 10) ارائـه شـده اسـت. همانگونـه کـهـه در کلیـ نمودارها مشاهده میشود نقـاط بهینـه حاصـل از مـدل دقیقـا مطابق با ماکزیمم پتانسیل اقتصادي فرآیند است. در شکلهاي (6) -(10) جهت مقایسه نتایج با مقادیر گزارش شـده توسـط Zhang و همکاران (2003) تناژ تولیدي برابر با 8000 تن بـر سـال انتخـاب شـده اسـت .[1] همانگونـه کـه در شـکل (6)
مشاهده میشود روند تغییر پتانسـیل اقتصـادي فرآینـدبا تنـاژ تولید کاملا خطـی اسـت. از مهمتـرین نتـایج حاصـل از ایـن نمودار میتوان به موقعیت نقطه سر به سـر اشـاره کـرد. ایـن نقطه در واقع طول از مبدا نمودار محسوب شده و در این تناژ تولید پتانسیل اقتصادي فرآیندصفر میشود. تناژهاي کمتر از آن منجر به ضرر میشود. بر اساس نمودار، موقعیت نقطه سر بـه سر در تناژ تولید 157 تن بر سال واقع شده است.
