بخشی از مقاله
چکیده
بیودیزل بعنوان یک منبع سوختی جایگزین و تجدیدپذیر، می تواند با بکارگیری در موتورهای دیزل به کاهش آلودگی هوا و نیز کاهش وابستگی به سوخت های فسیلی کمک نماید. تاکنون فرآیندهای متعددی برای تولید بیودیزل ارائه شده اند ولی روش ترانس استریفیکاسیون با کاتالیزور بازی در راکتور بچ مرسوم ترین آن هاست که با هزینهای نسبتاً کم می تواند میزان محصول معقولی را تولید نماید. در سالهای اخیر مطالعات روی سنتز بیودیزل بر روی توسعهی تکنولوژیهای فرآیند تشدید متمرکز شدهاند.
هدف از این کار، طراحی و ساخت نوعی راکتور مخزنی همزن دار بچ نوین برای تولید بیودیزل استاندارد بود . جهت یکنواخت سازی همزنی و همچنین فراهم سازی امکان جداسازی فازی بین بیودیزل و گلیسیرین تولید شده، انتهای قسمت ا ستوانهای مخزن راکتور بصورت مخروطی ساخته شد. همچنین یک همزن منحصر به فرد هلیسی شبه ریبون جهت نصب در ساختمان این راکتور طراحی و ساخته شد . برای تولید بیودیزل از روش ترانس استریفیکاسیون استفاده گردید .
مواد اولیهی بکار گرفته شده شامل: روغن سویا و متانول با نسبت مولی 6:1 الکل به روغن و کاتالیزور KOH به میزان 1 درصد وزنی روغن بود. بیودیزل تولیدی با استانداردهای بسیار معتبر مورد مقایسه و ارزیابی قرار گرفت . شکل خاص همزن هلیسی شبهریبون، حرکت مارپیچ وار آن، و برشی که به مایع وارد می کند، سبب شد تا فازهای نامحلول ال کل و روغن بخوبی در یکدیگر حل شده و نیاز به پمپ سیرکولاسیون را که عمدتاً در این نوع راکتورها جهت یکنواختسازی همزنی بکار میرود را از بین ببرد . همچنین استفاده از این نوع همزن، تعداد دفعات آبشویی را به دو مرتبه کاهش داد. بیودیزل تولیدی توانست استانداردهای ASTM-D6751 و EN-14214 را احراز نماید.
مقدمه
مفهوم استفاده از بیوفیول ها درموتورهای دیزل از نمایش اولین موتور دیزل بوسیله ی مخترع آن، رادولف دیزل در نمایشگاه جهانی پاریس در سال 1900 میلادی، نشأت گرفته است. درسوخت این موتور از روغن بادام زمینی استفاده شده بود. ولی بدلیل فراهم بودن وافر پترودیزل، فعالیت ها روی روغن های گیاهی بصورت جدی پیگیری نشد و زمانی توجه ها را به خود جلب کرد که مشخص شد سوخت های نفتی به سرعت در حال کم شدن هستند ومشکلات زیست محیطی پدید آورده اند.
در سالهای اخیر تعداد زیادی از محققان تلاشهای جدی جهت استفاده از منابع مختلف انرژی بعنوان سوخت در موتورهای دیزل را به انجام رسانده اند. بیودیزل بعنوان یک سوخت تجدیدپذیر، تجزیهپذیر، و غیرسمی در سالهای اخیر توج هات زیادی را بخود جلب کردهاست Sahoo and Das,] .[2009 از طرف دیگر سیاستهای تشویقی برخی دولتها از قبیل معافیتهای مالیاتی، گامهای مثبتی بوده که در جهت ارزانسازی این سوخت و حمایت از تولید کنندگان برداشته شده است. به هر حال کاهش قیمت تمام شده ی بیودیزل اصلیترین چالش در اقتصادی سازی و تجاری سازی آن بوده است
مرسومترین روش تولید بیودیزل فرآیند بچ در دمای نزدیک به دمای نقطه ی جوش الکل می باشد. نسبت مولاریته-ی الکل به روغن 6 به 1 بوده و کاتالیزور مورد استفاده NaOH یا KOH در غلظتی مابین 0/1 تا 1 درصد وزنی روغن میباشد
بدلیل هزینه نسبتاً بالای تولید بیودیزل، اقتصادی سازی فرآیند یک هدف مهم در تولید بیودیزل می باشد. بنابراین مطالعات زیادی با تمرکز بر سینتیک متانولیز به منظور دستیابی به بهترین طر ح راکتور انجام شدهاست Reyes et] [.al., 2010 به منظور دستیابی به این هدف فاکتورهای مهمی که در طراحی راکتور موثرند شامل اندازه ی راکتور - ابعاد راکتور - ، مواد سازندهی راکتور، سیستم همزنی، مطالعات هیدرودینامیکی، ویژگی های فیزیکی واکنشدهنده-ها، و روش فراهم سازی یا حذف حرارت، بایستی مورد توجه قرار گیرند
مهمترین فاکتور در طراحی یک راکتور شیمیایی برای تولید بیودیزل، فاکتور شدت همزنی یا انتقال جرم می باشد. آگاهی از موثر بودن شدت اختلاط روی سرعت واکنش به دهه ی هشتاد میلادی بر میگردد. همزنی بدلیل اهمیت ویژهی درجهی اختلاط بین الکل و تری گلیسیرید فاکتور بسیار موثری در فرآیند تولید بیودیزل محسوب می شود .[Noureddini et al., 1998] همزنی برای افزایش برخورد بین مولکولهای الکل و روغن که در یکدیگر نامحلول بوده و یک فاز غیر همگن تشکیل میدهند، بکار می رود. انتقال جرم از فاز روغن به فاز الکل- روغن می تواند یک مرحلهی بحرانی و حساس در محدود نمودن سرعت واکنش الکلیز باشد . انتقال جرم کم بین دو فاز در مراحل اولیهی واکنش موجب سرعت پایین واکنش می شود. به اضافه ی اینکه انحلال پذیری کم الکل و روغ ن سرعت واکنش را در کلیه ی مراحل ترانس استریفیکاسیون محدود می سازد
مطالعات روی ترانساستریفیکاسیون روغن سویا، بحرانی بودن فاکتور سرعت همزنی را در سینتیک واکنش ثابت کرد . بطوریکه سرعت بالاتر همزنی موجب درصد تبدیل بالا تر و زمان واکنش پایینتر می شود
همزنهای مختلفی که تا به حال جهت بهبود محصول بیودیزل و کاهش زمان واکنش استفاده شده اند شامل :
همزنهای مکانیکی، همزن های مغناطیسی، توربین ها، همزن های با برش بالا ، همزن لنگری، توربین روشتون، همزن هلیسی، پدالی با تیغههای مسطح ، میباشند. میکسرهای استاتیکی که اغلب در تولید بیودیزل استفاده می - شوند میتوانند بعنوان یک سیستم راکتور مستقل استفاده شوند . بخاطر تاثیر موثر همزنی در متانولیز، انواع جدید همزنها نظیر میکسرهای با برش بالا، راکتورهای جریان تناوبی، راکتورهای آلتراسونیک، و همزنهای هیدرولیکی ساخته شده اند
نرخ تولید بیودیزل در راکتور، به مقدار زیادی بستگی به درجه ی توربولانس دارد . اکثر محققان در زمینه ی اختلاط بر روی نوع همزن های مکانیکی تمرکز داشته اند. به هر حال اطلاعات کاملی درباره ی تاثیر اختلاط روی واکنش ترانس استریفیکاسیون وجود ندارد . فهم صحیح تاثیر اختلاط روی فرایند واکنش یک فاکتور کلیدی در بالا بردن مقیاس تولید و طراحی میباشد.
هدف از این کار طراحی و ساخت نوعی راکتور بچ با همزن منحصر به فرد شبهریبون میباشد که به منظور کاهش هزینههای تولید، بتواند در کمترین زمان محصول بیودیزل با کیفیت بالا را تولید نماید و از لحاظ کارایی قابل مقایسه با راکتورهای بسیار پیشرفته و گرانقیمت باشد.
مواد و روشها
جهت ساخت راکتور و انجام واکنش ترانس استریفیکاسیون برای تولید بیودیزل، یک لوله استوانهای شکل از جنس استیل ضدزنگ به ضخامت 3 میلیمتر، قطر داخلی 22 سانتیمتر، ارتفاع 45 سانتیمتر، و حجم 20 لیتر در نظر گرفتهشد. راکتور حاوی یک انتهای مخروطی شکل به ارتفاع 15 سانتیمتر بود که به منظور همگن سازی اختلاط مواد درون مخزن، جداسازی فازی در مرحله ی جداسازی گلیسیرین و بیودیزل و نیز جداسازی بیودیزل و آب صابون در مرحله ی آبشویی، به قسمت استوانه ای مخزن راکتور متصل گردید . قسمت جلوی راکتور نیز برای مشاهدهی مراحل انجام واکنش در درون راکتور و نیز انجام جداسازی فازی بصورت شیشهای ساختهشد. جنس این قسمت از نوعی شیشهی پلاستیکی به نام متیل متا کریلات به ضخامت 6 میلیمتر، بدلیل انعطاف پذیری و نیز مقاومت به خوردگی در برابر مواد خورندهی داخل راکتور، انتخاب گردید.
همزن در واقع قلب یک راکتور را تشکیل می دهد و عملکرد راکتور تا حدو د زیادی بستگی به عملکرد همزنی آن دارد. نوعی همزن هلیسی بنام همزن هلیسی شبه ریبون از جنس استیل ضدزنگ برای این راکتور طراحی و ساختهشد - شکل. - 1 قطر داخلی این هلیس 14 و قطر خارجی آن 20 سانتیمتر بوده و طول آن به 40سانتیمتر میرسد. پهنای تسمهی هلیس 3 سانتیمتر و ضخامت آن 2 میلیمتر میباشد.
شکل-1 همزن هلیسی شبهریبون. الف - طراحیشده با نرمافزار .SolidWorks ب - ساخته شده.
برای حرارت دهی به مایع و ثابت نگه داشتن دمای آن در یک مقدار ثابت از یک سیستم حرارتی استفاده شد. این سیستم حرارتی مجهز به دو هیتر استیل 1000 واتی، یک سنسور دمایی PT100، و یک تابلوی برق بوده که با سیگنالی که از سنسور دریافت می کند کار قطع و وصل برق به هیترها و کنترل دما در مقدار از پیش تعیین شده را انجام میدهد. در سیستم انتقال نیرو نیز از یک موتور الکتریکی به قدرت 1kWاستفادهشد که بوسیلهی یک تسمه نیرو را به پولی سر شفت همزن منتقل می کند. همچنین برای تغییر سرعت دورانی موتور از یک اینورتور استفاده گردید. نسبت قطر پولی سر محور شفت همزن به پولی روی شفت الکتروموتور 1:2 میباشد. - قطر پولی سر شفت همزن 14 سانتیمتر و قطر پولی روی شفت ا لکتروموتور 7 سانتیمتر میباشد - . بنابراین سرعت دورانی همزن نصف سرعت دورانی الکتروموتور میباشد. سرعت دورانی همزن میتوانست حداکثر به 900 دور بر دقیقه برسد. در نهایت راکتور نشان دادهشده در شکل 2 در کارگاه گروه مکانیک ماشینهای کشاورزی دانشگاه ارومیه ساخته شد
