توضیحات
پروژه شبیه سازی جداسازی و تولید بیودیزل از روغن گیاهی پالم در نرم افزار اسپن پلاس ASPEN PLUS
استفاده روزافزون از سوخت های فسیلی، افزایش قیمت محصولات نفتی و کاهش ذخایر موجود و با توجه به افزایش جمعیت و رشد سریع شهر نشینی ، افزایش روز افزون مصرف انرژی ، افزایش آلودگی های زیست محیطی و پدیده گرم شدن زمین محققان را در جهت یافتن منابع جدید انرژی غیر نفتی ترغیب نموده است. درنتیجه سوخت های تمیز از جمله بیودیزل به عنوان سوخت جایگزین سوخت های فسیلی معرفی شد. در تولید بیودیزل مهمترین عامل، خلوص محصول نهایی اصلی (بیودیزل) است که باید در طی فرایند های مختلف بیودیزل خالص گردد. درنتیجه جداسازی بیودیزل بسیار مهم می باشد.
انرژی در اشکال مختلف مانند گرما، نور، حرکت و صدا یافت می شود، اما همه آنها در دو گروه عمده جای می گیرند: سنتیک و پتانسیل انرژی الکتریکی، تابشی، حرارتی، حرکت و صوت از نوع سنتیک هستند و انرژی های شیمیایی، مکانیکی ذخیره شده، هسته ای و ثقلی، فرم پتانسیل انرژی محسوب می شوند. راههای مختلف زیادی وجود دارند که با بهره گیری از آنها می توانیم انرژی های فراوان اطراف خود را ذخیره، تبدیل، تقویت و استفاده کنیم. انرژی قابل رویت نیست و فقط آثار آن قابل تجربه است و از اینرو به چنگ انداختن آن معمولا کار دشواری است. برای مثال انرژی حرارتی با تابش منتقل می شود و هدایت آن با فرآیندی متفاوت روی می دهد. اما تفاوت اصلی آنها (برای مثال نسبت به سرعت فرآیند انتقال( به ندرت قابل درک است.
مشابه آن، انرژی الکتریکی و نور بوسیله موج منتقل می شوند، در حالیکه این دو پروسه های متفاوتی هستند. منابع انرژی می تواند به سه کلاس فسیل، تجدیدپذیر و شکافت هسته ای گروه بندی شود. سوختهای فسیلی سالیان پیش تشکیل شده اند و قابل تجدید نیستند. منابع انرژی فسیلی شامل نفت خام، زغال سنگ، قیر، گاز طبیعی، سنگ های رسی نفتی و ماسه های حاوی قطران است. منابع انرژی قابل تجدید شامل آب، باد، خورشید، گرمای درونی زمین، دریا و هیدروژن است. منابع عمده انرژی حاصل از شکافت هسته ای از اورانیوم و توریوم است پیش بینی می شود که تا سال ۲۰۴۰ تقریبا نیمی از انرژی مصرفی جهان از منابع تجدید شدنی تامین خواهد شد و الکتریسیته تولیدی از منابع تجدید پذیر بیش از ۸۰ درصد کل منبع الکتریسیته جهان را تشکیل خواهد داد.
استفاده روزافزون از سوخت های فسیلی، افزایش قیمت محصولات نفتی و کاهش ذخایر موجود محققان را در جهت یافتن منابع جدید انرژی غیر نفتی ترغیب نموده است. در حال حاضر میزان تقریبی حجم ذخایر نفتی جهان به اندازه ای است که چنانچه روند تکیه بر سوختهای فسیلی ادامه یابد در آینده نزدیک جهان با مشکلات زیادی در موارد زیست محیطی و کمبود مواد اولیه مواجه خواهد شد.
کمبود سوخت های فسیلی موجود و محدود بودن منابع آن به برخی مناطق جهان، افزایش تشعشعات آلاینده زیست محیطی از احتراق سوختهای فسیلی و افزایش بهای آنها، استفاده از منابع زیست توده را بسیار جذاب و در خور توجه ساخته است. کارشناسان اظهار می کنند که نفت موجود و منابع گاز برای فقط چند دهه کوتاه کافی خواهند بود. در شکل زیر مصرف جهانی نفت را به تفکیک قاره های مختلف می بینید. مطابق با افزایش تقاضای انرژی و لزوم جایگزینی منابع نفتی، سوخت هایی نظیر بیودیزل و بیواتانول طلایه داران تکنولوژی های جایگزین هستند و از اینرو راهکار مناسب و قابل پیشرفت برای مصرف در موتورهای احتراقی، بی تردید انواع بیودیزل است. بیودیزل بطور خلاصه به عنوان استرهای مونوالکیلی روغن های نباتی یا چربی های حیوانات تعریف می شود. با توجه به قوانین موجود، اتحادیه اروپا موظف شده است تا سال ۲۰۲۰ در حدود ۲۰% از سوخت های مصرفی در موتور خودروهای خود را از طریق سوخت های زیستی تامین نماید. همچنین ظرفیت تولید و میزان تقاضا بیودیزل جهان در سال های اخیر رو به رشد گذاشته و چشم انداز آینده آن نیز بسیار امیدوار کننده است.
بیودیزل:
سوخت بیودیزل یکی از منابع تجدید پذیر انرژی است که از روغن های گیاهی با چربی های حیوانی به دست آمده و به عنوان یک سوخت جایگزین برای استفاده در موتورهای دیزل مورد توجه است. بیودیزل سوختی زیست تجزیه پذیر، غیرسمی و سازگار با محیط زیست است. بیودیزل به سوخت هایی اطلاق می شود که منشاء بیولوژیکی دارند و یک عنوان کلی است که به گستره ای از سوخت های اکسیژن دهی شده با پایه استری(که از منابع بیولوژیکی تجدیدپذیر نشات می گیرد) نسبت داده می شود.
بیودیزل ممکن است از روغن های آلی و چربی ها تولید شود. از دیدگاه علم شیمی، بیودیزل به استرهای منوالکیل با زنجیرهای بلند اسید چرب که از بیولیپیدهای تجدید پذیر مشتق می شوند منسوب می شود. بیودیزل بطور نمونه از طریق واکنش روغن نباتی یا چربی حیوانی با متانول یا اتانول در حضور کاتالیزورهایی مثل سدیم هیدروکساید یا پتاسیم هیدروکساید برای حصول ترکیب جدید متیل یا اتیل استر (بیودیزل) و گلیسیرین تولید می شود.
استرهای متیل یا اتیل اسید چرب را به اصطلاح بیودیزل می گویند و از روغن های طبیعی و چربی ها تولید می شود. معمولا متانول بر تبادل استری به اتانول ترجیح داده می شود، به خاطر اینکه متانول از اتانول ارزان تر است. گلسیرین تولیدی نیز در صابون سازی مصرف می شود. دلیل اصلی اینکه از روغن های گیاهی خالص به عنوان سوخت استفاده نمی کنیم این است که آنها ویسکوزیته بالایی دارند(در محدوده ی ۲۸- 40 mm2 /s) که منجر به مشکلات عملیاتی در موتور های دیزل می شود.
برای تولید بیودیزل، روشهای مختلفی از قبیل پیرولیز، میکروامولسیون سازی و ترانس استریفیکاسیون (شیمیایی و آنزیمی) گزارش شده است. تولید صنعتی بیودیزل از طریق ترانس استریفیکاسیون شیمیایی، با استفاده از بازهای قوی به عنوان کاتالیزور انجام می شود. استفاده فزاینده از ترکیبات نفتی، آلودگی هوا را تشدید کرده و مشکلات ناشی از گرم شدن زمین را به دلیل نشر دی اکسیدکربن افزایش خواهد داد. اهداف ارائه شده در پیمان زیست محیطی کیوتو در خصوص تغییرات آب و هوا، کشورهای جهان را به جستجوی راه های کاهش انتشار آلاینده ها در بخش های مختلف وادار کرده است . در این بین، حمل و نقل جاده ای بیشترین پتانسیل را برای اصلاح دارد . استفاده از سوخت های زیستی به عنوان یکی از راه های دست یابی به اهداف پیمان کیوتو در نظر گرفته شده است دو نوع عمده سوخت زیستی وجود دارد: بیواتانول و بیودیزل در سال ۲۰۰4 میلادی، کشورهای اروپایی در مجموع ۱5۰4۰0۰ تن بیودیزل و 446140 تن بیواتانول تولید کردند. فرانسه و آلمان پیشروان تولید بیودیزل و اسپانیا پیشرو در تولید بیواتانول است. بیودیزل نیز به طور معمول در موتورهای تراکمی احتراقی موجود به صورت مخلوط5 درصدی به کار می رود، ولی می تواند به صورت ۱۰۰ درصد در موتورهای اصلاح شده خاص استفاده شود. علاوه بر سوخت های زیستی، روغنهای گیاهی خالص نیز به عنوان سوخت به کار می روند اما استفاده از آن ها گسترش نیافته است.
این سوخت یک متیل استر اسید چرب است یک سوخت تجدید پذیر برای موتوری دیزلی است که شامل یک زنجیره ای از استرهای قلیایی اسید چرب است که از منابع طبیعی و تجدید پذیر نظیر روغن گیاهی، روغن های پسماند غذایی ، چربی حیوانات یا از جلبک ها تهیه می شوند . گیاهانی که امکان استفاده از آنها جهت تهیه بیودیزل است شامل سویا ، پنبه دانه ، دانه آفتابگردان، نارگیل ، ذرت ، کرچک، برزک ، تخم کتان، بادام زمینی، برگ و هسته درخت خرما ،هسته انگور و … می باشد . پسمان روغن خوراکی همچنین می تواند به بیودیزل تبدیل شود . این بدان معنی است که با فرآوری روغن پسماند آن را به یک محصول با ارزش افزوده تبدیل می کنند .
بیودیزل بهترین کاندیدای جایگزین برای سوختهای دیزلی در موتورهای دیزلی است. بیودیزل شبیه سوختهای نفتی می سوزد، در حالی که آلایندگی به مراتب کنترل شده تری دارد. از طرف دیگر بیو دیزل احتمالا کارایی بهتری از بنزین دارد. بیودیزل همچنین توان بالقوه زیادی را برای موتورهای تراکم احتراقی ارایه می دهد. سوخت دیزل می تواند با بیودیزل که از روغنهای نباتی ساخته می شود جایگزین شود.
بیودیزل زیست تخریب پذیر و غیرسمی بوده و دارای پروفایل نشر آلودگی پایین است. مواد اولیه استفاده شده در تولید آن(روغن ها و چربی ها) طبیعی و تجدیدپذیر است، محصولات احتراق آن نسبت به سوخت دیزل دارای مقادیر ذرات، منوکسیدکربن و در برخی شرایط اکسیدهای نیتروژن کمتری است و درنهایت اینکه احتراق آن مقادیر فعلی دی اکسید کربن(گازهای گلخانه ای) را در جو افزایش نمی دهد.
ضرورت استفاده از بیودیزل:
بیودیزل سوخت تجدیدپذیری است که با واکنش شیمیایی الکل و سبزیجات یا روغن های حیوانی، چربی ها یا گریس ها ساخته می شود. از طریق فرآیند پالایش موسوم به واکنش تبادل استری، گلیسیرین را که یک محصول فرعی بوده و برای موتور خودرو مناسب نیست، حذف می کنند. گلیسرین حذف شده می تواند برای تهیه صابون استفاده شود. بیودیزل میتواند در بسیاری از موتورهای دیزلی بصورت خالص یا مخلوط با سوختهای نفتی در مقادیر مختلف استفاده شود. به ویژه در مخلوطی با ۸۰ درصد بیودیزل و ۲۰ درصد سوخت نفتی، بطور چشمگیری تابش های سرطانی و گازهایی را که در گرم شدن زمین سهیم می شوند، کاهش می دهد.
نه تنها هیچگونه تغییر ماهیتی در موتور خودرو لازم نیست بلکه هیچ نیازی به تغییر خودروهای قطعات یدکی، ایستگاه های سوخت گیری و مهارت های خاص برای مکانیک ها نیز لازم نخواهد بود. شیلنگ خودروها پس از ۶ ماه اول کارکرد با بیودیزل نیازمند بررسی و چک آپ است. همچنین جایگزینی شلنگ های غیرسازگار ضروری است که اینکار نیز چندان سخت و هزینه بر نیست. مخلوط های ۲۰ درصد یا کمتر ممکن است اثر نامطلوب اندکی روی شلنگ های غیرسازگار داشته باشند. بیودیزل تشعشعات آلاینده زیست محیطی را تقلیل می دهد بیودیزل با ۲۰ درصد مخلوط دیزل نفتی استفاده می شود.
مبدلهای کاتالتیکی موجود در اگزوز خودروها آلایندگی آنها را به حداقل می رسانند. درنتیجه مواد خاص به ۳۱ درصد، دی اکسید کربن به ۲۱ درصد و کل هیدروکربن ها به ۴۷ درصد کاهش می یابد. بیودیزل مصرفی با مخلوط نفتی همچنین نشر سولفور و آروماتیک ها را نیز کاهش می دهد. استفاده از B100 مواد سرطانزا و آلاینده ها را بیشتر کاهش می دهد. بیودیزل ها بدلیل ایمن بودن، سازگاری با محیط زیست و سهولت حمل و نقل در جاهای مختلف استفاده می شوند. صنعت دریایی آمریکا۱۰ درصد از مصرف سوختی خود را از بیودیزل تأمین و از آن در ماموریت های دریایی، قایق های نوساخت و تعمیری، کشتی های تجاری داخلی و کشتی های تجاری اقیانوس پیما و ناوگان پاسبان ساحلی استفاده می کند.
بیودیزل سوختی جایگزین با ضریب ایمنی بالا به حساب می آید، چون دارای نقطه اشتعال بالاتری از دیزل های موجود است. نیازی به نصب برچسب مواد خطرناک بر روی آنها در موقع بارگیری و حمل ونقل وجود ندارد. بیودیزل در موتورها به سهولت می سوزد و موقعی که با حداقل مقدار کمتر از ۲ درصد با سوخت نفتی دارای سولفور با سولفور خیلی کم مخلوط می شود نرمی و روانی آن در سطوحی برابر با سوخت های نفتی حاوی مقادیر بسیار زیاد سولفور افزایش می یابد.
استفاده از بیودیزل و مخلوط های آن تغییرات قابل توجهی در بوی ترکیبات خروجی از اگزوز دارد. اگر بیودیزل اکسیژن دهی شود در اینصورت احتراق کاملتری نسبت به پترودیزل ها در موتور صورت می پذیرد. بنا به دلایل ذکر شده، به تولید و استفاده از این سوخت در بخش های تحقیق و توسعه، توجه فراوانی شده است.
بیودیزل مخلوطی از منوالکیل استرهای به دست آمده از ترانس استریفیکاسیون روغن های گیاهی نظیر روغن های دانة سویا، نخل، آفتابگردان، ذرت، بادام زمینی، کانولا و پنبه دانه است . علاوه بر روغن های گیاهی، بیودیزل می تواند از سایر منابع نظیر چربی حیوانی (پیه گاو و چربی خوک )، روغن ضایعاتی پخت و پز، گریس ها و جلبک ها نیز تولید شود.
اهمیت بیودیزل در ایران :
چندسالی است که ایران به جمع معدود کشورهای دارنده بیودیزل(سوخت سبز) پیوسته است. فناوری تولید این سوخت در کشور قابل دسترس است و تنها به توجه مسئولان و انجام سرمایه گذاری های لازم نیاز دارد. در پژوهشکده صنعت نفت نیز در این زمینه کارهایی انجام شده است. همان طور که قبلاً نیز اشاره شد باتوجه به افزایش جمعیت، مصرف روزافزون انرژی و افزایش آلودگی های زیست محیطی به خصوص در کشورهای در حال توسعه ای مانند ایران، اهمیت تحقیق در جهت یافتن یک سوخت جایگزین برای سوختهای فسیلی مشخص می گردد. در کشور ما نیز علاوه بر عوامل فوق، رو به اتمام بودن سوخت های فسیلی و محدودیت ظرفیت پالایشگاهی و گسترش حمل و نقل نیز باعث گردیده است تا این مهم در آینده به یک ضرورت تبدیل گردد. با توجه به مزایای بر شمرده برای بیودیزل، این سوخت می تواند به عنوان یک جایگزین مناسب برای سوخت های فسیلی در ایران نیز مطرح شود. در کشور ایران نیز به دلیل کاهش منابع نفتی و واردات گازوئیل که در سال 1384 با رشد 70.6 درصد نسبت به سال قبل، به ۲۹۰۰۰۰لیتر در روز افزایش یافت به صورت کلان به این سوخت ها توجه شده است . همچنین تولید سوخت های گیاهی از فاضلاب و زباله هایی که منبع آلی دارند در سطح آزمایشی انجام شده و در مواردی دستگاه هایی برای تولید سوخت های گیاهی طراحی و ساخته شده است در رابطه با آزمون سوخت بیودیزل در موتور احتراق داخلی نیز تحقیقاتی صورت گرفته است که در اکثر آن ها بیودیزل مورد استفاده از روغن تازه تهیه شده است و یا موتور مورد آزمایش از نوع آزمایشگاهی بوده که حداکثر سه سیلندر داشته است . با توجه به مزایای ذکر شده در مورد بیودیزل، در درجه اول تولید بیودیزل با هزینه پایین و همچنین استفاده ی عملی از این سوخت در موتور ماشین های سنگین در کشور ضروری به نظر می رسد.
خوشبختانه در سال های اخیر، فعالیت های چشمگیری به منظور بررسی امکان سنجی اقتصادی و عملیاتی تولید و کاربرد این دسته از سوخت ها، توسط محققان ایرانی صورت پذیرفته است. به عنوان نمونه، برای اولین بار گروه مکانیک ماشین های کشاورزی دانشگاه تربیت مدرس تهران، موفق به طراحی و ساخت پایلوت فرآوری بیودیزل با عنوان 80-BDI شد که قابل رقابت با نمونه های خارجی است. در این پایلوت، سامانه همزنی مواد به صورت هیدرولیکی بوده و مرحله شستشوی سوخت نیز از نوع حبابی می باشد.
همچنین به منظور بررسی اثر پارامترهای مختلف بر کیفیت و میزان بیودیزل تولیدی، دستگاه آزمایشگاهی چند منظوره تولید سوخت بیودیزل طراحی و ساخته شد. این سیستم دارای انعطاف بالایی به منظور مطالعه این عوامل است. در زمینه تولید صنعتی بیودیزل، محمدی و همکاران به طراحی مفهومی فرآیندهای پیوسته و ناپیوسته تولید بیودیزل از خوراک های با درصد بالای اسیدهای چرب آزاد پرداخته اند. استفاده از بیودیزل در موتور گازوئیلی معمولی منجر به کاهش اساسی هیدروکربن های نسوخته، منواکسید کربن و ذرات معلق می شود .از بیودیزل می توان بدون تغییر در موتور دیزلی استفاده کرد، فلذا استفاده از بیودیزل در شهرهای بزرگی مثل تهران ، مشهد ، اصفهان و کرج که همواره با مشکل آلاینده هایی همچون گوگرد، مونو و دی اکسید کربن روبرو هستند، می تواند یک مزیت مهم به شمار رود. تولید بیودیزل از انواع دانه های روغنی به عنوان منابع تجدید پذیر امکان پذیر بوده و به همین علت استفاده از آن علاوه بر حذف وابستگی کشور در تأمین سوخت به دیگر کشورها باعث توسعه و اهمیت بیشتر صنعت کشاورزی می گردد. تولید این سوخت می تواند بخش کشاروزی را نیز به تحرک وادارد، زیرا این سوخت از روغن های گیاهی به دست می آید، پس با تولید آن نیاز بیشتری به کاشت دانه های گیاهی است که به اشتغال زایی در بخش کشاورزی کمک می کند . در این میان روغن نخل (پالم) نیز می تواند یک انتخاب مناسب باشد؛ زیرا در ایران با توجه به تنوع اقلیمی و تراکم جمعیتی دانه های روغنی از محصولات مهم و با ارزش کشاورزی محسوب شده و ارزش تغذیه ای آن ها باعث می شود تا توجه بیشتری به استفاده از روغن پالم گردد. روغن نخل کاربردهای وسیعی در صنایع غیر خوراکی روغنی مانند تولید صابون ها، امولسیفابرها و الکل های چرب دارد. کارشناس انرژی در کشورمان معتقدند تولید سوخت سبز از قبیل اتانول و بیودیزل از بقایای زمین های زراعی ویا مازاد محصولات کشاورزی از پتانسیل بالایی برخوردار بوده و شاید به نحوی بتواند راهکار مناسبی جهت رفع مشکلات زیست محیطی، اقتصادی و انرژی که دنیای صنعتی آب آن دست به گریبان است باشد. سویا در سال ۱۳86 دارای سطح زیر کشت ۹۲۰۰۰ هکتار در ایران بوده و ۱۲% تولید دانه های روغنی را شامل میشود.
دوره رشد کوتاه، امکان استفاده از آن به عنوان کشت دوم را ایجاد کرده و کاربردهای صنعتی و خوراکی أن سبب شده است که تحقیقات گسترده ای در دنیا بر روی استفاده از روغن آن بجای سوخت دیزل انجام گیرد. به نظر می رسد استفاده از دانه سویا هم سهم بسیار مهمی در تولید بیودیزل در ایران را بر عهده داشته باشد. گلیسیرین نیز که یک محصول جانبی با ارزش در فرآیند تولید بیودیزل است، حدود 10.4% وزن روغن مصرفی را شامل می شود. پس از خالص سازی، گلیسیرین می تواند در صنعت داروسازی و آرایشی و بهداشتی به عنوان یک ماده اولیه با ارزش به مصرف برسد و زمینه اشتغال سازی در کشورمان ایران را بیشتر کند. نکته مهم دیگر، امکان استفاده مجدد از روغن های گیاهی سوخته برای تولید بیودیزل است. از روغن های سوخته که در بسیاری مکان ها از جمله اغذیه فروشی ها به مقدار زیاد استفاده و در پایان روز دور ریخته می شوند، می توان در تولید بیودیزل استفاده کرد . این عمل باعث حفظ محیط زیست نیز می شود. یعنی همان کاری که اکنون در مورد روغن های صنعتی انجام می شود. در حال حاضر “واحدهای تصفیه روغن دوم”، روغن های مورد استفاده قرار گرفته در خودروها را پس از خریداری با کمک برخی مواد افزودنی به روغنی قابل استفاده تبدیل می کنند.
ترانس-استریفیکاسیون:
در ترانس-استریفیکاسیون که به آن الکلیزیز هم گفته می شود، الکل از یک استر با یک الکل دیگر در طی فرایند جایگزین می گردد. این فرآیند شبیه فرآیند هیدرولیز است با این تفاوت که به جای آب الکل جایگزین میشود. الکل های مناسب عبارتند از متانول، اتانول، پروپانول و بوتانول که از بین این الکل ها اتانول و متانول معمول ترند و از بین این دو متانول ارزان تر و دارای مزایای فیزیکی و شیمیایی بیشتری نسبت به اتانول است. شکل زیر جزئیات واکنش ترانس استریفیکاسیون بین یک روغن گیاهی مثل روغن سویا یا روغن آفتابگردان با متانول را نشان می دهد.
گروه های R اسیدهای چرب ۱۶ تا ۲۲ کربنه هستند و در این زنجیره ممکن است پیوندهای یگانه با دوگانه نیز باشد. اسیدهای چرب غیراشباع می توانند باعث پلیمری شدن و تولید صمغ در موتور، روغن روغنکاری و انژکتورها گردند. کاتالیزورهای به کار گرفته شده برای این واکنش به سه دسته اسیدی، بازی و آنزیمی تقسیم می شوند. این فرآیند به طور گسترده ای در کاهش گرانروی روغن ها جهت رسیدن به ویژگی های فیزیکی مطلوب سوخت های تجدیدپذیر انجام می پذیرد؛ بنابراین بیودیزل را می توان از طریق ترانس استریفیکاسیون تولید و به عنوان سوخت موتورهای دیزل مصرف نمود.
بیودیزل های تولید شده از روغن های مختلف معمولا گرانروی نزدیک به سوخت دیزل دارند. ارزش حرارتی بیودیزل اندکی کمتر است؛ ولی عدد ستان و نقطه اشتعال بالاتری دارد. جرم مولکولی استرها در حدود ۲۱۵ تا ۳۲۵ گرم بر مول می باشد و این مقدار یک سوم جرم مولکولی روغن های گیاهی است. گرانروی استرها 1/5 تا ۲ برابر سوخت دیزل می باشد؛ البته روغن های گیاهی دارای گرانروی خیلی بیشتری می باشند.
واکنش ترانس-استریفیکاسیون در سه مرحله انجام می شود. تری گلیسرید در مرحله اول به دی گلیسیرید، در مرحله دوم به مونوگلیسیرید و در مرحله سوم به گلیسرین تبدیل می شود. تمامی مراحل این واکنش برگشت پذیر هستند؛ بنابراین مقداری الکل اضافی برای تشدید واکنش در یک مسیر پیش رونده به کار می رود. محصولات نهایی واکنش، متیل استر اسیدهای چرب(بیودیزل) و گلیسرین هستند. لازم به ذکر است چنانچه از اتانول در واکنش استفاده شود، اتیل استر اسیدهای چرب(بیودیزل) و گلیسیرین بدست می آید. در هر صورت، بیودیزل و گلیسیرین دو لایه ترکیب نشدنی مجزا را تشکیل می دهند که بیودیزل در لایه بالایی و گلیسرین در لایه پایینی قرار می گیرند. مصرف کلی انرژی برای تولید بیودیزل در روش معمولی است درحالیکه فرایند ترانس استریفیکاسیون تنها MJ 4.3 انرژی مصرف می کند. این در حالی است استفاده از متانول سبب کاهش مصرف انرژی به میزان MJ 3.3 برای هر لیتر از سوخت بیودیزل میشود. در روش کاتالیزه شده معمولی، مخلوط کردن در طول واکنش از اهمیت ویژه ای برخوردار است؛ اما در فرایند ترانس استریفیکاسیون، چون واکنش دهنده در فاز منحصر به فردی است مخلوط ساختن لازم نیست. فرایند ترانس استریفیکاسیون مخصوصاً در مرحلة خالص سازی خیلی ساده تر بوده و تقریباً ۲۰ درصد کاهش قیمت را باعث خواهد شد.
روش ترانس استریفیکاسیون یکی از معمول ترین روش ها است که مزایای بیشتری نسبت به دو روش پیرولیز و میکروامولسیون دارد. از مزایای این روش می توان به موارد زیر اشاره کرد: با ترانس استریفیکاسیون روغنها، اتم های اکسیژن در مولکول بیودیزل نگهداری می گردند و از آن جدا نمی شوند. یکی از مزایای سوخت بیودیزل وجود اکسیژن در ترکیب آن می باشد به گونه ای که به این سوختها، سوخت های اکسیژن دار می گویند اما در روش پیرولیز اکسیژن از مولکول بیودیزل خارج می شود. تولید با این روش نیاز به شرایط ساده تر و امکانات کمتری دارد و همچنین دارای راندمان بالاتر و روش معمول تری است.
ترانس استریفیکاسیون درواقع فرآیند تغییر استرها است. واکنش بین یک تری گلیسیرید(موجود در روغن گیاهی) و آلکیل الکل، آلکیل استرها و گلیسرول را تولید می کند که روغن های گیاهی، بافت های چربی یا پیه بدست آمده از حیوانات نمونه هایی از تری گلیسریدها می باشند. الکل های مورد استفاده در این واکنش شامل انواع متانول، اتانول، پروپانول و بوتانول است که از میان آنها متانول و اتانول مرسوم ترند و از بین این دو، متانول به علت ارزان تر بودن و داشتن مزایای فیزیکی و شیمیایی بهتر نسبت به اتانول کاربرد بیشتری دارد.
کاتالیزور:
ترانس استریفیکاسیون واکنشی در حضور کاتالیزور است. کاتالیست ها در استری کردن روغنهای گیاهی نقش اساسی دارند. برای تکمیل واکنش ترانس استریفیکاسیون علاوه بر روغن و الکل به مقدار تقریبا چند درصد وزنی روغن، کاتالیست نیاز می باشد. استفاده از مقادیر کم کاتالیست درصد تبدیل نامطلوب را سبب می شود. کاتالیزورهای مورد استفاده در فرآیند ترانس استریفیکاسیون به طورکلی به دو دسته همگن(Homogeneous) و ناهمگن(Heterogeneous) تقسیم بندی میشوند. اگر مواد واکنش دهنده در فرآیند ترانساستریفیکاسیون(روغن و الکل) با کاتالیزور هم فاز باشند، فرآیند مورد نظر کاتالیزوری همگن نامیده میشود. در صورتی که، کاتالیزور در طول فرآیند ترانس استریفیکاسیون در فاز متمایزی(جامد، مایع نامحلول و گاز) نسبت به مواد واکنش دهنده باقی بماند، فرآیند موردنظر را ترانس-استریفیکاسیون کاتالیزوری ناهمگن گویند. کاتالیزورها به طور کلی از هر نوعی(همگن یا ناهمگن) به سه دسته کاتالیزورهای بازی(قلیایی)، اسیدی و آنزیمی (بیوکاتالیزور) تقسیم بندی می شوند.
کاتالیزورهای بازی(قلیایی):
کاتالیزورهای قلیایی یکی از رایج ترین نوع کاتالیزور مورد استفاده برای تولید بیودیزل هستند. یکی از مزایای مهم این کاتالیزور تولید مقدار زیادی استر است که در مدت زمان کوتاهی تحت شرایط مناسب واکنش بدست می آید. در حال حاضر در مقیاس صنعتی، بیودیزل توسط کاتالیست های بازی همگنی چون هیدروکسید سدیم(NaOH) و یا هیدروکسید پتاسیم(KOH) تولید می گردد.
بررسی نوع فرآیند بیودیزل(ناپیوسته، نیمه پیوسته، پیوسته):
به طورکلی فرآیندهای تولید بیودیزل به سه دسته ناپیوسته(Batch)، نیمه پیوسته(Semi-continuous) و پیوسته(Continuous) تقسیم می شود.
تولید بیودیزل در فرآیند ناپیوسته:
فرآیندهای ناپیوسته به علت ارزان قیمت بودن و هزینه های راه اندازی و زیربنایی بسیار کم از نقطه نظر اقتصادی با صرفه می باشند. این فرآیندها دارای انعطاف بالایی میباشد زیرا این اجازه را به کاربر می دهد تا با تغییر شرایط فرآیند از جمله مقدار، نوع و ترکیبات ماده اولیه اصلاحات لازم را در سیستم انجام دهد. معایب فرآیندهای ناپیوسته راندمان پایین، تغییرات زیاد در کیفیت محصول بیودیزل تولیدی، نیاز به نیروی انسانی و انرژی بالاتر است.
تولید بیودیزل در فرآیند نیمه پیوسته:
عملکرد فرآیندهای نیمه پیوسته مشابه فرآیندهای ناپیوسته است با این تفاوت که شروع واکنش با حجمی کمتر از ظرفیت سیستم ابتدا اتفاق می افتد و سپس به تدریج مواد واکنش به سیستم اضافه می شود تا تمام ظرفیت سیستم را در بر گیرد. فرآیندهای تولید ناپیوسته بیودیزل به دلیل نیاز به نیروی انسانی فراوان معمولا در صنعت بیودیزل متداول نیستند.
تولید بیودیزل در فرآیند پیوسته:
تولید سوخت بیودیزل در مقیاس صنعتی دارای ظرفیت بالا است(بیشتر از چهار میلیون لیتر در سال)، که در این راستا تولید پیوسته از اولویت بالاتری نسبت به سایر روش های تولید برخوردار است زیرا این روش اقتصادی تر و با توسعه و ارزیابی دستگاه رآکتور هیدرودینامیکی تولید کیفیت بالاتری است. در کارخانه های تولید پیوسته بیودیزل معمولا از چند رآکتور که به ترتیب کنار هم قرار می گیرند استفاده می شود که مراحل واکنش طی ورود به ترتیب، مواد آزمایش درون رآکتورها صورت می گیرد و کامل می شود. عامل تعیین کننده در طراحی سامانه های پیوسته، همزنی کافی و مناسب در رآکتورها و خروجی پیوسته است. مواد واکنش دهنده (روغن، الکل، کاتالیزور) در فرآیندهای پیوسته تولید بیودیزل به روش رآکتورهای مخزن همزن دار (CSTR)، به طور پیوسته وارد رآکتور می شوند و فرآورده های تولیدی از جمله بیودیزل، تری گلیسریدهای واکنش نداده، گلیسرین، الکل، کاتالیزور و … به طور پیوسته خارج می گردند. در واقع رآکتورهای مخزن همزن دار، از یک تانک که درون آن یک شفت با تعدادی پره قرار دارد ساخته شده است که مواد واکنش را با یکدیگر مخلوط می کند. برای تولید در مقیاس های بالا اغلب از سامانه های پیوسته استفاده می شود زیرا در این روش مدت زمان فرآیند تولید کاهش می یابد.
بیودیزل حاصل از روغن پالم:
فرآیند استری و ترانس استریفیکاسیون بیودیزلی با خواص نزدیک به استاندارد ASTM تولید می کنند. در میان بیودیزل های تولیدی، متیل استر روغن پالم به دلیل ویژگی های زیست محیطی، بالا بودن بازده تولید، خواص فیزیکی مطلوب و عملکرد بالا میان انواع روغن های گیاهی به عنوان منبعی نسبتا پایدار برای بیودیزل و جایگزین برای دیزل مطرح است. گرانرویی بالای بیودیزل پالم خاصیت روغن کاری سوخت را بهبود بخشیده و مانع سایش قطعات موتور می گردد. مصرف ویژه بالای بیودیزل پالم و ارزش گرمایی پایین آن موجب مصرف مقدار برابر انرژی برای پالم در مقایسه با دیزل می گردد. چگالی و انرژی مولکولی بالا موجب انرژی حرارتی بالاتر روغن پالم نسبت به سایر بیودیزلها گردیده است.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی جداسازی و تولید بیودیزل از روغن گیاهی پالم در نرم افزار اسپن پلاس ASPEN PLUS انجام شده است.
نمونه نتایج:
