Войти
Производство биодизеля - это процесс производства биотоплива, биодизеля, посредством химических реакций переэтерификации и этерификации. Это включает реакцию растительных или животных жиров и масел с короткоцепочечными спиртами (обычно метанолом или этанолом ). Используемые спирты должны быть с низкой молекулярной массой. Этанол используется чаще всего из-за его низкой стоимости, однако большего преобразования в биодизельное топливо можно достичь с помощью метанола. Хотя реакция переэтерификации может катализироваться кислотами или основаниями, реакция, катализируемая основанием, является более распространенной. Этот путь имеет меньшее время реакции и меньшую стоимость катализатора, чем кислотный катализ. Однако недостатком щелочного катализа является высокая чувствительность как к воде, так и к свободным жирным кислотам, присутствующим в маслах.
Основные этапы, необходимые для синтеза биодизеля, следующие:
Обычное сырье, используемое в производстве биодизеля, включает желтый жир (переработанное растительное масло), растительное масло первого отжима и жир. Переработанное масло обрабатывается для удаления примесей, образующихся при приготовлении, хранении и обращении, таких как грязь, обугленные продукты и вода. Масла первого отжима очищаются, но не до пищевого уровня. Дегуммирование для удаления фосфолипидов и других растительных веществ является обычным явлением, хотя способы очистки различаются. Вода удаляется, потому что ее присутствие во время переэтерификации, катализируемой основанием, приводит к омылению (гидролизу) триглицеридов с образованием мыла вместо биодизеля.
Образец затем очищенное сырье испытывают посредством титрования против стандартизованного основного раствора для определения концентрации свободных жирных кислот, присутствующих в образце растительного масла. Затем кислоты либо удаляются (обычно путем нейтрализации), либо этерифицируются для получения биодизельного топлива (или глицеридов).
Катализируемая основанием переэтерификация реагирует липиды (жиры и масла) со спиртом (обычно метанолом или этанол ) для производства биодизеля и неочищенного побочного продукта глицерина. Если используется исходное масло или оно имеет высокое содержание кислоты, катализируемая кислотой этерификация может быть использована для реакции жирных кислот со спиртом с получением биодизельного топлива. Другие методы, такие как реакторы с неподвижным слоем, сверхкритические реакторы и ультразвуковые реакторы, исключают или сокращают использование химических катализаторов.
Продукты реакции включают не только биодизель, но также побочные продукты, мыло, глицерин, избыток спирта и следовые количества воды. Все эти побочные продукты должны быть удалены, чтобы соответствовать стандартам, но порядок удаления зависит от процесса.
Плотность глицерина выше, чем у биодизеля, и это различие свойств используется для отделения основной массы побочного продукта глицерина. Остаточный метанол обычно восстанавливается перегонкой и используется повторно. Мыло можно удалить или превратить в кислоты. Из топлива также удаляется остаточная вода.
Животные и растительные жиры и масла состоят из триглицеридов, которые представляют собой сложные эфиры, образующиеся в результате реакций трех свободных жирных кислот и трехатомного спирта, глицерина. В процессе переэтерификации добавленный спирт (обычно метанол или этанол ) депротонируется основанием, чтобы сделать его более сильным нуклеофилом. Как видно, в реакцию не поступают другие входы, кроме триглицерида и спирта. В нормальных условиях эта реакция будет протекать либо чрезвычайно медленно, либо совсем не протекать, поэтому для ускорения используются тепло, а также катализаторы (кислота и / или основание ). реакция. Важно отметить, что кислота или основание не расходуются в реакции переэтерификации, поэтому они являются не реагентами, а катализаторами. Обычные катализаторы переэтерификации включают гидроксид натрия, гидроксид калия и метоксид натрия.
Практически все биодизельное топливо производится из натуральных растительных масел с использованием технологии основного катализатора. наиболее экономичный процесс обработки натуральных растительных масел, требующий только низких температур и давлений и обеспечивающий конверсию более 98% выход (при условии, что исходное масло имеет низкое содержание влаги и свободных жирных кислот). Однако биодизельное топливо, произведенное из других источников или другими методами, может потребовать кислотного катализа, который происходит намного медленнее. Поскольку это преобладающий метод для промышленного производства, будет описан только процесс переэтерификации, катализируемый основанием
Триглицериды (1 ) реагируют со спиртом, таким как этанол (2 ) с получением этиловых эфиров жирных кислот (3 ) и глицерина (4 ):
Спирт реагирует с жирными кислотами с образованием сложного моноалкилового эфира (биодизель) и сырого глицерина. Реакция между биолипидом (жиром или маслом) и спиртом является обратимой реакцией, поэтому для обеспечения полного превращения необходимо добавить избыток спирта.
Реакция переэтерификации катализируется основанием. Подойдет любое сильное основание, способное депротонировать спирт (например, NaOH, КОН, метоксид натрия и т.д.), но гидроксиды натрия и калия часто выбирают из-за их стоимости. Присутствие воды вызывает нежелательный гидролиз основания , поэтому реакцию необходимо поддерживать сухой.
В механизме переэтерификации карбонильный углерод исходного сложного эфира (RCOOR) подвергается нуклеофильной атаке поступающим алкоксидом (RO) с образованием тетраэдрического промежуточного соединения, которое либо возвращается в исходный материал, либо переходит в переэтерифицированный продукт (RCOOR). Различные виды существуют в равновесии, и распределение продукта зависит от относительной энергии реагента и продукта.
В альтернативном бескаталитическом способе переэтерификации используется сверхкритический метанол при высоких температурах и давлениях в непрерывном процессе. В сверхкритическом состоянии масло и метанол находятся в одной фазе, и реакция происходит спонтанно и быстро. Процесс может допускать попадание воды в сырье, свободные жирные кислоты превращаются в метиловые эфиры вместо мыла, поэтому можно использовать самые разные виды сырья. Также исключается стадия удаления катализатора. Требуются высокие температуры и давление, но затраты энергии на производство аналогичны или ниже, чем у каталитических производственных маршрутов.
Сверх- и высокой скоростью сдвига поточные реакторы или реакторы периодического действия позволяют производить биодизельное топливо непрерывно, полунепрерывно и в периодическом режиме. Это резко сокращает время производства и увеличивает объем производства.
Реакция происходит в зоне высокоэнергетического сдвига смесителя со сверх- и большим сдвиговым усилием за счет уменьшения размера капель несмешивающихся жидкостей, таких как масло или жиры, и метанол. Следовательно, чем меньше размер капель, тем больше площадь поверхности, тем быстрее может реагировать катализатор.
В методе ультразвукового реактора ультразвуковые волны заставляют реакционную смесь производить и постоянно схлопываются пузыри; эта кавитация одновременно обеспечивает перемешивание и нагревание, необходимые для проведения процесса переэтерификации. Использование ультразвукового реактора для производства биодизеля может резко сократить время реакции, температуру и энергозатраты. При использовании таких реакторов процесс переэтерификации может выполняться в режиме реального времени, а не требует длительной периодической обработки. Ультразвуковые устройства промышленного масштаба позволяют обрабатывать несколько тысяч баррелей в день.
В последнее время большое количество исследований было сосредоточено на использовании ферментов в качестве катализатора переэтерификации. Исследователи обнаружили, что очень хорошие выходы можно получить из сырых и отработанных масел с использованием липаз. Использование липаз делает реакцию менее чувствительной к высокому содержанию свободных жирных кислот, что является проблемой при стандартном процессе производства биодизеля. Одна из проблем липазной реакции состоит в том, что метанол нельзя использовать, поскольку он инактивирует липазный катализатор после одной партии. Однако, если вместо метанола используется метилацетат, липаза не активируется и может использоваться для нескольких партий, что делает липазную систему намного более рентабельной.
Липиды привлекают значительное внимание в качестве субстрата для производства биодизельного топлива из-за их устойчивости, нетоксичности и энергоэффективных свойств. Однако по причинам стоимости необходимо сосредоточить внимание на непищевых источниках липидов, в частности на маслянистых микроорганизмах. Такие микробы обладают способностью ассимилировать источники углерода из среды и превращать углерод в материалы для хранения липидов. Липиды, накопленные этими маслянистыми клетками, затем могут быть переэтерифицированы с образованием биодизеля.
