فایل ورد قابل ویرایش

توضیحی مختصر از مقاله  :

چکيده

      در تحقيق حاضر، به اصلاح عملکرد پايلوت فرآيند ناپيوسته فرآوري بيوديزل از روغن‌هاي نباتي پسماند پرداخته شد. با توجه به اهميت رآکتور ترانس­استريفيکاسيون، به بهينه­سازي شرايط عملکرد اين واحد عملياتي مبادرت شد. متغيرها و محدوده مورد بررسي آن‌ها به ترتيب عبارتند از نسبت مولي الکل به روغن (9:1-3:1)، دماي واکنش (C°65-45)، ميزان کاتاليزور بازي هيدروکسيد پتاسيم (25/0 تا 5/1 درصد وزني)، و شدت همزني (rpm 600-200). از در طراحي آزمايش­ها، روش فاکتوريل در طرح کاملاً تصادفي استفاده شد. بررسي جداگانه آناليز واريانس متغيرهاي دما، نسبت مولي و دور، بيانگر آن است که در سطح 1% اختلاف معناداري در ميزان خلوص بيوديزل در زمانهاي مختلف وجود دارد. مقادير بهينه پارامترهاي مورد بررسي بترتيب برابر با 6:1، C°65، 90 دقيقه، 600 دور بر دقيقه و 1% وزني حاصل شد. حداکثر درصد تبديل در اين شرايط در مدت زمان 90 دقيقه و برابر با 94% مشاهده گرديد. ميزان اختلاف در درصد تبديل در زمانهاي بيش از 60 دقيقه، بسيار اندک ميباشد. همچنين در قالب آزمايشي جداگانه به بررسي اثر زمان بر درصد تبديل اسيدهاي چرب آزاد به متيل استر پرداخته شد. حداکثر درصد تبديل برابر با 95% و در مدت 2 ساعت حاصل گرديد. در نهايت با تغيير در عملکرد واحدهاي عملياتي، پايلوت ساخته شده داراي تناژ توليدي در حدود دو برابر پايلوت مشابه BDI-80 مي ­با شد.

كليدواژه: بيوديزل، پايلوت فرآيند ناپيوسته، راکتور ترانس استريفيکاسيون، بهينه سازي، روغن هاي پسماند

مقدمه

به دليل اهميت روز افزون نقش انرژي در جهان از يک طرف و تجديدناپذيري سوختهاي فسيلي و مسائل زيست محيطي ناشي از اين دسته از سوخت­ها از طرف ديگر، در سال­هاي اخير سرمايه­گذاري و مطالعات چشم­گيري به منظور تامين منابع مناسبي از سوخت­هاي جايگزين در کشورهاي مختلف جهان صورت گرفته است. در اين ميان سوختهاي زيستي (بيوديزل و بيواتانول)،  يکي از مطلوب­ترين مواد جايگزين معرفي شده است. به عنوان نمونه، با توجه به قوانين موجود، اتحاديه اروپا موظف شده است تا سال 2020 در حدود 20% از سوختهاي مصرفي در موتور خودروهاي خود را از طريق سوخت­هاي زيستي تامين نمايد]1[ . همچنين ظرفيت توليد و ميزان تقاضا بيوديزل جهان در سالهاي اخير رو به رشد گذاشته و چشم انداز آينده آن نيز بسيار اميدوار کننده است]2[.

بر اساس استاندارد، بيوديزل عبارت است از تركيب استرهاي مونوالكيلي زنجيره­ بلند اسيدهاي چرب حاصل از واكنش يك الكل با مواد ليپيدي تجديدپذير [3]. در اغلب موارد، مهمترين منابع تامين ليپيدهاي تجديدپذير را چربي­هاي حيواني و روغن­هاي نباتي تشكيل مي­دهد. بخش ‌عمده اين روغن‌ها را تري‌گليسيريد‌ها تشكيل مي‌دهند. لذا، در اثر انجام اين واكنش علاوه بر استر، محصول ارزشمند ديگري به نام گليسيرين نيز حاصل ميشود. مشخصات استانداردي كه محصول سوختي حاصل از واكنش الكل با تري‌گليسيريد (واكنش ترانس‌استريفيكاسيون يا الكوليز) بايستي دارا باشد تا به عنوان بيوديزل شناخته شود، توسط استاندارد ASTM 6751 سنجيده مي‌شود[4].

سوخت زيستي بيوديزل مشابه سوخت گازوئيل (پتروديزل)، قابليت استفاده در موتورهاي ديزل (اشتعال تراکمي) را دارا بوده و براي اين منظور موتورهاي مذکور نيازمند اصلاحات بسيار اندکي است. از سوي ديگر، راندمان سوخت بيوديزل مشابه سوخت ديزل مي­باشد، گرچه محتواي انرژي بيوديزل به ازاي هر گالن حدود 8% کمتر از سوخت ديزل است. با استفاده از مخلوط B20 (20% حجمي بيوديزل و 80% حجمي پتروديزل) اختلافي در حدود 1 تا 2% در توان، گشتاور و ميزان سوخت مصرفي از طريق نتايج تحقيقات مشاهده شده است. همچنين بواسطه خاصيت روانکاري خوب بيوديزل، افزودن حدوداً 2% از آن خاصيت روانکاري سوخت ديزل را بهبود خواهد بخشيد]5[.

استفاده از بيوديزل منجر به کاهش محسوسي در ميزان هيدروکربن نسوخته، مونو اکسيدکربن و ذرات معلق خروجي از اگزوز ميگردد. اکسيدهاي نيتروژن حاصل نيز با توجه به فرآيند توليد بيوديزل، کمي کاهش و يا افزايش را نشان داده است. به واسطه وجود اکسيژن (در حدود 11 درصد وزني) در ساختمان سوخت بيوديزل، احتراق آن کامل بوده و لذا از سهم کربن موجود در ذرات معلق کاسته ميشود. همچنين عدم وجود ترکيبات سولفوري در آن از ديگر دلايل سازگاري اين سوخت با محيط زيست مي­باشد ]7و6[.

در جهان تاکنون روشهاي مختلفي به منظور توليد بيوديزل ارائه شده است. مهمترين عوامل تاثيرگذار بر نوع فرآيند انتخابي عبارت است از نوع خوراک مورد استفاده و تناژ توليد فرآيند [4]. با توجه به هزينه­ بالاي استفاده از روغنهاي نباتي خام، در سالهاي اخير استفاده از مواد پسماند مورد توجه قرار گرفته است. با وجود کاهش هزينه مواد اوليه، استفاده از مواد پسماند منجر به پيچيدگي­هاي بيشتر فرآيند مورد نياز مي­شود که مهمترين دليل آن وجود ناخالصي­هايي نظير اسيدهاي چرب آزاد و آب در اين دسته از خوراک­ها مي­باشد [1]. مناسب­ترين روش توليد بيوديزل از مواد پسماند، استفاده از روش دو مرحلهاي استريفيکاسيون اسيدي و ترانس استريفيکاسيون بازي است]8[. در اين فرآيندها، در ابتدا اسيدهاي چرب آزاد موجود در حضور کاتاليزوري اسيدي به بيوديزل تبديل (مرحله استريفيکاسيون) و در مرحله بعد پس از کاهش درصد اسيدهاي چرب آزاد خوراک تا حداكثر حد مجاز (5/0% وزني)، تري گليسيريدهاي موجود در حضور کاتاليزوري قليايي به بيوديزل تبديل مي­شود (مرحله ترانس استريفيکاسيون). از بزرگترين مزاياي اين روش مي­توان به سرعت بالاي واکنش ترانس استريفيکاسيون و عدم حساسيت فرآيند نسبت به کيفيت خوراک مورد استفاده اشاره کرد.

کاتاليزورهاي مورد استفاده در اين روش را مي­توان از ميان دسته وسيعي از مواد اسيدي و بازي انتخاب کرد]9[. در اين تحقيق به منظور کاهش هزينه­هاي توليد، اسيد سولفوريک و هيدروکسيد سديم بعنوان کاتاليزورهاي فرآيند مورد استفاده قرار گرفته است. مقدار کاتاليزور مورد نياز تابعي از ميزان اسيدهاي چرب آزاد است]10[.

خوشبختانه در سالهاي اخير، فعاليت­هاي چشمگيري به منظور بررسي امکان­سنجي اقتصادي و عملياتي توليد و کاربرد اين دسته از سوختها، توسط محققان ايراني صورت پذيرفته است. به عنوان نمونه، براي اولين بار گروه مکانيک ماشينهاي کشاورزي دانشگاه تربيت مدرس تهران، موفق به طراحي و ساخت پايلوت فرآوري بيوديزل با عنوان BDI-80 شد که قابل رقابت با نمونههاي خارجي است ]14 [. در اين پايلوت، سامانه همزني مواد به صورت هيدروليکي بوده و مرحله شستشوي سوخت نيز از نوع حبابي مي­باشد. همچنين به منظور بررسي اثر پارامترهاي مختلف بر کيفيت و ميزان بيوديزل توليدي، دستگاه آزمايشگاهي چند منظوره توليد سوخت بيوديزل طراحي و ساخته شد. اين سيستم داراي انعطاف بالايي به منظور مطالعه اين عوامل است]11 [. در زمينه توليد صنعتي بيوديزل، محمدي و همکاران به طراحي مفهومي فرآيندهاي پيوسته و ناپيوسته توليد بيوديزل از خوراکهاي با درصد بالاي اسيدهاي چرب آزاد پرداخته­اند. در تحقيق اخير همچنين تاثير پارامتر اقتصاد بر عملکرد بهينه اين فرآيندها مورد مطالعه قرار گرفته است]13و12 [. با توجه به آنچه گفته شد، خلاء علمی بهینه سازی پارامترهای تاثیر گذار در تولید سوخت بیودیزل در ادبیات موضوع احساس می‌شد که در این مقاله به آن پرداخته شد.