12XIМЕЖДУНАРОДНАЯ НА УЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
УДК 51-3
Ершов Даниил Константинович Ershov Daniil Konstantinovich
Студент Student
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина) Saint Petersburg Electrotechnical University Боровинская Екатерина Сергеевна Borovinskaya Ekaterina Sergeevna
д.т.н., доцент doctor of sciences, associate professor Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический
Университет)
Saint-Petersburg State Institute of Technology (Technical University)
ОПТИМИЗАЦИЯ ЭТАНОЛИЗА РАСТИТЕЛЬНОГО МАСЛА И
ОТРАБОТАННОГО МАСЛА НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
OPTIMIZATION OF VEGETABLE OIL AND WASTE OIL
ETHANOLYSIS BASED ON DESIGN OF EXPERIMENTS
Аннотация. В данной работе исследовали и сравнили щёлочно-катализируемый этанолиз свежего растительного масла и отработанного растительного масла в двух типах реакторов (микрореактор и Т-смеситель). На основе методов планирования эксперимента варьировали три параметра: скорость потока, соотношение этанол-масло и концентрация катализатора. Оптимизацию условий реакции произвели с помощью регрессионного анализа.
Abstract: The base-catalyzed ethanolysis of vegetable oil and waste oil was carried out and compared. Both oils were studied in continuous mode in two types of reactors (microreactor and T-mixer). Three parameters were varied for continuous experiments based on experimental planning methods:
ИННОВАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ flow rate, ethanol-oil ratio, and catalyst concentration. The reaction conditions were optimized based on regression analysis.
Ключевые слова: микрореакторы, этанолиз, соевое масло, отработанное кулинарное масло, планирование экспериментов.
Key words: microreactors, ethanolysis, soybean oil, waste cooking oil, design of experiments.
Ископаемое топливо является исчерпаемым ресурсом. В промышленности рассматриваются различные возобновляемые источники энергии, включая растительное масло, биоэтанол, биодизель и водород [1]. Биодизель является одним из наиболее перспективных заменителей топлива и многообещающей альтернативой дизельному топливу, которое получают из ископаемых ресурсов [2]. В отличие от водорода, его легко хранить. Он более дешевый и при его сгорании не выделяются токсичные оксиды азота. Кроме того, его можно смешивать с ископаемым топливом и использовать в обычных двигателях внутреннего сгорания без дополнительных изменений.
В настоящее время биодизель производится путем переэтерификации высших жирных кислот (триглицеридов) с алифатическими спиртами [3]. При этом могут использоваться различные виды жиров и спиртов. В качестве сырья для реакции можно использовать как растительные масла, например, соевое, рапсовое или пальмовое, так и животные жиры или отработанное масло для жарки. Отработанное масло для жарки представляется наилучшим выбором, поскольку оно подразумевает вторичное использование продукта, который в противном случае считается отходом. В отличие от этого, использование растительных масел (соевого масла или других пищевых масел) и животных жиров конкурирует с интересами пищевой промышленности. Однако следует отметить, что пригодность масла для реакции зависит от количества триглицеридов [3]. В качестве
XIМЕЖДУНАРОДНАЯ НА УЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ спирта особенно подходят метанол, а также этанол. Хотя качество получаемого биодизеля практически одинаково при работе с обоими спиртами [4], в современных промышленных процессах в качестве реактива используется в основном метанол, поскольку он менее дорогой [3]. Однако этанол обладает рядом преимуществ: В то время как метанол обычно получают из сингаза, который является продуктом газификации угля или парового риформинга природного газа или сырой нефти, этанол может быть получен в процессе ферментации с использованием исключительно возобновляемых ресурсов [5]. Кроме того, этанол менее токсичен, чем метанол, что делает производственные процессы менее опасными [3].
Целью данной работы является определение оптимальных условий реакции для щёлочно-катализируемой переэтерификации различных типов масла и в различных реакторах на основе методов планирования экспериментов.
Эксперименты проводились в Т-реакторе и микрореакторе, работающих в непрерывном режиме.
Параметры для обоих реакционных систем варьировали согласно полному факторному эксперименту, что позволило провести последующий регрессионный анализ. В соответствии с 23-экспериментальным планом было предусмотрено восемь экспериментальных точек и три средних точки. В качестве параметров были выбраны молярное соотношение этанол/масло (х1), объемная скорость потока (х2) и количество катализатора КОН (х3). Выход целевого продукта при использовании растительнго масла в разных типах установок при разных значениях параметров процесса представлены в таблице 1. Показано, что МХ-смеситель обеспечивает более высокий выход при более низкой скорости потока и остальных схожих параметрах по сравнению с Т-смесителем. При более высоких скоростях потока наблюдается противоположный эффект. Этот эффект
ИННОВАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ можно объяснить разной динамикой потока в исследованных реакторах.
С помощью регрессионного анализа были выявлены значимые коэффициенты для обоих реакторов: у = 44,9 + 3,1 • х1 у = 7,0 + 4,1 • х1 + 9,8 • х2
На основе полученных уравнений регрессии определили оптимальные условия проведения процесса с использованием свежего растительного масла и отработанного растительного масла (рис. 1). Поскольку, согласно полученным уравнениям, наибольшее влияние на выход целевого продукта имеет соотношение этанол:масло, то варьировали именно его.
Таблица 1
Выход целевого продукта в системах с различными типами микрореакторов и при концентрации катализатора KOH = 0,645
масс. -%.
Тип реактора Расход, мл/мин Соотношение этанол:масло Выход целевого продукта[%]
микрореактор 1,5 6:1 67,2
1,5 10:1 85,9
3,7 6:1 60,7
3,7 10:1 70,6
^реактор 1,79 6:1 50,3
1,79 10:1 68,2
3,99 6:1 65,4
3,99 10:1 88,2
XIМЕЖДУНАРОДНАЯ НА УЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
Рис. 1. Выход целевого продукта для свежего растительного масла и отработанного растительного масла при соотношении
этанол:масло = 12:1.
При использовании свежего растительного масла удалось в результате оптимизации получить выход целевого продукта 97,9%. При использовании отработанного масла - 97,5%. Это указывает на пригодность и эффективность применения отработанного растительного масла в качестве исходного вещества для получения биодизеля. Таким образом, не только параметры процесса влияют на выход целевого продукта при получении биодизеля, но и исходное вещество.
Библиографический список:
1. Sangeeta, M.S., Pande, M., Rani, M., Gakhar, R., Sharma, M., Rani, J. and Bhaskarwar, A. N. Alternative fuels: An overview of current trends and scope for future. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2014, 32, 697-712.
ИННОВАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ
2. Salvi, B., Subramanian, K., Panwar, N. Alternative fuels for transportation vehicles: A technical review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2013, 25, 404-419.
3. Stamenkovi0, O. S., Velifkovi0, A. V., Veljkovi0, V. B. The production of biodiesel from vegetable oils by ethanolysis: Current state and perspectives. Fuel 2011, 90, 3141-3155.
4. Clark, S., Wagner, L., Schrock, M., Piennaar, P. Methyl and ethyl soybean esters as renewable fuels for diesel engines. Journal of the American Oil Chemists Society 1984, 61, 1632-1638.
5. Brunschwig, C., Moussavou, W., Blin, J. Use of bioethanol for biodiesel production. Progress in Energy and Combustion Science 2012, 38, 283-301.
