Моделирование стадии метанолиза в процессе получения биодизеля из органического сырья
Автор: Синицкая Е. И., Маковский А. И.
Источник: Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов / Сборник материалов XIII международной научной конференции аспирантов и студентов – Донецьк, ДонНТУ – 2019, с. 233–236.
Аннотация
Синицкая Е. И., Маковский А. И.– Моделирование стадии метанолиза в процессе получения биодизеля из органического сырья.
В докладе представлена математическая модель реакции метанолиза растительного сырья в современном пакете моделирования Comsol Multiphisics.
Ключевые слова: МЕТАНОЛИЗ, КИНЕТИКА, БИОТОПЛИВО, МОДЕЛИРОВАНИЕ, COMSOL MULTIPHISICS.
Общая постановка проблемы
В настоящее время в большинстве стран мира решается вопрос замены топлива нефтяного происхождения, запасы которого резко сокращаются, а потребности в нем растут. За последние несколько лет потребление углеводородного топлива увеличилось в 4.2 раза.
Одним из решений этих проблем является использование топлив на основе растительных масел. Топлива на основе растительных масел относятся к биодизельным топливам.
Основная часть
Биодизельное топливо – это смесь моноалкильных эфиров высших алифатических кислот. Топливо производится из возобновляемых ресурсов, которые не вызывают накопления газов, создающих парниковый эффект, что характерно для горючего, в основе которого находится нефть.
Биодизельное топливо может применяться следующим образом:
1. Как метиловый эфир рапсового масла (МЭРМ) и его смеси с ДТ;
2. Как очищенное рапсовое масло (РМ) или его смеси с ДТ;
3. Как смеси метилового эфира рапсового масла со спиртами (этанолом и метанолом, которые можно получать из биомассы).
По сравнению с обычным дизельным топливом, биодизель является более экологически чистым и более безопасным при хранении и использовании, имея при этом приблизительно равную энергетическую ценсность.
Одним из способов получения биодизельного топлива является реакция метанолиза растительного масла. Суть этого способа состоит в химическом взаимодействии подогретого до 50-80°С растительного масла и раствора щелочи (катализатора), растворенного в метиловом спирте. Далее продукты реакции, включающие метиловые эфиры высших алифатических кислот , а также побочные продукты : глицераты, глицерин, ди- и моноацилглицерины, свободные жирные кислоты и продукты их омыления отстаивают до полного расслоения эфирной и глицериновой фаз. Эфирную часть отделяют, нейтрализуют, промывают водой и высушивают.
Структурная схема получения биодизеля из растительного сырья представлена в рис.1.
Рисунок 1 – Структурная схема получения биодизеля из растительного сырья [1]
Варианты данного способа могут отличатся типом катализатора, наличием стадии дополнительной промывки реакционной массы глицерином или этерификации свободных жирных кислот.
Процесс метанолиза триглицеринов проходит ступенчато, с образованием ди- и моноглигеринов, а затем и свободного глицерина. При этом процесс метанолиза можно представить в виде последовательности трех реакций. Схема химических реакций при этом, будет выглядеть следующим образом:
Рисунок 2 – Схема химических реакций
где Т – триацилглицерин, Д – диглицерид, М – моноглицерид, МС – метиловый спирт, Г – глицерин, Э – метиловый эфир главных алифатических кислот( в растительном масле большую часть занимают оленовая, линолевая и линоленовая кислота).
Для моделлирования реакции метанолиза растительного масла были выбраны следующие исходные данные :
CMC – 3 [mol/l] Концентрация метилового спирта
CT – 1 [mol/l] Концентрация триацилглицерина
k1 – 4 [L*(mol^-1)*min^(-1)] константа скорости 1 реакции прямая
k2 – 27 [L*(mol^-1)*min^(-1)] константа скорости 1реакции обратая
k3 – 55 [L*(mol^-1)*min^(-1)] константа скорости 2реакции прямая
k4 – 65.5 [L*(mol^-1)*min^(-1)] константа скорости 2 реакции обратая
k5 – 0.91 [L*(mol^-1)*min^(-1)] константа скорости 3 реакци прямая
k6 – 0.0001 [L*(mol^-1)*min^(-1)] константа скорости 3 реакции обратная
T0– 65 [degC] температура
Скорость реакции метанолиза расписывается как сумма скоростей прямой и обратной реакций. В результате мы получим следующую систему уравнений:
Рисунок 3 – Система уравнений, описывающая скорости реакций метанолиза
Решим данную систему уравнений с помощью метода конечных элементов и построим модель зависимости изменения концентрации веществ во времени в пакете моделирования Comsol Multiphisics. Результаты моделирования представлены на рис.4.
Рисунок 4 – График изменения концентрации веществ реакции метанолиза во времени
Таким образом мы получили кинетическую модель реакции метанолиза растительного масла при помощи пакета моделирования Comsol Multiphisics. Проаналзировав график мы получили следующие результаты : скорости обратных реакций невелики, а самой медленной является реакция третьей стадии, это может быть объяснено несмешиваемостью метилового эфира и глицерина, что создает большое сопротивление массопередачи в этом направлении. Результаты исследования кинетики могут быть положены в основу разработки технологии и аппаратурно-технологического оформления переработки растительного сырья.
Список использованной литературы
1. [Электронный ресурс] / – Режим доступа http://ir.znau.edu.ua/bitstream/123456789/5143/1/Biodizel_TM6.pdf