Моделирование стадии метанолиза в процессе получения биодизеля из органического сырья
Авторы: 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 [1].
Рисунок 1 – Структурная схема получения биодизеля из растительного сырья
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 1 реакции обратая
k3 – 55 [L×(mol^-1)×min^(-1)] константа скорости 2 реакции 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. Митусова, Т. Н. Перспективы использования биодизельного топлива [Текст] / Т.Н. Митусова, М. В. Калинина // Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных компаний. – 2005. – No 5. – С. 20–23.