مقدمه:

ابتدا کلمه بیودیزل را از نظر ساختاری بررسی می کنیم. بیو به معنای حیات و زندگی است و برای ایجاد طبیعی بودن ، گیاهی بودن، غیر سمی بودن، ایمن و تجدید پذیر بودن به ابتدای اسامی فرآورده های مختلف از جمله فرآورده های الی بکار می رود. دیزل یا نام های دیگر آن نفت گاز یا گازوئیل یک سوخت مایع آلی است که برای موتورها وتاسیسات حرارتی بکار می رود. محدوده هیدروکربن های آن بین ۲۰C-14C و حتی ۲۵C با دامنه نقطه جوش ۳۸۵-۲۸۰ درجه سانتیگراد است. دیزل یا نفت گاز از سه گروه پارافنیک، نفتیک و آروماتیک تشکیل شده و حداقل نقطه اشتعال C° ۴۵ و ماکزیمم C° ۰ است. دانسیته آن ۸۶۰ کیلوگرم برمترمکعب در دمای C° ۱۵٫۶ است.مهمترین ویژگی آن عدد ستان است که باید بیشتر از ۵۰ باشد تا موتور نرم و بیصدا کار کند. سوخت دیزل اغلب به روش تقطیر جزبه جز نفت مازوت بدست می آید ام روش های نیز برای فرآوری سوخت دیزل بدون بهره گیری نفت وجود دارد که از جمله آنها می توان به زیست دیزل، زیست توده به مایع (LTB) و گاز به مایع (LTG) اشاره داشت که بهره گیری از آنها در جهان رو به افزایش است.در سال های اخیر به دلیل مصرف فزاینده سوخت های فسیلی مانند نفت، گازوئیل و بنزین و کاهش منابع سوخت های فسیلی و مسائل زیست محیطی و قابلیت تجدید ناپذیری اینگونه منابع و افزایش قیمت جهانی سوخت های فسیلی و تاثیر مخرب این سوخت هتا برروی بهداشت انسانی و محیطی باعث شده است ذهن ها به سمت تحقیق و توسعه فرآوری سوخت ها از منابع تجدیدپذیر و تولید سوختهایی همچون بیودیزل و اتانول برود بیودیزل یک سوخت جایگزین است که ازمنابع داخلی و تجدیدپذیر مشتق میشود و بنابراین می تواند باعث کاهش وابستگی به نفت خام خصوصا برای کشورهای وارد کننده نفت خام شود. بیودیزل را می توان از گیاهانی مانند سویا، کلزا،آفتابگردان و دانه های روغنی دیگر و همچنین پسماند روغن های آشپزخانه ای و رستوران ها فرآوری کرد. در این مقاله به بررسی انواع روشهای فرآوری بیودیزل، استانداردها، مزایا، معایب و جنبه های اقتصادی و زیست محیطی میپردازیم. این سوخت را می توان با گازوئیل مخلوط و در خودروهای گازوئیل سوز بکار برد وآثار مثبتی در کاهش آلودگی هوا دارد که توسط سازمان های معتبر جهانی بررسی و تایید شده است.در سال های اخیر تحقیقات متعددی در این زمینه در ایران انجام شده و نتایج موفق و خوبی نیز حاصل شده است. بطور مثال در پروژه ای که با پشتیبانی معاونت علمی و فناوری ریاست جمهوری و مدیریت امیر حسین گلی، عضو هیئت علمی دانشگاه اصفهان در مهرماه ۹۵ به پایان رسید محققان به تولید بیودیزل از روغن گیاهی بازیافتی از خاک رنگبر شدند که بررسی خصوصیات آن در سامانه کامل تست موتور انجام گرفت. به همین منظور ابتدا خصوصیات فیزیکوشیمیایی روغن استخراج شده شامل عدد اسیدی، عدد پراکسید و… تعیین شد وسپس تولید به روش استریفیکاسیون انجام گرفت و در نهایت بیودیزل تولیدی با نسبت ۵ درصد با سوخت دیزل مخلوط شد تا تست موتور انجام شود. نتایج نشان داد که خصوصیات بیودیزل تولید شده شامل نقطه اشتعال، ویسکوزیته دینامیکی و… مطابق با ایتاندارد MTSA بوده و تست موتور نشان دهنده تاثیر مثبت بیودیزل در دور ماکزیمم mpr 2800 روی مصرف ویژه سوخت ترمزی است که بازده حرارتی را به میزان ۳ درصد در مقایسه با دیزل افزایش داد. همچنین در دور mpr 1600 و ماکزیمم گشتاور بیودیزل باعث کاهش انتشار دوده در حدود ۵٫۱۲ درصد نسبت به دیزل در موتور می شود. همچنین مشاهده شد که در گشتاورهای بالا بیودیزل، آلاینده ͯoN بیشتری نسبت به دیزل منتشر می کند.

روش های تولید بیودیزل

بیودیزل را از روغن گیاهی استفاده نشده یا پسماند روغن های استفاده شده فرآوری میشود.بیودیزل از مواد اولیه تمام نشدنی که در داخل کشور تامین میشود تولید میشود. این سوخت، قابل تجزیه و تصفیه بیولوژیکی است که یعنی به اندازه کافی مواد آلی دارد و مواد دیگر آن مانع تجزیه نمی شود و هنگامی که به عنوان یک جزء در ترکیب با جز دیگری استفاده میشود ، نیازمند تغییر کمی در سیستم است و نسبت به گازوئیلی که جایگزینش می شود، سوختی پاک است.روغن های گیاهی می توانند برای تولید ترکیبات شیمیائی- که استر خوانده می شوند- ، با یک الکل (معمولاً متانول) ترکیب شوند. زمانیکه این استرها به منظور سوخت مورد استفاده قرار میگیرند،بیودیزل خوانده شوند. گلیسیرول (که در داروسازی و تولید لوازم آرایش نیز مورد استفاده قرار می گیرد) به عنوان یک محصول فرعی تولید می شود .اخیرا بیودیزل طی فرایندی به transesterification نام انجام می شود.

در این فرآیند روغن گیاهی یا غیرگیاهی از صافی رد می شود، بعد با باز واکنش میدهند تا اسید چرب آزاد آن از بین برود؛ بعد با یک الکل (معمولاً متانول) و یک کاتالیزور (معمولاً هیدروکسید سدیم یا پتاسیم) ترکیب می شود. تری گلیسریدهای روغن برای تشکیل استرها و گلیسرول واکنش شیمیایی انجام می دهند و بعداً از یکدیگر جدا شده و تصفیه می شود. امروزه تولید بیودیزل یکی از نظر ظرفیت بالای تولید سویا وتولیدات مازاد و دیگری از نظر کاهش قیمت نهایی مورد توجه است. اصلی ترین شکل بیودیزل در آمریکا متیل سویات، یا سویای دیزل است که از واکنش متانول با روغن سویا بدست می آید.

معادله شیمیایی اصلی فرآیند تولید بیودیزل

معادله شیمیایی اصلی فرآیند تولید بیودیزل

استفاده از روش دو مرحل های استریفیکاسیون اسیدی و ترانس استریفیکاسیون بازی مناسب ترین روش تولید زیست دیزل از مواد زائد است. در این فرآیندها، ابتدا اسیدهای چرب آزاد موجود در حضور کاتالیزوری اسیدی به بیودیزل تبدیل و در مرحله بعد پس از کاهش درصد اسیدهای چرب آزاد خوراک تا حداکثر حد مجاز (۵/۰% وزنی)، تری گلیسیریدهای موجود در حضورکاتالیزوری قلیایی به بیودیزل تبدیل می شود. سرعت بالای واکنش ترانس استریفیکاسیون و عدم حساسیت فرآیند نسبت به کیفیت خوراک مورداستفاده بزرگترین مزیت این روش است.

در این روش از میان دسته وسیعی از مواد اسیدی و بازی کاتالیزورهای مورد استفاده انتخاب می شود. مقدار کاتالیزوری که نیاز داریم تابعی از میزان اسیدها چرب آزاد است .

نتیجه های بدست آمده از آنالیز واریانس می دهد که دما و زمان بر میزان تبدیل واکنش اثر معنا داری در سطح ۱% را نمایش می دهد. البته تنها در سطح ۵% اثر تقابلی دما در زمان بر میزان تبدیل واکنش،اثر معناداری را نشان می دهد. نتایج حاصل ازمقایسه میانگین ها به روش دانکن، بیانگر این امرست که بیشترین مقدار تبدیل در دمای ۶۵ درجه سانتی گراد و زمان ۹۰ دقیقه حاصل می شود. دراین حالت نیز حساسیت در صد خلوص(درصد تبدیل) نسبت به زمان درزمان های بالاتر کمتر از زمان های اولیه انجام واکنش است که مهمترین دلیل آن نزدیک شدن به نقطه تعادل تبدیل است. با افزایش دمای واکنش درصد تبدیل واکنش افزایش می یابد.

منابع مورد نیاز جهت تولید بیودیزل

منابعی حتی از روغن سویا هم ارزان تر هستند و به عنوان راهی برای کاهش هزینه های تامین مواد اولیه در نظر گرفته می شوند مثل چربی های غیر قابل استفاده حیوانی و روغن سوخته (که بعنوان ” شبه گریس“شناخته می شوند)نیز منابع و ذخایر خوبی هستند. از منابع روغنی دیگر بادام زمینی، پنبه دانه، گل آفتاب گردان و کنولا (گونه ای از دانه شلغم روغنی) نیز هستند. گرچه در میزان انرژی (مشابه اکتان بنزین) یا دیگر مشابهات فیزیکی کمی متفاوت باشند اما استرهایی که از هر یک از این منابع ساخته شده اند می توانند با موفقیت در موتورهای گازوئیلی مورد استفاده قرار گیرند.

-روغن های گیاهی

چربی ها ی حیوانی

-روغن های مستعمل و دورریز پخت و پز

منابع جدیدی مثل جلبکهای دریایی هستند که می شود به صورت خالص یا ترکیب با دیزل نفتی به نسبت ۵% و ۲۰% یا به صورت های دیگر مخلوط میگردد.

روغن زرد ، کره ، دانه های روغنی چای ، الکل ها مثل : متانول و اتانول و کاتالیست ها مثل هیدروکسید پتاسیم ، روغن سویا ، روغن ذرت ، روغن خرما ، روغن پنبه دانه ، روغن آفتابگردان ، روغن نارگیل ، روغن جلبک های دریایی ، روغن های گیاهی تازه یا مستعمل و چربی حیوانات همچنین روغن منابع جدیدی همچون کاملینا که یک گیاه خودرو است از عمده مواد تولید بیودیزل هستند که از روغن های گیاهی که میزان تولید بالا و قیمت مناسبی دارند.یک منبع از همه ی موارد دیگر از میان موارد مذکور مناسب تر است و آن روغن هایی که اسید چرب آزاد بیشتری دارد و به راحتی به زیست دیزل تبدیل می گردد مثل روغن زائد و استفاده شده در صنایع غذایی همچون کارخانجات تولید چیپس و غذاهای آماده و روغن های سوخته ی تولیدی در رستوران های می باشد و روغنی که نقطه ی ریزش یا ابری شدن آن پایین تر از روغن های خام و درصد روان سازی اش از آنها بالاتر است حتی در بعضی موارد استفاده میشود. چون بیشتر_(۹۵%زیست دیزل از منابع گیاهی تامین می شود (۵ درصد از متانول است که از منابع نفتی یا گازی تامین می گردد) بخش عمده ی این ترکیب جهت تولید مجدد بیودیزل از طریق سوختن این ترکیب ها و تبدیل آنها به دی اکسید کربن به طبیعت بازمی گردد. طول عمر سوخت های پایه نفتی بیش از هزارن سال می باشد در حالی که طول عمر این چرخه یکسال است.

چرخه زیستی بیودیزل

مراحل تولید بیودیزل و نمودار عملیاتی آن

تولید بیو دیزل شامل مراحل زیر است:

۱-اول روغن گیاهی یا غیر گیاهی(حیوانی) باید مصرف شود و باقی مانده آن جمع آوری شود و مواد زائد و آب و نمک که درآن موجود است را تصفیه کرد.

۲- بعنوان کاتالیزور واکنش با اضافه کردن ۱ درصد هیدروکسید سدیم و الکل متانول ۱۲ درصد و ۸۷ درصد روغن پایه انجام می شود.

۳- در آخر ۴ درصد الکل ۱۰ درصد کلیسیرول و ۸۶ درصد سوخت در محصولات است و که آنها را به ترتیب وزن و سنگینی می توان از ظرف واکنش خارج کرد.

نمودار عملیاتی تولید بیودیزل

دستگاه تولید بیودیزل

این دستگاه شامل :

میکسر
هواساز
مکنده مواد اولیه
جدا ساز
آبشویی
مهمترین بخش خالص کردن و انجام واکنش فرایند است دراین سیستم که توسط این سیستم انجام می شود.

واحد های تولید بیودیزل

مجموعه تولید بیودیزل شامل واحد های زیر است:

-گرم کن روغن

-راکتور بیودیزل

-مخزن ذخیره بیودیزل با یک واحد پمپ

-واحد غربالگری متانول

-واحد تصفیه کننده

روغن که تصفیه کردیم بوسیله یک جریان وارد گرم کن که تا دمای مورد نیاز گرم شده است, می شود. روغنی که گرم کردیم برای زیست دیزل تولید کنیم وارد سیستم می شود. در راکتور محصولی از آب قلیایی و متانول هم وارد می شوند. با روش ترکیب و پاسخ هیدرودینامیک روغن , متانول , بیو دیزل خام, مخلوطی از بیودیزل واقعی , گلیسیرین و متانول غیر فعال در قسمت خروجی راکتور زیست دیزل بدست می آید.

برای تولید بیودیزل فاز آب جدا و پخش می شود پس برای این کار بیودیزل خام وارد مخزن ذخیره سیستم می شود. زیست دیزلی که باقی می ماند با پمپ به بخش متانول سیستم تولید زیست دیزل وارد می شود که بوسیله مکش خشک می شود. بوسیله واحد تخلیص و فیلتراسیون مجموعه در نهایت زیست دیزل خالص می شود. بوسیله عبوردادن از یک لایه رزینی که رسوب متانول است زیست دیزل پاک می شود. با سیستم فیلتر ناخالصی های مکانیکی گرفته میشود. برای ارائه به مصرف کننده زیست دیزل خالص آماده است.

واحد های تولید بیودیزل

تجهیزات فرآیند تولید بیودیزل و فواید آن ها

تجهیزات فرآیند تولید بیودیزل

مراحل کلی عملکرد راکتور ترانس استریفیکاسیون

۱- آماده کردن روغن های تازه و استفاده شده

خوراک های استفاده شده قبل از انجام واکنش های شیمیایی به منظور حذف کردن ناخالصی مثل آب و تکه های مواد، فرآوری شد. درصد تبدیل واکنش ها و کیفیت محصولهای تولید شده وابستگی زیادی به وجود داشتن آب داشت. آب موجود منجر به عدم پیشرفت واکنش در برخی از حالات می شود . از یک صافی در قسمت خروجی مخزن نگهداری در این قسمت به منظور حذف ذرات ریز استفاده شده است .

۲- تعیین درصد اسیدهای چرب آزاد

برای تعیین کردن نوع روغن پسماند استفاده شده (گریس زرد یا قهوه ای)، بودن یا نبودن اعمال مرحله استریفیکاسیون و تعیین مقدار کاتالیست و واکنشگرهای که نیاز هست لازم بود که درصد اسیدهای چرب آزاد خوراک تعیین شود. برای این کار با استفاده از محلول ۱/۰ نرمال هیدروکسید پتاسیم و معرف فنل فتالئین به تیتراسیون خوراک واکنش می پردازیم.

۳- آماده کردن متوکسید

محلول متوکسید (مخلوطی از واکنش گرهای متانول و کاتالیست قلیایی) را بصورت مکانیکی آماده کردیم چون متانول تولید شده سمی بود. پس از یک همزن مکانیکی با محفظه کاملاً ایزوله برای این کار استفاده کردیم. مواد مورد نیاز در سه دوره تولید بیودیزل با هر دوره آماده سازی متوکسید، تهیه کردیم. جهت جلوگیری از ایجاد جرقه و احتمال اشتعال متانول، به واسطه پایین بودن نقطه اشتعال متانول، تجهیزات الکتریکی مورد استفاده به سیم ارت مجهز شدند.

۴- مرحله استریفیکاسیون

در حضور کاتالیست اسید سولفوریک اسیدهای چرب آزاد با متانول واکنش می دهد و به متیل استر تبدیل می شود. فرآیند نیازمند خروج الکل مازاد و آب تولیدی (عامل ممانعت کننده از اتمام واکنش) است بخاطر اینکه این مرحله چندین مرتبه و به صورت سری گاهی اوقات صورت می گیرد. خارج کردن الکل به روش تقطیر در خلاء بخاطر بالا بودن میزان الکل به انرژی زیادی برای مصرف نیاز دارد. روش ته نشینی که انرژی کمتری مصرف می کند، روش دیگری است که گرچه این روش مدت زمان بیشتری نیاز دارد.

۵- مرحله ترانس استریفیکاسیون

روغن و متانول با حضور کاتالیزور بازی هیدروکسید پتاسیم محصول های زیست دیزل و گلیسیرین در این قسمت از واکنش تولید گردید. در ادامه تحقیق به بهینه سازی عملکرد راکتور می پردازیم بخا طر اینکه مثل اکثر واکنش های شیمیایی موجود، در این واکنش مثل بقیه رآکتور به عنوان قلب واکنش بحساب می آید. بخاطر همین تاثیر مشخصه های دما، مدت زمان واکنش، نسبت مولی الکل به روغن و همچنین شدت اختلاط ارزیابی شد.

۶- بازیافت الکل

تاخیر در جداسازی دو فاز بیودیزل و گلیسیرین در مرحله بعد بخاطر وجود متانول در مخلوط واکنشی بود. متانول مازاد قبل از جداسازی گلیسیرین به همین خاطر در ادامه کار از ترکیب خارج شد.

۷- جداسازی گلیسیرین

در اینجا از روش ته نشینی برای جداسازی گلیسیرین استفاده شده است. سادگی و هزینه پایین آن علت انتخاب این روش است. در مدت زمان ۸۰ دقیقه گلیسیرین به طور کامل ته نشین شد.

۸- آبشو کردن سوخت

از بین بردن صابون تولید شده در طول فرآیند ترانس استریفیکاسیون هدف از آبشو کردن سوخت است. همچنین آبشو کردن سوخت باعث از بین بردن متانول، گلیسرین و کاتالیست باقی مانده در سوخت میشود. در بین روش های مختلف، روش آبشو کردن با دمیدن هوا بازده خیلی بالایی دارد و تعداد دفعه های آبشو کردن را کاهش می دهد .

منابع:

https://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%B2%DB%8C%D8%B3%D8%AA%E2%80%8C%D8%AF%DB%8C%D8%B2%D9%84

https://news.akhbarrasmi.com/news/13950718155195689/%D8%A8%DB%8C%D9%88%D8%AF%DB%8C%D8%B2%D9%84-%D8%A7%D8%B2-%D8%AE%D8%A7%DA%A9-%D8%B1%D9%86%DA%AF%D8%A8%D8%B1-%D8%AA%D9%88%D9%84%DB%8C%D8%AF-%D8%B4%D8%AF/

http://www.daneshju.ir/forum/archive/index.php/t-91677.html

https://www.civilica.com/Paper-CCI01-CCI01_032=%D8%AA%D8%A7%D8%AB%DB%8C%D8%B1-%D8%A7%D8%B3%D8%AA%D9%81%D8%A7%D8%AF%D9%87-%D8%A7%D8%B2-%D8%A8%DB%8C%D9%88%D8%AF%DB%8C%D8%B2%D9%84-%D8%AF%D8%B1-%DA%A9%D8%A7%D9%87%D8%B4-%D8%A2%D9%84%D8%A7%DB%8C%D9%86%D8%AF%DA%AF%DB%8C-%D9%85%D9%88%D8%AA%D9%88%D8%B1-%D8%AF%DB%8C%D8%B2%D9%84.html

https://www.civilica.com/Paper-BIOENERGY02-BIOENERGY02_015=%D8%AA%D9%88%D9%84%DB%8C%D8%AF-%D8%A8%DB%8C%D9%88%D8%AF%DB%8C%D8%B2%D9%84-%D8%A7%D8%B2-%D9%BE%D8%B3%D9%85%D8%A7%D9%86%D8%AF-%D8%B1%D9%88%D8%BA%D9%86-%D9%87%D8%A7%DB%8C-%D8%AE%D9%88%D8%B1%D8%A7%DA%A9%DB%8C.html