Экспериментальное исследование процесса получения биодизельного топлива в присутствии гетерогенного катализатора al 2O 3

УДК 664.8.022

А. Р. Габитова, С. В. Мазанов, Р. А. Усманов

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ БИОДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА В ПРИСУТСТВИИ ГЕТЕРОГЕННОГО КАТАЛИЗАТОРА Al2O3

Ключевые слова: трансэтерификация, биодизельное топливо, вязкость, гетерогенные катализаторы, AI2O3.

Проведено исследование процесса трансэтерификации рапсового масла в среде сверхкритического этанола в присутствии гетерогенного катализатора AI2O3 при молярных соотношениях этанол:рапсовое масло - 18:1 и 20:1. При помощи вязкостной корреляции рассчитано содержание этиловых эфиров жирных кислот.

Keywords: transesterification, biodieselfuel, viscosity, heterogeneouscatalyst, AI2O3.

A study of the transesterification of rapeseed oil with supercritical ethanol in the presence of a heterogeneous catalyst AI2O3 at the molar ratios ethanol: rapeseedoil 18:1,20:1 are made. Using viscosity correlation the content of fatty acids ethyl esters are calculated.

В последние годы наблюдается повышенное внимание к проблемам глобального потепления и истощения ресурсов вызванных огромным потреблением ископаемых ресурсов. Чтобы решить эти проблемы, биомасса набирает все больше внимания международного сообщества в качестве источника возобновляемой энергии. Биодизель получают из растительных масел путем реакции трансэтерификации триглицеридов с метанолом в присутствии катализатора, с получением соответствующих эфиров жирных кислот и глицерина в качестве побочного продукта. Хотя гомогенная катализируемая реакция получения биодизеля сравнительно быстра и достигается высокая конверсия, но имеет серьезные недостатки [1]. Катализатор не подлежит восстановлению и должен быть нейтрализован и отделен от фазы эфиров в конце реакции, следовательно, генерируется большой объем сточных вод. Эти проблемы дают толчок к поиску стабильных и более экологически дружественных твердых гетерогенных катализаторов.

Гетерогенно-каталитическая трансэтерификация является зеленой технологией по следующим причинам: катализатор может быть регенерирован и повторно использован; не образуется большого количества сточных вод; разделение биодизеля и глицерина гораздо проще в сравнении с применением гомогенного катализатора [2,3].

Гомогенная каталитическая

трансэтерификация производит глицерин низкого качества и требует длительного процесса очистки [4-7]. Это увеличивает стоимость конечных продуктов: биодизеля и глицерина. С другой стороны, гетерогенный каталитический процесс трансэтерификации не имеет этих проблем, потому что метанол или этанол не смешиваются с твердым гетерогенным катализатором. В качестве гетерогенного катализатора в данной работе был выбран А1203.

Экспериментальная часть

На кафедре теоретических основ теплотехники КНИТУ создана проточная установка по получению биодизельного топлива, на которой

были проведены экспериментальные исследования, описанные в данной работе [8].

Гетерогенный катализаторА1203 помещался в ячейку каталитического участка реактора. Количество катализатора составляло 2,5% масс. от массы всей смеси. Эксперименты проводились при температуре от 350до 3800С, давлении 15-30 МПа., в течении30 мин. Для удаления избыточного этанола применялся роторный тонкопленочный испаритель [9]. Далее было произведено измерение вязкости очищенного продукта и на основании этих данных определено содержание этиловых эфиров жирных кислот [9,10,11]. Графики зависимости вязкости образцов от времени проведения процесса при молярных соотношениях «этанол:рапсовое масло» 18:1 и 20:1 соответственно, представлены на рис. 1,2.

Рис. 1 - Зависимость вязкости этиловых эфиров жирных кислот от времени проведения процесса с применением гетерогенного катализатора А12Оз

Из графиков на рис.1,2 следует, что с увеличением времени проведения процесса трансэтерификации вязкость получаемого биодизеля снижается, а содержание этиловых эфиров жирных кислот увеличивается. Увеличение молярного соотношения этанол - рапсовое масло также оказывает положительный эффект.

350 С 365 С 380 С

12 18 Время, мин

Рис. 2 - Зависимость вязкости этиловых эфиров жирных кислот от времени проведения процесса с применением гетерогенного катализатора А1203

без катализатора -c AI2O3, 18:1 c AI2O3, 20:1

360 365 370 Температура, С

Рис. 3 - Зависимость вязкости этиловых эфиров жирных кислот от температуры проведения процесса с применением гетерогенного катализатора А1203 и без него

Из рис. 3 следует, что при повышении температуры проведения процесса

трансэтерификации вязкость получаемого биодизеля снижается, особенно в случае применения катализатора А1203.

Заключение

Максимальный выход целевого продукта-этиловых эфиров жирных кислот был получен при температуре реакции 3800С и молярном соотношении этанол-рапсовое масло 20:1 с

применением катализатора А1203, что говорит о целесообразности применения катализатора и этого молярного соотношения исходных реагентов.

Литература

3

Kumar D, Kumar G, Singh PCP. Fast, easy ethanolysis of coconut oil for biodiesel production assisted by ultrasonication. UltrasonSonochem, (2010), 17, 555-9.

Brito A, Borges ME, Garin M, Hernandez A. Biodiesel production from waste oil using Mg-Al layered double hydroxide catalysts. Energy Fuels (2009), 23, 2952-2958.

Chuayplod P, Trakarnpruk W. Transesterification of rice bran oil with methanol catalyzed by Mg(Al)La hydrotalcites and metal/MgAl oxides. IndEngChem Res (2009), 48, 4177-4183.

4. Peng L, Philippaerts A, Ke X, Noyen V, Clippel FD, Tendeloo GV. Preparation of sulfonated ordered mesoporous carbon and its use for the esterification of fatty acids. Catal Today (2010), 150, 140-146.

5. Park YM, Lee JY, Chung SH, Park IS, Lee SY, Kim DK, et al. Esterification of used vegetable oils using the heterogeneous WO3/ZrO2 catalyst for production of biodiesel. BioresourTechnol (2010), 101, 59-61.

6. Furuta S, Matsuhashi H, Arata K. Biodiesel fuel production with solid superacid catalysis in fixed bed reactor under atmospheric pressure. CatalCommun (2004), 5, 721723.

7. De Almeida RM, Noda LK, Goncalves NS, Meneghetti SMP, Meneghetti MR. Transesterification reaction of vegetable oils, using superacid sulfated TiO2- base catalysts. ApplCatal A (2008), 347,100-105.

8. Габитова А.Р., Мазанов С.В., Габитов Р.Р., Усманов Р.А. Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - Т.16. - №20. - С.138-140.

9. Габитова А.Р. Экспериментальное исследование зависимости концентрации этиловых эфиров жирных кислот от вязкости/ А.Р. Габитова, С.В. Мазанов, Р.А. Усманов// Вестник Казанского Технологического Университета. - 2013. - Т.16. - №8. - с. 302-304.

10. P. De Filippis, C. Giavarini, M. Scarsella, M. Sorrentino. Transestererification processes for vegetable oils: a simple control method of methyl ester content. JAOCS, vol. 72, no. 1

11. Sousa F.P., Luciano M.A., Pasa V.M.D. Thermogravimetry and Viscometry for Assessing the Ester Content (FAME and FAEE). - Fuel Processing Technology. - 2013. - V.109. - P.133-140.

350 355

375 380

© А. Р. Габитова - асп. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ, agabitova@inbox.ru; С. В. Мазанов - асп. той же кафедры, serg989@mail.ru; Р. А. Усманов - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, usmanoff@gmail.com.

© A. R. Gabitova - postgraduate student of Heat Engineering department, KNRTU, agabitova@inbox.ru; S. V. Mazanov -postgraduate student of Heat Engineering department, KNRTU, serg989@mail.ru: R. A. Usmanov - Assoc. Prof. of Heat Engineering department, KNRTU, usmanoff@gmail.com.