Analiza procesului de fabricare a combustibilului Biodiesel prin transesterificarea uleiurilor vegetale

Analiza procesului de fabricare a combustibilului Biodiesel prin transesterificarea uleiurilor vegetaleCoordonator stiintific: Absolvent: Prof.Dr.Ing Grigore BOZGA Pirvu Florentina-CorinaAlexandru Tuluc

Buna ziua, ma numesc Pirvu Corina si va voi prezenta lucrareaAnaliza procesului de fabricare a combustibilului Biodiesel prin transesterificarea uleiurilor vegetale realizata sub indrumarea Prof.dr.ing G.Bozga. 1CuprinsDespre biodieselObtinere biodieselMecanismul reactiei de transesterificare in mediu anhidruCinetica in cataliza omogena bazicaTermodinamica reactiei de transesterificareTehnologii de obtinere biodieselInstalatia de obtinere biodieselBilant de materialeDimensionare reactor. Bilant de materialeBilant termic Predimensionare utilajeConsideratii economice

Despre biodieseleste un amestec de esteri (m)etilici ai acizilor grasipoate fi folosit singur sau in amestec cu motorina drept combustibil pentru motoarele Dieseldensitatea biodieselului variaz n intervalul 848 885 kg/m3viscozitate marecifra cetanica mai mare ca a motorinei

Biodieselul este un amestec format din esteri ai acizilor grai cu alcooli alifatici inferiori, folosit drept combustibil in motoarele Diesel. 3Materii primeUleiuri vegetale(comestibile/necomestibile)Uleiuri de gatit uzateGrasimi animaleAlge

Proprietati CaracteristicaUnitate masuraEN 14214ASTM D6751LimiteLimiteMinimmaximminimmaximContinut de ester%(m/m)96.5---Densitate la 15Ckg/m3860900--Viscozitate cinematica la 40Cmm2/s3.551.96Punct de inflamabilitateC101-130-Continut de sulfmg/kg-10--Cifra cetanicamg/kg51-47-Continut de apah-500--Contaminare totalamg KOH/g-24--Stabilitate la oxidare la 110Cg iod/100 g6---Indice de aciditate%[m/m]-0.5-0.8Indice de iodg iod/100 g-120--Continut in linolenat de metil%[m/m]-12--Continut de esteri metilici ai acizilor grasi cu mai mult de 4 legaturi duble%[m/m]-1--Continut de methanol%[m/m]-0.2--Continut de monogliceride%[m/m]-0.8--Continut de digliceride%[m/m]-0.2--Continut de triglyceride%[m/m]-0.2--Continut de glicerina libera%[m/m]---0.02Continut total de glicerina%[m/m]-0.25-0.24Continut de metale alkaline (Na+K)mg/kg-5--Continut de metale (Ca+Mg)mg/kg-5--Continut de fosformg/kg-10-1

Avantaje/ Dezavantajebiodegradabil si nu este toxicnu contine sulf si substante aromaticecifra cetanica mare

pompare dificila din cauza viscozitatii mariculturile pentru producerea acestuia necesita teren arabildurata de pastrare mica (8luni)

Productia mondiala

Figura 1- Evolutia productiei mondiale de biodiesel (mii de tone)Se poate observa ca piata mondiala este dominata de Europa, urmatoarea tara cu o productie semnificativa fiind Statele unite. SE presupune ca pana in 2017 productia de biodiesel va fi in continua crestere.7Ciclul de viata al biodieselului

8ObtinerePrin transesterificarea uleiurilor vegetale

unde R1=R2=R3=R si reprezinta un rest .Trigliceridele sunt transformate n etape la digliceride, monogliceride i n final glicerin. n fiecare etap, pentru o molecul de triglicerid, se formeaz cte o molecula de ester metilic sau etilic i se consum cte o molecul de alcool. Cele 3 etape inglobeaza reactia principala de transesterificare. Pe durata procesului de transesterificare, triglicerida reactioneaza cu alcoolul in prezenta unui catalizator(NaOH) si rezulta biodieselul si glicerina.Transesterificarea are ca dezavantaj depozitarea glicerinei.9Mecanismul reactiei in mediu anhidru

Indiferent de natura catalizatorului metoxid sau hidroxid de sodiu in absenta apei , catalizatorul propriu zis este anionul metoxid, reactia de transesterificare avand loc dupa urmatorul mecanism: 10Cinetica in cataliza omogena bazicaS-au propus in literatura expresii specifice reactiilor omogene

unde k este constanta de viteza, C concentratia molara iar T, D, M, G, MeOH, FAME fac referire la triglicerida, diglicerida, monoglicerida, glicerina, metanol, esteri metilici.

11

Termodinamica reactiei de transesterificare

SubstantaTrioleinaDioleinaMonooleinaMetanolGlicerinaMetil oleatEntalpia de formare standard, kJ/kmol-18.4-14.2-9.1-2.01-5.85-6.26Reactia Triglicerida --> DigliceridaDiglicerida --> MonogliceridaMonoglicerida --> GlicerinaEntalpia de reactie standard, 103, kJ/kmol-585-100Se observa ca reactia de transesterificare a trigliceridei si monogliceridei sunt exoterme, in schimb reactia de transesterificare a digliceridei este endoterma. Reactia globala este exoterma.13Tehnologii de obtinere biodieselProcedeul Institutului Francez de Petrol

Obtinerea biodieselului prin transesterificarea trigliceridelor nu reprezinta o tehnologie complicate, dar difera de la caz la caz prin conditiile de lucru-temperatura,presiune, tip si concentratie, catalizator,raport,reactanti, agitare etc.Institutul Francez de Petrol foloseste intr-unul din procedee un sistem catalitic lichid omogen de catalizatori bazici ca hidroxizii de sodiu, potasiu sau metoxidul de sodiu cu exces de metanol.

14Procedeul Firmei Bayer

Firma Bayer a elaborat un procedeu continuu de obtinere a biodieselului pe catalizatori heterogeni. Conform acestui procedeu reactia de transesterificare are loc la temperatura ridicata (apropiata de punctul de fierbere al biodieselului) care asigura viteze mari de reactie (conversie completa intr-un singur stadiu) si posibilitatea distilarii produsilor de reactie.

15Instalatia de obtinere biodiesel

S-a proiectat o instalatie cu o productie de 40.000 t/an. Materiile prime(NaOH, MeOH, ulei) sunt introduse in reactor dupa care in sectia de separare se vor separa faza usoara si faza grea. Din faza usoara rezulta biodieselul si vapori de metanol care se recircula, iar faza grea este glicerina care se purifica indepartand sapunurile.16Sectia reactie/separareAmestecarea este foarte importanta in procesul de obtinere a biodieselului, fiindca reactantii sunt nemiscibili iar reactia are loc la interfata celor doua faze (lichide).

Daca amestecarea este mai intensa atunci si suprafata de contact va fi mai mare. De aceea s-a ales un reactor cu amestecare perfecta.

Amestecul rezultat in urma reactiei trebuie separat pentru recuperarea metanolului, separarea biodieselului si a glicerinei, acest lucru se realizeaza prin doua coloane de separare.Amestecare importanta : fiindca reactantii sunt nemiscibili iar reactia are loc la interfata celor doua faze (lichide). Daca amestecarea este mai intensa atunci si suprafata de contact va fi mai mare. De aceea s-a ales un reactor cu amestecare perfecta.

17Bilanturi de materialeIntrriIeiriDebitConcentratie/DebitConcentratie/Curentmasic/Componeni[fraciiCurentmasic/Componeni[fracii[kg/h]masice][kg/h]masice]0,0000Oleat de0,9894Metil oleatmetilGlicerin0,0000Glicerin0,000914870Metanol0,0000W1004885Metanol0,0010Triolein1,0000Triolein0,0066Diolein0,0000Diolein0,0012Monoolein0,0000Monoolein0,00100,0000Oleat de0,0058Metil oleatmetilGlicerin0,0000Glicerin0,956818532Metanol1,0000W101517.3Metanol0,0090Triolein0,0000Triolein0,0214Diolein0,0000Diolein0,0039Monoolein0,0000Monoolein0,0031Total5402Total5402.2Bilantul de materiale al instalatiei a fost calculat si cu ajutorul simulatorului Aspen HYSYS Materia primaConsum specific kg/kg biodieselTrioleina0.99Metanol0.10Catalizator0.15Curentii de metanol si ulei reprezinta intrarile iar iesirile gliceirna si biodieselul.18In interiorul acestuia are loc reactia de obtinere a biodieselului care se desfasoara in trei etape:TG + MeOH D + ME D + MeOH M + MEM + MeOH G + ME.

Expresiile de viteza ale reactiilor sunt urmatoarele:vR1 = k1CTGCMeOH - k1CDCME vR2 = k2CDCMeOH k2CMCME vR3 = k3CMCMeOH k3CGCME Dimensionare reactor. Bilant de materiale.Reactorul utilizat pentru instalatia de obtinere a biodieselului este unul de tip autoclava cu amestecare.Cele 3 viteze sunt echivalente.

19prima reprezinta viteza de consumare trigliceride, iar urmatoarele 2 reprezinta viteza de formare a di- respectiv monogliceridelor.

20Se vor introduce 3 ecuatii pentru a se putea rezolva un sistem de 6 ecuatii cu 6 necunoscuteNecunoscutele sunt cele 3 grade molare de avansare , volumul reactorului si debitele de metanol si triglicerida.Sistemul a fost rezolvat cu ajutorul programului Matlab , pe baza metodei numerice Newton Rapson, care este o metoda iterativa de calcul.21Au rezultat urmatoarele valori:

Conversie trioleina, %99Volum reactor , m310,13Raport inaltime/diametru, propus1.5Grad umplere reactor, %75Diametru, m2Inaltime, m4

S-a considerat raportul diametrului si al inaltimii reactorului egal cu 1.5, astfel ca ecuatia de mai sus va deveni:Aici necunoscuta este diametrul care s-a calculat cu ecuatia: 22Bilantul termicFormula generala:Q=GmCpt

UtilajDebit masic (Gm),[ kg/h]Cp , [kJ/kgK]tQ, [kW]t intraret iesireIncalzitor E-10058962.11128.2560109.77Incalzitor E-10158962.24260126.9245.65Racitor E-102471.61.60212047.58152.2Condensator coloana T-10025.301.42447.5413.033.457Refierbator coloana T-10048952.270118.5160128.09Condensator coloana T-10141.151.42447.5423.037.74Refierbator coloana T-101542.92.788108.717025.77

Pentru fluidele care schimba caldura sensibila, ecuatia cu care se calculeaza debitul termic este : Rezultatele pentru bilantul termic al schibmatoarelor de caldura din instalatie este prezentat in tabelul de fata23Predimensionarea utilajelor

Predimensionarea schimbatoarelor de caldura consta in calcularea ariei de transfer termic necesare. Pentru aceasta se utilizeaza relatia24In acest tabel este prezentata predimensionarea condensatoarelor si refierbatoarelor celor 2 coloane de separare din instalatie.25tS300 tD1088 t1388Diametru vas, m2Lungime vas, m8

L , Pas1.4810-3L , kg/m3803.2LG , kg/m31048Predimensionare separatorului se face pe baza timpului de stationare a fluidului in utilaj acesta se calculeaza cu relatia... unde tD.....In Tabel sunt prezentate proprietatile lichidul usor si cel greu. Calculul diametrului si a lungimii s-a realizat cu utilitarul Vessel sizing din simulatorul de proces si au rezultat datele pe care le observati in tabel...26Consideratii economiceCapitalul pentru proiectarea si construirea fabricii gata de pornire reprezinta capitalul fix, acesta incluzand costurile directe si indirecte.ItemFluideF1 - cost echipamente achizionate1F2 - instalarea echipamentelor0.47F3 - instrumente P&I0.18F4 - tevi0.66F5 - sistem electric0.11F6 - cladiri, servicii0.18F7 amenajari curte fabrica0.10F8 - alte servicii si facilitati0.70F9 - teren0.06Cost direct3.46 PCEF10 - inginerie si supraveghere0.33F11 - cheltuieli de constructie0.41Cost indirect0.74PCEF12 - taxa contractant0.21F13 - accidente0.42Capital fix4.83 PCECost punere in functiune0.86Cost total de investitii 5.69PCE

Putem spune despre un proiect daca este bun sau nu dupa efectuarea calculului tehnico econimic. In lucrarea de fata s-au atins costurile de investitie si de operare. In tabel sunt prezentate toate costurile ce inglobeaza costul total de investitie (PCE).271.COSTURI DIRECTE , euro/anMaterii prime(10-50% )cost total de operareMana de lucru(10-20%)cost total de operareSupraveghere directa(20% cost personal fabrica)Utilitati(10-20% cost total de operare)Reparatii si mentenanta10 % cost fixLivrari1% Fc(6% cost personal fabrica)Taxe de laborator20% cost personal fabricaBrevete si drepturi de autor0-6 % cost total de operareTOTAL~60% cost total de operare2.COSTURI FIXE , euro/anDepreciere(amortizare)10% cost fix echipamente, 2-3%Fc-cladiriTaxe locale1-4% cost fixAsigurare0.5-1 % cost fixChirie8-12% din chiria terenului si a cladirilorTOTAL 10-20% cost total de operare3.COSTURI FABRICA, euro/an include servicii medicale si de siguranta, cantina, laborator, depozitare, etc.

Costul de operare este constituit din costuri directe, costuri fixe si costuri generale de fabricatie. Costul total de operare(euro/an)37.004.000 se raporteaza la productia de 40000 t/an si rezulta pretul biodieselului de 925 euro/tona de biodiesel28ConcluziiProductia mondiala de biodiesel este in continua crestere

Instalatia de fata produce biodiesel ce se apropie de standardul ASTM 14214

Obtinandu-se din surse regenerabile reprezinta un combustibil de viitor

VA MULTUMESC PENTRU ATENTIE!