Перспективы переработки растительных масел на биодизель

1.Физико-химические показатели растительных масел и дизельного топлива

Цетановое число – характеристика воспламеняемости дизельного топлива, определяющая период задержки горения рабочей смеси (т.е. свежего заряда) (промежуток времени от впрыска топлива в цилиндр до начала его горения). Чем выше цетановое число, тем меньше задержка и тем более спокойно и плавно горит топливная смесь.

Йодное число - масса йода (в г), присоединяющегося к 100 г органического вещества

Кислотное число — количество миллиграмм гидроксида калия (KOH), необходимое для нейтрализации всех кислых компонентов, содержащихся в 1 г.

Коксуемость – способность давать твёрдый кокс при нагревании без доступа О₂

Зольность – содержание негорючих минеральных примесей, в % от сухой массы

Теплота сгорания масел, МДж/кг: рапсовое – 40,2; подсолнечниковое – 39,65? Соевое – 39,6; арахисовое – 40,9; кукурузное – 39,4; хлопковое – 39,7.

Основные химические реакции при переработке растительных масел на биодизель

Ацидолиз

Если в реакцию вступает сложный эфир и кислота, то в результате получается новый эфир. Он содержит остатки вступившей в реакции. Кислоты и спирт исходного эфира. Это означает, что произошёл обмен ацильными радикалами между триацилглицеринами и кислотой. Этот обмен называется ацидолиз.

Использование продуктов ацидолиза в качестве биодизельного топлива нецелесообразно.

Реакция переэтерификации

Это обмен ацилами при взаимодействии молекул двух разных сложных эфиров.

Без катализаторов переэтерификация протекает лишь при температур 250 ⁰С и выше. В качестве катализаторов применяют серную кислоту, сульфокислоты, щёлочи, алкоголяты, некоторые металлы (цинк, олово). При применении этих металлов переэтерификация протекает быстро при температуре 210-230 ⁰С. Однако использование продуктов ацидолиза в качестве биодизельного топлива нецелесообразно.

Реакция алкоголиза

Это реакция между сложным эфиром и спиртом, в результате которой образуются новые сложные эфиры. В состав этих эфиров входит спирт и остаток кислоты исходного эфира. При алкоголизе происходит переход ацильных радикалов эфира к молекуле спирта. В зависимости от используемого спирта различают несколько типов алкоголиза: метанолиз, глицеролиз и др. Алкоголиз протекает только в присутствии катализатора, без которого реакция возможна только при температуре 250⁰С. Реакцию Алкоголиза можно представить следующим суммарным уравнением:

Реакции алкоголиза природных растительных масел приводят к образованию кроме глицерина сложных метиловых эфиров высших алифатических кислот, имеющих меньшую молекулярную массу (чем у трацилглицеринов), а значит и меньшую вязкость и температуру кипения. Именно продукты реакции алкоголиза в настоящее время находят техническое применение, например, для получения биодизельного топлива. Получение метиловых эфиров называется метанолиз триацилглицеринов растительных масел. Существующие методы получения метиловых эфиров растительных масел сводятся к использованию трёх основных способов в зависимости от применяемого катализатора:

1. метанолиз триацилглицеринов растительных масел в присутствии гомогенного щелочного катализатора,

2. в присутствии гомогенного кислотного катализатора,

3. в присутствии гетерогенного катализатора

Схема реакции метанолиза проходит в 3 стадии:

1. триацилглицерин + метиловый спирт ↔ диацилглицерин + метиловый эфир высшей алифатической кислоты

2. диацилглицерин + метиловый спирт ↔ моноацилглицерин + метиловый эфир высшей алифатической кислоты

3. моноацилглицерин + метиловый спирт ↔ глицерин + метиловый эфир высшей алифатической кислоты

Реакция носит обратимый характер.

Рис.1. Схема производства биотоплива с растворителем тетрагидрофуран (ТГФ, или THF)

По данной схеме принципиально можно организовать непрерывный процесс. Реакция метанолиза проводится в 2 ступени последовательно в трубчатых реакторах, в которых достаточно 10 минут времени пребывания реагентов. После выхода из реакторов металон и тетрагидрофуран (растворитель) вместе отгоняются, конденсируются и возвращаются в реакторы. Глицериновую и эфирную фазы отделяют центрифугированием, промывают, промывную воду отделяют центрифугированием, продукты сушат и получают биодизельное топливо и глицерин. В реакторах не нужны мешалки и нагрев. Оптимальное отношение объёма масла к растворителю 1:0,5. В случае присутствия в реакционной массе воды тетрагидрофуран образует азеотропы и для их разделения потребуется более сложная экстрактивная дистилляция. Этот подход требует дополнительных затрат на оборудование и энергию для последующего разделения (например удаление растворителя). Кроме того, нежелательные вещества, которые присутствуют в компонентах реакции, могут из-за изменения условий растворения попасть в продукт – биотопливо