SUPERVISOR
S.Mohammad Ghoreshi,Ali akbar Dadkhah
سیدمحمد قریشی (استاد راهنما) علی اکبر دادخواه (استاد مشاور)
STUDENT
Peyman Moein
پیمان معین
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Biodiesel Synthesis from Waste Vegetable Oil via Supercritical Methanol Method
Biodiesel is an alternative fuel for diesel engines which is defined as a fuel comprised of mono alkyl ester of long chain fatty acids produced by chemically reacting a vegetable oil or animal fat with an alcohol such as methanol. It is a non-toxic, biodegradable, relatively less inflammable fuel compared to the normal diesel. Biodiesel is also essentially free of sulfur and aromatics that produces lower exhaust emissions than normal diesel. Because of high cost of edible vegetable oils such as canola, soybean, and corn, it seems that commercialization of biodiesel production from edible vegetable oil is not economically favorable, while using waste vegetable oil as the feedstock, which is much less expensive than edible vegetable oil, can reduce the costs of biodiesel production. In addition, the conversion of waste vegetable oil into fuel also eliminates the environmental impacts caused by the harmful disposal of these waste oils. Transesterification or alcoholysis is the reaction of a fat or oil with an alcohol to form biodiesel and glycerol. Transesterification reaction can be performed with alkali, acid or enzyme catalyst. The homogeneous alkaline and acidic catalyst processes have complex and energy-consuming separation and purification steps. Supercritical methanol is a method of transesterification reaction without the presence of catalyst in the process. The absence of catalyst in the process, leads to simpler separation and purification steps of biodiesel. The addition of co-solvents, such as carbon dioxide, propane and hexane can decrease the operating temperature, pressure and the amount of alcohol. The Response Surface Methodology was applied to analyze the effect of four independent variables (molar ratio of methanol to oil, reaction temperature, pressure and time) on the yield of the biodiesel production in supercritical methanol method. CO 2 was used as a co-solvent and pressure enhancer, simultaneously. Waste vegetable oil was used as raw material and transesterification reaction was performed in a supercritical batch reactor. The central composite rotatable design was used to maximize the yield of the biodiesel. The optimal values of variables were determined by RSM and genetic algorithm to be 33.8:1 (methanol/oil molar ratio) 271.1°C, 23.1 MPa and 20.4 min reaction time for the maximum predicted yield of 95.27% (g/g). The Response surface analysis showed that the data were adequately fitted to second-order polynomial model (R 2 =98.6%). The all linear and quadratics terms, as well as the interaction between molar ratio-time and temperature-time, had significant effects on the biodiesel yield. Molar ratio of methanol to oil from 10 to around 34 had a positive effect on the yield, but beyond 34 had a negative effect. The yield of the biodiesel was increased with higher temperature up to around 271°C, but in upper temperatures beyond 271°C a gradually reduction was occurred in the biodiesel yield.CO 2 pressurehad a positive effect on the yield, but for the pressures up to around 23 MPa, a gradually reduction in biodiesel yield was observed. Biodiesel yield was increased in longer reaction times due to the extent of transesterification reaction progress. Moreover, an irreversible first order kinetic model was successfully correlated to the experimental transesterification data with 3.37 (s -1 ) and 31.71 (kJ/mol) as the frequency factor and activation energy of the process. Key Words: Biodiesel, transesterification, supercritical methanol, waste vegetable oil, optimization, response surface methodology.
بیودیزل به عنوان یک نوع سوخت برای موتورهای دیزلی، شامل آلکیل استر اسیدهای چرب زنجیره بلند بوده که توسط انجام یک واکنش شیمیایی بین روغن گیاهی یا چربی حیوانی با یک الکل مانند متانول بدست می آید. بیودیزل یک سوخت غیر سمی و زیست تجزیه پذیر بوده و اشتعال پذیری کمتری نسبت به دیزل معمولی دارد. همچنین به طور کلی بیودیزل دارای گوگرد و آروماتیک ها نبوده و آلودگی کمتری نسبت به دیزل معمولی تولید می کند. به نظر می رسد به دلیل قیمت بالای روغن های گیاهی مانند کانولا، سویا و ذرت، تجاری سازی تولید بیودیزل از روغن های گیاهی به صرفه ی اقتصادی نباشد؛ درحالیکه استفاده از روغن پسماند خوراکیبه عنوان ماده اولیه که دارای قیمت بسیار کمتری نسبت به روغن های خام است، می تواند هزینه ی تولید بیودیزل را کاهش دهد. علاوه برآن تبدیل روغن پسماند خوراکی به سوخت می تواند مانع از اثرات مخرب ناشی از رهاسازی آن به محیط زیست شود. ترانس استریفیکاسیون یا الکل دار کردن واکنش بین یک روغن یا چربی با یک الکل به منظور تولید بیودیزل و گلیسرول است. واکنش ترانس استریفیکاسیون می تواند توسط کاتالیست های قلیایی، اسیدی یا آنزیمی انجام شود. فرآیندهای کاتالیستی قلیایی و اسیدی همگن نیاز به مراحل جداسازی و خالص سازی پیچیده ای داشته که عموماً با مصرف انرژی زیادی نیز همراه است.روش متانول فوق بحرانی فرآیندی برای انجام واکنش ترانس استریفیکاسیون بدون حضور کاتالیست در محیط واکنش است.عدم حضور کاتالیست در فرآیند، سبب ساده تر شدن فرآیندهای جداسازی و خالص سازی بیودیزل خواهد شد. اضافه کردن کمک حلال هایی مانند دی اکسیدکربن، پروپان و هگزان می تواند دما و فشار عملیاتی و همچنین مقدار الکل مصرفی را کاهش دهد. به منظور بررسی اثر چهار متغیر مستقل (نسبت مولی متانول به روغن، دما، فشار و زمان انجام واکنش)بر روی بازده تولید بیودیزل به روش متانول فوق بحرانی، روش سطح پاسخ استفاده شد. ازدی اکسیدکربن همزمان به عنوان کمک حلال و عامل افزاینده فشار استفاده گردید. روغن پسماند خوراکی به عنوان ماده اولیه برای تولید بیودیزل استفاده شده و واکنش ترانس استریفیکاسیون در یک راکتور ناپیوسته در شرایط فوق بحرانی الکل انجام شد. برای رسیدن به ماکزیمم بازده تولید بیودیزل از طرح مرکب مرکزی دوران پذیر استفاده شد. مقادیر بهینه ی متغیرهای عملیاتی، توسط روش سطح پاسخ و الگوریتم ژنتیک محاسبه گردید. نسبت مولی متانول به روغن 8:1/33، دمای °C1/271، فشار MPa 1/23 و زمان واکنشmin 4/20 به عنوان شرایط بهینه عملیاتی برای رسیدن به ماکزیمم بازده پیش بینی شده ی تولید بیودیزل (% 27/95) محاسبه شدند. آنالیز سطح پاسخ نشان داد که مدل درجه دوم می تواند به خوبی داده های تجربی را برازش کند (%60/98 = ). تمام ترم های خطی، مربع و ترم های متقابل نسبت مولی-زمان و دما-زمان به عنوان متغیرهای تأثیرگذار بر بازده تولید بیودیزل در نظر گرفته شدند. نسبت مولی متانول به روغن از 10 تا حدود 34 اثر مثبتی بر بازده داشته ولی در مقادیر بیشتر از 34 اثر این متغیر بر بازده تولید منفی بوده است. بازده تولید بیودیزل با افزایش دما تا°C271 افزایش یافته ولی در دماهای بالاتر، بازده تولید اندکی کاهش یافته است. فشار CO 2 اثر مثبتی بر بازده تولید بیودیزل داشته ولی در فشارهای بالاتر از حدود MPa 23 اندکی کاهش در بازده تولید بیودیزل مشاهده شده است. بازده تولید بیودیزل در زمان های بیشتر واکنش به دلیل کامل تر شدن واکنش ترانس استریفیکاسیون افزایش یافته است.علاوه برآن یک مدل سینتیکی واکنش درجه اول برگشت ناپذیر برای انجام واکنش ترانس استریفیکاسیون متانول فوق بحرانی جهت پیش بینی رفتار سیستم، به کار گرفته شد که توانست به خوبی داده های تجربی را برازش کند. مقادیر ضریب تابع نمایی (k 0 ) و انرژی فعالسازی واکنش مربوط به معادله ی آرنیوس به ترتیب s -1 37/3 و kJ/mol 71/31 محاسبه شدند. کلمات کلیدی بیودیزل، ترانس استریفیکاسیون، متانول فوق بحرانی، روغن پسماند خوراکی، بهینه سازی، روش سطح پاسخ