Skip to main content
SUPERVISOR
Mehdi Kadivar,S.Mohammad Ghoreshi
مهدی کدیور (استاد مشاور) سیدمحمد قریشی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Maliheh Mir
ملیحه میر

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388

TITLE

Experimental and Modeling Investigation of Supercritical Extraction of Essential Oil from Jatropha Seed and its Catalytic Conversion to Biodiesel
alternative fuels with vegetarian basis to be the focus of . The oil composition consists of mainly palmitic, stearic, oleic and linoleic fatty acids which can be changed to biodiesel. One of the usual methods for oil extraction is Soxhlet. But due to liquid solvent toxicity, very high amount of usage and process inability for complete recovery, its application is not recommended. Employing novel method of extraction via supercritical fluid because of different environmental, scientific and economical advantages has attracted the interest of researchers investigating different separation processes. Therefore, supercritical carbon dioxide was used for extraction of Jatropha seeds oil. In this study, the experimental design was applied to carry out extraction process at different operating conditions by response surface methodology (RSM) and central composite design. So the effect of four main extraction variables of temperature, pressure, SC-CO 2 flow rate and dynamic time were investigated on the extraction recovery and yield in the range of 40-60 °C, 200-300 bar, 1-2 ml/min and 40-160 min, respectively. For production of biodiesel from extracted oil, transesterification method was used in which fatty acids were converted to fatty acid methyl esters (FAMEs) by using a catalyst. In this study two certain acidic and alkali catalysts were employed that higher yield for transesterification reaction was obtained via alkali catalyst in contrast to acidic catalyst. The results of extraction and esterification processes are demonstrated in response variables such as extraction yield, oil and biodiesel (the total combination of FAMEs) recovery. Adjusted R 2 for quadratic model of oil recovery was calculated to be 97.6%. Moreover, this value for model of palmitic, stearic, oleic, linoleic methyl esters recovery and biodiesel recovery were obtained to be 90.5, 92.4, 92.0, 92.5 and 95.2%, respectively. In addition to design and data analysis, optimization of operating conditions was also carried out by RSM. Accordingly, optimum temperature, pressure, SC-CO 2 flow rate and dynamic time were obtained to be 55°C, 300 bar, 1.74 ml/min and 160 min, respectively. At the aforementioned optimum conditions maximum oil recovery of 82.7% was achieved. Additionally, at the optimum conditions of 52°C, 300 bar, 1.64 ml/min and 160 min, the maximum recovery of FAMEs (palmitic, stearic, oleic and linoleic) and biodiesel were determined to be 94.7, 75.9, 75.9, 77.7 and 79.4%, respectively. In addition to RSM analysis, mathematical modeling based on differential mass balance for stationery (Jatropha) and mobile (SC-CO 2 ) phases was derived and solved using backward, central and forward finite difference method. The developed model contained a linear equilibrium relationship in Jatropha pores and three parameters such as film mass transfer coefficient, effective diffusivity and axial dispersion coefficient. The modeling predictions were compared with experimental data in which the model was validated due to a very close compatibility (R 2 = 0.967). Furthermore, the aforementioned validated model was utilized for analysis of important extraction variables. In this study, the effect of variables such as dynamic extraction time, temperature, pressure and flow rate of SC-CO 2 on recovery of biodiesel was investigated using the validated model. The experimental and modeling data indicated that higher pressure led to increased recovery. This observation and prediction is due to higher density of SC-CO 2 at elevated pressure which resulted to increased solubility of CO 2 . Moreover, higher CO 2 flow rate also increased the extraction recovery. This trend is because of reduction of film mass transfer thickness around Jatropha particles. Lower film thickness resulted in decreased mass transfer resistance and consequently enhanced mass transfer coefficient. In regard to flow rate, it should be noted that higher flow rate decreases extraction column residence time which obviously has a negative effect on recovery. But in the flow rate operating range of this research, the dual counter effect parameters has a shift toward higher mass transfer coefficient with respect to lower residence time. In addition to two mentioned variables, higher temperature also led to increased recovery. Also in this case other dual counter effect parameters of high FAMEs vapor pressure and low CO 2 density are applicable. In other words, the retrograde solubility phenomenon has the vital role in determining the maximum recovery.
امروزه افزایش تقاضای محصولات نفتی و محدود بودن ذخایر سوخت های حاصل از آن در نواحی خاصی از جهان، توجه محققان را به سوخت های جایگزین با منشأ گیاهی معطوف داشته است. از جمله منابع گیاهی غیر خوراکی برای تولید بیودیزل بذر جاتروفا است، که محتوای روغن آن بین 60-35% می باشد. ترکیبات روغن بیشتر شامل اسیدهای چرب پالمیتیک، استئاریک، اولئیک و لینولئیک است، که قابل تبدیل به بیودیزل هستد. برای استخراج روغن معمول ترین روش استفاده از سوکسله است؛ امّا این روش به دلیل سمّی بودن حلال، مصرف بالای حلال و بازیابی نشدن کامل آن از روغن مناسب نمی باشد. به کارگیری سیال فوق بحرانی در استخراج یک عصاره از گیاه، روش جدیدی است، که به دلیل مزایای زیست محیطی، علمی و اقتصادی، امروزه در فرآیندهای جداسازی مدّ نظر قرار گرفته است. بنابراین، دی اکسید کربن فوق بحرانی جهت استخراج روغن از بذر گیاه جاتروفا به کار گرفته شد. در کار حاضر، طراحی آزمایش ها برای انجام فرآیند جداسازی در شرایط عملیاتی متفاوت، توسط روش رویه پاسخ و طرح مرکب مرکزی صورت گرفت. بدین منظور اثر چهار متغیّر دما، فشار، شدت جریان سیال فوق بحرانی و زمان دینامیک به ترتیب در محدوده های ° C60-40، bar 300-200، ml/min 2-1 وmin 160-40 بر بازدهی و میزان بازیابی استخراج بررسی شده است. برای تولید بیودیزل از روغن حاصل از استخراج، از روش ترانس استری استفاده گردید، که به موجب آن اسیدهای چرب تحت تاثیر کاتالیست به متیل استر اسیدهای چرب تبدیل می شوند. در این مطالعه دو نوع کاتالیست اسیدی و بازی به کار گرفته شد، که استفاده از کاتالیست قلیایی در واکنش ترانس استری بیشترین بازدهی را نشان داد. نتایج حاصل از فرآیند استخراج و روش ترانس استری در قالب بازده استخراج، درصد بازیابی روغن و بیودیزل (مجموع متیل استر اسیدهای چرب) ارائه شده است. مقدار ضریب تشخیص اصلاح شده R 2 (adj) برای مدل درجه ی دوم مربوط به درصد بازیابی روغن، 6/97% محاسبه شد. همچنین این مقدار برای مدل مربوط به درصد بازیابی متیل استر اسیدهای چرب پالمتیک، استئاریک، اولئیک، لینولئیک و بیودیزل به ترتیب، 5/90، 4/92، 0/92، 5/92 و 2/95% مشخص گردید. علاوه بر طراحی و تحلیل داده های آزمایشگاهی، بهینه سازی شرایط عملیاتی نیز توسط روش رویه پاسخ انجام گرفت، که براساس آن با تنظیم شرایط دما، فشار، دبی جریان و زمان به ترتیب در مقادیر °C55، bar 300، ml/min 74/1 و min 160، بیشترین میزان بازیابی روغن70/82% به دست آمد. همچنین در دمای ° C52، فشار bar 300، دبی جریان ml/min 64/1 و زمان min 160 مقدار بهینه برای درصد بازیابی متیل استر اسیدهای چرب (پالمتیک، استئاریک، اولئیک و لینولئیک) و بیودیزل به ترتیب، 74/94، 88/75، 94/75، 74/77 و 38/79% حاصل شد. افزون بر مدل ارائه شده توسط روش رویه پاسخ، یک مدل ریاضی مبتنی بر موازنه جرم دیفرانسیلی نیز برای هر دو فاز سیال و جامد انجام گرفت و با استفاده از روش تفاضل محدود پسرو، مرکزی و پیشرو حل گردید. مدل توسعه یافته شامل یک رابطه ی خطی تعادلی در حفره های جاتروفا و سه پارامتر از جمله ضریب انتقال جرم فیلمی، ضریب نفوذ موثّر، ضریب پراکندگی محوری می باشد. پیش بینی های مدل با داده hy;های آزمایشگاهی مقایسه شد، که صحّت مدل را به سبب تطابق نزدیک آن (967/0= R 2 ) نشان داد. مدل معتبر فوق الذکر برای تحلیل اثر متغیّرهای مهم استخراج (زمان دینامیک، دما، فشار و شدت جریان دی اکسید کربن فوق بحرانی) بر بازیابی بیودیزل به کار گرفته شد. نتایج حاصل از داده های آزمایشگاهی و مدلسازی نشان داد، که فشارهای بالا باعث رشد میزان بازیابی می شوند. این مشاهده و پیش بینی به سبب افزایش دانسیته ی سیال فوق بحرانی در فشارهای بالا است، که افزایش حلالیّت دی اکسید کربن را به دنبال دارد. علاوه بر آن شدت جریان های بالای سیال دی اکسید کربن میزان بازیابی استخراج را افزایش می دهد. این رفتار به خاطر کاهش ضخامت لایه ی اطراف ذره ی جامد و در پی آن کاهش مقاومت انتقال جرم است. البته افزایش شدت جریان به دلیل کاهش زمان ماند تاثیر منفی بر استخراج می گذارد؛ امّا در محدوده ی عملیاتی انجام شده در این رساله، اثر هر دو رفتار، در جهت افزایش بازیابی بیودیزل پیش رفته است. مضاف بر دو متغیّر نام برده شده، دماهای بالا نیز میزان بازیابی را افزایش می دهد. امّا در این مورد دو اثر متقابل فشار بخار بالای متیل استر اسیدهای چرب و دانسیته ی پایین دی اکسید کربن قابل بررسی می باشند. به عبارت دیگر پدیده ی حلالیّت تنزّلی نقش تعیین کننده ای در بیشینه ی بازیابی بیودیزل دارد. کلمات کلیدی: استخراج فوق بحرانی، بیودیزل، جاتروفا، روش رویه پاسخ، مدل ریاضی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی