9.2 Реакция биодизеля: переэтерификация
Описываемый здесь метод предназначен для производства биодизеля из МЭЖК. Реакция называется переэтерификацией, и процесс проходит в четыре этапа.Первым шагом является смешивание спирта для реакции с катализатором, обычно с сильным основанием, таким как NaOH или KOH. Затем спирт/катализатор вступает в реакцию с жирной кислотой, так что происходит реакция переэтерификации. На рис. 8а показано приготовление катализатора со спиртом, а на рис. 8б показана реакция переэтерификации.
Рисунок 9.8a: Образование метоксида
Нажмите, чтобы увидеть текстовое описание рисунка 9.8a.
Метанол и основание (в данном случае NaOH) объединяют. NaOH Разделяется на ионы в метаноле. -OH реагирует с H метанола с образованием H2O, оставляя -OCH3 реагировать с жирной кислотой. Оба должны быть максимально сухими. Образование воды увеличивает нежелательную побочную реакцию образования мыла.
Кредит: Модуль BEEMS B4
Рисунок 9.8b: Химия производства биодизельного топлива.
Кредит: Модуль BEEMS B4
Катализатор готовят путем смешивания метанола и сильного основания, такого как гидроксид натрия или гидроксид калия. Во время приготовления NaOH распадается на ионы Na+ и OH-. OH- отделяет водород от метанола с образованием воды и покидает CH3O- доступен для реакции. Метанол должен быть максимально сухим. Когда ион ОН- реагирует с ионом Н+, он реагирует с образованием воды. Вода увеличивает вероятность побочной реакции со свободными жирными кислотами (жирными кислотами, не являющимися триглицеридами) с образованием мыла, что является нежелательной реакцией. Также можно использовать ферментативные процессы (называемые липазами); спирт все равно нужен и только заменяет катализатор. Липазы работают медленнее, чем химические катализаторы, имеют высокую стоимость и низкий выход.
После приготовления катализатора триглицерид будет реагировать с 3 молями метанола, поэтому для обеспечения завершения реакции в реакции необходимо использовать избыток метанола. Три присоединенных атома углерода с водородом реагируют с ионами ОН- и образуют глицерин, а СН3 группа реагирует со свободной жирной кислотой с образованием метилового эфира жирной кислоты.
На рис. 9.9 показано необходимое количество химических веществ, необходимых для проведения реакции, а также общий выход биодизельного топлива и глицерина. Количество добавляемого метанола почти вдвое превышает необходимое количество, поэтому реакция идет до конца. Со 100 фунтами жира и 16-20 фунтами спирта (и 1 фунтом катализатора) в результате реакции получится 100 фунтов биодизельного топлива и 10 фунтов глицерина. Реакция обычно протекает при температуре 40-65°C. По мере повышения температуры реакции скорость реакции будет увеличиваться, обычно 1-2 часа при 60°C по сравнению с 2-4 часами при 40°C. Если температура реакции выше 65°C, требуется сосуд высокого давления, поскольку метанол будет кипеть при 65°C. Это также помогает увеличить соотношение метанола и масла. Удвоение соотношения 3 моль спирта к 6 моль приведет к более быстрому и полному завершению реакции.
Рисунок 9.9: Преобразование жирных кислот в биодизель. Обратите внимание на избыток алкоголя.
Кредит: Модуль BEEMS B4
На следующем видео показана замедленная реакция переэтерификации растительного масла в биодизель. Он также включает этапы после реакции выделения биодизеля (9:44).
Изготовление биодизеля
Нажмите здесь, чтобы просмотреть стенограмму видео о производстве биодизеля.
МАРК ХОЛЛ: Здравствуйте. Я Марк Холл из Обернского университета, специалист по возобновляемым источникам энергии. Мы делаем несколько из этих вещей в отношении вариантов энергии, которые вы можете сделать, несколько частей, которые, каждая часть головоломки, что вы можете внести свой вклад в нашу энергетическую независимость, производя этанол, производя биодизель, повышая энергоэффективность в том, как вы работаете. дом.
Сегодня мы поговорим о производстве биодизеля. И у нас есть Лэнс Холл. Лэнс делал биодизель для своей машины. Он купил подержанный Volkswagen на eBay и начал производить биодизель. И ему так понравилось, что он купил новую дизельную машину. И он действительно успешно делал это в течение нескольких лет.
Прежде чем мы пригласим Лэнса, я хотел бы поблагодарить моего друга и коллегу Уолтера Харриса, координатора агентов округа Мэдисон, за то, что снимал нас сегодня. Лэнс, заходи и покажи нам, что ты делал. И поздравления. Вы преуспели в этом.
Несколько лет назад я разговаривал с папой о своей новой работе. И он сказал, ну, Лэнс делал это в течение долгого времени. Я сказал, что? Я этого не знал. Итак, Лэнс, покажи людям, как делать биодизель.
ЛЭНС ХОЛЛ: Хорошо. О биодизеле знают многие. Они читали рассказы. Они провели некоторые исследования. Но, тем не менее, у них все еще нет достаточной уверенности в своей способности на самом деле сделать партию. Итак, я собираюсь показать вам сегодня, как сделать партию биодизеля, только в небольших масштабах, но это легко.
ХОРОШО. Первое, что мы собираемся сделать, это начать с растительного масла. Теперь это будет 800 миллилитров. И не путайте миллилитры с обычными единицами измерения. Это простое преобразование, которое любой может сделать с помощью портативного калькулятора.
Итак, у нас здесь 800 миллилитров. Ну, первое, что мы хотим сделать, это нагреть его. Не беспокойтесь и об этом причудливом оборудовании. Основной элемент этого заключается в том, чтобы нагреть его любым безопасным способом.
А вот эти штуки — магнитные мешалки. Опять же, не беспокойтесь об этом. Просто перемешайте его, пока нагреваете, чтобы все выровнялось. И мы собираемся нагреть это примерно до 130 градусов по Фаренгейту.
МАРК ХОЛЛ: Лэнс, расскажи им, где ты берешь это оборудование.
ЛЭНС ХОЛЛ: Все это оборудование, которое у меня есть в моем магазине, все мои лабораторные вещи, eBay — прекрасное место, где можно найти бывшие в употреблении лабораторные принадлежности, лабораторное стекло. Это магнитные мешалки. Это очень удобно, если у вас есть средства на их покупку. Вы не должны иметь их, конечно. Но мне нравится ими пользоваться.
И это также электронные весы, которые пригодятся, когда вы начнете взвешивать свой катализатор, делая все, что хотите, чтобы измерить точный вес.Там это стоит денег. И это займет некоторое время, так что…
МАРК ХОЛЛ: Лэнс, есть ли другие сайты, интернет-сайты, которые вы могли бы порекомендовать людям, интересующимся производством биодизеля?
ЛЭНС ХОЛЛ: Есть несколько сайтов. Один из самых информативных сайтов о том, что такое биодизель и где он используется, — biodiesel.org. Это сайт Национального совета по биодизелю, там много полезной информации. На самом деле он не расскажет вам, как это сделать, но, надеюсь, это будет один из самых информативных сайтов, на котором вы действительно сможете увидеть, как кто-то делает это, делает партию.
ХОРОШО. Поскольку наше масло нагревается, мы должны смешать нашу смесь метанола с гидроксидом калия. Таким образом, безопасность имеет первостепенное значение при использовании метанола или сильного едкого щелока, гидроксида калия. Метанол может вызвать слепоту или смерть и может всасываться через кожу. И гидроксид калия обожжет вашу кожу, если попадет на вас.
Итак, вот что мы собираемся сделать. Мы возьмем наш метанол и выльем его в контейнер. Маски для лица тоже хороши.
Мы собираемся использовать 175 миллилитров метанола. Это примерно 20% от 800 миллилитров масла. Обычно вы хотите использовать около 20% объема метанола по сравнению с объемом растительного масла.
ХОРОШО. Наш следующий ингредиент — гидроксид калия. Это наша щелочь. Теперь нам нужно сделать быстрый подсчет того, сколько его нам нужно смешать с нашим метанолом, чтобы произошла реакция.
У меня есть хорошая электронная таблица, которую я люблю использовать. Это биодизель-о-матик. Обычно вы можете найти его в Интернете на различных веб-сайтах, посвященных биодизелю. Я собираюсь поднять это.
ХОРОШО. Мы хотим использовать 7 граммов гидроксида калия на каждый литр растительного масла. Итак, вы берете 7, деленное на 0,8. И это дает вам 6,4 грамма.
Упакуйте этот материал вдвое, иначе он впитает влагу. И это убьет ваш процесс.
Итак, мы собираемся использовать нашу шкалу. Мы собираемся обнулить контейнер. И затем мы собираемся положить в него 6,4 грамма.Убедитесь, что у вас есть перчатки.
ХОРОШО. Это наши 6,4 грамма. Закройте это немедленно. Держите его в двойной упаковке. ХОРОШО. Теперь вы возьмете свои 6,4 грамма гидроксида калия и поместите их в свои 175 миллилитров метанола.
Опять же, вы хотите размешать это. При этом нагревать его не обязательно. Просто перемешайте. И перемешивайте это, пока, по крайней мере, гидроксид калия полностью не растворится в метаноле. Вы же не хотите видеть кусочки белых хлопьев гидроксида калия.
Хорошо. Наш гидроксид калия полностью смешивается с нашим метанолом. Мы хотим удалить мешалку. И затем мы просто будем медленно вливать это в наше масло, пока оно перемешивается.
Опять же, вам не нужно иметь причудливое оборудование. Просто налейте его, пока вы перемешиваете его вручную. Но главное делать это медленно.
На рис. 9.10 показана схема процесса производства биодизеля. Образуется глицерин, который необходимо отделить от биодизеля. И глицерин, и биодизель требуют удаления спирта и повторного использования в процессе. Вода добавляется как к биодизельному топливу, так и к глицерину для удаления нежелательных побочных продуктов, особенно глицерина, которые могут оставаться в биодизельном топливе. Промывочная вода отделяется аналогично экстракции растворителем (она содержит некоторое количество глицерина), а следовые количества воды выпариваются из биодизельного топлива. К глицерину добавляют кислоту, чтобы получить нейтрализованный глицерин.
Рисунок 9.10: Схема процесса получения биодизельного топлива с использованием переэтерификации.
Нажмите здесь, чтобы увидеть текстовую альтернативу рисунку 9.10.
Схема процесса получения биодизеля с использованием переэтерификации:
Масло, спирт и катализатор подвергаются переэтерификации. Оттуда они представляют собой смешанные метиловые эфиры, из которых удаляют сырой глицерин. Неочищенный глицерин поступает в сепаратор при нагревании и вакууме, в котором удаляется спирт. Затем он промывается водой и нейтрализуется кислотой для получения нейтрализованного глицерина.Остальные смешанные метиловые эфиры, оставшиеся после переэтерификации, поступают в другой сепаратор, в котором удаляются спирты. Затем они подвергаются экстракции с использованием воды и перемещаются во второй сепаратор под действием тепла и вакуума, который удаляет любую воду. Получается биодизель.
Кредит: Модуль BEEMS B4
Как кратко обсуждалось, исходные реагенты, используемые в процессе, должны быть как можно более сухими. Вода может реагировать с триглицеридами с образованием свободных жирных кислот и диглицеридов. Он также может диссоциировать натрий или калий от гидроксида, а ионы Na+ и K+ могут реагировать со свободной жирной кислотой с образованием мыла. На рис. 9.11 показано, как вода может способствовать образованию свободной жирной кислоты, и что свободная жирная кислота может реагировать с ионом Na+ с образованием мыла. Натрий, который использовался в качестве катализатора, теперь связан с жирной кислотой и непригоден для использования. Это также усложняет разделение и восстановление. Все масла могут естественным образом содержать свободные жирные кислоты. В рафинированном растительном масле содержится менее 1%, в нерафинированном – 3%, в отработанном – 5%, в животном жире – 20%. Животные жиры являются менее желательным сырьем.
Рисунок 9.11: A. Побочная реакция триглицерида с водой. B. Образование свободной жирной кислоты может реагировать с ионами щелочных металлов с образованием мыла.
