Производство на биодизел

Процеси и съоръжения, използвани в процеса на производство на биодизел

       Измененията в климата, екологичните проблеми и най-вече ограничените запаси от петрол, намиращи се във владение на малка група страни износителки, от които зависят всички останали, са сред основните предпоставки за търсенето на подходящи екологосъобразни алтернативи. За една от особено перспективните се приема производството на биодизел. Сред причините за това са както добрите му характеристики, като алтернативно дизелово гориво за автомобилния, автобусния транспорт, за селскостопанската техника и като гориво за промишлеността, така и възможността биодизелът да се произвежда от традиционни за региона маслодайни култури като рапица, слънчоглед и др. Увеличаване на производството и употребата на биодизел е и част от Европейската стратегия за увеличаване на дела на възобновяемите енергийни източници. Съгласно изискванията на Директива 2009/28/ЕО на Европейския парламент и на Съвета на Европа от 23 април 2009 г. и, съответно, на българския Закон за възобновяемите и алтернативните енергийни източници от 1 май 2010 г., цялото количество дизелово гориво на българския пазар трябва да е със съдържание на биокомпонент минимум 2 обемни процента.

Биодизелът като гориво

Биодизелът е биогориво, произведено от растителни масла (сурови или употребявани) или животински мазнини. Той представлява прозрачна течност и е с характеристики, близки до тези на петролния дизел, поради което се счита за особено подходящ като гориво за стандартните дизелови двигатели, без да са необходими допълнителни модификации. Биодизелът може да се използва както в чист вид, така и като добавка към обикновения дизел. Добавянето на биодизел към обикновения дизел не влошава качеството на последния, а дори води до неговото подобряване, твърдят специалисти в областта. Една от причините за това твърдение са по-добрите смазочни качества на биодизела в сравнение с петролния. В състава на биодизела липсва сяра, което елиминира необходимостта от използването на синтетични масла на калиева основа за ограничаване на корозията на двигателя, причинена от кондензация на сярна киселина и серни двуокис и триокис. Биодизелът съдържа 11% кислород, което спомага за по-доброто му изгаряне. При използването на биодизел като алтернатива на петролния, се наблюдават аналогични качества по отношение на мощност и въртящ момент. Биодизелът има по-подходящо за двигателите цетаново число (стойност между 45,8 до 56,9) и почти същата калоричност. Използването на биодизел води до намаляване на емисиите от въглеродни окиси, тъй като при изгарянето му, подобно на останалите биогорива, той отделя само толкова въглероден двуокис, колкото е необходим при растежа на растенията, поради което се приема и за екологично неутрален.

Методи за производство

Основна суровина за производството на биодизел, освен маслодайните култури, са и отпадните (отработени) масла и животински мазнини от заведенията за обществено хранене. Известно е, че мазнините са естери на тривалентния алкохол глицерол и три молекули висши мастни киселини, поради което те са познати и като триглицериди (триацилглицероли).

За производството на биодизел от масла и мазнини се използват основно три процеса - катализирана с основа трансестерификация на маслото, директно киселинно катализирана трансестерификация на маслото, превръщане на маслото в неговите мастни киселини и след това - в биодизел. Преобладаващата част от произвеждания днес биодизел е посредством катализирана с основа трансестерификация. Причините за предпочитането на този процес са предимно неговата икономичност, протичането му при ниски температури и налягане, и осигуряването на процент на преобразуване до 98%.

Процесът трансестерификация

Трансестерификацията представлява процес на химично взаимодействие на триглицериди (масла/мазнини) с алкохол в присъствие на катализатор, при което се образуват моноалкилни естери или биодизел и суров глицерин (фиг. 1). В зависимост от използвания алкохол, биодизелите могат да се разделят на метилов и етилов биодизел.

Като катализатор обикновено се използва калиев или натриев хидроксид. Процесът на алкална катализа най-общо протича през няколко етапа. Първоначално алкохолът се смесва с катализатора, след което тази смес се поставя в затворен съд и към нея се добавя маслото или мазнината. Сместа се поддържа с температура около 70 °С, за да се ускори процесът и да се осъществи реакцията. Препоръчителната продължителност на реакцията е между 1 и 8 часа. След протичането й се обособяват два основни продукта - глицерин и биодизел. Всеки един от тях съдържа съществено количество излишен метанол, използван в реакцията. Глицериновата съставна част е много по-гъста от биодизеловата и двете могат да бъдат разделени чрез просто отсипване, благодарение на силата на тежестта. За подходящо се счита и обработване с центрофуга или хидроциклон. След разделяне на глицериновата и биодизеловата съставна част една от друга, излишъкът на алкохол във всяка от тях се отстранява посредством изпарение или чрез дестилация. Глицериновият вторичен продукт съдържа неизползван катализатор и сапуни, които се неутрализират с киселина и се изпращат за съхранение във вид на нерафиниран глицерин. След отделянето на глицерина, биодизелът може да се подложи на пречистване чрез внимателно измиване с топла вода, за да се отстранят остатъчните катализатор или сапуни, подсушава се и се складира. В някои процеси тази стъпка не е необходима. Обикновено в края на производствения процес се получава чиста кехлибарено-жълта течност с вискозитет, подобен на петролния дизел. В някои системи биодизелът се дестилира в допълнителна стъпка за отстраняване на малки количества цветни частици, като по този начин се произвежда безцветен биодизел.

Най-важните аспекти при производството на биодизел за осигуряване безаварийна работа на дизеловите двигатели са завършване на реакцията и отстраняване на глицерина, катализатора, алкохола и на свободните мастни киселини. Всички тези параметри са специфицирани в биодизеловия стандарт, чрез който се идентифицират параметрите на чистия биодизел (В100), който трябва да се постигне преди употребата му като чисто гориво или преди да бъде комбиниран с петролен дизел. Европейските стандарти, на които трябва да отговаря произвежданият биодизел и чрез които се гарантира неговото качество, са EN 12142 и EN 14124, като вторият е по-популярен и по-често използван, включително и у нас.

Използвани съоръжения

Инсталациите за производство на биодизел включват няколко основни съоръжения, в които протичат процесите, свързани с получаването и обработването на биодизела. За протичане на процеса на трансестерификация се използват различни видове реактори, които най-общо могат да бъдат класифицирани в две основни групи – реактори с прекъснато действие (партидни) и реактори с непрекъснато действие. Втората група реактори от своя страна могат да бъдат категоризирани като реактори с идеално смесване, в които се извършва непрекъснато разбъркване на сместа и реактори с идеално изместване, познати още като тръбни или проточни реактори.

При реакторите с прекъснато действие определено количество реагенти се поставят в реактора, след което той се затваря и се създават необходимите за протичането на реакцията условия (температура, налягане и разбъркване). След изтичане на времето за протичане на реакцията, получените химични вещества се отстраняват от реактора и се изпращат за последваща обработка.

В реакторите с непрекъснато действие, потокът от постъпващи в реактора реагенти е непрекъснат, както и процесът на отвеждане на готовите продукти. Характерно за тези реактори е, че веднъж достигнали стабилно състояние на работа, съставът на напускащите ги продукти се запазва постоянен. При реакторите с идеално смесване, отделните параметри като температура, налягане, концентрация, скорост на химичната реакция се запазват постоянни в целия обем на реактора. За разлика от тях при тръбните реактори тези параметри се променят по дължината на реактора, променя се и химичният състав на сместа с предвижването й през реактора.

Фактори, определящи ефективността на реактора

За процесите, протичащи в реакторите, съществено влияние оказват степента на взаимодействие на реагентите и селективността на протичащата реакция по отношение на получените продукти. Сред факторите, влияещи върху протичането на реакцията и върху селективността, са температурата, налягането, необходимото време за протичане на реакцията и степента на смесване на реагентите. Например, повишаването на температурата води до повишаване на скоростта на реакцията. За процеса на трансестерификация повишаването на температурата не оказва негативно влияние върху селективността на реакцията, но оказва влияние върху работното налягане. Тъй като в случая реакцията протича между вещества в течна фаза, е необходимо налягането в реактора да се поддържа в нива, които да осигуряват запазването на метанола в течна фаза. Това налага повишаването на температурата да е съпроводено и с повишаване на налягането. Важен параметър за реакторите е и степента на смесване. За реакторите с прекъснато действие и за реакторите с идеално смесване, степента на смесване е в пряка зависимост от степента на разбъркване. С увеличаване на скоростта на разбъркване, нараства и степента на смесване на отделните компоненти, което като цяло подобрява работата на реактора. Добре е да се има предвид обаче, че съществува праг, след който допълнителното разбъркване не води до повишаване на ефективността. Принципно, постигането на добро смесване на реагентите е сред предимствата на реакторите с прекъснато действие. Друго тяхно предимство е относително лесното обработване на хомогенни катализатори, каквито са и използваните в трансестерификационната реакция при производството на биодизел. Тези реактори обикновено не се използват при големи производства. За постигането на непрекъснат режим на работа на инсталацията се използват няколко реактора.

За тръбните реактори, степента на смесване се определя от конструктивните особености на реактора и/или от използвания катализатор. Обикновено достигането на добро смесване е по-проблематично, което определя използването предимно на твърди катализатори.

На изхода от реактора се получават на практика два продукта - глицерин и биодизел, които следва да бъдат разделени. Сред използваните за тази цел съоръжения са центрофугите.

Особености на използваните центрофуги

Центрофугите са широко използвани съоръжения за разделяне на дисперсни системи, като например твърди тела и течности, но също така те успешно могат да се използват за разделяне на несмесващи се течности с различна плътност, какъвто е случаят с биодизела и глицерина. Подобно разделяне може да се постигне и чрез използването на утаител, което от икономическа гледна точка е по-доброто решение, но, съответно, и по-ниско ефективното. Използването на центрофуга позволява постигане на по-добри нива на сепарация на продуктите. При центрофугиране разделянето на дисперсните системи е посредством центробежни сили, създавани от центрофугите. Конструктивно центрофугата представлява барабан с плътни или перфорирани стени, поместен в неподвижен кожух. При използването на центрофуги с плътни стени, разделянето се осъществява на принципа на утаяването, а при тези с перфорирани стени - принципа на филтруването.

Центрофугите са много подходящи за инсталации с непрекъснат процес. При избора на центрофуга е добре да се вземат предвид необходимата степен на сепарация в конкретния случай. Необходимо е, също така, размерът на центрофугата да бъде съобразен с вискозитета на течността, тъй като по-вискозните флуиди по-трудно се обработват. В случаите, в които разликата в плътността на разделяните вещества е значителна, се счита, че използването на центрофугиране е по-бързият метод в сравнение с утаяването.

Дестилация

Дестилацията е друг широко използван метод за разделяне на течни еднородни смеси, който намира приложение в производството на биодизел. Този процес е добре познат и използван от векове. Основава се на различната летливост на течностите и се състои в нагряване до състояние на кипене на разделяната смес, отделяне и втечняване (кондензиране) на получените пари. Дестилацията може да бъде проста и последователна. При простата дестилация разделяната смес частично се изпарява, а парите й се улавят и кондензират. В зависимост от поддържаното налягане, простата дестилация бива атмосферна – работи се при атмосферно налягане, и вакуумдестилация, при която се работи под вакуум. Последователната дестилация, на практика, представлява многократно повторение на простата дестилация. Това дава възможност смесите да се разделят по-пълно и да се получават повече или по-малко чисти компоненти.

Процесът на дестилация обикновено протича в дестилационни колони. Те представляват метални цилиндри, изработени като едно цяло или съставени от отделни пръстени. Материалът, от който са изработени, обикновено е стомана, но се срещат и колони от чугун или цветни метали. В зависимост от вътрешното си устройство, дестилационните колони биват колони с пълнежи или колони с тарелки. Предназначението на тарелките и пълнежите е осигуряването на по-голяма контактна повърхнина между фазите в колонния апарат.

Използват се предимно обемно-ротационни помпи

Помпите са друг основен елемент от инсталацията. Принципно, в химичната индустрия най-широко разпространени са центробежните и обемните помпи. В инсталациите за производство на биодизел използването на центробежни помпи се счита за не особено подходящо, поради което се предпочитат обемно-ротационните. От тях най-широко използвани са зъбните (с вътрешно и външно зацепване) и винтовите помпи.

Зъбните помпи са широко използвани при транспортиране на течности с голям вискозитет. Могат да работят с голяма честота на въртене поради липсата на части с праволинейно-възвратно движение. Тялото на помпата обикновено се изработва от лята стомана или чугун. Сред основните предимства на зъбните помпи са простата им конструкция и сигурността при работа, с което се обяснява и широкото им разпространение. Конструкцията им обикновено включва две зъбни колела, от които едното се явява водещо, а другото - водимо. Водещото зъбно колело е закрепено на вал, който се привежда в движение от електродвигател, вследствие на което се задвижва водимото зъбно колело. При това въртене всеки зъб “загребва” порция течност от едната страна (засмукване) и я отправя към изхода (нагнетяване). В зависимост от вида на зацепването, зъбните помпи биват два вида - с външно и вътрешно зацепване. При зъбните бомби с вътрешно зацепване едното зъбно колело е по-голямо от другото и е със зъби, разположени от вътрешната му страна. Другото зъбно колело е с по-малки размери и със зъби, разположени от външната му страна. При помпите с външно зацепване двете зъбни колела са с еднакъв брой зъби, разположени от външната им страна.

Винтовите помпи работят на обемен принцип. Течността постъпва през смукателния отвор към работния винт и вследствие на въртеливото движение преминава по каналите му и се нагнетява през изходния щуцер. Винтовите помпи работят плавно и безшумно, течността се нагнетява без пулсации. Достигат КПД от порядъка на 60 - 80%. Недостатъците им са свързани със сложната технология за изработване на профила на винта и бързото износване на гумената гайка, което ги прави неподходящи за транспортиране на суспензия с абразивни примеси. Корпусът се изработва от лята стомана или чугун.

Центробежните помпи

Принципът на работа на центробежните помпи е елементарен. Течността принудително се въвежда във входа на импелера и с помощта на центробежните сили протича към периферията на работното колело. Сред основните елементи на помпата са тяло на помпата, работно колело, вал, уплътнение на вала. При въртенето на работното колело между лопатките му и протичащата течност се осъществява силово взаимодействие, в резултат на което се осъществява преобразуване на механичната енергия в хидравлична енергия на течността. При този процес в резултат на придадената и от работното колело енергия, течността протича последователно през смукателния канал, работното колело и спиралата към изхода на помпата. Този процес води до понижаване на налягането на входа (вакуум) и повишаване на налягането на изхода на помпата. Високата скорост на протичане на течността през машината позволява задвижването да се осъществява с директно монтиран асинхронен електродвигател. Характерни за центробежните помпи са стабилен дебит и възможност за дроселиране, без да се нарушава нормалното им функциониране. За центробежните помпи, използвани в химичната промишленост, се използват техническите стандарти - ISO 5199 / EN 25199 и ISO 2858 / EN 22858.

Предимства и недостатъци на биодизела

Биодизелът е екологично чисто гориво, допринасящо за намаляване на парниковия ефект. Качествените му показатели са измерими с тези на минералния дизел. Подходящ е за самостоятелна употреба или като добавка към дизеловото гориво. Поради по-високата му пламна температура се счита за по-безопасен за съхранение. Твърди се, че оказва благоприятно въздействие върху двигателите и удължава живота им. Като недостатъци на биодизела се посочват невъзможността да се използва чист биодизел при отрицателни температури, отделянето на по-големи количества азотни окиси, необходимостта от честа замяна на горивните филтри на двигателя, както и замяна на всички гумени материали, влизащи в контакт с биодизела, с метални или от силиконов каучук и др.