Свойства биодизеля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВО «Уральский государственный лесотехнический университет»

Кафедра технологии и оборудования лесного производства

Реферат по дисциплине

“ Основы энергосбережения в лесопромышленном производстве”

Биодизель

Берсенёв Михаил Фёдорович

Екатеринбург, 2017

Введение

Одна из основных задач современной политики с области транспорта - охрана и защита окружающей среды. Транспорт является ключевым сектором энергопотребления в развитых странах, на который используются около 30% энергоресурсов. В то же время этот сектор почти полностью зависит от нефтепродуктов, из которых производится 98% топлива. При этом доля транспорта как источника углекислого газа чрезвычайно высока - 28% от общих выбросов [3]. Повышение концентрации углекислого газа приводит к развитию парникового эффекта. Также не следует забывать, что нефть является невозобновляемым ресурсом. По расчетам некоторых ученых, человечество уже исчерпало половину мировых запасов нефти.

Наметившиеся экологические проблемы и исчерпаемость традиционных источников топлива обусловили актуальность поиска альтернативных источников энергии. В связи с этим наметился ряд направлений по замене экологически опасного дизельного топлива и бензина на экологически чистое топливо, в первую очередь - биодизель.

Цель данной работы - на основании анализа научной литературы рассмотреть биодизель как перспективную замену традиционному дизельному топливу.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

- изучить основные технологические принципы производства биодизеля;

- определить, что может служить сырьем для производства биодизеля;

- выделить преимущества и недостатки биодизельного топлива.

Раздел 1. Технология производства биодизеля

Биодизель - это метиловый эфир жирных кислот, получаемый переэтерификацией (трансэтерификацией) жиров растительного, животного и микробного происхождения. Это горючий материал, который может заменить традиционное дизельное топливо, получаемое в результате переработки нефти.

Реакция этерификации - одна из наиболее исследованных и широко применяемых органических реакций. Впервые ее изучение было предпринято П.Бертло в 1862 году. Реакции этерификации широко распространены в живых клетках, например, при образовании сложноэфирной связи между нуклеотидами в нуклеиновых кислотах. Частный случай реакции этерификации - переэтерификация сложных эфиров спиртами, карбоновыми кислотами и другими сложными эфирами, приводящая к образованию сложного эфира, который отличается по составу от исходного [4].

R'COOR'' + R'''OH = R'COOR''' + R''OH,

R'COOR'' + R'''COOH = R'''COOR'' + R'COOH,

R'COOR'' + R'''COOR'''' = R'COOR'''' + R'''COOR''.

В процессе получения биотоплива растительные или животные масла или жиры переэтерифицируются метанолом, этанолом или изопропиловым спиртом в присутствии гидроксида калия или натрия в приблизительных пропорциях 200 кг спирта на 1 тонну масла при температуре 60оС и нормальном давлении (рис.1). Эфиры глицерина разрушаются, глицерин заменяется на более простые спирты - метанол и, реже, этанол.

Рисунок 1 - Реакция переэтерификации

После отстоя жидкость разделяется на две фракции: тяжелую и легкую. Тяжелая фракция представляет собой глицерин, который выделяется как побочный продукт, а легкая - метиловый эфир (рис.2) [7]. Из глицерина делают моющие средства, жидкое мыло, фосфорные удобрения.

Рисунок 2 - Принципиальная схема производства дизельного биотоплива

Для получения качественного биотоплива необходимо выполнение ряда условий:

1. После переэтерификации содержание метиловых эфиров должно быть выше 96%.

2. Для быстрой и полной переэтерификации метанол берется в избытке, поэтому полученные метиловые эфиры необходимо очистить от него.

3. Перед использованием метиловые эфиры необходимо очистить от продуктов омыления водой или сорбентом.

4. Полученные эфиры высушивают, чтобы не допустить развития микроорганизмов.

5. Рекомендуется хранить биодизель не более 3 месяцев - после этого срока он начинает разлагаться [7].

Катализируемый щелочами процесс переэтерификации при атмосферном давлении протекает без проблем, если исходные масла или жиры свободны от воды и содержат меньше 0,5% свободных жирных кислот. Масла и жиры, содержащие большое количество свободных жирных кислот, могут быть переэтерифицированы в отсутствие катализаторов, но в сверхкритическом метаноле (при температуре 310--340 °С и давлении 12,4--28,6 МПа) [2]. Идут разработки гетерогенных процессов получения биодизеля с использованием твердых кислотно-основных катализаторов: ионообменных смол, оксидов металлов (CaO, ZnO, SrO, MgO/Al2O3), цеолитов.

Пристальное внимание уделяется процессу ферментативной переэтерификации с участием биокатализаторов - липаз, приготовленных на основе клеток микроорганизмов [2]. Преимуществами использования катализатора липазы являются:

- способность катализировать переэтерификацию триглицеридов и этерификацию свободных жирных кислот одновременно;

- возможность повторного использования катализатора;

- снижение токсичности производства, отсутствие необходимости нейтрализации катализатора;

- отсутствие образования мыла, минимальное содержание воды в образовавшемся биодизеле и глицерине [10]

Биодизель могут смешивать с дизельным топливом. Применение смеси, содержащей до 5% биодизельного компонента, не требует внесения изменений в двигатель [7]. Однако растительные эфиры отличаются агрессивностью ко многим материалам, используемым в двигателях и топливной системе автомобилей. Последнее время в ряде стран выпускают автомобили, которые могут работать на смеси нефтяного топлива с 20% биотоплива, а иногда и на чистом биодизеле. В США смесь биодизеля с дизельным топливом обозначают буквой В. Цифра при букве означает процентное содержание биодизеля: В2 - 2 % биодизеля, В100 - 100% биодизеля [2]. В Германии, Австрии, Франции и Италии доля биодизеля составляет около 5% от общего топливного рынка.

Энергоемкость биодизеля составляет около 88-95% от традиционного дизельного топлива.

Раздел 2. Сырье для биодизеля

Сырьевая база для производства биодизеля отличается большим разнообразием. Масло может быть получено практически из любой масличной культуры. Более 150 видов масляных растений (рапс, соя, хлопок, оливы, пальмы, подсолнечник, земляные орехи, лен, горчица, рицина, фундук, бук, ятрофа) - это шанс для разных географических регионов самостоятельно решить свои энергетические проблемы [3].

Растительная биомасса является первичным источником энергии на Земле. С точки зрения сельхозпродукции, потребителей и экологов, это идеальный вид сырья, которому не грозит истощение, как в случае с нефтью, углем и газом [4].

В Европе и Канаде основным сырьем для производства биодизеля служит рапс [7]. Рапс - техническая масличная культура, урожайность которой составляет 24-26 центнеров с гектара. Из одной тонны рапса можно получить 300 кг рапсового масла, а из масла, в свою очередь, - около 270 кг биодизельного топлива. Рапсовое масло представляет собой смесь жиров - эфиров жирных кислот с глицерином. Сами по себе растительные масла как топливо не используются.

Метиловый эфир рапсового масла по физико-химическим характеристикам близок к дизельному топливу; при его использовании не требуется подогрев топлива. При переработке рапса кроме масла образуется рапсовый шрот, идущий в корм сельскохозяйственным животным [3].

В Бразилии и США биодизель получают из сои, в тропических и субтропических странах - из пальмового, кокосового масла и масла ятрофы. В Малайзии уже несколько лет действует завод по производству пальмового биодизеля производительностью 60000 тонн в год.

Одной из перспективных масличных культур является микроводоросль. Существует более 30 000 видов микроводорослей. Они растут в течение всего года (в 100 раз быстрее, чем деревья) и имеют короткий жизненный цикл. Масса микроводорослей за сутки увеличивается вдвое. Для роста им требуется легкодоступное сырье: солнечный свет, вода, диоксид углерода и питательные вещества (микродозы фосфорных и азотных удобрений).

Микроводоросль в 8-25 раз превосходит по потенциальному энергетическому выходу пальмовое масло и в 40-120 раз - рапсовое масло. Производительность микроводорослей может достигать 15 000 галлонов (1 американский галлон - 3,785 л) биодизельного топлива с 1 акра в год (1 акр - 4046,86 м2). Однако у этой технологии еще остается множестве проблем и, несмотря на разработки, в промышленное производство она не попала [4].

Главным недостатком растительного сырья является высокая энергоемкость общего производственного цикла (урожай - конечный продукт): расход энергии достигает 40 % произведенного количества энергии [4]. При выборе сырья для производства биотоплива необходимо учитывать экономические показатели. До сих пор стоимость биодизеля выше, чем стоимость дизельного топлива, причем стоимость сырья достигает 80% от суммарной стоимости конечного продукта. Стоимость биодизеля можно снизить, если использовать отходы производства: отработанное растительное масло, рыбий жир, животные жиры и т.д.

Таким образом, производство биодизеля может решить проблему переработки отходов, объем которых постоянно увеличивается. В России ежегодно накапливается до 520 млн тонн органических отходов животноводства и 220 млн тонн отходов растениеводства (67 млн т и 147 млн т по сухому веществу соответственно) [4].

Объем одного только отработанного масла после жарки продуктов в странах ЕС составляет 700-1000 тыс.т.в год. Многократное использование масла для приготовления пищи приводит к его химическим и физико-химическим превращениям, в частности, к накоплению токсичных соединений, опасных для здоровья. При переработке отработанного растительного масла в биодизель, наличие токсичных примесей становится не столь актуальным. По мнению исследователей, для технологии получения биодизеля основное негативное значение имеет наличие в сырье свободных жирных кислот и воды. Исследования в этом направлении только начинаются [6]. биодизель топливо этерификация

Потенциальным источником дополнительных энергоресурсов могут быть жиросодержащие отходы мясной промышленности. Ежегодно на мясоперерабатывающих предприятиях России скапливаются около 150000 тонн жировых отходов. Основными компонентами животных жиров являются стеариновая, олеиновая и пальмитиновая кислоты. Согласно расчетам [5] теоретический выход эфиров жирных кислот в реакции этерификации с использованием этанола может составить до 900 кг с 1 тонны жирового сырья. В работе [8] разработана технологическая схема производства биодизеля из жиросодержащих рыбных отходов.

Раздел 3. Плюсы и минусы биодизельного топлива

Главное достоинство биодизеля в том, что он способствует сокращению выбросов углекислого газа в атмосферу. При сгорании биодизеля выделяется ровно столько СО2, сколько было потреблено растением, которое является сырьем для биодизеля, в процессе накопления биомассы. В это же время при использовании традиционного дизельного топлива на минеральной основе в атмосферу выбрасывается огромное количество СО2, получаемого из углеводородов, которые миллионы лет находились в земле в виде нефти [3].

Благодаря растительному происхождению биодизель не содержит бензол и ароматические углеводороды. Он биологически безвреден. 1л нефтяного дизельного топлива способен загрязнить 1 млн.л питьевой воды и привести к гибели водной флоры и фауны. Биодизель не причиняет вреда растениям и животным, подвергается почти полному биологическому распаду. За 28 дней микроорганизмы перерабатывают 98% биотоплива [3].

Несмотря на отсутствие серы биодизель обладает хорошими смазывающими свойствами, в то время как минеральное дизельное топливо при устранении из его состава сернистых соединений теряет смазывающие способности. Это объясняется химическим составом биодизеля и содержанием кислорода. Хорошая смазка увеличивает срок работы двигателя. Биодизель воспламеняется при температуре значительно выше 100 оС, что позволяет говорить о его относительной безопасности [3].

Жмых, полученный в результате производства биодизеля, может быть использован в качестве корма для скота, что позволяет более полно утилизировать растительную биомассу [7].

Кроме существенных преимуществ по сравнению с традиционными ресурсами, биодизель имеет ряд недостатков:

1. Несмотря на кажущуюся простоту реакции переэтерификации, технологический процесс получения биодизеля протекает с образованием ряда нежелательных промежуточных и побочных продуктов, например, эфиров линоленовой кислоты, которые могут полимеризоваться с образованием высокомолекулярных соединений. Если не удалить после окончания реакции соединения калия и натрия, которые используются в качестве катализаторов, они могут вызвать расщепление метиловых эфиров с образованием свободных жирных кислот - сильных коррозионных агентов [3]. Фосфор, содержащийся в маслах в виде фосфолипидов, может отравлять нейтрализаторы выхлопных газов автомобилей.

2. Расширение производства биодизеля, вместо того, чтобы решить существующие экологические проблемы, может привести к возникновению ряда новых. Преобразование лесных площадей с целью производства сельскохозяйственных культур для биотоплива или замена сельскохозяйственных культур сырьем для биотоплива могут привести к высвобождению большого количества углерода, и пройдут годы, прежде чем баланс восстановится за счет снижения выбросов в результате замены ископаемого топлива биотопливом. Отчуждение больших земельных участков под производство сырья для биодизеля и использование повышенных доз средств защиты растений может привести к биодеградации и снижению качества почв [7].

3. Производство биотоплива из сельскохозяйственных растений будет конкурировать с пищевым сектором экономики, что негативно отразится на социальной сфере [1,9].

4. Метанол, используемый для переэтерификации, большей частью производится из природного газа. Таким образом, биодизель только частично производится из возобновляемого сырья [4].

Рынок сбыта биодизеля, технологий и оборудования для его производства активно развивается, и, возможно, часть проблем, связанных с биодизилем, удастся решить в ближайшее время.

Выводы

1. В последнее время все более широкое распространение получает производство альтернативного биотоплива - биодизеля на основе растительных и животных жиров. С химической точки зрения он представляет собою смесь метиловых (этиловых) эфиров насыщенных и ненасыщенных жирных кислот, которая обладает свойствами, близкими к свойствам стандартного дизельного топлива. Получают биодизель с помощью реакции переэтерификации, которая протекает в присутствии катализаторов или в условиях высокой температуры и давления.

2. Сырьем для производства биодизеля могут быть любые масла растительного и животного происхождения, отходы пищевой и мясоперерабатывающей промышленности

2. Биодизель представляется одним из лучших вариантов решения проблемы дефицита углеводородного топлива и ограничения эмиссии диоксида углерода. Основными его достоинствами являются экологическая чистота, биоразлагаемость и возобновляемость. Главный недостаток - ограниченный срок хранения - три месяца. Несмотря на преимущества биодизеля на данный момент его производство занимает малый сектор экономики развитых стран.

Литература

1. Альтернативное растительное сырье для производства биодизеля /С.М.Каленская [и др.]// Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. - 2013. - № 6. - С.31-39

2. Биокаталитические гетерогенные процессы переэтерификации растительных масел в биодизель / Г.А.Коваленко [и др.] //. Катализ в промышленности. 2014. № 6. С. 71-79

3. Булатников В.В. Биодизель и проблемы экологии / В.В. Булатников // Стандарты и качество. -2009. - № 10. - С. 36-39

4. Виноградова, А.В. Биотехнология топлива: учеб. пособие / А.В. Виноградова, Г.А. Козлова, Л.В. Аникина. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. - 212 с.

5. Жиры хороши только в топливном баке. Переработка жиров в биодизель как возможное решение проблемы производства энергии из возобновляемого сырья / Д.Г. Горохов, М.И.Бабурина, А.Н.Иванкин, Н.А.Горбунова // Все о мясе. - 2008. - № 2. - С. 30-33

6. Зернина И.А.О возможности утилизации отработанного растительного масла путем переработки на биодизель / И.А. Зернина, В.В.Вольхин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Химическая технология и биотехнология. - 2009. - Т. 10. - С. 16-25

7. Ляшко Ф.Е. Альтернативные источники энергии. Биодизель. / Ф.Е.Ляшко, Е.Б. Уланов // Проблемы машиностроения и автоматизации. - 2009. - №2. - С.84-91

8. Мукатова М.Д. Обоснование и разработка технологии производства биодизеля из жиросодержащих рыбных отходов / М.Д.Мукатова, Н.Т. Чан // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Рыбное хозяйство. - 2012. - № 2. - С. 158-163

9. Рыбкин С.А. Перспективы использования биотоплива в гражданской авиации / С.А.Рыбкин, С.А.Попова//Научный вестник МГТУ ГА. - 2015. - № 214. - С.114-118

10. Чан Т.Н. Обоснование и разработка режима и параметров процесса получения биодизеля из жировых отходов с использованием ферментного катализатора липаза /Т.Н.Чан, М.Д.Мукатова // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Рыбное хозяйство. - 2013. - № 1. - С.201-205

Размещено на Allbest.ru