9.2: Реакція біодизеля- переетерифікація

Last updated
Save as PDF

Page ID: 31887

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

9.2 Реакція біодизеля: переетерифікація

Отже, як ми робимо біодизель?

Описаний тут метод призначений для виготовлення біодизеля FAME. Реакція називається переетерифікацией, а процес відбувається в чотири етапи. Першим кроком є змішування спирту для реакції з каталізатором, як правило, міцною основою, такою як NaOH або KOH. Потім спирт/каталізатор вступає в реакцію з жирною кислотою, так що відбувається реакція переетерифікації. На малюнку 8а показано приготування каталізатора зі спиртом, а на малюнку 8b показана реакція переетерифікації.

Метанол і NaOH виробляють іони натрію, воду і -OCH3. Див. посилання в підписі для текстового опису — Малюнок 9.8а: Освіта метоксиду

Клацніть для текстового опису рисунка 9.8а.

Метанол і основа (NaOH в даному випадку) поєднується. NaOH розділяється на іони в метанолі. -OH реагує з Н метанолу, щоб зробити H2O, залишаючи -OCH3 реагувати з жирною кислотою. Обидва повинні бути максимально сухими. Виробництво води збільшує побічну реакцію милоутворення, яка є небажаною.

*Кредит: BEEMS модуль B4*

Тригліцериди та метанол з каталізатором NaOH виробляють жирні провидці та кліцерин — Малюнок 9.8b: Хімія виробництва біодизеля.

*Кредит: BEEMS модуль B4*

Каталізатор готують шляхом змішування метанолу і міцної основи, такої як гідроксид натрію або гідроксид калію. Під час приготування NaOH розпадається на іони Na+ і OH-. OH- абстрагує водень з метанолу для утворення води і залишає CH ₃ O- доступним для реакції. Метанол повинен бути максимально сухим. Коли ОН- іон реагує з іоном H +, він реагує на утворення води. Вода збільшить можливість побічної реакції з вільними жирними кислотами (жирними кислотами, які не є тригліцеридами) з утворенням мила, небажаної реакції. Також можуть використовуватися ферментативні процеси (звані ліпазами); спирт все ще потрібен і лише замінює каталізатор. Ліпази повільніше хімічних каталізаторів, мають високу вартість і дають низьку врожайність.

Після приготування каталізатора тригліцерид вступить в реакцію з 3 молями метанолу, тому надлишок метанолу повинен бути використаний в реакції для забезпечення повної реакції. Три приєднані вуглеці з воднем реагують з іонами OH- і утворюють гліцерин, тоді як група CH ₃ реагує з вільною жирною кислотою з утворенням метилового ефіру жирних кислот.

Малюнок 9.9 - це графіка необхідної кількості хімічних речовин, необхідних для здійснення реакції та загального виходу біодизеля та гліцерину. Кількість доданого метанолу майже вдвічі перевищує необхідну кількість, тому реакція йде до завершення. З 100 фунтів жиру і 16-20 фунтів алкоголю (і 1 фунт каталізатора) реакція дасть 100 фунтів біодизеля і 10 фунтів гліцерину. Як правило, реакція відбувається при температурі 40-65° C. оскільки температура реакції підвищується, швидкість реакції збільшуватиметься, як правило, 1-2 години при 60° C проти 2-4 годин при 40° C Якщо реакція вище 65° C, необхідна посудина під тиском, оскільки метанол кипить при 65° C. збільшити співвідношення метанолу до масла. Подвоєння співвідношення 3 моль спирту до 6 моль підштовхне реакцію до завершення швидше і повніше.

Перетворення жирної кислоти в біодизель. як описано в тексті — Малюнок 9.9: Перетворення жирної кислоти в біодизель. Зверніть увагу на надлишок алкоголю.

*Кредит: BEEMS модуль B4*

Наступне відео демонструє реакцію переетерифікації рослинної олії в біодизель, що пройшла за часом. Він також включає кроки після реакції, щоб відокремити біодизель (9:44).

Виготовлення біодизеля

Клацніть тут для стенограми створення біодизеля відео.

МАРК ХОЛЛ: Привіт. Я Марк Холл з спеціаліста з відновлюваної енергетики з розширення університету Оберна. Ми робимо кілька таких речей щодо енергетичних варіантів, які ви можете зробити, кілька частин, які, кожен шматок головоломки, ви можете сприяти нашій енергетичній незалежності, виробляючи етанол, роблячи біодизель, будучи більш енергоефективним у тому, як ви керуєте своїм будинком.

Сьогодні ми поговоримо про виготовлення біодизеля. І у нас є Ленс Холл. Ленс робив біодизель, щоб працювати в своїй машині. Він купив б/у Volkswagen з eBay і почав робити біодизель. І йому так сподобалося, що він купив новий дизельний автомобіль. І він був реально успішним робити це протягом декількох років.

Перш ніж ми принесемо Ленса, я хотів би подякувати моєму другові та колезі Уолтеру Харрісу, координатору округу в окрузі Медісон, за зйомки нас сьогодні. Ленс, заходь і покажи нам, що ти робив. І вітаю. Ви досягли успіху в цьому.

Я говорив з татом про свою нову роботу кілька років тому. І він сказав: Ну, Ленс робив це вже давно. Я сказав, що? Я цього не знав. Отже, Ленс, покажи людям, як зробити біодизель.

ЛЕНС ЗАЛ: ГАРАЗД. Про біодизель знають багато людей. Вони прочитали історії. Вони провели деякі дослідження. Але, тим не менш, вони все ще не мають достатньої впевненості в їх здатності насправді зробити партію. Тож сьогодні я покажу вам, як зробити партію біодизеля, лише невеликого масштабу, але це просто.

ГАРАЗД. Перше, що ми збираємося зробити, це почати з рослинного масла. Тепер це буде 800 мілілітрів. І не плутайте між мілілітрами та звичайними одиницями вимірювання. Це просте перетворення, яке будь-хто може зробити за допомогою кишенькового калькулятора.

Отже, ми маємо 800 мілілітрів тут. Ну, перше, що ми хочемо зробити, це нагріти його. Тепер, не турбуйтеся про це фантазії обладнання, або. Основним елементом цього є нагрівання його будь-яким способом, який можна спокійно.

І ці речі тут магнітні мішалки. Знову ж таки, не турбуйтеся про це. Просто перемішайте його, поки ви нагріваєте його, щоб вирівняти речі. І ми збираємося нагріти це приблизно до 130 градусів за Фаренгейтом.

MARK HALL: Ланс, розкажіть їм про те, де ви берете це обладнання.

LANCE HALL: Все це обладнання, яке я маю в моєму магазині, всі мої лабораторні речі, eBay - це чудове місце, щоб знайти використані лабораторні матеріали, лабораторне скло. Це пластини магнітної мішалки. Це дійсно зручно мати, якщо у вас є кошти, щоб купити їх. Ви, звичайно, не повинні мати їх. Але мені подобається ними користуватися.

І це також електронна шкала, яка стане в нагоді, коли ви починаєте зважувати каталізатор, роблячи все, що ви хочете, щоб виміряти точну вагу. Це коштує грошей там. І це займе трохи часу, so—

МАРК ХОЛЛ: Ленс, чи є якісь інші сайти, інтернет-сайти, які ви б рекомендували людям, які зацікавлені у виготовленні біодизеля?

Ленс зал: Є кілька сайтів там. Одним з найбільш інформативних про те, що таке біодизель, де він використовується, є biodiesel.org. Це веб-сайт Національної ради з біодизелю, там багато хорошої інформації. Це не буде дійсно сказати вам стільки, як зробити це, але, сподіваюся, це буде один з більш інформативних сайтів, що ви насправді зможете побачити когось зробити один, зробити партію.

ГАРАЗД. Оскільки наша олія нагрівається, ми повинні змішати нашу суміш гідроксиду калію метанолу. Тому безпека є першорядною при використанні метанолу або сильного їдкого лугу гідроксиду калію. Метанол може спричинити сліпоту або смерть, і він може всмоктуватися через шкіру. А гідроксид калію спалить вашу шкіру, якщо вона потрапить на вас.

Так ось що ми збираємося зробити. Ми збираємося взяти наш метанол і ми збираємося залити це в контейнер. Лицьові щитки теж хороші.

Ми збираємося використовувати 175 мілілітрів метанолу. Це приблизно 20% від 800 мілілітрів олії. Зазвичай ви хочете використовувати близько 20% обсягу метанолу порівняно з об'ємом рослинного масла.

ГАРАЗД. Наступний наш інгредієнт - наш гідроксид калію. Це наш луг. Тепер ми повинні зробити швидкий розрахунок того, скільки цього нам потрібно змішати з нашим метанолом для того, щоб реакція відбулася.

У мене є хороша електронна таблиця, яку я люблю використовувати. Це біодизель-O-Matic. Зазвичай ви можете знайти його в Інтернеті з різних веб-сайтів біодизеля. Я збираюся це підтягнути.

ГАРАЗД. Ми хочемо використовувати 7 грамів гідроксиду калію на кожен літр рослинного масла. Отже, ви візьмете 7, розділених на 0,8. І це дає вам 6,4 грама.

Подвійний пакет з цим матеріалом, інакше він буде вбирати вологу. І це вб'є ваш процес.

Таким чином, ми збираємося використовувати наш масштаб. Ми збираємося нуль контейнер. А потім ми збираємося покласти 6.4 грам в нього. Переконайтеся, що у вас є рукавички.

ГАРАЗД. Це наші 6,4 грама. Негайно закрийте це. Тримайте його в подвійному мішку. ГАРАЗД. Тепер, ви збираєтеся взяти 6,4 г гідроксиду калію і покласти, що в 175 мілілітрів метанолу.

Знову ж таки, ви хочете перемішати це. Нагрівати його, правда, не потрібно. Просто перемішайте. І розмішуйте це до тих пір, поки хоча б гідроксид калію повністю не розчиниться в метанолі. Ви не хочете бачити жодних шматків білих пластівців гідроксиду калію.

Гаразд. Наш гідроксид калію повністю змішується в наш метанол. Ми хочемо зняти смужку перемішування. І тоді ми просто збираємося повільно вилити це в нашу олію, як вона перемішується.

Знову ж таки, вам не потрібно мати фантазійне обладнання. Просто налийте його, як ви перемішуєте його вручну. Але головне - робити це повільно.

На малюнку 9.10 показана схема процесу виготовлення біодизеля. Гліцерин утворюється і повинен бути відокремлений від біодизеля. Як гліцерин, так і біодизель повинні мати спирт видаляти і переробляти в процесі. Вода додається як до біодизелю, так і до гліцерину для видалення небажаних побічних продуктів, зокрема гліцерину, які можуть залишитися в біодизелі. Промивна вода відокремлюється аналогічно екстракції розчинником (вона містить трохи гліцерину), а слідова вода випаровується з біодизеля. Кислоту додають в гліцерин для того, щоб забезпечити нейтралізований гліцерин.

Схема біодизельного процесу з використанням трансестерифікації. дивіться довгий опис нижче — Малюнок 9.10: Схема процесу біодизеля з використанням переетерифікації.

Клацніть тут для текстової альтернативи малюнку 9.10

Схема процесу біодизеля з використанням переетерифікації:

Масло, спирт, каталізатор піддаються переетерифікації. Звідти в них змішуються метилові ефіри, з яких видаляється сирий гліцерин. Сирий гліцерин надходить в сепаратор під нагріванням і вакуумом, в якому видаляється спирт. Потім він проходить промивання водою і нейтралізується кислотою для отримання нейтралізованого гліцерину. Інші інші змішані метилові ефіри від переетерифікації йдуть в інший сепаратор, який видаляє будь-який спирт. Потім вони проходять екстракцію за допомогою води і переміщаються у другий сепаратор під нагріванням і вакуумом, який видаляє будь-яку воду. Це дає біодизель.

*Кредит: BEEMS модуль B4*

Як коротко обговорювалося, початкові реагенти, що використовуються в процесі, повинні бути максимально сухими. Вода може вступати в реакцію з тригліцеридом, утворюючи вільні жирні кислоти та дигліцерид. Він також може дисоціювати натрій або калій від гідроксиду, а іони Na+ і K+можуть реагувати з вільною жирною кислотою, утворюючи мило. На малюнку 9.11 показано, як вода може допомогти утворити вільну жирну кислоту, і що вільна жирна кислота може реагувати з іоном Na+, утворюючи мило. Натрій, який використовувався для каталізатора, тепер пов'язаний з жирною кислотою і непридатний для використання. Це також ускладнює відділення і відновлення. Всі масла можуть природним чином містити вільні жирні кислоти. Рафінована рослинна олія містить менше 1%, тоді як сира рослинна олія - 3%, відпрацьована олія - 5%, а тваринний жир - 20%. Тваринні жири - менш бажана сировина.

вода+тригліцерид може утворювати вільну жирну кислоту, і ця вільна жирна кислота може реагувати з іоном Na+з утворенням мила — Малюнок 9.11: А. побічна реакція тригліцериду з водою. Б. утворення вільної жирної кислоти може вступати в реакцію з іонами лугу з утворенням мила.

*Кредит: BEEMS модуль B4*