Проект відділення трансестерифікації тригліцеридів продуктивністю 5000 т/рік

Abstract

Біодизель – важлива альтернатива традиційному дизельному паливу, пошук якої зумовлений виснаженням природних ресурсів та підвищенням рівня екологічної свідомості людства. Його отримання базується на реакції трансестерифікації тригліцеридів вищих жирних кислот зі спиртом, у результаті чого утворюються естери ВЖК (біодизелю) та гліцерол як побічний продукт [1]. Біодизельне паливо являє собою перспективний процес, вже впроваджений за кордоном, проте актуальним лишається пошук нових та більш економічно доцільних технологічних рішень, які сприятимуть спрощенню наявних схем та методик отримання цього палива, а також вивчення можливостей використання соняшникової олії – важливої сільськогосподарської культури України – як потенційної сировини для виробництва. Об’єкт дослідження – трансестерифікація рослинних олій. Предмет дослідження – тригліцериди соняшникової олії та каталізатори типу NaX, NaY, CaA. Мета дослідження – встановлення оптимальних умов процесу та дослідження впливу обраних каталітичних систем на конверсію тригліцеридів. Дана бакалаврська робота присвячена вивченню процесу трансестерифікації тригліцеридів соняшникової олії метанолом та етанолом. Здійснено огляд літератури, в якому коротко розглянуто основні стадії процесу, а також чинники, які впливають на ступінь перетворення тригліцеридів: молярне співвідношення олії до спирту, тип і концентрація каталізатора, температура та час реакції, масова частка води [2]. Також 5 описано основні види сировини та допоміжних матеріалів. Розглянуто типи каталізаторів та їх поділ на гомо- та гетерогенні, кожен з яких може мати як кислотну, так і основну природу. Окрему увагу приділено перевагам гетерогенних каталізаторів, таким як швидке розділення та очищення кінцевих продуктів, а також можливість регенерації та повторного використання.[3]. В роботі наведено результати досліджень процесу трансестерифікації тригліцеридів соняшникової олії із застосуванням цеолітних каталізаторів NaX, NaY, CaA та визначено вплив останніх на конверсію та початкову швидкість реакції. Встановлено пряму залежність між активністю каталізатора та питомою площею його поверхні, включно з її основністю. Каталізатори з вищим рівнем поверхневої основності забезпечували вищий ступінь перетворення. Показано, що при метанолізі конверсія тригліцеридів досягає 82-95% протягом перших 60 хв, в той час як при етанолізі – 30-60%. Збільшення тривалості реакції до 150 хв впливає лише на транстестерифікацію тригліцеридів етанолом, дозволяючи збільшити конверсію до 40-70%, та майже не впливає на метаноліз. Визначено, що початкова швидкість трансестерифікація метанолом є в близько 1,7-3 рази вищою, ніж із застосуванням етанолу. Показано, що використання каталізаторів NaX та NaY забезпечує в 1,7-3 рази вищу початкову швидкість, ніж каталіз цеолітом CaA. Висвітлено результати розрахунку матеріального та теплового балансу для заданої продуктивності процесу відділення тригліцеридів трансестерифікації 5000 т/рік. Представлено технологічну схему періодичного характеру, яка передбачає повторне використання каталізатора, рециркуляцію непрореагованого спирту та подальшу товарну реалізацію продуктів реакції. Останні розділи присвячено огляду економічної доцільності висвітлених лабораторних досліджень та оцінці небезпек, які можуть 6 виникнути при їх реалізації. Описано основні заходи охорони праці під час знаходження в лабораторії та обраховано загальну вартість експериментів.Biodiesel is a significant alternative to conventional diesel fuel, driven by the depletion of natural resources and the rising environmental awareness of humanity. Its production is based on the transesterification reaction of triglycerides of higher fatty acids with alcohol, resulting in the formation of fatty acid alkyl esters (biodiesel), and glycerol as a co-product [1]. Biodiesel production is a promising process already implemented abroad; however, the search for new and more economically viable technological solutions remains relevant. These solutions aim to simplify existing production schemes and methods. This study also investigates the potential use of sunflower oil – a key agricultural crop in Ukraine – as a feedstock for biodiesel production. Study object – transesterification of vegetable oil. Scope of research – sunflower oil triglycerides and catalysts of the NaX, NaY, CaA. Goal of research – to determine optimal process conditions and examine the impact of selected catalytic systems on triglyceride conversion. This bachelor`s thesis is dedicated to the investigation of the transesterification process of sunflower oil triglycerides using methanol and ethanol. A literature review was conducted, briefly discussing the main stages of the process and the factors affecting triglyceride conversion: the alcohol-to-oil molar ratio, the type and concentration of catalyst, reaction temperature and duration, and water content [2]. The main types of feedstock and auxiliary materials are also described. The work analyzes different types of catalysts, dividing them into homogeneous and heterogeneous categories, each of which may have acidic or basic properties. Special attention is given to the advantages of heterogeneous catalysts, such as ease of product separation and purification, as well as the potential of regeneration and reuse [3]. 8 The thesis carried the results of studies on the transesterification of sunflower oil triglycerides using zeolite catalysts NaX, NaY, and CaA, and evaluates their effects on conversion and initial reaction rate. A direct correlation was established between catalyst activity and its specific surface area, including surface basicity. Catalysts with higher surface basicity provided higher conversion rates. It was shown that in methanolysis, triglyceride conversion reached 82-95% within the first 60 minutes, whereas in ethanolysis it ranged from 30-60%. Extending the reaction time to 150 minutes influenced only the ethanolysis process, increasing conversion to 40-70%, and had little to no effect on methanolysis. It was found that the initial rate of methanol transesterification is approximately 1,7 to 3 times higher than that with ethanol. Futhermore, the use of NaX and NaY provided 1,7 to 3 times higher initial reaction rates than those with CaA zeolite. The thesis also includes the results of material and heat balance calculations for a transesterification process with an annual throughput of 5,000. A batchprocess flow diagram is proposed, which incorporates catalyst reuse, recycling of unreacted alcohol, and the commercial distribution of reaction products. The final chapters assess the economic feasibility of the laboratory research and identify potential hazards that may arise during implementation. Key occupational safety measures for laboratory work are outlined, and the total cost of the experiments is calculated.