تعیین بهترین شرایط تولید پیوسته سوخت زیستی در راکتور لوله‌ای دارای همزن ثابت و بهینه‌سازی پارامترهای مؤثر در فرآیند به کمک روش طراحی آزمایش تاگوچی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشکده گاز، گروه فناوری‌های تصفیه گاز، پژوهشگاه صنعت نفت، تهران، ایران

2 دانشکده مهندسی شیمی و نفت، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

چکیده

کاهش سطح ذخایر نفتی و تغییرات قیمت سوخت‌های فسیلی و تأثیر سوء گازهای ایجادشده از احتراق آن‌ها، باعث افزایش روزافزون ارزش و اهمیت سوخت زیستی شده است و توجه زیادی را به خود جلب کرده است. سوخت زیستی که از سوخت‌های پاک بوده و از منابع تجدید پذیری مانند روغنی و گیاهی ساخته می‌شود، برای جایگزینی سوخت‌های فسیلی انتخاب مناسبی است. در این تحقیق بررسی تولید پیوسته سوخت زیستی از خوراک روغن سویا و متانول به روش ترانس استریفیکاسیون در حضور کاتالیست همگن بازی (هیدروکسید سدیم) و بهینه‌سازی پارامترهای مهم و تأثیرگذار در فرآیند تولید مدنظر قرار گرفت. راکتور مورد استفاده، راکتور لوله‌ای مجهز به همزن ثابت با بازدهی بالا و شرایط عملیاتی قابل‌کنترل با هزینه ساخت پایین است. در طراحی این راکتور از ترکیب مزایای چند راکتور دیگر بهره برده شده است؛ و درنتیجه موفق به دست‌یابی به درصد تبدیل واکنش 72/94% در زمان‌ماند min 61/1 شد. همچنین پارامترهای مؤثر در این فرایند شامل دما، شدت‌جریان، نسبت مولی الکل به روغن و درصد کاتالیست به کمک طراحی آزمایش با روش تاگوچی در سه سطح متفاوت بهینه‌سازی شد. درصد تبدیل واکنش در نقطه بهینه محاسبه‌شده توسط آنالیز واریانس برابر 53/98% هست که این مقدار در نقطه عملکرد بهینه بعد از ادغام فاکتور دما برابر 02/98% می‌شود.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Determination of the Best Conditions for Continuous Production of Biodiesel in the Plug Flow Reactor Containing a Static Mixer and Optimization of Parameters by Taguchi Experimental Design Method

نویسندگان [English]

  • Mina Adibi 1
  • Davood rashtchian 2
  • mohsen azadfar 2
1 Gas Transportation and Processing Technology Development Division, Research Institute of Petroleum Industry (RIPI), Tehran, Iran
2 Chemical Engineering Department, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

Reduction in the oil reserves’ levels,  the variation of fossil fuel prices and GHG have led to grow the value of attention to biodiesel. Reserves of fossil fuels are running out and should have proper alternative for them. Environmental benign and renewable properties of biodiesel make it consider suitable candidate to replace fossil fuels. In this study, continuous production of biodiesel and optimization of important and influential parameters have been investigated. The method was concluded of trans-esterification of soya oil with methanol as feed in presence of homogeneous catalyst of NaOH. A plug flow reactor containing a static mixer with high efficiency, low cost and controllable operating conditions was used. The reactor was designed as it used the combination of advantages other reactors to achieve %94.72 conversion at 1.61minute.  Four factors including; (1) the methanol/oil molar ratio, (2) flow rate of feed, (3) the reaction temperature and (4) the catalyst percent in 3-level were optimized by Taguchi experimental design. The optimized conversion point which was obtained by ANOVA method at %98.53 was converted to 98.02% after merging the temperature factor.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Biodiesel Production
  • Transesterification
  • Basic Homogeneous Catalyst
  • Taguchi Experimental Design
  • Static Mixer Reactor

[1]. Marchetti J. M., Biodiesel Production Technologies, NOVA 2010.##

[2]. BP, B.P., Statistical Review of World Energy, June, 2006.##

[.]. یزدانی آ. و ادیبی م.، "چالش‌های تولید و استفاده سوخت زیستی به عنوان جایگزینی برای سوخت‌های فسیلی مجله فرایند نو"، شماره 51، صفحه 5، پاییز 1394.##

[4]. http://en.wikipedia.org.##

[5]. Bart J. C., Palmeri N., and Cavallaro S., “Biodiesel science and technology: from soil to oil,” Woodhead Publishing Ltd. 2010.##

[6]. Komers K., Skopal F. and Čegan A., “Continuous biodiesel production in a cascade of flow ideally stirred reactors. Bioresource technology,” Vol. 101, Issue 10, pp. 3772-3775, 2010.##

[7]. Qiu Z., Zhao L. and Weatherley L., “Process intensification technologies in continuous biodiesel production,” Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, Vol. 49, Issue 4, pp. 323-330, 2010.##

[8]. Lodhar H. and Jachuck R., “Intensified biodiesel reaction using continuous rotating tube reactor technology,” in Proceedings of the AIChE Annual Meeting, Salt Lake City, USA. 2007.##

[9]. Qiu Z., J. Petera and Weatherley L., “Biodiesel synthesis in an intensified spinning disk reactor,” Chemical Engineering Journal, Vol. 210, 1, pp. 597-609 2012.##

10. عباسی سوها ش.، "بررسی آزمایشگاهی تولید بیودیزل با استفاده از روغن سوخته در فرآیند کاتالیستی ناهمگن"، محیط زیست. دانشگاه صنعتی شریف، 1390.##

[11]. Chen Y. H., Huang, Y. H., Lin R. H., Shang N. C., Chang C. Y., Chang C. C., Chiang P. C. and Hu C.Y., “A continuous-flow biodiesel production process using a rotating packed bed,” Bioresource Technology, Vol. 101, Issue 2, pp. 668-673, Janu. 2010.##

[12]. http://www.nu-industries.com/our-technology.php.##

[13]. Kraai G.N., van Zwol F., Schuur B. and de Vries J. G., “Twophase (bio) catalytic reactions in a tabletop centrifugal contact separator,” Angewandte Chemie International Edition, 47(21): pp. 3905-3908, 2008.##

[14]. Feng, Y., Zhang D., Liu T., Chen S., Miao M., Cheng J., Zhang A. and Chen S., “A continuous process for biodiesel production in a fixed bed reactor packed with cation-exchange resin as heterogeneous catalyst,” Bioresource Technology, Vol. 102, Issue 3, pp. 3607-3609, 2011.##

[15]. Hsieh L. S., Kumar U. and Wu J., “Continuous production of biodiesel in a packed-bed reactor using shell–core structural Ca(C3H7O3)2/CaCO3 catalyst, Chemical Engineering Journal, Vol. 158, (2): pp. 250-256, 2010.##

[16]. Halim S. F. A., Kamaruddin A. H. and Fernando W., “Continuous biosynthesis of biodiesel from waste cooking palm oil in a packed bed reactor: optimization using response surface methodology (RSM) and mass transfer studies,” Bioresource Technology, Vol. 100, (2): pp. 710-716, 2009.##

[17]. Thompson J. and He B., “Biodiesel production using static mixers Transactions of the ASABE,” Vol. 50, (1), pp. 161-165, 2007.##

[18]. Boucher M. B., Weed C., Leadbeater N. E., WilhiteB. A., Stuart J. D. and Parnas R. S., “Pilot scale two-phase continuous flow biodiesel production via novel laminar flow reactor− separator,” Energy & Fuels, Vol. 23, (5): pp. 2750-2756, 2009.##

[19]. Santacesaria E., Turco R., Tortorelli M., Russo V., Di Serio M. and Tesser R., “Biodiesel process intensification by using static mixers tubular reactors,” Industrial & Engineering Chemistry Research, Vol. 51, (26): pp. 8777-8787,2011.##

[20]. Alamsyah R., Armansyah H. Tambunan, Y. Aris Purwanto and Dadan Kusdiana, “Comparison of static-mixer and blade agitator reactor in biodiesel production,” Agricultural Engineering International: CIGR Journal, Vol. 12, No. 1, 2010.##

[21]. Phan A. N., Harvey A. P. and Rawcliffe M., “Continuous screening of base-catalysed biodiesel production using New designs of mesoscale oscillatory baffled reactors,”. Fuel Processing Technology, Vol. 92, (8): pp. 1560-1567, 2011.##

[22]. Harvey A. P., Mackley M. R. and Seliger T., “Process intensification of biodiesel production using a continuous oscillatory flow reactor,” J. of Chemical Technology and Biotechnology, Vol. 78, (2-3): pp. 338, 2003.##

[23]. Zheng M., Skelton R. and Mackley M., “Biodiesel reaction screening using oscillatory flow meso reactors,” Process Safety and Environmental Protection, 85(5): pp. 365-371, 2007.##

[24]. Canter N., “Tech Beat-Developing a motorized nanocar; synthesis and characterization of noble metal nitrides; making biodiesel in a microreactor,” Tribology and Lubrication Technology, Vol. 62, (8): pp.10-17, 2006.##

[25]. Wen Z., Yu Y. C., Tu S. H., Yan J. Yang H. and Dahlquist, “Intensification of biodiesel synthesis using zigzag micro-channel reactors,” Bioresource Technology, Vol. 100, Issue 12, pp. 3054-3060, 2009.##

[26]. GuanG, Castilhos F. de, Oliveira J. V. and Filho L. C., “Continuous production of biodiesel using a microtube reactor,” Chem. Eng., 14,2008.##

[27]. Dubé M., Tremblay A. and Liu J., “Biodiesel production using a membrane reactor”, Bioresource Technology, Vol. 98, (3): pp. 639-647, 2007.##

[28] .Baroutian S., Aroua M. K., Raman A. A. A. and Sulaiman N. M. N., “A packed bed membrane reactor for production of biodiesel using activated carbon supported catalyst,” Bioresource Technology,” Vol. 102, Issue 2, pp. 1095-1102, 2011.##

[29]. Avellaneda F. and Salvadó J., “Continuous transesterification of biodiesel in a helicoidal reactor using recycled oil,” Fuel Processing Technology, Vol. 1, 92, pp. 83-91, 2011.##

[30]. He B., Singh A. and Thompson J., “Novel continuous flow reactor using reactive distillation technique for biodiesel production,” Trans. ASABE,. Vol. 1, 49,: pp. 107-112, 2006.##

[31]. Breccia A., Esposito B., Breccia Fratadocchi G. and Fini A., “Reaction between methanol and commercial seed oils under microwave irradiation,” Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy, Vol. 34, Issue 1, pp. 2-7, 1999.##

[32]. Leadbeater N. E., Barnard T. M. and Stencel L. M., “Batch and continuous-flow preparation of biodiesel derived from butanol and facilitated by microwave heating,” Energy & Fuels, Vol. 22, (3): pp. 2005-2008, 2008.##

[33]. Tippayawong N. and Sittisun P., “Continuous-flow transesterification of crude jatropha oil with microwave irradiation,” Scientia Iranica, Vol. 19, (5), pp. 1324-1328, 2012. ##

[34]. Somnuk K., Smithmaitrie P. and Prateepchaikul G., “Optimization of continuous acid-catalyzed esterification for free fatty acids reduction in mixed crude palm oil using static mixer coupled with high-intensity ultrasonic irradiation,” Energy Conversion and Management, Vol. 68: pp. 193-199, 2013.##

[35]. Behzadi S. and Farid M. M., “Production of biodiesel using a continuous gas–liquid reactor,” Bioresource technology, Vol. 100(2): pp. 683-689, 2009.##

[36]. Reyes J., Malverde P. E., Melin P. S., De Bruijn J. P., “Biodiesel production in a jet flow stirred reactor,” Fuel, Vol. 89, Issue 10, pp. 3093-3098, 2010.##

37. رانجیت ر. ر.، "آشنایی با روش طراحی آزمایشات تاگوچی"، انتشارات دانشگاه زنجان، 1386.##

38. عسگری م.، "تصفیه پساب‌های آبی - آلی جهت رفع معضلات زیست محیطی صنایع غذایی"، دانشگاه صنعتی شریف، 1385.##

[39]. Turner T. L., “Modeling and simulation of reaction kinetics for biodiesel production,” MSc Theses 2005.##

40.قادری‌نژاد ف.، "تولید بیودیزل از روغن‌های گیاهی مصرف شده با استفاده از میکروارگانیسم‌های زنده، بیوتکنولوژی، دانشگاه صنعتی شریف،1390.##

[41]. Gelbard G., Brès O., Vargas R. M., Vielfaure F. and Schuchardt U. F., “1 H nuclear magnetic resonance determination of the yield of the transesterification of rapeseed oil with methanol,” J.of the American Oil Chemists’ Society, Vol. 72(10): pp. 1239-1241,1995.##

[42]. www.biodiesel.org/docs/ffs-performace.../chemical-weight-formula.pdf.##