Съоръжения за производство на биодизел

Биомасата е един от най-ценните и многофункционални ресурси на Земята. Терминът „биомаса” включва всички органични вещества с растителен и животински произход. Химическата основа на биомасата са въглеродни съединения, каквото е съдържанието и на конвенционалните природни горива, но за разлика от тях, биомасата постоянно се възобновява, вследствие на фотосинтезата, жизнената дейност на живите организми и някои антропогенни фактори. Именно поради тази причина бизнесът и науката вървят ръка за ръка в стремежа си към по-широко използване на биомасата като суровина за производвство на биогорива. Биодизелът е основен представител на масовите биогорива. 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. В настоящият материал ще разгледаме инсталациите, използвани за производство на биодизел, както и съоръженията, необходими за третиране на генерираните съпътстващи продукти.

Текст: списание Енергия

снимка: Flint Hills Resoureces

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, налягане, и осигуряването на процент на преобразуване до 98%. Като суровина за получаване на биодизел се използва растително масло - най-често рапично, слънчогледово, соево, палмово. Като нисковалентен алкохол – метанол, а за катализатор – калиева или натриева основа. 

Инсталации за производство на биодизел

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 могат да бъдат класифицирани в две основни групи – реактори с прекъснато действие и реактори с непрекъснато действие. Реакторите с непрекъснато действие, 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 - 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 – подходящи 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 придвижването є през 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. 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 реакцията протича между вещества в течна фаза, необходимо е 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. 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 проблемно, което определя използването предимно на твърди катализатори. На изхода от реактора се получават два продукта - глицерин и биодизел, които следва да бъдат разделени. Сред използваните за тази цел съоръжения са центрофугите.

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.

Дестилацията е друг широко използван метод за разделяне на течни еднородни смеси, който намира приложение в производството на биодизел. Този процес се основава на различната летливост на течностите и се състои в нагряване до състояние на кипене на разделяната смес, отделяне и втечняване на получените пари. Дестилацията може да бъде проста и последователна. При простата дестилация разделяната смес частично се изпарява, а парите є се улавят и кондензират. В зависимост от поддържаното налягане, простата дестилация бива атмосферна, при която се работи при атмосферно налягане, и вакуумдестилация, при която се работи под вакуум. Последователната дестилация 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 се делят на колони с пълнежи или колони с тарелки. Предназначението на тарелките и пълнежите е осигуряването на по-голяма контактна повърхнина между фазите в колонния апарат.

Помпите са друг основен елемент от инсталацията за производство на биодизел. 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. Най-широко използваните обемно-ротационни помпи 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 с вътрешно зацепване. При зъбните помпи 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.

При на работата на центробежните помпи е 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.

Инсталация за пречистен глицерин

При производството на биодизел отпада голямо количество глицеринова фаза, наричана още суров глицерин, която трябва да се преработи. В нея се съдържат почти всички отпадни продукти от маслата, подложени на преработка в биодизел. По произход тя се получава от възобновяеми природни ресурси. Това е едно от основните є икономически предимства пред останалите извличани от земята горива. Глицериновата фаза съдържа – около 50% глицерин, 8-10% вода, 4-7% сапуни, 15-20% метанол, 1-3% натриева или калиева основа, 10-15% масло, биодизел и мастни киселини, до 2% други съставки. Инсталацията за пречистен глицерин преработва суровия глицерин в пречистен със съдържание на глицерин над 90%. 

Инсталацията се състои от следните апарати: филтър, съдове за киселина и основа, статичен смесител, помпа, обединен реактор, кондензатори за метанол, кондензатори за вода, вакуумстанция. За отделянето на алкалните съставки като сапуни и основа се налага преработването на глицериновата фаза със сярна киселина. Извършват се опеациите нагряване, дестилация метанол, разлагане на сапуни, отделяне на биодизел и мастни киселини, неутрализиране, концентриране, филтриране.

Употребата на пречистения глицерин като гориво за получаване на пара, гореща вода и други технологични нужди е един от най-подходящите начини за приложение на отпадащата глицеринова фаза. Пречистеният глицерин не гори самостоятелно, той гори в комбинирани горелки, в които непрекъснато е създаден факел от дизел или природна газ. Освен това пречистеният глицерин има разтворени соли и други съставки, които могат да отделят диоксини и бели сажди. Затова е необходимо изгарянето на пречистен глицерин да е при висока температура.

Инсталация за дестилиран глицерин

Масова практика в повечето от страните в Европа е преработката на пречистения глицерин в дестилиран – над 99.5% глицерин. Дестилирания глицерин намира широко приложение във фармацевтиката, козметиката, за производство на сапуни, антифризи и други. Инсталацията се състои от изсушител, икономайзер, нагревател, охладители, съд за готова продукция, вакуум станции, дестилатор, кондензатор, съд за вода. В резултат на технологичния процес се генерират отпадни води, които е необходимо да бъдат пречистени преди включването им в градската канализация.

Обработка на отпадните води

Промивните води от производството на биодизел имат алкален характер. Те съдържат мазнини, сапуни, основи, глицерин и утайки, поради което не могат да бъдат директно изхвърляни в канализацията. Необходима е преработката им в пречиствателна станция.

Процесите за пречиставане на отпадните води се състоят от неутрализация, отделяне на мазнините, неутрализация и дестилация. При неутрализацията на основата и разлагане на сапуни отпадната вода постъпва в реактор на порции с помощта на помпа. Там се обработва с фосфорна киселина до достигане на необходимото рН – под 3.5. В тази кисела среда се неутрализира калиевата основа и се разграждат сапуните. След първата обработка на отпадната вода, в горната част на реактора се отделят мастни киселини и маслените утайки – около 1%.Те се източват и преминават в маслоуловител.

При обработката с фосфорна киселина, промивната вода e придобила киселинен характер, който трябва да се неутрализира. Затова тя постъпва в неутрализатор, където се обработва с калиева основа до неутралното рН7. След това неутрализираната вода се дестилира в дестилатор. Дестилираната вода се връща обратно в производството или се използва за захранване на парния котел. Като резултат от процеса се отделя калиев фосфат, който може да се използва като течен тор.

Безспорни са предимствата в използването на биодизела като алтернатива на конвенционалните горива. Той е екологично чисто гориво, получавано от практически неизчерпаема суровина – биомаса – и използването му допринася за намаляване замърсяването на въздуха в градската среда. Разширяването на комплекса от горива, използвани в транспортния сектор, е важно от гледна точка на сигурността и диверсификация на източниците. Към момента Европа е почти изцяло зависима от нефта, като по-голямата част от него се внася от политически нестабилни региони.