ביודיזל - ניתוח מקצועי של המבנה הכימי ותהליכי ההפקה והיעילות בשימוש בביודיזל כתחליף דלק

מקצוע
מילות מפתח , , , , , ,
שנת הגשה 2010
מספר מילים 14776

תקציר העבודה

תוכן הענינים הבסיס בהפקת ביודיזל. 3
איכות המוצר. 6
תגובות מתחרות. 6
כימיה אורגנית. 7
כימיה אורגנית. 8
שמנים צמחיים וביודיזל. 10 מדוע מתיל-אסטרים של חומצות שומן מתאימות בתור דלק דיזל?. 11
חומצות ובסיסים: 12
ביודיזל – תקנים ותכונות. 15
סוגים שונים של הפקת ביודיזל. 19
אפשרויות הפקת ביודיזל. 20 מערכות ללא זרז – תהליך Biox. 23
ציוד בסיסי והפעלה.
5 שליטה במפעל הכימי 27
טיפול ראשוני בחומרי גלם חומציים בעלי ריכוז חש"ח גבוה. 29
דיון בפטנטים. 31
עיבוד לאחר התגובה. 33
טיפול בתוצרי לוואי 37
הכנת חומרי גלם. 38
איכות חומרי הגלם. 40 שינוע ואחסון ביודיזל. 41
איכות המוצר. 42
נספח – רשימת פטנטים לביודיזל. 44
נספח כימי 48
קבועים פיסיקליים. 50 יחידות ומימדים. 50 הפקת ביודיזל – ניתוח מקצועי ביודיזל הוא דלק אלטרנטיבי למנועי דיזל, אשר נוחל כבר הצלחה מרובה ברחבי אירופה וכעת מתחילים להכיר בו ברחבי העולם. יתרונותיו העירים הם שהוא אחד מהדלקים המתחדשים ביותר שזמינים כעת, הוא איננו רעיל והוא מתכלה (ידידותי לסביבה).
ניתן להשתמש בביודיזל ישירות ברוב מנועי הדיזל כיום ללא צורך בשינויי מנוע מהותיים.
בעבודה זו נתאר ונסביר את התהליכים והנושאים המעורבים בהפקת דלק חדש זה.
מבט בספרות המקצועית הקשורה לביודיזל יגלה לנו את היחס שבעזרתו ניתן ליצור ביודיזל:
45
ק"ג שמן + 4.5 ק"ג מתאנול ß 45
ק"ג ביודיזל + 4.5 ק"ג גליצרול משוואה זו היא צורה מופשטת של התגובה הכימית הנקראת טרנסאסטרפיקציה (תגובה כימית של יצירת אסטר [סוג של תרכובת אורגנית] משמן צמחי וסודיום מתוקסיד) כאשר R1, R2, R3 הם שרשראות ארוכות של אטומי פחמן ומימן – נקראים גם שרשראות חומצת שומן.
ישנם חמישה סוגי שרשראות שנפוצים בשמן סויה ושומני חיות (אחרים נמצאים גם אבל בכמויות קטנות): פלמיטים, סטאריק, אוליק, לינוליק, לינולניק (Stearic, Palmitic, Oleic, Linoleic, Linolenic). (ראה פירוט כימי בנספח).
נשים לב שמספר אטומי הפחמן כולל זה שבקשר כפול לאטום חמצן בסוף החומצת שומן (נקרא פחמן קרבוסילי). זהו הסוף שאליו מתחבר המתנול כאשר נוצרים שמני המתיל.
לצורך הפשטות נתיחס לשמן כמו שמן סויה כמכיל טרילואין טהור.
טרילואין הינו טריגלצריד שבו כל שלושת חומצות השומן הם מסוג אוליק. זהו קרוב למספר האמיתי של הפחמנים והמימנים ונותן משקל מולקלורי שקרוב לערך של שמן סויה. אם טרילואין מגיב עם מתנול התגובה מודגמת בציור 2. נשים לב שמשקלים לכל אחד מהרכיבים בתגובה רשום. אלו מבוססים על העובדה שמולקולה אחת של טרילואין מגיבה עם שלוש מולקולות של מתנול כדי להפיק שלוש מולקולות של מתיל אוליט – הביודיזל עצמו ומול אחד של גליצרול.
 בכימיה בדרך כלל מכפילים את משוואה זו במספר גדול שתואם למספר המולקולות בכמות ששווה למשקל מולקולרי של החומר. כמות זו נקראת מול חומר. כדי לחשב את המשקל המולקולרי של טרילואין אנו סופרים את מספר הפחמנים של המולקולה (57) ומכפילים ב12.0111 – המשקל המולקולרי של פחמן. נעשה אותו דבר למימן וחמצן ונקבל:
כלומר 885.46 גרם למול של טרילואין או משקל מולקולרי של 885.46.
שלושה מולים של מתנול שוקלים 96.12 גרם, שלושה מולים של מתיל אוליט 889.5 גרם ומול אחד של גליצרול שוקל 92.10 גרם.
אולם התגובה לא באמת נערכת בצורה זו, אלא בדרך כלל יתווספו 60-100% תוספת של מתנול כדי לוודא שהתגובה מושלמת. באופן כללי ניתן לעודד התקדמות תגובות ע"י הוספה יתרה של אחד המגיבים או ע"י הסרה של אחד המוצרים. התגובה של טרילואין עם עודף של 100% מתנול מובאת בציור 3.
כשנתבסס על 45 ק"ג שמן התגובה עם עודף 100% של מתנול הופכת ל:
45 ק"ג שמן + 9.84 ק"ג מתנול   ß  45 ק"ג ביודיזל + 4.7 ק"ג גליצרול +
4 .9 ק"ג עודף מתנול.
התגובה גם צריכה כ-1% (תלוי במשקל השמן) של נתרן הידרוקסי או קטליזטור דומה שלבסוף מגיע לגליצרול. ניתן להמיר כמויות אלו לנפחים ע"י הנתונים בטבלה 2. (ראה נספח כימי).