Otrzymywanie biokomponentów do ekologicznych paliw _biodie…

Politechnika Rzeszowska
Katedra Technologii Tworzyw Sztucznych
Otrzymywanie biokomponentów do
ekologicznych paliw (biodiesel)
Rzeszów, 2010
Celem ćwiczenia jest synteza estrów metylowych kwasów tłuszczowych z oleju roślinnego
oraz zbadanie ich wybranych właściwości pod kątem zastosowania do biopaliw
Zagadnienia do kolokwium:
1. Surowce do otrzymywania biopaliw,
2. Proces transestryfikacji olejów,
3. Przemysłowy sposób wytwarzania EMKT,
4. Podstawowe właściwości fizykochemiczne biopaliw
Literatura:
1. M. Perkowska, Estry metylowe kwasów tłuszczowych: otrzymywanie estrów metylowych
kwasów tłuszczowych, analiza jakościowa metodą tlc, wyznaczenie właściwości
fizykochemicznych, Gdańsk 2005
2. PN-EN ISO 1675:2002 Tworzywa sztuczne -- Żywice ciekłe -- Oznaczanie gęstości
metodą piknometryczną.
3. PN-EN ISO 2719:2007 Oznaczanie temperatury zapłonu -- Metoda zamkniętego tygla
Pensky'ego-Martensa
1. Synteza estrów metylowych kwasów tłuszczowych
Odczynniki i aparatura:
• Olej roślinny — rzepakowy rafinowany (najczęściej stosowany), słonecznikowy,
sojowy lub kukurydziany,
• Metanolan potasu
• Metanol czda,
• Błękit bromotymolowy
• 0,1N NaOH
• Chloroform
• Kwas siarkowy 10%
• Solanka
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
kolba okrągłodenna trójszyjna ze szlifem – poj 250 cm3
chłodnica zwrotna
mieszadło
termometr
cylinder miarowy 25 cm3
cylinder miarowy 10cm3
rozdzielacz – poj.250 cm3
2 kolbki stożkowe – poj. 100cm3
Lejek szklany
Kolba ssawkowa
Lejek Buchnera
Papierek wskaźnikowy
Rys. 1 Schemat zestawu do syntezy
Przygotowanie katalizatora procesu transestryfikacji
Rzeczywistym katalizatorem reakcji transestryfikacji jest metanolan potasu, który powstaje w
wyniku reakcji alkoholu metylowego i wodorotlenku potasu według reakcji:
CH3OH + KOH → CH3OK + H2O
W celu przygotowania 1 M roztworu metanolanu potasu należy rozpuścić 56g wodorotlenku
potasu w 1 dm3 alkoholu metylowego.
Wykonanie ćwiczenia:
W celu osiągnięcia wysokiego stopnia konwersji estrów zwykle stosuje się nadmiar
bezwodnego metanolu, a także wymaga się aby substrat olejowy był prawie całkowicie
odkwaszony (LK oleju nie powinna przekraczać 0,4mg KOH/g).
Do kolby okrągłodennej o pojemności 250cm3 odważyć 100g oleju. Zmontować
zestaw składający się z kolby okrągłodennej, mieszadła, chłodnicy zwrotnej, termometru, i
wkraplacza wg rys. 1. Podgrzać do temperatury 40°C i następnie dodać 15cm3 roztworu
metanolanu potasu (1M) przy intensywnym mieszaniu. Po wkropleniu całej ilości metanolanu
potasu podnieść temperaturę do 60°C, w której utrzymywać mieszaninę reakcyjną przez ok.
30 min. Otrzymany roztwór przelać do rozdzielacza i pozostawić na ok. 30 min do rozdziału
na dwie frakcje: górną: warstwę estrów metylowych kwasów tłuszczowych i dolną: warstwę
glicerynową.
Po całkowitym rozdzieleniu przelać górną frakcję estrów metylowych do kolby
okrągłodennej i dodać 5 cm3 r-ru metanolanu potasu 1M intensywnie mieszając. Po 10 min.
wprowadzić 5 cm3 czystego metanolu. Drugi etap trans estryfikacji prowadzić w temperaturze
65-70°C przez ok. 30 min. Mieszaninę reakcyjną ponownie przelać do rozdzielacza i
rozdzielić, jak po pierwszym etapie transestryfikacji.
Warstwę organiczną zadaje się 2cm3 10% kwasu siarkowego i 100 cm3 wody (jeżeli
wydzieli się zbyt duża ilość wolnych kwasów tłuszczowych mieszaninę należy dodatkowo
przesączyć) i rozdzielić. Następnie po oddzieleniu warstwy kwasowej od estrów przemyć
dwukrotnie wodą (porcjami po 100cm3), a następnie solanką (raz 100cm3). Z biopaliwa
usuwa się metanol i resztki wody na wyparce próżniowej w temp do 90°C. Na drobnym
sączku odsączyć wytrącone sole.
Wyznaczyć wybrane parametry fizykochemiczne (gęstość , temperaturę zapłonu)
biopaliwa.
Obliczyć wydajność procesu transestryfikacji zasadowej wg wzoru:
w=
m produkru
m pocz .oleju
⋅ 100%
2. Oznaczanie gęstości metodą piknometryczną.
Wprowadzenie
Masa pozorna w powietrzu to wartość otrzymana przez ważenie w powietrzu,
z użyciem standardowych odważników, bez uwzględnienia poprawki na wypór powietrza
dla odważników i ważonego obiektu.
Gęstość zmierzona to wartość otrzymana przy użyciu piknometru ze szkła sodowowapniowego w temperaturze pomiaru różnej od temperatury wzorcowania piknometru,
bez poprawek na rozszerzalność lub kurczliwość szkła.
Gęstość względna to stosunek masy danej objętości substancji w temperaturze t 1 do
masy takiej samej objętości innej substancji w temperaturze t 2 . Temperatury t 1 i t 2 mogą być
równe. Często tą inną substancją jest woda, co oznacza, że gęstość względna jest stosunkiem
gęstości substancji w temperaturze t 1 do gęstości wody w temperaturze t 2 .
Rys. 2. Piknometr
Wykonanie ćwiczenia
1. Przed wykonaniem ćwiczenia należy upewnić się czy piknometr (rys. 2) jest suchy.
2. Czysty i suchy piknometr należy zważyć z dokładnością 0,0001g.
3. Wypełnić piknometr badanym roztworem przy użyciu pipety do pełna, po czym starannie
umieścić korek uważając, aby nie pozostały pod nim pęcherzyki powietrza.
4. Nadmiar cieczy, który wypłynie z korka zetrzeć bibułką tak, aby menisk w kapilarze był
na poziomie górnej powierzchni korka.
5. Zabrudzenia na zewnątrz piknometru wytrzeć ręcznikiem nasączonym acetonem.
UWAGA: Starać się nie dotykać piknometru rękoma, aby nie spowodować ogrzania
cieczy.
6. Napełniony badanym roztworem piknometr wraz z umieszczonym korkiem zważyć
na wadze analitycznej.
7. Zlać badany roztwór i oczyścić piknometr.
8. Napełnić piknometr wodą (przy napełnianiu piknometru wodą należy stosować te same
zasady jak przy wypełnianiu go badaną cieczą).
9. Napełniony wodą piknometr zważyć na wadze analitycznej.
Opracowanie wyników
gęstość cieczy wyznaczoną przy użyciu piknometru należy obliczyć ze wzoru:
ρ =
(mb − ms )ρ c
(mw − ms )
ρ
gdzie:
ms – masa suchego, czystego piknometru [g];
mb – masa piknometru napełnionego badanym roztworem [g];
mw – masa piknometru napełnionego wodą [g];
ρc
- gęstość wody.
3. Oznaczanie temperatury zapłonu w tyglu zamkniętym metodą
Penskyego-Martensa
Wprowadzenie
Ogrzewanie cieczy organicznych, do których zalicza się większość płynów
eksploatacyjnych powoduje wydzielanie się z nich lotnych składników. Tworzą one
z powietrzem mieszaniny, które w zetknięciu z płomieniem lub iskrą, mogą ulec zapłonowi.
Warunkiem powstania zapłonu jest, aby stężenie par w mieszance z powietrzem było zawarte
w określonych granicach, zwanych granicami zapłonu, a iskra lub płomień wnosiły do układu
energię większą od niezbędnej do wywołania reakcji palenia. Wyróżnia się dolną i górną
granicę zapłonu. Dolna granica zapłonu jest to minimalne stężenie par produktu w powietrzu,
przy którym wprowadzenie płomienia lub iskry, o energii większej niż energia zapłonu,
spowoduje zapłon. Górna granica zapłonu jest to stężenie par produktu, powyżej którego
zapłon nie wystąpi. Granice zapłonu zależą od wielu czynników, z których najważniejsze to:
-
skład chemiczny par substancji,
-
ciśnienie,
-
stężenie tlenu,
-
stężenie i rodzaj gazów obojętnych,
-
kształt przestrzeni otaczającej obszar, w którym wystąpi zapłon,
-
umiejscowienie płomienia.
Temperatura
zapłonu
jest
to
najniższa
temperatura,
w
której
ciecz
ogrzewana
w znormalizowanych warunkach wydzieli ilość par, wystarczającą do wytworzenia
z powietrzem mieszaniny zapalającej się po zbliżeniu płomienia. W tych warunkach ilość
wytwarzanych par jest niewystarczająca do podtrzymania palenia, gdyż w stan pary
przedostaje się zbyt mało cząstek produktu w jednostce czasu. Po wypaleniu się tych par,
płomień gaśnie. Dalsze podnoszenie temperatury prowadzi do osiągnięcia stanu, w którym
ilość wydzielanych par w jednostce czasu jest równa ilości par spalanych. Wystarcza to
do podtrzymywania palenia. Temperaturę, w której nastąpi taka równowaga nazywa się
temperaturą palenia.
termometr do pomiaru
temperatury produktu
napęd mieszadełka
urządzenie zapłonowe
z ruchomym palniczkiem
blok meta lowy
pokrętło urucha miające otwarcie
okienka i nachylenie palniczka
mieszadełko
osłona
tygiel z badanym
produktem
palnik
zawór do regulacji
dopływu
Rys. 3. Aparat do oznaczania temperatury zapłonu w tyglu zamkniętym wg PenskyegoMartensa
Wykonanie ćwiczenia:
UWAGA!
Pomiar wykonać przy wyłączonej wentylacji i zamkniętych oknach.
1. Napełnić tygielek (rys. 3) wymaganą ilością paliwa, tj. do poziomu kreski.
2. Dobrać odpowiedni termometr w zależności od przewidywanej temperatury zapłonu.
3. Nałożyć na tygiel pokrywę z zastawkami oraz zamocowanym termometrem i mieszadłem.
4. Tak przygotowane naczynie umieścić w łaźni powietrznej nad płytą grzejną.
5. Włączyć układ nagrzewania ustawiając szybkość nagrzewania za pomocą regulatora
mocy.
6. Przystępując do próby zapłonu włączyć napęd mieszadła.
7. Do zapalenia badanej substancji służy urządzenie zapłonowe z ruchomym palnikiem.
Obracając pokrętło, wymusza się otwarcie okienek i ruch w dół ruchomego palnika. W ten
sposób do wnętrza tygla wprowadza się płomień na okres l s. Ruchem przeciwnym do
poprzedniego obrócić pokrętło, powodując zamknięcie okienek i powrót do pozycji
wyjściowej palnika.
8. Pierwszą próbę zapłonu badanej cieczy przeprowadza się w temperaturze o 17°C niższej
od założonej. Dla produktów o temperaturze:
-
niższej niż 107°C dalsze próby zapłonu należy przeprowadzać po każdym
przyroście temperatury o 1°C,
-
wyższej niż 104°C dalsze próby zapłonu należy przeprowadzać po każdym
przyroście temperatury o 2°C.
9. Odczytaną najniższą temperaturę, przy której pary cieczy zapalają się od płomienia,
przyjąć jako temperaturę zapłonu.
10. Wyłączyć zasilanie grzałki elektrycznej i mieszadła.
11. Po ostygnięciu próbki wyjąć tygielek i przelać jego zawartość w wyznaczone miejsce.