شبیه سازی فرایند تولید گلیسرول و بیودیزل به همراه تحلیل عددی و بهینه‌سازی راکتور ترانس‌استریفیکاسیون با روش سطح پاسخ (RSM)

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی دانشگاه علم و صنعت

2 استاد دانشکده مهندسی شیمی دانشگاه علم و صنعت

چکیده
موضوع تحقیق: امروزه و بدلیل شیوع ویروس کرونا و افزایش استفاده از محلولها و ژل‌های ضدعفونی، استفاده از گلیسرین نیز به شدت افزایش یافته است. ترانس‌استریفیکاسیون یکی از فرایندهای مهم در صنعت است که طی آن روغن خوراکی یا غیر خوراکی به بیودیزل و گلیسرین تبدیل می‌شود. تحقیقات زیادی در این زمینه به منظور بهبود این فرایند به منظور تولید بیشتر بیودیزل انجام شده است اما در هیچکدامیک بهینه سازی فرایند به منظور تولید بیشتر گلیسرین انجام نشده است.

روش تحقیق: در این مقاله به بررسی و شبیه سازی و بهینه سازی روش ترانس‌استریفیکاسیون پرداخته می‌شود. بدین منظور یک واحد تولید بیودیزل و گلیسرول با دبی خوراک 5.5 متر مکعب بر دقیقه ابتدا در نرم افزار Hysys شبیه سازی شد و سپس بدلیل اهمیت تجهیز راکتور ترانس‌استریفیکاسیون، با ورود اطلاعات فرایندی لازم، این تجهیز در نرم افزار Comsol MultiPhysics تحلیل عددی شده و پارامترهای موثر بر آن به منظور بهینه سازی درصد تبدیل محصول، با دو دیدگاه یک پارامتر در لحظه و طراحی آزمایش مورد بررسی قرار گرفته است.

نتایج اصلی: در نهایت مشاهده شد که پارامترهایی مثل دمای خوراک ورودی به راکتور استریفیکاسیون و هم چنین زمان ماند خوراک، تاثیر بسزایی بر کمیت و کیفیت محصول تولیدی دارد. بطوریکه در دمای 500 کلوین مقدار درصد تبدیل محصول به 100 درصد میرسد و در دمای 420 کلوین با افزایش دبی خوراک از 0.2 تا 0.4 مترمکعب برساعت مقدار درصد تبدیل محصول از 65 درصد به 25 درصد میرسد. همچنین ضمن ارائه یک مدل برای محاسبه میزان محصول گلیسرین تولیدی در واحد انرژی مصرف شده، پارامترهای تاثیرگذار مذکور نیز با روش سطح پاسخ بهینه سازی شده‌اند. که در شرایط بهینه مقدار تولید محصول به مقدار مصرف انرژی مقدار دما برابر 470.7 کلوین و مقدار دبی خوراک برابر 0.586 مترمکعب بر ثانیه شد همچنین با توجه به نتایج بدست آمده میتوان دریافت با تنظیم دبی در مقدار بهینه، استفاده از یک مبدل یا یک پیش‌گرم کن در فرایندهای تولید بیودیزل و گلیسرین میتواند تاثیر بسزایی در میزان محصولات تولید شده داشته باشد بطوریکه دمای بهینه برای خروجی این پیش گرمکن حداقل 470.7 کلوین درنظر گرفته شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Simulation of glycerol and biodiesel production process with numerical analysis and optimization of transesterification reactor by response surface method (RSM)

نویسندگان English

Kimia Sadeghian 1
shahrokh Shahhosseini 2
1 Bachelor of science student in Iran university of science and technology
2 Associate Professor, School of Chemical Engineering , Iran University of Science and Technology
چکیده English

Research subject: Nowadays, due to the prevalence of coronavirus and the increasing use of disinfectant solutions and gels, the use of glycerin has also increased dramatically. But the suggested processes in this field need to be optimized in terms of production and energy consumption.



Research approach: In this paper, the transesterification method has studied and simulated, during which vegetable oil is converted into biofuel, and glycerin is also produced as a by-product of this process. For this purpose, process simulation of a conventional unit with 5.5 m3/min feed has been done in Hysys. Also, due to the importance of equipping the transesterification reactor, by importing the necessary process information, this equipment has been simulated in COMSOL MultiPhysics and the effective parameters have been studied in order to optimize the of product conversion. After validation of model, to better understand the factors affecting the performance of the transesterification reactor, the effect of selected parameters first examined by one-variable at the time design of experiment approach.

Main result: Finally, it has been shown that the feed temperature and the flowrate both have significance impact on quantity and quality of product and while providing a model for calculating the amount of glycerol produced per unit of energy consumed, the effective parameters are optimized by the response surface method. In optimal conditions of the ratio of product production to energy consumption, the temperature value was 470.7 K and the feed flow rate was 0.586 m3/s. According to the gained results, it can be obtained by adjusting the flow rate in the optimal amount, using a preheater in the production processes of biofuels and glycerin can have a significant effect on the amount of products produced so that the optimal temperature for the output of this preheater is at least 470.7 K should be considered. In the current research an optimization scheme has been suggested which can be used for different Biodiesel-Glycerol production units with varies range of flowrate.

کلیدواژه‌ها English

biodiesel
Glycerin
process simulation
Optimization
Response surface method
Design on experiment
[1] Menegueti M.G., Laus A.M., Ciol M.A., Martins M.A., Filho A.B., Gir E., Pires D., Pittet D. and Rodrigues F.B., Glycerol Content within the WHO Ethanol-Based Handrub Formulation: Balancing Tolerability with Antimicrobial Efficacy Antimicrob, Antimicrobial Resistance Infection Control, 8 (1),1–9, 2019.
[2] Zhang Y., Smith P., Maximova S.N., and Guiltinan M.J., Application of Glycerol as a Goliar Spray Activates the Defence Response and Enhances Disease Resistance of Theobroma Cacao, Molecular Plant Pathology, 16(1), 27–37, 2015.
[3] Li Y., Song N., Zhao C., Li F., Geng M., Wang Y., Liu W., Xie C and Sun Q., Application of Glycerol for Induced Powdery Mildew Resistance in Triticum Aestivum L., Frontiers in Physiology, 7(SEP),1–13, 2016.
[4] Lee S., Posarac D. and Ellis N., Process Simulation and Economic Analysis of Biodiesel Production Processes Using Fresh and Waste Vegetable Oil and Supercritical Methanol, Chemical Engineering Research and Design, 89(12), 2626–2642, 2011.
[5] Kumar D., Jansen M., Basu R. and Singh V., Enhancing Ethanol Yields in Corn Dry Grind Process by Reducing Glycerol Production, Cereal Chemistry, 97(5), 1026–1036, 2020.
[6] Yang F., Hanna M.A. and Sun R.,Value-added uses for crude glycerol - A byproduct of biodiesel production, Biotechnol. Biofuels, vol. 5, pp. 1–10, 2012.
[7] Baskar G., Aberna Ebenezer Selvakumari I. and Aiswarya R., Biodiesel production from castor oil using heterogeneous Ni doped ZnO nanocatalyst, Bioresour. Technol., vol. 250, pp. 793–798, 2018.
[8] Khoobbakht G., Kheiralipour K., Yuan W., Seifi M.R. and Karimi M., Desirability function approach for optimization of enzymatic transesterification catalyzed by lipase immobilized on mesoporous magnetic nanoparticles, Renew. Energy, vol. 158, pp. 253–262, 2020.
[9] Salmasi M. Z., Kazemeini M. and Sadjadi S., Transesterification of sunflower oil to biodiesel fuel utilizing a novel K2CO3/Talc catalyst: Process optimizations and kinetics investigations, Ind. Crops Prod., vol. 156, no. May, 2020.
[10] Dodo R.M., Ause T., Dauda E.T., Shehu U. and Popoola A.P.I., Multi-response optimization of transesterification parameters of mahogany seed oil using grey relational analysis in Taguchi method for quenching application, Heliyon, vol. 5, no. 8, p. e02167, 2019.
[11] Koohikamali S., Tan C.P. and Ling T.C., Optimization of sunflower oil transesterification process using sodium methoxide, Sci. World J., vol. 2012, no. 2007, 2012.
[12] Abbaszadeh-Mayvan A., Ghobadian B., Najafi G. and Yusaf T., Intensification of continuous biodiesel production from waste cooking oils using shockwave power reactor: Process evaluation and optimization through response surface methodology (RSM), Energies, vol. 11, no. 10, 2018.
[13] Khan I.U., Yan Z. and Chen J., Optimization, Transesterification and Analytical Study of Rhus typhina Non-Edible Seed Oil as Biodiesel Production, Energies, vol. 12, no. 22, 2019.
[14] Kusumo F., Silitonga A.S., Masjuki H.H., Ong H.C., Siswantoro J. and Mahlia T.M.I, Optimization of transesterification process for Ceiba pentandra oil: A comparative study between kernel-based extreme learning machine and artificial neural networks,” Energy, vol. 134, pp. 24–34, 2017.
[15] Abdul Raman A.A., Tan H.W. and Buthiyappan A., Two-Step Purification of Glycerol as a Value Added by Product From the Biodiesel Production Process, Front. Chem., vol. 7, no. November 2019, pp. 1–9, 2019.
[16] Mumtaz M.W., Adnan A., Mukhtar H., Rashid U. and Danish M., Biodiesel Production Through Chemical and Biochemical Transesterification: Trends, Technicalities, and Future Perspectives. Clean Energy for Sustainable Development, 97(5), 456–485, 2020.
[17] Ezzati R., Ranjbar S. and Soltanabadi A., Kinetics Models of Transesterification Reaction for Biodiesel Production: A Theoretical Analysis, Renew Energy, 168, 280–296, 2021.
[18] Lee S.J., Posarac D. and Ellis N., Process Simulation , Economic Analysis and Synthesis of Biodiesel from Waste Vegetable Oil Using Supercritical Methanol, Chemical Engineering Research and Design, 89 (12), 2626-2642, 2011.
[19] Li E., Xu Z.P. and Rudolph V., MgCoAl–LDH Derived Heterogeneous Catalysts for the Ethanol Transesterification, Applied Catalysis B: Environmental, 88(1-2),42-49, 2009.
[20] Design and Analysis of Experiments, Montgomery D.C., John Wiley & Sons, New York, 408-477, 2013.