นโยบายการจัดการความรู้ มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์ 1.ให้ใช้เครื่องมือการจัดการความรู้ผลักดัน คุณภาพคน และกระบวนทำงาน 2.ส่งเสริมการแลกเปลี่ยนประสบการณ์การทำงาน จากหน้างาน 3.ส่งเสริมให้มีเวทีเรียนรู้ร่วมกัน

คนธรรมดา
Ico64
เครือข่าย
สมาชิก · ติดตาม: 5 · ผู้ติดตาม: 22

อ่าน: 5815
ความเห็น: 0

PSU ไบโอดีเซล 64: กระบวนการ Continuous Deglycerolization (CD Process)

กระบวนการ Continuous Deglycerolization (CD Process)              

CD process เป็นการผลิตไบโอดีเซลสากลที่นิยมใช้ในปัจจุบัน Worgetter et al. (2007) รายงานว่า มีโรงงานผลิตไบโอดีเซล 13 โรง รวมกำลังการผลิตทั้งหมด 1,605,000 ตัน/ปี ได้ใช้เทคโนโลยีนี้ และมีอีก 16 โรงงานกำลังดำเนินการก่อสร้างซึ่งมีกำลังการผลิตรวมอีก 3,415,000 ตัน/ปี การก่อสร้างโรงงานเหล่านี้เกิดขึ้นทั้งในยุโรป เช่น เยอรมัน, สโลวาเกีย, ปอร์ตุเกส, สเปน, โปแลนด์ และเนเธอร์แลนด์ และประเทศในทวีปอื่น ๆ เช่น เกาหลีใต้, สหรัฐอเมริกา, อินโดนีเซีย, บราซิล และอาร์เจนตินา ซึ่งแสดงให้เห็นถึงศักยภาพของเทคโนโลยีนี้

 

Oelmuhle Leer Connemann GmbH & Co., ได้จัดสร้างโรงงานผลิตไบโอดีเซลด้วยกระบวนการนี้ตั้งแต่ปี 1995 โดยประชาสัมพันธ์ว่าเป็นกระบวนการที่ประหยัดพลังงานกว่ากระบวนการปกติทั่วไป พลังงานไฟฟ้าที่ใช้อยู่ที่ 25 kWh/t RME และใช้ไอน้ำ 300 kg steam/t RME ซึ่งประมาณ 60-70% ของกระบวนการผลิตตามปกติ

 

GEA Westfalia Separator (SEA) Pte Ltd. นำเสนอว่าปฏิกิริยาทรานส์เอสเตอริฟิเคชันที่ใช้เป็นปฏิกิริยา 2 สเตจ แล้วตามด้วยการล้าง โดยเริ่มจากการทำปฏิกิริยาทรานส์เอสเตอริฟิเคชันในสเตจที่ 1 ด้วยการใช้ปริมาณเมทานอลเกินพอ กลีเซอรอลเฟสที่มีเมทานอลผสมอยู่ถูกแยกออกด้วยเครื่องเหวี่ยงแยก (centrifugal separator) เอสเตอร์เฟสจะถูกส่งต่อเข้าทำปฏิกิริยาทรานส์เอสเตอริฟิเคชันในสเตจที่ 2 โดยมีการเติมเมทานอลและตัวเร่งปฏิกิริยาเพิ่มด้วย จากนั้นจะส่งเข้าเครื่องเหวี่ยงแยก เฟสเอสเตอร์ถูกส่งเข้าเครื่องกลั่นแยกเมทานอล ใช้การล้าง 2 สเตจ ในสเตจแรกใช้น้ำผสมกรด แต่ในสเตจที่ 2 ใช้น้ำบริสุทธิ์ ด้วยการใช้เครื่องเหวี่ยงแยก ไบโอดีเซลที่ล้างแล้วถูกทำแห้งภายใต้สุญญากาศทำให้เย็นในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน การควบคุมอุณหภูมิ ความดัน และปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยาจะทำให้ปฏิกิริยาทรานส์เอสเตอริฟิเคชันเกิดขึ้นอย่างดีที่สุด กระบวนการ CD ยังเหมาะสมกับปฏิกิริยาเอสเตอริฟิเคชันอีกด้วย

ในประเทศไทย ชาคริตและคณะ (2549) ได้สร้างชุดผลิตไบโอดีเซลโดยการแยกกลีเซอรอลอย่างต่อเนื่อง (Biodiesel Production Process with Continuous Deglycerolization) และได้รับรางวัลชมเชย ผลการประกวดสิ่งประดิษฐ์คิดค้นทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ประจำปี 2550 มาแล้ว

เนื่องจากกระบวนการทรานส์เอสเตอริฟิเคชัน เป็นกระบวนการผันกลับได้ (reversible process) ดังนั้น เมื่อเกิดปฏิกิริยาและมีผลผลิตเกิดขึ้นมากแล้ว อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะช้าลงและช้าลงมากขึ้นเมื่อเข้าใกล้สถานะสมดุล (equilibrium state) ดังนั้น แนวทางหนึ่งในการรักษาอัตราการเกิดปฏิกิริยาให้อยู่ในระดับสูงอยู่เสมอ คือการแยกผลผลิตตัวใดตัวหนึ่งออกในระหว่างที่ปฏิกิริยากำลังดำเนินอยู่ ซึ่งในที่นี้เลือกการแยกเฟสกลีเซอรอลออก เพราะเฟสกลีเซอรอลเป็นผลผลิตสุดท้ายแล้ว ในขณะที่เฟสไบโอดีเซลยังต้องการให้เกิดปฏิกิริยาต่อไป

การแยกกลีเซอรอลออกจะส่งผลให้ปฏิกิริยาไม่ถูกรบกวนโดยอิทธิพลของการถ่ายโอนมวล เพราะกลีเซอรอลที่ไม่ได้ถูกแยกออกจะแขวนลอยอยู่ในสารละลายและกีดขวางการเกิดปฏิกิริยาอีกด้วย

ในกระบวนการผลิตแบบต่อเนื่อง ปฏิกิริยามักไม่เกิดบริบูรณ์ในหน่วยการผลิตเดียว โดยทั่วไปจะใช้หน่วยสมดุล (equilibrium unit) หลายหน่วยมาต่อเข้าด้วยกัน (ดังเช่น Connemann Process) ซึ่งอาจแบ่งให้ชัดเจนเป็น plate หรือ stage หรือเป็นลักษณะต่อเนื่อง ซึ่งสามารถคิดเป็นจำนวนหน่วยการถ่ายโอน (number of transfer unit) ได้

ในการเร่งอัตราการเกิดปฏิกิริยาให้สูงนั้น นิยมใช้การป้อนสารเข้าทำปฏิกิริยาตัวใดตัวหนึ่งให้มากเกินพอ (excess) แต่ก็จะมีค่าที่เหมาะสมจำนวนหนึ่ง เพราะต้องแยกสารเข้าทำปฏิกิริยาที่เกินพอนั้นให้กลับมาใช้ใหม่ได้ ดังนั้นจะมีค่าใช้จ่ายในการแยกคืน (recovery) อีกส่วนหนึ่งด้วย ในการผลิตไบโอดีเซลด้วยกระบวนการทรานส์เอสเตอริฟิเคชันที่มีแอลคาไลน์ (ด่าง) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยานั้นมักนิยมใช้เมทานอลเกินพอ ประมาณ 100% อย่างไรก็ตามเมทานอลสามารถละลายได้ดีกว่าในเฟสกลีเซอรอลมากกว่าในเฟสไบโอดีเซล เนื่องจากมีคุณสมบัติเป็นขั้ว (polar) ใกล้กับกลีเซอรอลมากกว่า ดังนั้น เพื่อลดการสูญเสียเมทานอลไปพร้อมกับกลีเซอรอลที่ถูกแยกออกไป การแบ่งเมทานอลเติม 2 ครั้ง จะช่วยให้มีปริมาณเมทานอลในเฟสไบโอดีเซลมากขึ้น

ถังปฏิกรณ์ CD ที่ชาคริตและคณะออกแบบไว้นั้น กำหนดให้เสมือนมีหน่วยสมดุล 2 หน่วย อยู่ภายในและยังแบ่งออกเป็นโซนกวนผสม (mixing zone) และโซนสงบ (calming zone) เพื่อให้เกิดการแยกเฟสกลีเซอรอล ซึ่งจะไหลไปสู่ด้านล่างของถังปฏิกรณ์ เนื่องจากคุณสมบัติความหนาแน่นที่สูงกว่าของเฟสกลีเซอรอล การไหลออกของเฟสไบโอดีเซลและเฟสกลีเซอรอลถูกออกแบบให้ใช้หลักการของดุลความดันของของไหล ซึ่งต่างจาก CD process ของ Connemann-ADM ซึ่งใช้เครื่องเหวี่ยงแยก (centrifuge) เป็นอุปกรณ์แยกกลีเซอรอล

เฟสไบโอดีเซลที่ออกจากถังปฏิกรณ์ 1 จะถูกส่งเข้าถังพักเพื่อแยกกลีเซอรอลที่อาจติดมาด้วยออกก่อน แล้วปั๊มเข้าสู่ถังปฏิกรณ์ที่ 2 ต่อไป (ในระบบอุตสาหกรรมอาจป้อนเข้าถังปฏิกรณ์ที่ 2 โดยไม่ต้องใช้ปั๊ม แต่ใช้ระดับความสูงแทนได้) เฟสกลีเซอรอลเก็บไว้ในถังพักเพื่อเข้ากระบวนการแยกคืนแอลกอฮอล์และสารอินทรีย์ต่อไป

จุดเด่นและลักษณะพิเศษของชุดผลิตไบโอดีเซลโดยการแยกกลีเซอรอลอย่างต่อเนื่อง ของชาคริตและคณะ คือ

1. เป็นระบบที่แยกเฟสกลีเซอรอลออกในระหว่างการเกิดปฏิกิริยาอย่างต่อเนื่อง ซึ่งทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาสูงกว่าระบบการผลิตที่ไม่มีการแยกกลีเซอร อลออก

2. การแยกเฟสกลีเซอรอลออกใช้หลักการดุลความดัน ซึ่งไม่ต้องใช้อุปกรณ์ราคาแพงเข้าช่วย

3. การออกแบบถังปฏิกรณ์ซึ่งแบ่งเป็นโซนกวนผสม เพื่อการเกิดปฏิกิริยาที่ดี และโซนสงบนิ่งเพื่อการแยกเฟสกลีเซอรอล

4. กระออกแบบให้มีการเติมสารละลายเมทานอล 2 ครั้ง ซึ่งเป็นการใช้เมทานอลอย่างมีประสิทธิภาพ(ปริมาณน้อย) และได้เปอร์เซ็นต์การเปลี่ยน (conversion) ที่สูง

 รวมพร นิคม (2554) ได้ใช้ถังปฏิกรณ์ที่ชาคริตและคณะออกแบบขึ้น ผลิตเอทิลเอสเตอร์จากน้ำมันปาล์มรีไฟน์ โดยใช้โพแทสเซียมเมทิลเลต เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา โดยสามารถผลิตเอทิลเอสเตอร์ที่มีคุณภาพสูง (เปอร์เซ็นต์เอสเตอร์ > 97%) โดยใช้ถังปฏิกรณ์ CD เพียงหน่วยเดียว แต่ผลได้ (yield) ยังไม่สูงมากนัก คือได้เพียง 93% ซึ่งระดับที่น่าพึงพอใจนั้นควรจะสูงกว่า 97% (โดยธรรมชาติผลได้จะต่ำกว่าเมทิลเอสเตอร์ เนื่องจากสภาพความเป็นขั้วที่สูงกว่า) ในขณะที่การทดลองผลิตเอทิลเอสเตอร์ในถังปฏิกรณ์ CSTR จะมีอัตราการเปลี่ยนที่ต่ำกว่า

รวมพร นิคม (2554) ศึกษาสาเหตุการไม่แยกเฟสของชั้นกลีเซอรอลและเอทิลเอสเตอร์ด้วยการใช้กล้องจุลทรรศน์ชนิด confocal laser scanning microscope (CLSM) บันทึกลักษณะของอิมัลชันของเฟสกลีเซอรอลที่เกิดขึ้น สังเกตความแตกต่างของเฟสกลีเซอรอลที่เกิดขึ้นระหว่างเมทิลและเอทิลเอสเตอร์ ทำการตั้งสมมติฐานการเกิดอิมัลชัน ซึ่งพบว่าปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อการแยกเฟสของเอทิลเอสเตอร์และกลีเซอรอลมาจากสัดส่วนของกลีเซอรอลต่อสบู่ (Glycerol/Soap, G/S ratio) โดยจะมีค่าสัดส่วนวิกฤตของ G/S ค่าหนึ่งในการเกิดอิมัลชันที่เสถียร โดยเมื่อสบู่ซึ่งเกิดจากปฏิกิริยาสะพอนิฟิเคชัน มีสมบัติการเป็นตัวประสาน (emulsifier) ที่ดี เมื่อมีปริมาณมากขึ้นจะทำให้ G/S ratio ต่ำกว่าค่าสัดส่วนวิกฤต อิมัลชันในระบบจะมีความเสถียรมากจนขัดขวางการแยกเฟส ซึ่งจากการทดลองสามารถหาค่า สัดส่วนวิกฤติของ G/S ได้เท่ากับ 8.5 mol/mol

ค่าสัดส่วนวิกฤต G/S นำไปสู่แนวทางการดำเนินการเชิงปฏิบัติ ประการแรกคือการเร่งปฏิกิริยาทรานส์เอสเตอริฟิเคชันให้สูงกว่าปฏิกิริยาสะปอนนิฟิเคชันจนค่า G/S สูง หรือลดการเกิดปฏิกิริยาสะปอนนิฟิเคชันให้เกิดช้าลง ด้วยการรักษาสัดส่วนของกลีเซอรอลต่อสบู่ให้สูงกว่าค่าสัดส่วนวิกฤต การศึกษาพบว่าปฏิกิริยาสะพอนิฟิเคชันจะเกิดในเอทานอลได้เร็วกว่าในเมทานอลมาก และน้ำมีบทบาทสำคัญมากในการเกิดปฏิกิริยาสะพอนิฟิเคชัน ดังนั้นแนวทางดำเนินการผลิตเอทิลเอสเตอร์ที่สำคัญคือ การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ว่องไวต่อปฏิกิริยาสะพอนิฟิเคชัน เช่น ตัวเร่งปฏิกิริยาแอลคาไลน์ในกลุ่ม alkoxide ซึ่งนอกจากจะว่องไวในการเกิดปฏิกิริยาทรานส์เอสเตอริฟิเคชันสูงกว่าแล้วยังมีปริมาณน้ำที่ต่ำกว่าด้วย ซึ่งผลการทดลองในระดับห้องปฏิบัติการแบบกะได้ยืนยันสมมติฐานข้อนี้ได้ กลีเซอรอลสามารถแยกเฟสออกจากเอทิลเอสเตอร์ได้โดยไม่ยากนัก และเอทิลเอสเตอร์ที่ได้มีเปอร์เซ็นต์ความบริสุทธิ์สูงขึ้น

การทดลองใช้เครื่องปฏิกรณ์การผลิตชนิด continuous deglycerolisation ( CD process) ซึ่งเป็นการแยกกลีเซอรอลไปพร้อมๆ กับการเกิดปฏิกิริยา เมื่อแยกเอาเฟสกลีเซอรอลออกระหว่างการทำปฏิกิริยาจะช่วยลดการสะสมของกลีเซอรอลและสบู่ของระบบในภาพรวม สามารถรักษาอัตราการเกิดปฏิกิริยาทรานส์เอสเตอริฟิเคชันให้อยู่ในระดับสูงส่งผลให้ไบโอดีเซลที่ได้มีความบริสุทธิ์มากพอที่จะผ่านเกณฑ์มาตรฐานได้

สภาวะที่เหมาะสมที่สุดในการผลิต คือใช้สัดส่วนเชิงโมลของน้ำมันต่อเอทานอล 1:5.5 ปริมาณ KOCH3 1.2% อุณหภูมิ 60 ºC และเวลาในการทำปฏิกิริยา 30 นาที ซึ่งจะได้เอทิลเอสเตอร์ที่มีความบริสุทธิ์ และผลได้สูงถึง 98 wt.% และ 93.1wt.% ตามลำดับ ซึ่งเมื่อพัฒนาการเพิ่มผลได้ต่อไปก็จะสามารถแข่งขันได้กับการผลิตเมทิลเอสตอร์ที่ผลิตอยู่ในปัจจุบันได้

 

ผม..เอง

หมวดหมู่บันทึก: การเรียนการสอน
สัญญาอนุญาต: ซีซี: แสดงที่มา-ไม่ใช้เพื่อการค้า-อนุญาตแบบเดียวกัน Cc-by-nc-sa
สร้าง: 10 มกราคม 2555 20:55 แก้ไข: 11 มกราคม 2555 02:01 [ แจ้งไม่เหมาะสม ]
ดอกไม้
สมาชิกที่ให้กำลังใจ: Ico24 Our Shangri-La.
สมาชิกที่ให้กำลังใจ
 
Facebook
Twitter
Google

บันทึกอื่นๆ

ความเห็น

ไม่มีความเห็น

ร่วมแสดงความเห็นในหน้านี้

ชื่อ:
อีเมล:
IP แอดเดรส: 3.227.208.0
ข้อความ:  
เรียกเครื่องมือจัดการข้อความ
   
ยกเลิก หรือ