СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА - АЛКИЛОВЫХ ЭФИРОВ ЖИРНЫХ КИСЛОТ

Изобретение относится к способу получения биотоплива - алкиловых эфиров жирных кислот путем переэтерификации триглицеридов из масел - и может быть использовано в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания дизельного типа.

В последнее время из-за экологических проблем и отсутствия нефти в ряде стран возрос интерес к альтернативным видам топлива. Одним из видов биотоплива является биодизельное. В основе производства биодизельного топлива лежит реакция переэтерификации растительного масла спиртами с получением алкиловых эфиров жирных кислот и глицерина в присутствии катализатора.

Известны разнообразные зарубежные технологии получения биодизельного топлива из сырья естественного природного происхождения - заявка US на изобретение №20080160593, патент SU на изобретение зарубежных авторов №1402250, заявка JP на изобретение №2008297531 и др.

Известны также различные способы получения биотоплива из сырья только животного происхождения путем реакции переэтерификации:

- в патенте RU на изобретение №2491325 описан способ, в который дополнительно введена стадия ферментативного гидролиза с использованием липазы и в котором переэтерификацию проводят с добавлением концентрированной серной кислоты;

- в патенте RU на изобретение №2520093 способ осуществляют в присутствии комбинации липаз;

- в патенте RU на изобретение №2381262 обработку подготовленного сырья осуществляют в два этапа: на первом этапе сырье дважды смешивают с концентрированной серной кислотой, на втором этапе сырье обрабатывают смесью 0,82% метилата натрия и метанола при соотношении 6:1.

Недостатком описанных способов, использующих названный вид сырья, являются сложности получения из него жидкого, пригодного именно в качестве биодизельного топлива для использования в современных совершенных устройствах - дизелях, обладающих достаточно высокой стоимостью и высокой критичностью к качеству используемого топлива.

Известны также различные способы получения биодизельного топлива из сырья растительного происхождения путем реакции переэтерификации через алкоголиз:

- в заявке US на изобретение №2005108927 описан способ, в котором в качестве катализатора реакции переэтерификации используют гидроксид натрия или гидроксид калия в количестве 0,55 вес.%;

- в патенте US на изобретение №6887283 использована критическая текучая среда, содержащая, по меньшей мере, одну из жидкостей, выбранной из группы, состоящей из диоксида углерода, диоксида серы, метана, этана, пропана и их смесей, причем в качестве катализатора может быть использована азотная, или серная, или соляная кислота, а также гидроксид натрия или калия;

- в патенте US на изобретение №5578090 в одном варианте осуществления способа биодизельное топливо получают в присутствии кислотного катализатора, в другом - способ осуществляют в условиях повышенной температуры и/или давления в присутствии кислоты Льюиса (в качестве катализатора);

- в патенте UA на изобретение №7736 описана технология, в которой в дополнение к основному катализатору домешивают водный раствор уксусной кислоты;

- в заявке US на изобретение №2008047194 одной из стадий способа является получение метоксида натрия, добавляемого в дальнейшем в реакционную смесь для получения конечного продукта.

- в патенте RU на изобретение №2379332 и заявке US на изобретение №2006224005 известно применение алкоксидов металлов, таких как натрия или калия, в качестве компонентов реакционной смеси. Близкими аналогами к заявляемому изобретению являются технологии, представленные в способах получения биодизельного топлива (патент RU изобретение №2404229, патент RU изобретение №2404230, заявка WO на изобретение №2010/098697).

Наиболее близким из представленных в числе последних информационных источников данной группы авторов является способ с использованием сырья не животного, а растительного происхождения (патент RU изобретение №2404229). Изначально осуществляют предварительную обработку растительного материала - морских водорослей, с получением липидов. Затем проводят их переэтерификацию с использованием обезвоженного раствора метилата калия или метилата натрия в метаноле. После завершения реакции проводят операцию отделения получившегося биодизельного топлива.

Однако данный способ обладает низкой интенсивностью и производительностью и поэтому обеспечивает недостаточно высокий выход готового продукта - 65-70%. Кроме того, при реализации многостадийного способа-аналога чистота готового продукта имеет негарантированное качество. Кроме того, он осложнен операциями очистки продукта, что не только удорожает процесс, но и делает его длительным.

Задача данного изобретения заключается в повышении выхода и чистоты конечного продукта при увеличении интенсивности и сокращении времени протекания процесса.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в способе получения биодизельного топлива - алкиловых эфиров жирных кислот путем реакции переэтерификации триглицеридов при температуре 20-80°С, в реакционную смесь входят следующие компоненты:

при этом

Технический результат заявляемого изобретения обоснован названными отличиями заявляемого способа.

Одна из проблем биодизельного топлива - чистота, которая характеризует его качество. Биодизельное топливо, получаемое заявляемым способом, соответствует классу особо высокой степени чистоты, отвечает требованиям стандарта EN 14214 и зависит от соотношений компонентов в заявляемом способе.

Использование мольного соотношения исходных реагентов, которое было оптимально подобрано авторами экспериментальным путем в данном решении, исключает появление в биодизельном топливе избыточного триглицерида и спирта и, соответственно, позволяет исключить дополнительные стадии физико-химической очистки конечного продукта - биодизельного топлива, что делает способ более технологичным и ускоряет время производства получаемого продукта.

Применение в указанном количестве метилата натрия в заявляемом способе значительно ускоряет процесс получения биодизельного топлива из триглицеридов растительного происхождения и алифатических спиртов (этанола, пропанола или изопропанола) за счет высокой реакционной способности метоксигруппы, образующейся при взаимодействии с метанолом, что влияет на повышение выхода продукта.

В перечисленном выше заключается и новизна процесса, которую нельзя было предположить заранее, и это напрямую связано с уровнем данного изобретения. Кроме того, оригинальность химического проявления именно метанола в заявляемом процессе выразилась в отличие от спирта, выбранного из группы предлагаемых спиртов или даже их смеси - в том, что именно метанол проявляется и как представитель группы активатора процесса, его стимулятором или, иными словами, в заявляемом способе роль метанола - иная - ускорителя действия метилата натрия с образованием метоксигруппы. Без него процесс идет иначе, более вяло и с меньшим выходом продукта, что проверялось заявителями в процессе экспериментальной проверки и доведения способа до законченного варианта.

Химизм предлагаемого способа получения биодизельного топлива - алкиловых эфиров жирных кислот структурной формулы

где R₁ - алкильный радикал, соответствующий формуле ряда от С₁₁ до С₁₇ с насыщенными и ненасыщенными углеродными связями, R₃ - алкильный радикал, соответствующий формуле С₂Н₅, C₃H₈, заключается в реакции переэтерификации триглицеридов растительного происхождения общей химической формулы

с низшими алифатическими спиртами общей химической формулы:

R₃-OH,

в присутствии активатора процесса переэтерификации - метоксигруппы по следующей схеме:

1. Образование метоксигруппы при взаимодействии метилата натрия и метанола:

2. Образование активного карбоксианиона из триглицерида и метоксигруппы:

3. Образование алкоксигруппы R₃О^- и промежуточного нестабильного соединения - кислого диэфира:

где R₂ - алкильный радикал, соответствующий трехатомному спирту - глицерину.

4. Стабилизация нестабильного соединения кислого диэфира с образованием конечного продукта - биодизельного топлива (метилового эфира жирной кислоты) - и побочного продукта - глицерина:

5. Взаимодействие алкоксигруппы R₃O^- с триглицеридом растительного происхождения в присутствии алифатического спирта с образованием алкиловых эфиров жирных кислот - биодизельного топлива:

Способ осуществляют следующим образом. В реактор, снабженный мешалкой и рубашкой обогрева, через соответствующие порты с запорной арматурой загружают триглицериды, полученные из сырья растительного происхождения, в виде растительного масла - рапсового, соевого, подсолнечного или другого - с содержанием воды не более 0,05% и кислых примесей не более 0,5%, алифатический спирт (этанол, пропанол или изопропанол) и спиртовый раствор метилата натрия. Применение метилата натрия обусловлено необходимостью активации процесса переэтерификации для быстрого протекания реакции и получения готового продукта - биодизельного топлива высокой чистоты. Метилат натрия добавляют в количестве от 0,5 до 1% от массы реакционной смеси, а метанол - в количестве 1-2,5%. После загрузки всех исходных компонентов включают мешалку и подают в рубашку обогрева реактора теплоноситель с температурой 90°С. Реакционную массу в течение 20 минут нагревают до 65-70°С. При данной температуре, которая выбирается в зависимости от используемого спирта и близка к его температуре кипения, реакционную смесь выдерживают в течение 30 минут. После этого мешалку останавливают, рубашку обогрева отключают. Образовавшуюся в реакторе смесь алкиловых эфиров жирных кислот и глицерина остужают в естественных условиях. При достижении температуры смеси в реакторе 20-30°С открывают запорную арматуру системы «сообщающихся сосудов» реактора и наблюдают расслоение смеси на биодизельное топливо - сверху и глицерин - снизу, контролируют уровень с использованием мерной шкалы. Нижний слой в реакторе - глицерин - удаляют через узел слива с запорной арматурой в емкость. Оставшуюся часть смеси в реакторе - алкиловые эфиры в виде биодизельного топлива - сливают через другой узел слива для готового продукта. Конструктивно узлы слива готового продукта и слива глицерина имеют общий участок, соединенный непосредственно с нижней частью реактора. Реакция переэтерификации протекает при атмосферном давлении, для чего в реакторе предусмотрен обратный холодильник, соединенный с атмосферой.

Примеры осуществления способа при различных соотношениях компонентов реакционной смеси приведены в таблице.

Температура синтеза биодизельного топлива для всех образцов из таблицы составляет 70°С, так как в качестве исходного алифатического спирта был использован этанол. При использовании в синтезе этанола температура процесса составит 60°С, а при использовании пропанола или изопропанола 80°С.