AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISZŁAWA STASZICA W KRAKOWIE
Elementy technologii chemicznej
PROJEKT
TEMAT: Proces produkcji estrów metylowych w przedsiębiorstwie BIOAGRA OIL S.A
Wykonali:
Maciej Ludwig i Justyna Kwiatkowska
Wtorek 14.00 – 15.30
Grupa projektowa: 4
Sprawdził:
Dr inż. Ryszard Gajerski
Zakres zadania:
1.Czym są estry ?
2.Zastosowanie estrów w życiu codziennym
3. Chemiczne i fizyczne właściwości produktów i substratów
3.1. Olej rzepakowy odszlamowany
3.2. Heksan
3.3. Gliceryna
3.4. Metanol
3.5. Metanolan sodu (30% roztwór w metanolu)
3.6. Poekstrakcyjna śruta rzepakowa
3.7. Ziarno nienormatywne
4.Chemiczna koncepcja metody i zachodzące reakcje
4.1. Podstawy procesu transestryfikacji
4.2. Transestryfikacja olejów roślinnych – produkty procesu
4.3 Kinetyka reakcji transestryfikacji
4.4 Zakwaszanie gliceryny
4.5 Zachodzące reakcje
5.Przebieg procesu produkcyjnego, produkty procesu technicznego, opis technologiczny:
6.Bilans cieplny oraz masowy procesu, wykresy Sankeya:
6.1. Bilans masowy procesu
6.2. Bilans cieplny procesu
6.3. Wykresy Sankeya
7.Schemat blokowy instalacji
8.Dobór reaktora
1. Czym są estry ?
Estry (od niem. Essigäther - octan etylu; Essig - ocet i Äther - eter[1]) – grupa organicznych związków chemicznych będących produktami kondensacji kwasów i alkoholi lub fenoli. Komponentami kwasowymi mogą być zarówno kwasy karboksylowe, jak i kwasy nieorganiczne.
Bezpośrednia reakcja między kwasem karboksylowym i alkoholem nazywa się estryfikacją. Reakcja ta jest odwracalna, zachodzi w środowisku kwaśnym.
R1COOH + R2OH ⇌ R1COOR2 + H2O
Równowagę tej reakcji można przesunąć prawo (w kierunku tworzenia estru) przez usuwanie jednego z produktów, wody lub estru, ze środowiska reakcji, np. przez destylację lub zastosowanie dodatkowego reagenta konsumującego wodę.
Estry niższych kwasów karboksylowych i alkoholi alifatycznych o krótkich łańcuchach węglowych są cieczami słabo mieszającymi się z wodą, o intensywnym i dość przyjemnym zapachu. Są one jednak w większych dawkach toksyczne, a niektóre są też rakotwórcze. Estry te są stosowane jako rozpuszczalniki organiczne o średniej polarności.
Estry kwasów karboksylowych z długimi grupami alkilowymi, czyli zawierające wyższe kwasy tłuszczowe lub wyższe alkohole alifatyczne, są głównymi składnikami wosku naturalnego. Z kolei estry wyższych kwasów tłuszczowych i gliceryny to tłuszcze.
W organizmach żywych poza licznymi estrami kwasów karboksylowych, powszechnie występują estry kwasu fosforowego, np. nukleotydy i kwasy nukleinowe (DNA, RNA). Estry kwasu azotowego są często nietrwałe i mogą mieć właściwości wybuchowe, np. nitroceluloza i nitrogliceryna.
Rys. 1. Kilka przykładów estrów
Estry są jednym z paliw alternatywnych co przedstawia nam rysunek 2:
Rys. 2. Podział paliw alternatywnych
2. Zastosowania estrów w życiu codziennym
Estry należą do związków ogromnie ważnych, nie tylko ze względu na rozpowszechnienie w przyrodzie (estry kwasów organicznych), lecz także ze względu na łatwość ulegania przemianom chemicznym, dzięki czemu znajdują szerokie zastosowanie tak w przemyśle związków organicznych, jak i w zakresie prac laboratoryjnych. Wchodzą one w skład ustrojów zwierzęcych i roślinnych.
Estry znajdują się w olejkach, tłuszczach, niektóre w częściach zielonych organizmów roślinnych. Pewne z nich posiadają przyjemny zapach, który w wielu przypadkach przypomina zapach owoców; dlatego też przygotowuje się je fabrycznie jako tak zwane esencje owocowe. Na przykład ester izoamylowy kwasu izowalerjanowego posiada zapach jabłek, ester etylowy kwasu masłowego zapach ananasów, ester izoamylowy kwasu octowego zapach gruszek.
Mrówczan butylu ma zapach malinowy, mrówczan decylu – pomarańczowy, octan winylu – bananowy, a mrówczan benzylu pachnie jaśminem. Dzięki swoim właściwościom estry i ich mieszaniny znalazły zastosowanie przy wytwarzaniu różnych substancji zapachowych. Produkuje się z nich perfumy, wody kwiatowe, mydła. Estrów używa się również do produkcji esencji smakowych i zapachowych, stosowanych przy wyrobie produktów cukierniczych. Estry są dobrymi rozpuszczalnikami. Estry kwasów organicznych o dłuższych łańcuchach węglowych występują w przyrodzie w postaci półpłynnych substancji, które wyglądem przypominają tłuszcz lub wosk, np. wosk pszczeli.
Tabela 1.Charakterystyczne zapachy estrów spotykanych w życiu codziennym
3.1. Olej rzepakowy odszlamowany – mieszanina trójglicerydów kwasów tłuszczowych stosowana jako dodatek do paliw.
Postać: ciecz
Kolor: ciemnożółty
Zapach: słaby
pH: obojętne
Temperatura zapłonu: >270 [oC]
Gęstość (20 oC) : 0,900 – 0,915 g/cm3
Rozpuszczalność w wodzie (20 oC): nie rozpuszcza się
Rozpuszczalność w rozpuszczalnikach organicznych (20 oC): tak
Identyfikacja zagrożeń:
• Produkt nie jest klasyfikowany jako niebezpieczny dla zdrowia i środowiska
3.2. Heksan-(C6H14) – organiczny związek chemiczny z grupy alkanów. Izomery heksanu są bardzo niereaktywne oraz są często stosowane jako rozpuszczalniki w reakcjach organicznych, ponieważ są wysoce niepolarne. Wchodzą również w skład benzyn.
· H304-połknięcie i dostanie się przez drogi oddechowe może grozić śmiercią
· H315-działa drażniąco na skórę
· H411-działa toksycznie na organizmy wodne, powodując długotrwałe skutki
· H336- może wywoływać uczucie senności lub zawroty głowy
· R11- produkt wysoce łatwopalny
· R65- działa szkodliwie, może powodować uszkodzenie płuc w przypadku połknięcia
3.3. Gliceryna - organiczny związek chemiczny z grupy cukroli; najprostszy trwały alkohol trójwodorotlenowy
Identyfikacja zagrożeń
· Substancja nie jest klasyfikowana jako niebezpieczna.
3.4. Metanol - (alkohol metylowy), CH3OH – organiczny związek chemiczny, najprostszy alkohol alifatyczny
· H225-wysoce łatwopalna ciecz i pary
· H301 – działa toksycznie po połknięciu
· H311 – działa toksycznie w kontakcie ze skórą
· H331 – działa toksycznie w następstwie wdychania
· H370 – Powoduje uszkodzenie narządów
3.5. Metanolan sodu (30% roztwór w metanolu) – produkt wstępny i produkt pośredni do syntez organicznych
· H314- działanie żrące na skórę
· H251 – substancje samonagrzewające
3.6. Poekstrakcyjna śruta rzepakowa – produkt uboczny olejarni otrzymywany po ekstrakcji oleju z wytłoków rzepaku.
Postać: stała (sypka)
Kolor: jasnobrązowy
Zapach: swoisty, ziołowy
Sucha masa: 74,97 [%]
Gęstość (usypowa 20 oC) : 0,550 g/cm3
Wilgotność całkowita: Max 12,5 [%]
Tłuszcz surowy: 1,28 [%]
Wartość opałowa: 12912 [kJ/kg]
Chlor-stan analityczny: <0,1 [%]
· Produkt nie jest klasyfikowany jako niebezpieczny dla zdrowia i środowiska
3.7. Ziarno nienormatywne - Jest to produkt uboczny otrzymywany podczas procesu przygotowania ziarna rzepaku do dalszej obsługi
Forma: sypka, niezbrylona
Kolor: właściwy dla produktu otrzymanego z określonego rodzaju zdrowych nasion rzepaku
Zapach: swoisty, właściwy dla produktu otrzymanego z określonego rodzaju zdrowych nasion rzepaku
sucha masa: [%] 91,76
ciepło spalania [kJ/kg] <18000
wilgotność całkowita [%] >10
tłuszcz surowy [%] >25
wartość opałowa [kJ/kg] <15000
zawartość popiołu [%] <7,5
Zanieczyszczenia biologiczne :100g – obecność niedopuszczalna
· Produkt nie jest klasyfikowany jako niebezpieczny .
4. Chemiczna koncepcja metody i zachodzące reakcje:
Chemiczna koncepcja metody otrzymywania estrów metylowych bazuje na procesie trans estryfikacji oleju rzepakowego w skali przemysłowej.
Transestryfikacja jest ogólną nazwą jednej z ważnych klas reakcji w chemii organicznej, w której jeden ester może być transformowany w drugi na drodze częściowej wymiany. Szczególnym przypadkiem tran estryfikacji jest alkoholiza- reakcja estru z alkoholem. Innymi słowy wyparcie cząsteczki alkoholu z estru przez cząsteczkę innego alkoholu. Reakcję trans estryfikacji charakteryzuje stan równowagi pomiędzy reagentami:
Katalizator
RCOOR’ + R”OH RCOOR” + R’OH
W obecności katalizatorów, najczęściej mocnych zasad, uzyskuje się szybciej wspomniany stan. Transestryfikacja jest stosowana na skalę przemysłową.
Transestryfikacja polega na wymianie chemicznie związanej gliceryny w cząsteczce
triacyloglicerolu (TAG) na dodany alkohol metylowy lub etylowy w obecności katalizatora
zasadowego lub kwasowego:
Rys. 3 Schemat reakcji transestryfikacji
Rys. 4 Produkty procesu transestryfikacji
Właściwości produktów procesu transestryfikacji zależą od chemicznego składu oleju
roślinnego i stopnia jego oczyszczenia, a także od użytego alkoholu i warunków procesu tj.:
· stosunek molowy alkoholu i oleju,
· temperatury,
· czasu prowadzenia procesu,
· rodzaju użytego katalizatora
W zależności od użytego katalizatora temperatura procesu się różni.Najefektywniejszymi katalizatorami procesu transestryfikacji są katalizatory alkaliczne. Zastosowanie katalizatorów alkalicznych zamiast kwasowych ogranicza zasięg procesów korozyjnych, dzięki czemu ten sposób realizacji procesu najczęściej stosowany w przemyśle. Jako katalizatory stosowane są alkaliczne alkoholany metali, wodorotlenki lub węglany sodu i potasu. W procesie transestryfikacji stosując bezwodną mieszaninę alkoholu i oleju nie można zapobiec powstawaniu wody. Tworzy się ona w reakcji alkoholu z katalizatorem-wodorotlenkiem sodu lub potasu. Obecność wody powoduje częściową hydrolizę otrzymywanych estrów, a w konsekwencji powstanie mydeł. To zmydlanie obniża wydajność estrów i stwarza trudności w odzysku gliceryny.
Tabela 2. Zalety i wady katalizatorów homogenicznych alkalicznych i kwasowych
Kategoria
Zalety
Wady
Alkaliczne...
maciusq