PL218410B1 - Sposób wytwarzania estrów metylowych wyższych kwasów tłuszczowych (54) z nasion rzepaku oraz instalacja do wytwarzania estrów metylowych wyższych kwasów tłuszczowych z nasion rzepaku - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania estrów metylowych wyższych kwasów tłuszczowych z nasion rzepaku oraz instalacja do wytwarzania estrów metylowych wyższych kwasów tłuszczowych z nasion rzepaku, w celu otrzymania paliwa silnikowego, zwanego powszechnie biopaliwem lub biodieslem, które może mieć postać czystego estru rzepakowego bądź też może być stosowane jako domieszka w ilości od 5-80% do oleju napędowego. W obydwóch przypadkach parametry silnika, takie jak moc, moment obrotowy czy zużycie paliwa pozostają praktycznie takie same jak przy zwykłym paliwie w postaci oleju napędowego.

Istnieje wiele metod produkcji paliwa z olejów roślinnych, jak kraking termiczny i katalityczny, elektroliza i metoda transestryfikacji. Przemysłowe wykorzystanie znalazła przede wszystkim metoda transestryfikacji, polegająca na otrzymywaniu estrów niższych alkoholi i wyższych kwasów tłuszczowych olejów roślinnych w reakcji mieszaniny oleju z alkoholem etylowym lub metylowym w obecności alkalicznego katalizatora. Główny etap procesu oparty jest na reakcji transestryfikacji alkoholem metylowym lub etylowym oleju rzepakowego w wyniku której powstają estry alkoholi oraz glicerol. Każda cząsteczka alkoholu tworzy z resztą kwasu tłuszczowego odrębną cząsteczkę monoestru. W przypadku, gdy trigliceryd zawiera trzy różne kwasy tłuszczowe w swej cząsteczce, uzyskuje się mieszaninę estrów oleju rzepakowego.

W większości stosowanych procesów produkcyjnych używa się do prowadzenia procesu metanol, głównie ze względu na koszt surowca.

Proces produkcji estrów alkoholowych oleju rzepakowego można prowadzić metodę ciśnieniową i bezciśnieniową. Metoda ciśnieniowa wymagająca zastosowania dużych ciśnień oraz metoda bezciśnieniowa, w której proces przebiega pod ciśnieniem atmosferycznym. Obecnie wśród znaczących producentów biopaliw osiągających wydajności kilkaset ton paliwa na dobę w Europie i na Świecie, najczęściej stosowaną metodą wytwarzania estrów jest reestryfikacja olejów roślinnych metanolem.

W metodzie bezciśnieniowej proces reestryfikacji przebiega pod ciśnieniem atmosferycznym, zaś temperatura procesu zawiera się w granicach 20-70°C. Niezbędna jest jednak obecność katalizatora alkalicznego, którego ilość zależy w dużym stopniu od temperatury prowadzenia reakcji. Im niższa temperatura tym większa ilość katalizatora. Zmniejszenie ilości katalizatora wpływa dodatkowo na ułatwienie rozdzielania produktów reakcji oraz na zmniejszenie ilości odpadów poprodukcyjnych. Takie warunki prowadzenia procesu pozwalają na zmniejszenie nadmiaru metanolu w stosunku do ilości oleju rzepakowego. W tej metodzie stosuje się mieszankę katalizującą sporządzoną z metanolu i katalizatora alkalicznego, najczęściej w postaci wodorotlenku potasu lub wodorotlenku sodu.

Po przeprowadzeniu reakcji w mieszalniku z mieszadłem pionowym, reagenty są rozdzielane na dwie fazy: estrową - warstwa górna - i glicerynową - warstwa dolna. Glicerol jest odprowadzany na zewnątrz, natomiast surowy ester poddany jest oczyszczaniu. W przeciwieństwie do procesu ciśnieniowego, prowadzenie reakcji estryfikacji metodą bezciśnieniową wymaga zastosowania surowca o niskiej zawartości wolnych kwasów tłuszczowych.

W Przemysłowym Instytucie Maszyn Rolniczych, były podejmowane prace zmierzające do opracowania uproszczonej technologii wytwarzania biopaliwa do silników wysokoprężnych. Założeniami tej technologii, było obniżenie kosztów inwestycyjnych oraz związana z nimi możliwość wytwarzania biopaliwa w gospodarstwach rolnych. Technologia ta była badana w doświadczalnej wytwórni działającej w systemie okresowym.

Znany jest też proces technologiczny zastosowany w Stacji Badawczej Wydziału Zootechnicznego Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy, która pozwala uzyskać 1 kg biopaliwa z 4 kg nasion rzepaku. Oprócz paliwa uzyskuje się 2,8 kg wytłoku oraz pewne ilości glicerolu, mydeł i wolnych kwasów tłuszczowych.

Znacznie pełniejszą technologią pozyskiwania biopaliwa jest austriacka technologia firmy Vogel ₃ i Noot. Korzystające z tej technologii agrorafinerie wytwarzają około 1500 dm³ biodiesla na dobę, to ₃ jest około 450 tys. dm³ rocznie. W pełni zautomatyzowaną wytwórnię może obsługiwać jedna osoba. W technologii austriackiej produkcja rozpoczyna się od nasion, które po odpowiednim przygotowaniu polegającym na oczyszczaniu i suszeniu poddawane są rozdrabnianiu. Rozdrobnione nasiona są wytłaczane na tłoczniach ślimakowych, które rozdzielają produkty tłoczenia na wytłok, wodę i surowy olej. Wytłok kierowany jest do przechowywania i konserwacji, gdyż ze względu na swój skład stanowi bardzo cenną wysokobiałkową paszę dla zwierząt gospodarskich. Niewielkie ilości wody zgromadzone w nasionach są odprowadzane z procesu. Oczyszczony olej po rafinacji oraz przygotowana uprzednio mieszanina katalityczna trafia do reaktora i następuje transestryfikacja. Następnie mieszanina kieroPL 218 410 B1 wana jest do destylacji, podczas której następuje oddestylowanie metanolu. Dodatek kwasu powoduje zneutralizowanie katalizatora alkalicznego, a wody - wpływa na ułatwienie rozdzielania mieszaniny. Metanol krąży w obiegu zamkniętym i z destylacji zawracany jest ponownie do procesu. Pozostałe produkty są rozdzielane na czysty ester metylowy, odpady w postaci wody oraz surowego glicerolu.

W Polsce stosuje się trzy podstawowe technologie olejarskie, uzależnione od skali uzysku produktu finalnego. Duże olejarnie przemysłowe stosują technologię polegającą na wstępnym tłoczeniu oleju przy pomocy pras ślimakowych z ziarna uprzednio poddanego kondycjonowaniu w prażalni. Drugim etapem jest ekstrakcja pozostałej części oleju z wytłoku przy pomocy rozpuszczalnika. Technologia ta pozwala na uzyskanie trzech produktów końcowych w postaci oleju surowego, oleju poekstrakcyjnego oraz śruty poekstrakcyjnej. Wskaźnik uzysku oleju otrzymanego w przypadku tej technologii waha się w granicach 0,41-0,42. Zdolności przerobowe olejarni wykorzystujących technologię klasyczną zawierają się w granicach 200-700 ton rzepaku na dobę. Technologia klasyczna posiada jednak pewne wady. Śruta poekstrakcyjna ma zdecydowanie mniejszą przydatność paszową ze względu na silnie zdenaturowane białko oraz zawiera resztki rozpuszczalnika. Instalacja do ekstrakcji posiada wysoki wskaźnik zagrożenia wybuchem, emituje do atmosfery węglowodory alifatyczne, a wody technologiczne są skażone węglowodorami oraz produktami siarkoorganicznymi.

Olejarnie małe, o zdolnościach przerobowych około 50 ton na dobę, stosują proces jedno- lub dwustopniowego tłoczenia na gorąco oleju z nasion rzepaku. Przed przystąpieniem do procesu właściwego tłoczenia, nasiona są odpowiednio rozdrabniane oraz kondycjonowane. W efekcie otrzymuje się olej surowy oraz wytłok. Uzysk oleju surowego jest w tym przypadku odpowiednio mniejszy i waha się w granicach 0,32-0,38, zależnie od zastosowanego procesu oraz stężenia oleju w surowcu wyjściowym. W przeciwieństwie do technologii klasycznej, technologia tłoczenia końcowego na gorąco jest proekologiczna, a walory paszowe wytłoku są zdecydowanie większe dzięki wyższej zawartości białka rozpuszczalnego, wyższej wartości energetycznej i niewystępowania resztek rozpuszczalnika.

Olejarnie bardzo małe zwane miniolejarniami, mające zdolności przerobowe 1-15 ton na dobę, wykorzystują technologię końcowego tłoczenia na zimno, stosując proces jedno- lub dwustopniowy po uprzednim częściowym rozdrobnieniu nasion i podgrzaniu ich do temperatury nie wyższej niż 45°C. Stosowanie tej technologii pozwala na otrzymanie wskaźnika uzysku oleju z nasion rzepaku w zakresie 0,25-0,29.

Sposób wytwarzania estrów metylowych wyższych kwasów tłuszczowych z nasion rzepaku, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że zmagazynowane w zbiorniku nasiona rzepaku transportuje się za pomocą instalacji transportu pneumatycznego do zbiornika buforowego, po czym grawitacyjnie spadają one do systemu oczyszczania wyposażonego w magnes trwały, gdzie wyłapuje się wtrącenia ferromagnetyczne, po czym nasiona oczyszcza się z łusek na sitach do oczyszczania, które połączone są ze zbiornikiem odpadów użytkowych służącym do gromadzenia odpadów z nasion rzepaku oddzielanych od nasion poprzez sedymentację cząstek o niższym ciężarze właściwym od nasion, a następnie za pomocą transportera, korzystnie transportera ślimakowego, przenosi się nasiona do zbiornika zasypowego prasy ślimakowej, skąd dostają się one do prasy ślimakowej, gdzie poddaje się je procesowi tłoczenia oleju przebiegającego w temperaturze do 40°C, a uzyskany olej rzepakowy w ilości 33-38% wagowych nasion rzepaku spływa przez system filtrujących sit do zbiornika wytłoczonego oleju, przy czym pozostający na systemie filtrujących sit osad w ilości 62-67% wagowych nasion rzepaku w postaci makucha rzepakowego jest transportowany przez instalację transportu mechanicznego do magazynu makuchu rzepakowego, po czym surowy olej ze zbiornika wytłoczonego oleju jest tłoczony za pomocą pompy do zbiornika homogenizującego wyposażonego w mieszadło mechaniczne i spiralę grzejną, a następnie oczyszcza się go przez system filtrujących sit, skąd transportowany jest do zbiornika oleju czystego i przepompowuje pompą do reaktora estryfikacji, gdzie czysty olej poddaje się podgrzaniu do temperatury 40°C i miesza się z mieszaniną katalityczną metanolu i zasady potasowej w stosunku wagowym 6,56:1 w czasie około 30 min, po której zakończeniu mieszaninę estryfikacyjną przenosi się na czas około 16 godz. do zbiornika sedymentacyjnego, po czym za pomocą zaworu spustowego reaktora estryfikacji zbiornika sedymentacyjnego wypuszcza się ze zbiornika gliceryny poestryfikacyjnej glicerynę poestryfikacyjną oraz estry metylowe wyższych kwasów tłuszczowych i przepuszcza przez system oczyszczania estrów metylowych wyższych kwasów tłuszczowych za pomocą pompy estrów, które odprowadza się do zbiornika biodiesla estrów wyższych kwasów tłuszczowych.

Zastosowanie dodatkowego zbiornika sedymentacji zwiększa dwukrotnie wydajność instalacji produkcji biodiesla umożliwiając ponowne przeprowadzenie procesu estryfikacji w reaktorze estryfikacji na nowej dawce oleju wraz z procesem sedymentacji.

PL 218 410 B1

Instalacja do wytwarzania estrów metylowych wyższych kwasów tłuszczowych z nasion rzepaku, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że ma zbiornik nasion rzepaku połączony za pomocą instalacji pneumatycznego transportu ze zbiornikiem buforowym o pojemności około 4200 kg zaopatrzonym w magnes trwały oraz ma sita do oczyszczania połączone ze zbiornikiem odpadów użytkowych pod którymi jest transporter, korzystnie transporter ślimakowy połączony ze zbiornikiem zasypowym prasy ślimakowej o wydajności 120-180 kg/godz., który połączony jest z instalacją transportu mechanicznego zakończoną magazynem makucha rzepakowego, przy czym prasa ślimakowa połączona jest ze zbiornikiem o pojemności około 150 l wyposażonym w pompę, za którą jest zbiornik homogenizujący o pojemności około 1500 litrów z systemem filtrujących sit, zbiornik czystego oleju o pojemności około 5000 litrów wyposażony w pompę oraz reaktor estryfikacyjny o wydajności około 400 litrów/dobę wyposażony w mieszadło mechaniczne i spiralę grzejną i połączony ze zbiornikiem sedymentacyjnym o pojemności około 600 I i zbiornikiem gliceryny poestryfikacyjnej do gromadzenia frakcji glicerynowej oraz system oczyszczania estrów metylowych wyższych kwasów tłuszczowych oraz wyposażony w pompę estrów do przepompowywania estrów metylowych wyższych kwasów tłuszczowych do zbiornika biodiesla estrów wyższych kwasów tłuszczowych.

P r z y k ł a d. Sposób wytwarzania estrów metylowych wyższych kwasów tłuszczowych z nasion rzepaku polega na tym, że zmagazynowane w zbiorniku 1 nasiona rzepaku transportuje się instalacją pneumatycznego transportu 2 do zbiornika buforowego 3, o pojemności 4200 kg skąd grawitacyjnie ze zbiornika buforowego 3 nasiona spadają do systemu oczyszczania składającego się z magnesu trwałego wyłapującego zanieczyszczenia metalowe oraz sit do oczyszczania 4 typu Tryjer oczyszczających nasiona z łusek. Znajdujący się pod systemem oczyszczania transporter 6, korzystnie transporter ślimakowy przenosi nasiona do zbiornika zasypowego prasy ślimakowej, skąd dostają się do prasy ślimakowej 7 o wydajności 150 kg/h. Proces tłoczenia oleju odbywa się na zimno w temperaturze do 40°C, a uzyskany olej rzepakowy w ilości 35% wagowych nasion rzepaku spływa przez system filtracyjnych sit 13 do zbiornika 10 wytłoczonego oleju o pojemności 150 I. Pozostający na systemie filtracyjnych sit 13 osad wykorzystywany jest w żywieniu zwierząt. Powstający w procesie tłoczenia oleju makuch rzepakowy w ilości 65% wagowych nasion rzepaku instalacją transportu mechanicznego 8 jest transportowany do magazynu 9 makucha rzepakowego i w całości służy do żywienia zwierząt.

Surowy olej ze zbiornika 10 wytłoczonego oleju jest tłoczony za pomocą pompy 11 do zbiornika homogenizującego 12 o poj. 1500 litrów z mieszadłem mechanicznym z możliwością podgrzewania spiralą grzejną. Po oczyszczeniu przez system filtracyjnych sit 13 w postaci wirówki przemysłowej transportowany jest do zbiornika czystego oleju 14 o poj. 5000 litrów. Czysty olej rzepakowy przepompowywany jest pompą 15 do reaktora estryfikacji 16 o wydajności 400 litrów/dobę, gdzie podlega mieszaniu i podgrzaniu do temperatury 40°C. Następnie jest mieszany z mieszaniną katalityczną metanolu i zasady potasowej w stosunku wag. 6,56:1. Reakcja estryfikacji przebiega w czasie 30 min, po której zakończeniu mieszanina estryfikacyjna jest przenoszona do zbiornika sedymentacyjnego 17 o poj. 600 I, gdzie przebiega proces sedymentacji trwający około 16 godzin, po którym zaworem spustowym reaktora estryfikacji 16 zbiornika sedymentacyjnego 17 wypuszczana jest ze zbiornika gliceryny poestryfikacyjnej 18 gliceryna poestryfikacyjna oraz estry metylowe wyższych kwasów tłuszczowych i przepuszcza przez system oczyszczania estrów metylowych wyższych kwasów tłuszczowych 19 za pomocą pompy estrów 20, które odprowadza się do zbiornika biodiesla 21 estrów wyższych kwasów tłuszczowych.

Przedmiot wynalazku w postaci instalacji do produkcji estrów metylowych wyższych kwasów tłuszczowych z nasion rzepaku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym pokazano go w ujęciu schematycznym blokowym.

Jak pokazano na rysunku instalacja do produkcji estrów metylowych wyższych kwasów tłuszczowych z nasion rzepaku ma zbiornik 1 nasion rzepaku połączony za pomocą instalacji pneumatycznego transportu 2 ze zbiornikiem buforowym 3 wyposażonym w sita do oczyszczania 4. Sita do oczyszczania 4 połączone są ze zbiornikiem odpadów użytkowych 5 i transporterem 6 z prasą ślimakową 7 i instalacją transportu mechanicznego 8. Transporter mechaniczny 7 połączony jest z magazynem 9 makucha rzepakowego i ze zbiornikiem 10, który ma pompę 11. Za pompą 11 jest zbiornik homogenizujący 12 wyposażony w system filtrujących sit 13 i zbiornik czystego oleju 14. Zbiornik czystego oleju 14 wyposażony jest w pompę 15 i instalację połączoną z reaktorem estryfikacyjnym 16. Za reaktorem estryfikacyjnym 16 jest zbiornik sedymentacyjny 17 i zbiornik gliceryny poestryfikacyjnej 18 oraz system oczyszczania estrów metylowych wyższych kwasów tłuszczowych 19, wyposażony w pompę estrów 20 i zbiornik biodiesla 21 estrów wyższych kwasów tłuszczowych.

Claims (2)

1. Sposób wytwarzania estrów metylowych wyższych kwasów tłuszczowych z nasion rzepaku, znamienny tym, że zmagazynowane w zbiorniku (1) nasiona rzepaku transportuje się za pomocą instalacji transportu pneumatycznego (2) do zbiornika buforowego (3), po czym grawitacyjnie spadają one do systemu oczyszczania wyposażonego w magnes trwały, gdzie wyłapuje się wtrącenia ferromagnetyczne, po czym nasiona oczyszcza się z łusek na sitach do oczyszczania (4), które połączone są ze zbiornikiem (5) odpadów użytkowych służącym do gromadzenia odpadów z nasion rzepaku oddzielanych od nasion poprzez sedymentację cząstek o niższym ciężarze właściwym od nasion, a następnie za pomocą transportera (6), korzystnie transportera ślimakowego przenosi się nasiona do zbiornika zasypowego prasy ślimakowej, skąd dostają się one do prasy ślimakowej (7), gdzie poddaje się je procesowi tłoczenia oleju przebiegającego w temperaturze do 40°C, a uzyskany olej rzepakowy w ilości 33-38% wagowych nasion rzepaku spływa przez system filtrujących sit (13) do zbiornika (10) wytłoczonego oleju, przy czym pozostający na systemie filtrujących sit (13) osad w ilości 62-67% wagowych nasion rzepaku w postaci makucha rzepakowego jest transportowany przez instalację transportu mechanicznego (8) do magazynu (9) makuchu rzepakowego, po czym surowy olej ze zbiornika (10) wytłoczonego oleju jest tłoczony za pomocą pompy (11) do zbiornika homogenizującego (12) wyposażonego w mieszadło mechaniczne i spiralę grzejną, a następnie oczyszcza się go przez system filtrujących sit (13), skąd transportowany jest do zbiornika oleju czystego (14) i przepompowuje pompą (15) do reaktora estryfikacji (16), gdzie czysty olej poddaje się podgrzaniu do temperatury 40°C i miesza się z mieszaniną katalityczną metanolu i zasady potasowej w stosunku wagowym 6,56:1 w czasie około 30 min, po której zakończeniu mieszaninę estryfikacyjną przenosi się na czas około 16 godz. do zbiornika sedymentacyjnego (17), po czym za pomocą zaworu spustowego reaktora estryfikacji (16) zbiornika sedymentacyjnego (17) wypuszcza się ze zbiornika gliceryny poestryfikacyjnej (18) glicerynę poestryfikacyjną oraz estry metylowe wyższych kwasów tłuszczowych i przepuszcza przez system oczyszczania estrów metylowych wyższych kwasów tłuszczowych (19) za pomocą pompy estrów (20), które odprowadza się do zbiornika biodiesla (21) estrów wyższych kwasów tłuszczowych.

2. Instalacja do wytwarzania estrów metylowych wyższych kwasów tłuszczowych z nasion rzepaku, znamienna tym, że ma zbiornik (1) nasion rzepaku połączony za pomocą instalacji pneumatycznego transportu (2) ze zbiornikiem buforowym (3) o pojemności około 4200 kg zaopatrzonym w magnes trwały oraz ma sita do oczyszczania (4) połączone ze zbiornikiem odpadów użytkowych (5), pod którymi jest transporter (6), korzystnie transporter ślimakowy połączony ze zbiornikiem zasypowym prasy ślimakowej (7) o wydajności 120-180 kg/godz., który połączony jest z instalacją transportu mechanicznego (8) zakończoną magazynem (9) makucha rzepakowego, przy czym prasa ślimakowa (7) połączona jest ze zbiornikiem (10) o pojemności około 150 l wyposażonym w pompę (11), za którą jest zbiornik homogenizujący (12) o pojemności około 1500 litrów z systemem filtrujących sit (13), zbiornik czystego oleju (14) o pojemności około 5000 litrów wyposażony w pompę (15) oraz reaktor estryfikacyjny (16) o wydajności około 400 litrów/dobę wyposażony w mieszadło mechaniczne i spiralę grzejną i połączony ze zbiornikiem sedymentacyjnym (17) o pojemności około 600 I i zbiornikiem gliceryny poestryfikacyjnej (18) do gromadzenia frakcji glicerynowej oraz system oczyszczania estrów metylowych wyższych kwasów tłuszczowych (19) oraz wyposażony w pompę estrów (20) do przepompowywania estrów metylowych wyższych kwasów tłuszczowych do zbiornika biodiesla (21) estrów wyższych kwasów tłuszczowych.