Исследование реакции переэтерификации рапсового масла этиловым и изопропиловым спиртами

Биодизельное топливо – это экологически чистый вид топлива, получаемый из растительных масел и используемый для замены или экономии обычного дизельного топлива. Сырьем для производства биодизельного топлива могут являться различные растительные масла: рапсовое, соевое, арахисовое, пальмовое, отработанные подсолнечное и оливковое масла, а также животные жиры.

С химической точки зрения, биодизельное топливо представляет собой смесь сложных метиловых эфиров, обладающий свойствами горючего материала и, получаемый в результате переэтерификации метиловым спиртом растительных и животных жиров.

Первое использование масла в двигателе внутреннего сгорания было впервые продемонстрировано Рудольфом Дизелем, который использовал арахисовое масло в качестве топлива [1]. Однако длительное использование масел приводит к закоксовыванию и засорению двигателя, и соответственно к уменьшению срока их службы [2-5]. Поэтому, масла в чистом виде не используются в двигателях [6].

В настоящее время биодизельное топливо получило широкое применение во многих странах мира. Среди них: Германия, Австрия, Чехия, Франция, Великобритания, Италия, Швеция, США, а также некоторые страны постсоветского пространства. Сейчас в Украине уже приняты некоторые нормативные документы, касающиеся производства биотоплив из возобновляемого природного сырья. Так, в 2000 году опубликован Закон Украины «Про альтернативні види рідкого та газового палива» № 1391-ХIV от 14 января 2000 года и Указ Президента Украины «Про заходи щодо розвитку виробництва палива з біологічної сировини» № 1094/2003 от 26 сентября 2003 года. Разработкой программы производства биодизельного топлива занимается Министерство аграрной политики Украины совместно с научно-исследовательскими институтами. [7].

Биодизельное топливо обладает относительно высоким цетановым числом и имеет ряд неоспоримых преимуществ [7]:

• растительное происхождение.

• биологическая безвредность.

• меньше выбросов углекислого газа.

• небольшое содержание серы

• хорошие смазочные характеристики.

• увеличение срока службы двигателя.

• высокая температура воспламенения.

Выбросы, производимые биодизелем менее вредны для окружающей среды, чем выбросы нефтяных топлив.

Из недостатков биодизельного топлива следует отметить его эффект разогрева – он на 8% ниже, чем у дизельного минерального топлива. [7].

Специфической проблемой для биодизеля является – свойства холодного потока. Чистый (без примесей) биодизель имеет температуру застывания (т.е. самая низкая температура, при которой топливо застывает) -3°C [8]. В местах с холодным климатом может происходить кристаллизация биодизеля, что делает работу транспорта невозможной. Обычно, биодизель смешивается с дизельным топливом. Смесь B 20 состоит на 20% из биодизеля и на 80 % из дизельного топлива. Такая смесь обладает лучшими свойствами холодного потока по сравнению с чистым биодизелем. Для использования чистого биодизеля нужно предпринять шаги по улучшению свойств холодного потока биодизеля [6].

Сложные изопропиловые эфиры имеют низкую температуру кристаллизации по сравнению со сложными метиловыми эфирами, получаемыми из одного и того же исходного сырья. Данные табл. 1 демонстрируют результаты исследований, проведенных Lee [8], где приведены температуры начала кристаллизации для различных топлив.

Таблица 1 – Температура начала кристаллизации для различных топлив

Сложные эфиры	Температура начала кристаллизации (°C)
Сложные эфиры	Соевое масло	Жир
Метиловый	5,2	17,8
Изопропиловый	-6,0	6,6

Проанализировав данные табл. 2, где приведены температуры плавления чистых сложных изопропиловых и метиловых эфиров распространенных насыщенных жирных кислот – пальмитиновой и стеариновой кислот [9], можно сделать вывод, что сложные метиловые эфиры имеют более высокую температуру кристаллизации и температуру плавления, чем сложные изопропиловые эфиры. Поэтому, для лучшей работы при холодных погодных условиях более целесообразно добавлять сложные изопропиловые эфиры в биодизельное топливо.

Таблица 2 – Температура плавления для различных сложных эфиров

Сложные эфиры	Температура плавления (°C)
Сложные эфиры	C₁₆ Гексадекановая (Пальмитиновая кислота)	C₁₈ Октадекановая (Стеариновая кислота)
Метиловый	30	39,1
Изопропиловый	13	28

В настоящее время актуальными являются исследования в направлении улучшения свойств холодного потока биодизельного топлива для его использования не только в теплое, но и в холодное время года, что вызывает большой интерес.

Целью данной научной работы является исследование реакции переэтерификации рапсового масла этиловым и изопропиловым спиртами. Предполагается, что использование этих спиртов даст возможность получить биодизель с более низкой температурой застывания, в сравнении с метиловыми эфирами и позволит улучшить свойства биодизеля при холодных погодных условиях.

Список использованной литературы:

1. Engler, C.R., W.A. Lepori, Johnson, L.A. and Yarbrough, CM., Liquid Fuels from Renewable Resources, American Society of Agricultural Engineers, St. Joseph, MO, 1992, pp. 79-88.

2. Perkins, L.A., and Peterson, C.L., Durability Testing of Transesterified Winter Rape Oil (Brassica Napus L.) as Fuel in Small Bore, Multi Cylinder, DI, CI Engines, SAE Paper 911764, 1991

3. Pestes, M.N., and Stanislao, J., Piston Ring Deposits When Using Vegetable Oil as a Fuel, Journal of Testing and Evaluation, Vol. 12, No. 2, pp. 63, March 1984.

4. Clark, S.J., Wagner, L., Schrock, M.D., and Piennaar, P.G., Methyl and Ethyl Soybean Esters as Renewable Fuels for Diesel Engines, Journal of AOCS, Vo. 61, No. 10, pp. 1632, 1984.

5. Vellguth, G., Performance of Vegetable Oils and their Monoesters as Fuels for Diesel Engines, SAE Paper 831358, 1983.

6. Paul S Wang. The production of isopropyl esters and their effects on a diesel engine. Thesis submitted to the graduate faculty in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master Of Science. Iowa State University, Ames, Iowa. 2003.

7. Заец М. Перспективы развития производства биодизеля в Украине // Нефть и газ. – 2007. – с. 78-80.

8. Lee, I, Johnson, L.A. and Hammond, E. Use of Branched-Chain Esters to reduce the Crystallization Temperature of Biodiesel, Journal of AOCS, Vol. 72, no. 10 (1995).

9. CRC Handbook of Chemistry anol Physics, 51^st Edition, 1970-71. Boca Roton, FL.