شبیه سازی تولید روغن زیستی ساقه کنجد از پیرولیز زیست توده توسط اسپن هایسیس

مقدمه

تقاضای انرژی سالانه کنونی جهان در حدود 120 کوادریلیون کیلوکالری است و انتظار می رود طی 2 دهه آینده 50 درصد افزایش یابد. منبع اصلی انرژی مورد استفاده با این حال، سوخت‌های فسیلی قادر به مقابله با افزایش تقاضای پیش‌بینی‌شده، عمدتاً از نظر پایداری، نخواهند بود. انتظار می‌رود که ترکیبی از کاهش عرضه و هزینه‌های اصلاح زیست‌محیطی، هزینه موثر نفت را افزایش دهد و در نتیجه موضوع منابع انرژی جدید را مطرح کند. در برابر این پس زمینه، زیست توده حداقل تا حدی به عنوان یک جایگزین جالب و اقتصادی برای نفت به دلیل چندین ویژگی آن شناخته می شود. در پرتو نگرانی های زیست محیطی و قوانین، زیست توده نیز به عنوان یک منبع تجدید پذیر و پاک ظاهر می شود.

پیرولیز سریع زیست توده

فرآیندهای تبدیل زیست توده شامل احتراق مستقیم، تجزیه در اثر حرارت و تبدیل به گاز است. پیرولیز زیست توده یک عملیات حرارتی است که در غیاب اکسیژن اتفاق می افتد و منجر به تولید زغال، مایع و گاز می شود. پیرولیز همچنین اولین مرحله در فرآیندهای گازسازی و احتراق است. ثابت شده است که دماهای پایین‌تر و زمان‌های ماندگاری طولانی‌تر گاز و قطران آزاد شده توسط زیست توده به نفع تولید زغال‌سنگ است، در حالی که زمان‌های ماند کوتاه و دماهای متوسط، بازده مایع یا روغن زیستی را بهینه می‌کنند. دماهای بالاتر و زمان ماندگاری طولانی‌تر نقش تجزیه متوالی محصولات اولیه را افزایش می‌دهد که به نفع تبدیل به محصولات گازی است. شکل زیر نمای بسیار شماتیکی از فرآیند پیرولیز سریع بستر سیال را نشان می دهد. زیست توده خشک می شود تا آب موجود در محصول زیستی نفت را به حداقل برساند و به درستی آسیاب می شود تا ذرات ریز به دست آید و از خشک شدن و واکنش سریع اطمینان حاصل شود.

پتانسیل بالای ساقه کنجد در تولید روغن زیستی

روغن کنجد به دلیل خواص تغذیه‌ای و کاربردهای گسترده آن، جایگاه ویژه‌ای در صنایع غذایی و آرایشی و بهداشتی دارد. با این حال، تحقیقات اخیر نشان داده‌اند که سایر بخش‌های گیاه کنجد نیز می‌توانند ارزش افزوده قابل توجهی داشته باشند. یکی از این بخش‌ها، ساقه کنجد است که پتانسیل بالایی برای تولید روغن زیستی دارد. روغن‌های زیستی، به عنوان جایگزینی پاک و تجدیدپذیر برای روغن‌های فسیلی، از اهمیت روزافزونی برخوردار شده‌اند. ساقه کنجد با دارا بودن مقدار قابل توجهی روغن و پایداری بالای آن در برابر اکسیداسیون، به عنوان یک منبع امیدبخش برای تولید این نوع روغن‌ها مطرح می‌شود.

شرح فرآیند

پیرولیز زیست‌توده فرآیندی است که در آن مواد زیستی مانند ساقه کنجد در غیاب اکسیژن و در دمای بالا حرارت داده می‌شوند. این فرآیند منجر به تولید سه محصول اصلی می‌شود:

بیو اویل: محصولی مایع و غنی از ترکیبات آلی است که پتانسیل بالایی برای تولید سوخت‌های زیستی دارد.
بیوچار: یک ماده جامد با ساختار متخلخل است که کاربردهای متنوعی در کشاورزی، تصفیه آب و ذخیره کربن دارد.
گاز غیر قابل تقطیر: ترکیبی از گازهای مختلف مانند هیدروژن، متان و مونوکسید کربن است که می‌تواند به عنوان سوخت یا ماده اولیه برای تولید مواد شیمیایی استفاده شود.

شبیه‌سازی این فرآیند به ما اجازه می‌دهد تا پیش از انجام آزمایش‌های عملی، به درک عمیق‌تری از مکانیسم‌های واکنش، تأثیر پارامترهای عملیاتی و بهینه‌سازی فرآیند دست پیدا کنیم.

مراحل شبیه‌سازی

زیست‌توده: ابتدا باید ترکیب شیمیایی دقیق ساقه کنجد (سلولز، همی‌سلولز، لیگنین، مواد معدنی و …) مشخص شود. این اطلاعات به عنوان ورودی به شبیه‌ساز وارد می‌شود. خواص فیزیکی: خواص فیزیکی مانند چگالی، ویسکوزیته و ظرفیت گرمایی نیز برای مدل‌سازی دقیق ضروری هستند.
واحد پیرولیز: واکنش‌های پیچیده پیرولیز زیست‌توده شامل تجزیه حرارتی بیومس به محصولات گازی، مایع (بیو-روغن) و جامد (زغال چوب) است. این واکنش‌ها باید به صورت دقیق در شبیه‌ساز تعریف شوند.
شرایط عملیاتی: پارامترهای عملیاتی مانند دما، فشار و زمان ماندگاری در واحد پیرولیز بر روی بازده و کیفیت محصولات تأثیرگذار هستند.
جداسازی محصولات: محصولات مایع حاصل از پیرولیز معمولاً مخلوطی از ترکیبات مختلف هستند. برای جداسازی روغن زیستی از سایر ترکیبات، از واحدهای تقطیر استفاده می‌شود. در برخی موارد، از روش‌های استخراج برای بهبود خلوص روغن زیستی استفاده می‌شود.
تصفیه روغن: روغن زیستی خام حاوی ناخالصی‌هایی مانند آب، اسیدهای چرب آزاد و ترکیبات آلی است که باید حذف شوند. روش‌های تصفیه مانند شستشو، خشک کردن و فیلتراسیون برای این منظور استفاده می‌شوند.

شبیه‌سازی معمولاً توزیع دقیق محصولات حاصل از فرایند پیرولیز زیست‌توده ساقه کنجد، شامل روغن زیستی، بیوگاز، آب و سایر ترکیبات جانبی را مشخص می‌کند. با محاسبات انرژی ورودی و خروجی، بازده کلی فرایند و میزان مصرف انرژی مشخص می‌گردد. شبیه‌سازی می‌تواند به شناسایی و کمی‌سازی انواع آلاینده‌های موجود در محصولات نهایی کمک شایانی نماید. با تغییر متغیرهای فرایند، مانند دما، فشار و نسبت هوا به سوخت، می‌توان به شرایط بهینه برای حداکثر بازده و حداقل تولید آلاینده‌ها دست یافت.