Наукові доповіді Національного університету біоресурсів і природокористування України

Математична модель процесу перетворення відпрацьованих олій в дизельне біопаливо

Роман Чуюк
Завантажити статтю
Анотація

Зростання попиту на відновлювані джерела енергії стимулює розвиток технологій виробництва біодизеля з відходів, однак високий вміст вільних жирних кислот у сировині ускладнює переестерифікацію, знижує вихід палива та підвищує потребу в очищенні. Метою дослідження була розробка та валідація математичної моделі процесу переестерифікації відпрацьованих олій у дизельне біопаливо для оптимізації технологічних параметрів. Раціоналізована модель детально описала закономірності трансформації тригліцеридів у присутності спирту та каталізатора. Вона дозволила відстежувати зміну концентрацій проміжних продуктів реакції, зокрема дигліцеридів, моногліцеридів, біодизеля та гліцерину, що є критично важливим для прогнозування ефективності процесу. Сталі значення швидкості процесу переестерифікації вказані через рівняння Арреніуса, що дозволили оцінити вплив температури та співвідношення реагентів на загальну кінетику реакції. У рамках дослідження проведено чисельне моделювання та кореляцію моделі шляхом систематизації результатів з даними, які були отримані під час проведення досліджень та отриманих за результатами аналізу літературних джерел. Було проаналізовано каталітичні та некаталітичні варіанти процесу, що дозволило визначити найефективніші умови проведення реакції. Результати моделювання підтвердили, що збільшення температурних показників до 60°C призводить до збільшення виходу дизельного біопалива, тому надмірне нагрівання понад температуру кипіння метанолу спричиняє його випаровування, що призводить до зниження ефективності процесу та втрати сировини. Визначено оптимальні технологічні параметри, які забезпечують максимальний вихід біодизеля при мінімальних матеріальних та енергетичних витратах. Запропонована математична модель може бути використана в промислових умовах для оптимізації процесу виробництва біопалива, сприяючи підвищенню ефективності переробки вторинної сировини

Ключові слова

кінетична модель, вільні жирні кислоти, оптимізація параметрів, температурний режим, вихід біопалива, енергетична ефективність

ЦИТУВАТИ
Chuiuk, R. (2025). Mathematical model of the process of converting waste oils into diesel biofuel. Scientific Reports of the National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, 21(1),28-43. https://doi.org/10.31548/dopovidi/1.2025.28
Використані джерела

[1] Aghbashlo, M., Peng, W., Tabatabaei, M., Kalogirou, S.A., Soltanian, S., Hosseinzadeh-Bandbafha, H., & Lam, S.S. (2021). Machine learning technology in biodiesel research: A review. Progress in Energy and Combustion Science, 85, article number 100904. doi: 10.1016/j.pecs.2021.100904.

[2] Ahranjani, P.J., Saei, S.F., El-Hiti, G.A., Yadav, K.K., Cho, J., & Rezania, S. (2024). Magnetic carbon nanotubes doped cadmium oxide as heterogeneous catalyst for biodiesel from waste cooking oil. Chemical Engineering Research and Design, 201, 176-184. doi: 10.1016/j.cherd.2023.11.059.

[3] Ali, S., Shafique, O., Mahmood, S., Mahmood, T., Khan, B.A., & Ahmad, I. (2020). Biofuels production from weed biomass using nano catalyst technology. Biomass and Bioenergy, 139, article number 105595. doi: 10.1016/j.biombioe.2020.105595.

[4] Athar, M., & Zaidi, S. (2020). A review of the feedstocks, catalysts, and intensification techniques for sustainable biodiesel production. Journal of Environmental Chemical Engineering, 8(6), article number 104523. doi: 10.1016/j.jece.2020.104523.

[5] Aurtherson, P.B., Nalla, B.T., Srinivasan, K., Mehar, K., & Devarajan, Y. (2023). Biofuel production from novel Prunus domestica kernel oil: process optimization technique. Biomass Conversion and Biorefinery, 13(7), 6249-6255. doi: 10.1007/s13399-021-01551-5.

[6] Babadi, A.A., Rahmati, S., Fakhlaei, R., Barati, B., Wang, S., Doherty, W., & Ostrikov, K.K. (2022). Emerging technologies for biodiesel production: Processes, challenges, and opportunities. Biomass and Bioenergy, 163, article number 106521. doi: 10.1016/j.biombioe.2022.106521.

[7] Cheliadyn, L., Ribun, V., & Cheliadyn, V. (2020). Technological and environmental aspects of improving the biodiesel production from vegetable oils. Ecological Safety and Balanced Use of Resources, 11(2), 83-91. doi: 10.31471/2415-3184-2020-2(22)-83-91.

[8] Chen B., Zheng, D., Xu, R., Leng, S., Han, L., Zhang, Q., Liu, N., Dai, C., Wu, B., Yu, G., & Cheng, J. (2022). Disposal methods for used passenger car tires: One of the fastest growing solid wastes in China. Green Energy & Environment, 7(6), 1298-1309. doi: 10.1016/j.gee.2021.02.003.

[9] Dahiya, A. (2020, January). Cutting-edge biofuel conversion technologies to integrate into petroleum-based infrastructure and integrated biorefineries. In Bioenergy (pp. 649-670). London: Academic Press. doi: 10.1016/b978-0-12-815497-7.00031-2.

[10] Devarajan, Y., Munuswamy, D.B., Subbiah, G., Vellaiyan, S., Nagappan, B., Varuvel, E.G., & Thangaraja, J. (2022). Inedible oil feedstocks for biodiesel production: A review of production technologies and physicochemical properties. Sustainable Chemistry and Pharmacy, 30, article number 100840. doi: 10.1016/j.scp.2022.100840.

[11] Eldiehy, K.S., Daimary, N., Borah, D., Sarmah, D., Bora, U., Mandal, M., & Deka, D. (2022). Towards biodiesel sustainability: Waste sweet potato leaves as a green heterogeneous catalyst for biodiesel production using microalgal oil and waste cooking oil. Industrial Crops and Products, 187, article number 115467. doi: 10.1016/j.indcrop.2022.115467.

[12] Elgharbawy, A.S., Sadik, W., Sadek, O.M., & Kasaby, M.A. (2021). A review on biodiesel feedstocks and production technologies. Journal of the Chilean Chemical Society, 66(1), 5098-5109.

[13] Esmaeili, H. (2022). A critical review on the economic aspects and life cycle assessment of biodiesel production using heterogeneous nanocatalysts. Fuel Processing Technology, 230, article number 107224. doi: 10.1016/j.fuproc.2022.107224.

[14] Gad, M.S., Ağbulut, Ü., Afzal, A., Panchal, H., Jayaraj, S., Qasem, N.A., & El-Shafay, A.S. (2023). A comprehensive review on the usage of the nano-sized particles along with diesel/biofuel blends and their impacts on engine behaviors. Fuel, 339, article number 127364. doi: 10.1016/j.fuel.2022.127364.

[15] Ganesan, R., Manigandan, S., Samuel, M.S., Shanmuganathan, R., Brindhadevi, K., Chi, N.T.L., & Pugazhendhi, A. (2020). A review on prospective production of biofuel from microalgae. Biotechnology Reports, 27, article number e00509. doi: 10.1016/j.btre.2020.e00509.

[16] Hazrat, M.A., Rasul, M.G., Khan, M.M.K., Mofijur, M., Ahmed, S.F., Ong, H.C., & Show, P.L. (2021). Techniques to improve the stability of biodiesel: A review. Environmental Chemistry Letters, 19, 2209-2236. doi: 10.1007/s10311-020-01166-8.

[17] Hosseinzadeh-Bandbafha, H., Li, C., Chen, X., Peng, W., Aghbashlo, M., Lam, S.S., & Tabatabaei, M. (2022). Managing the hazardous waste cooking oil by conversion into bioenergy through the application of waste-derived green catalysts: A review. Journal of Hazardous Materials, 424, article number 127636. doi: 10.1016/j.jhazmat.2021.127636.

[18] Jayaraman, J., Dawn, S.S., Appavu, P., Mariadhas, A., Joy, N., Alshgari, R.A., & Kumar, J.A. (2022). Production of biodiesel from waste cooking oil utilizing zinc oxide nanoparticles combined with tungsto phosphoric acid as a catalyst and its performance on a CI engine. Fuel, 329, article number 125411. doi: 10.1016/j.fuel.2022.125411.

[19] Khan, Z., Javed, F., Shamair, Z., Hafeez, A., Fazal, T., Aslam, A., & Rehman, F. (2021). Current developments in esterification reaction: A review on process and parameters. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 103, 80-101. doi: 10.1016/j.jiec.2021.07.018.

[20] Konur, O. (2021). Biodiesel and petrodiesel fuels: Science, technology, health, and the environment. In Biodiesel fuels (pp. 3-36). Boca Raton: CRC Press. doi: 10.4324/9780367456238-2.

[21] Kukana, R., & Jakhar, O. P. (2022). Performance, combustion and emission characteristics of a diesel engine using composite biodiesel from waste cooking oil – Hibiscus Cannabinus oil. Journal of Cleaner Production, 372, article number 133503. doi: 10.1016/j.jclepro.2022.133503.

[22] Maheshwari, P., Haider, M.B., Yusuf, M., Klemeš, J.J., Bokhari, A., Beg, M., & Jaiswal, A.K. (2022). A review on latest trends in cleaner biodiesel production: Role of feedstock, production methods, and catalysts. Journal of Cleaner Production, 355, article number 131588. doi: 10.1016/j.jclepro.2022.131588.

[23] Mathew, G.M., Raina, D., Narisetty, V., Kumar, V., Saran, S., Pugazhendi, A., & Binod, P. (2021). Recent advances in biodiesel production: Challenges and solutions. Science of the Total Environment, 794, article number 148751. doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.148751.

[24] Mushtruk, M., Bal-Prylypko, L., Slobodyanyuk, N., Boyko, Y., & Nikolaienko, M. (2022). Design of reactors with mechanical mixers in biodiesel production. In Lecture notes in mechanical engineering (pp. 197-207). Springer: Springer International Publishing. doi: 10.1007/978-3-031-06044-1_19.

[25] Mushtruk, M., Mushtruk, N., Slobodyanyuk, N., Vasyliv, V., & Zheplinska, M. (2024). Enhanced energy independence: Converting animal fat into biodiesel. International Journal of Environmental Studies, 81(1), 134-144. doi: 10.1080/00207233.2024.2314860.

[26] Pasha, M.K., Dai, L., Liu, D., Guo, M., & Du, W. (2021). An overview to process design, simulation and sustainability evaluation of biodiesel production. Biotechnology for Biofuels, 14, article number 129. doi: 10.1186/s13068-021-01977-z.

[27] Pinheiro, C.T., Quina, M.J., & Gando-Ferreira, L.M. (2021). Management of waste lubricant oil in Europe: A circular economy approach. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 51(18), 2015-2050. doi: 10.1080/10643389.2020.1771887.

[28] Razak, N.H., Hashim, H., Yunus, N.A., & Klemeš, J.J. (2021). Reducing diesel exhaust emissions by optimisation of alcohol oxygenates blend with diesel/biodiesel. Journal of Cleaner Production, 316, article number 128090. doi: 10.1016/j.jclepro.2021.128090.

[29] Subhash, G.V., Rajvanshi, M., Kumar, G.R.K., Sagaram, U.S., Prasad, V., Govindachary, S., & Dasgupta, S. (2022). Challenges in microalgal biofuel production: A perspective on techno economic feasibility under biorefinery stratagem. Bioresource Technology, 343, article number 126155. doi: 10.1016/j.biortech.2021.126155.

[30] Suzihaque, M.U.H., Syazwina, N., Alwi, H., Ibrahim, U.K., Abdullah, S., & Haron, N. (2023). A sustainability study of the processing of kitchen waste as a potential source of biofuel: Biodiesel production from waste cooking oil (WCO). Materials Today: Proceedings, 63, S484-S489. doi: 10.1016/j.matpr.2022.04.526.

[31] Tucki, K., Orynycz, O., Wasiak, A., Świć, A., Mruk, R., & Botwińska, K. (2020). Estimation of carbon dioxide emissions from a diesel engine powered by lignocellulose derived fuel for better management of fuel production. Energies, 13(3), article number 561. doi: 10.3390/en13030561.

[32] Vickram, S., Manikandan, S., Deena, S.R., Mundike, J., Subbaiya, R., Karmegam, N., & Awasthi, M.K. (2023). Advanced biofuel production, policy and technological implementation of nano-additives for sustainable environmental management – a critical review. Bioresource Technology, 387, article number 129660. doi: 10.1016/j.biortech.2023.129660.

[33] Zhao, Y., Wang, C., Zhang, L., Chang, Y., & Hao, Y. (2021). Converting waste cooking oil to biodiesel in China: environmental impacts and economic feasibility. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 140, article number 110661. doi: 10.1016/j.rser.2020.110661.

[34] Zulqarnain, M.Y.M.H., Ayoub, M., Ramzan, N., Nazir, M.H., Zahid, I., Butt, T.A. (2021). Overview of feedstocks for sustainable biodiesel production and implementation of the biodiesel program in Pakistan. ACS Omega, 6(29), 19099-19114. doi: 10.1021/acsomega.1c02402.