PROGRAM DE STUDII: PRELUCRAREA PETROLULUI ȘI [605810]

UNIVERSITATEA “OVIDIUS” din CONSTANȚA
FACULTATEA DE ȘTIINȚE APLICATE ȘI INGINERIE
PROGRAM DE STUDII: PRELUCRAREA PETROLULUI ȘI
PETROCHIMIEI

LUCRARE DE DIPLOMĂ

ÎNDRUMĂTOR ȘTIINȚIFIC:
Ș.L.dr.ing. OSMAN SIBEL

ABSOLVENT: [anonimizat]
2018

UNIVERSITATEA “OVIDIUS” din CONSTANȚA
FACULTATEA DE ȘTIINȚE APLICATE ȘI INGINERIE
PROGRAM DE STUDII: PRELUCRAREA PETROLULUI ȘI
PETROCHIMIEI

IMPORTANȚA BIOETANOLULUI
DREPT BIOCOMBUSTIBIL

ÎNDRUMĂTOR ȘTIINȚIFIC:
Ș.L.dr.ing. OSMAN SIBEL

ABSOLVENT: [anonimizat]
2018

DECLARAȚIE

Subsemnata …………………………………………………………………,
absolventă a Facultății de Științe Aplicate și Inginerie din Universitatea “Ovidius” din
Constanța, promoția ………………………………, programul de studii
……………………………………………………………………………….., declar pe proprie
răspundere că lucrarea de licență am redactat -o cu respectarea regulilor dreptului de autor,
conform actelor normative în vigoare (Legea 8/1996 modificată și completată prin Legea nr.
285/2004, Ordonanța de Urgență nr. 123/2005, modificată și Legea nr.329/2006).
Pentru eliminarea acuzațiilor de plagiat:
– am executat lucrarea personal, nu am copiat -o și nu am cumpărat -o, fie în întregime,
fie parțial;
– textele din surse romănești, precum și cele traduse din alte limbi au fost prelucrate de
mine și sintetizate rez ultând un text original;
– în cazul utilizării unor fraze citate exact, au fost indicate sursele bibliografice
corespunzătoare, imediat după frazele respective;
Am luat la cunoștință că existența unor părți nereferențiate sau întocmite de alte
persoane p oate conduce la anularea diplomei de licență.

Data Semnătura

REZUMAT

Bioe tanolul es te un lichid limpede, incolor, biodegradabil, cu o toxicitate scăzută . Arderea
bioetanolului produce dioxid de carbon și apă. Bioetanolul este un combustibil cu cifră
octanică ridicată fiind înlocuitorul plumbului . Prin amestecarea bioetanolului cu benzin ă,
amestecul de combustibil devine mai oxigenat , astfel încât acesta arde mai complet și reduce
emisiile poluante. E10 este un amestec de 10% e tanol și 90% benzină, iar avantajul acestuia
este că motoarele nu necesită modificări pentru a funcționa.
Bioe tanolul obținut din zaharuri și amidon face parte din prima generație de bioetanol, în
timp ce biomasa lignocelulozică face parte din a doua generație de bioetanol.
Scopul lucrării de față a fost compararea celor două tehnologii de obținere a bioetanolului,
cel de prima generație și cel de a doua generație, analiza proprietatilor bioetanolului drept
biocombustibil și simularea producției de etanol prin fermentarea g azului de sinteză utilizând
Aspen Plus .
Astfel, lucrarea a fost organizată în felul următor :
Primul capitol prezintă aspectele generale și un scurt istoric al bioetanolului.
În cel de al doilea și al treilea capitol sunt prezentate tehnologiile de obținere a
bioetanolului de prima și a doua generație.
Al patrulea capitol analizează bioetanolul în amestec cu benzina, proprietățiile generale
ale bioetabolului, precum si analiza emisiilor de gaz e prezente în amestecul etanol -benzină.
Capitolul cinci cuprinde un calcul de dimensionare a unei coloane de distilare a
amestecului binar bioetanol -apă, continuându -se cu o simulare în programul Aspen Plus în
care s -au urmărit etapele pentru a arăta procesul de gazificare globală: uscarea biomasei,
piroliza biomasei, gazificarea carburanților și curățarea gazelo r și în cele din urmă fermentați a
singaz .
Luând în considerare toate aceste lucruri , această lucrare a fost conceput ă pentru a discuta
potențialul și procesul de producție a bioetanolului pentru diferite surse regenerabile, realizări
tehnologice și efectele diferiților factori asupra procesului.

CUPRINS

CAPITOLU L I. BIOETANOLUL. ASPECTE GENERALE ………………………….. …………….. 8
CAPITOLUL II .. TEHNOLOGII DE OBȚINERE A BIOETANOLULUI DE PRIMĂ
GENERAȚIE ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 12
II.1 Surse de biomasă pentru producția de bioetanol din primă generație ……………………… 12
II.1.1 Surse de zahăr ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 13
II.1.2 Surse de amidon ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 14
II.2 Prezentare generală a proceselor pentru obținerea de bioetanol de primă generație …… 15
II.2.1 Prelucrarea sfeclei de zahăr și a trestiei de zahăr ………………………….. ………………. 15
II.2.2 Prelucrarea boabelor de porumb și amidon ………………………….. ……………………… 18
CAPITOLUL III . TEHNOLOGII DE OBȚINERE A BIOETANOLULUI DE A DOUA
GENERAȚIE ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 21
III.1 Surse de biomasă pentru producția de a doua generație de bioetanol …………………….. 23
III.2 Prezentare generală a proceselor pentru obținerea de bioetanol de a doua generație …. 24
III.2.1 Pretratarea ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 24
III.2.2 Hidroliza și fermentația ………………………….. ………………………….. ………………….. 28
III.2.3 Distilarea și deshidratarea ………………………….. ………………………….. ……………….. 30
CAPITOLUL IV . BIOETANOLUL ÎN AMESTEC CU BENZINA ………………………….. …. 33
IV.1 Proprietățile bioetanolului ………………………….. ………………………….. …………………….. 33
IV.2 Proprietățile combustibililor amestecați cu bioetanol și benzină ………………………….. . 33
IV.3 Emisiile de gaze de e șapament ………………………….. ………………………….. ………………. 39
IV.4 Avantajele si dezavantajele utiliz ării bioetanolului drept biocombustibil ……………….. 42
CAPITOLUL V ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………. 44
V.1 CALCULUL ȘI DIMENSIONAREA UNEI INSTALAȚII DE SEPARARE PRIN
DISTILARE A AMESTECULUI BINAR BIOETANOL -APĂ ………………………….. …….. 44
V.1.1 Tema proiectului și date de proiectare ………………………….. ………………………….. …… 44

V.1.2 Coloana de distilare ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 47
III.1.2.1 Bilanțul de materiale ………………………….. ………………………….. ……………………. 48
III.1.2.2 Bilanțul termic ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 49
III.1.2.3 Numărul talerelor teoretice ………………………….. ………………………….. …………… 51
III.1.2.4 Numărul talerelor reale ………………………….. ………………………….. ………………… 52
III.1.2.5 Calculul de dimensionare al coloanei ………………………….. ………………………….. 53
V.2 SIMULAREA PRODUCȚIEI DE BIOETANOL PRIN FERMENTAREA
GAZULUI DE SINTEZĂ UTILIZÂND ASPEN PLUS TM ………………………….. …………… 57
V.2.1 Ipoteze ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………… 58
V.2.2 Introdu cerea componentelor în simulatorul Aspen PlusTM ………………………….. ……. 58
V.2.3 Simularea Aspen PlusTM ………………………….. ………………………….. …………………….. 60
V.2.3.1 Uscarea și piroliza biomasei ………………………….. ………………………….. ………….. 60
V.2.3.2 Gazeificarea ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 64
V.2.3.3 Curățarea ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 65
V.2.3.4 Fe rmentarea ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 65
V.2.4 Rezultate ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………… 65
V.2.5 Concluzie ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 69
CAPITOLUL VI . NORME DE PROTECȚIA MUNCII ȘI PSI SPECIFICE INSTALAȚIEI
DE OBȚINERE A BIOETANOLULUI ………………………….. ………………………….. ……………. 70
CONCLUZII GENERALE ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 76
BIBLIOGRAFIE ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 77

8
CAPITOLUL I
BIOETANOLUL. ASPECTE GENERALE

Criza energetică și siguranța mediului înconjurător reprezintă două aspecte majore în
vremurile actuale . Acest fapt a amplificat cererea pentru o nouă alternativă de sursă de energie
care nu dăunează mediului . Deoarece arderea combustibililor fosili contribuie la emisiile de
CO 2, emisii de gaze cu efect de seră, ducând astfel la încălzirea globală care provoacă
schimbările climatice, creșterea nivelului mării, pierderea biodiversității ș i poluarea urbană ,
atenț ia asupra biocombustibililor a crescut. Bioetanolul este una dintre cele mai promițătoare
alternative la combustibilii fo sili, care poate fi produs din diverse surse regenerabile .
Bioe tanol ul este văzut ca o sursă de energie promițătoare față de combustibilul clasic,
benzina, datorită faptului că proprietățile sale prezint ă mai multe avantaje. Chiar dacă un litru
de bioetanol oferă 66% din energia furnizată de aceeași cantitate de benzină, bioetanolul are o
cifră octanică de valoare mai mare (106 -110) față de benzină (91 -96), ceea ce sporește
performanța benzinei atunci când este amestecată cu bioetanol . Căldură latentă de vaporizare a
bioetanol ului (840 kJ/ kg) este mai mare decât cea a benzinei (305 kJ/kg) , asigurând faptul că
eficiența volumetrică a amestecului de etanol este mai mare decât eficiența benzinei pure,
îmbunătățind astfel puterea motorului [1].
Bioetanolul este un combustibil bogat în oxigen conținând 34,7% oxigen, în timp ce în
benzină oxigenul este absent. Acest fapt duce la o creștere de 15% a eficacității combustiei
bioetanolului față de cea a benzinei , menținând astfel emisiile de particule și de oxizi de azot.
În comparație cu benzina, etanolul conține cantități neglijabile de sulf, și amestecarea acestor
doi combustibili contribuie la scăderea conținutului de sulf, precum și emisia de oxid de sulf,
care este un agent cancerigen și poate con tribui la ploi acide [2].
Bioetanolul este, de asemenea, un substitut mai sigur pentru metil terț -butil eter
(MTBE), care este utilizat în mod obișnuit ca un stabilizator de cifră octanică pentru benzină și
se adaugă în acesta pentru o combustie eficientă astfel c ă producerea de mo noxid de carbon
(CO) și dioxid de carbon (CO 2) să fie mai redusă.
Drept combustibil de transport, acesta a fost folosit în Brazilia începând din 1925, iar
până în anii 1900 utilizarea bioetanolului a fost larg răspândită în SUA ș i Europa [1]. Cu toate
acestea, interesul asupra biocombustibil ilor a scăzut din cauza costurilor mai mari de

9
producție, mai ales după cel de al Doilea Război Mondial, când combustibilii clasici au
devenit mult mai ieftini. Începând cu anii 1970, datorita crizei petrolului, popularitatea
biocombustibilului ca sursă alternativă de energie a câștigat un impuls și de atunci multe țări,
inclusiv Brazilia și SUA, promovează utilizarea bioetanolului ca și combustibil pentru
transport .
Industria automobilelor, d eși s-a schimbat foarte puțin în decursul deceniilor, a evoluat
în fața schimbărilor tehnologice, sociale și de mediu recente, care determină căut area de noi
alternative la combustibil i. Bioetanolul poate fi utilizat cu tehnologia actuală a motoarelor,
este chiar posibil să se substituie cu 10%, sau chiar 20% bioetanol in amestec cu benzina până
în 2020 [1]. În tabelul I.1 este prezentată producția mondială de bioetanol în 2015 și 201 6.

Tabelul I.1 Producția mon dială de bioetanol în 2015 și 201 6 [1]
Locație Milioane de galoane
2015 2016
America de Nord și Centrală 13720.99 14401.34
America de Sud 7121.76 5771.90
Brazilia 6921.54 5573.24
Europa 1208.58 1167.64
Asia 785.96 889.70
China 541.55 554.76
Canada 356.63 462.30
Australia 66.04 87.20
Africa 43.59 38.30
Total 13720.99 14401.34

Statele Unite și Brazilia sunt liderii mondiali în producția de bioetanol, care
exploatează porumb și, respectiv, trestie de zahăr, ambele reprezentând aproximativ 70% din
producția mondială de bioetanol [2]. Porumbul, principala lor cultură, a fost folosită în acest
scop deoarece, în comparație cu alte culturi cu potențial de biocombustibil, porumbul oferă
mai mult ă sursă pentru producția de bioetanol, în cazul în care pot fi utilizate ambele:
amidon ul (din semințele lor) și celuloza ( reziduurile rămase după culegerea porumbului ).

10
În figura I.1 este prezentată producția mondială de bioetanol pentru anii 2015 și 2016.
Figura I.1 Producția mondială de bioetanol în 2015 și 201 6 [3]

Bioetanolul are potențialul de a înlocui 353 de miliarde de litri de benzină, care
reprezintă aproximativ 32% din consum ul global de benzină [1]. Reziduul de fermentație
bogat în lignină , care este co produs al bioetanolului obținut din li gnoceluloză, ar putea fi
utilizat pentru a genera 458 terra watt-oră (TWh) de energie electrică, aproximativ 3,6% din
producția mondială de energie.
Sursele regenerabile utilizate pentru producerea de bioetanol pot fi clasificate în mare
parte în zaharuri, amidon, biomasă lignocelulozică și alge. Bioe tanolul obținut din zaharuri și
amidon este numit ca prima generație de bioetanol, în timp ce biomasa lignocelulozică și
algele produc a doua și a treia generație de bioetanol. Producție de a treia generație de
bioetanol din alge este încă într -o etapă nou implementată și se limitează la cercetarea de
laborator, în timp ce alte tipuri de biomasă au demonstrat potențial ca materie primă de
bioet anol la scară comercială. Pe de altă parte, conversia a trei tipuri majore de materii prime

11
(zaharuri, amidon și biomasă lignocelulozică) în bioetanol diferă semnificativ, în special în
ceea ce privește obținerea soluțiilor de zahăr. Materiile prime bazate pe zahăr necesită doar un
proces de extracție pentru a obține zaharuri fermentabile, în timp ce culturile de amidon
trebuie să se supună hidrolizei pentru a se converti amidonul în glucoză. Biomasa de
lignoceluloză trebuie tratată înaintea hidrolizei pent ru a modifica structurile de celuloză pentru
accesibilitatea enzimelor.
Figura I. 2 prezintă producția mondială de bioetanol în funcție de materia primă
folosită, pe perioada 2017 -2017 .
O revizuire vastă asupra diferitelor materii prime, abordări tehnologi ce și parametrii de
proces se așteaptă să joace un rol semnificativ pe cercetarea globală a producției de bioetanol.
Figura I. 2 Producția globală de bioetanol
în funcție de materi a primă pe perioada 2007 -2018 [1]

12
CAPITOLUL II
TEHNOLOGII DE OBȚINERE A BIOETANOLULUI DE PRIMĂ
GENERAȚIE

Principalele materii prime folosite în tehnologia de obtinerea a bioetanolului de prima
generație sunt cele bogate în zaharuri și amidon. În cazul culturilor de trestie de zahăr și sfeclă
de zahăr este mai întâi extras sucul prin presare manuală din biomasa încălzită urmată de
fracționare. Zaharoza este metabolizată de către drojdiile c e ajută la fermentarea hexozei, iar
bioetanolul este apoi recuperat prin distilare.
Materiile prime amidonoase trebuiesc întâi hidrolizate pentru a se obține glucoză
înainte ca drojdiile să transforme hexoza si pentoza în bioetanol. Pretratarea constă în
sfărâmarea boabelor de amidon urmată de lichefiere și fracționare. Hidroliza acidă sau
enzimatică se realizează înaintea fermentației pentru a obține hexoze. Deși foarte eficientă,
obținerea bioetanolului din amidon necesită mai multă energie în comparație cu obținerea lui
din zaharuri. Începând cu procesul de fermentație ambele modalități de obținere sunt aproape
identice. În concluzie, ambele tehnologii de obținere a bioetanolului au prezentat îmbunătățiri
semnificative în ultimii anii [4].

II.1 Surse de biomasă pentru producția de bioetanol din primă generație
Principalele surse de biomasă pentru producția de primă generație de bioetanol sunt
sursele de amidon și cele de zahăr, așa cum poate fi observat și în figura II. 1.

Bioetanol

Figura II. 1. Bioetanolul de prim ă generație [2]

13
II.1.1 Surse de zahăr

Materiile prime pe bază de zahăr includ unele culturi cum ar fi trestia de zahăr, sfecla
de zahăr și sorgul dulce; fructe cum ar fi struguri, curmale, pepene verde și măr; și deșeurile
din rafinării de zahăr. Principalele avantaje ale acestor culturi este producția mare de zahăr și
costurile reduse ale acestora , în timp ce disponibilitatea sezonieră a acestor culturi este
principalul factor limitator. În ceea ce privește producția de bioetanol, fiecare recoltă de zahăr
sau deșeurile industriale rămase după acestea au un potențial ca materie primă de etanol care
sunt rezumate în tabelul II .1.

Tabelul II.1 Materii prime în obținerea de bioetanol din surse de zahăr [1]
Biomasă Principalele caracteristici
Trestie de zahar
(Saccharum officinarum) • Randament ridicat al biomasei
• Conținut ridicat de zaharoză
• Eficiență ridicată pentru acumularea energiei solare
• Producția globală este de 360 milioane tone / an
• Randamentul culturilor este de 60 -79,5 t/ ha
• Reziduurile reprezintă o sursă bună de generare a energiei
electrice și a bioetanolului din a doua generație
Sorgul dulce
(Sorghum bicolor) • Sucul din tulpină este o materie primă promițătoare pentru
producția de bioetanol, în timp ce cerealele sunt utilizate pentru
producția de bioetanol pe bază de amidon
• Randamentul mediu al siropului de tulpină este de 1900 L /ha
Sfeclă de zahăr
(Beta vulgaris) • Randamentul culturii este de 79,1 t/ha
• Randamentul mediu al bioetanolului este de 95 L/tonă de
tulpină
Pepene
(Citrullus lanatus) • Aproximativ 20% din pepenele verde rămas după recoltarea
culturilor poate fi utilizat ca materie primă în obtinerea de
bioetanol
• Sucul poate fi utilizat ca diluant pentru melasă, care mărește
conținutul total de zahăr din materia primă și reduce consumul

14
de apă
Curmale
(Phoenix dactylifera) • Conține cantități mari de zaharuri individuale (zaharoză,
glucoză și fructoză) estimate la aproximativ 70% din zaharurile
totale
Meleasă • O nouă sursă de materie primă de etanol îmbogățit cu
zaharoză, glucoză și fructoză
• Valorificarea materialului rezidual
• Randamentul mela selor este de aproximativ 3 -7 t/100 t de
trestie de zahăr

II.1.2 Surse de amidon

Culturile de amidon sunt utilizate pe scară largă pentru producția de bioetanol datorită
disponibilității lor în întreaga lume, capacitate a de stocare pentru o perioadă lungă și
randament ul ridicat de bioetanol. Aceste materii prime includ cerealele (60 -80% amidon),
tuberculi și rădăcini (60 -90% amidon), leguminoase (25 -50% amidon) și fructe verzi (până la
70% amidon). Porumb ul, boabe le de sorg, grâu l, manioc ul, cartof ii și cartof ii dulci su nt unele
surse renumite pentru obți nerea bioetanolului. În tabelul II.2 sunt prezentate principalele
materii prime folosite pentru obținerea de bioetanol.

Tabelul II.2 Materii prime în obținerea de bioetanol din surse de amidon [1]
Culturi Principalele caracteristici
Porumb
(Zea mays) • Aproximativ 5% din porumb este irosit în fiecare an, care
poate produce aproximativ 9,3 × 109 litri de bioetanol cu o
capacitate de înlocuire de aproximativ 6,7 x 109 litri de
benzină.
Grâu
(Triticum aestivum) • Producția anuală brută de energie pentru bioetanolul obținut
din grâu este de 66 GJ/ ha
Manioc
(Manihot esculenta) • Randam entul culturilor este de 13,6 t/ ha

15
Orz
(Hordeum vulgare) • Randa mentul poate varia între 0,82 t/ha și 3,08 t/ha, cu o
medie globală de 2,5 t /ha
Canna
(Canna edulis) • O sursă de biomasă nealimentară
• Producția anuală este de aproximativ 4,5 kg/m2
Cartofi dulci
(Ipomoea batatas) • Cultură rezistentă la secetă
• Poate fi cultivat în soluri marginale
Cartofi
(Solanum tuberosum) • Producția globală est e de peste 140 milioane de tone /an
Ovăz
(Avena sativa) • Utilizarea numai a cerealelor de ovăz risipite ar putea
produce aproximativ 225 milioane de litri de etanol, care ar
putea înlocui 161 milioane litru de benzină
Banana
(Musa sp.) • Valorificarea deșeurilor în cazul în care coaja de banane este
utilizată pentru producerea de bioetanol

II.2 Prezentare generală a proceselor pentru obținerea de bioetanol de primă
generație

În prezent, producția industrială de bioetanol de primă generație se face din produse
obținute din agricultură, bogate în amidon sau zaharoză care sunt ușor fermentabile. Aceste
zaharuri servesc drept rezervă de energie pentru plante și, ca atare, sunt stocate în țesuturi
specifice pentru fiecare plantă. Se pot evidenția două procese generale: una care utilizează
culturi de zahăr, iar alta pe bază de plante amidonoase .

II.2.1 Prelucrarea sfeclei de zahăr și a trestiei de zahăr

Trestia de zahăr, este cea mai utilizată uzină producătoare de zahăr pentru producerea
de bioetanol. Plantele care conțin zahăr au dezavantajul de a fi bogate în apă și, prin urmare,
nu pot f i stocate în timp pentru o utilizare ulterioară.
Sucul de trestie de zahăr este încălzit până la 110 ° C pentru a reduce contaminarea
microbiană, decantată, uneori concentrată prin evaporare și apoi fermentată. Cristalele de

16
zaharoză care se formează după concentrarea sucului de trestie si îndepărtate prin centrifugare,
lasă un sirop (melasă) care conține până la 65% g/ g zaharuri. Atât sucul de trestie de zahăr, cât
și melasa (după ajustarea concentrației de zahăr) conțin în m od normal suficiente minerale și
nutrienți organici care sunt adecvați pentru producerea de bioetanol prin fermentație . Sfecla de
zahăr poate fi utilizată direct în centrale dedicate pentru producția de bioetanol sau pentru
producția de zahăr. În acest caz , sucurile, siropurile și melasa obținute din etapele de
clarificare, evaporare și cristalizare pot fi utilizate pentru producerea de bioetanol. [5]
Conversi a glucozei la bioetanol este de 0,511 g bioetanol pe gram de glucoză, dând 2
moli de bioetanol pe mol de glucoză. Pentru zaharoză, acest randament este de 0,538 g/ g, un
mol de zaharoză dând 4 moli de bioetanol. Figura II.2 ilustrează procesul de producere a
bioetanolului din sfeclă de zahăr descris în cele ce urmează.

Figura II.2 Schema producției de bioetanol din sfecla de zahăr [6]

17
Producția de bioetanol din sfeclă de zahăr începe cu spălarea rădăcinilor și tăierea lor în
așchii (benzi subțiri de 5 -6 cm lungime). Forma de așchii este optimizată pentru o bună
extracție a zahărului în apă. Așchiile sunt apoi transportate la etapa de difuzie, o extracție în
contra -curent cu apă fierbinte. După extracție, pulpa conține aproximativ 92% apă. O mare
parte din această apă este sep arată de pulpă prin presare sau deshidratare și reciclată. Pulpele
deshidratate sunt utilizate în hrana animalelor. [7]

Purificarea
Purificarea sucului de difuzie vizează îndepărtarea unora dintre impuritățile insolubile.
Un tratament cu calcar are ca rez ultat precipitarea impurităților. Sub acțiunea calcarului , acizii
minerali și materiile organice, cum ar fi pectinele și proteinele sunt transformate în săruri
insolubile. Calcinarea c onduce la eliminarea fierului. Fracția lichidă, numită suc limpede, este
apoi recuperată. S ărurile de carbon și impuritățile precipitate sunt filtrate.

Evaporarea
Sucul purificat încă conține 85% apă. Evaporarea permite sucului puțin concentrat să
obțină o concentrație apropiată de saturație. Evaporare are loc într-un evaporator cu mai multe
efecte (în general patru evaporatoare succesive). Fiecare vaporizator utilizează vaporii
produși lor preceden ți și presiunea în fiecare evaporator este redusă pentru a compensa
scăderea temperaturii vaporilor și să scadă core lativ punctul de fierbere.
.
Cristalizarea
Cristalizarea implică separarea zaharozei (sub formă de cristale) de impuritățile rămase
în sucul concentrat. Cristalizarea se realizează în 2 sau 3 etape numite "jeturi". Fiecare jet este
realizat dintr -o etapă de cristalizare corespunzătoare, amestecare și centrifugare. Sucul
concentrat este încălzit și agitat în cazanele mari care funcționează sub vid parțial.
Concentrația sa continuă, iar cristale de zahăr foarte fine su nt introduse pentru inițierea
cristalizării (coagularea cristalelor). În cele din urmă, acesta este centrifugat în turbine sau
centrifuge pentru recuperarea cristalelor.

18
II.2.2 Prelucrarea boabelor de porumb și amidon

Astăzi, majoritatea bioetanolului este produs din porumb fie prin măcinarea uscată
(67%) fie prin măcinare umedă (33%). Cele două procese diferă în ceea ce privește
complexitatea, cheltuielile de capital asociate, numerele și tipurile de coprodus e și
flexibilitatea de a produce diferite tipuri de produse primare. Principalele diferențe între
procesul de măcinare uscată și cel umedă sunt etapele de pregătire ale materiei prime și
numerele și tipurile de coproduse recuperate. Odată ce amidonul a fos t recuperat, procesul de
transformare al acestuia în biocombustibil și recuperarea bioetanolul este similar atât în
instalațiile de măcinare umedă, cât și în instalațiile de măcinare uscată. Producerea
bioetanolului din amidon necesită depolimerizarea aces tuia pentru a obține sirop de glucoză
adecvat pentru fermentare. Se poate lua în considerare hidroliza amidonului ca o primă etapă
și etapa cheie în prelucrarea porumbului și a altor plante de amidon pentru producția de
bioetanol. Rolul principal al aceste i etape este de a furniza în mod eficient conversia a doi
polimeri majori ai amidonului: amiloz ă și amilopectin ă. Figura II.4 prezintă transformarea
glucozei la adăugarea drojdiei obținându -se bioetanol.

Figura II.3 Conversia glucozei la bioetanol [3]

19
II.2.2.1 Procesul de măcinare umedă

În procesul de măci nare umedă boabele sunt scufundate într -o soluție apoasă care
conține acid sulfuric, ceea ce facilitează separarea componentelor, inclusiv amidon, fibre,
gluten și germen i. O măcinare este apoi realizată pentru a separa aceste componente. Se separă
o soluție de amidon de substanțele solide și amidonul astfel obținut este apoi lichefiat și
zaharificat prin cale enzimatică pentru a obține sirop care poate fi proce sat pentru producția de
bioetanol [ 8].

II.2.2.2 Procesul de măcinare uscată

În cazul măcinării uscate , ilustrat în figura II.3, boabele sunt curățate și zdrobite în o
moară cu ciocan. Făina obținută este hidrolizată în două etape prin modul enzimatic. Prima
etapă, realizată cu ajutorul unei α-amilază se numește lichefiere. A doua etapă se numește
zaharificare și utilizează o glucoamilază (GA). Aceasta se termină cu formarea unui sirop de
glucoză. Acest sirop va fi apoi utilizat pentru a produce bioetanol prin fermentare.

Figura II.3 Schema producției de bioetanol prin procesul de măcinare uscată [5]

Figura II.4 Schema producției de bioetanol prin procesul de măcinare uscată [ 8]

20
Lichefierea, zaharificarea și fermentarea
Porumbul măcinat este trimis mai întâi la un rezervor de suspensie împreună cu ap a
de proces, α-amilaza , amoniac și var. După prepararea suspensiei , amestecul este supus
lichefierii, unde amidonul este gelatinizat folosind un injector de abur și hidrolizat cu α-
amilază termostabilă în oligozaharide cunoscute și sub numele de dextrine. În timpul etapei de
gelatinizare, se înregistrează o creștere accentuată a vâscozității suspensiei care sc ade rapid pe
măsură ce α-amilaza hidrolizează amidon ul. Lichefierea se face la un pH de 6,5 și este inițial
mențin ut timp de 60 de minute la 88° C sub agitație. [4]
Aceste fluxuri combinate sunt încălzite (ținute la 110° C timp de 15 mi nute), răcite, și
apoi transferate în rezervorul de zaharificare. Soluția rezultată conține în principal dextrine.
Adăugarea glucoamilazei transformă dextrinele în glucoză. În timpul inc ubării la o
temperatură de 60° C, aproape toate dextrinele sunt convert ite în glucoză. Glucoami laza
continuă să fie activă și poate să hidrolizeze în timpul fermentării dacă există dextrine rămase.
După reacția de zaharificare, suspensia este transferată în vasul de fermentare și se
răcește la tempe ratura op timă a drojdiei (aproximativ 30° C). Fermentarea necesită 48 -72 ore
pentru a ajunge la o concentrație finală de bioetanol de 10 -12%. P H-ul bioetanolului scade în
timpul fermentării sub 4, datorită dioxidul de carbon format în timpul fermentației. Această
scădere a pH -ului este importantă atât pentru creșterea activității glucoamilazei, cât și pentru
inhibarea creșterii de bacterii contaminante. [8]

21
CAPITOLUL III
TEHNOLOGII DE OBȚINERE A BIOETANOLULUI DE A DOUA
GENERAȚIE

Bioetanol din a doua generație, adică etanol din biomasa lignocelulozică este prevăzut
ca o sursă regenerabilă de combustibil pentru transport în următorii ani pentru a completa sau
înlocui prima generație de bioetanol și combustibilul fosil. În prezent, cea mai economică
soluție pare a fi calea enzimatică care produce zaharuri fermentabile din celuloză și
hemiceluloză. Pentru a face acest proces viabil comer cial, sunt neces are mai multe
îmbunătățiri ale procesului. În prezent, stocurile de biomasă sunt constituite din reziduurile
agroindustriale disponibile cum ar fi resturile de după cultivarea porumbului și paie, lemnul și
resturile de prelucrare a lemnului și culturile dedicate. Procesul biologic pentru transformarea
lignocelulozei în combustibil necesită: o pre tratare pentru a elibera celuloza și hemiceluloza
din complexul lor cu lignină, o depolimerizare a polimerilor carbohidrați pentru a produce
zaharur i libere, și o fermentație a zaharurilor de hexoză și pentoză pentru a produce bioetanol .
Nu trebuie să producă o cantitate mare de inhibitori cum ar fi 5 -hidroximetilfurfural, chiar
dacă sunt disponibile în prezent tehnici diferite pentru a detoxifia supl imentele de fermentație.
Zaharificarea prin enzime și fermentarea trebuie efectuate separate (SHF) sau simultan (SSF).
Pereții celulelor plantelor conțin trei polimeri majori: celuloza ( polizadaridă constând din
subunități de glucoză), hemiceluloz a (polizaharid ă non-celulozică incluzând în principal
xilani, manani și glucani) și lignina (o structură polifenolică complexă). Complexul total al
acestor polimeri este adesea denumit lignoceluloză. Conversia celulozei și a altor polizaharide
în zaharuri fermentabile ar putea fi realizată atât prin procese chimice cât și biologice. [9]
Procesul general este schematizat în figura III.1. Acesta include cele două căi principale
(zaharificarea și fermentarea simultană, și hidroliza și fermentația separ ată), utilizarea
hidrolizatelor C5 pentru a produce celuloză și recuperarea și deshidratarea etanolului. Au fost
realizate cercetări extinse în ace st domeniu de -a lungul timpului , iar prima instalație
demonstrativă care utilizează materii prime de lignocel uloză a fost pusă în funcți une în
Canada din aprilie 2004 [4].

22

Figura III.1 Schema de producției a bioetanol ului lignocelulozic [4]

Schema prezintă principalele etape ale procesului: pretratarea, detoxifierea, producția
de celuloză din fracții lichide sau solide de biomasă pretratată și / sau reciclarea deșeurilor,
hidroliza celulozei, fermentarea hexozelor și pentozelor, recuperarea etanolului și
deshidratarea. De la dreptunghiul interior la exterior: SSF include hidroliza și fermentația; CF
ferme ntația hexozelor și pentozei, SSCF zaharificarea simultană și fermentația. Adaptat de la
Cardona și colab. (2007 )

Biomas ă Pretratament
Fracție solidă Fracție lichidă
Detoxifiere
Producția
de celulaze Hidroliza
celulozei
zei
Producția
de celulaze
Fermentația
hexozei Fermentația
pentozei
Distilare Deshidratarea
bioetanolului Bioetanol
anhidru
Recircularea și
tratarea efluentului

23
III.1 Surse de biomasă pentru producția de a doua generație de bioetanol

Datorită structurii complecșilor lignocelulozici, este necesară o pretratare adaptată pentru
degradarea lor, conducând la îndepărtare a ligninei, hidroliza parțială sau totală a
hemicelulo zelor și scăder ea fracțiunii celuozice. Deșeurile de materii lign ocelulozice obținute
din culturi , reziduurile de lemn și cele agricole reprezintă cea mai mare sursă globală de
biomasă regenerabil ă. Printre reziduurile agricole, paiele de grâu reprezintă cea mai mare
materie primă de biomasă din Europa și a doua cea mai mar e din lume după paiele de orez
[10].
In tabelul III.1 sunt prezentate principalele surse de biomasă pentru producția de
bioetanol de a doua generație.

Tabelul III.1 Principalele surse de biomasă pentru producția
de bioetanol de a doua generație [1]
Biomasă Principalele caracteristici
Paie de grâu Hidroliza enzimatică a deșeului de porumb poate fi efectuată în
conducte în timpul transportului; deșeul de porumb hidrolizat ar putea
intra direct în instalația de fermentare a bioetanolului.
Paie de orez În ceea ce privește compoziția chimică, paiele conțin în mod
predominant celuloză (32 -47%), hemiceluloză (19 -27%) și lignină (5 –
24%).
Reziduul de porumb Aproximativ 80 -100 de tone de reziduu de porumb / an poate fi utilizat
pentru producția de etano l în SUA. [1]
Iarbă
Ierburile rhizomatoase perene, cum ar fi miscanthus și stufa uriașă,
generează un mare interes în Europa, fiind surse de biomasă pentru
producția de energie.
Lemn Principalul avantaj al lemnului este densitatea ridicată a acestuia
comparativ cu ierburile și paiele, ceea ce permite costuri mai reduse de
transport și facilități de depozitare.
Hemiceluloza este în principal formată din manoză, care este o hexoză

24

III.2 Prezentare generală a proceselor pentru obținerea de bioetanol de a doua
generație
III.2 .1 Pretratarea

Scopul pre tratării este îndepărtarea ligninei și hemicelulozei, reducerea de celuloză
cristalină și creșterea porozității materialelor. În plus, tratamentul prealabil ar trebui să
îmbunătățească formarea de zaharuri sau capacitatea de a le for ma în timpul hidrolizei
enzimatice și pentru a evita formarea de inhibitori pentru procesele ulterioare de hidroliză și
fermentare. Principalele constrângeri sunt minimizarea degradării zahărului și formarea
inhibitorilor și limitarea consumului de substan țe chimice, de energie și de apă, precum și de
producerea d eșeurilor [11]. În figura III.2 sunt prezentate efectele pretratării.

Figura III.2 Efectele pretratării [6]
care poate fi fermentată de drojdia normală de brutărie, iar conținutul
de pentoz ă este doar în jur 6 -7% din totalul lemnului. Pot fi produse
aproximativ 410 l de bioetanol pe tonă de materie primă uscată
folosind numai fracțiunea de hexoză și 455 l dacă toți carbohidrații sunt
considerați. În urmare, pretratarea aburului prin catalizare acidă este
cea mai bună metodă de pretratare disponibilă.

25
III.2.1 .1 Metode fizice

În toate procesele, este necesară o primă etapă de reducere a mărimii, pentru a permite
o mai bună difuzie de substanțe chimice și /sau enzime, care reprezintă etapa principală de
limitare a conversiei biomasei. Diminuarea dimensiunii este cea mai bună meto dă de a spori
pătrunderea reactivului și de a reduce timpul de funcționa re (sau creșterea conversiei). Cu
toate acestea, avantajele reducerii dimensiunii este echilibrată de consumul de energie. După
cum s -a menționat mai sus, materialele pot să fie mărunț ite printr -o combinație de așchiere și
măcinare pentru a reduce cristalinitatea celulozei.
Procesul de extrudare este o metodă nouă și promițătoare pentru pretratarea fizică și
transformarea biomasei în producția de bioetanol. În extrudare, materialele sunt supuse la
încălzire, amestecare și forfecare, având ca rezultat modificări fizice și chimice în timpul
trecerii prin extruder. Viteza șuruburilor și temperatura barilului se crede că perturbă structura
lignocelulozei cauzând defibrilare, fibrilație, și scurtarea fibrelor și, în final, creșterea
accesibilității carbohidraților la atacul enzimatic [11].

III.2. 1.2 Metode fizico -chimice
Explozia de abur
Metodele de pretratare fizico -chimice sunt considerabil mai eficiente decât cele fizice.
Explozia aburului este metoda cea mai frecvent utilizată pentru pretratarea materialelor
lignocelulozice. În această metodă, așchiile de biomasă sunt tratate cu abur saturat de înaltă
presiune și apoi presiunea este redusă rapid, ceea ce face ca materialele să sufere o
decompresie explozivă. Explozia aburului este de obicei inițiată la o temperatură de 160 -260 °
C (presiunea corespunzătoare este de 0,69 -4,83 MPa) pentru câteva secunde până la câteva
minute. Reac ția este apoi oprită brusc datorită decompresiei la presiunea atmosferică. Când
aburul este lăsat să se extindă în interior, matricea lignocelulozică separă fibrele individuale.
Procesul pro voacă degradarea hemicelulozei și transformarea ligninei datorată temperaturii
ridicate, crescând astfel potențialul hidrolizei celulozei . Eficiența exploziei de abur poate fi
îmbunătățită utilizând condiții acide, cum ar fi preîmbibarea materiei pr ime brute timp de 8
ore la 60° C într -o soluție de acid sulfuric 0,2 N [11].

26
Explozia fibrei de amoniu
Explozia fibrei de amoniu este o pre tratare termică care expune materialele
lignocelulozice la temperaturi și presiuni relativ ridicate urmat ă de eliberarea rapidă sub
presiune T emperaturile moderate (60-100° C) s unt semnificativ mai mici decât cele ale
exploziei de abur, ceea ce înseamnă mai puțină energie și costuri globale mai mici asociate
procesului. Pe ntru funcționarea la temperatură ambiantă sunt necesare presiuni care depășesc
12 atm .
Materialul l ignocelulozic preumezit la o umiditate de 15 -30% este plasat într – un vas
sub presiune cu amoniac lichid (NH 3). Timpul de ședere se poate modi fica de la durate mici
(5-10 min) până la durate moderate (30 min), în funcție de gradul de saturație necesară pentru
tipul de biomasă. În figura III.3 este prezentată schema de proces a pretratamentului e xploziei
fibrei de amoniu .

Figur a III.3 Schema pretratamentului e xploziei fibrei de amoniu ( AFEX ) [12]

Tratarea apei cald e lichide
La fel ca proce sul de explozie a aburului, pre tratamentul cu apă caldă utilizează apa la
temperaturi ridicate și presiuni ridicate pentru a -și menține dezintegrarea și separarea matricei
lignocelulozice. Este o metodă de pretratament hidrotermic care eliberează fracții m ari de

27
zaharuri hemicel ulozice sub formă de oligomeri . Tratamentul are loc în ge neral la temperaturi
de 170 -230° C și la presiuni mai mari de 5 MPa pe o perioadă de timp cuprinsă între câteva
minute și o oră. Figura III.4 prezintă s chema de proces a pretratamentului cu apă caldă lichidă .
Acest proces folosește multe dintre aceleași caracteristici pe care exploziile de abur le
folosesc, în primul rând autohidroliza. În orice caz, acest proces contribuie, de asemenea, la
producerea uno r cantități mici de substanțe nedorite, compuși degradanți cum ar fi furfural,
acid carboxilic, care sunt foarte toxici pentru bioetanol, deoar ece inhibă creșterea microbiană.

Figura III.4 Schema de proces a pretratamentului cu apă caldă lichidă [11]

III.2. 1.3 Metode chimice

Pretratamentele chimice folosesc agenți chimici diferiți ca ozon, acizi, substanțe
alcaline, peroxid și solvenți organici. Acizi anorganici ca H 2SO 4 și HCl au fost utilizați pentru
tratarea prealabilă a biomasei. Obiectivul principal al pretratării cu acid este de a solubiliza
fracția de hemiceluloză a biomasei și de a face ce luloza mai accesibilă enzimelor. Au fost

28
raportate randamente ridicate de hi droliză la pretratarea lignoce lulozei cu acid sulfuric diluat
[11]. Cu toate acestea, tratamentul cu acid sulfuric are o anumită limitare a proces ului, cum ar
fi coroziunea.

III.2. 1.4Metode biologice

Ciupercile apărute în urma descompunerii lemnului au fost studiate pe scară largă
pentru degradarea lignocelulozei. O astfel de pre tratare biologică are cerințe reduse de energie
și condiții ușoare de mediu. Cu toate acestea, majoritatea acestor procese su nt prea lente
limitând aplicarea la nivel industrial.

III.2.2 Hidroliza și fermentația
III.2.2 .1 Hidroliza acidă

Se poate efectua hidroliza acidă cu mai multe tipuri de acizi, incluzând acidul sulfuric,
sulfuros, clorhidric, fluorhidric, acid fosforic, acid azotic și acid formic. Acești acizi pot fi fie
concentrați sau diluati. Procesele care implică acizi concentrați sunt operate la temperatură
scăzută și dau randamente ridicate (de exemplu, 90% din randamentul te oretic al glucozei),
dar cantități mari de acizi utilizați provoacă probleme asociate cu coroziunea echipamentelor
și solicitarea de energie pentru recuperarea acidul ui. Din aceste motive, hidroliza cu acid
diluat a fost mai atractivă, având un consum rela tiv scăzut de acid [12].
Figura III.6 (a, b) prezintă randamentele functie de hidroliz a acidă determinate din
cantitatea de zahăr obținute prin hidroliza lem nului pretratat și delignificat.

29
Randamentele de hidroliză acidă au fost evaluat e timp de 10, 30 ș i 60 de minute pentru
hidroliza cu acid sulfuric 2% și timp de 30, 60 și 90 de minute pentru hidroliza cu acid sulfuric
15%. Randamentul scăzut al hidroli zei acide în cazul lemnului pre tratat și delignificat
sugerează că concentrația scăz ută de acid are o influență redusă asupra celulozei; prin urmare,
este necesar creșterea concentrației de acid sulfuric la 15%.
Figura III.6 Randamentele hidrolizei acide
(a) hidroliza cu acid sulfuric 2% la 10, 30 și 60 min; și (b) hidroliza cu 15% acid sulfuric la 30,
60 și 90 min [13]

30
III.2.2.2 Hidroliza enzimatică

Zaharificarea și fermentația simultană combină hidroliza enzimatică cu fermentația
bioetanolului pentru a menține concentrația de glucoz ă scăzută și evitarea efectelor
inhibitorilor. Cu toate acestea, diferența de temperatură optimă pentru hidroliză (45 -50 ° C) și
fermentare (28 -35 ° C) implică reducerea performanțelor cockteilurilor enzimatice care duc la
rate s căzute de hidroliză a celulo zei. În figura figura III.5 este prezentată schema de proces a
hidrolizei enzimatice si fermentarea etanolului.
Figura III.5 . Schema de proces a hidrolizei enzimatice si fermentarea [ 13]

III.2.3 Distilarea și deshidratarea

Pentru utilizarea drept biocombustibil de transport, bioetanolul este în general
amestecat cu ben zină la diferite concentrații. Este necesar pentru amestecurile cu benzină să se
folosească bioetanol fără continut de apă (anhidru). Atunci când azeotropul es te la punctul de
fierbere, vaporii au aceleași proporții de constituenți ca și amestecul lichid, așa cum se arată în
figura III.6 . Există o problemă obișnuită în amestec sau azeotrop, la 95,6% procente masice
(97,2% procente volumice) cu apa la o temperatură de 78,15° C, deoarece face imposibil de
separat bioetanolul de apă într -o singură coloană de distilare. Primul pas este să se recupereze
etanolul într -o coloană de distilare, unde rămâne cea mai mare parte a apei cu p ărțile solide.
Produsu l (bioetanol 37%) este apoi concentrat într -o coloană de rectificare la o concentrație
chiar sub azeotrop (95%). Etanolul rezultat este deshidratat în continuare pentru a obține

31

bioetanol anhidru folosind distilarea azeotropică, distilarea extractivă, extr acția lichid -lichid,
adsorbția sau unele metod e complexe de separare hibridă [5].

Fig III.6 Graficul curbei de distilare bioetanol -apă, pentru azeotrop,
la 95,6% procente masice [14]

Distilarea azeotropă
Legătura binară bioetanol – apă poate forma cu un al treilea compus volatil un ternar
azeotrop cu un punct de fierbere mai mic decât azeotropul bioetanol -apă. Faza de separare de
la nivelul condensatorului permite îndepărtarea unei faze apoase și reciclarea unui amestec
binar care conține bioetanol și al treilea compus care joacă rolul de antrenor. Bioetanolul
anhidru este recuperat de la baza coloanei de distilare. În prezent, ciclohexanul este unul dintre
cel mai utilizat agent de antrenare pentru această separare.
Figura III.7 Schema distil ării azeotrope [10]

32
Distilarea extractivă
Distilarea extractivă utilizează un solvent selectiv cu punct de fierbere ridicat, care
modifică activitatea coeficienți și, prin urmare, creșterea factorului d e separare. A treia
componentă adăugată ca agent de separare poate fi solventul lichid, lichidul ionic, sare
dizolvată, un amestec de solvent lichid volatil și sare dizolvată. Unul dintre cei mai frecvent
utilizați solvenți extractivi din distilarea extractivă pentru deshidra tarea e tanolului este
etilenglicolul. [4]
Figura III.8 Schema distil ării extractiv e [10]

Adsorbția
Sitele moleculare de zeoliți (tip 3A și 4A) sunt utilizate pe scară largă pentru separarea
amestecului bioetanol -apă. Moleculele de apă, cu un diametru molecular aproximativ de 0,28
nm, pot penetra cu ușurință porii adsorbantului cu site moleculare, în timp ce bioetanolul, cu
un diametru molecular aproximativ de 0,44 nm, este exclus. Sitele moleculare zeolite sunt
foarte selective, dar apa este foarte puternic adsorbită și la temperaturi ridicate și / sau presiuni
scăzute sunt necesare pentru a le regenera.

33
CAPITOLUL IV
BIOETANOLUL ÎN AMESTEC CU BENZINA

IV.1 Proprietățile bioetanolului

Bioetanolul este un biocombustib il alternativ, utilizat pentru a crește cifra octanică și
pentru a îm bunătăți calitatea emisiilor ale combustibilului. Bioe tanolul poate fi amestecat cu
benzină pentru a crea amestecul E85, etanol 85% și benzină de 15%. Vehiculele care rulează
pe E85 se numesc vehicule flexibile (FFV) și sunt oferite de mai mulți producători de
vehicule. Proprietățile bioetanolului, care au fost prezentate în acest studiu, sunt în tabelul
IV.1.
Tabel IV.1 Proprietățile bioetanolului [15]
Formulă chimică C2H5OH
Puritate (%) 99.5
Oxigen ( g%) 34.7
Masă moleculară (g/mol) 46.07
Densitate (16șC; g/cm3) 0.796
Temperatura de fierbere (șC) 78
RVP (37.8șC, kPa) 16
MON 92
RON 108
Temperatura de îngheț (șC) -114
Temperatură de aprindere (șC) 12.8

IV.2 Proprietățile combustibililor amestecați cu bioetanol și benzină

In studiile de literatuea au fost realizate diferite amestecuri de benzină fără plumb cu
diferite cantități (2,5%, 5%, 7,5%, 10%, 15% și 20%) de bioetanol . Amestecurile au fost
analizate prin metode standard de testare ASTM, iar rezultatele sunt prezentate în tabelul IV.1.

34
"E" desemnează bioetanolul, iar nu mărul de lângă E indică procentual de bioetanol. E5 ,
bioetanol 5% (puritate 99,5%) a fost amestecat cu benzină fără plumb 95% [15].

Tabel IV.2 Proprietățile amestecurilor de benzină și bio etanol [16]
Bioe tanol –
Benzină E0 E2.5 E5 E7.5 E10 E15 E20
Densitate
(16șC ; g/cm3) 0,7682 0,7686 0,769 0,7701 0,7711 0,7726 0,7754
MON 85,9049 85,9823 86,2058 86,9911 87,4726 88,6056 88,7598
RON 98,6462 99,4344 99,4634 99,9504 100,4521 100,7383 100,989
RVP
(37.8șC, kPa) 64,2 66,8 68,2 67,8 67,3 67 66,8
Sulf (g%) 0,067 0 0,0651 0,0645 0,0636 0,0613 0,0603 0,0531
Valoare calorică
(cal/g) 10352 10207 10121 10053 9975 9844 9712
Distilare
IBP 44,4 34,2 33,2 38,5 49,4 34,9 37,4
10 68,4 53,4 55,9 56,3 65,7 57,6 59
50 124,6 111,9 110,2 109,4 132,3 79,4 74,1
90 174,3 168,9 167,9 169,2 174 164,5 168,2
Punct final 206,6 194,2 194 196 204,3 194,5 188,1

Unele dintre proprietățile legate de combustie au fost rezumate în tabelul IV.2. Tabelul
prezintă cateva proprietati ca: densității, numărul octanic al motorului (MON), numărul
octanic de cercetare (RON), presiunea de vapori Reid (RVP), conținutul de sulf, temperatura
de distilare a diferite amestecuri de bioetanol -benzină.

35
Tabelul IV .2. prezintă, de asemenea, temperaturile de distilare ale diferitelor amestecuri
de combustibil cu etanol și benzină, inclusiv temperatura inițială de fierbere ( IBP),
temperatura de distilare la 10%, 50%, 90% și temperatura de distilare finală. Se poate observa
că punctul IBP, 10%, 90% și punctul final de distilare sunt aproape independenți de conținutul
de bioetanol, cu excepția temperaturii de distilare la 50%.

Fig IV .1 Densitat iile amestecurilor bioetanol – benzină [17]

După cum se observă în figura IV.1. densitățile amestecurilor sunt în creștere cu
procentul de bioetanol. Această creștere poate fi explicată prin densitatea componentelor.
Densitatea bioetanolului este de 0, 80 g/ cm3, în schimb densitatea benzinei este de 0,76 g/ cm3.
Prin urmare, densitățile amestecurilor variaza in functie de conținutul de bioetanol.
Calitatea benzinei este în mod constant bazată pe cifra sa octanică, ceea ce indică
puterea de aprindere . În acest scop, izooctanului îi este dat o cifră octanic ă egal cu 100, în timp
ce cifrei octanic e al n-heptanului este zero. Cifra octanic ă este un indicator al rezistenței
aprinderii benzinei. Acest număr este determinat experimental într -un motor cu o rată de
compresie variabilă. Cifra octanică este determinată cu ajutorul unui motor (cifră octanic ă
motor , MON sau cifră octanică de cercetare, RON).
Motorul MON evaluează puterea de aprindere a benzinei atunci când motorul
funcționează în condiții mai severe, rotații ridicate și încărcare completă. RON evaluează
puterea de aprindere a benzinei atunci când motorul funcți onează în condiții mai blânde, rotații

36
scăzute, simulând o condiție de conducere pe o autostradă. Proprietatile MON și RON ale
amestecurilor benzină -bioet anol sunt prezentate în figura IV.2. și figura IV .3.

Fig. IV.2 Cifra octanică motor (MON) a amestecului bioetanol – benzină [17]

Fig. IV.3 Cifra octanică de cercetare (MON) a amestecului bioetanol – benzină [17]

Rezistența de aprindere este o proprietate extrem de importantă a benzinei, deoarece nu
ar trebui să se auto -aprindă prin comprimare, ci prin scânteiere. Benzina având un indice

37
octanic ridicat produce o combustie mai blândă și mai eficientă. Cifra octanic ă este pur și
simplu o descriere numerică a rezistenței sale la auto -aprindere.
Rezultatele presiunii v aporilor măsurate la 37,8° C (RVP) pe o proba de benzină și pe
amestecuri cu procente diferite de bioetanol sunt prezentate în figura IV.4.

Fig IV.4 Presiunea de vapori Reid (RVP ) a amestecurilor de benzină -bioetanol [17]

După cum se poate observa din figura IV.4, adăugarea de bioetanol a dus la o creștere
semnificativă cu primele 5% din volumul de alcool adăugat. Cu procente de peste 10%,
presiunea vaporilor tinde să scadă.
Conținutul de sulf și valorile calorice ale amestecurilor bioetanol -benzină sunt
prezentate în figura IV.5. și respectiv figura IV.6. Temperatura de distilare a amestecurilor
bioetanol -benzină este prezentat în figura IV.7. și așa cum se vede în acest grafic,
temperaturile de distilare ale amestecurilor scad cu creșterea conținutului de bioetanol.

38

Fig IV .5 Conținutul de sulf a amestecurilor de benzină și bioetanol [17]

Fig. IV.6 Valorile calori ce ale amestecurilor de benzină și bioetanol [17]

39

Fig IV.7 Temperatura de distilare a amestecurilor de benzină cu bioetanol [17]

În figura IV.7 se observ ă efectul adăugării a mai mult de 10% volum de bioetanol în
benzina. În mod clar, acest lucru are ca rezultat ca partea frontală a regiunii mediane a curbei
să fie puternic distorsionată în ceea ce privește creșterea semnificativă a volatilității
combustibilului din aceste regiuni. Adăugarea unui volum de etanol mai mare de 10% în
benzină continuă să crească volatilitatea amestecului, după cum reiese din reducerile
suplimentare ale temperaturilor de distilare T50 și T90. Termenul T50 este utilizat pentru a
indica temperatura la care 50% din volumul probei se va evapora și, prin urmare, T90 este
temperatura la care 90% din probă se va evapora. Reducerile observate la T50 și T90 între 10
și 20% bioetanol sunt mai mari decât reducerile de la benzina la amestecul de bioetanol 10%,
demonstrând o tendință neli niară.

IV.3 Emisiile de gaze de eșapament

Al-Hasan [ 11] a studiat efectul amestecurilor de benzină fără plumb cu bioetanol
asupra performanțelor motorului și a emisiilor de gaze de eșapament. În acest studiu, a fost

40
investigat efectul utilizării combinațiilor de benzină fără plumb – bioetanol asupra unei
performanțe a motorului cu aprindere prin scânteie (SI) și a emisiilor de gaze de eșapament.
Benzina fără plumb a fost amestecată cu bioetano l pentru a obține amestecuri, variind de la
0% până la 20% bioetanol pe un motor SI în patru timpi, cu patru cilindri. Au fost efectuate
teste de performanță pentru raportul aer -combustibil, consumul de combustibil, eficiența
volumetrică, eficiența termică a frânării, puterea de frânare, cu plul motorului și cons umul de
combustibil specific frâ nei, în timp ce emisiile de gaze de eșapament au fost analiz ate pentru
monoxidul de carbon (CO), emisiile de hidrocarburi (HC), emisiilor de noxe ( NOx) și de
dioxid de carbon ( CO 2), prezentate în figurile IV.8, IV.9, IV.10 și IV.11, folosind amestecuri
de benzină fără plumb -bioetanol , în diferite procente , la o poziție de deschidere a clapetei de
accelerație de trei treimi și o turație variabilă a motorului de la 1000 la 4000 rpm. Rezultatele
au arătat că amestecarea benzinei fără plumb cu bioetanol mărește eficiența termică a frânei, în
timp ce reduce consumul de combustibil și echivalența raportului aer -combustibil.
Concentrațiile de emisii de CO și HC din evacuarea motorului sca d, în timp ce concentrația de
CO 2 crește. 20% bioetanol în amestec a dat cele mai bune rezultate pentru toți parametrii
măsuraț i la toate turațiile motorului [16].

Figura IV.8 Media aritmetic ă a emisiilor de monoxid de carbon [CO] [16]

41

Figura IV .9 Media aritmetic ă a emisiilor de hidrocarburi [HC] [16]

Figura IV .10 Media aritmetic ă a emisiilor de noxe [NOx ] [16]

Figura IV .11 Media aritmetic ă a emisiilor de dioxid de carbon [CO 2] [16]

42
În concluzie s -a observat că :
1. Alimentarea motorului cu amestec de bio etanolului si benzină îmbunătățește arderea.
2. Utilizarea amestecurilor de benzină și bioetanol în motoare le SI scade dramatic
concentrațiile de CO. Cu toate acestea, concentrațiile de NO sunt afectate în mod negativ cu
creșterea proporției de bioetanol din amestec.
3. Adăugarea bioetanolului la benzină mărește cifra octanică a combustibilului și scade
temperatura de distilare.
4. În condiții de funcționare optime, combustibilii amestecați cu bioetanol scad ușor
emisiile de CO și NOx ale motorului. La inactivitate, E10 are un efect redus asupra scăderii
emisiilor de CO și NOx, dar E30 poate reduce drastic emisiile de CO si NOx.
5. În majoritatea cazurilor, combustibilii amestecați cu bioetanol pot s ă scadă emisiile de
CO și NOx.

IV.4 Avantajele si dezavantajele utiliz ării bioetanolului drept biocombustibil

Avantaje :
 Biotanolul este un combustibil regenerabil ;
 Biotanolul ar putea reduce consumul combustibililor clasici ;
 Bioetanolul ar putea crea cerințe mai mari pentru materiile prime, stimulând astfel
agricultura , prețurile și veniturile producător ilor;
 Căldura latentă ridicat ă a bioetanolulu i mărește eficiența volumetrică ;
 Biotanolul furnizează mai mult oxigen în procesul de combustie, care ajută la arderea
complet ă;
 Presiunea scăzută a vaporilor de bioetanol reduce emisiile ;
 Biotanolul are o viteză mare de propagare a flăcării laminare, ceea ce face procesul de
ardere să se te rmine mai devreme și să -și mărească limita de inflamabilitate ;
 Biotanolul reduce semnificativ em isiile de gaze cu efect de seră ;
 Biotanolul es te miscibil în b enzină ;
 Biotanolul este folosit pe scară largă ca o fracțiune oxigenată în benzină ;

43
 Se poate utiliza orice plantă pentru producerea de bioetanol, trebuie doar să conțină
zahăr și amidon. Cea mai bună alegere este trestia de zahăr, dar se poate folosi și cartofi, orz,
grâu etc;
 Efectul net al utilizării bioetanolului duce la o scădere globală a for mării ozonului, o
problemă importantă pentru mediu. (Emisiile produse prin arderea bioetanolului sunt mai
puțin reactive față de lumina soarelui decât cele produse prin arderea benzinei, ceea ce
conduce la un potențial mai scăzut pen tru formarea ozonului d ăunător);
 Crește cifra octanică a benzinei [18].

Dezavantaje :
 Conținutul energetic al bioetanolulu i este mai mic ;
 Utilizarea bioetanolului poate spori coroziunea pe componentele feroase, cum ar fi
rezervorul de combustibil ;
 Presiunea scăzută a vaporilor de bioetanol face dificilă pornirea motorului la rece [18].

44
CAPITOLUL V
V.1 CALCULUL ȘI DIMENSIONAREA UNEI INSTALAȚII DE
SEPARARE PRIN DISTILARE A AMESTECULUI BINAR
BIOETANOL -APĂ

V.1.1 Tema proiectului și date de proiectare
Să se efectueze calculul și dimensionarea unei instalații de separare prin distilare a
amestecului binar bioetanol -apă, având o capacitate de producție de 45 l/h, cu o concentrație
inițială de bioetanol în amestec de 30 %, iar purita tea bioetanolului obținut este de 90 % .
Scopul calculului este rectificarea unui amestec binar de bioetanol -apă. S-a folosit ca
materia primă fiind cerealele și cartofii .
Plămada fermentată este introdusă pe la partea superioară a col oanei.. Coloana de
distilare este prevăzută cu talere cu sită, iar plămada se scurge prin aceasta cu viteză și debit
constante.
În figura V.1 este prezentată schema tehnologică de obținere a bioetanolului din cereale
și cartofi.
Pornind de la datele inițiale de proiectare și folosind formule găsite în literatura de
specialitate, am dimensionat coloana de distilare a amestecului binar bioetanol -apă.

Date de proiectare :

 Concentrația bioetanol în alimentare : ci = 30 %
 Puritatea bioetanolului obținut : cf = 90 %
 Debitul de bioetanol obținut în urma operației de separare: Q = 450 hl/24h
 Debitul de abur : Q
Ab = 0,2091 kg/s
 Densitarea distilatului : ρ D = 820 kg/m3

45
 Fracția masicǎ a amestecului inițial: xF = 30 % masic
 Fracția masică a distilatului: xD = 90 % masic
 Fracția masică a rezidiului: xW = 0.01 % masic
 Diametrul interior: d int = 25 mm
 Diametrul exterior: d ext = 29 mm
 Temperatura alimentării : T (30%) = 84.7 ℃
 Temperatura de ie șire : T (90%) = 78.27 ℃
 Densitatea apei la 120 ℃:
3
120/9,942 mkgC apao
 Densitatea bioetanolului la 78.27 ℃:
3
27,78 /5,774 mkget

46

Figura V.1 Schema tehnologică de obținere a etanolului din cereale și cartofi

47
V.1.2 Coloana de distilare

Figura V.2 Schema tehnologică a coloanei de distilare
În coloana prezentată în figura V.2 se va separa amestecul etanol -apǎ cu următoarele
caracteristici:

𝑄=450 ℎ𝑙24ℎ⁄ = 45 000 ∙ 10−3
24 ∙3 600=0,00052 𝑚3
𝑠⁄ (V.1)
ρf = 820 kg/m3
F = ρ f ∙ Q = 0.00052 m3/s ∙ 820 kg/m3 (V.2)
F = 0,4264 kg/s
Cf = 30% masic
Cd = 90 % masic
Cw = 0,01 % masic
V=R+D
F
84,7oC
Abur

Abur uzat
120oC
W
96,65oC
R
D 78,27oC
Ar 18oC
Ac 23oC

48
Determinarea concentrației componentului mai volatil exprimatǎ în fracții molare în
amestecul inițial, distilat și reziduu.
𝑥𝑓= x̅F
Met
x̅F
Met+ (1−x̅F)
Mapa= 0.3
46
0.3
46+(1−0.3)
18=0.143 4 (V.3)

𝑥𝑑= 𝑥̅𝐷
𝑀𝑒𝑡
𝑥̅𝐷
𝑀𝑒𝑡+ (1−𝑥̅𝐷)
𝑀𝑎𝑝𝑎= 0.9
46
0.9
46+(1−0.9)
18=0.8416

𝑥𝑤= 𝑥̅𝑊
𝑀𝑒𝑡
𝑥̅𝑊
𝑀𝑒𝑡+ (1−𝑥̅𝑊)
𝑀𝑎𝑝𝑎= 0.0001
46
0.0001
46+(1−0.0001 )
18=0.00004

unde: M et – masa molecularǎ a bioetanolului;
Mapǎ – masa molecularǎ a apei;

x – concentrația în bioetanol exprimată în fracție de masǎ;

fx – fracția masicǎ a alimentării ;

dx – fracția masică a distilatului;

wx – fracția masică a rezidiului.
III.1.2.1 Bilanțul de material e

F = D +W
D = F – W (V.4)
unde : F = debitul de alimentare ;
D = debitul de distilat;

49
W = debitul de produs de blaz;
w d xW xDfxF 
(V.5)
0,4264 ∙ 0,30 = ( F – W ) ∙ 0,90 + m W ∙ 0.0001
0,1279 = 0,3897 – W ∙ 0,90 + W ∙ 0,0001
0,1279 – 0,3897 = – W ∙ 0,90 + W ∙ 0,0001 / ( -1 )
0,2618 = W ∙ 0,90 – W ∙ 0,0001
0,2618 = W ( 0,90 – 0,0001 )
0,2618 = W ∙ 0,8999
𝑊= 0,2618
0,8999=0,290 kg/s
D = F- W = 0,4264 – 0,290 = 0,1364 kg /s
D = 0,1364 kg/s

III.1.2.2 Bilanțul termic

A) Calculul debitului de vapori în coloană
V = D + L (V.6)
L = R . D (V.7)
90% …………………… D
100% …………………. x
𝑥=100 ∙𝐷
90 =100 ∙0.1364 𝑘𝑔𝑠⁄
90

50
𝑥=0.1515 𝑘𝑔𝑠⁄
𝑚 𝐷=𝑥
𝑀𝑒𝑡=0.1515 𝐾𝑔/𝑠
46 𝐾𝑔/𝑚𝑜𝑙= 0.00329 𝑘𝑚𝑜𝑙 /𝑠
n
R = a ∙ mD (V.8)
n
R = 2 . 0,0032 = 0,0064 kmol/s
MR = 0.90 ∙ 46 + 0.06 ∙ 18
MR = 42,78 + 1,08 = 43,86
mR = n R ∙ MR = 0.0064 ∙ 43,86 = 0,2807
V = x + m R = 0,1515 + 0,2807 = 0,5322 kg/s

B) Calcul ra ția reală de reflux
R = a . Rmin (V.9)
𝑅𝑚𝑖𝑛 = 𝑥𝑑 − 𝑦𝑓
𝑦𝑓− 𝑥𝑓 (V.10)
𝑥𝑑 = 0.8503
𝑥𝑓= 0.1401
𝑦𝑓= 0.488
𝑅𝑚𝑖𝑛 = 0.8503 − 0.488
0.488 − 0.1401=0.9971
Se alege: a = 2
 R = 2 . 0,9971 = 1,9942 ≈ 2 kmol/kmol
a = constanta de reflux
Se calculează debitul masic de apă :

51
Gm apă = x – D (V.11)
Gm apă = 0,1515 – 0,1364 = 0,0148 kg/s

III.1.2.3 Numărul talerelor teoretice

Metoda McCabe -Thielle
Concentrațiile în component volatile exprimate în fracții molare sunt:
 F – 30%, xf = 0.1434
 D – 90%, x d = 0.8416
 W – 0,01%, xw = 0,00004
Ecuația dreptei de concentrare este:
DxRxRRy 11
1
(V.12)
Se cunoaște R = 2 și rezultă:
y = 0.66x + 0.2834
y0 = 0,2834
Ecuația dreptei de epuizare este:
WxRFxRFRy 1' 1
1''
(V.13)
Unde:
F'= xD – xW
xF- xW= 0.8416 -0.00004
0.1434 -0.00004=0.6982
De unde rezultă:
y` = 0,8994x – 0.000004
S-au considerat punctele xF, xD și respectiv xW pe graficul dreptei echilibrului lichid –
vapori, calculându -se astfel număru l de talere teoretice ca fiind 5 .
În figura V.3 este prezentată curba de echilibru lichid – vapori și aflarea talere lor prin
metoda McCabe -Thielle .

52

Figura V.3 Curba de echilibru lichid -vapori
III.1.2.4 Numărul talerelor reale

(V.14)
Alegem: E g = 0.25

N
r

=
n
t
E
g
=
5
0.25
= 20

53
III.1.2.5 Calculul de dimensionare al coloanei

Diametrul coloanei
Zona de concentrare
x′𝒎𝒆𝒅 = xF+ 𝑥𝐷
2= 0.1434 +0.8416
2=0.492
𝑦′𝑚𝑒𝑑 =R
𝑅+1∙𝑥′𝑚𝑒𝑑+𝑦0
𝑦′
𝑚𝑒𝑑=0.66∙0.492 +0,2834
𝑦′
𝑚𝑒𝑑= 0.6081

Zona de epuizare
x′′𝒎𝒆𝒅 = xF+ 𝑥𝑊
2= 0.1434 +0.00004
2=0.0719
𝑦′′𝑚𝑒𝑑 = 𝑅+𝐹′
𝑅+1 ∙𝑥′′
𝑚𝑒𝑑 +1+𝐹′
𝑅+1 ∙𝑥𝑤
𝑦′′
𝑚𝑒𝑑=3.7958 ∙ x′′
𝒎𝒆𝒅 − 0.000625
𝑦′′
𝑚𝑒𝑑=0.2722

Temperaturi medii ale vaporilor
Pentru: 𝑦′
𝑚𝑒𝑑=0.6081
273 48,8127,84 27,78' medT
T`med = 354,48 K
y’’med = 0,2722
 T’’ med =
27,84 120 = 102,35 + 273

54
T’’ med = 375,35 K
Masa molară medie a vaporilor
În zona de concentrare
M`med = y` med . Met + ( 1 – y`med ) (V.15)
M`med = 0.6081 ∙ 46 + ( 1 – 0.6081 )
M`med = 28,3645 kg/kmol
ρ`med = M` med ∙ T0 / 22.4 ∙ T`med (V.16)
ρ`med = 28,3645 ∙ 273 / 22.4 ∙ 354,48
ρ`med = 0.9396 kg /m3
În zona de epuizare
M„ med = y„ med ∙ Met + ( 1 – y„med )
M„ med = 0.2722 ∙ 46 + ( 1 – 0.2722 )
M„ med = 12,5212 + 0.7278
M„ med = 13,249 kg/kmol
ρ„med = M„ med ∙ T0 / 22,4 ∙ T„ med
ρ„med = 13,249 ∙ 273 / 22.4 ∙ 375.35
ρ„med = 0.4301 kg/m3

Densitatea medie a vaporilor în coloană

ρ
v
ap
=
ρ „
m
ed
+ ρ `
m
ed
2
=
0.4301 + 0.9423
2
= 0.6862kg/m
3

55
Temperatura la vârful coloanei la: xD= 0.8607
 T1 = 78,27˚C
Temperatura in blaza la: xW = 0,00004
 T2 = 120șC

Densitatea apei

33
27,783
120
/7,85825,7749,9422/5,774/9,942
mkgmkgmkg
lichidet apa
lichidetC apao

 (V.17)

Viteza vaporilor în coloană

vl
oC w (V.18)
C = 0,032 în cazul talerelor cu sită

smmkgskgGmGsmmkgmkgw
vvv
vo
/ 6238,0/ 6862,0/ 4281,0/ 1319,1 37,35 032,0/ 6862,0/7,858032,0
3
333
  
 (V.19 )
Gv – debitul de vapori în coloană

56

23
552,0/13,1/ 6238,0msmsm
wGS
ov
o   (V.20)
mSDo8366,014,3552,02 2  
(V.21)

Înălțimea coloanei
Numărul de talere tehnologice este n = 8, din care avem :
– 5 talere în zona de concentrare;
– 3 talere în zona de epuizare.
Ht = (n – 1) . H’ (V.22)
𝑛= 𝑛𝑡
𝐸𝑔= 5
0.25=20
unde, eficiența E g = 0,25 – 0,8; am ales E g = 0,25
Ht = ( 20 – 1 ) . 0,2 = 3,8 m ≈ 4 m
unde: H t = distanța dintre talerul superior și inferior;
n – numărul de talere în coloană;
H’ – distanța dintre talere;
nt – numărul de talere teoretice;
Eg – eficiența globală = 0, 25.
Se alege distanța dintre talere H’ = 200mm

În urma calculului de dimensionare a unei coloane de distilare a amestecului binar
bioetanol -apă, s -a obținut o coloană cu diametrul de 0,836 m și cu o înălțime de 4 m.

57
V.2 SIMULAREA PRODUCȚIEI DE BIOETANOL PRIN
FERMENTAREA GAZULUI DE SINTEZĂ UTILIZÂND ASPEN PLUS TM

În scopul studierii fermentării gazelor de sinteză, această lucrare prezintă o gazificare
integrată cu procesul de fermentare a gazelor de sinteză utiliz ând programul Aspen PlusTM. Un
mecanism de reacție pentru descompunerea reziduurilor de trestie de zahăr a fost utilizată
pentru a reprezenta piroliza. Influența condițiilor de funcționare ca temperatura gazeificării ,
agenții de oxidare și compoziția gazul ui în fermentație au fost investigate pentru producția de
bioetanol prin fermentarea cu gaz de sinteză.
Bioetanolul este produs, de obicei, prin fermentarea directă a zaharurilor fermentabile sau
prin hidroliza chimică și enzimatică a amidonului, celulozei și hemicelulozei la zaharurile care
sunt apoi fermentate de microorganisme pentru a produce bioetanol. Unul dintre dezavan tajele
majore a utiliz ării paielor, lemn ului sau al or biomase lignocelulozice este prezența unor
componente nedegradabile cum ar fi lign ina. Spre deosebire de hidroliză , tehnologiile de
gazeificare pot transforma biomasa, inclusiv lignin a, în gaz de sinteză.
Gazificarea biomasei lignocelulozice poate fi o cale potrivită pentru depășirea acestui
obstacol în utilizarea biomasei. Gazificarea prin oxidare parțială la temperaturi ridicate
produce gaz de sinteză (syngas) unde CO și H 2 sunt componentele esențiale pentru producerea
bioetanolului. Căile de co nversie a si ngazului la bioetanol implică gazificarea biomasei în
singaz (în principal un amestec de CO și H 2), și, apoi, transformă singaz ul pentru realizarea de
biocombustibil folosin d catalizatori chimici cunoscuți sub numele de Fischer -Tropsch (FT)
sau, de asemenea, utilizând catalizatori microbieni, cunos cut sub numele de fermentație
singaz .
Fermentarea syngas oferă mai multe avanta je, cum ar fi o mai mare specificitate a
biocatalizatorilor, costuri mai mici ale energiei și nici o cerință de fixare a raportul dintre CO:
H2. Această lucrare prezintă simulare a gazificării reziduurilor de trestie de zahăr de către
mecanismul de descompunere termică bazat pe componentele lor majore (celuloză,
hemiceluloză și lignină) pentru a produce gaz de sinteză , urmată de fermentarea gazului de
sinteză pentru a produce bioetanol folosind Aspen PlusTM. Modelul prezentat aici este simplu
și se realizează pentru a prezice performanța staționară atât a gazeificatorului, cât și a

58
fermentatorului, dar permite definirea compozițiilor și a fluxurilor de intrare și fluxurilor de
ieșire, care sunt informații import ante pentru o analiză .

V.2.1 Ipoteze

Dezvoltarea simulării procesului în Aspen PlusTM implică următoarele ipoteze:
(1) procesul este izoterm și în stare de echilibru,
(2) uscarea și devolatilizarea sunt instantanee și sunt ținute în partea inferioară a
gazeificatorului, (3) în devolatilizare sau piroliză se formează mangal și produse volatile;
volatilele includ materiale necondensabile cum ar fi H 2, CO, CO 2, CH 4, C2H4, C2H6 și volatile
condensabile (gudron) și apă,
(4) mangalul conține numai carbon și cenușă.
Procesul de fermentare cu singas implică transferul de masă de gaz (substrat) în mediul
lichid. În modelarea reactoarelor au fost luate în considerare următoarele considerente:
(1) procesul are loc la starea de echilibru,
(2) bioreactorul este cu amestecare perfectă,
(3) procesul este izoterm și adiabatic,
(4) reacțiile biochimice sunt considerate fără a lua în considerare în mod explicit
microorganismele
(5) rezistența la transferul de masă este neglijabilă. Această an aliză a fost efe ctuată pentru a
studia cantitatea maxim ă de bioetanol care poate fi produsă.

V.2.2 Introducerea componentelor în simulatorul Aspen PlusTM

Componentele prezente în gudron au fost utilizate conform testelor de piroli ză a fiecărui
pseudo -component: hemiceluloză, celuloză și lignină. Studiile prezentate de Peng și Wu [19]
pentru piroliza hemicelulozei din reziduul de trestie de zahăr au raportat ca fiind componenți
majori în gudron: xiloză, acid acetic și furfural, urma t de metanol. Componentele prezente în
gudron după piroliza probelor de lignină din reziduurile de trestie de zahăr au fost apli cate
conform studiului publicat de Gaojin și colab. [19]. Componentele relevante au fost fenolul,

59
2,3-dihidr o-benzofuranul și pr opandiolul. Gudronul din piroliza celulozei se bazează pe
lucrarea raportată de Lu și c olab. [19]. Componente tipice în timpul pirolizei rapide sunt în
principal hidroximetilfurfural, levoglucosan, hidr oxiacetaldehidă, acid acetic și acetonă.
Tabelul V.1 prezintă componentele utilizate pentru simulare.

Tabelul V.1 Compone ntele definite în Aspen Plus TM pentru a reprezenta gazificarea și
fermentația [14]

 Deoarece HMF nu este pe Aspen PlusTM, a fost selectată o aldehidă cu greutate moleculară
similară pentru a reprezenta compusul, în acest caz a fost folosit furfuralul. ;
Nume Formula
moleculară Nume Formula
moleculară
Metanol CH 4O Monoxid de carbon CO
Apă H2O Dioxid de carbon CO 2
Azot N2 Etanol C2H6O
Amoniac NH 3 Hidroximetil -furfural(HMF) C5H4O2
Oxigen O2 Carbon – grafit C
Cenușă SiO2 Furfural C5H4O2
Celuloză C6H10O5 Levoglucosan (LVG) C6H10O5
Hemiceluloză C5H8O4 Acid acetic C2H4O2
Lignină C10H11.6O3.9 Hidroxiacetaldehidă C2H4O2
Hidrogen H2 Acetaldehida C2H4O
Fenol C6H6O 1,3 dihidroizobenzofuran C8H8O
LIGA C10H11.6O3.9 Metan CH 4
Xiloză C5H10O5 Hema2 C5H8O4
Acetonă C3H6O Etilenă C2H4
Actcellt C6H10O5 Malondialdehidă C3H4O2
Formaldehidă CH 2O Hema1 C5H8O4
Etan C2H6

60
Baza de date pentru componentele biomasei dezvoltate de NREL (Wooley and Put sche,
1996) a fost utilizată ca baza pentru introducerea componentelor lignocelulozice (celuloză,
hemiceluloză și lignină) în S imulatorul Aspen PlusTM. Caracterizarea acestor trei pseudo –
componente a fost bazată pe lucrarea prezentată de Guo și colab. (2011): 44,1% celuloză,
25,7% hemiceluloză, 21,3% lignină, 1 % cenușă și 7,9% umiditate [19].

V.2.3 Simularea Aspen PlusTM

Diferitele etape introduse în simularea Aspen PlusTM pentru a arăta procesul de gazificare
globală sunt: uscarea biomasei, piroliza biomasei, gazificarea carburanților și curățarea gazelor
și în cele din urmă fermentația singaz. In Aspen PlusTM s-a construit fluxul gazeificării și
fermentării reziduului de trestie de zahăr (Figura V. 3).
V.2.3.1 Uscarea și piroliza biomasei

Pentru a reprezenta piroliza primară, au fost folosite reacțiile pentru hemiceluloză,
celuloză si pentru lignină și studii de descompunere a deșeurilor de trestie de zahăr. Tabelele
V.2 și V.3 prezintă reacțiile utilizate în piroliză.
La temperatura de 105°C, a fost considerată deshidratarea completă a biomasei.
Blocurile USCARE 1 și USCARE 2 reprezintă uscarea biomasei. La temperatura de 230°C, a
fost considerată conversia completă a hem icelulozei la activul respectiv hemiceluloză 1 și 2
(Hema1 și Hema2). Conversia maximă a h emiceluloizelor s -a constatat a fi la temperatura de
290°C. Descompunerea celulozei a fost luată în considerare l a temperatura inițială de 290°C
cu apariția cărbunelui, a apei și a celulozei active (Actcellt). La temperatura de 340°C, a fost
considerată cea mai mare conversie a pierderii de masă a celulozei, generând în principal
levoglucosanul și o cantitate mai mic ă de gaze și gudron (hidroximetilfurfural, acid acetic ș i
hidroxiacetaldehidă). Descompunerea ligninei începe la o temperatură de 290°C cu formarea
de gaze, în principal gudron și cărbune. La temperatura de 340°C este cea mai mare pierdere
de masă de ligni nă, datorită formării de gudron și gaze, care se termină la o temperatură de
380°C. Gudronul de la cei trei pse udo-componenți începe piroliza secundară la temperaturi de
peste 400◦C. Blocurile reactorilor P1A, P1B, P1C și P1D (Rstoic) reprezintă piroliza p rimară a

61
biomasei la temperaturi de 230, 290, 340 și, respectiv, 380 ° C. Blocul reactor P2 (Rcstr)
reprezintă piroliza secundară.

Tabelul V .2 Reacțiile utilizate pentru reprezentarea pirolizei primare [19]
Nr. Stoechiometrie 𝑥𝑐 C-B T ℃
1 Hemicel –>0.4 Hema1+ 0.6 Hema2 1.0 Hemiceluloză 230

2 Celuloză –> 6C+ 5H 2O 0.08 Celuloză

290 3 Celuloză –> actcellt 0.92 Celuloză
4 Hema1 –> 0.6 xiloză +0.1667 C 2H4O2 +0.33332 F -F 0.48 Hema1
5 Lignină –> LIGA 1 Lignină
6 Hema1 –> 0.2 H2 + CO 2 + CO+ 0.5CH 2O + 0.25
CH 4O +0.125 C 2H6O + 0.125H 2O + 0.7CH 4 + 0.3
C2H6 + 0.7C 0.52 Hema1
7 Hema2 –> CO 2 + 0.8 CO + 0.25 CH 4O+0.125
C2H6O + 0.125 H 2O +C + 0.8 H 2 + 0.7 CH 2O + 0.5
CH 4 + 0.25 C 2H4 1.0 Hema2

8 Actcellt –> 0.2CO 2 + 0.15CO + 1.2 H 2O + 0.25
C2H4O2 +0.2 HMF + 0.075 CH 4 + 0.2 C 3H6O +
1.325C+ 0.95 HAA +0.25 CH 2O 0.1 Actcellt
350
9 Actcellt –> LVG 0.9 Actcellt
10 LIGA –> 0.5 C 8H8O + 1.6 C 3H4O2 + 0.2 Fenol 0.25 LGA
350 11 LIGA –>0.8 H 2 +3.4H 2O +0.1CO 2
+0.3CH 4+0.2C 2H4+ 0.3CO + 8.5C + 0.2C 2H6 0.75 LGA
 C-B – component de bază ;
 𝑥𝑐 – conversia

62
Tabelul V.3 Reacții secundare, corespunzătoare cr acării gudronului [19 ]
Ea (kJ/mol) : 108 k0 (s−1) 4,28×106 6
Nr. Stoechiometrie
12 LVG –> CO 2 + 2 H 2 + 0.5 C 2H4 + 3CO + CH 4
13 C3H6O –> 0.5 CO 2 + 0.5H 2 + 1.25 C 2H4
14 Xiloză –> 1.35 CO 2 + 3 H 2 + CH 4 + 0.35 C+ 2.3 CO
15 F-F –> CH 4 + 2 CO + 2 C
16 C3H4O2 –> CO 2 + C 2H4
17𝑎 C8H8O –> CO + CH 4 + C+ C 2H4
18 HAA –> 2 CO + 2 H 2
19 C2H4O2 –> 2 CO + 2 H 2
20 HMF –> CH 4 + 2CO + 2 C
21 Fenol –> 0.5 CO 2+ 1.5 C 2H4+ 2.5 C

63

Figura V.3 Gazeificarea și fermentarea reziduurilor de trestie de zahăr

64
V.2.3.2 Gazeificarea

Procesul de gazificare a biomasei poate fi reprezentat de reacțiile (22-33) prezentate în
Tabelul V.4. Fluxurile de aer si abur sunt intrarea gazeificatorului repreze ntate de OXTAR
(Rcstr) și GASIF (Rgibbs). Blocul de funcții OXTAR simulează reacțiile de o xidare și
gazeificare folosind cinetica chimică (22 -26) și blocul GASIF simulează reacția de schimbare a
apei – gaz (2 7), reacțiile de ardere a cărbunelui și gazeifica re (28 -32) și formarea NH 3 (33)
utilizând minimizarea energiei libere Gibbs.

Tabelul V.4 Principalele reacții ale procesului de gazificare și fermentare [14]
Nr. Stoechiometrie
22 CWHZOY+ (Z-Y)O2 -> (2W-1.5Z -Y)CO + (1.5Z -Y-W)CO2 + (0.5z)H 2O
23 CnHm +0.5nO 2 –> nCO + 0.5H 2
24 CH 4 +2O 2 –> CO 2 + H 2O
25 0.5O 2+H 2 –> H 2O
26 CnHm +nH 2O –>CO + (0.5m+n) H2
27 CO+ H 2O <-> 2CO 2 + H 2
28 0.5O 2+CO –> CO 2
29 C+2H 2 –> CH 4
30 C+O 2 –> CO 2
31 C+CO 2–> 2CO
32 C+H 2O –> CO + H 2
33 0.5N 2 +1.5H 2 –> NH 3
34 6CO +3H 2O –> Etha +4CO 2
35 2CO 2 +6H 2 –> Etha +3H 2O
36 4CO +2H 2O –> Acte +2CO 2
37 2CO 2 +4H 2 –> Acte +2H 2O

65
V.2.3.3 Curățarea

Curățarea cu ga z de sinteză corespunde cu separarea solidelor și a gud ronului. Blocul
CYCLN simulează separatorul de ciclon care este utilizat în mod obișnuit pentru separarea
particulelor soli de dispersate din faza gazoasă. F luxurile SOLID corespund mangalului (C) și
cenușii. Următoarele blocuri, C ON1 și CON2 reprezintă condensarea gudronului . În cele din
urmă, fluxul singaz reprezintă gazul de sinteză. Această et apă de răcire favorizează curățarea
gazului și fermentarea ulterioară, deoarece este necesară funcționarea la temperaturi scăzute.

V.2.3.4 Fermentarea

Stoechiometria formării bioetanolului și acetatului din C O și H 2 / CO 2 a fost stabilită ca
fiind reacțiile 3 4-37 prezentate în tabelul 5.4. Blocurile MIX, BIOR și SP -2 reprezintă etapa de
fermentație. MEDIU și SYNGAS sunt inițial amestecate în blo cul MIX. MEDIU alimentat la
fermentație conține o soluție de nutrienți în apă, care sunt necesare pentru creșterea microbia nă.
Procesul de fermentare a fost modelat într -un reactor st oechiometric (Rstoic).

V.2.4 Rezultate

În gaz eificarea de Jaimes -Figueroa și colab. (2013) cu aburi și temperatur a de reacție de
900° C s-a considerat un raport de abur : biomasă (SB) de 2 și în procesul de gaz eificare de Akay
și Jordan (2011) cu aer la temperatura de reacție de 800 ° C, un raport de echivalență (ER) de
0,26.

66

Figura V.4 a) Compoziția calculată (fracția de masă) a gazului de piroliză în funcție de
temperatur a de piroliză; b) Rezulta tele modelului propus

Procesul de gazeificare a fost simula t pentru situații diferite care variază coeficientul de
echivalență (ER), raportul abur : biomasă (SB) și temperatura de reacție. Rezultatele sunt afișate
în Figurile V.5 și V.6.

67

Figura V. 5 a) Efectul ER în compoziția singas (T = 800 ° C) b) Efectul temperaturii în
compoziția singas (ER = 0,25)

După cum se poate observa în figura V.5 a, compoziția singa z este afectată de valoarea
ER. Pentru o temperatură dat ă (800 ° C), creș terea ER scade compoziț ia H 2 în singas. În ER =
0.25 ( figura V.5 b), este clar că la creșterea temperaturii se favorizează formarea de H 2 și CO și
scade compoziția metanului. Figura V.6 prezintă o gaz eificare cu abur și aer ca agenți de oxidare.

68

Figura V.6 Efectul SB în compoziția singas (ER = 0,25 și T = 800 ° C)

În figura V.6 , cu o valoare ER = 0 ,25, se observă cum creșterea valorii SB favorizează
formarea lui H2. Cu cât crește SB mai mult, CO scade drastic. Fermentația a fost studiată prin
variația compoziției ER și deci a compoziției singaz pe ferme ntator. Rezultatele analizelor de
sensibilitate pentru studierea fermentației pot fi găsite în Figur a V.7 (pentru o conversie de 100%
CO și 78% H 2). O creștere a ER favorizează în principal pro ducția de acid acetic. Pentru o
valoare de ER = 0,25, produce bioetanol 2,5 g / l și 5,2 g acid acetic g / l.
Figura V. 7 Efectul variației ER asupra producției de etanol și acid acetic

69
V.2.5 Concluzie

Simularea gazeificării reziduurilor de trestie de zahăr și fermentarea singazului a fost
dezvoltată folosind Aspen PlusTM. S-a găsit un acord bun între valorile ob ținute prin simul are și
datele prezente în literatură . Efectele variației temperaturii ER, SB, temperaturii pe gazeificator
și compoziției gazului de sinteză pe fermentator au fost studiate. Valorile ridicate ale
temperaturii fa vorizează formarea singazului. Valorile ER de aproximativ 0,28 – 0,35 favorizează
producerea de H 2 și CO. Pentru o valoare ER = 0,25, valorile scăzute ale lui SB mențin o relație
proporțională a H 2 și CO în singaz. Pentru fermentația singaz produsă în gazi ficarea reziduurilor
de trestie de zahăr folosind aerul ca agent de oxidare (ER = 0,25) pot fi găsite concentrații de
bioetanol și acid acetic de 2,5 g / l și, respectiv, 5,2 g / l.

70
CAPITOLUL VI
NORME DE PROTECȚIA MUNCII ȘI PSI SPECIFICE INSTALAȚIEI DE
OBȚINERE A BIOETANOLULUI

Protecția muncii cuprinde totalitatea măsurilor luate pentru a se asigura tuturor oamenilor
muncii condiții bune de muncă, pentru a-i feri de accidente și boli profesionale.Protecția muncii
face parte integrantă din procesul de muncă.
În industria chimică problema protecției muncii este deosebit de importantă deoarece pe
lângă factorii de periculozitate comuni cu alte ramuri industriale, elementele mobile
(periculoase) ale utilajelor, acțiunea curentului electric, degajări importante de caldură, zgomote
și trepidații intervin și numeroși factori specifici indust riei chimice, cum ar fi:
– degajări de substanțe toxice;
– prezența frecventă a unor substanțe inflamabile;
– posibilitatea exploziilor cauzate de amestecuri explosive;
– -operații cu lichide agresive care pot provoca arsuri chimice;
– temperaturi ridicate.

Protecția muncii are urmatoarele trei aspecte:
Protecția juridică a muncii reprezentată de legislația referitoare la protecția muncii ,legislație
constituită în principal din:
– codul muncii;
– legea nr. 5/1965 cu privire la protecția muncii;
– HCM nr. 2896/1966 cu privire la accidentele de muncă;
– Legea nr. 1/1970 privind organizarea și disciplina muncii;
– Decretul 400/1981;
– Alte HCM -uri, decrete elaborate de consiliul de stat, instrucțiuni și ordine elaborate
deministere.
Protecția sanitară a muncii cuprinde măsurile pentru crearea unor condiții fiziologicenormale
de muncă și de suprimare a riscului îmbolnăvirilor profesionale.

71
Protecția tehnică a muncii constă în măsuri tehnice și organizatorice pentru ușurareamuncii și
prevenirea accidentelor de muncă.
În baza legislației, Ministerul Muncii împreună cu Ministerul Sănătății au stabilit “Norme
republicane de protecție a muncii” care cuprind cadrul general de tehnic ă a securității muncii și
normele de igienă a muncii, ambele obligatorii pentru toate ministerele.
Conducerile întreprinderilor și institutiilor elaborează la rândul lor “Instrucțiuni
de protecție a muncii” pentru condițiile de lucru particulare și specifice unor secții, ateliere
și locuri de muncă.
Instruirea oamenilor muncii este obligatorie.Nici un angajat nu poate fi primit la un loc de
muncă și pus să lucreze decăt după ce a fost instruit și s-a facut verificarea însușiriicunostințelor.
La proiectarea intreprinderilor chimice este necesar sa se determi ne în prealabil categoriade
pericol pe care îl prezintă procesul tehnologic proiectat, după care se trece la amplasareaclădirii
și a construcțiilor pe planul general de ansamblu.La amplasarea cladirilor din industriachimică
trebuie să se evite terenurile prea apropiate de regiuni sau cartiere unde există pericolede incendii
sau de explozii.Distanța care trebuie prevazutî este funcție de categoria de pericol deincendiu a
fabricației și gradul de rezistență la foc al cladirilor.Una din măsurile de bază aletehnicii
securitătii la amplasarea clădirilor industriale este izolarea corectă a clădirilor, aconstrucțiilor și
depozitelor.
Normele departamentale de protecție a muncii elaborate de Ministerul Industriei
Chimicecuprind atat normele de tehnica securității muncii cât și normele de igiena a
muncii.Măsurile detehnica securității muncii se pot clasifica în:
 Măsuri generale care se referă în principal la alegerea amplasamentului intreprinderii,la
planul general al acesteia și la protecția muncii în cladirile industriale;
 Măsuri special care se referă la particularitățile tehnice ale proceselor;
 Măsuri de protecție individual a muncitorului care se referă la folosireaechipamentului
și materialelor de protecție individuală prevazute de norme.

În industria chimică se aplică atat normele specifice acestei industrii cât și norme de
tehnica securității muncii pentru activități nespecifice industriei chimice, dar care există în
diverse unități chimice.

72
Normele de igiena a muncii se referă la principalii factori profesionali nocivi din mediul de
producț ie. Ele stabilesc valorile limita sau optime ale acestor factori, valori care,
respectate, previn îmbolnăvirile profesionale și asigură condiții normale de lucru.
În aceste norme sunt tratate probleme referitoare la efortul fizic, microclimatul încaperilor
de lucru, precum și prevenirea îmbolnăvirilor profesionale și a accid entelor de muncă provocate
de gaze, vapori și pulberi.
Se dau concentrațiile maxime admise în atmosfera zonei de lucru, în mg/m3 aer, la cca. 400
substanțe, de asemenea norme referitoare la iluminat, nivel de zgomot și vibrații.
Măsuri P.S.I.
Incendiile și exploziile se produc numai atunci când sunt prezente în cantități suficientetrei
elemente:substațta combustibilă, oxigenul și căldura.
Cauzele principale ale incendiilor și exploziilor se datoresc, pe de o parte aprinderii
șiautoaprinderii, iar pe de altă parte nerespectării parametrilor procesului tehnologic, lipsei
deinstructaj, de atenție, de curațenie, etc.
Exploziile pot fi provocate de depășirea instantanee a limitei de rezistență a pereților
vaselor (cazane, rezervoare, etc.) produsă de presiunea gazelor sau vaporilor. Exploziile produse
de gazele combustibile, vapori sau praf, în amestec cu aerul sau oxigenul au loc numai la
anumite concentrații, care variază cu presiunea și temperatura amestecului.
Incendiul izbucnește ca urmare a depozitării în secții a unor substanțe ușor inflamabile sau
explozive, care depașesc cantitățile admise, precum și a depozitării lor necorespunzatoare în
ambalaje deteriorate, langă sursa de caldură și lipsa de supraveghere a lor. Cea mai fracventă
cauză de aprindere este flacara directă produsă de diferite surse.
Caldura degajată în cursul unor reacții chimice exoterme, poate constitui deasemenea, o
sursa de aprindere provocând incendiul. Deosebit de periculos este contactul acizilor concentrate
(H2SO 4, HNO 3) cu substanțele combustibile.
În timpul desfășurării proceselor tehnologice sunt cazuri când incendiile sau exploziile
se produc datorită aprinderii substanțelor combustibile, fie de la o scânteie electrică, fie prin
încălz irea exagerată a conductorilor electrici și aprinderea materialului izolant.
Incendiile mai pot fi provocate, de asemenea, din cauza electricității statice și adescărcărilor
atmosferice.

73
Pentru a cunoaște măsurile necesare care trebuie luate în vederea prevenirii incendiilor și
exploziilor se impune studierea amanunțită a tuturor locurilor de munca, din punctul de vedere
al posibilităților de izbucnire a incendiilor și exploziilor, spre a putea lua măsurile
necesare pentru evitarea lor. S- a aratat că izbucnirea incendiilor sau exploziilor se datoreste
prezenței a treielemente: substanța combustibilă, sursa de caldură și aerul sau oxigenul. Lipsa sau
reducerea unuia din cele trei elemente face ca incendiul sau explozia sa nu mai aibă loc sau să se
terminerepede, farî urmări grave.
Deci, măsurile generale prevenirii incendiilor sau exploziilor sunt, în principa l,urmatoarele:
– Evitarea sau reducerea substantei combustibile;
– Evitarea sau reducerea sursei de caldură;
– Evitarea sau reducerea oxigenului, aerului sau a substanțelor cu un conținut mare de
oxigen;
– Împiedicarea contactului substanței combustibile cu sursă de caldură;
– Controlul permanent al surselor de caldură și cunoașterea caracteristicilor periculoase
alesubstanțelor combustibile;
– Controlul automat al concentrațiilor de oxigen în zona de pericol.
Materiale folosite pentru stingerea incendiilor
Materialele stingatoare sunt acele materiale care, folosite într-un anumit mod în zona de
ardere, actionează defavorabil asupra condițiilor necesare arderii, oprind arderea. Materialele
stingatoare se folosesc fie în stare gazoasa, lichidă sau solidă, fie sub forma unor amestecuri de
lichide cu gaze sau lichide cu substanțe solide, însa procesul și rapiditatea aplicării sunt factorii
hotărâtori al stingerii incendiilor.
Cele mai raspandite substanțe stingatoare sunt: apa, aburul, soluțiile apoase de săruri,
CCl 4, CO 2, spuma chimică , prafurile stingatoare.
Apa
Folosirea apei la stingerea incendiilor se bazează pe proprietățile ei de răcire șiizolare
termică.Proprietățile de răcire ale apei se datoresc capacității de absorbție a căldurii șicăldurii
latente de vaporizare, care au o valoare importantă. Răcirea suprafețelor aprinse va fi cuatat mai
mare cu cat cantitatea de apa transformată în vapori va fi mai mare.

74
Deși apa posedă astfel de calități pentru stingerea incendiilor, domen iul ei de utilizare
înacest scop este limitat.Produsele petroliere și dizolvanții organici nemiscibili cu apa, avand
odensitate mai mica, plutesc la suprafața ei și ard în continuare. Apa folosită la
stingereaincendiilor conține săruri, deci este bună cond ucatoare de electricitate. Din acest motiv
folosirea ei la stingere a incendiilor produse în instalații de înalta tensiune trebuie să se facă
utilizandu -se dispozitive speciale.
Unele substanțe reacționează violent cu apa, producând o degajare mare de caldură și
degaze, care pot da naștere incendiilor și expl
oziilor.La stingerea incendiilor se folosesc jeturi de apa compacte sau pulverizate.
Aburul
Stingerea incendiilor cu ajutorul aburului se bazează pe reducerea concentrației de oxige n
din zonele de ardere.Folosirea aburului pentru stingerea substanțel or gazoase, lichideși solide se
face în locurile unde există instalații de cazane și sisteme fixe de stingere.
În afară de reducerea concentrației de oxigen din zona de ardere, la stingerea
incendiilorcontribuie și efectul mecanic al jetului. Acest procedeu se folosește la stingerea
incendiului la coloanele de rectificare, la conducte, etc.
Soluții apoase de săruri
În scopul îmbunătățirii calității apei se folosesc adaosuri: CaCl 2, Na2SO 4, (NH 4)2SO 4, etc.
Prin evaporarea apei, aceste soluții formează la suprafața materialului aprins un strat de sare care
se topește. În urma dezagregarii se degajă gaze necombustibile care reduce concentrația
oxigenului în zona de ardere, contribuind astfel la stingerea incendiului.
Soluțiile de săruri se foloses c la stingă toarele manuale.
T etra clo ru ra de c ar bon
. Are proprietatea de a stinge focul, însă folosită în încăperiînchise poate da nastere
fosgenului, gaz foarte toxic.În scopul reducerii formării fosgenului seadaugă în CCl 4, diferite
substanțe ca: anilin e, amoniac, benzen, etc.
Tetraclorura de carbon se utilizeaza la stingerea incendiului la instalații electrice de înaltă
tensiune, la motoarele cu ardere internă, la substanțele lichide și solide pe o suprafață mica, etc.
B i o x i d u l de c a r b o n
Nu arde și este un slab conducator de electricitate , ceea ce permite folosirea lui la stingerea
incendiilor în instalațiile electrice. Introdus în zonele de ardere, CO 2 diluează atmosfera,

75
reducând concentrația substanței combustibile și a oxigenului din atmosferă de ar dere,
micșorand sau oprind arderea.
Bioxidul de carbon nu poate opri arderea pentru o serie de substanțe ca bumbacul,
peliculelecinematografice, etc., care pot să ară și în mediu inert.
Spumele stingatoare
Spuma este formată din bule de gaz înconjurate de un strat subțirede lichid. În prezent se
folosesc două feluri de spume: chimice și mecanice(aeromecanice). Spuma chimica este
rezultatul unei reacții chimice și se compune din trei bule de gaz (CO 2) care au un înveli s din
soluții apoase de săruri. Spumele mecanice se realizează prin amestecarea mecanica a soluției.
Densitatea spumelor este mică și în consecință plutesc pe suprafața lichidelor ușoare separând
flacara de substanța combustibilă.

76
CONCLUZII GENERALE

În această lucrare s -au urmărit tehnologiile de obținere a celor două generații de bioetanol,
pornind de la sursele de biomasă principale și prezentându -se fiecare etapă până la obținerea de
bioetanol.
Avantajele bioetanolului drept biocombustibil s -au făcut remarcate, unul dintre cele mai
eficiente avantaje fiind creșterea cifrei octanice în amestec cu benzina. Bioetanolul este un
combustibil bogat în oxigen conținând 34,7% oxigen, în timp ce în b enzină oxigenul este absent.
Acest fapt duce la o creștere de 15% a eficacității combustiei et anolului față de cea a benzinei,
menținând astfel emisiile de particule și de oxizi de azot. În comparație cu benzina, etanolul
conține cantități neglijabile de s ulf, și amestecarea acestor doi combustibili contribuie la scăderea
conținutului de sulf, precum și emisia de oxid de sulf .
În partea de calcul a lucrării s -a realizat o dimensionare a unei coloane de distilare a
amestecului binar bioetanol -apă, conti nuându -se o simulare a producției de bioetanol prin
fermentarea g azului de sinteză utilizând Aspen Plus . Etapele considerate în simularea Aspen
PlusTM pentru a arăta procesul de gazificare globală sunt: uscarea biomasei, piroliza biomasei,
gazificarea ca rburanților și curățarea gazelo r și în cele din urmă fermentați a singaz . Efectele
variației temperaturii ER, SB, temperaturii pe gazeificator și compoziției gazului de sinteză pe
fermentator au fost studiate.
Indiferent de materia primă, prețul final pentru vânzarea etanolului trebuie să fie competitiv
cu cel pentru benzină. Astfel, marjele de profit ale proceselor de producție a etanolului sunt
scăzute și randamentul capitalului este incert datorită fluctuațiilor prețului petrolului. Cu t oate
acestea, preocupările legate de mediu, schimbările globale datorate creșterii nivelului de CO 2 fac
esențiale tranziția energetică și producția de combustibil regenerabil. Din punct de vedere tehnic,
progresele înregistrate în domeniul ingineriei genet ice trebuie să permită obținerea de
microorganisme la scară industrial, adaptată fiecărei surse de biomasă și capabilă să fermenteze
atât hexoza, cât și pentoza, creșterea randamentului de etanol și a rentabilității întregului proces .

77
BIBLIOGRAFIE

[1] H. Zabed, J.N. Sahuc, A. Suelya, A.N. Boyce, G. Faruq, “Bioethanol production from
renewable sources: Current perspectives and technological progress ”, “Renewable and
Sustainable Energy Reviews 71”, pag. 475 – 477, 2017
[2] M. Devarapalli, H .K. Atiyeh , “A review of conversion processes for bioethanol production
with a focus on syngas fermentation “, “Biofuel Research Journal 7” , pag. 270, 2015
[3] R.A. O. Gutiérrez, ”Strategic Analysis and Optimization of Bioethanol Supply Chains” ,
INGEGNERIA INDUSTRIALE, pag. 43, 2015
[4] C.R. Socool , S.K. Brar, C. Faulds, L.P. Ramos, ”Green Energy and Technology” , Ed.
Springer, pag. 186 – 243, 2016
[5] R. Sims, M. Taylor, “From first to second generation biofuel tehnologies“, International
Energy Agency, pag. 19 – 21, 2008
[6] K.J. Gabriel, ”Modeling and Optimization of a Bioethanol Production Facility”, Office of
Graduate Studies of Texas A&M University, pag. 119 -121, 2011
[7] E. Oropeza -De la Rosa, L.G. López -Ávila, G. Luna -Solano, D. Cantú -Lozano , “Bioethanol
production process rheology “ , “Industrial Crops and Products 106”, pag. 60, 2017
[8] S.N. Naik, V.V. Goud, P. K. Rout, A.K. Dalai, “Production of first and second generation
biofuels: A comprehensive review” , “Renewable and Sustainable Energy R eviews 14”, pag. 583,
2010
[9] M.A.P. Lima, A.P.P. Natalense, “Bioethanol”, Ed. InTech, pag. 16, 2012
[10] H.B. Aditiya, T.M.I.Mahlia, W.T.Chong, HadiNur, A.H.Sebayang, „Second generation
bioethanol production: A critical review” , “Renewable and Sustainable Energy Reviews 66”,
pag. 645, 2016
[11] H. Chen, X. Fu, „Industrial technologies for bioethanol production from lignocellulosic
biomass” , “Renewable and Sustainable Energy Reviews 57”, pag. 472, 2016
[12] Stejeran L.R., “Research regarding the obtaining of the second generation biofuels from
lignocellulosic biomass” , Faculty of Chemistry and Chemical Engineering, ˮBabeș -Bolyaiˮ
University, pag. 25, 2012

78
[13] D. Humbird, R. Davis, L. Tao, C. Kinchin, D. Hsu, A. Aden, “Process Design and
Economics for Biochemical Conversion of Lignocellulosic Biomass to Ethanol ”, National
Renewable Energy Laboratory Golden, pag. 128, 2012
[14] M. Alameda, K. Bumila, I. Carino, G. McIninch, “Removing Water from an Azeotropic
Ethanol -Water Mixture through Ad sorption ”, pag. 21, 2015
[15] U. Yeni, “Effect of oxygenate additives into gasoline for improved fuel properties” ,
DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING, pag. 72 – 75, 2005

[16] S. B. Shayan , S. M. Seyedpour , F. Ommi, „Effect of oxygenates blending with gasoline to
improve fuel properties” , “Chinese Journal of Mechanical Engineering 25„ , pag. 795, 2012
[17] M. Koç , Y. Sekmen , T.Topgül, H.S. Yücesu , „The effects of ethanol –unleaded gasoline
blends on engine performance and exhaust emissions in a spark -ignition engine”, „Renewable
Energy 34” , pag. 2103, 2009
[18] A.K. Thakur , A.K. Kaviti , „Progress in performance analysis of ethanol -gasoline blends on
SI engine” , „“Renewable and Sustainable Energy Reviews 69”, pag. 322, 2017
[19] Y. C. Ardila, J.E.J. Figueroa, B. H. Lunelli, R.M. Filho, M.R.W. Maciel, “Ethanol
Production Via Fermentation of the Synthesis Gas” , vol. 34, pag. 637 – 641, 2017

79