ความสัมพันธ์ความหนืดและความหนาแน่นของไบโอดีเซล จากกฎควบรวมพลังงานอิสระ: Correlation of Viscosity and Density of Biodiesel by Law of Free Energy Additivity

Nantachai Patjuban; Suriya Phankosol; Kaokanya Sudaprasert; Kornkanok Aryusuk; Kanit Krisnangkura

Authors

Nantachai Patjuban Division of Energy Technology, School of Energy Environment and Materials, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, Bangkok 10140, Thailand
Suriya Phankosol Department of Industrial and Technology Management, Faculty of Science and Technology, Bansomdejchaopraya Rajabhat University, Bangkok, 10600, Thailand
Kaokanya Sudaprasert Division of Energy Technology, School of Energy Environment and Materials, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, Bangkok 10140, Thailand
Kornkanok Aryusuk Division of Biochemical Technology, School of Bioresources and Technology, King Mongkut’s University of Technology Thonburi (Bangkhuntien), Bangkok 10150, Thailand
Kanit Krisnangkura Division of Biochemical Technology, School of Bioresources and Technology, King Mongkut’s University of Technology Thonburi (Bangkhuntien), Bangkok 10150, Thailand

Keywords:

กฎควบรวมพลังงานอิสระ, ไบโอดีเซล, เอทิลเอสเทอร์กรดไขมัน, ความหนาแน่น, ความหนืด, Law of free energy additivity, Biodiesel, Fatty acid ethyl ester, Density, Viscosity

Abstract

ไบโอดีเซลเป็นพลังงานทดแทนในรูปแบบเชื้อเพลิงเหลวสำหรับใช้ในเครื่องยนต์ดีเซล ในการใช้งานจำเป็นต้องทราบสมบัติ
ทางกายภาพของไบโอดีเซลเพราะใช้เป็นข้อมูลในการออกแบบวัสดุ อุปกรณ์ และเครื่องมือสำหรับกระบวนการสังเคราะห์ การขนส่ง
และการเผาไหม้ของน้ำมันเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์ ในงานวิจัยนี้สนใจศึกษาความสัมพันธ์ของความหนืด และความหนาแน่นของไบโอดีเซลจากความสัมพันธ์พลังงานอิสระตามกฎควบรวมของมาร์ติน เพื่อสร้างสมการสำหรับประมาณความหนืดจลน์ ความหนืดไดนามิกส์
และความหนาแน่นของเอทิลเอสเทอร์กรดไขมันและไบโอดีเซลจากกระบวนการทรานเอทิเลชัน ในการศึกษาใช้ข้อมูลจากวรรณกรรม
เพื่อสนับสนุนและยืนยันความถูกต้องแม่นยำ โดยสมการประมาณความหนืดจลน์ ความหนืดไดนามิกส์ และความหนาแน่น
ของเอทิลเอสเทอร์กรดไขมันมีความคลาดเคลื่อนเฉลี่ยเท่ากับ 1.16, 0.91 และ 0.11% ตามลำดับ สำหรับเอทิลเอสเทอร์กรดไขมัน
แบบอิ่มตัว 12.21, 20.86 และ 6.82% สำหรับเอทิลเอสเทอร์กรดไขมันแบบไม่อิ่มตัว นอกจากนี้ใช้สมการเดียวกันสำหรับประมาณ
ค่าความหนืดจลน์ ความหนืดไดนามิกส์ และ ความหนาแน่นของไบโอดีเซล โดยใช้จำนวนอะตอมคาร์บอนเฉลี่ย ( ) และจำนวนพันธะคู่เฉลี่ย ( ) ได้ความคลาดเคลื่อนเฉลี่ยสำหรับเท่ากับ 14.40, 8.74 และ 6.24% ตามลำดับ จากการเปรียบเทียบค่าจาก
การประมาณกับวรรณกรรมที่อุณหภูมิต่างๆ พบว่าค่าจากการประมาณมีความถูกต้องแม่นยำในการใช้งาน

Biodiesel is an attractive and renewable liquid fuel for diesel engine. It can be used directly in the high speed diesel engine or used as a diesel fuel extender. In practice, physical properties are great importance for designing equipment, synthetic process, transportation and combustion in the engines. In this study correlation of viscosity and density of biodiesel are correlated to the Martin’s rule of free energy additivity for estimated kinematic viscosity, dynamic viscosity and density from their own equations. Data available in literatures are used to validate and support the proposed equations. The proposed equations are easy to predict kinematic viscosity, dynamic viscosity and density of fatty acid ethyl esters (FAEE) and biodiesels Production from transethylation. The average absolute deviation (AAD) in estimation of kinetic viscosity, dynamic and density of saturated FAEE are 1.16, 0.91 and 0.11%, respectively and 12.21, 20.86 and 6.82% for unsaturated FAEE. The same equations can be used its average carbon number of atoms ( ) and number of double bonds average ( ) to predict kinetic viscosity, dynamic viscosity and density of biodiesel with the AAD of 14.40, 8.74 and 6.24%, respectively. The results form prediction FAEEs and ethyl biodiesel at different temperatures agree well with the literature values

References

Andrade, E. N. D. C. (1930). The Viscosity of Liquids. Nature, 125(3148), 309-310.

Baroutian, S., Shahbaz, K., Mjalli, F. S., Hashim, M. A., & AlNashef, I. M. (2012). Densities and Viscosities of Binary Blends of Methyl Esters + Ethyl Esters and Ternary Blends of Methyl Esters + Ethyl Esters + Diesel Fuel from T = (293.15 to 358.15) K. Journal of Chemical & Engineering Data, 57(5), 1387-1395.

Basso, R. C., Meirelles, A. J. d. A., & Batista, E. A. C. (2013). Densities and Viscosities of Fatty Acid Ethyl Esters and Biodiesels Produced by Ethanolysis from Palm, Canola, and Soybean Oils: Experimental Data and Calculation Methodologies. Industrial & Engineering Chemistry Research, 52(8), 2985-2994.

Boudy, F., & Seers, P. (2009). Impact of physical properties of biodiesel on the injection process in a common-rail direct injection system. Energy Conversion and Management, 50(12), 2905-2912.

Chanida Sansa-ard, K. A., Supathra Lilitchan, & Kanit Krisnangkura. (2011). Free Energy Contribution to Gas Chromatographic Separation of Petroselinate and Oleate Esters. Chromatography Research International, 2011(252543), 9.

Clements, L. D. (1996). Blending rules for formulating biodiesel fuel. In Liquid Fuels and Industrial Products from Renewable Resources. Proceedings of the third Liquid fuel conference, 15-17 September 1996 (pp. 44-53). Nashville, TN.

Ejim, C. E., Fleck, B. A., & Amirfazli, A. (2007). Analytical study for atomization of biodiesels and their blends in a typical injector: Surface tension and viscosity effects. Fuel, 86(10–11), 1534-1544.

Fisher, C. H. (1988). Evaluating and predicting n-fatty acid properties. Journal of the American Oil Chemists Society, 65(10), 1647-1651.

Freitas, S. V. D., Paredes, M. L. L., Daridon, J.-L., Lima, Á. S., & Coutinho, J. A. P. (2013). Measurement and prediction of the speed of sound of biodiesel fuels. Fuel, 103, 1018-1022.

Halvorsen, J. D., Mammel, W. C. Jr., & Clements, L. D. (1993). Density estimation for fatty acids and vegetable oils based on their fatty acid composition. Journal of the American Oil Chemists Society, 70(9), 875-880.

Krisnangkura, K., Yimsuwan, T., & Pairintra, R. (2006). An empirical approach in predicting biodiesel viscosity at various temperatures. Fuel, 85(1), 107-113.

Lang, X., Dalai, A. K., Bakhshi, N. N., Reaney, M. J., & Hertz, P. B. (2001). Preparation and characterization of bio-diesels from various bio-oils. Bioresource Technology, 80(1), 53-62.

Martin, A. J. P. (1950). Partition Chromatography. Annual Review of Biochemistry, 19(1), 517-542.

Martin, A. J. P. (1950). Some theoretical aspect of partition chromatography Biochemical Society Symposia. (Partition Chromatography), 3, 4-20.

Meng, X., Jia, M., & Wang, T. (2013). Predicting biodiesel densities over a wide temperature range up to 523K. Fuel, 111, 216-222.

Noureddini, H., Teoh, B. C., & Davis Clements, L. (1992). Densities of vegetable oils and fatty acids. Journal of the American Oil Chemists Society, 69(12), 1184-1188.

Phankosol, S., Sudaprasert, K., Lilitchan, S., Aryusuk, K., & Krisnangkura, K. (2014a). Estimation of Density of Biodiesel. Energy & Fuels, 28(7), 4633-4641.

Phankosol, S., Sudaprasert, K., Lilitchan, S., Aryusuk, K., & Krisnangkura, K. (2014b). Estimation of surface tension of fatty acid methyl ester and biodiesel at different temperatures. Fuel, 126, 162-168.

Phankosol, S., Sudaprasert, K., Lilitchan, S., Aryusuk, K., & Krisnangkura, K. (2015). An Empirical Equation for Estimation of Kinematic Viscosity of Fatty Acid Methyl Esters and Biodiesel. Journal of the American Oil Chemists' Society, 92(7), 1051–1061.

Pratas, M. J., Freitas, S., Oliveira, M. B., Monteiro, S. l. C., Lima, A. l. S., & Coutinho, J. o. A. P. (2011). Densities and Viscosities of Minority Fatty Acid Methyl and Ethyl Esters Present in Biodiesel. Journal of Chemical & Engineering Data, 56(5), 2175-2180.

Pratas, M. J., Freitas, S., Oliveira, M. B., Monteiro, S. l. C., Lima, A. S., & Coutinho, J. o. A. P. (2010). Densities and Viscosities of Fatty Acid Methyl and Ethyl Esters. Journal of Chemical & Engineering Data, 55(9), 3983-3990.

Quick, G. R., Wilson, B.T. & Woodmore, P. J. (1982). In Paper presented at the Proceedings of the international conference on plant and vegetable oils as fuels, (pp. 239-246). Frago: North Dakota.

Rackett, H. G. (1970). Equation of state for saturated liquids. Journal of Chemical & Engineering Data, 15(4), 514-517.

Ramírez-Verduzco, L. F., Rodríguez-Rodríguez, J. E., & Jaramillo-Jacob, A. d. R. (2012). Predicting cetane number, kinematic viscosity, density and higher heating value of biodiesel from its fatty acid methyl ester composition. Fuel, 91(1), 102-111.

Ramírez Verduzco, L. F. (2013). Density and viscosity of biodiesel as a function of temperature: Empirical models. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 19, 652-665.

Ryan III T.W., Callahan, T. W. & Dodge, L. C. (1982). In Paper presented at the Proceedings of the international conference on plant and vegetable oils as fuels, (pp. 70-81). Frago: North Dakota.

Soave, G. (1984). Improvement of the Van Der Waals equation of state. Chemical Engineering Science, 39(2), 357-369.

Spencer, C. F., & Danner, R. P. (1972). Improved equation for prediction of saturated liquid density. Journal of Chemical & Engineering Data, 17(2), 236-241.

Veny, H., Baroutian, S., Aroua, M., Hasan, M., Raman, A., & Sulaiman, N. (2009). Density of Jatropha curcas Seed Oil and its Methyl Esters: Measurement and Estimations. International Journal of Thermophysics, 30(2), 529-541.

Yamada, T., & Gunn, R. D. (1973). saturated liquid molar volumes. Rackett equation. Journal of Chemical & Engineering Data, 18(2), 234-236.