وقود الديزل الحيوي عن طريق الأسترة المحسنة بالموجات فوق الصوتية (عبر)
يتم تصنيع وقود الديزل الحيوي عن طريق الأسترة التبادلية باستخدام محفز أساسي. ومع ذلك ، إذا تم استخدام المواد الخام مثل نفايات الخضروات منخفضة الجودة التي تحتوي على نسبة عالية من الأحماض الدهنية الحرة ، فإن خطوة المعالجة الكيميائية المسبقة للأسترة باستخدام محفز الحمض مطلوبة. الموجات فوق الصوتية وآثاره sonochemical و sonomechanical تسهم في كل من أنواع ردود الفعل وزيادة كفاءة تحويل وقود الديزل الحيوي بشكل كبير. إنتاج وقود الديزل الحيوي بالموجات فوق الصوتية أسرع بكثير من تخليق وقود الديزل الحيوي التقليدي ، ويؤدي إلى ارتفاع إنتاجية وقود الديزل الحيوي وجودته ويحفظ الكواشف مثل الميثانول والمحفز.
تحويل وقود الديزل الحيوي باستخدام الموجات فوق الصوتية للطاقة
بالنسبة للديزل الحيوي ، يتم إنتاج استرات الأحماض الدهنية عن طريق الأسترة المتبادلة للزيوت النباتية وكذلك الدهون الحيوانية (مثل الشحم). أثناء تفاعل الأسترة التبادلية، يستبدل مكون الجليسرول بكحول آخر، مثل الميثانول. تتطلب المواد الأولية التي تحتوي على نسبة عالية من الأحماض الدهنية الحرة ، مثل نفايات الزيوت النباتية (WVO) ، معالجة مسبقة لأسترة الحمض لتجنب تكوين الصابون. عملية التحفيز الحمضي هذه هي تفاعل بطيء للغاية ، عند تنفيذها كطريقة دفعية تقليدية. الحل لتسريع عملية الأسترة البطيئة هو تطبيق الموجات فوق الصوتية للطاقة. يحقق Sonication تحسنا كبيرا في سرعة التفاعل والتحويل وإنتاجية وقود الديزل الحيوي حيث أن التأثيرات السونوكيميائية للموجات فوق الصوتية عالية الطاقة تعزز وتكثف التحفيز الحمضي. يوفر التجويف بالموجات فوق الصوتية قوى ميكانيكية ، أي خلط عالي القص ، وكذلك الطاقة الكيميائية الصوتية. هذان النوعان من التأثير بالموجات فوق الصوتية (سونوميكانيكي و سونوكيميائي) يحولان الأسترة المحفزة بالحمض إلى تفاعل سريع يتطلب محفزا أقل.
يعمل الخلط بالموجات فوق الصوتية على تحسين معدل تحويل وقود الديزل الحيوي ، ويزيد من الغلة ويوفر الميثانول الزائد والمحفز. تظهر الصورة تركيب 3x UIP1000hdT (كل قوة الموجات فوق الصوتية 1kW) للمعالجة المضمنة.
كيف يعمل تحويل وقود الديزل الحيوي بالموجات فوق الصوتية؟
الموجات فوق الصوتية بين مراحل مختلفة في transesterification (وتسمى أيضا في بعض الأحيان الكحولية ) ويستند الأسترة على تعزيز الخلط وكذلك على زيادة الحرارة ونقل الكتلة. يعتمد الخلط بالموجات فوق الصوتية على مبدأ التجويف الصوتي ، والذي يحدث نتيجة انفجار فقاعات الفراغ في السائل. يتميز التجويف الصوتي بقوى القص العالية والاضطرابات ، فضلا عن فروق الضغط ودرجة الحرارة العالية جدا. تعزز هذه القوى التفاعل الكيميائي للأسترة / الأسترة وتكثف نقل الكتلة والحرارة ، وبالتالي تحسين تفاعل تحويل وقود الديزل الحيوي بشكل كبير.
Transesterification من الدهون الثلاثية إلى وقود الديزل الحيوي (FAME) باستخدام صوتنة النتائج في رد فعل متسارع وكفاءة أعلى بكثير.
وقد ثبت تطبيق الموجات فوق الصوتية خلال تحويل وقود الديزل الحيوي علميا وصناعيا لتحسين كفاءة العملية. يمكن أن يعزى التحسن في كفاءة العملية إلى انخفاض استهلاك الطاقة وتكاليف التشغيل ، وتقليل استخدام الكحول (أي الميثانول) ، وانخفاض المحفز ، وتقصير وقت التفاعل بشكل كبير. يتم التخلص من تكلفة الطاقة للتدفئة نظرا لعدم وجود متطلبات للتدفئة الخارجية. بالإضافة إلى ذلك ، يكون فصل الطور بين وقود الديزل الحيوي والجلسرين أبسط مع وقت فصل طور أقصر. أحد العوامل المهمة للاستخدام التجاري للموجات فوق الصوتية في إنتاج وقود الديزل الحيوي هو التوسع البسيط لأي حجم ، والتشغيل الموثوق والآمن بالإضافة إلى متانة وموثوقية معدات الموجات فوق الصوتية (المعيار الصناعي ، القادر على العمل بشكل مستمر 24/7/365 تحت الحمل الكامل).
نظام صناعي بالموجات فوق الصوتية مع خلية تدفق لأسترة وقود الديزل الحيوي المضمن والأسترة العابرة.
يمكن تشغيل الأسترة بالموجات فوق الصوتية والأسترة العابرة كدفعة أو عملية مضمنة مستمرة. يوضح الرسم البياني العملية المضمنة بالموجات فوق الصوتية للديزل الحيوي (FAME).
يمكن تشغيل الأسترة بالموجات فوق الصوتية والأسترة العابرة كدفعة أو عملية مضمنة مستمرة. يوضح هذا المخطط عملية الدفعات بالموجات فوق الصوتية لتحويل وقود الديزل الحيوي.
تحويل وقود الديزل الحيوي بمساعدة بالموجات فوق الصوتية بتطبيق خطوات التفاعل المحفزة بالحمض والقاعدة
بالنسبة للمواد الأولية ذات المحتوى العالي من FFA ، يتم إنتاج وقود الديزل الحيوي كتفاعل حمضي أو محفز للقاعدة في عملية من مرحلتين. تساهم الموجات فوق الصوتية بنوعين من التفاعلات ، الأسترة المحفزة بالحمض وكذلك الأسترة المحفزة بالقاعدة:
الأسترة المحفزة بالحمض باستخدام الموجات فوق الصوتية
لعلاج فائض الأحماض الدهنية الحرة في المادة الخام ، هناك حاجة إلى عملية الأسترة. يشيع استخدام حمض الكبريتيك كعامل حفاز حمضي.
- تحضير المواد الخام عن طريق التصفية والتكرير من الملوثات والمياه.
- حل المحفز ، أي حمض الكبريتيك ، في الميثانول. تيار تغذية المحفز / الميثانول والمواد الخام من خلال مبادل حراري وخلاط ثابت للحصول على خلط مسبق خام.
- يذهب المزيج المسبق من المحفز والمواد الخام مباشرة إلى غرفة التفاعل بالموجات فوق الصوتية ، حيث يسري مفعول الخلط الدقيق للغاية والكيمياء الصوتية ويتم تحويل الأحماض الدهنية الحرة إلى وقود الديزل الحيوي.
- أخيرا ، قم بإزالة الماء من المنتج وإطعامه إلى المرحلة الثانية – الأسترة بالموجات فوق الصوتية. الميثانول الرطب الحمضي بعد الاسترداد والتجفيف والتحييد جاهز لإعادة الاستخدام.
- بالنسبة للمواد الأولية التي تحتوي على مواد وسيطة عالية جدا FFA ، قد تكون هناك حاجة إلى إعداد إعادة التدوير لخفض FFA إلى مستوى معقول قبل خطوة الأسترة التبادلية.
تفاعل الأسترة باستخدام عامل حفاز حمضي:
FFA + كحول → استر + ماء
الأسترة المحفزة بالقاعدة باستخدام الموجات فوق الصوتية
يمكن تغذية المادة الخام ، التي تحتوي الآن على كميات صغيرة فقط من FFAs ، مباشرة إلى مرحلة الأسترة التبادلية. يستخدم هيدروكسيد الصوديوم أو هيدروكسيد البوتاسيوم (NaOH ، KOH) كمحفز أساسي.
- قم بإذابة المحفز ، أي هيدروكسيد البوتاسيوم ، في الميثانول وقم بتغذية تيارات المحفز / الميثانول والمواد الخام المعالجة مسبقا من خلال خلاط ثابت للحصول على خلط مسبق خام.
- قم بتغذية المزيج المسبق مباشرة في غرفة التفاعل بالموجات فوق الصوتية لخلط التجويف عالي القص والمعالجة الكيميائية بالموجات فوق الصوتية. منتجات هذا التفاعل هي استرات الألكيل (أي وقود الديزل الحيوي) والجلسرين. يمكن فصل الجلسرين عن طريق الاستقرار أو عن طريق الطرد المركزي.
- وقود الديزل الحيوي المنتج بالموجات فوق الصوتية ذو جودة عالية ويتم تصنيعه بسرعة وكفاءة في استخدام الطاقة وفعالية من حيث التكلفة من خلال توفير الميثانول والمحفز.
تفاعل الأسترة العابرة باستخدام عامل حفاز قاعدة:
زيت / دهون + كحول → وقود الديزل الحيوي + الجلسرين
استخدام الميثانول & استعادة الميثانول
الميثانول هو عنصر رئيسي أثناء إنتاج وقود الديزل الحيوي. يسمح تحويل وقود الديزل الحيوي المدفوع بالموجات فوق الصوتية بتقليل استخدام الميثانول بشكل كبير. إذا كنت تفكر الآن "لا أهتم باستخدامي للميثانول ، لأنني أستعيده على أي حال" ، فيمكنك إعادة التفكير والنظر في تكلفة الطاقة العالية الباهظة التي تنطبق على خطوة التبخر (على سبيل المثال باستخدام عمود التقطير) ، وهو أمر ضروري لفصل وإعادة تدوير الميثانول.
عادة ما تتم إزالة الميثانول بعد فصل وقود الديزل الحيوي والجلسرين إلى طبقتين ، مما يمنع انعكاس التفاعل. ثم يتم تنظيف الميثانول وإعادة تدويره مرة أخرى إلى بداية العملية. إنتاج وقود الديزل الحيوي عن طريق الأسترة المدفوعة بالموجات فوق الصوتية و transesterification ، كنت قادرا على تقليل استخدام الميثانول الخاص بك بشكل كبير ، وبالتالي تقليل نفقات الطاقة العالية الباهظة لاستعادة الميثانول. استخدام مفاعلات الموجات فوق الصوتية Hielscher يقلل من الكمية المطلوبة الميثانول الزائد بنسبة تصل إلى 50٪. نسبة المولية بين 1: 4 أو 1: 4.5 (النفط: الميثانول) كافية لمعظم المواد الأولية، عند استخدام Hielscher خلط بالموجات فوق الصوتية.
الأسترة بالموجات فوق الصوتية هي خطوة معالجة مسبقة ، مما قلل من المواد الخام منخفضة الجودة العالية في FFAs إلى استرات. في الخطوة 2 من transesterification بالموجات فوق الصوتية ، يتم تحويل الدهون الثلاثية إلى وقود الديزل الحيوي (FAME).
زيادة كفاءة تحويل وقود الديزل الحيوي بالموجات فوق الصوتية – ثبت علميا
قامت العديد من مجموعة الباحثين بالتحقيق في آلية وتأثيرات الأسترة بالموجات فوق الصوتية للديزل الحيوي. على سبيل المثال ، أظهر فريق البحث في Sebayan Darwin أن التجويف بالموجات فوق الصوتية زاد من النشاط الكيميائي ومعدل التفاعل مما أدى إلى زيادة كبيرة في تكوين الإستر. خفضت تقنية الموجات فوق الصوتية وقت تفاعل الأسترة التبادلية إلى 5 دقائق – بالمقارنة مع 2 ساعة لمعالجة التحريك الميكانيكي. تحويل الدهون الثلاثية (TG) إلى FAME تحت الموجات فوق الصوتية التي تم الحصول عليها 95.6929٪ بالوزن مع نسبة مولار الميثانول إلى الزيت 6: 1 و 1٪ بالوزن هيدروكسيد الصوديوم كمحفز. (راجع داروين وآخرون 2010)
الموجات فوق الصوتية متوسطة الحجم وواسعة النطاق لمعالجة وقود الديزل الحيوي
Hielscher Ultrasonics’ توفر معالجات الموجات فوق الصوتية الصناعية الصغيرة والمتوسطة الحجم وكذلك واسعة النطاق للإنتاج الفعال للديزل الحيوي بأي حجم. تقدم نظام الموجات فوق الصوتية على أي نطاق، Hielscher يمكن أن تقدم الحل المثالي لكل من صغار المنتجين والشركات الكبيرة. يمكن تشغيل تحويل وقود الديزل الحيوي بالموجات فوق الصوتية كدفعة أو كعملية مضمنة مستمرة. التركيب والتشغيل بسيط وآمن ويعطي مخرجات عالية موثوقة بجودة وقود الديزل الحيوي الفائقة.
ستجد أدناه إعدادات المفاعلات الموصى بها لمجموعة من معدلات الإنتاج.
|
طن / ساعة
|
غال / ساعة
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT |
0.25 إلى 0.5
|
80 إلى 160
|
| 1x UIP1000hdT |
0.5 إلى 1.0
|
160 إلى 320
|
| 1x UIP1500hdT |
0.75 إلى 1.5
|
240 إلى 480
|
| 2x UIP1000hdT |
1.0 إلى 2.0
|
320 إلى 640
|
| 2x UIP1500hdT |
1.5 إلى 3.0
|
480 إلى 960
|
| 4 أضعاف UIP1500hdT |
3.0 إلى 6.0
|
960 إلى 1920
|
| 6x UIP1500hdT |
4.5 إلى 9.0
|
1440 إلى 2880
|
اتصل بنا! / اسألنا!
Hielscher Ultrasonics بتصنيع المجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لخلط التطبيقات، والتشتت، والاستحلاب والاستخراج على المختبر، التجريبية والصناعية النطاق.
الأدب / المراجع
- Abdullah, C. S. ; Baluch, N.; Mohtar S. (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi (Sciences & Engineering) 77:5; 2015. 155-161.
- Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.
- Wu, P., Yang, Y., Colucci, J.A. and Grulke, E.A. (2007): Effect of Ultrasonication on Droplet Size in Biodiesel Mixtures. J Am Oil Chem Soc, 84: 877-884.
- Kumar D., Kumar G., Poonam, Singh C. P. (2010): Ultrasonic-assisted transesterification of Jatropha curcus oil using solid catalyst, Na/SiO2. Ultrason Sonochem. 2010 Jun; 17(5): 839-44.
- Leonardo S.G. Teixeira, Júlio C.R. Assis, Daniel R. Mendonça, Iran T.V. Santos, Paulo R.B. Guimarães, Luiz A.M. Pontes, Josanaide S.R. Teixeira (2009): Comparison between conventional and ultrasonic preparation of beef tallow biodiesel. Fuel Processing Technology, Volume 90, Issue 9, 2009. 1164-1166.
- Darwin, Sebayan; Agustian, Egi; Praptijanto, Achmad (2010): Transesterification Of Biodiesel From Waste Cooking Oil Using Ultrasonic Technique. International Conference on Environment 2010 (ICENV 2010).
- Nieves-Soto, M., Oscar M. Hernández-Calderón, C. A. Guerrero-Fajardo, M. A. Sánchez-Castillo, T. Viveros-García and I. Contreras-Andrade (2012): Biodiesel Current Technology: Ultrasonic Process a Realistic Industrial Application. InTechOpen 2012.
حقائق تستحق المعرفة
إنتاج وقود الديزل الحيوي
يتم إنتاج وقود الديزل الحيوي عندما يتم تحويل trigycerides إلى استر ميثيل دهني حر (FAME) عن طريق تفاعل كيميائي يعرف باسم transesterification. أثناء تفاعل الأسترة التبادلية ، يتفاعل trigylcerides في الزيوت النباتية أو الدهون الحيوانية في وجود محفز (على سبيل المثال ، هيدروكسيد البوتاسيوم أو هيدروكسيد الصوديوم) مع الكحول الأولي (على سبيل المثال ، الميثانول). في هذا التفاعل ، تتشكل استرات الألكيل من المواد الأولية للزيت النباتي أو الدهون الحيوانية. الدهون الثلاثية هي الجليسريدات ، حيث يتم أسترة الجلسرين بأحماض طويلة السلسلة ، تعرف باسم الأحماض الدهنية. هذه الأحماض الدهنية موجودة بكثرة في الزيوت النباتية والدهون الحيوانية. نظرا لأنه يمكن إنتاج وقود الديزل الحيوي من مواد أولية مختلفة مثل الزيوت النباتية البكر ونفايات الزيوت النباتية وزيوت القلي المستعملة والدهون الحيوانية مثل الشحم وشحم الخنزير ، يمكن أن تختلف كمية الأحماض الدهنية الحرة (FFAs) بشكل كبير. تعد نسبة الأحماض الدهنية الحرة للدهون الثلاثية عاملا حاسما يؤثر على عملية إنتاج وقود الديزل الحيوي وجودة وقود الديزل الحيوي الناتج بشكل كبير. يمكن أن تتداخل كمية عالية من الأحماض الدهنية الحرة مع عملية التحويل وتدهور جودة وقود الديزل الحيوي النهائي. المشكلة الرئيسية هي أن الأحماض الدهنية الحرة (FFAs) تتفاعل مع المحفزات القلوية مما يؤدي إلى تكوين الصابون. يؤدي تكوين الصابون لاحقا إلى مشاكل فصل الجلسرين. لذلك ، تتطلب المواد الأولية التي تحتوي على كميات كبيرة من FFAs في الغالب معالجة مسبقة (ما يسمى تفاعل الأسترة) ، يتم خلالها تحويل FFAs إلى استرات. الموجات فوق الصوتية يعزز كل من ردود الفعل ، transesterification والأسترة.
التفاعل الكيميائي للأسترة
الأسترة هي عملية الجمع بين حمض عضوي (RCOOH) وكحول (ROH) لتكوين إستر (RCOOR) وماء.
استخدام الميثانول في الأسترة الحمضية
عند استخدام أسترة الحمض لتقليل FFAs في المواد الأولية ، تكون متطلبات الطاقة الفورية منخفضة نسبيا. ومع ذلك ، يتم إنشاء الماء أثناء تفاعل الأسترة – خلق الميثانول الرطب الحمضي ، والذي يجب تحييده وتجفيفه واستعادته. عملية استرداد الميثانول هذه مكلفة.
إذا كانت المواد الأولية الأولية تحتوي على 20 إلى 40٪ أو حتى نسب أعلى من FFAs ، فقد يكون من الضروري اتخاذ خطوات متعددة من أجل خفضها إلى مستويات مقبولة. هذا يعني أنه يتم إنشاء ميثانول رطب أكثر حمضية. بعد تحييد الميثانول الحمضي ، يتطلب التجفيف تقطيرا متعدد المراحل بمعدلات ارتجاع كبيرة ، مما يؤدي إلى استخدام طاقة عالية جدا.
ما هي الزيوت المستخدمة لإنتاج وقود الديزل الحيوي؟
تشمل الزيوت المستخدمة في إنتاج وقود الديزل الحيوي الزيوت النباتية ، مثل فول الصويا وبذور اللفت (الكانولا) وعباد الشمس وزيت النخيل وزيت القهوة المستهلكة ، وكذلك الدهون الحيوانية مثل الشحم وشحم الخنزير. كما يشيع استخدام نفايات الزيوت ، بما في ذلك زيت الطهي المستخدم والزيوت المستخرجة من القهوة المستهلكة. هذه الزيوت ، التي تتكون أساسا من الدهون الثلاثية ، تخضع للأسترة مع الكحول لإنتاج استرات ميثيل الأحماض الدهنية (FAME) ، وهي المركبات الكيميائية التي تشكل وقود الديزل الحيوي. يعمل Sonication على تحسين تحويل وقود الديزل الحيوي لزيوت النفايات من خلال تعزيز عملية الأسترة التبادلية من خلال تطبيق الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة. في زيوت النفايات ، التي غالبا ما تحتوي على شوائب ومحتوى أعلى من الأحماض الدهنية الحرة ، تساعد صوتنة على تحطيم هذه الشوائب وتحسن خلط المواد المتفاعلة. ينتج عن هذا معدلات تفاعل أسرع ، وأوقات تفاعل أقل ، وإنتاجية أعلى من وقود الديزل الحيوي ، حتى مع المواد الأولية منخفضة الجودة. يسمح Sonication أيضا بتقليل استخدام المحفز وانخفاض استهلاك الطاقة ، مما يجعل تحويل نفايات الزيوت إلى وقود الديزل الحيوي أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة.
اقرأ المزيد كيف يكثف صوتنة استخراج الزيوت من القهوة المستهلكة و transesterification من هذه الزيوت إلى وقود الديزل الحيوي!
Hielscher الفوق صوتيات بتصنيع الخالط بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء من المختبر ل الحجم الصناعي.