Ultrasonik Təkmilləşdirilmiş (Trans-) Esterləşdirmə yolu ilə biodizel
Biodizel əsas katalizatordan istifadə edərək transesterifikasiya yolu ilə sintez olunur. Bununla belə, yüksək sərbəst yağ turşusu olan aşağı dərəcəli tullantı tərəvəz kimi xammaldan istifadə olunarsa, turşu katalizatoru ilə esterifikasiyanın kimyəvi ilkin təmizlənməsi mərhələsi tələb olunur. Ultrasonication və onun sonokimyəvi və sonomechanical təsirləri hər iki reaksiya növlərinə kömək edir və biodizel çevrilməsinin səmərəliliyini əhəmiyyətli dərəcədə artırır. Ultrasonik biodizel istehsalı adi biodizel sintezindən əhəmiyyətli dərəcədə sürətlidir, daha yüksək biodizel məhsuldarlığı və keyfiyyəti ilə nəticələnir və metanol və katalizator kimi reagentlərə qənaət edir.
Power Ultrasound istifadə edərək biodizel çevrilməsi
Biodizel üçün yağ turşusu efirləri bitki yağlarının, eləcə də heyvan yağlarının (məsələn, don yağı) transesterifikasiyası yolu ilə istehsal olunur. Transesterifikasiya reaksiyası zamanı qliserol komponenti başqa bir spirtlə, məsələn, metanolla əvəz olunur. Tərkibində yüksək miqdarda sərbəst yağ turşuları olan xammallar, məsələn, tullantı bitki yağları (WVO) sabun əmələ gəlməsinin qarşısını almaq üçün turşu esterifikasiyasının ilkin təmizlənməsini tələb edir. Bu turşu kataliz prosesi adi partiya üsulu ilə həyata keçirildikdə çox yavaş bir reaksiyadır. Yavaş esterləşmə prosesini sürətləndirmək üçün həll güc ultrasəsinin tətbiqidir. Sonication yüksək güclü ultrasəsin sonokimyəvi təsirləri turşu katalizini təşviq və gücləndirdiyi üçün reaksiya sürətində, çevrilmədə və biodizel məhsuldarlığında əhəmiyyətli bir yaxşılaşma əldə edir. Ultrasonik kavitasiya sonomexaniki qüvvələr, yəni yüksək kəsici qarışdırma, eləcə də sonokimyəvi enerji təmin edir. Bu hər iki növ ultrasəs təsir (sonomexaniki və sonokimyəvi) turşu katalizli esterifikasiyanı daha az katalizator tələb edən sürətli reaksiyaya çevirir.
Ultrasonik qarışdırma biodizelin çevrilmə sürətini yaxşılaşdırır, məhsuldarlığı artırır və artıq metanol və katalizatoru saxlayır. Şəkildə 3x quraşdırılması göstərilir UIP1000hdT (hər biri 1kW ultrasəs gücü) daxili emal üçün.
Ultrasəs biodizel çevrilməsi necə işləyir?
Transesterifikasiyada (bəzən alkoqoliz də adlanır) və esterləşmənin müxtəlif fazaları arasında ultrasəsləşmə, qarışdırmanın yaxşılaşdırılmasına, eləcə də artan istilik və kütlə ötürülməsinə əsaslanır. Ultrasonik qarışdırma maye içərisində vakuum qabarcıqlarının partlaması nəticəsində meydana gələn akustik kavitasiya prinsipinə əsaslanır. Akustik kavitasiya yüksək kəsici qüvvələr və turbulentliklər, həmçinin çox yüksək təzyiq və temperatur fərqləri ilə xarakterizə olunur. Bu qüvvələr transesterifikasiya/esterifikasiyanın kimyəvi reaksiyasını təşviq edir və kütlə və istilik köçürməsini gücləndirir, bununla da biodizelin çevrilməsi reaksiyasını əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırır.
Sonikasiyadan istifadə edərək trigliseridlərin biodizel (FAME) daxil transesterifikasiyası sürətlənmiş reaksiya və əhəmiyyətli dərəcədə yüksək effektivliyə səbəb olur.
Biodizelin çevrilməsi zamanı ultrasəsin tətbiqi prosesin səmərəliliyini artırmaq üçün elmi və sənaye cəhətdən sübut edilmişdir. Prosesin səmərəliliyinin yaxşılaşdırılması enerji istehlakının və əməliyyat xərclərinin azaldılması, spirtdən (yəni, metanol) istifadənin azaldılması, daha az katalizator və əhəmiyyətli dərəcədə qısaldılmış reaksiya müddəti ilə əlaqələndirilə bilər. Xarici isitmə tələb olunmadığından istilik üçün enerji xərcləri aradan qaldırılır. Bundan əlavə, biodizel və qliserin arasında faza ayrılması daha qısa faza ayrılması vaxtı ilə daha sadədir. Biodizel istehsalında ultrasəsin kommersiya istifadəsi üçün vacib amil istənilən həcmə qədər sadə miqyaslı, etibarlı və təhlükəsiz istismarı, həmçinin ultrasəs avadanlığının möhkəmliyi və etibarlılığıdır (sənaye standartı, 24/7/7/24 fasiləsiz işləyə bilir). 365 tam yük altında).
Daxili biodizel esterfikasiyası və transesterifikasiyası üçün axın hüceyrəsi olan ultrasəs sənaye sistemi.
Ultrasəs esterifikasiyası və transesterifikasiyası toplu və ya davamlı inline proses kimi həyata keçirilə bilər. Diaqram biodizel (FAME) transesterfikasiyası üçün ultrasəs inline prosesini göstərir.
Ultrasəs esterifikasiyası və transesterifikasiyası toplu və ya davamlı inline proses kimi həyata keçirilə bilər. Bu diaqram biodizelin çevrilməsi üçün ultrasəs toplu prosesini göstərir.
Turşu və Baza-Katalizli Reaksiya Addımlarını Tətbiq Edən Ultrasəs Yardımlı İki Addımlı Biodizel Dönüşüm
Tərkibində yüksək AFFA olan xammallar üçün biodizel istehsalı iki mərhələli prosesdə turşu və ya əsas katalizli reaksiya şəklində həyata keçirilir. Ultrasəs iki növ reaksiya verir, turşu-katalizli esterləşmə və baza-katalizli transesterifikasiya:
Ultrasəs istifadə edərək turşu katalizli esterifikasiya
Xammaldakı sərbəst yağ turşularının artıqlığını müalicə etmək üçün esterifikasiya prosesi lazımdır. Kükürd turşusu adətən turşu katalizatoru kimi istifadə olunur.
- Çirkləndiricilərdən və sudan süzülərək və təmizlənərək xammal hazırlayın.
- Katalizatoru, yəni sulfat turşusunu metanolda həll edin. İstilik dəyişdiricisi və statik mikser vasitəsilə katalizator/metanol və xammalın axınını xam əvvəlcədən qarışdırın.
- Katalizator və xammalın əvvəlcədən qarışığı birbaşa ultrasəs reaksiya kamerasına daxil olur, burada ultra incə qarışdırma və sonokimya təsir göstərir və sərbəst yağ turşuları biodizelə çevrilir.
- Nəhayət, məhsulu susuzlaşdırın və ikinci mərhələyə - ultrasəs transesterifikasiyasına keçirin. Turşulu yaş metanol bərpa, qurutma və zərərsizləşdirmədən sonra təkrar istifadəyə hazırdır.
- Tərkibində xammal ehtiyatları olan çox yüksək AFA üçün, transesterifikasiya mərhələsindən əvvəl AFFA-nı ağlabatan səviyyəyə endirmək üçün resirkulyasiya qurğusu tələb oluna bilər.
Turşu katalizatoru ilə esterləşmə reaksiyası:
FFA + Spirt → Ester + Su
Ultrasəsdən istifadə edərək baza-katalizləşdirilmiş transesterifikasiya
İndi yalnız az miqdarda AFFA olan xammal birbaşa transesterifikasiya mərhələsinə verilə bilər. Əsas katalizator kimi ən çox natrium hidroksid və ya kalium hidroksid (NaOH, KOH) istifadə olunur.
- Katalizatoru, yəni kalium hidroksidini metanolda həll edin və xam ön qarışığı əldə etmək üçün katalizator/metanol və əvvəlcədən işlənmiş xammalın axınlarını statik qarışdırıcı vasitəsilə qidalandırın.
- Kavitasiyalı yüksək kəsmə qarışdırma və sonokimyəvi müalicə üçün əvvəlcədən qarışığı birbaşa ultrasəs reaksiya kamerasına daxil edin. Bu reaksiyanın məhsulları alkil efirləri (yəni, biodizel) və qliserindir. Qliserin çökmə və ya sentrifuqa yolu ilə ayrıla bilər.
- Ultrasəs üsulu ilə istehsal olunan biodizel yüksək keyfiyyətlidir və metanol və katalizatora qənaət etməklə sürətli, enerjiyə qənaətcil və qənaətcildir.
Əsas katalizatordan istifadə edərək transesterifikasiya reaksiyası:
Yağ / Yağ + Spirt → Biodizel + Qliserin
Metanol İstifadəsi & Metanolun bərpası
Metanol biodizel istehsalı zamanı əsas komponentdir. Ultrasəslə idarə olunan biodizel çevrilməsi metanolun əhəmiyyətli dərəcədə azaldılmasına imkan verir. Əgər siz indi “metanoldan istifadəmə əhəmiyyət vermirəm, çünki onu hər halda bərpa edirəm” düşünürsünüzsə, yenidən düşünə və buxarlanma mərhələsi üçün tətbiq olunan hədsiz yüksək enerji xərclərini nəzərdən keçirə bilərsiniz (məsələn, distillə sütunundan istifadə etməklə). metanolun ayrılması və təkrar emal edilməsi lazımdır.
Metanol adətən biodizel və qliserin iki təbəqəyə ayrıldıqdan sonra çıxarılır və reaksiyanın tərsinə çevrilməsinin qarşısını alır. Daha sonra metanol təmizlənir və prosesin başlanğıcına qaytarılır. Ultrasəslə idarə olunan esterləşdirmə və transesterifikasiya yolu ilə biodizel istehsal edərək, siz metanol istifadənizi kəskin şəkildə azalda, bununla da metanolun bərpası üçün hədsiz yüksək enerji xərclərini azalda bilərsiniz. Hielscher ultrasəs reaktorlarının istifadəsi lazımi miqdarda artıq metanolun miqdarını 50%-ə qədər azaldır. 1:4 və ya 1:4,5 (yağ: metanol) arasında bir molyar nisbət Hielscher ultrasəs qarışdırma istifadə edərkən, əksər xammal üçün kifayətdir.
Ultrasəs esterifikasiyası, AFFA-larda yüksək olan aşağı dərəcəli xammal ehtiyatını esterlərə endirən bir hazırlıq mərhələsidir. Ultrasəs transesterifikasiyasının 2-ci addımında trigliseridlər biodizelə (FAME) çevrilir.
Ultrasonik Artan Biodizel Dönüşüm Effektivliyi – elmi cəhətdən sübut edilmişdir
Çoxsaylı tədqiqatçılar qrupu biodizelin ultrasəs transesterifikasiyasının mexanizmini və təsirlərini tədqiq etmişlər. Məsələn, Sebayan Darvinin tədqiqat qrupu ultrasəs kavitasiyasının kimyəvi aktivliyi və reaksiya sürətini artırdığını və nəticədə esterin əmələ gəlməsinin əhəmiyyətli dərəcədə artdığını nümayiş etdirdi. Ultrasəs texnikası transesterifikasiya reaksiyasının müddətini 5 dəqiqəyə qədər azaldıb – mexaniki qarışdırma emal üçün 2 saat ilə müqayisədə. Ultrasonikasiya altında trigliseridlərin (TG) FAME-ə çevrilməsi nəticəsində 6:1 və katalizator olaraq 1% natrium hidroksid ilə metanol-neft molar nisbəti ilə 95,6929% ağırlıq əldə edildi. (müq. Darwin et al. 2010)
Biodizel emalı üçün orta ölçülü və böyük miqyaslı ultrasəs cihazları
Hielscher Ultrasonics’ istənilən həcmdə biodizelin səmərəli istehsalı üçün kiçik və orta ölçülü, eləcə də iri miqyaslı sənaye ultrasəs prosessorları təmin edir. İstənilən miqyasda ultrasəs sistemi təklif edən Hielscher həm kiçik istehsalçılar, həm də böyük şirkətlər üçün ideal həll təklif edə bilər. Ultrasəs biodizel çevrilməsi toplu və ya davamlı inline proses kimi idarə edilə bilər. Quraşdırma və istismar sadədir, təhlükəsizdir və üstün biodizel keyfiyyətinin etibarlı yüksək nəticələrini verir.
Aşağıda bir sıra istehsal dərəcələri üçün tövsiyə olunan reaktor quraşdırmalarını tapa bilərsiniz.
|
ton/saat
|
gal/saat
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT |
0.25 - 0.5
|
80-160
|
| 1x UIP1000hdT |
0.5 - 1.0
|
160-320
|
| 1x UIP1500hdT |
0.75 - 1.5
|
240 ilə 480 arasında
|
| 2x UIP1000hdT |
1,0 - 2,0
|
320 ilə 640 arasında
|
| 2x UIP1500hdT |
1,5 - 3,0
|
480-dən 960-a qədər
|
| 4x UIP1500hdT |
3.0 - 6.0
|
960-1920
|
| 6x UIP1500hdT |
4.5 - 9.0
|
1440-dan 2880-ə qədər
|
Bizimlə əlaqə saxlayın! / Bizdən soruşun!
Hielscher Ultrasonics, laboratoriya, pilot və sənaye miqyasında qarışdırma tətbiqləri, dispersiya, emulsiya və ekstraksiya üçün yüksək performanslı ultrasəs homogenizatorları istehsal edir.
Ədəbiyyat / İstinadlar
- 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.
Bilməyə Dəyər Faktlar
Biodizel istehsalı
Biodizel trigiseridlər transesterifikasiya kimi tanınan kimyəvi reaksiya vasitəsilə sərbəst yağ metil esterinə (FAME) çevrildikdə istehsal olunur. Transesterifikasiya reaksiyası zamanı bitki yağlarında və ya heyvan yağlarında olan trigilseridlər katalizatorun (məsələn, kalium hidroksid və ya natrium hidroksid) iştirakı ilə ilkin spirtlə (məsələn, metanol) reaksiya verir. Bu reaksiyada alkil efirləri bitki yağı və ya heyvan yağının xammalından əmələ gəlir. Trigliseridlər, qliserolun yağ turşuları kimi tanınan uzun zəncirli turşularla esterləşdiyi qliseridlərdir. Bu yağ turşuları bitki yağlarında və heyvan yağlarında çox olur. Biyodizel bakirə bitki yağları, tullantı bitki yağları, işlənmiş qızartma yağları, don yağı və donuz yağı kimi heyvan mənşəli yağlar kimi müxtəlif müxtəlif xammallardan istehsal oluna bildiyi üçün sərbəst yağ turşularının (FFA) miqdarı çox dəyişə bilər. Trigliseridlərin sərbəst yağ turşularının faizi biodizel istehsal prosesinə və nəticədə biodizel keyfiyyətinə ciddi təsir göstərən mühüm amildir. Yüksək miqdarda sərbəst yağ turşuları çevrilmə prosesinə mane ola bilər və son biodizel keyfiyyətini pisləşdirə bilər. Əsas problem ondan ibarətdir ki, sərbəst yağ turşuları (FFA) qələvi katalizatorlarla reaksiya verir və nəticədə sabun əmələ gəlir. Sabun əmələ gəlməsi sonradan qliserolun ayrılması problemlərinə səbəb olur. Buna görə də, yüksək miqdarda AFFA ehtiva edən xammallar, əsasən, AFFA-ların efirlərə çevrildiyi ilkin müalicəni (sözdə esterləşmə reaksiyası) tələb edir. Ultrasonication həm reaksiyalar, transesterifikasiya və esterifikasiyanı təşviq edir.
Esterləşmənin kimyəvi reaksiyası
Esterləşmə üzvi turşunun (RCOOH) spirtlə (ROH) birləşərək efir (RCOOR) və su əmələ gətirməsi prosesidir.
Acidic Esterification metanol istifadə
Turşu esterifikasiyası xammaldakı FA-ları azaltmaq üçün istifadə edildikdə, dərhal enerji tələbləri nisbətən aşağı olur. Bununla belə, esterləşmə reaksiyası zamanı su yaranır – neytrallaşdırılmalı, qurudulmalı və bərpa edilməli olan yaş, turşu metanol yaratmaq. Bu metanol bərpa prosesi bahalıdır.
Başlanğıc xammallarında 20-40 % və ya daha çox AFFA varsa, onları məqbul səviyyələrə endirmək üçün bir neçə addım tələb oluna bilər. Bu o deməkdir ki, daha asidik, yaş metanol yaranır. Turşu metanolun zərərsizləşdirilməsindən sonra, qurutma əhəmiyyətli reflü sürətləri ilə çox mərhələli distillə tələb edir və nəticədə çox yüksək enerji sərf olunur.
Biodizel istehsalı üçün hansı yağlardan istifadə olunur?
Biodizel istehsalı üçün istifadə edilən yağlara soya, kolza toxumu (kanola), günəbaxan, palma yağı və istifadə olunmuş qəhvə zəmilərindən alınan yağ kimi bitki yağları, həmçinin don yağı və donuz yağı kimi heyvan yağları daxildir. Tullantı yağları, o cümlədən işlənmiş yemək yağı və işlənmiş qəhvə zəmilərindən çıxarılan yağlar da adətən istifadə olunur. Əsasən trigliseridlərdən ibarət olan bu yağlar, biodizel əmələ gətirən kimyəvi birləşmələr olan yağ turşusu metil efirlərini (FAME) istehsal etmək üçün spirtlə transesterifikasiyadan keçir. Sonikasiya yüksək intensivlikli ultrasəs dalğalarının tətbiqi ilə transesterifikasiya prosesini gücləndirərək tullantı yağlarının biodizel çevrilməsini yaxşılaşdırır. Çox vaxt çirkləri və daha yüksək sərbəst yağ turşuları olan tullantı yağlarında sonikasiya bu çirkləri parçalamağa kömək edir və reaktivlərin qarışmasını yaxşılaşdırır. Bu, hətta aşağı keyfiyyətli xammal ilə belə daha sürətli reaksiya sürəti, reaksiya müddətinin azalması və yüksək biodizel məhsuldarlığı ilə nəticələnir. Sonikasiya həmçinin katalizator istifadəsini və enerji istehlakını azaltmağa imkan verir, tullantı yağlarının biodizelə çevrilməsini daha səmərəli və qənaətcil edir.
Daha çox oxuyun, sonikasiya işlənmiş qəhvə zəmilərindən yağların çıxarılmasını və bu yağların biodizelə transesterifikasiyasını necə gücləndirir!
Hielscher Ultrasonics yüksək performanslı ultrasəs homogenizatorları istehsal edir laboratoriya üçün sənaye ölçüsü.