Ultrasəslə təkmilləşdirilmiş (trans-)esterləşmə yolu ilə biodizel
Biodizel əsas katalizatorundan istifadə etməklə transesterləşmə yolu ilə sintez edilir. Lakin sərbəst yağ turşularının miqdarı yüksək olan aşağı keyfiyyətli işlənmiş bitki yağları kimi xammaldan istifadə edildikdə, turşu katalizatorundan istifadə etməklə esterləşmədən ibarət kimyəvi ilkin emal mərhələsi tələb olunur. Ultrasəslə emal və onun sonokimyəvi və sonomexaniki təsirləri hər iki reaksiya növünə kömək edir və biodizelə çevrilmənin səmərəliliyini kəskin şəkildə artırır. Ultrasəslə biodizel istehsalı ənənəvi biodizel sintezindən əhəmiyyətli dərəcədə daha sürətlidir, daha yüksək biodizel çıxımı və keyfiyyəti təmin edir, metanol və katalizator kimi reagentlərə qənaət edir.
Yüksək güclü ultrasəsdən istifadə etməklə biodizelə çevrilmə
Biodizel üçün yağ turşularının esterləri bitki yağlarının, eləcə də heyvan piylərinin (məsələn, mal-qara piyinin) transesterləşməsi ilə istehsal edilir. Transesterləşmə reaksiyası zamanı qliserol komponenti metanol kimi başqa bir spirtlə əvəz olunur. Sərbəst yağ turşularının miqdarı yüksək olan xammallar, məsələn, işlənmiş bitki yağları (WVO), sabun əmələ gəlməsinin qarşısını almaq üçün turşu ilə esterləşmədən ibarət ilkin emal tələb edir. Bu turşu katalizi prosesi ənənəvi dövri üsulla aparıldıqda çox yavaş gedən reaksiyadır. Yavaş esterləşmə prosesini sürətləndirməyin yolu yüksək güclü ultrasəs tətbiq etməkdir. Yüksək güclü ultrasəsin sonokimyəvi təsirləri turşu katalizini təşviq edib intensivləşdirdiyinə görə ultrasəslə emal reaksiya sürətini, çevrilməni və biodizel çıxımını əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırır. Ultrasəs kavitasiyası sonomexaniki qüvvələr, yəni yüksək kəsilmə qüvvəli qarışdırma, eləcə də sonokimyəvi enerji təmin edir. Ultrasəs təsirinin bu iki növü (sonomexaniki və sonokimyəvi) turşu katalizli esterləşməni daha az katalizator tələb edən sürətli reaksiyaya çevirir.
Ultrasəslə qarışdırma biodizelə çevrilmə sürətini yaxşılaşdırır, çıxımı artırır, artıq metanola və katalizatora qənaət edir. Şəkildə 3x UIP1000hdT (hər biri 1kW ultrasəs gücünə malik) qurğusunun axın daxilində emal üçün quraşdırılması göstərilir.
Ultrasəslə biodizelə çevrilmə necə işləyir?
Transesterləşmə (bəzən alkoqoliz də adlandırılır) və esterləşmə zamanı müxtəlif fazalar arasında ultrasəslə emal qarışdırmanın yaxşılaşdırılmasına, eləcə də istilik və kütlə ötürülməsinin artırılmasına əsaslanır. Ultrasəslə qarışdırma mayedəki vakuum qabarcıqlarının içəriyə doğru çökməsi nəticəsində yaranan akustik kavitasiya prinsipinə əsaslanır. Akustik kavitasiya yüksək kəsilmə qüvvələri və turbulentlik, eləcə də çox böyük təzyiq və temperatur fərqləri ilə xarakterizə olunur. Bu qüvvələr transesterləşmə / esterləşmə kimyəvi reaksiyasını təşviq edir, kütlə və istilik ötürülməsini intensivləşdirir və bununla da biodizelə çevrilmə reaksiyasını əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırır.
Ultrasəslə emaldan istifadə etməklə triqliseridlərin biodizelə (FAME) transesterləşməsi reaksiyanın sürətlənməsinə və əhəmiyyətli dərəcədə daha yüksək səmərəliliyə səbəb olur.
Biodizelə çevrilmə zamanı ultrasəs tətbiqinin prosesin səmərəliliyini artırdığı elmi tədqiqatlarda və sənayedə sübut edilmişdir. Prosesin səmərəliliyindəki artım enerji istehlakının və istismar xərclərinin azalması, spirtin (yəni metanolun) və katalizatorun daha az istifadəsi, eləcə də reaksiya müddətinin əhəmiyyətli dərəcədə qısalması ilə izah edilə bilər. Xarici qızdırmaya ehtiyac olmadığı üçün qızdırma üzrə enerji xərcləri aradan qalxır. Bundan əlavə, biodizel və qliserol arasındakı fazaların ayrılması daha asandır və fazaların ayrılma müddəti daha qısadır. Biodizel istehsalında ultrasəsin kommersiya məqsədli istifadəsi üçün mühüm amillər prosesin istənilən həcmə asanlıqla miqyaslandırılması, etibarlı və təhlükəsiz işləməsi, eləcə də ultrasəs avadanlığının möhkəmliyi və etibarlılığıdır (sənaye standartına uyğun, tam yük altında fasiləsiz 24/7/365 işləyə bilir).
Biodizelin axın daxilində esterləşməsi və transesterləşməsi üçün axın hüceyrəsi olan sənaye ultrasəs sistemi.
Ultrasəslə esterləşmə və transesterləşmə dövri proses və ya axın daxilində fasiləsiz proses kimi aparıla bilər. Sxemdə biodizelin (FAME) transesterləşməsi üçün axın daxilində ultrasəs prosesi göstərilir.
Ultrasəslə esterləşmə və transesterləşmə dövri proses və ya axın daxilində fasiləsiz proses kimi aparıla bilər. Bu sxemdə biodizelə çevrilmə üçün dövri ultrasəs prosesi göstərilir.
Turşu və əsas katalizli reaksiya mərhələlərinin tətbiqi ilə ultrasəsin kömək etdiyi iki mərhələli biodizelə çevrilmə
FFA miqdarı yüksək olan xammallar üçün biodizel istehsalı iki mərhələli prosesdə turşu və ya əsas katalizli reaksiya kimi həyata keçirilir. Ultrasəs hər iki reaksiya növünə – həm turşu katalizli esterləşməyə, həm də əsas katalizli transesterləşməyə kömək edir:
Ultrasəsdən istifadə etməklə turşu katalizli esterləşmə
Xammaldakı artıq sərbəst yağ turşularını emal etmək üçün esterləşmə prosesi lazımdır. Turşu katalizatoru kimi adətən sulfat turşusundan istifadə olunur.
- Xammalı süzərək və çirkləndiricilərdən və sudan təmizləyərək hazırlayın.
- Katalizatoru, yəni sulfat turşusunu metanolda həll edin. Kobud ilkin qarışıq əldə etmək üçün katalizator/metanol axınını və xammalı istilik dəyişdiricisindən və statik qarışdırıcıdan keçirin.
- Katalizator və xammalın ilkin qarışığı birbaşa ultrasəs reaksiya kamerasına daxil olur; burada son dərəcə incə qarışdırma və sonokimya təsir göstərir və sərbəst yağ turşuları biodizelə çevrilir.
- Nəhayət, məhsulu susuzlaşdırın və ikinci mərhələyə – ultrasəslə transesterləşməyə ötürün. Turş mühitli, su tərkibli metanol bərpa, qurutma və neytrallaşdırmadan sonra təkrar istifadəyə hazır olur.
- FFA miqdarı çox yüksək olan xammallar üçün transesterləşmə mərhələsindən əvvəl FFA miqdarını məqbul səviyyəyə endirmək məqsədilə resirkulyasiya quruluşu tələb oluna bilər.
Turşu katalizatorundan istifadə etməklə esterləşmə reaksiyası:
FFA + Spirt → Ester + Su
FFA-ların ultrasəslə təkmilləşdirilmiş turşu katalizli esterləşməsi haqqında daha çox oxuyun!
Ultrasəsdən istifadə etməklə əsas katalizli transesterləşmə
Artıq yalnız az miqdarda FFA ehtiva edən xammal birbaşa transesterləşmə mərhələsinə ötürülə bilər. Əsas katalizatoru kimi ən çox natrium hidroksid və ya kalium hidroksiddən (NaOH, KOH) istifadə olunur.
- Katalizatoru, yəni kalium hidroksidi metanolda həll edin və kobud ilkin qarışıq əldə etmək üçün katalizator/metanol və ilkin emaldan keçirilmiş xammal axınlarını statik qarışdırıcıdan keçirin.
- Kavitasiya nəticəsində yüksək kəsilmə qüvvəli qarışdırma və sonokimyəvi emal üçün ilkin qarışığı birbaşa ultrasəs reaksiya kamerasına ötürün. Bu reaksiyanın məhsulları alkil esterləri (yəni biodizel) və qliserindir. Qliserin çökdürmə və ya sentrifuqalama yolu ilə ayrıla bilər.
- Ultrasəslə istehsal edilən biodizel yüksək keyfiyyətlidir və metanola və katalizatora qənaət etməklə sürətli, enerji və xərc baxımından səmərəli şəkildə hazırlanır.
Əsas katalizatorundan istifadə etməklə transesterləşmə reaksiyası:
Yağ / Piy + Spirt → Biodizel + Qliserol
Metanol istifadəsi və metanolun bərpası
Metanol biodizel istehsalının əsas komponentlərindən biridir. Ultrasəs vasitəsilə biodizelə çevrilmə metanol istifadəsinin əhəmiyyətli dərəcədə azaldılmasına imkan verir. Əgər indi «Metanol istifadəmə əhəmiyyət vermirəm, çünki onsuz da onu bərpa edirəm» deyə düşünürsünüzsə, yenidən düşünə və metanolu ayırmaq və təkrar dövrəyə qaytarmaq üçün zəruri olan buxarlandırma mərhələsinin (məsələn, distillə sütunundan istifadə etməklə) həddindən artıq yüksək enerji xərclərini nəzərə ala bilərsiniz.
Reaksiyanın geriyə getməsinin qarşısını almaq üçün metanol adətən biodizel və qliserin iki təbəqəyə ayrıldıqdan sonra çıxarılır. Daha sonra metanol təmizlənir və prosesin başlanğıcına təkrar qaytarılır. Ultrasəs vasitəsilə esterləşmə və transesterləşmə ilə biodizel istehsal edərək metanol istifadənizi kəskin şəkildə azalda və bununla da metanolun bərpası üçün həddindən artıq yüksək enerji sərfini aşağı sala bilərsiniz. Hielscher ultrasəs reaktorlarının istifadəsi tələb olunan artıq metanol miqdarını 50%-ə qədər azaldır. Hielscher ultrasəslə qarışdırmasından istifadə edildikdə, əksər xammallar üçün 1:4 ilə 1:4,5 arasında molyar nisbət (yağ : metanol) kifayətdir.
Ultrasəslə esterləşmə FFA miqdarı yüksək olan aşağı keyfiyyətli xammalı esterlərə çevirən ilkin emal mərhələsidir. Ultrasəslə transesterləşmənin 2-ci mərhələsində triqliseridlər biodizelə (FAME) çevrilir.
Ultrasəslə artırılmış biodizelə çevrilmə səmərəliliyi – elmi cəhətdən sübut edilmişdir
Çoxsaylı tədqiqatçı qrupları biodizelin ultrasəslə transesterləşməsinin mexanizmini və təsirlərini araşdırmışdır. Məsələn, Sebayan Darwinin tədqiqat qrupu ultrasəs kavitasiyasının kimyəvi fəallığı və reaksiya sürətini artırdığını və bunun nəticəsində ester əmələ gəlməsinin əhəmiyyətli dərəcədə artdığını göstərmişdir. Ultrasəs üsulu transesterləşmə reaksiyasının müddətini 5 dəqiqəyə endirmişdir – mexaniki qarışdırma ilə emalda isə bu müddət 2 saatdır. Ultrasəslə emal zamanı metanolun yağa molyar nisbəti 6:1 olduqda və katalizator kimi 1%wt natrium hidroksiddən istifadə edildikdə triqliseridin (TG) FAME-yə çevrilməsi 95,6929%wt təşkil etmişdir. (bax: Darwin et al. 2010)
Biodizel emalı üçün orta ölçülü və iri miqyaslı ultrasəs emal cihazları
Hielscher Ultrasonics istənilən həcmdə biodizelin səmərəli istehsalı üçün kiçik və orta ölçülü, eləcə də iri miqyaslı sənaye ultrasəs prosessorları təchiz edir. İstənilən miqyasda ultrasəs sistemi təklif etməklə Hielscher həm kiçik istehsalçılar, həm də böyük şirkətlər üçün ideal həll təklif edə bilər. Ultrasəslə biodizelə çevrilmə dövri proses və ya axın daxilində fasiləsiz proses kimi həyata keçirilə bilər. Quraşdırma və istismar sadə və təhlükəsizdir, üstün keyfiyyətli biodizelin etibarlı şəkildə yüksək istehsal həcmlərini təmin edir.
Aşağıda müxtəlif istehsal sürətləri üçün tövsiyə olunan reaktor quruluşlarını tapa bilərsiniz.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT |
0,25–0,5
|
80–160
|
| 1x UIP1000hdT |
0,5–1,0
|
160–320
|
| 1x UIP1500hdT |
0,75–1,5
|
240–480
|
| 2x UIP1000hdT |
1,0–2,0
|
320–640
|
| 2x UIP1500hdT |
1,5–3,0
|
480–960
|
| 4x UIP1500hdT |
3,0–6,0
|
960–1920
|
| 6x UIP1500hdT |
4,5–9,0
|
1440–2880
|
Bizimlə əlaqə saxlayın! / Bizə sual verin!
Hielscher Ultrasonics laboratoriya, pilot və sənaye miqyasında qarışdırma tətbiqləri, dispersiya, emulsiyalaşdırma və ekstraksiya üçün yüksək məhsuldarlıqlı 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 triqliseridlər transesterləşmə adlanan kimyəvi reaksiya yolu ilə sərbəst yağ turşularının metil esterinə (FAME) çevrildikdə istehsal olunur. Transesterləşmə reaksiyası zamanı bitki yağlarındakı və ya heyvan piylərindəki triqliseridlər katalizatorun (məsələn, kalium hidroksid və ya natrium hidroksidin) iştirakı ilə birli spirtlə (məsələn, metanolla) reaksiyaya girir. Bu reaksiyada bitki yağı və ya heyvan piyi xammalından alkil esterləri əmələ gəlir. Triqliseridlər qliserolun yağ turşuları kimi tanınan uzun zəncirli turşularla esterləşdiyi qliseridlərdir. Bu yağ turşuları bitki yağında və heyvan piylərində bol miqdarda mövcuddur. Biodizel ilkin bitki yağları, işlənmiş bitki yağları, istifadə olunmuş qızartma yağları, mal-qara piyi və donuz piyi kimi heyvan piyləri daxil olmaqla müxtəlif xammallardan istehsal oluna bildiyinə görə sərbəst yağ turşularının (FFA-ların) miqdarı geniş hədlərdə dəyişə bilər. Triqliseridlərin sərbəst yağ turşularının faiz miqdarı biodizel istehsalı prosesinə və alınan biodizelin keyfiyyətinə kəskin təsir edən həlledici amildir. Sərbəst yağ turşularının yüksək miqdarı çevrilmə prosesinə mane ola və son biodizelin keyfiyyətini pisləşdirə bilər. Əsas problem sərbəst yağ turşularının (FFA-ların) qələvi katalizatorlarla reaksiyaya girərək sabun əmələ gətirməsidir. Sabun əmələ gəlməsi sonradan qliserolun ayrılmasında problemlərə səbəb olur. Buna görə yüksək miqdarda FFA ehtiva edən xammallar əsasən ilkin emal (esterləşmə reaksiyası adlanan proses) tələb edir; bu zaman FFA-lar esterlərə çevrilir. Ultrasəslə emal hər iki reaksiyanı – transesterləşməni və esterləşməni – təşviq edir.
Esterləşmənin kimyəvi reaksiyası
Esterləşmə ester (RCOOR) və su əmələ gətirmək üçün üzvi turşunun (RCOOH) spirtlə (ROH) birləşməsi prosesidir.
Turş mühitdə esterləşmədə metanol istifadəsi
Xammaldakı FFA-ları azaltmaq üçün turşu ilə esterləşmədən istifadə edildikdə birbaşa enerji tələbatı nisbətən aşağı olur. Lakin esterləşmə reaksiyası zamanı su əmələ gəlir – nəticədə neytrallaşdırılmalı, qurudulmalı və bərpa edilməli olan su tərkibli, turş mühitli metanol yaranır. Bu metanolun bərpası prosesi bahadır.
İlkin xammallarda FFA-ların faiz miqdarı 20–40 % və ya daha yüksək olarsa, onu məqbul səviyyəyə endirmək üçün bir neçə mərhələ lazım ola bilər. Bu, daha çox turş mühitli, su tərkibli metanolun yaranması deməkdir. Turş mühitli metanol neytrallaşdırıldıqdan sonra qurutma əhəmiyyətli geri axın sürətləri ilə çoxmərhələli distillə tələb edir və bu, çox yüksək enerji istehlakına səbəb olur.
Biodizel istehsalı üçün hansı yağlardan istifadə olunur?
Biodizel istehsalı üçün istifadə olunan yağlara soya, raps (kanola), günəbaxan, palma yağı və istifadə olunmuş qəhvə çöküntüsündən alınan yağ kimi bitki yağları, eləcə də mal-qara piyi və donuz piyi kimi heyvan piyləri daxildir. İstifadə olunmuş yemək bişirmə yağı və istifadə olunmuş qəhvə çöküntüsündən ekstraksiya edilən yağlar daxil olmaqla işlənmiş yağlardan da geniş istifadə olunur. Əsasən triqliseridlərdən ibarət olan bu yağlar spirtlə transesterləşməyə məruz qalaraq biodizeli təşkil edən kimyəvi birləşmələri – yağ turşularının metil esterlərini (FAME) – əmələ gətirir. Ultrasəslə emal yüksək intensivlikli ultrasəs dalğalarının tətbiqi vasitəsilə transesterləşmə prosesini gücləndirərək işlənmiş yağların biodizelə çevrilməsini yaxşılaşdırır. Çox vaxt qarışıqlar və daha yüksək miqdarda sərbəst yağ turşuları ehtiva edən işlənmiş yağlarda ultrasəslə emal bu qarışıqların parçalanmasına kömək edir və reagentlərin qarışdırılmasını yaxşılaşdırır. Bu, hətta daha aşağı keyfiyyətli xammallarla belə daha yüksək reaksiya sürətlərinə, daha qısa reaksiya müddətlərinə və daha yüksək biodizel çıxımına səbəb olur. Ultrasəslə emal həmçinin katalizator istifadəsinin və enerji istehlakının azaldılmasına imkan verir və işlənmiş yağların biodizelə çevrilməsini daha səmərəli və xərc baxımından daha sərfəli edir.
Ultrasəslə emalın istifadə olunmuş qəhvə çöküntüsündən yağların ekstraksiyasını və bu yağların biodizelə transesterləşməsini necə intensivləşdirdiyi haqqında daha çox oxuyun!
Hielscher Ultrasonics yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs homogenizatorlarını laboratoriya ölçüsündən başlayaraq sənaye ölçüsünədək istehsal edir.