Биодизел чрез ултразвуково подобрена (Транс-)Естерификация

Биодизелът се синтезира чрез трансестерификация с помощта на основен катализатор. Ако обаче се използва суровината като нискокачествени отпадни зеленчуци с високо съдържание на свободни мастни киселини, се изисква химична стъпка на естерификация с помощта на кисела катализатор. Ultrasonication и неговите сонохимични и sonomechanical ефекти допринасят за двата вида реакции и увеличават ефективността на биодизел преобразуване драстично. Ултразвуковото производство на биодизел е значително по-бързо от конвенционалния синтез на биодизел, води до по-висок добив и качество на биодизела и спестява реагенти като метанол и катализатор.

Превръщане на биодизел с помощта на ултразвук

За биодизел естерите на мастните киселини се произвеждат чрез трансестерификация на растителни масла, както и на животински мазнини (например лой). По време на трансестерификацията, глицеролният компонент се заменя с друг алкохол, като метанол. Суровините с високо съдържание на свободни мастни киселини, например отпадни растителни масла (WVO), изискват предварително третиране на киселинно естерификация, за да се избегне образуването на сапун. Този процес на катализиране киселина е много бавен реакция, когато се извършва като конвенционален batch метод. Решението за ускоряване на процеса на бавна естерификация е прилагането на ултразвук. Sonication постига значително подобрение на скоростта на реакцията, превръщането и добива на биодизел, тъй като сонохимичните ефекти на ултразвук с висока мощност насърчават и засилват киселинната катализа. Ултразвукова кавитация осигурява sonomechanical сили, т.е. смесване с високо срязване, както и сонохимична енергия. Тези два вида ултразвуково въздействие (сономически и сонохимични) превръщат киселинно-катализираната естерификация в бърза реакция, изискваща по-малко катализатор.

Трансестерификация на триглицериди в биодизел (МЕТИЛ) с помощта на ултразвук резултати в ускорена реакция и значително по-висока ефективност.

Как работи ултразвуков биодизел?

Ultrasonication между различните фази в трансестерификацията (понякога наричана алкохолизация ) и естерификацията се основава на подобряването на смесването, както и на повишена топлина и масов трансфер. Ултразвуковото смесване се основава на принципа на акустична кавитация, която се получава в резултат на имплодиране на вакуумни мехурчета в течността. Акустичната кавитация се характеризира с високи сили и турбуленции, както и с много високи налягане и температурни диференциали. Тези сили насърчават химическата реакция на трансестерификация / естерификация и засилват преноса на маса и топлина, като по този начин подобряват значително реакцията на преобразуването на биодизела.
Прилагането на ултразвук по време на преобразуването на биодизел е научно и промишлено доказано, че подобрява ефективността на процеса. Подобряването на ефективността на процеса може да се дължи на намалената консумация на енергия и оперативните разходи и намалената употреба на алкохол (т.е. метанол), по-малко катализатор и значително съкращаване на времето за реакция. Разходите за отопление се елиминират, тъй като няма изискване за външно отопление. Освен това разделянето на фазите между биодизела и глицерола е по-лесно с по-кратко време на разделяне на фазите. Важен фактор за търговската употреба на ултразвук в производството на биодизел е простата скала до всеки обем, надеждната и безопасна работа, както и надеждността и стабилността на ултразвуковото оборудване (индустриален стандарт, способен да работи непрекъснато 24 / 7 / 365 при пълен товар).

Ултразвукова индустриална система с поточна клетка за вградена биодизелна естерификация и трансестерификация.

Ултразвуково подпомагани двустепенни биодизел конверсия прилагане на киселинно- и базови катализирани стъпки на реакцията

За суровини с високо FFA съдържание, производството на биодизел се извършва като киселина или базов катализирана реакция в двустепенен процес. Ултразвукът допринася два вида реакции, киселинно-катализираната естерификация, както и основното катализирано трансестерифициране:

Киселинно катализирана естерификация с помощта на ултразвук

За лечение на излишък на свободни мастни киселини в изходната суровина е необходим процесът на естерификация. Сярна киселина обикновено се използва като киселинен катализатор.

• Приготвя се суровината чрез филтриране и рафиниране от замърсители и вода.
• Катализаторът, а именно сярна киселина, се разтваря в метанол. Поток на подаване на катализатор/метанол и на изходната суровина през топлообменник и статичен смесител за получаване на суров предварително микс.
• Предварителното смесване на катализатора и изходната суровина преминава директно в ултразвуковата реакционна камера, където се влиза в сила ултрафинното смесване и сонохимията и свободните мастни киселини се превръщат в биодизел.
• Накрая, обезводняване на продукта и го захранва два втория етап – ултразвукова трансестерификация. Киселинният влажен метанол след възстановяване, изсушаване и неутрализация, готов за повторна употреба.
• За много високи FFA, съдържащи суровини, може би трябва да се направи рециркулация, за да се намали FFA на разумно ниво преди стъпката на трансестерификация.

Естерификация Реакция с помощта на киселинен катализатор:
FFA + алкохол → Естер + Вода

Основа катализирана трансестерификация с помощта на ултразвук

Изходната суровина, която вече има само малки количества FFAs, може директно да бъде теглина на етапа на трансестерификация. Най-често натриев хидроксид или калиев хидроксид (NaOH, KOH) се използва като основен катализатор.

• Катализаторът, а именно калиев хидроксид, се разтваря в метанол и се нахрани струята на катализатор/ метанол и предварителнотрергираната суровина, за да се получи суров премикс.
• Нахранете предварително сместа директно в ултразвуковата реакционна камера за кавитационно смесване с високо срязване и сонохимично лечение. Продуктите от тази реакция са алкилови естери (т.е. биодизел) и глицерин. Глицеринът може да се отдели чрез утаяване или центрофугиране.
• Ултразвуково произведеният биодизел е с високо качество и се произвежда бързо, енергийно ефективно и икономично, като спестяваме метанол и катализатор.

Трансестерификация Реакция с използване на базов катализатор:
Масло / Мазнини + Алкохол → Биодизел + Глицерол

Използване на метанол & Възстановяване на метанол

Метанолът е ключов компонент по време на производството на биодизел. Преобразуването на биодизела с ултразвук позволява значително намаляване на употребата на метанол. Ако сега си мислиш" не ми пука за употребата ми на метанол, тъй като го възстановявам", може да помислите отново и да обмислите прекомерната висока енергийна цена, която се прилага за изпаренията (напр. с помощта на дестилационна колона), която е необходима за отделяне и рециклиране на метанола.
Метанолът обикновено се отстранява след разделянето на биодизела и глицерина на два слоя, предотвратявайки реакционното обръщане. След това метанолът се почиства и рециклира обратно в началото на процеса. Произвеждайки биодизел чрез ултразвуково задвижване естерификация и трансестерификация, вие сте в състояние да намалите драстично използването на метанол, като по този начин намалявате прекомерния висок разход на енергия за възстановяване на метанола. Използването на ултразвукови реактори Hielscher намалява необходимото количество свръхметанол с до 50%. Моларното съотношение между 1: 4 или 1: 4.5 (масло: метанол) е достатъчно за повечето суровини, когато се използва Hielscher ултразвуково смесване.

Ултразвукова повишена ефективност на биодизела – Научно доказан

Многобройни изследователи група са проучили механизма и ефектите на ултразвукова трансестерификация на биодизел. Например, изследователски екип на Sebayan Darwin показа, че ултразвукова кавитация увеличава химическата активност и скоростта на реакция, което води до значително увеличаване на образуването на естер. Ултразвуковата техника намалява времето за реакция на трансестерификация до 5 минути – в сравнение с 2 часа при механична обработка на бъркалката. Превръщането на триглицерид (TG) в МЕТИЛИ под ултразвук се получава 95.6929% wt с метанол към маслено моларно съотношение 6: 1 и 1% тт натриев хидроксид като катализатор. (срв. Дарвин и др. 2010 г.)

Средни и големи ultrasonicators за обработка на биодизел

Hielscher Ultrasonics’ доставя малки до средни, както и големи промишлени ултразвукови процесори за ефективно производство на биодизел по всеки обем. Предлагайки ултразвукова система във всеки мащаб, Hielscher може да предложи идеалното решение за малки производители и големи компании. Преобразуването на ултразвуков биодизел може да се управлява като партида или като непрекъснат инлайн процес. Инсталацията и експлоатацията са прости, безопасни и дават надеждно високи изходи с високо качество на биодизела.
По-долу ще намерите препоръчителни настройки на реакторите за редица производствени нива.