Биодизел чрез ултразвуково подобрена (транс-)естерификация

Биодизелът се синтезира чрез трансестерификация с помощта на основен катализатор. Ако обаче се използва суровина като нискокачествен отпадъчен зеленчук с високо съдържание на свободни мастни киселини, е необходим етап на химическа предварителна обработка на естерификация с помощта на киселинен кататлист. Ултразвукът и неговите сонохимични и сономеханични ефекти допринасят за двата вида реакции и драстично повишават ефективността на преобразуването на биодизела. Производството на ултразвуков 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.

Преобразуване на биодизел с помощта на мощен ултразвук

За биодизела естерите на мастните киселини се произвеждат чрез трансестерификация на растителни масла, както и на животински мазнини (напр. лой). По време на реакцията на трансестерификация глицериновият компонент се заменя с друг алкохол, като метанол. Суровините с високо съдържание на свободни мастни киселини, например отпадъчни растителни масла (WVO), изискват предварителна обработка на киселинната естерификация, за да се избегне образуването на сапун. Този процес на киселинна катализа е много бавна реакция, когато се извършва като конвенционален партиден метод. Решението за ускоряване на бавния процес на естерификация е прилагането на мощен ултразвук. Соникацията постига значително подобрение в скоростта на реакцията, преобразуването и добива на биодизел, тъй като сонохимичните ефекти на ултразвука с висока мощност насърчават и засилват киселинната катализа. Ултразвуковата кавитация осигурява сономеханични сили, т.е. смесване с високо срязване, както и сонохимична енергия. И двата вида ултразвуково въздействие (сономеханично и сонохимично) превръщат катализираната от киселина естерификация в бърза реакция, изискваща по-малко катализатор.

Как работи ултразвуковото преобразуване на биодизел?

Ултразвукът между различните фази на трансестерификацията (понякога наричана алкохолизация) и естерификацията се основава на подобряването на смесването, както и на повишен пренос на топлина и маса. Ултразвуковото смесване се основава на принципа на акустична кавитация, която възниква в резултат на имплодиране на вакуумни мехурчета в течността. Акустичната кавитация се характеризира с високи сили на срязване и турбуленции, както и с много високи разлики в налягането и температурата. Тези сили насърчават химическата реакция на трансестерификация / естерификация и засилват преноса на маса и топлина, като по този начин значително подобряват реакцията на преобразуване на биодизела.

Трансестерификацията на триглицеридите в биодизел (FAME) с помощта на ултразвук води до ускорена реакция и значително по-висока ефективност.

Научно и промишлено е доказано, че прилагането на ултразвук по време на преобразуване на биодизел подобрява ефективността на процеса. Подобряването на ефективността на процеса може да се дължи на намалената консумация на енергия и експлоатационните разходи, както и на намалената употреба на алкохол (т.е. метанол), по-малко катализатор и значително съкратено време за реакция. Разходите за енергия за отопление са елиминирани, тъй като няма изискване за външно отопление. Освен това разделянето на фазите между биодизел и глицерол е по-лесно с по-кратко време за разделяне на фазите. Важен фактор за търговската употреба на ултразвук в производството на биодизел е простото мащабиране до всякакъв обем, надеждната и безопасна работа, както и здравината и надеждността на ултразвуковото оборудване (индустриален стандарт, способен да работи непрекъснато 24/7/365 при пълно натоварване).

Ултразвукова промишлена система с проточна клетка за вградена естерификация и трансестерификация на биодизел.

Ултразвуково подпомагано двустепенно преобразуване на биодизел с прилагане на киселинно-катализирани и базови реакционни стъпки

За суровини с високо съдържание на FFA производството на биодизел се извършва като реакция, катализирана с киселина или основа, в двуетапен процес. Ултразвукът допринася за два вида реакции, катализирана от киселина естерификация, както и трансестерификация, катализирана от основата:

Киселинно-катализирана естерификация с помощта на ултразвук

За лечение на излишък от свободни мастни киселини в суровината е необходим процесът на естерификация. Сярната киселина обикновено се използва като киселинен катализатор.

• Пригответе суровината чрез филтриране и рафиниране от замърсители и вода.
• Разтворете катализатора, а именно сярна киселина, в метанол. Захранващ поток от катализатор/метанол и суровината през топлообменник и статичен смесител, за да се получи сурова предварителна смес.
• Предварителната смес от катализатор и суровина отива директно в ултразвуковата реакционна камера, където влизат в сила ултрафиното смесване и сонохимията и свободните мастни киселини се превръщат в биодизел.
• Накрая обезводнете продукта и го подайте на втория етап – ултразвуковата трансестерификация. Киселинният мокър метанол е готов за повторна употреба след възстановяване, изсушаване и неутрализиране.
• За суровини с много високо съдържание на FFA може да се наложи настройка за рециркулация, за да се понижи FFA до разумно ниво преди етапа на трансестерификация.

Реакция на естерификация с помощта на киселинен катализатор:
FFA + Естер за алкохол → + вода

Катализирана от основа трансестерификация с помощта на ултразвук

Суровината, която сега има само малки количества FFA, може да се подава директно към етапа на трансестерификация. Най-често като основен катализатор се използва натриев хидроксид или калиев хидроксид (NaOH, KOH).

• Катализаторът, а именно калиев хидроксид, се разтваря в метанол и се подават потоците катализатор/метанол и предварително обработена суровина през статичен миксер, за да се получи сурова предварителна смес.
• Подайте предварителната смес директно в ултразвуковата реакционна камера за кавитационно смесване с високо срязване и сонохимична обработка. Продуктите от тази реакция са алкилови естери (т.е. биодизел) и глицерин. Глицеринът може да се отдели чрез утаяване или чрез центрофугиране.
• Ултразвуково произведеният биодизел е с високо качество и се произвежда бързо, енергийно ефективно и рентабилно, като спестява метанол и катализатор.

Реакция на трансестерификация с помощта на основен катализатор:
Олио / Мазнини + Алкохол → Биодизел + Глицерол

Употреба на метанол & Възстановяване на метанол

Метанолът е ключов компонент при производството на биодизел. Ултразвуковото преобразуване на биодизел позволява значително намалено използване на метанол. Ако сега си мислите "Не ме интересува употребата на метанол, тъй като така или иначе го възстановявам", може да преосмислите и да помислите за прекомерно високите разходи за енергия, които се прилагат за етапа на изпаряване (напр. използване на дестилационна колона), която е необходима за отделяне и рециклиране на метанола.
Метанолът обикновено се отстранява, след като биодизелът и глицеринът са разделени на два слоя, предотвратявайки обръщането на реакцията. След това метанолът се почиства и рециклира обратно в началото на процеса. Произвеждайки биодизел чрез ултразвукова естерификация и трансестерификация, вие можете да намалите драстично употребата на метанол, като по този начин намалите прекомерно високите разходи за енергия за оползотворяване на метанол. Използването на ултразвукови реактори на Hielscher намалява необходимото количество излишък на метанол с до 50%. Моларно съотношение между 1:4 или 1:4,5 (масло: метанол) е достатъчно за повечето суровини, когато се използва ултразвуково смесване по Hielscher.

Ултразвукова повишена ефективност на преобразуване на биодизел – научно доказано

Многобройни изследователски групи са изследвали механизма и ефектите от ултразвуковата трансестерификация на биодизела. Например, изследователският екип на Sebayan Darwin демонстрира, че ултразвуковата кавитация увеличава химическата активност и скоростта на реакцията, което води до значително повишено образуване на естери. Ултразвуковата техника намали времето за реакция на трансестерификация до 5 минути – в сравнение с 2 часа за механична обработка при разбъркване. Превръщането на триглицерид (TG) в FAME при ултразвук получава 95,6929% wt с моларно съотношение метанол към масло 6:1 и 1% wt натриев хидроксид като катализатор. (срв. Darwin et al. 2010)

Средни и мащабни ултразвукови уреди за преработка на биодизел

Hielscher Ultrasonics’ доставя малки до средни, както и големи промишлени ултразвукови процесори за ефективно производство на биодизел във всякакъв обем. Предлагайки ултразвукова система във всякакъв мащаб, Hielscher може да предложи идеалното решение както за малки производители, така и за големи компании. Ултразвуковото преобразуване на биодизел може да се работи като партиден или като непрекъснат поточни процес. Монтажът и експлоатацията са прости, безопасни и осигуряват надеждно високи мощности с превъзходно качество на биодизела.
По-долу ще намерите препоръчителни настройки на реактора за различни производствени норми.