بیودیزل از طریق التراسونیک بهبود یافته (ترانس-) استریفیکاسیون
بیودیزل از طریق ترانس استریفیکاسیون با استفاده از یک کاتالیست پایه سنتز می شود. با این حال، اگر از مواد اولیه ای مانند سبزیجات زباله با درجه پایین با محتوای اسید چرب آزاد بالا استفاده شود، یک مرحله پیش تصفیه شیمیایی استریفیکاسیون با استفاده از اسید-کاتاتلیست مورد نیاز است. امواج فراصوت و اثرات سونوشیمیایی و سونومکانیکی آن به هر دو نوع واکنش کمک و افزایش بهره وری از تبدیل بیودیزل به طور چشمگیری. تولید بیودیزل التراسونیک به طور قابل توجهی سریعتر از سنتز بیودیزل معمولی است، منجر به عملکرد و کیفیت بیودیزل بالاتر می شود و باعث صرفه جویی در معرف هایی مانند متانول و کاتالیزور می شود.
تبدیل بیودیزل با استفاده از سونوگرافی قدرت
برای بیودیزل، استرهای اسید چرب با ترانس استریفیکاسیون روغن های گیاهی و همچنین چربی های حیوانی (به عنوان مثال، پیه) تولید می شوند. در طی واکنش ترانس استریفیکاسیون ، جز component گلیسرول با الکل دیگری مانند متانول جایگزین می شود. مواد اولیه با محتوای بالای اسیدهای چرب آزاد، به عنوان مثال روغن های گیاهی ضایعاتی (WVO)، برای جلوگیری از تشکیل صابون، نیاز به پیش تصفیه استریفیکاسیون اسیدی دارند. این فرآیند کاتالیز اسید یک واکنش بسیار آهسته است ، هنگامی که به عنوان روش دسته ای معمولی انجام می شود. راه حل برای تسریع فرآیند استریفیکاسیون آهسته، استفاده از سونوگرافی قدرت است. فراصوت به بهبود قابل توجهی در سرعت واکنش، تبدیل و عملکرد بیودیزل دست می یابد زیرا اثرات سونوشیمیایی سونوگرافی با قدرت بالا باعث تقویت و تشدید کاتالیز اسید می شود. حفره اولتراسونیک فراهم می کند نیروهای سونومکانیکی، به عنوان مثال مخلوط کردن برشی بالا، و همچنین انرژی سونوشیمیایی. این هر دو نوع از تاثیر مافوق صوت (سونومکانیکی و سونوشیمیایی) تبدیل استریفیکاسیون کاتالیز اسید به یک واکنش سریع نیاز به کاتالیزور کمتر.
اختلاط اولتراسونیک نرخ تبدیل بیودیزل را بهبود می بخشد، عملکرد را افزایش می دهد و باعث صرفه جویی در متانول و کاتالیزور اضافی می شود. تصویر نصب 3x را نشان می دهد UIP1000hdT (هر قدرت اولتراسوند 1 کیلووات) برای پردازش درون خطی.
تبدیل بیودیزل اولتراسونیک چگونه کار می کند؟
امواج فراصوت بین فازهای مختلف در ترانس استریفیکاسیون (که گاهی اوقات به نام الکلی نیز نامیده می شود) و استریفیکاسیون بر اساس افزایش اختلاط و همچنین افزایش انتقال حرارت و جرم. اختلاط اولتراسونیک بر اساس اصل کاویتاسیون صوتی است که در نتیجه انفجار حباب های خلاء در مایع رخ می دهد. کاویتاسیون صوتی با نیروهای برشی بالا و تلاطم ها و همچنین اختلاف فشار و دما بسیار بالا مشخص می شود. این نیروها واکنش شیمیایی ترانس استریفیکاسیون / استریفیکاسیون را تقویت می کنند و انتقال جرم و حرارت را تشدید می کنند و در نتیجه واکنش تبدیل بیودیزل را به میزان قابل توجهی بهبود می بخشند.
ترانس استریفیکاسیون تری گلیسیرید به بیودیزل (FAME) با استفاده از نتایج فراصوت در واکنش سریع و راندمان قابل توجهی بالاتر است.
استفاده از اولتراسونیک در طول تبدیل بیودیزل از نظر علمی و صنعتی ثابت شده است که کارایی فرآیند را بهبود می بخشد. بهبود کارایی فرآیند را می توان به کاهش مصرف انرژی و هزینه های عملیاتی و کاهش استفاده از الکل (یعنی متانول)، کاتالیزور کمتر و کاهش قابل توجه زمان واکنش نسبت داد. هزینه انرژی برای گرمایش حذف می شود زیرا نیازی به گرمایش خارجی نیست. علاوه بر این، جداسازی فاز بین بیودیزل و گلیسرول با زمان جداسازی فاز کوتاه تر ساده تر است. یک عامل مهم برای استفاده تجاری از سونوگرافی در تولید بیودیزل مقیاس ساده به هر حجم، عملکرد قابل اعتماد و ایمن و همچنین استحکام و قابلیت اطمینان تجهیزات اولتراسونیک (استاندارد صنعتی، قادر به اجرا مداوم 24/7/365 تحت بار کامل) است.
سیستم صنعتی اولتراسونیک با سلول جریان برای استریفیکاسیون بیودیزل درون خطی و ترانس استریفیکاسیون.
استریفیکاسیون اولتراسونیک و ترانس استریفیکاسیون را می توان به عنوان فرآیند درون خطی دسته ای یا مداوم اجرا کرد. نمودار نشان می دهد فرایند درون خطی مافوق صوت برای بیودیزل (FAME) transesterfication.
استریفیکاسیون اولتراسونیک و ترانس استریفیکاسیون را می توان به عنوان فرآیند درون خطی دسته ای یا مداوم اجرا کرد. این نمودار فرآیند دسته ای اولتراسونیک را برای تبدیل بیودیزل نشان می دهد.
تبدیل بیودیزل دو مرحله ای با کمک التراسونیک با استفاده از مراحل واکنش کاتالیز شده با اسید و باز
برای مواد اولیه با محتوای FFA بالا، تولید بیودیزل به صورت واکنش کاتالیز شده با اسید یا باز در یک فرآیند دو مرحله ای انجام می شود. سونوگرافی دو نوع واکنش را ایجاد می کند، استریفیکاسیون کاتالیز شده با اسید و همچنین ترانس استریفیکاسیون کاتالیز باز:
استریفیکاسیون کاتالیز شده با اسید با استفاده از سونوگرافی
برای درمان بیش از حد اسیدهای چرب آزاد در مواد اولیه، فرآیند استریفیکاسیون مورد نیاز است. اسید سولفوریک معمولا به عنوان کاتالیزور اسید استفاده می شود.
- مواد اولیه را با فیلتر کردن و پالایش از آلاینده ها و آب تهیه کنید.
- کاتالیزور یعنی اسید سولفوریک را در متانول حل کنید. جریان تغذیه کاتالیزور/متانول و مواد اولیه از طریق یک مبدل حرارتی و یک میکسر استاتیک برای به دست آوردن یک پیش مخلوط خام.
- پیش مخلوط کاتالیزور و مواد اولیه مستقیما به محفظه واکنش اولتراسونیک می رود، جایی که اختلاط فوق العاده خوب و سونوشیمی اثر می گذارد و اسیدهای چرب آزاد به بیودیزل تبدیل می شوند.
- در نهایت، محصول را آبگیری کرده و آن را به مرحله دوم - ترانس استریفیکاسیون اولتراسونیک - تغذیه کنید. متانول مرطوب اسیدی پس از بازیابی، خشک شدن و خنثی سازی آماده استفاده مجدد است.
- برای مواد اولیه حاوی FFA بسیار بالا، ممکن است یک تنظیم گردش مجدد برای کاهش FFA به سطح معقول قبل از مرحله ترانس استریفیکاسیون مورد نیاز باشد.
واکنش استریفیکاسیون با استفاده از کاتالیزور اسیدی:
FFA + الکل → استر + آب
ترانس استریفیکاسیون کاتالیز شده با استفاده از سونوگرافی
مواد اولیه که اکنون فقط مقادیر کمی FFA دارند، می توانند مستقیما به مرحله ترانس استریفیکاسیون تغذیه شوند. معمولا از هیدروکسید سدیم یا هیدروکسید پتاسیم (NaOH، KOH) به عنوان کاتالیزور پایه استفاده می شود.
- کاتالیزور، یعنی هیدروکسید پتاسیم، را در متانول حل کنید و جریان های کاتالیزور/متانول و مواد اولیه پیش تصفیه شده را از طریق یک میکسر استاتیک تغذیه کنید تا یک پیش مخلوط خام به دست آید.
- تغذیه قبل از مخلوط به طور مستقیم به محفظه واکنش اولتراسونیک برای مخلوط کردن حفره ای با برش بالا و درمان سونوشیمیایی. محصولات این واکنش استرهای آلکیل (یعنی بیودیزل) و گلیسیرین هستند. گلیسیرین را می توان با ته نشینی یا سانتریفیوژ جدا کرد.
- بیودیزل التراسونیک تولید شده با کیفیت بالا و تولید سریع، انرژی کارآمد و مقرون به صرفه با صرفه جویی در متانول و کاتالیزور.
واکنش ترانس استریفیکاسیون با استفاده از کاتالیزور پایه:
روغن / چربی + الکل → بیودیزل + گلیسرول
استفاده از متانول & بازیابی متانول
متانول یک جزء کلیدی در طول تولید بیودیزل است. تبدیل بیودیزل التراسونیک رانده اجازه می دهد تا برای استفاده قابل توجهی از متانول کاهش می یابد. اگر اکنون به این فکر می کنید که "من به استفاده از متانول اهمیتی نمی دهم، زیرا به هر حال آن را بازیابی می کنم"، ممکن است دوباره فکر کنید و هزینه انرژی گزاف را که برای مرحله تبخیر اعمال می شود (به عنوان مثال با استفاده از ستون تقطیر)، که برای جداسازی و بازیافت متانول ضروری است، در نظر بگیرید.
متانول معمولا پس از جدا شدن بیودیزل و گلیسیرین به دو لایه حذف می شود و از معکوس شدن واکنش جلوگیری می کند. سپس متانول تمیز شده و به ابتدای فرآیند بازیافت می شود. تولید بیودیزل از طریق استریفیکاسیون و ترانس استریفیکاسیون التراسونیک رانده شده، شما قادر به کاهش استفاده از متانول خود را به طور چشمگیری می بینید، در نتیجه کاهش مصرف انرژی گزاف بالا برای بازیابی متانول. استفاده از راکتورهای مافوق صوت Hielscher مقدار مورد نیاز متانول اضافی را تا 50٪ کاهش می دهد. نسبت مولی بین 1: 4 یا 1: 4.5 (روغن : متانول) برای اکثر مواد اولیه کافی است، در هنگام استفاده از مخلوط کردن اولتراسونیک Hielscher.
استریفیکاسیون اولتراسونیک یک مرحله پیش تصفیه است که مواد اولیه درجه پایین را در FFA ها به استرها کاهش می دهد. در مرحله دوم ترانس استریفیکاسیون اولتراسونیک، تری گلیسیرید به بیودیزل (FAME) تبدیل می شود.
اولتراسونیک افزایش بهره وری تبدیل بیودیزل – از نظر علمی اثبات شده است
گروه های محقق متعددی مکانیسم و اثرات ترانس استریفیکاسیون اولتراسونیک بیودیزل را بررسی کرده اند. به عنوان مثال، تیم تحقیقاتی Sebayan Darwin نشان داد که حفره اولتراسونیک فعالیت شیمیایی و سرعت واکنش را افزایش می دهد و در نتیجه تشکیل استر به طور قابل توجهی افزایش می یابد. تکنیک اولتراسونیک زمان واکنش ترانس استریفیکاسیون را به 5 دقیقه کاهش داد – در مقایسه با 2 ساعت برای پردازش همزن مکانیکی. تبدیل تری گلیسیرید (TG) به FAME تحت سونوگرافی 95.6929٪ وزنی با نسبت مولی متانول به روغن 6:1 و 1٪ وزنی هیدروکسید سدیم به عنوان کاتالیزور به دست آمد. (رجوع کنید به داروین و همکاران 2010)
اندازه متوسط و مقیاس بزرگ Ultrasonicators برای پردازش بیودیزل
شرکت Hielscher Ultrasonics
’ پردازنده های اولتراسونیک صنعتی کوچک تا متوسط و همچنین در مقیاس بزرگ برای تولید کارآمد بیودیزل در هر حجمی را تامین می کند. ارائه سیستم اولتراسونیک در هر مقیاس، Hielscher می تواند راه حل ایده آل برای هر دو تولید کنندگان کوچک و شرکت های بزرگ ارائه. تبدیل بیودیزل اولتراسونیک را می توان به صورت دسته ای یا به عنوان فرآیند درون خطی مداوم عمل کرد. نصب و راه اندازی ساده، ایمن است و خروجی های قابل اعتماد بالایی از کیفیت بیودیزل برتر را ارائه می دهد.
در زیر تنظیمات راکتور توصیه شده برای طیف وسیعی از نرخ های تولید را مشاهده خواهید کرد.
|
تن در ساعت
|
گال/ساعت
|
|
|---|---|---|
| 1 برابر UIP500hdT |
0.25 تا 0.5
|
80 تا 160
|
| 1 برابر UIP1000hdT |
0.5 تا 1.0
|
160 تا 320
|
| 1 برابر UIP1500hdT |
0.75 تا 1.5
|
240 تا 480
|
| 2 برابر UIP1000hdT |
1.0 تا 2.0
|
320 تا 640
|
| 2 برابر UIP1500hdT |
1.5 تا 3.0
|
480 تا 960
|
| 4 برابر UIP1500hdT |
3.0 تا 6.0
|
960 تا 1920
|
| 6 برابر UIP1500hdT |
4.5 تا 9.0
|
1440 تا 2880
|
تماس با ما! / از ما بپرسید!
Hielscher مافوق صوت تولید کننده هموژنایزرهای مافوق صوت با کارایی بالا برای مخلوط کردن برنامه های کاربردی، پراکندگی، امولسیون و استخراج در آزمایشگاه، خلبان و مقیاس صنعتی.
ادبیات / منابع
- 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.
حقایقی که ارزش دانستن دارند
تولید بیودیزل
بیودیزل زمانی تولید می شود که trigycerides از طریق یک واکنش شیمیایی به نام ترانس استریفیکاسیون به متیل استر چرب آزاد (FAME) تبدیل می شوند. در طول واکنش ترانس استریفیکاسیون، تری گیلسیرید موجود در روغن های گیاهی یا چربی های حیوانی در حضور یک کاتالیزور (به عنوان مثال، هیدروکسید پتاسیم یا هیدروکسید سدیم) با یک الکل اولیه (به عنوان مثال، متانول) واکنش نشان می دهند. در این واکنش ، استرهای آلکیل از ماده اولیه روغن نباتی یا چربی حیوانی تشکیل می شوند. تری گلیسیرید گلیسیرید است که در آن گلیسرول با اسیدهای زنجیره بلند ، معروف به اسیدهای چرب ، استرفید می شود. این اسیدهای چرب به وفور در روغن نباتی و چربی های حیوانی وجود دارد. از آنجایی که بیودیزل را می توان از مواد اولیه مختلف مانند روغن های گیاهی بکر، روغن های گیاهی ضایعات، روغن های سرخ کردنی مستعمل، چربی های حیوانی مانند پیه و گوشت خوک تولید کرد، مقدار اسیدهای چرب آزاد (FFAs) می تواند به شدت متفاوت باشد. درصد اسیدهای چرب آزاد تری گلیسیرید عامل مهمی است که بر روند تولید بیودیزل و کیفیت بیودیزل حاصل به شدت تأثیر می گذارد. مقدار زیادی اسیدهای چرب آزاد می تواند در فرآیند تبدیل اختلال ایجاد کند و کیفیت نهایی بیودیزل را بدتر کند. مشکل اصلی این است که اسیدهای چرب آزاد (FFAs) با کاتالیزورهای قلیایی واکنش می دهند و در نتیجه صابون تشکیل می شوند. تشکیل صابون متعاقبا باعث مشکلات جداسازی گلیسرول می شود. بنابراین، مواد اولیه حاوی مقادیر زیادی FFA عمدتا به پیش تصفیه (به اصطلاح واکنش استریفیکاسیون) نیاز دارند که طی آن FFA ها به استرها تبدیل می شوند. امواج فراصوت ترویج هر دو واکنش, ترانس استریفیکاسیون و استریفیکاسیون.
واکنش شیمیایی استریفیکاسیون
استریفیکاسیون فرآیند ترکیب یک اسید آلی (RCOOH) با الکل (ROH) برای تشکیل استر (RCOOR) و آب است.
استفاده از متانول در استریفیکاسیون اسیدی
هنگامی که از استریفیکاسیون اسیدی برای کاهش FFA در مواد اولیه استفاده می شود، انرژی مورد نیاز فوری نسبتا کم است. با این حال ، آب در طی واکنش استریفیکاسیون ایجاد می شود – ایجاد متانول مرطوب و اسیدی که باید خنثی ، خشک و بازیابی شود. این فرآیند بازیابی متانول گران است.
اگر مواد اولیه 20 تا 40 درصد یا حتی درصد بالاتر از FFA داشته باشند، ممکن است چندین مرحله برای کاهش آنها به سطوح قابل قبول ضروری باشد. این بدان معناست که حتی متانول اسیدی تر و مرطوب تر ایجاد می شود. پس از خنثی سازی متانول اسیدی، خشک کردن نیاز به تقطیر چند مرحله ای با نرخ رفلاکس قابل توجه دارد که در نتیجه مصرف انرژی بسیار بالایی دارد.
چه روغن هایی برای تولید بیودیزل استفاده می شود؟
روغن های مورد استفاده برای تولید بیودیزل شامل روغن های گیاهی مانند سویا، کلزا (کانولا)، آفتابگردان، روغن نخل و روغن حاصل از تفاله قهوه مصرف شده و همچنین چربی های حیوانی مانند پیه و گوشت خوک است. روغن های زائد، از جمله روغن پخت و پز استفاده شده و روغن های استخراج شده از تفاله قهوه مصرف شده نیز معمولا مورد استفاده قرار می گیرند. این روغنها که عمدتا از تری گلیسیرید تشکیل شده اند، تحت ترانس استریفیکاسیون با الکل قرار می گیرند تا متیل استرهای اسید چرب (FAME)، ترکیبات شیمیایی تشکیل دهنده بیودیزل، تولید شوند. فراصوت تبدیل بیودیزل روغن های زائد را با افزایش فرآیند ترانس استریفیکاسیون از طریق استفاده از امواج اولتراسوند با شدت بالا بهبود می بخشد. در روغن های زائد ، که اغلب دارای ناخالصی ها و محتوای اسیدهای چرب آزاد بالاتر هستند ، فراصوت به شکستن این ناخالصی ها کمک می کند و مخلوط کردن واکنش دهنده ها را بهبود می بخشد. این منجر به سرعت واکنش سریع تر، کاهش زمان واکنش و بازده بیودیزل بالاتر، حتی با مواد اولیه با کیفیت پایین تر می شود. فراصوت همچنین امکان کاهش استفاده از کاتالیزور و مصرف انرژی کمتر را فراهم می کند و تبدیل روغن های زباله به بیودیزل کارآمدتر و مقرون به صرفه تر می شود.
بیشتر بخوانید که چگونه فراصوت تشدید استخراج روغن از تفاه قهوه مصرف شده و ترانس استریفیکاسیون این روغن ها به بیودیزل!
Hielscher مافوق صوت تولید کننده هموژنایزرهای مافوق صوت با کارایی بالا از ازمایشگاه ها تا اندازه صنعتی.