Բիոդիզելը `ուլտրաձայնային բարելավված (տրանս-) էստերացման միջոցով
Բիոդիզելը սինթեզվում է տրանսեստերիֆիկացման միջոցով `հիմք-կատալիզատորի միջոցով: Այնուամենայնիվ, եթե օգտագործվում է հումք, ինչպիսին է ցածրորակ թափոնների բանջարեղենը `բարձր ազատ ճարպաթթու պարունակությամբ, պահանջվում է թթու-կատաթլիստի օգտագործմամբ էսթերացման նախաքիմիական քիմիական փուլ: Ուլտրաձայնացումը և դրա սոնաքիմիական և սոմեխանիկական էֆեկտները նպաստում են ինչպես ռեակցիայի տեսակներին, այնպես էլ կտրուկ բարձրացնում են բիոդիզելի փոխարկման արդյունավետությունը: Ուլտրաձայնային բիոդիզելի արտադրությունը զգալիորեն ավելի արագ է, քան սովորական բիոդիզելի սինթեզը, ինչը հանգեցնում է բիոդիզելի ավելի բարձր բերքատվության և որակի և խնայում է ռեագենտներ, ինչպիսիք են մեթանոլը և կատալիզատորը:
Բիոդիզելի փոխարկում `օգտագործելով ուժային ուլտրաձայնային
Բիոդիզելի համար ճարպաթթուների էսթերները արտադրվում են բուսական յուղերի, ինչպես նաև կենդանական ճարպերի (օրինակ ՝ ծանծաղուտ) փոխներարկումով: Տրանսերսերացման ռեակցիայի ընթացքում գլիցերինի բաղադրիչը փոխարինվում է մեկ այլ ալկոհոլով, ինչպիսին է մեթանոլը: Ազատ ճարպաթթուների բարձր պարունակությամբ թարմացվող պաշարները, օրինակ `թափոնների բուսական յուղերը (WVO), պահանջում են թթվային էսթերացման նախնական բուժում` օճառի ձևավորումից խուսափելու համար: Այս թթվի կատալիզացման գործընթացը շատ դանդաղ արձագանք է, երբ այն իրականացվում է որպես սովորական խմբաքանակի մեթոդ: Դանդաղ էսթերացման գործընթացը արագացնելու լուծումը ուժային ուլտրաձայնի կիրառումն է: Sonication- ը հասնում է ռեակցիայի արագության, փոխակերպման և բիոդիզելի բերքի զգալի բարելավմանը, քանի որ բարձր էներգիայի ուլտրաձայնի սոնաքիմիական ազդեցությունը նպաստում և ուժեղացնում է թթվային կատալիզը: Ուլտրաձայնային խոռոչը ապահովում է սոնոմեխանիկական ուժեր, այսինքն `բարձր կտրվածքի խառնուրդ, ինչպես նաև սոնաքիմիական էներգիա: Ուլտրաձայնային ազդեցության այս երկու տեսակներն էլ (սոնոմեխանիկական և սոնաքիմիական) թթու-կատալիզացված էսթերիֆիկացիան վերածում են արագ ռեակցիայի ՝ ավելի քիչ կատալիզատոր պահանջող:
Ուլտրաձայնային խառնուրդը բարելավում է բիոդիզելի փոխարկման մակարդակը, մեծացնում է բերքը և խնայում ավելցուկային մեթանոլն ու կատալիզատորը: Նկարը ցույց է տալիս 3x- ի տեղադրումը UIP1000hdT (յուրաքանչյուր 1 կՎտ ուլտրաձայնային հզորություն) `ցանցային մշակման համար:
Ինչպե՞ս է գործում ուլտրաձայնային բիոդիզելի փոխարկումը:
Ուլտրաձայնացումը տրանսեստերիֆիկացման տարբեր փուլերի (որը երբեմն անվանում են ալկոհոլիզի) և էսթերացման մեջ հիմնված է խառնուրդի ուժեղացման, ինչպես նաև ջերմության և զանգվածի ավելացված փոխանցման վրա: Ուլտրաձայնային խառնուրդը հիմնված է ակուստիկ խոռոչի սկզբունքի վրա, որը տեղի է ունենում հեղուկում վակուումային փուչիկների կուտակման արդյունքում: Ակուստիկ խոռոչը բնութագրվում է բարձր կտրող ուժերով և տուրբուլենտություններով, ինչպես նաև շատ բարձր ճնշման և ջերմաստիճանի դիֆերենցիալներով: Այս ուժերը նպաստում են փոխներկայացման / էսթերացման քիմիական արձագանքմանը և ուժեղացնում են զանգվածի և ջերմության փոխանցումը, դրանով իսկ էապես բարելավելով բիոդիզելի փոխարկման արձագանքը:
Տրիկլիցերիդների տրանսստերիֆիկացումը բիոդիզելի (FAME) մեջ, օգտագործելով ձայնազերծում, հանգեցնում է արագացված արձագանքի և զգալիորեն ավելի բարձր արդյունավետության:
Բիոդիզելի փոխարկման ժամանակ ուլտրաձայնային կիրառումը գիտականորեն և արդյունաբերականորեն ապացուցված է, որ բարելավում է գործընթացի արդյունավետությունը: Գործընթացների արդյունավետության բարելավումը կարող է վերագրվել էներգիայի սպառման և գործառնական ծախսերի նվազեցմանը, ինչպես նաև ալկոհոլի (այսինքն ՝ մեթանոլի), ավելի քիչ կատալիզատորի և ռեակցիայի ժամանակի զգալիորեն կրճատմանը: Heatingեռուցման էներգիայի գինը վերացվում է, քանի որ արտաքին ջեռուցման պահանջ չկա: Բացի այդ, բիոդիզելի և գլիցերինի միջև փուլային տարանջատումն ավելի պարզ է `ավելի կարճ փուլային տարանջատման ժամանակով: Բիոդիզելի արտադրության մեջ ուլտրաձայնի առևտրային օգտագործման համար կարևոր գործոն է ցանկացած մասշտաբի պարզ սանդղակը, հուսալի և անվտանգ աշխատանքը, ինչպես նաև ուլտրաձայնային սարքավորումների կայունությունն ու հուսալիությունը (արդյունաբերական ստանդարտ, անընդհատ աշխատող 24/7 365 լրիվ բեռի տակ):
Ուլտրաձայնային արդյունաբերական համակարգ `հոսքային բջիջով, բիոդիզելի անալիզացված էսթերֆիկացման և տրանսսերվացման համար:
Ուլտրաձայնային էսթերիֆիկացումը և տրանսերսերիֆիկացումը կարող են իրականացվել որպես խմբաքանակ կամ շարունակական inline գործընթաց: Գծապատկերը ցույց է տալիս բիոդիզելի (FAME) տրանսէստերֆեկցիայի ուլտրաձայնային ներքին գործընթացը:
Ուլտրաձայնային էսթերիֆիկացումը և տրանսերսերիֆիկացումը կարող են իրականացվել որպես խմբաքանակ կամ շարունակական inline գործընթաց: Այս աղյուսակը ցույց է տալիս բիոդիզելի փոխարկման ուլտրաձայնային խմբաքանակի գործընթացը:
Ուլտրաձայնային օժանդակությամբ բիոդիզելի երկքայլ փոխակերպում `կիրառելով թթու և հիմք կատալիզացված ռեակցիայի քայլեր
FFA- ի բարձր պարունակությամբ առաջնային պաշարների համար բիոդիզելի արտադրությունն իրականացվում է որպես թթու կամ բազային կատալիզացված ռեակցիա `երկու փուլով: Ուլտրաձայնային հետազոտությունը նպաստում է և՛ երկու տիպի ռեակցիաների ՝ թթվային կատալիզացված էսթերիֆիկացման, և՛ բազային կատալիզացված տրանսստերացման:
Թթվային կատալիզացված էսթերացում `ուլտրաձայնային հետազոտության միջոցով
Անասնաբուծության մեջ ազատ ճարպաթթուների ավելցուկը բուժելու համար անհրաժեշտ է էսթերացման գործընթաց: Acidծմբական թթուն սովորաբար օգտագործվում է որպես թթու կատալիզատոր:
- Պատրաստեք նախնական նյութեր ՝ զտելով և մաքրելով աղտոտիչներից և ջրից:
- Մետանոլի մեջ լուծարեք կատալիզատորը, այն է `ծծմբական թթուն: Կատալիզատորի / մեթանոլի և հումքի հոսքը ջերմափոխանակիչի և ստատիկ խառնիչի միջոցով ստանալով հում նախախառնուրդ:
- Կատալիզատորի և հումքի նախախառնուրդը անցնում է ուղղակիորեն դեպի ուլտրաձայնային ռեակցիայի պալատ, որտեղ ուժի մեջ են մտնում ծայրահեղ մանր խառնուրդը և սոնաքիմիան, և ազատ ճարպաթթուները վերածվում են բիոդիզելի:
- Ի վերջո, ջրազրկեք արտադրանքը և այն տեղափոխեք երկրորդ փուլ՝ ուլտրաձայնային տրանսեսթերֆիկացիա: Թթվային թաց մեթանոլը վերականգնումից, չորացումից և չեզոքացումից հետո պատրաստ է նորից օգտագործման:
- Հաշվապահական ֆոնդեր պարունակող շատ բարձր ՀՖՖ-ի համար գուցե պահանջվի վերամեկուսացման կարգավորում `ՀՖՖ-ն մինչ տրանսերսերացման աստիճանը իջեցնելու համար ողջամիտ մակարդակի:
Ստերիֆիկացման արձագանքը `օգտագործելով թթվային կատալիզատոր.
ՀՖՖ + Ալկոհոլ → Էսթեր + ջուր
Բազային կատալիզացված տրանսերսերիֆիկացում ՝ ուլտրաձայնի միջոցով
Անասնաբուծությունը, որն այժմ ունի միայն փոքր քանակությամբ ՀՖՖ, կարող է ուղղակիորեն տեղափոխվել տրանսսերվացման փուլ: Որպես հիմքային կատալիզատոր, առավել հաճախ օգտագործվում է նատրիումի հիդրօքսիդը կամ կալիումի հիդրօքսիդը (NaOH, KOH):
- Լուծեք կատալիզատորը, այն է ՝ կալիումի հիդրօքսիդը, մեթանոլի մեջ և ստատիկ խառնիչի միջոցով կերակրեք կատալիզատորի / մեթանոլի և նախնական մշակման ենթակա նյութերի հոսքերը ՝ հում նախախառնուրդ ստանալու համար:
- Կերակրեք նախախառնուրդը անմիջապես ուլտրաձայնային ռեակցիայի պալատի մեջ `խոռոչային բարձր կտրվածքով խառնուրդի և սոնաքիմիական բուժման համար: Այս ռեակցիայի արտադրանքներն են ալկիլային էթերները (այսինքն ՝ բիոդիզելը) և գլիցերինը: Գլիցերինը կարող է տարանջատվել լուծույթով կամ ցենտրիֆուգմամբ:
- Ուլտրաձայնային արտադրության բիոդիզելը բարձրորակ է և արտադրվում է արագ, էներգաարդյունավետ և ծախսարդյունավետ ՝ խնայելով մեթանոլը և կատալիզատորը:
Տրանսեստերիֆիկացման արձագանքը `օգտագործելով բազային կատալիզատոր.
Յուղ / ճարպ + Ալկոհոլ → Բիոդիզել + Գլիցերին
Մեթանոլի օգտագործում & Մեթանոլի վերականգնում
Մեթանոլը բիոդիզելի արտադրության ընթացքում հիմնական բաղադրիչն է: Ուլտրաձայնային շարժիչով բիոդիզելի փոխարկումը թույլ է տալիս զգալիորեն կրճատել մեթանոլի օգտագործումը: Եթե այժմ մտածում եք. «Ես թքած ունեմ մեթանոլի օգտագործման վրա, քանի որ այն ամեն դեպքում վերականգնում եմ», կարող եք նորից մտածել և հաշվի առնել էներգիայի չափազանց մեծ ծախսը, որը կիրառվում է գոլորշիացման փուլի համար (օրինակ ՝ թորման սյուն օգտագործելը), որը անհրաժեշտ է մեթանոլն առանձնացնելու և վերամշակելու համար:
Մեթանոլը սովորաբար հանվում է այն բանից հետո, երբ բիոդիզելը և գլիցերինը բաժանվել են երկու շերտերի ՝ կանխելով ռեակցիայի հակադարձումը: Դրանից հետո մեթանոլը մաքրվում և վերամշակվում է մինչև գործընթացի սկիզբը: Բիոդիզել արտադրելով ուլտրաձայնային մշակումով էսթերիֆիկացման և փոխներկայացման միջոցով դուք ի վիճակի եք կտրուկ կրճատել ձեր մեթանոլի օգտագործումը ՝ դրանով իսկ նվազեցնելով էներգիայի չափազանց մեծ ծախսերը մեթանոլի վերականգնման համար: Hielscher ուլտրաձայնային ռեակտորների օգտագործումը նվազեցնում է անհրաժեշտ քանակությամբ մեթանոլը մինչև 50%: Hielscher ուլտրաձայնային խառնուրդը օգտագործելիս 1: 4-ի կամ 1: 4,5-ի (յուղ ՝ մեթանոլ) միջև մոլային հարաբերակցությունը բավարար է առաջին հումքի համար:
Ուլտրաձայնային էսթերիֆիկացումը նախնական մշակման փուլ է, որը նվազեցրեց ցածրորակ անասնաբուծությունը FFA- ներում պարունակվող էսթերների մեջ: Ուլտրաձայնային տրանսերսերիֆիկացիայի 2-րդ փուլում տրիգլիցերիդները վերածվում են բիոդիզելի (FAME):
Ուլտրաձայնային աճող բիոդիզելի փոխարկման արդյունավետությունը – Գիտականորեն ապացուցված է
Բազմաթիվ հետազոտողներ ուսումնասիրել են բիոդիզելի ուլտրաձայնային տրանսեստերիզացիայի մեխանիզմն ու հետևանքները: Օրինակ, Սեբայան Դարվինի հետազոտական թիմը ցույց տվեց, որ ուլտրաձայնային խոռոչը բարձրացնում է քիմիական ակտիվությունը և ռեակցիայի մակարդակը, ինչի արդյունքում էականորեն ավելանում է էթերների առաջացումը: Ուլտրաձայնային տեխնիկան տրանսերսերիֆիկացման արձագանքի ժամանակը կրճատեց 5 րոպե – մեխանիկական խառնուրդի մշակման համար 2 ժամվա համեմատ: Տրիգլիցերիդի (TG) փոխակերպումը ուլտրաձայնի տակ ստացված 95.6929% վտ.-ով `որպես կատալիզատոր, 6: 1 և 1% նատրիումի հիդրօքսիդի մեթանոլի յուղի մոլային հարաբերակցությամբ: (տես ՝ Darwin et al. 2010)
Բիոդիզելի մշակման համար միջին և լայնամասշտաբ ուլտրաձայնային միջոցներ
Hielscher Ultrasonics- ը’ մատակարարում է փոքր և միջին չափի, ինչպես նաև լայնամասշտաբ արդյունաբերական ուլտրաձայնային պրոցեսորներ `ցանկացած ծավալով բիոդիզելի արդյունավետ արտադրության համար: Առաջարկելով ուլտրաձայնային համակարգ ցանկացած մասշտաբով ՝ Hielscher- ը կարող է իդեալական լուծում առաջարկել ինչպես փոքր արտադրողների, այնպես էլ խոշոր ընկերությունների համար: Ուլտրաձայնային բիոդիզելի փոխարկումը կարող է գործարկվել որպես խմբաքանակ կամ շարունակական inline գործընթաց: Տեղադրումը և շահագործումը պարզ է, անվտանգ և ապահովում է հուսալիորեն բարձր արդյունքներ բիոդիզելի որակից:
Ստորև կգտնեք առաջարկվող ռեակտորների տեղադրումը մի շարք արտադրական տեմպերի համար:
|
տոննա / ժամ
|
Gal / ժ
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT |
0.25 0.5
|
80 160
|
| 1x UIP1000hdT |
0.5 1.0
|
160-ից 320
|
| 1x UIP1500hdT |
0.75 է 1.5
|
240 է 480
|
| 2x UIP1000hdT |
1.0 2.0
|
320 ից 640
|
| 2x UIP1500hdT |
1.5 մինչեւ 3.0
|
480 960
|
| 4x UIP1500hdT |
3.0 է 6.0
|
960 է 1920
|
| 6x UIP1500hdT |
4.5 է 9.0
|
1440 է 2880
|
Կապ մեզ հետ | / Հարցրեք մեզ!
Hielscher Ultrasonics- ը արտադրում է բարձրորակ ուլտրաձայնային համասեռացուցիչներ `լաբորատոր, պիլոտային և արդյունաբերական մասշտաբով ծրագրերը խառնելու, ցրելու, էմուլգացման և արդյունահանման համար:
Գրականություն / Հղումներ
- 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.
Փաստեր Worth Իմանալով
Biodiesel Արտադրության
Բիոդիզելը արտադրվում է այն դեպքում, երբ տրիգիցերիդները վերածվում են ազատ ճարպային մեթիլային էթեր (FAME) քիմիական ռեակցիայի միջոցով, որը հայտնի է որպես տրանսերսերացում: Տրանսեստերիֆիկացման արձագանքի ժամանակ բուսական յուղերում կամ կենդանական ճարպերում պարունակվող տրիգիլցերիդներն արձագանքում են կատալիզատորի (օրինակ ՝ կալիումի հիդրօքսիդ կամ նատրիումի հիդրօքսիդ) առկայության դեպքում առաջնային ալկոհոլի (օրինակ ՝ մեթանոլի) հետ: Այս ռեակցիայի մեջ ալկիլային էսթերները առաջանում են բուսական յուղի կամ կենդանական ճարպի առաջին պաշարներից: Տրիգլիցերիդները գլիցերիդներ են, որոնցում գլիցերինը էստրեֆիացվում է երկար շղթայի թթուներով, որոնք հայտնի են որպես ճարպաթթուներ: Այս ճարպաթթուները առատորեն առկա են բուսական յուղի և կենդանական ճարպերի մեջ: Քանի որ բիոդիզելը կարող է արտադրվել տարբեր բուսական յուղերից, բուսական յուղերից, օգտագործված տապակած յուղերից, կենդանական ճարպերից, ինչպիսիք են ճարպը և խոզի ճարպը, ազատ ճարպաթթուների քանակը կարող է մեծապես տարբեր լինել: Տրիգլիցերիդների ազատ ճարպաթթուների տոկոսը կարևոր գործոն է, որն ազդում է բիոդիզելի արտադրության գործընթացի և դրա արդյունքում բիոդիզելի որակի կտրուկ ազդեցության վրա: Ազատ ճարպաթթուների մեծ քանակությունը կարող է խանգարել փոխակերպման գործընթացին և վատթարացնել բիոդիզելի վերջնական որակը: Հիմնական խնդիրն այն է, որ ազատ ճարպաթթուները (FFA) արձագանքում են ալկալային կատալիզատորների հետ `արդյունքում օճառի ձևավորմամբ: Օճառի ձևավորումը հետագայում առաջացնում է գլիցերինի տարանջատման խնդիրներ: Հետևաբար, մեծ քանակությամբ ՀՖՖ-ներ պարունակող նախնական պաշարները հիմնականում պահանջում են նախնական բուժում (այսպես կոչված, էսթերացման ռեակցիա), որի ընթացքում ՀՖՖ-ները վերափոխվում են էսթերների: Ուլտրաձայնացումը խթանում է և՛ ռեակցիաները, և՛ տրանսերսերիֆիկացումը, և՛ էսթերացումը:
Աստերիզացման քիմիական ռեակցիան
Էսթերացումը նշանակում է օրգանական թթու (RCOOH) ալկոհոլի (ROH) և էսթեր (RCOOR) և ջրի ձևավորման համար:
Մեթանոլի օգտագործումը թթվայնացման մեջ
Երբ թթվային էսթերացումը օգտագործվում է առաջին հումքում FFA– ները նվազեցնելու համար, անհապաղ էներգիայի պահանջները համեմատաբար ցածր են: Այնուամենայնիվ, ջուրը ստեղծվում է էսթերացման ռեակցիայի ժամանակ – ստեղծելով թաց, թթվային մեթանոլ, որը պետք է չեզոքացվի, չորանա և վերականգնվի: Մեթանոլի վերականգնման այս գործընթացը թանկ է:
Եթե սկզբնական ֆոնդերը ունեն ՀՖՖ-ների 20-ից 40% կամ նույնիսկ ավելի բարձր տոկոսներ, միգուցե անհրաժեշտ լինի բազմաթիվ քայլեր `դրանք ընդունելի մակարդակների իջեցնելու համար: Սա նշանակում է, որ նույնիսկ ավելի թթվային է ստեղծվում թաց մեթանոլ: Թթվային մեթանոլը չեզոքացնելուց հետո չորացումը պահանջում է բազմաստիճան թորում `զգալի վերադարձի տեմպերով, ինչը հանգեցնում է էներգիայի շատ բարձր օգտագործման:
Hielscher Ultrasonics- ը արտադրում է բարձրորակ ուլտրաձայնային հոմոգենացնողներից ` Լաբորատորիա դեպի արդյունաբերական չափը