Biodiesel iwwer Ultraschall verbessert (Trans-) Esterifikatioun
Biodiesel gëtt synthetiséiert iwwer Transesterifikatioun mat engem Base-Katalysator. Wéi och ëmmer, wann d'Rohmaterial wéi niddereg-gradéiert Offall Geméis mat engem héije fräie Fettsäuregehalt benotzt gëtt, ass e chemesche Virbehandlungsschrëtt vun der Veresterung mat engem Säure-Katatlysator erfuerderlech. Ultrasonication a seng sonochemical a sonomechanical Effekter droen zu béide Reaktiounstypen bäi an erhéijen d'Effizienz vun der Biodiesel Konversioun dramatesch. Ultrasonic Biodiesel Produktioun ass wesentlech méi séier wéi déi konventionell Biodiesel Synthese, resultéiert zu méi héije Biodiesel Ausbezuelen a Qualitéit a spuert Reagenzen wéi Methanol a Katalysator.
Biodiesel Konversioun mat Power Ultraschall
Fir Biodiesel gi Fettsäureester duerch Transesterifikatioun vu vegetabelen Ueleger wéi och vun Déierefetter (zB Talg) produzéiert. Wärend der Transesterifikatiounsreaktioun gëtt de Glycerolkomponent duerch en aneren Alkohol ersat, wéi Methanol. Fudder mat engem héijen Inhalt vu fräie Fettsäuren, zB Offall Geméisueleg (WVO), erfuerdert eng Virbehandlung vun der Säureesterifikatioun fir Seefbildung ze vermeiden. Dëse Säurekatalyseprozess ass eng ganz lues Reaktioun, wann se als konventionell Batchmethod ausgefouert gëtt. D'Léisung fir de luesen Veresterungsprozess ze beschleunegen ass d'Applikatioun vum Kraaft Ultraschall. Sonication erreecht eng bedeitend Verbesserung vun der Reaktiounsgeschwindegkeet, der Konversioun an der Biodiesel Ausbezuele wéi déi sonochemesch Effekter vum High-Power Ultraschall d'Sauerkatalyse förderen an verstäerken. Ultraschall Kavitatioun liwwert sonomechanesch Kräften, dh High-Shear Vermëschung, souwéi sonochemesch Energie. Dës béid Aarte vun Ultraschallimpakt (sonomechanesch a sonochemesch) verwandelen déi sauerkatalyséiert Veresterung an eng séier Reaktioun déi manner Katalysator erfuerdert.
Ultrasonic Mixing verbessert Biodiesel Konversioun Taux, Erhéijunge Rendement a spuert iwwerschësseg Methanol a Katalysator.D'Bild weist d'Installatioun vun 3x UIP1000hdT (all 1kW Ultraschall Muecht) fir inline Veraarbechtung.
Wéi funktionnéiert Ultraschall Biodiesel Konversioun?
Ultrasonication tëscht verschiddene Phasen an der Transesterifikatioun (och heiansdo Alkoholysis genannt) an Esterifizéierung baséiert op der Verbesserung vun der Mëschung wéi och op enger verstäerkter Hëtzt a Massentransfer. Ultrasonic Mëschung baséiert op dem Prinzip vun der akustescher Kavitatioun, déi optrieden als Resultat vun implodéierende Vakuumblasen an der Flëssegkeet. Akustesch Kavitatioun ass charakteriséiert duerch héich Schéierkraaft an Turbulenzen, souwéi ganz héich Drock- an Temperaturdifferenzen. Dës Kräfte förderen d'chemesch Reaktioun vun der Transesterifikatioun / Veresterung a verstäerken d'Mass an d'Wärmetransfer, an doduerch d'Reaktioun vun der Biodiesel Konversioun wesentlech verbesseren.
Transesterifikatioun vun Triglyceriden a Biodiesel (FAME) mat Hëllef vun Sonikatioun resultéiert zu enger beschleunegter Reaktioun a wesentlech méi héijer Effizienz.
D'Uwendung vun Ultraschall während der Biodiesel Konversioun ass wëssenschaftlech an industriell bewisen fir d'Prozesseffizienz ze verbesseren. D'Verbesserung vun der Prozesseffizienz kann u reduzéierter Energieverbrauch an Operatiounskäschte zougeschriwwe ginn, an de reduzéierte Gebrauch vun Alkohol (dh Methanol), manner Katalysator a wesentlech verkierzt Reaktiounszäit. Energiekäschte fir Heizung ginn eliminéiert well et keng Ufuerderung fir extern Heizung ass. Zousätzlech ass d'Phasenrennung tëscht Biodiesel a Glycerol méi einfach mat enger méi kuerzer Phase Trennungszäit. E wichtege Faktor fir d'kommerziell Notzung vun Ultraschall an der Biodiesel Produktioun ass den einfachen Skala-up zu all Volumen, déi zouverlässeg a sécher Operatioun wéi och d'Robustitéit an Zouverlässegkeet vun der Ultraschall Equipement (industriell Standard, kapabel fir kontinuéierlech 24/7 / lafen) 365 ënner Volllast).
Ultrasonic industrielle System mat Flowzelle fir Inline Biodiesel Esterifikatioun an Transesterifikatioun.
Ultraschallveresterung an Transesterifikatioun kënnen als Batch oder kontinuéierleche Inline Prozess lafen. D'Diagramm weist den Ultraschall-Inline-Prozess fir Biodiesel (FAME) Transesterfikatioun.
Ultraschallveresterung an Transesterifikatioun kënnen als Batch oder kontinuéierleche Inline Prozess lafen. Dës Diagramm weist den Ultraschallbatchprozess fir Biodiesel Konversioun.
Ultraschall-assistéiert Zwee-Schrëtt Biodiesel Konversioun mat Säure- a Base-katalyséierte Reaktiounsschrëtt
Fir Fudder mat engem héije FFA Inhalt gëtt d'Biodieselproduktioun als Säure oder Base-katalyséiert Reaktioun an engem Zweestufsprozess duerchgefouert. Ultraschall dréit zwou béid Aarte vu Reaktiounen bäi, déi sauerkatalyséiert Veresterung souwéi déi Basiskatalyséiert Transesterifikatioun:
Säure-katalyséiert Veresterung mat Ultraschall
Fir en Iwwerschoss vu fräie Fettsäuren am Fudder ze behandelen, ass de Prozess vun der Esterifikatioun néideg. Schwefelsäure gëtt allgemeng als Säurekatalysator benotzt.
- Bereet d'Fuerderung duerch Filteren a Verfeinerung vu Verschmotzungen a Waasser.
- De Katalysator, nämlech Schwefelsäure, a Methanol opléisen. Füttern de Stroum vum Katalysator / Methanol an de Fudder duerch en Wärmetauscher an e statesche Mischer fir eng rau Pre-Mëschung ze kréien.
- D'Pre-Mëschung vu Katalysator a Fudder geet direkt an d'Ultraschallreaktiounskammer, wou d'ultrafein Mëschung an d'Sonochemie a Kraaft trieden an déi fräi Fettsäuren an Biodiesel ëmgewandelt ginn.
- Endlech, d'Produkt entwässert a fidderen et op déi zweet Stuf - d'Ultraschalltransesterifikatioun. De sauer naass Methanol ass no Erhuelung, Trocknung an Neutraliséierung prett fir weider ze benotzen.
- Fir ganz héich FFA enthale Fuddermaterial, kann e Rezirkulatiounsopbau erfuerderlech sinn fir de FFA op e verstännegen Niveau virum Transesterifikatiounsschrëtt ze senken.
Esterifikatiounsreaktioun mat engem Säurekatalysator:
FFA + Alkohol → Ester + Waasser
Base-katalyséiert Transesterifikatioun mat Ultraschall
De Fudder, deen elo nëmme kleng Quantitéiten u FFAs huet, kann direkt an d'Transesterifikatiounsstadie gefüttert ginn. Am allgemengen gëtt Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid (NaOH, KOH) als Basiskatalysator benotzt.
- Opléisen de Katalysator, nämlech Kaliumhydroxid, a Methanol a fidderen d'Streame vu Katalysator / Methanol a virbehandelt Rootmaterial duerch e statesche Mischer fir eng rau Pre-Mëschung ze kréien.
- Füttert d'Pre-Mix direkt an d'Ultraschallreaktiounskammer fir d'kavitational High-Shear Mëschung an déi sonochemesch Behandlung. D'Produkter vun dëser Reaktioun sinn Alkylester (dh Biodiesel) a Glycerin. De Glycerin kann duerch Aussiidlung oder duerch Zentrifugung getrennt ginn.
- Den ultraschall produzéierte Biodiesel ass vu héich Qualitéit a fabrizéiert séier, energieeffizient a kosteneffizient andeems Dir Methanol a Katalysator spuert.
Transesterifikatiounsreaktioun mat engem Base Katalysator:
Ueleg / Fett + Alkohol → Biodiesel + Glycerol
Methanol Benotzung & Methanol Erhuelung
Methanol ass e Schlësselkomponent wärend der Biodiesel Produktioun. D'Ultraschall ugedriwwen Biodiesel Konversioun erlaabt e wesentlech reduzéierte Gebrauch vu Methanol. Wann Dir elo denkt "Ech këmmere mech net ëm mäi Methanolverbrauch, well ech et iwwerhaapt erëmfannen", kënnt Dir iwwerdenken an déi exorbitant héich Energiekäschte berücksichtegen, déi fir d'Verdampungsschrëtt gëllen (z.B. mat enger Destillatiounskolonn), déi ass néideg fir de Methanol ze trennen an ze recycléieren.
Methanol gëtt normalerweis geläscht nodeems de Biodiesel a Glycerin an zwou Schichten getrennt sinn, wat d'Reaktiounsreverséierung verhënnert. De Methanol gëtt dann gebotzt a recycléiert zréck an den Ufank vum Prozess. Produzéiere Biodiesel iwwer ultraschall-ugedriwwen Esterifikatioun an Transesterifikatioun, Dir kënnt Är Methanolverbrauch dramatesch reduzéieren, an doduerch déi exorbitant héich Energieausgaben fir Methanol Erhuelung reduzéieren. D'Benotzung vun Hielscher Ultraschallreaktoren reduzéiert déi erfuerderlech Quantitéit iwwerschësseg Methanol ëm bis zu 50%. E molare Verhältnis tëscht 1: 4 oder 1: 4,5 (Ueleg: Methanol) ass genuch fir déi meescht Fudder, wann Dir Hielscher Ultraschallmëschung benotzt.
Ultraschall-Esterifikatioun ass e Virbehandlungsschrëtt, deen niddereg-Grad Feedstock héich an FFAs an Ester reduzéiert huet. Am 2. Schrëtt vun der Ultraschalltransesterifikatioun ginn d'Triglyceriden a Biodiesel (FAME) ëmgewandelt.
Ultrasonic erhéicht Biodiesel Konversiounseffizienz – wëssenschaftlech bewisen
Vill Fuerschergrupp hunn de Mechanismus an d'Effekter vun der Ultraschalltransesterifikatioun vu Biodiesel ënnersicht. Zum Beispill huet d'Fuerschungsteam vum Sebayan Darwin bewisen datt d'Ultraschallkavitatioun d'chemesch Aktivitéit an d'Reaktiounsquote erhéicht huet, wat zu enger wesentlech erhéicht Esterbildung resultéiert. D'Ultraschalltechnik reduzéiert d'Transesterifikatiounsreaktiounszäit op 5 Minutten – am Verglach zu 2 Stonnen fir mechanesch Rührveraarbechtung. Konversioun vun Triglycerid (TG) zu FAME ënner Ultraschall kritt 95.6929% wt mat engem Methanol zu Ueleg molar Verhältnis vun 6: 1 an 1% wt Natrium hydroxide als Katalysator. (cf. Darwin et al. 2010)
Mid-Size a Grouss-Skala Ultrasonicators fir Biodiesel Processing
Hielscher Ultrasonics’ liwwert kleng bis mëttelgrouss wéi och grouss industriell Ultraschallprozessoren fir déi effizient Produktioun vu Biodiesel zu all Volumen. Bitt Ultraschallsystem op all Skala, Hielscher kann déi ideal Léisung fir kleng Produzenten a grouss Firmen ubidden. Ultraschall Biodiesel Konversioun kann als Batch oder als kontinuéierleche Inline Prozess operéiert ginn. D'Installatioun an d'Operatioun ass einfach, sécher a gëtt zouverlässeg héich Ausgänge vu super Biodieselqualitéit.
Drënner fannt Dir recommandéiert Reakteropstellunge fir eng Rei vu Produktiounsraten.
|
tonn/hr
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x vun UIP500hdT |
0.25 ze 0,5
|
80 bis 160
|
| 1x vun UIP1000hdT |
0.5 ze 1.0
|
160 bis 320
|
| 1x vun UIP1500hdT |
0.75 ze 1,5
|
240 bis 480
|
| 2x vun UIP1000hdT |
1,0 bis 2,0
|
320 bis 640
|
| 2x vun UIP1500hdT |
1,5 bis 3,0
|
480 bis 960
|
| 4x vun UIP1500hdT |
3,0 bis 6,0
|
960 bis 1920
|
| 6x vun UIP1500hdT |
4,5 bis 9,0
|
1440 bis 2880
|
Kontaktéiert eis! / Frot eis!
Hielscher Ultrasonics fabrizéiert High-Performance Ultrasonic Homogenisatoren fir d'Vermëschung vun Uwendungen, Dispersioun, Emulsifikatioun an Extraktioun op Labo, Pilot an Industrieskala.
Literatur / Referenzen
- 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.
Fakten Worth Wëssen
Biodiesel Produktioun
Biodiesel gëtt produzéiert wann Trigyceriden a fräie Fett Methylester (FAME) ëmgewandelt ginn iwwer eng chemesch Reaktioun bekannt als Transesterifikatioun. Wärend der Transesterifikatiounsreaktioun reagéiere Trigylceriden a pflanzlechen Ueleger oder Déierefetter a Präsenz vun engem Katalysator (zB Kaliumhydroxid oder Natriumhydroxid) mat engem primäre Alkohol (zB Methanol). An dëser Reaktioun ginn Alkylester aus dem Fudder aus Geméisueleg oder Déierefett geformt. Triglyceride si Glyzeriden, an deenen de Glycerin mat laangketten Säuren verestert ass, bekannt als Fettsäuren. Dës Fettsäuren si reichend a Geméisueleg an Déierefetter präsent. Zënter datt Biodiesel aus verschiddene verschiddene Fudder produzéiert ka ginn, wéi virgin Geméisueleg, Offallpflanzenueleg, gebrauchte Fritten, Déierefetter wéi Tallow a Fett, kann d'Quantitéit u fräie Fettsäuren (FFAs) staark variéieren. De Prozentsaz vu fräie Fettsäuren vun den Triglyceriden ass e wesentleche Faktor deen de Biodiesel Produktiounsprozess an déi resultéierend Biodieselqualitéit drastesch beaflosst. Eng héich Quantitéit u fräie Fettsäuren kann de Konversiounsprozess stéieren an d'endgülteg Biodieselqualitéit verschlechteren. Den Haaptproblem ass datt fräi Fettsäuren (FFAs) mat Alkali-Katalysatoren reagéieren, wat zu der Bildung vu Seife resultéiert. Seefbildung verursacht duerno Glycerol Trennungsproblemer. Dofir erfuerderen d'Fudder, déi héich Quantitéite vu FFAs enthalen, meeschtens eng Virbehandlung (eng sougenannte Esterifikatiounsreaktioun), wärend d'FFAs an Ester transforméiert ginn. Ultrasonication fördert béid Reaktiounen, Transesterifikatioun an Veresterung.
Chemesch Reaktioun vun Esterifikatioun
Esterifikatioun ass de Prozess fir eng organesch Säure (RCOOH) mat engem Alkohol (ROH) ze kombinéieren fir en Ester (RCOOR) a Waasser ze bilden.
Methanol Benotzen an Acidic Esterification
Wann Säureesterifikatioun benotzt gëtt fir FFAs am Fudder ze reduzéieren, sinn déi direkt Energiefuerderunge relativ niddereg. Wéi och ëmmer, Waasser gëtt wärend der Veresterungsreaktioun erstallt – schaaft naass, sauerem Methanol, dee muss neutraliséiert, gedréchent a recuperéiert ginn. Dëse Methanol Erhuelungsprozess ass deier.
Wann Startmaterialien 20 bis 40% oder souguer méi héich Prozentsaz vu FFAs hunn, kënne verschidde Schrëtt néideg sinn fir se op akzeptabel Niveauen erofzebréngen. Dëst bedeit datt nach méi sauer, naass Methanol entsteet. No der neutraliséierung vum sauerem Methanol, erfuerdert d'Trocknung Multistage Destillatioun mat bedeitende Refluxraten, wat zu engem ganz héijen Energieverbrauch resultéiert.
Wéi eng Ueleger gi fir Biodiesel Produktioun benotzt?
Ueleger, déi fir d'Biodieselproduktioun benotzt ginn, enthalen vegetabel Ueleger, wéi Soja, Raps (Kanola), Sonneblummen, Palmenueleg an Ueleg aus verbrauchte Kaffisgrënn, souwéi Déierefetter wéi Tallow a Fett. Offallöle, dorënner gebrauchte Kachueleg an Ueleger, déi aus verbrauchte Kaffisgrënn extrahéiert ginn, ginn och allgemeng benotzt. Dës Ueleger, haaptsächlech aus Triglyceriden, ënnerleien d'Transesterifikatioun mat Alkohol fir Fettsäure-Methylester (FAME) ze produzéieren, déi chemesch Verbindungen déi Biodiesel bilden. Sonication verbessert d'Biodiesel Konversioun vun Offall Ueleger duerch d'Verbesserung vum Transesterifikatiounsprozess duerch d'Applikatioun vun héijer Intensitéit Ultraschallwellen. An Offallueleg, déi dacks Gëftstoffer a méi héije fräi Fettsäuregehalt hunn, hëlleft d'Sonicatioun dës Gëftstoffer ofzebriechen a verbessert d'Mëschung vu Reaktanten. Dëst resultéiert zu méi séier Reaktiounsraten, reduzéierter Reaktiounszäiten, a méi héije Biodiesel Ausbezuelen, och mat méi niddereg-Qualitéit Fudder. Sonication erlaabt och eng reduzéiert Katalysatorverbrauch a manner Energieverbrauch, sou datt d'Konversioun vun Offallueleg a Biodiesel méi effizient a kosteneffektiv mécht.
Liest méi wéi d'Sonicatioun d'Extraktioun vun Ueleger aus verbrauchte Kaffisgrënn verstäerkt an d'Transesterifikatioun vun dësen Ueleger op Biodiesel!
Hielscher Ultrasonics fabrizéiert High-Performance Ultrasonic Homogenisatoren aus Labo zu industriell Gréisst.