Biodīzeļdegviela, izmantojot ar ultraskaņu uzlabotu (pār)esterificēšanu

Biodīzeļdegvielu sintezē pāresterificēšanas ceļā, izmantojot bāzisku katalizatoru. Tomēr, ja izmanto tādas izejvielas kā zemas kvalitātes izlietotas augu eļļas ar augstu brīvo taukskābju saturu, ir nepieciešams ķīmiskas priekšapstrādes posms – esterificēšana, izmantojot skābu katalizatoru. Apstrāde ar ultraskaņu un tās sonoķīmiskā un sonomehāniskā iedarbība veicina abu veidu reakcijas un krasi palielina biodīzeļdegvielas iegūšanas efektivitāti. Biodīzeļdegvielas ražošana ar ultraskaņu ir ievērojami ātrāka nekā tradicionālā biodīzeļdegvielas sintēze, nodrošina lielāku biodīzeļdegvielas iznākumu un augstāku kvalitāti, kā arī ļauj ietaupīt tādus reaģentus kā metanols un katalizators.

Biodīzeļdegvielas iegūšana, izmantojot lieljaudas ultraskaņu

Biodīzeļdegvielai paredzētos taukskābju esterus ražo, pāresterificējot augu eļļas un dzīvnieku taukus (piemēram, liellopu taukus). Pāresterificēšanas reakcijas laikā glicerīna komponentu aizstāj ar citu spirtu, piemēram, metanolu. Izejvielām ar augstu brīvo taukskābju saturu, piemēram, izlietotām augu eļļām (WVO), ir nepieciešama priekšapstrāde, veicot esterificēšanu skābes klātbūtnē, lai novērstu ziepju veidošanos. Šis skābes katalizētais process ir ļoti lēna reakcija, ja to veic ar tradicionālo porciju metodi. Risinājums lēnā esterificēšanas procesa paātrināšanai ir lieljaudas ultraskaņas izmantošana. Apstrāde ar ultraskaņu nodrošina būtisku reakcijas ātruma, konversijas un biodīzeļdegvielas iznākuma pieaugumu, jo lieljaudas ultraskaņas sonoķīmiskā iedarbība veicina un pastiprina skābes katalīzi. Ultraskaņas kavitācija rada sonomehāniskus spēkus, proti, nodrošina maisīšanu ar lieliem bīdes spēkiem, kā arī sonoķīmisko enerģiju. Abi šie ultraskaņas iedarbības veidi (sonomehāniskais un sonoķīmiskais) pārvērš skābes katalizēto esterificēšanu par ātru reakciju, kurai nepieciešams mazāk katalizatora.

Kā darbojas biodīzeļdegvielas iegūšana ar ultraskaņu?

Ultraskaņas iedarbība starp dažādām fāzēm pāresterificēšanas (ko dažkārt sauc arī par alkoholīzi) un esterificēšanas laikā balstās uz maisīšanas uzlabošanu, kā arī intensīvāku siltuma un masas pārnesi. Maisīšana ar ultraskaņu balstās uz akustiskās kavitācijas principu – tā rodas, šķidrumā uz iekšpusi sabrūkot vakuuma burbuļiem. Akustiskajai kavitācijai raksturīgi lieli bīdes spēki un turbulence, kā arī ļoti lielas spiediena un temperatūras starpības. Šie spēki veicina pāresterificēšanas / esterificēšanas ķīmisko reakciju un pastiprina masas un siltuma pārnesi, tādējādi ievērojami uzlabojot biodīzeļdegvielas iegūšanas reakciju.

Triglicerīdu pāresterificēšana par biodīzeļdegvielu (FAME), izmantojot apstrādi ar ultraskaņu, paātrina reakciju un nodrošina ievērojami augstāku efektivitāti.

Ir zinātniski un rūpnieciskajā praksē pierādīts, ka ultraskaņas izmantošana biodīzeļdegvielas iegūšanā uzlabo procesa efektivitāti. Procesa efektivitātes uzlabojumu var skaidrot ar samazinātu enerģijas patēriņu un ekspluatācijas izmaksām, mazāku spirta (proti, metanola) un katalizatora patēriņu, kā arī ievērojami īsāku reakcijas laiku. Enerģijas izmaksas karsēšanai tiek novērstas, jo ārēja karsēšana nav nepieciešama. Turklāt biodīzeļdegvielas un glicerīna fāžu atdalīšana ir vienkāršāka un norit īsākā laikā. Svarīgs faktors ultraskaņas komerciālai izmantošanai biodīzeļdegvielas ražošanā ir vienkārša mēroga palielināšana līdz jebkuram apjomam, uzticama un droša darbība, kā arī ultraskaņas iekārtu izturība un uzticamība (rūpnieciskais standarts, spēja nepārtraukti darboties 24/7/365 ar pilnu slodzi).

Rūpnieciska ultraskaņas sistēma ar plūsmas šūnu biodīzeļdegvielas esterificēšanai un pāresterificēšanai plūsmā.

Ultraskaņas veicināta biodīzeļdegvielas iegūšana divos posmos, izmantojot skābes un bāzes katalizētas reakcijas

Izejvielām ar augstu brīvo taukskābju (FFA) saturu biodīzeļdegvielas ražošanu veic divu posmu procesā ar skābes vai bāzes katalizētu reakciju. Ultraskaņa veicina abu veidu reakcijas – gan skābes katalizētu esterifikāciju, gan bāzes katalizētu pāresterificēšanu:

Skābes katalizēta esterifikācija, izmantojot ultraskaņu

Lai apstrādātu brīvo taukskābju pārpalikumu izejvielā, ir nepieciešams esterifikācijas process. Par skābes katalizatoru parasti izmanto sērskābi.

• Sagatavojiet izejvielu, to filtrējot un attīrot no piemaisījumiem un ūdens.
• Izšķīdiniet katalizatoru, proti, sērskābi, metanolā. Virziet katalizatora/metanola plūsmu un izejvielu caur siltummaini un statisko maisītāju, lai iegūtu sākotnējo priekšmaisījumu.
• Katalizatora un izejvielas priekšmaisījums nonāk tieši ultraskaņas reakcijas kamerā, kur iedarbojas īpaši smalka sajaukšana un sonoķīmiskie procesi, un brīvās taukskābes tiek pārvērstas biodīzeļdegvielā.
• Visbeidzot atūdeņojiet produktu un padodiet to uz otro posmu – ultraskaņas pāresterificēšanu. Skābais, ūdeni saturošais metanols pēc atgūšanas, žāvēšanas un neitralizācijas ir gatavs atkārtotai izmantošanai.
• Izejvielām ar ļoti augstu FFA saturu var būt nepieciešama recirkulācijas sistēma, lai pirms pāresterificēšanas posma samazinātu FFA saturu līdz pieņemamam līmenim.

 
Esterifikācijas reakcija, izmantojot skābes katalizatoru:
FFA + spirts → esteris + ūdens
 

Lasiet vairāk par ultraskaņas uzlabotu, skābes katalizētu brīvo taukskābju esterifikāciju!
 
 

Bāzes katalizēta pāresterificēšana, izmantojot ultraskaņu

Izejvielu, kas tagad satur tikai nelielu daudzumu brīvo taukskābju, var tieši padot uz pāresterificēšanas posmu. Par bāzes katalizatoru visbiežāk izmanto nātrija hidroksīdu vai kālija hidroksīdu (NaOH, KOH).

• Izšķīdiniet katalizatoru, proti, kālija hidroksīdu, metanolā un virziet katalizatora/metanola un iepriekš apstrādātās izejvielas plūsmas caur statisko maisītāju, lai iegūtu sākotnējo priekšmaisījumu.
• Padodiet priekšmaisījumu tieši ultraskaņas reakcijas kamerā sajaukšanai ar kavitācijas radītiem augstiem bīdes spēkiem un sonoķīmiskai apstrādei. Šīs reakcijas produkti ir alkilesteri (t. i., biodīzeļdegviela) un glicerīns. Glicerīnu var atdalīt ar nostādināšanu vai centrifugēšanu.
• Ar ultraskaņu iegūtā biodīzeļdegviela ir augstas kvalitātes, un to ražo ātri, energoefektīvi un izmaksu ziņā efektīvi, ietaupot metanolu un katalizatoru.

Pāresterificēšanas reakcija, izmantojot bāzes katalizatoru:
Eļļa / tauki + spirts → biodīzeļdegviela + glicerīns

Metanola izmantošana un atgūšana

Metanols ir būtiska sastāvdaļa biodīzeļdegvielas ražošanā. Ultraskaņas veicināta biodīzeļdegvielas iegūšana ļauj ievērojami samazināt metanola patēriņu. Ja jūs tagad domājat: “Man nav svarīgs metanola patēriņš, jo es to tik un tā atgūstu”, jūs varētu pārdomāt savu nostāju un ņemt vērā ārkārtīgi augstās enerģijas izmaksas iztvaicēšanas posmā (piemēram, izmantojot destilācijas kolonnu), kas ir nepieciešams metanola atdalīšanai un atkārtotai izmantošanai.
Metanolu parasti atdala pēc tam, kad biodīzeļdegviela un glicerīns ir atdalījušies divos slāņos, tādējādi novēršot pretreakciju. Pēc tam metanolu attīra un atgriež procesa sākumā atkārtotai izmantošanai. Ražojot biodīzeļdegvielu ar ultraskaņas veicinātu esterifikāciju un pāresterificēšanu, jūs varat krasi samazināt metanola patēriņu, tādējādi samazinot ārkārtīgi lielo enerģijas patēriņu metanola atgūšanai. Hielscher ultraskaņas reaktoru izmantošana samazina nepieciešamo metanola pārpalikuma daudzumu līdz pat 50%. Izmantojot Hielscher ultraskaņas sajaukšanu, lielākajai daļai izejvielu pietiek ar molāro attiecību 1:4 vai 1:4,5 (eļļa : metanols).

Ar ultraskaņu paaugstināta biodīzeļdegvielas iegūšanas efektivitāte – zinātniski pierādīts

Daudzas pētnieku grupas ir pētījušas biodīzeļdegvielas ultraskaņas pāresterificēšanas mehānismu un ietekmi. Piemēram, Sebayan Darwin pētnieku komanda pierādīja, ka ultraskaņas kavitācija palielina ķīmisko aktivitāti un reakcijas ātrumu, tādējādi ievērojami palielinot esteru veidošanos. Ultraskaņas metode samazināja pāresterificēšanas reakcijas laiku līdz 5 minūtēm – salīdzinājumā ar 2 stundām, izmantojot mehānisko maisīšanu. Apstrādājot ar ultraskaņu, triglicerīdu (TG) pārvēršana FAME sasniedza 95,6929%wt, metanola un eļļas molārajai attiecībai esot 6:1 un par katalizatoru izmantojot 1%wt nātrija hidroksīda. (sal. Darwin et al. 2010)

Vidēja un liela mēroga ultraskaņas apstrādes ierīces biodīzeļdegvielas ražošanai

Hielscher Ultrasonics piegādā mazas un vidēja izmēra, kā arī liela mēroga rūpnieciskās ultraskaņas apstrādes iekārtas efektīvai biodīzeļdegvielas ražošanai jebkurā apjomā. Piedāvājot jebkura mēroga ultraskaņas sistēmas, Hielscher var nodrošināt ideālu risinājumu gan mazajiem ražotājiem, gan lieliem uzņēmumiem. Biodīzeļdegvielas iegūšanu ar ultraskaņu var īstenot periodiskā vai nepārtrauktā plūsmas procesā. Uzstādīšana un ekspluatācija ir vienkārša un droša, un process uzticami nodrošina lielu augstākas kvalitātes biodīzeļdegvielas izlaidi.
Tālāk ir norādītas ieteicamās reaktoru konfigurācijas dažādiem ražošanas ātrumiem.