Biodīzeļdegviela, izmantojot ultrasoniski uzlabotu (trans-)esterifikāciju
Biodīzeļdegviela tiek sintezēta, pāresterificējot, izmantojot bāzes katalizatoru. Tomēr, ja tiek izmantotas tādas izejvielas kā zemas kvalitātes atkritumi ar augstu brīvo taukskābju saturu, ir nepieciešams ķīmisks esterifikācijas pirmapstrādes posms, izmantojot skābes katalītistu. Ultrasonication un tā sonochemical un sonomechanical efekti veicina abus reakcijas veidus un ievērojami palielina biodīzeļdegvielas konversijas efektivitāti. Ultraskaņas biodīzeļdegvielas ražošana ir ievērojami ātrāka nekā parastā biodīzeļdegvielas sintēze, rada augstāku biodīzeļdegvielas ražu un kvalitāti un ietaupa reaģentus, piemēram, metanolu un katalizatoru.
Biodīzeļdegvielas pārveidošana, izmantojot jaudas ultraskaņu
Biodīzeļdegvielai taukskābju esterus iegūst, pāresterificējot augu eļļas, kā arī dzīvnieku taukus (piemēram, kausētus taukus). Pāresterificēšanas reakcijas laikā glicerīna komponentu aizstāj ar citu spirtu, piemēram, metanolu. Izejvielām ar augstu brīvo taukskābju saturu, piemēram, augu eļļu atkritumiem (WVO), nepieciešama skābju esterifikācijas pirmapstrāde, lai izvairītos no ziepju veidošanās. Šis skābes katalīzes process ir ļoti lēna reakcija, ja to veic kā parasto partijas metodi. Lēna esterifikācijas procesa paātrināšanas risinājums ir jaudas ultraskaņas pielietošana. Ultraskaņas apstrāde ievērojami uzlabo reakcijas ātrumu, pārveidošanu un biodīzeļdegvielas ražu, jo lieljaudas ultraskaņas sonochemical efekti veicina un pastiprina skābes katalīzi. Ultraskaņas kavitācija nodrošina sonomehāniskos spēkus, t.i. augstas bīdes sajaukšana, kā arī sonochemical enerģija. Šie abi ultraskaņas ietekmes veidi (sonomechanical un sonochemical) pārvērš skābes katalizēto esterifikāciju ātrā reakcijā, kurai nepieciešams mazāk katalizatora.
Ultraskaņas sajaukšana uzlabo biodīzeļdegvielas konversijas ātrumu, palielina ražu un ietaupa lieko metanolu un katalizatoru. Attēlā redzama 3x instalēšana UIP1000hdT (katra 1kW ultraskaņas jauda) inline apstrādei.
Kā darbojas ultraskaņas biodīzeļdegvielas pārveidošana?
Ultrasonication starp dažādām pāresterificēšanas fāzēm (dažreiz to sauc arī par alcoholysis ) un esterifikāciju balstās uz sajaukšanas uzlabošanu, kā arī uz palielinātu siltuma un masas pārnesi. Ultraskaņas sajaukšana ir balstīta uz akustiskās kavitācijas principu, kas rodas, ja šķidrumā iekļūst vakuuma burbuļi. Akustisko kavitāciju raksturo augsti bīdes spēki un turbulences, kā arī ļoti augstas spiediena un temperatūras starpības. Šie spēki veicina pāresterificēšanas / esterifikācijas ķīmisko reakciju un pastiprina masas un siltuma pārnesi, tādējādi ievērojami uzlabojot biodīzeļdegvielas pārveidošanas reakciju.
Triglicerīdu pāresterificēšana biodīzeļdegvielā (FAME), izmantojot ultraskaņu, rada paātrinātu reakciju un ievērojami augstāku efektivitāti.
Ultraskaņas pielietošana biodīzeļdegvielas pārveidošanas laikā ir zinātniski un rūpnieciski pierādīta, lai uzlabotu procesa efektivitāti. Procesa efektivitātes uzlabošanos var saistīt ar samazinātu enerģijas patēriņu un ekspluatācijas izmaksām, kā arī samazinātu alkohola (t.i., metanola), mazāk katalizatora un ievērojami saīsinātu reakcijas laika patēriņu. Enerģijas izmaksas apkurei tiek novērstas, jo nav prasības pēc ārējās apkures. Turklāt fāzu atdalīšana starp biodīzeļdegvielu un glicerīnu ir vienkāršāka ar īsāku fāzes atdalīšanas laiku. Svarīgs faktors ultraskaņas komerciālai izmantošanai biodīzeļdegvielas ražošanā ir vienkārša mērogošana līdz jebkuram tilpumam, uzticama un droša darbība, kā arī ultraskaņas iekārtu izturība un uzticamība (rūpnieciskais standarts, kas spēj nepārtraukti darboties 24/7/365 ar pilnu slodzi).
Ultraskaņas rūpnieciskā sistēma ar plūsmas šūnu inline biodīzeļdegvielas esterficēšanai un pāresterificēšanai.
Ultraskaņas esterifikāciju un pāresterificēšanu var palaist kā partijas vai nepārtrauktu inline procesu. Diagrammā parādīts ultraskaņas inline process biodīzeļdegvielas (FAME) pāresterificēšanai.
Ultraskaņas esterifikāciju un pāresterificēšanu var palaist kā partijas vai nepārtrauktu inline procesu. Šī diagramma parāda ultraskaņas partijas procesu biodīzeļdegvielas pārveidošanai.
Ultrasoniski atbalstīta divpakāpju biodīzeļdegvielas pārveidošana, izmantojot skābes un bāzes katalizētus reakcijas soļus
Izejvielām ar augstu FFA saturu biodīzeļdegvielas ražošana tiek veikta kā skābes vai bāzes katalizēta reakcija divpakāpju procesā. Ultraskaņa veicina divu veidu reakcijas, skābes katalizētu esterifikāciju, kā arī bāzes katalizētu pāresterificēšanu:
Skābes katalizēta esterifikācija, izmantojot ultraskaņu
Lai apstrādātu brīvo taukskābju pārpalikumu izejvielās, ir nepieciešams esterifikācijas process. Sērskābi parasti izmanto kā skābes katalizatoru.
- Sagatavojiet izejvielas, filtrējot un rafinējot no piesārņotājiem un ūdens.
- Katalizatoru, proti, sērskābi, izšķīdina metanolā. Katalizatora/metanola un izejvielu padeves plūsma caur siltummaini un statisko maisītāju, lai iegūtu neapstrādātu premiksu.
- Katalizatora un izejvielu premikss nonāk tieši ultraskaņas reakcijas kamerā, kur stājas spēkā īpaši smalka sajaukšana un sonoķīmija, un brīvās taukskābes tiek pārvērstas biodīzeļdegvielā.
- Visbeidzot, atūdeņojiet produktu un padodiet to otrajam posmam – ultraskaņas pāresterificēšanai. Skābais mitrais metanols pēc reģenerācijas, žāvēšanas un neitralizēšanas ir gatavs atkārtotai izmantošanai.
- Ja izejvielas satur ļoti augstu FFA, pirms pāresterificēšanas posma var būt nepieciešama recirkulācijas iestatīšana, lai pazeminātu FFA līdz saprātīgam līmenim.
Esterifikācijas reakcija, izmantojot skābes katalizatoru:
FFA + spirta → esteris + ūdens
Bāzes katalizēta pāresterificēšana, izmantojot ultraskaņu
Izejvielu, kurai tagad ir tikai neliels daudzums FFA, var tieši ievadīt pāresterificēšanas posmā. Visbiežāk kā bāzes katalizatoru izmanto nātrija hidroksīdu vai kālija hidroksīdu (NaOH, KOH).
- Katalizatoru, proti, kālija hidroksīdu, izšķīdina metanolā un padod katalizatora/metanola un iepriekš apstrādātu izejvielu plūsmas caur statisku maisītāju, lai iegūtu neapstrādātu iepriekšēju maisītāju.
- Ievietojiet pre-maisījumu tieši ultraskaņas reakcijas kamerā kavitācijas augstas bīdes sajaukšanai un sonochemical apstrādei. Šīs reakcijas produkti ir alkilesteri (t.i., biodīzeļdegviela) un glicerīns. Glicerīnu var atdalīt, nosēdinot vai centrifugējot.
- Ultrasoniski ražotā biodīzeļdegviela ir augstas kvalitātes un ražota ātri, energoefektīvi un rentabli, ietaupot metanolu un katalizatoru.
Pāresterificēšanas reakcija, izmantojot bāzes katalizatoru:
Eļļa / tauki + alkohols → biodīzeļdegviela + glicerīns
Metanola lietošana & Metanola reģenerācija
Metanols ir galvenā sastāvdaļa biodīzeļdegvielas ražošanas laikā. Ultraskaņas biodīzeļdegvielas pārveidošana ļauj ievērojami samazināt metanola izmantošanu. Ja jūs tagad domājat: "Man ir vienalga par savu metanola lietošanu, jo es to tik un tā atgūstu", jūs varētu pārdomāt un apsvērt pārmērīgi augstās enerģijas izmaksas, kas attiecas uz iztvaikošanas soli (piemēram, izmantojot destilācijas kolonnu), kas ir nepieciešams, lai atdalītu un pārstrādātu metanolu.
Metanolu parasti atdala pēc tam, kad biodīzeļdegviela un glicerīns ir sadalīti divos slāņos, novēršot reakcijas maiņu. Pēc tam metanolu attīra un pārstrādā atpakaļ procesa sākumā. Ražojot biodīzeļdegvielu, izmantojot ultrasoniski virzītu esterifikāciju un pāresterificēšanu, jūs varat dramatiski samazināt metanola lietošanu, tādējādi samazinot pārmērīgos lielos enerģijas izdevumus metanola atgūšanai. Hielscher ultraskaņas reaktoru izmantošana samazina nepieciešamo daudzumu metanola pārpalikuma līdz pat 50%. Molārā attiecība starp 1:4 vai 1:4.5 (eļļa : metanols) ir pietiekama vairumam izejvielu, lietojot Hielscher ultraskaņas sajaukšanu.
Ultraskaņas esterifikācija ir pirmapstrādes solis, kas esteros samazināja zemas kvalitātes izejvielas ar augstu FFA. Ultraskaņas pāresterificēšanas 2. posmā triglicerīdi tiek pārvērsti biodīzeļdegvielā (FAME).
Ultraskaņas paaugstināta biodīzeļdegvielas konversijas efektivitāte – zinātniski pierādīts
Daudzas pētnieku grupas ir pētījušas biodīzeļdegvielas ultraskaņas pāresterificēšanas mehānismu un ietekmi. Piemēram, Sebayan Darwin pētnieku komanda parādīja, ka ultraskaņas kavitācija palielināja ķīmisko aktivitāti un reakcijas ātrumu, kā rezultātā ievērojami palielinājās estera veidošanās. Ultraskaņas tehnika samazināja pāresterificēšanas reakcijas laiku līdz 5 minūtēm – salīdzinot ar 2 stundām mehāniskai maisīšanai. Triglicerīdu (TG) konversija uz FAME saskaņā ar ultrasonication ieguva 95,6929% wt ar metanola un eļļas molāro attiecību 6:1 un 1% masas nātrija hidroksīda kā katalizatoru. (sal. ar Darwin et al. 2010)
Vidēja izmēra un liela mēroga ultrasonikatori biodīzeļdegvielas apstrādei
Hielscher Ultrasonics’ Piegādā mazus līdz vidējus, kā arī liela mēroga rūpnieciskos ultraskaņas procesorus efektīvai biodīzeļdegvielas ražošanai jebkurā apjomā. Piedāvājot ultraskaņas sistēmu jebkurā mērogā, Hielscher var piedāvāt ideālu risinājumu gan maziem ražotājiem, gan lieliem uzņēmumiem. Ultraskaņas biodīzeļdegvielas pārveidošanu var darbināt kā partiju vai kā nepārtrauktu inline procesu. Uzstādīšana un ekspluatācija ir vienkārša, droša un nodrošina uzticami augstu augstākās biodīzeļdegvielas kvalitātes jaudu.
Zemāk jūs atradīsit ieteicamos reaktora iestatījumus dažādiem ražošanas ātrumiem.
|
tonna/hr
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT |
0.25 līdz 0,5
|
80 līdz 160
|
| 1x UIP1000hdT |
0.5 līdz 1,0
|
160 līdz 320
|
| 1x UIP1500hdT |
0.75 līdz 1,5
|
240 līdz 480
|
| 2x UIP1000hdT |
1,0 līdz 2,0
|
320 līdz 640
|
| 2x UIP1500hdT |
1,5 līdz 3,0
|
480 līdz 960
|
| 4x UIP1500hdT |
no 3,0 līdz 6,0
|
960. līdz 1920. gads
|
| 6x UIP1500hdT |
no 4,5 līdz 9,0
|
1440 līdz 2880
|
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus sajaukšanas lietojumiem, dispersijai, emulgācijai un ekstrakcijai laboratorijā, izmēģinājuma un rūpnieciskā mērogā.
Literatūra / Atsauces
- 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.
Fakti, kurus ir vērts zināt
Biodīzeļdegvielas ražošana
Biodīzeļdegvielu ražo, kad trigicerīdus pārvērš brīvā taukskābju metilesterī (FAME), izmantojot ķīmisku reakciju, kas pazīstama kā pāresterificēšana. Pāresterificēšanas reakcijas laikā trigilcerīdi augu eļļās vai dzīvnieku taukos katalizatora (piemēram, kālija hidroksīda vai nātrija hidroksīda) klātbūtnē reaģē ar primāro spirtu (piemēram, metanolu). Šajā reakcijā alkilesteri veidojas no augu eļļas vai dzīvnieku tauku izejvielām. Triglicerīdi ir glicerīdi, kuros glicerīns tiek esterēts ar garo ķēžu skābēm, kas pazīstamas kā taukskābes. Šīs taukskābes ir bagātīgi sastopamas augu eļļā un dzīvnieku taukos. Tā kā biodīzeļdegvielu var ražot no dažādām izejvielām, piemēram, neapstrādātām augu eļļām, augu eļļu atkritumiem, lietotām cepamajām eļļām, dzīvnieku taukiem, piemēram, kausētiem taukiem un speķiem, brīvo taukskābju (FFA) daudzums var ievērojami atšķirties. Triglicerīdu brīvo taukskābju procentuālais sastāvs ir izšķirošs faktors, kas krasi ietekmē biodīzeļdegvielas ražošanas procesu un iegūto biodīzeļdegvielas kvalitāti. Liels brīvo taukskābju daudzums var traucēt konversijas procesu un pasliktināt galīgo biodīzeļdegvielas kvalitāti. Galvenā problēma ir tā, ka brīvās taukskābes (FFA) reaģē ar sārmu katalizatoriem, kā rezultātā veidojas ziepes. Ziepju veidošanās pēc tam izraisa glicerīna atdalīšanas problēmas. Tāpēc izejvielām, kas satur lielu daudzumu FFA, galvenokārt ir nepieciešama pirmapstrāde ( tā sauktā esterifikācijas reakcija), kuras laikā FFA tiek pārveidoti esteros. Ultrasonication veicina gan reakcijas, gan pāresterificēšanu, gan esterifikāciju.
Esterifikācijas ķīmiskā reakcija
Esterifikācija ir process, kurā organiskā skābe (RCOOH) tiek apvienota ar spirtu (ROH), lai izveidotu esteri (RCOOR) un ūdeni.
Metanola izmantošana skābā esterifikācijā
Ja skābes esterifikāciju izmanto, lai samazinātu FFA izejvielās, tūlītējās enerģijas prasības ir salīdzinoši zemas. Tomēr esterifikācijas reakcijas laikā rodas ūdens – radot mitru, skābu metanolu, kas ir jāneitralizē, jāžāvē un jāatgūst. Šis metanola reģenerācijas process ir dārgs.
Ja sākuma izejvielām ir 20 līdz 40 % vai pat lielāks FFA procentuālais daudzums, var būt vajadzīgi vairāki pasākumi, lai tās samazinātu līdz pieņemamam līmenim. Tas nozīmē, ka rodas vēl skābāks, mitrāks metanols. Pēc skābā metanola neitralizēšanas žāvēšanai nepieciešama daudzpakāpju destilācija ar ievērojamu atteces ātrumu, kā rezultātā tiek patērēts ļoti liels enerģijas daudzums.
Kādas eļļas tiek izmantotas biodīzeļdegvielas ražošanai?
Biodīzeļdegvielas ražošanā izmantotās eļļas ietver augu eļļas, piemēram, sojas pupas, rapšu sēklas (rapšu), saulespuķu, palmu eļļu un eļļu no izlietotiem kafijas biezumiem, kā arī dzīvnieku taukus, piemēram, taukus un speķi. Parasti tiek izmantotas arī atkritumeļļas, tostarp lietota cepamā eļļa un eļļas, kas iegūtas no izlietotiem kafijas biezumiem. Šīs eļļas, kas sastāv galvenokārt no triglicerīdiem, tiek pāresterificētas ar spirtu, lai iegūtu taukskābju metilesterus (FAME) - ķīmiskos savienojumus, kas veido biodīzeļdegvielu. Ultraskaņas apstrāde uzlabo atkritumeļļu biodīzeļdegvielas pārveidošanu, uzlabojot pāresterificēšanas procesu, izmantojot augstas intensitātes ultraskaņas viļņus. Atkritumeļļās, kurām bieži ir piemaisījumi un augstāks brīvo taukskābju saturs, ultraskaņas apstrāde palīdz noārdīt šos piemaisījumus un uzlabo reaģentu sajaukšanu. Tas nodrošina ātrāku reakcijas ātrumu, samazinātu reakcijas laiku un augstāku biodīzeļdegvielas ražu pat ar zemākas kvalitātes izejvielām. Ultraskaņas apstrāde arī ļauj samazināt katalizatora izmantošanu un samazināt enerģijas patēriņu, padarot atkritumeļļu pārvēršanu biodīzeļdegvielā efektīvāku un rentablāku.
Lasiet vairāk, kā ultraskaņas apstrāde pastiprina eļļu ekstrakciju no izlietotiem kafijas biezumiem un šo eļļu pāresterificēšanu uz biodīzeļdegvielu!
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no Lab līdz rūpnieciskais izmērs.