Biodīzeļdegviela, izmantojot ultrasoniski uzlabotu (trans)esterifikāciju
Biodīzeļdegviela tiek sintezēta, izmantojot pāresterificēšanu, izmantojot bāzes katalizatoru. Tomēr, ja izmanto izejvielas, piemēram, zemas kvalitātes dārzeņu atkritumus ar augstu brīvo taukskābju saturu, ir vajadzīgs ķīmisks esterifikācijas priekšapstošanas posms, izmantojot skābju katalītizējumu. Ultrasonication un tās sonochemical un sonomechanical ietekme veicina gan reakcijas veidus un palielināt efektivitāti biodīzeļdegvielas konversijas dramatiski. 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 power ultraskaņu
Biodīzeļdegvielai taukskābju esterus ražo, pāresterificē augu eļļas, kā arī dzīvnieku taukus (piemēram, kausētus taukus). Pāresterificēšanas reakcijas laikā glicerīna komponents tiek aizstāts ar citu spirtu, piemēram, metanolu. Izejvielām ar augstu brīvo taukskābju saturu, piemēram, augu eļļu atkritumiem (WVO), nepieciešama skābes esterifikācijas pirmapstāde, lai izvairītos no ziepju veidošanās. Šis skābes katalīzes process ir ļoti lēna reakcija, ja to veic kā parasto partijas metodi. Risinājums lēnas esterifikācijas procesa paātrināšanai ir jaudas ultraskaņas pieslēkšana. Ultraskaņas apstrāde panāk ievērojamu reakcijas ātruma, konversijas un biodīzeļdegvielas ražas uzlabošanos, jo augstas jaudas ultraskaņas sonoķīmiskā iedarbība veicina un pastiprina skābes katalīzi. Ultraskaņas kavitācija nodrošina sonomehāniskos spēkus, t.i., augstas bīdes sajaukšanu, kā arī sonoķīmisko enerģiju. Šie abi ultraskaņas ietekmes veidi (sonomehāniskie un sonoķīmiskie) pārvērš skābju katalizētu esterifikāciju par ātru reakciju, kurai nepieciešams mazāk katalizatora.
Ultraskaņas sajaukšana uzlabo biodīzeļdegvielas konversijas ātrumu, palielina ražu un ietaupa lieko metanolu un katalizatoru. Attēlā redzama 3 x UIP1000hdT (katra 1kW ultraskaņas jauda) inline apstrādei.
Triglicerīdu pāresterificēšana biodīzeļdegvielā (FAME), izmantojot ultraskaņas izmantošanu, paātrina reakciju un ievērojami palielina efektivitāti.
Kā darbojas ultraskaņas biodīzeļdegvielas pārveidošana?
Ultrasonication starp dažādām fāzēm pāresterificēšanas (dažreiz sauc arī par alcoholysis ) un esterifikācija ir balstīta uz uzlabošanu sajaukšanas, kā arī uz palielinātu siltuma un masas pārnesi. Ultraskaņas sajaukšana ir balstīta uz akustiskās kavitācijas principu, kas rodas vakuuma burbuļu sabrukšanas rezultātā šķidrumā. Akustisko kavitāciju raksturo augsti bīdes spēki un turbulences, kā arī ļoti augsts spiediens un temperatūras atšķirības. Šie spēki veicina pāresterificēšanas / esterifikācijas ķīmisko reakciju un pastiprina masas un siltuma pārnesi, tādējādi ievērojami uzlabojot biodīzeļdegvielas pārveidošanas reakciju.
Ultrasonics piemērošana biodīzeļdegvielas pārveidošanas laikā ir zinātniski un rūpnieciski pierādīta, lai uzlabotu procesa efektivitāti. Procesa efektivitātes uzlabošanos var saistīt ar samazinātām enerģijas patēriņa un ekspluatācijas izmaksām un samazinātu alkohola (t.i., metanola) izmantošanu, mazāku katalizatoru un ievērojami saīsinātu reakcijas laiku. Enerģijas izmaksas apkurei tiek novērstas, jo nav prasības pēc ārējās apkures. Turklāt fāzu atdalīšana starp biodīzeļdegvielu un glicerīnu ir vienkāršāka ar īsāku fāzu atdalīšanas laiku. Svarīgs faktors ultraskaņas komerciālai izmantošanai biodīzeļdegvielas ražošanā ir vienkāršs mērogs līdz jebkuram apjomam, uzticama un droša darbība, kā arī ultraskaņas iekārtu robustums un uzticamība (rūpnieciskais standarts, kas spēj darboties nepārtraukti 24/7/365 ar pilnu slodzi).
Ultraskaņas rūpnieciskā sistēma ar plūsmas šūnu inline biodīzeļdegvielas esterificācijai un pāresterificācijai.
Ultraskaņas esterifikāciju un pāresterificēšanu var veikt kā partijas vai nepārtrauktu inline procesu. Diagrammā parādīts ultraskaņas inline process biodīzeļdegvielas (FAME) pāresterificācijai.
Ultraskaņas esterifikāciju un pāresterificēšanu var veikt kā partijas vai nepārtrauktu inline procesu. Šajā diagrammā parādīts ultraskaņas partijas process biodīzeļdegvielas pārveidošanai.
Ultrasoniski atbalstīta divsoļa biodīzeļdegvielas pārveidošana, izmantojot skābes un bāzes katalizētas reakcijas soļus
Izejvielām ar augstu FFA saturu biodīzeļdegvielas ražošana tiek veikta kā skāba vai katalizēta reakcija divstadiju procesā. Ultraskaņa veicina divu veidu reakcijas, skābju katalizētu esterifikāciju, kā arī bāzes katalizētu pāresterificēšanu:
Skābju katalizēta esterifikācija, izmantojot ultraskaņu
Lai ārstētu brīvo taukskābju pārpalikumu izejvielās, ir nepieciešams esterifikācijas process. Sērskābi parasti izmanto kā skābes katalizatoru.
- Sagatavot izejvielas, filtrējot un rafinējot no piesārņotājiem un ūdens.
- Katalizatoru, proti, sērskābi, izšķīdina metanolā. Katalizatora/metanola un izejvielu padeve caur siltummaini un statisko maisītāju, lai iegūtu neattīrītu iepriekšēju maisījumu.
- Katalizatora un izejvielu iepriekšēja sajaukšana nonāk tieši ultraskaņas reakcijas kamerā, kur stājas spēkā ultra-smalka sajaukšana un sonochemistry un brīvās taukskābes tiek pārvērstas biodīzeļdegvielā.
- Visbeidzot, atūdeņojiet produktu un barojiet to divos otrajā posmā - ultraskaņas pāresterificēšana. Skābais slapjais metanols pēc reģenerācijas, žāvēšanas un neitralizācijas ir gatavs atkārtotai izmantošanai.
- Ļoti augstam FFA, kas satur izejvielas, var būt nepieciešams recirkulācijas iestatījums, lai pazeminātu FFA līdz saprātīgam līmenim pirms pāresterificēšanas soļa.
Esterificēšanas reakcija, izmantojot skābes katalizatoru:
FFA + spirta → esteris + ūdens
Base-Catalyzed pāresterificēšana, izmantojot ultraskaņu
Izejvielas, kurās tagad ir tikai neliels ĀFL daudzums, var tieši ievadīt pāresterificēšanas stadijā. Visbiežāk par bāzes katalizatoru izmanto nātrija hidroksīdu vai kālija hidroksīdu (NaOH, KOH).
- Katalizatoru, proti, kālija hidroksīdu, izšķīdina metanolā un caur statisko maisītāju baro katalizatora/ metanola un iepriekš apstrādātu izejvielu plūsmas, lai iegūtu neattīrītu iepriekšēju maisījumu.
- Pabarojiet pre-mix tieši ultraskaņas reakcijas kamerā KAVITĀCIJAS augstas bīdes sajaukšanai un sonoķīmiskai apstrādei. Šīs reakcijas produkti ir alkilesteri (t. i., biodīzeļdegviela) un glicerīns. Glicerīnu var atdalīt ar nogulsnēšanos vai centrifugēšanu.
- Ultrasoniski ražotā biodīzeļdegviela ir augstas kvalitātes un ražota ātri, energoefektīvi un rentabli, ietaupot metanolu un katalizatoru.
Pāresterificēšanas reakcija, izmantojot bāzes katalizatoru:
Eļļa / tauki + spirts → biodīzeļdegviela + glicerīns
Metanola lietošana & Metanola reģenerācija
Metanols ir galvenā sastāvdaļa biodīzeļdegvielas ražošanas procesā. Ultrasoniski virzīta biodīzeļdegvielas pārveidošana ļauj ievērojami samazināt metanola izmantošanu. Ja jūs tagad domājat "Man vienalga par manu metanola lietošanu, jo es to jebkurā gadījumā atgūstu", jūs varētu padomāt un apsvērt pārmērīgi augstās enerģijas izmaksas, kas attiecas uz iztvaikošanas soli (piemēram, izmantojot destilācijas kolonnu), kas ir nepieciešama, lai atdalītu un pārstrādātu metanolu.
Metanolu parasti atdala pēc tam, kad biodīzeļdegviela un glicerīns ir sadalīti divos slāņos, novēršot reakcijas atgriezeniskumu. Pēc tam metanolu iztīra un pārstrādā atpakaļ procesa sākumā. Ražojot biodīzeļdegvielu, izmantojot ultrasoniski virzītu esterifikāciju un pāresterificēšanu, jūs varat ievērojami samazināt metanola izmantošanu, tādējādi samazinot pārmērīgos augstos enerģijas izdevumus metanola atgūšanai. Hielscher ultraskaņas reaktoru izmantošana samazina nepieciešamo daudzumu metanola pārpalikumu līdz 50%. Molārā attiecība starp 1:4 vai 1:4,5 (eļļa : metanols) ir pietiekama vairumam izejvielu, izmantojot Hielscher ultraskaņas sajaukšanu.
Ultraskaņas esterifikācija ir pirmapstrādes solis, kas samazināja zemas kvalitātes izejvielas, kas ir augstas FFA esteros. Ultraskaņas pāresterificēšanas 2. posmā triglicerīdi tiek pārvērsti biodīzeļdegvielā (FAME).
Ultraskaņas palielināta biodīzeļdegvielas konversijas efektivitāte – Zinātniski pierādīts
Daudzas pētnieku grupas ir izpētījuši biodīzeļdegvielas ultraskaņas pāresterificēšanas mehānismu un ietekmi. Piemēram, Sebayan Darwin pētniecības komanda pierādīja, ka ultraskaņas kavitācija palielināja ķīmisko aktivitāti un reakcijas ātrumu, kā rezultātā ievērojami palielinājās estera veidošanās. Ultraskaņas tehnika samazināja pāresterificēšanas reakcijas laiku līdz 5 minūtēm – salīdzinājumā ar 2 stundām mehāniskai maisīšanas apstrādei. Triglicerīdu (TG) pārveidošana fame saskaņā ar ultrasonication ieguva 95.6929%wt ar metanola un eļļas molāro attiecību 6:1 un 1%wt nātrija hidroksīda kā katalizatoru. (sal. ar Darwin et al. 2010)
Vidēja izmēra un liela mēroga ultrasonikatori biodīzeļdegvielas apstrādei
Hielscher Ultraskaņas’ piegādā mazus līdz vidēja izmēra, kā arī liela mēroga rūpnieciskos ultraskaņas procesorus biodīzeļdegvielas efektīvai ražošanai jebkurā tilpumā. Piedāvājot ultraskaņas sistēmu jebkurā mērogā, Hielscher var piedāvāt ideālu risinājumu gan maziem ražotājiem, gan lieliem uzņēmumiem. Ultraskaņas biodīzeļdegvielas pārveidošanu var izmantot kā partiju vai kā nepārtrauktu inline procesu. Uzstādīšana un ekspluatācija ir vienkārša, droša un nodrošina ievērojami augstu augstākās biodīzeļdegvielas kvalitātes jaudu.
Zemāk jūs atradīsiet ieteicamos reaktora iestatījumus dažādiem ražošanas ātrumiem.
|
tonna/HR
|
gal/HR
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT |
0.25 līdz 0,5
|
80 līdz 160
|
| 1x UIP1000hdT |
0. no 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 |
3,0 līdz 6,0
|
960 līdz 1920
|
| 6x UIP1500hdT |
4,5 līdz 9,0
|
1440 līdz 2880
|
Sazinies ar mums! / Uzdot mums!
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus lietojumprogrammu sajaukšanai, dispersijai, emuulģēšanai un ekstrakcijai laboratorijā, pilotā un rūpnieciskajā 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 ir vērts zināt
Biodīzeļdegvielas ražošana
Biodīzeļdegvielu iegūst, trigycerīdus pārvēršot brīvā taukskābju metilesterī (FAME) ķīmiskā reakcijā, ko sauc par pāresterificēšanu. Pāresterificēšanas reakcijas laikā trigilceriīdi augu eļļās vai dzīvnieku taukos reaģē katalizatora (piemēram, kālija hidroksīda vai nātrija hidroksīda) klātbūtnē ar primāro spirtu (piemēram, metanolu). Šajā reakcijā alkilesteri veidojas no augu eļļas vai dzīvnieku tauku izejvielām. Triglicerīdi ir glicerīdi, kuros glicerīns tiek esterizolēts ar garām ķēdes skābēm, kas pazīstamas kā taukskābes. Šīs taukskābes ir bagātīgi augu eļļā un dzīvnieku taukos. Tā kā biodīzeļdegvielu var ražot no dažādām izejvielām, piemēram, neapstrādātām augu eļļām, augu eļļu atkritumiem, izmantotajām cepamajām eļļām, dzīvnieku taukiem, piemēram, kausētiem taukiem un speķi, brīvo taukskābju (FFA) daudzums var ievērojami atšķirties. Triglicerīdu brīvo taukskābju procentuālais daudzums ir būtisks faktors, kas ietekmē biodīzeļdegvielas ražošanas procesu un no tā izrietošo 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 ĀFA, lielākoties ir nepieciešama pirmapstrāde (tā sauktā esterifikācijas reakcija), kuras laikā ĀFS tiek pārveidotas par esteriņiem. Ultrasonication veicina gan reakcijas, pāresterifikāciju un esterifikāciju.
Esterifikācijas ķīmiskā reakcija
Esterifikācija ir organiskās skābes (RCOOH) un spirta (ROH) kombinēšanas process, veidojot esteri (RCOOR) un ūdeni.
Metanola lietošana skābā esterificēšana
Ja skābes esterifikāciju izmanto, lai samazinātu FFA izejvielās, tūlītējās enerģijas prasības ir salīdzinoši zemas. Tomēr ūdens rodas esterifikācijas reakcijas laikā – radīt mitru, skābu metanolu, kas jāneitralizē, jāžāvē un jāatgūst. Šis metanola reģenerācijas process ir dārgs.
Ja izejvielu īpatsvars sākumā ir 20–40 % vai pat lielāks, var būt vajadzīgi vairāki pasākumi, lai tās samazinātu līdz pieņemamam līmenim. Tas nozīmē, ka tiek radīts vēl skābāks, mitrāks metanols. Pēc skābā metanola neitralizēšanas žāvēšanai nepieciešama daudzpakāpju destilācija ar ievērojamu atteces ātrumu, kā rezultātā tiek izmantots ļoti liels enerģijas patēriņš.
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no Laboratorija lai rūpnieciskais izmērs.