Biodiesel prin ultrasonically îmbunătățit (Trans-) esterificare
Biodieselul este sintetizat prin transesterificare folosind un catalizator de bază. Cu toate acestea, în cazul în care se utilizează materia primă, cum ar fi deșeurile vegetale de calitate inferioară, cu un conținut ridicat de acizi grași liberi, este necesară o etapă de tratare prealabilă chimică a esterificării cu ajutorul unui catatlist acid. Ultrasonication și efectele sale sonochimice și sonomechanical contribuie la ambele tipuri de reacții și crește eficiența conversiei biodieselului dramatic. Producția de biodiesel cu ultrasunete este semnificativ mai rapidă decât sinteza biodieselului convențional, are ca rezultat un randament și o calitate mai mare a biodieselului și economisește reactivi, ar fi metanolul și catalizatorul.
Biodiesel de conversie folosind ultrasunete putere
Pentru biodiesel, esterii acizilor grași sunt produși prin transesterificarea uleiurilor vegetale, precum și a grăsimilor animale (de exemplu, seu). În timpul reacției de transesterificare, componenta glicerolului este înlocuită cu un alt alcool, cum ar fi metanolul. Materiile prime cu un conținut ridicat de acizi grași liberi, de exemplu uleiurile vegetale uzate (WVO), necesită o tratare prealabilă a esterificării acide pentru a evita formarea săpunului. Acest proces de cataliză acidă este o reacție foarte lentă, atunci când este efectuată ca metodă convențională de lot. Soluția pentru accelerarea procesului de esterificare lentă este aplicarea ultrasunetelor de putere. Sonicare realizează o îmbunătățire semnificativă a vitezei de reacție, conversia și randamentul biodieselului, deoarece efectele sonochimice ale ultrasunetelor de mare putere promovează și intensifică cataliza acidă. Cavitația cu ultrasunete oferă forțe sonomecanice, adică amestecarea cu forfecare ridicată, precum și energia sonochimică. Aceste ambele tipuri de impact cu ultrasunete (sonomechanical și sonochimice) transforma esterificarea catalizată de acid într-o reacție rapidă care necesită mai puțin catalizator.
Amestecarea cu ultrasunete îmbunătățește rata de conversie a biodieselului, crește randamentul și economisește excesul de metanol și catalizator. Imaginea arată instalarea 3x UIP1000hdT (fiecare putere cu ultrasunete de 1kW) pentru prelucrare în linie.
Cum funcționează conversia biodieselului cu ultrasunete?
Ultrasonication între diferite faze în transesterificare (de asemenea, uneori numit alcooliză) și esterificare se bazează pe îmbunătățirea amestecării, precum și pe un transfer crescut de căldură și masă. Amestecarea cu ultrasunete se bazează pe principiul cavitației acustice, care apare ca urmare a implodării bulelor de vid în lichid. Cavitația acustică se caracterizează prin forțe și turbulențe de forfecare ridicate, precum și prin diferențe foarte mari de presiune și temperatură. Aceste forțe promovează reacția chimică de transesterificare? esterificare și intensifică transferul de masă și căldură, îmbunătățind astfel reacția de conversie biodiesel semnificativ.
Transesterificarea trigliceridelor în biodiesel (FAME) folosind sonicare are ca rezultat o reacție accelerată și o eficiență semnificativ mai mare.
Aplicarea de ultrasunete în timpul conversiei biodiesel a fost dovedit științific și industrial pentru a îmbunătăți eficiența procesului. Îmbunătățirea eficienței procesului poate fi atribuită consumului redus de energie și costurilor de operare, precum și utilizării reduse a alcoolului (adică metanol), mai puțin catalizator și timp de reacție redus semnificativ. Costul energiei pentru încălzire este eliminat, deoarece nu există nicio cerință pentru încălzirea externă. În plus, separarea fazelor între biodiesel și glicerol este mai simplă, cu un timp mai scurt de separare a fazelor. Un factor important pentru utilizarea comercială a ultrasunetelor în producția de biodiesel este scalarea simplă până la orice volum, funcționarea fiabilă și sigură, precum și robustețea și fiabilitatea echipamentului cu ultrasunete (standard industrial, capabil să funcționeze continuu 24/7/365 sub sarcină maximă).
Sistem industrial cu ultrasunete cu celulă de flux pentru esterificare biodiesel inline și transesterificare.
Esterificarea cu ultrasunete și transesterificarea pot fi rulate ca lot sau proces continuu inline. Graficul arată procesul cu ultrasunete inline pentru biodiesel (FAME) transesterfication.
Esterificarea cu ultrasunete și transesterificarea pot fi rulate ca lot sau proces continuu inline. Această diagramă arată procesul lot cu ultrasunete pentru conversia biodiesel.
Ultrasonically-asistat doi pași de conversie biodiesel aplicarea acid și pași de reacție catalizată de bază
Pentru materiile prime cu un conținut ridicat de FFA, producția de biomotorină se realizează ca reacție acidă sau catalizată bazic într-un proces în două etape. Ultrasunetele contribuie la două tipuri de reacții, esterificarea catalizată de acid, precum și transesterificarea catalizată de bază:
Esterificare catalizată de acid folosind ultrasunete
Pentru a trata un exces de acizi grași liberi în materia primă, este necesar procesul de esterificare. Acidul sulfuric este utilizat în mod obișnuit ca catalizator acid.
- Pregătiți materia primă prin filtrare și rafinare din contaminanți și apă.
- Se dizolvă catalizatorul, și anume acidul sulfuric, în metanol. Fluxul de alimentare al catalizatorului/metanolului și al materiei prime printr-un schimbător de căldură și un mixer static pentru a obține un preamestec brut.
- Pre-mix de catalizator și materie primă merge direct în camera de reacție cu ultrasunete, în cazul în care amestecarea ultra-fin și sonochimia au efect și acizii grași liberi sunt transformate în biodiesel.
- În cele din urmă, deshidratați produsul și alimentați-l în a doua etapă – transesterificarea cu ultrasunete. Metanolul umed acid este, după recuperare, uscare și neutralizare, gata de reutilizare.
- Pentru materiile prime care conțin FFA foarte ridicate, poate fi necesară o configurație de recirculare pentru a reduce FFA la un nivel rezonabil înainte de etapa de transesterificare.
Reacția de esterificare folosind un catalizator acid:
FFA + alcool → ester + apă
Transesterificare catalizată de bază folosind ultrasunete
Materia primă, care are acum doar cantități mici de FFA, poate fi alimentată direct în etapa de transesterificare. Cel mai frecvent hidroxid de sodiu sau hidroxid de potasiu (NaOH, KOH) este utilizat ca catalizator de bază.
- Se dizolvă catalizatorul, și anume hidroxidul de potasiu, în metanol și se alimentează fluxurile de catalizator/metanol și materiile prime pretratate printr-un mixer static pentru a obține un preamestec brut.
- Alimentați pre-mixul direct în camera de reacție cu ultrasunete pentru amestecarea cavitațională de forfecare înaltă și tratamentul sonochimic. Produsele acestei reacții sunt esteri alchilici (adică biodiesel) și glicerină. Glicerina poate fi separată prin sedimentare sau prin centrifugare.
- Biodieselul produs ultrasonically este de înaltă calitate și fabricat rapid, eficient din punct de vedere energetic și rentabil prin economisirea metanolului și catalizator.
Reacția de transesterificare folosind un catalizator de bază:
Ulei? Grăsime + Alcool → Biodiesel + Glicerol
Utilizarea metanolului & Recuperarea metanolului
Metanolul este o componentă cheie în timpul producției de biodiesel. Conversia biodieselului acționată cu ultrasunete permite o utilizare semnificativ redusă a metanolului. Dacă acum te gândești “Nu-mi pasă de consumul meu de metanol, deoarece îl recuperez oricum”, ați putea regândi și lua în considerare costul ridicat exorbitant al energiei care se aplică pentru etapa de evaporare (de exemplu, folosind o coloană de distilare), care este necesar pentru a separa și recicla metanolul.
Metanolul este de obicei eliminat după ce biodieselul și glicerina au fost separate în două straturi, prevenind inversarea reacției. Metanolul este apoi curățat și reciclat până la începutul procesului. Producerea de biodiesel prin esterificare ultrasonically condus și transesterificare, sunteți în măsură să reducă utilizarea metanol dramatic, reducând astfel exorbitant mare cheltuielile de energie pentru recuperarea metanol. Utilizarea reactoarelor cu ultrasunete Hielscher reduce cantitatea necesară de metanol în exces cu până la 50%. Un raport molar între 1:4 sau 1:4.5 (ulei: metanol) este suficient pentru cele mai multe materii prime, atunci când se utilizează Hielscher amestecare cu ultrasunete.
Esterificarea cu ultrasunete este o etapă de pretratare, care a redus materia primă de calitate inferioară ridicată în FFA în esteri. În etapa a 2-a de transesterificare cu ultrasunete, trigliceridele sunt transformate în biodiesel (FAME).
Creșterea eficienței conversiei biodieselului cu ultrasunete – dovedit științific
Numeroase grupuri de cercetători au investigat mecanismul și efectele transesterificării cu ultrasunete a biodieselului. De exemplu, echipa de cercetare a Sebayan Darwin a demonstrat că cavitația cu ultrasunete a crescut activitatea chimică și rata de reacție, rezultând într-o formare semnificativ crescută a esterului. Tehnica cu ultrasunete a redus timpul de reacție de transesterificare la 5 minute – în comparație cu 2 ore pentru prelucrarea mecanică a agitării. Conversia trigliceridelor (TG) la FAME sub ultrasonication obținut 95.6929%wt cu un raport molar metanol-ulei de 6: 1 și 1% wt hidroxid de sodiu ca catalizator. (cf. Darwin et al. 2010)
Ultrasonicators de dimensiuni medii și pe scară largă pentru prelucrarea biodieselului
Hielscher Ultrasonics’ Furnizează procesoare cu ultrasunete industriale mici până la mijlocii, precum și la scară largă pentru producția eficientă de biodiesel la orice volum. Oferind sistem cu ultrasunete la orice scară, Hielscher poate oferi soluția ideală atât pentru producătorii mici, cât și pentru companiile mari. Conversia biodieselului cu ultrasunete poate fi operat ca lot sau ca proces continuu inline. Instalarea și funcționarea este simplă, sigură și oferă în mod fiabil randamente ridicate de calitate superioară a biodieselului.
Mai jos veți găsi configurațiile recomandate ale reactoarelor pentru o serie de rate de producție.
|
tonă/oră
|
gal/oră
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT |
00,25 până la 0,5
|
80 până la 160
|
| 1x UIP1000hdT |
0.5 până la 1.0
|
160 până la 320
|
| 1x UIP1500hdT |
00,75 până la 1,5
|
240 până la 480
|
| 2x UIP1000hdT |
1,0 până la 2,0
|
320 până la 640
|
| 2x UIP1500hdT |
1,5 până la 3,0
|
480 până la 960
|
| 4x UIP1500hdT |
3,0 până la 6,0
|
960 până în 1920
|
| 6x UIP1500hdT |
4,5 până la 9,0
|
1440 până la 2880
|
Contactează-ne!? Întreabă-ne!
Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru aplicații de amestecare, dispersie, emulsionare și extracție pe laborator, pilot și scară industrială.
Literatură? Referințe
- 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.
Fapte care merită știute
Producția de biodiesel
Biodieselul este produs atunci când trigiceridele sunt transformate în ester metilic gras liber (FAME) printr-o reacție chimică cunoscută sub numele de transesterificare. În timpul reacției de transesterificare, trigliceridele din uleiurile vegetale sau grăsimile animale reacționează în prezența unui catalizator (de exemplu, hidroxid de potasiu sau hidroxid de sodiu) cu un alcool primar (de exemplu, metanol). În această reacție, se formează esteri alchilici din materia primă a uleiului vegetal sau a grăsimilor animale. Trigliceridele sunt gliceride, în care glicerolul este esterificat cu acizi cu lanț lung, cunoscuți sub numele de acizi grași. Acești acizi grași sunt prezenți din abundență în uleiul vegetal și grăsimile animale. Deoarece biodieselul poate fi produs din diferite materii prime diferite, cum ar fi uleiuri vegetale virgine, uleiuri vegetale uzate, uleiuri de prăjit uzate, grăsimi animale, cum ar fi seul și untura, cantitatea de acizi grași liberi (FFA) poate varia foarte mult. Procentul de acizi grași liberi ai trigliceridelor este un factor crucial care influențează drastic procesul de producție a biodieselului și calitatea biodieselului rezultat. O cantitate mare de acizi grași liberi poate interfera cu procesul de conversie și poate deteriora calitatea finală a biodieselului. Principala problemă este că acizii grași liberi (FFA) reacționează cu catalizatorii alcalini, ducând la formarea săpunului. Formarea săpunului cauzează ulterior probleme de separare a glicerolului. Prin urmare, materiile prime care conțin cantități mari de FFA necesită în cea mai mare parte o tratare prealabilă (o așa-numită reacție de esterificare), în timpul căreia FFA sunt transformate în esteri. Ultrasonication promovează ambele reacții, transesterificare și esterificare.
Reacția chimică a esterificării
Esterificarea este procesul de combinare a unui acid organic (RCOOH) cu un alcool (ROH) pentru a forma un ester (RCOOR) și apă.
Utilizarea metanolului în esterificarea acidă
Atunci când esterificarea acidă este utilizată pentru a reduce FFA din materiile prime, cerințele energetice imediate sunt relativ scăzute. Cu toate acestea, apa este creată în timpul reacției de esterificare – creând metanol umed, acid, care trebuie neutralizat, uscat și recuperat. Acest proces de recuperare a metanolului este costisitor.
În cazul în care materiile prime inițiale au procente de 20 până la 40 % sau chiar mai mari de FFA, pot fi necesare mai multe etape pentru a le reduce la niveluri acceptabile. Aceasta înseamnă că se creează metanol umed și mai acid. După neutralizarea metanolului acid, uscarea necesită distilare în mai multe etape cu rate semnificative de reflux, rezultând un consum foarte mare de energie.
Ce uleiuri sunt utilizate pentru producția de biodiesel?
Uleiurile utilizate pentru producția de biodiesel includ uleiuri vegetale, cum ar fi soia, rapiță (rapiță), floarea-soarelui, ulei de palmier și ulei din zaț de cafea uzat, precum și grăsimi animale precum seu și untură. Uleiurile uzate, inclusiv uleiul de gătit uzat și uleiurile extrase din zațul de cafea uzat, sunt, de asemenea, utilizate în mod obișnuit. Aceste uleiuri, compuse în principal din trigliceride, suferă transesterificare cu alcool pentru a produce esteri metilici ai acizilor grași (FAME), compușii chimici care formează biodieselul. Sonicarea îmbunătățește conversia biodieselului uleiurilor uzate prin îmbunătățirea procesului de transesterificare prin aplicarea undelor cu ultrasunete de mare intensitate. În uleiurile uzate, care au adesea impurități și un conținut mai mare de acizi grași liberi, sonicarea ajută la descompunerea acestor impurități și îmbunătățește amestecarea reactanților. Acest lucru are ca rezultat rate de reacție mai rapide, timpi de reacție reduși și randamente mai mari de biodiesel, chiar și cu materii prime de calitate inferioară. Sonicarea permite, de asemenea, utilizarea redusă a catalizatorului și un consum mai mic de energie, făcând conversia uleiurilor uzate în biodiesel mai eficientă și mai rentabilă.
Citește mai mult Cum sonicarea intensifică extracția uleiurilor din zațul de cafea uzat și transesterificarea acestor uleiuri în biodiesel!
Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță de la Laborator spre dimensiunea industrială.