Biodiesel prin (trans)esterificare îmbunătățită cu ultrasunete
Biodieselul este sintetizat prin transesterificare folosind un catalizator bazic. Totuși, dacă se utilizează materii prime precum uleiurile vegetale uzate de calitate inferioară cu un conținut ridicat de acizi grași liberi, este necesară o etapă de pretratare chimică prin esterificare folosind un catalizator acid. Ultrasonicarea și efectele sale sonochimice și sonomecanice contribuie la ambele tipuri de reacții și cresc în mod spectaculos eficiența conversiei biodieselului. Producția de biodiesel cu ultrasunete este semnificativ mai rapidă decât sinteza convențională a biodieselului, duce la un randament și o calitate superioare ale biodieselului și economisește reactivi precum metanolul și catalizatorul.
Conversia biodieselului folosind ultrasunete de 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 glicerol 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 pretratare prin esterificare acidă pentru a evita formarea de săpun. Acest proces de cataliză acidă este o reacție foarte lentă atunci când este realizat prin metoda convențională în șarjă. Soluția pentru accelerarea procesului lent de esterificare este aplicarea ultrasunetelor de putere. Sonicarea realizează o îmbunătățire semnificativă a vitezei de reacție, a conversiei și a randamentului de biodiesel, deoarece efectele sonochimice ale ultrasunetelor de mare putere promovează și intensifică cataliza acidă. Cavitația ultrasonică furnizează forțe sonomecanice, adică amestecare cu forfecare ridicată, precum și energie sonochimică. Aceste două tipuri de impact ultrasonic (sonomecanic și sonochimic) transformă esterificarea catalizată 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 prezintă instalarea a 3x UIP1000hdT (fiecare cu o putere ultrasonică de 1kW) pentru procesare inline.
Cum funcționează conversia biodieselului cu ultrasunete?
Ultrasonicarea între diferitele faze în transesterificare (numită uneori și 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 rezultat al imploziei bulelor de vid din lichid. Cavitația acustică se caracterizează prin forțe de forfecare ridicate și turbulențe, 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 semnificativ reacția de conversie a biodieselului.
Transesterificarea trigliceridelor în biodiesel (FAME) prin sonicare duce la o reacție accelerată și la o eficiență semnificativ mai mare.
S-a dovedit științific și industrial că aplicarea ultrasunetelor în timpul conversiei biodieselului îmbunătățește eficiența procesului. Îmbunătățirea eficienței procesului poate fi atribuită consumului redus de energie și costurilor de operare reduse, utilizării reduse de alcool (adică metanol), cantității mai mici de catalizator și timpului de reacție semnificativ scurtat. Costurile energetice pentru încălzire sunt eliminate, deoarece nu este necesară încălzirea externă. În plus, separarea fazelor dintre biodiesel și glicerol este mai simplă, cu un timp de separare a fazelor mai scurt. Un factor important pentru utilizarea comercială a ultrasunetelor în producția de biodiesel este scalarea simplă la orice volum, funcționarea fiabilă și sigură, precum și robustețea și fiabilitatea echipamentelor cu ultrasunete (standard industrial, capabile să funcționeze continuu 24/7/365 la sarcină maximă).
Sistem industrial cu ultrasunete cu celulă de flux pentru esterificarea și transesterificarea inline a biodieselului.
Esterificarea și transesterificarea cu ultrasunete pot fi realizate ca proces în șarjă sau ca proces inline continuu. Diagrama prezintă procesul inline cu ultrasunete pentru transesterificarea biodieselului (FAME).
Esterificarea și transesterificarea cu ultrasunete pot fi realizate ca proces în șarjă sau ca proces inline continuu. Această diagramă prezintă procesul în șarjă cu ultrasunete pentru conversia biodieselului.
Conversia în două etape a biodieselului asistată de ultrasunete, cu etape de reacție catalizate acid și bazic
Pentru materiile prime cu un conținut ridicat de FFA, producția de biodiesel se realizează ca reacție catalizată acid sau bazic într-un proces în două etape. Ultrasunetele contribuie la ambele tipuri de reacții, atât la esterificarea catalizată acid, cât și la transesterificarea catalizată bazic:
Esterificarea catalizată acid cu ajutorul ultrasunetelor
Pentru a trata un exces de acizi grași liberi din materia primă, este necesar procesul de esterificare. Acidul sulfuric este utilizat în mod obișnuit drept catalizator acid.
- Pregătiți materia primă prin filtrare și rafinare pentru îndepărtarea contaminanților și a apei.
- Dizolvați catalizatorul, și anume acidul sulfuric, în metanol. Introduceți fluxul de catalizator/ metanol și materia primă printr-un schimbător de căldură și un mixer static pentru a obține un preamestec brut.
- Preamestecul de catalizator și materie primă intră direct în camera de reacție cu ultrasunete, unde amestecarea ultrafină și sonochimia își fac efectul, iar acizii grași liberi sunt transformați în biodiesel.
- În final, deshidratați produsul și introduceți-l în a doua etapă – transesterificarea cu ultrasunete. Metanolul acid umed este, după recuperare, uscare și neutralizare, gata pentru reutilizare.
- Pentru materiile prime cu un conținut foarte ridicat de FFA, 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
Citiți mai multe despre esterificarea catalizată acid a FFA, îmbunătățită cu ultrasunete!
Transesterificarea catalizată bazic cu ajutorul ultrasunetelor
Materia primă, care acum conține doar cantități mici de FFA, poate fi introdusă direct în etapa de transesterificare. Cel mai frecvent, hidroxidul de sodiu sau hidroxidul de potasiu (NaOH, KOH) este utilizat drept catalizator bazic.
- Dizolvați catalizatorul, și anume hidroxidul de potasiu, în metanol și introduceți fluxurile de catalizator/ metanol și de materie primă pretratată printr-un mixer static pentru a obține un preamestec brut.
- Introduceți preamestecul direct în camera de reacție cu ultrasunete pentru amestecarea cavitațională cu forfecare ridicată și tratamentul sonochimic. Produsele acestei reacții sunt esterii alchilici (adică biodieselul) și glicerina. Glicerina poate fi separată prin decantare sau prin centrifugare.
- Biodieselul produs cu ultrasunete este de înaltă calitate și este fabricat rapid, eficient din punct de vedere energetic și al costurilor, prin economisirea metanolului și a catalizatorului.
Reacția de transesterificare folosind un catalizator bazic:
Ulei / Grăsime + Alcool → Biodiesel + Glicerol
Utilizarea și recuperarea metanolului
Metanolul este o componentă esențială în producția de biodiesel. Conversia biodieselului bazată pe ultrasunete permite o utilizare semnificativ redusă a metanolului. Dacă acum vă gândiți „Nu mă interesează consumul meu de metanol, deoarece oricum îl recuperez”, ați putea să reconsiderați și să luați în calcul costul energetic exorbitant de ridicat aferent etapei de evaporare (de exemplu, folosind o coloană de distilare), care este necesară pentru separarea și reciclarea metanolului.
Metanolul este de obicei îndepărtat după ce biodieselul și glicerina s-au separat în două straturi, prevenind inversarea reacției. Metanolul este apoi purificat și reciclat înapoi la începutul procesului. Producând biodiesel prin esterificare și transesterificare bazate pe ultrasunete, puteți reduce în mod spectaculos consumul de metanol, reducând astfel cheltuielile energetice exorbitant de ridicate pentru recuperarea metanolului. Utilizarea reactoarelor cu ultrasunete Hielscher reduce cantitatea necesară de metanol în exces cu până la 50%. Un raport molar între 1:4 și 1:4,5 (ulei : metanol) este suficient pentru majoritatea materiilor prime atunci când se utilizează amestecarea cu ultrasunete Hielscher.
Esterificarea cu ultrasunete este o etapă de pretratare care transformă materia primă de calitate inferioară, bogată în FFA, în esteri. În a 2-a etapă, de transesterificare cu ultrasunete, trigliceridele sunt transformate în biodiesel (FAME).
Eficiență crescută a conversiei biodieselului cu ultrasunete – dovedită științific
Numeroase grupuri de cercetători au investigat mecanismul și efectele transesterificării biodieselului cu ultrasunete. De exemplu, echipa de cercetare a lui Sebayan Darwin a demonstrat că cavitația ultrasonică a crescut activitatea chimică și viteza de reacție, rezultând o formare semnificativ crescută de esteri. Tehnica cu ultrasunete a redus timpul reacției de transesterificare la 5 minute – în comparație cu 2 ore pentru procesarea prin agitare mecanică. Conversia trigliceridelor (TG) în FAME sub ultrasonicare a atins 95,6929%wt, cu un raport molar metanol-ulei de 6:1 și 1%wt hidroxid de sodiu drept catalizator. (cf. Darwin et al. 2010)
Ultrasonicatoare de dimensiuni medii și la scară mare pentru procesarea biodieselului
Hielscher Ultrasonics furnizează procesoare industriale cu ultrasunete de dimensiuni mici până la medii, precum și la scară mare, pentru producția eficientă de biodiesel la orice volum. Oferind sisteme 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 operată ca proces în șarjă sau ca proces inline continuu. Instalarea și operarea sunt simple, sigure și oferă în mod fiabil producții ridicate de biodiesel de calitate superioară.
Mai jos găsiți configurațiile de reactor recomandate pentru o gamă de capacități de producție.
|
tone/oră
|
gal/oră
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT |
0,25 până la 0,5
|
80 până la 160
|
| 1x UIP1000hdT |
0,5 până la 1,0
|
160 până la 320
|
| 1x UIP1500hdT |
0,75 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 la 1920
|
| 6x UIP1500hdT |
4,5 până la 9,0
|
1440 până la 2880
|
Contactați-ne! / Întrebați-ne!
Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru aplicații de amestecare, dispersie, emulsionare și extracție la scară de laborator, pilot și 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.
Informații utile
Producția de biodiesel
Biodieselul este produs atunci când trigliceridele sunt transformate în esteri metilici ai acizilor grași liberi (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, esterii alchilici se formează din materia primă de ulei vegetal sau grăsime animală. 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 uleiurile vegetale și grăsimile animale. Deoarece biodieselul poate fi produs din diverse materii prime, cum ar fi uleiurile vegetale virgine, uleiurile vegetale uzate, uleiurile de prăjire folosite, grăsimile animale precum 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. Problema principală este că acizii grași liberi (FFA) reacționează cu catalizatorii alcalini, ducând la formarea de săpun. Formarea de săpun cauzează ulterior probleme la separarea glicerolului. Prin urmare, materiile prime care conțin cantități mari de FFA necesită în majoritatea cazurilor o pretratare (o așa-numită reacție de esterificare), în timpul căreia FFA sunt transformați în esteri. Ultrasonicarea promovează ambele reacții, transesterificarea și esterificarea.
Reacția chimică de esterificare
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 materia primă, necesarul imediat de energie este relativ scăzut. Totuși, în timpul reacției de esterificare se formează apă – rezultând metanol acid umed, care trebuie neutralizat, uscat și recuperat. Acest proces de recuperare a metanolului este costisitor.
Dacă materiile prime inițiale au 20 până la 40 % sau procente chiar mai mari de FFA, pot fi necesare mai multe etape pentru a le aduce la niveluri acceptabile. Aceasta înseamnă că se formează și mai mult metanol acid umed. După neutralizarea metanolului acid, uscarea necesită o distilare în mai multe etape cu rate de reflux semnificative, ceea ce duce la un consum foarte ridicat de energie.
Ce uleiuri se utilizează pentru producția de biodiesel?
Uleiurile utilizate pentru producția de biodiesel includ uleiuri vegetale, cum ar fi uleiul de soia, de rapiță (canola), de floarea-soarelui, uleiul de palmier și uleiul din zațul de cafea, precum și grăsimi animale precum seul și untura. Uleiurile uzate, inclusiv uleiul de gătit folosit și uleiurile extrase din zațul de cafea, sunt de asemenea utilizate în mod obișnuit. Aceste uleiuri, compuse în principal din trigliceride, sunt supuse transesterificării cu alcool pentru a produce esteri metilici ai acizilor grași (FAME), compușii chimici care formează biodieselul. Sonicarea îmbunătățește conversia uleiurilor uzate în biodiesel prin intensificarea procesului de transesterificare prin aplicarea undelor ultrasonice de mare intensitate. În uleiurile uzate, care conțin adesea impurități și un conținut mai ridicat de acizi grași liberi, sonicarea ajută la descompunerea acestor impurități și îmbunătățește amestecarea reactanților. Acest lucru duce la viteze de reacție mai mari, 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.
Citiți mai multe despre modul în care sonicarea intensifică extracția uleiurilor din zațul de cafea și transesterificarea acestor uleiuri în biodiesel!
Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță de la scară de laborator până la scară industrială.