Биодизель посредством (пере)этерификации, улучшенной ультразвуком

Биодизель синтезируют посредством переэтерификации с использованием основного катализатора. Однако при использовании такого сырья, как низкокачественные отработанные растительные масла с высоким содержанием свободных жирных кислот, необходим этап предварительной химической обработки посредством этерификации с использованием кислотного катализатора. Обработка ультразвуком и её сонохимические и сономеханические эффекты способствуют протеканию обоих типов реакций и резко повышают эффективность преобразования сырья в биодизель. Ультразвуковое производство биодизеля значительно быстрее традиционного синтеза биодизеля, обеспечивает более высокий выход и качество биодизеля и позволяет экономить такие реагенты, как метанол и катализатор.

Преобразование сырья в биодизель с помощью мощного ультразвука

Для получения биодизеля сложные эфиры жирных кислот производят посредством переэтерификации растительных масел, а также животных жиров (например, топлёного животного жира). В ходе реакции переэтерификации глицериновый компонент заменяется другим спиртом, например метанолом. Сырьё с высоким содержанием свободных жирных кислот, например отработанные растительные масла (WVO), требует предварительной обработки посредством кислотной этерификации во избежание образования мыла. Этот процесс кислотного катализа представляет собой очень медленную реакцию при проведении традиционным периодическим методом. Решением для ускорения медленного процесса этерификации является применение мощного ультразвука. Обработка ультразвуком обеспечивает значительное увеличение скорости реакции, степени превращения и выхода биодизеля, поскольку сонохимические эффекты высокомощного ультразвука способствуют кислотному катализу и усиливают его. Ультразвуковая кавитация создаёт сономеханические силы, то есть обеспечивает смешивание с высоким сдвигом, а также сонохимическую энергию. Оба типа ультразвукового воздействия (сономеханическое и сонохимическое) превращают этерификацию с кислотным катализатором в быструю реакцию, требующую меньшего количества катализатора.

Как работает ультразвуковое преобразование сырья в биодизель?

Обработка ультразвуком различных фаз при переэтерификации (также иногда называемой алкоголизом) и этерификации основана на улучшении смешивания, а также на усилении тепло- и массопереноса. Ультразвуковое смешивание основано на принципе акустической кавитации, возникающей в результате схлопывания вакуумных пузырьков в жидкости. Акустическая кавитация характеризуется высокими силами сдвига и турбулентностью, а также очень большими перепадами давления и температуры. Эти силы способствуют химической реакции переэтерификации / этерификации и усиливают массо- и теплоперенос, тем самым значительно улучшая реакцию преобразования сырья в биодизель.

Переэтерификация триглицеридов в биодизель (FAME) с использованием обработки ультразвуком приводит к ускорению реакции и значительно более высокой эффективности.

Повышение эффективности процесса при применении ультразвука во время преобразования сырья в биодизель подтверждено научными исследованиями и промышленной практикой. Повышение эффективности процесса обусловлено снижением энергопотребления и эксплуатационных затрат, сокращением расхода спирта (то есть метанола), уменьшением количества катализатора и значительным сокращением времени реакции. Затраты энергии на нагрев исключаются, поскольку внешний нагрев не требуется. Кроме того, разделение фаз биодизеля и глицерина упрощается, а время разделения фаз сокращается. Важными факторами для коммерческого применения ультразвука в производстве биодизеля являются простое масштабирование до любого объёма, надёжная и безопасная эксплуатация, а также прочность и надёжность ультразвукового оборудования (промышленный стандарт, возможность непрерывной работы 24/7/365 под полной нагрузкой).

Промышленная ультразвуковая система с проточной ячейкой для этерификации и переэтерификации при производстве биодизеля в потоке.

Двухэтапное преобразование сырья в биодизель с помощью ультразвука с применением этапов реакции с кислотным и основным катализаторами

Для сырья с высоким содержанием свободных жирных кислот (FFA) производство биодизеля осуществляется в виде реакции с кислотным или основным катализатором в рамках двухэтапного процесса. Ультразвук способствует обоим типам реакций: как этерификации с кислотным катализатором, так и переэтерификации с основным катализатором:

Этерификация с кислотным катализатором с использованием ультразвука

Для обработки избытка свободных жирных кислот в сырье необходим процесс этерификации. В качестве кислотного катализатора обычно используют серную кислоту.

• Подготовьте сырьё посредством фильтрации и очистки от загрязнений и воды.
• Растворите катализатор, а именно серную кислоту, в метаноле. Пропустите поток катализатора / метанола и сырьё через теплообменник и статический смеситель для получения грубой предварительной смеси.
• Предварительная смесь катализатора и сырья поступает непосредственно в ультразвуковую реакционную камеру, где действуют сверхтонкое смешивание и сонохимические эффекты, а свободные жирные кислоты превращаются в биодизель.
• Наконец, обезводьте продукт и подайте его на второй этап – ультразвуковую переэтерификацию. Кислый влажный метанол после регенерации, сушки и нейтрализации готов к повторному использованию.
• Для сырья с очень высоким содержанием FFA может потребоваться рециркуляционная установка для снижения содержания FFA до приемлемого уровня перед этапом переэтерификации.

 
Реакция этерификации с использованием кислотного катализатора:
FFA + Спирт → Сложный эфир + Вода
 

Узнайте больше об этерификации свободных жирных кислот с кислотным катализатором, улучшенной ультразвуком!
 
 

Переэтерификация с основным катализатором с использованием ультразвука

Сырьё, которое теперь содержит лишь небольшое количество свободных жирных кислот, можно подавать непосредственно на этап переэтерификации. Чаще всего в качестве основного катализатора используют гидроксид натрия или гидроксид калия (NaOH, KOH).

• Растворите катализатор, а именно гидроксид калия, в метаноле и пропустите потоки катализатора / метанола и предварительно обработанного сырья через статический смеситель для получения грубой предварительной смеси.
• Подайте предварительную смесь непосредственно в ультразвуковую реакционную камеру для кавитационного смешивания с высоким сдвигом и сонохимической обработки. Продуктами этой реакции являются алкиловые эфиры (то есть биодизель) и глицерин. Глицерин можно отделить отстаиванием или центрифугированием.
• Биодизель, полученный с помощью ультразвука, отличается высоким качеством и производится быстро, с высокой энергетической и экономической эффективностью благодаря экономии метанола и катализатора.

Реакция переэтерификации с использованием основного катализатора:
Масло / Жир + Спирт → Биодизель + Глицерин

Использование и регенерация метанола

Метанол является ключевым компонентом при производстве биодизеля. Преобразование сырья в биодизель под действием ультразвука позволяет значительно сократить расход метанола. Если вы сейчас думаете: «Мне неважно, сколько метанола я использую, ведь я всё равно его регенерирую», возможно, вам стоит пересмотреть свою позицию и учесть чрезвычайно высокие затраты энергии на этап испарения (например, с использованием дистилляционной колонны), необходимый для отделения и повторного использования метанола.
Метанол обычно удаляют после разделения биодизеля и глицерина на два слоя, предотвращая обратное протекание реакции. Затем метанол очищают и возвращают в начало процесса. Производя биодизель посредством этерификации и переэтерификации под действием ультразвука, вы можете резко сократить расход метанола, тем самым снижая чрезвычайно высокие затраты энергии на его регенерацию. Использование ультразвуковых реакторов Hielscher сокращает необходимое количество избыточного метанола на величину до 50%. При использовании ультразвукового смешивания Hielscher для большинства видов сырья достаточно молярного соотношения от 1:4 до 1:4,5 (масло : метанол).

Повышение эффективности преобразования сырья в биодизель с помощью ультразвука – научно доказано

Многочисленные исследовательские группы изучали механизм и эффекты ультразвуковой переэтерификации при получении биодизеля. Например, исследовательская группа Sebayan Darwin показала, что ультразвуковая кавитация повышает химическую активность и скорость реакции, что приводит к значительному увеличению образования сложных эфиров. Ультразвуковой метод сократил время реакции переэтерификации до 5 минут – по сравнению с 2 часами при обработке с механическим перемешиванием. Степень превращения триглицерида (TG) в FAME при обработке ультразвуком достигла 95,6929% по массе при молярном соотношении метанола к маслу 6:1 и использовании 1% по массе гидроксида натрия в качестве катализатора. (см. Darwin et al. 2010)

Ультразвуковые аппараты среднего и крупного масштаба для производства биодизеля

Hielscher Ultrasonics поставляет малые и средние, а также крупномасштабные промышленные ультразвуковые процессоры для эффективного производства биодизеля в любом объёме. Предлагая ультразвуковые системы любого масштаба, Hielscher может предложить идеальное решение как для небольших производителей, так и для крупных компаний. Ультразвуковое преобразование сырья в биодизель можно осуществлять как периодический процесс или как непрерывный процесс в потоке. Монтаж и эксплуатация просты, безопасны и обеспечивают стабильно высокий выход биодизеля превосходного качества.
Ниже приведены рекомендуемые конфигурации реакторов для различных уровней производительности.