Биодизельное топливо с помощью ультразвуковой (транс-)этерификации

Биодизельное топливо синтезируется путем переэтерификации с использованием основания-катализатора. Однако, если используется сырье, такое как низкосортные растительные отходы с высоким содержанием свободных жирных кислот, требуется этап предварительной химической обработки этерификации с использованием кислотного кататлиста. Ультразвуковое воздействие и его сонохимическое и сономеханическое воздействие способствуют обоим типам реакций и значительно повышают эффективность преобразования биодизеля. Ультразвуковое производство биодизельного топлива значительно быстрее, чем при обычном синтезе биодизельного топлива, приводит к более высокому выходу и качеству биодизельного топлива, а также позволяет экономить реагенты, такие как метанол и катализатор.

Конверсия биодизеля с помощью силового ультразвука

Для биодизеля сложные эфиры жирных кислот получают путем переэтерификации растительных масел, а также животных жиров (например, жира). В ходе реакции переэтерификации глицериновый компонент заменяется другим спиртом, например, метанолом. Сырье с высоким содержанием свободных жирных кислот, например, отходы растительных масел (WVO), требует предварительной обработки кислотной этерификации во избежание образования мыла. Этот процесс кислотного катализа является очень медленной реакцией, если проводить его обычным периодическим методом. Решением для ускорения процесса медленной этерификации является применение силового ультразвука. Ультразвуковая обработка позволяет добиться значительного улучшения скорости реакции, конверсии и выхода биодизельного топлива, поскольку сонохимические эффекты мощного ультразвука способствуют и усиливают кислотный катализ. Ультразвуковая кавитация обеспечивает сономеханические силы, т.е. перемешивание с большими сдвиговыми усилиями, а также сонохимическую энергию. Оба вида ультразвукового воздействия (сономеханическое и сонохимическое) превращают катализируемую кислотой этерификацию в быструю реакцию, требующую меньшего количества катализатора.

Как работает ультразвуковая конверсия биодизеля?

Ультразвуковая обработка между различными фазами при переэтерификации (также иногда называемой алкоголизом) и этерификации основана на улучшении перемешивания, а также на увеличении тепло- и массообмена. Ультразвуковое перемешивание основано на принципе акустической кавитации, которая возникает в результате схлопывания пузырьков вакуума в жидкости. Акустическая кавитация характеризуется высокими поперечными силами и турбулентностью, а также очень большими перепадами давления и температуры. Эти силы способствуют химической реакции переэтерификации / этерификации и интенсифицируют массо- и теплообмен, тем самым значительно улучшая реакцию преобразования биодизеля.

Переэтерификация триглицеридов в биодизельное топливо (FAME) с использованием ультразвука приводит к ускорению реакции и значительному повышению эффективности.

Научно и промышленно доказано, что применение ультразвука при конверсии биодизеля повышает эффективность процесса. Повышение эффективности процесса можно объяснить снижением энергопотребления и эксплуатационных расходов, а также сокращением использования спирта (т.е. метанола), меньшим количеством катализатора и значительно сокращенным временем реакции. Затраты энергии на отопление исключаются, так как нет необходимости во внешнем отоплении. Кроме того, разделение фаз между биодизельным топливом и глицерином является более простым и имеет более короткое время разделения фаз. Важным фактором для коммерческого использования ультразвука в производстве биодизеля является простое масштабирование до любого объема, надежная и безопасная работа, а также прочность и надежность ультразвукового оборудования (промышленный стандарт, способный непрерывно работать 24/7/365 при полной нагрузке).

Ультразвуковая промышленная система с проточной ячейкой для поточной этерфикации и переэтерификации биодизельного топлива.

Двухступенчатая конверсия биодизеля с помощью ультразвука с применением кислотных и щелочных реакций

Для сырья с высоким содержанием СЖК производство биодизельного топлива осуществляется в виде кислотной или катализируемой основанием реакции в два этапа. Ультразвук способствует двум типам реакций: кислотно-катализируемой этерификации и катализируемой основаниями переэтерификации:

Кислотно-катализируемая этерификация с использованием ультразвука

Для лечения избытка свободных жирных кислот в исходном сырье необходим процесс этерификации. Серная кислота обычно используется в качестве кислотного катализатора.

• Подготовка сырья путем фильтрации и очистки от загрязнений и воды.
• Растворите катализатор, а именно серную кислоту, в метаноле. Поток катализатора/метанола и исходного сырья через теплообменник и статический смеситель для получения предварительной смеси для сырой нефти.
• Предварительное смешивание катализатора и исходного сырья поступает непосредственно в ультразвуковую реакционную камеру, где происходит ультратонкое смешивание и сонохимия, а свободные жирные кислоты превращаются в биодизельное топливо.
• Наконец, обезвоживаем продукт и подаем его на второй этап – ультразвуковую переэтерификацию. Кислый влажный метанол после восстановления, сушки и нейтрализации готов к повторному использованию.
• Для сырья, содержащего СЖК с очень высоким содержанием СЖК, может потребоваться установка рециркуляции, позволяющая снизить СЖК до разумного уровня до этапа переэтерификации.

Реакция этерификации с использованием кислотного катализатора:
СЖК + спирт → эфир + вода

Катализируемая основаниями переэтерификация с использованием ультразвука

Сырье, которое в настоящее время содержит лишь небольшое количество СЖК, может быть непосредственно подано на стадию переэтерификации. Чаще всего в качестве основного катализатора используется гидроксид натрия или гидроксид калия (NaOH, KOH).

• Растворите катализатор, а именно гидроксид калия, в метаноле и подайте потоки катализатора/метанола и предварительно обработанного сырья через статический смеситель для получения сырой предварительной смеси.
• Подайте предварительную смесь непосредственно в ультразвуковую реакционную камеру для кавитационного смешивания с большими сдвиговыми усилиями и сонохимической обработки. Продуктами этой реакции являются алкиловые эфиры (т.е. биодизель) и глицерин. Глицерин может быть отделен путем отстаивания или центрифугирования.
• Биодизельное топливо, произведенное ультразвуковым способом, отличается высоким качеством и производится быстро, энергоэффективно и экономично за счет экономии метанола и катализатора.

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

Использование метанола & Извлечение метанола

Метанол является ключевым компонентом при производстве биодизеля. Преобразование биодизеля с ультразвуковым приводом позволяет значительно сократить использование метанола. Если вы сейчас думаете: «Мне все равно, как я использую метанол, так как я все равно его восстанавливаю», вы можете переосмыслить и подумать о непомерно высоких энергетических затратах, которые применяются к этапу выпаривания (например, с использованием дистилляционной колонны), который необходим для отделения и переработки метанола.
Метанол обычно удаляют после того, как биодизельное топливо и глицерин были разделены на два слоя, что предотвращает обратное реакцию. Затем метанол очищается и перерабатывается в начале процесса. Производя биодизельное топливо с помощью ультразвуковой этерификации и переэтерификации, вы можете значительно сократить использование метанола, тем самым снижая непомерно высокие затраты энергии на извлечение метанола. Использование ультразвуковых реакторов Хильшера снижает необходимое количество избыточного метанола до 50%. Молярное соотношение от 1:4 до 1:4,5 (масло : метанол) достаточно для большинства исходных материалов при использовании ультразвукового смешивания по Хильшеру.

Ультразвуковое повышение эффективности преобразования биодизеля – научно доказано

Многочисленные группы исследователей исследовали механизм и эффекты ультразвуковой переэтерификации биодизеля. Например, исследовательская группа Себаяна Дарвина продемонстрировала, что ультразвуковая кавитация увеличивает 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 механическом перемешивании. Конверсия триглицеридов (ТГ) в FAME под ультразвуком получила 95,6929% масс. с молярным отношением метанола к маслу 6:1 и 1% масс. (ср. Darwin et al. 2010)

Ультразвуковые аппараты среднего и большого назначения для переработки биодизеля

Hielscher Ultrasonics’ Поставляет малые и средние, а также крупные промышленные ультразвуковые процессоры для эффективного производства биодизеля в любом объеме. Предлагая ультразвуковые системы любого масштаба, Hielscher может предложить идеальное решение как для небольших производителей, так и для крупных компаний. Ультразвуковая конверсия биодизеля может работать как периодическая, так и непрерывная в потоке. Установка и эксплуатация просты, безопасны и обеспечивают стабильно высокую производительность биодизельного топлива превосходного качества.
Ниже приведены рекомендуемые конфигурации реакторов для различных скоростей производства.