Bionafta prostredníctvom rozpúšťadle vylepšené (Trans-)esterifikácia
Bionafta sa syntetizuje transesterifikáciou pomocou základného katalyzátora. Ak sa však použije surovina, ako je odpadová zelenina nízkej kvality s vysokým obsahom voľných mastných kyselín, vyžaduje sa chemický krok predbežnej úpravy esterifikácie s použitím kyslej katatlystysty. Ultrazvukom a jeho sonochemical a sonomechanické účinky prispievajú k obom typom reakcií a zvyšujú účinnosť konverzie bionafty dramaticky. Ultrazvuková výroba bionafty je výrazne rýchlejšia ako konvenčná syntéza bionafty, má za následok vyšší výnos a kvalitu bionafty a šetrí činidlá, ako je metanol a katalyzátor.
Konverzia bionafty pomocou ultrazvuku výkonu
V prípade bionafty sa estery mastných kyselín vyrábajú transesterifikáciou rastlinných olejov, ako aj živočíšnych tukov (napr. loj). Počas transesterifikačnej reakcie sa zložka glycerolu nahradí iným alkoholom, ako je metanol. Východiskové suroviny s vysokým obsahom voľných mastných kyselín, napr. Tento proces katalýzy kyseliny je veľmi pomalá reakcia, ak sa vykonáva ako konvenčná dávková metóda. Riešením na urýchlenie pomalého procesu esterifikácie je aplikácia ultrazvuku výkonu. Ultrazvukom dosahuje významné zlepšenie reakčnej rýchlosti, konverzie a bionafty výnos ako sonochemical účinky high-výkon ultrazvuk podporovať a zintenzívniť katalýzu kyseliny. Ultrazvukový kavitácie poskytuje sonomechanické sily, tj high-nožné miešanie, rovnako ako sonochemical energie. Tieto oba typy ultrazvukového nárazu (sonomechanické a sonochemical) premeniť kyselina-katalyzovaná esterifikácia do rýchlej reakcie vyžadujúce menej katalyzátora.
Ultrazvukový miešanie zlepšuje rýchlosť konverzie bionafty, zvyšuje výnos a šetrí prebytočný metanol a katalyzátor. Obrázok znázorní inštaláciu 3x UIP1000hdT (každý 1kW ultrazvukový výkon) pre inline spracovanie.
Transesterifikácia triglyceridov na bionaftu (FAME) pomocou ultrazvukom má za následok zrýchlenú reakciu a výrazne vyššiu účinnosť.
Ako funguje ultrazvuková konverzia bionafty?
Ultrazvukom medzi rôznymi fázami v transesterifikácii (tiež niekedy nazývané alkoholýza ) a esterifikácia je založená na zlepšení miešania, ako aj na zvýšenom prenose tepla a hmoty. Ultrazvukový miešanie je založený na princípe akustickej kavitácie, ktorá sa vyskytuje v dôsledku implodujúce vákuové bubliny v kvapaline. Akustická kavitácia sa vyznačuje vysokými strihacie sily a turbulencie, rovnako ako veľmi vysoký tlak a teplotné diferenciáli. Tieto sily podporujú chemickú reakciu transesterifikácie / esterifikácie a zintenzívňujú prenos hmoty a tepla, čím výrazne zlepšujú reakciu konverzie bionafty.
Aplikácia ultrazvukom počas konverzie bionafty bola vedecky a priemyselne preukázaná, že zlepšuje účinnosť procesu. Zlepšenie efektívnosti procesov možno pripísať zníženej spotrebe energie a prevádzkovým nákladom a zníženému používaniu alkoholu (t. j. metanolu), menšiemu katalyzátoru a výrazne skráteniu reakčnej doby. Náklady na energiu na vykurovanie sú eliminované, pretože neexistuje požiadavka na vonkajšie vykurovanie. Okrem toho je separácia fázy medzi bionaftou a glycerolom jednoduchšia s kratším časom separácie fázy. Dôležitým faktorom pre komerčné použitie ultrazvuku pri výrobe bionafty je jednoduchá stupnica až do akéhokoľvek objemu, spoľahlivá a bezpečná prevádzka, ako aj robustnosť a spoľahlivosť ultrazvukového zariadenia (priemyselný štandard, schopný bežať nepretržite 24/7/365 pri plnom zaťažení).
Ultrazvukový priemyselný systém s prietokovou bunkou pre inline bionaftu esterifikáciu a transesterifikáciu.
Ultrazvukový esterifikácia a transesterifikácia môže byť spustený ako dávkový alebo kontinuálny inline proces. Graf ukazuje ultrazvukový inline proces pre bionaftu (FAME) transesterfication.
Ultrazvukový esterifikácia a transesterifikácia môže byť spustený ako dávkový alebo kontinuálny inline proces. Tento graf znázorní ultrazvukový dávkový proces konverzie bionafty.
Rozpúšťadle-asistovanej dvojstupňovej konverzie bionafty použitie kyseliny- a base-katalyzovanej reakcie kroky
V prípade surovín s vysokým obsahom FFA sa výroba bionafty vykonáva ako kyslá alebo základná katalyzovaná reakcia v dvojfázového procese. Ultrazvuk prispieva dvoma oboma typmi reakcií, acido-katalyzovaná esterifikácia, ako aj základná katalyzovaná transesterifikácia:
Acido-katalyzovaná esterifikácia pomocou ultrazvuku
Na ošetrenie nadbytku voľných mastných kyselín v východiskovej suroviná je potrebný proces esterifikácie. Kyselina sírová sa bežne používa ako kyslý katalyzátor.
- Pripravte východiskové suroviny filtrovaním a rafinovaním z kontaminantov a vody.
- Rozpustite katalyzátor, a to kyselinu sírovú, v metanole. Prívod katalyzátora/ metanolu a východiskovej suroviny cez výmenník tepla a statický mixér na získanie surovej predmiešanej zmesi.
- Pre-mix katalyzátora a východiskovej suroviny ide priamo do ultrazvukovej reakčnej komory, kde účinkuje ultra jemné miešanie a sonochémia a voľné mastné kyseliny sa konvertujú na bionaftu.
- Nakoniec produkt odvlčte a nakŕmte ho dvoma druhou fázou – ultrazvukovou transesterifikáciou. Kyslý mokrý metanol je po regenerácii, sušení a neutralizácii pripravený na opätovné použitie.
- V prípade surovín obsahujúcich veľmi vysokú FFA môže byť potrebné recirkulačné nastavenie na zníženie FFA na primeranú úroveň pred krokom transesterifikácie.
Esterifikačná reakcia s použitím kyslého katalyzátora:
FFA + Alkohol → Ester + Voda
Základná katalyzovaná transesterifikácia pomocou ultrazvuku
Východisková surovina, ktorá má v súčasnosti len malé množstvá FFA, môže byť priamo kŕmená fázou transesterifikácie. Najčastejšie sa ako základný katalyzátor používa hydroxid sodný alebo hydroxid draselný (NaOH, KOH).
- Rozpustite katalyzátor, konkrétne hydroxid draselný, v metanole a nakŕmte prúdy katalyzátora/ metanolu a predliečených surovín prostredníctvom statickej miešačky, aby ste získali surovú predbežnú zmes.
- Feed pre-mix priamo do ultrazvukovej reakčnej komory pre cavitational high-shear miešanie a sonochemical ošetrenie. Produktmi tejto reakcie sú alkylestery (t. j. bionafta) a glycerín. Glycerín sa môže oddeliť usadzovaním alebo odstreďovaním.
- Rozpúšťadle vyrábaná bionafta je vysokej kvality a vyrába sa rýchlo, energeticky efektívne a nákladovo efektívne šetrením metanolu a katalyzátora.
Transesterifikačná reakcia pomocou základného katalyzátora:
Olej / tuk + alkohol → bionafta + glycerol
Používanie metanolu & Obnova metanolu
Metanol je kľúčovou zložkou pri výrobe bionafty. Rozpúšťadle poháňaná konverzia bionafty umožňuje výrazne znížené použitie metanolu. Ak si teraz myslíte, že "Nezaujíma ma moje používanie metanolu, pretože ho aj tak obnovím", môžete premyslieť a zvážiť prehnané vysoké náklady na energiu, ktoré sa vzťahujú na krok odparovania (napr. pomocou destilačného stĺpca), ktorý je potrebný na oddelenie a recykláciu metanolu.
Metanol sa zvyčajne odstraňuje po oddelení bionafty a glycerínu do dvoch vrstiev, čo zabraňuje zvráteniu reakcie. Metanol sa potom čistí a recykluje späť na začiatok procesu. Výroba bionafty prostredníctvom rozpúšťadle-riadený esterifikácie a transesterifikácie, ste schopní znížiť vaše používanie metanolu dramaticky, čím sa znížia prehnané vysoké výdavky na energiu pre obnovu metanolu. Použitie Hielscher ultrazvukové reaktory znižuje požadované množstvo prebytočného metanolu až o 50%. Molárny pomer medzi 1:4 alebo 1:4,5 (olej : metanol) je dostatočný pre väčšinu surovín, pri použití ultrazvukového miešania Hielscher.
Ultrazvukový esterifikácia je krok predúpravou, ktorý znížil nízkokvalitnú východiskovú suroviu vysokú v FFAs na estery. V druhom kroku ultrazvukovej transesterifikácie sa triglyceridy premieňa na bionaftu (FAME).
Ultrazvukový zvýšená účinnosť konverzie bionafty – Vedecky dokázané
Početné výskumné skupiny skúmali mechanizmus a účinky ultrazvukovej transesterifikácie bionafty. Napríklad výskumný tím Sebayan Darwin preukázal, že ultrazvuková kavitácia zvýšila chemickú aktivitu a rýchlosť reakcie, čo viedlo k výrazne zvýšenej tvorbe esterov. Ultrazvuková technika znížila transesterifikačný reakčný čas na 5 minút – v porovnaní s 2 hodinami pri mechanickom miešaní. Konverzia triglyceridov (TG) na FAME podľa ultrazvukom získané 95.6929%wt s metanolom na olej molárny pomer 6:1 a 1%wt hydroxid sodný ako katalyzátor. (porovnaj Darwin a kol. 2010)
Stredne veľké a veľkoplošné ultrasonicators pre spracovanie bionafty
Hielscher Ultrazvuk’ dodáva malé až stredné veľkosti, ako aj veľké priemyselné ultrazvukové procesory pre efektívnu výrobu bionafty v akomkoľvek objeme. Ponúka ultrazvukový systém v akomkoľvek meradle, Hielscher môže ponúknuť ideálne riešenie pre malých výrobcov a veľké spoločnosti. Ultrazvukový konverzia bionafty môže byť prevádzkovaná ako dávková alebo ako kontinuálny inline proces. Inštalácia a prevádzka je jednoduchá, bezpečná a poskytuje spoľahlivo vysoké výkony vynikajúcej kvality bionafty.
Nižšie nájdete odporúčané nastavenie reaktora pre celý rad výrobných sadzieb.
|
Tony/hod
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT |
0.25 až 0,5
|
80 až 160
|
| 1x UIP1000hdT |
0.5 až 1,0
|
160 až 320
|
| 1x UIP1500hdT |
0.75 až 1,5
|
240 až 480
|
| 2x UIP1000hdT |
1,0 až 2,0
|
320 až 640
|
| 2x UIP1500hdT |
1,5 až 3,0
|
480 až 960
|
| 4x UIP1500hdT |
3,0 až 6,0
|
960 až 1920
|
| 6x UIP1500hdT |
4,5 až 9,0
|
1440 až 2880
|
Kontaktuj nás! / Opýtajte sa nás!
Hielscher Ultrazvukom vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory pre miešanie aplikácií, disperzie, emulgácie a extrakcie na laboratórne, pilotné a priemyselné meradle.
Literatúra/referencie
- 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.
Fakty stojí za to vedieť
Výroba bionafty
Bionafta sa vyrába, keď sa trigyceridy premieňa na voľný tukový metylester (FAME) chemickou reakciou známou ako transesterifikácia. Počas reakcie transesterifikácie trigylceridy v rastlinných olejoch alebo živočíšnych tukoch reagujú v prítomnosti katalyzátora (napr. hydroxid draselného alebo hydroxidu sodného) s primárnym alkoholom (napr. metanolom). V tejto reakcii sa alkylestery tvoria zo surovín rastlinného oleja alebo živočíšneho tuku. Triglyceridy sú glyceridy, v ktorých sa glycerol esterfiuje kyselinami s dlhým reťazcom, známymi ako mastné kyseliny. Tieto mastné kyseliny sú hojne prítomné v rastlinnom oleji a živočíšnych tukoch. Keďže bionafta sa môže vyrábať z rôznych surovín, ako sú panenské rastlinné oleje, odpadové rastlinné oleje, použité oleje na vyprážanie, živočíšne tuky, ako je loj a sadlo, množstvo voľných mastných kyselín (FFA) sa môže značne líšiť. Percento voľných mastných kyselín triglyceridov je kľúčovým faktorom, ktorý drasticky ovplyvňuje proces výroby bionafty a výslednú kvalitu bionafty. Vysoké množstvo voľných mastných kyselín môže narušiť proces konverzie a zhoršiť konečnú kvalitu bionafty. Hlavným problémom je, že voľné mastné kyseliny (FFAs) reagujú s alkalickými katalyzátormi, čo vedie k tvorbe mydla. Tvorba mydla následne spôsobuje problémy so separáciou glycerolu. Preto východiskové suroviny obsahujúce vysoké množstvá FFA väčšinou vyžadujú predúpravu ( takzvanú esterifikačnú reakciu), počas ktorej sa FFA transformujú na estery. Ultrazvukom podporuje obe reakcie, transesterifikácia a esterifikácia.
Chemická reakcia esterifikácie
Esterifikácia je proces kombinovania organickej kyseliny (RCOOH) s alkoholom (ROH) na vytvorenie esteru (RCOOR) a vody.
Použitie metanolu pri kyslej esterifikácii
Ak sa na zníženie FFA v východiskovej suroviská používa esterifikácia kyseliny, okamžité energetické požiadavky sú relatívne nízke. Voda sa však vytvára počas esterifikačnej reakcie – vytváranie mokrého kyslého metanolu, ktorý sa musí neutralizovať, vysušiť a regenerovať. Tento proces regenerácie metanolu je drahý.
Ak východiskové suroviny majú 20 až 40 % alebo dokonca vyššie percento FFA, môžu byť potrebné viaceré kroky na ich dosiahnutie prijateľnej úrovne. To znamená, že sa vytvára ešte kyslejší, mokrý metanol. Po neutralizácii kyslého metanolu si sušenie vyžaduje viacstupňovú destiláciu s významnými mierami spätného toku, čo vedie k veľmi vysokej spotrebe energie.
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizers z laboratórium na priemyselnej veľkosti.