Biodizel përmes (trans-)esterifikimit të përmirësuar me ultratinguj
Biodizeli sintetizohet përmes transesterifikimit duke përdorur një katalizator bazik. Megjithatë, nëse përdoren lëndë të para si vajrat bimore të mbetura me cilësi të ulët dhe me përmbajtje të lartë të acideve yndyrore të lira, nevojitet një hap paratrajtimi kimik me esterifikim duke përdorur një katalizator acid. Trajtimi me ultratinguj dhe efektet e tij sonokimike dhe sonomekanike kontribuojnë në të dy llojet e reaksioneve dhe rrisin në mënyrë të jashtëzakonshme efikasitetin e konvertimit në biodizel. Prodhimi i biodizelit me ultratinguj është dukshëm më i shpejtë se sinteza konvencionale e biodizelit, jep rendiment dhe cilësi më të lartë të biodizelit dhe kursen reagentë si metanoli dhe katalizatori.
Konvertimi në biodizel duke përdorur ultratinguj me fuqi të lartë
Për biodizelin, esteret e acideve yndyrore prodhohen përmes transesterifikimit të vajrave bimore, si edhe të yndyrave shtazore (p.sh., dhjamit të gjedhit). Gjatë reaksionit të transesterifikimit, përbërësi glicerinë zëvendësohet nga një alkool tjetër, si metanoli. Lëndët e para me përmbajtje të lartë të acideve yndyrore të lira, p.sh. vajrat bimore të mbetura (WVO), kërkojnë një paratrajtim me esterifikim acid për të shmangur formimin e sapunit. Ky proces i katalizës acide është një reaksion shumë i ngadaltë kur kryhet me metodën konvencionale me tufa. Zgjidhja për përshpejtimin e procesit të ngadaltë të esterifikimit është zbatimi i ultratingujve me fuqi të lartë. Sonikimi përmirëson ndjeshëm shpejtësinë e reaksionit, konvertimin dhe rendimentin e biodizelit, pasi efektet sonokimike të ultratingujve me fuqi të lartë nxisin dhe intensifikojnë katalizën acide. Kavitacioni ultrasonik siguron forca sonomekanike, pra përzierje me forca të larta prerëse, si edhe energji sonokimike. Të dyja këto lloje të ndikimit ultrasonik (sonomekanik dhe sonokimik) e kthejnë esterifikimin e katalizuar nga acidi në një reaksion të shpejtë që kërkon më pak katalizator.
Përzierja me ultratinguj përmirëson shpejtësinë e konvertimit në biodizel, rrit rendimentin dhe kursen metanolin e tepërt dhe katalizatorin. Figura tregon instalimin e 3x UIP1000hdT (secili me fuqi ultrasonike 1kW) për përpunim në linjë.
Si funksionon konvertimi në biodizel me ultratinguj?
Trajtimi me ultratinguj ndërmjet fazave të ndryshme gjatë transesterifikimit (i quajtur ndonjëherë edhe alkoolizë) dhe esterifikimit bazohet në përmirësimin e përzierjes, si edhe në rritjen e transferimit të nxehtësisë dhe të masës. Përzierja me ultratinguj bazohet në parimin e kavitacionit akustik, i cili ndodh si rezultat i shembjes së flluskave të vakumit në lëng. Kavitacioni akustik karakterizohet nga forca të larta prerëse dhe turbulenca, si edhe nga diferenca shumë të larta të presionit dhe temperaturës. Këto forca nxisin reaksionin kimik të transesterifikimit / esterifikimit dhe intensifikojnë transferimin e masës dhe të nxehtësisë, duke përmirësuar kështu ndjeshëm reaksionin e konvertimit në biodizel.
Transesterifikimi i triglicerideve në biodizel (FAME) duke përdorur sonikimin sjell përshpejtim të reaksionit dhe efikasitet dukshëm më të lartë.
Është vërtetuar shkencërisht dhe në praktikën industriale se zbatimi i ultratingujve gjatë konvertimit në biodizel përmirëson efikasitetin e procesit. Përmirësimi i efikasitetit të procesit mund t’i atribuohet uljes së konsumit të energjisë dhe kostove të operimit, përdorimit të reduktuar të alkoolit (pra, metanolit), sasisë më të vogël të katalizatorit dhe kohës dukshëm më të shkurtër të reaksionit. Kostot e energjisë për ngrohje eliminohen, pasi nuk nevojitet ngrohje e jashtme. Për më tepër, ndarja e fazave ndërmjet biodizelit dhe glicerinës është më e thjeshtë dhe kërkon më pak kohë. Një faktor i rëndësishëm për përdorimin tregtar të ultratingujve në prodhimin e biodizelit është rritja e thjeshtë e shkallës së procesit deri në çfarëdo vëllimi, funksionimi i besueshëm dhe i sigurt, si edhe qëndrueshmëria dhe besueshmëria e pajisjeve ultrasonike (standard industrial, të afta të punojnë vazhdimisht 24/7/365 me ngarkesë të plotë).
Sistem industrial ultrasonik me qelizë rrjedhjeje për esterifikimin dhe transesterifikimin në linjë të biodizelit.
Esterifikimi dhe transesterifikimi me ultratinguj mund të kryhen si proces me lote ose si proces i vazhdueshëm në linjë. Diagrami tregon procesin me ultratinguj në linjë për transesterifikimin e biodizelit (FAME).
Esterifikimi dhe transesterifikimi me ultratinguj mund të kryhen si proces me lote ose si proces i vazhdueshëm në linjë. Ky diagram tregon procesin me ultratinguj me lote për shndërrimin në biodizel.
Shndërrimi në biodizel në dy hapa me ndihmën e ultratingujve, duke zbatuar hapa reaksioni të katalizuar nga acide dhe baza
Për lëndët e para me përmbajtje të lartë të acideve yndyrore të lira (FFA), prodhimi i biodizelit kryhet si reaksion i katalizuar nga acide ose baza në një proces me dy faza. Ultratingujt kontribuojnë në të dy llojet e reaksioneve, si në esterifikimin e katalizuar nga acidet, ashtu edhe në transesterifikimin e katalizuar nga bazat:
Esterifikimi i katalizuar nga acidet duke përdorur ultratinguj
Për të trajtuar tepricën e acideve yndyrore të lira në lëndën e parë, nevojitet procesi i esterifikimit. Acidi sulfurik përdoret zakonisht si katalizator acid.
- Përgatiteni lëndën e parë duke e filtruar dhe pastruar nga ndotësit dhe uji.
- Treteni katalizatorin, konkretisht acidin sulfurik, në metanol. Kalojeni rrjedhën e katalizatorit/ metanolit dhe lëndën e parë përmes një shkëmbyesi nxehtësie dhe një përzierësi statik për të përftuar një parapërzierje të papërpunuar.
- Parapërzierja e katalizatorit dhe lëndës së parë hyn drejtpërdrejt në dhomën e reaksionit me ultratinguj, ku përzierja tejet e imët dhe sonokimia ushtrojnë efektin e tyre dhe acidet yndyrore të lira shndërrohen në biodizel.
- Në fund, largojeni ujin nga produkti dhe kalojeni atë në fazën e dytë – transesterifikimin me ultratinguj. Pas rikuperimit, tharjes dhe neutralizimit, metanoli acid që përmban ujë është gati për ripërdorim.
- Për lëndët e para me përmbajtje shumë të lartë të FFA-ve, mund të nevojitet një konfigurim me riqarkullim për të ulur përmbajtjen e FFA-ve në një nivel të arsyeshëm përpara hapit të transesterifikimit.
Reaksioni i esterifikimit duke përdorur një katalizator acid:
FFA + Alkool → Ester + Ujë
Transesterifikimi i katalizuar nga bazat duke përdorur ultratinguj
Lënda e parë, e cila tani përmban vetëm sasi të vogla të FFA-ve, mund të kalojë drejtpërdrejt në fazën e transesterifikimit. Më së shpeshti, si katalizator bazik përdoret hidroksidi i natriumit ose hidroksidi i kaliumit (NaOH, KOH).
- Treteni katalizatorin, konkretisht hidroksidin e kaliumit, në metanol dhe kalojini rrjedhat e katalizatorit/ metanolit dhe të lëndës së parë të paratrajtuar përmes një përzierësi statik për të përftuar një parapërzierje të papërpunuar.
- Kalojeni parapërzierjen drejtpërdrejt në dhomën e reaksionit me ultratinguj për përzierje me forca të larta prerëse të shkaktuara nga kavitacioni dhe për trajtim sonokimik. Produktet e këtij reaksioni janë esteret alkilike (d.m.th., biodizeli) dhe glicerina. Glicerina mund të ndahet me dekantim ose centrifugim.
- Biodizeli i prodhuar me ultratinguj është me cilësi të lartë dhe prodhohet shpejt, me efikasitet energjetik dhe ekonomik, duke kursyer metanol dhe katalizator.
Reaksioni i transesterifikimit duke përdorur një katalizator bazik:
Vaj / Yndyrë + Alkool → Biodizel + Glicerol
Përdorimi i metanolit dhe rikuperimi i metanolit
Metanoli është një përbërës kyç gjatë prodhimit të biodizelit. Shndërrimi në biodizel i nxitur nga ultratingujt mundëson një reduktim të ndjeshëm të përdorimit të metanolit. Nëse tani po mendoni “Nuk më shqetëson përdorimi i metanolit, pasi gjithsesi e rikuperoj”, mund ta rimendoni këtë dhe të merrni parasysh koston jashtëzakonisht të lartë të energjisë për hapin e avullimit (p.sh. duke përdorur një kolonë distilimi), i cili është i nevojshëm për të ndarë dhe ricikluar metanolin.
Metanoli zakonisht largohet pasi biodizeli dhe glicerina janë ndarë në dy shtresa, duke parandaluar kthimin e reaksionit në drejtimin e kundërt. Metanoli më pas pastrohet dhe riciklohet duke u rikthyer në fillim të procesit. Duke prodhuar biodizel përmes esterifikimit dhe transesterifikimit të nxitur nga ultratingujt, mund ta reduktoni në mënyrë drastike përdorimin e metanolit, duke reduktuar kështu shpenzimin jashtëzakonisht të lartë të energjisë për rikuperimin e tij. Përdorimi i reaktorëve me ultratinguj Hielscher e redukton deri në 50% sasinë e nevojshme të metanolit të tepërt. Një raport molar ndërmjet 1:4 ose 1:4,5 (vaj : metanol) është i mjaftueshëm për shumicën e lëndëve të para kur përdoret përzierja me ultratinguj Hielscher.
Esterifikimi me ultratinguj është një hap paratrajtimi që shndërron në estere lëndën e parë me cilësi të ulët dhe me përmbajtje të lartë të acideve yndyrore të lira (FFA). Në hapin e 2-të, atë të transesterifikimit me ultratinguj, trigliceridet shndërrohen në biodizel (FAME).
Rritja e efikasitetit të shndërrimit në biodizel me ultratinguj – e provuar shkencërisht
Grupe të shumta studiuesish kanë hulumtuar mekanizmin dhe efektet e transesterifikimit me ultratinguj për prodhimin e biodizelit. Për shembull, ekipi kërkimor i Sebayan Darwin demonstroi se kavitacioni me ultratinguj rriti aktivitetin kimik dhe shpejtësinë e reaksionit, duke sjellë një rritje të ndjeshme të formimit të estereve. Teknika me ultratinguj e uli kohën e reaksionit të transesterifikimit në 5 minuta – krahasuar me 2 orë për përpunimin me përzierje mekanike. Shndërrimi i trigliceridit (TG) në FAME gjatë trajtimit me ultratinguj arriti 95,6929%wt me një raport molar metanol ndaj vajit prej 6:1 dhe me 1%wt hidroksid natriumi si katalizator. (shih Darwin et al. 2010)
Pajisje me ultratinguj të madhësisë së mesme dhe për shkallë të madhe për përpunimin e biodizelit
Hielscher Ultrasonics ofron procesorë me ultratinguj të madhësisë së vogël deri të mesme, si dhe procesorë industrialë për shkallë të madhe, për prodhimin efikas të biodizelit në çdo vëllim. Duke ofruar sisteme me ultratinguj për çdo shkallë prodhimi, Hielscher mund të ofrojë zgjidhjen ideale si për prodhuesit e vegjël, ashtu edhe për kompanitë e mëdha. Shndërrimi në biodizel me ultratinguj mund të kryhet me tufa ose si proces i vazhdueshëm në linjë. Instalimi dhe funksionimi janë të thjeshtë, të sigurt dhe sigurojnë në mënyrë të besueshme sasi të larta prodhimi të biodizelit me cilësi superiore.
Më poshtë do të gjeni konfigurime të rekomanduara të reaktorëve për një sërë ritmesh prodhimi.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT |
0,25 deri në 0,5
|
80 deri në 160
|
| 1x UIP1000hdT |
0,5 deri në 1,0
|
160 deri në 320
|
| 1x UIP1500hdT |
0,75 deri në 1,5
|
240 deri në 480
|
| 2x UIP1000hdT |
1,0 deri në 2,0
|
320 deri në 640
|
| 2x UIP1500hdT |
1,5 deri në 3,0
|
480 deri në 960
|
| 4x UIP1500hdT |
3,0 deri në 6,0
|
960 deri në 1920
|
| 6x UIP1500hdT |
4,5 deri në 9,0
|
1440 deri në 2880
|
Na kontaktoni! / Na pyesni!
Hielscher Ultrasonics prodhon homogjenizues me ultratinguj me performancë të lartë për aplikime përzierjeje, dispergimi, emulsifikimi dhe ekstraktimi në shkallë laboratorike, pilot dhe industriale.
Literatura / Referenca
- 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.
Fakte që ia vlen të dini
Prodhimi i biodizelit
Biodizeli prodhohet kur trigliceridet shndërrohen në ester metilik yndyror të lirë (FAME) përmes një reaksioni kimik të njohur si transesterifikim. Gjatë reaksionit të transesterifikimit, trigliceridet në vajrat bimore ose yndyrnat shtazore reagojnë në prani të një katalizatori (p.sh., hidroksid kaliumi ose hidroksid natriumi) me një alkool primar (p.sh., metanol). Në këtë reaksion, esteret alkilike formohen nga lënda e parë, që është vaj bimor ose yndyrë shtazore. Trigliceridet janë gliceride, në të cilat gliceroli është esterifikuar me acide me zinxhir të gjatë, të njohura si acide yndyrore. Këto acide yndyrore janë të pranishme me bollëk në vajrat bimore dhe yndyrnat shtazore. Meqë biodizeli mund të prodhohet nga lëndë të para të ndryshme, si vajra bimore të papërdorura, vajra bimore të mbetura, vajra të përdorura për skuqje dhe yndyrna shtazore, si dhjami dhe dhjami i derrit, sasia e acideve yndyrore të lira (FFA) mund të ndryshojë shumë. Përqindja e acideve yndyrore të lira të triglicerideve është një faktor vendimtar që ndikon në mënyrë drastike në procesin e prodhimit të biodizelit dhe në cilësinë e biodizelit të përftuar. Një sasi e lartë e acideve yndyrore të lira mund të pengojë procesin e shndërrimit dhe të përkeqësojë cilësinë përfundimtare të biodizelit. Problemi kryesor është se acidet yndyrore të lira (FFA) reagojnë me katalizatorët alkalinë, duke çuar në formimin e sapunit. Formimi i sapunit më pas shkakton probleme në ndarjen e glicerolit. Prandaj, lëndët e para që përmbajnë sasi të larta të FFA-ve kryesisht kërkojnë një paratrajtim (një të ashtuquajtur reaksion esterifikimi), gjatë të cilit FFA-të shndërrohen në estere. Trajtimi me ultratinguj nxit të dyja reaksionet, transesterifikimin dhe esterifikimin.
Reaksioni kimik i esterifikimit
Esterifikimi është procesi i bashkimit të një acidi organik (RCOOH) me një alkool (ROH) për të formuar një ester (RCOOR) dhe ujë.
Përdorimi i metanolit në esterifikimin acid
Kur esterifikimi acid përdoret për të reduktuar FFA-të në lëndën e parë, kërkesat e drejtpërdrejta për energji janë relativisht të ulëta. Megjithatë, gjatë reaksionit të esterifikimit formohet ujë – duke krijuar metanol të lagësht dhe acid, i cili duhet të neutralizohet, të thahet dhe të rikuperohet. Ky proces i rikuperimit të metanolit është i kushtueshëm.
Nëse lëndët e para fillestare kanë 20 deri në 40 % ose përqindje edhe më të larta të FFA-ve, mund të nevojiten disa hapa për t’i ulur ato në nivele të pranueshme. Kjo do të thotë se krijohet edhe më shumë metanol acid dhe i lagësht. Pas neutralizimit të metanolit acid, tharja kërkon distilim me shumë faza dhe me prurje të konsiderueshme refluksi, duke rezultuar në konsum shumë të lartë të energjisë.
Cilat vajra përdoren për prodhimin e biodizelit?
Vajrat e përdorura për prodhimin e biodizelit përfshijnë vajra bimore, si vaji i sojës, i kolzës (kanolës), i lulediellit, i palmës dhe vaji nga llumi i kafesë së përdorur, si edhe yndyrna shtazore, si dhjami dhe dhjami i derrit. Përdoren gjithashtu zakonisht vajra të mbetura, përfshirë vajin e përdorur për gatim dhe vajrat e nxjerra nga llumi i kafesë së përdorur. Këto vajra, të përbëra kryesisht nga trigliceride, i nënshtrohen transesterifikimit me alkool për të prodhuar estere metilike të acideve yndyrore (FAME), përbërjet kimike që formojnë biodizelin. Trajtimi me ultratinguj përmirëson shndërrimin e vajrave të mbetura në biodizel duke përmirësuar procesin e transesterifikimit përmes zbatimit të valëve ultrasonike me intensitet të lartë. Në vajrat e mbetura, të cilat shpesh kanë papastërti dhe përmbajtje më të lartë të acideve yndyrore të lira, trajtimi me ultratinguj ndihmon në shpërbërjen e këtyre papastërtive dhe përmirëson përzierjen e reaktantëve. Kjo sjell shpejtësi më të larta të reaksionit, kohë më të shkurtra reaksioni dhe rendimente më të larta të biodizelit, edhe me lëndë të para me cilësi më të ulët. Trajtimi me ultratinguj mundëson gjithashtu përdorim më të ulët të katalizatorit dhe konsum më të ulët të energjisë, duke e bërë shndërrimin e vajrave të mbetura në biodizel më efikas dhe më ekonomik.
Lexoni më shumë se si trajtimi me ultratinguj intensifikon nxjerrjen e vajrave nga llumi i kafesë së përdorur dhe transesterifikimin e këtyre vajrave në biodizel!
Hielscher Ultrasonics prodhon homogjenizues ultrasonikë me performancë të lartë, nga përmasat laboratorike deri te përmasat industriale.