Biodiesel via ultraljud förbättrad (trans-)esterifiering

Biodiesel syntetiseras via transesterifiering med hjälp av en baskatalysator. Men om råvaran, såsom lågkvalificerad avfallsgrönsak med hög fetthalt, används krävs ett kemiskt förbehandlingssteg av förestring med en surkatalyst. Ultraljud och dess sonochemical och sonomechanical effekter bidra till både reaktion typer och öka effektiviteten av biodiesel omvandling dramatiskt. Ultraljud biodiesel produktion är betydligt snabbare än den konventionella biodiesel syntesen, resulterar i högre biodiesel avkastning och kvalitet och sparar reagenser såsom metanol och katalysator.

Biodieselkonvertering med power ultraljud

För biodiesel produceras fettsyraestrar genom transesterifiering av vegetabiliska oljor samt av animaliska fetter (t.ex. talg). Under transesterifieringsreaktionen ersätts glycerolkomponenten av en annan alkohol, såsom metanol. Råvaror med ett högt innehåll av fria fettsyror, t.ex. Denna syrakatalysprocess är en mycket långsam reaktion, när den utförs som konventionell satsmetod. Lösningen för att påskynda den långsamma förestringsprocessen är applicering av kraft ultraljud. Ultraljudsbehandling uppnår en betydande förbättring i reaktion hastighet, omvandling och biodiesel avkastning som sonochemical effekter av hög effekt ultraljud främja och intensifiera syra katalys. Ultraljud kavitation ger sonomekaniska krafter, dvs högsjuvning blandning, samt sonokemisk energi. Dessa båda typer av ultraljud inverkan (sonomekaniska och sonochemical) förvandlar den syra-katalyserade förestring till en snabb reaktion som kräver mindre katalysator.

Transesterifiering av triglycerider till biodiesel (FAME) med hjälp av ultraljudsbehandling resulterar i accelererad reaktion och betydligt högre effektivitet.

Hur fungerar ultraljud biodiesel konvertering?

Ultraljud mellan olika faser i transesterifieringen (även ibland kallad alkoholysis) och förestring bygger på förbättring av blandning samt på en ökad värme och massöverföring. Ultraljud blandning är baserad på principen om akustisk kavitation, som uppstår som ett resultat av imploderande vakuumbubblor i vätskan. Akustisk kavitation kännetecknas av högsjuvningskrafter och turbulenser, liksom mycket höga tryck- och temperaturskillnader. Dessa krafter främjar den kemiska reaktionen av transesterifiering / förestring och intensifierar mass- och värmeöverföring, vilket förbättrar reaktionen av biodieselomvandling avsevärt.
Tillämpningen av ultraljud under biodiesel omvandling har vetenskapligt och industriellt visat sig förbättra process effektivitet. Förbättringen av processeffektiviteten kan tillskrivas minskad energiförbrukning och driftskostnader och minskad användning av alkohol (dvs. metanol), mindre katalysator och avsevärt förkortad reaktionstid. Energikostnaderna för uppvärmning elimineras eftersom det inte finns något krav på extern uppvärmning. Dessutom är fasseparation mellan biodiesel och glycerol enklare med kortare fasseparationstid. En viktig faktor för kommersiell användning av ultraljud i biodieselproduktion är den enkla uppskalningen till vilken volym som helst, den tillförlitliga och säkra driften samt robustheten och tillförlitligheten hos ultraljudsutrustningen (industriell standard, som kan köras kontinuerligt 24/7/365 under full belastning).

Ultraljud industriella system med flöde cell för inline biodiesel esterfication och transesterification.

Ultraljudsassisterad tvåstegs biodieselkonvertering med syra- och baskatalyserade reaktionssteg

För råvaror med hög FFA-halt utförs biodieselproduktionen som syra eller baskatalyserad reaktion i en tvåstegsprocess. Ultraljud bidrar med två båda typerna av reaktioner, den syrakatalyserade förestring samt den baskatalyserade transesterifieringen:

Surkatalyserad förestring med ultraljud

För att behandla ett överskott av fria fettsyror i råmaterialet behövs förestringsprocessen. Svavelsyra används ofta som syrakatalysator.

• Förbered råvaran genom att filtrera och raffinera från föroreningar och vatten.
• Lös upp katalysatorn, nämligen svavelsyra, i metanol. Foderström av katalysator/ metanol och råvaran genom en värmeväxlare och en statisk blandare för att få en rå förblandning.
• Förblandningen av katalysator och råmaterial går direkt in i ultraljudsreaktionskammaren, där den ultrafina blandningen och sonochemistry träder i kraft och de fria fettsyrorna omvandlas till biodiesel.
• Slutligen avvattna produkten och mata den två i det andra steget – ultraljudstransesterifieringen. Den sura våtmetanolen är efter återvinning, torkning och neutralisering klar för återanvändning.
• För mycket hög FFA som innehåller råvaror kan en recirkulationsinställning kanske krävas för att sänka FFA till en rimlig nivå före transesterifieringssteget.

Esterifiering Reaktion med en syrakatalysator:
FFA + Alkohol → Ester + Vatten

Base-Katalyserad transesterifiering med ultraljud

Råvaran, som nu bara har små mängder FFA, kan direkt matas till transesterifieringsstadiet. Oftast används natriumhydroxid eller kaliumhydroxid (NaOH, KOH) som baskatalysator.

• Lös upp katalysatorn, nämligen kaliumhydroxid, i metanol och mata strömmarna av katalysator/ metanol och förbehandlad råvara genom en statisk blandare för att erhålla en rå förblandning.
• Mata in förblandningen direkt i ultraljudsreaktionskammaren för kavitational högsjuvblandning och sonokemisk behandling. Produkterna av denna reaktion är alkylestrar (dvs. biodiesel) och glycerin. Glycerinet kan separeras genom bosättning eller genom centrifugering.
• Den ultraljudsproducerade biodieseln är av hög kvalitet och tillverkad snabbt, energieffektiv och kostnadseffektiv genom att spara metanol och katalysator.

Transesterifiering Reaktion med hjälp av en baskatalysator:
Olja / Fett + Alkohol → Biodiesel + Glycerol

Användning av metanol & Återhämtning av metanol

Metanol är en nyckelkomponent under biodieselproduktion. Ultraljud drivs biodiesel omvandling möjliggör en betydligt minskad användning av metanol. Om du nu tänker "Jag bryr mig inte om min metanolanvändning, eftersom jag återställer den ändå", kan du tänka om och överväga den orimliga höga energikostnaden som gäller för avdunstningssteget (t.ex. med hjälp av en destillationskolonn), vilket är nödvändigt för att separera och återvinna metanolen.
Metanol avlägsnas vanligtvis efter att biodiesel och glycerin har separerats i två lager, vilket förhindrar reaktionsåterföring. Metanolen rengörs och återvinns sedan tillbaka till början av processen. Producera biodiesel via ultraljud-driven förestring och transesterifiering, du kan minska din metanolanvändning dramatiskt, vilket minskar de orimliga höga energiförbrukningen för metanol återvinning. Användningen av Hielscher ultraljud reaktorer minskar den erforderliga mängden överskott av metanol med upp till 50%. Ett molarförhållande mellan 1:4 eller 1:4.5 (olja : metanol) är tillräckligt för de flesta råvaror, när du använder Hielscher ultraljud blandning.

Ultraljud ökad biodiesel konvertering effektivitet – Vetenskapligt bevisat

Många forskare gruppen har undersökt mekanismen och effekterna av ultraljud transesterifiering av biodiesel. Till exempel visade forskargruppen i Sebayan Darwin att ultraljud kavitation ökade den kemiska aktiviteten och reaktionshastigheten vilket resulterade i en signifikant ökad esterbildning. Ultraljudstekniken minskade transesterifieringsreaktionstiden till 5 minuter – jämfört med 2 timmar för mekanisk omrörning bearbetning. Omvandling av triglycerid (TG) till FAME under ultraljud erhöll 95.6929%wt med en metanol till olja molar förhållandet 6:1 och 1%wt natriumhydroxid som katalysator. (jfr Darwin et al. 2010)

Mellanstora och storskaliga ultraljud för biodieselbearbetning

Hielscher Ultrasonics’ levererar små till medelstora samt storskaliga industriella ultraljud processorer för effektiv produktion av biodiesel på vilken volym som helst. Hielscher erbjuder ultraljudssystem i alla skala och kan erbjuda den perfekta lösningen för både små producenter och stora företag. Ultraljud biodiesel omvandling kan drivas som batch eller som kontinuerlig inline process. Installationen och driften är enkel, säker och ger tillförlitligt höga utgångar av överlägsen biodieselkvalitet.
Nedan hittar du rekommenderade reaktorinställningar för en rad produktionshastigheter.