ไบโอดีเซลผ่านการทําให้เอสเทอริฟิเคชันดีขึ้นด้วยอัลตราโซนิก (ทรานส์)

ไบโอดีเซลถูกสังเคราะห์ผ่านทรานส์เอสเทอริฟิเคชันโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเบส อย่างไรก็ตามหากใช้วัตถุดิบเช่นผักเหลือใช้เกรดต่ําที่มีปริมาณกรดไขมันอิสระสูงจําเป็นต้องมีขั้นตอนก่อนการบําบัดด้วยสารเคมีของเอสเทอริฟิเคชันโดยใช้กรด อัลตราโซนิกและเอฟเฟกต์โซโนเคมีและโซโนเมคคานิกมีส่วนช่วยในปฏิกิริยาทั้งสองประเภทและเพิ่มประสิทธิภาพของการแปลงไบโอดีเซลอย่างมาก การผลิตไบโอดีเซลอัลตราโซนิกเร็วกว่าการสังเคราะห์ไบโอดีเซลทั่วไปอย่างมีนัยสําคัญส่งผลให้ผลผลิตและคุณภาพไบโอดีเซลสูงขึ้นและช่วยประหยัดรีเอเจนต์เช่นเมทานอลและตัวเร่งปฏิกิริยา

การแปลงไบโอดีเซลโดยใช้อัลตราซาวนด์พลังงาน

สําหรับไบโอดีเซล เอสเทอร์กรดไขมันผลิตขึ้นโดยการทรานส์เอสเทอริฟิเคชันของน้ํามันพืชและไขมันสัตว์ (เช่น ไขมันสัตว์) ในระหว่างปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชัน ส่วนประกอบกลีเซอรอลจะถูกแทนที่ด้วยแอลกอฮอล์อื่น เช่น เมทานอล วัตถุดิบที่มีกรดไขมันอิสระสูง เช่น น้ํามันพืชเหลือใช้ (WVO) จําเป็นต้องมีการบําบัดกรดเอสเทอริฟิเคชันก่อนเพื่อหลีกเลี่ยงการก่อตัวของสบู่ กระบวนการเร่งปฏิกิริยากรดนี้เป็นปฏิกิริยาที่ช้ามากเมื่อดําเนินการเป็นแบบแบทช์ทั่วไป วิธีแก้ปัญหาสําหรับการเร่งกระบวนการเอสเทอริฟิเคชันที่ช้าคือการใช้อัลตราซาวนด์กําลัง Sonication ประสบความสําเร็จในการปรับปรุงความเร็วปฏิกิริยาการแปลงและผลผลิตไบโอดีเซลอย่างมีนัยสําคัญเนื่องจากผลโซโนเคมีของอัลตราซาวนด์กําลังสูงส่งเสริมและเพิ่มการเร่งปฏิกิริยากรด โพรงอากาศอัลตราโซนิกให้แรง sonomechanical เช่นการผสมแรงเฉือนสูงเช่นเดียวกับพลังงานโซโนเคมี ผลกระทบอัลตราโซนิกทั้งสองประเภทนี้ (sonomechanical และ sonochemical) เปลี่ยนเอสเทอริฟิเคชันที่เร่งปฏิกิริยาด้วยกรดให้เป็นปฏิกิริยาที่รวดเร็วซึ่งต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาน้อยลง

การแปลงไบโอดีเซลอัลตราโซนิกทํางานอย่างไร?

อัลตราโซนิกระหว่างเฟสต่าง ๆ ในทรานส์เอสเทอริฟิเคชัน (บางครั้งเรียกว่าแอลกอฮอล์) และเอสเทอริฟิเคชันขึ้นอยู่กับการเพิ่มการผสมตลอดจนการถ่ายเทความร้อนและการถ่ายเทมวลที่เพิ่มขึ้น การผสมอัลตราโซนิกขึ้นอยู่กับหลักการของโพรงอากาศอะคูสติกซึ่งเกิดขึ้นจากการระเบิดฟองอากาศสูญญากาศในของเหลว โพรงอากาศอะคูสติกมีลักษณะเป็นแรงเฉือนและความปั่นป่วนสูง ตลอดจนความแตกต่างของแรงดันและอุณหภูมิที่สูงมาก แรงเหล่านี้ส่งเสริมปฏิกิริยาเคมีของทรานส์เอสเทอริฟิเคชัน / เอสเทอริฟิเคชัน และเพิ่มการถ่ายเทมวลและความร้อน ซึ่งจะช่วยเพิ่มปฏิกิริยาของการแปลงไบโอดีเซลได้อย่างมีนัยสําคัญ

Transesterification ของไตรกลีเซอไรด์เป็นไบโอดีเซล (FAME) โดยใช้ sonication ส่งผลให้เกิดปฏิกิริยาเร่งและมีประสิทธิภาพสูงขึ้นอย่างมีนัยสําคัญ

การประยุกต์ใช้อัลตราโซนิกในระหว่างการแปลงไบโอดีเซลได้รับการพิสูจน์ทางวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรมเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของกระบวนการ การปรับปรุงประสิทธิภาพของกระบวนการสามารถนํามาประกอบกับการใช้พลังงานและต้นทุนการดําเนินงานที่ลดลง และการใช้แอลกอฮอล์ที่ลดลง (เช่น เมทานอล) ตัวเร่งปฏิกิริยาน้อยลง และเวลาในการตอบสนองที่สั้นลงอย่างมาก ต้นทุนพลังงานสําหรับการทําความร้อนจะถูกกําจัดออกไปเนื่องจากไม่มีข้อกําหนดในการทําความร้อนภายนอก นอกจากนี้ การแยกเฟสระหว่างไบโอดีเซลและกลีเซอรอลยังง่ายกว่าด้วยเวลาในการแยกเฟสที่สั้นลง ปัจจัยสําคัญสําหรับการใช้อัลตราซาวนด์ในเชิงพาณิชย์ในการผลิตไบโอดีเซลคือการขยายขนาดอย่างง่ายไปยังปริมาณใด ๆ การทํางานที่เชื่อถือได้และปลอดภัยตลอดจนความทนทานและความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์อัลตราโซนิก (มาตรฐานอุตสาหกรรมสามารถทํางานได้อย่างต่อเนื่องตลอด 24/7/365 ภายใต้ภาระเต็มที่)

ระบบอุตสาหกรรมอัลตราโซนิกพร้อมโฟลว์เซลล์สําหรับเอสเทอริฟิเซชันไบโอดีเซลแบบอินไลน์และทรานส์เอสเทอริฟิเคชัน

การแปลงไบโอดีเซลสองขั้นตอนด้วยอัลตราโซนิกโดยใช้ขั้นตอนปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาด้วยกรดและเบส

สําหรับวัตถุดิบที่มีปริมาณ FFA สูงการผลิตไบโอดีเซลจะดําเนินการเป็นปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาด้วยกรดหรือเบสในกระบวนการสองขั้นตอน อัลตราซาวนด์มีส่วนช่วยในปฏิกิริยาทั้งสองประเภท ได้แก่ เอสเทอริฟิเคชันที่เร่งปฏิกิริยาด้วยกรดและทรานส์เอสเทอริฟิเคชันที่เร่งปฏิกิริยาด้วยเบส:

เอสเทอริฟิเคชันที่เร่งปฏิกิริยาด้วยกรดโดยใช้อัลตราซาวนด์

ในการรักษากรดไขมันอิสระส่วนเกินในวัตถุดิบจําเป็นต้องมีกระบวนการเอสเทอริฟิเคชัน กรดซัลฟิวริกมักใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยากรด

• เตรียมวัตถุดิบโดยการกรองและกลั่นจากสารปนเปื้อนและน้ํา
• ละลายตัวเร่งปฏิกิริยา ได้แก่ กรดซัลฟิวริกในเมทานอล กระแสป้อนตัวเร่งปฏิกิริยา / เมทานอลและวัตถุดิบผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนและเครื่องผสมแบบคงที่เพื่อให้ได้ส่วนผสมล่วงหน้าของดิบ
• การผสมล่วงหน้าของตัวเร่งปฏิกิริยาและวัตถุดิบจะเข้าสู่ห้องปฏิกิริยาอัลตราโซนิกโดยตรง ซึ่งการผสมแบบละเอียดพิเศษและโซโนเคมีจะมีผล และกรดไขมันอิสระจะถูกเปลี่ยนเป็นไบโอดีเซล
• สุดท้าย ถอดผลิตภัณฑ์ออกและป้อนไปยังขั้นตอนที่สอง – การทรานส์เอสเทอริฟิเคชันอัลตราโซนิก เมทานอลเปียกที่เป็นกรดจะผ่านการฟื้นตัวการอบแห้งและการทําให้เป็นกลางพร้อมสําหรับการนํากลับมาใช้ใหม่
• สําหรับ FFA ที่มีวัตถุดิบสูงมากอาจจําเป็นต้องมีการตั้งค่าการหมุนเวียนเพื่อลด FFA ให้อยู่ในระดับที่เหมาะสมก่อนขั้นตอนการทรานส์เอสเทอริฟิเคชัน

ปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยากรด:
FFA + แอลกอฮอล์ → เอสเทอร์ + น้ํา

Transesterification แบบเร่งปฏิกิริยาเบสโดยใช้อัลตราซาวนด์

วัตถุดิบซึ่งขณะนี้มี FFA เพียงเล็กน้อย สามารถป้อนไปยังขั้นตอนการทรานส์เอสเทอริฟิเคชันได้โดยตรง โดยทั่วไปโซเดียมไฮดรอกไซด์หรือโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (NaOH, KOH) มักใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาพื้นฐาน

• ละลายตัวเร่งปฏิกิริยา ได้แก่ แทสเซียมไฮดรอกไซด์ในเมทานอล และป้อนกระแสของตัวเร่งปฏิกิริยา / เมทานอลและวัตถุดิบที่ผ่านการบําบัดผ่านเครื่องผสมแบบคงที่เพื่อให้ได้ส่วนผสมล่วงหน้าแบบดิบ
• ป้อนส่วนผสมล่วงหน้าลงในห้องปฏิกิริยาอัลตราโซนิกโดยตรงสําหรับการผสมแรงเฉือนสูงแบบโพรงอากาศและการบําบัดด้วยโซโนเคมี ผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยานี้คืออัลคิลเอสเทอร์ (เช่น ไบโอดีเซล) และกลีเซอรีน กลีเซอรีนสามารถแยกออกได้โดยการตกตะกอนหรือโดยการหมุนเหวี่ยง
• ไบโอดีเซลที่ผลิตด้วยอัลตราโซนิกมีคุณภาพสูงและผลิตได้อย่างรวดเร็วประหยัดพลังงานและประหยัดค่าใช้จ่ายโดยการประหยัดเมทานอลและตัวเร่งปฏิกิริยา

ปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเบส:
น้ํามัน / ไขมัน + แอลกอฮอล์ → ไบโอดีเซล + กลีเซอรอล

การใช้เมทานอล & การกู้คืนเมทานอล

เมทานอลเป็นส่วนประกอบสําคัญในการผลิตไบโอดีเซล การแปลงไบโอดีเซลที่ขับเคลื่อนด้วยอัลตราโซนิกช่วยให้การใช้เมทานอลลดลงอย่างมาก หากคุณกําลังคิดว่า "ฉันไม่สนใจการใช้เมทานอลของฉัน เพราะฉันกู้คืนมันอยู่แล้ว" คุณอาจคิดใหม่และพิจารณาต้นทุนพลังงานที่สูงเกินไปซึ่งใช้กับขั้นตอนการระเหย (เช่น การใช้คอลัมน์กลั่น) ซึ่งจําเป็นต่อการแยกและรีไซเคิลเมทานอล
โดยปกติแล้วเมทานอลจะถูกลบออกหลังจากที่ไบโอดีเซลและกลีเซอรีนถูกแยกออกเป็นสองชั้นเพื่อป้องกันการกลับตัวของปฏิกิริยา จากนั้นเมทานอลจะถูกทําความสะอาดและรีไซเคิลกลับไปยังจุดเริ่มต้นของกระบวนการ การผลิตไบโอดีเซลผ่านเอสเทอริฟิเคชันและทรานส์เอสเทอริฟิเคชันที่ขับเคลื่อนด้วยอัลตราโซนิก คุณสามารถลดการใช้เมทานอลได้อย่างมาก ซึ่งจะช่วยลดการใช้พลังงานที่สูงเกินไปสําหรับการนําเมทานอลกลับมาใช้ใหม่ การใช้เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิก Hielscher ช่วยลดปริมาณเมทานอลส่วนเกินที่ต้องการได้ถึง 50% อัตราส่วนโมลาร์ระหว่าง 1:4 หรือ 1:4.5 (น้ํามัน: เมทานอล) ก็เพียงพอสําหรับวัตถุดิบส่วนใหญ่เมื่อใช้การผสมอัลตราโซนิกของ Hielscher

อัลตราโซนิกเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงไบโอดีเซล – พิสูจน์ทางวิทยาศาสตร์

กลุ่มนักวิจัยจํานวนมากได้ตรวจสอบกลไกและผลกระทบของการถ่ายโอนเอสเทอริฟิเคชันอัลตราโซนิกของไบโอดีเซล ตัวอย่างเช่นทีมวิจัยของ Sebayan Darwin แสดงให้เห็นว่าโพรงอากาศอัลตราโซนิกเพิ่มกิจกรรมทางเคมีและอัตราการเกิดปฏิกิริยาส่งผลให้เกิดการก่อตัวของเอสเทอร์เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสําคัญ เทคนิคอัลตราโซนิกช่วยลดเวลาปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันเหลือ 5 นาที – เมื่อเทียบกับ 2 ชั่วโมงสําหรับการประมวลผลการกวนเชิงกล การแปลงไตรกลีเซอไรด์ (TG) เป็น FAME ภายใต้อัลตราโซนิกได้ถึง 95.6929% wt โดยมีอัตราส่วนโมทาโนต่อโมลาร์น้ํามัน 6: 1 และ 1% wt โซเดียมไฮดรอกไซด์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (อ้างอิง Darwin et al. 2010)

เครื่องอัลตราโซนิกขนาดกลางและขนาดใหญ่สําหรับการประมวลผลไบโอดีเซล

Hielscher Ultrasonics’ จัดหาโปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกอุตสาหกรรมขนาดเล็กถึงขนาดกลางและขนาดใหญ่สําหรับการผลิตไบโอดีเซลที่มีประสิทธิภาพในปริมาณใด ๆ นําเสนอระบบอัลตราโซนิกในทุกขนาด Hielscher สามารถนําเสนอโซลูชั่นในอุดมคติสําหรับทั้งผู้ผลิตรายย่อยและ บริษัท ขนาดใหญ่ การแปลงไบโอดีเซลอัลตราโซนิกสามารถดําเนินการเป็นชุดหรือเป็นกระบวนการอินไลน์ต่อเนื่อง การติดตั้งและการใช้งานนั้นง่าย ปลอดภัย และให้ผลผลิตสูงที่เชื่อถือได้ด้วยคุณภาพไบโอดีเซลที่เหนือกว่า
ด้านล่างนี้คุณจะพบการตั้งค่าเครื่องปฏิกรณ์ที่แนะนําสําหรับอัตราการผลิตที่หลากหลาย