Ultrasonik Olarak Geliştirilmiş (Trans-) Esterleştirme Yoluyla Biyodizel

Biyodizel, bir baz katalizör kullanılarak transesterifikasyon yoluyla sentezlenir. Bununla birlikte, yüksek serbest yağ asidi içeriğine sahip düşük dereceli atık sebze gibi ham madde kullanılıyorsa, bir asit katalizörü kullanılarak esterleştirmenin kimyasal bir ön işlem aşaması gereklidir. Ultrasonikasyon ve sonokimyasal ve sonomekanik etkileri her iki reaksiyon türüne de katkıda bulunur ve biyodizel dönüşümünün verimliliğini önemli ölçüde artırır. Ultrasonik biyodizel üretimi, geleneksel biyodizel sentezinden önemli ölçüde daha hızlıdır, daha yüksek biyodizel verimi ve kalitesi ile sonuçlanır ve metanol ve katalizör gibi reaktiflerden tasarruf sağlar.

Güç Ultrason kullanarak Biyodizel Dönüşümü

Biyodizel için, yağ asidi esterleri, bitkisel yağların yanı sıra hayvansal yağların (örneğin donyağı) transesterifikasyonu ile üretilir. Transesterifikasyon reaksiyonu sırasında, gliserol bileşeni, metanol gibi başka bir alkol ile değiştirilir. Yüksek miktarda serbest yağ asidi içeren hammaddeler, örneğin atık bitkisel yağlar (WVO), sabun oluşumunu önlemek için asit esterleştirmesinin ön işlemine tabi tutulur. Bu asit kataliz işlemi, geleneksel parti yöntemi olarak gerçekleştirildiğinde çok yavaş bir reaksiyondur. Yavaş esterleşme sürecini hızlandırmanın çözümü, güç ultrasonunun uygulanmasıdır. Sonikasyon, yüksek güçlü ultrasonun sonokimyasal etkileri asit katalizini teşvik edip yoğunlaştırdığı için reaksiyon hızı, dönüşüm ve biyodizel veriminde önemli bir gelişme sağlar. Ultrasonik kavitasyon, sonomekanik kuvvetler, yani yüksek parçalayıcı karıştırma ve sonokimyasal enerji sağlar. Bu her iki ultrasonik etki türü (sonomekanik ve sonokimyasal), asit katalizli esterifikasyonu daha az katalizör gerektiren hızlı bir reaksiyona dönüştürür.

Ultrasonik Biyodizel Dönüşümü Nasıl Çalışır?

Transesterifikasyonda farklı fazlar arasında ultrasonikasyon (bazen alkoliz olarak da adlandırılır) ve esterifikasyon, karışımın yanı sıra artan bir ısı ve kütle transferine dayanır. Ultrasonik karıştırma, sıvıdaki vakum kabarcıklarının patlaması sonucu ortaya çıkan akustik kavitasyon prensibine dayanır. Akustik kavitasyon, yüksek kesme kuvvetleri ve türbülansların yanı sıra çok yüksek basınç ve sıcaklık farkları ile karakterize edilir. Bu kuvvetler, transesterifikasyon / esterleştirmenin kimyasal reaksiyonunu teşvik eder ve kütle ve ısı transferini yoğunlaştırır, böylece biyodizel dönüşümünün reaksiyonunu önemli ölçüde iyileştirir.

Trigliseritlerin sonikasyon kullanılarak biyodizele (FAME) transesterifikasyonu, hızlandırılmış reaksiyon ve önemli ölçüde daha yüksek verimlilik ile sonuçlanır.

Biyodizel dönüşümü sırasında ultrasonik uygulamanın, proses verimliliğini artırmak için bilimsel ve endüstriyel olarak kanıtlanmıştır. Proses verimliliğindeki iyileşme, azalan enerji tüketimi ve işletme maliyetlerine ve daha az alkol (yani metanol) kullanımına, daha az katalizöre ve önemli ölçüde kısaltılmış reaksiyon süresine bağlanabilir. Harici ısıtmaya gerek olmadığı için ısıtma için enerji maliyeti ortadan kalkar. Ek olarak, biyodizel ve gliserol arasındaki faz ayrımı, daha kısa bir faz ayırma süresi ile daha basittir. Biyodizel üretiminde ultrasonun ticari kullanımı için önemli bir faktör, herhangi bir hacme basit bir ölçek büyütme, güvenilir ve güvenli çalışma ile ultrasonik ekipmanın sağlamlığı ve güvenilirliğidir (endüstriyel standart, tam yük altında sürekli olarak 24/7/365 çalışabilen).

Hat içi biyodizel esterfikasyonu ve transesterifikasyonu için akış hücreli ultrasonik endüstriyel sistem.

Asit ve Baz Katalizli Reaksiyon Adımlarının Uygulanmasında Ultrasonik Destekli İki Adımlı Biyodizel Dönüşümü

Yüksek FFA içeriğine sahip hammaddeler için biyodizel üretimi, iki aşamalı bir proseste asit veya baz katalizli reaksiyon olarak gerçekleştirilir. Ultrason, asit katalizli esterifikasyon ve baz katalizli transesterifikasyon olmak üzere iki tür reaksiyona katkıda bulunur:

Ultrason kullanarak asit katalizli esterleştirme

Hammaddedeki fazla miktarda serbest yağ asidini arıtmak için esterleştirme işlemine ihtiyaç vardır. Sülfürik asit, yaygın olarak asit katalizörü olarak kullanılır.

• Kirleticileri ve suyu filtreleyerek ve rafine ederek hammadde hazırlayın.
• Katalizörü, yani sülfürik asidi metanol içinde çözün. Ham bir ön karışım elde etmek için katalizör / metanol ve besleme stoğunun bir ısı eşanjörü ve statik bir karıştırıcı aracılığıyla beslenir.
• Katalizör ve besleme stoğunun ön karışımı, doğrudan ultrasonik reaksiyon odasına gider, burada ultra ince karıştırma ve sonokimya etkili olur ve serbest yağ asitleri biyodizele dönüştürülür.
• Son olarak, ürünü susuzlaştırın ve ikinci aşamaya besleyin - ultrasonik transesterifikasyon. Asidik ıslak metanol, geri kazanım, kurutma ve nötralizasyondan sonra yeniden kullanıma hazırdır.
• Çok yüksek FFA içeren hammaddeler için, transesterifikasyon adımından önce FFA'yı makul bir seviyeye düşürmek için bir devridaim kurulumu gerekebilir.

Asit Katalizörü Kullanarak Esterleşme Reaksiyonu:
FFA + Alkol → Ester + Su

Ultrason Kullanarak Baz Katalizli Transesterifikasyon

Şu anda sadece küçük miktarlarda FFA'ya sahip olan hammadde, doğrudan transesterifikasyon aşamasına beslenebilir. En yaygın olarak sodyum hidroksit veya potasyum hidroksit (NaOH, KOH) baz katalizör olarak kullanılır.

• Katalizörü, yani potasyum hidroksiti metanol içinde çözün ve ham bir ön karışım elde etmek için katalizör/metanol ve ön işlem görmüş hammadde akışlarını statik bir karıştırıcıdan besleyin.
• Kavitasyonel yüksek parçalayıcı karıştırma ve sonokimyasal işlem için ön karışımı doğrudan ultrasonik reaksiyon odasına besleyin. Bu reaksiyonun ürünleri alkil esterler (yani biyodizel) ve gliserindir. Gliserin, çökeltme veya santrifüjleme ile ayrılabilir.
• Ultrasonik olarak üretilen biyodizel, yüksek kalitededir ve metanol ve katalizör tasarrufu sağlayarak hızlı, enerji tasarruflu ve uygun maliyetli olarak üretilmiştir.

Bir Baz Katalizör Kullanarak Transesterifikasyon Reaksiyonu:
Sıvı / Katı + Alkol → Biyodizel + Gliserol

Metanol Kullanımı & Metanol Geri Kazanımı

Metanol, biyodizel üretimi sırasında önemli bir bileşendir. Ultrasonik tahrikli biyodizel dönüşümü, metanolün önemli ölçüde azaltılmasına izin verir. Şimdi "Metanol kullanımım umurumda değil, çünkü yine de geri kazanıyorum" diye düşünüyorsanız, metanolü ayırmak ve geri dönüştürmek için gerekli olan buharlaştırma adımı (örneğin bir damıtma sütunu kullanarak) için geçerli olan fahiş yüksek enerji maliyetini yeniden düşünebilir ve düşünebilirsiniz.
Metanol genellikle biyodizel ve gliserin iki katmana ayrıldıktan sonra uzaklaştırılır ve reaksiyonun tersine dönmesi önlenir. Metanol daha sonra temizlenir ve işlemin başlangıcına kadar geri dönüştürülür. Ultrasonik tahrikli esterleştirme ve transesterifikasyon yoluyla biyodizel üreterek, metanol kullanımınızı önemli ölçüde azaltabilir, böylece metanol geri kazanımı için aşırı yüksek enerji harcamasını azaltabilirsiniz. Hielscher ultrasonik reaktörlerin kullanımı, gerekli miktarda fazla metanolü P'ye kadar azaltır. 1: 4 veya 1: 4.5 (yağ: metanol) arasında bir molar oran, Hielscher ultrasonik karıştırma kullanırken çoğu hammadde için yeterlidir.

Ultrasonik Artan Biyodizel Dönüşüm Verimliliği – Bilimsel olarak kanıtlanmış

Çok sayıda araştırmacı grubu, biyodizelin ultrasonik transesterifikasyonunun mekanizmasını ve etkilerini araştırmıştır. Örneğin, Sebayan Darwin'in araştırma ekibi, ultrasonik kavitasyonun kimyasal aktiviteyi ve reaksiyon hızını arttırdığını ve bunun da önemli ölçüde artmış bir ester oluşumuna yol açtığını gösterdi. Ultrasonik teknik, transesterifikasyon reaksiyon süresini 5 dakikaya düşürdü – mekanik karıştırma işlemi için 2 saate kıyasla. Trigliseridin (TG) ultrasonikasyon altında FAME'e dönüştürülmesi, katalizör olarak ağırlıkça �.6929 oranında 6: 1 metanol / yağ molar oranı ve ağırlıkça %1 sodyum hidroksit elde etti. (bkz. Darwin ve ark. 2010)

Biyodizel işleme için orta ve büyük ölçekli ultrasonikatörler

Hielscher Ultrasonics’ Herhangi bir hacimde biyodizelin verimli üretimi için küçük ve orta ölçekli ve büyük ölçekli endüstriyel ultrasonik işlemciler sağlar. Her ölçekte ultrasonik sistem sunan Hielscher, hem küçük üreticiler hem de büyük şirketler için ideal çözümü sunabilir. Ultrasonik biyodizel dönüşümü, toplu veya sürekli hat içi işlem olarak çalıştırılabilir. Kurulum ve çalıştırma basit, güvenlidir ve üstün biyodizel kalitesinde güvenilir yüksek çıktılar sağlar.
Aşağıda, çeşitli üretim oranları için önerilen reaktör kurulumlarını bulacaksınız.