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 karıştırma, biyodizel dönüşüm oranını artırır, verimi artırır ve fazla metanol ve katalizör tasarrufu sağlar. Resimde 3x'in kurulumu gösterilmektedir UIP1000hdT (her biri 1kW ultrason gücü) satır içi işleme için.
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.
Ultrasonik esterleştirme ve transesterifikasyon, toplu veya sürekli satır içi işlem olarak çalıştırılabilir. Grafik, biyodizel (FAME) transesterfikasyonu için ultrasonik satır içi işlemi göstermektedir.
Ultrasonik esterleştirme ve transesterifikasyon, toplu veya sürekli satır içi işlem olarak çalıştırılabilir. Bu çizelge, biyodizel dönüşümü için ultrasonik toplu işlemi göstermektedir.
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 olarak yönlendirilen biyodizel dönüşümü, metanolün önemli ölçüde azaltılmasına izin verir. Eğer şimdi düşünüyorsan “Zaten geri kazandığım için metanol kullanımım umurumda değil”, 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 değerlendirebilirsiniz.
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 esterleştirme, FFA'larda yüksek olan düşük dereceli hammaddeyi esterlere indirgeyen bir ön işlem adımıdır. Ultrasonik transesterifikasyonun 2. adımında, trigliseritler biyodizele (FAME) dönüştürülür.
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.
|
ton/saat
|
gal/saat
|
|
|---|---|---|
| 1 katı UIP500hdT |
0.25 ila 0,5
|
80 ila 160
|
| 1 katı UIP1000hdT |
0.5 ila 1.0
|
160 ila 320
|
| 1 katı UIP1500hdT |
0.75 ila 1.5
|
240 ila 480
|
| 2 katı UIP1000hdT |
1.0 ila 2.0
|
320 ila 640
|
| 2 katı UIP1500hdT |
1.5 ila 3.0
|
480 ila 960
|
| 4 katı UIP1500hdT |
3.0 ila 6.0
|
960 ila 1920
|
| 6 katı UIP1500hdT |
4.5 ila 9.0
|
1440 ila 2880
|
Bizimle İletişime Geçin!? Bize Sor!
Hielscher Ultrasonics, laboratuvar, pilot ve endüstriyel ölçekte karıştırma uygulamaları, dispersiyon, emülsifikasyon ve ekstraksiyon için yüksek performanslı ultrasonik homojenizatörler üretmektedir.
Literatür? Referanslar
- 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.
Bilmeye Değer Gerçekler
Biyodizel Üretimi
Biyodizel, trigyseritler, transesterifikasyon olarak bilinen bir kimyasal reaksiyon yoluyla serbest yağlı metil estere (FAME) dönüştürüldüğünde üretilir. Transesterifikasyon reaksiyonu sırasında, bitkisel yağlardaki veya hayvansal yağlardaki trigliseritler, bir katalizör (örneğin, potasyum hidroksit veya sodyum hidroksit) varlığında bir birincil alkol (örneğin, metanol) ile reaksiyona girer. Bu reaksiyonda, bitkisel yağ veya hayvansal yağ hammaddesinden alkil esterler oluşur. Trigliseritler, gliserolün yağ asitleri olarak bilinen uzun zincirli asitlerle esterlendiği gliseritlerdir. Bu yağ asitleri bitkisel yağlarda ve hayvansal yağlarda bol miktarda bulunur. Biyodizel, işlenmemiş bitkisel yağlar, atık bitkisel yağlar, kullanılmış kızartma yağları, donyağı ve domuz yağı gibi hayvansal yağlar gibi çeşitli farklı hammaddelerden üretilebildiğinden, serbest yağ asitlerinin (FFA'lar) miktarı büyük ölçüde değişebilir. Trigliseritlerin serbest yağ asitlerinin yüzdesi, biyodizel üretim sürecini ve bunun sonucunda ortaya çıkan biyodizel kalitesini büyük ölçüde etkileyen çok önemli bir faktördür. Yüksek miktarda serbest yağ asidi, dönüştürme işlemine müdahale edebilir ve nihai biyodizel kalitesini bozabilir. Asıl sorun, serbest yağ asitlerinin (FFA'lar) alkali katalizörlerle reaksiyona girerek sabun oluşumuna neden olmasıdır. Sabun oluşumu daha sonra gliserol ayrılma sorunlarına neden olur. Bu nedenle, yüksek miktarda FFA içeren hammaddeler çoğunlukla, FFA'ların esterlere dönüştürüldüğü bir ön işlem (esterleşme reaksiyonu olarak adlandırılır) gerektirir. Ultrasonication hem reaksiyonları, transesterifikasyonu hem de esterifikasyonu teşvik eder.
Esterleşmenin Kimyasal Reaksiyonu
Esterleştirme, bir ester (RCOOR) ve su oluşturmak için bir organik asidi (RCOOH) bir alkol (ROH) ile birleştirme işlemidir.
Asidik Esterleştirmede Metanol Kullanımı
Hammaddedeki FFA'ları azaltmak için asit esterleştirmesi kullanıldığında, acil enerji gereksinimleri nispeten düşüktür. Bununla birlikte, esterleşme reaksiyonu sırasında su oluşur – nötralize edilmesi, kurutulması ve geri kazanılması gereken ıslak, asidik metanol oluşturmak. Bu metanol geri kazanım işlemi pahalıdır.
Başlangıç hammaddeleri ila 40 veya daha yüksek FFA yüzdelerine sahipse, bunları kabul edilebilir seviyelere indirmek için birden fazla adım gerekli olabilir. Bu, daha asidik, ıslak metanol yaratıldığı anlamına gelir. Asidik metanolü nötralize ettikten sonra, kurutma, önemli geri akış oranlarına sahip çok aşamalı damıtma gerektirir ve bu da çok yüksek enerji kullanımına neden olur.
Biyodizel Üretiminde Hangi Yağlar Kullanılır?
Biyodizel üretimi için kullanılan yağlar arasında soya fasulyesi, kolza tohumu (kanola), ayçiçeği, palmiye yağı ve kullanılmış kahve telvesinden elde edilen yağ gibi bitkisel yağların yanı sıra donyağı ve domuz yağı gibi hayvansal yağlar bulunur. Kullanılmış yemeklik yağ ve kullanılmış kahve telvesinden elde edilen yağlar da dahil olmak üzere atık yağlar da yaygın olarak kullanılmaktadır. Esas olarak trigliseritlerden oluşan bu yağlar, biyodizeli oluşturan kimyasal bileşikler olan yağ asidi metil esterlerini (FAME) üretmek için alkol ile transesterifikasyona uğrar. Sonikasyon, yüksek yoğunluklu ultrason dalgalarının uygulanmasıyla transesterifikasyon sürecini geliştirerek atık yağların biyodizel dönüşümünü geliştirir. Genellikle safsızlıklara ve daha yüksek serbest yağ asidi içeriğine sahip olan atık yağlarda, sonikasyon bu safsızlıkların parçalanmasına yardımcı olur ve reaktanların karışımını iyileştirir. Bu, daha düşük kaliteli hammaddelerde bile daha hızlı reaksiyon hızları, daha düşük reaksiyon süreleri ve daha yüksek biyodizel verimi ile sonuçlanır. Sonikasyon ayrıca katalizör kullanımının azalmasına ve daha düşük enerji tüketimine izin vererek, atık yağların biyodizele dönüştürülmesini daha verimli ve uygun maliyetli hale getirir.
Sonikasyonun, kullanılmış kahve telvesinden yağların ekstraksiyonunu ve bu yağların biyodizele transesterifikasyonunu nasıl yoğunlaştırdığını daha fazla okuyun!
Hielscher Ultrasonics, yüksek performanslı ultrasonik homojenizatörler üretmektedir. laboratuvar Hedef endüstriyel boyut.