Біодизель шляхом ультразвукової естеризації

Біодизель синтезується шляхом переетерифікації з використанням підстави-каталізатора. Однак, якщо використовується така сировина, як низькосортні відходи рослинного походження з високим вмістом вільних жирних кислот, необхідний етап хімічної попередньої обробки етерифікації за допомогою кислот-каталізатора. Ультразвук та його сонохімічні та сономеханічні ефекти сприяють утворенню обох типів реакцій та різко підвищують ефективність перетворення біодизеля. Виробництво ультразвукового біодизеля значно швидше, ніж синтез звичайного біодизеля, призводить до більш високого виходу та якості біодизеля, а також економить реагенти, такі як метанол і каталізатор.

Перетворення біодизеля за допомогою енергетичного ультразвуку

Для біодизеля ефіри жирних кислот виробляються шляхом переетерифікації рослинних олій, а також тваринних жирів (наприклад, жиру). Під час реакції переетерифікації гліцериновий компонент заміщається іншим спиртом, наприклад, метанолом. Сировина з високим вмістом вільних жирних кислот, наприклад, відпрацьовані рослинні олії (WVO), вимагає попередньої обробки кислотної етерифікації, щоб уникнути милоутворення. Цей процес кислотного каталізу є дуже повільною реакцією, якщо проводити його звичайним періодичним методом. Рішенням для прискорення процесу повільної етерифікації є застосування силового ультразвуку. Ультразвукове дослідження дозволяє досягти значного покращення швидкості реакції, перетворення та виходу біодизеля, оскільки сонохімічні ефекти високопотужного ультразвуку сприяють та інтенсифікують кислотний каталіз. Ультразвукова кавітація забезпечує сономеханічні сили, тобто високозсувне перемішування, а також сонохимическую енергію. Ці обидва типи ультразвукового впливу (сономеханічний і сонохімічний) перетворюють каталізовану кислотою етерифікацію в швидку реакцію, що вимагає меншої кількості каталізатора.

Як працює ультразвукова конверсія біодизеля?

Ультразвук між різними фазами в процесі переетерифікації (також іноді званої алкоголізом) і етерифікації заснований на посиленні змішування, а також на збільшенні тепло- і масообміну. В основі ультразвукового змішування лежить принцип акустичної кавітації, яка виникає в результаті вибуху вакуумних бульбашок в рідині. Акустична кавітація характеризується високими зсувними силами та турбулентністю, а також дуже великими перепадами тиску та температури. Ці сили сприяють хімічній реакції переетерифікації / етерифікації і інтенсифікують масо- і теплообмін, тим самим значно покращуючи реакцію перетворення біодизеля.

Переетерифікація тригліцеридів у біодизель (FAME) за допомогою ультразвуку призводить до прискорення реакції та значно вищої ефективності.

Науково та промислово доведено, що застосування ультразвуку під час перетворення біодизеля покращує ефективність процесу. Підвищення ефективності процесу можна пояснити зниженням споживання енергії та експлуатаційних витрат, а також зменшенням використання спирту (тобто метанолу), меншою кількістю каталізатора та значно скороченим часом реакції. Виключаються витрати енергії на опалення, оскільки немає вимоги до зовнішнього обігріву. Крім того, розділення фаз між біодизелем і гліцерином є простішим із коротшим часом розділення фаз. Важливим фактором для комерційного використання ультразвуку у виробництві біодизеля є просте масштабування до будь-якого обсягу, надійна та безпечна робота, а також міцність та надійність ультразвукового обладнання (промисловий стандарт, здатний працювати безперервно 24/7/365 при повному навантаженні).

Ультразвукова промислова система з проточною камерою для естерфікації та переетерифікації вбудованого біодизеля.

Двоступенева конверсія біодизеля за допомогою ультразвуку з використанням етапів реакцій, каталізованих кислотами та основами

Для сировини з високим вмістом FFA виробництво біодизеля здійснюється у вигляді реакції, каталізованої кислотою або основою в двостадійному процесі. Ультразвук сприяє двом типам реакцій: етерифікації, каталізованій кислотою, і переетерифікації, каталізованій основою:

Кислотно-каталізована етерифікація за допомогою ультразвуку

Для усунення надлишку вільних жирних кислот у вихідній сировині необхідний процес етерифікації. Сірчана кислота зазвичай використовується як кислотний каталізатор.

• Готують вихідну сировину шляхом фільтрації та очищення від забруднень і води.
• Розчиніть каталізатор, а саме сірчану кислоту, в метанолі. Потік подачі каталізатора / метанолу і вихідної сировини через теплообмінник і статичний змішувач для отримання сирої попередньої суміші.
• Попереднє змішування каталізатора та вихідної сировини надходить безпосередньо в камеру ультразвукової реакції, де відбувається надтонке змішування та сонохімія, а вільні жирні кислоти перетворюються на біодизель.
• Нарешті, продукт зневоднюють і подають на другий етап – ультразвукову переетерифікацію. Кислий вологий метанол після відновлення, висушування та нейтралізації готовий до повторного використання.
• Для сировини з дуже високим вмістом ВЖК може знадобитися установка рециркуляції, щоб знизити ВЖК до розумного рівня перед етапом переетерифікації.

Реакція етерифікації з використанням кислотного каталізатора:
FFA + Алкоголь → Ефір + Вода

Каталізована базою переетерифікація за допомогою ультразвуку

Сировина, яка зараз містить лише невелику кількість FFA, може бути безпосередньо подана на стадію переетерифікації. Найчастіше в якості базового каталізатора використовується гідроксид натрію або гідроксид калію (NaOH, KOH).

• Розчиніть каталізатор, а саме гідроксид калію, у метанолі та подайте потоки каталізатора/метанолу та попередньо обробленої сировини через статичний змішувач для отримання сирої попередньої суміші.
• Подайте попередню суміш безпосередньо в камеру ультразвукової реакції для кавітаційного змішування з високим зсувом і сонохімічної обробки. Продуктами цієї реакції є алкільні ефіри (т. Е. Біодизель) і гліцерин. Гліцерин можна відокремити шляхом відстоювання або центрифугуванням.
• Біодизель, отриманий ультразвуковим способом, має високу якість і виготовляється швидко, енергоефективно та економічно вигідно завдяки економії метанолу та каталізатора.

Реакція переетерифікації з використанням основного каталізатора:
Олія / Жир + Алкоголь → Біодизель + Гліцерин

Використання метанолу & Відновлення метанолу

Метанол є ключовим компонентом під час виробництва біодизеля. Перетворення біодизеля з ультразвуковим приводом дозволяє значно скоротити використання метанолу. Якщо ви зараз думаєте: «Мене не хвилює моє використання метанолу, оскільки я все одно його відновлюю», ви можете переглянути та розглянути непомірно високі витрати енергії, які застосовуються для етапу випаровування (наприклад, за допомогою дистиляційної колони), яка необхідна для відділення та переробки метанолу.
Метанол зазвичай видаляється після того, як біодизель і гліцерин розділилися на два шари, запобігаючи зворотній реакції. Потім метанол очищається і переробляється назад до початку процесу. Виробляючи біодизель за допомогою ультразвукової етерифікації та переетерифікації, ви можете значно скоротити використання метанолу, тим самим зменшуючи непомірно високі витрати енергії на відновлення метанолу. Використання ультразвукових реакторів Hielscher дозволяє знизити необхідну кількість надлишку метанолу до 50%. Молярне співвідношення між 1:4 або 1:4,5 (масло : метанол) є достатнім для більшості сировини при використанні ультразвукового змішування Hielscher.

Ультразвук підвищує ефективність перетворення біодизеля – Науково доведено

Численні групи дослідників досліджували механізм і ефекти ультразвукової переетерифікації біодизеля. Наприклад, дослідницька група Себаяна Дарвіна продемонструвала, що ультразвукова кавітація збільшує хімічну активність і швидкість реакції, що призводить до значного збільшення утворення ефірів. Ультразвукова методика дозволила скоротити час реакції переетерифікації до 5 хвилин – в порівнянні з 2 годинами на механічну обробку при перемішуванні. Перетворення тригліцеридів (TG) в FAME при ультразвуковому дослідженні отримало 95,6929% мас з молярним співвідношенням метанолу до олії 6:1 і 1% wt гідроксиду натрію в якості каталізатора. (пор. Дарвін та ін., 2010)

Середньорозмірні та великомасштабні ультразвукові апарати для переробки біодизеля

Hielscher Ultrasonics’ Постачає малі та середні, а також великомасштабні промислові ультразвукові процесори для ефективного виробництва біодизеля в будь-яких обсягах. Пропонуючи ультразвукові системи в будь-якому масштабі, компанія Hielscher може запропонувати ідеальне рішення як для невеликих виробників, так і для великих компаній. Ультразвукова конверсія біодизеля може працювати як періодичний або як безперервний потоковий процес. Установка та експлуатація прості, безпечні та забезпечують надійно високі результати найвищої якості біодизеля.
Нижче ви знайдете рекомендовані установки реакторів для різних темпів виробництва.