Ultratovush yordamida takomillashtirilgan (trans-)esterifikatsiya orqali biodizel
Biodizel asos katalizatoridan foydalanib transesterifikatsiya orqali sintez qilinadi. Biroq erkin yogʻ kislotalari miqdori yuqori boʻlgan past sifatli chiqindi oʻsimlik moylari kabi xomashyo ishlatilsa, kislota katalizatori yordamida esterifikatsiyadan iborat dastlabki kimyoviy ishlov bosqichi talab etiladi. Ultratovush bilan ishlov berish va uning sonokimyoviy hamda sonomexanik taʼsirlari har ikkala reaksiya turiga yordam beradi va biodizelga aylantirish samaradorligini keskin oshiradi. Ultratovush yordamida biodizel ishlab chiqarish anʼanaviy biodizel sinteziga qaraganda sezilarli darajada tezroq kechadi, biodizel chiqishi va sifatini oshiradi hamda metanol va katalizator kabi reagentlarni tejaydi.
Kuchli ultratovush yordamida biodizelga aylantirish
Biodizel uchun yogʻ kislotalarining murakkab efirlari oʻsimlik moylarini, shuningdek, hayvon yogʻlarini (masalan, charvi yogʻini) transesterifikatsiya qilish orqali olinadi. Transesterifikatsiya reaksiyasi davomida glitserol komponenti metanol kabi boshqa spirt bilan almashtiriladi. Erkin yogʻ kislotalari miqdori yuqori boʻlgan xomashyo, masalan, chiqindi oʻsimlik moylari (WVO), sovun hosil boʻlishining oldini olish uchun kislotali esterifikatsiya bilan dastlabki ishlov berishni talab qiladi. Ushbu kislota katalizi jarayoni anʼanaviy davriy usulda amalga oshirilganda juda sekin kechadigan reaksiyadir. Sekin esterifikatsiya jarayonini tezlashtirish yechimi kuchli ultratovushni qoʻllashdir. Ultratovush bilan ishlov berish reaksiya tezligi, konversiya va biodizel chiqishini sezilarli darajada yaxshilaydi, chunki yuqori quvvatli ultratovushning sonokimyoviy taʼsirlari kislota katalizini ragʻbatlantiradi va jadallashtiradi. Ultratovushli kavitatsiya sonomexanik kuchlarni, yaʼni kuchli siljish taʼsirida aralashtirishni, shuningdek, sonokimyoviy energiyani taʼminlaydi. Ultratovush taʼsirining ushbu ikki turi (sonomexanik va sonokimyoviy) kislota katalizidagi esterifikatsiyani kamroq katalizator talab qiladigan tez reaksiyaga aylantiradi.
Ultratovushli aralashtirish biodizelga aylantirish tezligini yaxshilaydi, chiqishni oshiradi hamda ortiqcha metanol va katalizatorni tejaydi. Rasmda oqim liniyasida ishlov berish uchun 3x UIP1000hdT (har birining ultratovush quvvati 1kW) qurilmasining oʻrnatilishi koʻrsatilgan.
Ultratovush yordamida biodizelga aylantirish qanday ishlaydi?
Transesterifikatsiya (baʼzan alkogoliz deb ham ataladi) va esterifikatsiyadagi turli fazalar orasida ultratovush bilan ishlov berish aralashtirishni yaxshilash, shuningdek, issiqlik va massa almashinuvini oshirishga asoslanadi. Ultratovushli aralashtirish suyuqlikdagi vakuum pufakchalarining ichkariga qulab soʻnishi natijasida yuzaga keladigan akustik kavitatsiya tamoyiliga asoslanadi. Akustik kavitatsiya kuchli siljish kuchlari va turbulentlik, shuningdek, bosim va haroratning juda katta farqlari bilan tavsiflanadi. Ushbu kuchlar transesterifikatsiya / esterifikatsiya kimyoviy reaksiyasini ragʻbatlantiradi hamda massa va issiqlik almashinuvini jadallashtiradi, shu orqali biodizelga aylantirish reaksiyasini sezilarli darajada yaxshilaydi.
Ultratovush bilan ishlov berish yordamida triglitseridlarni biodizelga (FAME) transesterifikatsiya qilish reaksiyaning tezlashishiga va samaradorlikning sezilarli darajada oshishiga olib keladi.
Biodizelga aylantirish davomida ultratovushni qoʻllash jarayon samaradorligini yaxshilashi ilmiy tadqiqotlarda va sanoatda isbotlangan. Jarayon samaradorligining yaxshilanishi energiya sarfi va ekspluatatsiya xarajatlarining kamayishi, spirtning (yaʼni metanolning) kamroq ishlatilishi, katalizator miqdorining kamayishi va reaksiya vaqtining sezilarli darajada qisqarishi bilan izohlanadi. Tashqi isitish talab etilmagani sababli isitish uchun energiya xarajatlari bartaraf etiladi. Bundan tashqari, biodizel va glitserol fazalarini ajratish osonroq boʻlib, fazalarni ajratish vaqti qisqaradi. Biodizel ishlab chiqarishda ultratovushdan tijoriy foydalanish uchun muhim omillar istalgan hajmgacha oson kengaytirish, ishonchli va xavfsiz ishlash, shuningdek, ultratovush uskunasining mustahkamligi va ishonchliligidir (sanoat standarti, toʻliq yuklama ostida 24/7/365 uzluksiz ishlashga qodir).
Biodizelni oqim liniyasida esterifikatsiya va transesterifikatsiya qilish uchun oqim hujayrasi bilan jihozlangan ultratovushli sanoat tizimi.
Ultratovushli esterifikatsiya va transesterifikatsiya davriy yoki oqim liniyasidagi uzluksiz jarayon sifatida bajarilishi mumkin. Diagrammada biodizelni (FAME) transesterifikatsiya qilish uchun oqim liniyasidagi ultratovushli jarayon koʻrsatilgan.
Ultratovushli esterifikatsiya va transesterifikatsiya davriy yoki oqim liniyasidagi uzluksiz jarayon sifatida bajarilishi mumkin. Ushbu diagrammada biodizelga aylantirish uchun davriy ultratovushli jarayon koʻrsatilgan.
Kislota va asos katalizidagi reaksiya bosqichlarini qoʻllagan holda ultratovush yordamida ikki bosqichda biodizelga aylantirish
FFA miqdori yuqori boʻlgan xomashyo uchun biodizel ishlab chiqarish ikki bosqichli jarayonda kislota yoki asos katalizidagi reaksiya sifatida amalga oshiriladi. Ultratovush reaksiyalarning har ikkala turiga, yaʼni kislota katalizidagi esterifikatsiyaga ham, asos katalizidagi transesterifikatsiyaga ham yordam beradi:
Ultratovush yordamida kislota katalizidagi esterifikatsiya
Xomashyodagi ortiqcha erkin yogʻ kislotalariga ishlov berish uchun esterifikatsiya jarayoni zarur. Kislota katalizatori sifatida odatda sulfat kislota ishlatiladi.
- Xomashyoni filtrlash hamda ifloslantiruvchi moddalar va suvdan tozalash orqali tayyorlang.
- Katalizatorni, yaʼni sulfat kislotani metanolda eriting. Dagʻal dastlabki aralashma olish uchun katalizator/metanol oqimini va xomashyoni issiqlik almashtirgich hamda statik aralashtirgich orqali uzating.
- Katalizator va xomashyoning dastlabki aralashmasi bevosita ultratovushli reaksiya kamerasiga kiradi, u yerda oʻta mayin aralashtirish va sonokimyo taʼsir koʻrsatadi hamda erkin yogʻ kislotalari biodizelga aylantiriladi.
- Nihoyat, mahsulotdan suvni chiqarib tashlang va uni ikkinchi bosqichga – ultratovushli transesterifikatsiyaga uzating. Kislotali nam metanol qayta ajratib olingach, quritilgach va neytrallangach qayta foydalanishga tayyor boʻladi.
- FFA miqdori juda yuqori boʻlgan xomashyo uchun transesterifikatsiya bosqichidan oldin FFA miqdorini maqbul darajagacha pasaytirish maqsadida qayta aylantirish tizimi talab qilinishi mumkin.
Kislota katalizatori yordamidagi esterifikatsiya reaksiyasi:
FFA + Spirt → Murakkab efir + Suv
Ultratovush yordamida asos katalizidagi transesterifikatsiya
Endi faqat oz miqdorda FFA saqlaydigan xomashyo bevosita transesterifikatsiya bosqichiga uzatilishi mumkin. Asos katalizatori sifatida koʻpincha natriy gidroksid yoki kaliy gidroksid (NaOH, KOH) ishlatiladi.
- Katalizatorni, yaʼni kaliy gidroksidni metanolda eriting va dagʻal dastlabki aralashma olish uchun katalizator/metanol hamda dastlabki ishlov berilgan xomashyo oqimlarini statik aralashtirgich orqali uzating.
- Kavitatsiya tufayli kuchli siljish taʼsirida aralashtirish va sonokimyoviy ishlov berish uchun dastlabki aralashmani bevosita ultratovushli reaksiya kamerasiga uzating. Ushbu reaksiya mahsulotlari alkil murakkab efirlari (yaʼni biodizel) va glitserindir. Glitserinni tindirish yoki sentrifugalash orqali ajratish mumkin.
- Ultratovush yordamida ishlab chiqarilgan biodizel yuqori sifatga ega boʻlib, metanol va katalizatorni tejash hisobiga tez, energiya va xarajatlar jihatidan samarali ishlab chiqariladi.
Asos katalizatori yordamidagi transesterifikatsiya reaksiyasi:
Moy / Yogʻ + Spirt → Biodizel + Glitserol
Metanoldan foydalanish va metanolni qayta ajratib olish
Metanol biodizel ishlab chiqarishda asosiy komponentlardan biridir. Ultratovush taʼsirida biodizelga aylantirish metanoldan foydalanishni sezilarli darajada kamaytirish imkonini beradi. Agar hozir «Metanol sarfimga ahamiyat bermayman, chunki baribir uni qayta ajratib olaman», deb oʻylayotgan boʻlsangiz, fikringizni qayta koʻrib chiqib, metanolni ajratish va qayta ishlatish uchun zarur boʻlgan bugʻlatish bosqichidagi (masalan, distillatsiya kolonnasidan foydalanilganda) nihoyatda yuqori energiya xarajatlarini hisobga olishingiz mumkin.
Metanol odatda biodizel va glitserin ikki qatlamga ajralganidan keyin chiqarib olinadi, bu reaksiyaning teskari yoʻnalishda borishini oldini oladi. Soʻng metanol tozalanib, jarayonning boshlanishiga qayta uzatiladi. Ultratovush taʼsiridagi esterifikatsiya va transesterifikatsiya orqali biodizel ishlab chiqarishda metanol sarfini keskin kamaytirishingiz, shu bilan metanolni qayta ajratib olish uchun nihoyatda yuqori energiya sarfini pasaytirishingiz mumkin. Hielscher ultratovushli reaktorlaridan foydalanish talab etiladigan ortiqcha metanol miqdorini 50% gacha kamaytiradi. Hielscher ultratovushli aralashtirishidan foydalanilganda koʻpchilik xomashyo uchun 1:4 dan 1:4,5 gacha boʻlgan molyar nisbat (moy : metanol) yetarlidir.
Ultratovushli esterifikatsiya FFA miqdori yuqori boʻlgan past sifatli xomashyoni murakkab efirlarga aylantiradigan dastlabki ishlov bosqichidir. Ultratovushli transesterifikatsiyaning 2-bosqichida triglitseridlar biodizelga (FAME) aylantiriladi.
Ultratovush yordamida biodizelga aylantirish samaradorligining oshishi – ilmiy isbotlangan
Koʻplab tadqiqotchilar guruhlari biodizelning ultratovushli transesterifikatsiyasi mexanizmi va taʼsirlarini oʻrgangan. Masalan, Sebayan Darwin tadqiqot guruhi ultratovushli kavitatsiya kimyoviy faollik va reaksiya tezligini oshirib, murakkab efir hosil boʻlishini sezilarli darajada koʻpaytirganini koʻrsatdi. Ultratovush usuli transesterifikatsiya reaksiyasi vaqtini mexanik aralashtirish bilan ishlov berishdagi 2 soatga nisbatan 5 daqiqagacha qisqartirdi. Ultratovush bilan ishlov berishda metanolning moyga molyar nisbati 6:1 va katalizator sifatida 1%wt natriy gidroksid qoʻllanganda triglitseridning (TG) FAMEga aylanishi 95,6929%wt ga yetdi. (qarang: Darwin et al. 2010)
Biodizelga ishlov berish uchun oʻrta oʻlchamli va yirik miqyosdagi ultratovush qurilmalari
Hielscher Ultrasonics istalgan hajmda biodizelni samarali ishlab chiqarish uchun kichik va oʻrta oʻlchamli, shuningdek, yirik miqyosdagi sanoat ultratovush protsessorlarini yetkazib beradi. Istalgan miqyosdagi ultratovush tizimlarini taklif etuvchi Hielscher ham kichik ishlab chiqaruvchilar, ham yirik kompaniyalar uchun ideal yechim taklif qila oladi. Ultratovush yordamida biodizelga aylantirish davriy yoki oqim liniyasidagi uzluksiz jarayon sifatida amalga oshirilishi mumkin. Oʻrnatish va ishlatish oddiy, xavfsiz boʻlib, aʼlo sifatli biodizelning yuqori ishlab chiqarish hajmini ishonchli taʼminlaydi.
Quyida turli ishlab chiqarish tezliklari uchun tavsiya etilgan reaktor tuzilmalarini topasiz.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT |
0,25–0,5
|
80–160
|
| 1x UIP1000hdT |
0,5–1,0
|
160–320
|
| 1x UIP1500hdT |
0,75–1,5
|
240–480
|
| 2x UIP1000hdT |
1,0–2,0
|
320–640
|
| 2x UIP1500hdT |
1,5–3,0
|
480–960
|
| 4x UIP1500hdT |
3,0–6,0
|
960–1920
|
| 6x UIP1500hdT |
4,5–9,0
|
1440–2880
|
Biz bilan bogʻlaning! / Bizga savol bering!
Hielscher Ultrasonics laboratoriya, tajriba va sanoat miqyosida aralashtirish, dispersiyalash, emulsiyalash va ekstraksiya uchun yuqori unumli ultratovushli gomogenizatorlar ishlab chiqaradi.
Adabiyotlar / Manbalar
- 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.
Bilishga arziydigan faktlar
Biodizel ishlab chiqarish
Triglitseridlar transesterifikatsiya deb ataladigan kimyoviy reaksiya orqali erkin yogʻ kislotalarining metil murakkab efiriga (FAME) aylantirilganda biodizel hosil boʻladi. Transesterifikatsiya reaksiyasi davomida oʻsimlik moylari yoki hayvon yogʻlaridagi triglitseridlar katalizator (masalan, kaliy gidroksid yoki natriy gidroksid) ishtirokida birlamchi spirt (masalan, metanol) bilan reaksiyaga kirishadi. Ushbu reaksiyada oʻsimlik moyi yoki hayvon yogʻi xomashyosidan alkil murakkab efirlari hosil boʻladi. Triglitseridlar glitseridlar boʻlib, ularda glitserol yogʻ kislotalari deb ataladigan uzun zanjirli kislotalar bilan esterifikatsiyalangan. Ushbu yogʻ kislotalari oʻsimlik moyi va hayvon yogʻlarida koʻp miqdorda mavjud. Biodizel yangi oʻsimlik moylari, chiqindi oʻsimlik moylari, ishlatilgan qovurish moylari, charvi va choʻchqa yogʻi kabi hayvon yogʻlari singari turli xomashyolardan ishlab chiqarilishi mumkinligi sababli, erkin yogʻ kislotalari (FFA) miqdori juda katta farq qilishi mumkin. Triglitseridlarning erkin yogʻ kislotalari foizi biodizel ishlab chiqarish jarayoni va olingan biodizel sifatiga keskin taʼsir koʻrsatadigan hal qiluvchi omildir. Erkin yogʻ kislotalarining yuqori miqdori aylantirish jarayoniga xalaqit berishi va yakuniy biodizel sifatini yomonlashtirishi mumkin. Asosiy muammo shundaki, erkin yogʻ kislotalari (FFA) ishqoriy katalizatorlar bilan reaksiyaga kirishib, sovun hosil qiladi. Sovun hosil boʻlishi keyinchalik glitserolni ajratishda muammolar keltirib chiqaradi. Shuning uchun FFA miqdori yuqori boʻlgan xomashyo koʻpincha dastlabki ishlov berishni (esterifikatsiya reaksiyasi deb ataladigan jarayonni) talab qiladi, uning davomida FFA murakkab efirlarga aylantiriladi. Ultratovush bilan ishlov berish har ikkala reaksiyani, yaʼni transesterifikatsiya va esterifikatsiyani ragʻbatlantiradi.
Esterifikatsiyaning kimyoviy reaksiyasi
Esterifikatsiya organik kislota (RCOOH) bilan spirtni (ROH) birlashtirib, murakkab efir (RCOOR) va suv hosil qilish jarayonidir.
Kislotali esterifikatsiyada metanoldan foydalanish
Xomashyodagi FFA miqdorini kamaytirish uchun kislotali esterifikatsiya qoʻllanganda, bevosita energiya talabi nisbatan past boʻladi. Biroq esterifikatsiya reaksiyasi davomida suv hosil boʻladi – natijada neytrallanishi, quritilishi va qayta ajratib olinishi kerak boʻlgan nam, kislotali metanol paydo boʻladi. Metanolni qayta ajratib olishning ushbu jarayoni qimmatga tushadi.
Agar boshlangʻich xomashyoda FFA ulushi 20–40 % yoki undan ham yuqori boʻlsa, uni maqbul darajagacha pasaytirish uchun bir necha bosqich talab qilinishi mumkin. Bu yanada koʻproq kislotali, nam metanol hosil boʻlishini anglatadi. Kislotali metanol neytrallangandan keyin quritish katta qaytarma oqim tezliklariga ega koʻp bosqichli distillatsiyani talab qiladi, bu esa juda yuqori energiya sarfiga olib keladi.
Biodizel ishlab chiqarish uchun qanday moylar ishlatiladi?
Biodizel ishlab chiqarish uchun ishlatiladigan moylarga soya, raps (kanola), kungaboqar, palma moyi va ishlatilgan qahva quyqasidan olingan moy kabi oʻsimlik moylari, shuningdek, charvi va choʻchqa yogʻi kabi hayvon yogʻlari kiradi. Chiqindi moylar, jumladan, ishlatilgan oshpazlik moyi va ishlatilgan qahva quyqasidan ajratib olingan moylar ham keng qoʻllanadi. Asosan triglitseridlardan tarkib topgan ushbu moylar spirt bilan transesterifikatsiyaga kirishib, biodizelni tashkil etuvchi kimyoviy birikmalar – yogʻ kislotalarining metil murakkab efirlarini (FAME) hosil qiladi. Ultratovush bilan ishlov berish yuqori intensivlikdagi ultratovush toʻlqinlarini qoʻllash orqali transesterifikatsiya jarayonini kuchaytirib, chiqindi moylarni biodizelga aylantirishni yaxshilaydi. Koʻpincha aralashmalar saqlaydigan va erkin yogʻ kislotalari miqdori yuqoriroq boʻlgan chiqindi moylarda ultratovush bilan ishlov berish ushbu aralashmalarni parchalashga yordam beradi hamda reagentlarning aralashishini yaxshilaydi. Bu hatto pastroq sifatli xomashyo bilan ham reaksiya tezligining oshishiga, reaksiya vaqtining qisqarishiga va biodizel chiqishining koʻpayishiga olib keladi. Ultratovush bilan ishlov berish, shuningdek, katalizator sarfi va energiya isteʼmolini kamaytirish imkonini beradi, bu esa chiqindi moylarni biodizelga aylantirishni samaraliroq va xarajatlar jihatidan tejamkorroq qiladi.
Ultratovush bilan ishlov berish ishlatilgan qahva quyqasidan moylarni ajratib olishni va ushbu moylarni biodizelga transesterifikatsiya qilishni qanday jadallashtirishi haqida batafsil oʻqing!
Hielscher Ultrasonics yuqori unumli ultratovushli gomogenizatorlarni laboratoriya oʻlchamidan sanoat oʻlchamigacha ishlab chiqaradi.