Ultrasonik takomillashtirilgan (Trans-) Esterifikatsiya orqali biodizel
Biodizel asosiy katalizator yordamida transesterifikatsiya orqali sintezlanadi. Shu bilan birga, agar yuqori erkin yog 'kislotasi bo'lgan past navli chiqindi sabzavot kabi xom ashyo ishlatilsa, kislota-katatlizator yordamida esterifikatsiya qilishning kimyoviy oldindan ishlov berish bosqichi talab qilinadi. Ultrasonikatsiya va uning sonokimyoviy va sonomexanik ta'siri ikkala reaktsiya turlariga hissa qo'shadi va biodizel konversiyasi samaradorligini sezilarli darajada oshiradi. Ultrasonik biodizel ishlab chiqarish an'anaviy biodizel sinteziga qaraganda sezilarli darajada tezroq bo'lib, yuqori biodizel rentabelligi va sifatiga olib keladi va metanol va katalizator kabi reagentlarni tejaydi.
Power Ultrasound yordamida biodizel konversiyasi
Biodizel uchun yog 'kislotasi efirlari o'simlik moylarini, shuningdek, hayvon yog'larini (masalan, mayin yog'ini) transesterifikatsiya qilish orqali ishlab chiqariladi. Transesterifikatsiya reaktsiyasi vaqtida glitserin komponenti boshqa spirt, masalan, metanol bilan almashtiriladi. Erkin yog 'kislotalarining yuqori miqdori bo'lgan xom ashyo, masalan, chiqindi o'simlik moylari (WVO) sovun hosil bo'lishining oldini olish uchun kislota esterifikatsiyasini oldindan tozalashni talab qiladi. Ushbu kislota katalizlash jarayoni an'anaviy partiya usuli sifatida amalga oshirilganda juda sekin reaktsiya hisoblanadi. Sekin esterifikatsiya jarayonini tezlashtirish uchun yechim quvvat ultratovushini qo'llashdir. Sonication reaktsiya tezligi, konversiya va biodizel rentabelligida sezilarli yaxshilanishga erishadi, chunki yuqori quvvatli ultratovushning sonokimyoviy ta'siri kislota katalizini kuchaytiradi va kuchaytiradi. Ultrasonik kavitatsiya sonomexanik kuchlarni, ya'ni yuqori kesish aralashtirishni, shuningdek, sonokimyoviy energiyani ta'minlaydi. Ushbu ikkala turdagi ultratovush ta'siri (sonomexanik va sonokimyoviy) kislota-katalizlangan esterifikatsiyani kamroq katalizator talab qiladigan tez reaktsiyaga aylantiradi.
Ultrasonik aralashtirish biodizel konversiya tezligini yaxshilaydi, hosilni oshiradi va ortiqcha metanol va katalizatorni tejaydi. Rasmda 3x o'rnatilishi ko'rsatilgan. UIP1000hdT (har biri 1 kVt ultratovush quvvati) inline ishlov berish uchun.
Ultrasonik biodizel konversiyasi qanday ishlaydi?
Transesterifikatsiya (shuningdek, ba'zan alkogoliz deb ataladi) va esterifikatsiyaning turli bosqichlari orasidagi ultratovush aralashtirishni kuchaytirishga, shuningdek, issiqlik va massa o'tkazuvchanligini oshirishga asoslangan. Ultrasonik aralashtirish suyuqlikdagi vakuum pufakchalarining portlashi natijasida yuzaga keladigan akustik kavitatsiya printsipiga asoslanadi. Akustik kavitatsiya yuqori kesish kuchlari va turbulentliklari, shuningdek, juda yuqori bosim va harorat farqlari bilan tavsiflanadi. Ushbu kuchlar transesterifikatsiya / esterifikatsiyaning kimyoviy reaktsiyasini rag'batlantiradi va massa va issiqlik uzatishni kuchaytiradi, shu bilan biodizel konversiyasi reaktsiyasini sezilarli darajada yaxshilaydi.
Sonikatsiya yordamida triglitseridlarni biodizelga (FAME) transesterifikatsiya qilish reaktsiyani tezlashtiradi va samaradorlikni sezilarli darajada oshiradi.
Biodizelni konvertatsiya qilishda ultratovushni qo'llash jarayon samaradorligini oshirish uchun ilmiy va sanoat jihatdan isbotlangan. Jarayon samaradorligini oshirish energiya sarfi va ekspluatatsiya xarajatlarining kamayishi, alkogol (ya'ni, metanol) dan foydalanishning kamayishi, katalizatorning kamayishi va reaktsiya vaqtining sezilarli darajada qisqarishi bilan bog'liq bo'lishi mumkin. Isitish uchun energiya sarfi yo'qoladi, chunki tashqi isitish uchun talab yo'q. Bundan tashqari, biodizel va glitserin o'rtasidagi fazalarni ajratish osonroq, fazalarni ajratish vaqti qisqaroq. Biodizel ishlab chiqarishda ultratovushdan tijorat maqsadlarida foydalanish uchun muhim omil - bu har qanday hajmga oddiy o'lchov, ishonchli va xavfsiz ishlashi, shuningdek, ultratovush uskunasining mustahkamligi va ishonchliligi (sanoat standarti, uzluksiz 24/7/24 soat ishlashi mumkin) 365 to'liq yuk ostida).
Inline biodizel esterfikatsiyasi va transesterifikatsiyasi uchun oqim xujayrasi bilan ultratovushli sanoat tizimi.
Ultrasonik esterifikatsiya va transesterifikatsiya ommaviy yoki doimiy inline jarayon sifatida bajarilishi mumkin. Diagrammada biodizel (FAME) transesterfikatsiyasi uchun ultratovushli inline jarayoni ko'rsatilgan.
Ultrasonik esterifikatsiya va transesterifikatsiya ommaviy yoki doimiy inline jarayon sifatida bajarilishi mumkin. Ushbu diagrammada biodizel konvertatsiyasi uchun ultratovushli partiya jarayoni ko'rsatilgan.
Kislota va asos katalizlangan reaktsiya bosqichlarini qo'llash orqali ultratovushli ikki bosqichli biodizel konversiyasi
Yuqori FFA tarkibiga ega bo'lgan xom ashyo uchun biodizel ishlab chiqarish ikki bosqichli jarayonda kislota yoki asosli katalizlangan reaktsiya sifatida amalga oshiriladi. Ultratovush ikki turdagi reaktsiyalarni, kislota-katalizli esterifikatsiyani va bazaviy-katalizli transesterifikatsiyani ta'minlaydi:
Ultratovush yordamida kislota-katalizli esterifikatsiya
Xom ashyo tarkibidagi ortiqcha erkin yog 'kislotalarini davolash uchun esterifikatsiya jarayoni kerak. Sulfat kislota odatda kislota katalizatori sifatida ishlatiladi.
- Xom ashyoni ifloslantiruvchi moddalar va suvdan filtrlash va tozalash orqali tayyorlang.
- Katalizatorni, ya'ni sulfat kislotani metanolda eritib yuboring. Oldindan xom aralashmani olish uchun katalizator/metanol va xom ashyoni issiqlik almashtirgich va statik mikser orqali yuboring.
- Katalizator va xom ashyoning oldindan aralashmasi to'g'ridan-to'g'ri ultratovushli reaktsiya kamerasiga tushadi, u erda ultra nozik aralashtirish va sonokimyo ta'sir qiladi va erkin yog' kislotalari biodizelga aylanadi.
- Nihoyat, mahsulotni suvsizlang va uni ikkinchi bosqichga - ultratovushli transesterifikatsiyaga o'tkazing. Kislotali nam metanol qayta tiklash, quritish va neytrallashdan keyin qayta foydalanishga tayyor.
- Tarkibida xom ashyo bo‘lgan juda yuqori FFA uchun, transesterifikatsiya bosqichidan oldin FFAni maqbul darajaga tushirish uchun resirkulyatsiyani sozlash talab qilinishi mumkin.
Kislota katalizatori yordamida esterlanish reaksiyasi:
FFA + Spirtli ichimliklar → Ester + Suv
Ultratovush yordamida bazaviy-katalizlangan transesterifikatsiya
Hozirgi vaqtda oz miqdorda FFA ga ega bo'lgan xom ashyo to'g'ridan-to'g'ri transesterifikatsiya bosqichiga berilishi mumkin. Asosiy katalizator sifatida ko'pincha natriy gidroksid yoki kaliy gidroksid (NaOH, KOH) ishlatiladi.
- Katalizatorni, ya'ni kaliy gidroksidni metanolda eritib yuboring va katalizator/metanol oqimini va oldindan ishlangan xom ashyoni statik aralashtirgich orqali yuboring.
- Kavitatsion yuqori kesish aralashtirish va sonokimyoviy ishlov berish uchun oldindan aralashmani to'g'ridan-to'g'ri ultratovushli reaktsiya kamerasiga yuboring. Ushbu reaksiyaning mahsulotlari alkil efirlari (ya'ni, biodizel) va glitserindir. Glitserinni cho'ktirish yoki santrifugalash yo'li bilan ajratish mumkin.
- Ultrasonik usulda ishlab chiqarilgan biodizel yuqori sifatli va metanol va katalizatorni tejash orqali tez, energiya tejovchi va tejamkor ishlab chiqariladi.
Asosiy katalizator yordamida transesterifikatsiya reaktsiyasi:
Yog '/ Yog' + Spirtli ichimliklar → Biodizel + Glitserin
Metanoldan foydalanish & Metanolni qayta tiklash
Metanol biodizel ishlab chiqarishda asosiy komponent hisoblanadi. Ultratovushli biodizel konversiyasi metanoldan foydalanishni sezilarli darajada kamaytirish imkonini beradi. Agar siz hozir “metanoldan foydalanishim menga ahamiyat bermayapti, chunki uni baribir tiklayman” deb o‘ylayotgan bo‘lsangiz, bug‘lanish bosqichida (masalan, distillash ustunidan foydalanish) qo‘llaniladigan o‘ta yuqori energiya narxini qayta o‘ylab ko‘rishingiz mumkin. metanolni ajratish va qayta ishlash uchun zarur.
Metanol odatda biodizel va glitserin ikki qatlamga ajratilgandan so'ng chiqariladi, bu esa reaktsiyaning qaytarilishini oldini oladi. Keyin metanol tozalanadi va jarayonning boshiga qayta ishlanadi. Ultrasonik esterifikatsiya va transesterifikatsiya orqali biodizel ishlab chiqarish orqali siz metanoldan foydalanishni keskin kamaytirishingiz mumkin va shu bilan metanolni qayta tiklash uchun haddan tashqari yuqori energiya sarfini kamaytirishingiz mumkin. Hielscher ultratovush reaktorlaridan foydalanish metanolning kerakli miqdorini 50% gacha kamaytiradi. Hielscher ultratovushli aralashtirishdan foydalanganda 1: 4 yoki 1: 4,5 (neft: metanol) o'rtasidagi molyar nisbat ko'pchilik xom ashyo uchun etarli.
Ultrasonik esterifikatsiya - bu dastlabki ishlov berish bosqichi bo'lib, u FFAlarda yuqori bo'lgan past navli xom ashyoni esterlarga aylantirdi. Ultrasonik transesterifikatsiyaning 2-bosqichida triglitseridlar biodizelga (FAME) aylanadi.
Ultrasonik biodizel konversiya samaradorligini oshirdi – Ilmiy jihatdan isbotlangan
Ko'plab tadqiqotchilar guruhi biodizelning ultratovush transesterifikatsiyasining mexanizmi va ta'sirini o'rgandilar. Masalan, Sebayan Darvinning tadqiqot guruhi ultratovushli kavitatsiya kimyoviy faollikni va reaktsiya tezligini oshirib, ester hosil bo'lishini sezilarli darajada oshirishini ko'rsatdi. Ultrasonik texnika transesterifikatsiya reaktsiyasi vaqtini 5 daqiqagacha qisqartirdi – mexanik aralashtirishda ishlov berish uchun 2 soatga nisbatan. Triglitseridni (TG) ultratovush ostida FAMEga aylantirish natijasida 6:1 va katalizator sifatida 1% og'irlikdagi natriy gidroksidi metanolga molar nisbati bilan 95,6929% og'irlik olindi. (Qarang: Darvin va boshq. 2010)
Biodizelni qayta ishlash uchun o'rta o'lchamli va katta o'lchamli ultrasonikatorlar
Hielscher Ultrasonics’ har qanday hajmda biodizelni samarali ishlab chiqarish uchun kichik va o'rta o'lchamli, shuningdek, yirik sanoat ultratovushli protsessorlarini etkazib beradi. Har qanday miqyosda ultratovush tizimini taklif qiluvchi Hielscher ham kichik ishlab chiqaruvchilar, ham yirik kompaniyalar uchun ideal echimni taklif qilishi mumkin. Ultrasonik biodizel konvertatsiyasi partiya sifatida yoki doimiy inline jarayon sifatida ishlatilishi mumkin. O'rnatish va ishlatish oddiy, xavfsiz va yuqori sifatli biodizelning ishonchli yuqori chiqishini beradi.
Quyida bir qator ishlab chiqarish stavkalari uchun tavsiya etilgan reaktor sozlamalarini topasiz.
|
tonna/soat
|
gal/soat
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT |
0,25 dan 0,5 gacha
|
80 dan 160 gacha
|
| 1x UIP1000hdT |
0,5 dan 1,0 gacha
|
160 dan 320 gacha
|
| 1x UIP1500hdT |
0,75 dan 1,5 gacha
|
240 dan 480 gacha
|
| 2x UIP1000hdT |
1,0 dan 2,0 gacha
|
320 dan 640 gacha
|
| 2x UIP1500hdT |
1,5 dan 3,0 gacha
|
480 dan 960 gacha
|
| 4x UIP1500hdT |
3,0 dan 6,0 gacha
|
960-1920 yillar
|
| 6x UIP1500hdT |
4,5 dan 9,0 gacha
|
1440 dan 2880 gacha
|
Biz bilan bog'lanish! / Bizdan so'rang!
Hielscher Ultrasonics laboratoriya, uchuvchi va sanoat miqyosida ilovalar, dispersiya, emulsifikatsiya va ekstraktsiyani aralashtirish uchun yuqori samarali ultratovushli homogenizatorlarni ishlab chiqaradi.
Adabiyot / Adabiyotlar
- 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
Biodizel trigitseridlar transesterifikatsiya deb nomlanuvchi kimyoviy reaksiya orqali erkin yog 'metil esteriga (FAME) aylantirilganda ishlab chiqariladi. Transesterifikatsiya reaktsiyasi paytida o'simlik moylari yoki hayvon yog'laridagi trigilseridlar katalizator (masalan, kaliy gidroksid yoki natriy gidroksid) ishtirokida birlamchi spirt (masalan, metanol) bilan reaksiyaga kirishadi. Ushbu reaksiyada o'simlik yog'i yoki hayvon yog'ining xom ashyosidan alkil efirlari hosil bo'ladi. Triglitseridlar glitseridlar bo'lib, ularda glitserin yog' kislotalari deb ataladigan uzun zanjirli kislotalar bilan esterlanadi. Bu yog 'kislotalari o'simlik va hayvon yog'larida ko'p miqdorda mavjud. Biodizel turli xil xom ashyolardan, masalan, bokira o'simlik moylari, chiqindi o'simlik moylari, ishlatilgan qovurilgan yog'lar, mayin yog'i va cho'chqa yog'i kabi hayvon yog'laridan ishlab chiqarilishi mumkinligi sababli, erkin yog 'kislotalari (FFA) miqdori juda katta farq qilishi mumkin. Triglitseridlarning erkin yog 'kislotalarining ulushi biodizel ishlab chiqarish jarayoniga va natijada biodizel sifatiga keskin ta'sir qiluvchi hal qiluvchi omil hisoblanadi. Ko'p miqdorda erkin yog' kislotalari konversiya jarayoniga xalaqit berishi va yakuniy biodizel sifatini yomonlashtirishi mumkin. Asosiy muammo shundaki, erkin yog 'kislotalari (FFA) gidroksidi katalizatorlar bilan reaksiyaga kirishadi va natijada sovun hosil bo'ladi. Sovun hosil bo'lishi keyinchalik glitserinni ajratish muammolarini keltirib chiqaradi. Shu sababli, tarkibida yuqori miqdorda OZQ bo'lgan xomashyolar, asosan, dastlabki ishlov berishni talab qiladi (esterifikatsiya reaktsiyasi deb ataladi), bu jarayon davomida OZQ efirlarga aylanadi. Ultrasonikatsiya ikkala reaktsiyani, transesterifikatsiyani va esterifikatsiyani rag'batlantiradi.
Esterifikatsiyaning kimyoviy reaksiyasi
Esterifikatsiya - bu organik kislota (RCOOH) ni spirt (ROH) bilan ester (RCOOR) va suv hosil qilish uchun birlashtirish jarayoni.
Kislotali esterifikatsiyada metanoldan foydalanish
Xom ashyo tarkibidagi FFAlarni kamaytirish uchun kislota esterifikatsiyasidan foydalanilganda, bevosita energiya talablari nisbatan past bo'ladi. Biroq, esterifikatsiya reaktsiyasi paytida suv hosil bo'ladi – neytrallash, quritish va qayta tiklash kerak bo'lgan nam, kislotali metanolni yaratish. Bu metanolni qayta tiklash jarayoni qimmat.
Agar boshlang'ich xom ashyo 20 dan 40% gacha yoki undan ko'p FFA ga ega bo'lsa, ularni maqbul darajaga tushirish uchun bir necha bosqichlarni bajarish kerak bo'lishi mumkin. Bu shuni anglatadiki, yanada kislotali, nam metanol hosil bo'ladi. Kislotali metanolni zararsizlantirgandan so'ng, quritish uchun muhim qayta oqim tezligi bilan ko'p bosqichli distillash talab qilinadi, bu esa juda yuqori energiya sarfiga olib keladi.
Biodizel ishlab chiqarish uchun qanday moylar ishlatiladi?
Biodizel ishlab chiqarish uchun ishlatiladigan yog'larga soya, kolza (kanola), kungaboqar, palma yog'i va kofe yog'i kabi o'simlik moylari, shuningdek, yog' va cho'chqa yog'i kabi hayvon yog'lari kiradi. Chiqindi yog'lari, shu jumladan ishlatilgan pishirish yog'i va sarflangan qahva maydonlaridan olingan yog'lar ham keng tarqalgan. Asosan triglitseridlardan tashkil topgan bu moylar yog 'kislotasi metil efirlarini (FAME), biodizelni hosil qiluvchi kimyoviy birikmalarni ishlab chiqarish uchun spirt bilan transesterifikatsiyadan o'tadi. Sonication yuqori intensiv ultratovush to'lqinlarini qo'llash orqali transesterifikatsiya jarayonini kuchaytirish orqali chiqindi yog'larning biodizel konversiyasini yaxshilaydi. Ko'pincha aralashmalar va yuqori erkin yog' kislotasi tarkibiga ega bo'lgan chiqindi yog'larda sonikatsiya bu aralashmalarni parchalashga yordam beradi va reaktivlarni aralashtirishni yaxshilaydi. Bu, hatto past sifatli xom ashyo bilan ham tezroq reaksiya tezligiga, reaksiya vaqtini qisqartirishga va yuqori biodizel hosiliga olib keladi. Sonikatsiya shuningdek, katalizatordan foydalanishni kamaytirish va energiya sarfini kamaytirish imkonini beradi, bu esa chiqindi yog'larni biodizelga aylantirishni yanada samarali va tejamkor qiladi.
Ko'proq o'qing, sonikatsiya ishlatilgan qahva maydonlaridan yog'larni olishni va bu yog'larning biodizelga transesterifikatsiyasini qanday kuchaytiradi!
Hielscher Ultrasonics kompaniyasi yuqori samarali ultratovushli homogenizatorlarni ishlab chiqaradi laboratoriya uchun sanoat hajmi.