Dầu diesel sinh học thông qua phản ứng este hóa (và trao đổi este) được cải thiện bằng siêu âm

Dầu diesel sinh học được tổng hợp thông qua phản ứng trao đổi este sử dụng chất xúc tác bazơ. Tuy nhiên, nếu sử dụng nguyên liệu như dầu thực vật thải chất lượng thấp có hàm lượng axit béo tự do cao, cần có bước tiền xử lý hóa học bằng phản ứng este hóa sử dụng chất xúc tác axit. Quá trình xử lý bằng siêu âm cùng các hiệu ứng hóa siêu âm và cơ học siêu âm góp phần thúc đẩy cả hai loại phản ứng và làm tăng mạnh hiệu quả chuyển hóa thành dầu diesel sinh học. Sản xuất dầu diesel sinh học bằng siêu âm nhanh hơn đáng kể so với phương pháp tổng hợp dầu diesel sinh học thông thường, mang lại hiệu suất thu hồi và chất lượng dầu diesel sinh học cao hơn, đồng thời tiết kiệm các tác chất như metanol và chất xúc tác.

Chuyển hóa thành dầu diesel sinh học bằng siêu âm công suất cao

Để sản xuất dầu diesel sinh học, các este axit béo được tạo ra thông qua phản ứng trao đổi este của dầu thực vật cũng như mỡ động vật (ví dụ: mỡ bò). Trong phản ứng trao đổi este, thành phần glycerol được thay thế bằng một ancol khác, chẳng hạn như metanol. Nguyên liệu có hàm lượng axit béo tự do cao, ví dụ như dầu thực vật thải (WVO), cần được tiền xử lý bằng phản ứng este hóa xúc tác axit để tránh hình thành xà phòng. Quá trình xúc tác axit này là một phản ứng rất chậm khi được thực hiện bằng phương pháp theo mẻ thông thường. Giải pháp để đẩy nhanh quá trình este hóa chậm này là ứng dụng siêu âm công suất cao. Xử lý bằng siêu âm giúp cải thiện đáng kể tốc độ phản ứng, mức độ chuyển hóa và hiệu suất thu hồi dầu diesel sinh học vì các hiệu ứng hóa siêu âm của siêu âm công suất cao thúc đẩy và tăng cường quá trình xúc tác axit. Hiện tượng xâm thực siêu âm tạo ra các lực cơ học siêu âm, tức là sự trộn với lực cắt cao, cũng như năng lượng hóa siêu âm. Cả hai loại tác động siêu âm này (cơ học siêu âm và hóa siêu âm) biến phản ứng este hóa xúc tác axit thành một phản ứng nhanh, cần ít chất xúc tác hơn.

Quá trình chuyển hóa thành dầu diesel sinh học bằng siêu âm hoạt động như thế nào?

Việc xử lý bằng siêu âm giữa các pha khác nhau trong phản ứng trao đổi este (đôi khi còn được gọi là phản ứng ancol phân) và phản ứng este hóa dựa trên việc tăng cường trộn cũng như tăng cường truyền nhiệt và truyền khối. Trộn bằng siêu âm dựa trên nguyên lý xâm thực âm, xảy ra do các bọt chân không sụp đổ trong chất lỏng. Xâm thực âm có đặc trưng là lực cắt cao và dòng chảy rối, cũng như chênh lệch áp suất và nhiệt độ rất lớn. Các lực này thúc đẩy phản ứng hóa học trao đổi este / este hóa và tăng cường truyền khối và truyền nhiệt, nhờ đó cải thiện đáng kể phản ứng chuyển hóa thành dầu diesel sinh học.

Phản ứng trao đổi este chuyển triglyceride thành dầu diesel sinh học (FAME) bằng xử lý siêu âm giúp tăng tốc phản ứng và mang lại hiệu quả cao hơn đáng kể.

Việc ứng dụng siêu âm trong quá trình chuyển hóa thành dầu diesel sinh học đã được chứng minh trong nghiên cứu khoa học và thực tiễn công nghiệp là giúp cải thiện hiệu quả quy trình. Sự cải thiện hiệu quả quy trình có thể được lý giải bởi việc giảm mức tiêu thụ năng lượng và chi phí vận hành, giảm lượng ancol sử dụng (tức là metanol), dùng ít chất xúc tác hơn và rút ngắn đáng kể thời gian phản ứng. Chi phí năng lượng để gia nhiệt được loại bỏ vì không cần gia nhiệt từ bên ngoài. Ngoài ra, việc tách pha giữa dầu diesel sinh học và glycerol đơn giản hơn với thời gian tách pha ngắn hơn. Một yếu tố quan trọng đối với việc sử dụng siêu âm trong sản xuất dầu diesel sinh học thương mại là khả năng mở rộng quy mô đơn giản đến bất kỳ thể tích nào, khả năng vận hành tin cậy và an toàn, cũng như độ bền và độ tin cậy của thiết bị siêu âm (tiêu chuẩn công nghiệp, có khả năng vận hành liên tục 24/7/365 ở mức đầy tải).

Hệ thống siêu âm công nghiệp có buồng dòng chảy để thực hiện phản ứng este hóa và trao đổi este sản xuất dầu diesel sinh học trực tiếp trên đường ống.

Chuyển hóa tạo diesel sinh học qua hai bước có hỗ trợ siêu âm, áp dụng các bước phản ứng xúc tác axit và bazơ

Đối với nguyên liệu có hàm lượng FFA cao, việc sản xuất diesel sinh học được thực hiện bằng phản ứng xúc tác axit hoặc bazơ trong một quy trình hai giai đoạn. Siêu âm hỗ trợ cả hai loại phản ứng: este hóa xúc tác axit và trao đổi este xúc tác bazơ:

Este hóa xúc tác axit bằng siêu âm

Để xử lý lượng axit béo tự do dư thừa trong nguyên liệu, cần thực hiện quá trình este hóa. Axit sulfuric thường được sử dụng làm chất xúc tác axit.

• Chuẩn bị nguyên liệu bằng cách lọc và tinh chế để loại bỏ tạp chất và nước.
• Hòa tan chất xúc tác, cụ thể là axit sulfuric, trong metanol. Dẫn dòng chất xúc tác/ metanol và nguyên liệu qua bộ trao đổi nhiệt và bộ trộn tĩnh để thu được hỗn hợp trộn sơ bộ.
• Hỗn hợp trộn sơ bộ gồm chất xúc tác và nguyên liệu được đưa trực tiếp vào buồng phản ứng siêu âm, nơi quá trình trộn siêu mịn và các hiệu ứng hóa học siêu âm phát huy tác dụng, chuyển hóa các axit béo tự do thành diesel sinh học.
• Cuối cùng, loại nước khỏi sản phẩm và đưa sản phẩm vào giai đoạn thứ hai – trao đổi este bằng siêu âm. Metanol ẩm có tính axit sẵn sàng để tái sử dụng sau khi được thu hồi, làm khô và trung hòa.
• Đối với nguyên liệu có hàm lượng FFA rất cao, có thể cần một hệ thống tuần hoàn để giảm hàm lượng FFA xuống mức hợp lý trước bước trao đổi este.

 
Phản ứng este hóa sử dụng chất xúc tác axit:
FFA + Ancol → Este + Nước
 

Tìm hiểu thêm về quá trình este hóa FFA xúc tác axit được cải thiện bằng siêu âm!
 
 

Trao đổi este xúc tác bazơ bằng siêu âm

Nguyên liệu lúc này chỉ còn chứa một lượng nhỏ FFA và có thể được đưa trực tiếp vào giai đoạn trao đổi este. Natri hydroxit hoặc kali hydroxit (NaOH, KOH) được sử dụng phổ biến nhất làm chất xúc tác bazơ.

• Hòa tan chất xúc tác, cụ thể là kali hydroxit, trong metanol và dẫn các dòng chất xúc tác/ metanol cùng nguyên liệu đã được tiền xử lý qua bộ trộn tĩnh để thu được hỗn hợp trộn sơ bộ.
• Đưa hỗn hợp trộn sơ bộ trực tiếp vào buồng phản ứng siêu âm để trộn với lực cắt cao do xâm thực và xử lý hóa học siêu âm. Sản phẩm của phản ứng này là các este alkyl (tức diesel sinh học) và glycerin. Có thể tách glycerin bằng cách để lắng hoặc ly tâm.
• Diesel sinh học được sản xuất bằng siêu âm có chất lượng cao, được sản xuất nhanh chóng, tiết kiệm năng lượng và chi phí nhờ tiết kiệm metanol và chất xúc tác.

Phản ứng trao đổi este sử dụng chất xúc tác bazơ:
Dầu / Chất béo + Ancol → Diesel sinh học + Glycerol

Sử dụng metanol & thu hồi metanol

Metanol là thành phần then chốt trong quá trình sản xuất diesel sinh học. Quá trình chuyển hóa tạo diesel sinh học bằng siêu âm cho phép giảm đáng kể lượng metanol sử dụng. Nếu lúc này bạn đang nghĩ “Tôi không quan tâm đến lượng metanol sử dụng, vì dù sao tôi cũng thu hồi lại”, bạn có thể cân nhắc lại và xem xét chi phí năng lượng cực kỳ cao cho bước bay hơi (ví dụ: sử dụng tháp chưng cất), vốn cần thiết để tách và tái chế metanol.
Metanol thường được loại bỏ sau khi diesel sinh học và glycerin đã tách thành hai lớp, giúp ngăn phản ứng diễn ra theo chiều ngược lại. Sau đó, metanol được làm sạch và tuần hoàn về đầu quy trình. Khi sản xuất diesel sinh học thông qua quá trình este hóa và trao đổi este bằng siêu âm, bạn có thể giảm mạnh lượng metanol sử dụng, từ đó giảm mức tiêu hao năng lượng cực kỳ cao cho việc thu hồi metanol. Việc sử dụng các thiết bị phản ứng siêu âm Hielscher giúp giảm tới 50% lượng metanol dư cần thiết. Khi sử dụng phương pháp trộn siêu âm Hielscher, tỷ lệ mol 1:4 hoặc 1:4,5 (dầu : metanol) là đủ cho hầu hết các loại nguyên liệu.

Siêu âm nâng cao hiệu suất chuyển hóa diesel sinh học – Đã được chứng minh khoa học

Nhiều nhóm nghiên cứu đã khảo sát cơ chế và tác động của quá trình chuyển este bằng siêu âm để sản xuất diesel sinh học. Ví dụ, nhóm nghiên cứu của Sebayan Darwin đã chứng minh rằng hiện tượng xâm thực siêu âm làm tăng hoạt tính hóa học và tốc độ phản ứng, dẫn đến sự gia tăng đáng kể lượng este hình thành. Kỹ thuật siêu âm rút ngắn thời gian phản ứng chuyển este xuống còn 5 phút – so với 2 giờ khi xử lý bằng khuấy cơ học. Quá trình chuyển hóa triglyceride (TG) thành FAME dưới tác động của siêu âm đạt 95,6929%wt với tỷ lệ mol methanol trên dầu là 6:1 và sử dụng 1%wt natri hydroxit làm chất xúc tác. (xem Darwin và cộng sự, 2010)

Thiết bị siêu âm quy mô vừa và lớn để xử lý diesel sinh học

Hielscher Ultrasonics cung cấp các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp quy mô nhỏ, vừa và lớn để sản xuất diesel sinh học hiệu quả ở mọi thể tích. Với các hệ thống siêu âm ở mọi quy mô, Hielscher có thể cung cấp giải pháp lý tưởng cho cả nhà sản xuất nhỏ và doanh nghiệp lớn. Quá trình chuyển hóa diesel sinh học bằng siêu âm có thể được vận hành theo mẻ hoặc liên tục trên đường ống. Việc lắp đặt và vận hành đơn giản, an toàn, đồng thời mang lại sản lượng cao một cách ổn định với chất lượng diesel sinh học vượt trội.
Dưới đây là các cấu hình thiết bị phản ứng được khuyến nghị cho nhiều mức năng suất sản xuất.