Dầu diesel sinh học thông qua siêu âm cải thiện (Trans-) Esterification
Dầu diesel sinh học được tổng hợp thông qua quá trình transester hóa bằng chất xúc tác bazơ. Tuy nhiên, nếu sử dụng nguyên liệu thô như rau thải cấp thấp có hàm lượng axit béo tự do cao, thì cần phải có bước tiền xử lý hóa học của este hóa bằng cách sử dụng chất xúc tác axit. Ultrasonication và hiệu ứng sonochemical và sonomechanical của nó góp phần vào cả hai loại phản ứng và tăng hiệu quả chuyển đổi diesel sinh học đáng kể. Sản xuất diesel sinh học siêu âm nhanh hơn đáng kể so với tổng hợp diesel sinh học thông thường, dẫn đến năng suất và chất lượng diesel sinh học cao hơn và tiết kiệm thuốc thử như metanol và chất xúc tác.
Chuyển đổi diesel sinh học bằng siêu âm điện
Đối với dầu diesel sinh học, este axit béo được sản xuất bằng cách transester hóa dầu thực vật cũng như mỡ động vật (ví dụ: mỡ động vật). Trong phản ứng transester hóa, thành phần glycerol được thay thế bằng một loại rượu khác, chẳng hạn như metanol. Nguyên liệu có hàm lượng axit béo tự do cao, ví dụ như dầu thực vật thải (WVO), yêu cầu xử lý trước este hóa axit để tránh hình thành xà phòng. Quá trình xúc tác axit này là một phản ứng rất chậm, khi được thực hiện như phương pháp hàng loạt thông thường. Giải pháp để đẩy nhanh quá trình este hóa chậm là áp dụng siêu âm điện. Sonication đạt được sự cải thiện đáng kể về tốc độ phản ứng, chuyển đổi và năng suất diesel sinh học khi các hiệu ứng sonochemical của siêu âm công suất cao thúc đẩy và tăng cường xúc tác axit. Siêu âm cavitation cung cấp lực sonocơ, tức là trộn cắt cao, cũng như năng lượng sonochemical. Cả hai loại tác động siêu âm (sonomechanical và sonochemical) biến este hóa xúc tác axit thành phản ứng nhanh đòi hỏi ít chất xúc tác hơn.

Trộn siêu âm cải thiện tỷ lệ chuyển đổi diesel sinh học, tăng năng suất và tiết kiệm metanol dư thừa và chất xúc tác. Hình ảnh cho thấy việc cài đặt 3x UIP1000hdt (mỗi công suất siêu âm 1kW) để xử lý nội tuyến.
Chuyển đổi diesel sinh học siêu âm hoạt động như thế nào?
Ultrasonication giữa các giai đoạn khác nhau trong transesterification (đôi khi còn được gọi là alcoholysis ) và este hóa dựa trên sự tăng cường của trộn cũng như tăng nhiệt và truyền khối lượng. Trộn siêu âm dựa trên nguyên tắc xâm thực âm thanh, xảy ra do bong bóng chân không nổ tung trong chất lỏng. Xâm thực âm thanh được đặc trưng bởi lực cắt và nhiễu loạn cao, cũng như chênh lệch áp suất và nhiệt độ rất cao. Các lực này thúc đẩy phản ứng hóa học của transester hóa / este hóa và tăng cường khối lượng và truyền nhiệt, do đó cải thiện đáng kể phản ứng chuyển đổi diesel sinh học.

Transester hóa triglyceride thành dầu diesel sinh học (FAME) bằng cách sử dụng sonication dẫn đến phản ứng tăng tốc và hiệu quả cao hơn đáng kể.
Việc áp dụng ultrasonics trong quá trình chuyển đổi diesel sinh học đã được khoa học và công nghiệp chứng minh để cải thiện hiệu quả quá trình. Sự cải thiện hiệu quả quy trình có thể được quy cho việc giảm tiêu thụ năng lượng và chi phí vận hành, và giảm sử dụng rượu (tức là metanol), ít chất xúc tác hơn và rút ngắn đáng kể thời gian phản ứng. Chi phí năng lượng để sưởi ấm được loại bỏ vì không có yêu cầu sưởi ấm 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 cho việc sử dụng siêu âm thương mại trong sản xuất diesel sinh học là quy mô đơn giản lên bất kỳ khối lượng nào, hoạt động đáng tin cậy và an toàn cũng như sự mạnh mẽ và độ tin cậy của thiết bị siêu âm (tiêu chuẩn công nghiệp, có khả năng chạy liên tục 24/7/365 dưới tải đầy đủ).

Siêu âm esterification và transesterification có thể được chạy như hàng loạt hoặc liên tục inline quá trình. Biểu đồ cho thấy quá trình siêu âm nội tuyến cho transesterfication diesel sinh học (FAME).

Siêu âm esterification và transesterification có thể được chạy như hàng loạt hoặc liên tục inline quá trình. Biểu đồ này cho thấy quá trình lô siêu âm để chuyển đổi diesel sinh học.
Ultrasonically hỗ trợ hai bước chuyển đổi diesel sinh học áp dụng các bước phản ứng xúc tác axit và bazơ
Đối với nguyên liệu có hàm lượng FFA cao, việc sản xuất dầu diesel sinh học được thực hiện dưới dạng phản ứng xúc tác axit hoặc bazơ trong quy trình hai giai đoạn. Siêu âm đóng góp hai loại phản ứng, este hóa xúc tác axit cũng như transester hóa xúc tác bazơ:
Este hóa xúc tác axit bằng siêu âm
Để điều trị dư thừa axit béo tự do trong nguyên liệu, quá trình este hóa là cần thiết. Axit sulfuric thường được sử dụng làm chất xúc tác axit.
- Chuẩn bị nguyên liệu bằng cách lọc và tinh chế từ các chất gây ô nhiễm và nước.
- Hòa tan chất xúc tác, cụ thể là axit sunfuric, trong metanol. Dòng thức ăn xúc tác / metanol và nguyên liệu thông qua bộ trao đổi nhiệt và máy trộn tĩnh để thu được hỗn hợp trộn sẵn thô.
- Sự pha trộn trước của chất xúc tác và nguyên liệu đi trực tiếp vào buồng phản ứng siêu âm, nơi trộn siêu mịn và sonochemistry có hiệu lực và các axit béo tự do được chuyển đổi thành dầu diesel sinh học.
- Cuối cùng, khử nước sản phẩm và đưa nó vào giai đoạn thứ hai - siêu âm transesterification. Methanol ướt có tính axit sau khi thu hồi, sấy khô và trung hòa đã sẵn sàng để tái sử dụng.
- Đối với nguyên liệu chứa FFA rất cao, có thể cần thiết lập tuần hoàn để hạ thấp FFA xuống mức hợp lý trước bước chuyển este hóa.
Phản ứng este hóa sử dụng chất xúc tác axit:
FFA + Rượu → Ester + Nước
Transesterification xúc tác cơ sở bằng siêu âm
Nguyên liệu, hiện chỉ có một lượng nhỏ FFA, có thể được đưa trực tiếp đến giai đoạn transester hóa. Phổ biến nhất natri hydroxit hoặc kali hydroxit (NaOH, KOH) được sử dụng làm chất xúc tác bazơ.
- Hòa tan chất xúc tác, cụ thể là kali hydroxit, trong metanol và cung cấp cho các dòng chất xúc tác / metanol và nguyên liệu được xử lý trước thông qua máy trộn tĩnh để thu được hỗn hợp trộn sẵn thô.
- Cấp hỗn hợp trộn sẵn trực tiếp vào buồng phản ứng siêu âm để trộn cắt cao cavitational và xử lý sonochemical. Các sản phẩm của phản ứng này là este alkyl (tức là diesel sinh học) và glycerin. Glycerin có thể được tách ra bằng cách lắng xuống hoặc bằng cách ly tâm.
- Dầu diesel sinh học được sản xuất bằng siêu âm có chất lượng cao và được sản xuất nhanh, tiết kiệm năng lượng và tiết kiệm chi phí bằng cách tiết kiệm metanol và chất xúc tác.
Phản ứng transester hóa sử dụng chất xúc tác cơ bản:
Dầu / Chất béo + Rượu → Dầu diesel sinh học + Glycerol
Sử dụng methanol & Thu hồi methanol
Methanol là một thành phần quan trọng trong sản xuất diesel sinh học. Việc chuyển đổi diesel sinh học điều khiển bằng ultrasonically cho phép giảm đáng kể việc sử dụng metanol. Nếu bây giờ bạn đang nghĩ "Tôi không quan tâm đến việc sử dụng methanol của mình, vì dù sao tôi cũng thu hồi nó", bạn có thể suy nghĩ lại và xem xét chi phí năng lượng cao cắt cổ áp dụng cho bước bay hơi (ví dụ: sử dụng cột chưng cất), cần thiết để tách và tái chế metanol.
Methanol thường được loại bỏ sau khi dầu diesel sinh học và glycerin đã được tách thành hai lớp, ngăn chặn sự đảo ngược phản ứng. Methanol sau đó được làm sạch và tái chế trở lại đầu quá trình. Sản xuất dầu diesel sinh học thông qua este hóa và transester hóa siêu âm, bạn có thể giảm đáng kể việc sử dụng methanol, do đó giảm chi phí năng lượng cao cắt cổ để thu hồi metanol. Việc sử dụng lò phản ứng siêu âm Hielscher làm giảm lượng metanol dư thừa cần thiết lên đến 50%. Tỷ lệ mol giữa 1: 4 hoặc 1: 4,5 (dầu: metanol) là đủ cho hầu hết các nguyên liệu, khi sử dụng trộn siêu âm Hielscher.

Este hóa siêu âm là một bước tiền xử lý, làm giảm nguyên liệu cấp thấp cao trong FFA thành este. Trong bước thứ 2 của transesterization siêu âm, triglyceride được chuyển đổi thành dầu diesel sinh học (FAME).
Siêu âm tăng hiệu quả chuyển đổi diesel sinh học – Đã được khoa học chứng minh
Nhiều nhóm nghiên cứu đã điều tra cơ chế và tác dụng của siêu âm transesterification của dầu diesel sinh học. Ví dụ, nhóm nghiên cứu của Sebayan Darwin đã chứng minh rằng siêu âm cavitation làm tăng hoạt động hóa học và tốc độ phản ứng dẫn đến sự hình thành este tăng đáng kể. Kỹ thuật siêu âm làm giảm thời gian phản ứng transester hóa xuống còn 5 phút – so với 2 giờ để gia công khuấy cơ học. Chuyển đổi triglyceride (TG) sang FAME dưới sự siêu âm thu được 95,6929% wt với tỷ lệ mol methanol đến dầu là 6: 1 và 1% wt natri hydroxit làm chất xúc tác. (xem Darwin et al. 2010)
Ultrasonicators cỡ trung và quy mô lớn để chế biến diesel sinh học
Hielscher Siêu âm’ cung cấp bộ vi xử lý siêu âm công nghiệp quy mô nhỏ đến trung bình cũng như quy mô lớn để sản xuất hiệu quả dầu diesel sinh học ở bất kỳ khối lượng nào. Cung cấp hệ thống siêu âm ở mọi quy mô, Hielscher có thể cung cấp giải pháp lý tưởng cho cả nhà sản xuất nhỏ và các công ty lớn. Chuyển đổi diesel sinh học siêu âm có thể được vận hành theo lô hoặc như quá trình nội tuyến liên tục. Việc lắp đặt và vận hành đơn giản, an toàn và cho kết quả đầu ra cao đáng tin cậy với chất lượng diesel sinh học vượt trội.
Dưới đây bạn sẽ tìm thấy các thiết lập lò phản ứng được đề xuất cho một loạt các tỷ lệ sản xuất.
tấn / giờ
|
gal / giờ
|
|
---|---|---|
1 lần UIP500hdt |
0.25 đến 0,5
|
80 đến 160
|
1 lần UIP1000hdt |
0.5 đến 1.0
|
160 đến 320
|
1 lần UIP1500hdT |
0.75 đến 1,5
|
240 đến 480
|
2 lần UIP1000hdt |
1,0 đến 2,0
|
320 đến 640
|
2 lần UIP1500hdT |
1,5 đến 3,0
|
480 đến 960
|
4 lần UIP1500hdT |
3,0 đến 6,0
|
960 đến 1920
|
6 lần UIP1500hdT |
4,5 đến 9,0
|
1440 đến 2880
|
Liên hệ với chúng tôi! / Hãy hỏi chúng tôi!
Văn học / Tài liệu tham khảo
- 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.
Sự thật đáng biết
sản xuất diesel sinh học
Dầu diesel sinh học được sản xuất khi trigyceride được chuyển đổi thành este methyl béo tự do (FAME) thông qua một phản ứng hóa học được gọi là transester hóa. Trong phản ứng transester hóa, trigylceride trong dầu thực vật hoặc mỡ động vật phản ứng với sự có mặt của chất xúc tác (ví dụ: kali hydroxit hoặc natri hydroxit) với rượu chính (ví dụ: metanol). Trong phản ứng này, este alkyl được hình thành từ nguyên liệu của dầu thực vật hoặc mỡ động vật. Triglyceride là glyceride, trong đó glycerol được esterfied với các axit chuỗi dài, được gọi là axit béo. Những axit béo này có nhiều trong dầu thực vật và mỡ động vật. Vì dầu diesel sinh học có thể được sản xuất từ nhiều nguyên liệu khác nhau như dầu thực vật nguyên chất, dầu thực vật thải, dầu chiên đã qua sử dụng, mỡ động vật như mỡ động vật và mỡ lợn, lượng axit béo tự do (FFA) có thể thay đổi rất nhiều. Tỷ lệ axit béo tự do của triglyceride là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình sản xuất diesel sinh học và chất lượng diesel sinh học kết quả mạnh mẽ. Một lượng lớn axit béo tự do có thể can thiệp vào quá trình chuyển đổi và làm giảm chất lượng diesel sinh học cuối cùng. Vấn đề chính là các axit béo tự do (FFA) phản ứng với các chất xúc tác kiềm dẫn đến sự hình thành xà phòng. Sự hình thành xà phòng sau đó gây ra vấn đề tách glycerol. Do đó, nguyên liệu có chứa một lượng lớn FFA chủ yếu yêu cầu tiền xử lý (cái gọi là phản ứng este hóa), trong đó FFA được chuyển thành este. Ultrasonication thúc đẩy cả hai phản ứng, transesterification và esterification.
Phản ứng hóa học của este hóa
Este hóa là quá trình kết hợp một axit hữu cơ (RCOOH) với rượu (ROH) để tạo thành este (RCOOR) và nước.
Sử dụng methanol trong este hóa axit
Khi este hóa axit được sử dụng để giảm FFA trong nguyên liệu, nhu cầu năng lượng ngay lập tức tương đối thấp. Tuy nhiên, nước được tạo ra trong phản ứng este hóa – tạo ra metanol ướt, có tính axit, phải được trung hòa, sấy khô và thu hồi. Quá trình thu hồi methanol này rất tốn kém.
Nếu nguyên liệu bắt đầu có tỷ lệ FFA từ 20 đến 40% hoặc thậm chí cao hơn, có thể cần nhiều bước để đưa chúng xuống mức chấp nhận được. Điều này có nghĩa là, thậm chí nhiều axit hơn, methanol ướt được tạo ra. Sau khi trung hòa metanol có tính axit, sấy khô đòi hỏi phải chưng cất nhiều tầng với tốc độ trào ngược đáng kể, dẫn đến sử dụng năng lượng rất cao.
Những loại dầu nào được sử dụng cho sản xuất diesel sinh học?
Dầu được sử dụng để sản xuất diesel sinh học bao gồm dầu thực vật, chẳng hạn như đậu nành, hạt cải dầu (cải dầu), hướng dương, dầu cọ và dầu từ bã cà phê đã qua sử dụng, cũng như mỡ động vật như mỡ động vật và mỡ lợn. Dầu thải, bao gồm dầu ăn đã qua sử dụng và dầu chiết xuất từ bã cà phê đã qua sử dụng, cũng thường được sử dụng. Những loại dầu này, bao gồm chủ yếu là triglyceride, trải qua quá trình transester hóa với rượu để tạo ra este methyl axit béo (FAME), các hợp chất hóa học tạo thành dầu diesel sinh học. Sonication cải thiện việc chuyển đổi diesel sinh học của dầu thải bằng cách tăng cường quá trình transester hóa thông qua việc áp dụng sóng siêu âm cường độ cao. Trong dầu thải, thường có tạp chất và hàm lượng axit béo tự do cao hơn, sonication giúp phá vỡ các tạp chất này và cải thiện sự pha trộn các chất phản ứng. Điều này dẫn đến tốc độ phản ứng nhanh hơn, giảm thời gian phản ứng và năng suất diesel sinh học cao hơn, ngay cả với nguyên liệu chất lượng thấp hơn. Sonication cũng cho phép giảm sử dụng chất xúc tác và tiêu thụ năng lượng thấp hơn, làm cho việc chuyển đổi dầu thải thành dầu diesel sinh học hiệu quả hơn và tiết kiệm chi phí.
Đọc thêm làm thế nào sonication tăng cường khai thác dầu từ bã cà phê đã qua sử dụng và transester hóa các loại dầu này thành dầu diesel sinh học!

Hielscher Ultrasonics sản xuất homogenizers siêu âm hiệu suất cao từ phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.