Petroleumdiesel är för närvarande den huvudsakliga formen av bränsle inom transport- och logistikindustrin, även om dess användning förbrukar begränsade råoljeresurser och skadar människors hälsa och miljön.
Biodiesel, som en förnybar, biologiskt nedbrytbar och giftig biobränsle, är ett attraktivt alternativt bränsle som är miljövänligt och kan användas i befintliga dieselmotorer. Det ger samma kraft och vridmoment som petroleumdiesel, samtidigt som den har överlägsen smörjning.
Tyvärr, på grund av den låga effektiviteten i tillverkningsprocessen, förblir kostnaden för biodiesel höga, vilket hindrar dess utbredda implementering.
Produktionen av biodiesel uppnås genom en relativt långsam och energikrävande kemisk process, nämligen triglyceridutbyte - vegetabilisk olja eller djurfett.
Denna process utförs vanligtvis i en satsreaktor, där de råa triglyceriderna blandas med alkohol (metanol eller etanol) i närvaro av en katalysator (bas, syra eller enzym), upphettas till cirka 65 grader och mekaniskt omrördes för { {1}} timmar. Därefter får dessa produkter fasa separata i 5-10 timmar (glycerol som innehåller överskott av alkohol och katalysator bildar det nedre lagret, biodiesel bildar det övre lagret), varefter de samlas separat och utsätts för efterbehandling, vanligtvis producerar det vanligtvis producerande ungefär 85-87% biodiesel.
Det finns mycket utrymme för förbättringar i flera aspekter av denna process:
1. Låg reaktionshastighet.
Esterbytesreaktionen är en reaktion som begränsar massöverföring - den inträffar vid gränssnittet mellan råolja och alkohol, som endast är delvis blandbara. Mekanisk omrörning kan hjälpa till att förbättra kontakten mellan reagens i viss utsträckning, men reaktionen är fortfarande mycket långsam eftersom omrörning inte helt kan emulgera de två vätskorna (bildar en stabil kolloidal blandning) för att öka gränsytan mellan dem.
2. Långvarig separering.
Överdriven alkohol och katalysator används vanligtvis för att driva esterbytesreaktionen för den balanserade syntesen av biodiesel. I följande steg tenderar emellertid överdriven alkohol att lösa glycerol i biodiesel, vilket bromsar deras separation.
3. Efter behandling av komplikationer.
Biodiesel måste tvättas med vatten för att avlägsna eventuella kvarvarande katalysatorer och tvål biprodukter. Den återstående alkoholen måste renas och återvinnas. Därför kan överdriven användning av alkohol och katalysatorer komplicera processen efter behandlingen.
Ultraljudassisterad produktion av biodiesel
Ultrasonic Assisted Ester Exchange -reaktioner är mycket fördelaktiga för varje processsteg:
1. Hög reaktionshastighet.
Ultraljud med hög intensitet genererar akustisk kavitation, vilket resulterar i stark och asymmetrisk implosion av vakuumbubblor, vilket orsakar chockvågor, mikrojetter, starka skjuvkrafter och extrema lokala temperaturer och tryck. Detta leder till mycket effektiv blandning, vilket resulterar i oblandbara eller delvis blandbara vätskor av ultrafin, kinetiskt stabila emulsioner (nanoemulsioner). Därför ökar gränssnittsområdet mellan vätskor med en storleksordning, vilket i hög grad främjar reaktioner som begränsar massöverföring, såsom esterbyte.
Forskning har visat att reaktionstiden kan minskas från timmar till minuter, och alkalisk katalyserad snabb esterutbyte av sojabönolja använder ultraljud, energi och bränsle.
2. Kort separationstid.
På grund av den bättre kontakten mellan råolja och alkohol som orsakas av ultraljudsexponering krävs en mycket lägre överskott av alkohol. Detta minskar mängden alkohol som återstår efter reaktionen. Lösligheten för glycerol i biodiesel medierad av etanol minskar, och separationstiden minskar från 5-10 timmar till cirka 30 minuter.
3. Förenklad efterbehandling.
Att använda ett lägre överskott av alkohol kan minska den ansträngning som krävs för efterföljande återvinning. På grund av högre blandningseffektivitet kan dessutom mängden katalysator som används signifikant minskas (50-60%), vilket förenklar tvättstegen i biodiesel.
4. Ytterligare fördelar.
A) Exponering för högintensiv ultraljud kan ge den aktiveringsenergi som krävs för reaktionen. Därför blir uppvärmning av reaktionsblandningen mindre viktig eftersom den kan spara energi och ansträngning.
B) Processen har flyttats från satsen till kontinuerlig och ökat produktionsskalan kraftigt.
c) Produktionen av biodiesel kan ökas till cirka 95-99%.
Betydelsen av hög ljudamplitud
Den ultraljudsförbättring av biodieselproduktion av kommersiell skala kräver användning av industriella flödesflödes ultraljudsprocessorer som kan upprätthålla hög vibrationsamplituder. Amplituden är direkt relaterad till styrkan hos skjuvkraften som genereras genom ultraljudskavitation och måste hållas på en tillräckligt hög nivå för effektiv blandning.
Liknande amplitudvärden har visat sig vara nödvändiga för att producera nanoemulsioner av hög kvalitet - en förutsättning för begränsade reaktioner för utbyte av massöverföring.
