Обычно биотопливо производится в реакторе периодического действия при помощи подогрева и механического смешивания, на что затрачивается энергия. Кавитационное ультразвуковое воздействие - это отличный способ достичь лучшего качества смешивания при промышленном производстве биодизеля. Ультразвуковая кавитация обеспечивает необходимую энергию активации для промышленной переэтерификации биодизеля.

Переэтерификация (Химический процесс получения биодизеля)

Производство биодизеля из растительного масла (например, соевого, канола (разновидность рапса), ятрофа, семени подсолнечника или морских водорослей) или животных жиров включает в себя процесс переэтерификации на основе катализа жирных кислот и метанола или этанола, результатом которого являются сложные метиловый или этиловый спирт. Глицериновая фаза является неизбежным побочным продуктом данной реакции.

Растительные масла и жиры животного происхождения являются триглициридами, которые представляют собой три цепи жирных кислот, соединенных молекулой глицерина. Триглицериды являются сложными эфирами. Эфиры - это кислоты, как жирные кислоты, соединенные с молекулами алкоголя. Глицерин (= глицерол) является тяжелым алкоголем. Во время реакции триглицеридные эфиры превращаются в алкиловые эфиры (= биодизель) при помощи катализатора (щелочи) и алкогольного реагента (например метанола), который выделяет биодизель как метиловый эфир. В данной реакции молекулы метила замещает молекулы глицерина.

Глицериновая фаза как более тяжелая фракция опуститься на дно. Биодизель как более легкая фракция поднимется вверх и его можно будет легко отделить с помощью отстойника или центрифуги. Такой химический процесс называется переэтерификацией.

Обычная реакция этерификации слишком медленна для промышленного производства, а процесс отделения глицериновой фазы очень длителен (обычно занимает более 5 часов).

Ультразвуковая технология в процессе производства биодизеля

Сейчас биодизель в основном производиться в реакторах периодического действия. Применения ультразвука возможно при потоковом производстве. Применение ультразвука позволит повысить эффективность производства до 99%. Ультразвуковые реакторы позволят сократить цикл производства до менее 30 секунд (обычный процесс занимает 1-4 часа). Главное, что обработка ультразвуком позволяет сократить процесс разделения на фракции до менее 60 секунд (при применении обычного смешивание этот процесс занимает 5-10 часов). Также применение ультразвука позволяет уменьшить количество катализатора необходимого для реакции почти на 50% благодаря активизации химической активности при наличии кавитации (см. также сохохимия).

При воздействии ультразвуком сокращается количество необходимого метанола, а также повышается качество глицериновой фазы.

Процесс воздействия ультразвуком при производстве биодизеля включает следующие этапы:

1. растительное масло или животный жир смешиваются с метанолом (образует метиловые эфиры) или этанолом (этиловые эфиры) и метилатом натрия или калия или гидроксидом
2. смесь подогревается (до 45-65 C)
3. во время подогрева на горячую смесь воздействуют ультразвуком в течение 5-15 секунд
4. далее при помощи центрифуги глицериновая фаза оседает как осадок
5. образовавшийся биодизель промывается водой

Обычно воздействие ультразвуком сопровождается нагнетанием давления (1-3 бар,манометрическое давление) при помощи подающего насоса и клапана обратной тяги, расположенного за проточной ячейкой.

Промышленный процесс производства требует меньше ультразвукового воздействия. Приведенная выше таблица показывает нормативные затраты энергии для различных поточных мощностей. Реальные энергетические затраты могут быть определены с помощью 1квт-ного ультразвукового прибора в лабораторных условиях. Все результаты таких лабораторных испытаний могут быть легко масштабированы. При необходимости, Вы можете использовать доступные FM и ATEX-сертифицированные ультразвуковые устройства (например UIP1000-Exd).

Компания Hielscher поставляет индустриальное ультразвуковое оборудование для производства биодизеля по всему миру. Ультразвуковые приборы с мощностью в 16квт каждый могут быть использованы на заводах любой величины и с любой интенсивностью производственного потока.

Стоимость процесса производства биодизеля при применении ультразвука

Ультразвуковое воздействие - эффективный способ ускорить химическую реакцию в процессе производства биодизеля. Стоимость такого процесса производства напрямую зависит от количества средств вложенных в ультразвуковое оборудование, расходов на обслуживание и стоимости электроэнергии. Чрезвычайная энергоэффективность  ультразвукового оборудования Hielscher помогает снизить затраты электроэнергии и сделать процесс производства еще более экологически чистым. Конечные затраты на воздействие ультразвуком колеблются в пределах 0.1цент -1.0цент на литр (0.4цент - 1.9цент/галон), если рассматривать с коммерческой точки зрения.

Ультразвуковое оборудование для небольших производств

Ультразвуковой прибор может быть использован при любых масштабах производства. На рисунке справа изображена установка для производства 60-70 литров (16-19 галлонов). Такая установка типична для демонстраций и опытов.

Данная установка состоит из следующих частей:

• один прибор ультразвукового воздействия на 500 Ватт или 1,000 Ватт (20Кгц) с усилителем, сонотродом и спускным клапаном
• амперметр для измерения силы тока
• 80-литровый бак (пластиковый, например ПЭНД)
• нагревательный элемент (1 - 2квт)
• 10-литровый бак для предварительного смешивания катализаторов (пластиковый, например ПЭНД)
• шуровка (устройство для смешивания катализаторов)
• насос (центрифуга, моно- или мульти-) мощностью 10-20л/мин при 1-3 бар
• клапан обратной тяги для регулировки давления в проточной ячейке
• датчик давления для измерения давления на входе

Подготовка

Гидроксид калия (0.2 - 0.4кг, катализатор) смешать с примерно 8,5л метанола в баке для смешивания катализаторов. Для этого понадобиться шуровка. В основной бак залить 66л растительного масла. Масло подогреть с помощью нагревательного элемента до 45-65 С.

Производство биодизеля
Когда катализатор полностью раствориться в метаноле, добавить эту смесь в основной бак и смешать ее с подогретым растительным маслом. С помощью насоса и клапана обратной тяги нагнетаем в основном баке давление до 1-3 бар (15-45 фунтов на квадратный дюйм). Рециркуляция смеси через ультразвуковой биодизельный реактор должна продолжаться в течение примерно 20 минут. Во время рециркуляции масло превратиться в биодизель. После того как в баке образуется биодизель, насос и ультразвуковой реактор нужно выключить. Глицериновая фаза как более тяжелая фракция осядет осадком на дне бака. Процесс отделение глицериновой фазы от биодизеля займет приблизительно 30-60 минут. После окончательного разделения двух фракций глицериновую фазу можно слить.

Промывка биотоплива

Т.к. после отделения от глицериновой фазы биодизель содержит в себе примеси, то его необходимо промыть. Для этого биодизель смешивают с водой. Для ускорения этого процесса и улучшения процесса смешивания можно также применить ультразвук, который позволит уменьшить размер капель и таким образом увеличит площадь активной поверхности. Здесь нужно учитывать, что слишком активное воздействие ультразвуком может сделать капли воды достаточно маленькими, чтобы они смешались с биодизелем и образовали достаточно устойчивое соединение.

Завод по производству биодизеля

Карта производственного процесса снизу показывает стандартный процесс воздействия ультразвуком при производстве биодизеля.

Непрерывный процесс производства и отделения биодизеля

При схеме непрерывного производства и отделения биодизеля подогретое растительное масло и смесь катализаторов непрерывно смешиваются с помощью регулируемого насоса. Встроенная статическая шуровка позволяет увеличить однородность массы, подаваемой в ультразвуковой реактор. Смесь масла и катализаторов, проходя проточную ячейку, подвергается воздействию ультразвуком около 5-30 секунд. Для регулирования давления в проточной ячейке применяется клапан обратной тяги. Далее смесь после воздействия ультразвука попадает в колонну-реактор через верхнее отверстие. Объем колонны-реактора рассчитан так, чтобы масло оставалось в ней около часа. В течение этого часа происходит завершение процесса переэтерификации. После разделения биодизель и глицериновая фаза откачивается из колонны в центрифугу, где и происходит окончательное отделение двух фракций: глицериновой фазы и биодизеля. Пост-процесс включает в себя восстановление метанола, промывку и осушку, которые также могут быть непрерывными процессами.

Данная схема исключает необходимость установки нескольких биодизельных реакторов, традиционных мешалок и больших емкостей для разделения.

Скорость реакции переэтерификации биодизеля

На диаграмме внизу показаны типичные результаты процесса переэтерификации рапсового масла (промышленного сорта) с метилатом натрия (первая диаграмма) и гидроксидом калия (вторая диаграмма). Для обоих тестов за контрольный показатель (синяя линия) взяли уровень переэтерификации при интенсивном смешивании. Красная линия показывает результаты образца обработанного ультразвуком с поправкой на объем, концентрацию катализатора и температуру. По горизонтальной оси - время после смешивания и воздействия ультразвуком соответственно. Вертикальная ось отражает величину объема осадка глицериновой фазы. Это упрощенная схема расчета скорости реакции. На обеих диаграммах реакция проходила намного быстрее в образце, который подвергали ультразвуковому воздействию (красная линия), чем в образце, взятом за пример (голубая линия).

Меры безопасности

Пожалуйста прочтите внимательно приведенную ниже информацию, чтобы предотвратить опасность и нанесение урона здоровью.

Химические составляющие биодизеля

Метанол является токсичным веществом. Его пары при длительном вдыхании могут вызывать нервные срывы. Также он может поглощаться кожей. При попадании в глаза может вызвать слепоту. При попадании в организм (глотании) может вызвать смертельный исход. Для того чтобы избежать нежелательных последствий, при работе с метанолом нужно соблюдать необходимые меры предосторожности. Рекомендуется надевать исправный противогаз, защитный фартук и резиновые рукавицы.
Гидроксид калия (KOH) также токсичен и вызывает ожоги при попадании на кожу. В рабочем помещении необходима хорошая система вентиляции.

Убедитесь, что рабочее место хорошо проветрено, чтобы избежать отравления парами. Противоаэрозольные респираторы не эффективны при работе с парами метанола. В данном случае более эффективен изолирующий противогаз.

Биодизель и резиновые  элементы системы

При длительном непрерывном использовании только биодизеля некоторые проточные резиновые части двигателя (насос, шланги, прокладки) могут изнашиваться. Замена таких частей на стальные или сверхпрочные резиновые поможет решить эту проблему. Также решением данной проблемы может стать добавление около 25% обычного дизеля (минерального).

Биодизель

Биодизель, такой как рапсовый метиловый эфир (RME) является возобновляемым источником энергии и к тому же подвергается практически полному биологическому распаду. Биодизель обладает рядом преимуществ по сравнению с неразбавленным растительным маслом (SVO), т.к. не требует модернизации двигателя и изменений в топливной системе. Обычно биодизель добавляют на заправках к минеральному дизелю, чтобы увеличить маслянистость чистого сернистого низко-октанового дизеля (ULSD), т.к. биодизель практически не содержит сернистых примесей.