Způsob přípravy bionafty esterifikací methanolu pomocí ultrazvuku

[0001] Předkládaný vynález se týká způsobu výroby bionafty esterifikací methanolu za použití ultrazvuku. Použitím různých živočišných odpadních tuků, odpadního kuchyňského oleje z restauračního průmyslu a odpadního kuchyňského oleje jako surovin tato metoda urychluje esterifikaci metanolu prostřednictvím kavitace, ohřevu a vysokofrekvenčních oscilačních účinků ultrazvuku za vzniku bionafty. Výhody tohoto způsobu zahrnují zvýšení aktivity reaktantů úpravou intenzity ultrazvuku, čímž se zlepší rychlost konverze methanolu; používání různých odpadních živočišných a rostlinných tuků, odpadního kuchyňského oleje z restauračního průmyslu a odpadního kuchyňského oleje jako surovin, což vede k nízkým nákladům; a vyloučení použití jakéhokoli katalyzátoru, čímž se zabrání znečištění životního prostředí způsobenému manipulací s katalyzátorem. Stávající zařízení na výrobu bionafty není třeba upravovat ani upravovat a během reakčního procesu není potřeba vysokoteplotní a vysokotlaká zařízení, což zjednodušuje výrobní proces a snižuje výrobní náklady.

Bionafta je nový typ paliva vyráběného z živočišných a rostlinných tuků. Podle chemické analýzy je bionafta metan s vysokým obsahem tuku získaný rozkladem glyceridů s nenasycenou kyselinou olejovou C18 jako primární složkou. Ve srovnání s konvenční naftou předčí bionafta konvenční naftu v bodu ucpání studeného filtru, bodu vzplanutí, účinnosti spalování, obsahu síry, obsahu kyslíku, spotřeby kyslíku při spalování a znečištění vody, zatímco ostatní ukazatele jsou srovnatelné. Motory poháněné bionaftou splňují nejen současnou emisní normu Euro II, ale i přísnější normy Euro III, které budou brzy zavedeny v Evropě, a to díky svým bezkonkurenčním ekologickým vlastnostem, vynikajícímu startování motoru při nízkých teplotách, vynikajícímu mazání, bezpečnosti, palivové účinnosti a obnovitelné povaze. Kromě toho, protože bionafta uvolňuje mnohem méně oxidu uhličitého, než rostliny a zvířata absorbují během svého růstu, přispívá ke globálnímu oteplování, což je hlavní ekologický problém, který je pro lidstvo škodlivý. Bionafta je proto skutečně zelenou naftou. Komerční výrobní základny bionafty byly založeny v několika zemích a regionech ve Spojených státech, Evropě a Asii a bionafta je široce používána jako alternativní palivo.

Mezi běžné způsoby výroby bionafty patří následující:

1. Pyrolýza: Tato metoda využívá vysoké teploty k rozkladu molekul živočišných a rostlinných olejů s dlouhým řetězcem na kratší molekuly, čímž se organická hmota s vysokou molekulovou hmotností přemění na relativně jednoduché uhlovodíky. Produkty krakování jsou podobné konvenční naftě. Proces pyrolýzy je však složitý a vyžaduje objemné zařízení, což má za následek vysoké výrobní náklady a omezenou komercializaci.

2. Transesterifikace: V současnosti se jedná o nejpoužívanější metodu. Pod kyselými (nebo alkalickými) katalyzátory a vysokými teplotami (230-250 °C) podléhají alkoholy jako methanol nebo ethanol transesterifikační reakci s triglyceridy, hlavními složkami přírodních rostlinných olejů nebo živočišných tuků. Methoxyskupiny nahrazují glycerylové skupiny na mastných kyselinách s dlouhým řetězcem, snižují viskozitu oleje a zlepšují jeho tekutost a odpařovací vlastnosti, čímž splňují požadavky na použití paliva. Existují však následující nevýhody: 

① Kyselý (nebo zásaditý) katalyzátor je obtížné získat zpět; 

② Obsah volných mastných kyselin a vody významně ovlivňuje kyselou (nebo zásaditou) katalytickou reakci; 

③ Proces je složitý, vyžaduje přebytek alkoholu, což vyžaduje zařízení na regeneraci alkoholu v následných procesech a má za následek vysokou spotřebu energie; 

④ Barva je tmavá, protože nenasycené mastné kyseliny v tucích jsou náchylné ke znehodnocení při vysokých teplotách; 

⑤ Esterifikační produkt je obtížné získat zpět, což má za následek vysoké náklady; a ⑥ Výrobní proces zahrnuje vypouštění odpadní alkalické kapaliny.

3. Superkritická nekatalyzátorová esterifikace methanolu: Tato metoda vyrábí bionaftu procesem esterifikace methanolu bez katalyzátoru při superkritické teplotě 350-400 °C a tlaku 45-65 MPa. I když tento způsob zjednodušuje obtížnost při oddělování produktů tradiční transesterifikační reakce a řeší dlouhou reakční dobu spojenou s konvenční esterifikací methanolu bez katalyzátoru, je složitý, vyžaduje objemné zařízení a vede k vysokým výrobním nákladům.

Předkládaný vynález si klade za cíl překonat nedostatky výše uvedených způsobů výroby bionafty podle dosavadního stavu techniky, a tím poskytnout jednoduchý, levný způsob výroby bionafty esterifikací methanolu pomocí ultrazvuku, který eliminuje použití katalyzátorů a organických rozpouštědel a dosahuje vysoké míry konverze methanolu. 

Předkládaný vynález poskytuje způsob výroby bionafty esterifikací methanolu za použití ultrazvuku. Metoda využívá různé živočišné odpadní tuky, odpadní kuchyňské oleje z restauračního průmyslu a odpadní kuchyňský olej jako suroviny. Ultrazvuková kavitace, ohřev a vysokofrekvenční oscilace urychlují esterifikaci metanolu za vzniku bionafty. Metoda zahrnuje následující kroky:

1) Metanol a surový olej se smísí v molárním poměru 20 až 50:1 a esterová výměnná reakce se provede při 40 °C až 64 °C, rychlosti míchání 1500 až 2000 ot./min., ultrazvukovém výkonu 2 kW až 10 kW a ultrazvukové frekvenci 20 až 2 hodiny po dobu ne více než 60 kHz.

Surové oleje zahrnují různé živočišné odpadní tuky, odpadní kuchyňské oleje z restauračního průmyslu a odpadní kuchyňské oleje.

2) Smíchaný roztok po reakci se nechá stát alespoň 8 hodin, přičemž se smísený roztok nechá rozdělit na vrstvy a oddělí se glycerin ve spodní vrstvě.

3) Horní vrstva smíšeného roztoku se destiluje při 70 až 100 °C, dokud se nezíská všechen methanol. Zbývající destilát je bionafta. Zde poskytnutý způsob výroby bionafty esterifikací methanolu pomocí ultrazvuku využívá kavitační, zahřívací a vysokofrekvenční oscilační účinky ultrazvuku během procesu výroby bionafty. Mikroskopická jádra plynu (kavitační jádra) přítomná ve směsi methanolu a výchozího oleje procházejí dynamickým procesem vysokofrekvenčních vibrací, růstu, kolapsu a uzavírání pod vlivem ultrazvukového zvukového pole. Když se kavitační bubliny zhroutí, generují lokalizovanou vysokou teplotu a vysoký tlak v extrémně malém prostoru, který je obklopuje, během velmi krátké doby. Vysoká teplota zvyšuje aktivitu reaktantů, podporuje tvorbu volných radikálů a výskyt krakovacích reakcí; vysoký tlak generuje rázové vlny a mikrotrysky, což vede k intenzivním srážkám mezi molekulami, čímž se urychluje kompletní chemická reakce esterifikace metanolu na výrobu bionafty. 

Ve srovnání se stávajícími technologiemi jsou výhody způsobu poskytovaného tímto vynálezem:

1) Úpravou intenzity ultrazvuku generovaného ultrazvukovým oscilátorem se zvyšuje aktivita reaktantů podporujících tvorbu volných radikálů a vznik krakovacích reakcí v reaktantech. To také vytváří silné kolize mezi molekulami reaktantů, urychluje esterifikaci methanolu a zlepšuje rychlost konverze methanolu.

2) Předložený vynález může používat různé odpadní živočišné a rostlinné oleje, odpadní kuchyňský olej z gastronomického průmyslu a odpadní olej, jako je okapový olej, jako surovinu, což vede k nízkým nákladům.

3) Předkládaný vynález nepoužívá žádné katalyzátory, čímž se zabrání znečištění životního prostředí způsobenému manipulací s katalyzátorem.

4) Tato metoda nevyžaduje úpravu nebo úpravu stávajícího zařízení na výrobu bionafty a nevyžaduje vysokoteplotní a vysokotlaké zařízení během reakčního procesu, což zjednodušuje výrobní proces a snižuje výrobní náklady.