Metode til fremstilling af biodiesel ved methanol-esterificering ved hjælp af ultralyd

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til fremstilling af biodiesel gennem methanolesterificering under anvendelse af ultralyd. Ved at bruge forskellige animalske affaldsfedtstoffer, spild madolie fra restaurationsbranchen og spild madolie som råmaterialer, fremskynder metoden methanol-esterificering gennem kavitations-, opvarmnings- og højfrekvente oscillationseffekter af ultralyd til fremstilling af biodiesel. Fordele ved fremgangsmåden omfatter forøgelse af aktiviteten af ​​reaktanterne ved at justere ultralydsintensiteten, hvorved methanolomdannelseshastigheden forbedres; brug af forskelligt affald af animalsk og vegetabilsk fedt, spild madolie fra restaurationsindustrien og spild madolie som råmateriale, hvilket resulterer i lave omkostninger; og eliminering af brugen af ​​enhver katalysator og dermed undgå miljøforurening forårsaget af katalysatorhåndtering. Der kræves ingen modifikation eller justering af eksisterende biodieselproduktionsudstyr, og højtemperatur- og højtryksudstyr er ikke påkrævet under reaktionsprocessen, hvilket forenkler produktionsprocessen og reducerer produktionsomkostningerne.

Biodiesel er en ny type brændstof fremstillet af animalsk og vegetabilsk fedt. Ifølge kemisk analyse er biodiesel en metan med højt fedtindhold opnået ved at nedbryde glycerider med umættet oliesyre C18 som den primære komponent. Sammenlignet med konventionel diesel overgår biodiesel konventionel diesel med hensyn til koldtfiltertilstopningspunkt, flammepunkt, forbrændingseffektivitet, svovlindhold, iltindhold, forbrændingsiltforbrug og vandforurening, mens andre indikatorer er sammenlignelige. På grund af dens uovertrufne miljømæssige ydeevne, fremragende startydelse ved lav temperatur, overlegen smøreevne, sikkerhed, brændstofeffektivitet og vedvarende natur, opfylder motorer drevet af biodiesel ikke kun den nuværende Euro II-emissionsstandard, men også de strengere Euro III-standarder, der snart vil blive implementeret i Europa. Fordi biodiesel desuden udsender langt mindre kuldioxid, end planter og dyr optager under deres vækst, bidrager det til global opvarmning, et stort miljøproblem, der er skadeligt for menneskeheden. Derfor er biodiesel en virkelig grøn diesel. Der er etableret kommercielle produktionsbaser for biodiesel i flere lande og regioner i USA, Europa og Asien, og biodiesel er meget udbredt som et alternativt brændstof.

Almindelige biodieselproduktionsmetoder omfatter følgende:

1. Pyrolyse: Denne metode bruger høje temperaturer til at nedbryde de langkædede molekyler af animalske og vegetabilske olier til kortere molekyler, hvorved organisk materiale med høj molekylvægt omdannes til relativt simple kulbrinter. Krakningsprodukterne ligner konventionel diesel. Imidlertid er pyrolyseprocessen kompleks og kræver omfangsrigt udstyr, hvilket resulterer i høje produktionsomkostninger og begrænset kommercialisering.

2. Transesterificering: Dette er i øjeblikket den mest anvendte metode. Under sure (eller basiske) katalysatorer og høje temperaturer (230-250°C) gennemgår alkoholer såsom methanol eller ethanol en transesterificeringsreaktion med triglycerider, hovedkomponenterne i naturlige vegetabilske olier eller animalske fedtstoffer. Methoxygrupper erstatter glycerylgrupper på langkædede fedtsyrer, hvilket reducerer oliens viskositet og forbedrer dens flydeevne og fordampningsegenskaber, hvilket opfylder kravene til brændstofforbrug. Der er dog følgende ulemper: 

① Syre (eller base) katalysatoren er svær at genvinde; 

② Indholdet af frie fedtsyrer og vand påvirker den katalytiske syrereaktion (eller base); 

③ Processen er kompleks, kræver et overskud af alkohol, nødvendiggør alkoholgenvindingsudstyr i efterfølgende processer og resulterer i et højt energiforbrug; 

④ Farven er mørk, fordi umættede fedtsyrer i fedtstoffer er modtagelige for forringelse ved høje temperaturer; 

⑤ Forestringsproduktet er svært at genvinde, hvilket resulterer i høje omkostninger; og ⑥ Produktionsprocessen involverer udledning af affald af alkalivæske.

3. Superkritisk ikke-katalysator-methanol-esterificering: Denne metode producerer biodiesel gennem en katalysatorfri methanol-esterificeringsproces ved en superkritisk temperatur på 350-400°C og et tryk på 45-65 MPa. Selvom denne metode forenkler vanskeligheden ved at adskille produkterne fra den traditionelle transesterificeringsreaktion og adresserer den lange reaktionstid, der er forbundet med konventionel katalysatorfri methanolesterificering, er den kompleks, kræver omfangsrigt udstyr og resulterer i høje produktionsomkostninger.

Den foreliggende opfindelse har til formål at overvinde manglerne ved de ovennævnte kendte biodieselproduktionsmetoder og derved tilvejebringe en enkel, billig metode til fremstilling af biodiesel gennem methanolesterificering ved anvendelse af ultralyd, hvilket eliminerer brugen af ​​katalysatorer og organiske opløsningsmidler og opnår en høj methanolomdannelseshastighed. 

Den foreliggende opfindelse tilvejebringer en fremgangsmåde til fremstilling af biodiesel ved methanol-esterificering under anvendelse af ultralyd. Metoden udnytter forskellige animalske affaldsfedtstoffer, spild madolie fra restaurationsbranchen og spild madolie som råvarer. Ultralydskavitation, opvarmning og højfrekvent oscillation fremskynder methanol-esterificering til fremstilling af biodiesel. Metoden omfatter følgende trin:

1) Methanol og råolie blandes i et molforhold på 20 til 50:1, og en esterudvekslingsreaktion udføres ved 40°C til 64°C, en omrøringshastighed på 1500 til 2000 rpm, en ultralydseffekt på 2 kW til 10 kW og en ultralydsfrekvens på 20 til 20 kW på mere end 6 kHz timer.

Råolierne omfatter forskellige animalske affaldsfedtstoffer, spild madolie fra restaurationsbranchen og spild madolie.

2) Den blandede opløsning efter reaktionen får lov til at stå i mindst 8 timer, hvorved den blandede opløsning lader sig skille i lag og adskille glycerolen i det nederste lag.

3) Det øverste lag af den blandede opløsning destilleres ved 70 til 100°C, indtil al methanolen er genvundet. Det resterende destillat er biodiesel. Fremgangsmåden til fremstilling af biodiesel ved methanolesterificering under anvendelse af ultralyd, som er tilvejebragt heri, udnytter kavitations-, opvarmnings- og højfrekvente oscillationseffekter af ultralyd under biodieselproduktionsprocessen. Mikroskopiske gaskerner (kavitationskerner), der er til stede i methanol- og råolieblandingen, gennemgår en dynamisk proces med højfrekvent vibration, vækst og kollaps og lukning under påvirkning af ultralydslydfeltet. Når kavitationsboblerne kollapser, genererer de lokaliseret høj temperatur og højt tryk i det ekstremt lille rum, der omgiver dem inden for meget kort tid. Den høje temperatur øger aktiviteten af ​​reaktanterne, fremmer dannelsen af ​​frie radikaler og forekomsten af ​​krakningsreaktioner; det høje tryk genererer chokbølger og mikrojets, hvilket resulterer i intense kollisioner mellem molekyler, og derved accelererer den komplette kemiske reaktion af methanol-esterificering til fremstilling af biodiesel. 

Sammenlignet med eksisterende teknologier er fordelene ved fremgangsmåden tilvejebragt af den foreliggende opfindelse:

1) Ved at justere ultralydsintensiteten, der genereres af ultralydsoscillatoren, øges aktiviteten af ​​reaktanterne, hvilket fremmer dannelsen af ​​frie radikaler og forekomsten af ​​revnereaktioner i reaktanterne. Dette skaber også stærke kollisioner mellem reaktantmolekyler, accelererer methanolesterificering og forbedrer methanolomdannelseshastigheden.

2) Den foreliggende opfindelse kan anvende forskellige affaldsdyr og planteolier, spildolie fra restaurationsindustrien og spildolie såsom rendeolie som råmateriale, hvilket resulterer i lave omkostninger.

3) Den foreliggende opfindelse anvender ingen katalysatorer og undgår således miljøforurening forårsaget af katalysatorhåndtering.

4) Denne metode kræver ikke modifikation eller justering af eksisterende biodieselproduktionsudstyr og kræver ikke højtemperatur- og højtryksudstyr under reaktionsprocessen, hvilket forenkler produktionsprocessen og reducerer produktionsomkostningerne.