Módszer biodízel előállítására metanolos észterezéssel ultrahangos használatával

A találmány tárgya eljárás biodízel előállítására ultrahangos metanolos észterezéssel. A különféle állati hulladék zsírokat, az éttermi iparból származó hulladék étolajat és a hulladék étolajat alapanyagként felhasználva a módszer felgyorsítja a metanol észterezését az ultrahang kavitációs, melegítési és nagyfrekvenciás oszcillációs hatásai révén biodízel előállítására. Az eljárás előnyei közé tartozik a reaktánsok aktivitásának növelése az ultrahang intenzitásának beállításával, ezáltal javítva a metanol konverziós sebességét; különféle hulladék állati és növényi zsírok, éttermi ipari hulladék étolaj és hulladék étolaj felhasználása alapanyagként, ami alacsony költséget eredményez; és minden katalizátor használatának megszüntetése, így elkerülhető a katalizátorkezelés okozta környezetszennyezés. A meglévő biodízel-gyártó berendezéseken nincs szükség módosításra vagy beállításra, és a reakciófolyamat során nincs szükség magas hőmérsékletű és nagynyomású berendezésekre, ami leegyszerűsíti a gyártási folyamatot és csökkenti a gyártási költségeket.

A biodízel egy új típusú üzemanyag, amelyet állati és növényi zsírokból állítanak elő. A kémiai elemzés szerint a biodízel üzemanyag egy magas zsírtartalmú metán, amelyet a gliceridek lebontásával nyernek, amelynek elsődleges komponense a telítetlen C18 olajsav. A biodízel a hagyományos dízelhez képest a hidegszűrő dugulási pontja, lobbanáspontja, égési hatékonysága, kéntartalma, oxigéntartalma, égési oxigénfogyasztása és vízszennyezettsége tekintetében felülmúlja a hagyományos dízelt, míg más mutatók hasonlóak. Páratlan környezeti teljesítményének, alacsony hőmérsékletű motorindítási teljesítményének, kiváló kenőképességének, biztonságának, üzemanyag-hatékonyságának és megújuló jellegének köszönhetően a biodízel motorok nemcsak a jelenlegi Euro II károsanyag-kibocsátási szabványnak felelnek meg, hanem a hamarosan Európában is bevezetésre kerülő, szigorúbb Euro III szabványoknak is. Ezen túlmenően, mivel a biodízel sokkal kevesebb szén-dioxidot bocsát ki, mint amennyit a növények és az állatok növekedésük során felszívnak, hozzájárul a globális felmelegedéshez, ami egy jelentős, az emberiségre káros környezeti probléma. Ezért a biodízel valóban zöld dízel. Az Egyesült Államok, Európa és Ázsia számos országában és régiójában létesültek kereskedelmi biodízel-gyártó bázisok, és a biodízelt széles körben használják alternatív üzemanyagként.

A biodízel általános gyártási módszerei a következők:

1. Pirolízis: Ez a módszer magas hőmérsékleten bontja le az állati és növényi olajok hosszú láncú molekuláit rövidebb molekulákká, így a nagy molekulatömegű szerves anyagokat viszonylag egyszerű szénhidrogénekké alakítja. A krakkolási termékek hasonlóak a hagyományos dízelhez. A pirolízis folyamata azonban összetett, és terjedelmes berendezéseket igényel, ami magas gyártási költségeket és korlátozott kereskedelmi forgalomba hozatalt eredményez.

2. Átészterezés: Jelenleg ez a leggyakrabban használt módszer. Savas (vagy lúgos) katalizátorok hatására és magas hőmérsékleten (230-250 °C) az alkoholok, például a metanol vagy az etanol átészterezési reakción mennek keresztül trigliceridekkel, amelyek a természetes növényi olajok vagy állati zsírok fő összetevői. A metoxicsoportok helyettesítik a glicerilcsoportokat a hosszú szénláncú zsírsavakon, csökkentve az olaj viszkozitását, javítva folyóképességét és párolgási tulajdonságait, megfelelve az üzemanyag-felhasználás követelményeinek. A következő hátrányok azonban léteznek: 

① A sav (vagy bázis) katalizátor nehezen kinyerhető; 

② A szabad zsírsav és víztartalom jelentősen befolyásolja a savas (vagy bázis) katalitikus reakciót; 

③ A folyamat összetett, többlet alkoholt igényel, alkoholvisszanyerő berendezést igényel a következő folyamatokban, és magas energiafogyasztást eredményez; 

④ A szín sötét, mert a zsírokban lévő telítetlen zsírsavak magas hőmérsékleten hajlamosak a romlásra; 

⑤ Az észterezési terméket nehéz visszanyerni, ami magas költségeket eredményez; és ⑥ A gyártási folyamat magában foglalja a lúgos hulladék kiürítését.

3. Szuperkritikus, nem katalizátoros metanol-észterezés: Ezzel a módszerrel biodízelt állítanak elő katalizátormentes metanol-észterezési eljárással, 350-400°C szuperkritikus hőmérsékleten és 45-65 MPa nyomáson. Bár ez a módszer leegyszerűsíti a hagyományos átészterezési reakció termékeinek szétválasztásának nehézségeit, és kezeli a hagyományos katalizátormentes metanol-észterezéssel járó hosszú reakcióidőt, bonyolult, terjedelmes berendezéseket igényel, és magas gyártási költségeket eredményez.

A jelen találmány célja a fent említett biodízelgyártási eljárások hiányosságainak kiküszöbölése, ezáltal egyszerű, alacsony költségű eljárást biztosítva biodízel előállítására ultrahangos metanolos észterezéssel, amely kiküszöböli a katalizátorok és szerves oldószerek használatát, és magas metanol konverziós arányt ér el. 

A jelen találmány eljárást biztosít biodízel előállítására metanolos észterezéssel ultrahang segítségével. Az eljárás során különféle állati eredetű zsírokat, az éttermi iparból származó hulladék étolajokat, valamint a hulladék étolajat hasznosítják alapanyagként. Az ultrahangos kavitáció, a fűtés és a nagyfrekvenciás oszcilláció felgyorsítja a metanol észterezését biodízel előállításához. A módszer a következő lépésekből áll:

1) A metanolt és a nyers olajat 20 és 50:1 közötti mólarányban összekeverjük, és észtercsere-reakciót hajtunk végre 40 °C és 64 °C közötti hőmérsékleten, 1500–2000 fordulat/perc keverési sebességgel, 2 kW és 10 kW közötti ultrahangteljesítménnyel, és 20 kH2–60 óránál hosszabb ultrahangfrekvenciával.

A nyersolajok közé tartoznak a különféle állati eredetű zsírok, az éttermi iparból származó hulladék étolajok és a hulladék étolaj.

2) A reakció után a kevert oldatot legalább 8 órán át állni hagyjuk, hagyjuk a kevert oldatot rétegekre szétválni, és az alsó rétegben elválasztjuk a glicerint.

3) A kevert oldat felső rétegét 70-100 °C-on desztilláljuk, amíg az összes metanolt kinyerjük. A maradék desztillátum a biodízel. A biodízel ultrahangos metanol-észterezéssel történő előállítására szolgáló, itt ismertetett eljárás az ultrahang kavitációs, melegítési és nagyfrekvenciás oszcillációs hatásait használja fel a biodízel gyártási folyamata során. A metanol és az alapanyag olajkeverékben jelenlévő mikroszkopikus gázmagok (kavitációs magok) az ultrahangos hangtér hatására nagyfrekvenciás vibráció, növekedés, valamint összeomlás és záródás dinamikus folyamatán mennek keresztül. Amikor a kavitációs buborékok összeomlanak, nagyon rövid időn belül lokálisan magas hőmérsékletet és nagy nyomást generálnak az őket körülvevő rendkívül kis térben. A magas hőmérséklet növeli a reagensek aktivitását, elősegíti a szabad gyökök képződését és a repedési reakciók előfordulását; a nagy nyomás lökéshullámokat és mikrosugarak generál, ami intenzív ütközéseket eredményez a molekulák között, ezáltal felgyorsítja a metanol észterezésének teljes kémiai reakcióját a biodízel előállításához. 

A meglévő technológiákkal összehasonlítva a jelen találmány által biztosított eljárás előnyei a következők:

1) Az ultrahangos oszcillátor által generált ultrahang intenzitás beállításával a reaktánsok aktivitása megnő, ami elősegíti a szabad gyökök képződését és a repedési reakciók előfordulását a reaktánsokban. Ez erős ütközéseket hoz létre a reaktáns molekulák között, felgyorsítja a metanol észterezését és javítja a metanol konverziós sebességét.

2) A jelen találmány különféle hulladék állati és növényi olajokat, vendéglátóipari hulladék étolajat és fáradt olajat, például ereszcsatorna olajat használhat alapanyagként, ami alacsony költséget eredményez.

3) A jelen találmány nem használ katalizátorokat, így elkerülhető a katalizátorkezelés okozta környezetszennyezés.

4) Ez a módszer nem igényel módosítást vagy beállítást a meglévő biodízelgyártó berendezéseken, és nem igényel magas hőmérsékletű és nagynyomású berendezéseket a reakciófolyamat során, egyszerűsítve a gyártási folyamatot és csökkentve a gyártási költségeket.