Metoda wytwarzania biodiesla poprzez estryfikację metanolem za pomocą ultradźwięków

Niniejszy wynalazek dotyczy sposobu wytwarzania biodiesla poprzez estryfikację metanolem przy użyciu ultradźwięków. Wykorzystując różne tłuszcze odpadowe pochodzenia zwierzęcego, odpadowy olej kuchenny z branży restauracyjnej i zużyty olej kuchenny jako surowce, metoda przyspiesza estryfikację metanolu poprzez kawitację, ogrzewanie i efekty oscylacji o wysokiej częstotliwości ultradźwięków w celu wytworzenia biodiesla. Zaletami metody są: zwiększenie aktywności reagentów poprzez regulację natężenia ultradźwięków, a co za tym idzie poprawę stopnia konwersji metanolu; stosowanie różnych odpadowych tłuszczów zwierzęcych i roślinnych, odpadowego oleju kuchennego z branży restauracyjnej i odpadowego oleju kuchennego jako surowców, co skutkuje niskimi kosztami; oraz wyeliminowanie użycia jakiegokolwiek katalizatora, unikając w ten sposób zanieczyszczenia środowiska spowodowanego obsługą katalizatora. Nie są wymagane żadne modyfikacje ani dostosowania istniejących urządzeń do produkcji biodiesla, a podczas procesu reakcji nie jest wymagane wyposażenie wysokotemperaturowe i wysokociśnieniowe, co upraszcza proces produkcyjny i zmniejsza koszty produkcji.

Biodiesel to nowy rodzaj paliwa wytwarzany z tłuszczów zwierzęcych i roślinnych. Według analizy chemicznej biodiesel jest wysokotłuszczowym metanem otrzymywanym w wyniku rozkładu glicerydów z nienasyconym kwasem oleinowym C18 jako składnikiem głównym. W porównaniu z konwencjonalnym olejem napędowym biodiesel przewyższa konwencjonalny olej napędowy pod względem temperatury zatkania zimnego filtra, temperatury zapłonu, wydajności spalania, zawartości siarki, zawartości tlenu, zużycia tlenu podczas spalania i zanieczyszczenia wody, podczas gdy inne wskaźniki są porównywalne. Ze względu na niezrównaną efektywność ekologiczną, doskonałe parametry rozruchu silnika w niskich temperaturach, doskonałą smarność, bezpieczeństwo, oszczędność paliwa i odnawialny charakter, silniki napędzane biodieslem spełniają nie tylko obecną normę emisji Euro II, ale także bardziej rygorystyczne normy Euro III, które wkrótce zostaną wdrożone w Europie. Co więcej, ponieważ biodiesel emituje znacznie mniej dwutlenku węgla niż rośliny i zwierzęta pochłaniają podczas swojego wzrostu, przyczynia się do globalnego ocieplenia, głównego problemu środowiskowego, który jest szkodliwy dla ludzkości. Dlatego biodiesel jest naprawdę ekologicznym olejem napędowym. W kilku krajach i regionach Stanów Zjednoczonych, Europy i Azji utworzono komercyjne bazy produkcyjne biodiesla, a biodiesel jest szeroko stosowany jako paliwo alternatywne.

Typowe metody produkcji biodiesla obejmują:

1. Piroliza: metoda ta wykorzystuje wysokie temperatury do rozbicia długołańcuchowych cząsteczek olejów zwierzęcych i roślinnych na krótsze cząsteczki, przekształcając materię organiczną o dużej masie cząsteczkowej w stosunkowo proste węglowodory. Produkty krakingu są podobne do produktów konwencjonalnego oleju napędowego. Jednakże proces pirolizy jest złożony i wymaga nieporęcznego sprzętu, co skutkuje wysokimi kosztami produkcji i ograniczoną komercjalizacją.

2. Transestryfikacja: Jest to obecnie najczęściej stosowana metoda. Pod wpływem kwaśnych (lub zasadowych) katalizatorów i wysokich temperatur (230-250°C) alkohole takie jak metanol czy etanol ulegają reakcji transestryfikacji z trójglicerydami, głównymi składnikami naturalnych olejów roślinnych lub tłuszczów zwierzęcych. Grupy metoksylowe zastępują grupy glicerylowe w długołańcuchowych kwasach tłuszczowych, zmniejszając lepkość oleju oraz poprawiając jego płynność i właściwości parowania, spełniając wymagania dotyczące zużycia paliwa. Istnieją jednak następujące wady: 

① Katalizator kwasowy (lub zasadowy) jest trudny do odzyskania; 

② Zawartość wolnych kwasów tłuszczowych i wody znacząco wpływa na kwasową (lub zasadową) reakcję katalityczną; 

③ Proces jest złożony, wymaga nadmiaru alkoholu, sprzętu do odzyskiwania alkoholu w kolejnych procesach i powoduje wysokie zużycie energii; 

④ Kolor jest ciemny, ponieważ nienasycone kwasy tłuszczowe w tłuszczach są podatne na psucie się w wysokich temperaturach; 

⑤ Produkt estryfikacji jest trudny do odzyskania, co powoduje wysokie koszty; oraz ⑥ Proces produkcyjny obejmuje odprowadzanie odpadowych cieczy alkalicznych.

3. Estryfikacja metanolu w stanie nadkrytycznym bez katalizatora: Metodą tą uzyskuje się biodiesel w procesie estryfikacji metanolu bez katalizatora w temperaturze nadkrytycznej 350–400°C i pod ciśnieniem 45–65 MPa. Chociaż metoda ta upraszcza trudności w oddzielaniu produktów tradycyjnej reakcji transestryfikacji i uwzględnia długi czas reakcji związany z konwencjonalną estryfikacją metanolem bez katalizatora, jest ona złożona, wymaga nieporęcznego sprzętu i skutkuje wysokimi kosztami produkcji.

Niniejszy wynalazek ma na celu przezwyciężenie wad wyżej wymienionych sposobów produkcji biodiesla ze stanu techniki, zapewniając w ten sposób prosty, tani sposób wytwarzania biodiesla poprzez estryfikację metanolu przy użyciu ultradźwięków, który eliminuje stosowanie katalizatorów i rozpuszczalników organicznych i umożliwia osiągnięcie wysokiego stopnia konwersji metanolu. 

Niniejszy wynalazek zapewnia sposób wytwarzania biodiesla poprzez estryfikację metanolem za pomocą ultradźwięków. W metodzie tej jako surowce wykorzystuje się różne tłuszcze odpadowe pochodzenia zwierzęcego, odpadowe oleje kuchenne z przemysłu restauracyjnego i zużyty olej kuchenny. Kawitacja ultradźwiękowa, ogrzewanie i oscylacje o wysokiej częstotliwości przyspieszają estryfikację metanolu w celu produkcji biodiesla. Metoda obejmuje następujące kroki:

1) Metanol i surowy olej miesza się w stosunku molowym od 20 do 50:1, a reakcję wymiany estrów przeprowadza się w temperaturze 40°C do 64°C, przy szybkości mieszania od 1500 do 2000 obr/min, mocy ultradźwiękowej od 2 kW do 10 kW i częstotliwości ultradźwiękowej od 20 do 60 kHz przez nie więcej niż 2 godziny.

Surowe oleje obejmują różne tłuszcze odpadowe pochodzenia zwierzęcego, odpadowe oleje kuchenne z przemysłu restauracyjnego i odpadowy olej kuchenny.

2) Zmieszany roztwór po reakcji pozostawia się na co najmniej 8 godzin, co pozwala na rozdzielenie się zmieszanego roztworu na warstwy i wydzielenie gliceryny w dolnej warstwie.

3) Górną warstwę zmieszanego roztworu destyluje się w temperaturze 70 do 100°C aż do odzyskania całego metanolu. Pozostały destylat to biodiesel. Przedstawiony tu sposób wytwarzania biodiesla poprzez estryfikację metanolem przy użyciu ultradźwięków wykorzystuje efekty kawitacji, ogrzewania i oscylacji o wysokiej częstotliwości ultradźwięków podczas procesu produkcji biodiesla. Mikroskopijne jądra gazu (jądra kawitacji) obecne w mieszaninie metanolu i oleju wsadowego podlegają dynamicznemu procesowi drgań o wysokiej częstotliwości, wzrostu oraz zapadania się i zamykania pod wpływem ultradźwiękowego pola dźwiękowego. Kiedy pęcherzyki kawitacyjne zapadają się, w bardzo krótkim czasie wytwarzają lokalną wysoką temperaturę i wysokie ciśnienie w niezwykle małej przestrzeni, która je otacza. Wysoka temperatura zwiększa aktywność reagentów, sprzyjając tworzeniu się wolnych rodników i występowaniu reakcji krakingu; wysokie ciśnienie generuje fale uderzeniowe i mikrostrumienie, powodując intensywne zderzenia między cząsteczkami, przyspieszając w ten sposób całą reakcję chemiczną estryfikacji metanolu prowadzącą do produkcji biodiesla. 

W porównaniu z istniejącymi technologiami, zalety sposobu zapewnianego przez niniejszy wynalazek są następujące:

1) Dostosowując intensywność ultradźwięków generowanych przez oscylator ultradźwiękowy, zwiększa się aktywność reagentów, sprzyjając tworzeniu się wolnych rodników i występowaniu reakcji pękania w reagentach. Powoduje to również silne zderzenia pomiędzy cząsteczkami reagentów, przyspieszając estryfikację metanolu i poprawiając stopień konwersji metanolu.

2) W niniejszym wynalazku można stosować różne odpadowe oleje zwierzęce i roślinne, odpadowy olej kuchenny z przemysłu gastronomicznego i olej odpadowy, taki jak olej rynsztokowy, jako surowiec, co skutkuje niskim kosztem.

3) W niniejszym wynalazku nie stosuje się żadnych katalizatorów, co pozwala uniknąć zanieczyszczenia środowiska spowodowanego obsługą katalizatorów.

4) Metoda ta nie wymaga modyfikacji ani dostosowania istniejących urządzeń do produkcji biodiesla oraz nie wymaga stosowania urządzeń wysokotemperaturowych i wysokociśnieniowych podczas procesu reakcji, co upraszcza proces produkcyjny i zmniejsza koszty produkcji.