Metoda de preparare a biodieselului prin esterificare cu metanol folosind ultrasunete

Prezenta invenție se referă la o metodă de producere a biodieselului prin esterificarea metanolului folosind ultrasunete. Folosind diverse grăsimi reziduale animale, ulei de gătit uzat din industria restaurantelor și ulei de gătit uzat ca materii prime, metoda accelerează esterificarea metanolului prin cavitația, încălzirea și efectele de oscilație de înaltă frecvență ale ultrasunetelor pentru a produce biodiesel. Avantajele metodei includ creșterea activității reactanților prin ajustarea intensității ultrasunetelor, îmbunătățind astfel rata de conversie a metanolului; utilizarea diferitelor deșeuri de grăsimi animale și vegetale, ulei de gătit uzat din industria restaurantelor și ulei de gătit uzat ca materii prime, rezultând un cost scăzut; și eliminând utilizarea oricărui catalizator, evitând astfel poluarea mediului cauzată de manipularea catalizatorului. Nu este necesară nicio modificare sau ajustare a echipamentelor existente de producție a biodieselului, iar echipamentele de înaltă temperatură și de înaltă presiune nu sunt necesare în timpul procesului de reacție, simplificând procesul de producție și reducând costurile de producție.

Biodieselul este un nou tip de combustibil produs din grăsimi animale și vegetale. Conform analizei chimice, combustibilul biodiesel este un metan bogat în grăsimi, obținut prin descompunerea gliceridelor cu acid oleic nesaturat C18 ca component principal. Comparativ cu motorina convențională, biomotorina depășește motorina convențională în punctul de obturare al filtrului la rece, punctul de aprindere, eficiența arderii, conținutul de sulf, conținutul de oxigen, consumul de oxigen din ardere și poluarea apei, în timp ce alți indicatori sunt comparabili. Datorită performanței de mediu de neegalat, a performanței excelente de pornire a motorului la temperatură scăzută, a lubrifierii superioare, a siguranței, a eficienței combustibilului și a naturii regenerabile, motoarele alimentate cu biodiesel îndeplinesc nu numai standardul actual de emisii Euro II, ci și standardele mai stricte Euro III, care vor fi implementate în curând în Europa. În plus, deoarece biodieselul emite mult mai puțin dioxid de carbon decât îl absorb plantele și animalele în timpul creșterii lor, contribuie la încălzirea globală, o problemă majoră de mediu care este dăunătoare umanității. Prin urmare, biodieselul este o motorină cu adevărat verde. Baze comerciale de producție de biomotorină au fost stabilite în mai multe țări și regiuni din Statele Unite, Europa și Asia, iar biomotorina este utilizată pe scară largă ca combustibil alternativ.

Metodele comune de producere a biodieselului includ următoarele:

1. Piroliza: Această metodă folosește temperaturi ridicate pentru a descompune moleculele cu lanț lung ale uleiurilor animale și vegetale în molecule mai scurte, transformând materia organică cu greutate moleculară mare în hidrocarburi relativ simple. Produsele de cracare sunt similare cu motorina convențională. Cu toate acestea, procesul de piroliză este complex și necesită echipamente voluminoase, rezultând costuri mari de producție și comercializare limitată.

2. Transesterificarea: Aceasta este în prezent metoda cea mai frecvent utilizată. Sub catalizatori acizi (sau alcalini) și temperaturi ridicate (230-250°C), alcoolii precum metanolul sau etanolul suferă o reacție de transesterificare cu trigliceridele, componentele principale ale uleiurilor naturale vegetale sau grăsimilor animale. Grupările metoxi înlocuiesc grupările gliceril pe acizii grași cu lanț lung, reducând vâscozitatea uleiului și îmbunătățind proprietățile de curgere și vaporizare, îndeplinind cerințele de utilizare a combustibilului. Cu toate acestea, există următoarele dezavantaje: 

① Catalizatorul acid (sau bazic) este greu de recuperat; 

② Conținutul de acizi grași liberi și apă influențează semnificativ reacția catalitică acidă (sau bazică); 

③ Procesul este complex, necesită un exces de alcool, necesitând echipamente de recuperare a alcoolului în procesele ulterioare și rezultând un consum mare de energie; 

④ Culoarea este închisă, deoarece acizii grași nesaturați din grăsimi sunt susceptibili de deteriorare la temperaturi ridicate; 

⑤ Produsul de esterificare este dificil de recuperat, rezultând costuri ridicate; și ⑥ Procesul de producție implică evacuarea deșeurilor de lichid alcalin.

3. Esterificare supercritică cu metanol fără catalizator: Această metodă produce biodiesel printr-un proces de esterificare cu metanol fără catalizator la o temperatură supercritică de 350-400°C și o presiune de 45-65 MPa. În timp ce această metodă simplifică dificultatea de a separa produsele reacției tradiționale de transesterificare și abordează timpul lung de reacție asociat cu esterificarea convențională a metanolului fără catalizator, este complexă, necesită echipamente voluminoase și are ca rezultat costuri de producție ridicate.

Prezenta invenție își propune să depășească deficiențele metodelor de producție a biodieselului din stadiul tehnicii menționate mai sus, oferind astfel o metodă simplă, cu costuri reduse de producere a biodieselului prin esterificarea metanolului folosind ultrasunete, care elimină utilizarea catalizatorilor și solvenților organici și realizează o rată ridicată de conversie a metanolului. 

Prezenta invenţie furnizează o metodă de producere a biodieselului prin esterificarea metanolului folosind ultrasunete. Metoda utilizează diverse grăsimi reziduale animale, uleiuri de gătit uzate din industria restaurantelor și ulei de gătit uzat ca materii prime. Cavitația cu ultrasunete, încălzirea și oscilația de înaltă frecvență accelerează esterificarea metanolului pentru a produce biodiesel. Metoda cuprinde următorii pași:

1) Metanolul și uleiul brut sunt amestecate într-un raport molar de 20 până la 50:1 și se efectuează o reacție de schimb ester la 40°C până la 64°C, o viteză de agitare de 1500 până la 2000 rpm, o putere ultrasonică de 2 kW până la 10 kW și o frecvență ultrasonică de 60 kH 20 până la cel mult 60 kH2 ore.

Uleiurile brute includ diverse grăsimi reziduale animale, uleiuri de gătit uzate din industria restaurantelor și uleiuri de gătit uzate.

2) Soluția amestecată după reacție este lăsată să stea cel puțin 8 ore, permițând soluției amestecate să se separe în straturi și separând glicerina în stratul inferior.

3) Stratul superior al soluției amestecate este distilat la 70 până la 100°C până când tot metanolul este recuperat. Distilatul rămas este biodieselul. Metoda de producere a biodieselului prin esterificarea metanolului utilizând ultrasunete, furnizată aici, utilizează cavitația, încălzirea și efectele de oscilație de înaltă frecvență ale ultrasunetelor în timpul procesului de producție de biomotorină. Nucleele de gaz microscopice (nuclee de cavitație) prezente în amestecul de metanol și ulei de materie primă suferă un proces dinamic de vibrație de înaltă frecvență, creștere și colaps și închidere sub influența câmpului sonor ultrasonic. Când bulele de cavitație se prăbușesc, ele generează temperatură ridicată localizată și presiune ridicată în spațiul extrem de mic din jurul lor într-o perioadă foarte scurtă de timp. Temperatura ridicată crește activitatea reactanților, favorizând formarea de radicali liberi și apariția reacțiilor de cracare; presiunea ridicată generează unde de șoc și microjet, ducând la ciocniri intense între molecule, accelerând astfel reacția chimică completă de esterificare a metanolului pentru a produce biodiesel. 

În comparație cu tehnologiile existente, avantajele metodei oferite de prezenta invenție sunt:

1) Prin reglarea intensității ultrasonice generate de oscilatorul ultrasonic, activitatea reactanților este crescută, favorizând formarea de radicali liberi și apariția reacțiilor de cracare în reactanți. Acest lucru creează, de asemenea, ciocniri puternice între moleculele reactante, accelerând esterificarea metanolului și îmbunătățind rata de conversie a metanolului.

2) Prezenta invenție poate utiliza diverse uleiuri uzate de animale și plante, ulei de gătit uzat din industria alimentației alimentare și ulei uzat, cum ar fi uleiul de jgheab ca materie primă, rezultând un cost scăzut.

3) Prezenta invenție nu folosește nici un catalizator, evitându-se astfel poluarea mediului cauzată de manipularea catalizatorului.

4) Această metodă nu necesită modificare sau ajustare la echipamentele existente de producție a biodieselului și nu necesită echipamente de înaltă temperatură și presiune înaltă în timpul procesului de reacție, simplificând procesul de producție și reducând costurile de producție.