Petroleum Diesel ist derzeit die Hauptform des Kraftstoffs in der Transport- und Logistikbranche, obwohl seine Verwendung nur begrenzte Rohölressourcen verbraucht und die menschliche Gesundheit und die Umwelt schadet.
Biodiesel ist als erneuerbarer, biologisch abbaubarer und ungiftiger Biokraftstoffe ein attraktiver alternativer Kraftstoff, der umweltfreundlich ist und in vorhandenen Dieselmotoren verwendet werden kann. Es liefert die gleiche Leistung und das gleiche Drehmoment wie Petroleum Diesel und hat gleichzeitig überlegene Schmierung.
Leider bleiben die Kosten für Biodiesel aufgrund der geringen Effizienz seines Herstellungsprozesses hoch und behindern seine weit verbreitete Umsetzung.
Die Produktion von Biodiesel wird durch einen relativ langsamen und Energieverbrauch des chemischen Verbrauchs erreicht, nämlich Triglyceridaustausch - Pflanzenöl oder tierisches Fett.
Dieses Verfahren wird normalerweise in einem Stapelreaktor durchgeführt, bei dem die Rohtriglyceride in Gegenwart eines Katalysators (Base, Säure oder Enzym) mit Alkohol (Methanol oder Ethanol) gemischt werden, auf etwa 65 Grad erhitzt und mechanisch für {{{{{ {1}} Stunden. Dann dürfen diese Produkte für {5-10 Stunden (Glycerin mit überschüssigem Alkohol und Katalysator enthält die untere Schicht bildet, bildet die obere Schicht), worauf Ungefähr 85-87% Biodiesel.
Es gibt viel Raum für Verbesserungen in verschiedenen Aspekten dieses Prozesses:
1. Niedrige Reaktionsgeschwindigkeit.
Die Esteraustauschreaktion ist eine Reaktion, die den Massenübergang begrenzt - sie tritt an der Grenzfläche zwischen Rohöl und Alkohol auf, die nur teilweise mischbar sind. Das mechanische Rühren kann dazu beitragen, den Kontakt zwischen Reagenzien in gewissem Maße zu verbessern, aber die Reaktion ist immer noch sehr langsam, da das Rühren die beiden Flüssigkeiten (bilden ein stabiles kolloidales Gemisch) nicht vollständig emulgieren kann, um die Grenzflächenoberfläche zwischen ihnen zu erhöhen.
2. Langzeittrennung.
Übermäßiger Alkohol und Katalysator werden typischerweise verwendet, um die Esteraustauschreaktion für die ausgewogene Synthese von Biodiesel voranzutreiben. In den folgenden Schritten neigt jedoch übermäßiger Alkohol dazu, Glycerin in Biodiesel aufzulösen, was ihre Trennung verlangsamt.
3.. Nach Behandlung von Komplikationen.
Biodiesel muss mit Wasser gewaschen werden, um restliche Katalysatoren und Seifennebenprodukte zu entfernen. Der verbleibende Alkohol muss gereinigt und recycelt werden. Daher kann der übermäßige Einsatz von Alkohol und Katalysatoren den Nachbehandlungsprozess erschweren.
Ultraschallunterstützte Produktion von Biodiesel
Ultraschallunterstützte Esteraustauschreaktionen sind für jeden Prozessschritt sehr vorteilhaft:
1. hohe Reaktionsgeschwindigkeit.
Hochintensitäts Ultraschall erzeugt akustische Kavitation, was zu einer starken und asymmetrischen Implosion von Vakuumblasen führt und Schockwellen, Mikrojeten, starke Scherkräfte und extrem lokale Temperaturen und Drucke verursacht. Dies führt zu einem hochwirksamen Mischen, was zu nicht mischbaren oder teilweise mischbaren Flüssigkeiten von ultrafeinen, kinetisch stabilen Emulsionen (Nanoemulsionen) führt. Daher nimmt der Grenzflächenbereich zwischen Flüssigkeiten um eine Größenordnung zu, die die Reaktionen, die den Massenübergang begrenzen, wie z. B. Esteraustausch, erheblich fördert.
Untersuchungen haben gezeigt, dass die Reaktionszeit von Stunden auf Minuten reduziert werden kann, und der alkalische katalysierte schnelle Esteraustausch von Sojaöl nutzt Ultraschall, Energie und Kraftstoff.
2. kurze Trennzeit.
Aufgrund des besseren Kontakts zwischen Rohöl und Alkohol, der durch Ultraschallbelichtung verursacht wird, ist eine viel geringere Menge Alkohol erforderlich. Dies reduziert die nach der Reaktion verbleibende Alkoholmenge. Die durch Ethanol vermittelte Löslichkeit von Glycerin in Biodiesel nimmt ab, und die Trennzeit nimmt von 5-10 Stunden auf etwa 30 Minuten ab.
3.. Vereinfachte Nachbearbeitung.
Die Verwendung eines niedrigeren Alkoholüberschusses kann den Aufwand für das anschließende Recycling verringern. Darüber hinaus kann aufgrund einer höheren Mischungswirkungsgrad die Menge des verwendeten Katalysators erheblich reduziert werden (50-60%), wodurch die Waschschritte von Biodiesel vereinfacht werden.
4. Zusätzliche Vorteile.
a) Die Exposition gegenüber Ultraschall mit hohem Intensität kann die für die Reaktion erforderliche Aktivierungsenergie liefern. Daher wird das Erhitzen des Reaktionsgemisches weniger wichtig, da es Energie und Mühe sparen kann.
b) Der Prozess hat sich von Charge auf kontinuierlich verschoben und die Produktionsskala erheblich erhöht.
c) Die Produktion von Biodiesel kann auf {95-99%erhöht werden.
Die Bedeutung einer hohen Schallverstärkung
Die Ultraschallverstärkung der Biodieselproduktion der kommerziellen Skala erfordert die Verwendung von Ultraschallprozessoren für industrielle Maßstäbe, die eine hohe Schwingungsamplituden aufrechterhalten können. Die Amplitude hängt direkt mit der Stärke der durch Ultraschallkavitation erzeugten Scherkraft zusammen und muss für ein effektives Mischen ausreichend hohe Niveau gehalten werden.
Es wurde festgestellt, dass ähnliche Amplitudenwerte für die Erzeugung hochwertiger Nanoemulsionen erforderlich sind - eine Voraussetzung für begrenzte Austauschreaktionen für den Massenübergang.
