التراسونیک، بهترین روش تولید بیودیزل

هنگام تولید بیودیزل، حرکت کند مواد واکنش دهنده و انتقال جرم ضعیف باعث کاهش ظرفیت کارخانه بیودیزل و همچنین کاهش بازده و کیفیت آن می‌شوند. راکتورهای اولتراسونیک آواپرداز به طور قابل توجهی پویایی واکنش ترانس استریفیکاسیون (transesterification) را بهبود می‌بخشند. بنابراین، مقدار متانول اضافی و کاتالیزور مورد نیاز برای فرآیند تولید بیودیزل کاهش می‌یابد. معمولاً بیودیزل در راکتورهای بچ با استفاده از گرما و اختلاط مکانیکی به عنوان ورودی انرژی تولید می‌شود. اختلاط التراسونیک با استفاده از کاویتاسیون، جایگزین مؤثری برای دستیابی به اختلاط بهتر در فرآیندهای تجاری تولید بیودیزل است. کاویتاسیون التراسونیک انرژی فعال‌سازی لازم برای ترانس استریفیکاسیون صنعتی بیودیزل را فراهم می‌کند.

ترانس‌استریفیکاسیون بهبود‌یافته با امواج اولتراسونیک در تولید بیودیزل

تولید بیودیزل معمولاً شامل واکنش شیمیایی ترانس‌استریفیکاسیون است، که در آن یک تری‌گلیسیرید (مانند روغن‌های گیاهی، چربی‌های حیوانی، یا روغن‌های مصرف‌شده) با یک الکل (مانند متانول) در حضور کاتالیزور واکنش داده و بیودیزل (متیل استر اسیدهای چرب) و گلیسرول تولید می‌شود. استفاده از راکتورهای اولتراسونیک می‌تواند فرآیند ترانس‌استریفیکاسیون را به روش‌های مختلف بهبود داده و مزایای زیر را به همراه داشته باشد:

1. بهبود اختلاط:
   امواج التراسونیک می‌توانند حباب‌های کاویتاسیونی ایجاد کنند که به‌طور شدید فرو می‌پاشند و باعث اختلاط و تحریک شدید مخلوط واکنش می‌شوند. این امر منجر به تماس بهتر بین واکنش‌دهنده‌ها و کاتالیزور شده و ترانس‌استریفیکاسیون سریع‌تر و کامل‌تری را امکان‌پذیر می‌سازد.

2. تسریع سینتیک واکنش:
   شرایط پرانرژی ایجادشده توسط امواج اولتراسونیک می‌توانند واکنش را فعال کنند، سرعت واکنش را افزایش داده و زمان موردنیاز برای رسیدن به سطح تبدیل مشخصی را کاهش دهند. این امر به افزایش بازده و کاهش هزینه‌ها منجر می‌شود.

3. کاهش مصرف کاتالیزور:
   راکتورهای اولتراسونیک می‌توانند کارایی استفاده از کاتالیزور را بهبود بخشند، زیرا سطوح فعال بیشتری برای واکنش فراهم می‌کنند. این به معنای نیاز کمتر به کاتالیزور برای رسیدن به سطح تبدیل یکسان است که به کاهش هزینه‌ها و اثرات زیست‌محیطی کمک می‌کند.

4. بهبود کیفیت محصول:
   راکتورهای آلتراسونیک می‌توانند بیودیزلی با محتوای کمتر اسیدهای چرب آزاد، خلوص بالاتر، و خواص بهتر جریان در سرما تولید کنند. این بهبودها به دلیل اختلاط بهتر و سینتیک سریع‌تر واکنش است که تشکیل محصولات ناخواسته و ناخالصی‌ها را به حداقل می‌رساند.

این مزایای استفاده از فرآیند اولتراسونیک در تولید بیودیزل، نصب و استفاده از راکتور اولتراسونیک را بسیار اقتصادی می‌کند، زیرا این راکتورها به شکل قابل‌توجهی بهره‌وری، سرعت و کیفیت ترانس‌استریفیکاسیون بیودیزل را بهبود می‌بخشند. به طور خلاصه، استفاده از اولتراسوند فرآیند ترانس‌استریفیکاسیون را به روشی اقتصادی‌تر و پایدارتر از نظر زیست‌محیطی تبدیل می‌کند.

مشکلات اختلاط بیودیزل در روش‌های سنتی: واکنش استریفیکاسیون در فرآیندهای دسته‌ای معمولاً کند است و جداسازی فاز گلیسرین زمان‌بر بوده و اغلب بیش از 5 ساعت طول می‌کشد. راکتورهای التراسونیک به شما کمک می‌کنند تا فرآیند بیودیزل را تسریع کنید و همزمان بازده و کیفیت بیودیزل را افزایش دهید، آن هم با هزینه‌های پردازش کمتر!

مزایای ترانس‌استریفیکاسیون بیودیزل با استفاده از اولتراسونیک:

• بازده بالاتر بیودیزل به دلیل اختلاط بهتر
• کیفیت بالاتر بیودیزل
• امکان استفاده از روغن‌های بی‌کیفیت به عنوان ماده اولیه
• فرآیند پیوسته و درون‌خطی
• کاهش مصرف متانول
• کاهش نیاز به کاتالیزور
• صرفه‌جویی در زمان به دلیل سرعت بالای تبدیل
• صرفه‌جویی در انرژی
• عملیات ساده و ایمن
• دوام بالا و نیاز کم به تعمیر و نگهداری
• عملکرد عالی: امکان کار مداوم 24/7 تحت بار کامل

استفاده از اولتراسوند در تولید بیودیزل

بیودیزل اغلب در راکتورهای دسته‌ای تولید می‌شود. اما فرآیند تبدیل بیودیزل با اولتراسوند امکان پردازش مداوم و درون‌خطی را فراهم می‌کند. با استفاده از اولتراسونیک، بازده بیودیزل می‌تواند به بیش از 99% برسد. راکتورهای اولتراسونیک زمان پردازش را از 1 تا 4 ساعت در روش‌های دسته‌ای سنتی به کمتر از 30 ثانیه کاهش می‌دهند.

مهم‌تر از آن، اولتراسونیک زمان جداسازی را از 5 تا 10 ساعت (در روش‌های اختلاط سنتی) به کمتر از 60 دقیقه کاهش می‌دهد. همچنین، التراسونیک میزان کاتالیزور مورد نیاز را تا 50% کاهش می‌دهد، زیرا فعالیت شیمیایی در حضور کاویتاسیون افزایش می‌یابد.

استفاده از امواج فراصوت میزان متانول اضافی مورد نیاز را نیز کاهش می‌دهد. از دیگر مزایا می‌توان به افزایش خلوص گلیسرین تولیدشده اشاره کرد.

فرآیند تولید بیودیزل با اولتراسونیک به صورت گام به گام:

1. روغن گیاهی یا چربی حیوانی با متانول (برای تولید متیل استر) یا اتانول (برای تولید اتیل استر) و متوکسید یا هیدروکسید سدیم یا پتاسیم مخلوط می‌شود.
2. مخلوط گرما داده می‌شود، مثلاً در دماهای بین 45 تا 65 درجه سانتی‌گراد.
3. مخلوط گرم شده به مدت 5 تا 15 ثانیه به صورت درون‌خطی تحت اثر اولتراسوند قرار می‌گیرد.
4. گلیسرین از مخلوط جدا می‌شود یا با استفاده از دستگاه‌های سانتریفیوژ جدا می‌شود.
5. بیودیزل تبدیل‌شده با آب شسته می‌شود.

اغلب، سونیکاسیون در فشار بالا (1 تا 3 بار، فشار گیج) با استفاده از پمپ تغذیه و شیر فشار برگشتی قابل تنظیم به همراه راکتور التراسونیک انجام می‌شود. فرآیند تبدیل بیودیزل صنعتی به انرژی اولتراسونیک زیادی نیاز ندارد. نیاز واقعی به انرژی را می‌توان در مقیاس آزمایشگاهی با استفاده از دستگاه اولتراسونیک آزمایشگاهی مانند 400LUP آواپرداز تعیین کرد. تمام نتایج این آزمایش‌های مقیاس آزمایشگاهی می‌توانند به‌طور خطی مقیاس‌پذیر بوده و بدون مشکل افزایش یابند. محدودیتی برای افزایش ظرفیت تولید بیودیزل با استفاده از فناوری التراسونیک وجود ندارد.

هزینه‌های تولید بیودیزل با اولتراسونیک

اولتراسوند یک روش مؤثر برای افزایش سرعت واکنش و نرخ تبدیل در تولید بیودیزل تجاری است. هزینه‌های پردازش اولتراسونیک عمدتاً شامل سرمایه‌گذاری برای تجهیزات اولتراسونیک، هزینه‌های انرژی و نگهداری می‌شود. بهره‌وری انرژی برجسته دستگاه‌های اولتراسونیک آواپرداز کمک می‌کند تا هزینه‌های انرژی کاهش یابد و بدین ترتیب این فرآیند سبزتر شود. هزینه‌های مربوط به التراسونیک در مقیاس تجاری معمولاً بین 0.1 سنت تا 1.0 سنت به ازای هر لیتر متغیر است.

راه‌اندازی تولید بیودیزل اولتراسونیک در مقیاس کوچک

اولتراسوند می‌تواند برای تبدیل روغن به بیودیزل در هر مقیاسی استفاده شود. تصویر زیر یک راه‌اندازی مقیاس کوچک برای پردازش 60-70 لیتر را نشان می‌دهد. این تنظیمات معمولاً برای مطالعات اولیه و نمایش فرآیند استفاده می‌شود.

برای راه‌اندازی ساده ولی مؤثر تولید بیودیزل اولتراسونیک، تجهیزات زیر مورد نیاز است:

• یک دستگاه اولتراسونیک با تقویت‌کننده، سونوترود و راکتور التراسونیک
• دستگاه اندازه‌گیری قدرت برای اندازه‌گیری توان و انرژی
• مخزن پردازش 80 لیتری (پلاستیکی، مثلاً HDPE)
• المنت گرمایی (1 تا 2 کیلووات)
• تانک پیش‌میکس کاتالیزور 10 لیتری (پلاستیکی، مثلاً HDPE)
• میکسر پیش‌میکس کاتالیزور (همزن)
• پمپ (سانتریفیوژ، مونو یا گیربکس) برای تقریباً 10 تا 20 لیتر در دقیقه با فشار برگشتی 1 تا 3 بار
• شیر تنظیم فشار برای تنظیم فشار در راکتور
• گیج فشار برای اندازه‌گیری فشار ورودی

آواپرداز التراسونیک دستگاه‌ها و راکتورهای اولتراسونیک با عملکرد بالا را ارائه می‌دهد که تولید بیودیزل شما را با افزایش بازده بیودیزل، بهبود کیفیت بیودیزل، کاهش زمان پردازش و کاهش هزینه‌های تولید بهبود می‌بخشد.

ترانس‌استریفیکاسیون – تبدیل شیمیایی تولید بیودیزل

تولید بیودیزل از روغن‌های گیاهی (مانند سویا، کانولا، جاتروفا، دانه آفتابگردان)، جلبک‌ها، چربی‌های حیوانی و روغن‌های آشپزی استفاده‌شده، شامل ترانس‌استریفیکاسیون اسیدهای چرب با متانول یا اتانول به‌وسیله کاتالیزور پایه است تا استرهای متیل یا استرهای اتیل مربوطه تولید شود. گلیسرین یک محصول جانبی اجتناب‌ناپذیر از این واکنش است. روغن‌های گیاهی و چربی‌های حیوانی تری‌گلیسرید هستند که از سه زنجیره اسید چرب تشکیل شده‌اند که با یک مولکول گلیسرین متصل شده‌اند. تری‌گلیسریدها استر هستند. استرها اسیدهایی مانند اسیدهای چرب هستند که با یک الکل ترکیب می‌شوند. گلیسرین (= گلیسرول) یک الکل سنگین است. در فرآیند تبدیل، استرهای تری‌گلیسرید به استرهای آلکیل (= بیودیزل) تبدیل می‌شوند که با استفاده از کاتالیزور (lye) و یک ماده واکنشی الکلی مانند متانول، که استرهای متیل بیودیزل را تولید می‌کند، انجام می‌شود. متانول گلیسرین را جایگزین می‌کند. این فرآیند تبدیل شیمیایی ترانس‌استریفیکاسیون نامیده می‌شود. پس از ترانس‌استریفیکاسیون، گلیسرین که فاز سنگین‌تر است به پایین می‌رود. بیودیزل که فاز سبک‌تر است روی سطح شناور می‌شود و می‌توان آن را جدا کرد، مثلا با استفاده از دستگاه‌های دکانتر یا سانتریفیوژ.

آماده‌سازی بیودیزل

هیدروکسید پتاسیم (0.2 تا 0.4 کیلوگرم، کاتالیزور) در حدود 8.5 لیتر متانول در مخزن پیش‌میکس کاتالیزور حل می‌شود. این مرحله نیاز به هم زدن مخلوط کاتالیزور دارد. سپس تانک پردازش با 66 لیتر روغن گیاهی پر می‌شود. روغن توسط المنت گرمایی به دمای 45 تا 65 درجه سانتی‌گراد گرم می‌شود.

تبدیل بیودیزل

زمانی که کاتالیزور به طور کامل در متانول حل شد، مخلوط کاتالیزور با روغن گرم شده ترکیب می‌شود. پمپ مخلوط را به راکتور التراسونیک تغذیه می‌کند. با استفاده از شیر فشار برگشتی، فشار تنظیم می‌شود به 1 تا 3 بار (15 تا 45 پی‌اس‌آی‌جی). بازچرخش از طریق راکتور اولتراسونیک بیودیزل باید به مدت تقریباً 20 دقیقه انجام شود. در این زمان، روغن به بیودیزل تبدیل می‌شود. پس از آن، پمپ و اولتراسوند خاموش می‌شوند. گلیسرین (فاز سنگین‌تر) از بیودیزل (فاز سبک‌تر) جدا می‌شود. این جداسازی تقریباً 30 تا 60 دقیقه طول می‌کشد. هنگامی که جداسازی تمام شد، گلیسرین می‌تواند تخلیه شود.

شستشوی بیودیزل

از آنجا که بیودیزل تبدیل‌شده حاوی ناخالصی‌هایی است، شستشو ضروری است. برای شستشو، آب به بیودیزل اضافه می‌شود. اولتراسوند می‌تواند در اختلاط بیودیزل با آب مفید باشد. این امر با کاهش اندازه قطرات، سطح فعال را افزایش می‌دهد. توجه داشته باشید که سونیکاسیون بسیار شدید ممکن است قطرات آب را به اندازه‌ای کاهش دهد که یک امولسیون تقریباً پایدار تشکیل شود که برای جداسازی آن به روش‌های خاصی (مانند سانتریفیوژ) نیاز خواهد بود.

کارخانه تولید بیودیزل

چارت جریان زیر یک تنظیم معمولی برای سونیکاسیون درون‌خطی روغن، متانول و کاتالیزور برای تبدیل به بیودیزل را نشان می‌دهد.

پردازش و جداسازی بیودیزل به صورت پیوسته

در یک سامانه برای پردازش و جداسازی بیودیزل به صورت پیوسته، روغن گرم‌شده و مخلوط پیش‌میکس کاتالیزور به طور مداوم با استفاده از پمپ‌های قابل تنظیم با هم مخلوط می‌شوند. یک میکسر استاتیک درون‌خطی یکنواختی ورودی به راکتور اولتراسونیک را بهبود می‌بخشد. مخلوط روغن/کاتالیزور از راکتور عبور می‌کند، جایی که به مدت تقریبی 5 تا 30 ثانیه تحت تأثیر کاویتاسیون اولتراسونیک قرار می‌گیرد. یک شیر فشار برگشتی برای کنترل فشار در سلول جریان استفاده می‌شود. مخلوط سونیک شده وارد ستون راکتور از بالای آن می‌شود. حجم ستون راکتور طوری طراحی شده است که زمان ماند تقریبی 1 ساعت را در ستون فراهم کند. در طول این زمان، واکنش ترانس‌استریفیکاسیون تکمیل می‌شود. مخلوط گلیسرین/بیودیزل واکنش داده به سانتریفیوژ پمپ می‌شود که در آن به دو فاز بیودیزل و گلیسرین جدا می‌شود. پس‌پردازش شامل بازیابی متانول، شستشو و خشک‌کردن است و می‌تواند به صورت پیوسته انجام شود. این تنظیم به طور کامل فرآیندهای دسته‌ای راکتور بیودیزل، اختلاط‌کننده‌های سنتی و تانک‌های جداسازی بزرگ را حذف می‌کند.

سرعت واکنش ترانس‌استریفیکاسیون بیودیزل

نمودارهای زیر نتایج معمولی واکنش ترانس‌استریفیکاسیون روغن دانه کلم (درجه صنعتی) با متوکسی سدیم (سمت چپ) و هیدروکسید پتاسیم (سمت راست) را نشان می‌دهند. برای هر دو آزمایش، یک نمونه کنترل (خط آبی) تحت اختلاط مکانیکی شدید قرار گرفت. خط قرمز نمایانگر نمونه سونیک شده با فرمولاسیون یکسان از نظر نسبت حجم، غلظت کاتالیزور و دما است. محور افقی زمان بعد از اختلاط یا سونیکاسیون را نشان می‌دهد. محور عمودی حجم گلیسرینی را نشان می‌دهد که در پایین ته‌نشین شده است. این یک روش ساده برای اندازه‌گیری سرعت واکنش است. در هر دو نمودار، نمونه سونیک شده (قرمز) بسیار سریع‌تر از نمونه کنترل (آبی) واکنش نشان می‌دهد.

مواد شیمیایی بیودیزل

متانول سمی است و می‌تواند به دلیل استفاده طولانی‌مدت باعث تخریب اعصاب شود. همچنین می‌تواند توسط پوست جذب شود. اگر به چشم‌ها پاشیده شود، ممکن است باعث کوری شود و مصرف آن از راه خوراکی می‌تواند کشنده باشد. به همین دلیل، هنگام کار با متانول باید احتیاط‌های لازم را انجام دهید. توصیه می‌شود از یک دستگاه تنفسی مناسب، پیش‌بند و دستکش‌های لاستیکی استفاده کنید. هیدروکسید پتاسیم (KOH) سمی است و در صورت تماس با پوست باعث سوختگی می‌شود. تهویه مناسب ضروری است. اطمینان حاصل کنید که محل کار به طور گسترده و کامل تهویه شود تا بخارها خارج شوند. ماسک‌های تنفسی با کارتریج بخار در برابر بخار متانول مؤثر نیستند. سیستم تأمین هوای فشرده (SCBA — دستگاه تنفس مستقل) محافظت بهتری در برابر بخارهای متانول ارائه می‌دهد.

بیودیزل و قطعات لاستیکی

رانندگی با 100% بیودیزل برای مدت زمان طولانی ممکن است باعث مشکلاتی برای قطعات لاستیکی در معرض تماس (پمپ، شلنگ‌ها، O-ring‌ها) در موتور شود. جایگزینی با قطعات فولادی یا لاستیک‌های سنگین می‌تواند این مشکل را برطرف کند. به طور جایگزین، می‌توانید حدود 25% دیزل معمولی (فسیلی) را به بیودیزل خود اضافه کنید تا از بروز مشکلات جلوگیری کنید.