Способ получения биодизеля этерификацией метанола с использованием ультразвука

Настоящее изобретение относится к способу получения биодизеля путем этерификации метанола с использованием ультразвука. Используя в качестве сырья различные жиры животных отходов, отходы кулинарного масла ресторанной индустрии и отработанное кулинарное масло, метод ускоряет этерификацию метанола за счет кавитации, нагревания и высокочастотных колебательных эффектов ультразвука для производства биодизельного топлива. К преимуществам метода можно отнести повышение активности реагентов за счет регулирования интенсивности ультразвука, что позволяет повысить скорость конверсии метанола; использование различных отходов животного и растительного жира, отходов кулинарного масла ресторанной промышленности и отходов кулинарного масла в качестве сырья, что приводит к низкой себестоимости; и исключение использования любого катализатора, что позволяет избежать загрязнения окружающей среды, вызванного обращением с катализатором. Никакой модификации или настройки существующего оборудования для производства биодизеля не требуется, а в процессе реакции не требуется оборудование для высоких температур и высокого давления, что упрощает производственный процесс и снижает производственные затраты.

Биодизель – новый вид топлива, получаемый из животных и растительных жиров. По данным химического анализа, биодизельное топливо представляет собой метан с высоким содержанием жиров, полученный путем разложения глицеридов с ненасыщенной олеиновой кислотой С18 в качестве основного компонента. По сравнению с обычным дизельным топливом биодизель превосходит обычное дизельное топливо по температуре засорения холодного фильтра, температуре вспышки, эффективности сгорания, содержанию серы, содержанию кислорода, потреблению кислорода при горении и загрязнению воды, при этом другие показатели сопоставимы. Благодаря своим непревзойденным экологическим характеристикам, отличным характеристикам запуска двигателя при низких температурах, превосходной смазывающей способности, безопасности, топливной эффективности и возобновляемому характеру двигатели, работающие на биодизеле, соответствуют не только действующему стандарту выбросов Евро II, но и более строгим стандартам Евро III, которые вскоре будут внедрены в Европе. Более того, поскольку биодизель выделяет гораздо меньше углекислого газа, чем поглощают растения и животные во время своего роста, он способствует глобальному потеплению, серьезной экологической проблеме, вредной для человечества. Таким образом, биодизель является по-настоящему экологически чистым дизельным топливом. Коммерческие базы по производству биодизеля созданы в ряде стран и регионов США, Европы и Азии, и биодизель широко используется в качестве альтернативного топлива.

Общие методы производства биодизеля включают следующее:

1. Пиролиз. В этом методе используются высокие температуры для расщепления длинноцепочечных молекул животных и растительных масел на более короткие молекулы, превращая высокомолекулярные органические вещества в относительно простые углеводороды. Продукты крекинга аналогичны обычному дизельному топливу. Однако процесс пиролиза сложен и требует громоздкого оборудования, что приводит к высоким производственным затратам и ограниченной коммерциализации.

2. Переэтерификация: в настоящее время это наиболее часто используемый метод. Под действием кислотных (или щелочных) катализаторов и высоких температур (230-250°С) спирты, такие как метанол или этанол, вступают в реакцию переэтерификации с триглицеридами - основными компонентами натуральных растительных масел или животных жиров. Метоксигруппы заменяют глицериновые группы в длинноцепочечных жирных кислотах, снижая вязкость масла и улучшая его текучесть и испаряемость, отвечая требованиям использования топлива. Однако существуют следующие недостатки:

① Кислотный (или основной) катализатор трудно восстановить;

② Содержание свободных жирных кислот и воды существенно влияет на кислотную (или основную) каталитическую реакцию;

③ Процесс сложен, требует избытка спирта, требует использования оборудования для восстановления спирта в последующих процессах и приводит к высокому потреблению энергии;

④ Цвет темный, поскольку ненасыщенные жирные кислоты в жирах подвержены разрушению при высоких температурах;

⑤ Продукт этерификации трудно восстановить, что приводит к высоким затратам; и ⑥ Производственный процесс включает сброс отработанной щелочной жидкости.

3. Сверхкритическая некаталитическая этерификация метанола. Этот метод позволяет получить биодизельное топливо посредством процесса этерификации метанола без катализатора при сверхкритической температуре 350-400°C и давлении 45-65 МПа. Хотя этот метод упрощает разделение продуктов традиционной реакции переэтерификации и решает проблему длительного времени реакции, связанного с обычной этерификацией метанола без катализатора, он сложен, требует громоздкого оборудования и приводит к высоким производственным затратам.

Настоящее изобретение направлено на преодоление недостатков вышеупомянутых способов производства биодизеля предшествующего уровня техники, тем самым обеспечивая простой и недорогой способ производства биодизельного топлива путем этерификации метанола с использованием ультразвука, который исключает использование катализаторов и органических растворителей и обеспечивает высокую степень конверсии метанола.

Настоящее изобретение предлагает способ получения биодизельного топлива путем этерификации метанола с использованием ультразвука. В этом способе в качестве сырья используются различные жиры животного происхождения, отходы кулинарного масла ресторанной промышленности и отходы кулинарного масла. Ультразвуковая кавитация, нагрев и высокочастотные колебания ускоряют этерификацию метанола для производства биодизельного топлива. Способ включает следующие этапы:

1) Метанол и сырое масло смешивают в мольном соотношении 20:50:1 и проводят реакцию переэтерификации при температуре от 40°С до 64°С, скорости перемешивания от 1500 до 2000 об/мин, мощности ультразвука от 2 кВт до 10 кВт и частоте ультразвука от 20 до 60 кГц в течение не более 2 часов.

Сырые масла включают различные жиры-отходы животного происхождения, отходы кулинарного масла ресторанной промышленности и отходы кулинарного масла.

2) Смешанному раствору после реакции дают постоять не менее 8 часов, позволяя смешанному раствору разделиться на слои и отделив глицерин в нижнем слое.

3) Верхний слой смешанного раствора перегоняют при температуре от 70 до 100°С до извлечения всего метанола. Оставшийся дистиллят – это биодизель. Способ производства биодизельного топлива путем этерификации метанола с использованием ультразвука, представленный в настоящем документе, использует кавитационные, нагревательные и высокочастотные колебательные эффекты ультразвука в процессе производства биодизельного топлива. Микроскопические газовые ядра (ядра кавитации), присутствующие в смеси метанола и нефтяного сырья, подвергаются динамическому процессу высокочастотной вибрации, роста, коллапса и закрытия под воздействием ультразвукового звукового поля. Когда кавитационные пузырьки схлопываются, они за очень короткий период времени создают локализованную высокую температуру и высокое давление в чрезвычайно маленьком пространстве, окружающем их. Высокая температура повышает активность реагентов, способствуя образованию свободных радикалов и возникновению реакций крекинга; высокое давление генерирует ударные волны и микроструи, что приводит к интенсивным столкновениям между молекулами, тем самым ускоряя полную химическую реакцию этерификации метанола с образованием биодизельного топлива.

По сравнению с существующими технологиями преимуществами способа, предлагаемого настоящим изобретением, являются:

1) Регулируя интенсивность ультразвука, генерируемого ультразвуковым генератором, активность реагентов увеличивается, способствуя образованию свободных радикалов и возникновению реакций крекинга в реагентах. Это также создает сильные столкновения между молекулами реагентов, ускоряя этерификацию метанола и улучшая скорость конверсии метанола.

2) В настоящем изобретении в качестве сырья можно использовать различные отходы животного и растительного масла, отработанное кулинарное масло из индустрии общественного питания и отработанное масло, такое как сточное масло, что приводит к низкой себестоимости.

3) В настоящем изобретении не используются никакие катализаторы, что позволяет избежать загрязнения окружающей среды, вызванного обращением с катализатором.

4) Этот метод не требует модификации или настройки существующего оборудования для производства биодизеля, а также не требует оборудования с высокой температурой и высоким давлением во время процесса реакции, что упрощает процесс производства и снижает производственные затраты.