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超声波声化学—辅助生产生物柴油

超声波声化学设备

石油柴油目前是运输和物流业的主要燃料形式,尽管其使用会消耗有限的原油资源,并损害人类健康和环境。

生物柴油作为一种可再生的、可生物降解的、无毒的生物燃料,是一种很有吸引力的替代燃料,环保燃料,可用于现有的柴油发动机,提供与石油柴油相同的动力和扭矩,同时具有优越的润滑性。

不幸的是,由于其制造过程的低效率,生物柴油的成本仍然很高,阻碍了其广泛实施。

生物柴油的生产是通过一个相对缓慢和耗能的化学过程,即甘油三酸酯交换-植物油或动物脂肪。

这个过程通常在间歇反应器中进行,在催化剂(碱、酸或酶)的存在下,将原料甘油三酯与酒精(甲醇或乙醇)混合,加热到约65℃,机械搅拌1 – 4小时。然后,这些产品被允许相分离5 – 10小时(含有过量酒精和催化剂的甘油形成底层,生物柴油形成顶层),之后,它们被单独收集并进行后处理,通常会产生大约85 – 87%的生物柴油。

这个过程的几个方面有很大的改进空间:

1. 低反应速率。

酯交换反应是一种限制传质的反应-它发生在原料油和醇的界面上,它们只是部分混相。机械搅拌在一定程度上有助于改善试剂之间的接触,但反应仍然非常缓慢,因为搅拌不能充分乳化两种液体(使其形成稳定的胶体混合物),以增加它们之间的界面表面积。

2. 长时间的分离。

通常使用过量的酒精和催化剂来驱动平衡合成生物柴油的酯交换反应。然而,在接下来的步骤中,过量的酒精倾向于溶解生物柴油中的甘油,这减慢了它们的分离。

3.后期处理并发症。

生物柴油必须用水清洗,以去除任何残留的催化剂和肥皂副产品。剩下的酒精需要净化和回收。因此,使用过量的酒精和催化剂会使后处理过程复杂化。

超声波辅助生产生物柴油

超声波辅助的酯交换反应对每个过程步骤都非常有利:

1. 高反应速率。

高强度超声产生声空化,产生强烈的和不对称内爆的真空气泡,引起激波、微射流、强剪切力以及极端的局部温度和压力。这导致非常有效的混合,导致超细,动力学稳定的乳状液(纳米乳状液)的不混溶或部分混溶液体。因此,液体之间的界面面积增加了数量级,这大大促进了限制传质的反应,如酯交换。

研究表明,反应时间可以从数小时减少到数分钟,碱催化大豆油快速酯交换利用超声波,能源与燃料。

2. 分离时间短。

由于超声波暴露使原料油和酒精之间有更好的接触,因此需要的酒精过量量要低得多。这就减少了反应后剩余的酒精量。乙醇介导的甘油在生物柴油中的溶解度降低,分离时间从5 ~ 10h降低到30min左右。

  • 简化了后处理。

使用较低的过量酒精可以减少后续回收所需要的努力。此外,由于混合效率更高,催化剂的用量也可以显著减少(50 – 60%),简化了生物柴油的洗涤步骤。

4. 额外的好处。

a)暴露在高强度超声波下可提供反应所需的活化能。因此,加热反应混合物变得不那么重要,这样可以节省能源和精力。

b)工艺由批量转为连续,大大提高了生产规模。

c)生物柴油产量可提高到95 – 99%左右。

高超声振幅的重要性

商业规模的生物柴油生产的超声强化需要使用工业规模的流动超声处理器,能够保持高的振动振幅。振幅与超声空化产生的剪切力的强度直接相关,必须保持在足够高的水平,以使混合有效。

类似的振幅值被发现是需要生产高质量的纳米乳剂-这一过程是有限传质酯交换反应的先决条件。

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杭州泛索能超声

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