BG112940A - Непрекъснат метод за получаване на метилови естери на мастни киселини като биодизел в условията на управляема кавитация - Google Patents

Abstract

Изобретението се отнася за непрекъснат метод за получаване на метилови естери на мастни киселини като биодизел, в условията на управляема кавитация. По предлагания от мен метод, трансестерификацията е осъществена в непрекъснат двустадиен процес, при излишък на метилов алкохол от 12 до 20%, в присъствието на алкален катализатор: натриев метоксид, натриев или калиев хидроксид, в количество от 0,4% до 1% спрямо общото количество. Предлаганата от мен реакционна схема намалява времето за деструкция на молекулата на триглицерида от 30 до 60 s за сметка на високото налягане (от 200 до 400 МPa) и температура (от 4000 градуса С до 10000 градуса С), възникващи в резултат на микровзривовете на кавитационните каверни. Образуваните радикали на мастните киселини и на метиловия алкохол постъпват в проточен тръбен реактор, за време от 15 до 20 min, където в турболентен поток протича тяхната рекомбинация, в резултат на което се осъществява реакцията на трансестерификация. Вторият етап по своята същност е аналогичен на първия, като кавитационният смесител, работи при много по-меки условия (обороти на двигателя и налягане). След дестилация биодизелът се отвежда към химически филтър за очистка. По предложения метод на производство, получаваният биодизел е с чистота 99-100% и добив 97-99% от теоретичния.

Description

НЕПРЕКЪСНАТ МЕТОД ЗА ПОЛУЧАВАНЕ НА МЕТИЛОВИ ЕСТЕРИ НА МАСТНИ КИСЕЛИНИ КАТО БИОДИЗЕЛ В УСЛОВИЯТА НА УПРАВЛЯЕМА КАВИТАЦИЯ

Забележка; Методът е идентичен е получилия закрила такъв съгласно Патент за изобретение №66514 от 07.01.2016 г., който е прекратен поради неплащане на годишни такси, поради изгубен интерес от страна на две от физическите лица. Фактическият изобретател търси правна закрила на изобретението, за чието ползване има капацитет да прилага.

Област на техниката — химическа промишленост

Изобретението се отнася за метод за получаване и непрекъснат процес на производство на метилови естери на мастни киселини известни като биодизел, при използване процес на управляема кавитация с последващо сепариране, вакуумно пречистване и полиране в система от йонно-обменни смоли.

Предшестващо състояние на техниката

Увеличеното потребление на нефт в световен мащаб и намаляването на запасите му на нашата планета, а също така екологичните проблеми, свързани с емисиите на въглеводороди, въглероден диоксид и азотни оксиди определиха интереса на

1/12 бизнеса към разрешаване на проблема чрез използване на природни продукти от растителен произход.

След присъединяването на България към ЕС е приет Законът за възобновяемите и алтернативните енергийни източници и био горивата, с което бе постигната пълна хармонизация на Директива 2003/30/ЕС за насърчаване използването на био горивата в транспорта.

Най-широко приложение в ЕС имат рапичното, соевото и слънчогледовите масла. Особен интерес представляват и маслата със значително по-ниска себестойност на производство, отглеждани на съществуващи необработваеми площи, непригодни за културно земеделие. Допълнителен източник на суровини за производство на биодизел са отпадните мазнини от хранителновкусовата промишленост и сектора на общественото хранене, които към момента се изхвърлят не регламинтирано и представляват сериозен замърсител на отпадните води.

Производството се осъществява в условията на управляема кавитация (US patent 200904318 и US patent 2009188157) и посредством прекъсната или непрекъсната схеми, като от своя страна те се подразделят на едно-, дву- и тристадийни процеси. Химичната реакция е каталитична и се използват алкален или киселинен катализатори в зависимост от изходната суровина. Типът на реакцията налага използването на определен излишък от метиловия алкохол в сравнение със стехиометричното съотношение в зависимост от избраната технологична схема. Съществено влияние на процеса оказва температурният режим,

2/12 като изменението на температурата на реакцията с 10°С съкращава времето за нейното протичане два пъти.

Основният метод за производство на биодизел е на база рафинирани и нерафинирани растителни масла, метилов алкохол и алкален катализатор (калиев или натриев хидроксиди) по дву- или тристадийна схема. Апаратурното оформление на методите включва система от отворени реактори с бъркалки, което предполага време за реакция от 40 до 90 минути за всеки стадий и излишък на метилов алкохол спрямо стехиометричното от 70 до 200%. Това води до завишени разходи на топло- и електроенергия, свързани от една страна с продължителния период на смесване и поддържане на съответния температурен режим.

Съществуват различни схеми на реализация на технологичния процес съответно в зависимост от решението на реакционния модул. Използват се различни способи за увеличаване на контактната повърхност, като например статични реактори с пълнеж или миксиращи помпи, но ефекта е минимален тъй като не се предлага принципно ново решение на съществуващите методи.

По-съвременно технологично решение на процеса е предложен от водеща в бранша фирма, включващо тристадийна непрекъсната технологична схема. Процесът на трансестерификация се осъществява с катализатор натриев метоксид в реактори, при които бъркалката е заменена с външни циркулационни помпи, осигуряващи по-висока динамика на смесване. За пълното протичане на реакцията е необходим трети стадий, който протича при повишено налягане и температура до 140°С. Готовият продукт

3/12 се промива с киселина за неутрализация, центрофугира се и се суши във вакуум-дестилационна установка, а промивните води отиват на ректификация за отделяне на метиловия алкохол.

Всичко това наложи разработката на непрекъснат метод за производство на биодизел по пътя на интензификация на химичната реакция чрез процес на управляема кавитация, с минимален излишък на метилов алкохол при използването на оптимално количество на електро- и топло-енергия.

Техническа същност на изобретението.

Предмет на настоящото изобретение е непрекъснат метод за получаване на метилови естери на мастни киселини като биодизел в условията на управляема кавитация, чрез двустадиен процес на трансестерификация на растителни и животински масла с метилов алкохол в присъствието на алкален катализатор. Алкалният катализатор е в количество от 0,4% до 1%, спрямо общото реакционно количество. Съотношението на растителните и животински масла метилов алкохол е 1:0,15-0,20 при реакционна температура от 35° до 65°С.

Използваните в метода, съгласно изобретението рафинирани или нерафинирани растителни масла, са избрани от групата на слънчогледово, рапично, соево масло и камелина, а алкалният катализатор е избран от групата на натриев или калиев хидроксид и натриев метоксид.

4/12

Животинското масло в метода, съгласно изобретението, е рибено масло, а алкалният катализатор е избран от групата на натриев или калиев хидроксид и натриев метоксид.

Полученият биодизел, съгласно изобретението, е с чистота 99-100% и добив 97% - 99% от теоретичния добив.

Процесът на трансестерификация, съгласно изобретението, протича за 15-20 мин.

Методът, съгласно изобретението, протича в отсъствие на допълнителна обработка като промиване с вода и последващо сушене под вакуум.

Същността на процеса се описва със следната реакция:

Растително олио	Метилов алкохол	Биодизел	Глицерол
CH2-OCOR1		R1COOCH3	сн2- он
	Кт		|
CH - OCOR- + I	ЗСНзиН. ___*	R2COOCH3 +	। сн - он
1 CH-OCOR;		R3COOCH3	сн2- он

смес от естери на мастни киселини

Методът предлага принципно нов и различен от досегашния каталитично - химически метод на деструкция на триглециридите способ за радикализиране на мастните киселини в резултат на физико-механично въздействие осъществено на база процесите в кавитационните каверни. По предлагания от мен метод трансестерификацията е осъществена в непрекъснат двустадиен процес при излишък на метилов алкохол от 12 до 20%, в присъствието на алкален катализатор: натриев метоксид, натриев или калиев хидроксиди, в количество от 0,4% до 1% сумарно за двете фази на процеса спрямо общото количество.

5/12

Първа фаза:

Маслата, загряти до температура от 35°С до 45°С, се подават едновременно с необходимото количество метилов алкохол и катализатор, което е 75% от необходимото за цялостната реакция, в реактор-смесител, работещ на принципа на управляемата кавитация (наричан за по-кратко реактор). Дебитът се определя в зависимост от производителността на реактора. Инициирането на процеса на трансестерификация протича с ниска скорост, което е една от основните причини за продължителното време на реакция в известните досега технологии. Предлаганата от мен реакционна схема намалява времето за деструкция на молекулата на триглицерида от 30 до 60 секунди за сметка на високото налягане (от 200 до 400 МРа) и температура (от 4000°С до 10000°С), възникващи в резултат на микровзривовете на кавитационните каверни. Образуваните радикали на мастните киселини и на метиловия алкохол, постъпват в проточен тръбен реактор, за време от 15 до 20 минути, където в турболентен поток протича тяхната рекомбинация, в резултат на което се осъществява реакцията на трансестерификация. Температурата в тръбният реактор се повишава до 64°С, в резултат на контролираната кавитация.

Получената смес от моно-естери на мастни киселини (биодизел) и глицерол постъпва в сепаратор за разделяне на две фази: горен слой - биодизел и долен слой -глицерол.

Втора фаза:

След сепарирането на реакционната смес на суров биодизел и глицерола полученият продукт е със степен на превръщане 84

6/12

90%, което налага втори етап за достигане дълбочина на реакцията минимум 98-99%. Вторият етап по своята същност е аналогичен на първия, като включва кавитационен смесител, работещ при много по-меки условия (обороти на двигателя и налягане). Количеството метилов алкохол и катализатор, необходимо за завършване на реакцията е 25% от необходимото за цялостната реакция. Завършването на реакцията протича в проточен тръбен реактор идентичен на този от първият етап при аналогични условия. Продуктът от реакцията отново се сепарира за окончателното разделяне, след което отделеният биодизел се подлага на вакуумдестилация, за отделяне на остатъчния метилов алкохол. Условията във вакуум-дестилационната установка се определят от мастно-киселинния състав на изходната суровина и варират за абсолютно налягане от 18 КРа до 30 КРа при температури от 65°С до 85°С. Отдестилираният метилов алкохол се връща отново в технологичния процес.

След дестилацията, биодизелът се отвежда към химически филтър за очистка.

Примери за изпълнение на изобретението:

1. Производство на биодизел от рафинирано слънчогледово олио:

Рафинираното слънчогледово олио, загрято при температура 35°- 40°С се смесва с 12% метилов алкохол, активиран с 0,3% натриев метоксид се подава в реактор-смесител с време на въздействие 15-20 сек. Температурата на процеса нараства на 64°С в резултат на кавитационното въздействие. След инициирането на процеса реакционната смес постъпва в тръбен проточен реактор, където протича рекомбинацията на радикалите и се осъществява трансестерификацията в турбулентен режим на смесване. В последващата сепарация се отделя глицеролът, което измества равновесието на реакцията в полза на крайния продукт, а органичния слой - биодизел се подава за втория стадий на процеса. Полученият продукт е със степен на превръщане 84-88%.

Отделеният органичен слой количествено се смесва с 4% метилов алкохол, който е активиран с 0,14% натриев метоксид и се подава в реактор-смесител. Поддържа се същата температура както в първи стадий. Технологичният цикъл във втория етап е идентичен с първия. Реакционният продукт се подлага на повторна сеперация, от където след отделяне на долния глицеролов слой, суровият биодизел се подава във вакуумизпарителна система, за отделяне на излишъка от метилов алкохол, който се връща в производството. След отдестилирането на метиловия алкохол продуктът преминава през химически филтър. Добивът на продукта е 95-98%.

Получава смес от метилови естери на мастни киселини, характерни за слънчогледовото олио със следните показатели:

• Съдържание на метилови естери Cu - С24, - 99,3% w/w • Съдържание на моноглицериди - 0,30% w/w • Съдържание на диглицериди -0,12% w/w • Съдържание на триглицериди - 0,12% w/w

8/12

2. Получаване на биодизел от нерафинирано олио от камелина:

Нерафинираното олио от камелина, при температура 25°С се смесва с 12 % метилов алкохол, активиран с 0,3% натриев метоксид се подава в реактор-смесител с време на въздействие 1520 сек. Температурата на процеса нараства на 55°С в резултат на кавитационното въздействие. След инициирането на процеса реакционната смес постъпва в тръбен проточен реактор, където протича рекомбинацията на радикалите и се осъществява трансестерификацията в турбулентен режим на смесване. В последващата сепарация се отделя глицеролът, което измества равновесието на реакцията в полза на крайния продукт, а органичният слой - биодизел се подава за втория стадий на процеса. Полученият продукт е със степен на превръщане 87-90 %.

Отделеният органичен слой количествено се смесва с 4 % метилов алкохол, който е активиран с 0,1 % натриев метоксид и се подава в реактор-смесител. Поддържа се същата температура както в първи стадий. Технологичният цикъл във втория етап е идентичен с първия. Реакционният продукт се подлага на повторна сеперация, от където след отделяне на долния глицеролов слой, суровия биодизел се подава във вакуумизпарителна система, за отделяне на излишъка от метилов алкохол, който се връща в производството. След отдестилирането на метиловия алкохол, продуктът преминава през химически филтър. Добивът на продукта е 97-99%.

9/12

Получава смес от метилови естери на мастни киселини, характерни за олио от камелина със следните показатели:

• Съдържание на метилови естери С_и - С₂₄, - 99,9% w/w • Съдържание на моноглицериди - 0,12% • Съдържание на диглицериди - 0,05% • Съдържание на триглицериди - 0,00%

3. Получаване на биодизел от нерафинирано рапично олио в присъствие на натриев хидроксид.

Нерафинираното рапично олио, подгрято до температура 35°С се смес-ва с 13% метилов алкохол, активиран с 0,4% натриев хидроксид се подава в реактор-смесител с време на въздействие 15-20 сек. Температурата на процеса нараства на 58°С в резултат на кавитационното въздействие. След инициирането на процеса реакционната смес постъпва в тръбен проточен реактор, където протича рекомбинацията на радикалите и се осъществява трансестерификацията в турбулентен режим на смесване. В последващата сепарация се отделя глицеролът, което измества равновесието на реакцията в полза на крайния продукт,а органичният слой - биодизел се подава за втория стадий на процеса. Полученият продукт е със степен на превръщане 86-88%.

Отделеният органичен слой количествено се смесва с 4% метилов алкохол, който е активиран с 0,1% натриев хидроксид и се подава в реактор-смесител. Поддържа се същата температура както в първи стадий. Технологичният цикъл във втория етап е идентичен с първия. Реакционният продукт се подлага на повторна

10/12 сеперация, от където след отделяне на долния глицеролов слой, суровият биодизел се подава във вакуумизпарителна система, за отделяне на излишъка от метилов алкохол, който се връща в производството. След отдестилирането на метиловия алкохол продуктът преминава през химически филтър. Добивът на продукта е 95-98%.

Получава смес от метилови естери на мастни киселини, характерни за рапичното олио със следните показатели:

• Съдържание на метилови естери Си - С₂4, - 99,1% w/w • Съдържание на моноглицериди - 0,45% • Съдържание на диглицериди -0,19% • Съдържание на триглицериди - 0,18%

4. Получаване на биодизел от рибено масло в присъствие на натриев метоксид:

Рибеното масло, подгрято до температура 45°С, се смесва с 13,5% метилов алкохол, активиран с 0,38% натриев метоксид, се подава в реактор-смесител с време на въздействие 15-20 сек. Температурата на процеса нараства на 62°С-64°С в резултат на кавитационното въздействие. След инициирането на процеса реакционната смес постъпва в тръбен проточен реактор, където протича рекомбинацията на радикалите и се осъществява трансестерификацията в турбулентен режим на смесване. В последващата сепарация се отделя глицеролът, което измества равновесието на реакцията в полза на крайния продукт,а

11/12 органичният слой - биодизел се подава за втория стадий на процеса. Полученият продукт е със степен на превръщане 86-87%.

Отделеният органичен слой количествено се смесва с 4,5% метилов алкохол, който е активиран с 0,1% натриев метоксид и се подава в реактор-смесител. Поддържа се същата температура както в първи стадий. Технологичният цикъл във втория етап е идентичен с първия. Реакционният продукт се подлага на повторна сепарация, от където след отделяне на долния глицеролов слой, суровият биодизел се подава във вакуумизпарителна система, за отделяне на излишъка от метилов алкохол, който се връща в производството. След отдестилирането на метиловия алкохол продуктът преминава през химически филтър. Добивът на продукта е 97%.

Получава смес от метилови естери на мастни киселини, характерни за рибеното масло със следните показатели:

• Съдържание на метилови естери Си - С₂4, - 99,3% w/w • Съдържание на моноглицериди - 0,64% • Съдържание на диглицериди - 0,17% • Съдържание на триглицериди - 0,14%

Приложение на изобретението:

Предложеният метод и реализараното на негова база машинно-апаратурно оформление позволяват организирането на реално производство на метилови естери на мастни киселини, използвани като екологично чиста, енерговъзобновяема добавка към конвенционалните минерални горива.

Claims (5)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

   1. Непрекъснат метод за получаване на метилови естери на мастни киселини като биодизел в условията на управляема кавитация чрез двустадийна трансестерификация на растителни и животински масла с метилов алкохол, в присъствие на алкален катализатор, характеризиращ се е това, че алкалният катализатор се използва в количество от 0,4% до 1% спрямо общото реакционно количество при съотношение на растителни масла метилов алкохол 1:0,15-0,20 при реакционна температура от 35° до

   65°С.
2. 2. Метод съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че растителните масла са рафинирани или нерафинирани и са избрани от групата на слънчогледово, рапично, соево масло или камелина, а алкалният катализатор е избран от групата на натриев или калиев хидроксид и натриев метоксид.
3. 3. Метод съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че животинското масло е избрано от групата на рибените масла, а алкалният катализатор е избран от групата на натриев или калиев хидроксид и натриев метоксид.
4. 4. Метод съгласно претенции 1 и 2, характеризиращ се с това, че полученият биодизел е с чистота 99-100% и добив 97-99% от теоретичния добив.
5. 5. Метод съгласно претенции от 1 до 4, характеризиращ се с това, че времето за завършване на процеса на трансестерификация е 15-20 мин при отсъствие на допълнителна обработка като промиване с вода и последващо сушене под вакуум.