PL226264B1 - Sposób otrzymywania paliwa bioodnawialnego z użyciem mikrofal - Google Patents
Sposób otrzymywania paliwa bioodnawialnego z użyciem mikrofalInfo
- Publication number
- PL226264B1 PL226264B1 PL391705A PL39170510A PL226264B1 PL 226264 B1 PL226264 B1 PL 226264B1 PL 391705 A PL391705 A PL 391705A PL 39170510 A PL39170510 A PL 39170510A PL 226264 B1 PL226264 B1 PL 226264B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- catalyst
- reaction
- microwaves
- temperature
- triglycerides
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 35
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims description 8
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 55
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 34
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical group [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 33
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 23
- 150000003626 triacylglycerols Chemical class 0.000 claims description 22
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical group [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 18
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 15
- 238000005809 transesterification reaction Methods 0.000 claims description 12
- 235000015112 vegetable and seed oil Nutrition 0.000 claims description 10
- 239000008158 vegetable oil Substances 0.000 claims description 10
- 239000003921 oil Substances 0.000 claims description 8
- 235000019198 oils Nutrition 0.000 claims description 8
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 claims description 8
- DNIAPMSPPWPWGF-GSVOUGTGSA-N (R)-(-)-Propylene glycol Chemical compound C[C@@H](O)CO DNIAPMSPPWPWGF-GSVOUGTGSA-N 0.000 claims description 5
- WQDUMFSSJAZKTM-UHFFFAOYSA-N Sodium methoxide Chemical group [Na+].[O-]C WQDUMFSSJAZKTM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- BDAWXSQJJCIFIK-UHFFFAOYSA-N potassium methoxide Chemical group [K+].[O-]C BDAWXSQJJCIFIK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 41
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 34
- 238000006140 methanolysis reaction Methods 0.000 description 16
- 235000011187 glycerol Nutrition 0.000 description 15
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 12
- 150000004702 methyl esters Chemical class 0.000 description 10
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 9
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 9
- 238000007127 saponification reaction Methods 0.000 description 9
- 235000019484 Rapeseed oil Nutrition 0.000 description 7
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 150000002148 esters Chemical class 0.000 description 6
- 235000019387 fatty acid methyl ester Nutrition 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- 235000019482 Palm oil Nutrition 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 239000002540 palm oil Substances 0.000 description 5
- 239000000344 soap Substances 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000003225 biodiesel Substances 0.000 description 4
- 239000003925 fat Substances 0.000 description 4
- 235000019197 fats Nutrition 0.000 description 4
- 238000007086 side reaction Methods 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 208000016444 Benign adult familial myoclonic epilepsy Diseases 0.000 description 3
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 3
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 208000016427 familial adult myoclonic epilepsy Diseases 0.000 description 3
- ZGNITFSDLCMLGI-UHFFFAOYSA-N flubendiamide Chemical compound CC1=CC(C(F)(C(F)(F)F)C(F)(F)F)=CC=C1NC(=O)C1=CC=CC(I)=C1C(=O)NC(C)(C)CS(C)(=O)=O ZGNITFSDLCMLGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004817 gas chromatography Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 3
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 3
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 3
- 235000012424 soybean oil Nutrition 0.000 description 3
- 239000003549 soybean oil Substances 0.000 description 3
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OGBUMNBNEWYMNJ-UHFFFAOYSA-N batilol Chemical class CCCCCCCCCCCCCCCCCCOCC(O)CO OGBUMNBNEWYMNJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 2
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 2
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L potassium carbonate Chemical compound [K+].[K+].[O-]C([O-])=O BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 2
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- UFTFJSFQGQCHQW-UHFFFAOYSA-N triformin Chemical compound O=COCC(OC=O)COC=O UFTFJSFQGQCHQW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LDVVTQMJQSCDMK-UHFFFAOYSA-N 1,3-dihydroxypropan-2-yl formate Chemical compound OCC(CO)OC=O LDVVTQMJQSCDMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000019737 Animal fat Nutrition 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 239000003377 acid catalyst Substances 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 125000001931 aliphatic group Chemical group 0.000 description 1
- 150000001338 aliphatic hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 239000002551 biofuel Substances 0.000 description 1
- BRPQOXSCLDDYGP-UHFFFAOYSA-N calcium oxide Chemical compound [O-2].[Ca+2] BRPQOXSCLDDYGP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000292 calcium oxide Substances 0.000 description 1
- ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N calcium oxide Inorganic materials [Ca]=O ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004581 coalescence Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 235000012343 cottonseed oil Nutrition 0.000 description 1
- 239000002385 cottonseed oil Substances 0.000 description 1
- 230000009849 deactivation Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 235000014113 dietary fatty acids Nutrition 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 125000002587 enol group Chemical group 0.000 description 1
- 125000004185 ester group Chemical group 0.000 description 1
- 238000010932 ethanolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 239000000194 fatty acid Substances 0.000 description 1
- 229930195729 fatty acid Natural products 0.000 description 1
- 150000004665 fatty acids Chemical class 0.000 description 1
- 235000021588 free fatty acids Nutrition 0.000 description 1
- 239000002638 heterogeneous catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000002815 homogeneous catalyst Substances 0.000 description 1
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 150000004679 hydroxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 150000002632 lipids Chemical class 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 1
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003760 magnetic stirring Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000010907 mechanical stirring Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 125000002496 methyl group Chemical group [H]C([H])([H])* 0.000 description 1
- 235000014593 oils and fats Nutrition 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000005191 phase separation Methods 0.000 description 1
- 229910000027 potassium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 1
- 239000012429 reaction media Substances 0.000 description 1
- 235000003441 saturated fatty acids Nutrition 0.000 description 1
- 150000004671 saturated fatty acids Chemical class 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 239000011949 solid catalyst Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- 239000010457 zeolite Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
- Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel
Landscapes
- Fats And Perfumes (AREA)
Description
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania paliwa odnawialnego z olejów roślinnych lub tłuszczów zwierzęcych z użyciem mikrofal, poprzez transestryfikację triglicerydów alkoholem niskocząsteczkowym w reaktorze przepływowym ogrzewanym mikrofalowo.
Estry metylowe kwasów tłuszczowych otrzymywane są od wielu lat przez metanolizę olejów roślinnych i innych surowców tłuszczowych pochodzenia naturalnego. Reakcja przebiega zazwyczaj w temperaturze 20-70°C, pod ciśnieniem normalnym i w obecności katalizatora zasadowego. Katalizatory kwasowe są rzadziej używane ze względu na mniejszą aktywność i konieczność stosowania wyższych temperatur i ciśnienia. Spośród katalizatorów alkalicznych powszechnie stosowane są katalizatory homogeniczne jak wodorotlenek potasu, wodorotlenek sodu oraz metanolany sodu lub potasu. Zapewniają one dobrą kinetykę reakcji i zadowalającą wydajność produktów. Wadą ich jest powstawanie mydeł w reakcji ubocznej zmydlania i konieczność stosowania surowców o niskiej liczbie kwasowej.
Możliwe jest również stosowanie heterogennych katalizatorów alkalicznych jak tlenek wapnia, tlenek magnezu, węglan potasu, anionity. Szybkość reakcji jest jednak wtedy znacznie mniejsza, a stopień przereagowania jest często niezadowalający.
Kinetyka reakcji metanolizy wskazuje, że większość triglicerydów reaguje już w ciągu pierwszych 2-5 min, ale dalszy postęp reakcji do osiągnięcia zawartości estrów 93-98% wymaga już 60 min (D. Darnoko, M. Cheryan, Kinetics of Palm Oil Transesterification in a Batch Reaktor,, JAOCS 77, 2000, 1263-1267). Wydajność powstawania estrów metylowych często nie przekracza 95% nawet w warunkach optymalnych, obejmujących temperaturę 65°C, stosunek molowy metanolu do triglicerydów 6:1 oraz stężenie katalizatora 1% KOH w stosunku do oleju. Jest to wynikiem złożonego mechanizmu procesu z udziałem równoległej reakcji zmydlania estrów metylowych, prowadzących do spadku stężenia katalizatora.
Metanoliza triglicerydów jest reakcją następczą o równaniu kinetycznym II rzędu:
TG + MeOH θ DG + FAME DG + MeOH θ MG + FAME MG + MeOH θ Glic + FAME
Reakcje te są odwracalne, jednakże pojawienie się silnie hydrofilowej gliceryny w postaci osobnej fazy poważnie ogranicza szybkość reakcji odwrotnej z jej udziałem. Wydzielanie fazy glicerynowej jest jednocześnie głównym składnikiem siły napędowej procesu, przesuwającym skutecznie równowagę reakcji w stronę estrów metylowych. Zjawisko to określa także wysoką wydajność estrów metylowych przy stosunkowo niewielkim nadmiarze molowym metanolu.
Z porównania stałych szybkości podanych w literaturze wynika, że najwolniejszym etapem jest metanoliza triglicerydów do diglicerydów, a szybkość kolejnych etapów wzrasta każdorazowo dwukrotnie. Wpływ temperatury na szybkość reakcji jest typowy dla dwóch pierwszych stadiów reakcji, których stałe szybkości wzrastają ok. dwukrotnie przy wzroście temperatury w przedziale 50-60°C (odpowiada to energii aktywacji 14.5 kcal/mol). W przypadku metanolizy monoglicerydów energia aktywacji jest ponad 2 krotnie mniejsza (6,4 kcal/mol) i wpływ temperatury w tym etapie reakcji jest również mniejszy.
Niepożądaną reakcją uboczną procesu metanolizy jest powstawanie mydeł, prowadzące do spadku stężenia aktywnej formy katalizatora. Mydła powstają głównie w reakcji katalizatora alkalicznego z utworzonymi już estrami metylowymi, a więc reakcja zmydlania ma charakter następczy w stosunku do metanolizy. Jest to zrozumiałe, ponieważ estry metylowe są rozpuszczalne w metanolu, będącym jednocześnie nośnikiem katalizatora, natomiast triglicerydy są trudno rozpuszczalne w metanolu. Zmydlanie prowadzi nie tylko do spadku wydajności metanolizy, ale również usuwa katalizator z obszaru reakcji i prowadzi do wcześniejszego zakończenia procesu w niekorzystnym stanie równowagi. Szybkość reakcji zmydlania zależy od zawartości wody w układzie, która jest niezbędnym reagentem tej reakcji ubocznej. Obecność wody powyżej 0,2-0.5% obniża drastycznie szybkość transestryfikacji i zwiększa udział reakcji zmydlania. Dobrym sposobem ograniczenia reakcji ubocznej wydaje się zastosowanie metanolanów sodu lub potasu zamiast wodorotlenków. W praktyce trudno jest jednak utrzymać całkowicie bezwodne środowisko reakcji i mydła powstają także w tym przypadku. Stosowany powszechnie KOH jako katalizator, w postaci handlowej może zawierać do 15% wody, metanol techniczny zawiera 0,05-0,1% wody, olej rzepakowy rafinowany 0,03-0,05%.
PL 226 264 B1
Całościowy przegląd stosowanych dotychczas technologii przemysłowej transestryfikacji olejów i tłuszczów zawarty jest w pracy B. Gutsche (Technologie der Methylesterherstellung, Anwendung fuer die Biodieselproduktion, Fett-Lipid, 99, 1997, 418-427). W typowych opisach technologicznych proces prowadzi się w sposób ciągły lub okresowy przez zmieszanie substratów w temp. 20-70°C i następne długotrwałe odstawanie fazy glicerynowej. Sposób ten prowadzi do całkowitego zużycia katalizatora alkalicznego w reakcji zmydlania i przeprowadzenia powstałych mydeł wraz ze zemulgowanymi estrami metylowymi do frakcji glicerynowej. Skrócenie czasu reakcji powinno spowodować ograniczenie reakcji zmydlania i zwiększenie wydajności estrów metylowych.
Znanym sposobem skrócenia czasu wielu reakcji chemicznych i zwiększenia wydajności jest zastosowanie ogrzewania mikrofalowego. W wielu przypadkach następuje skrócenie czasu reakcji o 2-3 rzędy wielkości [Lit.].
Zastosowanie energii mikrofalowej do prowadzenia reakcji chemicznych daje szereg korzyści ze względu na specyficzne ukierunkowanie działania tej energii. Mikrofale są pochłaniane głównie przez cząsteczki polarne o strukturze dipolowej, takie jak woda, alkohol, estry. W efekcie chwilowa temperatura w miejscu polarnych grup aktywnych może być o wiele większa niż średnia temperatura roztworu. Powoduje to w wielu przypadkach znaczne przyspieszenie szybkości reakcji, porównywalne do efektu katalitycznego. Ogrzewaniu mikrofalowemu nie ulegają substancje niepolarne jak węglowodory alifatyczne, które mogą jedynie odbierać nadmiarowe ciepło od ogrzanych substancji polarnych. Sumaryczny efekt działania mikrofal w układzie reakcyjnym zależy od szeregu właściwości fizykochemicznych jak obecność wiązań wodorowych, kompleksów między cząsteczkowych, wartości stałych dielektrycznych, polaryzowalności. Podatność na ogrzewanie mikrofalowe charakteryzowane jest jako tzw. współczynnik strat promieniowania mikrofalowego (loss factor, loss tangent). Dielektryki z małą wartością tego współczynnika są przepuszczalne dla mikrofal i nie ulegają ogrzewaniu (A. A. Refaat et al., Optimum reaction time, performance and exhaust emissions of biodiesel produced by microwave irradiation, Int..J. Environ. Sci. Tech., 5, 2008, 315-322).
Mikrofale należą do promieniowania niejonizacyjnego, niezdolnego do przerwania wiązań chemicznych. Energia mikrofalowa oddziałuje ze strukturą materiału zależnie od jego charakteru. Objawia się to w odbiciu energii w przypadku metali, przechodzeniu przez materiał bez ogrzania (dielektryki, izolatory, jak szkło, węglowodory) oraz absorpcji energii przez materiały polarne o strukturze dipolowej, charakteryzujące się dużą wartością współczynnika strat, odpowiednika współczynnika absorpcji światła przez substancje barwne. Ogrzewanie mikrofalowe jest w zasadzie niezależne od częstotliwości, jednakże niższa częstotliwość zwiększa głębokość penetracji fal, np. promieniowanie o częstotliwości 915 MHz może być efektywniejsze niż 2,45 GHz.
Opisano szereg prób prowadzenia metanolizy olejów roślinnych przy użyciu handlowych pieców mikrofalowych, ale wyniki były niezadowalające. Mazzocchia et al., (Mazzocchia, C.; Modica, G.; Nannicini, R.; Kaddouri, A., Fatty acid methyl esters synthesis from triglycerides over heterogeneous catalysts in the presence of microwaves, Comptes Rendus Chimie 7, 2004, 601-605) prowadził metanolizę oleju w obecności mikrofal i zeolitów jako katalizatora, uzyskując przereagowanie w zakresie 4-74%. Leadbeater i Stencel (Leadbeater, N. E.; Stencel, E M., (2006). Fast, Easy preparation of biodiesel using microwave heating. Energ. Fuel., 20 (5), 2281-2283) zaobserwowali efektywność mikrofal w szybkim prowadzeniu metanolizy tłuszczów w reaktorze periodycznym (czas 1 min), ogrzanym do 50°C, ale przy wysokiej zawartości katalizatora KOH lub NaOH, rzędu 5%. Przy zawartości 1% katalizatora przereagowanie w ciągu 10 min wynosiło tylko 13%.
Barnard et al. (T. M. Barnard et al., Continuous-Flow Preparation of Biodiesel Using Microwave Heating, Energy & Fuels 2007, 21, 1777-1781) opisał proces przepływowy metanolizy oleju sojowego przy użyciu dużego naczynia szklanego ogrzewanego mikrofalowo. Najlepszy efekt uzyskano w naczyniu o pojemności 4 L, przy przepływie 7,2 L/min, dla czasu przebywania w reaktorze 0,5 min, przy zastosowaniu mocy mikrofal 1600 W. Mieszanina reakcyjna uległa ogrzaniu do temperatury końcowej 50°C. Uzyskano produkt o zawartości 0,28, 0,14, 0,4%, odpowiednio dla mono-, di- i triglicerydów. Zużycie energii do ogrzewania mikrofalowego obliczono jako 26 kJ/L w porównaniu do 94 kJ/L przy ogrzewaniu konwencjonalnym.
Według innych doniesień literaturowych ogrzewanie mikrofalowe pozwala uzyskać wysoki stopień transestryfikacji oleju roślinnego w ciągu 7 min w porównaniu do 30 min przy ogrzewaniu konwencjonalnym (Nezihe Azcan, Aysegul Danisman, Alkali catalyzed transesterification of cottonseed oil by microwave irradiation, Fuel 86 (2007) 2639-2644).
PL 226 264 B1
W opisie patentowym EP 1 944 286 A2 (Portnoff M.A. et al., 2008) opisano proces przepływowy metanolizy oleju roślinnego nad katalizatorem heterofazowym. Przyjęto, że mikrofale aktywizują szczególnie polarny katalizator stały, korzystna jest modulacja amplitudy, tj. duży impuls energii przy małym poziomie energii średniej. Korzystne jest także wcześniejsze podgrzanie reagentów w sposób konwencjonalny, aby zmniejszyć wydatek energii mikrofalowej. Wzrost szybkości objętościowej reagentów, czyli mniejszy czas przebywania w reaktorze, skutkował wzrostem stopnia przemiany. Prawdopodobnie reakcja transestryfikacji zachodzi wówczas szybciej niż zmydlanie estrów metylowych i nie dochodzi do spadku stężenia katalizatora. Mała gęstość energii poniżej 0.1 kW/L jest korzystniejsza w porównaniu do 1 kW/L. Stopień przemiany triglicerydów po 15 min osiąga wtedy odpowiednio 90 i 30%.
W publikacji V. Lertsathapornsuka et al. (Microwave assisted in continuous biodiesel production from waste frying palm oil and its performance in a 100 kW diesel generator, Fuel Proc.Tech. 89 (2008), 1330-1336) przeprowadzono etanolizę zużytego oleju palmowego przy użyciu zmodyfikowanej kuchenki mikrofalowej 800 W. Reakcje prowadzono w reaktorze przepływowym do którego doprowadzano oddzielne strumienie reagentów: olej palmowy i roztwór NaOH w etanolu. Przy zastosowaniu dużego stężenia NaOH rzędu 3% (w celu zobojętnienia wysokiej zawartości wolnych kwasów tłuszczowych) oraz dużego nadmiaru molowego alkoholu do triglicerydów, rzędu 12:1, uzyskano wysoki stopień przereagowania tri glicerydów - 97% w czasie 30 s. Zawyżona wartość lepkości mieszaniny poreakcyjnej (6,32 cSt, 40°C) wskazuje jednak na zawyżoną zawartość di- i triglicerydów w produkcie.
W opisie patentowym US 20090000941 (Kropf; Matthew M, 2009) opisano proces otrzymywania biopaliwa z oleju sojowego z dobrą wydajnością przy zastosowaniu ultradźwięków (30 s) i ogrzewania mikrofalowego do 85°C w ciągu 220 s. Stosunek molowy metanolu do oleju wynosił 9:1. Uzyskano dobre zdyspergowanie reagentów (średnica kropel fazy rozproszonej poniżej 5 μm) oraz dobre przereagowanie dzięki działaniu mikrofal.
W opisie patentowym US 20080264934 (MOREIRA; Elizabeth Marques, 2008) opisano konstrukcję aparatury mikrofalowej o mocy 2-3 kW do prowadzenia reakcji w temperaturze do 500°C i przy ciśnieniu do 20 MPa. Tak wysokie parametry procesu potrzebne są raczej do procesów destrukcyjnych pirolizy lub rozkładu substancji niż do procesów katalitycznych.
Istotą wynalazku jest sposób otrzymywania paliwa bioodnawialnego z użyciem mikrofal poprzez transestryfikację triglicerydów alkoholem w obecności katalizatora alkalicznego, który polega na tym, że do tłuszczu lub oleju roślinnego w trakcie intensywnego mieszania w temperaturze 20-50°C, korzystnie 40°C, dodaje się alkoholu alifatycznego w stosunku molowym alkohol/olej 5 do 9, korzystnie 6 mol/mol, zawierającego katalizator alkaliczny w ilości 0,5-2%, korzystnie 1% w stosunku do tłuszczu lub oleju roślinnego i miesza się przez okres 1-5 min, korzystnie 2 min, a następnie mieszaninę reakcyjną poddaje się niezwłocznie ogrzewaniu mikrofalowemu w reaktorze przepływowym, który stanowi rura z polimeru długości 7 m i objętości 2,4 1, z czasem przebywania 3,2 min, z intensywnością 0,07 -0,7 kWh/l, do temperatury 50-65°C.
Istota wynalazku sprowadza się zwiększenia powierzchni czynnej reaktora mikrofalowego wykonanego w postaci rury. Umożliwia to efektywne wykorzystanie mikrofal i uzyskanie wysokiego stopnia przereagowania triglicerydów do estrów kwasów tłuszczowych z alkoholem metylowym lub etylowym.
Korzystnym jest, gdy katalizatorem jest wodorotlenek potasu albo wodorotlenek sodu.
Korzystnym jest także, gdy katalizatorem jest metanolan potasu albo metanolan sodu.
Korzystnym jest również, gdy alkoholem alifatycznym jest metanol albo etanol.
Dzięki zastosowaniu sposobu według wynalazku uzyskano następujące efekty techniczno-użytkowe:
• krótki czas mieszania wstępnego rzędu 2-3 min, zapewniający wstępne przereagowania triglicerydów powyżej 80%, • wstępne zhomogenizowanie reagentów w trakcie mieszania mechanicznego, niezbędne do prowadzenia rekcji w reaktorze rurowym, • efektywna metanoliza trigilcerydów w polu mikrofalowym w procesie przepływowym, • osiągnięcie wysokiego stopnia przereagowania triglicerydów powyżej 99% w czasie całkowitym do 15 min, • szybką sedymentację wydzielonej frakcji glicerynowej pod wpływem promieniowania mikrofalowego.
Reakcja transestryfikacji przy udziale promieniowania mikrofalowego jest na tyle szybka, że zachodzi prawie do końca przed całkowitą dezaktywacją katalizatora. Dodatkowo następuje szybka
PL 226 264 B1 koalescencja wydzielonej gliceryny i tworzenie oddzielnej fazy glicerynowej pod wpływem promieniowania mikrofalowego. Wpływa to bezpośrednio na przesunięcie równowagi reakcji w stronę estrów metylowych wskutek spadku stężenia wolnej gliceryny w układzie reakcyjnym. Jednocześnie nie występuje całkowita ekstrakcja katalizatora do fazy glicerynowej ze względu na postulowaną w literaturze obecność hydrofobowych form enolowych katalizatora i triglicerydów, pozostających w mieszaninie reakcyjnej (Dijkstra AJ. et al, The base-catalyzed, low-temperature interesterification mechanism revisited, Eur. J. Lipid Sci. Technol. 107 (2005) 912-921). Decydujące znaczenie ma aktywacja reagentów promieniowaniem mikrofalowym, a dokończenie reakcji następuje w fazie rozdzielania faz w zbiorniku sedymentacyjnym. Można przypuszczać, że rzeczywista temperatura w mikroobszarach o charakterze hydrofilowym, obejmujących grupy estrowe, metanol i katalizator jest o wiele wyższa od średniej temperatury mieszaniny, co wynika bezpośrednio z właściwości promieniowania mikrofalowego.
Mieszanina reakcyjna otrzymana we wstępnym etapie mieszania mechanicznego jest homogenną fazą ciekłą, zawierającą głównie estry metylowe kwasów tłuszczowych, a także monoglicerydy (5-15%), diglicerydy (2-8%), nieprzereagowane triglicerydy oraz rozproszoną glicerynę. Stopień przereagowania jest z reguły wyższy dla surowca tłuszczowego zawierającego więcej kwasów tłuszczowych nasyconych, jak olej palmowy i tłuszcz zwierzęcy, niż dla wysoko nienasyconego oleju rzepakowego. Dalszy przebieg reakcji transestryfikacji jest możliwy w warunkach mieszania mechanicznego, jednak w temperaturze 20°C wymaga czasu kilkunastu godzin, a w temperatu rze 65°C przebiega w ciągu 30-120 min. W stanie równowagi w produkcie występuje często zawyżona zawartość dii triglicerydów wskutek przedwczesnego zatrzymaniu reakcji i przeniesienia aktywnej formy katalizatora do frakcji glicerynowej. W efekcie w technologii tradycyjnej stosuje się często proces dwustopniowy, z oddzieleniem frakcji glicerynowej po każdym stopniu, co komplikuje proces technologiczny.
Wynalazek ilustrują poniższe przykłady.
P r z y k ł a d 1
Do procesu przygotowano 6 L oleju rzepakowego rafinowanego (LK=0.25) oraz 1,5 L mieszaniny katalitycznej (4% NaOH w metanolu). Reagenty wymieszano intensywnie w temperaturze 40°C przy pomocy mieszadła łopatkowego z szybkością obrotów 800 min-1 w czasie 2 min. Mieszaninę reakcyjną w formie mlecznej emulsji wprowadzono w sposób ciągły do reaktora rurowego (PVC, długość 7 m, objętość 2,4 L) z szybkością przepływu 0,75 L/min. Ogrzewanie mikrofalowe zwiększano stopniowo od 80 W na początku pompowania mieszaniny do wartości ustalonej (800 W) po 2min. Temperatura końcowa reagentów ustaliła się na poziomie 62°C. Otrzymano 7,5 L mieszaniny poreakcyjnej, z której pobrano próbkę 1 ml zobojętnioną niezwłocznie 0,1 mL roztworu kwasu siarkowego 5 mol/L. Analiza GC wykazała zawartość mono-, di- i triglicerydów odpowiednio na poziomie 0,46, 0,22 i 0,20%.
Objętość wydzielonej frakcji glicerynowej po czasie sedymentacji 30 min wyniosła 15% w stosunku do użytego oleju. Próbka fazy estrowej pobrana po tym czasie wykazała zawartość mono-, dii triglicerydów odpowiednio 0.36, 0.12 i 0.05%. Ilość wolnej gliceryny w fazie estrowej utrzymuje się na niskim poziomie 0.04-0.07%.
P r z y k ł a d 2, porównawczy
Roztwór katalityczny 4% NaOH w metanolu w ilości 2 L zmieszano z 8 L oleju sojowego rafino-1 wanego (LK=0,3) za pomocą mieszadła łopatkowego z szybkością obrotów 800 min-1 w temperaturze 22°C. Skład mieszaniny w czasie reakcji, badanej metodą chromatografii gazowej przedstawiono na fig. 1 (Kinetyka metanolizy oleju rzepakowego w metodzie konwencjonalnej temperatura 22°C, stosunek molowy metanol:olej 6:1, kat. NaOH 1%).
Mieszanina tworzy homogenną emulsję już po 2 min, ale spadek zawartości di- i triglicerydów jest dość powolny i stabilizuje się po 30 min na poziomie odpowiednio 2,1 i 4,8%. Wydzielenie fazy dolnej glicerynowej następuje po 1-2 godz. faza górna, estrowa jest mętna i wydziela dalsze, niewielkie ilości fazy dolnej w ciągu wielu godzin.
P r z y k ł a d 3, porównawczy
Przeprowadzono proces transestryfikacji oleju rzepakowego metanolem w sposób konwencjonalny, bez stosowania mikrofal. Reakcję prowadzono w kolbie stożkowej, zawierającej 200 mL oleju rzepakowego (LK=0,25) oraz 50 mL roztworu 4% NaOH w metanolu, w temperaturze 65°C, stosując mieszanie magnetyczne 600 min-1. Wyniki oznaczeń produktu metodą chromatografii gazowej przedstawiono na fig. 2 (Kinetyka metanolizy oleju rzepakowego w metodzie konwencjonalnej temperatura 65°C, stosunek molowy metanol:olej 6:1. kat. NaOH 1%).
PL 226 264 B1
Największy spadek zawartości substratów następuje w pierwszych 5 min reakcji, gdzie zawartość mono- i diglicerydów spada poniżej 0,8%, ale zawartość triglicerydów utrzymuje się na poziomie
1,3%. W dalszym przebiegu reakcji w ciągu 20-30 min zawartość di- i triglicerydów stabilizuje się na poziomie odpowiednio 0,20 i 0,48%. Jedynie zawartość monoglicerydów spada poniżej lub utrzymuje się na poziomie 0,8% i spełnia wymagania normy jakościowej EN 14 214. W tym przypadku nastąpiło zatrzymanie reakcji wskutek dezaktywacji katalizatora i dalszy postęp reakcji wymaga przeprowadzenia II etapu Z dodatkową ilością katalizatora.
Claims (1)
- Zastrzeżenia patentoweSposób otrzymywania paliwa bioodnawialnego z użyciem mikrofal, poprzez transestryfikację triglicerydów alkoholem w obecności katalizatora alkalicznego, w którym do tłuszczu lub oleju roślinnego dodaje się alkoholu alifatycznego znamienny tym, że do tłuszczu lub oleju roślinnego w trakcie intensywnego mieszania, w temperaturze 20-50°C, korzystnie 40°C, dodaje się alkoholu alifatycznego w stosunku molowym alkohol/olej 5 do 9, korzystnie 6 mol/mol, zawierającego katalizator alkaliczny w ilości 0,5-2%, korzystnie 1% w stosunku do tłuszczu lub oleju roślinnego i miesza się przez okres 1-5 min, korzystnie 2 min, a następnie mieszaninę reakcyjną poddaje się niezwłocznemu ogrzewaniu mikrofalowemu w reaktorze przepływowym, który stanowi rura z polimeru długości 7 m i objętości 2,4 l, z czasem przebywania 3,2 min, z intensywnością 0,07-0,7 kWh/l do temperatury 50-65°C.Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że katalizatorem jest wodorotlenek potasu.Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że katalizatorem jest wodorotlenek sodu.Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że katalizatorem jest metanolan potasu.Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że katalizatorem jest metanolan sodu.Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że alkoholem alifatycznym jest metanol.Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że alkoholem alifatycznym jest etanol bezwodny.Rysunki
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL391705A PL226264B1 (pl) | 2010-07-01 | 2010-07-01 | Sposób otrzymywania paliwa bioodnawialnego z użyciem mikrofal |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL391705A PL226264B1 (pl) | 2010-07-01 | 2010-07-01 | Sposób otrzymywania paliwa bioodnawialnego z użyciem mikrofal |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL391705A1 PL391705A1 (pl) | 2012-01-02 |
| PL226264B1 true PL226264B1 (pl) | 2017-07-31 |
Family
ID=45510091
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL391705A PL226264B1 (pl) | 2010-07-01 | 2010-07-01 | Sposób otrzymywania paliwa bioodnawialnego z użyciem mikrofal |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL226264B1 (pl) |
-
2010
- 2010-07-01 PL PL391705A patent/PL226264B1/pl unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL391705A1 (pl) | 2012-01-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Hsiao et al. | Optimized conversion of waste cooking oil to biodiesel using modified calcium oxide as catalyst via a microwave heating system | |
| Okitsu et al. | Ultrasound-assisted production of biodiesel fuel from vegetable oils in a small scale circulation process | |
| Manickam et al. | Intensification of synthesis of biodiesel from palm oil using multiple frequency ultrasonic flow cell | |
| Kumar et al. | Ultrasonic-assisted transesterification of Jatropha curcus oil using solid catalyst, Na/SiO2 | |
| Mahamuni et al. | Optimization of the synthesis of biodiesel via ultrasound-enhanced base-catalyzed transesterification of soybean oil using a multifrequency ultrasonic reactor | |
| Tanawannapong et al. | Biodiesel production from waste cooking oil in a microtube reactor | |
| Teixeira et al. | Comparison between conventional and ultrasonic preparation of beef tallow biodiesel | |
| Wang et al. | Transesterification of soybean oil with nano-MgO or not in supercritical and subcritical methanol | |
| Stavarache et al. | Ultrasonically driven continuous process for vegetable oil transesterification | |
| Santos et al. | Optimization of the production of biodiesel from soybean oil by ultrasound assisted methanolysis | |
| Chuah et al. | Kinetic studies on waste cooking oil into biodiesel via hydrodynamic cavitation | |
| Gole et al. | Intensification of glycerolysis reaction of higher free fatty acid containing sustainable feedstock using microwave irradiation | |
| Okitsu et al. | A new co-solvent method for the green production of biodiesel fuel–Optimization and practical application | |
| Sun et al. | Continuous production of biodiesel from high acid value oils in microstructured reactor by acid-catalyzed reactions | |
| Jagadale et al. | Review of various reaction parameters and other factors affecting on production of chicken fat based biodiesel | |
| Behzadi et al. | Production of biodiesel using a continuous gas–liquid reactor | |
| Idowu et al. | Improving biodiesel yield of animal waste fats by combination of a pre-treatment technique and microwave technology | |
| Yin et al. | Biodiesel production from soybean oil deodorizer distillate enhanced by counter-current pulsed ultrasound | |
| Liu et al. | Continuous production of ethanol-based biodiesel under subcritical conditions employing trace amount of homogeneous catalysts | |
| Bargole et al. | Process intensification of synthesis of biodiesel using a novel recirculating flow ultrasonication reactor | |
| Asri et al. | Non catalytic transesterification of vegetables oil to biodiesel in sub-and supercritical methanol: A kinetic’s study | |
| Hanh et al. | Effects of molar ratio, catalyst concentration and temperature on transesterification of triolein with ethanol under ultrasonic irradiation | |
| Amirthavalli et al. | Various methods of biodiesel production and types of catalysts | |
| Jadhav et al. | Ultrasound assisted enzymatic conversion of non edible oil to methyl esters | |
| Ergan et al. | Fast, high quality and low-cost biodiesel production using dolomite catalyst in an enhanced microwave system with simultaneous cooling |