Einleitung

Drei allgemeine Arten von Reaktoren werden für Biodiesel verwendet Produktion: Batchreaktoren, semi-kontinuierlicher Fluss Reaktoren und Dauerfluss Reaktoren.

Der Batch-Prozess ist kostengünstig, wodurch ein wesentlich weniger anfängliches Kapital und Infrastruktur erforderlich ist. Es ist flexibel und ermöglicht es dem Benutzer, Variationen in der Menge, Zusammensetzung, Zusammensetzung und Lieferungsgröße aufzunehmen. Die wichtigsten Nachteile des Batch-Prozesses umfassen eine geringe Produktivität, eine größere Variation der Produktqualität und intensivere Arbeitskräfte- und Energieanforderungen.

Das semi-kontinuierlich Prozess ähnelt dem Batch-Prozess, mit der Ausnahme, dass der Hersteller beginnt, indem er ein kleineres Volumen reagiert als Das Schiff wird halten und fügt dann weiterhin Zutaten hinzu, bis das Schiff ist voll. Dieses Prozess ist arbeitsintensiv und nicht üblicherweise verwendet.

kontinuierlich Umesterung Prozesse werden über Batch-Prozesse in Großkapazität Kommerzielle Produktion Weil Diese Prozesse führen zu einer konsistenten Produktqualität und niedrigen Kapital- und Betriebskosten pro Einheit von Produkt. Die häufigste Art von Dauerfluss Reaktor ist der kontinuierliche gerührt-Tank Reaktor. Andere Arten von Dauerfluss Reaktoren werden auch kommerziell verwendet, einschließlich Ultraschallreaktoren und überkritischen Reaktoren. Diese Alternative Verfahren können die Reaktion beschleunigen.

Die Universität von Idaho-Forschungen zeigt, dass statische Mixer-Reaktoren und reaktive Destillation auch für Biodiesel verwendet werden Verarbeitung, aber diese Prozesse werden noch nicht zur Herstellung von Biodiesel verwendet kommerziell.

Stapelreaktoren

Der Stapelreaktor kann einfach ein Tank sein, der mit einer Art von Reizgerüsten ausgestattet ist. Der Tank ist mit den Reaktanten für den Prozess (in in diesem Fall Öl, Alkohol, und Katalysator) gefüllt, und dann wird der Rührwerk für ein Zeitraum der Zeit betrieben. Nachdem die erforderliche Zeit abgelaufen ist, werden der Inhalt des Reaktors abgelassen und weiterverarbeitet.

60-Gallone Biodiesel Batch-Prozessor

Die Hauptmerkmale eines Batch-Reaktors ist, dass es mit nicht umgesetzt ist Material, bewirkt, dass es reagiert, und dann endet an einem späteren Zeitpunkt mit reagiertem Material. Das ist, ein Batch-Reaktor enthält verschiedene Arten von Materialien, je nachdem, in welcher Zeit man vorkommt.

Chargenreaktoren werden im Allgemeinen in kleinen Biodiesel verwendet Produktion Pflanzen. Ein Nachteil von Batch-Prozessen ist, dass, um die Produktion zu steigern, dass es erforderlich ist, die physikalische Größe der Anlage durch einen proportionalen Betrag zu erhöhen (durch Kaufen eines anderen Reaktors, für Beispiel). Im Gegensatz dazu, wann Mit einem kontinuierlichen Durchflussprozess ist es in der Regel möglich, die Produktionskapazität durch Erhöhen der Vorschubgeschwindigkeit oder Verkürzung der Reaktion Zeit.

Dauerfluss Reaktoren

Der häufigste Dauerfluss System in Biodiesel Produktion ist daskontinuierlich gerührt-tank Reaktor (cststr). Auf den ersten Blick scheint ein CSTR, beispielsweise der in Abbildung 1 dargestellte, mit einem Charge-Reaktor identisch zu sein. In der Tat kann der eigentliche Reaktor oft gleich sein, aber zusätzliche Bedienelemente sind erforderlich, um den Reaktor in einem Durchlaufstrom System. etwas Dauerfluss Pflanzen können in der Lage sein, in einem beliebigen Batch-Modus zu arbeiten.

In einem CSTR werden die Reaktanten kontinuierlich hinzugefügt und das Produkt (Mischung aus verschiedenen Chemikalien, einschließlich nicht umgesetztem Reaktanten) kontinuierlich zurückgezogen. Um eine gleichmäßige chemische Zusammensetzung und die Temperatur zu gewährleisten, ist eine ausreichende Bewegung erforderlich. Der Dauerfluss Der Prozess erfordert typischerweise komplizierte Prozesssteuerungen und Online-Überwachung der Produktqualität.

Wann A cstR wird kontinuierlich in einem stationären Zustand betrieben, idealerweise die Konzentration von Chemikalien, die in der Nähe des Reaktors und überhaupt konstant sein und überhaupt mal. In Wirklichkeit ist dieser ideale Zustand selten Somit müssen Anpassungen an den Betrieb von Parametern vorgenommen werden, um eine vollständige Reaktion zu gewährleisten.

manchmal mehr als Ein Reaktor ist verwendet. In diesem System werden ungefähr 80 Prozent des Alkohols und des Katalysators des Öls in einem First-Stage hinzugefügt Cstr. Dann geht der reagierte Strom durch einen Glycerinentfernungsschritt, bevor er in eine Sekunde eindringt. Dem restlichen 20 Prozent des Alkohols und des Katalysators werden diesem Reaktor hinzugefügt. Dieses System liefert eine sehr vollständige Reaktion mit dem Potenzial der Verwendung von weniger Alkohol als Single-Step Systeme.

Abbildung 1: Dauerfluss Biodiesel Reaktor - zweistufiger Prozess

Ultraschall Biodiesel Reaktoren

Ultraschall ist ein nützliches Werkzeug, um Flüssigkeiten zu mischen, die trugen. in Biodiesel Produktion, ausreichendes Mischen ist erforderlich, um einen ausreichenden Kontakt zwischen dem Gemüse Öl / Tier Fett und Alkohol, besonders zu Beginn der Reaktion. Ultraschallwellen verursachen intensives Mischen, so dass die Reaktion viel schneller weiterentwickelt.

Ultraschall überträgt Energie in Flüssigkeit und schafft gewaltsame Vibrationen, die bilden Kavitation Bubbles. Wenn die Blasen platzen, tritt eine plötzliche Kontraktion des Fluids auf, und die Bestandteile werden im Bereich der Blasen gemischt. Eine solche hochenergetische Wirkung in Flüssigkeit kann die Reaktivität der Reaktandenmischung erheblich erhöhen und die Reaktionszeit verkürzen, ohne erhöhte Temperaturen zu beteiligen. Tatsächlich kann diese Reaktion bei oder geringfügig über Umgebungstemperatur erreicht werden. Weil Es ist nicht erforderlich, die Mischung zu erhitzen, Energie kann gerettet sein.

Die Forschung hat gezeigt, dass der Ultraschall in der Herstellung von Biodiesel effektiv eingesetzt werden kann (z. B. Sarma et al., 2008; Hanh et al., 2008; Teixeira et al., 2009). Die Ultraschallverarbeitung führt zu ähnlichen Erträgen von Biodiesel mit einer viel verkürzten Reaktionszeit im Vergleich zum herkömmlichen Tank Verfahren

Ultraschall kann eine gute Wahl für kleine Produzenten sein (up auf 2 Millionen Gallonen pro Schnittkapazität), die nur ein oder zwei Ultraschallsonden benötigen, pro Reaktor Gefäß. Die Verwendung von Ultraschall in der großen Verarbeitung kann jedoch herausfordernd sein, da viele Ultraschallsonden würde erforderlich sein, um jeden Bereich des Reaktanten zu erreichen.

überkritische Reaktoren.

traditionell Biodiesel Produktion erfordert einen Katalysator (in der Regel Natrium oder Kaliumhydroxid) Um den Umesterung abzuschließen Reaktion. Nach der Reaktion muss der Katalysator entfernt werden, um Kraftstoffqualität sicherzustellen. Dieses kann manchmal problematisch sein. Zu Vermeiden Sie den Katalysatoranforderung, Umesterung kann in einem katalysatorfrei erreicht werden Art mithilfe eines "superkritisch" Prozess.

entsprechend Einführung in die Thermodynamik der chemischen Engineering,Ein kritischer Punkt eines Fluids wird durch seine kritische Temperatur und den kritischen Druck definiert, "Die höchste Temperatur und der höchste Druck, bei der eine reine chemische Spezies in Vapor / Flüssigkeit Equilibrium ist" (Smith et al., S. 64).

Bei der überkritischer Zustand,Die Phasengrenze zwischen Flüssigkeit und Dampf beginnt zu verschwinden, und die Substanz hat Qualitäten von Flüssigkeit und einem Dampf.

Wann Umesterung tritt auf, während während Der überkritische Zustand von Methanol (typisch 300 ° C und 40 MPa / 5800 PSI oder höher), das Pflanzenöl oder das Tierfett löst sich in Methanol auf, um eine Single-Phase zu bilden. Die Reaktion tritt dann auf, um die Fertigstellung in wenigen Minuten ohne Katalysatoren zu erreichen.

Der überkritische Prozess toleriert Wasser- und freie Fettsäuren im System, und die im traditionellen Prozess üblicher SOAP-Bildung wird eliminiert (Demirbas, 2006; van kastern und Nisworo, 2007; Saka und Isayama, 2009).

Seit Der überkritische Zustand erfordert sehr hohe Temperaturen und Druck, der Prozess kann teuer sein. Trotzdem groß Biodiesel Produzenten können diesen Prozess möglicherweise kostengünstig finden, weil, seit Die Reaktion geschieht so schnell, Produzenten können eine große Menge mit einem relativ kleinen Reaktor und einen limitierbaren Raum bilden.

Statische Mischer als Biodiesel Reaktoren

Statische Mischersind einfache Geräte bestehend aus spiralförmig Innenteile innerhalb eines Gehäuses, beispielsweise einer Röhre oder einem Rohr, die turbulente Förderung fördern. Sie haben keine beweglichen Teile, sind einfach zu bedienen und zu warten und sind sehr effektiv beim Mischen von Flüssigkeiten, die unter normalen Bedingungen nicht leicht mischbar sind.

Biodiesel Die Herstellung von Pflanzenölen und Alkoholen ist zunächst von der Löslichkeit von Alkohol in Gemüseölen (Van Gerpen und Knothe, 2005) beschränkt. Statische Mischer können verwendet werden, um die Reaktanten zu mischen, bevor Sie Geben Sie den Reaktor ein. Kann der statische Mischer selbst auch als Reaktor verwendet werden An der Universität von Idaho wurde eine Studie durchgeführt, um die Möglichkeit zu untersuchen, einen statischen Mischer als kontinuierlicher Durchfluss zu verwenden Reaktor für Biodiesel Produktion ( Thompson und er, 2007 ).

Die Ergebnisse zeigten, dass der statische Mischerreaktor für Biodiesel wirksam war Produktion und Produkte, die sich treffen ASTM D6584 Spezifikation wurden erhalten. Wie bei anderen Reaktorkonfigurationen beeinflusst die Temperatur- und Katalysatorkonzentration die Produktausbeute wesentlich. Die günstigsten Bedingungen für den gesamten Umesterung waren 60 ° C und 1,5% Katalysator für 30 Minuten. Es ist daher realisierbar, einen statischen Mischer allein als Reaktor für Biodiesel zu verwenden Herstellung von Pflanzenölen und Alkoholen.

Ein ähnlicher Prozess wird manchmal kommerziell verwendet, sondern die Verwendung eines großen statischen Mischers als Biodiesel Prozessor ist nicht kommerzialisiert.

Reaktive Destillation für Biodiesel Produktion

Reaktive Destillation (RD) ist eine chemische Einheitsoperation, in der chemische Reaktionen und Produkttrennungen gleichzeitig in einer eintreten. Es ist eine effektive Alternative zur klassischen Kombination von Reaktor und Trennungseinheiten.

Reaktive Destillation ist ein gemeinsamer chemischer Prozess in Situationen Die Reaktion kann wiederumkehren leicht. Das rd Die Technik entfernt die Reaktionsprodukte aus der Reaktionszone, wodurch die Reaktion verhindert wird, dass die Reaktion umkehrt, und die Verbesserung der Gesamtumwandlung

AN RD Das System besteht aus zahlreichen Kammern mit Öffnungen von einem bis zum nächsten. Die Zutaten werden der ersten Kammer hinzugefügt, und wenn die Mischung jede aufeinanderfolgende Kammer betritt, geht die Reaktion so weiter, dass die Reaktion von der letzten Kammer abgeschlossen ist. Sowohl gepackte als auch Tablettsäulen können für die RD verwendet werden Anträge; Fachsäulen sind jedoch für homogene Reaktionssysteme bevorzugt Weil der größeren Flüssigkeitshalterung und der relativ längeren Retention.

Reaktive Destillationssysteme wurden nicht kommerziell verwendet, in Biodiesel Produktion Weil RD neigt dazu, ein Komplex zu sein. Die Komplexität ist jedoch etwas minimiert, wenn angewendet auf Biodiesel Produktion für einige Gründe. Der Unterschied zwischen den Siedetemperaturen von Methanol und Fettsäureestern (Biodiesel) ist so groß, dass die Trennung von diese Zwei Ströme werden sehr leicht. Weil die Umesterung Die Reaktion tritt nur in der flüssigen Phase auf, die Reaktionszeit wird dann durch die gesamte Flüssigkeitshalterung und die Zuführrate der Reaktanten hergestellt.

Nach Angaben der Forschung an der Universität von Idaho, die vom National Institute of Advanced Transportationstechnologien gesponsert wurde (Niatt) (Er et al., 2005, 2006, 2007), die rd Reaktorsystem zeigte drei wesentliche Vorteile gegenüber dem Charge und traditionell Dauerfluss Prozesse: 1) Kürzere Reaktionszeit (10 bis 15 min) und höhere Produktivitäts-Produktivität (7 bis 9 Gallonen PER Gallon Reaktorvolumen pro Stunde), das in der kommerziellen Produktion sehr wünschenswert ist; 2) viel niedrigerer überschüssiger Alkoholanforderung (ungefähr 3,5: 1 Molar), was den Anstrengungen der stromabwärtigen Alkoholgewinnung erheblich reduziert, und den Betrieb und 3) Niedrigere Kapitalkosten aufgrund seiner geringeren Größe und der reduzierten Bedürfnisse der Alkoholgewinnung