طريقة تحضير وقود الديزل الحيوي عن طريق استرة الميثانول باستخدام الموجات فوق الصوتية

يتعلق الاختراع الحالي بطريقة لإنتاج وقود الديزل الحيوي من خلال أسترة الميثانول باستخدام الموجات فوق الصوتية. باستخدام العديد من دهون النفايات الحيوانية، ونفايات زيت الطهي من صناعة المطاعم، ونفايات زيت الطهي كمواد خام، تعمل الطريقة على تسريع أسترة الميثانول من خلال تأثيرات التجويف والتدفئة والتذبذب عالي التردد للموجات فوق الصوتية لإنتاج وقود الديزل الحيوي. وتشمل مزايا الأسلوب زيادة نشاط المواد المتفاعلة عن طريق ضبط كثافة الموجات فوق الصوتية، وبالتالي تحسين معدل تحويل الميثانول؛ استخدام نفايات الدهون الحيوانية والنباتية المختلفة، ونفايات زيت الطهي من صناعة المطاعم، ونفايات زيت الطهي كمواد خام، مما يؤدي إلى انخفاض التكلفة؛ والقضاء على استخدام أي محفز، وبالتالي تجنب التلوث البيئي الناجم عن التعامل مع المحفز. لا يلزم إجراء أي تعديل أو تعديل على معدات إنتاج وقود الديزل الحيوي الموجودة، ولا يلزم وجود معدات ذات درجة حرارة عالية وضغط عالي أثناء عملية التفاعل، مما يبسط عملية الإنتاج ويقلل تكاليف الإنتاج.

وقود الديزل الحيوي هو نوع جديد من الوقود يتم إنتاجه من الدهون الحيوانية والنباتية. وفقًا للتحليل الكيميائي، فإن وقود الديزل الحيوي عبارة عن ميثان عالي الدهون يتم الحصول عليه عن طريق تحلل الجلسريدات مع حمض الأوليك غير المشبع C18 باعتباره المكون الأساسي. بالمقارنة مع الديزل التقليدي، يتفوق وقود الديزل الحيوي على الديزل التقليدي في نقطة توصيل المرشح البارد، ونقطة الوميض، وكفاءة الاحتراق، ومحتوى الكبريت، ومحتوى الأكسجين، واستهلاك الأكسجين الناتج عن الاحتراق، وتلوث المياه، في حين أن المؤشرات الأخرى قابلة للمقارنة. نظرًا لأدائها البيئي الذي لا مثيل له، والأداء الممتاز لبدء تشغيل المحرك في درجات الحرارة المنخفضة، والتشحيم الفائق، والسلامة، وكفاءة استهلاك الوقود، والطبيعة المتجددة، فإن المحركات التي تعمل بالوقود الحيوي لا تلبي معايير الانبعاثات Euro II الحالية فحسب، بل تفي أيضًا بمعايير Euro III الأكثر صرامة والتي سيتم تنفيذها قريبًا في أوروبا. علاوة على ذلك، ولأن وقود الديزل الحيوي ينبعث منه كميات من ثاني أكسيد الكربون أقل بكثير من تلك التي تمتصها النباتات والحيوانات أثناء نموها، فإنه يساهم في ظاهرة الانحباس الحراري العالمي، وهي مشكلة بيئية كبرى تضر بالبشرية. ولذلك، فإن وقود الديزل الحيوي هو وقود الديزل الأخضر حقا. تم إنشاء قواعد تجارية لإنتاج وقود الديزل الحيوي في العديد من البلدان والمناطق في الولايات المتحدة وأوروبا وآسيا، ويستخدم الديزل الحيوي على نطاق واسع كوقود بديل.

تشمل الطرق الشائعة لإنتاج وقود الديزل الحيوي ما يلي:

1. الانحلال الحراري: تستخدم هذه الطريقة درجات حرارة عالية لتحطيم جزيئات السلسلة الطويلة من الزيوت الحيوانية والنباتية إلى جزيئات أقصر، وتحويل المواد العضوية ذات الوزن الجزيئي العالي إلى هيدروكربونات بسيطة نسبيًا. منتجات التكسير تشبه الديزل التقليدي. ومع ذلك، فإن عملية الانحلال الحراري معقدة وتتطلب معدات ضخمة، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف الإنتاج ومحدودية التسويق.

2. الأسترة العابرة: هذه هي الطريقة الأكثر استخدامًا حاليًا. تحت المحفزات الحمضية (أو القلوية) ودرجات الحرارة المرتفعة (230-250 درجة مئوية)، تخضع الكحوليات مثل الميثانول أو الإيثانول لتفاعل أسترة مع الدهون الثلاثية، وهي المكونات الرئيسية للزيوت النباتية الطبيعية أو الدهون الحيوانية. تحل مجموعات الميثوكسي محل مجموعات الغليسيريل في الأحماض الدهنية طويلة السلسلة، مما يقلل من لزوجة الزيت ويحسن خصائص سيولته وتبخيره، مما يلبي متطلبات استخدام الوقود. ومع ذلك، هناك العيوب التالية:

① من الصعب استعادة المحفز الحمضي (أو الأساسي)؛

② يؤثر محتوى الأحماض الدهنية الحرة والماء بشكل كبير على التفاعل الحفاز الحمضي (أو القاعدي)؛

③ العملية معقدة، وتتطلب فائضًا من الكحول، وتتطلب معدات لاستعادة الكحول في العمليات اللاحقة وتؤدي إلى ارتفاع استهلاك الطاقة؛

④ اللون داكن لأن الأحماض الدهنية غير المشبعة الموجودة في الدهون معرضة للتدهور عند درجات الحرارة المرتفعة؛

⑤ من الصعب استرداد منتج الأسترة، مما يؤدي إلى ارتفاع التكاليف؛ و ⑥ تتضمن عملية الإنتاج تصريف النفايات السائلة القلوية.

3. أسترة الميثانول فوق الحرج غير المحفز: تنتج هذه الطريقة وقود الديزل الحيوي من خلال عملية أسترة الميثانول الخالية من المحفزات عند درجة حرارة فوق الحرجة تبلغ 350-400 درجة مئوية وضغط يتراوح بين 45-65 ميجا باسكال. في حين أن هذه الطريقة تبسط صعوبة فصل منتجات تفاعل الأسترة التقليدية وتعالج وقت التفاعل الطويل المرتبط بأسترة الميثانول التقليدية الخالية من المحفزات، إلا أنها معقدة وتتطلب معدات ضخمة وتؤدي إلى ارتفاع تكاليف الإنتاج.

يهدف الاختراع الحالي إلى التغلب على أوجه القصور في طرق إنتاج وقود الديزل الحيوي في التقنية السابقة المذكورة أعلاه، وبالتالي توفير طريقة بسيطة ومنخفضة التكلفة لإنتاج وقود الديزل الحيوي من خلال أسترة الميثانول باستخدام الموجات فوق الصوتية، والتي تقضي على استخدام المحفزات والمذيبات العضوية وتحقق معدل تحويل ميثانول مرتفع.

يوفر الاختراع الحالي طريقة لإنتاج وقود الديزل الحيوي عن طريق أسترة الميثانول باستخدام الموجات فوق الصوتية. تستخدم هذه الطريقة العديد من دهون النفايات الحيوانية، ونفايات زيوت الطهي من صناعة المطاعم، ونفايات زيت الطهي كمواد خام. يعمل التجويف بالموجات فوق الصوتية والتدفئة والتذبذب عالي التردد على تسريع استرة الميثانول لإنتاج وقود الديزل الحيوي. وتتكون الطريقة من الخطوات التالية:

1) يتم خلط الميثانول والزيت الخام بنسبة مولية من 20 إلى 50: 1، ويتم إجراء تفاعل تبادل الإستر عند 40 درجة مئوية إلى 64 درجة مئوية، وسرعة التحريك من 1500 إلى 2000 دورة في الدقيقة، وقوة الموجات فوق الصوتية من 2 كيلو واط إلى 10 كيلو واط، وتردد الموجات فوق الصوتية من 20 إلى 60 كيلو هرتز لمدة لا تزيد عن ساعتين.

وتشمل الزيوت الخام دهون النفايات الحيوانية المختلفة، ونفايات زيوت الطهي من صناعة المطاعم، ونفايات زيت الطهي.

2) يتم السماح للمحلول المختلط بعد التفاعل بالوقوف لمدة 8 ساعات على الأقل، مما يسمح للمحلول المختلط بالانفصال إلى طبقات وفصل الجلسرين في الطبقة السفلية.

3) يتم تقطير الطبقة العليا من المحلول المختلط عند درجة حرارة 70 إلى 100 درجة مئوية حتى يتم استعادة كل الميثانول. نواتج التقطير المتبقية هي وقود الديزل الحيوي. تستخدم طريقة إنتاج وقود الديزل الحيوي عن طريق أسترة الميثانول باستخدام الموجات فوق الصوتية، المقدمة هنا، تأثيرات التجويف والتدفئة والتذبذب عالي التردد للموجات فوق الصوتية أثناء عملية إنتاج وقود الديزل الحيوي. تخضع نوى الغاز المجهرية (نواة التجويف) الموجودة في خليط زيت الميثانول والمواد الأولية لعملية ديناميكية من الاهتزاز والنمو والانهيار والإغلاق عالي التردد تحت تأثير مجال الصوت بالموجات فوق الصوتية. عندما تنهار فقاعات التجويف، فإنها تولد درجة حرارة عالية وضغطًا عاليًا موضعيًا في المساحة الصغيرة للغاية المحيطة بها خلال فترة زمنية قصيرة جدًا. تزيد درجة الحرارة المرتفعة من نشاط المواد المتفاعلة، مما يعزز تكوين الجذور الحرة وحدوث تفاعلات التكسير. ويولد الضغط العالي موجات صدمية ونفاثات دقيقة، مما يؤدي إلى تصادمات شديدة بين الجزيئات، وبالتالي تسريع التفاعل الكيميائي الكامل لأسترة الميثانول لإنتاج وقود الديزل الحيوي.

بالمقارنة مع التقنيات الموجودة، فإن مزايا الطريقة التي يوفرها الاختراع الحالي هي:

1) من خلال ضبط شدة الموجات فوق الصوتية الناتجة عن مذبذب الموجات فوق الصوتية، يتم زيادة نشاط المواد المتفاعلة، مما يعزز تكوين الجذور الحرة وحدوث تفاعلات تكسير في المواد المتفاعلة. يؤدي هذا أيضًا إلى إنشاء تصادمات قوية بين الجزيئات المتفاعلة، مما يؤدي إلى تسريع أسترة الميثانول وتحسين معدل تحويل الميثانول.

2) يمكن للاختراع الحالي استخدام نفايات الزيوت الحيوانية والنباتية المختلفة، ونفايات زيت الطهي من صناعة تقديم الطعام، ونفايات الزيوت مثل زيت الميزاب كمواد خام، مما يؤدي إلى انخفاض التكلفة.

3) لا يستخدم الاختراع الحالي أي محفزات، وبالتالي يتجنب التلوث البيئي الناجم عن معالجة المحفز.

4) لا تتطلب هذه الطريقة تعديلًا أو تعديلًا لمعدات إنتاج وقود الديزل الحيوي الموجودة، ولا تتطلب معدات عالية الحرارة والضغط أثناء عملية التفاعل، مما يبسط عملية الإنتاج ويقلل تكاليف الإنتاج.