Método para preparar biodiesel mediante esterificación con metanol mediante ultrasonidos

La presente invención se refiere a un método para producir biodiesel mediante esterificación de metanol mediante ultrasonido. Utilizando diversas grasas animales de desecho, aceite de cocina de desecho de la industria de restaurantes y aceite de cocina de desecho como materia prima, el método acelera la esterificación del metanol mediante los efectos de cavitación, calentamiento y oscilación de alta frecuencia del ultrasonido para producir biodiesel. Las ventajas del método incluyen aumentar la actividad de los reactivos ajustando la intensidad del ultrasonido, mejorando así la tasa de conversión de metanol; utilizar diversas grasas animales y vegetales de desecho, aceite de cocina de desecho de la industria de restaurantes y aceite de cocina de desecho como materia prima, lo que resulta en un bajo costo; y eliminando el uso de cualquier catalizador, evitando así la contaminación ambiental provocada por la manipulación del catalizador. No se requieren modificaciones ni ajustes en los equipos de producción de biodiesel existentes, y no se requieren equipos de alta temperatura y alta presión durante el proceso de reacción, lo que simplifica el proceso de producción y reduce los costos de producción.

El biodiesel es un nuevo tipo de combustible producido a partir de grasas animales y vegetales. Según el análisis químico, el combustible biodiesel es un metano rico en grasas que se obtiene descomponiendo glicéridos con ácido oleico insaturado C18 como componente principal. En comparación con el diésel convencional, el biodiésel supera al diésel convencional en punto de obstrucción del filtro en frío, punto de inflamación, eficiencia de combustión, contenido de azufre, contenido de oxígeno, consumo de oxígeno de combustión y contaminación del agua, mientras que otros indicadores son comparables. Debido a su incomparable desempeño ambiental, excelente rendimiento de arranque del motor a baja temperatura, lubricidad superior, seguridad, eficiencia de combustible y naturaleza renovable, los motores propulsados ​​por biodiesel cumplen no sólo con la actual norma de emisiones Euro II sino también con las más estrictas normas Euro III que pronto se implementarán en Europa. Además, debido a que el biodiesel emite mucho menos dióxido de carbono del que las plantas y los animales absorben durante su crecimiento, contribuye al calentamiento global, un importante problema ambiental que es perjudicial para la humanidad. Por tanto, el biodiésel es un diésel verdaderamente ecológico. Se han establecido bases de producción comercial de biodiesel en varios países y regiones de Estados Unidos, Europa y Asia, y el biodiesel se utiliza ampliamente como combustible alternativo.

Los métodos comunes de producción de biodiesel incluyen los siguientes:

1. Pirólisis: este método utiliza altas temperaturas para descomponer las moléculas de cadena larga de los aceites animales y vegetales en moléculas más cortas, convirtiendo la materia orgánica de alto peso molecular en hidrocarburos relativamente simples. Los productos de craqueo son similares a los del diésel convencional. Sin embargo, el proceso de pirólisis es complejo y requiere equipos voluminosos, lo que genera altos costos de producción y una comercialización limitada.

2. Transesterificación: Este es el método más utilizado actualmente. Bajo catalizadores ácidos (o alcalinos) y altas temperaturas (230-250°C), los alcoholes como el metanol o el etanol sufren una reacción de transesterificación con los triglicéridos, los principales componentes de los aceites vegetales naturales o las grasas animales. Los grupos metoxi reemplazan a los grupos glicerilo en los ácidos grasos de cadena larga, reduciendo la viscosidad del aceite y mejorando su fluidez y propiedades de vaporización, cumpliendo con los requisitos para el uso de combustible. Sin embargo, existen los siguientes inconvenientes:

① El catalizador ácido (o básico) es difícil de recuperar;

② El contenido de ácidos grasos libres y agua influye significativamente en la reacción catalítica ácida (o básica);

③ El proceso es complejo, requiere un exceso de alcohol, requiere equipos de recuperación de alcohol en procesos posteriores y resulta en un alto consumo de energía;

④ El color es oscuro porque los ácidos grasos insaturados de las grasas son susceptibles a deteriorarse a altas temperaturas;

⑤ El producto de esterificación es difícil de recuperar, lo que genera altos costos; y ⑥ El proceso de producción implica la descarga de líquidos alcalinos residuales.

3. Esterificación supercrítica de metanol sin catalizador: este método produce biodiesel mediante un proceso de esterificación de metanol sin catalizador a una temperatura supercrítica de 350-400 °C y una presión de 45-65 MPa. Si bien este método simplifica la dificultad de separar los productos de la reacción de transesterificación tradicional y aborda el largo tiempo de reacción asociado con la esterificación de metanol sin catalizador convencional, es complejo, requiere equipos voluminosos y genera altos costos de producción.

La presente invención tiene como objetivo superar las deficiencias de los métodos de producción de biodiesel de la técnica anterior mencionados anteriormente, proporcionando así un método simple y de bajo costo para producir biodiesel mediante esterificación de metanol usando ultrasonido, que elimina el uso de catalizadores y solventes orgánicos y logra una alta tasa de conversión de metanol.

La presente invención proporciona un método para producir biodiesel mediante esterificación de metanol usando ultrasonido. El método utiliza como materia prima diversas grasas animales de desecho, aceites de cocina de desecho de la industria de restaurantes y aceite de cocina de desecho. La cavitación ultrasónica, el calentamiento y la oscilación de alta frecuencia aceleran la esterificación del metanol para producir biodiesel. El método comprende los siguientes pasos:

1) Se mezclan metanol y aceite crudo en una proporción molar de 20 a 50:1, y se lleva a cabo una reacción de intercambio de éster a 40°C a 64°C, una velocidad de agitación de 1500 a 2000 rpm, una potencia ultrasónica de 2 kW a 10 kW y una frecuencia ultrasónica de 20 a 60 kHz durante no más de 2 horas.

Los aceites crudos incluyen diversas grasas animales de desecho, aceites de cocina usados ​​de la industria de restaurantes y aceite de cocina usado.

2) La solución mixta después de la reacción se deja reposar durante al menos 8 horas, permitiendo que la solución mixta se separe en capas y separando la glicerina en la capa inferior.

3) La capa superior de la solución mixta se destila de 70 a 100°C hasta que se recupera todo el metanol. El destilado restante es el biodiesel. El método para producir biodiesel mediante esterificación de metanol usando ultrasonido, proporcionado en este documento, utiliza los efectos de cavitación, calentamiento y oscilación de alta frecuencia del ultrasonido durante el proceso de producción de biodiesel. Los núcleos de gas microscópicos (núcleos de cavitación) presentes en la mezcla de metanol y aceite de alimentación se someten a un proceso dinámico de vibración de alta frecuencia, crecimiento, colapso y cierre bajo la influencia del campo de sonido ultrasónico. Cuando las burbujas de cavitación colapsan, generan altas temperaturas y altas presiones localizadas en el espacio extremadamente pequeño que las rodea en un período de tiempo muy corto. La alta temperatura aumenta la actividad de los reactivos, favoreciendo la formación de radicales libres y la aparición de reacciones de craqueo; la alta presión genera ondas de choque y microchorros, lo que resulta en intensas colisiones entre moléculas, acelerando así la reacción química completa de esterificación del metanol para producir biodiesel.

En comparación con las tecnologías existentes, las ventajas del método proporcionado por la presente invención son:

1) Al ajustar la intensidad ultrasónica generada por el oscilador ultrasónico, se aumenta la actividad de los reactivos, favoreciendo la formación de radicales libres y la aparición de reacciones de craqueo en los reactivos. Esto también crea fuertes colisiones entre las moléculas reactivas, acelerando la esterificación del metanol y mejorando la tasa de conversión de metanol.

2) La presente invención puede utilizar diversos aceites animales y vegetales de desecho, aceite de cocina de desecho de la industria de catering y aceite de desecho, como aceite de canalones, como materia prima, lo que resulta en un bajo costo.

3) La presente invención no utiliza ningún catalizador, evitando así la contaminación ambiental causada por la manipulación del catalizador.

4) Este método no requiere modificación ni ajuste del equipo de producción de biodiesel existente, y no requiere equipos de alta temperatura y alta presión durante el proceso de reacción, lo que simplifica el proceso de producción y reduce los costos de producción.