Método de preparação de biodiesel por esterificação de metanol por ultrassom

A presente invenção refere-se a um método para produção de biodiesel através da esterificação de metanol utilizando ultrassom. Usando várias gorduras residuais animais, óleo de cozinha residual da indústria de restaurantes e óleo de cozinha residual como matéria-prima, o método acelera a esterificação do metanol por meio dos efeitos de cavitação, aquecimento e oscilação de alta frequência do ultrassom para produzir biodiesel. As vantagens do método incluem aumentar a atividade dos reagentes ajustando a intensidade do ultrassom, melhorando assim a taxa de conversão do metanol; utilização de diversos resíduos de gorduras animais e vegetais, resíduos de óleo de cozinha da indústria de restaurantes e resíduos de óleo de cozinha como matérias-primas, resultando em baixo custo; e eliminando o uso de qualquer catalisador, evitando assim a poluição ambiental causada pelo manuseio do catalisador. Nenhuma modificação ou ajuste é necessário nos equipamentos de produção de biodiesel existentes, e equipamentos de alta temperatura e alta pressão não são necessários durante o processo de reação, simplificando o processo de produção e reduzindo os custos de produção.

O biodiesel é um novo tipo de combustível produzido a partir de gorduras animais e vegetais. De acordo com a análise química, o combustível biodiesel é um metano rico em gordura obtido pela decomposição de glicerídeos com ácido oleico insaturado C18 como componente primário. Comparado ao diesel convencional, o biodiesel supera o diesel convencional em ponto de entupimento do filtro a frio, ponto de fulgor, eficiência de combustão, teor de enxofre, teor de oxigênio, consumo de oxigênio de combustão e poluição da água, enquanto outros indicadores são comparáveis. Devido ao seu desempenho ambiental incomparável, excelente desempenho de partida do motor em baixa temperatura, lubricidade superior, segurança, eficiência de combustível e natureza renovável, os motores movidos a biodiesel atendem não apenas ao atual padrão de emissões Euro II, mas também aos mais rigorosos padrões Euro III que serão implementados em breve na Europa. Além disso, como o biodiesel emite muito menos dióxido de carbono do que as plantas e os animais absorvem durante o seu crescimento, contribui para o aquecimento global, um grande problema ambiental que é prejudicial para a humanidade. Portanto, o biodiesel é um diesel verdadeiramente verde. Bases comerciais de produção de biodiesel foram estabelecidas em vários países e regiões dos Estados Unidos, Europa e Ásia, e o biodiesel é amplamente utilizado como combustível alternativo.

Os métodos comuns de produção de biodiesel incluem o seguinte:

1. Pirólise: Este método utiliza altas temperaturas para quebrar as moléculas de cadeia longa de óleos animais e vegetais em moléculas mais curtas, convertendo matéria orgânica de alto peso molecular em hidrocarbonetos relativamente simples. Os produtos de craqueamento são semelhantes aos do diesel convencional. No entanto, o processo de pirólise é complexo e requer equipamentos volumosos, resultando em elevados custos de produção e comercialização limitada.

2. Transesterificação: Este é atualmente o método mais utilizado. Sob catalisadores ácidos (ou alcalinos) e altas temperaturas (230-250°C), álcoois como metanol ou etanol sofrem uma reação de transesterificação com triglicerídeos, principais componentes de óleos vegetais naturais ou gorduras animais. Os grupos metoxi substituem os grupos glicerila nos ácidos graxos de cadeia longa, reduzindo a viscosidade do óleo e melhorando sua fluidez e propriedades de vaporização, atendendo aos requisitos para uso de combustível. No entanto, existem as seguintes desvantagens:

① O catalisador ácido (ou básico) é difícil de recuperar;

② O teor de ácidos graxos livres e água influencia significativamente a reação catalítica ácida (ou básica);

③ O processo é complexo, exigindo excesso de álcool, necessitando de equipamentos de recuperação de álcool nos processos subsequentes e resultando em alto consumo de energia;

④ A cor é escura porque os ácidos graxos insaturados nas gorduras são suscetíveis à deterioração em altas temperaturas;

⑤ O produto da esterificação é de difícil recuperação, resultando em custos elevados; e ⑥ O processo de produção envolve a descarga de resíduos líquidos alcalinos.

3. Esterificação supercrítica de metanol sem catalisador: Este método produz biodiesel através de um processo de esterificação de metanol sem catalisador a uma temperatura supercrítica de 350-400°C e uma pressão de 45-65 MPa. Embora este método simplifique a dificuldade na separação dos produtos da reação de transesterificação tradicional e resolva o longo tempo de reação associado à esterificação convencional de metanol sem catalisador, ele é complexo, requer equipamentos volumosos e resulta em altos custos de produção.

A presente invenção visa superar as deficiências dos métodos de produção de biodiesel do estado da técnica acima mencionados, proporcionando assim um método simples e de baixo custo para produção de biodiesel através da esterificação do metanol utilizando ultrassom, que elimina o uso de catalisadores e solventes orgânicos e atinge uma alta taxa de conversão de metanol.

A presente invenção fornece um método para produção de biodiesel por esterificação de metanol utilizando ultrassom. O método utiliza várias gorduras residuais animais, óleos de cozinha residuais da indústria de restaurantes e óleos de cozinha residuais como matérias-primas. Cavitação ultrassônica, aquecimento e oscilação de alta frequência aceleram a esterificação do metanol para produzir biodiesel. O método compreende as seguintes etapas:

1) Metanol e óleo bruto são misturados em uma proporção molar de 20 a 50:1, e uma reação de troca de éster é realizada de 40°C a 64°C, uma velocidade de agitação de 1.500 a 2.000 rpm, uma potência ultrassônica de 2 kW a 10 kW e uma frequência ultrassônica de 20 a 60 kHz por não mais que 2 horas.

Os óleos crus incluem várias gorduras residuais animais, óleos residuais de cozinha da indústria de restaurantes e óleos residuais de cozinha.

2) A solução misturada após a reação é deixada em repouso por pelo menos 8 horas, permitindo que a solução misturada se separe em camadas e separando a glicerina na camada inferior.

3) A camada superior da solução mista é destilada a 70 a 100°C até que todo o metanol seja recuperado. O destilado restante é o biodiesel. O método para produção de biodiesel por esterificação de metanol usando ultrassom, aqui fornecido, utiliza os efeitos de cavitação, aquecimento e oscilação de alta frequência do ultrassom durante o processo de produção de biodiesel. Núcleos microscópicos de gás (núcleos de cavitação) presentes na mistura de metanol e óleo de matéria-prima passam por um processo dinâmico de vibração de alta frequência, crescimento, colapso e fechamento sob a influência do campo sonoro ultrassônico. Quando as bolhas de cavitação entram em colapso, elas geram alta temperatura e alta pressão localizadas no espaço extremamente pequeno que as rodeia dentro de um período muito curto de tempo. A alta temperatura aumenta a atividade dos reagentes, promovendo a formação de radicais livres e a ocorrência de reações de craqueamento; a alta pressão gera ondas de choque e microjatos, resultando em intensas colisões entre moléculas, acelerando assim a reação química completa de esterificação do metanol para produzir biodiesel.

Em comparação com as tecnologias existentes, as vantagens do método fornecido pela presente invenção são:

1) Ao ajustar a intensidade ultrassônica gerada pelo oscilador ultrassônico, a atividade dos reagentes é aumentada, promovendo a formação de radicais livres e a ocorrência de reações de craqueamento nos reagentes. Isto também cria fortes colisões entre moléculas reagentes, acelerando a esterificação do metanol e melhorando a taxa de conversão do metanol.

2) A presente invenção pode utilizar vários resíduos de óleos animais e vegetais, resíduos de óleo de cozinha da indústria de catering e resíduos de óleo, como óleo de sarjeta, como matéria-prima, resultando em baixo custo.

3) A presente invenção não utiliza quaisquer catalisadores, evitando assim a poluição ambiental causada pelo manuseio do catalisador.

4) Este método não requer modificação ou ajuste nos equipamentos existentes de produção de biodiesel, e não requer equipamentos de alta temperatura e alta pressão durante o processo de reação, simplificando o processo de produção e reduzindo os custos de produção.