前書き

バイオディーゼル には3つの一般的なタイプの反応器が使用されます 生産： バッチ反応器、 半連続流 リアクター、および 連続フロー リアクター。

バッチプロセスは安価であり、初期資本とインフラストラクチャがはるかに少なくて済みます 投資 柔軟性があり、ユーザーは原料の種類、組成、および 量の変化に対応できます。 バッチプロセスの主な欠点には、生産性の低さ、製品品質のばらつきの大きさ、およびより集中的な労力とエネルギーが含まれます 要件

半連続 プロセスはバッチプロセスと似ていますが、プロデューサーが よりも少ない量で反応することから開始する点が異なります。容器は保持され、その後、 まで まで材料を追加し続けます船は 満杯です。 これ プロセスは労働集約的であり、一般的には使用されません。

連続 エステル交換 大容量 では、バッチプロセスよりもプロセスが優先されます。商業生産 なぜなら これら プロセスにより、一貫した製品品質と低い資本コストおよび運用コストが実現します per 製品の単位 最も一般的なタイプの 連続フロー 反応器は連続槽型 攪拌槽型 リアクター。 他のタイプの 連続フロー 超音波反応器や超臨界反応器などの反応器も商業的に使用されています。 これら 別の手順で 反応をスピードアップできます。

アイダホ大学の研究によると、静的ミキサー反応器と反応蒸留は 可能性があります バイオディーゼル にも使用されます処理中ですが、 これら バイオディーゼル の生産にはまだプロセスが使用されていません 商業的に。

バッチ反応器

バッチ反応器は、ある種の 攪拌を備えた単純なタンクにすることができます。タンクはプロセスの反応物（この場合はオイル、アルコール、触媒）で満たされ、その後、攪拌機が一定時間作動します。必要な時間が経過した後、反応器の内容物は排出され、さらに処理されます。

60ガロン バイオディーゼル バッチプロセッサ

バッチ反応器の主な特徴は、 未反応 で始まることです。材料は、それを反応させ、その後、反応した 材料 で終わります。 それ つまり、バッチリアクターには、 it。 を見る時間に応じてさまざまな種類の材料が含まれています。

バッチリアクターは一般的に小さな バイオディーゼル で使用されます生産 植物。 バッチプロセスの欠点は、生産量を増やすために、プラントの物理的サイズを比例した量だけ増やす必要があるかもしれないということです （たとえば、 別のリアクターを購入することによって） 対照的に、 いつ 連続フロープロセスを使用すると、通常、 プラント を増やすことができます。供給速度を上げるか、反応時間を短くすることによる生産能力

連続フロー 原子炉

最も一般的な 連続フロー バイオディーゼル のシステム生産は連続 攪拌タンク 反応器 （CSTR）。 一見すると、図1に示すようなCSTRは、バッチ反応器と同じように見えます。実際、多くの場合、実際のリアクターは同じである可能性がありますが、リアクターを 連続フロー に設定するには、追加の制御が必要です。 システム。 いくつかの 連続フロー プラントは、バッチモードまたは連続モードのいずれかで動作できる場合があります。

CSTRでは、反応物が継続的に添加され、生成物 （ 未反応 反応物を含むさまざまな化学物質の混合物 ） 継続的に 撤回。 均一な化学組成と 温度を確保するには、適切な攪拌が必要です。 連続フロー プロセスには通常、複雑なプロセス制御と製品のオンライン監視が必要です 品質

いつ a CSTR 定常状態、理想的には関与する化学物質の濃度で継続的に操作されます すべき 反応器内のどこでも、常にほぼ一定である 時間 実際には、この理想的な状態が達成されることはめったにありません。したがって、完全な反応を確実にするために、動作パラメータを調整する必要があります。

時々 より 1つのリアクターが使用されます。このシステムでは、アルコールと触媒の約80％が 第1段階 でオイルに追加されます。 CSTR。 次に、反応したストリームは、2番目の CSTR。 に入る前にグリセロール除去ステップを通過します。アルコールと触媒の残りの20パーセントがこの反応器に追加されます。 これ システムは非常に完全な反応を提供し、 より少ないアルコールを使用する可能性があります シングルステップ システム。

図 1： 連続フロー バイオディーゼル リアクター – 2段階のプロセス

超音波 バイオディーゼル 原子炉

超音波は、 分離する傾向のある液体を混合するための便利なツールです。 バイオディーゼル 生産では、野菜 油 / 動物 の間に十分な接触を作り出すために適切な混合が必要です。脂肪とアルコール、特に 反応の開始時 超音波は激しい混合を引き起こすため、反応ははるかに速い速度で進行します。

超音波はエネルギーを流体に伝達し、激しい振動を発生させます。 キャビテーション 泡。 気泡が破裂すると、流体の突然の収縮が発生し、成分が 気泡 の領域で混合されます。液体中でのこのような高エネルギー作用は、反応物混合物の反応性を大幅に高め、温度を上げることなく反応時間を短縮することができます。実際、この反応は周囲温度またはそれよりわずかに高い温度で達成できます。 なぜなら 混合物を加熱する必要はありません、エネルギーは 節約されるかもしれません。

研究によると、超音波は バイオディーゼル の生産に効果的に使用できることが示されています。 （例： Sarma et al。、 2008; Hanh et al。、 2008; Teixeira et al。、 2009） 超音波処理により、同様の収量の バイオディーゼル が得られます。従来の 攪拌タンク に比べて反応時間が大幅に短縮されています。 手順。

超音波は、1つまたは2つの超音波プローブのみが必要な小規模生産者 （最大 最大200万ガロン 年間容量 ）に適しています。原子炉 容器。 ただし、大規模な処理で超音波を使用することは難しい場合があります 多くの超音波プローブ だろう 反応物のすべての領域に到達するために必要です 混合物。

超臨界反応器

伝統的な バイオディーゼル 生産には触媒が必要です （通常 ナトリウムまたはカリウム 水酸化物） エステル交換 を完了する 反応。 反応後、燃料の品質を確保するために触媒を除去する必要があります。 これ 問題が発生する場合があります。 宛先 触媒の必要性を避けてください、 エステル交換 無触媒 で達成できます "超臨界" を使用した方法 プロセス。

によると 化学工学入門熱力学、流体の臨界点は、その臨界温度と臨界圧力によって定義されます。 " 純粋な化学種が 蒸気 / 液体 平衡状態で存在することが観察される最高温度と最高圧力" （Smith et al。、 p。 64）。

で 超臨界状態、 液体と蒸気の間の相境界が消え始め、物質は液体と蒸気の両方の性質を持っています。

いつ エステル交換 中に 発生しますメタノールの超臨界状態 （通常 300°C および40 MPa / 5800 psi以上）、植物油または動物性脂肪はメタノールに溶解して単一の 相を形成します。 その後、反応が起こり、 触媒なしで数分で完了します。

超臨界プロセスは、システム内の水と遊離脂肪酸を許容し、従来のプロセスで一般的な石鹸の形成が排除されます（Demirbas、 2006; van Kasteren およびNisworo、 2007; Saka およびIsayama、 2009）。

以来 超臨界状態は非常に高い温度と圧力を必要とするため、プロセスは 高価になる可能性があります。 それにもかかわらず、大きな バイオディーゼル 生産者は、このプロセスが費用効果が高いと感じるかもしれません。反応は非常に速く起こるので、生産者は比較的小さな反応器と限られたスペースで大量に作ることができます。

バイオディーゼル としての静的ミキサー原子炉

スタティックミキサー スパイラル型 で構成されるシンプルなデバイスです乱流を促進する、チューブやパイプなどのエンクロージャー内の内部部品 。 彼ら 可動部品がなく、使いやすく、メンテナンスが簡単で、通常の条件下では混和しにくい液体の混合に非常に効果的です。

バイオディーゼル 植物油とアルコールからの生産は、最初は植物油へのアルコールの溶解度によって制限されます （Van Gerpen and Knothe、 2005） スタティックミキサーを使用して、反応物を それら の前に混合することができます。原子炉に入る 船 スタティックミキサーは それ自体 原子炉としても使用できます 容器？ アイダホ大学で、スタティックミキサーを 連続フロー として使用する可能性を調査するための研究が行われました。 バイオディーゼル 用の反応器生産 （ トンプソンと彼、 2007 ).

結果は、スタティックミキサーリアクターが バイオディーゼル に効果的であることを示しました。生産、およびを満たす製品 ASTM D6584 仕様が取得されました。 他の反応器構成と同様に、温度と触媒濃度は生成物の収率に大きく影響しました 大幅に 完全な エステル交換 のための最も好ましい条件 60°C および 1.5％ 30分間の触媒 したがって、 バイオディーゼル の反応器としてスタティックミキサーのみを使用することは可能です。植物油と アルコールからの調製。

同様のプロセスが商業的に使用されることもありますが、 バイオディーゼル として大型のスタティックミキサーを使用します。プロセッサは 商用化されていません。

バイオディーゼル の反応蒸留製造

反応蒸留 （RD） は、化学反応と生成物の分離が1つのユニットで同時に発生する化学単位操作です。これは、リアクターと分離ユニットの従来の組み合わせの効果的な代替手段です。

反応蒸留は、 場所 の状況で一般的な化学プロセスです。反応が逆転する可能性があります それ自体 簡単に。 RD この技術は、反応ゾーンから反応生成物を除去するため、反応が逆転するのを防ぎ、全体的な変換率を向上させます。

RD システムは、1つから 次へ への開口部を備えた多数のチャンバーで構成されています。成分が最初のチャンバーに追加され、混合物が連続する各チャンバーに入ると、反応が進行し、最後のチャンバーまでに反応が完了します。 RD には、パックドカラムとトレイカラムの両方を使用できます。 アプリケーション; ただし、均一な反応システムにはトレイカラムが推奨されます。より大きな液体ホールドアップと比較的長い保持時間

反応蒸留システムは バイオディーゼル では商業的に使用されていません。生産 なぜなら RD 複雑になる傾向があります プロセス ただし、複雑さはある程度最小限に抑えられます when バイオディーゼル に適用いくつかの 理由 のための生産。メタノールと脂肪酸エステルの沸騰温度の違い （バイオディーゼル） これら の分離が非常に大きい2つのストリームが非常に 簡単になります。 なぜなら エステル交換 反応は液相でのみ発生し、反応時間は液体の総ホールドアップと反応物の供給速度によって確立されます。

国立先端輸送技術研究所が後援するアイダホ大学で実施された研究によると （NIATT） （He et al。、2005、2006、2007）、 RD リアクターシステムは、バッチおよび従来の 連続フロー に比べて3つの大きな利点を示しました。 プロセス： 1） より短い反応時間 （10 から15 分） およびより高いユニット生産性 （7 から9ガロン / ガロン反応器容量 / 時間）。これは商業生産 ユニット; で非常に望ましいです。 2） はるかに低い過剰アルコール要件 （約 3.5：1 モル）。これにより、下流のアルコール回収と操作の労力が大幅に削減されます コスト; および 3） サイズが小さく、アルコール回収の必要性が少ないため、資本コストが低くなります 機器