Obtención de combustible biodiesel utilizando el Aparato de la Capa Vórtex

Dos líquidos heterogéneos e inmiscibles: el alcohol y el aceite vegetal, cuando se mezclan, forman una emulsión de «alcohol en aceite». Para intensificar la transferencia de masa, se requiere llevar la emulsión inicial a un estado fino y finamente disperso. De la elección del equipo o dispositivo apropiado para la etapa específica del proceso, de hecho, depende de la efectividad de la tecnología utilizada. Las tecnologías conocidas para obtención de combustible biodiesel están muy desactualizadas debido a su consumo extremadamente elevado de energía y materiales y su baja productividad. 

La evolución del progreso científico y tecnológico en esta área está directamente relacionada con el desarrollo de tecnologías fundamentalmente nuevas que utilizan métodos eficientes para el complejo efecto de varios tipos de energía en la cinética del proceso de obtención de combustible biodiesel (metanólisis). 

Se estableció experimentalmente que para la intensificación del proceso de obtención de combustible biodiesel, solo la cavitación y los efectos térmicos sobre los aceites vegetales y el metanol no son suficientes. 

Para crear un proceso de metanólisis de alta intensidad, se propone utilizar como biorreactores con un campo electromagnético giratorio, cuya saturación de energía específica del área de trabajo sea varias veces mayor que la de todos los dispositivos conocidos.

Magnetic Mill AVS-150

Si la velocidad de una reacción química compleja está determinada (limitada) por la velocidad de su etapa más lenta, entonces la velocidad de las reacciones elementales está determinada por su energía de activación. Se determina como la energía requerida para la colisión efectiva de las moléculas, lo que lleva a la interacción química. 

Sólo las moléculas activas que tienen suficiente energía para llevar a cabo esta reacción entran en interacción química. Para convertir moléculas inactivas en activas, necesitan comunicar la energía adicional necesaria, este proceso se denomina activación. 

Una de las formas comunes de aumentar la energía de activación es aumentar la temperatura: en este caso, el número de partículas activas aumenta grandemente, causando un aumento en la velocidad de reacción. En general, la activación de las moléculas es posible no solo cuando las sustancias se calientan, sino también cuando se libera energía durante la reacción, cuando los reactivos absorben la cantidad de radiación (luz, radioactiva, rayos X y otros) bajo la acción de ultrasonido, descarga eléctrica e incluso cuando se golpean contra la pared del reactor. 

El aceite vegetal y el metanol son reactivos de reacción inmiscibles. En la etapa inicial, la masa de reacción consiste de dos fases (alcohol y lípidos), es decir, tenemos un sistema heterogéneo. No se producen reacciones heterogéneas en todo el volumen del sistema, sino en la interfaz o solo en el volumen de una de las fases como resultado de la difusión del componente desde la otra fase (en este caso, se atribuyen las reacciones entre líquidos inmiscibles). 

En consecuencia, la cinética del proceso al comienzo de la reacción controla la transferencia de masa de los reactivos a través de la capa límite de difusión. Los ésteres metílicos de los ácidos alifáticos superiores (componentes de los biocombustibles) son solubles tanto en el aceite vegetal como en el metanol. Cuando aparecen en la masa de reacción, actúan como un «disolvente», reduciendo el espesor de la capa límite de difusión, por lo que algún tiempo después del inicio de la reacción el sistema se vuelve homogéneo y la cinética del proceso controla la reacción química. 

Para activar las moléculas de metanol y triacilgliceroles del aceite vegetal, se propone utilizar un biorreactor, cuyo volumen de reacción se llena con partículas ferromagnéticas, realizando movimientos oscilantes de impulsos complejos bajo la acción de un campo electromagnético giratorio externo. El campo electromagnético giratorio no solo pone en movimiento las partículas ferromagnéticas que mezclan la masa de reacción, sino que también tiene un efecto adicional sobre los reactivos. 

Por lo tanto, la solución al problema de crear equipos de proceso para llevar a cabo procesos continuos para producir combustible diesel compuesto con propiedades mejoradas está directamente relacionada con el desarrollo y uso de aparatos rotativos modificados. Esta conclusión se debe a los experimentos preliminares, cuyo análisis demostró que es prácticamente imposible obtener las propiedades requeridas del combustible en las máquinas rotativas tradicionales con un solo modulador, ya que no pueden lograr los efectos de energía multifactoriales necesarios en una forma pulsada para un tratamiento eficiente para intensificar el proceso de producción de biocombustibles y mejorar la calidad de la mezcla combustible 

Actualmente, casi todo el combustible biodiesel es producido por la metanólisis de triacilgliceroles. El uso de catalizadores homogéneos permite que la metanólisis de materias primas lipídicas (ésteres de glicerol de ácidos carboxílicos superiores) reaccione con alcohol en condiciones suaves. En parte debido a la seguridad de la corrosión, en parte debido a los parámetros cinéticos, el sistema homogéneo más preferido es la elección de catalizadores alcalinos. Este tipo de catalizador es actualmente el más común. Los parámetros más importantes que afectan el proceso de obtención de combustible biodiesel por metanólisis: la temperatura de reacción, la relación molar de alcohol y aceite, la concentración de catalizador, la duración de la reacción, la presencia de humedad y ácidos grasos libres. Toda la investigación y la producción industrial de combustible biodiesel en varios países se llevaron a cabo en el aparato del tipo capacitivo, en el que la mezcla se llevó a cabo únicamente mediante el uso de agitadores mecánicos e hidrodinámicos. 

La reacción de metanólisis es uno de los tipos de reacción de transesterificación intermolecular y es reversible, lo que significa que en este proceso es imposible lograr una conversión completa del 100%. 

Los mono-, di- y triacilgliceroles sin reaccionar siempre estarán presentes en la mezcla de reacción final. 

La peculiaridad de la reacción de metanólisis es que los reactivos iniciales aceite y metanol no se mezclan. Los estudios han demostrado que un conjunto de moléculas de alcohol, formado en gotas, se dispersa en aceite y es una emulsión. En este caso, la metanólisis probablemente se produce en la superficie de las gotitas de alcohol emulsionadas en aceite. Es decir, existe la reacción líquida heterofásica habitual. A medida que se forman ésteres metílicos de ácidos carboxílicos superiores durante la reacción, se difunden en la fase de metanol. 

Así, cuando el biodiesel se produce de esta manera, cuando el biodiesel se produce en la etapa inicial (a una concentración de éster metílico por debajo del 70%), la reacción de metanólisis es esencialmente heterogénea con una transferencia de masa limitada, por lo tanto, la mezcla mecánica resulta ineficaz en la mayoría de los casos. Por encima de esta concentración de ésteres, la mezcla de los componentes de la reacción forma una sola fase. 

El método propuesto para la síntesis de ésteres metílicos de ácidos alifáticos superiores implica un efecto complejo sobre la masa de reacción del campo electromagnético. Al mismo tiempo, es posible lograr altos rendimientos del producto de reacción con una relación molar más pequeña «triacilgliceroles-metanol», así como una reducción brusca del tiempo de reacción. 

Cuando se aplica un campo electro-magnético giratorio en presencia de partículas ferromagnéticas, se pueden usar compuestos iniciales de diferentes grados de purificación. Esto es posible porque en un corto tiempo de reacción (del orden de unos pocos segundos), procesos secundarios como la saponificación y la hidrólisis simplemente no tienen tiempo de ocurrir. Además, la exposición al campo electromagnético aumenta la velocidad de la reacción de esterificación (interacción de los ácidos grasos libres con metanol con la formación de los productos objetivo – ésteres metil-carboxílicos). 

El uso de la capa vórtex de partículas ferromagnéticas que se mueven en un campo electromagnético giratorio proporciona una mezcla extremadamente efectiva debido a la turbulencia en el flujo, que no puede crear una mezcla mecánica. Además, aparecen ondas acústicas y cavitación en la cámara de trabajo del inductor, lo que también conduce a la intensificación de los procesos de transferencia de masa. El nivel de efectos mecánicos y acústicos en los éteres está determinado por los parámetros impuestos sobre la masa de reacción de un campo electromagnético giratorio y el grado de llenado del reactor con partículas ferromagnéticas que forman la capa vórtex. El calor liberado al mismo tiempo contribuye a la activación adicional de los procesos y la transferencia directa de materia (difusión).