Застосування явища кавітації і кавітаційного реактору для інтенсифікації процесу естерифікації
DOI:
https://doi.org/10.33216/1998-7927-2025-287-1-57-66Ключові слова:
кавітація, кавітаційний реактор, естерифікація, інтенсифікація процесів, гідродинамічна кавітація, оптимізація хімічних реакцій, енергозбереженняАнотація
У статті досліджено використання явища кавітації для покращення процесу естерифікації, що відіграє важливу роль у хімічній та нафтохімічній промисловості. Розглянуто механізми формування кавітаційних бульбашок, їх вплив на фізико-хімічні характеристики середовища та прискорення реакцій у рідинних системах. Показано переваги кавітаційного реактора для удосконалення технологічних процесів, що сприяє підвищенню продуктивності та зниженню енергетичних витрат.
Естерифікація є поширеним способом синтезу складних ефірів, які знаходять застосування в органічному синтезі, виробництві біопалива, харчовій, косметичній та фармацевтичній галузях. Традиційні методи естерифікації вимагають значних енергетичних витрат та каталізаторів для ефективного перебігу реакцій. У роботі доведено, що використання кавітаційних явищ сприяє інтенсивнішому змішуванню реагентів, розриву міжмолекулярних зв’язків, підвищенню ефективності каталізу та скороченню тривалості процесу.
Розглянуто різні типи кавітаційних реакторів, серед яких гідродинамічні, ультразвукові та акустичні системи, а також їхній вплив на ефективність естерифікації. Наведено результати експериментальних досліджень, які демонструють, що застосування кавітації забезпечує стабільність продуктів реакції, мінімізує утворення побічних продуктів та збільшує вихід кінцевого ефіру. Визначено оптимальні параметри роботи кавітаційного реактора, такі як тиск, частота ультразвукових хвиль, температура та швидкість подачі реагентів.
Крім того, стаття містить аналіз економічної ефективності впровадження кавітаційних технологій у промисловість. Встановлено, що застосування кавітаційних ефектів сприяє значному зменшенню енергоспоживання, скороченню витрат на каталізатори та покращенню екологічних показників виробництва. Обговорено перспективи розвитку цієї технології, зокрема можливість її інтеграції у сучасні виробничі лінії та застосування у суміжних галузях промисловості.
Таким чином, результати дослідження підтверджують, що кавітація є потужним засобом для інтенсифікації естерифікаційних процесів, забезпечуючи підвищену ефективність реакцій, зниження енергетичних витрат та покращення якості кінцевого продукту. Використання кавітаційних технологій відкриває нові можливості для вдосконалення хімічних виробництв та підвищення їх конкурентоспроможності.
Посилання
1. Saharan VK Computational study of diferent venturi and orifce type hydrodynamic cavitating devices. J Hydrodyn 2016. 28(2):293–305. https:// doi.org/10.1016/s1001-6058(16)60631-5
2. Mingming Ge, Guangjian Zhang, Martin Petkovšek, Kunpeng Long, Olivier Coutier-Delgosha, Intensity and regimes changing of hydrodynamic cavitation considering temperature effects, Journal of Cleaner Production, Volume 338, 2022, 130470, ISSN 0959-6526, https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.130470.
3. Sun 孙逊, Xun & Xuan, Xiaoxu & Song, Yongxing & Jia, Xiaoqi & Ji, L& Zhao, Shan & Yoon, Joon-Yong & Chen, Songying & Liu, Jingting & Wang, Guichao. Experimental and Numerical Studies on the Cavitation in an Advanced Rotational Hydrodynamic Cavitation Reactor for Water Treatment. Ultrasonics Sonochemistry. 2021. 70. 105311. 10.1016/j.ultsonch.2020.105311.
4. Sarker TR, Pattnaik F, Nanda S, Dalai AK, Meda V, Naik S Hydrothermal pretreatment technologies for lignocellulosic biomass: a review of steam explosion and subcritical water hydrolysis. Chemosphere 284:131372. 2021. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.131372
5. Hilares RT, Dionízio RM, Prado CA, Ahmed MA, da Silva SS, Santos JC Pretreatment of sugarcane bagasse using hydrodynamic cavitation technology: semi-continuous and continuous process. Biores Technol 290:121777. 2019. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.121777
6. Jensen MB, Kofoed MVW, Fischer K, Voigt NV, Agneessens LM, Batstone DJ, Ottosen LDM Venturi-type injection system as a potential H2 mass transfer technology for full-scale in situ biomethanation. Appl Energy 222:840–846. 2018. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.04.034
7. Авдєєва, Леся & Макаренко, Андрій & Щенський, Дмитро. (2022). Застосування ефектів гідродинамічної кавітації в харчовій промисловості. Scientific Works. 86. 44-50. 10.15673/swonaft.v86i1.2402.
8. Khullar E, Dien BS, Rausch KD, Tumbleson ME, Singh V Efect of particle size on enzymatic hydrolysis of pretreated Miscanthus. Ind Crops Prod 44:11–17. 2013. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2012.10.015
9. Badve MP, Alpar T, Pandit AB, Gogate PR, Csoka L Modeling the shear rate and pressure drop in a hydrodynamic cavitation reactor with experimental validation based on KI decomposition studies. Ultrason Sonochem 22:272–277. 2015. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2014.05.017
10. Xun Sun, Gaoju Xia, Weibin You, Xiaoqi Jia, Sivakumar Manickam, Yang Tao, Shan Zhao, Joon Yong Yoon, Xiaoxu Xuan, Effect of the arrangement of cavitation generation unit on the performance of an advanced rotational hydrodynamic cavitation reactor, Ultrasonics Sonochemistry, Volume 99 2023, 106544, ISSN 1350-4177, https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2023.106544.
11. Bimestre TA, Júnior JAM, Botura CA, Canettieri E, Tuna CE Theoretical modeling and experimental validation of hydrodynamic cavitation reactor with a Venturi tube for sugarcane bagasse pretreatment. Biores Technol 311:123540. 2020. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.123540
12. Polczmann G., O.Toth A., Beck, Hancsok J., Investigation of Storage Stability of Diesel Fuels Containing Biodiesel Produced from Waste Cooking Oil, J. Clean. Prod., 111. 2016.
13. Calıskan, Y.; Yatmaz, H.C.; Bektas, N. Photocatalytic oxidation of high concentrated dye solutions enhanced by hydrodynamic cavitation in a pilot reactor. Process Saf. Environ. Prot. 2017, 111, 428–438.
14. Li, P.; Song, Y.; Wang, S.; Tao, Z.; Yu, S.; Liu, Y. Enhanced decolorization of methyl orange using zero-valent copper nanoparticles under assistance of hydrodynamic cavitation. Ultrason. Sonochem. 2015, 22, 132–138.
15. Lamoot, L., Manescau, B., Chetehouna, K., & Gascoin, N. Review on the Effect of the Phenomenon of Cavitation in Combustion Efficiency and the Role of Biofuels as a Solution against Cavitation. Energies, 2021. 14(21), 7265. https://doi.org/10.3390/en14217265
16. Вашкурак У. Ю., Шевчук Л. І. Кавітаційне очищення стічних вод жиркомбінату від органічних забруднень у присутності газів різної природи. Chemistry, Technology and Application of Substances = Хімія, технологія речовин та їх застосування. 2018. Vol. 1, № 1. P. 105–110. (фахове видання, Index Copernicus).
17. Oo, Y.M., Juera-Ong, P. & Somnuk, K. Methyl ester production process from palm fatty acid distillate using hydrodynamic cavitation reactors in series with solid acid catalyst. Sci Rep 14, 27732 2024. https://doi.org/10.1038/s41598-024-78974-3
18. Haoxuan Zheng, Ying Zheng, Jesse Zhu. Recent Developments in Hydrodynamic Cavitation Reactors: Cavitation Mechanism, Reactor Design, and Applications. Engineering, 2022, 19(12): 180‒198 https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.04.027
19. Samuel, O. D., Aigba, P. A., Tran, T. K., Fayaz, H., Pastore, C., Der, O., Erçetin, A., Enweremadu, C. C., & Mustafa, A. Comparison of the Techno-Economic and Environmental Assessment of Hydrodynamic Cavitation and Mechanical Stirring Reactors for the Production of Sustainable Hevea brasiliensis Ethyl Ester. Sustainability, 2023. 15(23), 16287. https://doi.org/10.3390/su152316287
20. Hosseinzadeh Samani, B., Behruzian, M., Najafi, G., Fayazishishvan, E., Ghobadian, B., Behruzian, A., Mofijur, M., Mazlan, M., & Yue, J. The rotor-stator type hydrodynamic cavitation reactor approach for enhanced biodiesel fuel production. Fuel, 2021. 283, Article 118821. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.118821
21. Ющенко С.Л., Столяренко Г.С., Мислюк Є.В. Застосування явища кавітації і кавітаційного апарату для інтенсифікації процесів хімічної технології // Збірник матеріалів конференції IV Української науково-технічної конференції з технології неорганічних речовин, 14-16 жовтня 2008 р., Дніпродзержинськ: ДДТУ, 2008.
22. Mazubert A., Taylor C., Aubin J., ad Poux M., Key Role of Temperature Monitoring in Interpretation of Microwave Effect on Transesterification and Esterification Reactions for Biodiesel Production, BioresourseTechnolgy, 16.1 2014.
23. Chuah L.F., Yusup S., AbdAziz A.R., Bokhari A., Jaromír K., MohdZamri A., Intensification of Biodiesel Synthesis from Waste Cooking Oil (Palm Olein) in a Hydrodynamic Cavitation Reactor: Effect of Operating Parameters on Methyl Ester Conversion, Chemical Engineering and Processing, 2015. 95: 235-240.
24. Ющенко С.Л., Столяренко Г.С., Мислюк Є.В. Отримання альтернативного палива (біодизелю) шляхом кавітаційного явища / Збірник тез доповідей II Всеукраїнської науково – практичної конференції з хімії та хімічної технології студентів, аспірантів та молодих вчених. К.: 2007. 247 с.
25. Mellouk H., Meullemiestre A., Maache-Rezzoug Z., Bejjani B., Dani A., and Rezzoug S.A.,Valorization of Industrial Wastes from French Maritime Pine Bark by Solvent free Microwave Extraction of Volatiles. J. Clean. Prod., 2016. 112 (Part 5), 4398-4405
