Faseseparasjon i dekanteren: Prinsipper og optimalisering
Etter at transesterifiseringsreaksjonen har omdannet oljer eller fett til mono-alkyl fettsyreestere, inneholder reaksjonsblandingen to flytende faser med begrenset innbyrdes løselighet som må separeres før videre raffinering. Gravitasjonsdekanteren er et vanlig apparat som benyttes til dette formålet i sats- og kontinuerlige biodieselanlegg. En forståelse av de fysiske prinsippene som styrer separasjonen, prosessvariablene som påvirker hastighet og fullstendighet, og kvalitetskonsekvensene av mangelfull separasjon hjelper operatører og ingeniører til å ta velbegrunnede beslutninger om dekanterdesign og -drift.
Fysiske prinsipper for faseseparasjon
Separasjon i en gravitasjonsdekanter bygger på to egenskaper: den begrensede innbyrdes løseligheten mellom fettsyreestere og glyserol, og en meningsfull tetthetsdifferanse mellom dem. Under de betingelsene som er beskrevet i produksjonsveiledningen, er den glyserolrike fasen tettere enn den esterrike fasen. De faktiske tetthetene avhenger av temperatur og sammensetning, herunder restmengder av metanol og vann. Denne kontrasten er tilstrekkelig til å drive gravitasjonsseparasjon, der den tettere glyserolsfasen synker og esterfasen stiger. Tilstedeværelsen av metanol i begge faser påvirker den innbyrdes løseligheten og kan virke som et dispergeringsmiddel som enten bremser koalesens eller, ifølge enkelte fagfolk, bidrar til innledende separasjon, effekten er sammensetningsavhengig og ikke universell.
Viktige prosessparametere å overvåke
Flere variabler påvirker hvor raskt og rent de to fasene skiller seg. Kraftig omrøring under reaksjonen dispergerer glyserol i fine dråper gjennom esterfasen, når omrøringen avtar, må disse dråpene koalescere før et tydelig glyserollag dannes, en prosess hvis varighet avhenger av blandingen og separatorforholdene. Temperaturen påvirker viskositeten i hver fase og løseligheten til resterende alkohol: for lav temperatur øker viskositeten og bremser koalesensen, mens for høy temperatur risikerer fordamping av restmetanol og forstyrrelse av strømningen fra apparatet. Katalysatorrester og et eventuelt nøytraliseringstrinn påvirker også blandingen. Håndteringen av disse avhenger av prosessdesignet, et pH-mål basert på vandig fase skal ikke anvendes ukritisk på en overveiende ikke-vandig flerfasestrøm.
Emulsjonslag og ufullstendig reaksjon
Et synlig emulsjonslag ved ester–glyserol-grenseflaten er et diagnostisk signal snarere enn utelukkende et driftsmessig problem. Partielle glyserider kan bidra til et grenseflatelag, men utseende alene fastslår verken konversjonsgrad eller identifiserer alle årsaker til mangelfull separasjon. Enkelte kontinuerlige prosessdesigner har kontrollert fjerning av grenseflatemateriale for å forhindre opphopning. Vedvarende oppbygging gir grunn til gjennomgang av reaksjonskonversjon, råstoffkvalitet, omrøring og separasjonsforhold, årsaken skal ikke antas ut fra laget alene. I verste fall vil en esterfase forurenset med partielle glyserider ikke tilfredsstille ASTM D6751-spesifikasjonen for total glyserol, som begrenser total glyserol til 0,240 masse-% og fri glyserol til 0,020 masse-% for alle B100-kvaliteter, slik dette er publisert i AFDC B100-spesifikasjonssammendraget (lesere bør verifisere mot den til enhver tid gjeldende versjon av ASTM D6751).
Dekanterdesign og oppholdstid
Dekanterens dimensjonering bestemmes primært av den oppholdstiden som kreves for tilstrekkelig faseseparasjon ved tiltenkt gjennomstrømning. Satsvis sedimenteringstid og dimensjonering av kontinuerlige beholdere avhenger av den faktiske blandingen og krav til separasjon. Dårlig konversjon kan gjøre separasjonen vanskeligere, men å øke beholdervolum er ikke et substitutt for å løse kvalitetsproblemet i foregående trinn. En høy, smal geometri bidrar til å opprettholde fysisk avstand mellom uttakspunktene for ester og glyserol. Sentrifugesystemer kan oppnå separasjon raskere, men medfører høyere kapital- og vedlikeholdskostnader, begge tilnærminger benyttes i kommersielle biodieselanlegg, og valget avhenger av det enkelte anleggets krav.
Relevans for produktkvalitet og sikkerhet
Vellykket faseseparasjon påvirker direkte om esterfasen kan tilfredsstille ASTM D6751. Fri glyserol er begrenset til 0,020 masse-% og total glyserol til 0,240 masse-% i henhold til denne standarden, slik dette er publisert i AFDC B100-spesifikasjonssammendraget (lesere bør verifisere mot den til enhver tid gjeldende versjon av ASTM D6751). Restmetanol fordeler seg mellom begge faser under separasjonen, det meste fjernes med glyserolen, men esterfasen kan fortsatt inneholde noe av den overskytende metanolen fra reaksjonen, som anlegg normalt gjenvinner ved oppvarming, mens eventuelt gjenværende metanol håndteres i etterfølgende vasketrinn med vann. Ettersom restmetanol senker flammepunktet til esterfasen betydelig, setter ASTM D6751-kravet til alkoholkontroll, oppfylt enten ved en metanolinnholdsgrense på 0,2 masse-% eller et flammepunkt på minst 130 °C, en effektiv begrensning på tillatt metanoloverføring i sluttproduktet. Metanol er dessuten svært brannfarlig og kan absorberes gjennom hud og øyne, noe som gjør stedsspesifikke sikkerhetstiltak nødvendige gjennom hele driften av dekanteren og i nedstrøms gjenvinningsoperasjoner.