混合攪拌技術

由於生質柴油的產製牽涉到多相(油相、醇相、及固相)混合的問題，因此混 合的技術與反應器的選擇在生質柴油的生產系統中極為重要。(Fangrui Ma, 1999, Fangrui Ma, 1999)研究發現在攪拌槽中，水相(氫氧化鈉與甲醇的混合液)所產生 的液滴大小會與攪拌速度的-1/2 次方成比例，這代表攪拌速度越快產生的液滴 越小，而較小的液滴顆粒會使轉酯化反應的速率增快。(C. L. Peterson, 2002)使用 離心混合(centrifugal mixing)方式，進行植物油的轉酯化反應，而利用離心混合的

共沸分離 純化 廢異丙醇

共沸劑

工業級異丙醇

廢水

廢溶劑 蒸餾

waste

滲透蒸發 異丙醇

滲透

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方式可將產量提升至原有批次系統的3 倍。(Harvey et al., 2003)使用連續振盪流 動反應器(continuous oscillatory flow reactor)作為油菜籽油進行轉酯化反應的反應 設備，來提高混合效果並減少反應所需的停留時間，發現增加混合強度後相對於 傳統批次式的生產系統能明顯縮短反應所需時間。(H. Noureddini, 2004)以大豆油 進行轉酯化反應，並發現反應的溫度對於轉酯化反應速率的影響會比攪拌速率更 顯著。(José A. Colucci, 2005)發現使用超音波作為大豆油轉酯化反應的混合機制 以取代傳統的機械攪拌，轉酯化反應速率常數會因此提高3 到5 倍，綜合以上所 一般的超音波破碎機頻率約在20kHz至22kHz之間，(José A. Colucci, 2005)指出經 由 超 音 波 處 理 ， 可 使 兩 相 的 反 應 物 分 子 互 為 壓 縮 與 伸 脹 (compression and rarefaction)而形成為空氣泡(cavitation bubbles)。當超音波強度增大而相互激烈碰 撞則產生熱能並使其產生化學效應，以致提升其質量傳送速率(mass transfer rate)，

稱為液體噴射效應(liquid jet effect)。另一個超音波處理之攪拌效應，係產生巨大 接 觸 流 動 以 利 促 使 快 速 反 應 。 亦 有 文 獻 指 出 超 音 波 誘 發 形 成 的 空 穴 效 應 (cavitation effect)產生大幅震動，可在瞬間形成非常安定的分散乳化液。故利用超 音波處理比傳統均質處理其油滴粒徑平均較小且分佈較均(Y. Asano, 1999)，用於 同相混合可有甚佳之混合效果。此外超音波不必外加熱源即可使液體分子迅速加 熱，使系統中熱量分布均勻，可節省熱能，綜合以上所述，利用超音波技術進行 轉酯化反應有以下優點:

1.可加速反應的進行。

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2.高反應產率並同時減輕純化作業。

3.降低生產消耗之能量並減少生產成本。

故本研究採用超音波技術作為加熱及混和設備，利用超音波對液體快速加熱及極 佳之混合特性，用於酯化及轉酯化反應，可節省熱能、降低反應時間及提高產率。

而(Alok Kumar Singh, 2007)指出超音波在許多反應系統當中可以有效的提高反應 速率，在轉酯化反應當中，超音波除了提供混合用的能量亦同時提供轉酯化反應 所需之活化能； (Ji et al., 2006)亦指出超音波可以有效的增加化學反應的速度，

更有效的應用醇油莫耳比，且相較於現有的機械攪拌方式，超音波混合技術可使 植物油以及動物油酯以較少的能量轉化為生質柴油；而(José A. Colucci, 2005)藉 由設備簡單輕巧的超音波混合反應系統進行大豆油轉酯化反應，於混合攪拌中可 使液體變成非常小的乳狀液滴，增進反應試劑與觸媒的接觸面積，進而提高反應 速率且有效地縮短反應時間。(Alok Kumar Singh, 2007)使用低頻超音波反應系統 進行大豆油轉酯化反應，相較於一般傳統批次式1 小時的反應時間，超音波系統 於反應時間5 分鐘即可得到產率99%以上的生質柴油。(Vishwanath G. Deshmane, 2009)亦指出超音波混合所產生的空穴效應會影響反應試劑之質量傳送速率及均 勻性，進而有效地提高轉化率。其他近年來利用超音波輔助程序進行酯化及轉酯 化相關文獻所使用的料源、反應時間與溫度、觸媒種類與劑量、醇油莫耳比等操 作條件彙整於Table 2-12，並可作為本研究未來進行實驗設計的參考。

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Table 2.12、Transesterification by ultrasonic technology Auther Material Methanol/Oil

(mol/mol)

Reaction temperature

(℃)

Catalyst Time (min)

Conversion (%)

esterification

(Vishwanath G.

Deshmane, 2009)

palm oil 5-9 30-40 ^{硫酸 1-5wt.%} 110-440 -

canola and palm blended oil

6 10-60 KOH 0.5-3.0wt% 1-5 88.5-98.5

(Choudhury et al., 2013)

Jatropha oil 6-18 65 NaOH 1-5wt% 60 95

(Kumar Tiwari et Jatropha oil 5-15 50-70 NaOH 1-5wt% 15 99

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(Patil and Deng, 2009)

(Kumar Tiwari et al., 2007)

Jatropha oil 5:1 60

KOH 0.55 wt%

24 99

(Vyas et al., 2009) Jatropha oil 12:1 70

Alumina loaded with potassium nitrate

6.0 wt%

360 84

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