Üstün proses səmərəliliyi və xərc effektivliyi ilə biodizel istehsalı

Ultrasəslə qarışdırma yüksək səmərəli və xərc baxımından effektiv biodizel istehsalı üçün üstün texnologiyadır. Ultrasəs kavitasiyası kütlə ötürülməsini kəskin şəkildə yaxşılaşdırır, bununla da istehsal xərclərini və emal müddətini azaldır. Eyni zamanda, aşağı keyfiyyətli yağlardan və piylərdən (məsələn, tullantı yağlardan) istifadə etmək mümkündür və biodizelin keyfiyyəti yaxşılaşır. Hielscher Ultrasonics istənilən istehsal miqyası üçün yüksək məhsuldarlıqlı, möhkəm ultrasəs qarışdırma reaktorları təchiz edir. Ultrasəs emalının biodizel istehsalınıza necə fayda verəcəyi barədə daha ətraflı oxuyun!

Biodizel istehsalında ultrasəsdən istifadənin faydaları

Biodizel (yağ turşusunun metil efiri, qısaca FAME) katalizatordan (məsələn, kalium hidroksid KOH) istifadə etməklə lipid xammalı (triqliseridlər, məsələn, bitki yağı, işlənmiş yemək yağları, heyvan piyləri, yosun yağı) ilə spirt (metanol, etanol) arasında gedən transesterifikasiya reaksiyasının məhsuludur.
Problem: Adi qarışdırmadan istifadə edilən ənənəvi biodizel çevrilməsində yağ və spirtin transesterifikasiya reaksiyasının hər iki reagentinin bir-biri ilə qarışmaması kütlə ötürülmə sürətinin aşağı olmasına və nəticədə biodizel istehsalının səmərəsizliyinə səbəb olur. Bu səmərəsizlik uzun reaksiya müddətləri, daha yüksək metanol–yağ molyar nisbətləri, yüksək katalizator tələbatı, yüksək proses temperaturları və yüksək qarışdırma sürətləri ilə xarakterizə olunur. Bu amillər xərcləri əhəmiyyətli dərəcədə artıraraq ənənəvi biodizel istehsalını bahalı prosesə çevirir.
Həll: Ultrasəslə qarışdırma reagentləri yüksək səmərəli, sürətli və az xərcli şəkildə emulsiyalaşdırır, beləliklə, yağ–metanol nisbətini yaxşılaşdırmaq mümkün olur, katalizator tələbatı azalır, reaksiya müddəti qısalır və reaksiya temperaturu aşağı düşür. Bununla resurslara (yəni kimyəvi maddələrə və enerjiyə), eləcə də vaxta qənaət edilir, emal xərcləri azalır, biodizelin keyfiyyəti və istehsalın rentabelliyi isə əhəmiyyətli dərəcədə yüksəlir. Bu faktlar ultrasəslə qarışdırmanı səmərəli biodizel istehsalı üçün üstünlük verilən texnologiyaya çevirir.
Tədqiqatlar və sənaye biodizel istehsalçıları təsdiqləyirlər ki, hətta aşağı keyfiyyətli yağlardan və piylərdən xammal kimi istifadə edildikdə belə, ultrasəslə qarışdırma biodizel istehsalının xərc baxımından yüksək dərəcədə effektiv üsuludur. Prosesin ultrasəslə intensivləşdirilməsi çevrilmə dərəcəsini əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırır, artıq metanol və katalizator istifadəsini azaldır və ASTM D6751 keyfiyyət standartına və EN 14212 spesifikasiyalarına uyğun biodizel istehsal etməyə imkan verir. (bax: Abdullah et al., 2015)

Ultrasəs emalından istifadə etməklə triqliseridlərin biodizelə (FAME) transesterifikasiyası reaksiyanın sürətlənməsinə və səmərəliliyin əhəmiyyətli dərəcədə yüksəlməsinə səbəb olur.

Biodizel istehsalında ultrasəslə qarışdırmanın çoxsaylı üstünlükləri

Ultrasəs qarışdırma reaktorlarını istənilən yeni qurğuya asanlıqla inteqrasiya etmək, həmçinin mövcud biodizel zavodlarına sonradan quraşdırmaq mümkündür. Hielscher ultrasəs qarışdırıcısının inteqrasiyası istənilən biodizel müəssisəsini yüksək məhsuldarlıqlı istehsal zavoduna çevirir. Sadə quraşdırma, möhkəmlik və istifadə rahatlığı (istismar üçün xüsusi təlim tələb olunmur) istənilən müəssisəni yüksək səmərəli biodizel zavoduna çevirməyə imkan verir. Aşağıda müstəqil üçüncü tərəflərin sənədləşdirdiyi üstünlüklərin elmi cəhətdən təsdiqlənmiş nəticələrini təqdim edirik. Rəqəmlər biodizelin ultrasəslə qarışdırılmasının istənilən ənənəvi qarışdırma üsulundan üstün olduğunu sübut edir.

Axın sxemi proses səmərəliliyini yaxşılaşdırmaq üçün ultrasəslə qarışdırma da daxil olmaqla biodizel istehsalının mərhələlərini göstərir.

Səmərəlilik və xərclərin müqayisəsi: ultrasəs və mexaniki qarışdırma

Gholami et al. (2021) müqayisəli tədqiqatlarında ultrasəs transesterifikasiyasının mexaniki qarışdırma (yəni qanadlı qarışdırıcı, impeller, yüksək kəsmə təsirli qarışdırıcı) ilə müqayisədə üstünlüklərini təqdim edirlər.

Aşağı investisiya xərcləri:
Ultrasəs prosessoru və reaktoru UIP16000 cəmi 1,2m x 0,6m yer tutmaqla 192–384 t biodizel/d istehsal edə bilər. Müqayisə üçün, mexaniki qarışdırma (MS) prosesində reaksiya müddətinin uzun olması səbəbindən xeyli böyük reaktor tələb olunur və bu, reaktorun dəyərini əhəmiyyətli dərəcədə artırır. (bax: Gholami et al., 2020)
Aşağı emal xərcləri:
Ultrasəslə biodizel istehsalının emal xərcləri qarışdırma prosesinin xərclərindən 7,7% aşağıdır; bunun əsas səbəbi ultrasəs emalı prosesinə ümumi investisiyanın daha az olmasıdır. Kimyəvi maddələrin (katalizator, metanol/spirt) dəyəri hər iki prosesdə – ultrasəs emalında və mexaniki qarışdırmada – xərcləri formalaşdıran üçüncü ən böyük amildir. Bununla belə, biodizelin ultrasəslə çevrilməsində kimyəvi maddələrə çəkilən xərclər mexaniki qarışdırma ilə müqayisədə əhəmiyyətli dərəcədə aşağıdır. Kimyəvi maddələrin xərc payı biodizelin yekun maya dəyərinin təxminən 5%-ni təşkil edir. Metanol, natrium hidroksid və fosfor turşusunun daha az sərf olunması sayəsində ultrasəs biodizel prosesində kimyəvi maddələrin xərci mexaniki qarışdırma prosesindəkindən 2,2% aşağıdır.

Azaldılmış enerji xərcləri:
Ultrasəs qarışdırma reaktorunun sərf etdiyi enerji mexaniki qarışdırıcının sərf etdiyi enerjidən təxminən üç dəfə azdır. Enerji sərfinin bu əhəmiyyətli azalması akustik / ultrasəs kavitasiyası hadisəsini xarakterizə edən saysız-hesabsız boşluqların yaranması və çökməsi nəticəsində baş verən intensiv mikroqarışdırmanın və qısalmış reaksiya müddətinin nəticəsidir (Gholami et al., 2018). Bundan əlavə, ənənəvi qarışdırıcı ilə müqayisədə ultrasəslə qarışdırma prosesində metanolun geri qazanılması və biodizelin təmizlənməsi mərhələlərində enerji sərfi müvafiq olaraq 26,5% və 1,3% azalır. Bu azalma ultrasəs transesterifikasiyası prosesində həmin iki distillə kolonuna daxil olan metanol miqdarının daha az olması ilə əlaqədardır.

Tullantıların utilizasiyası xərclərinin kəskin azalması:
Ultrasəs kavitasiyası texnologiyası tullantıların utilizasiyası xərclərini də nəzərəçarpacaq dərəcədə azaldır. Ultrasəs emalı prosesində bu xərc qarışdırma prosesindəki xərcin təxminən beşdə birini təşkil edir; bu, reaktorda daha yüksək çevrilmə dərəcəsi və daha az spirt sərfi sayəsində yaranan tullantı miqdarının əhəmiyyətli dərəcədə azalmasının nəticəsidir.
İşlənmiş qəhvə çöküntülərindən alınan yağların ultrasəslə biodizelə çevrilməsi barədə daha ətraflı oxuyun!

Ətraf mühitə uyğunluğun yaxşılaşdırılması:
Çox yüksək ümumi səmərəlilik, azaldılmış kimyəvi maddə sərfi, daha aşağı enerji tələbatı və daha az tullantı sayəsində ultrasəslə biodizel istehsalı ənənəvi biodizel istehsalı proseslərindən əhəmiyyətli dərəcədə daha ekoloji uyğundur.

Nəticə – ultrasəs biodizel istehsalının səmərəliliyini yaxşılaşdırır

Elmi qiymətləndirmə biodizel istehsalında ultrasəslə qarışdırmanın ənənəvi mexaniki qarışdırma ilə müqayisədə aydın üstünlüklərini göstərir. Ultrasəslə biodizel emalının üstünlükləri ümumi kapital investisiyasını, məhsulun ümumi maya dəyərini, xalis cari dəyəri və daxili gəlirlilik normasını əhatə edir. Ultrasəs kavitasiyası prosesinə ümumi investisiya məbləğinin digər proseslə müqayisədə təxminən 20,8% aşağı olduğu müəyyən edilmişdir. İlkin kanola yağından istifadə edildikdə ultrasəs reaktorlarının tətbiqi məhsulun maya dəyərini 5,2% azaltmışdır. Ultrasəs emalı işlənmiş yağları (məsələn, istifadə edilmiş yemək yağlarını) da emal etməyə imkan verdiyindən istehsal xərclərini əlavə olaraq əhəmiyyətli dərəcədə azaltmaq mümkündür. Gholami et al. (2021) belə nəticəyə gəlirlər ki, müsbət xalis cari dəyər sayəsində ultrasəs kavitasiyası prosesi biodizel istehsalı üçün qarışdırma texnologiyası baxımından daha yaxşı seçimdir.
Texniki baxımdan ultrasəs kavitasiyasının ən mühüm təsirləri prosesin əhəmiyyətli səmərəliliyini və reaksiya müddətinin azalmasını əhatə edir. Akustik / ultrasəs kavitasiyası kimi tanınan çoxsaylı vakuum qabarcıqlarının yaranması və çökməsi reaksiya müddətini qarışdırılan çən reaktorundakı bir neçə saatdan ultrasəs kavitasiyası reaktorunda bir neçə saniyəyə qədər azaldır. Bu qısa qalma müddəti az yer tutan axın reaktorunda biodizel istehsalına imkan verir. Ultrasəs kavitasiyası reaktoru enerji və material tələbatına da müsbət təsir göstərir: enerji sərfini qarışdırılan çən reaktorunun sərf etdiyi enerjinin təxminən üçdə birinə qədər, metanol və katalizator sərfini isə 25% azaldır.
İqtisadi baxımdan ultrasəs kavitasiyası prosesinə ümumi investisiya mexaniki qarışdırma prosesinə investisiyadan aşağıdır; bunun əsas səbəbi reaktorun və metanol distillə kolonunun dəyərinin müvafiq olaraq təxminən 50% və 11,6% azalmasıdır. Ultrasəs kavitasiyası prosesi həmçinin kanola yağı sərfinin 4% azalması, daha aşağı ümumi investisiya, kimyəvi maddə sərfinin 2,2% azalması və köməkçi xidmət resurslarına tələbatın 23,8% azalması sayəsində biodizelin istehsal xərclərini azaldır. Mexaniki qarışdırma prosesindən fərqli olaraq, ultrasəs emalı müsbət xalis cari dəyəri, daha qısa geriödəmə müddəti və daha yüksək daxili gəlirlilik norması sayəsində məqbul investisiyadır. Ultrasəs kavitasiyası prosesinin texniki-iqtisadi faydalarına əlavə olaraq, bu proses mexaniki qarışdırma prosesindən daha ekoloji uyğundur. Bu prosesdə reaktordakı daha yüksək çevrilmə dərəcəsi və azaldılmış spirt sərfi sayəsində ultrasəs kavitasiyası tullantı axınlarının 80% azalmasına səbəb olur. (bax: Gholami et al., 2021)

Aşağı keyfiyyətli xammalı təmiz biodizelə çevirin!

Ultrasəs emalı tullantı bitki yağları, işlənmiş qızartma yağları, heyvan piyi və ya balıq yağları kimi aşağı keyfiyyətli xammalın daha effektiv emalına imkan verir, çünki ultrasəs kavitasiyası bir-biri ilə qarışmayan yağ və spirt fazaları arasında daha yaxşı təmas yaradır, qarışdırmanı, eləcə də istilik və kütlə ötürülməsini xeyli yaxşılaşdırır. O, həmçinin reaksiya kinetikasını sürətləndirir, beləliklə, hətta emalı çətin və xüsusiyyətləri dəyişkən olan xammalı daha sürətli və daha tam çevirmək mümkündür.
Akustik kavitasiya reaksiya mühitini intensivləşdirir və yüksək reaktiv radikalların yaranmasını təşviq edə bilər; bu da sürətli transesterifikasiyanı əlavə olaraq dəstəkləyir və aşağı keyfiyyətli xammalın emalına xas adi çatışmazlıqları aradan qaldırmağa kömək edir.
Ultrasəs emalının tullantı yağları və piyləri biodizelə necə çevirdiyini oxuyun!

Seçdiyiniz katalizatordan istifadə edin

Biodizelin ultrasəs transesterifikasiyası prosesinin həm qələvi, həm də əsasi katalizatorlardan istifadə zamanı səmərəli olduğu sübut edilmişdir. Məsələn, Shinde və Kaliaguine (2019) müxtəlif katalizatorlardan, yəni natrium hidroksiddən (NaOH), kalium hidroksiddən (KOH), (CH₃ONa), tetrametilammonium hidroksiddən və dörd quanidindən (propil-2,3-disikloheksil quanidin (PCHG), 1,3-disikloheksil 2 n-oktil quanidin (DCOG), 1,1,3,3-tetrametil quanidin(TMG), 1,3-difenil quanidin (DPG)) istifadə etməklə ultrasəslə qarışdırmanın və mexaniki qanadlı qarışdırmanın səmərəliliyini müqayisə etmişlər. Ultrasəslə qarışdırmanın (35º-də) biodizel istehsalında daha yüksək məhsul çıxımı və çevrilmə dərəcəsi ilə mexaniki qarışdırmanı (65º-də) üstələdiyi və üstün olduğu göstərilmişdir. Ultrasəs sahəsində kütlə ötürülməsinin səmərəliliyi mexaniki qarışdırma ilə müqayisədə transesterifikasiya reaksiyasının sürətini artırmışdır. Ultrasəs emalı sınaqdan keçirilmiş bütün katalizatorlar üçün mexaniki qarışdırmanı üstələmişdir. Transesterifikasiya reaksiyasının ultrasəs kavitasiyası ilə aparılması biodizel istehsalı üçün enerji baxımından səmərəli və sənayedə tətbiq edilə bilən alternativdir. Geniş istifadə olunan KOH və NaOH katalizatorlarından başqa, hər iki quanidin katalizatorunun – propil-2,3 disikloheksilquanidinin (PCHG) və 1,3-disikloheksil 2 n-oktilquanidinin (DCOG) – biodizel çevrilməsi üçün maraqlı alternativlər olduğu göstərilmişdir.
Mootabadi et al. (2010) CaO, BaO və SrO kimi müxtəlif qələvi metal oksidi katalizatorlarından istifadə etməklə palma yağından ultrasəslə dəstəklənən biodizel sintezini araşdırmışlar. Ultrasəslə dəstəklənən biodizel sintezində katalizatorun aktivliyi ənənəvi maqnit qarışdırma prosesi ilə müqayisə edilmiş və müəyyən olunmuşdur ki, ultrasəs prosesi BaO-dan istifadə etməklə 60 min reaksiya müddətində 95,2% məhsul çıxımı vermişdir; adi qarışdırma prosesində isə bunun üçün 3–4 h tələb olunur. Optimal şəraitdə ultrasəslə dəstəklənən transesterifikasiyada 95% məhsul çıxımına çatmaq üçün 60 min tələb olunmuşdur, adi qarışdırmada isə bu müddət 2–4 h təşkil etmişdir. Həmçinin 60 min ərzində ultrasəslə əldə olunan məhsul çıxımı katalizator kimi CaO-dan istifadə edildikdə 5,5%-dən 77,3%-ə, SrO-dan istifadə edildikdə 48,2%-dən 95,2%-ə, BaO-dan istifadə edildikdə isə 67,3%-dən 95,2-yə yüksəlmişdir.

Katalizator kimi müxtəlif quanidinlərdən (3% mol) istifadə etməklə biodizel istehsalı. (A) Mexaniki qarışdırmalı dövri reaktor: (metanol:kanola yağı) 4:1, temperatur 65ºC; (B) Ultrasəs dövri reaktoru: ultrasəs cihazı UP200St, (metanol:kanola yağı) 4:1, 60% US amplitudası, temperatur 35ºC. Ultrasəslə qarışdırma mexaniki qarışdırmanı xeyli üstələyir.
(Tədqiqat və qrafiklər: Shinde və Kaliaguine, 2019)

Biodizelin üstün emalı üçün yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs reaktorları

Hielscher Ultrasonics daha yüksək məhsul çıxımı, yaxşılaşdırılmış keyfiyyət, qısaldılmış emal müddəti və daha aşağı istehsal xərcləri ilə nəticələnən təkmilləşdirilmiş biodizel istehsalı üçün yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs prosessorları və reaktorları təklif edir.

Kiçik və orta miqyaslı biodizel reaktorları

9ton/hr (2900 gal/hr)-a qədər kiçik və orta miqyaslı biodizel istehsalı üçün Hielscher sizə UIP500hdT (500 watts), UIP1000hdT (1000 watts), UIP1500hdT (1500 watts), və UIP2000hdT (2000 watts) yüksək kəsmə təsirli ultrasəs qarışdırıcı modellərini təklif edir. Bu dörd ultrasəs reaktoru çox yığcamdır, onları inteqrasiya etmək və ya sonradan quraşdırmaq asandır. Onlar sərt mühitlərdə ağır iş rejimində istismar üçün hazırlanmışdır. Aşağıda müxtəlif istehsal sürətləri üçün tövsiyə olunan reaktor konfiqurasiyalarını tapa bilərsiniz.

Çox böyük istehsal gücünə malik sənaye biodizel reaktorları

Sənaye emalı aparan biodizel istehsalı zavodları üçün Hielscher UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) və UIP16000hdT (16kW) ultrasəs homogenizatorlarını təklif edir! Bu ultrasəs prosessorları yüksək axın sərflərində fasiləsiz emal üçün nəzərdə tutulmuşdur. UIP4000hdT, UIP6000hdT və UIP10000 standart dəniz yük konteynerlərinə inteqrasiya edilə bilər. Alternativ olaraq, dörd prosessor modelinin hamısı paslanmayan polad şkaflarda mövcuddur. Şaquli quraşdırma minimal yer tələb edir. Aşağıda tipik sənaye emal sürətləri üçün tövsiyə olunan konfiqurasiyaları tapa bilərsiniz.