Енергийна ефективност и спестяване на метанол при производството на биодизел
Соникацията е енергоспестяваща технология за смесване, която използва ултразвукова кавитация за интензивно микросмесване и бърз масов трансфер между несмесващите се фази на маслото и метанола. При обработката на биодизел този ефект драстично съкращава времето за реакция – от часове в секунди – и позволява ефективна трансестерификация при по-ниски температури и с намалено използване на метанол и катализатор. Освен че самото то е енергийно ефективна технология за преработка, сонирането намалява нуждите от метанол и катализатор, свежда до минимум загубите на енергия и намалява необходимостта от възстановяване на метанола чрез дестилация, което прави сонирането високо ефективна и устойчива алтернатива на конвенционалното механично разбъркване.
Соникацията като интензификация на процеса при производството на биодизел
При производството на биодизел традиционно се използват механични лопаткови бъркалки за смесване на маслото и алкохола в процеса на трансестерификация. Този метод обаче страда от слаб междуфазов контакт между несмесващите се фази, което води до дълги времена на реакция, висок излишък на метанол и значителни енергийни загуби както при смесването, така и при последващото възстановяване на метанола чрез дестилация.
Въвеждането на технологията за ултразвукова кавитация, разработена от Hielscher Ultrasonics GmbH, значително подобри ефективността на процеса. Ултразвуковите реактори прилагат интензивна акустична енергия, която генерира микроскопични кавитационни мехурчета в течната фаза. Тяхната имплозия създава локални горещи точки, интензивно микросмесване и високи скорости на масопренасяне, което позволява бърза трансестерификация при леки условия.
Hielscher 16000 вата мощен сонатор модел UIP16000hdT с поточна клетка за ефективно и енергоспестяващо производство на биодизел.
Сравняване на ултразвукова кавитация и механично разбъркване
1. Ефективност на реакцията и ефективност на смесването
В сравнителна технико-икономическа оценка на реактори с ултразвукова кавитация (UC) и механично разбъркване (MS) (Gholami et al., 2021):
Ултразвуковият реактор постига 99% ефективност на преобразуване в рамките на 5-15 секунди,
докато при реактора с механично разбъркване са необходими ~80 минути за достигане на 95% ефективност на преобразуване.
Това огромно ускорение се дължи на акустичния микропоток и индуцираната от кавитация емулгиране, които реакторите на Хилшер генерират. Тези механизми създават фини дисперсии на алкохол в маслото, като значително увеличават междуфазовата площ и свеждат до минимум съпротивлението при масопренасяне.
Превъзходното смесване позволява трансестерификация при по-ниски температури (45-60°C) и умерено налягане (~3 бара) в сравнение с конвенционалните процеси, които често изискват повишено налягане (~4 бара), за да се предотврати изпаряването на метанола и да се запази разтворимостта.
Ултразвуковото смесване намалява специфичното потребление на енергия при производството на биодизел, като превъзхожда значително хидродинамичното магнитно смесване и смесителите с висока срязваща сила.
2. Консумация на енергия и дизайн на реактора
Пропускателните ултразвукови системи на Hielscher (напр. UIP1500hdT, UIP16000hdT) осигуряват висока плътност на мощността със специфична потребност от енергия от само ~3 kJ/L произведен биодизел. В технико-икономическия модел за инсталация за биодизел с капацитет 50 000 т/г общата потребност от енергия за процеса намалява с 6,9 % при преминаването от механично разбъркване към ултразвукова кавитация.
Разбиване на това:
| Процесна единица | Енергия (MJ/h): РС → САЩ | Намаляване |
|---|---|---|
| Реактор за трансестерификация | 116.6 → 32.4 | ~72% по-ниска |
| Колона за възстановяване на метанол | 3480 → 2557 | ~26% по-малко |
| Обща енергия на процеса | 14,746 → 13,732 | 6,9% по-ниско |
Основната икономия идва от драстично намаленото време за трансестерификация, което позволява по-малки обеми на реактора и по-ниски изисквания за отопление. Компактният проточен дизайн на реакторите на Hielscher, като например UIP16000hdT, може да произвежда до 384 t биодизел на ден, предлагайки мащабируемост чрез модулно групиране без обемната неефективност на големите разбъркващи се резервоари.
UIP1000hdT ултразвуков реактор за по-добро преобразуване на масла и мазнини в биодизел.
Спестяване на метанол и намалена енергия за възстановяване
Решаващ принос за енергийното предимство на ултразвуковата обработка е оптимизираното използване на метанол.Традиционното механично разбъркване изисква моларно съотношение 6:1 между метанол и масло, за да се задвижи реакцията, при което се получава голям излишък, който по-късно трябва да се възстанови чрез енергоемко изпарение или дестилация.
Технологията за ултразвукова кавитация на Hielscher обаче постига почти пълно преобразуване само с 4-4,5:1 съотношения метанол-масло. Това 25% намаление на алкохолната суровина не само намалява разходите за суровини, но и избягва необходимостта от изпаряване и кондензиране на хиляди литри метанол, което значително намалява консумацията на пара в колоната за възстановяване на метанол.
Освен това по-ниските изисквания за метанол и катализатор свеждат до минимум образуването на странични продукти и опростяват пречистването надолу по веригата, като допринасят за по-чистото разделяне на фазите и намаленото генериране на алкални отпадъчни води.
“Етапът на възстановяване на метанола при производството на биодизел е много енергоемък, тъй като всеки килограм метанол изисква приблизително 1100 kJ латентна топлина за изпаряване. – което прави използването на излишния метанол основен фактор за потреблението на топлинна енергия при дестилацията.”
Ултразвуковият метод достига приблизително 75% конверсия в рамките на първите 1,5 минути и достига плато от около 90% конверсия след 6 минути.
Конвенционалният метод показва много по-бавен коефициент на преобразуване, като след 8 минути достига само около 40% преобразуване.
Икономически и екологични последици
Технико-икономическият модел на Gholami et al. (2021) показва:
- Общите инвестиционни разходи са намалени с около 21%,
- Разходите за тон продукт са намалени с около 5%,
- Образуването на отпадъци е намалено до една пета от това при механичното разбъркване,
- Вътрешната норма на възвръщаемост (IRR) се повишава до 18,3% с положителна NPV, докато конвенционалният процес остава неикономичен.
От екологична гледна точка намаляването на излишъка на метанол директно намалява емисиите на летливи органични съединения и намалява използването на топлинна енергия, което привежда производството на биодизел с ултразвук в съответствие с целите на екологичното производство.
Преглед на предимствата на ултразвуковия реактор за биодизел
(резултати от сравнителното проучване, вж. Gholami et al., 2021 г.)
| Параметър | Механично разбъркване | Хилшер Соникатори |
|---|---|---|
| Време за реакция | 80 мин. | 5-15 s |
| Съотношение метанол-масло | 6:1 | 4.5:1 |
| Обща енергия на процеса | 14,746 → 13,732 | 6,9% общо намаление |
| Зареждане на катализатора | 1,0 тегловни % | 0.75 тегловни процента |
| Реакторна енергия | 116,6 MJ/h | 32,4 MJ/h |
| Обща енергия | 14,746 MJ/h | 13,732 MJ/h |
| Генериране на отпадъци | 100% изходна стойност | 20 % от базовото ниво |
| Ефективност на преобразуването | 95% | 99% |
Сонореактор за производство на биодизел
Високоефективни ултразвукови реактори за биодизел
Ултразвуковите реактори за биодизел, проектирани от Hielscher Ultrasonics, осигуряват не само бърза и равномерна трансестерификация, но и значителни икономии на енергия и материали. Намаляването на излишната употреба на метанол – и съответното премахване на етапите на високотемпературно възстановяване – представлява голямо предимство за устойчивостта.
В съчетание с модулна мащабируемост, ниски изисквания за поддръжка и съвместимост с хетерогенни катализатори, соникаторите на Hielscher установяват еталон за енергийно ефективна и чиста технология за производство на биодизел.
Прочетете повече за предимствата на технологията за биодизел на Hielscher Ultrasonics!
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет за обработка на ултразвуковите реактори за биодизел на Hielscher:
|
Дебит
|
Власт
|
|---|---|
|
20 – 100 л/час
|
|
|
80 – 400 л/час
|
|
|
0.3 – 1,5 м³/час
|
|
|
2 – 10m³/час
|
|
|
20 – 100m³/час
|
Проектиране, производство и консултиране – Качество, произведено в Германия
Ултразвуковите апарати Hielscher са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и дизайн. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Тежките условия и взискателните условия се справят лесно с ултразвуковите апарати на Hielscher.
Hielscher Ultrasonics е сертифицирана по ISO компания и поставя специален акцент върху високопроизводителните ултразвукови уреди, отличаващи се с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати на Hielscher са съвместими с CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.
Ултразвуковото смесване превъзхожда механичните смесители с работно колело по ефективност.
- висока ефективност
- Най-съвременна технология
- надеждност & Стабилност
- прецизен контрол на процеса
- партида & Вградени
- за всеки обем
- Интелигентен софтуер
- лесен и безопасен за работа
- ниска поддръжка
- CIP (почистване на място)
Литература / Препратки
- Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.
- Abdullah, C. S.; Baluch, Nazim; Mohtar, Shahimi (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi 77, 2015.
- Ramachandran, K.; Suganya, T.; Nagendra Gandhi, N.; Renganathan, S.(2013): Recent developments for biodiesel production by ultrasonic assist transesterification using different heterogeneous catalyst: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 22, 2013. 410-418.
- Shinde, Kiran; Serge Kaliaguine (2019): A Comparative Study of Ultrasound Biodiesel Production Using Different Homogeneous Catalysts. ChemEngineering 3, No. 1: 18; 2019.
- Leonardo S.G. Teixeira, Júlio C.R. Assis, Daniel R. Mendonça, Iran T.V. Santos, Paulo R.B. Guimarães, Luiz A.M. Pontes, Josanaide S.R. Teixeira (2009): Comparison between conventional and ultrasonic preparation of beef tallow biodiesel. Fuel Processing Technology, Volume 90, Issue 9, 2009. 1164-1166.
- Hamed Mootabadi, Babak Salamatinia, Subhash Bhatia, Ahmad Zuhairi Abdullah (2010): Ultrasonic-assisted biodiesel production process from palm oil using alkaline earth metal oxides as the heterogeneous catalysts. Fuel, Volume 89, Issue 8; 2010. 1818-1825.
Често задавани въпроси
Какво представляват устойчивите горива?
Устойчивите горива са носители на енергия, получени от възобновяеми ресурси като биомаса, отпадъци или уловен въглерод, произведени с минимални нетни емисии на парникови газове и съвместими със съществуващата енергийна инфраструктура.
Енергийно ефективно гориво ли е биодизелът?
Биодизелът е енергийно ефективно гориво, тъй като производството и употребата му водят до благоприятен енергиен баланс, като възвръщаемостта на енергията през целия жизнен цикъл обикновено е 3-5 пъти по-голяма от вложената енергия от изкопаеми, необходима за синтеза му, особено когато се използват методи за интензификация на процеса, като например ултразвук.
Как нарастващият брой центрове за данни влияе върху цените на енергията?
Увеличаващият се брой центрове за данни повишава глобалното търсене на електроенергия и засилва натиска върху енергийните мрежи, като по този начин влияе върху цените на едро на енергията и ускорява необходимостта от нисковъглеродно производство и гъвкавост на мрежите. По този начин енергоспестяващата технология за смесване, каквато е ултразвуковата, ще се използва все повече, за да се намали потреблението на енергия и разходите за обработка.
Какво е предимството на биодизела?
Основното предимство на биодизела е неговата възобновяемост и въглеродна неутралност, тъй като той произхожда от биологични липиди и отделя значително по-малко прахови частици, серни оксиди и неизгорели въглеводороди, отколкото петролното дизелово гориво, като същевременно остава съвместим със съществуващите дизелови двигатели.
Hielscher Ultrasonics произвежда високоефективни ултразвукови хомогенизатори за смесване, дисперсия, емулгиране и екстракция в лабораторен, пилотен и индустриален мащаб.