Производство на биодизел с превъзходна ефективност на процеса и разходите

Ултразвуковото смесване е превъзходната технология за високоефективно и рентабилно производство на биодизел. Ултразвуковата кавитация подобрява драстично преноса на маса, като по този начин намалява производствените разходи и продължителността на обработката. В същото време могат да се използват некачествени масла и мазнини (напр. отработени масла) и да се подобри качеството на биодизела. Hielscher Ultrasonics доставя високопроизводителни, здрави ултразвукови смесителни реактори за всякакъв производствен мащаб. Прочетете повече как вашето производство на биодизел ще се възползва от ултразвука!

Ползи от производството на биодизел с помощта на ултразвук

Биодизел (метилов естер на мастни киселини, abrev. FAME) е продукт на реакция на трансестерификация на липидна суровина (триглицериди, напр. растително масло, отработени масла за готвене, животински мазнини, масло от водорасли) и алкохол (метанол, етанол) с помощта на катализатор (напр. калиев хидроксид KOH).
Проблемът: При конвенционалното преобразуване на биодизел с конвенционално разбъркване, несмесващият се характер на двете реагенти на реакцията на трансестерификация на нефт и алкохол води до лоша скорост на пренос на маса, което води до неефективно производство на биодизел. Тази неефективност се характеризира с дълго време на реакция, по-високи моларни съотношения метанол и масло, високи изисквания към катализатори, високи температури на процеса и висока скорост на разбъркване. Тези фактори са значителни фактори за разходите, което прави конвенционалното производство на биодизел скъп процес.
Решението: Ултразвуковото смесване емулгира реагентите по високоефективен, бърз и евтин начин, така че съотношението масло-метанол може да бъде подобрено, изискванията за катализатор да бъдат намалени, времето за реакция и температурата на реакцията да бъдат намалени. По този начин се спестяват ресурси (т.е. химикали и енергия), както и време, намаляват се разходите за преработка, а качеството на биодизела и рентабилността на производството се подобряват значително. Тези факти превръщат ултразвуковото смесване в предпочитаната технология за ефективно производство на биодизел.
Научните изследвания и промишлените производители на биодизел потвърждават, че ултразвуковото смесване е много рентабилен начин за производство на биодизел, дори когато като суровина се използват некачествени масла и мазнини. Ултразвуковата интензификация на процеса значително подобрява скоростта на преобразуване, намалявайки използването на излишен метанол и катализатор, което позволява да се произвежда биодизел, отговарящ на стандарта за качество на спецификациите ASTM D6751 и EN 14212. (срв. Abdullah et al., 2015)

Трансестерификацията на триглицеридите в биодизел (FAME) с помощта на ултразвук води до ускорена реакция и значително по-висока ефективност.

Многобройни предимства на ултразвуковото смесване в производството на биодизел

Ултразвуковите смесителни реактори могат лесно да бъдат интегрирани във всяка нова инсталация, както и модернизирани в съществуващи инсталации за биодизел. Интегрирането на ултразвуков миксер Hielscher превръща всяко съоръжение за биодизел във високопроизводително производствено предприятие. Лесният монтаж, здравината и удобството за използване (не се изисква специално обучение за експлоатация) позволяват модернизирането на всяко съоръжение до високоефективна инсталация за биодизел. По-долу ви представяме научно доказани резултати от предимства, документирани от независими трети страни. Цифрите доказват превъзходството на ултразвуковото смесване на биодизел пред всяка конвенционална техника на разбъркване.

Блок-схемата показва стъпките за производство на биодизел, включително ултразвуково смесване за подобрена ефективност на процеса.

Сравнение на ефективността и разходите: Ултразвук срещу механично разбъркване

Gholami et al. (2021) представят в своето сравнително проучване предимствата на ултразвуковата трансестерификация пред механичното разбъркване (т.е. смесител с лопатки, работно колело, смесител с високо срязване).
Инвестиционни разходи: Ултразвуковият процесор и реактор UIP16000 могат да произвеждат 192–384 тона биодизел/ден с отпечатък от само 1,2 м х 0,6 м. За сравнение, за механично разбъркване (MS) е необходим много по-голям реактор поради дългото време на реакция в процеса на механично разбъркване, което води до значително увеличаване на цената на реактора. (срв. Gholami et al., 2020)
Разходи за обработка: Разходите за обработка на ултразвуков биодизел са със 7,7% по-ниски от тези за процеса на разбъркване, главно поради по-ниските общи инвестиции за процеса на ултразвуково обезвреждане. Цената на химикалите (катализатор, метанол/алкохол) е третият по големина фактор за разходите и в двата процеса, ултразвука и механичното разбъркване. Въпреки това, за ултразвуково преобразуване на биодизел разходите за химикали са значително по-ниски, отколкото за механично разбъркване. Разходната част на химикалите представлява приблизително 5% от крайната цена на биодизела. Поради по-ниската консумация на метанол, натриев хидроксид и фосфорна киселина, цената на химикалите в процеса на ултразвуков биодизел е с 2,2% по-ниска от тази на процеса на механично разбъркване.
Разходи за енергия: Енергията, консумирана от ултразвуковия смесителен реактор, е приблизително три пъти по-ниска от тази на механичната бъркалка. Това значително намаляване на консумацията на енергия е продукт на интензивното микросмесване и намаленото време за реакция, в резултат на производството и срутването на безброй кухини, които характеризират явлението акустична / ултразвукова кавитация (Gholami et al., 2018). Освен това, в сравнение с конвенционалната бъркалка, консумацията на енергия за етапите на оползотворяване на метанол и пречистване на биодизел по време на процеса на ултразвуково смесване е намалена съответно с 26,5% и 1,3%. Този спад се дължи на по-ниските количества метанол, влизащи в тези две дестилационни колони в процеса на ултразвукова трансестерификация.
Разходи за изхвърляне на отпадъци: Ултразвуковата кавитационна технология също значително намалява разходите за изхвърляне на отпадъци. Тези разходи в процеса на ултразвук са приблизително една пета от тези в процеса на разбъркване, в резултат на значителното намаляване на производството на отпадъци поради по-високото преобразуване на реактора и по-ниските количества консумиран алкохол.
Прочетете повече за ултразвуковото преобразуване на биодизел на масла от отработена утайка от кафе!
Екологичност: Поради много високата обща ефективност, намалената консумация на химикали, по-ниските енергийни изисквания и намалените отпадъци, производството на ултразвуков биодизел е значително по-екологично от конвенционалните производствени процеси на биодизел.

Извод – Ултразвукът подобрява ефективността на производството на биодизел

Научната оценка показва ясните предимства на ултразвуковото смесване пред конвенционалното механично разбъркване за производство на биодизел. Предимствата на ултразвуковата обработка на биодизел включват обща капиталова инвестиция, обща себестойност на продукта, нетна настояща стойност и вътрешна норма на възвръщаемост. Установено е, че размерът на общите инвестиции в процеса на ултразвукова кавитация е по-нисък от този на други с приблизително 20,8%. Използването на ултразвукови реактори намалява разходите за продукта с 5,2% – използване на върджин масло от рапица. Тъй като ултразвукът позволява да се обработват и отработени масла (напр. използвани масла за готвене), производствените разходи могат да бъдат намалени значително допълнително. Gholami et al. (2021) стигат до заключението, че поради положителната нетна настояща стойност, процесът на ултразвукова кавитация е по-добрият избор на технология за смесване за производство на биодизел.
От техническа гледна точка, най-важните ефекти на ултразвуковата кавитация обхващат значителната ефективност на процеса и намаляването на времето за реакция. Образуването и срутването на множество вакуумни мехурчета – известна като акустична / ултразвукова кавитация – Намалете времето за реакция от няколко часа в реактора с разбъркан резервоар до няколко секунди в ултразвуковия кавитационен реактор. Това кратко време на престой позволява производството на биодизел в проточен реактор с малък отпечатък. Ултразвуковият кавитационен реактор също показва благоприятно въздействие върху енергийните и материалните изисквания, намалявайки консумацията на енергия до почти една трета от консумацията на реактор с разбъркан резервоар и консумацията на метанол и катализатор с 25%.
От икономическа гледна точка общата инвестиция в процеса на ултразвукова кавитация е по-ниска от тази на процеса на механично разбъркване, главно поради почти 50% и 11,6% намаление съответно на разходите за реактора и на дестилационната колона на метанол. Процесът на ултразвукова кавитация също така намалява производствените разходи за биодизел поради 4% намаление на потреблението на рапично масло, по-ниска обща инвестиция, 2,2% по-ниска консумация на химикали и 23,8% по-ниски изисквания за комунални услуги. За разлика от процеса на механично разбъркване, ултразвуковата обработка е приемлива инвестиция поради положителната си нетна настояща стойност, по-краткото време за изплащане и по-високата вътрешна норма на възвръщаемост. В допълнение към технико-икономическите ползи, свързани с процеса на ултразвукова кавитация, той е по-екологичен от процеса на механично разбъркване. Ултразвуковата кавитация води до 80% намаляване на отпадъчните потоци поради по-високото преобразуване в реактора и намалената консумация на алкохол в този процес. (срв. Gholami et al., 2021)

Използвайте катализатора по ваш избор

Ултразвуковият процес на трансестерификация на биодизел е доказано ефективен при използване както на алкални, така и на основни катализатори. Например, Shinde и Kaliaguine (2019) сравняват ефективността на ултразвуковото и механичното смесване на ножове с помощта на различни катализатори, а именно натриев хидроксид (NaOH), калиев хидроксид (KOH), (CH₃ONa), тетраметил амониев хидроксид и четири гуанидина (пропил-2,3-дициклохексил гуанидин (PCHG), 1,3-дициклохексил 2 n-октил гуанидин (DCOG), 1,1,3,3-тетраметил гуанидин (TMG), 1,3-дифенил гуанидин (DPG)). Ултразвуковото смесване (при 35º), както е показано, превъзхожда производството на биодизел, превъзхождащо механичното смесване (при 65º) с по-високи добиви и скорост на преобразуване. Ефективността на преноса на маса в ултразвуковото поле увеличава скоростта на реакцията на трансестерификация в сравнение с механичното разбъркване. Sonication превъзхожда механичното разбъркване за всички тествани катализатори. Провеждането на реакцията на трансестерификация с ултразвукова кавитация е енергийно ефективна и индустриално жизнеспособна алтернатива за производство на биодизел. Освен широко използваните катализатори KOH и NaOH, и двата гуанидинови катализатора, пропил-2,3 дициклохексилгуанидин (PCHG) и 1,3-дициклохексил 2 n-октилгуанидин (DCOG), са показани като интересни алтрнативи за преобразуване на биодизел.
Mootabadi et al. (2010) изследват ултразвуков синтез на биодизел от палмово масло, използвайки различни катализатори на алкални метални оксиди като CaO, BaO и SrO. Активността на катализатора при ултразвуков синтез на биодизел е сравнена с традиционния процес на магнитно разбъркване и е установено, че ултразвуковият процес показва 95,2% от добива при използване на BaO в рамките на 60 минути време на реакция, което иначе отнема 3-4 часа при конвенционалния процес на разбъркване. За ултразвуково подпомагана трансестерификация при оптимални условия са необходими 60 минути, за да се постигне 95% добив в сравнение с 2–4 часа при конвенционално разбъркване. Също така, добивите, постигнати с ултразвук за 60 минути, се увеличават от 5,5% на 77,3% с помощта на CaO като катализатори, с 48,2% на 95,2% с помощта на SrO като катализатори и с 67,3% до 95,2 с използване на BaO като катализатори.

Производство на биодизел с помощта на различни гуанидини (3% mol) като катализатор. (A) Реактор за механично разбъркване: (метанол: рапично масло) 4:1, температура 65ºC; (Б) Ултразвуков партиден реактор: ултразвуков апарат UP200St, (метанол: рапично масло) 4:1, 60% амплитуда на САЩ, температура 35ºC. Смесването, задвижвано от ултразвук, превъзхожда механичното разбъркване далеч.
(Проучване и графики: Shinde and Kaliaguine, 2019)

Високоефективни ултразвукови реактори за превъзходна обработка на биодизел

Hielscher Ultrasonics предлага високопроизводителни ултразвукови процесори и реактори за подобрено производство на биодизел, което води до по-високи добиви, подобрено качество, намалено време за обработка и по-ниски производствени разходи.

Малки и средни биодизелови реактори

За производство на малък и среден биодизел до 9 тона/час (2900 gal/h), Hielscher ви предлага UIP500hdT (500 вата), UIP1000hdT (1000 вата), UIP1500hdT (1500 вата)и UIP2000hdT (2000 вата) ултразвукови модели смесители с високо срязване. Тези четири ултразвукови реактора са много компактни, лесни за интегриране или преоборудване. Те са създадени за тежка работа в тежки условия. По-долу ще намерите препоръчителни настройки на реактора за различни производствени норми.

Индустриални биодизелови реактори с много голяма производителност

За инсталации за производство на биодизел за промишлена преработка Hielscher предлага UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) и UIP16000hdT (16kW) ултразвукови хомогенизатори! Тези ултразвукови процесори са предназначени за непрекъсната обработка на високи дебити. UIP4000hdT, UIP6000hdT и UIP10000 могат да бъдат интегрирани в стандартни морски товарни контейнери. Като алтернатива и четирите модела процесори се предлагат в шкафове от неръждаема стомана. Изправената инсталация изисква минимално пространство. По-долу ще намерите препоръчителните настройки за типични скорости на промишлена обработка.