Производство на биодизел с превъзходна ефективност на процеса и разходите

Ултразвуковото смесване е превъзходната технология за високоефективно и икономически изгодно производство на биодизел. Ултразвуковата кавитация подобрява драстично масопреноса, като по този начин намалява производствените разходи и продължителността на обработката. Същевременно могат да се използват нискокачествени масла и мазнини (напр. отпадъчни масла), а качеството на биодизела се подобрява. Hielscher Ultrasonics доставя високопроизводителни, издръжливи реактори за ултразвуково смесване за всякакъв производствен мащаб. Прочетете повече за това как вашето производство на биодизел ще се възползва от ултразвуковата обработка!

Предимства на използването на ултразвук при производството на биодизел

Биодизелът (метилов естер на мастна киселина, съкр. FAME) е продукт от реакция на трансестерификация на липидна суровина (триглицериди, напр. растително масло, използвани масла за готвене, животински мазнини, масло от водорасли) и алкохол (метанол, етанол) с използване на катализатор (напр. калиев хидроксид KOH).
Проблемът: При конвенционалното преобразуване в биодизел чрез конвенционално разбъркване несмесимостта на двата реагента в реакцията на трансестерификация на масло и алкохол води до ниска скорост на масопренос и съответно до неефективно производство на биодизел. Тази неефективност се характеризира с дълги времена на реакция, по-високи моларни съотношения метанол–масло, голяма потребност от катализатор, високи температури на процеса и високи скорости на разбъркване. Тези фактори са значими източници на разходи, които правят конвенционалното производство на биодизел скъп процес.
Решението: Ултразвуковото смесване емулгира реагентите високоефективно, бързо и с ниски разходи, така че съотношението масло–метанол може да се подобри, потребността от катализатор се намалява, а времето и температурата на реакцията се понижават. По този начин се спестяват ресурси (т.е. химикали и енергия), както и време, разходите за обработка се намаляват, а качеството на биодизела и рентабилността на производството се подобряват значително. Тези факти превръщат ултразвуковото смесване в предпочитаната технология за ефективно производство на биодизел.
Изследванията и промишлените производители на биодизел потвърждават, че ултразвуковото смесване е икономически много изгоден начин за производство на биодизел, дори когато като суровина се използват нискокачествени масла и мазнини. Ултразвуковата интензификация на процеса подобрява значително степента на преобразуване, като намалява използването на излишни количества метанол и катализатор и позволява производството на биодизел, отговарящ на стандарта за качество ASTM D6751 и спецификациите EN 14212. (вж. Abdullah et al., 2015)

Трансестерификацията на триглицериди в биодизел (FAME) чрез ултразвукова обработка води до ускорена реакция и значително по-висока ефективност.

Многобройни предимства на ултразвуковото смесване при производството на биодизел

Реакторите за ултразвуково смесване могат лесно да се интегрират във всяка нова инсталация, както и да се монтират допълнително в съществуващи заводи за биодизел. Интегрирането на ултразвуков смесител Hielscher превръща всяко съоръжение за биодизел във високопроизводителен завод. Лесният монтаж, издръжливостта и удобството за потребителя (не е необходимо специално обучение за работа) позволяват модернизирането на всяко съоръжение до високоефективен завод за биодизел. По-долу ви представяме научно доказани резултати за предимства, документирани от независими трети страни. Числата доказват превъзходството на ултразвуковото смесване при производството на биодизел спрямо всяка конвенционална техника на разбъркване.

Технологичната схема показва етапите на производството на биодизел, включително ултразвуковото смесване за подобрена ефективност на процеса.

Сравнение на ефективността и разходите: ултразвук спрямо механично разбъркване

Gholami et al. (2021) представят в своето сравнително изследване предимствата на ултразвуковата трансестерификация спрямо механичното разбъркване (т.е. лопатков смесител, импелер, смесител с високо срязване).

Ниски инвестиционни разходи:
Ултразвуковият процесор и реактор UIP16000 може да произвежда 192–384 t биодизел/d, като заема площ само 1,2m x 0,6m. За сравнение, при механично разбъркване (MS) е необходим много по-голям реактор поради дългото време на реакция в процеса с механично разбъркване, което води до значително увеличаване на разходите за реактора. (вж. Gholami et al., 2020)
Ниски разходи за обработка:
Разходите за обработка при ултразвуковото производство на биодизел са със 7,7% по-ниски от тези при процеса с разбъркване, главно поради по-ниската обща инвестиция за процеса с ултразвукова обработка. Разходите за химикали (катализатор, метанол/алкохол) са третият по големина източник на разходи и в двата процеса – ултразвукова обработка и механично разбъркване. При ултразвуковото преобразуване в биодизел обаче разходите за химикали са значително по-ниски от тези при механичното разбъркване. Делът на разходите за химикали е приблизително 5% от крайната себестойност на биодизела. Поради по-ниското потребление на метанол, натриев хидроксид и фосфорна киселина разходите за химикали при ултразвуковия процес за биодизел са с 2,2% по-ниски от тези при процеса с механично разбъркване.

Намалени разходи за енергия:
Енергията, потребявана от реактора за ултразвуково смесване, е приблизително три пъти по-малко от тази, потребявана от механичната бъркалка. Това значително намаляване на потреблението на енергия е резултат от интензивното микросмесване и съкратеното време на реакция, произтичащи от образуването и колапса на безброй кухини, които характеризират явлението акустична / ултразвукова кавитация (Gholami et al., 2018). Освен това, в сравнение с конвенционалната бъркалка, потреблението на енергия за етапите на възстановяване на метанола и пречистване на биодизела при процеса с ултразвуково смесване се намалява съответно с 26,5% и 1,3%. Това намаление се дължи на по-малките количества метанол, постъпващи в тези две дестилационни колони при процеса на ултразвукова трансестерификация.

Силно намалени разходи за обезвреждане на отпадъците:
Технологията на ултразвукова кавитация намалява значително и разходите за обезвреждане на отпадъците. При процеса с ултразвукова обработка тези разходи са приблизително една пета от разходите при процеса с разбъркване, което е резултат от значителното намаляване на образуването на отпадъци поради по-високата степен на преобразуване в реактора и по-малките количества потребяван алкохол.
Прочетете повече за ултразвуковото преобразуване в биодизел на масла от използвана утайка от кафе!

Подобрена екологичност:
Поради много високата обща ефективност, намаленото потребление на химикали, по-ниската потребност от енергия и намаленото количество отпадъци ултразвуковото производство на биодизел е значително по-екологично от конвенционалните процеси за производство на биодизел.

Заключение – ултразвукът подобрява ефективността на производството на биодизел

Научната оценка показва ясните предимства на ултразвуковото смесване спрямо конвенционалното механично разбъркване за производство на биодизел. Предимствата на ултразвуковата обработка на биодизел обхващат общата капиталова инвестиция, общата себестойност на продукта, нетната настояща стойност и вътрешната норма на възвръщаемост. Установено е, че размерът на общата инвестиция в процеса с ултразвукова кавитация е с приблизително 20,8% по-нисък от този при другия процес. Използването на ултразвукови реактори намалява себестойността на продукта с 5,2% – при използване на първично масло от канола. Тъй като ултразвуковата обработка позволява да се обработват и използвани масла (напр. използвани масла за готвене), производствените разходи могат да бъдат намалени значително повече. Gholami et al. (2021) стигат до заключението, че поради положителната нетна настояща стойност процесът с ултразвукова кавитация е по-добрият избор на технология за смесване при производството на биодизел.
От техническа гледна точка най-важните ефекти на ултразвуковата кавитация обхващат значителната ефективност на процеса и намаляването на времето на реакция. Образуването и колапсът на многобройни вакуумни мехурчета – известни като акустична / ултразвукова кавитация – намаляват времето на реакция от няколко часа в реактора с разбъркване до няколко секунди в реактора с ултразвукова кавитация. Това кратко време на престой позволява производството на биодизел в проточен реактор, заемащ малка площ. Реакторът с ултразвукова кавитация показва благоприятни ефекти и върху потребността от енергия и материали, като намалява потреблението на енергия до почти една трета от това на реактор с разбъркване, а потреблението на метанол и катализатор – с 25%.
От икономическа гледна точка общата инвестиция в процеса с ултразвукова кавитация е по-ниска от тази в процеса с механично разбъркване, главно поради намаление с близо 50% и 11,6% съответно на разходите за реактора и за дестилационната колона за метанол. Процесът с ултразвукова кавитация намалява и себестойността на производството на биодизел поради намаление с 4% на потреблението на масло от канола, по-ниска обща инвестиция, с 2,2% по-ниско потребление на химикали и с 23,8% по-ниска потребност от спомагателни енергоносители и комунални ресурси. За разлика от процеса с механично разбъркване, ултразвуковата обработка е приемлива инвестиция поради положителната си нетна настояща стойност, по-краткия срок на изплащане и по-високата вътрешна норма на възвръщаемост. В допълнение към технико-икономическите ползи, свързани с процеса с ултразвукова кавитация, той е по-екологичен от процеса с механично разбъркване. Ултразвуковата кавитация води до намаление с 80% на отпадъчните потоци поради по-високата степен на преобразуване в реактора и намаленото потребление на алкохол в този процес. (вж. Gholami et al., 2021)

Превърнете нискокачествената суровина в биодизел с безупречно качество!

Ултразвуковата обработка позволява по-ефективно обработване на нискокачествени суровини като отпадъчни растителни масла, използвани мазнини за пържене, лой или рибни масла, тъй като ултразвуковата кавитация осигурява много по-добър контакт между несмесимите маслена и алкохолна фаза, като значително подобрява смесването, както и топло- и масопреноса. Тя ускорява и кинетиката на реакцията, така че дори трудни за обработка суровини с променливи характеристики могат да бъдат преобразувани по-бързо и по-пълно.
Акустичната кавитация интензифицира реакционната среда и може да стимулира образуването на силно реактивни радикали, което допълнително подпомага бързата трансестерификация и помага за преодоляването на обичайните технологични недостатъци на нискокачествените суровини.
Прочетете как ултразвуковата обработка превръща отпадъчните масла и мазнини в биодизел!

Използвайте катализатор по ваш избор

Доказано е, че процесът на ултразвукова трансестерификация за производство на биодизел е ефективен при използване както на алкални, така и на основни катализатори. Например Shinde и Kaliaguine (2019) сравняват ефективността на ултразвуковото и механичното смесване с лопатки при използване на различни катализатори, а именно натриев хидроксид (NaOH), калиев хидроксид (KOH), (CH₃ONa), тетраметиламониев хидроксид и четири гуанидина (Propyl-2,3-dicyclohexyl guanidine (PCHG), 1,3-dicyclohexyl 2 n-octyl guanidine (DCOG), 1,1,3,3-tetramethyl guanidine(TMG), 1,3-diphenyl guanidine (DPG)). Ултразвуковото смесване (при 35º) показва превъзходство при производството на биодизел, като надминава механичното смесване (при 65º) с по-високи добиви и степен на преобразуване. Ефективността на масопреноса в ултразвуковото поле повишава скоростта на реакцията на трансестерификация в сравнение с механичното разбъркване. Ултразвуковата обработка превъзхожда механичното разбъркване при всички изпитани катализатори. Провеждането на реакцията на трансестерификация с ултразвукова кавитация е енергийно ефективна и промишлено приложима алтернатива за производство на биодизел. Освен широко използваните катализатори KOH и NaOH, двата гуанидинови катализатора propyl-2,3 dicyclohexylguanidine (PCHG) и 1,3-dicyclohexyl 2 n-octylguanidine (DCOG) също са показали, че представляват интересни алтернативи за преобразуване в биодизел.
Mootabadi et al. (2010) изследват подпомаган с ултразвук синтез на биодизел от палмово масло с използване на различни катализатори от оксиди на алкални метали, като CaO, BaO и SrO. Активността на катализатора при подпомагания с ултразвук синтез на биодизел е сравнена с традиционния процес с магнитно разбъркване и е установено, че ултразвуковият процес показва добив от 95,2% при използване на BaO в рамките на 60 min време на реакция, което иначе отнема 3–4 h при конвенционалния процес с разбъркване. За подпомаганата с ултразвук трансестерификация при оптимални условия са необходими 60 min за постигане на добив от 95% в сравнение с 2–4 h при конвенционално разбъркване. Освен това добивите, постигнати с ултразвук за 60 min, се увеличават от 5,5% до 77,3% при използване на CaO като катализатор, от 48,2% до 95,2% при използване на SrO като катализатор и от 67,3% до 95,2 при използване на BaO като катализатор.

Производство на биодизел с използване на различни гуанидини (3% mol) като катализатор. (A) Реактор с периодично действие с механично разбъркване: (метанол:масло от канола) 4:1, температура 65ºC; (B) Ултразвуков реактор с периодично действие: ултразвуково устройство UP200St, (метанол:масло от канола) 4:1, 60% ултразвукова амплитуда, температура 35ºC. Смесването чрез ултразвук далеч превъзхожда механичното разбъркване.
(Изследване и графики: Shinde and Kaliaguine, 2019)

Високопроизводителни ултразвукови реактори за превъзходна обработка при производството на биодизел

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

Реактори за производство на биодизел в малък и среден мащаб

За производство на биодизел в малък и среден мащаб до 9ton/hr (2900 gal/hr) Hielscher ви предлага моделите UIP500hdT (500 вата), UIP1000hdT (1000 вата), UIP1500hdT (1500 вата) и UIP2000hdT (2000 вата) на ултразвукови смесители с високо срязване. Тези четири ултразвукови реактора са много компактни и лесни за интегриране или допълнителен монтаж. Те са създадени за работа при високи натоварвания в тежки условия. По-долу ще намерите препоръчителни конфигурации на реактори за различни производствени капацитети.

Промишлени реактори за биодизел с много голям производствен капацитет

За промишлените заводи за производство на биодизел Hielscher предлага ултразвуковите хомогенизатори UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) и UIP16000hdT (16kW) ! Тези ултразвукови процесори са предназначени за непрекъсната обработка при 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. Вертикалният монтаж изисква минимално пространство. По-долу ще намерите препоръчителни конфигурации за типични промишлени капацитети за обработка.