Proizvodnja biodizela i konverzija biodizela
Prevladajte ograničenja proizvodnje biodizela ultrazvučnim reaktorima! Spora kinetika reakcije i slab prijenos mase mogu znatno smanjiti kapacitet, prinos i kvalitetu vašeg postrojenja za biodizel. Hielscher ultrazvučni reaktori odgovaraju na ove izazove znatnim poboljšanjem kinetike transesterifikacije. Zahvaljujući tome, za preradu biodizela potrebno je manje viška metanola i manja količina katalizatora.
Ultrazvučna kavitacija: vrhunsko rješenje za miješanje
Tradicionalna proizvodnja biodizela obično koristi šaržne reaktore s toplinom i mehaničkim miješanjem kao ulazima energije. Ultrazvučna kavitacija nudi djelotvornu alternativu kojom se postiže bolje miješanje u komercijalnoj preradi biodizela. Ta ultrazvučna kavitacija osigurava potrebnu energiju aktivacije za industrijsku transesterifikaciju biodizela.
Ključne prednosti ultrazvučne transesterifikacije biodizela:
- Veće stope konverzije
- Kraća vremena reakcije
- Poboljšana kvaliteta proizvoda
- Mogućnost pretvaranja otpadnih ulja u FAME (metilne estere masnih kiselina)
Ultrazvučno miješanje poboljšava stopu konverzije biodizela, povećava prinos i štedi višak metanola i katalizatora.
Ultrazvučno poboljšana transesterifikacija biodizela
Proizvodnja biodizela obično uključuje hemijsku reakciju zvanu transesterifikacija, pri kojoj triglicerid (poput biljnog ulja, životinjske masti, iskorištenih ulja za kuhanje) reagira s alkoholom (poput metanola) u prisutnosti katalizatora i daje biodizel (metilne estere masnih kiselina) i glicerol. Ultrazvučni reaktori mogu se koristiti za poboljšanje procesa transesterifikacije na nekoliko načina, što donosi nekoliko prednosti:
- Poboljšano miješanje: Ultrazvučni talasi mogu stvoriti kavitacijske mjehuriće koji se snažno urušavaju, uzrokujući intenzivno miješanje i komešanje reakcijske smjese. To dovodi do boljeg kontakta između reaktanata i katalizatora, što rezultira bržom i potpunijom transesterifikacijom.
- Ubrzana kinetika reakcije: Visokoenergetski uslovi koje stvaraju ultrazvučni talasi mogu aktivirati reakciju, povećavajući brzinu reakcije i skraćujući vrijeme reakcije potrebno za postizanje zadanog stepena konverzije. To može rezultirati većim prinosima i nižim troškovima.
- Smanjena potrošnja katalizatora: Ultrazvučni reaktori mogu poboljšati efikasnost upotrebe katalizatora osiguravajući više aktivnih mjesta za reakciju. To znači da je potrebno manje katalizatora za postizanje istog stepena konverzije, čime se smanjuju troškovi i utjecaj na okoliš.
- Poboljšana kvaliteta proizvoda: Ultrazvučni reaktori mogu proizvesti biodizel s nižim sadržajem slobodnih masnih kiselina, većom čistoćom i boljim svojstvima protoka na hladnom. To je posljedica poboljšanog miješanja i brže kinetike reakcije, što svodi na najmanju mjeru stvaranje neželjenih nusproizvoda i nečistoća.
Zahvaljujući ovim prednostima ultrazvučne prerade biodizela, upotreba ultrazvučnog reaktora vrlo je ekonomična jer ultrazvučni reaktori znatno poboljšavaju efikasnost, brzinu i kvalitetu transesterifikacije biodizela. Ukratko, to znači da ultrazvučna obrada transesterifikaciju pretvara u ekonomski i ekološki održiviji proces.
Problemi konvencionalnog miješanja biodizela: Konvencionalna reakcija esterifikacije u šaržnoj obradi obično je spora, a odvajanje faza glicerina dugotrajno je i često traje 5 sati ili više.
Ultrazvučni reaktori pomažu vam da ubrzate proces proizvodnje biodizela te istovremeno povećate prinos i kvalitetu biodizela uz niže troškove obrade!
Ultrazvučni uređaj industrijske klase UIP2000hdT s protočnom ćelijom FC2T500k za inline esterifikaciju i transesterifikaciju biodizela.
Prednosti ultrazvučne transesterifikacije biodizela
- Veći prinosi biodizela zahvaljujući boljem miješanju
- Povećana kvaliteta biodizela
- Koristite čak i najlošije ulje kao sirovinu
- Kontinuirana inline obrada
- Manje metanola
- Manje katalizatora
- Ušteda vremena zahvaljujući brzoj konverziji
- Ušteda energije
- Jednostavan i siguran rad
- Robusnost i nizak nivo održavanja
- Visoke performanse: rad 24/7 pod punim opterećenjem
Ultrazvučni reaktor UIP16000hdT proizvodi približno 32MMGY
“Vrlo smo zadovoljni opremom i uslugom kompanije Hielscher i imamo punu namjeru uključiti Hielscher tehnologiju ultrazvučne obrade u sve naše buduće poduhvate.”
Todd Stephens, Tulsa Biofuels
Ultrazvuk za proizvodnju biodizela
Biodizel se često proizvodi u šaržnim reaktorima. Ultrazvučna konverzija biodizela omogućava kontinuiranu inline obradu. Ultrazvučnom obradom može se postići prinos biodizela veći od 99%. Ultrazvučni reaktori skraćuju vrijeme obrade s uobičajene šaržne obrade od 1 do 4 sata na manje od 30 sekundi. Što je važnije, ultrazvučna obrada skraćuje vrijeme odvajanja s 5 do 10 sati (uz konvencionalno miješanje) na manje od 60 minuta. Ultrazvučna obrada također pomaže da se potrebna količina katalizatora smanji do 50% zahvaljujući povećanoj hemijskoj aktivnosti u prisutnosti kavitacije. Pri korištenju ultrazvučne obrade smanjuje se i potrebna količina viška metanola. Još jedna prednost je posljedično povećanje čistoće glicerina.
Ultrazvučna proizvodnja biodizela korak po korak:
- biljno ulje ili životinjska mast miješa se s metanolom (od kojeg nastaju metilni esteri) ili etanolom (za etilne estere) te natrijevim ili kalijevim metoksidom ili hidroksidom
- smjesa se zagrijava, npr. na temperature između 45 i 65degC
- zagrijana smjesa se inline ultrazvučno obrađuje 5 do 15 sekundi
- glicerin se izdvaja ili se odvaja pomoću centrifuga
- konvertirani biodizel ispire se vodom
Najčešće se ultrazvučna obrada provodi pri povišenom pritisku (1 do 3bar, manometarski pritisak) pomoću pumpe za napajanje i podesivog ventila za protutlak pored protočne ćelije.
Industrijskoj konverziji biodizela nije potrebno mnogo ultrazvučne energije. Stvarna potreba za energijom može se odrediti na laboratorijskoj (stolnoj) skali pomoću npr. ultrazvučnog procesora od 1kW kao što je UIP1000hdT. Svi rezultati takvih stolnih ispitivanja mogu se linearno i bez ikakvih problema povećati na veću skalu. Po potrebi su dostupni ATEX-certifikovani ultrazvučni uređaji, kao što je UIP1000-Exd.
Hielscher isporučuje industrijsku opremu za ultrazvučnu preradu biodizela širom svijeta. Uz ultrazvučne procesore snage do 16kW po pojedinačnom uređaju, nema ograničenja u veličini postrojenja za biodizel ni u kapacitetu obrade.
Troškovi ultrazvučne proizvodnje biodizela
Ultrazvučna obrada djelotvorno je sredstvo za povećanje brzine reakcije i stope konverzije u komercijalnoj proizvodnji biodizela. Troškovi ultrazvučne obrade nastaju uglavnom zbog ulaganja u ultrazvučnu opremu, komunalnih troškova i održavanja. Izvanredna energetska efikasnost Hielscher ultrazvučnih uređaja pomaže da se smanje komunalni troškovi i time proces učini još zelenijim. Troškovi ultrazvučne obrade kreću se između 0,1ct i 1,0ct po litri (0,4ct do 1,9ct/galonu) pri upotrebi u komercijalnoj skali.
Saznajte više o efikasnosti procesa i ekonomskim prednostima ultrazvučne proizvodnje biodizela!
Ultrazvučno miješanje smanjuje specifičnu potrošnju energije u proizvodnji biodizela i daleko nadmašuje hidrodinamičko magnetno miješanje i miješalice visokog smicanja.
Postavka za ultrazvučnu proizvodnju biodizela u maloj skali
Ultrazvučna obrada može se koristiti za konverziju ulja u biodizel u bilo kojoj skali. Slika ispod prikazuje postavku male skale za obradu 60-70L (16 do 19 galona). To je tipična postavka za početne studije i demonstraciju procesa.
Ultrazvučna esterifikacija i transesterifikacija mogu se izvoditi kao šaržni ili kontinuirani inline proces. Ovaj dijagram prikazuje ultrazvučni šaržni proces konverzije biodizela.
3x ultrazvučna uređaja od 1kW, model 1000hdT s ultrazvučnim protočnim reaktorom za vrlo efikasnu konverziju biodizela.
- jedan ultrazvučni uređaj (npr. UIP500hdT ili UIP1000hdT) s boosterom, sonotrodom i protočnom ćelijom
- mjerač snage za mjerenje snage i energije
- spremnik za obradu od 80L (plastika, npr. HDPE)
- grijač (1 do 2kW)
- spremnik za predmješavinu katalizatora od 10L (plastika, npr. HDPE)
- predmiješalica katalizatora (miješalica)
- pumpa (centrifuga, mono ili zupčasta) za približno 10 do 20L/min pri 1 do 3 barg
- ventil za protutlak za podešavanje pritiska u protočnoj ćeliji
- manometar za mjerenje ulaznog pritiska
Ultrazvučni reaktori za vrhunsku preradu biodizela
Hielscher Ultrasonics nudi visokoučinkovite ultrazvučne procesore i reaktore koji će poboljšati vašu proizvodnju biodizela većim prinosima biodizela, poboljšanom kvalitetom biodizela, skraćenim vremenom obrade i nižim troškovima proizvodnje.
Ultrazvučni reaktori male i srednje skale za transesterifikaciju biodizela
Za proizvodnju biodizela male i srednje veličine do 9ton/hr (2900 gal/hr), Hielscher vam nudi UIP500hdT (500 vati), UIP1000hdT (1000 vati), UIP1500hdT (1500 vati) i UIP2000hdT (2000 vati) kao ultrazvučne miješalice visokog smicanja s protočnim reaktorima za pouzdanu i efikasnu inline preradu biodizela. Ova četiri ultrazvučna reaktora vrlo su kompaktna, laka za integraciju ili naknadnu ugradnju. Izrađeni su za težak rad u zahtjevnim okruženjima. Ispod ćete pronaći preporučene postavke reaktora za niz proizvodnih kapaciteta.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT (500 vati) |
0,25 do 0,5
|
80 do 160
|
| 1x UIP1000hdT (1000 vati) |
0,5 do 1,0
|
160 do 320
|
| 1x UIP1500hdT (1500 vati) |
0,75 do 1,5
|
240 do 480
|
| 1x UIP2000hdT (2000 vati) |
1,0 do 2,0
|
320 do 640
|
| 2x UIP2000hdT (2000 vati) |
2,0 do 4,0
|
640 do 1280
|
| 4xUIP1500hdT (1500 vati) |
3,0 do 6,0
|
960 do 1920
|
| 6x UIP1500hdT (1500 vati) |
4,5 do 9,0
|
1440 do 2880
|
| 6x UIP2000hdT (2000 vati) |
6,0 do 12,0
|
1920 do 3840
|
Industrijski reaktori za biodizel vrlo velike propusnosti
Za industrijska postrojenja za proizvodnju biodizela Hielscher nudi ultrazvučne homogenizatore UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10000 (10kW) i UIP16000hdT (16kW)! Ovi ultrazvučni procesori dizajnirani su za kontinuiranu obradu velikih protoka. UIP4000hdT, UIP6000hdT i UIP10000 mogu se integrirati u standardne kontejnere za pomorski prijevoz. Alternativno, sva četiri modela procesora dostupna su u kabinetima od nehrđajućeg čelika. Uspravna ugradnja zahtijeva minimalan prostor. Ispod su preporučene postavke za tipične industrijske kapacitete obrade.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP6000hdT (6000 vati) |
3,0 do 6,0
|
960 do 1920
|
| 3x UIP4000hdT (4000 vati) |
6,0 do 12,0
|
1920 do 3840
|
| 5x UIP4000hdT (4000 vati) |
10,0 do 20,0
|
3200 do 6400
|
| 3x UIP6000hdT (6000 vati) |
9,0 do 18,0
|
2880 do 5880
|
| 3x UIP10000 (10.000 vati) |
15,0 do 30,0
|
4800 do 9600
|
| 3x UIP16000hdT (16.000 vati) |
24,0 do 48,0
|
7680 do 15.360
|
| 5x UIP16000hdT |
40,0 do 80,0
|
12.800 do 25.600
|
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Ultrazvučni uređaj UIP16000hdT može obraditi 32MMGY biodizela.
Frost & Sullivan – tehnološka inovacija godine
Hielscher Ultrasonics je dobio prestižnu nagradu Frost and Sullivan za tehnološku inovaciju godine u znak priznanja za razvoj nove ultrazvučne tehnologije za proizvodnju biodizela.
Kliknite ovdje da biste saznali više o nagradi Frost and Sullivan za Hielscher Ultrasonics reaktore za biodizel!
Transesterifikacija – hemijska konverzija biodizela
Proizvodnja biodizela iz biljnih ulja (npr. sojinog, uljane repice, jatrofe, sjemenki suncokreta), algi, životinjskih masti te otpadnih ulja za kuhanje uključuje transesterifikaciju masnih kiselina s metanolom ili etanolom kataliziranu bazom, pri čemu nastaju odgovarajući metilni ili etilni esteri. Glicerin je neizbježan nusproizvod ove reakcije.
Biljna ulja kao i životinjske masti su trigliceridi sastavljeni od tri lanca masnih kiselina vezana molekulom glicerina. Trigliceridi su esteri. Esteri su kiseline, poput masnih kiselina, spojene s alkoholom. Glicerin (= glicerol) je težak alkohol. U procesu konverzije esteri triglicerida pretvaraju se u alkil estere (= biodizel) pomoću katalizatora (lužine) i alkoholnog reagensa, npr. metanola, čime se dobivaju metilni esteri biodizela. Metanol zamjenjuje glicerin. Ovaj hemijski proces konverzije naziva se transesterifikacija.
Nakon transesterifikacije glicerin, koji je teža faza, tone na dno. Biodizel, koji je lakša faza, pluta na vrhu i može se odvojiti, npr. dekanterima ili centrifugama.
Priprema biodizela
Kalij-hidroksid (0,2 do 0,4kg, katalizator) otapa se u približno 8,5L metanola u spremniku za predmiješanje katalizatora. Za to je potrebno miješanje predmješavine katalizatora. Spremnik za obradu puni se s 66L biljnog ulja. Ulje se grijačem zagrijava na 45 do 65degC.
Konverzija biodizela
Kada se katalizator potpuno otopi u metanolu, predmješavina katalizatora miješa se sa zagrijanim uljem. Pumpa dovodi smjesu u protočnu ćeliju. Pomoću ventila za protutlak pritisak se podešava na 1 do 3barg (15 do 45psig). Recirkulaciju kroz ultrazvučni reaktor za biodizel treba provoditi približno 20 minuta. Za to vrijeme ulje se pretvara u biodizel. Nakon toga se pumpa i ultrazvuk isključuju. Glicerin (teža faza) odvojit će se od biodizela (lakša faza). Odvajanje traje približno 30 do 60 minuta. Kada je odvajanje završeno, glicerin se može ispustiti.
Ispiranje biodizela
Budući da konvertirani biodizel sadrži nečistoće, potrebno je ispiranje. Za ispiranje se voda miješa u biodizel. Ultrazvučna obrada može pomoći miješanju biodizela s vodom. To povećava aktivnu površinu kao rezultat smanjenja veličine kapljica. Imajte na umu da vrlo intenzivna ultrazvučna obrada može smanjiti kapljice vode na veličinu pri kojoj se stvara gotovo stabilna emulzija koju će za odvajanje trebati posebna sredstva (npr. centrifuga).
Postrojenje za proizvodnju biodizela
Dijagram toka ispod prikazuje tipičnu postavku za inline ultrazvučnu obradu ulja, metanola i katalizatora radi konverzije u biodizel.
Ultrazvučna esterifikacija i transesterifikacija mogu se izvoditi kao šaržni ili kontinuirani inline proces. Dijagram prikazuje ultrazvučni inline proces transesterifikacije biodizela (FAME).
Kontinuirana obrada i odvajanje biodizela
U postavci za kontinuiranu obradu biodizela i kontinuirano odvajanje zagrijano ulje i predmješavina katalizatora kontinuirano se miješaju pomoću podesivih pumpi. Inline statički mikser poboljšava homogenost sirovine koja ulazi u ultrazvučni reaktor. Smjesa ulja i katalizatora prolazi kroz protočnu ćeliju, gdje je izložena ultrazvučnoj kavitaciji približno 5 do 30 sekundi. Ventil za protutlak koristi se za kontrolu pritiska u protočnoj ćeliji. Ultrazvučno obrađena smjesa ulazi u kolonu reaktora na vrhu. Zapremina kolone reaktora dizajnirana je tako da omogući vrijeme zadržavanja od približno 1 sata u koloni. Za to vrijeme reakcija transesterifikacije se dovršava. Izreagirana smjesa glicerina i biodizela pumpa se u centrifugu gdje se razdvaja na frakcije biodizela i glicerina. Naknadna obrada obuhvata regeneraciju metanola, ispiranje i sušenje i također se može provoditi kontinuirano.
Ova postavka eliminira šarže u reaktoru za biodizel, konvencionalne miješalice i velike separatorske spremnike.
Brzina reakcije transesterifikacije biodizela
Dijagrami ispod prikazuju tipične rezultate transesterifikacije ulja uljane repice (industrijske kvalitete) natrijevim metoksidom (lijevo) i kalij-hidroksidom (desno). Za oba ispitivanja kontrolni uzorak (plava linija) bio je izložen intenzivnom mehaničkom miješanju. Crvena linija predstavlja ultrazvučno obrađeni uzorak identične formulacije s obzirom na volumni omjer, koncentraciju katalizatora i temperaturu. Horizontalna osa prikazuje vrijeme nakon miješanja, odnosno ultrazvučne obrade. Vertikalna osa prikazuje volumen glicerina koji se istaložio na dnu. To je jednostavno sredstvo za mjerenje brzine reakcije. Na oba dijagrama ultrazvučno obrađeni uzorak (crveni) reagira mnogo brže od kontrolnog uzorka (plavog).
Usporedba ultrazvučnog (crveni grafikon) i konvencionalnog miješanja (plavi grafikon) za proizvodnju biodizela – uz natrijev metoksid (lijevo) i kalij-hidroksid (desno) kao katalizatore.
Poveznice za nabavku opreme za biodizel
Kliknite ovdje za poveznice na dobavljače pumpi i spremnika za industriju biodizela.
Informacije o hemikalijama i sigurnosti
Pažljivo pročitajte informacije ispod kako biste spriječili komplikacije i štetne učinke na zdravlje.
Hemikalije za biodizel
Metanol je otrovan. Dugotrajna upotreba može uzrokovati propadanje živaca. Može ga adsorbirati i koža. Ako dospije u oči, može uzrokovati sljepoću, a metanol može biti smrtonosan ako se proguta. Zbog toga poduzmite potrebne mjere opreza pri rukovanju metanolom. Preporučuje se upotreba dobrog respiratora, pregače i gumenih rukavica.
Kalij-hidroksid (KOH) je otrovan i pri dodiru uzrokuje opekotine kože. Potrebna je dobra ventilacija.
Pobrinite se da radni prostor bude obilno i temeljito prozračen kako bi isparenja mogla izaći. Respiratori s patronama za pare nisu djelotvorni protiv isparenja metanola. Sistem s dovodom zraka (SCBA – samostalni aparat za disanje) pruža bolju zaštitu od para metanola.
Biodizel i gumeni dijelovi
Rad na 100% biodizelu duže vrijeme može uzrokovati komplikacije na gumenim dijelovima motora koji dolaze u dodir s gorivom (pumpa, crijeva, O-prstenovi). Zamjena čeličnim dijelovima ili gumom za teške uslove rada može eliminirati taj problem. Alternativno, u biodizel možete umiješati približno 25% konvencionalnog (fosilnog) dizela kako biste spriječili komplikacije.
Literatura / Reference
- 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.
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore od laboratorijske do industrijske veličine.