Proizvodnja biodizela sa vrhunskim procesom i ekonomičnošću

Ultrazvučno miješanje je vrhunska tehnologija za visoko efikasnu i isplativu proizvodnju biodizela. Ultrazvučna kavitacija drastično poboljšava prijenos mase, čime se smanjuju troškovi proizvodnje i trajanje obrade. Istovremeno se mogu koristiti ulja i masti lošeg kvaliteta (npr. otpadna ulja) i poboljšati kvalitet biodizela. Hielscher Ultrasonics isporučuje visoke performanse, robusne ultrazvučne reaktore za miješanje za bilo koju proizvodnu skalu. Pročitajte više kako će vaša proizvodnja biodizela imati koristi od ultrazvuka!

Prednosti proizvodnje biodizela korištenjem ultrazvuka

Biodizel (metil ester masnih kiselina, skraćeno FAME) je proizvod reakcije transesterifikacije lipidnih sirovina (trigliceridi, npr. biljno ulje, istrošeno jestivo ulje, životinjske masti, ulje algi) i alkohola (metanol, etanol) pomoću katalizatora (npr. kalijum hidroksid KOH).
Problem: U konvencionalnoj konverziji biodizela uz korištenje konvencionalnog miješanja, priroda oba reaktanata reakcije transesterifikacije ulja i alkohola dovodi do loše brzine prijenosa mase što rezultira neefikasnom proizvodnjom biodizela. Ovu neefikasnost karakteriziraju dugo vrijeme reakcije, veći molarni omjer metanola i ulja, visoki zahtjevi za katalizatorima, visoke temperature procesa i visoke brzine miješanja. Ovi faktori su značajni pokretači troškova zbog kojih je proizvodnja konvencionalnog biodizela skupa.
Rjesenje: Ultrazvučno miješanje emulgira reaktante na visoko efikasan, brz i jeftin način tako da se omjer ulje-metanol može poboljšati, zahtjevi za katalizatorima su smanjeni, vrijeme reakcije i temperatura reakcije su smanjeni. Time se štede resursi (tj. hemikalije i energija), kao i vrijeme, smanjuju se troškovi obrade, dok se kvalitet biodizela i profitabilnost proizvodnje značajno poboljšavaju. Ove činjenice pretvaraju ultrazvučno miješanje u preferiranu tehnologiju za efikasnu proizvodnju biodizela.
Istraživanja i industrijski proizvođači biodizela potvrđuju da je ultrazvučno miješanje visoko isplativ način proizvodnje biodizela, čak i kada se kao sirovina koriste ulja i masti lošeg kvaliteta. Intenziviranje ultrazvučnog procesa značajno poboljšava stopu konverzije smanjujući upotrebu viška metanola i katalizatora, omogućavajući proizvodnju biodizela koji zadovoljava standard kvaliteta ASTM D6751 i EN 14212 specifikacije. (usp. Abdullah et al., 2015.)

Transesterifikacija triglicerida u biodizel (FAME) upotrebom ultrazvuka dovodi do ubrzane reakcije i značajno veće efikasnosti.

Brojne prednosti ultrazvučnog miješanja u proizvodnji biodizela

Ultrazvučni reaktori za miješanje mogu se lako integrirati u bilo koju novu instalaciju, kao i naknadno ugraditi u postojeća postrojenja za biodizel. Integracija Hielscher ultrazvučnog miksera pretvara bilo koji pogon za biodizel u proizvodni pogon visokih performansi. Jednostavna instalacija, robusnost i jednostavnost za korisnika (nije potrebna posebna obuka za rad) omogućavaju nadogradnju bilo kojeg objekta u visoko efikasnu elektranu za biodizel. U nastavku vam predstavljamo naučno dokazane rezultate prednosti koje su dokumentovale nezavisne treće strane. Brojevi dokazuju superiornost ultrazvučnog miješanja biodizela nad bilo kojom konvencionalnom tehnikom miješanja.

Dijagram toka pokazuje korake proizvodnje biodizela uključujući ultrazvučno miješanje za poboljšanu efikasnost procesa.

Poređenje efikasnosti i troškova: ultrazvuk naspram mehaničkog mešanja

Gholami et al. (2021) u svojoj komparativnoj studiji predstavljaju prednosti ultrazvučne transesterifikacije u odnosu na mehaničko miješanje (tj. mješalica s lopaticama, impeler, mikser sa visokim smicanjem).
Troškovi ulaganja: Ultrazvučni procesor i reaktor UIP16000 može proizvesti 192–384 t biodizela dnevno sa otiskom od samo 1,2 mx 0,6 m. Za usporedbu, za mehaničko miješanje (MS) potreban je mnogo veći reaktor zbog dugog vremena reakcije u procesu mehaničkog miješanja, što uzrokuje značajno povećanje cijene reaktora. (up. Gholami et al., 2020.)
Troškovi obrade: Troškovi obrade za ultrazvučnu proizvodnju biodizela su 7,7% niži od onih za proces miješanja, uglavnom zbog niže ukupne investicije u proces sonikacije. Troškovi hemikalija (katalizatora, metanola/alkohola) su treći po veličini pokretač troškova u oba procesa, sonikaciji i mehaničkom miješanju. Međutim, za ultrazvučnu konverziju biodizela troškovi kemijskog su znatno niži nego za mehaničko miješanje. Udio troškova za hemikalije iznosi cca. 5% konačne cijene biodizela. Zbog manje potrošnje metanola, natrijum hidroksida i fosforne kiseline, trošak hemikalija u procesu ultrazvučnog biodizela je 2,2% niži nego u procesu mehaničkog mešanja.
Troškovi energije: Energija koju troši ultrazvučni reaktor za miješanje je približno tri puta manja od energije mehaničke miješalice. Ovo značajno smanjenje potrošnje energije proizvod je intenzivnog mikro-miješanja i smanjenog vremena reakcije, koji je rezultat stvaranja i kolapsa bezbrojnih šupljina, koje karakteriziraju fenomen akustične/ultrazvučne kavitacije (Gholami et al., 2018). Pored toga, u poređenju sa konvencionalnom mešalicom, potrošnja energije za rekuperaciju metanola i faze prečišćavanja biodizela tokom procesa ultrazvučnog mešanja smanjena je za 26,5%, odnosno 1,3%. Ovo smanjenje je posljedica manjih količina metanola koji ulaze u ove dvije destilacijske kolone u procesu ultrazvučne transesterifikacije.
Troškovi zbrinjavanja otpada: Tehnologija ultrazvučne kavitacije također značajno smanjuje troškove odlaganja otpada. Ovaj trošak u procesu sonikacije je otprilike jedna petina troškova u procesu miješanja, što je rezultat značajnog smanjenja proizvodnje otpada zbog veće konverzije reaktora i manjih količina konzumiranog alkohola.
Pročitajte više o ultrazvučnoj biodizel konverziji ulja iz istrošenog taloga!
Ekološka prihvatljivost: Zbog vrlo visoke ukupne efikasnosti, smanjene potrošnje kemikalija, nižih energetskih zahtjeva i smanjenog otpada, ultrazvučna proizvodnja biodizela je znatno ekološki prihvatljivija od konvencionalnih proizvodnih procesa biodizela.

Zaključak – Ultrazvuk poboljšava efikasnost proizvodnje biodizela

Naučna procjena pokazuje jasne prednosti ultrazvučnog miješanja u odnosu na konvencionalno mehaničko miješanje za proizvodnju biodizela. Prednosti ultrazvučne obrade biodizela uključuju ukupne kapitalne investicije, ukupnu cijenu proizvoda, neto sadašnju vrijednost i internu stopu povrata. Utvrđeno je da je iznos ukupnih ulaganja u proces ultrazvučne kavitacije manji od ostalih za oko 20,8%. Korištenje ultrazvučnih reaktora smanjilo je troškove proizvoda za 5,2% – koristeći djevičansko ulje kanole. Budući da ultrazvuk omogućava obradu istrošenih ulja (npr. korištenih ulja za kuhanje), troškovi proizvodnje mogu se znatno dodatno smanjiti. Gholami et al. (2021) dolaze do zaključka da je zbog pozitivne neto sadašnje vrijednosti, proces ultrazvučne kavitacije bolji izbor tehnologije miješanja za proizvodnju biodizela.
Sa tehničke tačke gledišta, najvažniji efekti ultrazvučne kavitacije obuhvataju značajnu efikasnost procesa i smanjenje vremena reakcije. Formiranje i kolaps brojnih vakuumskih mjehurića – poznata kao akustična / ultrazvučna kavitacija – smanjiti vrijeme reakcije sa nekoliko sati u reaktoru s miješanim spremnikom na nekoliko sekundi u reaktoru za ultrazvučnu kavitaciju. Ovo kratko vrijeme zadržavanja omogućava proizvodnju biodizela u protočnom reaktoru s malim otiskom. Ultrazvučni kavitacijski reaktor također pokazuje korisne efekte na potrebe energije i materijala, smanjujući potrošnju energije na skoro jednu trećinu one koju troši reaktor sa miješanim rezervoarom i potrošnju metanola i katalizatora za 25%.
Iz ekonomske perspektive, ukupna investicija procesa ultrazvučne kavitacije je niža od ulaganja u proces mehaničkog miješanja, uglavnom zbog skoro 50% i 11,6% smanjenja cijene reaktora i cijene kolone za destilaciju metanola, respektivno. Proces ultrazvučne kavitacije također smanjuje troškove proizvodnje biodizela zbog smanjenja potrošnje ulja repice za 4%, niže ukupne investicije, 2,2% manje potrošnje hemikalija i 23,8% nižih potreba za korištenjem. Za razliku od procesa mehaničkog miješanja, ultrazvučna obrada je prihvatljiva investicija zbog svoje pozitivne neto sadašnje vrijednosti, kraćeg vremena povrata i veće interne stope povrata. Pored tehno-ekonomskih prednosti povezanih sa procesom ultrazvučne kavitacije, on je ekološki prihvatljiviji od mehaničkog procesa miješanja. Ultrazvučna kavitacija dovodi do 80% smanjenja tokova otpada zbog veće konverzije u reaktoru i smanjene potrošnje alkohola u ovom procesu. (up. Gholami et al., 2021.)

Koristite katalizator po svom izboru

Ultrazvučni proces transesterifikacije biodizela pokazao se efikasnim korištenjem i alkalnih i osnovnih katalizatora. Na primjer, Shinde i Kaliaguine (2019) uporedili su efikasnost ultrazvučnog i mehaničkog miješanja oštrica koristeći različite katalizatore, naime natrijum hidroksid (NaOH), kalijev hidroksid (KOH), (CH₃ONa), tetrametil amonijum hidroksid i četiri gvanidina (Propil-2,3-dicikloheksil gvanidin (PCHG), 1,3-dicikloheksil 2 n-oktil gvanidin (DCOG), 1,1,3,3-tetrametil gvanidin (TMG), 1,3-difenil gvanidin (DPG)). Ultrazvučno mešanje (na 35º) kao što je pokazano superiorno za proizvodnju biodizela, koje je superiorno u mehaničkom mešanju (na 65º) većim prinosima i stopom konverzije. Efikasnost prenosa mase u ultrazvučnom polju povećala je brzinu reakcije transesterifikacije u poređenju sa mehaničkim mešanjem. Sonikacija je nadmašila mehaničko miješanje za sve testirane katalizatore. Izvođenje reakcije transesterifikacije ultrazvučnom kavitacijom je energetski efikasna i industrijski održiva alternativa za proizvodnju biodizela. Osim široko korištenih katalizatora KOH i NaOH, oba gvanidinska katalizatora, propil-2,3 dicikloheksilgvanidin (PCHG) i 1,3-dicikloheksil 2 n-oktilgvanidin (DCOG), pokazali su se kao zanimljiva alternativa za konverziju biodizela.
Mootabadi et al. (2010) istraživali su ultrazvučno potpomognutu sintezu biodizela iz palminog ulja koristeći različite katalizatore oksida alkalnih metala kao što su CaO, BaO i SrO. Aktivnost katalizatora u sintezi biodizela potpomognuta ultrazvukom upoređena je s tradicionalnim postupkom magnetnog miješanja i utvrđeno je da je ultrazvučni proces pokazao 95,2% prinosa korištenjem BaO u roku od 60 minuta reakcijskog vremena, koje inače traje 3-4 h. konvencionalni proces mešanja. Za ultrazvučno potpomognutu transesterifikaciju pri optimalnim uslovima, bilo je potrebno 60 minuta da bi se postigao prinos od 95% u poređenju sa 2-4 h uz konvencionalno mešanje. Takođe, prinosi postignuti ultrazvukom za 60 min povećani su sa 5,5% na 77,3% koristeći CaO kao katalizator, 48,2% do 95,2% koristeći SrO kao katalizator, i 67,3% na 95,2% koristeći BaO kao katalizator.

Proizvodnja biodizela korištenjem različitih gvanidina (3% mol) kao katalizatora. (A) Mehanički mešajući reaktor: (metanol: ulje kanole) 4:1, temperatura 65ºC; (B) Ultrazvučni šaržni reaktor: Ultrasonikator UP200St, (metanol: ulje kanole) 4:1, 60% US amplituda, temperatura 35ºC. Ultrazvučno miješanje daleko nadmašuje mehaničko miješanje.
(Studija i grafikoni: Shinde i Kaliaguine, 2019.)

Ultrazvučni reaktori visokih performansi za vrhunsku obradu biodizela

Hielscher Ultrasonics nudi ultrazvučne procesore i reaktore visokih performansi za poboljšanu proizvodnju biodizela što rezultira većim prinosima, poboljšanom kvalitetom, skraćenim vremenom obrade i nižim troškovima proizvodnje.

Mali i srednji biodizel reaktori

Za proizvodnju biodizela male i srednje veličine do 9 tona/h (2900 gal/h), Hielscher vam nudi UIP500hdT (500 vati), UIP1000hdT (1000 vati), UIP1500hdT (1500 vati), i UIP2000hdT (2000 vati) ultrazvučni modeli miksera sa visokim smicanjem. Ova četiri ultrazvučna reaktora su vrlo kompaktna, laka za integraciju ili naknadnu ugradnju. Napravljeni su za rad u teškim uslovima u teškim uslovima. Ispod ćete pronaći preporučene postavke reaktora za niz proizvodnih stopa.

Industrijski biodizel reaktori vrlo velikog protoka

Za industrijsku preradu postrojenja za proizvodnju biodizela Hielscher nudi UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) i UIP16000hdT (16kW) ultrazvučni homogenizatori! Ovi ultrazvučni procesori su dizajnirani za kontinuiranu obradu velikih brzina protoka. UIP4000hdT, UIP6000hdT i UIP10000 mogu se integrirati u standardne pomorske teretne kontejnere. Alternativno, sva četiri modela procesora dostupna su u ormarićima od nehrđajućeg čelika. Uspravna instalacija zahtijeva minimalan prostor. Ispod ćete pronaći preporučene postavke za tipične stope industrijske obrade.