Proizvodnja biodizela vrhunske procesne i troškovne efikasnosti

Ultrazvučno miješanje je vrhunska tehnologija za visoko efikasnu i troškovno isplativu proizvodnju biodizela. Ultrazvučna kavitacija drastično poboljšava prijenos mase, čime se smanjuju troškovi proizvodnje i trajanje procesa. Istovremeno se mogu koristiti ulja i masti niske kvalitete (npr. otpadna ulja), a poboljšava se i kvaliteta biodizela. Hielscher Ultrasonics isporučuje visokoučinkovite, robusne ultrazvučne reaktore za miješanje za svaki obim proizvodnje. Saznajte više o tome kako će vaša proizvodnja biodizela imati koristi od ultrazvučne obrade (sonikacije)!

Prednosti ultrazvuka u proizvodnji biodizela

Biodizel (metil ester masnih kiselina, skr. FAME) je proizvod reakcije transesterifikacije lipidne sirovine (trigliceridi, npr. biljno ulje, iskorištena ulja za prženje, životinjske masti, ulje algi) i alkohola (metanol, etanol) uz upotrebu katalizatora (npr. kalij-hidroksida KOH).
Problem: Kod konvencionalne konverzije biodizela uz konvencionalno miješanje, nemješljiva priroda oba reaktanta reakcije transesterifikacije ulja i alkohola dovodi do slabog prijenosa mase, što rezultira neefikasnom proizvodnjom biodizela. Ta neefikasnost se ogleda u dugim reakcijskim vremenima, većim molarnim omjerima metanola i ulja, visokim potrebama za katalizatorom, visokim procesnim temperaturama i velikim brzinama miješanja. Ovi faktori su značajni pokretači troškova zbog kojih je konvencionalna proizvodnja biodizela skup proces.
Rješenje: Ultrazvučno miješanje emulgira reaktante visoko efikasno, brzo i uz niske troškove, tako da se omjer ulja i metanola može poboljšati, potrebe za katalizatorom se smanjuju, a reakcijsko vrijeme i reakcijska temperatura snižavaju. Time se štede resursi (tj. kemikalije i energija) kao i vrijeme, smanjuju se troškovi obrade, dok se kvaliteta biodizela i profitabilnost proizvodnje znatno poboljšavaju. Zbog tih činjenica ultrazvučno miješanje postaje preferirana tehnologija za učinkovitu proizvodnju biodizela.
Istraživači i industrijski proizvođači biodizela potvrđuju da je ultrazvučno miješanje vrlo troškovno isplativ način proizvodnje biodizela, čak i kada se kao sirovina koriste ulja i masti niske kvalitete. Ultrazvučna intenzifikacija procesa znatno poboljšava stepen konverzije uz smanjenu upotrebu viška metanola i katalizatora, što omogućava proizvodnju biodizela koji zadovoljava standard kvalitete prema specifikacijama ASTM D6751 i EN 14212. (usp. Abdullah et al., 2015)

Transesterifikacija triglicerida u biodizel (FAME) uz ultrazvučnu obradu (sonikaciju) rezultira ubrzanom reakcijom i znatno većom efikasnošću.

Brojne prednosti ultrazvučnog miješanja u proizvodnji biodizela

Ultrazvučni reaktori za miješanje mogu se lako integrirati u svako novo postrojenje, kao i naknadno ugraditi u postojeće pogone za proizvodnju biodizela. Integracija Hielscher ultrazvučnog mješača svako postrojenje za biodizel pretvara u visokoučinkovit proizvodni pogon. Jednostavna instalacija, robusnost i jednostavnost upotrebe (za rad nije potrebna posebna obuka) omogućavaju nadogradnju svakog postrojenja u visoko efikasan pogon za biodizel. U nastavku vam predstavljamo naučno dokazane rezultate prednosti koje su dokumentirale nezavisne treće strane. Brojke dokazuju superiornost ultrazvučnog miješanja biodizela nad svakom konvencionalnom tehnikom miješanja.

Dijagram toka prikazuje korake proizvodnje biodizela, uključujući ultrazvučno miješanje radi veće procesne efikasnosti.

Usporedba efikasnosti i troškova: ultrazvuk naspram mehaničkog miješanja

Gholami et al. (2021) u svojoj komparativnoj studiji prikazuju prednosti ultrazvučne transesterifikacije u odnosu na mehaničko miješanje (tj. mješalicu s lopaticama, impeler, mješalicu s visokim smicanjem).

Niski investicijski troškovi:
Ultrazvučni procesor i reaktor UIP16000 mogu proizvesti 192–384 t biodizela/d na površini od samo 1,2m x 0,6m. Nasuprot tome, za mehaničko miješanje (MS) potreban je znatno veći reaktor zbog dugog reakcijskog vremena u procesu mehaničkog miješanja, što dovodi do znatnog porasta troškova reaktora. (usp. Gholami et al., 2020)
Niski troškovi obrade:
Troškovi obrade za ultrazvučnu proizvodnju biodizela su 7,7% niži nego kod procesa miješanja, uglavnom zbog manje ukupne investicije za proces ultrazvučne obrade (sonikacije). Troškovi kemikalija (katalizator, metanol/alkohol) treći su po veličini pokretač troškova u oba procesa, i kod ultrazvučne obrade i kod mehaničkog miješanja. Međutim, kod ultrazvučne konverzije biodizela troškovi kemikalija su znatno niži nego kod mehaničkog miješanja. Udio troškova kemikalija iznosi otprilike 5% konačne cijene biodizela. Zbog manje potrošnje metanola, natrij-hidroksida i fosforne kiseline, troškovi kemikalija u ultrazvučnom procesu proizvodnje biodizela su 2,2% niži nego u procesu mehaničkog miješanja.

Smanjeni troškovi energije:
Energija koju troši ultrazvučni reaktor za miješanje približno je tri puta manja od one koju troši mehanička mješalica. Ovo znatno smanjenje potrošnje energije rezultat je intenzivnog mikromiješanja i skraćenog reakcijskog vremena, koji proizlaze iz nastanka i kolapsa bezbrojnih šupljina, što karakterizira fenomen akustične / ultrazvučne kavitacije (Gholami et al., 2018). Osim toga, u poređenju s konvencionalnom mješalicom, potrošnja energije u fazama rekuperacije metanola i prečišćavanja biodizela tokom ultrazvučnog miješanja smanjena je za 26,5%, odnosno 1,3%. Ovo smanjenje posljedica je manjih količina metanola koje ulaze u ove dvije destilacijske kolone u procesu ultrazvučne transesterifikacije.

Znatno smanjeni troškovi zbrinjavanja otpada:
Tehnologija ultrazvučne kavitacije također izrazito smanjuje troškove zbrinjavanja otpada. Ovi troškovi u procesu ultrazvučne obrade (sonikacije) iznose otprilike petinu troškova u procesu miješanja, što je posljedica znatnog smanjenja nastanka otpada zbog veće konverzije u reaktoru i manjih količina utrošenog alkohola.
Saznajte više o ultrazvučnoj konverziji ulja iz iskorištenog taloga kafe u biodizel!

Poboljšana ekološka prihvatljivost:
Zahvaljujući vrlo visokoj ukupnoj efikasnosti, smanjenoj potrošnji kemikalija, nižim energetskim potrebama i smanjenom otpadu, ultrazvučna proizvodnja biodizela je znatno ekološki prihvatljivija od konvencionalnih procesa proizvodnje biodizela.

Zaključak – ultrazvuk poboljšava efikasnost proizvodnje biodizela

Naučna procjena pokazuje jasne prednosti ultrazvučnog miješanja u odnosu na konvencionalno mehaničko miješanje u proizvodnji biodizela. Prednosti ultrazvučne obrade biodizela uključuju ukupna kapitalna ulaganja, ukupne troškove proizvoda, neto sadašnju vrijednost i internu stopu povrata. Utvrđeno je da je iznos ukupne investicije u proces ultrazvučne kavitacije niži od onog kod drugog procesa za otprilike 20,8%. Upotreba ultrazvučnih reaktora smanjila je troškove proizvoda za 5,2% – uz upotrebu čistog ulja uljane repice. Budući da ultrazvučna obrada (sonikacija) omogućava preradu i iskorištenih ulja (npr. korištenih ulja za prženje), troškovi proizvodnje mogu se dodatno znatno smanjiti. Gholami et al. (2021) zaključuju da je, zbog pozitivne neto sadašnje vrijednosti, proces ultrazvučne kavitacije bolji izbor tehnologije miješanja za proizvodnju biodizela.
Sa tehničkog stanovišta, najvažniji učinci ultrazvučne kavitacije obuhvataju znatnu procesnu efikasnost i skraćenje reakcijskog vremena. Nastanak i kolaps brojnih vakuumskih mjehurića – poznat kao akustična / ultrazvučna kavitacija – skraćuje reakcijsko vrijeme s nekoliko sati u reaktoru s miješalicom na nekoliko sekundi u reaktoru s ultrazvučnom kavitacijom. Ovo kratko vrijeme zadržavanja omogućava proizvodnju biodizela u protočnom reaktoru male površine. Reaktor s ultrazvučnom kavitacijom pokazuje i povoljne učinke na potrebe za energijom i materijalima, smanjujući potrošnju energije na gotovo jednu trećinu one koju troši reaktor s miješalicom, a potrošnju metanola i katalizatora za 25%.
Sa ekonomskog stanovišta, ukupna investicija u proces ultrazvučne kavitacije niža je od one u proces mehaničkog miješanja, uglavnom zbog smanjenja troškova reaktora za gotovo 50% i troškova destilacijske kolone za metanol za 11,6%. Proces ultrazvučne kavitacije također smanjuje troškove proizvodnje biodizela zbog 4% manje potrošnje ulja uljane repice, niže ukupne investicije, 2,2% manje potrošnje kemikalija i 23,8% nižih potreba za pogonskim resursima. Za razliku od procesa s mehaničkim miješanjem, ultrazvučna obrada je prihvatljiva investicija zbog pozitivne neto sadašnje vrijednosti, kraćeg perioda povrata i veće interne stope povrata. Pored tehničko-ekonomskih prednosti povezanih s procesom ultrazvučne kavitacije, on je ekološki prihvatljiviji od procesa mehaničkog miješanja. Ultrazvučna kavitacija rezultira smanjenjem tokova otpada za 80% zbog veće konverzije u reaktoru i manje potrošnje alkohola u ovom procesu. (usp. Gholami et al., 2021)

Pretvorite sirovinu niske kvalitete u vrhunski biodizel!

Ultrazvučna obrada (sonikacija) omogućava efikasniju preradu loših sirovina kao što su otpadna biljna ulja, iskorištene masti za prženje, loj ili riblja ulja, jer ultrazvučna kavitacija ostvaruje mnogo bolji kontakt između nemješljivih faza ulja i alkohola, čime se znatno poboljšavaju miješanje te prijenos topline i mase. Ona također ubrzava reakcijsku kinetiku, pa se čak i teške, promjenjive sirovine mogu brže i potpunije konvertirati.
Akustična kavitacija intenzivira reakcijsko okruženje i može potaknuti nastanak visoko reaktivnih radikala, što dodatno podržava brzu transesterifikaciju i pomaže u prevladavanju uobičajenih nedostataka obrade sirovina niže kvalitete.
Saznajte kako ultrazvučna obrada (sonikacija) pretvara otpadna ulja i masti u biodizel!

Koristite katalizator po vlastitom izboru

Proces ultrazvučne transesterifikacije biodizela pokazao se efikasnim uz upotrebu i alkalnih i baznih katalizatora. Na primjer, Shinde i Kaliaguine (2019) uporedili su efikasnost ultrazvučnog i mehaničkog miješanja lopaticama koristeći različite katalizatore, i to natrij-hidroksid (NaOH), kalij-hidroksid (KOH), (CH₃ONa), tetrametilamonij-hidroksid i četiri guanidina (propil-2,3-dicikloheksil guanidin (PCHG), 1,3-dicikloheksil 2 n-oktil guanidin (DCOG), 1,1,3,3-tetrametil guanidin (TMG), 1,3-difenil guanidin (DPG)). Ultrazvučno miješanje (na 35º) pokazalo se superiornim za proizvodnju biodizela, nadmašivši mehaničko miješanje (na 65º) po većim prinosima i stepenu konverzije. Efikasnost prijenosa mase u ultrazvučnom polju povećala je brzinu reakcije transesterifikacije u poređenju s mehaničkim miješanjem. Ultrazvučna obrada (sonikacija) nadmašila je mehaničko miješanje za sve testirane katalizatore. Provođenje reakcije transesterifikacije uz ultrazvučnu kavitaciju energetski je efikasna i industrijski izvodljiva alternativa za proizvodnju biodizela. Pored široko korištenih katalizatora KOH i NaOH, oba guanidinska katalizatora, propil-2,3 dicikloheksilguanidin (PCHG) i 1,3-dicikloheksil 2 n-oktilguanidin (DCOG), pokazala su se zanimljivim alternativama za konverziju biodizela.
Mootabadi et al. (2010) istraživali su ultrazvučno potpomognutu sintezu biodizela iz palminog ulja koristeći različite katalizatore od oksida alkalnih metala, kao što su CaO, BaO i SrO. Aktivnost katalizatora u ultrazvučno potpomognutoj sintezi biodizela uspoređena je s tradicionalnim procesom magnetnog miješanja i utvrđeno je da je ultrazvučni proces pokazao prinos od 95,2% uz upotrebu BaO u reakcijskom vremenu od 60 min, što bi inače trajalo 3–4 h u konvencionalnom procesu miješanja. Za ultrazvučno potpomognutu transesterifikaciju pod optimalnim uvjetima bilo je potrebno 60 min za postizanje prinosa od 95% u poređenju s 2–4 h kod konvencionalnog miješanja. Također, prinosi postignuti ultrazvukom u 60 min porasli su s 5,5% na 77,3% uz CaO kao katalizator, s 48,2% na 95,2% uz SrO kao katalizator, te s 67,3% na 95,2 uz BaO kao katalizator.

Proizvodnja biodizela uz različite guanidine (3% mol) kao katalizator. (A) Šaržni reaktor s mehaničkim miješanjem: (metanol:ulje uljane repice) 4:1, temperatura 65ºC; (B) Ultrazvučni šaržni reaktor: ultrazvučni uređaj UP200St, (metanol:ulje uljane repice) 4:1, 60% US amplitude, temperatura 35ºC. Miješanje pokretano ultrazvukom znatno nadmašuje mehaničko miješanje.
(Studija i grafikoni: Shinde i Kaliaguine, 2019)

Visokoučinkoviti ultrazvučni reaktori za vrhunsku proizvodnju biodizela

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

Reaktori za biodizel malog i srednjeg obima

Za proizvodnju biodizela malog i srednjeg obima do 9 t/h (2900 gal/h), Hielscher vam nudi UIP500hdT (500 vati), UIP1000hdT (1000 vati), UIP1500hdT (1500 vati), i UIP2000hdT (2000 vati) modele ultrazvučnih mješalica s visokim smicanjem. Ova četiri ultrazvučna reaktora vrlo su kompaktna, laka za integraciju ili naknadnu ugradnju. Izrađeni su za rad u teškim uvjetima i zahtjevnim okruženjima. U nastavku ćete pronaći preporučene postavke reaktora za niz proizvodnih kapaciteta.

Industrijski reaktori za biodizel vrlo velikog protoka

Za industrijska postrojenja za proizvodnju biodizela Hielscher nudi UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) i UIP16000hdT (16kW) ultrazvučne homogenizatore! Ovi ultrazvučni procesori dizajnirani su za kontinuiranu obradu visokih 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 instalacija zahtijeva minimalan prostor. U nastavku pronađite preporučene postavke za tipične industrijske brzine obrade.