Výroba bionafty & Přeměna na bionaftu
Když vyrábíte bionaftu, kinetika pomalé reakce a špatný přenos hmoty snižují kapacitu vašeho zařízení na výrobu bionafty, stejně jako výtěžnost a kvalitu bionafty. Hielscher ultrazvukové reaktory výrazně zlepšují kinetiku transesterifikace. Proto je pro zpracování bionafty zapotřebí nižší přebytek methanolu a méně katalyzátoru.
Bionafta se běžně vyrábí v dávkových reaktorech s využitím tepla a mechanického míchání jako vstupu energie. Ultrazvukové kavitační míchání je účinnou alternativou k dosažení lepšího míchání při komerčním zpracování bionafty. Ultrazvuková kavitace poskytuje potřebnou aktivační energii pro transesterifikaci průmyslové bionafty.
Ultrazvukové míchání zlepšuje rychlost konverze bionafty, zvyšuje výtěžnost a šetří přebytečný metanol a katalyzátor.
Ultrazvukem vylepšená transesterifikace bionafty
Výroba bionafty obvykle zahrnuje chemickou reakci zvanou transesterifikace, při které triglyceridy (jako je rostlinný olej, živočišný tuk, spotřebované kuchyňské oleje) reagují s alkoholem (jako je methanol) v přítomnosti katalyzátoru za vzniku bionafty (methylesterů mastných kyselin) a glycerolu. Ultrazvukové reaktory lze použít ke zlepšení procesu transesterifikace několika způsoby, což vede k několika výhodám:
- Vylepšené míchání: Ultrazvukové vlny mohou vytvářet kavitační bubliny, které se prudce zhroutí, což způsobí intenzivní míchání a míchání reakční směsi. To vede k lepšímu kontaktu mezi reaktanty a katalyzátorem, což má za následek rychlejší a úplnější transesterifikaci.
- Kinetika zrychlené reakce: Vysokoenergetické podmínky generované ultrazvukovými vlnami mohou aktivovat reakci, zvýšit reakční rychlost a snížit reakční dobu potřebnou k dosažení dané úrovně konverze. To může vést k vyšším výnosům a nižším nákladům.
- Snížená spotřeba katalyzátoru: Ultrazvukové reaktory mohou zlepšit účinnost použití katalyzátoru tím, že poskytují více aktivních míst pro reakci. To znamená, že k dosažení stejné úrovně přeměny, snížení nákladů a dopadu na životní prostředí je zapotřebí méně katalyzátoru.
- Zlepšená kvalita produktu: Ultrazvukové reaktory mohou vyrábět bionaftu s nižším obsahem volných mastných kyselin, vyšší čistotou a lepšími vlastnostmi toku za studena. To je způsobeno zlepšeným mícháním a rychlejší reakční kinetikou, která minimalizuje tvorbu nežádoucích vedlejších produktů a nečistot.
Díky těmto výhodám ultrazvukového zpracování bionafty je použití ultrazvukového reaktoru vysoce ekonomické, protože použití ultrazvukových reaktorů výrazně zlepšuje účinnost, rychlost a kvalitu transesterifikace bionafty. To v souhrnu znamená, že ultrazvuku mění transesterifikaci na ekonomicky a ekologicky udržitelnější proces.
Problémy konvenčního míchání bionafty: Konvenční esterifikační reakce při dávkovém zpracování bývá pomalá a fázová separace glycerinu je časově náročná, často trvá 5 hodin nebo déle.
Ultrazvukové reaktory vám pomohou urychlit proces výroby bionafty a současně zvýšit výtěžnost a kvalitu bionafty při nižších nákladech na zpracování!
Průmyslový ultrasonicator UIP2000hdT s průtočnou celou FC2T500k pro inline esterifikaci a transesterifikaci bionafty.
Výhody ultrazvukové transesterifikace bionafty
- Vyšší výnosy bionafty díky lepšímu míchání
- Zvýšená kvalita bionafty
- Jako vstupní surovinu použijte i tu nejchudší ropu
- Kontinuální inline zpracování
- Méně metanolu
- Méně katalyzátoru
- Úspora času díky vysokorychlostní konverzi
- Úspora energie
- jednoduchá a bezpečná obsluha
- Robustnost a nenáročná údržba
- Vysoký výkon: provoz 24 hodin denně, 7 dní v týdnu při plném zatížení
"Byli jsme velmi spokojeni s Hielscherovým vybavením a službami a máme v úmyslu zahrnout technologii ultrazvuku Hielscher do všech našich budoucích snah."
Todd Stephens, Tulsa Biofuels
Ultrazvuk pro výrobu bionafty
Bionafta se často vyrábí v dávkových reaktorech. Ultrazvuková konverze bionafty umožňuje kontinuální inline zpracování. Ultrazvuku může dosáhnout výtěžku bionafty přesahujícího 99%. Ultrazvukové reaktory zkracují dobu zpracování z konvenčního dávkového zpracování 1 až 4 hodiny na méně než 30 sekund. Ještě důležitější je, že ultrazvuku zkracuje dobu separace z 5 na 10 hodin (při použití konvenčního míchání) na méně než 60 minut. Ultrazvuku také pomáhá snížit množství potřebného katalyzátoru až o 50% v důsledku zvýšené chemické aktivity v přítomnosti kavitace. Při použití ultrazvuku se také sníží množství přebytečného metanolu. Další výhodou je výsledné zvýšení čistoty glycerinu.
Ultrazvuková výroba bionafty krok za krokem:
- Rostlinný olej nebo živočišný tuk se mísí s methanolem (z něhož se vyrábějí methylestery) nebo ethanolem (v případě ethylesterů) a methoxidem nebo hydroxidem sodným nebo draselným
- směs se zahřeje např. na teploty mezi 45 a 65 °C
- Zahřátá směs se sonikuje inline po dobu 5 až 15 sekund
- glycerin vypadne nebo se oddělí pomocí odstředivek
- Přeměněná bionafta se promyje vodou
Nejčastěji se sonikace provádí při zvýšeném tlaku (1 až 3 bary, přetlak) pomocí napájecího čerpadla a nastavitelného protitlakového ventilu vedle průtokové cely.
Průmyslová přeměna bionafty nepotřebuje mnoho ultrazvukové energie. Skutečnou potřebu energie lze určit na stolním měřítku např. pomocí ultrazvukového procesoru o výkonu 1 kW, jako je UIP1000hdT. Všechny výsledky z těchto zkušebních testů lze lineárně a bez problémů škálovat. V případě potřeby jsou k dispozici ultrazvuková zařízení s certifikací ATEX, jako je UIP1000-Exd.
Hielscher dodává průmyslové ultrazvukové zařízení na zpracování bionafty po celém světě. S ultrazvukovými procesory s výkonem až 16 kW na jedno zařízení neexistuje žádné omezení velikosti zařízení na bionaftu ani zpracovatelské kapacity.
Náklady na výrobu ultrazvukové bionafty
Ultrazvuku je účinným prostředkem ke zvýšení reakční rychlosti a rychlosti konverze při komerční výrobě bionafty. Náklady na ultrazvukové zpracování vyplývají především z investic do ultrazvukového zařízení, nákladů na energie a údržbu. Vynikající energetická účinnost Hielscher ultrasonicators pomáhá snižovat náklady na energie a tím učinit tento proces ještě ekologičtějším. Výsledné náklady na ultrazvuku se pohybují mezi 0,1 ct a 1,0 ct na litr (0,4 ct až 1,9 ct/galon) při použití v komerčním měřítku.
Přečtěte si více o efektivitě procesu a ekonomických výhodách ultrazvukové výroby bionafty!
Ultrazvukové míchání snižuje specifickou spotřebu energie při výrobě bionafty, která zdaleka předčí hydrodynamické magnetické míchání a mixéry s vysokým smykovým třením.
Malé ultrazvukové nastavení bionafty
Ultrazvuku lze použít k přeměně oleje na bionaftu v jakémkoli měřítku. Obrázek níže ukazuje nastavení malého měřítka pro zpracování 60-70 l (16 až 19 galonů). Toto je typické nastavení pro počáteční studie a demonstraci procesu.
Ultrazvuková esterifikace a transesterifikace mohou být spuštěny jako dávkový nebo kontinuální inline proces. Tento graf ukazuje ultrazvukový dávkový proces pro konverzi bionafty.
3x 1kW ultrasonicators modelu 1000hdT s ultrazvukovým průtokovým reaktorem pro vysoce účinnou konverzi bionafty.
- jeden ultrasonicator (např. UIP500hdT nebo UIP1000hdT) s boosterem, sonotrodou a průtokovou buňkou
- Měřič výkonu pro měření výkonu a energie
- 80L procesní nádrž (plast, např. HDPE)
- topné těleso (1 až 2kW)
- 10litrová nádrž na katalyzátor (plast, např. HDPE)
- Katalyzátorový předmixér (míchadlo)
- čerpadlo (odstředivé, mono nebo převodové) pro cca. 10 až 20 l/min při 1 až 3 barg
- Zpětný ventil pro nastavení tlaku v průtočné cele
- manometr pro měření tlaku na přívodu,
Ultrazvukové reaktory pro vynikající zpracování bionafty
Hielscher Ultrasonics nabízí vysoce výkonné ultrazvukové procesory a reaktory, které zlepší vaši výrobu bionafty vyššími výnosy bionafty, zlepšenou kvalitou bionafty, zkrácenou dobou zpracování a nižšími výrobními náklady.
Malé a střední ultrazvukové reaktory pro transesterifikaci bionafty
Pro malé a středně velké výroby bionafty až do 9 tun / h (2900 gal / hod), Hielscher vám nabízí UIP500hdT (500 wattů), UIP1000hdT (1000 wattů), UIP1500hdT (1500 wattů), a UIP2000hdT (2000 wattů) jako ultrazvukové vysokosmykové míchačky s průtokovými reaktory pro spolehlivé a efektivní inline zpracování bionafty. Tyto čtyři ultrazvukové reaktory jsou velmi kompaktní, snadno se integrují nebo dodatečně instalují. Jsou konstruovány pro náročný provoz v drsném prostředí. Níže naleznete doporučené nastavení reaktorů pro různé rychlosti výroby.
tuna/hod | gal/hod | |
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT (500 wattů) | 00,25 až 0,5 | 80 až 160 |
| 1x UIP1000hdT (1000 wattů) | 0.5 až 1.0 | 160 až 320 |
| 1x UIP1500hdT (1500 wattů) | 0.75 až 1.5 | 240 až 480 |
| 1x UIP2000hdT (2000 wattů) | 1,0 až 2,0 | 320 až 640 |
| 2x UIP2000hdT (2000 wattů) | 2,0 až 4,0 | 640 až 1280 |
| 4xUIP1500hdT (1500 wattů) | 3,0 až 6,0 | 960 až 1920 |
| 6x UIP1500hdT (1500 wattů) | 4,5 až 9,0 | 1440 až 2880 |
| 6x UIP2000hdT (2000 wattů) | 6,0 až 12,0 | 1920 až 3840 |
Velmi velkokapacitní průmyslové reaktory na bionaftu
Pro průmyslové zpracování bionafty výrobní závody Hielscher nabízí UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10000 (10kW) a UIP16000hdT (16kW) ultrazvukové homogenizátory! Tyto ultrazvukové procesory jsou určeny pro kontinuální zpracování vysokých průtoků. UIP4000hdT, UIP6000hdT a UIP10000 mohou být integrovány do standardních námořních nákladních kontejnerů. Alternativně jsou všechny čtyři modely procesorů k dispozici ve skříních z nerezové oceli. Svislá instalace vyžaduje minimální prostor. Níže naleznete doporučená nastavení pro typické rychlosti průmyslového zpracování.
tuna/hod | gal/hod | 1x UIP6000hdT (6000 wattů) | 3,0 až 6,0 | 960 až 1920 |
|---|---|---|
| 3x UIP4000hdT (4000 wattů) | 6,0 až 12,0 | 1920 až 3840 |
| 5x UIP4000hdT (4000 wattů) | 10,0 až 20,0 | 3200 až 6400 | 3x UIP6000hdT (6000 wattů) | 9,0 až 18,0 | 2880 až 5880 |
| 3x UIP10000 (10 000 wattů) | 15,0 až 30,0 | 4800 až 9600 |
| 3x UIP16000hdT (16.000 wattů) | 24,0 až 48,0 | 7680 až 15360 |
| 5x UIP16000hdT | 40,0 až 80,0 | 12800 až 25600 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
The ultrasonicator UIP16000hdT je schopen zpracovat bionaftu 32MMGY.
Mráz & Sullivan Technologická inovace roku
Společnost Hielscher Ultrasonics obdržela prestižní ocenění Frost and Sullivan Technology Innovation of the Year Award jako uznání vývoje nové ultrazvukové technologie pro výrobu bionafty.
Klikněte zde a přečtěte si více o ceně Frost and Sullivan Award pro reaktory na bionaftu Hielscher Ultrasonics!
transesterifikace – Chemická přeměna bionafty
Výroba bionafty z rostlinných olejů (např. sójového, řepkového, jatrofového, slunečnicového), řas, živočišných tuků a odpadních kuchyňských olejů zahrnuje zásadami katalyzovanou transesterifikaci mastných kyselin methanolem nebo ethanolem za vzniku odpovídajících methylesterů nebo ethylesterů. Glycerin je nevyhnutelným vedlejším produktem této reakce.
Rostlinné oleje jako živočišné tuky jsou triglyceridy složené ze tří řetězců mastných kyselin vázaných molekulou glycerinu. Triglyceridy jsou estery. Estery jsou kyseliny, jako mastné kyseliny, kombinované s alkoholem. Glycerin (= glycerol) je těžký alkohol. V procesu přeměny se estery triglyceridů přeměňují na alkylestery (= bionafta) pomocí katalyzátoru (louhu) a alkoholového činidla, např. methanolu, čímž se získává bionafta z methylesterů. Metanol nahrazuje glycerin. Tento proces chemické přeměny se nazývá transesterifikace.
Po transesterifikaci glycerin, což je těžší fáze, klesne ke dnu. Bionafta, která je lehčí fází, plave na hladině a lze ji oddělit, např. karafami nebo odstředivkami.
Příprava bionafty
Hydroxid draselný (0,2 až 0,4 kg, katalyzátor) se rozpouští do cca 8,5 l metanolu v nádrži s předsměsí katalyzátoru. To vyžaduje míchání katalyzátorového premixu. Zpracovatelská nádrž se plní 66 l rostlinného oleje. Olej se ohřívá topným tělesem na 45 až 65 °C.
Přeměna na bionaftu
Když se katalyzátor zcela rozpustí v metanolu, premix katalyzátoru se smísí s ohřátým olejem. Čerpadlo přivádí směs do průtočné cely. Pomocí protitlakého ventilu se tlak nastavuje na 1 až 3 barg (15 až 45 psig). Recirkulace přes ultrazvukový reaktor na bionaftu by měla být prováděna po dobu cca. 20 minut. Během této doby se olej přeměňuje na bionaftu. Poté se pumpa a ultrazvuk vypnou. Glycerin (těžší fáze) se oddělí od bionafty (lehčí fáze). Separace trvá přibližně 30 až 60 minut. Po dokončení separace lze glycerin vypustit.
Praní bionafty
Vzhledem k tomu, že přeměněná bionafta obsahuje nečistoty, je nutné promytí. Pro praní se do bionafty přimíchá voda. Ultrazvuku může prospět smíchání bionafty s vodou. Tím se zvětší plocha aktivního povrchu v důsledku zmenšení velikosti kapek. Vezměte prosím na vědomí, že velmi intenzivní sonikace může snížit kapičky vody na velikost, že se tvoří téměř stabilní emulze, která bude vyžadovat speciální prostředky (např. Centrifugu), které mají být odděleny.
Závod na výrobu bionafty
Níže uvedený vývojový diagram ukazuje typické nastavení pro in-line sonikaci oleje, metanolu a katalyzátoru pro přeměnu na bionaftu.
Ultrazvuková esterifikace a transesterifikace mohou být spuštěny jako dávkový nebo kontinuální inline proces. Graf ukazuje ultrazvukový inline proces transesterifikace bionafty (FAME).
Kontinuální zpracování a separace bionafty
V nastavení pro kontinuální zpracování bionafty a kontinuální separaci se ohřátý olej a katalyzátorová směs kontinuálně mísí pomocí nastavitelných čerpadel. Inline statický mixér zlepšuje homogenitu přívodu do ultrazvukového reaktoru. Směs oleje a katalyzátoru prochází průtočnou celou, kde je vystavena ultrazvukové kavitaci po dobu cca. 5 až 30 sekund. K regulaci tlaku v průtokové cele se používá protitlaký ventil. Sonikovaná směs vstupuje do kolony reaktoru nahoře. Objem kolony reaktoru je navržen tak, aby poskytoval přibližně 1 hodinu retenčního času v koloně. Během této doby je transesterifikační reakce dokončena. Zreagovaná směs glycerinu a bionafty se čerpá do odstředivky, kde se rozdělí na frakci bionafty a glycerinu. Následné zpracování zahrnuje rekuperaci metanolu, praní a sušení a lze jej provádět i kontinuálně.
Toto nastavení eliminuje šarže reaktorů na bionaftu, konvenční míchadla a velké odlučovací nádrže.
Rychlost transesterifikace bionafty
Níže uvedené diagramy ukazují typické výsledky transesterifikace řepkového oleje (průmyslové kvality) s methoxidem sodným (vlevo) a hydroxidem draselným (vpravo). U obou testů byl kontrolní vzorek (modrá čára) vystaven intenzivnímu mechanickému míchání. Červená čára představuje sonikovaný vzorek identické formulace s ohledem na objemový poměr, koncentraci katalyzátoru a teplotu. Vodorovná osa ukazuje čas po smíchání nebo sonikaci. Svislá osa ukazuje objem glycerinu, který se usadil na dně. Jedná se o jednoduchý způsob měření reakční rychlosti. V obou diagramech reaguje sonikovaný vzorek (červený) mnohem rychleji než kontrolní vzorek (modrý).
Porovnání ultrazvukového (červený graf) a konvenčního míchání (modrý graf) pro výrobu bionafty – Použití s methoxidem sodným (vlevo) a hydroxidem draselným (vpravo) jako katalyzátory.
Odkazy na dodávky bionafty
Kliknutím sem zobrazíte odkazy na dodavatele čerpadel a nádrží pro průmysl bionafty.
Informace o chemických látkách a bezpečnosti
Přečtěte si prosím pozorně níže uvedené informace, abyste předešli komplikacím a nepříznivým účinkům na zdraví.
Chemikálie na bionaftu
Metanol je toxický. Může způsobit zhoršení nervů v důsledku dlouhodobého používání. Může být také adsorbován kůží. Pokud se dostane do očí, může způsobit slepotu a metanol může být při požití smrtelný. Z tohoto důvodu přijměte nezbytná opatření při manipulaci s metanolem. Doporučuje se používat dobrý respirátor, zástěru a gumové rukavice.
Hydroxid draselný (KOH) je toxický a při kontaktu způsobuje popálení kůže. Je nutné dobré větrání.
Ujistěte se, že je pracovní prostor velkoryse a důkladně větraný, aby umožňoval únik výparů. Respirátory s parními patronami nejsou účinné proti metanolovým výparům. Systém s přívodem vzduchu (dýchací přístroj) — Samostatný dýchací přístroj) poskytuje lepší ochranu proti výparům metanolu.
Bionafta a pryžové díly
Delší provoz na 100% bionaftu může způsobit komplikace s navlhčenými pryžovými částmi (čerpadlo, hadice, O-kroužky) motoru. Výměna za ocelové díly nebo vysoce odolnou pryž může tento problém odstranit. Alternativně můžete do bionafty přimíchat přibližně 25 % konvenční (fosilní) nafty, abyste předešli komplikacím.
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 vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratoř k průmyslová velikost.