Výroba bionafty a konverze bionafty
Překonejte omezení výroby bionafty pomocí ultrazvukových reaktorů! Pomalá reakční kinetika a špatný přenos hmoty mohou výrazně snížit kapacitu, výtěžek a kvalitu vaší výrobny bionafty. Ultrazvukové reaktory Hielscher tyto problémy řeší podstatným zlepšením kinetiky transesterifikace. Díky tomu vyžaduje zpracování bionafty méně přebytečného methanolu a menší množství katalyzátoru.
Ultrazvuková kavitace: vynikající řešení pro míchání
Tradiční výroba bionafty obvykle využívá vsádkové reaktory, v nichž jako zdroj energie slouží teplo a mechanické míchání. Ultrazvuková kavitace nabízí účinnou alternativu, která v komerčním zpracování bionafty dosahuje lepšího promíchání. Tato ultrazvuková kavitace poskytuje potřebnou aktivační energii pro průmyslovou transesterifikaci bionafty.
Hlavní výhody ultrazvukové transesterifikace bionafty:
- Vyšší míra konverze
- Kratší reakční doby
- Lepší kvalita produktu
- Možnost přeměny odpadních olejů na FAME (methylestery mastných kyselin)
Ultrazvukové míchání zlepšuje míru konverze bionafty, zvyšuje výtěžek a šetří přebytečný methanol a katalyzátor.
Ultrazvukem zlepšená transesterifikace bionafty
Výroba bionafty obvykle zahrnuje chemickou reakci zvanou transesterifikace, při níž triglycerid (např. rostlinný olej, živočišný tuk, použité kuchyňské oleje) reaguje s alkoholem (např. methanolem) v přítomnosti katalyzátoru za vzniku bionafty (methylesterů mastných kyselin) a glycerolu. Ultrazvukové reaktory lze ke zlepšení procesu transesterifikace využít několika způsoby, což přináší řadu výhod:
- Lepší míchání: Ultrazvukové vlny mohou vytvářet kavitační bubliny, které prudce kolabují a způsobují intenzivní míchání a promíchávání reakční směsi. To vede k lepšímu kontaktu mezi reaktanty a katalyzátorem, a tím k rychlejší a úplnější transesterifikaci.
- Zrychlená reakční kinetika: Vysokoenergetické podmínky vytvářené ultrazvukovými vlnami mohou reakci aktivovat, zvýšit reakční rychlost a zkrátit reakční dobu potřebnou k dosažení daného stupně konverze. To může vést k vyšším výtěžkům a nižším nákladům.
- Nižší spotřeba katalyzátoru: Ultrazvukové reaktory mohou zlepšit efektivitu využití katalyzátoru tím, že poskytují více aktivních míst pro reakci. To znamená, že k dosažení stejného stupně konverze je zapotřebí méně katalyzátoru, což snižuje náklady i dopad na životní prostředí.
- Lepší kvalita produktu: Ultrazvukové reaktory mohou vyrábět bionaftu s nižším obsahem volných mastných kyselin, vyšší čistotou a lepšími nízkoteplotními vlastnostmi. Je to dáno lepším mícháním a rychlejší reakční kinetikou, které minimalizují tvorbu nežádoucích vedlejších produktů a nečistot.
Díky těmto výhodám ultrazvukového zpracování bionafty je použití sestavy s ultrazvukovým reaktorem vysoce ekonomické, protože použití ultrazvukových reaktorů výrazně zlepšuje efektivitu, rychlost a kvalitu transesterifikace bionafty. Shrnuto to znamená, že sonikace činí z transesterifikace ekonomicky i environmentálně udržitelnější proces.
Problémy konvenčního míchání bionafty: Konvenční esterifikační reakce při vsádkovém zpracování bývá pomalá a fázová separace glycerinu je časově náročná, často trvá 5 hodin nebo déle.
Ultrazvukové reaktory vám pomohou urychlit váš proces výroby bionafty a současně zvýšit výtěžek i kvalitu bionafty při nižších nákladech na zpracování!
Průmyslový sonikátor UIP2000hdT s průtokovou celou FC2T500k pro inline esterifikaci a transesterifikaci bionafty.
Výhody ultrazvukové transesterifikace bionafty
- Vyšší výtěžky bionafty díky lepšímu míchání
- Vyšší kvalita bionafty
- Jako surovinu lze použít i ten nejhorší olej
- Kontinuální inline zpracování
- Méně methanolu
- Méně katalyzátoru
- Úspora času díky vysokorychlostní konverzi
- Úspora energie
- Jednoduchý a bezpečný provoz
- Robustnost a nenáročná údržba
- Vysoký výkon: provoz 24/7 při plném zatížení
Ultrazvukový reaktor UIP16000hdT vyrobí přibl. 32MMGY
„Jsme velmi spokojeni se zařízením a servisem společnosti Hielscher a máme pevný úmysl zahrnout ultrazvukovou technologii Hielscher do všech našich budoucích projektů.“
Todd Stephens, Tulsa Biofuels
Ultrazvuk pro výrobu bionafty
Bionafta se často vyrábí ve vsádkových reaktorech. Ultrazvuková konverze bionafty umožňuje kontinuální inline zpracování. Sonikací lze dosáhnout výtěžku bionafty přesahujícího 99%. Ultrazvukové reaktory zkracují dobu zpracování z konvenčních 1 až 4 hodin vsádkového zpracování na méně než 30 sekund. Ještě důležitější je, že sonikace zkracuje dobu separace z 5 až 10 hodin (při konvenčním míchání) na méně než 60 minut. Sonikace rovněž pomáhá snížit potřebné množství katalyzátoru až o 50% díky zvýšené chemické aktivitě v přítomnosti kavitace. Při použití sonikace se snižuje také potřebné množství přebytečného methanolu. Další výhodou je výsledné zvýšení čistoty glycerinu.
Ultrazvuková výroba bionafty krok za krokem:
- rostlinný olej nebo živočišný tuk se smíchá s methanolem (z něhož vznikají methylestery) nebo ethanolem (pro ethylestery) a methoxidem nebo hydroxidem sodným či draselným
- směs se zahřeje, např. na teploty mezi 45 a 65degC
- zahřátá směs se inline sonikuje po dobu 5 až 15 sekund
- glycerin se vyloučí nebo se oddělí pomocí odstředivek
- konvertovaná bionafta se promyje vodou
Nejčastěji se sonikace provádí za zvýšeného tlaku (1 až 3bar, přetlak) pomocí napájecího čerpadla a nastavitelného protitlakového ventilu umístěného u průtokové cely.
Průmyslová konverze bionafty nevyžaduje mnoho ultrazvukové energie. Skutečnou energetickou potřebu lze určit v měřítku stolních přístrojů pomocí např. 1kW ultrazvukového procesoru, jako je UIP1000hdT. Všechny výsledky z takových zkoušek se stolními přístroji lze lineárně a bez jakýchkoli problémů převést do většího měřítka. V případě potřeby jsou k dispozici ultrazvuková zařízení s certifikací ATEX, jako je UIP1000-Exd.
Společnost Hielscher dodává průmyslová ultrazvuková zařízení pro zpracování bionafty po celém světě. Díky ultrazvukovým procesorům s výkonem až 16kW na jedno zařízení není velikost výrobny bionafty ani zpracovatelská kapacita nijak omezena.
Náklady na ultrazvukovou výrobu bionafty
Sonikace je účinným prostředkem ke zvýšení reakční rychlosti a míry konverze v komerční výrobě bionafty. Náklady na ultrazvukové zpracování vyplývají především z investice do ultrazvukového zařízení, z provozních nákladů na energie a média a z údržby. Vynikající energetická účinnost sonikátorů Hielscher pomáhá snižovat provozní náklady na energie a média, a tím činí tento proces ještě ekologičtějším. Výsledné náklady na sonikaci se při použití v komerčním měřítku pohybují mezi 0,1ct a 1,0ct na litr (0,4ct až 1,9ct/galon).
Přečtěte si více o efektivitě procesu a ekonomických přínosech ultrazvukové výroby bionafty!
Ultrazvukové míchání snižuje měrnou spotřebu energie při výrobě bionafty a výrazně překonává hydrodynamické magnetické míchání i vysokosmykové míchačky.
Ultrazvuková sestava pro výrobu bionafty v malém měřítku
Sonikaci lze pro konverzi oleje na bionaftu použít v jakémkoli měřítku. Obrázek níže ukazuje sestavu v malém měřítku pro zpracování 60–70L (16 až 19 galonů). Jde o typickou sestavu pro úvodní studie a demonstraci procesu.
Ultrazvukovou esterifikaci a transesterifikaci lze provádět jako vsádkový nebo kontinuální inline proces. Tento diagram znázorňuje ultrazvukový vsádkový proces konverze bionafty.
3x 1kW sonikátory modelu 1000hdT s ultrazvukovým průtokovým reaktorem pro vysoce účinnou konverzi bionafty.
- jeden sonikátor (např. UIP500hdT nebo UIP1000hdT) s boosterem, sonotrodou a průtokovou celou
- wattmetr pro měření výkonu a energie
- 80L zpracovatelská nádrž (plastová, např. HDPE)
- topné těleso (1 až 2kW)
- 10L nádrž pro předmíchání katalyzátoru (plastová, např. HDPE)
- zařízení pro předmíchání katalyzátoru (míchadlo)
- čerpadlo (odstředivé, vřetenové nebo zubové) pro přibl. 10 až 20L/min při 1 až 3 barg
- protitlakový ventil pro nastavení tlaku v průtokové cele
- manometr pro měření tlaku na přívodu
Ultrazvukové reaktory pro špičkové zpracování bionafty
Hielscher Ultrasonics nabízí vysoce výkonné ultrazvukové procesory a reaktory, které zlepší vaši výrobu bionafty díky vyšším výtěžkům bionafty, lepší kvalitě bionafty, kratší době zpracování a nižším výrobním nákladům.
Ultrazvukové reaktory pro transesterifikaci bionafty v malém a středním měřítku
Pro výrobu bionafty malého a středního rozsahu až do 9ton/h (2900 gal/h) vám Hielscher 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 a snadno se integrují nebo dodatečně instalují. Jsou konstruovány pro náročný provoz v drsném prostředí. Níže naleznete doporučené sestavy reaktorů pro různé výrobní kapacity.
|
ton/h
|
gal/h
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT (500 wattů) |
0,25 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
|
Průmyslové reaktory na bionaftu s velmi vysokou kapacitou
Pro průmyslové závody na výrobu bionafty nabízí Hielscher ultrazvukové homogenizátory UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10000 (10kW) a UIP16000hdT (16kW)! Tyto ultrazvukové procesory jsou určeny pro kontinuální zpracování při vysokých průtocích. UIP4000hdT, UIP6000hdT a UIP10000 lze integrovat do standardních námořních kontejnerů. Alternativně jsou všechny čtyři modely procesorů k dispozici v nerezových skříních. Vertikální instalace vyžaduje minimum prostoru. Níže naleznete doporučené sestavy pro typické průmyslové zpracovatelské kapacity.
|
ton/h
|
gal/h
|
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 15 360
|
| 5x UIP16000hdT |
40,0 až 80,0
|
12 800 až 25 600
|
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Sonikátor UIP16000hdT dokáže zpracovat 32MMGY bionafty.
Frost & Sullivan: technologická inovace roku
Společnost Hielscher Ultrasonics získala prestižní ocenění Frost and Sullivan za technologickou inovaci roku jako uznání za vývoj nové ultrazvukové technologie pro výrobu bionafty.
Klikněte zde a přečtěte si více o ocenění Frost and Sullivan pro reaktory na bionaftu od Hielscher Ultrasonics!
Transesterifikace – chemická konverze bionafty
Výroba bionafty z rostlinných olejů (např. sójového, řepkového, jatrofového, slunečnicového), řas, živočišných tuků i odpadních kuchyňských olejů zahrnuje zásaditě katalyzovanou transesterifikaci mastných kyselin methanolem nebo ethanolem za vzniku odpovídajících methylesterů nebo ethylesterů. Glycerin je nevyhnutelným vedlejším produktem této reakce.
Rostlinné oleje stejně jako živočišné tuky jsou triglyceridy složené ze tří řetězců mastných kyselin vázaných na molekulu glycerinu. Triglyceridy jsou estery. Estery jsou kyseliny, například mastné kyseliny, sloučené s alkoholem. Glycerin (= glycerol) je těžký alkohol. V procesu konverze se triglyceridové estery přeměňují na alkylestery (= bionaftu) pomocí katalyzátoru (louhu) a alkoholového činidla, např. methanolu, čímž vzniká bionafta tvořená methylestery. Methanol nahrazuje glycerin. Tento chemický konverzní proces se nazývá transesterifikace.
Po transesterifikaci glycerin, který tvoří těžší fázi, klesne ke dnu. Bionafta, která tvoří lehčí fázi, plave nahoře a lze ji oddělit např. dekantéry nebo odstředivkami.
Příprava bionafty
Hydroxid draselný (0,2 až 0,4kg, katalyzátor) se v nádrži pro předmíchání katalyzátoru rozpustí v přibl. 8,5L methanolu. To vyžaduje míchání předsměsi katalyzátoru. Zpracovatelská nádrž se naplní 66L rostlinného oleje. Olej se topným tělesem zahřeje na 45 až 65degC.
Konverze bionafty
Jakmile je katalyzátor zcela rozpuštěn v methanolu, smíchá se předsměs katalyzátoru se zahřátým olejem. Čerpadlo přivádí směs do průtokové cely. Pomocí protitlakového ventilu se tlak nastaví na 1 až 3barg (15 až 45psig). Recirkulace ultrazvukovým reaktorem na bionaftu by měla probíhat přibl. 20 minut. Během této doby se olej přeměňuje na bionaftu. Poté se čerpadlo a ultrazvuk vypnou. Glycerin (těžší fáze) se oddělí od bionafty (lehčí fáze). Separace trvá přibl. 30 až 60 minut. Po dokončení separace lze glycerin vypustit.
Promývání bionafty
Protože konvertovaná bionafta obsahuje nečistoty, je nutné ji promýt. Při promývání se do bionafty vmíchává voda. Sonikace může usnadnit míchání bionafty s vodou. Díky zmenšení velikosti kapiček se tím zvětšuje aktivní povrch. Vezměte prosím v úvahu, že velmi intenzivní sonikace může zmenšit vodní kapičky na takovou velikost, že vznikne téměř stabilní emulze, k jejímuž oddělení budou nutné speciální prostředky (např. odstředivka).
Závod na výrobu bionafty
Níže uvedené procesní schéma ukazuje typickou sestavu pro inline sonikaci oleje, methanolu a katalyzátoru za účelem konverze na bionaftu.
Ultrazvukovou esterifikaci a transesterifikaci lze provádět jako vsádkový nebo kontinuální inline proces. Diagram znázorňuje ultrazvukový inline proces transesterifikace bionafty (FAME).
Kontinuální zpracování a separace bionafty
V sestavě pro kontinuální zpracování a kontinuální separaci bionafty se zahřátý olej a předsměs katalyzátoru kontinuálně mísí pomocí nastavitelných čerpadel. Inline statický směšovač zlepšuje homogenitu nástřiku do ultrazvukového reaktoru. Směs olej/katalyzátor prochází průtokovou celou, kde je po dobu přibl. 5 až 30 sekund vystavena ultrazvukové kavitaci. K regulaci tlaku v průtokové cele slouží protitlakový ventil. Sonikovaná směs vstupuje do reaktorové kolony shora. Objem reaktorové kolony je navržen tak, aby zajistil dobu zdržení v koloně přibl. 1 hodinu. Během této doby se transesterifikační reakce dokončí. Zreagovaná směs glycerin/bionafta se čerpá do odstředivky, kde se rozdělí na bionaftovou a glycerinovou frakci. Následné zpracování zahrnuje zpětné získávání methanolu, promývání a sušení a lze je rovněž provádět kontinuálně.
Tato sestava odstraňuje potřebu vsádek v reaktorech na bionaftu, konvenčních míchadel a velkých separačních nádrží.
Reakční rychlost transesterifikace bionafty
Níže uvedené diagramy ukazují typické výsledky transesterifikace řepkového oleje (technické kvality) s methoxidem sodným (vlevo) a hydroxidem draselným (vpravo). V obou testech byl kontrolní vzorek (modrá čára) vystaven intenzivnímu mechanickému míchání. Červená čára představuje sonikovaný vzorek se shodným složením z hlediska objemového poměru, koncentrace katalyzátoru a teploty. Vodorovná osa ukazuje čas po míchání, resp. po sonikaci. Svislá osa ukazuje objem glycerinu, který se usadil na dně. Jde o jednoduchý způsob měření reakční rychlosti. V obou diagramech reaguje sonikovaný vzorek (červený) mnohem rychleji než kontrolní vzorek (modrý).
Srovnání ultrazvukového (červený graf) a konvenčního míchání (modrý graf) při výrobě bionafty – s methoxidem sodným (vlevo) a hydroxidem draselným (vpravo) jako katalyzátory.
Odkazy na dodavatele pro výrobu bionafty
Klikněte zde pro odkazy na dodavatele čerpadel a nádrží pro bionaftový průmysl.
Chemické a bezpečnostní informace
Přečtěte si prosím pozorně níže uvedené informace, abyste předešli komplikacím a nepříznivým účinkům na zdraví.
Chemikálie pro výrobu bionafty
Methanol je toxický. Při dlouhodobém používání může způsobit poškození nervů. Může být také adsorbován kůží. Při vystříknutí do očí může způsobit oslepnutí a při spolknutí může být methanol smrtelný. Z tohoto důvodu při manipulaci s methanolem dodržujte nezbytná preventivní opatření. Doporučuje se používat kvalitní respirátor, zástěru a pryžové rukavice.
Hydroxid draselný (KOH) je toxický a při kontaktu způsobuje popálení kůže. Je nutné dobré větrání.
Zajistěte, aby byl pracovní prostor dostatečně a důkladně větrán, aby mohly výpary uniknout. Respirátory s filtrační vložkou proti parám nejsou proti methanolovým výparům účinné. Systém s přívodem vzduchu (SCBA – autonomní dýchací přístroj) poskytuje lepší ochranu proti methanolovým parám.
Bionafta a pryžové díly
Dlouhodobější provoz na 100% bionaftu může způsobit komplikace u smáčených pryžových dílů (čerpadlo, hadice, O-kroužky) motoru. Náhrada ocelovými díly nebo vysoce odolnou pryží může tento problém odstranit. Alternativně můžete do bionafty přimíchat přibl. 25% konvenční (fosilní) nafty, abyste komplikacím předešli.
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 laboratorní až po průmyslovou velikost.