Výroba bionafty s vynikající procesní a nákladovou efektivitou

Ultrazvukové míchání je špičková technologie pro vysoce účinnou a nákladově efektivní výrobu bionafty. Ultrazvuková kavitace výrazně zlepšuje přenos hmoty, a tím snižuje výrobní náklady i dobu zpracování. Zároveň lze použít oleje a tuky nízké kvality (např. odpadní oleje) a kvalita bionafty se zlepšuje. Hielscher Ultrasonics dodává vysoce výkonné, robustní ultrazvukové míchací reaktory pro jakékoli měřítko výroby. Přečtěte si více o tom, jak bude Vaše výroba bionafty těžit ze sonikace!

Výhody výroby bionafty s využitím ultrazvuku

Bionafta (methylestery mastných kyselin, zkr. FAME) je produktem transesterifikační reakce lipidové suroviny (triglyceridů, např. rostlinného oleje, použitých kuchyňských olejů, živočišných tuků, oleje z řas) a alkoholu (methanolu, ethanolu) za použití katalyzátoru (např. hydroxidu draselného KOH).
Problém: Při konvenční konverzi na bionaftu s využitím konvenčního míchání vede nemísitelnost obou reaktantů transesterifikační reakce, oleje a alkoholu, k nízké rychlosti přenosu hmoty, což má za následek neefektivní výrobu bionafty. Tato neefektivita se vyznačuje dlouhými reakčními časy, vyššími molárními poměry methanolu k oleji, vysokou spotřebou katalyzátoru, vysokými procesními teplotami a vysokými rychlostmi míchání. Tyto faktory jsou významnými nákladovými činiteli, které z konvenční výroby bionafty činí nákladný proces.
Řešení: Ultrazvukové míchání emulguje reaktanty vysoce účinným, rychlým a levným způsobem, takže lze zlepšit poměr oleje a methanolu, snížit spotřebu katalyzátoru a zkrátit reakční dobu i snížit reakční teplotu. Tím se šetří zdroje (tj. chemikálie a energie) i čas a snižují se náklady na zpracování, přičemž kvalita bionafty i ziskovost výroby se výrazně zvyšují. Díky těmto skutečnostem se ultrazvukové míchání stává preferovanou technologií pro efektivní výrobu bionafty.
Výzkum i průmysloví výrobci bionafty potvrzují, že ultrazvukové míchání je vysoce nákladově efektivní způsob výroby bionafty, a to i tehdy, když se jako surovina používají oleje a tuky nízké kvality. Ultrazvuková intenzifikace procesu značně zvyšuje míru konverze a snižuje spotřebu přebytečného methanolu a katalyzátoru, což umožňuje vyrábět bionaftu splňující standard kvality podle specifikací ASTM D6751 a EN 14212. (srov. Abdullah et al., 2015)

Transesterifikace triglyceridů na bionaftu (FAME) pomocí sonikace vede ke zrychlení reakce a výrazně vyšší účinnosti.

Četné výhody ultrazvukového míchání při výrobě bionafty

Ultrazvukové míchací reaktory lze snadno integrovat do jakéhokoli nového zařízení i dodatečně instalovat do stávajících závodů na výrobu bionafty. Integrace ultrazvukového mixéru Hielscher promění jakékoli zařízení na výrobu bionafty ve vysoce výkonný výrobní závod. Jednoduchá instalace, robustnost a uživatelská přívětivost (k obsluze není nutné žádné zvláštní školení) umožňují modernizovat jakékoli zařízení na vysoce účinný závod na výrobu bionafty. Níže Vám představujeme vědecky prokázané výsledky výhod zdokumentované nezávislými třetími stranami. Čísla dokazují převahu ultrazvukového míchání bionafty nad jakoukoli konvenční technikou míchání.

Vývojový diagram znázorňuje kroky výroby bionafty včetně ultrazvukového míchání pro vyšší účinnost procesu.

Srovnání účinnosti a nákladů: ultrazvuk vs. mechanické míchání

Gholami et al. (2021) ve své srovnávací studii představují výhody ultrazvukové transesterifikace oproti mechanickému míchání (tj. lopatkovému mixéru, oběžnému míchadlu, vysokosmykovému mixéru).

Nízké investiční náklady:
Ultrazvukový procesor a reaktor UIP16000 dokáže vyrobit 192–384 t bionafty/d při zastavěné ploše pouhých 1,2m x 0,6m. Pro srovnání, u mechanického míchání (MS) je kvůli dlouhé reakční době procesu mechanického míchání zapotřebí mnohem větší reaktor, což výrazně zvyšuje náklady na reaktor. (srov. Gholami et al., 2020)
Nízké náklady na zpracování:
Náklady na zpracování při ultrazvukové výrobě bionafty jsou o 7,7% nižší než u procesu s mícháním, především díky nižší celkové investici do procesu sonikace. Náklady na chemikálie (katalyzátor, methanol/alkohol) jsou třetím největším nákladovým činitelem v obou procesech, sonikaci i mechanickém míchání. U ultrazvukové konverze na bionaftu jsou však náklady na chemikálie výrazně nižší než u mechanického míchání. Podíl nákladů na chemikálie činí přibližně 5% konečných nákladů na bionaftu. Díky nižší spotřebě methanolu, hydroxidu sodného a kyseliny fosforečné jsou náklady na chemikálie v ultrazvukovém procesu výroby bionafty o 2,2% nižší než u procesu s mechanickým mícháním.

Nižší náklady na energii:
Energie spotřebovaná ultrazvukovým míchacím reaktorem je přibližně třikrát nižší než energie spotřebovaná mechanickým míchadlem. Toto značné snížení spotřeby energie je výsledkem intenzivního mikromíchání a zkrácené reakční doby, které vyplývají ze vzniku a kolapsu nesčetných kavit charakterizujících jev akustické / ultrazvukové kavitace (Gholami et al., 2018). Kromě toho je ve srovnání s konvenčním míchadlem spotřeba energie ve stupních regenerace methanolu a čištění bionafty během ultrazvukového procesu míchání snížena o 26,5%, resp. 1,3%. Tento pokles je způsoben nižším množstvím methanolu vstupujícího do těchto dvou destilačních kolon v procesu ultrazvukové transesterifikace.

Výrazně nižší náklady na likvidaci odpadu:
Technologie ultrazvukové kavitace také pozoruhodně snižuje náklady na likvidaci odpadu. Tyto náklady činí u procesu sonikace zhruba pětinu nákladů procesu s mícháním, což vyplývá z výrazného poklesu produkce odpadu díky vyšší konverzi v reaktoru a nižšímu množství spotřebovaného alkoholu.
Přečtěte si více o ultrazvukové konverzi olejů z použité kávové sedliny na bionaftu!

Vyšší šetrnost k životnímu prostředí:
Díky velmi vysoké celkové účinnosti, snížené spotřebě chemikálií, nižším energetickým nárokům a menšímu množství odpadu je ultrazvuková výroba bionafty výrazně šetrnější k životnímu prostředí než konvenční procesy výroby bionafty.

Závěr – ultrazvuk zvyšuje účinnost výroby bionafty

Vědecké hodnocení ukazuje jasné výhody ultrazvukového míchání oproti konvenčnímu mechanickému míchání při výrobě bionafty. Výhody ultrazvukového zpracování bionafty zahrnují celkové kapitálové investice, celkové náklady na produkt, čistou současnou hodnotu a vnitřní výnosové procento. Bylo zjištěno, že celková investice do procesu ultrazvukové kavitace je přibližně o 20,8% nižší než u druhého procesu. Použití ultrazvukových reaktorů snížilo náklady na produkt o 5,2% – při použití panenského řepkového oleje. Protože sonikace umožňuje zpracovávat i použité oleje (např. použité kuchyňské oleje), lze výrobní náklady dále výrazně snížit. Gholami et al. (2021) dospěli k závěru, že díky kladné čisté současné hodnotě je proces ultrazvukové kavitace lepší volbou technologie míchání pro výrobu bionafty.
Z technického hlediska zahrnují nejdůležitější účinky ultrazvukové kavitace výraznou účinnost procesu a zkrácení reakční doby. Vznik a kolaps četných vakuových bublin – známý jako akustická / ultrazvuková kavitace – zkracuje reakční dobu z několika hodin v reaktoru s míchanou nádrží na několik sekund v ultrazvukovém kavitačním reaktoru. Tato krátká doba zdržení umožňuje výrobu bionafty v průtokovém reaktoru s malou zastavěnou plochou. Ultrazvukový kavitační reaktor má také příznivé účinky na energetické a materiálové nároky – snižuje spotřebu energie téměř na jednu třetinu spotřeby reaktoru s míchanou nádrží a spotřebu methanolu a katalyzátoru o 25%.
Z ekonomického hlediska je celková investice do procesu ultrazvukové kavitace nižší než u procesu s mechanickým mícháním, především díky téměř 50% snížení nákladů na reaktor a 11,6% snížení nákladů na destilační kolonu methanolu. Proces ultrazvukové kavitace také snižuje náklady na výrobu bionafty díky 4% snížení spotřeby řepkového oleje, nižší celkové investici, o 2,2% nižší spotřebě chemikálií a o 23,8% nižším nárokům na energie a média. Na rozdíl od procesu s mechanickým mícháním je ultrazvukové zpracování přijatelnou investicí díky kladné čisté současné hodnotě, kratší době návratnosti a vyššímu vnitřnímu výnosovému procentu. Kromě technicko-ekonomických přínosů spojených s procesem ultrazvukové kavitace je tento proces šetrnější k životnímu prostředí než proces s mechanickým mícháním. Ultrazvuková kavitace vede k 80% snížení odpadních proudů díky vyšší konverzi v reaktoru a nižší spotřebě alkoholu v tomto procesu. (srov. Gholami et al., 2021)

Proměňte nekvalitní surovinu v čistou bionaftu!

Sonikace umožňuje efektivněji zpracovávat nekvalitní suroviny, jako jsou odpadní rostlinné oleje, použité fritovací tuky, lůj nebo rybí oleje, protože ultrazvuková kavitace vynucuje mnohem lepší kontakt mezi nemísitelnými fázemi oleje a alkoholu, a výrazně tak zlepšuje míchání i přenos tepla a hmoty. Zároveň urychluje reakční kinetiku, takže i obtížné, proměnlivé suroviny lze konvertovat rychleji a úplněji.
Akustická kavitace intenzifikuje reakční prostředí a může podporovat vznik vysoce reaktivních radikálů, což dále podporuje rychlou transesterifikaci a pomáhá překonat obvyklé nevýhody zpracování nekvalitních surovin.
Přečtěte si, jak sonikace mění odpadní oleje a tuky na bionaftu!

Použijte katalyzátor podle svého výběru

Proces ultrazvukové transesterifikace při výrobě bionafty se prokázal jako účinný při použití jak alkalických, tak bazických katalyzátorů. Například Shinde a Kaliaguine (2019) porovnávali účinnost ultrazvukového a mechanického lopatkového míchání s použitím různých katalyzátorů, konkrétně hydroxidu sodného (NaOH), hydroxidu draselného (KOH), (CH₃ONa), tetramethylamoniumhydroxidu a čtyř guanidinů (propyl-2,3-dicyklohexylguanidinu (PCHG), 1,3-dicyklohexyl-2-n-oktylguanidinu (DCOG), 1,1,3,3-tetramethylguanidinu (TMG), 1,3-difenylguanidinu (DPG)). Ultrazvukové míchání (při 35º) se ukázalo jako lepší pro výrobu bionafty a překonalo mechanické míchání (při 65º) vyššími výtěžky a vyšší rychlostí konverze. Účinnost přenosu hmoty v ultrazvukovém poli zvýšila rychlost transesterifikační reakce ve srovnání s mechanickým mícháním. Sonikace překonala mechanické míchání u všech testovaných katalyzátorů. Provádění transesterifikační reakce s ultrazvukovou kavitací je energeticky účinnou a průmyslově proveditelnou alternativou pro výrobu bionafty. Kromě široce používaných katalyzátorů KOH a NaOH se oba guanidinové katalyzátory, propyl-2,3-dicyklohexylguanidin (PCHG) a 1,3-dicyklohexyl-2-n-oktylguanidin (DCOG), ukázaly jako zajímavé alternativy pro konverzi na bionaftu.
Mootabadi et al. (2010) zkoumali ultrazvukem podporovanou syntézu bionafty z palmového oleje s použitím různých katalyzátorů na bázi oxidů alkalických kovů, jako jsou CaO, BaO a SrO. Aktivita katalyzátoru při ultrazvukem podporované syntéze bionafty byla porovnána s tradičním procesem magnetického míchání a bylo zjištěno, že ultrazvukový proces dosáhl s BaO výtěžku 95,2% během reakční doby 60 min, což jinak v konvenčním procesu míchání trvá 3–4 h. Pro ultrazvukem podporovanou transesterifikaci za optimálních podmínek bylo k dosažení výtěžku 95% zapotřebí 60 min oproti 2–4 h při konvenčním míchání. Výtěžky dosažené s ultrazvukem za 60 min se také zvýšily z 5,5% na 77,3% s CaO jako katalyzátorem, z 48,2% na 95,2% s SrO jako katalyzátorem a z 67,3% na 95,2 s BaO jako katalyzátorem.

Výroba bionafty s použitím různých guanidinů (3% mol) jako katalyzátoru. (A) Vsádkový reaktor s mechanickým mícháním: (methanol:řepkový olej) 4:1, teplota 65ºC; (B) Ultrazvukový vsádkový reaktor: sonikátor UP200St, (methanol:řepkový olej) 4:1, 60% amplituda US, teplota 35ºC. Míchání poháněné ultrazvukem zdaleka překonává mechanické míchání.
(Studie a grafy: Shinde a Kaliaguine, 2019)

Vysoce výkonné ultrazvukové reaktory pro špičkové zpracování bionafty

Hielscher Ultrasonics nabízí vysoce výkonné ultrazvukové procesory a reaktory pro lepší výrobu bionafty, která vede k vyšším výtěžkům, lepší kvalitě, kratší době zpracování a nižším výrobním nákladům.

Reaktory pro bionaftu v malém a středním měřítku

Pro malou a střední výrobu bionafty až 9ton/hr (2900 gal/hr) Vám Hielscher nabízí UIP500hdT (500 wattů), UIP1000hdT (1000 wattů), UIP1500hdT (1500 wattů) a UIP2000hdT (2000 wattů) – modely ultrazvukových vysokosmykových mixérů. Tyto čtyři ultrazvukové reaktory jsou velmi kompaktní a snadno se integrují nebo dodatečně instalují. Jsou konstruovány pro náročný provoz v drsném prostředí. Níže naleznete doporučená uspořádání reaktorů pro řadu výrobních kapacit.

Průmyslové reaktory pro bionaftu s velmi vysokou kapacitou

Pro průmyslové závody na výrobu bionafty nabízí Hielscher UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) a UIP16000hdT (16kW) – ultrazvukové homogenizátory! Tyto ultrazvukové procesory jsou určeny pro kontinuální zpracování při vysokých průtocích. Modely UIP4000hdT, UIP6000hdT a UIP10000 lze integrovat do standardních námořních kontejnerů. Alternativně jsou všechny čtyři modely procesorů k dispozici ve skříních z nerezové oceli. Vertikální instalace vyžaduje minimum prostoru. Níže naleznete doporučená uspořádání pro typické průmyslové výrobní kapacity.