Výroba bionafty s vynikající efektivitou procesů a nákladů

Ultrazvukové míchání je vynikající technologie pro vysoce efektivní a nákladově efektivní výrobu bionafty. Ultrazvuková kavitace drasticky zlepšuje přenos hmoty, čímž se snižují výrobní náklady a doba zpracování. Současně lze použít nekvalitní oleje a tuky (např. odpadní oleje) a zlepšit kvalitu bionafty. Hielscher Ultrasonics dodává vysoce výkonné, robustní ultrazvukové směšovací reaktory pro jakékoli výrobní měřítko. Přečtěte si více, jak vaše výroba bionafty bude mít prospěch z sonikace!

Výhody výroby bionafty pomocí ultrazvuku

Bionafta (methylester mastných kyselin, abrev. FAME) je produkt transesterifikační reakce lipidové suroviny (triglyceridy, např. rostlinný olej, upotřebené oleje na vaření, živočišné tuky, řasový olej) a alkoholu (methanol, ethanol) za použití katalyzátoru (např. hydroxid draselný KOH).
Problém: Při konvenční konverzi bionafty za použití konvenčního míchání vede nemísitelná povaha obou reaktantů transesterifikační reakce oleje a alkoholu ke špatné rychlosti přenosu hmoty, což vede k neefektivní výrobě bionafty. Tato neúčinnost se vyznačuje dlouhými reakčními časy, vyššími molárními poměry methanol-olej, vysokými požadavky na katalyzátor, vysokými procesními teplotami a vysokou rychlostí míchání. Tyto faktory jsou významnými faktory ovlivňujícími náklady, díky nimž je výroba konvenční bionafty nákladným procesem.
Řešení: Ultrazvukové míchání emulguje reaktanty vysoce účinným, rychlým a levným způsobem, takže lze zlepšit poměr oleje a methanolu, snížit požadavky na katalyzátor, snížit reakční dobu a reakční teplotu. Tím se šetří zdroje (tj. chemické látky a energie) i čas, snižují se náklady na zpracování a výrazně se zlepšuje kvalita bionafty a ziskovost výroby. Tyto skutečnosti mění ultrazvukové míchání v preferované technologii pro účinnou výrobu bionafty.
Výzkumní a průmysloví výrobci bionafty potvrzují, že ultrazvukové míchání je vysoce nákladově efektivní způsob výroby bionafty, i když se jako vstupní suroviny používají nekvalitní oleje a tuky. Ultrazvuková intenzifikace procesu výrazně zlepšuje konverzní poměr a snižuje použití přebytečného methanolu a katalyzátoru, což umožňuje vyrábět bionaftu splňující normu kvality specifikací ASTM D6751 a EN 14212. (srov. Abdullah et al., 2015)

Transesterifikace triglyceridů na bionaftu (FAME) pomocí ultrazvuku vede ke zrychlené reakci a výrazně vyšší účinnosti.

Četné výhody ultrazvukového míchání při výrobě bionafty

Ultrazvukové míchací reaktory lze snadno integrovat do jakékoli nové instalace, stejně jako dodatečně namontovat do stávajících zařízení na výrobu bionafty. Integrace ultrazvukového mixéru Hielscher změní jakékoli zařízení na bionaftu na vysoce výkonný výrobní závod. Jednoduchá instalace, robustnost a uživatelská přívětivost (není vyžadováno žádné specifické školení pro provoz) umožňují upgrade jakéhokoli zařízení na vysoce účinné zařízení na bionaftu. Níže vám předkládáme vědecky prokázané výsledky výhod zdokumentovaných nezávislými třetími stranami. Čísla dokazují nadřazenost ultrazvukového míchání bionafty nad jakoukoli konvenční technikou míchání.

Vývojový diagram ukazuje kroky výroby bionafty včetně ultrazvukového míchání pro zlepšení efektivity procesu.

Účinnost a srovnání nákladů: Ultrazvuk vs Mechanické míchání

Gholami et al. (2021) prezentují ve své srovnávací studii výhody ultrazvukové transesterifikace oproti mechanickému míchání (tj. Nožní míchačka, oběžné kolo, míchačka s vysokým smykem).
Investiční náklady: Ultrazvukový procesor a reaktor UIP16000 může produkovat 192–384 t bionafty / d se stopou pouze 1,2 m x 0,6 m. Pro srovnání, pro mechanické míchání (MS) je nutný mnohem větší reaktor kvůli dlouhé reakční době v mechanickém procesu strirrng, což způsobuje výrazné zvýšení nákladů na reaktor. (srov. Gholami et al., 2020)
Náklady na zpracování: Náklady na zpracování ultrazvukové výroby bionafty jsou o 7,7% nižší než náklady na proces míchání, a to především kvůli nižším celkovým investicím do procesu sonikace. Náklady na chemikálie (katalyzátor, methanol / alkohol) je třetím největším nákladovým faktorem v obou procesech, sonikaci a mechanickém míchání. Pro ultrazvukovou konverzi bionafty jsou však náklady na chemické látky výrazně nižší než na mechanické míchání. Podíl nákladů na chemikálie představuje přibližně 5 % konečných nákladů na bionaftu. Vzhledem k nižší spotřebě methanolu, hydroxidu sodného a kyseliny fosforečné jsou náklady na chemikálie v ultrazvukovém procesu bionafty o 2,2% nižší než náklady na mechanický proces míchání.
Náklady na energie: Energie spotřebovaná ultrazvukovým směšovacím reaktorem je přibližně třikrát nižší než energie mechanického míchadla. Toto značné snížení spotřeby energie je výsledkem intenzivního mikromíchání a zkrácené reakční doby, vyplývající z produkce a zhroucení nesčetných dutin, které charakterizují fenomén akustické / ultrazvukové kavitace (Gholami et al., 2018). Kromě toho je ve srovnání s konvenčním míchadlem spotřeba energie pro rekuperaci methanolu a fáze čištění bionafty během ultrazvukového procesu míchání snížena o 26,5% a 1,3%. Tento pokles je způsoben nižším množstvím methanolu vstupujícího do těchto dvou destilačních kolon v ultrazvukovém transesterifikačním procesu.
Náklady na likvidaci odpadů: Ultrazvuková kavitační technologie také pozoruhodně snižuje náklady na likvidaci odpadu. Tyto náklady v procesu sonikace jsou zhruba jedna pětina nákladů v procesu míchání, což je důsledkem významného poklesu produkce odpadu v důsledku vyšší konverze reaktoru a nižšího množství spotřebovaného alkoholu.
Šetrnost k životnímu prostředí: Vzhledem k velmi vysoké celkové účinnosti, snížené spotřebě chemikálií, nižším požadavkům na energii a sníženému odpadu je ultrazvuková výroba bionafty výrazně šetrnější k životnímu prostředí než konvenční procesy výroby bionafty.

Závěr – Ultrazvuk zlepšuje účinnost výroby bionafty

Vědecké hodnocení ukazuje jasné výhody ultrazvukového míchání oproti konvenčnímu mechanickému míchání pro výrobu bionafty. Výhody ultrazvukového zpracování bionafty zahrnují celkové kapitálové investice, celkové náklady na produkt, čistou současnou hodnotu a vnitřní míru návratnosti. Bylo zjištěno, že výše celkové investice do ultrazvukového kavitačního procesu je nižší než u jiných přibližně o 20,8%. Použití ultrazvukových reaktorů snížilo náklady na produkt o 5,2% – pomocí panenského řepkového oleje. Vzhledem k tomu, sonikace umožňuje zpracovávat také použité oleje (např. Použité oleje na vaření), výrobní náklady mohou být výrazně sníženy dále. Gholami et al. (2021) dospěli k závěru, že vzhledem k pozitivní čisté současné hodnotě je proces ultrazvukové kavitace lepší volbou technologie míchání pro výrobu bionafty.
Z technického hlediska nejdůležitější účinky ultrazvukové kavitace zahrnují významnou účinnost procesu a zkrácení reakční doby. Tvorba a zhroucení četných vakuových bublin – známá jako akustická / ultrazvuková kavitace – zkrátit reakční dobu z několika hodin v reaktoru s míchací nádrží na několik sekund v ultrazvukovém kavitačním reaktoru. Tato krátká doba zdržení umožňuje výrobu bionafty v průtokovém reaktoru s malým půdorysem. Ultrazvukový kavitační reaktor také vykazuje příznivé účinky na požadavky na energii a materiál, což snižuje spotřebu energie na téměř jednu třetinu spotřeby reaktoru s míchací nádrží a spotřeby methanolu a katalyzátoru o 25%.
Z ekonomického hlediska je celková investice ultrazvukového kavitačního procesu nižší než investice do mechanického míchacího procesu, a to především kvůli téměř 50% a 11,6% snížení nákladů na reaktor a nákladů na destilační kolonu metanolu. Proces ultrazvukové kavitace také snižuje náklady na výrobu bionafty díky 4% snížení spotřeby řepkového oleje, nižším celkovým investicím, o 2,2% nižší spotřebě chemikálií a o 23,8% nižším požadavkům na služby. Na rozdíl od mechanicky míchaného procesu je ultrazvukové zpracování přijatelnou investicí díky své kladné čisté současné hodnotě, kratší době návratnosti a vyšší vnitřní míře návratnosti. Kromě technicko-ekonomických výhod spojených s procesem ultrazvukové kavitace je šetrnější k životnímu prostředí než mechanický proces míchání. Ultrazvuková kavitace má za následek 80% snížení toků odpadu v důsledku vyšší konverze v reaktoru a snížené spotřeby alkoholu v tomto procesu. (srov. Gholami et al., 2021)

Použijte katalyzátor podle svého výběru

Ultrazvukový transesterifikační proces bionafty byl prokázán jako účinný pomocí alkalických i základních katalyzátorů. Například Shinde a Kaliaguine (2019) porovnávaly účinnost ultrazvukového a mechanického míchání lopatek pomocí různých katalyzátorů, jmenovitě hydroxidu sodného (NaOH), hydroxidu draselného (KOH), (CH₃ONa), tetramethyl amoniumhydroxid a čtyři guanidiny (Propyl-2,3-dicyklohexylguanidin (PCHG), 1,3-dicyklohexyl 2 n-oktylguanidin (DCOG), 1,1,3,3-tetramethylguanidin(TMG), 1,3-difenylguanidin (DPG)). Ultrazvukové míchání (při 35 °), jak je ukázáno lépe pro výrobu bionafty, vyniká mechanickým mícháním (při 65 °) vyššími výtěžky a konverzním poměrem. Účinnost přenosu hmoty v ultrazvukovém poli zvýšila rychlost transesterifikační reakce ve srovnání s mechanickým mícháním. Sonikace překonala mechanické míchání pro všechny testované katalyzátory. Spuštění transesterifikační reakce s ultrazvukovou kavitací je energeticky účinnou a průmyslově životaschopnou alternativou pro výrobu bionafty. Kromě široce používaných katalyzátorů KOH a NaOH, oba guanidinové katalyzátory, propyl-2,3 dicyklohexylguanidin (PCHG) a 1,3-dicyklohexyl 2 n-oktylguanidin (DCOG), byly oba prokázány jako zajímavé altrnativy pro konverzi bionafty.
Mootabadi et al. (2010) zkoumal ultrazvukem asistovanou syntézu bionafty z palmového oleje pomocí různých katalyzátorů oxidu alkalických kovů, jako jsou CaO, BaO a SrO. Aktivita katalyzátoru v ultrazvukem asistované syntéze bionafty byla porovnána s tradičním procesem magnetického míchání a bylo zjištěno, že ultrazvukový proces vykazoval 95,2% výtěžku pomocí BaO během 60 minut reakční doby, která jinak trvá 3–4 hodiny v konvenčním procesu míchání. Pro ultrazvukem asistovanou transesterifikaci za optimálních podmínek bylo zapotřebí 60 minut k dosažení 95% výtěžku ve srovnání s 2–4 h s konvenčním mícháním. Také výtěžky dosažené ultrazvukem za 60 minut se zvýšily z 5,5% na 77,3% pomocí CaO jako katalyzátorů, 48,2% až 95,2% pomocí SrO jako katalyzátorů a 67,3% na 95,2 pomocí BaO jako katalyzátorů.

Výroba bionafty s použitím různých guanidinů (3% mol) jako katalyzátoru. (A) Dávkovací reaktor s mechanickým mícháním: (methanol:řepkový olej) 4:1, teplota 65 °C; (B) Ultrazvukový dávkový reaktor: ultrasonicator UP200St, (methanol: řepkový olej) 4:1, 60% amplituda v USA, teplota 35 ° C. Míchání řízené ultrazvukem zdaleka překonává mechanické míchání.
(Studie a grafy: Shinde a Kaliaguine, 2019)

Vysoce výkonné ultrazvukové reaktory pro vynikající zpracování bionafty

Hielscher Ultrasonics nabízí vysoce výkonné ultrazvukové procesory a reaktory pro zlepšení výroby bionafty, což vede k vyšším výnosům, lepší kvalitě, snížené době zpracování a nižším výrobním nákladům.

Malé a střední Biodiesel Reaktory

Pro výrobu malých a středních bionafty až do 9 tun / hod (2900 gal / hod) Vám Hielscher nabízí UIP500hdT (500 W), UIP1000hdT (1000 wattů), UIP1500hdT (1500 W), a UIP2000hdT (2000 wattů) ultrazvukové modely směšovačů s vysokým smykem. Tyto čtyři ultrazvukové reaktory jsou velmi kompaktní, snadno integrovatelné nebo dodatečně montovatelné. Jsou konstruovány pro náročný provoz v náročných prostředích. Níže naleznete doporučené nastavení reaktorů pro řadu výrobních rychlostí.

Průmyslové bionaftové reaktory s velmi velkým výkonem

Pro průmyslové zpracování bionafty výrobních závodů Hielscher nabízí UIP4000hdT (4 kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10 kW) a UIP16000hdT (16kW) ultrazvukové homogenizátory! Tyto ultrazvukové procesory jsou určeny pro kontinuální zpracování vysokých průtoků. UIP4000hdT, UIP6000hdT a UIP10000 lze integrovat 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 doporučené nastavení pro typické rychlosti průmyslového zpracování.