Výroba bionafty s vynikající procesní a nákladovou efektivitou

Ultrazvukové míchání je špičková technologie pro vysoce účinnou a nákladově efektivní výrobu bionafty. Ultrazvuková kavitace drasticky zlepšuje přenos hmoty, čímž snižuje výrobní náklady a dobu zpracování. Současně lze používat nekvalitní oleje a tuky (např. odpadní oleje) a zlepšuje se kvalita bionafty. Hielscher Ultrasonics dodává vysoce výkonné, robustní ultrazvukové míchací reaktory pro jakékoli výrobní měřítko. Přečtěte si více, jak vaše výroba bionafty bude těžit ze sonikace!

Výhody výroby bionafty pomocí ultrazvuku

Bionafta (metylester mastných kyselin, zkr. FAME) je produktem transesterifikační reakce lipidové suroviny (triglyceridů, např. rostlinného oleje, použitých kuchyňských olejů, živočišných tuků, oleje z řas) a alkoholu (methanol, ethanol) za použití katalyzátoru (např. hydroxidu draselného KOH).
Problém: Při konvenční konverzi bionafty pomocí konvenčního míchání vede nemísitelná povaha obou reaktantů transesterifikační reakce oleje a alkoholu ke špatné rychlosti přenosu hmoty, což má za následek neefektivní výrobu bionafty. Tato neefektivita se vyznačuje dlouhými reakčními časy, vyššími molárními poměry metanol-olej, vysokými požadavky na katalyzátor, vysokými procesními teplotami a vysokou rychlostí míchání. Tyto faktory jsou významnými nákladovými faktory, 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 metanolu, snížit požadavky na katalyzátor, snížit reakční dobu a reakční teplotu. Tím se šetří zdroje (tj. chemikálie a energie) i čas, snižují se náklady na zpracování a výrazně se zlepšuje kvalita bionafty a ziskovost výroby. Tyto skutečnosti proměnily ultrazvukové míchání v preferovanou technologii pro efektivní výrobu bionafty.
Výzkum a výrobci průmyslové bionafty potvrzují, že ultrazvukové míchání je vysoce nákladově efektivní způsob výroby bionafty, a to i v případě, že se jako vstupní surovina používají nekvalitní oleje a tuky. Ultrazvuková intenzifikace procesu výrazně zlepšuje konverzní poměr a snižuje použití přebytečného metanolu a katalyzátoru, což umožňuje vyrábět bionaftu splňující standard kvality specifikací ASTM D6751 a EN 14212. (srov. Abdullah et al., 2015)

Transesterifikace triglyceridů na bionaftu (FAME) pomocí sonikace 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 i dodatečně namontovat do stávajících zařízení na bionaftu. Integrace ultrazvukového mixéru Hielscher promění jakékoli zařízení na bionaftu na vysoce výkonný výrobní závod. Jednoduchá instalace, robustnost a uživatelská přívětivost (není vyžadováno žádné zvláštní školení pro obsluhu) umožňují modernizaci jakéhokoli zařízení na vysoce účinné zařízení na výrobu bionafty. Níže vám představujeme vědecky ověřené výsledky výhod doložené 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.

Efektivita a srovnání nákladů: Ultrazvuk vs mechanické míchání

Gholami et al. (2021) prezentují ve své srovnávací studii výhody ultrazvukové transesterifikace oproti mechanickému míchání (tj. lopatkový mixér, oběžné kolo, mixér s vysokým smykem).
Investiční náklady: Ultrazvukový procesor a reaktorový UIP16000 dokáže vyrobit 192–384 t bionafty/den s půdorysem pouze 1,2 m x 0,6 m. Pro srovnání, pro mechanické míchání (MS) je zapotřebí mnohem větší reaktor kvůli dlouhé reakční době v procesu mechanického strirrngu, 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, zejména kvůli nižším celkovým investicím do procesu sonikace. Náklady na chemikálie (katalyzátor, metanol / alkohol) jsou třetím největším nákladovým faktorem v obou procesech, sonikaci a mechanickém míchání. U ultrazvukové konverze bionafty jsou však náklady na chemikálie výrazně nižší než na mechanické míchání. Podíl nákladů na chemické látky 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 proces mechanického míchání.
Náklady na energii: Energie spotřebovaná ultrazvukovým míchacím reaktorem je přibližně třikrát nižší než energie mechanického míchadla. Toto výrazné snížení spotřeby energie je výsledkem intenzivního mikromíchání a zkrácení reakční doby, které jsou výsledkem produkce a kolapsu nesčetných dutin, které charakterizují jev akustické / ultrazvukové kavitace (Gholami et al., 2018). Kromě toho je ve srovnání s konvenčním míchadlem spotřeba energie na rekuperaci metanolu a fáze čištění bionafty během ultrazvukového procesu míchání snížena o 26,5%, respektive 1,3%. Tento pokles je způsoben nižším množstvím methanolu vstupujícího do těchto dvou destilačních kolon v procesu ultrazvukové transesterifikace.
Náklady na likvidaci odpadu: Ultrazvuková kavitační technologie také výrazně snižuje náklady na likvidaci odpadu. Tyto náklady v procesu sonikace jsou zhruba jedna pětina nákladů v procesu míchání, což vyplývá z významného snížení produkce odpadu v důsledku vyšší konverze reaktoru a nižšího množství spotřebovaného alkoholu.
Přečtěte si více o ultrazvukové bionaftě konverze olejů z použité kávové sedliny!
Šetrnost k životnímu prostředí: Díky velmi vysoké celkové účinnosti, snížené spotřebě chemikálií, nižším energetickým nárokům a sníženému množství 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. Mezi výhody ultrazvukového zpracování bionafty patří celkové kapitálové investice, celkové náklady na produkt, čistá současná hodnota a vnitřní výnosové procento. Bylo zjištěno, že výše celkových investic do ultrazvukového kavitačního procesu je nižší než u jiných přibližně o 20,8%. Použití ultrazvukových reaktorů snížilo náklady na produkt o 5,2 % – Použití panenského řepkového oleje. Vzhledem k tomu, že sonikace umožňuje zpracovávat také použité oleje (např. použité oleje na vaření), lze výrobní náklady dále výrazně snížit. Gholami et al. (2021) dospěli k závěru, že vzhledem k kladné čisté současné hodnotě je ultrazvukový kavitační proces lepší volbou technologie míchání pro výrobu bionafty.
Z technického hlediska jsou nejdůležitějšími účinky ultrazvukové kavitace významná efektivita procesu a zkrácení reakční doby. Vznik a zhroucení četných vakuových bublin – známá jako akustická / ultrazvuková kavitace – Snižte 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 malým půdorysem. Ultrazvukový kavitační reaktor také vykazuje příznivé účinky na energetické a materiálové požadavky, snižuje spotřebu energie na téměř jednu třetinu spotřeby reaktoru s míchanou nádrží a spotřebu metanolu a katalyzátoru o 25 %.
Z ekonomického hlediska je celková investice do procesu ultrazvukové kavitace nižší než investice do procesu mechanického míchání, a to především díky téměř 50% a 11,6% snížení nákladů na reaktor a nákladů na destilační kolonu methanolu. Ultrazvukový kavitační proces také snižuje náklady na výrobu bionafty díky 4% snížení spotřeby řepkového oleje, nižším celkovým investicím, 2,2% nižší spotřebě chemikálií a 23,8% nižším požadavkům na užitné hodnoty. Na rozdíl od mechanicky míchaného procesu je ultrazvukové zpracování přijatelnou investicí díky své kladné čisté současné hodnotě, kratší době návratnosti a vyššímu vnitřnímu výnosovému procentu. Kromě technicko-ekonomických výhod spojených s procesem ultrazvukové kavitace je šetrnější k životnímu prostředí než proces mechanického míchání. Ultrazvuková kavitace má za následek 80% snížení odpadních toků díky vyšší konverzi v reaktoru a snížené spotřebě alkoholu v tomto procesu. (srov. Gholami et al., 2021)

Použijte katalyzátor dle vašeho výběru

Ultrazvukový proces transesterifikace bionafty se ukázal jako účinný při použití alkalických nebo zásaditých katalyzátorů. Například Shinde a Kaliaguine (2019) porovnávali účinnost ultrazvukového a mechanického míchání čepelí pomocí různých katalyzátorů, jmenovitě hydroxidu sodného (NaOH), hydroxidu draselného (KOH), (CH₃ONa), tetramethylamonium hydroxid 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 prokázáno, vynikající 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 u všech testovaných katalyzátorů. Spuštění transesterifikační reakce s ultrazvukovou kavitací je energeticky účinnou a průmyslově životaschopnou 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 altrnativní látky pro konverzi bionafty.
Mootabadi et al. (2010) zkoumali ultrazvukem asistovanou syntézu bionafty z palmového oleje pomocí různých katalyzátorů alkalických oxidů 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 vykázal 95,2% výtěžku při použití BaO během 60 minut reakční doby, která jinak trvá 3–4 hodiny v konvenčním procesu míchání. Pro ultrazvukem asistovanou transesterifikaci za optimálních podmínek bylo k dosažení 95% výtěžku zapotřebí 60 minut ve srovnání s 2–4 hodinami při konvenčním míchání. Také výtěžky dosažené ultrazvukem za 60 minut se zvýšily z 5,5 % na 77,3 % při použití CaO jako katalyzátorů, ze 48,2 % na 95,2 % při použití SrO jako katalyzátorů a z 67,3 % na 95,2 při použití BaO jako katalyzátorů.

Výroba bionafty s použitím různých guanidinů (3% mol) jako katalyzátoru. (A) Mechanický míchací vsádkový reaktor: (methanol:řepkový olej) 4:1, teplota 65ºC; (B) Ultrazvukový vsádkový reaktor: ultrasonicator UP200St, (methanol:řepkový olej) 4:1, 60% US amplituda, teplota 35ºC. 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, zkrácení doby zpracování a nižším výrobním nákladům.

Malé a střední reaktory na bionaftu

Pro malou a středně velkou výrobu bionafty až do 9 tun / h (2900 gal / h) vám Hielscher nabízí UIP500hdT (500 wattů), UIP1000hdT (1000 wattů), UIP1500hdT (1500 wattů)a UIP2000hdT (2000 wattů) Ultrazvukové modely mixérů s vysokým střihem. 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.

Velmi velkokapacitní průmyslové reaktory na bionaftu

Pro průmyslové zpracování zařízení na výrobu bionafty Hielscher nabízí UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (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.