Biodieselproduktion & omdannelse til biodiesel
Overvind begrænsningerne i biodieselproduktionen med ultralydsreaktorer! Langsom reaktionskinetik og dårlig masseoverførsel kan reducere dit biodieselanlægs kapacitet, udbytte og kvalitet betydeligt. Hielschers ultralydsreaktorer løser disse udfordringer ved at forbedre transesterificeringskinetikken væsentligt. Derfor kræver biodieselbehandlingen mindre overskydende methanol og mindre katalysatormængder.
Ultralydskavitation: En overlegen blandingsløsning
Traditionel biodieselproduktion anvender typisk batchreaktorer med varme og mekanisk blanding som energitilførsel. Ultralydskavitation tilbyder et effektivt alternativ, der giver bedre blanding ved kommerciel biodieselbehandling. Denne ultralydskavitation leverer den nødvendige aktiveringsenergi til industriel transesterificering af biodiesel.
Vigtigste fordele ved transesterificering af biodiesel med ultralyd:
- Højere omdannelsesgrader
- Kortere reaktionstider
- Forbedret produktkvalitet
- Mulighed for at omdanne spildolier til FAME (fedtsyremethylestere)
Ultralydsblanding forbedrer omdannelsesgraden for biodiesel, øger udbyttet og sparer overskydende methanol og katalysator.
Transesterificering af biodiesel forbedret med ultralyd
Biodieselproduktion omfatter typisk en kemisk reaktion kaldet transesterificering, hvor et triglycerid (såsom vegetabilsk olie, animalsk fedt eller brugte madolier) reagerer med en alkohol (såsom methanol) i nærvær af en katalysator og danner biodiesel (fedtsyremethylestere) og glycerol. Ultralydsreaktorer kan bruges til at forbedre transesterificeringsprocessen på flere måder, hvilket giver flere fordele:
- Forbedret blanding: Ultralydsbølger kan skabe kavitationsbobler, der kollapser voldsomt og forårsager intens blanding og omrøring af reaktionsblandingen. Dette giver bedre kontakt mellem reaktanterne og katalysatoren, hvilket resulterer i hurtigere og mere fuldstændig transesterificering.
- Accelereret reaktionskinetik: De energirige forhold, der frembringes af ultralydsbølger, kan aktivere reaktionen, øge reaktionshastigheden og reducere den reaktionstid, der er nødvendig for at nå en given omdannelsesgrad. Dette kan give højere udbytter og lavere omkostninger.
- Reduceret katalysatorforbrug: Ultralydsreaktorer kan forbedre effektiviteten af katalysatoranvendelsen ved at tilvejebringe flere aktive steder for reaktionen. Det betyder, at der kræves mindre katalysator for at opnå samme omdannelsesgrad, hvilket reducerer omkostningerne og miljøpåvirkningen.
- Forbedret produktkvalitet: Ultralydsreaktorer kan producere biodiesel med et lavere indhold af frie fedtsyrer, højere renhed og bedre flydeegenskaber ved lave temperaturer. Dette skyldes den forbedrede blanding og hurtigere reaktionskinetik, som minimerer dannelsen af uønskede biprodukter og urenheder.
Disse fordele ved biodieselbehandling med ultralyd gør anvendelsen af et ultralydsreaktorsystem yderst økonomisk, da brugen af ultralydsreaktorer forbedrer effektiviteten, hastigheden og kvaliteten af biodieseltransesterificeringen betydeligt. Samlet set betyder det, at sonikering gør transesterificeringen til en mere økonomisk og miljømæssigt bæredygtig proces.
Problemer ved konventionel biodieselblanding: Den konventionelle esterificeringsreaktion ved batchbehandling har tendens til at være langsom, og faseadskillelsen af glycerin er tidskrævende og tager ofte 5 timer eller mere.
Ultralydsreaktorer hjælper dig med at fremskynde din biodieselproces og samtidig øge dit biodieseludbytte og din biodieselkvalitet med lavere behandlingsomkostninger!
Ultralydsapparat UIP2000hdT i industriel kvalitet med flowcelle FC2T500k til inline esterificering og transesterificering af biodiesel.
Fordelene ved transesterificering af biodiesel med ultralyd
- Højere biodieseludbytter som følge af forbedret blanding
- Øget biodieselkvalitet
- Brug selv olie af den dårligste kvalitet som råmateriale
- Kontinuerlig inline behandling
- Mindre methanol
- Mindre katalysator
- Tidsbesparelse som følge af hurtig omdannelse
- Energibesparende
- Enkel og sikker betjening
- Robusthed og lavt vedligeholdelsesbehov
- Høj ydeevne: Drift 24/7 ved fuld belastning
Ultralydsreaktoren UIP16000hdT producerer ca. 32MMGY
“Vi har været meget tilfredse med Hielschers udstyr og service, og vi har til hensigt at anvende Hielschers sonikeringsteknologi i alle vores fremtidige projekter.”
Todd Stephens, Tulsa Biofuels
Ultralyd til biodieselproduktion
Biodiesel produceres ofte i batchreaktorer. Omdannelse til biodiesel med ultralyd muliggør kontinuerlig inline behandling. Sonikering kan opnå et biodieseludbytte på over 99%. Ultralydsreaktorer reducerer behandlingstiden fra den konventionelle batchbehandling på 1 til 4 timer til mindre end 30 sekunder. Endnu vigtigere reducerer sonikering separationstiden fra 5 til 10 timer (ved konventionel omrøring) til mindre end 60 minutter. Sonikering hjælper også med at reducere den nødvendige katalysatormængde med op til 50% på grund af den øgede kemiske aktivitet i nærvær af kavitation. Ved anvendelse af sonikering reduceres også den nødvendige mængde overskydende methanol. En anden fordel er den deraf følgende øgede renhed af glycerinen.
Biodieselproduktion med ultralyd trin for trin:
- den vegetabilske olie eller det animalske fedt blandes med methanol (som danner methylestere) eller ethanol (til ethylestere) og natrium- eller kaliummethoxid eller -hydroxid
- blandingen opvarmes, f.eks. til temperaturer mellem 45 og 65degC
- den opvarmede blanding sonikeres inline i 5 til 15 sekunder
- glycerin udskilles eller separeres ved hjælp af centrifuger
- den omdannede biodiesel vaskes med vand
Sonikeringen udføres oftest ved et forhøjet tryk (1 til 3bar, overtryk) ved hjælp af en fødepumpe og en justerbar modtryksventil ved siden af flowcellen.
Industriel omdannelse til biodiesel kræver ikke meget ultralydsenergi. Det faktiske energibehov kan bestemmes i bordskala ved hjælp af f.eks. en 1kW ultralydsprocessor såsom UIP1000hdT. Alle resultater fra sådanne forsøg i bordskala kan opskaleres lineært og uden problemer. Om nødvendigt fås ATEX-certificerede ultralydsapparater, såsom UIP1000-Exd.
Hielscher leverer industrielt udstyr til biodieselbehandling med ultralyd i hele verden. Med ultralydsprocessorer med en effekt på op til 16kW pr. enkelt apparat er der ingen grænse for biodieselanlæggets størrelse eller behandlingskapacitet.
Omkostninger ved biodieselproduktion med ultralyd
Sonikering er et effektivt middel til at øge reaktionshastigheden og omdannelsesgraden i kommerciel biodieselproduktion. Omkostningerne ved ultralydsbehandling skyldes hovedsageligt investeringen i ultralydsudstyr, forsyningsomkostninger og vedligeholdelse. Hielschers ultralydsapparaters fremragende energieffektivitet hjælper med at reducere forsyningsomkostningerne og dermed gøre denne proces endnu grønnere. De resulterende omkostninger til sonikering varierer mellem 0,1ct og 1,0ct pr. liter (0,4ct til 1,9ct/gallon) ved anvendelse i kommerciel skala.
Læs mere om proceseffektiviteten og de økonomiske fordele ved biodieselproduktion med ultralyd!
Ultralydsblanding reducerer det specifikke energiforbrug ved biodieselproduktion og overgår hydrodynamisk magnetisk blanding og blandere med høj forskydningskraft langt.
Biodieselsystem med ultralyd i lille skala
Sonikering kan bruges til omdannelse af olie til biodiesel i enhver skala. Billedet nedenfor viser et system i lille skala til behandling af 60–70L (16 til 19 gallons). Dette er det typiske system til indledende undersøgelser og procesdemonstration.
Esterificering og transesterificering med ultralyd kan udføres som batchproces eller kontinuerlig inline proces. Dette diagram viser ultralydsbatchprocessen til omdannelse til biodiesel.
3x 1kW ultralydsapparater af modellen 1000hdT med ultralydsgennemstrømningsreaktor til yderst effektiv omdannelse til biodiesel.
- ét ultralydsapparat (f.eks. UIP500hdT eller UIP1000hdT) med booster, sonotrode og flowcelle
- effektmåler til måling af effekt og energi
- 80L behandlingstank (plast, f.eks. HDPE)
- varmelegeme (1 til 2kW)
- 10L tank til katalysatorforblanding (plast, f.eks. HDPE)
- katalysatorforblander (omrører)
- pumpe (centrifugal-, mono- eller tandhjulspumpe) til ca. 10 til 20L/min ved 1 til 3 barg
- modtryksventil til justering af trykket i flowcellen
- manometer til måling af fødetrykket
Ultralydsreaktorer til overlegen biodieselbehandling
Hielscher Ultrasonics tilbyder ultralydsprocessorer og -reaktorer med høj ydeevne, som vil forbedre din biodieselproduktion gennem højere biodieseludbytter, forbedret biodieselkvalitet, kortere behandlingstid og lavere produktionsomkostninger.
Ultralydsreaktorer i lille og mellemstor skala til transesterificering af biodiesel
Til biodieselproduktion i lille og mellemstor skala på op til 9ton/hr (2900 gal/hr) tilbyder Hielscher UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1000 watt), UIP1500hdT (1500 watt) og UIP2000hdT (2000 watt) som ultralydsblandere med høj forskydningskraft og gennemstrømningsreaktorer til pålidelig og effektiv inline biodieselbehandling. Disse fire ultralydsreaktorer er meget kompakte og nemme at integrere eller eftermontere. De er bygget til krævende drift i barske miljøer. Nedenfor finder du anbefalede reaktorsystemer til en række produktionshastigheder.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT (500 watt) |
0,25 til 0,5
|
80 til 160
|
| 1x UIP1000hdT (1000 watt) |
0,5 til 1,0
|
160 til 320
|
| 1x UIP1500hdT (1500 watt) |
0,75 til 1,5
|
240 til 480
|
| 1x UIP2000hdT (2000 watt) |
1,0 til 2,0
|
320 til 640
|
| 2x UIP2000hdT (2000 watt) |
2,0 til 4,0
|
640 til 1280
|
| 4xUIP1500hdT (1500 watt) |
3,0 til 6,0
|
960 til 1920
|
| 6x UIP1500hdT (1500 watt) |
4,5 til 9,0
|
1440 til 2880
|
| 6x UIP2000hdT (2000 watt) |
6,0 til 12,0
|
1920 til 3840
|
Industrielle biodieselreaktorer med meget stor gennemstrømningskapacitet
Til biodieselproduktionsanlæg med industriel behandling tilbyder Hielscher ultralydshomogenisatorerne UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10000 (10kW) og UIP16000hdT (16kW)! Disse ultralydsprocessorer er designet til kontinuerlig behandling ved høje flowhastigheder. UIP4000hdT, UIP6000hdT og UIP10000 kan integreres i standardcontainere til søfragt. Alternativt fås alle fire processormodeller i kabinetter af rustfrit stål. En opretstående installation kræver minimal plads. Nedenfor finder du anbefalede systemer til typiske industrielle behandlingshastigheder.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP6000hdT (6000 watt) |
3,0 til 6,0
|
960 til 1920
|
| 3x UIP4000hdT (4000 watt) |
6,0 til 12,0
|
1920 til 3840
|
| 5x UIP4000hdT (4000 watt) |
10,0 til 20,0
|
3200 til 6400
|
| 3x UIP6000hdT (6000 watt) |
9,0 til 18,0
|
2880 til 5880
|
| 3x UIP10000 (10.000 watt) |
15,0 til 30,0
|
4800 til 9600
|
| 3x UIP16000hdT (16.000 watt) |
24,0 til 48,0
|
7680 til 15.360
|
| 5x UIP16000hdT |
40,0 til 80,0
|
12.800 til 25.600
|
Kontakt os! / Spørg os!
Ultralydsapparatet UIP16000hdT kan behandle 32MMGY biodiesel.
Frost & Sullivan – årets teknologiske innovation
Hielscher Ultrasonics modtog den prestigefyldte Frost and Sullivan-pris for årets teknologiske innovation som anerkendelse af virksomhedens udvikling af ny ultralydsteknologi til biodieselproduktion.
Klik her for at læse mere om Frost and Sullivan-prisen til Hielscher Ultrasonics’ biodieselreaktorer!
Transesterificering – den kemiske omdannelse til biodiesel
Fremstilling af biodiesel af vegetabilske olier (f.eks. soja, raps, jatropha og solsikkefrø), alger, animalske fedtstoffer samt brugte madolier omfatter basekatalyseret transesterificering af fedtsyrer med methanol eller ethanol til dannelse af de tilsvarende methylestere eller ethylestere. Glycerin er et uundgåeligt biprodukt af denne reaktion.
Vegetabilske olier er ligesom animalske fedtstoffer triglycerider, der består af tre fedtsyrekæder bundet til et glycerinmolekyle. Triglycerider er estere. Estere er syrer, såsom fedtsyrer, kombineret med en alkohol. Glycerin (= glycerol) er en tung alkohol. I omdannelsesprocessen omdannes triglyceridestere til alkylestere (= biodiesel) ved hjælp af en katalysator (lud) og et alkoholreagens, f.eks. methanol, som giver methylesterbiodiesel. Methanolen erstatter glycerinen. Denne kemiske omdannelsesproces kaldes transesterificering.
Efter transesterificering vil glycerinen, som er den tungere fase, synke til bunds. Biodiesel, som er den lettere fase, flyder ovenpå og kan separeres, f.eks. ved hjælp af dekantere eller centrifuger.
Forberedelse af biodiesel
Kaliumhydroxid (0,2 til 0,4kg, katalysator) opløses i ca. 8,5L methanol i tanken til katalysatorforblanding. Dette kræver omrøring af katalysatorforblandingen. Behandlingstanken fyldes med 66L vegetabilsk olie. Olien opvarmes af varmelegemet til 45 til 65degC.
Omdannelse til biodiesel
Når katalysatoren er fuldstændigt opløst i methanolen, blandes katalysatorforblandingen med den opvarmede olie. Pumpen fører blandingen til flowcellen. Ved hjælp af modtryksventilen justeres trykket til 1 til 3barg (15 til 45psig). Recirkulation gennem ultralydsreaktoren til biodiesel bør udføres i ca. 20 minutter. I løbet af denne tid omdannes olien til biodiesel. Derefter slukkes pumpen og ultralyden. Glycerinen (den tungere fase) vil adskille sig fra biodieselen (den lettere fase). Separationen tager ca. 30 til 60 minutter. Når separationen er afsluttet, kan glycerinen aftappes.
Vask af biodiesel
Da den omdannede biodiesel indeholder urenheder, er vask nødvendig. Til vasken blandes vand i biodieselen. Sonikering kan forbedre blandingen af biodiesel og vand. Dette øger det aktive overfladeareal som følge af reduktionen i dråbestørrelse. Vær opmærksom på, at meget intens sonikering kan reducere vanddråberne til en størrelse, hvor der dannes en næsten stabil emulsion, som vil kræve særlige midler (f.eks. en centrifuge) for at blive separeret.
Biodieselproduktionsanlæg
Flowdiagrammet nedenfor viser et typisk system til inline sonikering af olie, methanol og katalysator til omdannelse til biodiesel.
Esterificering og transesterificering med ultralyd kan udføres som batchproces eller kontinuerlig inline proces. Diagrammet viser inline ultralydsprocessen til transesterificering af biodiesel (FAME).
Kontinuerlig biodieselbehandling og separation
I et system til kontinuerlig biodieselbehandling og kontinuerlig separation blandes den opvarmede olie og katalysatorforblandingen kontinuerligt ved hjælp af justerbare pumper. En statisk inline blander forbedrer homogeniteten af tilførslen til ultralydsreaktoren. Olie/katalysatorblandingen passerer gennem flowcellen, hvor den udsættes for ultralydskavitation i ca. 5 til 30 sekunder. En modtryksventil bruges til at styre trykket i flowcellen. Den sonikerede blanding føres ind øverst i reaktorkolonnen. Reaktorkolonnens volumen er dimensioneret til at give ca. 1 times opholdstid i kolonnen. I løbet af denne tid fuldføres transesterificeringsreaktionen. Den færdigreagerede glycerin/biodieselblanding pumpes til centrifugen, hvor den separeres i biodiesel- og glycerinfraktionerne. Efterbehandlingen omfatter genvinding af methanol, vask og tørring og kan også udføres kontinuerligt.
Dette system eliminerer batchbehandling i biodieselreaktorer, konventionelle omrørere og store separationstanke.
Reaktionshastighed ved transesterificering af biodiesel
Diagrammerne nedenfor viser typiske resultater af transesterificering af rapsolie (industriel kvalitet) med natriummethoxid (til venstre) og kaliumhydroxid (til højre). I begge forsøg blev en kontrolprøve (blå linje) udsat for intens mekanisk blanding. Den røde linje repræsenterer den sonikerede prøve med identisk sammensætning med hensyn til volumenforhold, katalysatorkoncentration og temperatur. Den vandrette akse viser tiden efter henholdsvis blanding eller sonikering. Den lodrette akse viser volumenet af glycerin, der bundfældede sig. Dette er en enkel metode til at måle reaktionshastigheden. I begge diagrammer reagerer den sonikerede prøve (rød) meget hurtigere end kontrolprøven (blå).
Sammenligning af ultralydsblanding (rød kurve) og konventionel blanding (blå kurve) til biodieselproduktion – med natriummethoxid (til venstre) og kaliumhydroxid (til højre) som katalysatorer.
Links til leverandører til biodieselproduktion
Klik her for links til leverandører af pumper og tanke til biodieselindustrien.
Oplysninger om kemikalier og sikkerhed
Læs oplysningerne nedenfor omhyggeligt for at forhindre komplikationer og skadelige helbredseffekter.
Kemikalier til biodiesel
Methanol er giftigt. Det kan forårsage nerveskader som følge af langvarig brug. Det kan også adsorberes af huden. Hvis det sprøjter i øjnene, kan det forårsage blindhed, og methanol kan være dødeligt ved indtagelse. Tag derfor de nødvendige forholdsregler ved håndtering af methanol. Det anbefales at bruge et godt åndedrætsværn, et forklæde og gummihandsker.
Kaliumhydroxid (KOH) er giftigt og forårsager ætsning af huden ved kontakt. God ventilation er nødvendig.
Sørg for, at arbejdsområdet er rigeligt og grundigt ventileret, så dampe kan slippe ud. Åndedrætsværn med filterpatroner til dampe er ikke effektive mod methanoldampe. Et luftforsynet system (SCBA – selvforsynet åndedrætsapparat) giver bedre beskyttelse mod methanoldampe.
Biodiesel og gummidele
Drift på 100% biodiesel i længere tid kan medføre komplikationer for motorens gummidele, der er i kontakt med brændstoffet (pumpe, slanger, O-ringe). Udskiftning med ståldele eller slidstærkt gummi kan eliminere dette problem. Alternativt kan du blande ca. 25% konventionel (fossil) diesel i din biodiesel for at forhindre komplikationer.
Litteratur / referencer
- 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 fremstiller ultralydshomogenisatorer med høj ydeevne fra laboratoriestørrelse til industriel størrelse.