Produktion af biodiesel & Konvertering af biodiesel
Når du fremstiller biodiesel, sænker langsom reaktionskinetik og dårlig masseoverførsel din biodieselanlægskapacitet samt dit biodieseludbytte og kvalitet. Hielscher ultralydsreaktorer forbedrer transesterificeringskinetikken betydeligt. Derfor kræves der lavere overskydende methanol og mindre katalysator til biodieselbehandling.
Biodiesel produceres almindeligvis i batchreaktorer ved hjælp af varme og mekanisk blanding som energiinput. Ultralyd kavitationel blanding er et effektivt alternativ til at opnå en bedre blanding i kommerciel biodieselbehandling. Ultralydskavitation giver den nødvendige aktiveringsenergi til den industrielle biodieseltransesterificering.
Ultralydsforbedret transesterificering af biodiesel
Biodieselproduktion involverer typisk en kemisk reaktion kaldet transesterificering, hvor et triglycerid (såsom vegetabilsk olie, animalsk fedt, brugte madolier) reagerer med en alkohol (såsom methanol) i nærvær af en katalysator for at producere biodiesel (fedtsyremethylestere) og glycerol. Ultralydsreaktorer kan bruges til at forbedre transesterificeringsprocessen på flere måder, hvilket fører til flere fordele:
- Forbedret blanding: Ultralydsbølger kan skabe kavitationsbobler, der kollapser voldsomt, hvilket forårsager intens blanding og omrøring af reaktionsblandingen. Dette fører til bedre kontakt mellem reaktanterne og katalysatoren, hvilket resulterer i hurtigere og mere fuldstændig transesterificering.
- Accelereret reaktionskinetik: De højenergiforhold, der genereres af ultralydsbølger, kan aktivere reaktionen, øge reaktionshastigheden og reducere den reaktionstid, der er nødvendig for at nå et givet konverteringsniveau. Dette kan resultere i højere udbytter og lavere omkostninger.
- Reduceret katalysatorforbrug: Ultralydsreaktorer kan forbedre effektiviteten af katalysatorbrug ved at tilvejebringe mere aktive steder for reaktionen. Det betyder, at der kræves mindre katalysator for at opnå det samme konverteringsniveau, hvilket reducerer omkostninger og miljøpåvirkning.
- Forbedret produktkvalitet: Ultralydsreaktorer kan producere biodiesel med lavere indhold af frie fedtsyrer, højere renhed og bedre koldstrømningsegenskaber. Dette skyldes den forbedrede blanding og hurtigere reaktionskinetik, som minimerer dannelsen af uønskede biprodukter og urenheder.
Disse fordele ved ultralydsbiodieselbehandling gør brugen af en ultralydsreaktoropsætning meget økonomisk, da brugen af ultralydsreaktorer forbedrer effektiviteten, hastigheden og kvaliteten af biodieseltransesterificering betydeligt. Dette betyder sammenfattende, at ultralydbehandling gør transesterificeringen til en mere økonomisk og miljømæssigt bæredygtig proces.
Problemer med konventionel biodieselblanding: Den konventionelle esterificeringsreaktion i batchbehandling har en tendens til at være langsom, og faseadskillelse af glycerinen er tidskrævende og tager ofte 5 timer eller mere.
Ultralydsreaktorer hjælper dig med at fremskynde din biodieselproces og samtidig øge dit biodieseludbytte og kvalitet til lavere forarbejdningsomkostninger!
Fordelene ved ultralydsbiodieseltransesterificering
- Højere biodieseludbytte på grund af forbedret blanding
- Øget biodieselkvalitet
- Brug selv den dårligste olie som råmateriale
- Kontinuerlig inline-behandling
- Mindre methanol
- Mindre katalysator
- Tidsbesparende på grund af højhastighedskonvertering
- Energibesparende
- Enkel og sikker betjening
- Robusthed og lav vedligeholdelse
- Høj ydeevne: 24/7 drift under fuld belastning
"Vi har været meget tilfredse med Hielschers udstyr og service, og vi har alle intentioner om at inkludere Hielscher-ultralydsteknologien i alle vores fremtidige bestræbelser."
Todd Stephens, Tulsa Biofuels
Ultralyd til biodieselproduktion
Biodiesel produceres ofte i batchreaktorer. Ultralydsbiodieselkonvertering giver mulighed for kontinuerlig inline-behandling. Ultralydbehandling kan opnå et biodieseludbytte på over 99%. Ultralydsreaktorer reducerer behandlingstiden fra den konventionelle 1 til 4 timers batchbehandling til mindre end 30 sekunder. Endnu vigtigere er det, at ultralydbehandling reducerer adskillelsestiden fra 5 til 10 timer (ved hjælp af konventionel omrøring) til mindre end 60 minutter. Ultralydbehandlingen hjælper også med at reducere mængden af katalysator, der kræves med op til 50% på grund af den øgede kemiske aktivitet i nærvær af kavitation. Ved brug af ultralydbehandling reduceres også mængden af overskydende methanol, der kræves. En anden fordel er den resulterende stigning i glycerinens renhed.
Ultralyd biodieselproduktion trin for trin:
- den vegetabilske olie eller det animalske fedt blandes med methanol (som fremstiller methylestere) eller ethanol (til ethylestere) og natrium- eller kaliummethoxid eller -hydroxid
- blandingen opvarmes, f.eks. til temperaturer mellem 45 og 65 °C
- Den opvarmede blanding sonikeres inline i 5 til 15 sekunder
- glycerin falder ud eller adskilles ved hjælp af centrifuger
- Den omdannede biodiesel vaskes med vand
Oftest udføres sonikeringen ved et forhøjet tryk (1 til 3 bar, manteltryk) ved hjælp af en fødepumpe og en justerbar modtryksventil ved siden af flowcellen.
Industriel biodieselkonvertering har ikke brug for meget ultralydsenergi. Det faktiske energibehov kan bestemmes i bordskala ved hjælp af f.eks. en 1kW ultralydsprocessor som UIP1000hdT. Alle resultater fra sådanne bench-top-forsøg kan skaleres lineært og uden problemer. Hvis det er nødvendigt, er ATEX-certificerede ultralydsenheder tilgængelige, såsom UIP1000-Exd.
Hielscher leverer industrielt ultralydsudstyr til biodieselbehandling over hele verden. Med ultralydsprocessorer på op til 16kW effekt pr. Enkelt enhed er der ingen grænse for biodieselanlægsstørrelse eller behandlingskapacitet.
Omkostninger ved ultralydsfremstilling af biodiesel
Ultralydbehandling er et effektivt middel til at øge reaktionshastigheden og konverteringshastigheden i den kommercielle biodieselproduktion. Ultralydsbehandlingsomkostninger skyldes hovedsageligt investeringen i ultralydsudstyr, forsyningsomkostninger og vedligeholdelse. Den enestående energieffektivitet af Hielscher ultralydapparater hjælper med at reducere forsyningsomkostningerne og derved gøre denne proces endnu grønnere. De resulterende omkostninger til ultralydbehandling varierer mellem 0,1 ct og 1,0 ct pr. liter (0,4 ct til 1,9 ct / gallon), når de bruges i kommerciel skala.
Læs mere om proceseffektiviteten og de økonomiske fordele ved ultralydsbiodieselproduktion!
Opsætning af ultralydsbiodiesel i lille skala
Ultralydbehandling kan bruges til omdannelse af olie til biodiesel i enhver skala. Billedet nedenfor viser en lille opsætning til behandling af 60-70L (16 til 19 gallon). Dette er den typiske opsætning for indledende undersøgelser og procesdemonstration.
- en ultralydsapparat (f.eks. UIP500hdT eller UIP1000hdT) med booster, sonotrode og flowcelle
- Effektmåler til måling af effekt og energi
- 80L forarbejdningstank (plast, f.eks. HDPE)
- varmeelement (1 til 2kW)
- 10L katalysatorforblandingstank (plast, f.eks. HDPE)
- katalysatorformixer (omrører)
- pumpe (centrifuge, mono eller gear) i ca. 10 til 20 l/min ved 1 til 3 barg
- modtryksventil til justering af trykket i flowcellen
- Manometer til måling af fremføringstryk
Ultralydsreaktorer til overlegen biodieselbehandling
Hielscher Ultrasonics tilbyder højtydende ultralydsprocessorer og reaktorer, som forbedrer din biodieselproduktion ved højere biodieseludbytter, forbedret biodieselkvalitet, reduceret behandlingstid og lavere produktionsomkostninger.
Små og mellemstore ultralydsreaktorer til transesterificering af biodiesel
Til små og mellemstore biodieselproduktioner på op til 9 ton/t (2900 gal/t) tilbyder Hielscher dig UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1000 watt), UIP1500hdT (1500 watt) og UIP2000hdT (2000 watt) som ultralydsblandere med høj forskydning med gennemstrømningsreaktorer til pålidelig og effektiv inline biodieselbehandling. Disse fire ultralydsreaktorer er meget kompakte, nemme at integrere eller eftermontere. De er bygget til tung drift i barske miljøer. Nedenfor finder du anbefalede reaktoropsætninger til en række produktionshastigheder.
ton/time
|
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 kapacitet
Til industriel forarbejdning af biodieselproduktionsanlæg tilbyder Hielscher UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10000 (10kW) og UIP16000hdT (16kW) ultralydshomogenisatorer! Disse ultralydsprocessorer er designet til kontinuerlig behandling af høje strømningshastigheder. UIP4000hdT, UIP6000hdT og UIP10000 kan integreres i standard søfragtcontainere. Alternativt fås alle fire processormodeller i kabinetter i rustfrit stål. En opretstående installation kræver minimal plads. Nedenfor finder du anbefalede opsætninger til typiske industrielle bearbejdningshastigheder.
ton/time
|
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 15360
|
5x UIP16000hdT |
40,0 til 80,0
|
12800 til 25600
|
Kontakt os! / Spørg os!
Frost & Årets teknologiinnovation i Sullivan
Hielscher Ultrasonics modtog den prestigefyldte Frost and Sullivan Technology Innovation of the Year Award som anerkendelse af virksomhedens udvikling af ny ultralydsteknologi til biodieselproduktion.
Klik her for at læse mere om Frost and Sullivan Award for Hielscher Ultrasonics biodieselreaktorer!
Transesterificering – Den kemiske omdannelse af biodiesel
Fremstilling af biodiesel af vegetabilske olier (f.eks. soja, raps, jatropha, solsikkefrø), alger, animalsk fedt samt affald af madolier involverer basekatalyseret transesterificering af fedtsyrer med methanol eller ethanol for at give de tilsvarende methylestere eller ethylestere. Glycerin er et uundgåeligt biprodukt af denne reaktion.
Vegetabilske olier som animalsk fedt er triglycerider sammensat af tre kæder af fedtsyrer bundet af et glycerinmolekyle. Triglycerider er estere. Estere er syrer, ligesom fedtsyrer, kombineret med en alkohol. Glycerin (= glycerol) er en tung alkohol. I omdannelsesprocessen omdannes triglyceridester til alkylestere (= biodiesel) ved hjælp af en katalysator (lud) og et alkoholreagens, f.eks. methanol, som giver methylestere biodiesel. Metanolen erstatter glycerinen. Denne kemiske omdannelsesproces kaldes transesterificering.
Efter transesterificering vil glycerinen, som er den tungere fase, synke til bunden. Biodiesel, som er den lettere fase, flyder ovenpå og kan adskilles f.eks. med karafler eller centrifuger.
Forberedelse af biodiesel
Kaliumhydroxid (0,2 til 0,4 kg, katalysator) opløses i ca. 8,5 L methanol i katalysatorforblandingstanken. Dette kræver omrøring af katalysatorforblandingen. Forarbejdningstanken fyldes med 66L vegetabilsk olie. Olien opvarmes af varmeelementet til 45 til 65 °C.
Konvertering af biodiesel
Når katalysatoren er helt opløst i metanolen, blandes katalysatorforblandingen med den opvarmede olie. Pumpen fører blandingen til flowcellen. Ved hjælp af modtryksventilen justeres trykket til 1 til 3 barg (15 til 45 psig). Recirkulation gennem ultralydsbiodieselreaktoren skal udføres i ca. 20 minutter. I løbet af denne tid bliver olien omdannet til biodiesel. Herefter slukkes pumpen og ultralyden. Glycerinen (tungere fase) vil adskille sig fra biodieselen (lettere fase). Adskillelsen tager ca. 30 til 60 minutter. Når adskillelsen er færdig, kan glycerinen drænes.
Biodiesel vask
Da den omdannede biodiesel indeholder urenheder, er vask påkrævet. Til vask blandes vand i biodieselen. Ultralydbehandling kan gavne blandingen af biodiesel med vandet. Dette øger det aktive overfladeareal som følge af reduktionen af dråbestørrelsen. Overvej venligst, at meget intens sonikering kan reducere vanddråberne til en størrelse, at der dannes en næsten stabil emulsion, der kræver specielle midler (f.eks. Centrifuge) for at blive adskilt.
Anlæg til fremstilling af biodiesel
Flowdiagrammet nedenfor viser en typisk opsætning for in-line sonikering af olie, methanol og katalysator til omdannelse til biodiesel.
Kontinuerlig behandling og separation af biodiesel
I en opsætning til kontinuerlig biodieselbehandling og kontinuerlig separation blandes den opvarmede olie og katalysatorforblandingen kontinuerligt sammen ved hjælp af justerbare pumper. En inline statisk mixer forbedrer homogeniteten af tilførslen til ultralydsreaktoren. Olie/katalysatorblandingen passerer flowcellen, hvor den udsættes for ultralydskavitation i ca. 5 til 30 sekunder. En modtryksventil bruges til at styre trykket i flowcellen. Den sonikerede blanding kommer ind i reaktorsøjlen på toppen. Reaktorkolonnens volumen er designet til at give ca. 1 times retentionstid i kolonnen. I løbet af den tid er transesterificeringsreaktionen afsluttet. Den reagerede glycerin/biodieselblanding pumpes til centrifugen, hvor den adskilles i biodiesel- og glycerinfraktionerne. Efterbehandling involverer genvinding, vask og tørring af metanol og kan også udføres kontinuerligt.
Denne opsætning eliminerer biodieselreaktorpartier, konventionelle omrørere og store separatortanke.
Reaktionshastighed for transesterificering af biodiesel
Nedenstående diagrammer viser typiske resultater af transesterificering af rapsolie (industriel kvalitet) med natriummethoxid (venstre) og kaliumhydroxid (højre). For begge tests blev en kontrolprøve (blå linje) udsat for intens mekanisk blanding. Den røde linje repræsenterer den sonikerede prøve af den identiske formulering med hensyn til volumenforhold, katalysatorkoncentration og temperatur. Den vandrette akse viser tiden efter henholdsvis blanding eller sonikering. Den lodrette akse viser mængden af glycerin, der satte sig i bunden. Dette er en simpel måde at måle reaktionshastigheden på. I begge diagrammer reagerer den sonikerede prøve (rød) meget hurtigere end kontrolprøven (blå).
Links til biodieselforsyninger
Klik her for links til leverandører af pumper og tanke til biodieselindustrien.
Kemikalie- og sikkerhedsoplysninger
Læs venligst nedenstående oplysninger omhyggeligt for at forhindre komplikationer og negative helbredseffekter.
Biodiesel kemikalier
Methanol er giftigt. Det kan forårsage nerveforringelse som følge af langvarig brug. Det kan også adsorberes af huden. Hvis det sprøjtes i øjnene, kan det forårsage blindhed, og metanol kan være dødeligt ved indtagelse. Tag derfor de nødvendige forholdsregler ved håndtering af methanol. Det anbefales at bruge en god åndedrætsværn, et forklæde og gummihandsker.
Kaliumhydroxid (KOH) er giftigt og forårsager hudforbrænding ved kontakt. God ventilation er påkrævet.
Sørg for, at arbejdsområdet er generøst og grundigt ventileret, så dampe kan slippe ud. Åndedrætsværn med damppatroner er ikke effektive mod methanoldampe. Et system til forsynet luft (SCBA — Selvstændigt åndedrætsværn) giver bedre beskyttelse mod metanoldampe.
Biodiesel og gummidele
Kørsel på 100 % biodiesel i længere tid kan forårsage komplikationer til våde gummidele (pumpe, slanger, O-ringe) i motoren. Udskiftning med ståldele eller kraftig 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.