Biodieselproduktion med overlegen proces- og omkostningseffektivitet

Ultralydsblanding er den overlegne teknologi til meget effektiv og omkostningseffektiv biodieselproduktion. Ultralydkavitation forbedrer masseoverførslen drastisk og reducerer derved produktionsomkostningerne og behandlingsvarigheden. Samtidig kan der anvendes olier og fedtstoffer af dårlig kvalitet (f.eks. spildolier), og biodieselkvaliteten forbedres. Hielscher Ultrasonics leverer højtydende, robuste ultralydsblandingsreaktorer til enhver produktionsskala. Læs mere, hvordan din biodieselproduktion vil drage fordel af sonikering!

Fordele ved biodieselproduktion ved hjælp af ultralyd

Biodiesel (fedtsyremethylester, abrev. FAME) er produktet af en transesterificeringsreaktion af lipidråmateriale (triglycerider, f.eks. vegetabilsk olie, brugte madolier, animalsk fedt, algeolie) og alkohol (methanol, ethanol) ved hjælp af en katalysator (f.eks. kaliumhydroxid KOH).
Problemet: Ved konventionel biodieselkonvertering ved hjælp af konventionel omrøring fører den ublandbare karakter af de to reaktanter i transesterificeringsreaktionen af olie og alkohol til dårlig masseoverførselshastighed, hvilket resulterer i en ineffektiv biodieselproduktion. Denne ineffektivitet er kendetegnet ved lange reaktionstider, højere methanol-olie-molarforhold, høje katalysatorkrav, høje procestemperaturer og høje omrøringshastigheder. Disse faktorer er betydelige omkostningsdrivere, hvilket gør konventionel biodieselproduktion til en dyr proces.
Løsningen: Ultralydsblanding emulgerer reaktanterne på en yderst effektiv, hurtig og billig måde, så olie-methanol-forholdet kan forbedres, katalysatorkravene reduceres, reaktionstid og reaktionstemperatur sænkes. Derved spares ressourcer (dvs. kemikalier og energi) samt tid, forarbejdningsomkostningerne reduceres, mens biodieselkvaliteten og produktionsrentabiliteten forbedres betydeligt. Disse fakta gør ultralydsblanding til den foretrukne teknologi til effektiv biodieselfremstilling.
Forskning og industrielle biodieselproducenter bekræfter, at ultralydsblanding er en yderst omkostningseffektiv måde at producere biodiesel på, selv når olier og fedtstoffer af dårlig kvalitet bruges som råmateriale. Ultralydsprocesintensiveringen forbedrer konverteringshastigheden betydeligt og reducerer brugen af overskydende methanol og katalysator, hvilket gør det muligt at producere biodiesel, der opfylder kvalitetsstandarden i ASTM D6751 og EN 14212 specifikationer. (jf. Abdullah et al., 2015)

Transesterificering af triglycerider til biodiesel (FAME) ved hjælp af sonikering resulterer i accelereret reaktion og betydeligt højere effektivitet.

Talrige fordele ved ultralydsblanding i biodieselproduktion

Ultralydsblandingsreaktorer kan nemt integreres i enhver ny installation samt eftermonteres i eksisterende biodieselanlæg. Integrationen af en Hielscher ultralydsblander gør ethvert biodieselanlæg til et højtydende produktionsanlæg. Enkel installation, robusthed og brugervenlighed (ingen specifik uddannelse til drift påkrævet) giver mulighed for opgradering af ethvert anlæg til et højeffektivt biodieselanlæg. Nedenfor præsenterer vi dig for videnskabeligt dokumenterede resultater af fordele dokumenteret af uafhængige tredjeparter. Tallene beviser overlegenheden af ultralydsbiodieselblanding i forhold til enhver konventionel omrøringsteknik.

Flowdiagrammet viser biodieselproduktionstrinene, herunder ultralydsblanding for forbedret proceseffektivitet.

Sammenligning af effektivitet og omkostninger: Ultralyd vs mekanisk omrøring

Gholami et al. (2021) præsenterer i deres sammenlignende undersøgelse fordelene ved ultralydstransesterificering i forhold til mekanisk omrøring (dvs. knivblander, pumpehjul, højforskydningsblander).
Investeringsomkostninger: Ultralydsprocessoren og reaktoren UIP16000 kan producere 192-384 t biodiesel/d med et fodaftryk på kun 1,2 m x 0,6 m. Til sammenligning kræves der til mekanisk omrøring (MS) en meget større reaktor på grund af den lange reaktionstid i den mekaniske strirrng-proces, hvilket får reaktoromkostningerne til at stige betydeligt. (jf. Gholami et al., 2020)
Omkostninger til behandling: Behandlingsomkostningerne til ultralydsbiodieselproduktion er 7,7% lavere end for omrøringsprocessen, hovedsageligt på grund af den lavere samlede investering i sonikeringsprocessen. Omkostningerne ved kemikalier (katalysator, methanol / alkohol) er den tredjestørste omkostningsdriver i begge processer, sonikering og mekanisk omrøring. For ultralydsbiodieselkonvertering er omkostningerne til kemikalier imidlertid betydeligt lavere end for den mekaniske omrøring. Omkostningsfraktionen for kemikalier udgør ca. 5 % af den endelige biodieselpris. På grund af det lavere forbrug af methanol, natriumhydroxid og fosforsyre er omkostningerne til kemikalier i ultralydsbiodieselprocessen 2,2% lavere end for den mekaniske omrøringsproces.
Energiomkostninger: Energiforbruget af ultralydsblandingsreaktoren er cirka tre gange lavere end den mekaniske omrører. Denne betydelige reduktion i energiforbruget er et produkt af den intense mikroblanding og reducerede reaktionstid, der skyldes produktion og sammenbrud af utallige hulrum, som karakteriserer fænomenet akustisk / ultralydskavitation (Gholami et al., 2018). Sammenlignet med den konventionelle omrører reduceres energiforbruget til methanolgenvinding og biodieselrensningstrin under ultralydsblandingsprocessen med henholdsvis 26,5% og 1,3%. Dette fald skyldes de lavere mængder methanol, der kommer ind i disse to destillationskolonner i ultralydstransesterificeringsprocessen.
Omkostninger til bortskaffelse af affald: Ultralydkavitationsteknologi reducerer også bemærkelsesværdigt omkostningerne ved bortskaffelse af affald. Disse omkostninger i sonikeringsprocessen er ca. en femtedel af omkostningerne i omrøringsprocessen, hvilket skyldes det betydelige fald i affaldsproduktionen på grund af højere reaktorkonvertering og lavere mængder forbrugt alkohol.
Miljøvenlighed: På grund af den meget høje samlede effektivitet, det reducerede kemikalieforbrug, lavere energibehov og reduceret affald er ultralydsbiodieselproduktion betydeligt mere miljøvenlig end konventionelle biodieselfremstillingsprocesser.

Konklusion – Ultralyd forbedrer biodieselproduktionseffektiviteten

Den videnskabelige vurdering viser de klare fordele ved ultralydsblanding i forhold til konventionel mekanisk omrøring til biodieselproduktion. Fordelene ved ultralydsbiodieselbehandling inkluderer samlede kapitalinvesteringer, samlede produktomkostninger, nettonutidsværdi og internt afkast. Mængden af den samlede investering i ultralydskavitationsprocessen viste sig at være lavere end for andre med ca. 20,8%. Brug af ultralydsreaktorer reducerede produktomkostningerne med 5,2 % – ved hjælp af jomfru rapsolie. Da sonikering gør det muligt at behandle også brugte olier (f.eks. Brugte madolier), kan produktionsomkostningerne reduceres betydeligt yderligere. Gholami et al. (2021) kommer til den konklusion, at på grund af en positiv nettonutidsværdi er ultralydskavitationsprocessen det bedre valg af blandingsteknologi til biodieselproduktion.
Fra et teknisk synspunkt spænder de vigtigste virkninger af ultralydskavitation over den betydelige proceseffektivitet og reduktion i reaktionstid. Dannelsen og sammenbruddet af adskillige vakuumbobler – kendt som akustisk / ultralydskavitation – Reducer reaktionstiden fra flere timer i den omrørte tankreaktor til et par sekunder i ultralydskavitationsreaktoren. Denne korte opholdstid tillader biodieselproduktion i en gennemstrømningsreaktor med et lille fodaftryk. Ultralydskavitationsreaktoren viser også gavnlige virkninger på energi- og materialebehov, hvilket reducerer energiforbruget til næsten en tredjedel af det, der forbruges af en omrørt tankreaktor og methanol- og katalysatorforbrug med 25%.
Fra det økonomiske perspektiv er ultralydskavitationsprocessens samlede investering lavere end den mekaniske omrøringsproces, hovedsageligt på grund af næsten 50% og 11,6% reduktion i henholdsvis reaktoromkostningerne og omkostningerne til methanoldestillationskolonnen. Ultralydskavitationsprocessen reducerer også biodieselproduktionsomkostningerne på grund af en 4% reduktion i rapsolieforbruget, lavere samlede investeringer, 2.2% lavere kemikalieforbrug og 23.8% lavere forsyningskrav. I modsætning til den mekanisk omrørte proces er ultralydsbehandlingen en acceptabel investering på grund af dens positive nettonutidsværdi, kortere tilbagebetalingstid og et højere internt afkast. Ud over de teknoøkonomiske fordele forbundet med ultralydskavitationsprocessen er den mere miljøvenlig end den mekaniske omrøringsproces. Ultralydskavitation resulterer i en 80% reduktion i affaldsstrømme på grund af den højere konvertering i reaktoren og reduceret alkoholforbrug i denne proces. (jf. Gholami et al., 2021)

Brug den katalysator, du ønsker

Ultralydstransesterificeringsproces af biodiesel har vist sig at være effektiv ved hjælp af både alkaliske eller basiske katalysatorer. For eksempel sammenlignede Shinde og Kaliaguine (2019) effektiviteten af ultralyds- og mekanisk bladblanding ved hjælp af forskellige katalysatorer, nemlig natriumhydroxid (NaOH), kaliumhydroxid (KOH), (CH₃ONa), tetramethylammoniumhydroxid og fire guanidiner (propyl-2,3-dicyclohexylguanidin (PCHG), 1,3-dicyclohexyl 2 n-octylguanidin (DCOG), 1,1,3,3-tetramethylguanidin (TMG), 1,3-diphenylguanidin (DPG)). Ultralydsblanding (ved 35 °) som vist overlegen til biodieselproduktion, der udmærker sig ved mekanisk blanding (ved 65 °) ved højere udbytter og konverteringshastighed. Effektiviteten af masseoverførsel i ultralydsfeltet øgede hastigheden af transesterificeringsreaktionen sammenlignet med mekanisk omrøring. Sonikering overgik mekanisk omrøring for alle testede katalysatorer. Kørsel af transesterificeringsreaktionen med ultralydskavitation er et energieffektivt og industrielt levedygtigt alternativ til biodieselproduktion. Udover de udbredte katalysatorer KOH og NaOH er begge guanidinkatalysatorer, propyl-2,3 dicyclohexylguanidin (PCHG) og 1,3-dicyclohexyl 2 n-octylguanidin (DCOG), begge blevet vist som interessante alternative midler til biodieselkonvertering.
Mootabadi et al. (2010) undersøgte ultralydsassisteret biodieselsyntese fra palmeolie ved hjælp af forskellige alkaliske metaloxidkatalysatorer såsom CaO, BaO og SrO. Katalysatorens aktivitet i ultralydassisteret biodieselsyntese blev sammenlignet med den traditionelle magnetiske omrøringsproces, og det blev fundet, at ultralydsprocessen viste 95,2% af udbyttet ved hjælp af BaO inden for 60 minutters reaktionstid, som ellers tager 3-4 timer i den konventionelle omrøringsproces. For ultralydsassisteret transesterificering under optimale forhold var det nødvendigt med 60 minutter for at opnå 95 % udbytte sammenlignet med 2-4 timer ved konventionel omrøring. Udbyttet opnået med ultralyd på 60 minutter steg også fra 5,5 % til 77,3 % ved at bruge CaO som katalysatorer, 48,2 % til 95,2 % ved at bruge SrO som katalysatorer og 67,3 % til 95,2 ved at bruge BaO som katalysatorer.

Biodieselproduktion ved hjælp af forskellige guanidiner (3% mol) som katalysator. A) Batchreaktor til mekanisk omrøring: (methanol:rapsolie) 4:1, temperatur 65ºC B) Batchreaktor med ultralyd: ultralydsapparat UP200St, (methanol: rapsolie) 4:1, 60% US amplitude, temperatur 35ºC. Ultralydsdrevet blanding overgår mekanisk omrøring langt.
(Undersøgelse og grafer: Shinde og Kaliaguine, 2019)

Højtydende ultralydsreaktorer til overlegen biodieselbehandling

Hielscher Ultrasonics tilbyder højtydende ultralydsprocessorer og reaktorer til forbedret biodieselproduktion, hvilket resulterer i højere udbytter, forbedret kvalitet, reduceret behandlingstid og lavere produktionsomkostninger.

Små og mellemstore biodieselreaktorer

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) ultralyds-mixermodeller med høj forskydning. 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.

Industrielle biodieselreaktorer med meget stor kapacitet

Til industriel forarbejdning af biodieselproduktionsanlæg tilbyder Hielscher UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) og UIP16000hdT (16kW) ultralyd homogenisatorer! 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.