Biodieselproduktion & Biodieselumwandlung

Bei der Herstellung von Biodiesel beeinträchtigen eine langsame Reaktionskinetik und ein schlechter Stoffaustausch die Kapazität Ihrer Biodieselproduktionsanlage sowie den Ertrag und die Qualität Ihres Biodiesels. Hielscher Ultraschallreaktoren verbessern die Umesterungskinetik erheblich. Dadurch sind für die Biodieselherstellung weniger Methanol und weniger Katalysator erforderlich.

Biodiesel wird üblicherweise in Batchreaktoren unter Einsatz von Hitze und mechanischem Mischen als Energiezufuhr hergestellt. Das Ultraschall-Mischen ist eine wirksame Alternative, um eine bessere Durchmischung bei der kommerziellen Biodieselverarbeitung zu erreichen. Die Ultraschallkavitation liefert die notwendige Aktivierungsenergie für die industrielle Biodieselumesterung.

Verbesserte Umesterung von Biodiesel mit Hilfe von Ultraschall

Die Herstellung von Biodiesel erfolgt in der Regel durch eine chemische Reaktion, die als Umesterung bezeichnet wird und bei der ein Triglycerid (z. B. Pflanzenöle, tierische Fette, gebrauchte Speiseöle) in Gegenwart eines Katalysators mit einem Alkohol (z. B. Methanol) reagiert, um Biodiesel (Fettsäuremethylester) und Glycerin zu erzeugen. Mit Hilfe von Ultraschallreaktoren kann der Umesterungsprozess verbessert werden, was mehrere Vorteile mit sich bringt:

• Intensiviertes Mischen: Durch Ultraschallwellen können Kavitationsblasen erzeugt werden, die heftig implodieren und dadurch Turbulenzen und intensive Durchmischung des Reaktionsgemischs bewirken. Dies führt zu einem verbesserten Kontakt zwischen den Reaktanten und dem Katalysator, was eine schnellere und vollständigere Umesterung zur Folge hat.
• Beschleunigte Reaktionskinetik: Die durch die Ultraschallwellen erzeugten energie-intensiven Kräfte aktivieren die Umesterungsreaktion. Dadurch wird die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht und die Reaktionszeit verringert, die zum Erreichen eines bestimmten Umwandlungsgrades erforderlich ist. Infolgedessen werden mittels Ultraschall höhere Erträge und niedrigere Kosten erreicht.
• Geringerer Katalysatorverbrauch: Ultraschallreaktoren verbessern die Effizienz des Katalysatoreinsatzes, da durch die Beschallung der Mischprozess und damit der Stoffaustausch intensiviert wird. Dies bedeutet, dass weniger Katalysator benötigt wird, um die gleiche Umwandlungsleistung zu erzielen, was Kosten und Umweltbelastung reduziert.
• Verbesserte Biodieselqualität: Mit Ultraschallreaktoren kann Biodiesel mit einem geringeren Gehalt an freien Fettsäuren, einer höheren Reinheit und besseren Kaltfließeigenschaften hergestellt werden. Dies ist auf die verbesserte Durchmischung und die schnellere Reaktionskinetik zurückzuführen, welche die Bildung unerwünschter Nebenprodukte und Verunreinigungen minimiert.

Diese Vorteile der ultraschall-gestützten Biodieselverarbeitung machen den Einsatz eines Ultraschallreaktors sehr kosteneffektiv und wirtschaftlich, da Ultraschallreaktoren die Effizienz, Geschwindigkeit und Qualität der Biodieselumesterung erheblich verbessert. Zusammengefasst bedeutet dies, dass die Umesterung durch Ultraschall zu einem ökonomisch und ökologisch nachhaltigeren Prozess wird.

Probleme bei der Biodieselproduktion mit konventioneller Mischtechnologie: Die herkömmliche Veresterungsreaktion im Batch-Verfahren ist ziemlich langsam, und die Phasentrennung des Glycerins ist zeitaufwändig und dauert häufig 5 Stunden oder länger.
 
Ultraschallreaktoren helfen Ihnen, Ihren Biodieselprozess zu beschleunigen und gleichzeitig Ihre Biodieselausbeute und -qualität bei geringeren Prozesskosten zu steigern!
 

Industrietauglicher Ultraschallhomogenisator UIP2000hdT mit Durchflusszelle FC2T500k für die Inline-Biodieselveresterung und -Umesterung.

Vorteile der Biodiesel-Umesterung mit Ultraschall

Ultraschall für die Biodieselproduktion

Biodiesel wird häufig in Batchreaktoren hergestellt. Die Biodieselumwandlung mit Ultraschall ermöglicht eine kontinuierliche Inline-Verarbeitung. Durch die Ultraschallbehandlung kann eine Biodieselausbeute von über 99% erreicht werden. Ultraschallreaktoren verkürzen die Verarbeitungszeit von der herkömmlichen 1 bis 4-stündigen Batchnverarbeitung auf weniger als 30 Sekunden. Noch wichtiger ist, dass die Ultraschallbehandlung die Trennungszeit von 5 bis 10 Stunden (bei herkömmlichem Rühren) auf weniger als 60 Minuten reduziert. Ultraschall trägt auch dazu bei, die erforderliche Katalysatormenge um bis zu 50 % zu verringern, da die chemische Aktivität in Gegenwart von Kavitation zunimmt. Bei der Verwendung von Ultraschall wird auch die Menge des benötigten überschüssigen Methanols reduziert. Ein weiterer Vorteil ist die daraus resultierende Erhöhung der Reinheit des Glycerins.
 
Biodieselherstellung mit Ultraschall - Schritt für Schritt:

1. Das Pflanzenöl oder tierische Fett wird mit Methanol (zur Herstellung von Methylestern) oder Ethanol (für Ethylester) und Natrium- oder Kaliummethoxid bzw. -Natrium- oder Kaliumhydroxid gemischt.
2. das Gemisch wird erhitzt, z.B. auf Temperaturen zwischen 45 und 65 Grad Celsius
3. das erhitzte Gemisch wird 5 bis 15 Sekunden lang inline beschallt
4. Glycerin fällt aus oder wird durch Zentrifugen abgetrennt
5. der umgewandelte Biodiesel wird mit Wasser gewaschen

 
In der Regel wird die Beschallung bei erhöhtem Druck (1 bis 3 bar Überdruck) mit Hilfe einer Förderpumpe und einem einstellbaren Gegendruckventil hinter der Durchflusszelle durchgeführt.

Für die industrielle Biodieselumwandlung ist nicht viel Ultraschallenergie erforderlich. Der tatsächliche Energiebedarf kann im Labormaßstab ermittelt werden, z. B. mit einem 1kW-Ultraschallprozessor wie dem UIP1000hdT. Alle Ergebnisse aus solchen Machbarkeitsversuchen lassen sich problemlos und linear hochskalieren. Bei Bedarf stehen ATEX-zertifizierte Ultraschallgeräte zur Verfügung, wie z. B. der UIP1000-Exd.

Hielscher liefert weltweit industrielle Ultraschallanlagen für die Biodieselverarbeitung. Mit Ultraschallprozessoren von bis zu 16 kW Leistung pro Gerät gibt es keine Grenzen bei der Größe der Biodieselanlage oder der Verarbeitungskapazität.

Kosten der Biodieselherstellung mit Ultraschall

Die Ultraschallbehandlung ist ein wirksames Mittel zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit und der Umwandlungsrate bei der kommerziellen Biodieselproduktion. Die Kosten für das Ultraschallverfahren ergeben sich hauptsächlich aus den Investitionen für die Ultraschallreaktoren, den Betriebskosten und der Wartung. Die hervorragende Energieeffizienz der Hielscher Ultraschallgeräte trägt dazu bei, die Betriebskosten zu senken und damit das Verfahren noch umweltfreundlicher zu machen. Die Kosten für die Ultraschallbehandlung variieren zwischen 0,1 ct und 1,0 ct pro Liter (0,4 ct bis 1,9 ct/Gallone) bei gewerblicher Nutzung.
Lesen Sie mehr über die Prozesseffizienz und die wirtschaftlichen Vorteile der Biodieselproduktion mit Ultraschall!
 

Das Ultraschallmischen senkt den spezifischen Energieverbrauch bei der Biodieselherstellung und übertrifft hydrodynamische Magnetmischer und Hochschermischer deutlich an Energieeffizienz.

Biodiesel-Ultraschallanlage im kleinen Maßstab

Die Ultraschallbehandlung kann für die Umwandlung von Öl in Biodiesel in jedem Maßstab eingesetzt werden. Das Bild unten zeigt den Aufbau einer Ultraschallanlage im kleinen Maßstab für die Verarbeitung von 60-70 l (16 bis 19 Gallonen). Dies ist der typische Aufbau für erste Studien und Prozessdemonstrationen.

Die Ultraschallveresterung und -umesterung kann als Batch- oder kontinuierlicher Inline-Prozess betrieben werden. Diese Grafik zeigt den Ultraschall-Batch-Prozess für die Biodiesel-Umwandlung.

• einen Ultraschallreaktor (z. B. UIP500hdT oder UIP1000hdT) mit Booster, Sonotrode und Durchflusszelle
• Wattmeter zur Messung von Leistung und Energie
• 80L Verarbeitungstank (aus Kunststoff, z.B. HDPE)
• Heizelement (1 bis 2 kW)
• 10-Liter-Katalysator-Vormischbehälter (Kunststoff, z. B. HDPE)
• Katalysatorvormischer (Rührwerk)
• Pumpe (Zentrifuge, Mono- oder Zahnradpumpe) für ca. 10 bis 20 l/min bei 1 bis 3 bar
• Gegendruckventil zur Einstellung des Drucks in der Durchflusszelle
• Manometer zur Messung des Einspeisungsdrucks

Ultraschallreaktoren für hochwertige Biodieselverarbeitung

Hielscher Ultrasonics bietet Hochleistungs-Ultraschall-Prozessoren und -Reaktoren an, die Ihre Biodieselproduktion durch höhere Biodieselausbeute, bessere Biodieselqualität, kürzere Verarbeitungszeiten und niedrigere Produktionskosten verbessern.

Kleine und mittelgroße Ultraschallreaktoren für die Biodiesel-Umesterung

Für die kleine und mittlere Biodieselproduktion von bis zu 9 t/h bietet Hielscher mit dem UIP500hdT (500 Watt), dem UIP1000hdT (1000 Watt), dem UIP1500hdT (1500 Watt) und dem UIP2000hdT (2000 Watt) Ultraschall-High-Shear-Mischer mit Durchflussreaktor für die zuverlässige und effiziente Inline-Biodieselverarbeitung. Diese vier Ultraschallreaktoren sind sehr kompakt, leicht zu integrieren bzw. nachzurüsten. Sie sind für den Hochleistungsbetrieb in rauen Umgebungen ausgelegt. Nachstehend finden Sie empfohlene Reaktoraufbauten für eine Reihe von Produktionsraten.

Industrielle Biodiesel-Reaktoren für sehr großen Durchsatz

Für die industrielle Verarbeitung von Biodiesel-Produktionsanlagen bietet Hielscher die Ultraschall-Homogenisatoren UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10000 (10kW) und UIP16000hdT (16kW) an! Diese Ultraschallprozessoren sind für die kontinuierliche Verarbeitung hoher Durchflussmengen konzipiert. Der UIP4000hdT, UIP6000hdT und UIP10000 können in Standard-Seefrachtcontainer integriert werden. Alternativ dazu sind alle vier Prozessormodelle in Edelstahlschränken erhältlich. Eine aufrechte Installation erfordert nur minimalen Platz. Nachstehend finden Sie empfohlene Aufstellungen für typische industrielle Verarbeitungsraten.