Παραγωγή βιοντίζελ με ανώτερη αποδοτικότητα διεργασίας και κόστους

Η ανάμειξη με υπερήχους αποτελεί την ανώτερη τεχνολογία για την παραγωγή βιοντίζελ με υψηλή απόδοση και χαμηλό κόστος. Η σπηλαίωση υπερήχων βελτιώνει δραστικά τη μεταφορά μάζας, μειώνοντας έτσι το κόστος παραγωγής και τη διάρκεια επεξεργασίας. Ταυτόχρονα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν έλαια και λίπη χαμηλής ποιότητας (π.χ. απόβλητα έλαια), ενώ η ποιότητα του βιοντίζελ βελτιώνεται. Η Hielscher Ultrasonics προμηθεύει ανθεκτικούς αντιδραστήρες ανάμειξης με υπερήχους υψηλής απόδοσης για κάθε κλίμακα παραγωγής. Διαβάστε περισσότερα για το πώς η παραγωγή βιοντίζελ σας θα ωφεληθεί από την κατεργασία με υπερήχους!

Οφέλη της χρήσης υπερήχων στην παραγωγή βιοντίζελ

Το βιοντίζελ (μεθυλεστέρας λιπαρών οξέων, συντομογραφία FAME) είναι το προϊόν μιας αντίδρασης μετεστεροποίησης λιπιδικής πρώτης ύλης (τριγλυκερίδια, π.χ. φυτικό έλαιο, χρησιμοποιημένα μαγειρικά έλαια, ζωικά λίπη, έλαιο φυκών) και αλκοόλης (μεθανόλη, αιθανόλη) με τη χρήση καταλύτη (π.χ. υδροξείδιο του καλίου KOH).
Το πρόβλημα: Στη συμβατική μετατροπή σε βιοντίζελ με χρήση συμβατικής ανάδευσης, το γεγονός ότι τα δύο αντιδρώντα της αντίδρασης μετεστεροποίησης, το έλαιο και η αλκοόλη, είναι μη αναμίξιμα οδηγεί σε χαμηλό ρυθμό μεταφοράς μάζας, με αποτέλεσμα μη αποδοτική παραγωγή βιοντίζελ. Αυτή η αναποτελεσματικότητα χαρακτηρίζεται από μεγάλους χρόνους αντίδρασης, υψηλότερες μοριακές αναλογίες μεθανόλης προς έλαιο, υψηλές απαιτήσεις σε καταλύτη, υψηλές θερμοκρασίες διεργασίας και υψηλές ταχύτητες ανάδευσης. Οι παράγοντες αυτοί αυξάνουν σημαντικά το κόστος, καθιστώντας τη συμβατική παραγωγή βιοντίζελ μια δαπανηρή διεργασία.
Η λύση: Η ανάμειξη με υπερήχους γαλακτωματοποιεί τα αντιδρώντα με ιδιαίτερα αποδοτικό, γρήγορο και οικονομικό τρόπο, ώστε να μπορεί να βελτιωθεί η αναλογία ελαίου προς μεθανόλη, να μειωθούν οι απαιτήσεις σε καταλύτη και να περιοριστούν ο χρόνος και η θερμοκρασία αντίδρασης. Έτσι, εξοικονομούνται πόροι (δηλαδή χημικές ουσίες και ενέργεια), καθώς και χρόνος, μειώνεται το κόστος επεξεργασίας, ενώ βελτιώνονται σημαντικά η ποιότητα του βιοντίζελ και η κερδοφορία της παραγωγής. Τα στοιχεία αυτά καθιστούν την ανάμειξη με υπερήχους την προτιμώμενη τεχνολογία για την αποτελεσματική παραγωγή βιοντίζελ.
Η έρευνα και οι βιομηχανικοί παραγωγοί βιοντίζελ επιβεβαιώνουν ότι η ανάμειξη με υπερήχους αποτελεί έναν ιδιαίτερα οικονομικά αποδοτικό τρόπο παραγωγής βιοντίζελ, ακόμη και όταν χρησιμοποιούνται ως πρώτη ύλη έλαια και λίπη χαμηλής ποιότητας. Η εντατικοποίηση της διεργασίας μέσω υπερήχων βελτιώνει σημαντικά τον ρυθμό μετατροπής, μειώνοντας τη χρήση περίσσειας μεθανόλης και καταλύτη και επιτρέποντας την παραγωγή βιοντίζελ που πληροί το πρότυπο ποιότητας ASTM D6751 και τις προδιαγραφές EN 14212. (cf. Abdullah et al., 2015)

Η μετεστεροποίηση τριγλυκεριδίων σε βιοντίζελ (FAME) με κατεργασία με υπερήχους οδηγεί σε επιτάχυνση της αντίδρασης και σημαντικά υψηλότερη απόδοση.

Πολυάριθμα πλεονεκτήματα της ανάμειξης με υπερήχους στην παραγωγή βιοντίζελ

Οι αντιδραστήρες ανάμειξης με υπερήχους μπορούν εύκολα να ενσωματωθούν σε οποιαδήποτε νέα εγκατάσταση, καθώς και να προστεθούν σε υφιστάμενες μονάδες βιοντίζελ. Η ενσωμάτωση ενός αναμείκτη υπερήχων της Hielscher μετατρέπει οποιαδήποτε εγκατάσταση βιοντίζελ σε μονάδα παραγωγής υψηλής απόδοσης. Η απλή εγκατάσταση, η ανθεκτικότητα και η ευχρηστία (δεν απαιτείται ειδική εκπαίδευση για τη λειτουργία) επιτρέπουν την αναβάθμιση οποιασδήποτε εγκατάστασης σε μια ιδιαίτερα αποδοτική μονάδα βιοντίζελ. Παρακάτω παρουσιάζουμε επιστημονικά αποδεδειγμένα αποτελέσματα σχετικά με πλεονεκτήματα που έχουν τεκμηριωθεί από ανεξάρτητους τρίτους. Οι αριθμοί αποδεικνύουν την υπεροχή της ανάμειξης με υπερήχους για την παραγωγή βιοντίζελ έναντι οποιασδήποτε συμβατικής τεχνικής ανάδευσης.

Το διάγραμμα ροής παρουσιάζει τα στάδια παραγωγής βιοντίζελ, συμπεριλαμβανομένης της ανάμειξης με υπερήχους για βελτιωμένη αποδοτικότητα της διεργασίας.

Σύγκριση αποδοτικότητας και κόστους: Υπέρηχοι έναντι μηχανικής ανάδευσης

Οι Gholami et al. (2021) παρουσιάζουν στη συγκριτική τους μελέτη τα πλεονεκτήματα της μετεστεροποίησης με υπερήχους έναντι της μηχανικής ανάδευσης (δηλαδή με αναμείκτη με λεπίδες, πτερωτή, αναμείκτη υψηλής διάτμησης).

Χαμηλό κόστος επένδυσης:
Ο επεξεργαστής και αντιδραστήρας υπερήχων UIP16000 μπορεί να παράγει 192–384 t βιοντίζελ/d, καταλαμβάνοντας χώρο διαστάσεων μόλις 1,2m x 0,6m. Συγκριτικά, για τη μηχανική ανάδευση (MS) απαιτείται πολύ μεγαλύτερος αντιδραστήρας λόγω του μεγάλου χρόνου αντίδρασης στη διεργασία μηχανικής ανάδευσης, γεγονός που αυξάνει σημαντικά το κόστος του αντιδραστήρα. (βλ. Gholami et al., 2020)
Χαμηλό κόστος επεξεργασίας:
Το κόστος επεξεργασίας για την παραγωγή βιοντίζελ με υπερήχους είναι κατά 7,7% χαμηλότερο από εκείνο της διεργασίας ανάδευσης, κυρίως λόγω της χαμηλότερης συνολικής επένδυσης για τη διεργασία κατεργασίας με υπερήχους. Το κόστος των χημικών ουσιών (καταλύτης, μεθανόλη/αλκοόλη) είναι ο τρίτος μεγαλύτερος παράγοντας κόστους και στις δύο διεργασίες, την κατεργασία με υπερήχους και τη μηχανική ανάδευση. Ωστόσο, για τη μετατροπή σε βιοντίζελ με υπερήχους, το κόστος των χημικών ουσιών είναι σημαντικά χαμηλότερο από ό,τι για τη μηχανική ανάδευση. Το μερίδιο του κόστους των χημικών ουσιών αντιστοιχεί περίπου στο 5% του τελικού κόστους του βιοντίζελ. Λόγω της χαμηλότερης κατανάλωσης μεθανόλης, υδροξειδίου του νατρίου και φωσφορικού οξέος, το κόστος των χημικών ουσιών στη διεργασία παραγωγής βιοντίζελ με υπερήχους είναι κατά 2,2% χαμηλότερο από εκείνο της διεργασίας μηχανικής ανάδευσης.

Μειωμένο ενεργειακό κόστος:
Η ενέργεια που καταναλώνεται από τον αντιδραστήρα ανάμειξης με υπερήχους είναι περίπου τρεις φορές μικρότερη από εκείνη που καταναλώνεται από τον μηχανικό αναδευτήρα. Αυτή η σημαντική μείωση της κατανάλωσης ενέργειας οφείλεται στην έντονη μικροανάμειξη και στον μειωμένο χρόνο αντίδρασης, που προκύπτουν από τον σχηματισμό και την κατάρρευση αμέτρητων κοιλοτήτων, οι οποίες χαρακτηρίζουν το φαινόμενο της ακουστικής σπηλαίωσης / σπηλαίωσης υπερήχων (Gholami et al., 2018). Επιπλέον, σε σύγκριση με τον συμβατικό αναδευτήρα, η κατανάλωση ενέργειας για τα στάδια ανάκτησης μεθανόλης και καθαρισμού βιοντίζελ κατά τη διεργασία ανάμειξης με υπερήχους μειώνεται κατά 26,5% και 1,3%, αντίστοιχα. Αυτή η μείωση οφείλεται στις μικρότερες ποσότητες μεθανόλης που εισέρχονται σε αυτές τις δύο στήλες απόσταξης κατά τη διεργασία μετεστεροποίησης με υπερήχους.

Σημαντικά μειωμένο κόστος διάθεσης αποβλήτων:
Η τεχνολογία σπηλαίωσης υπερήχων μειώνει επίσης αξιοσημείωτα το κόστος διάθεσης αποβλήτων. Αυτό το κόστος στη διεργασία κατεργασίας με υπερήχους είναι περίπου το ένα πέμπτο του αντίστοιχου κόστους στη διεργασία ανάδευσης, ως αποτέλεσμα της σημαντικής μείωσης της παραγωγής αποβλήτων λόγω του υψηλότερου βαθμού μετατροπής στον αντιδραστήρα και των μικρότερων ποσοτήτων καταναλισκόμενης αλκοόλης.
Διαβάστε περισσότερα για τη μετατροπή ελαίων από χρησιμοποιημένα κατακάθια καφέ σε βιοντίζελ με υπερήχους!

Βελτιωμένη φιλικότητα προς το περιβάλλον:
Λόγω της πολύ υψηλής συνολικής αποδοτικότητας, της μειωμένης κατανάλωσης χημικών ουσιών, των χαμηλότερων ενεργειακών απαιτήσεων και των μειωμένων αποβλήτων, η παραγωγή βιοντίζελ με υπερήχους είναι σημαντικά πιο φιλική προς το περιβάλλον από τις συμβατικές διεργασίες παραγωγής βιοντίζελ.

Συμπέρασμα – Οι υπέρηχοι βελτιώνουν την αποδοτικότητα της παραγωγής βιοντίζελ

Η επιστημονική αξιολόγηση καταδεικνύει τα σαφή πλεονεκτήματα της ανάμειξης με υπερήχους έναντι της συμβατικής μηχανικής ανάδευσης για την παραγωγή βιοντίζελ. Τα πλεονεκτήματα της επεξεργασίας βιοντίζελ με υπερήχους αφορούν τη συνολική επένδυση κεφαλαίου, το συνολικό κόστος προϊόντος, την καθαρή παρούσα αξία και τον εσωτερικό βαθμό απόδοσης. Διαπιστώθηκε ότι η συνολική επένδυση στη διεργασία σπηλαίωσης με υπερήχους ήταν χαμηλότερη κατά περίπου 20,8% από εκείνη της άλλης διεργασίας. Η χρήση αντιδραστήρων υπερήχων μείωσε το κόστος προϊόντος κατά 5,2% – με χρήση παρθένου ελαίου κανόλα. Καθώς η κατεργασία με υπερήχους επιτρέπει την επεξεργασία και χρησιμοποιημένων ελαίων (π.χ. χρησιμοποιημένων μαγειρικών ελαίων), το κόστος παραγωγής μπορεί να μειωθεί σημαντικά περισσότερο. Οι Gholami et al. (2021) καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι, λόγω της θετικής καθαρής παρούσας αξίας, η διεργασία σπηλαίωσης με υπερήχους αποτελεί την καλύτερη επιλογή τεχνολογίας ανάμειξης για την παραγωγή βιοντίζελ.
Από τεχνική άποψη, οι σημαντικότερες επιδράσεις της σπηλαίωσης με υπερήχους περιλαμβάνουν τη σημαντική αποδοτικότητα της διεργασίας και τη μείωση του χρόνου αντίδρασης. Ο σχηματισμός και η κατάρρευση πολυάριθμων φυσαλίδων κενού – φαινόμενο γνωστό ως ακουστική σπηλαίωση / σπηλαίωση με υπερήχους – μειώνουν τον χρόνο αντίδρασης από αρκετές ώρες στον αντιδραστήρα αναδευόμενης δεξαμενής σε λίγα δευτερόλεπτα στον αντιδραστήρα σπηλαίωσης με υπερήχους. Αυτός ο σύντομος χρόνος παραμονής επιτρέπει την παραγωγή βιοντίζελ σε αντιδραστήρα συνεχούς ροής με μικρό αποτύπωμα εγκατάστασης. Ο αντιδραστήρας σπηλαίωσης με υπερήχους έχει επίσης ευεργετικές επιδράσεις στις απαιτήσεις σε ενέργεια και υλικά, μειώνοντας την κατανάλωση ενέργειας σχεδόν στο ένα τρίτο εκείνης ενός αντιδραστήρα αναδευόμενης δεξαμενής και την κατανάλωση μεθανόλης και καταλύτη κατά 25%.
Από οικονομική άποψη, η συνολική επένδυση στη διεργασία σπηλαίωσης με υπερήχους είναι χαμηλότερη από εκείνη στη διεργασία μηχανικής ανάδευσης, κυρίως λόγω της μείωσης κατά σχεδόν 50% και 11,6% του κόστους του αντιδραστήρα και του κόστους της στήλης απόσταξης μεθανόλης, αντίστοιχα. Η διεργασία σπηλαίωσης με υπερήχους μειώνει επίσης το κόστος παραγωγής βιοντίζελ χάρη στη μείωση κατά 4% της κατανάλωσης ελαίου κανόλα, τη χαμηλότερη συνολική επένδυση, τη χαμηλότερη κατά 2,2% κατανάλωση χημικών και τις χαμηλότερες κατά 23,8% απαιτήσεις σε βοηθητικές παροχές. Σε αντίθεση με τη διεργασία μηχανικής ανάδευσης, η επεξεργασία με υπερήχους αποτελεί αποδεκτή επένδυση λόγω της θετικής καθαρής παρούσας αξίας της, του συντομότερου χρόνου αποπληρωμής και του υψηλότερου εσωτερικού βαθμού απόδοσης. Πέρα από τα τεχνοοικονομικά οφέλη που συνδέονται με τη διεργασία σπηλαίωσης με υπερήχους, η διεργασία αυτή είναι πιο φιλική προς το περιβάλλον από τη διεργασία μηχανικής ανάδευσης. Η σπηλαίωση με υπερήχους επιφέρει μείωση κατά 80% των ρευμάτων αποβλήτων λόγω της υψηλότερης μετατροπής στον αντιδραστήρα και της μειωμένης κατανάλωσης αλκοόλης σε αυτή τη διεργασία. (cf. Gholami et al., 2021)

Μετατρέψτε πρώτες ύλες χαμηλής ποιότητας σε πεντακάθαρο βιοντίζελ!

Η κατεργασία με υπερήχους επιτρέπει την αποτελεσματικότερη επεξεργασία πρώτων υλών χαμηλής ποιότητας, όπως απόβλητα φυτικά έλαια, χρησιμοποιημένα λίπη τηγανίσματος, ζωικό στέαρ ή ιχθυέλαια, επειδή η σπηλαίωση με υπερήχους επιβάλλει πολύ καλύτερη επαφή μεταξύ των μη αναμίξιμων φάσεων ελαίου και αλκοόλης, βελτιώνοντας σημαντικά την ανάμειξη καθώς και τη μεταφορά θερμότητας και μάζας. Επιταχύνει επίσης την κινητική της αντίδρασης, ώστε ακόμη και δύσκολες πρώτες ύλες με μεταβαλλόμενα χαρακτηριστικά να μπορούν να μετατραπούν ταχύτερα και πληρέστερα.
Η ακουστική σπηλαίωση εντατικοποιεί το περιβάλλον της αντίδρασης και μπορεί να ευνοήσει τον σχηματισμό εξαιρετικά δραστικών ριζών, γεγονός που υποστηρίζει περαιτέρω την ταχεία μετεστεροποίηση και βοηθά στην αντιμετώπιση των συνήθων μειονεκτημάτων κατά την επεξεργασία πρώτων υλών χαμηλής ποιότητας.
Διαβάστε πώς η κατεργασία με υπερήχους μετατρέπει απόβλητα έλαια και λίπη σε βιοντίζελ!

Χρησιμοποιήστε τον καταλύτη της επιλογής σας

Η διεργασία μετεστεροποίησης για την παραγωγή βιοντίζελ με υπερήχους έχει αποδειχθεί αποδοτική με χρήση τόσο αλκαλικών όσο και βασικών καταλυτών. Για παράδειγμα, οι Shinde και Kaliaguine (2019) συνέκριναν την αποδοτικότητα της ανάμειξης με υπερήχους και της μηχανικής ανάμειξης με πτερύγια χρησιμοποιώντας διάφορους καταλύτες, συγκεκριμένα υδροξείδιο του νατρίου (NaOH), υδροξείδιο του καλίου (KOH), (CH₃ONa), υδροξείδιο του τετραμεθυλαμμωνίου και τέσσερις γουανιδίνες (προπυλο-2,3-δικυκλοεξυλογουανιδίνη (PCHG), 1,3-δικυκλοεξυλο-2-n-οκτυλογουανιδίνη (DCOG), 1,1,3,3-τετραμεθυλογουανιδίνη (TMG), 1,3-διφαινυλογουανιδίνη (DPG)). Η ανάμειξη με υπερήχους (στους 35º) αποδείχθηκε ανώτερη για την παραγωγή βιοντίζελ, υπερτερώντας της μηχανικής ανάμειξης (στους 65º) ως προς την απόδοση και τον βαθμό μετατροπής. Η αποτελεσματικότητα της μεταφοράς μάζας στο πεδίο υπερήχων αύξησε την ταχύτητα της αντίδρασης μετεστεροποίησης σε σύγκριση με τη μηχανική ανάδευση. Η κατεργασία με υπερήχους υπερτερούσε της μηχανικής ανάδευσης για όλους τους καταλύτες που δοκιμάστηκαν. Η διεξαγωγή της αντίδρασης μετεστεροποίησης με σπηλαίωση υπερήχων αποτελεί μια ενεργειακά αποδοτική και βιομηχανικά βιώσιμη εναλλακτική λύση για την παραγωγή βιοντίζελ. Εκτός από τους ευρέως χρησιμοποιούμενους καταλύτες KOH και NaOH, και οι δύο καταλύτες γουανιδίνης, η προπυλο-2,3-δικυκλοεξυλογουανιδίνη (PCHG) και η 1,3-δικυκλοεξυλο-2-n-οκτυλογουανιδίνη (DCOG), έχουν αποδειχθεί ενδιαφέρουσες εναλλακτικές λύσεις για τη μετατροπή σε βιοντίζελ.
Οι Mootabadi et al. (2010) διερεύνησαν την υποβοηθούμενη από υπερήχους σύνθεση βιοντίζελ από φοινικέλαιο με τη χρήση διαφόρων καταλυτών οξειδίων αλκαλικών μετάλλων, όπως CaO, BaO και SrO. Η δραστικότητα του καταλύτη στην υποβοηθούμενη από υπερήχους σύνθεση βιοντίζελ συγκρίθηκε με την παραδοσιακή διαδικασία μαγνητικής ανάδευσης και διαπιστώθηκε ότι η διεργασία υπερήχων έδωσε απόδοση 95,2% με τη χρήση BaO εντός χρόνου αντίδρασης 60 min, ενώ η συμβατική διαδικασία ανάδευσης απαιτεί 3–4 h. Για την υποβοηθούμενη από υπερήχους μετεστεροποίηση υπό βέλτιστες συνθήκες, απαιτήθηκαν 60 min για την επίτευξη απόδοσης 95%, σε σύγκριση με 2–4 h με συμβατική ανάδευση. Επίσης, οι αποδόσεις που επιτεύχθηκαν με υπερήχους σε 60 min αυξήθηκαν από 5,5% σε 77,3% με τη χρήση CaO ως καταλύτη, από 48,2% σε 95,2% με τη χρήση SrO ως καταλύτη και από 67,3% σε 95,2 με τη χρήση BaO ως καταλύτη.

Παραγωγή βιοντίζελ με τη χρήση διαφόρων γουανιδινών (3% mol) ως καταλύτη. (A) Αντιδραστήρας παρτίδας με μηχανική ανάδευση: (μεθανόλη:κραμβέλαιο) 4:1, θερμοκρασία 65ºC· (B) Αντιδραστήρας παρτίδας με υπερήχους: συσκευή υπερήχων UP200St, (μεθανόλη:κραμβέλαιο) 4:1, πλάτος ταλάντωσης υπερήχων 60%, θερμοκρασία 35ºC. Η ανάμειξη με υπερήχους υπερτερεί κατά πολύ της μηχανικής ανάδευσης.
(Μελέτη και γραφήματα: Shinde και Kaliaguine, 2019)

Αντιδραστήρες υπερήχων υψηλής απόδοσης για ανώτερη επεξεργασία βιοντίζελ

Η Hielscher Ultrasonics προσφέρει επεξεργαστές και αντιδραστήρες υπερήχων υψηλής απόδοσης για τη βελτίωση της παραγωγής βιοντίζελ, με αποτέλεσμα υψηλότερες αποδόσεις, βελτιωμένη ποιότητα, μειωμένο χρόνο επεξεργασίας και χαμηλότερο κόστος παραγωγής.

Αντιδραστήρες βιοντίζελ μικρής και μεσαίας κλίμακας

Για την παραγωγή βιοντίζελ μικρής και μεσαίας κλίμακας έως και 9ton/hr (2900 gal/hr), η Hielscher σάς προσφέρει τα μοντέλα UIP500hdT (500 watts), UIP1000hdT (1000 watts), UIP1500hdT (1500 watts) και UIP2000hdT (2000 watts) αναμικτήρων υπερήχων υψηλής διάτμησης. Αυτοί οι τέσσερις αντιδραστήρες υπερήχων είναι πολύ συμπαγείς και ενσωματώνονται εύκολα σε νέες ή υφιστάμενες εγκαταστάσεις. Είναι κατασκευασμένοι για λειτουργία βαρέος τύπου σε αντίξοα περιβάλλοντα. Παρακάτω θα βρείτε προτεινόμενες διατάξεις αντιδραστήρων για διάφορους ρυθμούς παραγωγής.

Βιομηχανικοί αντιδραστήρες βιοντίζελ πολύ μεγάλης παραγωγικής δυναμικότητας

Για εγκαταστάσεις παραγωγής βιοντίζελ με επεξεργασία σε βιομηχανική κλίμακα, η Hielscher προσφέρει τους UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) και UIP16000hdT (16kW) ομογενοποιητές υπερήχων! Αυτές οι συσκευές υπερήχων έχουν σχεδιαστεί για συνεχή επεξεργασία σε υψηλές παροχές. Τα UIP4000hdT, UIP6000hdT και UIP10000 μπορούν να ενσωματωθούν σε τυποποιημένα εμπορευματοκιβώτια θαλάσσιων μεταφορών. Εναλλακτικά, και τα τέσσερα μοντέλα συσκευών διατίθενται σε ερμάρια από ανοξείδωτο χάλυβα. Η κατακόρυφη εγκατάσταση απαιτεί ελάχιστο χώρο. Παρακάτω θα βρείτε προτεινόμενες διατάξεις για τυπικούς ρυθμούς βιομηχανικής επεξεργασίας.