Παραγωγή βιοντίζελ με ανώτερη αποδοτικότητα διαδικασιών και κόστους

Υπερήχων ανάμειξη είναι η ανώτερη τεχνολογία για εξαιρετικά αποτελεσματική και οικονομικά αποδοτική παραγωγή βιοντίζελ. Υπερήχων σπηλαίωση βελτιώνει τη μεταφορά μάζας δραστικά, μειώνοντας έτσι το κόστος παραγωγής και τη διάρκεια επεξεργασίας. Ταυτόχρονα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν έλαια και λίπη κακής ποιότητας (π.χ. χρησιμοποιημένα ορυκτέλαια) και βελτιώνεται η ποιότητα του βιοντίζελ. Hielscher Υπέρηχοι παρέχει υψηλής απόδοσης, ισχυρή υπερήχων ανάμειξη αντιδραστήρες για οποιαδήποτε κλίμακα παραγωγής. Διαβάστε περισσότερα πώς η παραγωγή βιοντίζελ σας θα επωφεληθεί από υπερήχους!

Οφέλη παραγωγής βιοντίζελ με χρήση υπερήχων

Βιοντίζελ (μεθυλεστέρας λιπαρών οξέων, abrev. FAME) είναι το προϊόν μιας αντίδρασης μετεστεροποίησης λιπιδικής πρώτης ύλης (τριγλυκερίδια, π.χ. φυτικό έλαιο, χρησιμοποιημένα μαγειρικά έλαια, ζωικά λίπη, έλαιο φυκιών) και αλκοόλης (μεθανόλη, αιθανόλη) χρησιμοποιώντας καταλύτη (π.χ. υδροξείδιο του καλίου KOH).
Το πρόβλημα: Στη συμβατική μετατροπή βιοντίζελ με συμβατική ανάδευση, η μη αναμίξιμη φύση και των δύο αντιδραστηρίων της αντίδρασης μετεστεροποίησης ελαίου και αλκοόλης οδηγεί σε χαμηλό ρυθμό μεταφοράς μάζας με αποτέλεσμα την αναποτελεσματική παραγωγή βιοντίζελ. Αυτή η αναποτελεσματικότητα χαρακτηρίζεται από μεγάλους χρόνους αντίδρασης, υψηλότερες μοριακές αναλογίες μεθανόλης-ελαίου, υψηλές απαιτήσεις καταλύτη, υψηλές θερμοκρασίες διεργασίας και υψηλούς ρυθμούς ανάδευσης. Αυτοί οι παράγοντες είναι σημαντικοί παράγοντες κόστους καθιστώντας τη συμβατική παραγωγή βιοντίζελ μια δαπανηρή διαδικασία.
Η λύση: Υπερήχων ανάμειξη γαλακτωματοποιεί τα αντιδρώντα με έναν εξαιρετικά αποτελεσματικό, γρήγορο και χαμηλού κόστους τρόπο, έτσι ώστε η αναλογία πετρελαίου-μεθανόλης μπορεί να βελτιωθεί, οι απαιτήσεις καταλύτη μειώνονται, ο χρόνος αντίδρασης και η θερμοκρασία αντίδρασης μειώνονται. Με αυτόν τον τρόπο, εξοικονομούνται πόροι (δηλαδή χημικά και ενέργεια) καθώς και χρόνος, μειώνεται το κόστος επεξεργασίας, ενώ βελτιώνεται σημαντικά η ποιότητα του βιοντίζελ και η κερδοφορία της παραγωγής. Αυτά τα γεγονότα μετατρέπουν την υπερηχητική ανάμειξη στην προτιμώμενη τεχνολογία για αποτελεσματική κατασκευή βιοντίζελ.
Η έρευνα και οι βιομηχανικοί παραγωγοί βιοντίζελ επιβεβαιώνουν ότι η ανάμειξη υπερήχων είναι ένας εξαιρετικά οικονομικός τρόπος παραγωγής βιοντίζελ, ακόμη και όταν χρησιμοποιούνται έλαια και λίπη κακής ποιότητας ως πρώτη ύλη. Η εντατικοποίηση της διαδικασίας υπερήχων βελτιώνει σημαντικά το ποσοστό μετατροπής μειώνοντας τη χρήση περίσσειας μεθανόλης και καταλύτη, επιτρέποντας την παραγωγή βιοντίζελ που πληροί τα πρότυπα ποιότητας των προδιαγραφών ASTM D6751 και EN 14212. (πρβλ. Abdullah et al., 2015)

Η μετεστεροποίηση των τριγλυκεριδίων σε βιοντίζελ (FAME) χρησιμοποιώντας υπερήχους οδηγεί σε επιταχυνόμενη αντίδραση και σημαντικά υψηλότερη απόδοση.

Πολυάριθμα πλεονεκτήματα της ανάμειξης υπερήχων στην παραγωγή βιοντίζελ

Οι αντιδραστήρες ανάμειξης υπερήχων μπορούν εύκολα να ενσωματωθούν σε οποιαδήποτε νέα εγκατάσταση, καθώς και να τοποθετηθούν εκ των υστέρων σε υπάρχουσες εγκαταστάσεις βιοντίζελ. Η ενσωμάτωση ενός μίξερ υπερήχων Hielscher μετατρέπει οποιαδήποτε εγκατάσταση βιοντίζελ σε μονάδα παραγωγής υψηλής απόδοσης. Η απλή εγκατάσταση, η στιβαρότητα και η φιλικότητα προς το χρήστη (δεν απαιτείται ειδική εκπαίδευση για τη λειτουργία) επιτρέπουν την αναβάθμιση οποιασδήποτε εγκατάστασης σε μονάδα βιοντίζελ υψηλής απόδοσης. Παρακάτω, σας παρουσιάζουμε επιστημονικά αποδεδειγμένα αποτελέσματα πλεονεκτημάτων τεκμηριωμένα από ανεξάρτητους τρίτους. Οι αριθμοί αποδεικνύουν την ανωτερότητα της ανάμειξης βιοντίζελ υπερήχων έναντι οποιασδήποτε συμβατικής τεχνικής ανάδευσης.

Το διάγραμμα ροής δείχνει τα βήματα παραγωγής βιοντίζελ, συμπεριλαμβανομένης της ανάμειξης υπερήχων για βελτιωμένη αποτελεσματικότητα της διαδικασίας.

Αποδοτικότητα και σύγκριση κόστους: Υπέρηχοι vs μηχανική ανάδευση

Οι Gholami et al. (2021) παρουσιάζουν στη συγκριτική τους μελέτη τα πλεονεκτήματα της υπερηχητικής μετεστεροποίησης έναντι της μηχανικής ανάδευσης (δηλαδή, μίξερ λεπίδων, πτερωτή, μίξερ υψηλής διάτμησης).
Κόστος επένδυσης: Ο επεξεργαστής υπερήχων και ο αντιδραστήρας UIP16000 μπορούν να παράγουν 192-384 t βιοντίζελ / d με αποτύπωμα μόνο 1.2m x 0.6m. Συγκριτικά, για μηχανική ανάδευση (MS) απαιτείται πολύ μεγαλύτερος αντιδραστήρας λόγω του μεγάλου χρόνου αντίδρασης στη διαδικασία μηχανικής ανάδευσης, γεγονός που προκαλεί σημαντική αύξηση του κόστους του αντιδραστήρα. (πρβλ. Gholami et al., 2020)
Κόστος επεξεργασίας: Το κόστος επεξεργασίας για την παραγωγή βιοντίζελ υπερήχων είναι 7,7% χαμηλότερο από εκείνο για τη διαδικασία ανάδευσης, κυρίως λόγω της χαμηλότερης συνολικής επένδυσης για τη διαδικασία υπερήχων. Το κόστος των χημικών ουσιών (καταλύτης, μεθανόλη / αλκοόλη) είναι ο τρίτος μεγαλύτερος παράγοντας κόστους και στις δύο διαδικασίες, υπερήχηση και μηχανική ανάδευση. Ωστόσο, για τη μετατροπή βιοντίζελ υπερήχων το κόστος για τη χημική ουσία είναι σημαντικά χαμηλότερο από ό, τι για τη μηχανική ανάδευση. Το κλάσμα κόστους για τα χημικά αντιπροσωπεύει περίπου το 5% του τελικού κόστους βιοντίζελ. Λόγω της χαμηλότερης κατανάλωσης μεθανόλης, υδροξειδίου του νατρίου και φωσφορικού οξέος, το κόστος για τις χημικές ουσίες στη διαδικασία βιοντίζελ υπερήχων είναι 2,2% χαμηλότερο από αυτό της μηχανικής διαδικασίας ανάδευσης.
Ενεργειακό κόστος: Η ενέργεια που καταναλώνεται από τον αντιδραστήρα ανάμειξης υπερήχων είναι περίπου τρεις φορές χαμηλότερη από εκείνη από τον μηχανικό αναδευτήρα. Αυτή η σημαντική μείωση της κατανάλωσης ενέργειας είναι προϊόν της έντονης μικρο-ανάμειξης και του μειωμένου χρόνου αντίδρασης, που προκύπτει από την παραγωγή και κατάρρευση αμέτρητων κοιλοτήτων, οι οποίες χαρακτηρίζουν το φαινόμενο της ακουστικής / υπερηχητικής σπηλαίωσης (Gholami et al., 2018). Επιπλέον, σε σύγκριση με τον συμβατικό αναδευτήρα, η κατανάλωση ενέργειας για τα στάδια ανάκτησης μεθανόλης και καθαρισμού βιοντίζελ κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανάμιξης υπερήχων μειώνεται κατά 26,5% και 1,3%, αντίστοιχα. Αυτή η μείωση οφείλεται στις χαμηλότερες ποσότητες μεθανόλης που εισέρχονται σε αυτές τις δύο στήλες απόσταξης στη διαδικασία μετεστεροποίησης υπερήχων.
Κόστος διάθεσης αποβλήτων: Η τεχνολογία υπερήχων σπηλαίωσης μειώνει επίσης αξιοσημείωτα το κόστος διάθεσης αποβλήτων. Αυτό το κόστος στη διαδικασία υπερήχων είναι περίπου το ένα πέμπτο εκείνου στη διαδικασία ανάδευσης, που προκύπτει από τη σημαντική μείωση της παραγωγής αποβλήτων λόγω της υψηλότερης μετατροπής αντιδραστήρα και χαμηλότερων ποσοτήτων καταναλισκόμενης αλκοόλης.
Φιλικότητα προς το περιβάλλον: Λόγω της πολύ υψηλής συνολικής απόδοσης, της μειωμένης κατανάλωσης χημικών ουσιών, των χαμηλότερων ενεργειακών απαιτήσεων και των μειωμένων αποβλήτων, η παραγωγή βιοντίζελ υπερήχων είναι σημαντικά πιο φιλική προς το περιβάλλον από τις συμβατικές διαδικασίες παραγωγής βιοντίζελ.

Συμπέρασμα – Υπερήχων βελτιώνει την αποδοτικότητα παραγωγής βιοντίζελ

Η επιστημονική αξιολόγηση δείχνει τα σαφή πλεονεκτήματα της ανάμειξης υπερήχων έναντι της συμβατικής μηχανικής ανάδευσης για την παραγωγή βιοντίζελ. Τα πλεονεκτήματα της επεξεργασίας βιοντίζελ υπερήχων περιλαμβάνουν συνολική επένδυση κεφαλαίου, συνολικό κόστος προϊόντος, καθαρή παρούσα αξία και εσωτερικό ποσοστό απόδοσης. Το ποσό της συνολικής επένδυσης στη διαδικασία σπηλαίωσης υπερήχων βρέθηκε να είναι χαμηλότερο από αυτό των άλλων κατά περίπου 20,8%. Η χρήση αντιδραστήρων υπερήχων μείωσε το κόστος του προϊόντος κατά 5,2% – χρησιμοποιώντας παρθένο έλαιο canola. Δεδομένου ότι η υπερήχηση επιτρέπει την επεξεργασία επίσης χρησιμοποιημένων ελαίων (π.χ. χρησιμοποιημένα μαγειρικά έλαια), το κόστος παραγωγής μπορεί να μειωθεί σημαντικά περαιτέρω. Οι Gholami et al. (2021) καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι λόγω της θετικής καθαρής παρούσας αξίας, η διαδικασία σπηλαίωσης υπερήχων είναι η καλύτερη επιλογή τεχνολογίας ανάμειξης για παραγωγή βιοντίζελ.
Από τεχνική άποψη, τα πιο σημαντικά αποτελέσματα της υπερηχητικής σπηλαίωσης καλύπτουν τη σημαντική αποτελεσματικότητα της διαδικασίας και τη μείωση του χρόνου αντίδρασης. Ο σχηματισμός και η κατάρρευση πολυάριθμων φυσαλίδων κενού – γνωστή ως ακουστική / υπερηχητική σπηλαίωση – Μειώστε το χρόνο αντίδρασης από αρκετές ώρες στον αντιδραστήρα αναδευόμενης δεξαμενής σε λίγα δευτερόλεπτα στον αντιδραστήρα σπηλαίωσης υπερήχων. Αυτός ο σύντομος χρόνος παραμονής επιτρέπει την παραγωγή βιοντίζελ σε έναν αντιδραστήρα ροής με μικρό αποτύπωμα. Ο υπερηχητικός αντιδραστήρας σπηλαίωσης δείχνει επίσης ευεργετικά αποτελέσματα στις ενεργειακές και υλικές απαιτήσεις, μειώνοντας την κατανάλωση ενέργειας σε σχεδόν το ένα τρίτο αυτής που καταναλώνεται από έναν αντιδραστήρα αναδευόμενης δεξαμενής και την κατανάλωση μεθανόλης και καταλύτη κατά 25%.
Από οικονομική άποψη, η συνολική επένδυση της διαδικασίας σπηλαίωσης υπερήχων είναι χαμηλότερη από αυτή της μηχανικής διαδικασίας ανάδευσης, κυρίως λόγω της μείωσης σχεδόν 50% και 11,6% του κόστους του αντιδραστήρα και του κόστους της στήλης απόσταξης μεθανόλης, αντίστοιχα. Η διαδικασία σπηλαίωσης υπερήχων μειώνει επίσης το κόστος παραγωγής βιοντίζελ λόγω της μείωσης κατά 4% της κατανάλωσης πετρελαίου canola, της χαμηλότερης συνολικής επένδυσης, της χαμηλότερης κατανάλωσης χημικών ουσιών κατά 2,2% και των χαμηλότερων απαιτήσεων χρησιμότητας κατά 23,8%. Σε αντίθεση με τη μηχανικά αναδευόμενη διαδικασία, η επεξεργασία υπερήχων είναι μια αποδεκτή επένδυση λόγω της θετικής καθαρής παρούσας αξίας της, του μικρότερου χρόνου αποπληρωμής και του υψηλότερου εσωτερικού ποσοστού απόδοσης. Εκτός από τα τεχνοοικονομικά οφέλη που συνδέονται με τη διαδικασία υπερήχων σπηλαίωση, είναι πιο φιλικό προς το περιβάλλον από τη διαδικασία μηχανικής ανάδευσης. Υπερήχων σπηλαίωση οδηγεί σε μείωση κατά 80% των ρευμάτων αποβλήτων λόγω της υψηλότερης μετατροπής στον αντιδραστήρα και της μειωμένης κατανάλωσης αλκοόλ σε αυτή τη διαδικασία. (πρβλ. Gholami et al., 2021)

Χρησιμοποιήστε τον καταλύτη της επιλογής σας

Υπερήχων διαδικασία μετεστεροποίησης του βιοντίζελ έχει αποδειχθεί ως αποτελεσματική χρησιμοποιώντας τόσο αλκαλικούς ή βασικούς καταλύτες. Για παράδειγμα, οι Shinde και Kaliaguine (2019) συνέκριναν την αποτελεσματικότητα της ανάμιξης υπερήχων και μηχανικής λεπίδας χρησιμοποιώντας διάφορους καταλύτες, δηλαδή υδροξείδιο του νατρίου (NaOH), υδροξείδιο του καλίου (KOH), (CH₃ONa), υδροξείδιο του τετραμεθυλαμμωνίου και τέσσερις γουανιδίνες [προπυλο-2,3-δικυκλοεξυλογουανιδίνη (PCHG), 1,3-δικυκλοεξυλο2-n-οκτυλογουανιδίνη (DCOG), 1,1,3,3-τετραμεθυλογουανιδίνη (TMG), 1,3-διφαινυλογουανιδίνη (DPG)]. Υπερήχων ανάμειξη (σε 35 º) όπως φαίνεται ανώτερη για την παραγωγή βιοντίζελ υπερέχει μηχανική ανάμειξη (σε 65 º) από υψηλότερες αποδόσεις και ποσοστό μετατροπής. Η αποτελεσματικότητα της μεταφοράς μάζας στο πεδίο υπερήχων αύξησε το ρυθμό αντίδρασης μετεστεροποίησης σε σύγκριση με τη μηχανική ανάδευση. Κατεργασία με υπερήχους ξεπέρασε τη μηχανική ανάδευση για όλους τους δοκιμασμένους καταλύτες. Η εκτέλεση της αντίδρασης μετεστεροποίησης με υπερηχητική σπηλαίωση είναι 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-δικυκλοεξυλο2-n-οκτυλογουανιδίνη (DCOG), έχουν αποδειχθεί και οι δύο ως ενδιαφέροντα εναλλακτικά για τη μετατροπή βιοντίζελ.
Mootabadi et al. (2010) διερεύνησε υπερήχων-υποβοηθούμενη σύνθεση βιοντίζελ από φοινικέλαιο χρησιμοποιώντας διάφορους αλκαλικούς καταλύτες οξειδίων μετάλλων όπως CaO, BaO και SrO. Η δραστηριότητα του καταλύτη στη σύνθεση βιοντίζελ με υπερήχους συγκρίθηκε με την παραδοσιακή διαδικασία μαγνητικής ανάδευσης και διαπιστώθηκε ότι η διαδικασία υπερήχων έδειξε το 95,2% της απόδοσης χρησιμοποιώντας BaO εντός χρόνου αντίδρασης 60 λεπτών, που διαφορετικά χρειάζονται 3-4 ώρες στη συμβατική διαδικασία ανάδευσης. Για υπερήχων υποβοηθούμενη μετεστεροποίηση σε βέλτιστες συνθήκες, 60 λεπτά απαιτήθηκε για να επιτευχθεί απόδοση 95% σε σύγκριση με 2-4 ώρες με συμβατική ανάδευση. Επίσης, οι αποδόσεις που επιτυγχάνονται με υπερήχους σε 60 λεπτά αυξήθηκαν από 5,5% σε 77,3% χρησιμοποιώντας CaO ως καταλύτες, 48,2% έως 95,2% χρησιμοποιώντας SrO ως καταλύτες και 67,3% έως 95,2 χρησιμοποιώντας BaO ως καταλύτες.

Παραγωγή βιοντίζελ με καταλύτη διάφορες γουανιδίνες (3% mol). Α) Μηχανικός αντιδραστήρας ανάδευσης: (μεθανόλη: έλαιο canola) 4:1, θερμοκρασία 65ºC· Β) Αντιδραστήρας παρτίδας υπερήχων: υπερήχων UP200St, (μεθανόλη: έλαιο canola) 4:1, 60% πλάτος ΗΠΑ, θερμοκρασία 35ºC. Η ανάμιξη με υπερήχους ξεπερνά κατά πολύ τη μηχανική ανάδευση.
(Μελέτη και γραφήματα: Shinde and Kaliaguine, 2019)

Αντιδραστήρες υπερήχων υψηλής απόδοσης για την ανώτερη επεξεργασία βιοντίζελ

Hielscher Υπέρηχοι προσφέρει υψηλής απόδοσης υπερήχων επεξεργαστές και αντιδραστήρες για βελτιωμένη παραγωγή βιοντίζελ με αποτέλεσμα υψηλότερες αποδόσεις, βελτιωμένη ποιότητα, μειωμένο χρόνο επεξεργασίας και χαμηλότερο κόστος παραγωγής.

Αντιδραστήρες βιοντίζελ μικρής και μεσαίας κλίμακας

Για μικρού και μεσαίου μεγέθους παραγωγή βιοντίζελ έως 9ton/hr (2900 gal/hr), η Hielscher σας προσφέρει το UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1000 watt), UIP1500hdT (1500 watt)και UIP2000hdT (2000 watt) Υπερηχητικά μοντέλα μίξερ υψηλής διάτμησης. Αυτοί οι τέσσερις υπερηχητικοί αντιδραστήρες είναι πολύ συμπαγείς, εύκολο να ενσωματωθούν ή να τοποθετηθούν εκ των υστέρων. Είναι κατασκευασμένα για λειτουργία βαρέως τύπου σε σκληρά περιβάλλοντα. Παρακάτω θα βρείτε συνιστώμενες ρυθμίσεις αντιδραστήρων για μια σειρά ρυθμών παραγωγής.

Βιομηχανικοί αντιδραστήρες βιοντίζελ πολύ μεγάλης απόδοσης

Για μονάδες παραγωγής βιοντίζελ βιομηχανικής επεξεργασίας, η Hielscher προσφέρει το UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) και UIP16000hdT (16kW) Υπερήχων ομογενοποιητές! Αυτοί οι επεξεργαστές υπερήχων έχουν σχεδιαστεί για τη συνεχή επεξεργασία υψηλών ρυθμών ροής. Τα UIP4000hdT, UIP6000hdT και UIP10000 μπορούν να ενσωματωθούν σε τυποποιημένα εμπορευματοκιβώτια θαλάσσιων εμπορευματικών μεταφορών. Εναλλακτικά, και τα τέσσερα μοντέλα επεξεργαστών διατίθενται σε ντουλάπια από ανοξείδωτο χάλυβα. Μια όρθια εγκατάσταση απαιτεί ελάχιστο χώρο. Παρακάτω θα βρείτε προτεινόμενες ρυθμίσεις για τυπικούς ρυθμούς βιομηχανικής επεξεργασίας.