Παραγωγή βιοντιζέλ με ανώτερη διαδικασία και οικονομική αποδοτικότητα

Υπερήχων ανάμειξη είναι η ανώτερη τεχνολογία για την εξαιρετικά αποτελεσματική και οικονομικά αποδοτική παραγωγή βιοντιζέλ. 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 έλαια) και να βελτιωθεί η ποιότητα του βιοντιζέλ. Hielscher Ultrasonics παρέχει υψηλής απόδοσης, ισχυρή υπερήχων ανάμειξη αντιδραστήρες για οποιαδήποτε κλίμακα παραγωγής. Διαβάστε περισσότερα πώς η παραγωγή βιοντιζέλ σας θα ωφεληθεί από κατεργασία με υπερήχους!

Οφέλη παραγωγής βιονδίζελ με υπερήχους

Βιοντεζέλ (μεθυλικό εστέρα λιπαρών οξέων, abrev. FAME) είναι το προϊόν μιας αντίδρασης transesterification της πρώτης ύλης λιπιδίων (τριγλυκερίδια, π.χ. φυτικό έλαιο, χρησιμοποιημένα μαγειρικά έλαια, ζωικά λίπη, έλαιο φυκών) και αλκοόλη (μεθανόλη, αιθανόλη) χρησιμοποιώντας καταλύτη (π.χ. υδροξείδιο του καλίου KOH).
Το πρόβλημα: Στη συμβατική μετατροπή βιοντιζέλ με τη χρήση συμβατικής ανάδευσης, ο ανεπίτρεπτος χαρακτήρας και των δύο αντιδραστικών της αντίδρασης μεταεστέρασης του πετρελαίου και της αλκοόλης οδηγεί σε χαμηλό ποσοστό μεταφοράς μάζας με αποτέλεσμα την αναποτελεσματική παραγωγή βιοντιζέλ. Αυτή η αναποτελεσματικότητα χαρακτηρίζεται από μεγάλους χρόνους αντίδρασης, υψηλότερες μοριακές αναλογίες μεθανόλης-ελαίου, υψηλές απαιτήσεις καταλύτη, υψηλές θερμοκρασίες διεργασίας και υψηλά ποσοστά ανάδευσης. Οι παράγοντες αυτοί αποτελούν σημαντικούς παράγοντες κόστους που καθιστούν την κατασκευή συμβατικού βιονδίζελ δαπανηρή διαδικασία.
Η λύση: Υπερήχων ανάμειξη γαλακτωματοποιεί τα αντιδραστικά με 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 χημικές ουσίες και ενέργεια) καθώς και χρόνος, μειώνεται το κόστος επεξεργασίας, ενώ η ποιότητα του βιοντίζελ και η αποδοτικότητα της παραγωγής βελτιώνονται σημαντικά. Αυτά τα γεγονότα μετατρέπουν υπερήχων ανάμειξη στην προτιμώμενη τεχνολογία για αποτελεσματική παραγωγή βιοντίζελ.
Οι παραγωγοί έρευνας και βιομηχανικού βιοντιζέ επιβεβαιώνουν ότι η υπερηχητική ανάμιξη είναι ένας εξαιρετικά οικονομικός τρόπος για την παραγωγή βιοντιζέλ, ακόμη και όταν τα λάδια και τα λίπη κακής ποιότητας χρησιμοποιούνται ως πρώτη ύλη. Η εντατικοποίηση της διαδικασίας υπερήχων βελτιώνει σημαντικά το ποσοστό μετατροπής μειώνοντας τη χρήση υπερβολικής μεθανόλης και καταλύτη, επιτρέποντας την παραγωγή βιοντιζέλ που πληροί τα πρότυπα ποιότητας των προδιαγραφών ASTM D6751 και EN 14212. (πρβλ. Αμπντουλάχ κ.λπ., 2015)

Η μετεστεροποίηση των τριγλυκεριδίων στο βιοντίζελ (FAME) με τη χρήση κατεργασίας με υπερήχους έχει ως αποτέλεσμα την επιτάχυνση της αντίδρασης και σημαντικά υψηλότερη απόδοση.

Πολυάριθμα πλεονεκτήματα της υπερηχητικής ανάμειξης στην παραγωγή βιοντεζέλ

Υπερήχων αντιδραστήρες ανάμειξης μπορεί εύκολα να ενσωματωθεί σε οποιαδήποτε νέα εγκατάσταση, καθώς και ρετρό τοποθετείται σε υπάρχουσες εγκαταστάσεις βιοντιζέλ. Η ενσωμάτωση ενός υπερηχητικού μίξερ Hielscher μετατρέπει οποιαδήποτε εγκατάσταση βιοντεζέλ σε μονάδα παραγωγής υψηλής απόδοσης. Η απλή εγκατάσταση, η ευρωστία και η φιλικότητα προς το χρήστη (δεν απαιτείται ειδική εκπαίδευση για τη λειτουργία) επιτρέπουν την αναβάθμιση οποιασδήποτε εγκατάστασης σε μια εξαιρετικά αποδοτική μονάδα βιοντιζέ. Παρακάτω, σας παρουσιάζουμε επιστημονικά αποδεδειγμένα αποτελέσματα πλεονεκτημάτων που τεκμηριώθηκαν από ανεξάρτητα τρίτα μέρη. Οι αριθμοί αποδεικνύουν την ανωτερότητα της ανάμειξης υπερηχητικού βιοντιζέλ σε σχέση με οποιαδήποτε συμβατική τεχνική ανάδευσης.

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

Αποδοτικότητα και σύγκριση κόστους: Υπερήχους εναντίον μηχανικής ανάδευσης

Gholami et al. (2021) παρουσιάζουν στη συγκριτική μελέτη τους τα πλεονεκτήματα της υπερηχητικής μετεστεροποίησης έναντι της μηχανικής ανάδευσης (π.χ. μίξερ λεπίδων, πτερωτής, μίξερ υψηλής διάτμησης).
Επενδυτικό κόστος: Ο υπερηχητικός επεξεργαστής και ο αντιδραστήρας UIP16000 μπορούν να παράγουν βιοντιζέλ 192-384 t με αποτύπωμα μόνο 1,2m x 0,6m. Σε σύγκριση, για τη μηχανική ανάδευση (MS) απαιτείται πολύ μεγαλύτερος αντιδραστήρας λόγω του μεγάλου χρόνου αντίδρασης στη μηχανική διαδικασία στριφτό, γεγονός που προκαλεί σημαντική αύξηση του κόστους του αντιδραστήρα. (βλέπε Gholami et al., 2020)
Έξοδα επεξεργασίας: Το κόστος επεξεργασίας για την παραγωγή υπερηχητικού βιοντεζέλ είναι 7,7% χαμηλότερο από αυτό για τη διαδικασία ανάδευσης, κυρίως λόγω της χαμηλότερης συνολικής επένδυσης για τη διαδικασία κατεργασίας με υπερήχους. Το κόστος των χημικών ουσιών (καταλύτης, μεθανόλη/αλκοόλη) είναι ο τρίτος μεγαλύτερος παράγοντας κόστους και στις δύο διαδικασίες, κατεργασία με υπερήχους και μηχανική ανάδευση. Ωστόσο, για τη μετατροπή του υπερηχητικού βιοντεζέλ το κόστος για τη χημική ουσία είναι σημαντικά χαμηλότερο από ό, τι για τη μηχανική ανάδευση. Το κλάσμα κόστους για χημικές ουσίες αντιπροσωπεύει περίπου το 5% του τελικού κόστους βιονδίζελ. Λόγω της χαμηλότερης κατανάλωσης μεθανόλης, υδροξειδίου του νατρίου και φωσφορικού οξέος, το κόστος για χημικές ουσίες στη διαδικασία υπερήχων βιοντεζέλ είναι 2,2% χαμηλότερο από αυτό της μηχανικής διαδικασίας ανάδευσης.
Ενεργειακό κόστος: Η ενέργεια που καταναλώνεται από τον αντιδραστήρα υπερήχων ανάμειξης είναι περίπου τρεις φορές χαμηλότερη από αυτή του μηχανικού 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 την ανάκτηση μεθανόλης και τα στάδια καθαρισμού βιοντιζέλ κατά τη διάρκεια της διαδικασίας υπερήχων ανάμειξης 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 υπερηχητικής μετεστεροποίησης.
Έξοδα διάθεσης αποβλήτων: Υπερήχων τεχνολογία σπηλαίωσης μειώνει επίσης αξιοσημείωτα το κόστος της διάθεσης των αποβλήτων. Αυτό το κόστος στη διαδικασία κατεργασίας με υπερήχους είναι περίπου το ένα πέμπτο αυτού στη διαδικασία ανάδευσης, ως αποτέλεσμα της σημαντικής μείωσης της παραγωγής αποβλήτων λόγω της υψηλότερης μετατροπής αντιδραστήρων και των χαμηλότερων ποσοτήτων καταναλισκόμενης αλκοόλης.
Φιλικότητα προς το περιβάλλον: Λόγω της πολύ υψηλής συνολικής απόδοσης, της μειωμένης χημικής κατανάλωσης, των χαμηλότερων ενεργειακών απαιτήσεων και των μειωμένων αποβλήτων, η παραγωγή υπερηχητικού βιοντιζέ είναι σημαντικά πιο φιλική προς το περιβάλλον από τις συμβατικές διαδικασίες παραγωγής βιοντιζέλ.

συμπέρασμα – Υπερήχων βελτιώνει την αποδοτικότητα παραγωγής βιοντεζέλ

Η επιστημονική αξιολόγηση δείχνει τα σαφή πλεονεκτήματα της υπερηχητικής ανάμειξης σε σχέση με τη συμβατική μηχανική ανάδευση για την παραγωγή βιονδίζελ. Τα πλεονεκτήματα της επεξεργασίας υπερηχητικού βιοντίζελ περιλαμβάνουν συνολική επένδυση κεφαλαίου, συνολικό κόστος προϊόντος, καθαρή παρούσα αξία και εσωτερικό ποσοστό απόδοσης. Το ποσό της συνολικής επένδυσης στη διαδικασία υπερήχων σπηλαίωση βρέθηκε να είναι χαμηλότερο από αυτό άλλων κατά περίπου 20,8%. Η χρήση αντιδραστήρων υπερήχων μείωσε το κόστος του προϊόντος κατά 5,2% – χρησιμοποιώντας παρθένο λάδι canola. Δεδομένου ότι η κατεργασία με υπερήχους επιτρέπει την επεξεργασία επίσης χρησιμοποιημένων ελαίων (π.χ. χρησιμοποιημένα μαγειρικά έλαια), το κόστος παραγωγής μπορεί να μειωθεί σημαντικά περαιτέρω. Gholami et al. (2021) καταλήξουν στο συμπέρασμα ότι λόγω μιας θετικής καθαρής παρούσας τιμής, η διαδικασία υπερήχων σπηλαίωσης είναι η καλύτερη επιλογή της τεχνολογίας ανάμειξης για την παραγωγή βιοντίζελ.
Από τεχνική άποψη, τα πιο σημαντικά αποτελέσματα της υπερήχων σπηλαίωσης καλύπτουν τη σημαντική απόδοση της διαδικασίας και τη μείωση του χρόνου αντίδρασης. Ο σχηματισμός και η κατάρρευση πολλών φυσαλίδων κενού – γνωστή ως ακουστική / υπερήχων σπηλαίωση – μειώστε το χρόνο αντίδρασης από αρκετές ώρες στον αντιδραστήρα της δεξαμενής σε λίγα δευτερόλεπτα στον αντιδραστήρα υπερήχων σπηλαίωσης. Αυτός ο σύντομος χρόνος διαμονής επιτρέπει την παραγωγή βιοντεζέλ σε έναν αντιδραστήρα ροής με μικρό αποτύπωμα. Ο υπερηχητικός αντιδραστήρας σπηλαίωσης παρουσιάζει επίσης ευεργετικές επιδράσεις στις ενεργειακές και υλικές απαιτήσεις, μειώνοντας την κατανάλωση ενέργειας σχεδόν στο ένα τρίτο αυτής που καταναλώνεται από αντιδραστήρα δεξαμενής και κατανάλωση μεθανόλης και καταλύτη κατά 25%.
Από οικονομική άποψη, η συνολική επένδυση της διαδικασίας υπερήχων σπηλαίωσης είναι χαμηλότερη από εκείνη της μηχανικής διαδικασίας ανάδευσης, κυρίως λόγω σχεδόν 50% και 11,6% μείωσης του κόστους του αντιδραστήρα και του κόστους της στήλης απόσταξης μεθανόλης, αντίστοιχα. Η διαδικασία υπερήχων σπηλαίωση μειώνει επίσης το κόστος παραγωγής βιοντιζέ λόγω της μείωσης της κατανάλωσης πετρελαίου canola κατά 4%, της χαμηλότερης συνολικής επένδυσης, της χαμηλότερης κατανάλωσης χημικών ουσιών 2,2% και των χαμηλότερων απαιτήσεων χρησιμότητας κατά 23,8%. Σε αντίθεση με τη μηχανικά ανακατεμένη διαδικασία, η επεξεργασία υπερήχων είναι μια αποδεκτή επένδυση λόγω της θετικής καθαρής παρούσας αξίας, του μικρότερου χρόνου αποπληρωμής και ενός υψηλότερου εσωτερικού ρυθμού απόδοσης. Εκτός από τα τεχνο-οικονομικά οφέλη που σχετίζονται με τη διαδικασία υπερήχων σπηλαίωσης, είναι πιο φιλικό προς το περιβάλλον από τη μηχανική διαδικασία ανάδευσης. Υπερήχων σπηλαίωση έχει ως αποτελέσματα σε μια μείωση 80% των ρευμάτων αποβλήτων λόγω της υψηλότερης μετατροπής στον αντιδραστήρα και μειωμένη κατανάλωση αλκοόλ σε αυτή τη διαδικασία. (πρβλ. Γκιλαμή κ.ά., 2021)

Χρησιμοποιήστε τον καταλύτη της επιλογής σας

Υπερήχων διαδικασία μεταεστέρασης του βιοντεζέλ έχει αποδειχθεί αποτελεσματική χρησιμοποιώντας τόσο αλκαλικούς όσο και βασικούς καταλύτες. Η Forinstance, η Shinde και η Kaliaguine (2019) συνέκριναν την αποτελεσματικότητα της υπερηχητικής και μηχανικής ανάμειξης λεπίδων χρησιμοποιώντας διάφορους καταλύτες, δηλαδή υδροξείδιο του νατρίου (NaOH), υδροξείδιο του καλίου (KOH), (CH₃ONa), υδροξείδιο του τετραμεθυλίου αμμώνιο και τέσσερις γουανιδίνη (Propyl-2,3-δικυκλοεξυλ γκουανιδίνη (PCHG), 1,3-δικυκλοεξύλιο 2 n-οκτυλο γουανιδίνη (DCOG), 1,1,3,3-τετραμεθυλο γουανιδίνη(TMG), 1,3-διφαινυλ γκουανιδίνη (DPG)). Υπερήχων ανάμειξη (στους 35º) όπως φαίνεται ανώτερη για την παραγωγή βιοντιζέ που υπερέχει μηχανική ανάμειξη (στους 65º) από υψηλότερες αποδόσεις και ποσοστό μετατροπής. Η αποτελεσματικότητα της μεταφοράς μάζας στον τομέα του υπερήχου ενίσχυσε το ρυθμό αντίδρασης μεταεστέρασης σε σύγκριση με τη μηχανική ανάδευση. Κατεργασία με υπερήχους υπεραπόδοση μηχανική ανάδευση για όλους τους δοκιμασμένους καταλύτες. Η εκτέλεση της αντίδρασης μετεστεροποίησης με υπερήχους σπηλαίωση είναι μια ενεργειακά αποδοτική και βιομηχανικά βιώσιμη εναλλακτική λύση για την παραγωγή βιοντιζέλ. Εκτός από τους ευρέως χρησιμοποιούμενους καταλύτες KOH και NaOH, και οι δύο καταλύτες γουανιδίνης, προπυλ-2,3 δικυκλοεξυγουανιδίνη (PCHG) και 1,3-δικυκλοεξύλιο 2 n-οκτυλογκουανιδίνη (DCOG), έχουν αποδειχθεί και οι δύο ως ενδιαφέροντα αλφωσφορικά για μετατροπή βιοντίζελ.
Mootabadi et al. (2010) διερεύνησε υπερήχων υποβοηθούμενη σύνθεση βιοντίζελ από φοινικέλαιο χρησιμοποιώντας ποικίλους αλκαλικούς καταλύτες οξειδίου του μετάλλου όπως CaO, BaO και SrO. Η δραστηριότητα του καταλύτη στη σύνθεση βιοντεζέλ με υπερήχους συγκρίθηκε με την παραδοσιακή μαγνητική διαδικασία ανάδευσης και διαπιστώθηκε ότι η διαδικασία υπερήχων έδειξε το 95,2% της απόδοσης χρησιμοποιώντας BaO εντός 60 λεπτών χρόνου αντίδρασης, η οποία διαφορετικά παίρνει 3-4 ώρες στη συμβατική διαδικασία ανάδευσης. Για υπερηχητικά υποβοηθούμενη μετεστεροποίηση σε βέλτιστες συνθήκες, 60 λεπτά απαιτήθηκαν για να επιτευχθεί απόδοση 95% σε σύγκριση με 2-4 ώρες με συμβατική ανάδευση. Επίσης, οι αποδόσεις που επιτεύχθηκαν με υπερήχους σε 60 λεπτά αυξήθηκαν από 5,5% σε 77,3% χρησιμοποιώντας caO ως καταλύτες, 48,2% έως 95,2% χρησιμοποιώντας το SrO ως καταλύτες και 67,3% σε 95,2 χρησιμοποιώντας baO ως καταλύτες.

Παραγωγή βιονιζέλ με τη χρήση διαφόρων γκουανιδών (3% mol) ως καταλύτη. Α) Μηχανικός ανακατετικόςπαρακολητής: (μεθανόλη: έλαιο canola) 4:1, θερμοκρασία 65ºC· Β) Αντιδραστήρας παρτίδας υπερήχων: υπερηχητικός UP200St, (μεθανόλη: έλαιο canola) 4:1, 60% πλάτος ΗΠΑ, θερμοκρασία 35ºC. Υπερήχων-οδηγούμενη ανάμειξη υπερτερεί μηχανική ανάδευση με διαφορά.
(Μελέτη και γραφήματα: Shinde και Kaliaguine, 2019)

Υψηλής απόδοσης υπερήχων αντιδραστήρες για ανώτερη επεξεργασία βιοντεζέλ

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

Μικρής και μεσαίας κλίμακας αντιδραστήρες Βιοντίζελ

Για τις μικρές και μεσαίες παραγωγή μεγέθους βιοντίζελ έως 9ton / hr (2900 gal / hr), Hielscher σας την προσφέρει UIP500hdT (500 Watt), UIP1000hdT (1000 Watt), UIP1500hdT (1500 Watt), και UIP2000hdT (2000 Watt) υπερηχητικά μοντέλα μίξερ υψηλής διάτμησης. Αυτοί οι τέσσερις αντιδραστήρες υπερήχων είναι πολύ συμπαγείς, εύκολοι στην ενσωμάτωση ή ρετρό. Είναι κατασκευασμένα για λειτουργία βαρέως τύπου σε σκληρά περιβάλλοντα. Παρακάτω θα βρείτε προτεινόμενες ρυθμίσεις αντιδραστήρων για μια σειρά από ρυθμούς παραγωγής.

Πολύ μεγάλοι βιομηχανικοί αντιδραστήρες βιοντεζέλ

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