Producción de biodiésel y conversión a biodiésel
¡Supere las limitaciones de la producción de biodiésel con reactores ultrasónicos! Una cinética de reacción lenta y una transferencia de masa deficiente pueden reducir significativamente la capacidad, el rendimiento y la calidad de su planta de biodiésel. Los reactores ultrasónicos de Hielscher abordan estos retos mejorando sustancialmente la cinética de transesterificación. Como resultado, el procesamiento de biodiésel requiere menos metanol en exceso y menores cantidades de catalizador.
Cavitación ultrasónica: una solución de mezcla superior
La producción tradicional de biodiésel suele utilizar reactores por lotes con aportes de energía en forma de calor y mezcla mecánica. La cavitación ultrasónica ofrece una alternativa eficaz que consigue una mejor mezcla en el procesamiento comercial de biodiésel. Esta cavitación ultrasónica proporciona la energía de activación necesaria para la transesterificación industrial del biodiésel.
Principales ventajas de la transesterificación ultrasónica del biodiésel:
- Mayores tasas de conversión
- Tiempos de reacción más cortos
- Mejor calidad del producto
- Capacidad para convertir aceites residuales en FAME (ésteres metílicos de ácidos grasos)
La mezcla ultrasónica mejora la tasa de conversión a biodiésel, aumenta el rendimiento y reduce el consumo de metanol en exceso y de catalizador.
Transesterificación del biodiésel mejorada mediante ultrasonidos
La producción de biodiésel suele implicar una reacción química denominada transesterificación, en la que un triglicérido (como aceite vegetal, grasa animal o aceites de cocina usados) reacciona con un alcohol (como metanol) en presencia de un catalizador para producir biodiésel (ésteres metílicos de ácidos grasos) y glicerol. Los reactores ultrasónicos pueden mejorar el proceso de transesterificación de varias maneras, lo que aporta diversos beneficios:
- Mejor mezcla: Las ondas ultrasónicas pueden crear burbujas de cavitación que colapsan violentamente, provocando una mezcla y una agitación intensas de la mezcla de reacción. Esto mejora el contacto entre los reactivos y el catalizador, dando lugar a una transesterificación más rápida y completa.
- Cinética de reacción acelerada: Las condiciones de alta energía generadas por las ondas ultrasónicas pueden activar la reacción, aumentando su velocidad y reduciendo el tiempo necesario para alcanzar un determinado grado de conversión. Esto puede traducirse en mayores rendimientos y menores costes.
- Menor consumo de catalizador: Los reactores ultrasónicos pueden mejorar la eficiencia de utilización del catalizador al proporcionar más sitios activos para la reacción. Esto significa que se necesita menos catalizador para alcanzar el mismo grado de conversión, lo que reduce los costes y el impacto ambiental.
- Mejor calidad del producto: Los reactores ultrasónicos pueden producir biodiésel con un menor contenido de ácidos grasos libres, mayor pureza y mejores propiedades de fluidez en frío. Esto se debe a la mejora de la mezcla y a una cinética de reacción más rápida, que minimizan la formación de subproductos e impurezas no deseados.
Estas ventajas del procesamiento ultrasónico del biodiésel hacen que el uso de una instalación con reactores ultrasónicos resulte muy económico, ya que estos mejoran significativamente la eficiencia, la velocidad y la calidad de la transesterificación del biodiésel. En definitiva, la sonicación convierte la transesterificación en un proceso más sostenible desde el punto de vista económico y ambiental.
Problemas de la mezcla convencional del biodiésel: La reacción de esterificación convencional en el procesamiento por lotes tiende a ser lenta, y la separación de la fase de glicerina requiere mucho tiempo, a menudo 5 horas o más.
¡Los reactores ultrasónicos le ayudan a acelerar su proceso de producción de biodiésel y, al mismo tiempo, a aumentar el rendimiento y la calidad del biodiésel con menores costes de procesamiento!
Sonicador de calidad industrial UIP2000hdT con celda de flujo FC2T500k para la esterificación y transesterificación del biodiésel en línea.
Las ventajas de la transesterificación ultrasónica del biodiésel
- Mayores rendimientos de biodiésel gracias a una mejor mezcla
- Mayor calidad del biodiésel
- Uso incluso del aceite de peor calidad como materia prima
- Procesamiento continuo en línea
- Menos metanol
- Menos catalizador
- Ahorro de tiempo gracias a una conversión rápida
- Ahorro de energía
- Funcionamiento sencillo y seguro
- Robustez y bajo mantenimiento
- Alto rendimiento: funcionamiento 24/7 a plena carga
El reactor ultrasónico UIP16000hdT produce aproximadamente 32MMGY
«Estamos muy satisfechos con los equipos y el servicio de Hielscher y tenemos la firme intención de incorporar la tecnología de sonicación de Hielscher en todos nuestros proyectos futuros.»
Todd Stephens, Tulsa Biofuels
Ultrasonidos para la producción de biodiésel
El biodiésel se produce a menudo en reactores por lotes. La conversión ultrasónica a biodiésel permite el procesamiento continuo en línea. La sonicación puede alcanzar un rendimiento de biodiésel superior al 99%. Los reactores ultrasónicos reducen el tiempo de procesamiento de las 1 a 4 horas habituales del procesamiento por lotes a menos de 30 segundos. Más importante aún, la sonicación reduce el tiempo de separación de 5 a 10 horas (con agitación convencional) a menos de 60 minutos. La sonicación también ayuda a reducir la cantidad de catalizador necesaria hasta en un 50% debido al aumento de la actividad química en presencia de cavitación. Al utilizar sonicación, también se reduce la cantidad necesaria de metanol en exceso. Otro beneficio es el aumento resultante de la pureza de la glicerina.
Producción ultrasónica de biodiésel paso a paso:
- el aceite vegetal o la grasa animal se mezcla con metanol (que produce ésteres metílicos) o etanol (para obtener ésteres etílicos) y con metóxido o hidróxido de sodio o de potasio
- la mezcla se calienta, por ejemplo, a temperaturas entre 45 y 65degC
- la mezcla calentada se somete a sonicación en línea durante 5 a 15 segundos
- la glicerina se separa por sedimentación o mediante centrifugadoras
- el biodiésel obtenido mediante la conversión se lava con agua
Lo más habitual es realizar la sonicación a una presión elevada (1 a 3 bar, presión manométrica), utilizando una bomba de alimentación y una válvula de contrapresión ajustable junto a la celda de flujo.
La conversión industrial a biodiésel no requiere mucha energía ultrasónica. La demanda energética real puede determinarse a escala de sobremesa utilizando, por ejemplo, un procesador ultrasónico de 1 kW como el UIP1000hdT. Todos los resultados de estos ensayos de sobremesa pueden escalarse de forma lineal y sin problemas. Si se requieren, hay disponibles equipos ultrasónicos con certificación ATEX, como el UIP1000-Exd.
Hielscher suministra equipos ultrasónicos industriales para el procesamiento de biodiésel en todo el mundo. Con procesadores ultrasónicos de hasta 16 kW de potencia por equipo, no hay límites en cuanto al tamaño de la planta de biodiésel ni a su capacidad de procesamiento.
Costes de la fabricación ultrasónica de biodiésel
La sonicación es un medio eficaz para aumentar la velocidad de reacción y la tasa de conversión en la producción comercial de biodiésel. Los costes del procesamiento ultrasónico se deben principalmente a la inversión en equipos ultrasónicos, los costes de los suministros y el mantenimiento. La excelente eficiencia energética de los sonicadores de Hielscher ayuda a reducir los costes de los suministros y, con ello, a hacer que este proceso sea aún más ecológico. Los costes resultantes de la sonicación oscilan entre 0,1ct y 1,0ct por litro (0,4ct a 1,9ct/galón) cuando se utiliza a escala comercial.
¡Más información sobre la eficiencia del proceso y los beneficios económicos de la producción ultrasónica de biodiésel!
La mezcla ultrasónica reduce el consumo específico de energía en la fabricación de biodiésel y supera ampliamente a la mezcla magnética hidrodinámica y a los mezcladores de alto cizallamiento.
Instalación ultrasónica de biodiésel a pequeña escala
La sonicación puede utilizarse para convertir aceite en biodiésel a cualquier escala. La imagen siguiente muestra una instalación a pequeña escala para procesar 60-70 L (16 a 19 galones). Esta es la instalación típica para los estudios iniciales y la demostración del proceso.
La esterificación y la transesterificación ultrasónicas pueden realizarse por lotes o como proceso continuo en línea. Este diagrama muestra el proceso ultrasónico por lotes para la conversión a biodiésel.
3x sonicadores de 1 kW del modelo 1000hdT con reactor ultrasónico de flujo continuo para una conversión a biodiésel altamente eficiente.
- un sonicador (por ejemplo, UIP500hdT o UIP1000hdT) con amplificador de amplitud, sonotrodo y celda de flujo
- medidor de potencia para medir la potencia y la energía
- tanque de procesamiento de 80 L (de plástico, por ejemplo, HDPE)
- elemento calefactor (1 a 2 kW)
- tanque de premezcla de catalizador de 10 L (de plástico, por ejemplo, HDPE)
- premezclador de catalizador (agitador)
- bomba (centrífuga, mono o de engranajes) para aproximadamente 10 a 20 L/min a 1 a 3 barg
- válvula de contrapresión para ajustar la presión en la celda de flujo
- manómetro para medir la presión de alimentación
Reactores ultrasónicos para un procesamiento superior del biodiésel
Hielscher Ultrasonics ofrece procesadores y reactores ultrasónicos de alto rendimiento que mejorarán su producción de biodiésel mediante mayores rendimientos, una mejor calidad del biodiésel, tiempos de procesamiento más cortos y menores costes de producción.
Reactores ultrasónicos a pequeña y mediana escala para la transesterificación del biodiésel
Para la producción de biodiésel a pequeña y mediana escala de hasta 9ton/hr (2900 gal/hr), Hielscher le ofrece los modelos UIP500hdT (500 vatios), UIP1000hdT (1000 vatios), UIP1500hdT (1500 vatios) y UIP2000hdT (2000 vatios) como mezcladores ultrasónicos de alto cizallamiento con reactores de flujo continuo para un procesamiento de biodiésel en línea fiable y eficiente. Estos cuatro reactores ultrasónicos son muy compactos y fáciles de integrar o de incorporar a instalaciones existentes. Están diseñados para un funcionamiento intensivo en entornos exigentes. A continuación encontrará configuraciones de reactores recomendadas para distintos ritmos de producción.
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ton/hr
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gal/hr
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|---|---|---|
| 1x UIP500hdT (500 vatios) |
0,25 a 0,5
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80 a 160
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| 1x UIP1000hdT (1000 vatios) |
0,5 a 1,0
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160 a 320
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| 1x UIP1500hdT (1500 vatios) |
0,75 a 1,5
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240 a 480
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| 1x UIP2000hdT (2000 vatios) |
1,0 a 2,0
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320 a 640
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| 2x UIP2000hdT (2000 vatios) |
2,0 a 4,0
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640 a 1280
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| 4xUIP1500hdT (1500 vatios) |
3,0 a 6,0
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960 a 1920
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| 6x UIP1500hdT (1500 vatios) |
4,5 a 9,0
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1440 a 2880
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| 6x UIP2000hdT (2000 vatios) |
6,0 a 12,0
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1920 a 3840
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Reactores industriales de biodiésel de muy alta capacidad de procesamiento
¡Para las plantas de producción de biodiésel con procesamiento industrial, Hielscher ofrece los homogeneizadores ultrasónicos UIP4000hdT (4 kW), UIP6000hdT (6 kW), 10.000 (10 kW) y UIP16000hdT (16 kW)! Estos procesadores ultrasónicos están diseñados para el procesamiento continuo de caudales elevados. Los modelos UIP4000hdT, UIP6000hdT y UIP10000 pueden integrarse en contenedores estándar de transporte marítimo. Como alternativa, los cuatro modelos de procesador están disponibles en armarios de acero inoxidable. La instalación en posición vertical requiere un espacio mínimo. A continuación encontrará configuraciones recomendadas para ritmos de procesamiento industrial habituales.
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ton/hr
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gal/hr
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|---|---|---|
| 1x UIP6000hdT (6000 vatios) |
3,0 a 6,0
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960 a 1920
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| 3x UIP4000hdT (4000 vatios) |
6,0 a 12,0
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1920 a 3840
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| 5x UIP4000hdT (4000 vatios) |
10,0 a 20,0
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3200 a 6400
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| 3x UIP6000hdT (6000 vatios) |
9,0 a 18,0
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2880 a 5880
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| 3x UIP10000 (10.000 vatios) |
15,0 a 30,0
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4800 a 9600
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| 3x UIP16000hdT (16.000 vatios) |
24,0 a 48,0
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7680 a 15.360
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| 5x UIP16000hdT |
40,0 a 80,0
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12.800 a 25.600
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El sonicador UIP16000hdT es capaz de procesar 32MMGY de biodiésel.
Innovación Tecnológica del Año de Frost & Sullivan
Hielscher Ultrasonics recibió el prestigioso Premio a la Innovación Tecnológica del Año de Frost and Sullivan en reconocimiento al desarrollo por parte de la empresa de una novedosa tecnología ultrasónica para la producción de biodiésel.
¡Haga clic aquí para obtener más información sobre el premio de Frost and Sullivan a los reactores de biodiésel de Hielscher Ultrasonics!
Transesterificación – La conversión química a biodiésel
La fabricación de biodiésel a partir de aceites vegetales (por ejemplo, de soja, canola, jatropha o semillas de girasol), algas, grasas animales y aceites de cocina usados implica la transesterificación de ácidos grasos catalizada por una base con metanol o etanol para obtener los correspondientes ésteres metílicos o etílicos. La glicerina es un subproducto inevitable de esta reacción.
Los aceites vegetales, al igual que las grasas animales, son triglicéridos compuestos por tres cadenas de ácidos grasos unidas por una molécula de glicerina. Los triglicéridos son ésteres. Los ésteres son ácidos, como los ácidos grasos, combinados con un alcohol. La glicerina (= glicerol) es un alcohol pesado. En el proceso de conversión, los ésteres de triglicéridos se transforman en ésteres alquílicos (= biodiésel) utilizando un catalizador (lejía alcalina) y un reactivo alcohólico, por ejemplo, metanol, que produce biodiésel de ésteres metílicos. El metanol sustituye a la glicerina. Este proceso de conversión química se denomina transesterificación.
Después de la transesterificación, la glicerina, que es la fase más pesada, se deposita en el fondo. El biodiésel, que es la fase más ligera, flota en la parte superior y puede separarse, por ejemplo, mediante decantadores o centrifugadoras.
Preparación del biodiésel
El hidróxido de potasio (0,2 a 0,4 kg, catalizador) se disuelve en aproximadamente 8,5 L de metanol en el tanque de premezcla de catalizador. Para ello es necesario agitar la premezcla de catalizador. El tanque de procesamiento se llena con 66 L de aceite vegetal. El elemento calefactor calienta el aceite hasta 45 a 65degC.
Conversión a biodiésel
Cuando el catalizador se ha disuelto completamente en el metanol, la premezcla de catalizador se mezcla con el aceite calentado. La bomba alimenta la celda de flujo con la mezcla. Mediante la válvula de contrapresión, la presión se ajusta a 1 a 3barg (15 a 45 psig). La recirculación a través del reactor ultrasónico de biodiésel debe realizarse durante aproximadamente 20 minutos. Durante este tiempo, el aceite se convierte en biodiésel. A continuación se apagan la bomba y los ultrasonidos. La glicerina (fase más pesada) se separa del biodiésel (fase más ligera). La separación tarda aproximadamente 30 a 60 minutos. Una vez finalizada la separación, puede drenarse la glicerina.
Lavado del biodiésel
Como el biodiésel obtenido mediante la conversión contiene impurezas, es necesario lavarlo. Para el lavado, se mezcla agua con el biodiésel. La sonicación puede favorecer la mezcla del biodiésel con el agua. Esto aumenta la superficie activa como resultado de la reducción del tamaño de las gotas. Tenga en cuenta que una sonicación muy intensa puede reducir las gotas de agua hasta un tamaño que dé lugar a una emulsión casi estable, cuya separación requerirá medios especiales (por ejemplo, una centrifugadora).
Planta de fabricación de biodiésel
El diagrama de flujo siguiente muestra una instalación típica para la sonicación en línea de aceite, metanol y catalizador para su conversión en biodiésel.
La esterificación y la transesterificación ultrasónicas pueden realizarse por lotes o como proceso continuo en línea. El diagrama muestra el proceso ultrasónico en línea para la transesterificación del biodiésel (FAME).
Procesamiento y separación continuos del biodiésel
En una instalación para el procesamiento y la separación continuos del biodiésel, el aceite calentado y la premezcla de catalizador se mezclan de forma continua mediante bombas ajustables. Un mezclador estático en línea mejora la homogeneidad de la alimentación al reactor ultrasónico. La mezcla de aceite y catalizador atraviesa la celda de flujo, donde se expone a cavitación ultrasónica durante aproximadamente 5 a 30 segundos. Se utiliza una válvula de contrapresión para controlar la presión en la celda de flujo. La mezcla sonicada entra en la columna del reactor por la parte superior. El volumen de la columna del reactor se dimensiona para proporcionar un tiempo de retención en la columna de aproximadamente 1 hora. Durante ese tiempo se completa la reacción de transesterificación. La mezcla de glicerina y biodiésel que ha reaccionado se bombea a la centrifugadora, donde se separa en las fracciones de biodiésel y glicerina. El procesamiento posterior comprende la recuperación del metanol, el lavado y el secado, y también puede realizarse de forma continua.
Esta instalación elimina el procesamiento por lotes en reactores de biodiésel, los agitadores convencionales y los grandes tanques de separación.
Velocidad de la reacción de transesterificación del biodiésel
Los diagramas siguientes muestran resultados típicos de la transesterificación de aceite de colza (de grado industrial) con metóxido de sodio (izquierda) e hidróxido de potasio (derecha). En ambos ensayos, una muestra de control (línea azul) se sometió a una mezcla mecánica intensa. La línea roja representa la muestra sonicada de una formulación idéntica en cuanto a la proporción volumétrica, la concentración de catalizador y la temperatura. El eje horizontal muestra el tiempo transcurrido después de la mezcla o de la sonicación, respectivamente. El eje vertical muestra el volumen de glicerina depositado en el fondo. Este es un método sencillo para medir la velocidad de reacción. En ambos diagramas, la muestra sonicada (rojo) reacciona mucho más rápido que la muestra de control (azul).
Comparación entre la mezcla ultrasónica (gráfica roja) y la mezcla convencional (gráfica azul) para la producción de biodiésel – utilizando metóxido de sodio (izquierda) e hidróxido de potasio (derecha) como catalizadores.
Enlaces a suministros para biodiésel
Información química y de seguridad
Lea atentamente la información siguiente para evitar complicaciones y efectos adversos para la salud.
Productos químicos para el biodiésel
El metanol es tóxico. Puede causar deterioro nervioso como consecuencia de un uso prolongado. También puede ser adsorbido por la piel. Si salpica los ojos, puede causar ceguera, y su ingestión puede ser mortal. Por este motivo, tome las precauciones necesarias al manipular metanol. Se recomienda utilizar un buen equipo de protección respiratoria, un delantal y guantes de goma.
El hidróxido de potasio (KOH) es tóxico y provoca quemaduras en la piel por contacto. Se requiere una buena ventilación.
Asegúrese de que el espacio de trabajo cuente con una ventilación abundante y completa para permitir la salida de los vapores. Los equipos de protección respiratoria con cartuchos para vapores no son eficaces frente a los vapores de metanol. Un sistema de suministro de aire (SCBA – equipo de respiración autónomo) proporciona una mejor protección frente a los vapores de metanol.
Biodiésel y piezas de goma
El funcionamiento con 100% de biodiésel durante periodos prolongados puede causar problemas en las piezas de goma del motor que están en contacto con el combustible (bomba, mangueras y juntas tóricas). Sustituirlas por piezas de acero o de goma de alta resistencia puede eliminar este problema. Como alternativa, puede mezclar aproximadamente un 25% de diésel convencional (fósil) con su biodiésel para evitar complicaciones.
Bibliografía / Referencias
- Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.
- Abdullah, C. S.; Baluch, Nazim; Mohtar, Shahimi (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi 77, 2015.
- Ramachandran, K.; Suganya, T.; Nagendra Gandhi, N.; Renganathan, S.(2013): Recent developments for biodiesel production by ultrasonic assist transesterification using different heterogeneous catalyst: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 22, 2013. 410-418.
- Shinde, Kiran; Serge Kaliaguine (2019): A Comparative Study of Ultrasound Biodiesel Production Using Different Homogeneous Catalysts. ChemEngineering 3, No. 1: 18; 2019.
- Leonardo S.G. Teixeira, Júlio C.R. Assis, Daniel R. Mendonça, Iran T.V. Santos, Paulo R.B. Guimarães, Luiz A.M. Pontes, Josanaide S.R. Teixeira (2009): Comparison between conventional and ultrasonic preparation of beef tallow biodiesel. Fuel Processing Technology, Volume 90, Issue 9, 2009. 1164-1166.
- Hamed Mootabadi, Babak Salamatinia, Subhash Bhatia, Ahmad Zuhairi Abdullah (2010): Ultrasonic-assisted biodiesel production process from palm oil using alkaline earth metal oxides as the heterogeneous catalysts. Fuel, Volume 89, Issue 8; 2010. 1818-1825.
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento desde escala de laboratorio hasta escala industrial.