Producción de biodiésel & Conversión de biodiesel
Cuando usted fabrica biodiesel, la lenta cinética de reacción y la deficiente transferencia de masa reducen la capacidad de su planta de biodiesel, así como su rendimiento y calidad. Los reactores ultrasónicos Hielscher mejoran significativamente la cinética de transesterificación. Por lo tanto, se requiere un menor exceso de metanol y menos catalizador para el procesamiento del biodiésel.
El biodiésel se produce habitualmente en reactores discontinuos que utilizan calor y mezclado mecánico como insumos energéticos. El mezclado por cavitación ultrasónica es una alternativa eficaz para conseguir un mejor mezclado en el procesado comercial del biodiésel. La cavitación ultrasónica proporciona la energía de activación necesaria para la transesterificación industrial del biodiésel.
La mezcla ultrasónica mejora la tasa de conversión del biodiésel, aumenta el rendimiento y ahorra el exceso de metanol y catalizador.
Transesterificación del biodiésel mejorada por ultrasonidos
La producción de biodiésel suele implicar una reacción química denominada transesterificación, en la que un triglicérido (como el aceite vegetal, la grasa animal o los aceites de cocina usados) reacciona con un alcohol (como el metanol) en presencia de un catalizador para producir biodiésel (ésteres metílicos de ácidos grasos) y glicerol. Los reactores ultrasónicos pueden utilizarse para mejorar el proceso de transesterificación de varias maneras, lo que conlleva diversas ventajas:
- Mezcla mejorada: Las ondas ultrasónicas pueden crear burbujas de cavitación que se colapsan violentamente, provocando una mezcla y agitación intensas de la mezcla de reacción. Esto permite un mejor contacto entre los reactivos y el catalizador, lo que da 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 la velocidad de reacción y reduciendo el tiempo de reacción necesario para alcanzar un determinado nivel de conversión. Esto puede traducirse en mayores rendimientos y menores costes.
- Reducción del uso de catalizadores: Los reactores ultrasónicos pueden mejorar la eficiencia del uso de catalizadores al proporcionar más sitios activos para la reacción. Esto significa que se necesita menos catalizador para alcanzar el mismo nivel de conversión, lo que reduce los costes y el impacto medioambiental.
- Mejora de la calidad del producto: Los reactores ultrasónicos pueden producir biodiésel con menor contenido de ácidos grasos libres, mayor pureza y mejores propiedades de flujo en frío. Esto se debe a la mejora de la mezcla y a una cinética de reacción más rápida, que minimiza la formación de subproductos e impurezas no deseados.
Estas ventajas del procesado de biodiésel por ultrasonidos hacen que el uso de una configuración de reactor por ultrasonidos sea muy económico, ya que el uso de reactores por ultrasonidos mejora significativamente la eficiencia, la velocidad y la calidad de la transesterificación del biodiésel. Esto significa, en resumen, que la ultrasonicación convierte la transesterificación en un proceso más sostenible desde el punto de vista económico y medioambiental.
Problemas de la mezcla convencional de biodiésel: La reacción de esterificación convencional en el procesamiento por lotes tiende a ser lenta, y la separación de fases de la glicerina requiere mucho tiempo, a menudo 5 horas o más.
Los reactores ultrasónicos le ayudan a acelerar su proceso de biodiésel y, al mismo tiempo, a aumentar el rendimiento y la calidad del biodiésel con unos costes de procesamiento más bajos.
Ultrasonidos industriales UIP2000hdT con célula de flujo FC2T500k para la esterificación y transesterificación del biodiésel en línea.
Ventajas de la transesterificación ultrasónica del biodiésel
- Mayor rendimiento del biodiésel gracias a la mejora de la mezcla
- Mayor calidad del biodiésel
- Utilizar incluso el aceite más pobre como materia prima
- Procesado continuo en línea
- Menos metanol
- Menos catalizador
- Ahorro de tiempo gracias a la conversión de alta velocidad
- ahorro de energía
- funcionamiento sencillo y seguro
- Robustez y bajo mantenimiento
- Alto rendimiento: funcionamiento ininterrumpido a plena carga
"Hemos quedado muy satisfechos con los equipos y el servicio de Hielscher y tenemos toda la intención de incluir la tecnología de ultrasonidos de Hielscher en todos nuestros proyectos futuros."
Todd Stephens, Biocombustibles Tulsa
Ultrasonidos para la producción de biodiésel
El biodiésel suele producirse en reactores discontinuos. La conversión de biodiésel por ultrasonidos permite el procesamiento continuo en línea. La ultrasonicación puede lograr un rendimiento de biodiésel superior al 99%. Los reactores ultrasónicos reducen el tiempo de procesamiento de las 1 a 4 horas convencionales de procesamiento por lotes a menos de 30 segundos. Y lo que es más importante, la ultrasonicación reduce el tiempo de separación de 5 a 10 horas (utilizando agitación convencional) a menos de 60 minutos. La ultrasonicación también ayuda a disminuir la cantidad de catalizador necesaria hasta en un 50% debido al aumento de la actividad química en presencia de cavitación. Al utilizar ultrasonidos, también se reduce la cantidad de metanol en exceso necesaria. Otra ventaja es el aumento de la pureza de la glicerina.
Producción de biodiésel por ultrasonidos paso a paso:
- el aceite vegetal o la grasa animal se mezcla con metanol (para ésteres metílicos) o etanol (para ésteres etílicos) y metóxido o hidróxido de sodio o de potasio
- la mezcla se calienta, por ejemplo, a temperaturas comprendidas entre 45 y 65 ºC
- la mezcla calentada se sonicará en línea durante 5 a 15 segundos
- la glicerina se desprende o se separa mediante centrifugadoras
- el biodiésel convertido se lava con agua
Lo más habitual es que la sonicación se realice a una presión elevada (de 1 a 3 bares, presión manométrica) utilizando una bomba de alimentación y una válvula de contrapresión ajustable junto a la celda de flujo.
La conversión industrial de biodiésel no necesita mucha energía ultrasónica. La necesidad real de energía puede determinarse a escala de banco utilizando, por ejemplo, un procesador ultrasónico de 1 kW como el UIP1000hdT. Todos los resultados de estas pruebas de banco pueden ampliarse linealmente y sin problemas. En caso necesario, se dispone de dispositivos ultrasónicos con certificación ATEX, como el UIP1000-Exd.
Hielscher suministra equipos industriales de procesamiento de biodiésel por ultrasonidos en todo el mundo. Con procesadores ultrasónicos de hasta 16 kW de potencia por dispositivo individual, no hay límite en el tamaño de la planta de biodiésel ni en la capacidad de procesamiento.
Costes de la fabricación de biodiésel por ultrasonidos
La ultrasonicación 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 por ultrasonidos se derivan principalmente de la inversión en equipos de ultrasonidos, los costes de suministro y el mantenimiento. La extraordinaria eficiencia energética de los ultrasonidos de Hielscher contribuye a reducir los costes de suministro y, por tanto, a que este proceso sea aún más ecológico. Los costes resultantes de la ultrasonicación varían entre 0,1ct y 1,0ct por litro (0,4ct a 1,9ct/galón) cuando se utiliza a escala comercial.
Más información sobre la eficacia del proceso y las ventajas económicas de la producción de biodiésel por ultrasonidos.
El mezclado ultrasónico reduce el consumo específico de energía en la fabricación de biodiésel, superando con creces al mezclado magnético hidrodinámico y a los mezcladores de alto cizallamiento.
Instalación de biodiésel por ultrasonidos a pequeña escala
La ultrasonicación puede utilizarse para la conversión de aceite en biodiésel a cualquier escala. La imagen de abajo muestra una configuración a pequeña escala para el procesamiento de 60-70L (16 a 19 galones). Esta es la configuración típica para los estudios iniciales y la demostración del proceso.
La esterificación y la transesterificación por ultrasonidos pueden realizarse como procesos en línea continuos o por lotes. Este gráfico muestra el proceso por lotes ultrasónico para la conversión de biodiésel.
3 ultrasonidos de 1 kW del modelo 1000hdT con reactor de flujo ultrasónico para una conversión de biodiésel altamente eficiente.
- un ultrasonicador (por ejemplo, UIP500hdT o UIP1000hdT) con amplificador, sonotrodo y celda de flujo
- medidor de potencia y energía
- Depósito de transformación de 80 L (plástico, p. ej. HDPE)
- elemento calefactor (de 1 a 2 kW)
- Depósito de premezcla de catalizador de 10 L (plástico, p. ej. HDPE)
- premezclador de catalizador (agitador)
- bomba (centrífuga, mono o de engranajes) para aprox. 10 a 20 L/min a 1 a 3 barg
- válvula de contrapresión para ajustar la presión en la célula 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 de biodiésel, mejor calidad del biodiésel, menor tiempo de procesamiento 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 9 toneladas/hora (2900 gal/hora), Hielscher le ofrece el UIP500hdT (500 vatios), el UIP1000hdT (1000 vatios), el UIP1500hdT (1500 vatios) y el 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 reequipar. Están fabricados para trabajar en entornos difíciles. A continuación encontrará las configuraciones de reactor recomendadas para distintos índices de producción.
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ton/hr
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gal/hr
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|---|---|---|
| 1 x UIP500hdT (500 vatios) |
0.25 a 0.5
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80 a 160
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| 1 x UIP1000hdT (1000 vatios) |
0.5 a 1.0
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160 a 320
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| 1 x UIP1500hdT (1500 vatios) |
0.75 a 1.5
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240 a 480
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| 1 x 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 alto rendimiento
Para el procesamiento industrial de plantas de producción de biodiesel, Hielscher ofrece los homogeneizadores ultrasónicos UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10000 (10kW) y UIP16000hdT (16kW). Estos procesadores ultrasónicos están diseñados para el procesamiento continuo de caudales elevados. Los modelos UIP4000hdT, UIP6000hdT y UIP10000 pueden integrarse en contenedores marítimos estándar. Como alternativa, los cuatro modelos de procesadores están disponibles en armarios de acero inoxidable. Una instalación vertical requiere un espacio mínimo. A continuación encontrará las configuraciones recomendadas para los índices de procesamiento industrial típicos.
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ton/hr
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gal/hr
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1 x 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 15360
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| 5x UIP16000hdT |
40.0 a 80.0
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12800 a 25600
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Póngase en contacto con nosotros/Envíenos su pregunta
El ultrasonicador UIP16000hdT es capaz de procesar 32MMGY de biodiésel.
Escarcha & Innovación tecnológica Sullivan del año
Hielscher Ultrasonics recibió el prestigioso premio Frost and Sullivan a la Innovación Tecnológica del Año en reconocimiento al desarrollo por parte de la empresa de una novedosa tecnología ultrasónica para la producción de biodiésel.
Haga clic aquí para leer más sobre el premio Frost and Sullivan a los reactores de biodiésel de Hielscher Ultrasonics.
transesterificación – La conversión química del biodiésel
La fabricación de biodiésel a partir de aceites vegetales (soja, canola, jatrofa, girasol), algas, grasas animales y aceites de cocina usados implica la transesterificación catalizada por bases de ácidos grasos con metanol o etanol para obtener los correspondientes ésteres metílicos o ésteres 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) mediante un catalizador (lejía) 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.
Tras la transesterificación, la glicerina, que es la fase más pesada, se hundirá hasta 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 depósito de premezcla del catalizador. Para ello es necesario agitar la premezcla de catalizador. El tanque de procesado se llena con 66L de aceite vegetal. El elemento calefactor calienta el aceite entre 45 y 65 ºC.
Conversión de biodiesel
Cuando el catalizador está totalmente disuelto en el metanol, la premezcla de catalizador se mezcla con el aceite calentado. La bomba alimenta la mezcla a la celda de flujo. Mediante la válvula de contrapresión, la presión se ajusta a 1 a 3barg (15 a 45psig). La recirculación a través del reactor de biodiésel ultrasónico debe realizarse durante unos 20 minutos. Durante este tiempo, el aceite se convierte en biodiésel. A continuación, se desconectan la bomba y el ultrasonido. La glicerina (fase más pesada) se separará del biodiésel (fase más ligera). La separación dura aproximadamente entre 30 y 60 minutos. Una vez finalizada la separación, se puede vaciar la glicerina.
Lavado de biodiésel
Como el biodiésel convertido contiene impurezas, es necesario lavarlo. Para el lavado, se mezcla agua con el biodiésel. La ultrasonicación 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 a un tamaño tal que se forme una emulsión casi estable que requiera medios especiales (por ejemplo, una centrifugadora) para ser separada.
Planta de fabricación de biodiésel
El siguiente diagrama de flujo muestra una configuración típica para la sonicación en línea de aceite, metanol y catalizador para la conversión en biodiésel.
La esterificación y la transesterificación por ultrasonidos pueden realizarse como procesos en línea continuos o por lotes. El gráfico muestra el proceso ultrasónico en línea para la transesterificación de biodiésel (FAME).
Procesado y separación continuos de biodiésel
En una configuración para el procesamiento continuo de biodiésel y la separación continua, el aceite calentado y la premezcla del 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 pasa por la celda de flujo, donde se expone a la cavitación ultrasónica durante unos 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 está diseñado para proporcionar un tiempo de retención de aproximadamente 1 hora en la columna. Durante ese tiempo, se completa la reacción de transesterificación. La mezcla reaccionada de glicerina y biodiésel se bombea a la centrifugadora, donde se separa en las fracciones de biodiésel y glicerina. El postprocesado incluye la recuperación del metanol, el lavado y el secado, y también puede realizarse de forma continua.
Esta configuración elimina los lotes del reactor de biodiésel, los agitadores convencionales y los grandes depósitos separadores.
Velocidad de reacción de la transesterificación del biodiésel
Los siguientes diagramas muestran los resultados típicos de la transesterificación del aceite de colza (de calidad industrial) con metóxido de sodio (izquierda) e hidróxido de potasio (derecha). Para ambas pruebas, se expuso una muestra de control (línea azul) a una intensa mezcla mecánica. La línea roja representa la muestra sonicada de formulación idéntica en cuanto a relación de volumen, concentración de catalizador y temperatura. El eje horizontal muestra el tiempo transcurrido tras la mezcla o la sonicación, respectivamente. El eje vertical muestra el volumen de glicerina que se depositó en el fondo. Se trata de una forma sencilla de medir la velocidad de reacción. En ambos diagramas, la muestra sonicada (rojo) reacciona mucho más rápido que la muestra de control (azul).
Comparación de la mezcla por ultrasonidos (gráfico rojo) con la mezcla convencional (gráfico azul) para la producción de biodiésel – con metóxido de sodio (izquierda) e hidróxido de potasio (derecha) como catalizadores.
Enlaces sobre suministros de biodiésel
Información química y de seguridad
Lea atentamente la información que figura a continuación, para evitar complicaciones y efectos adversos para la salud.
Productos químicos para biodiésel
El metanol es tóxico. Puede causar el deterioro de los nervios como resultado de un uso prolongado. También puede ser adsorbido por la piel. Si salpica los ojos puede causar ceguera y el Metanol puede ser mortal si se ingiere. Por esta razón, tome las precauciones necesarias al manipular Metanol. Se recomienda utilizar un buen respirador, un delantal y guantes de goma.
El hidróxido de potasio (KOH) es tóxico y provoca quemaduras en la piel en caso de contacto. Se requiere una buena ventilación.
Asegúrese de que el lugar de trabajo está bien ventilado para permitir la salida de los vapores. Los respiradores con cartucho de vapor no son eficaces contra los vapores de metanol. Un sistema de suministro de aire (SCBA — Self-Contained Breathing Apparatus) proporciona una mejor protección contra los vapores de metanol.
Biodiésel y piezas de goma
Funcionar con biodiésel al 100% durante más tiempo puede causar complicaciones en las piezas de goma húmedas (bomba, mangueras, juntas tóricas) del motor. La sustitución por piezas de acero o caucho de alta resistencia puede eliminar este problema. Como alternativa, puede mezclar aproximadamente un 25% de gasóleo convencional (fósil) con el biodiésel para evitar complicaciones.
Literatura / 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 de laboratorio a tamaño industrial.