Biodiisli tootmine ja biodiisli konversioon
Ületage biodiisli tootmise piirangud ultraheli reaktorite abil! Aeglane reaktsioonikineetika ja halb massiülekanne võivad oluliselt vähendada teie biodiislitehase tootlikkust, saagist ja kvaliteeti. Hielscheri ultraheli reaktorid lahendavad need probleemid, parandades märkimisväärselt transesterdamise kineetikat. Seetõttu vajab biodiisli töötlemine vähem liigset metanooli ja väiksemaid katalüsaatorikoguseid.
Ultraheli kavitatsioon: parem segamislahendus
Traditsioonilises biodiisli tootmises kasutatakse tavaliselt perioodilise töörežiimiga reaktoreid, mille energiaallikaks on soojus ja mehaaniline segamine. Ultraheli kavitatsioon pakub tõhusa alternatiivi, mis tagab kommertsmahus biodiisli töötlemisel parema segamise. See ultraheli kavitatsioon annab tööstusliku biodiisli transesterdamiseks vajaliku aktivatsioonienergia.
Ultraheli biodiisli transesterdamise peamised eelised:
- Suurem konversioonimäär
- Lühemad reaktsiooniajad
- Parem tootekvaliteet
- Võimalus muuta jäätmeõlid FAME-ks (rasvhapete metüülestriteks)
Ultraheli segamine parandab biodiisli konversioonimäära, suurendab saagist ning säästab liigset metanooli ja katalüsaatorit.
Biodiisli ultraheli abil täiustatud transesterdamine
Biodiisli tootmine hõlmab tavaliselt keemilist reaktsiooni, mida nimetatakse transesterdamiseks. Selles reageerib triglütseriid (näiteks taimeõli, loomne rasv, kasutatud toiduõlid) alkoholiga (näiteks metanooliga) katalüsaatori juuresolekul, andes biodiislit (rasvhapete metüülestreid) ja glütserooli. Ultraheli reaktoreid saab kasutada transesterdamisprotsessi tõhustamiseks mitmel viisil, mis annab mitmeid eeliseid:
- Parem segamine: Ultraheli lained võivad tekitada kavitatsioonimulle, mis kollapseeruvad vägivaldselt, põhjustades reaktsioonisegu intensiivset segunemist ja ärritust. See tagab reagentide ja katalüsaatori parema kontakti, mille tulemusena toimub transesterdamine kiiremini ja täielikumalt.
- Kiirenenud reaktsioonikineetika: Ultraheli lainete tekitatud kõrge energiaga tingimused võivad reaktsiooni aktiveerida, suurendades reaktsioonikiirust ja lühendades aega, mis on vajalik teatud konversioonitaseme saavutamiseks. Selle tulemuseks võivad olla suuremad saagised ja väiksemad kulud.
- Väiksem katalüsaatori kasutus: Ultraheli reaktorid võivad parandada katalüsaatori kasutamise tõhusust, pakkudes reaktsiooniks rohkem aktiivseid tsentreid. See tähendab, et sama konversioonitaseme saavutamiseks on vaja vähem katalüsaatorit, mis vähendab kulusid ja keskkonnamõju.
- Parem tootekvaliteet: Ultraheli reaktorid võivad toota biodiislit, mille vabade rasvhapete sisaldus on madalam, puhtus suurem ja külmvoolavusomadused paremad. Selle põhjuseks on parem segamine ja kiirem reaktsioonikineetika, mis vähendavad soovimatute kõrvalsaaduste ja lisandite teket.
Need ultraheli biodiisli töötlemise eelised muudavad ultraheli reaktori kasutamise väga ökonoomseks, sest ultraheli reaktorid parandavad oluliselt biodiisli transesterdamise tõhusust, kiirust ja kvaliteeti. See tähendab kokkuvõttes, et ultraheli töötlus muudab transesterdamise majanduslikult ja keskkonnahoidlikult jätkusuutlikumaks protsessiks.
Tavapärase biodiisli segamise probleemid: Tavapärane esterdamisreaktsioon perioodilises töötlemises kipub olema aeglane ja glütseriini faaside eraldumine on aeganõudev, võttes sageli aega 5 tundi või rohkem.
Ultraheli reaktorid aitavad teil kiirendada oma biodiisliprotsessi ning samal ajal suurendada biodiisli saagist ja kvaliteeti madalamate töötlemiskuludega!
Tööstusliku klassi sonikaator UIP2000hdT koos läbivoolukambriga FC2T500k biodiisli inline-esterdamiseks ja -transesterdamiseks.
Ultraheli biodiisli transesterdamise eelised
- Suuremad biodiisli saagised tänu paremale segamisele
- Parem biodiisli kvaliteet
- Kasutage toormena isegi kõige halvemat õli
- Pidev inline-töötlus
- Vähem metanooli
- Vähem katalüsaatorit
- Ajasäästlik tänu kiirele konversioonile
- Energiasäästlik
- Lihtne ja ohutu kasutus
- Töökindlus ja väike hooldusvajadus
- Kõrge jõudlus: 24/7 töö täiskoormusel
Ultraheli reaktor UIP16000hdT toodab ligikaudu 32MMGY
“Oleme Hielscheri seadmete ja teenusega väga rahul ning kavatseme Hielscheri ultraheli töötluse tehnoloogiat kasutada kõigis oma tulevastes ettevõtmistes.”
Todd Stephens, Tulsa Biofuels
Ultraheli biodiislikütuse tootmiseks
Biodiislikütust toodetakse sageli partiireaktorites. Ultraheli biodiisli konversioon võimaldab pidevat in-line töötlust. Ultraheli töötlusega on võimalik saavutada biodiisli saagis, mis ületab 99%. Ultraheli reaktorid lühendavad töötlusaega tavapärasest 1–4-tunnisest partiitöötlusest alla 30 sekundi. Veelgi olulisem on, et ultraheli töötlus lühendab eraldumisaega 5–10 tunnist (tavapärase segamise korral) alla 60 minuti. Ultraheli töötlus aitab ka vähendada vajaliku katalüsaatori kogust kuni 50% tänu kavatatsiooni juuresolekul suurenenud keemilisele aktiivsusele. Ultraheli töötluse kasutamisel väheneb ka vajaliku metanooli ülehulk. Teine eelis on glütseriini puhtuse sellest tulenev suurenemine.
Ultraheli biodiislikütuse tootmine samm-sammult:
- taimeõli või loomne rasv segatakse metanooliga (mille tulemusena tekivad metüülestrid) või etanooliga (etüülestrite saamiseks) ning naatriumi- või kaaliummetoksiidi või -hüdroksiidiga
- segu kuumutatakse, nt temperatuurini 45–65degC
- kuumutatud segu töödeldakse in-line ultraheliga 5–15 sekundit
- glütseriin settib välja või eraldatakse tsentrifuugidega
- konverteeritud biodiislit pestakse veega
Kõige sagedamini viiakse ultraheli töötlus läbi kõrgendatud rõhul (1–3bar, manomeetriline rõhk), kasutades toitepumpa ja reguleeritavat vasturõhuklappi läbivoolukambri kõrval.
Tööstuslik biodiisli konversioon ei vaja palju ultraheli energiat. Tegelikku energiavajadust saab määrata laborimastaabis, kasutades nt 1kW ultraheli protsessorit, näiteks UIP1000hdT. Kõik sellistest laua-skaala katsetest saadud tulemused on skaleeritavad lineaarselt ja probleemideta. Vajaduse korral on saadaval ATEX-sertifitseeritud ultraheliseadmed, näiteks UIP1000-Exd.
Hielscher tarnib tööstuslikke ultraheli biodiisli töötlusseadmeid üle maailma. Ultraheli protsessoritega, mille võimsus on kuni 16kW seadme kohta, ei ole biodiislitehase suurusele ega töötlusvõimsusele piiranguid.
Ultraheli biodiisli tootmise kulud
Ultraheli töötlus on tõhus vahend reaktsioonikiiruse ja konversioonimäära suurendamiseks kommertsbiodiisli tootmisel. Ultraheli töötluse kulud tulenevad peamiselt ultraheliseadmete investeeringust, kommunaalkuludest ja hooldusest. Hielscheri ultrahelisonikaatorite silmapaistev energiatõhusus aitab vähendada kommunaalkulusid ja muudab seeläbi protsessi veelgi keskkonnasõbralikumaks. Ultraheli töötluse tulemuseks olevad kulud jäävad kommertsmastaabis kasutamisel vahemikku 0,1ct kuni 1,0ct liitri kohta (0,4ct kuni 1,9ct/gallon).
Loe lähemalt ultraheli biodiisli tootmise protsessitõhususe ja majanduslike eeliste kohta!
Ultraheli segamine vähendab biodiisli tootmise erienergiatarbimist ning edestab hüdrodünaamilist magnetsegamist ja suure nihkega segureid kaugelt.
Väikesemastaabiline ultraheli biodiisli seadistus
Ultraheli töötlust saab kasutada õli konverteerimiseks biodiisliks mis tahes mastaabis. Alloleval pildil on väikesemastaabiline seadistus 60–70L (16–19 gallonit) töötlemiseks. See on tüüpiline seadistus esmaste uuringute ja protsessi demonstreerimise jaoks.
Ultraheli esterdamist ja ümberesterdamist saab läbi viia partii- või pideva in-line protsessina. See skeem näitab ultraheli partiiprotsessi biodiisli konversiooniks.
3x 1kW sonikaatorit mudelist 1000hdT koos ultraheli läbivoolureaktoriga väga tõhusaks biodiisli konversiooniks.
- üks sonikaator (nt UIP500hdT või UIP1000hdT) koos boosteri, sonotroodi ja läbivoolukambriga
- võimsusmõõtur võimsuse ja energia mõõtmiseks
- 80L töötlusmahuti (plast, nt HDPE)
- kütteelement (1–2kW)
- 10L katalüsaatori eelsegamise mahuti (plast, nt HDPE)
- katalüsaatori eelsegisti (segaja)
- pump (tsentrifuug, monopump või hammasratas) umbes 10 kuni 20L/min juures 1 kuni 3 barg
- vasturõhuventiil rõhu reguleerimiseks läbivoolukambris
- manomeeter etteanderõhu mõõtmiseks
Ultraheli reaktorid parema biodiisli töötlemise jaoks
Hielscher Ultrasonics pakub suure jõudlusega ultraheli protsessoreid ja reaktoreid, mis parandavad teie biodiisli tootmist suurema biodiisli saagise, parema biodiisli kvaliteedi, lühema töötlusaja ja madalamate tootmiskuludega.
Väike- ja keskmise mastaabiga ultraheli reaktorid biodiisli transesterdamiseks
Väikese ja keskmise suurusega biodiisli tootmiseks kuni 9ton/hr (2900 gal/hr) pakub Hielscher teile mudeleid UIP500hdT (500 vatti), UIP1000hdT (1000 vatti), UIP1500hdT (1500 vatti) ja UIP2000hdT (2000 vatti) ultraheli suure nihkejõuga segistitena koos läbivoolureaktoritega töökindlaks ja tõhusaks biodiisli inline-töötluseks. Need neli ultraheli reaktorit on väga kompaktsed ning kergesti integreeritavad või järelpaigaldatavad. Need on ehitatud raskeks tööks karmides tingimustes. Allpool leiate soovitatavad reaktorite seadistused erinevate tootmismahtude jaoks.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT (500 vatti) |
0,25 to 0,5
|
80 to 160
|
| 1x UIP1000hdT (1000 vatti) |
0,5 to 1,0
|
160 to 320
|
| 1x UIP1500hdT (1500 vatti) |
0,75 to 1,5
|
240 to 480
|
| 1x UIP2000hdT (2000 vatti) |
1,0 to 2,0
|
320 to 640
|
| 2x UIP2000hdT (2000 vatti) |
2,0 to 4,0
|
640 to 1280
|
| 4xUIP1500hdT (1500 vatti) |
3,0 to 6,0
|
960 to 1920
|
| 6x UIP1500hdT (1500 vatti) |
4,5 to 9,0
|
1440 to 2880
|
| 6x UIP2000hdT (2000 vatti) |
6,0 to 12,0
|
1920 to 3840
|
Väga suure läbilaskevõimega tööstuslikud biodiisli reaktorid
Tööstuslikele biodiisli tootmisjaamadele pakub Hielscher ultraheli homogenisaatoreid UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10000 (10kW) ja UIP16000hdT (16kW)! Need ultraheli protsessorid on mõeldud suurte vooluhulkade pidevaks töötlemiseks. Mudeleid UIP4000hdT, UIP6000hdT ja UIP10000 saab integreerida standardsetesse merevedude konteineritesse. Teise võimalusena on kõik neli protsessorimudelit saadaval roostevabast terasest kappides. Püstpaigaldus nõuab minimaalselt ruumi. Allpool leiate soovitatavad seadistused tüüpiliste tööstuslike töötlemismahtude jaoks.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
1x UIP6000hdT (6000 vatti) |
3,0 to 6,0
|
960 to 1920
|
|---|---|---|
| 3x UIP4000hdT (4000 vatti) |
6,0 to 12,0
|
1920 to 3840
|
| 5x UIP4000hdT (4000 vatti) |
10,0 to 20,0
|
3200 to 6400
|
3x UIP6000hdT (6000 vatti) |
9,0 to 18,0
|
2880 to 5880
|
| 3x UIP10000 (10 000 vatti) |
15,0 to 30,0
|
4800 to 9600
|
| 3x UIP16000hdT (16 000 vatti) |
24,0 to 48,0
|
7680 to 15 360
|
| 5x UIP16000hdT |
40,0 to 80,0
|
12 800 to 25 600
|
Võtke meiega ühendust! / Küsige meilt!
Sonikaator UIP16000hdT suudab töödelda 32MMGY biodiislit.
Hall & Sullivani aasta tehnoloogiainnovatsioon
Hielscher Ultrasonics pälvis prestiižse Frost and Sullivan Technology Innovation of the Year Award’i tunnustuseks ettevõtte uudse ultraheli tehnoloogia arendamise eest biodiisli tootmiseks.
Klõpsake siin, et lugeda lähemalt Frost and Sullivan Award’ist Hielscher Ultrasonicsi biodiisli reaktorite eest!
Transesterdamine – biodiisli keemiline muundamine
Biodiisli tootmine taimeõlidest (nt sojaõli, rapsiõli, jatrofaõli, päevalilleseemneõli), vetikatest, loomsetest rasvadest ning kasutatud toiduõlidest hõlmab rasvhapete aluskatalüüsitud transesterdamist metanooli või etanooliga, et saada vastavad metüülestrid või etüülestrid. Glütseriin on selle reaktsiooni möödapääsmatu kõrvalsaadus.
Taimeõlid, nagu ka loomsed rasvad, on triglütseriidid, mis koosnevad kolmest glütseriinimolekuliga seotud rasvhappeahelast. Triglütseriidid on estrid. Estrid on happed, nagu rasvhapped, mis on ühendatud alkoholiga. Glütseriin (= glütserool) on raske alkohol. Muundamisprotsessis muudetakse triglütseriidestrid alküülestriteks (= biodiisel), kasutades katalüsaatorit (leelist) ja alkoholreagenti, nt metanooli, mille tulemusel saadakse metüülestrite biodiisel. Metanool asendab glütseriini. Seda keemilist muundamisprotsessi nimetatakse transesterdamiseks.
Pärast transesterdamist vajub glütseriin, mis on raskem faas, põhja. Biodiisel, mis on kergem faas, hõljub pinnal ja selle saab eraldada nt dekanterite või tsentrifuugidega.
Biodiisli ettevalmistamine
Kaaliumhüdroksiid (0,2 kuni 0,4kg, katalüsaator) lahustatakse ligikaudu 8,5L metanoolis katalüsaatori eelsegamismahutis. See eeldab katalüsaatori eelsegu segamist. Töötlusmahuti täidetakse 66L taimeõliga. Õli kuumutatakse kuumutuselemendiga temperatuurini 45 kuni 65degC.
Biodiisli muundamine
Kui katalüsaator on metanoolis täielikult lahustunud, segatakse katalüsaatori eelsegu kuumutatud õliga. Pump suunab segu läbivoolukambrisse. Vasturõhuklapi abil reguleeritakse rõhk tasemele 1 kuni 3barg (15 kuni 45psig). Ringlust läbi ultraheli biodiiselreaktori tuleks teostada ligikaudu 20 minutit. Selle aja jooksul muundatakse õli biodiisliks. Pärast seda lülitatakse pump ja ultraheli välja. Glütseriin (raskem faas) eraldub biodiislist (kergem faas). Eraldumine kestab ligikaudu 30 kuni 60 minutit. Kui eraldumine on lõppenud, saab glütseriini välja lasta.
Biodiisli pesemine
Kuna muundatud biodiisel sisaldab lisandeid, on vajalik pesemine. Pesemiseks segatakse vesi biodiislisse. Ultraheli töötlus (sonikeerimine) võib biodiisli ja vee segamist soodustada. See suurendab aktiivset pindala tilkade suuruse vähenemise tulemusena. Palun arvestage, et väga intensiivne sonikeerimine võib vähendada veetilgad sellise suuruseni, et tekib peaaegu stabiilne emulsioon, mille eraldamiseks on vaja erivahendeid (nt tsentrifuugi).
Biodiisli tootmisjaam
Allolev vooskeem näitab õli, metanooli ja katalüsaatori läbivoolulise sonikeerimise tüüpilist seadistust biodiisliks muundamiseks.
Ultraheli esterdamist ja transesterdamist saab läbi viia perioodilise või pideva läbivoolulise protsessina. Skeem näitab ultraheli läbivoolulist protsessi biodiisli (FAME) transesterdamiseks.
Pidev biodiisli töötlemine ja eraldamine
Pideva biodiisli töötlemise ja pideva eraldamise seadistuses segatakse kuumutatud õli ja katalüsaatori eelsegu pidevalt omavahel reguleeritavate pumpade abil. Läbivoolulise staatilise segisti abil paraneb ultraheli reaktorisse suunatava sööte homogeensus. Õli ja katalüsaatori segu läbib läbivoolukambri, kus see puutub ligikaudu 5 kuni 30 sekundit kokku ultraheli kavitatsiooniga. Vasturõhuklappi kasutatakse rõhu reguleerimiseks läbivoolukambris. Sonikeeritud segu siseneb reaktorikolonni ülaosast. Reaktorikolonni maht on kavandatud nii, et viibeaeg kolonnis on ligikaudu 1 tund. Selle aja jooksul transesterdamisreaktsioon lõpeb. Reageerinud glütseriini ja biodiisli segu pumbatakse tsentrifuugi, kus see eraldatakse biodiisli- ja glütseriinifraktsiooniks. Järeltöötlus hõlmab metanooli taaskasutust, pesemist ja kuivatamist ning seda saab samuti teostada pidevalt.
See seadistus välistab biodiislireaktori partiid, tavapärased segistid ja suured eraldusmahutid.
Biodiisli transesterifitseerimisreaktsiooni kiirus
Allolevad diagrammid näitavad rapsiõli (tööstuslik kvaliteet) transesterifitseerimise tüüpilisi tulemusi naatriummetoksiidiga (vasakul) ja kaaliumhüdroksiidiga (paremal). Mõlema katse puhul allutati kontrollproov (sinine joon) intensiivsele mehaanilisele segamisele. Punane joon kujutab ultraheliga töödeldud proovi, mille koostis on identne mahusuhte, katalüsaatori kontsentratsiooni ja temperatuuri poolest. Horisontaaltelg näitab aega vastavalt pärast segamist või ultraheli töötlust. Vertikaaltelg näitab põhja settinud glütseriini mahtu. See on lihtne viis reaktsioonikiiruse mõõtmiseks. Mõlemas diagrammis reageerib ultraheliga töödeldud proov (punane) palju kiiremini kui kontrollproov (sinine).
Ultraheli- (punane graafik) ja tavapärase segamise (sinine graafik) võrdlus biodiisli tootmisel – katalüsaatoritena on kasutatud naatriummetoksiidi (vasakul) ja kaaliumhüdroksiidi (paremal).
Lingid biodiisli tarnijatele
Klõpsake siia, et näha linke biodiiselitööstuse pumpade ja mahutite tarnijatele.
Teave kemikaalide ja ohutuse kohta
Lugege allolevat teavet hoolikalt, et vältida tüsistusi ja kahjulikku mõju tervisele.
Biodiisli kemikaalid
Metanool on mürgine. Pikaajalisel kasutamisel võib see põhjustada närvikahjustust. Nahk võib seda samuti adsorbeerida. Silma pritsimisel võib see põhjustada pimedaks jäämist ning metanool võib neelamisel olla surmav. Seetõttu tuleb metanooliga ümberkäimisel võtta vajalikke ettevaatusabinõusid. Soovitatav on kasutada head respiraatorit, põlle ja kummikindaid.
Kaaliumhüdroksiid (KOH) on mürgine ja põhjustab kokkupuutel nahapõletust. Vajalik on hea ventilatsioon.
Veenduge, et tööruum on rohkelt ja põhjalikult ventileeritud, et aurud saaksid välja pääseda. Aurukassettidega respiraatorid ei ole metanooliaurude vastu tõhusad. Välisõhuga varustatud süsteem (SCBA – isiklik autonoomne hingamisaparaat, Self-Contained Breathing Apparatus) pakub metanooliaurude vastu paremat kaitset.
Biodiisel ja kummiosad
100% biodiisli pikaajaline kasutamine võib põhjustada probleeme mootori kütusega kokkupuutuvate kummiosadega (pump, voolikud, O-rõngad). Asendamine teraseosade või tugevdatud kummiga võib selle probleemi kõrvaldada. Teise võimalusena võite probleemide vältimiseks segada oma biodiislisse ligikaudu 25% tavalist (fossiilset) diislikütust.
Kirjandus / viited
- 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 toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid alates laboratoorsest kuni tööstusliku suuruseni.