Energiatõhusus ja metanooli kokkuhoid biodiislikütuse tootmisel
Ultraheli töötlus (sonikeerimine) on energiat säästev segamistehnoloogia, mis kasutab ultraheli kavitatsiooni, et tekitada intensiivne mikrosegamine ja kiire massiülekanne segunematute õli- ja metanoolifaaside vahel. Biodiislikütuse töötlemisel lühendab see efekt reaktsiooniaega drastiliselt – tundidest sekunditeni – ning võimaldab tõhusat transesterdamist madalamatel temperatuuridel ning väiksema metanooli- ja katalüsaatorikasutusega. Lisaks sellele, et ultraheli töötlus on ise energiatõhus töötlemistehnoloogia, vähendab see metanooli ja katalüsaatori vajadust, minimeerib energiakadusid ning vähendab metanooli destillatsioonil taaskasutamise vajadust, muutes ultraheli töötluse tavapärasele mehaanilisele segamisele väga tõhusaks ja jätkusuutlikuks alternatiiviks.
Ultraheli töötlus kui protsessi intensiivistamine biodiislikütuse tootmisel
Biodiislikütuse tootmine tugineb traditsiooniliselt õli ja alkoholi segamisel transesterdamisprotsessis mehaanilistele labaga segistitele. Kuid sellel meetodil on halb faasidevaheline kontakt segunematute faaside vahel, mis toob kaasa pikad reaktsiooniajad, suure metanooli liia ning olulised energiakaod nii segamisel kui ka sellele järgneval metanooli destillatsioonil taaskasutamisel.
Hielscher Ultrasonics GmbH välja töötatud ultraheli kavitatsioonitehnoloogia kasutuselevõtt on protsessi tõhusust põhjalikult parandanud. Ultraheli reaktorid rakendavad intensiivset akustilist energiat, mis tekitab vedelfaasis mikroskoopilisi kavitatsioonimulle. Nende implodeerumine tekitab lokaalseid kuumkohti, intensiivset mikrosegamist ja suuri massiülekandekiirusi, võimaldades kiiret transesterdamist leebetes tingimustes.
Hielscher 16 000-vatine võimas sonikaator mudel UIP16000hdT läbivoolukambriga tõhusaks ja energiat säästvaks biodiislikütuse tootmiseks.
Ultraheli kavitatsiooni ja mehaanilise segamise võrdlus
1. Reaktsiooni tõhusus ja segamise jõudlus
Ultraheli kavitatsiooni (UC) ja mehaanilise segamise (MS) reaktorite võrdlevas tehnilis-majanduslikus hindamises (Gholami et al., 2021):
Ultraheli reaktor saavutas 99% konversioonitõhususe 5–15 sekundiga,
samas kui mehaaniliselt segatud reaktor vajas 95% konversioonitõhususe saavutamiseks ~80 minutit.
See tohutu kiirenemine tuleneb akustilisest mikrovoolust ja kavitatsioonist põhjustatud emulgeerumisest, mida Hielscheri reaktorid tekitavad. Need mehhanismid tekitavad alkoholi peeneid dispersioone õlis, laiendades oluliselt faasidevahelist pinda ja minimeerides massiülekande takistust.
Parem segamisjõudlus võimaldab transesterdamist madalamatel temperatuuridel (45–60°C) ja mõõdukatel rõhkudel (~3 bar), võrreldes tavapäraste protsessidega, mis vajavad sageli kõrgemat rõhku (~4 bar), et vältida metanooli aurustumist ja säilitada lahustuvus.
Ultraheli segamine vähendab biodiislikütuse tootmisel erienergiatarbimist ja edestab hüdrodünaamilist magnetsegamist ning suure nihkejõuga segisteid kaugelt.
2. Energiatarbimine ja reaktori disain
Hielscheri läbivoolulised ultraheli süsteemid (nt UIP1500hdT, UIP16000hdT) tagavad suure võimsustiheduse, mille erienergiavajadus on vaid ~3 kJ/L toodetud biodiislikütust. 50 000 t/y biodiislikütuse tehase tehnilis-majanduslikus mudelis vähenes protsessi koguenergiavajadus 6,9%, kui mehaaniliselt segamiselt läks üle ultraheli kavitatsioonile.
See jaguneb järgmiselt:
| Protsessi üksus | Energia (MJ/h): MS → US | Vähenemine |
|---|---|---|
| Transesterdamise reaktor | 116,6 → 32,4 | ~72% madalam |
| Metanooli taaskasutuskolonn | 3480 → 2557 | ~26% madalam |
| Protsessi koguenergia | 14 746 → 13 732 | 6,9% madalam |
Peamine kokkuhoid tuleneb drastiliselt lühenenud transesterdamisajast, mis võimaldab väiksemaid reaktorimahtusid ja väiksemat kuumutusvajadust. Hielscheri reaktorite kompaktne läbivoolukonstruktsioon, näiteks UIP16000hdT, suudab toota kuni 384 t biodiislikütust päevas, pakkudes skaleeritavust modulaarse klasterdamise kaudu ilma suurte segatud mahutite mahulise ebatõhususeta.
UIP1000hdT ultraheli reaktor õlide ja rasvade parema biodiislikütuseks konversiooni jaoks.
Metanooli kokkuhoid ja väiksem taaskasutusenergia
Metanooli optimeeritud kasutus on oluline tegur ultraheli töötluse energiaeelises. Traditsiooniline mehaaniline segamine nõuab reaktsiooni edasiviimiseks metanooli ja õli moolsuhet 6:1, mis tekitab suure üleliia, mis tuleb hiljem energiamahukalt aurustades või destilleerides tagasi võtta.
Hielscheri ultraheli kavitatsioonitehnoloogia saavutab aga peaaegu täieliku konversiooni metanooli ja õli suhtega vaid 4–4,5:1. See 25% vähenemine alkoholi lähteaines mitte ainult ei vähenda tooraine kulusid, vaid väldib ka vajadust aurustada ja kondenseerida tuhandeid liitreid metanooli, vähendades märkimisväärselt auru tarbimist metanooli tagasivõtukolonnis.
Lisaks vähendavad väiksemad metanooli- ja katalüsaatorivajadused kõrvalsaaduste teket ning lihtsustavad järgnevat puhastamist, aidates kaasa puhtamale faaside eraldumisele ja leeliselise reovee tekke vähenemisele.
“Metanooli tagasivõtu etapp biodiisli tootmises on väga energiamahukas, sest iga kilogramm metanooli vajab aurustumiseks ligikaudu 1100 kJ latentset soojust – see muudab metanooli üleliia kasutamise destillatsioonis soojusenergia tarbimise peamiseks teguriks.”
Ultraheli meetod saavutab ligikaudu 75% konversiooni esimese 1,5 minuti jooksul ja jõuab platoole umbes 90% konversiooni juures pärast 6 minutit.
Tavapärane meetod näitab palju aeglasemat konversioonikiirust, jõudes pärast 8 minutit vaid ligikaudu 40% konversioonini.
Majanduslik ja keskkonnamõju
Gholami jt (2021) tehnilis-majanduslik mudel näitas:
- Kogu investeeringukulu vähenes ligikaudu 21%,
- Toote tonnikulu vähenes ligikaudu 5%,
- Jäätmete teke vähenes viiendikule mehaanilise segamise omast,
- Sisemine tasuvusmäär (IRR) paranes 18,3%-ni positiivse NPV-ga, samal ajal kui tavaprotsess jäi majanduslikult ebakasulikuks.
Keskkonnakaitse seisukohast vähendab metanooli üleliia vähendamine otseselt lenduvate orgaaniliste ühendite heiteid ja alandab soojusenergia kasutust, viies ultraheli biodiisli tootmise kooskõlla rohelise tootmise eesmärkidega.
Ultraheli biodiisli reaktori eeliste ülevaade
(võrdleva uuringu tulemused, vrd Gholami jt, 2021)
| Parameeter | Mehaaniline segamine | Hielscheri sonikaatorid |
|---|---|---|
| Reaktsiooniaeg | 80 min | 5–15 s |
| Metanooli ja õli suhe | 6:1 | 4,5:1 |
| Kogu protsessi energia | 14 746 → 13 732 | 6,9% kogu vähenemine |
| Katalüsaatori sisaldus | 1,0 wt% | 0,75 wt% |
| Reaktori energia | 116,6 MJ/h | 32,4 MJ/h |
| Kogu energia | 14 746 MJ/h | 13 732 MJ/h |
| Jäätmete teke | 100% algtase | 20% algtasemest |
| Konversiooni efektiivsus | 95% | 99% |
Sonoreaktor biodiisli tootmiseks
Suure efektiivsusega ultraheli biodiisli reaktorid
Hielscher Ultrasonicsi kavandatud ultraheli biodiisli reaktorid tagavad mitte ainult kiire ja ühtlase transesterdamise, vaid ka olulise energia- ja materjalisäästu. Üleliigse metanooli kasutamise vähendamine – ja sellest tulenev kõrgel temperatuuril toimuvate tagasivõtu etappide kõrvaldamine – on oluline jätkusuutlikkuse eelis.
Koos modulaarse skaleeritavuse, väikese hooldusvajaduse ja heterogeensete katalüsaatoritega ühilduvusega kehtestavad Hielscheri sonikaatorid etaloni energiatõhusale ja puhtale biodiisli tootmistehnoloogiale.
Lugege rohkem Hielscher Ultrasonicsi biodiisli tehnoloogia eeliste kohta!
Alljärgnev tabel annab ülevaate Hielscheri ultraheli biodiisli reaktorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest:
|
Vooluhulk
|
Võimsus
|
|---|---|
|
20 – 100L/hr
|
|
|
80 – 400L/hr
|
|
|
0,3 – 1,5m³/hr
|
|
|
2 – 10m³/hr
|
|
|
20 – 100m³/hr
|
Disain, tootmine ja nõustamine – Saksamaal valmistatud kvaliteet
Hielscheri ultraheli seadmed on tuntud oma kõrgeima kvaliteedi ja disainistandardite poolest. Töökindlus ja lihtne kasutamine võimaldavad meie ultraheli seadmeid sujuvalt integreerida tööstusrajatistesse. Hielscheri ultraheli seadmed tulevad raskete tingimuste ja nõudlike keskkondadega hõlpsasti toime.
Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifitseeritud ettevõte ja pöörab erilist tähelepanu suure jõudlusega ultraheli seadmetele, mis on varustatud tipptasemel tehnoloogia ja kasutajasõbralikkusega. Loomulikult vastavad Hielscheri ultraheli seadmed CE nõuetele ning täidavad UL-i, CSA ja RoHs nõudeid.
Ultraheli segamine edestab mehaanilisi labasegajaid efektiivsuselt.
- kõrge efektiivsus
- tipptasemel tehnoloogia
- töökindlus ja vastupidavus
- täpne protsessijuhtimine
- perioodiline ja inline-töötlus
- mis tahes mahule
- intelligentne tarkvara
- lihtne ja ohutu kasutada
- väike hooldusvajadus
- CIP (kohapealne puhastus)
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.
Korduma kippuvad küsimused
Mis on säästlikud kütused?
Säästlikud kütused on energiakandjad, mis on saadud taastuvatest ressurssidest, näiteks biomassist, jäätmetest või kinni püütud süsinikust, mille tootmisel tekib minimaalne netokasvuhoonegaaside heide ja mis sobivad kokku olemasoleva energiataristuga.
Kas biodiisel on energiatõhus kütus?
Biodiisel on energiatõhus kütus, kuna selle tootmine ja kasutamine annavad soodsa energiabilansi: elutsükli energiatulu on tavaliselt 3–5 korda suurem kui selle sünteesiks vajalik fossiilne energiasisend, eriti kui kasutatakse protsessi intensiivistamise meetodeid, näiteks ultraheli töötlust.
Kuidas mõjutab andmekeskuste kasvav arv energiahindu?
Andmekeskuste kasvav arv suurendab ülemaailmset elektrinõudlust ja suurendab survet elektrivõrkudele, mõjutades seeläbi energia hulgihindu ning kiirendades vajadust vähese süsinikuheitega tootmise ja võrgu paindlikkuse järele. Seega kasutatakse energiasäästlikku segamistehnoloogiat, nagu ultraheli töötlus, üha rohkem, et vähendada energiatarbimist ja töötlemiskulusid.
Mis on biodiisli eelis?
Biodiisli peamine eelis on selle taastuvus ja süsinikuneutraalsus, kuna see pärineb bioloogilistest lipiididest ning eraldab oluliselt vähem tahkeid osakesi, väävliooksiide ja põlemata süsivesinikke kui naftadiisel, püsides samal ajal ühilduv olemasolevate diiselmootoritega.
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid segamisrakenduste, dispergeerimise, emulgeerimise ja ekstraheerimise jaoks labori-, pilootmastaabis ja tööstuslikus mastaabis.