Energiatõhusus ja metanooli kokkuhoid biodiislikütuse tootmisel
Sonikatsioon on energiasäästlik segamistehnoloogia, mis kasutab ultraheli-kavitatsiooni intensiivse mikrosegamise ja kiire massiülekande tekitamiseks mittesegunevate õli- ja metanoolifaaside vahel. Biodiisli töötlemisel lühendab see efekt oluliselt reaktsiooniaega. – tundidest sekunditeks – ja võimaldab tõhusat ümberesterdamist madalamatel temperatuuridel ning väiksema metanooli- ja katalüsaatorikasutusega. Lisaks sellele, et sonikatsioon on ise energiatõhus töötlemistehnoloogia, vähendab sonikatsioon metanooli ja katalüsaatori vajadust, minimeerib energiakadu ja vähendab metanooli taaskasutamise vajadust destilleerimise teel, mis muudab sonikatsiooni väga tõhusaks ja jätkusuutlikuks alternatiiviks tavapärasele mehaanilisele segamisele.
Sonikatsioon kui protsessi intensiivistamine biodiisli tootmisel
Biodiislikütuse tootmisel kasutatakse traditsiooniliselt mehaanilisi labade segamisseadmeid õli ja alkoholi segamiseks ümberesterdamisprotsessis. Selle meetodi puhul on aga probleemiks halb kokkupuude segunematu faasi vahel, mis põhjustab pikka reaktsiooniaega, suurt metanooli ülejääki ja märkimisväärset energiakadu nii segamisel kui ka hilisemal metanooli tagasisaamisel destilleerimise teel.
Hielscher Ultrasonics GmbH poolt väljatöötatud ultraheli-kavitatsioonitehnoloogia kasutuselevõtt on oluliselt parandanud protsessi tõhusust. Ultrahelireaktorid rakendavad intensiivset akustilist energiat, mis tekitab vedelas faasis mikroskoopilisi kavitatsioonimulle. Nende implosioon tekitab lokaalseid kuumad kohad, intensiivse mikrosegunemise ja suure massiülekande kiiruse, mis võimaldab kiiret ümberesterdamist leebetes tingimustes.
Hielscher 16000 vati võimas sonikaator mudel UIP16000hdT koos voolukambriga tõhusaks ja energiasäästlikuks biodiislikütuse tootmiseks.
Ultraheli-kavitatsiooni ja mehaanilise segamise võrdlemine
1. Reaktsiooni tõhusus ja segamise tulemuslikkus
Ultraheli-kavitatsiooni (UC) ja mehaanilise segamise (MS) reaktorite võrdlevas tehnilis-majanduslikus hindamises (Gholami et al., 2021):
Ultrahelireaktor saavutas 99% muundamise tõhususe 5-15 sekundi jooksul,
samas kui mehaanilise segamisreaktori puhul kulus 95% muundamise tõhususe saavutamiseks ~80 minutit.
See tohutu kiirendus tuleneb Hielscheri reaktorite tekitatud akustilisest mikrovoolust ja kavitatsioonist põhjustatud emulgeerumisest. Need mehhanismid tekitavad alkoholi peene dispergatsiooni õlis, laiendades tohutult piiripinda ja vähendades massiülekandetakistust.
Suurepärane segamisvõime võimaldab ümberesterdamist madalamal temperatuuril (45-60 °C) ja mõõdukal rõhul (~3 bar), võrreldes tavapäraste protsessidega, mis nõuavad sageli kõrgendatud rõhku (~4 bar), et vältida metanooli aurustumist ja säilitada lahustuvust.
Ultrahelisegamine vähendab biodiislikütuse tootmisel energia erikulu, mis ületab kaugelt hüdrodünaamilise magnetilise segamise ja suure nihkega segurite omadusi.
2. Energiatarbimine ja reaktori konstruktsioon
Hielscheri läbivoolu ultrahelisüsteemid (nt UIP1500hdT, UIP16000hdT) tagavad suure võimsustiheduse, kusjuures erienergiavajadus on ainult ~3 kJ/L toodetud biodiislikütuse kohta. 50 000 t/a biodiislikütuse tehase tehnilis-majanduslikus mudelis vähenes protsessi kogu energiavajadus 6,9%, kui mehaaniliselt segamiselt mindi üle ultraheli-kavitatsioonile.
Selle lahtiseletamine:
| Protsessiüksus | Energia (MJ/h): MS → US | Vähendamine |
|---|---|---|
| Ümberesterdamise reaktor | 116.6 → 32.4 | ~72% madalam |
| Metanooli regenereerimise kolonn | 3480 → 2557 | ~26% madalam |
| Protsessienergia kokku | 14,746 → 13,732 | 6,9% madalam |
Suurim kokkuhoid tuleneb oluliselt lühenenud ümberesterdamisajast, mis võimaldab väiksemat reaktori mahtu ja väiksemaid kütmisnõudeid. Hielscheri reaktorite, näiteks UIP16000hdT, kompaktne läbivoolureaktori konstruktsioon võimaldab toota kuni 384 t biodiislikütust päevas, pakkudes modulaarse rühmitamise kaudu skaleeritavust ilma suurte segamismahutite mahutilise ebaefektiivsuseta.
UIP1000hdT ultraheli reaktor õlide ja rasvade paremaks biodiislikütuse muundamiseks.
Metanooli kokkuhoid ja vähendatud taastuvenergia
Ultrahelitöötluse energiasäästu oluline tegur on selle optimeeritud metanoolikasutus.Traditsiooniline mehaaniline segamine nõuab 6:1 molaarset metanooli-õli suhet, et reaktsiooni edasi viia, tekitades suure ülejäägi, mis tuleb hiljem energiamahuka aurustamise või destilleerimise teel tagasi võtta.
Hielscheri ultraheli-kavitatsioonitehnoloogia saavutab aga peaaegu täieliku muundamise vaid 4-4,5:1 metanooli-õli suhtega. Selline 25%-line alkoholi lähteaine vähendamine ei vähenda mitte ainult toorainekulusid, vaid väldib ka vajadust aurustada ja kondenseerida tuhandeid liitreid metanooli, vähendades oluliselt aurutarbimist metanooli taaskasutuskolonnis.
Lisaks vähendavad väiksemad metanooli- ja katalüsaatorinõuded kõrvalsaaduste teket ja lihtsustavad järgnevat puhastamist, mis aitab kaasa puhtamale faaside eraldamisele ja vähendab leeliselise reovee teket.
“Biodiisli tootmisel on metanooli taaskasutamise etapp väga energiamahukas, kuna iga kilogramm metanooli aurustumiseks kulub ligikaudu 1100 kJ latentset soojust. – mis muudab metanooli ülejäägi kasutamise destillatsiooni soojusenergia tarbimise peamiseks teguriks.”
Ultraheli meetodi puhul saavutatakse umbes 75%-line muundumine esimese 1,5 minuti jooksul ja 6 minuti pärast saavutatakse 90%-line muundumine.
Tavapärane meetod näitab palju aeglasemat konverteerimise määra, saavutades 8 minuti pärast ainult umbes 40% konversiooni.
Majanduslik ja keskkonnaalane mõju
Gholami et al. (2021) tehnomajanduslik mudel näitas:
- Investeeringute kogukulu väheneb umbes 21%,
- Toote maksumus tonni kohta vähenes umbes 5%,
- Jäätmeteke väheneb viiendikuni mehaanilise segamise jäätmetekkest,
- Sisemine tasuvusmäär (IRR) paranes 18,3%-ni ja NPV oli positiivne, samal ajal kui tavapärane protsess jäi ebaökonoomseks.
Keskkonna seisukohalt vähendab metanooli ülejäägi vähendamine otseselt lenduvate orgaaniliste ühendite heitkoguseid ja vähendab soojusenergia kasutamist, viies ultraheli-biodiislikütuse tootmise vastavusse keskkonnasäästliku tootmise eesmärkidega.
Ülevaade ultraheli biodiisli reaktori eelistest
(võrdleva uuringu tulemused, vt Gholami et al., 2021)
| Parameeter | Mehhaaniline segamine | Hielscher Sonicators |
|---|---|---|
| Reaktsiooni aeg | 80 min | 5-15 s |
| Metanooli-õli suhe | 6:1 | 4.5:1 |
| Protsessienergia kokku | 14,746 → 13,732 | 6,9%-line kogulangus |
| Katalüsaatori laadimine | 1,0 massiprotsenti | 0.75 massiprotsenti |
| Reaktori energia | 116,6 MJ/h | 32,4 MJ/h |
| Kogu energia | 14,746 MJ/h | 13,732 MJ/h |
| Jäätmeteke | 100% baastase | 20% baastasemest |
| Muundamise kasutegur | 95% | 99% |
Sono-reaktor biodiisli tootmiseks
Kõrge efektiivsusega ultraheli biodiislikütuse reaktorid
Hielscher Ultrasonics'i poolt projekteeritud ultrahelireaktorid tagavad mitte ainult kiire ja ühtlase ümberesterdamise, vaid ka märkimisväärse energia- ja materjalisäästu. Metanooli liigse kasutamise vähendamine – ja sellega kaasnev kõrge temperatuuri taastamise etappide kaotamine – on suur jätkusuutlikkuse eelis.
Hielscheri sonikaatorid koos modulaarse skaleeritavuse, madalate hooldusnõuete ja heterogeensete katalüsaatorite ühilduvusega on energiatõhusate ja puhaste biodiislikütuste tootmise tehnoloogia mõõdupuu.
Lugege lähemalt Hielscheri ultrasonicsi biodiislitehnoloogia eelistest!
Alljärgnevas tabelis on esitatud Hielscheri ultraheli-biodiislireaktorite ligikaudne töötlemisvõimsus:
|
Voolukiirus
|
Võimsus
|
|---|---|
|
20 – 100L / h
|
|
|
80 – 400L / h
|
|
|
0.3 – 1,5m³/h
|
|
|
2 – 10m³/h
|
|
|
20 – 100m³ / h
|
Disain, tootmine ja nõustamine – Kvaliteet Valmistatud Saksamaal
Hielscheri ultrasonikaatorid on tuntud oma kõrgeimate kvaliteedi- ja disainistandardite poolest. Vastupidavus ja lihtne kasutamine võimaldavad meie ultrasonikaatorite sujuvat integreerimist tööstusrajatistesse. Hielscheri ultrasonikaatorid saavad kergesti käsitseda karmid tingimused ja nõudlikud keskkonnad.
Hielscher Ultrasonics on ISO sertifitseeritud ettevõte ja paneb erilist rõhku suure jõudlusega ultrasonikaatoritele, millel on tipptasemel tehnoloogia ja kasutajasõbralikkus. Loomulikult on Hielscheri ultrasonikaatorid CE-nõuetele vastavad ja vastavad UL, CSA ja RoHs nõuetele.
Ultraheli segamine ületab efektiivsuse järgi mehaanilisi tiivikusegisteid.
- kõrge kasutegur
- Kaasaegne tehnoloogia
- Usaldusväärsuse & töökindlus
- protsessi täpne juhtimine
- partii & Inline
- mis tahes mahu jaoks
- Intelligentne tarkvara
- lihtne ja ohutu kasutada
- madal hooldus
- CIP (puhas kohapeal)
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 säästvad kütused?
Jätkusuutlikud kütused on taastuvatest ressurssidest, näiteks biomassist, jäätmetest või kogutud süsinikdioksiidist saadud energiakandjad, mis on toodetud minimaalse kasvuhoonegaaside netoheitega ja ühilduvad olemasoleva energiainfrastruktuuriga.
Kas biodiisel on energiatõhus kütus?
Biodiisel on energiatõhus kütus, sest selle tootmine ja kasutamine annab soodsa energiabilansi, mille elutsükli energiakasum on tavaliselt 3-5 korda suurem kui selle sünteesiks vajalik fossiilne energia, eriti kui kasutatakse protsessi intensiivistamise meetodeid, nagu ultraheli.
Kuidas mõjutab andmekeskuste arvu suurenemine energiahindu?
Andmekeskuste arvu suurenemine suurendab ülemaailmset elektrinõudlust ja suurendab survet elektrivõrkudele, mõjutades seeläbi energia hulgimüügihindu ja kiirendades vajadust vähese CO2-heitega tootmise ja võrgu paindlikkuse järele. Seega kasutatakse üha enam energiasäästlikku segamistehnoloogiat, nagu ultraheli, et vähendada energiatarbimist ja töötlemiskulusid.
Mis on biodiisli eelis?
Biodiisli peamine eelis on selle taastatavus ja süsiniku neutraalsus, kuna see on saadud bioloogilistest lipiididest ja tekitab oluliselt vähem tahkeid osakesi, vääveloksiide ja põletamata süsivesinikke kui naftadiesel, kuid ühildub samas olemasolevate diiselmootoritega.
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid rakenduste segamiseks, hajutamiseks, emulgeerimiseks ja ekstraheerimiseks laboris, piloot- ja tööstuslikus mastaabis.