Biodiisli tootmine parema protsessi- ja kuluefektiivsusega

Ultraheliseguamine on parim tehnoloogia väga tõhusaks ja kuluefektiivseks biodiisli tootmiseks. Ultraheli kavitatsioon parandab massiülekannet drastiliselt, vähendades seeläbi tootmiskulusid ja töötlemisaega. Samal ajal on võimalik kasutada halva kvaliteediga õlisid ja rasvu (nt jäätmeõlid) ning biodiisli kvaliteet paraneb. Hielscher Ultrasonics pakub suure jõudlusega ja töökindlaid ultraheliseguamisreaktoreid mis tahes tootmismahule. Lugege lähemalt, kuidas teie biodiisli tootmine ultraheli töötlusest (sonikeerimisest) kasu saab!

Biodiisli tootmise eelised ultraheli kasutamisel

Biodiisel (rasvhappe metüülester, lühend FAME) on lipiidse tooraine (triglütseriidid, nt taimeõli, kasutatud toiduõlid, loomsed rasvad, vetikaõli) ja alkoholi (metanool, etanool) transesterdamisreaktsiooni saadus, mis toimub katalüsaatori (nt kaaliumhüdroksiid KOH) abil.
Probleem: Tavapärasel biodiisli konversioonil tavalise segamise abil põhjustab õli ja alkoholi transesterdamisreaktsiooni mõlema lähteaine segunematus halva massiülekandekiiruse, mille tulemuseks on ebaefektiivne biodiisli tootmine. Seda ebaefektiivsust iseloomustavad pikad reaktsiooniajad, suuremad metanooli ja õli moolsuhted, suur katalüsaatorivajadus, kõrged protsessitemperatuurid ja suured segamiskiirused. Need tegurid on olulised kuluallikad, mis muudavad tavapärase biodiisli tootmise kalliks protsessiks.
Lahendus: Ultraheliseguamine emulgeerib lähteained väga tõhusalt, kiiresti ja odavalt, nii et õli ja metanooli suhet on võimalik parandada, katalüsaatorivajadus väheneb ning reaktsiooniaeg ja reaktsioonitemperatuur langevad. Seeläbi säästetakse ressursse (st kemikaale ja energiat) ning aega, vähenevad töötlemiskulud, samal ajal paranevad oluliselt biodiisli kvaliteet ja tootmise tasuvus. Need asjaolud muudavad ultraheliseguamise eelistatud tehnoloogiaks tulemuslikuks biodiisli tootmiseks.
Uuringud ja tööstuslikud biodiisli tootjad kinnitavad, et ultraheliseguamine on väga kuluefektiivne viis biodiisli tootmiseks isegi siis, kui toorainena kasutatakse halva kvaliteediga õlisid ja rasvu. Ultraheliga protsessi intensiivistamine parandab oluliselt konversioonimäära, vähendades liigse metanooli ja katalüsaatori kasutamist, ning võimaldab toota biodiislit, mis vastab standardi ASTM D6751 ja spetsifikatsioonide EN 14212 kvaliteedinõuetele. (vrd Abdullah et al., 2015)

Triglütseriidide transesterdamine biodiisliks (FAME) ultraheli töötlusega (sonikeerimisega) kiirendab reaktsiooni ja tõstab oluliselt efektiivsust.

Ultraheliseguamise arvukad eelised biodiisli tootmisel

Ultraheliseguamisreaktoreid saab hõlpsasti integreerida igasse uude paigaldisse ning järelpaigaldada olemasolevatesse biodiislitehastesse. Hielscheri ultrahelisegisti integreerimine muudab iga biodiisliettevõtte suure jõudlusega tootmistehaseks. Lihtne paigaldus, töökindlus ja kasutajasõbralikkus (kasutamiseks ei ole vaja eraldi koolitust) võimaldavad uuendada mis tahes rajatise väga tõhusaks biodiislitehaseks. Allpool tutvustame teile teaduslikult tõestatud tulemusi eelistest, mida on dokumenteerinud sõltumatud kolmandad osapooled. Arvud tõestavad ultraheliga biodiisliseguamise paremust mis tahes tavapärase segamistehnika ees.

Vooskeem näitab biodiisli tootmise etappe, sealhulgas ultraheliseguamist protsessi efektiivsuse parandamiseks.

Efektiivsuse ja kulude võrdlus: ultraheli vs mehaaniline segamine

Gholami et al. (2021) esitavad oma võrdlevas uuringus ultraheli transesterdamise eelised mehaanilise segamise (st labaga segisti, tiivik, suure nihkejõuga segisti) ees.

Madalad investeerimiskulud:
Ultraheli protsessor ja reaktor UIP16000 suudab toota 192–384 t biodiislit ööpäevas, võttes enda alla vaid 1,2m x 0,6m suuruse pindala. Võrdluseks: mehaanilise segamise (MS) korral on pika reaktsiooniaja tõttu mehaanilises segamisprotsessis vaja palju suuremat reaktorit, mistõttu reaktori maksumus suureneb märkimisväärselt. (vrd Gholami et al., 2020)
Madalad töötlemiskulud:
Ultraheli abil biodiisli tootmise töötlemiskulud on 7,7% madalamad kui segamisprotsessi puhul, peamiselt tänu ultraheli töötluse väiksemale kogu-investeeringule. Kemikaalide (katalüsaator, metanool/alkohol) maksumus on mõlemas protsessis, nii ultraheli töötluse kui ka mehaanilise segamise puhul, suuruselt kolmas kulutegur. Siiski on ultraheli abil toimuva biodiisli konversiooni kemikaalikulud märkimisväärselt väiksemad kui mehaanilise segamise korral. Kemikaalide kulude osa moodustab ligikaudu 5% biodiisli lõppmaksumusest. Metanooli, naatriumhüdroksiidi ja fosforhappe väiksema tarbimise tõttu on kemikaalide kulu ultraheli biodiisliprotsessis 2,2% madalam kui mehaanilise segamise protsessis.

Väiksemad energiakulud:
Ultraheli segamisreaktori tarbitav energia on ligikaudu kolm korda väiksem kui mehaanilise segaja tarbitav energia. See märkimisväärne energiatarbimise vähenemine tuleneb intensiivsest mikrosegamisest ja lühenenud reaktsiooniajast, mis on tingitud lugematute õõnsuste tekkest ja kokkuvarisemisest, mis iseloomustavad akustilise / ultraheli kavitatsiooni nähtust (Gholami et al., 2018). Lisaks väheneb tavapärase segajaga võrreldes metanooli taaskasutuse ja biodiisli puhastusastmete energiatarbimine ultraheli segamisprotsessi ajal vastavalt 26,5% ja 1,3%. See langus tuleneb sellest, et ultraheli transesterdamisprotsessis siseneb nendesse kahte destillatsioonikolonni vähem metanooli.

Oluliselt väiksemad jäätmekäitluskulud:
Ultraheli kavitatsioonitehnoloogia vähendab märkimisväärselt ka jäätmekäitluse kulusid. See kulu on ultraheli töötlusprotsessis ligikaudu viiendik segamisprotsessi omast, mis tuleneb jäätmete tekke olulisest vähenemisest tänu reaktori suuremale konversioonile ja väiksemale tarbitud alkoholi kogusele.
Lugege lähemalt õlide ultraheli abil toimuvast biodiislikonversioonist kasutatud kohvipaksust!

Parem keskkonnasõbralikkus:
Tänu väga kõrgele üldisele efektiivsusele, väiksemale kemikaalide tarbimisele, väiksemale energiavajadusele ja vähenenud jäätmetele on ultraheli abil toimuv biodiisli tootmine märkimisväärselt keskkonnasõbralikum kui tavapärased biodiisli tootmisprotsessid.

Kokkuvõte – ultraheli parandab biodiisli tootmise efektiivsust

Teaduslik hinnang näitab ultraheli segamise selgeid eeliseid tavapärase mehaanilise segamise ees biodiisli tootmisel. Ultraheliga biodiisli töötlemise eeliste hulka kuuluvad kogu kapitaliinvesteering, toote kogumaksumus, nüüdisväärtus (net present value) ja sisemine tulumäär. Ultraheli kavitatsiooniprotsessi kogu investeeringu suuruseks leiti ligikaudu 20,8% madalam kui teisel protsessil (mehaanilisel segamisel). Ultrahelireaktorite kasutamine vähendas toote maksumust 5,2% – kasutades neitsi rapsiõli. Kuna ultraheli töötlus võimaldab töödelda ka kasutatud õlisid (nt kasutatud toiduõlisid), saab tootmiskulusid veelgi oluliselt vähendada. Gholami et al. (2021) jõuavad järeldusele, et positiivse nüüdisväärtuse tõttu on ultraheli kavitatsiooniprotsess biodiisli tootmisel parem segamistehnoloogia valik.
Tehnilisest vaatenurgast hõlmavad ultraheli kavitatsiooni kõige olulisemad mõjud märkimisväärset protsessi tõhusust ja reaktsiooniaja lühenemist. Arvukate vaakumimullide teke ja kollapseerumine – tuntud kui akustiline / ultraheli kavitatsioon – lühendab reaktsiooniaega mitmest tunnist segamismahutiga reaktoris mõne sekundini ultraheli kavitatsioonireaktoris. See lühike viibeaeg võimaldab biodiisli tootmist läbivoolureaktoris, mis võtab vähe ruumi. Ultraheli kavitatsioonireaktoril on ka soodne mõju energia- ja materjalivajadusele: energiatarve väheneb ligikaudu kolmandikuni segamismahutiga reaktori tarbitavast ning metanooli ja katalüsaatori tarbimine väheneb 25%.
Majanduslikust vaatenurgast on ultraheli kavitatsiooniprotsessi kogu investeering väiksem kui mehaanilise segamise protsessil, peamiselt tänu ligikaudu 50% ja 11,6% vähenemisele vastavalt reaktori maksumuses ja metanooli destillatsioonikolonni maksumuses. Ultraheli kavitatsiooniprotsess vähendab biodiisli tootmiskulu ka tänu 4% väiksemale rapsiõli tarbimisele, väiksemale kogu investeeringule, 2,2% väiksemale kemikaalide tarbimisele ja 23,8% väiksemale utiliitide vajadusele. Erinevalt mehaaniliselt segatud protsessist on ultraheli töötlus vastuvõetav investeering tänu positiivsele nüüdisväärtusele, lühemale tasuvusajale ja kõrgemale sisemisele tulumäärale. Lisaks selle protsessiga kaasnevatele tehnilis-majanduslikele eelistele on ultraheli kavitatsiooniprotsess keskkonnasõbralikum kui mehaanilise segamise protsess. Ultraheli kavitatsioon vähendab jäätmevoogusid 80% tänu reaktoris saavutatavale suuremale konversioonile ja väiksemale alkoholi tarbimisele selles protsessis. (vrd Gholami et al., 2021)

Muutke madalakvaliteediline totoraine puhtaks biodiislikütuseks!

Ultraheli töötlus võimaldab töödelda halvema kvaliteediga toorainet, nagu jäätmetaimeõlid, kasutatud friteerimisrasvad, searasv või kalaõlid, tõhusamalt, sest ultraheli kavitatsioon tagab palju parema kontakti seguneva puudumisel omavahel mittesegunevate õli- ja alkoholifaaside vahel, parandades suurel määral segunemist ning soojus- ja massiülekannet. Samuti kiirendab see reaktsioonikineetikat, mistõttu saab isegi rasked ja muutuva koostisega toorained konverteerida kiiremini ja täielikumalt.
Akustiline kavitatsioon intensiivistab reaktsioonikeskkonda ning võib soodustada väga reaktiivsete radikaalide teket, mis toetab edasi kiiret transesterdamist ja aitab ületada madalakvaliteediliste toorainete tavapäraseid töötlemispuudusi.
Lugege, kuidas ultraheli töötlus muudab jäätmeõlid ja -rasvad biodiislikütuseks!

Kasutage oma valitud katalüsaatorit

Biodiisli ultraheliga transesterdamisprotsess on osutunud tõhusaks nii aluseliste kui ka leeliseliste katalüsaatorite korral. Näiteks Shinde ja Kaliaguine (2019) võrdlesid ultraheli ja mehaanilise labasegaja tõhusust erinevate katalüsaatoritega, nimelt naatriumhüdroksiid (NaOH), kaaliumhüdroksiid (KOH), (CH₃ONa), tetrametüülammooniumhüdroksiid ja neli guanidiini (propüül-2,3-disüklohekstüülguanidiin (PCHG), 1,3-disüklohekstüül-2-n-oktüülguanidiin (DCOG), 1,1,3,3-tetrametüülguanidiin (TMG), 1,3-difenüülguanidiin (DPG)). Ultraheli segamine (35º juures) on osutunud biodiisli tootmisel paremaks, edestades mehaanilist segamist (65º juures) suurema saagise ja konversioonimääraga. Massiülekande efektiivsus ultrahelivälja mõjul kiirendas transesterdumisreaktsiooni võrreldes mehaanilise segamisega. Ultraheli töötlus edestas mehaanilist segamist kõigi katsetatud katalüsaatorite puhul. Transesterdumisreaktsiooni läbiviimine ultraheli kavitatsiooniga on energiatõhus ja tööstuslikult elujõuline alternatiiv biodiisli tootmiseks. Lisaks laialdaselt kasutatavatele katalüsaatoritele KOH ja NaOH on mõlemad guanidiinkatalüsaatorid, propüül-2,3-disüklohekstüülguanidiin (PCHG) ja 1,3-disüklohekstüül-2-n-oktüülguanidiin (DCOG), osutunud huvitavateks alternatiivideks biodiisli konversioonil.
Mootabadi jt (2010) uurisid ultrahelitoega biodiisli sünteesi palmiõlist, kasutades erinevaid leelismetallioksiid-katalüsaatoreid, näiteks CaO, BaO ja SrO. Katalüsaatori aktiivsust ultrahelitoega biodiisli sünteesis võrreldi traditsioonilise magnetsegamisprotsessiga ning leiti, et ultraheliprotsessi saagis oli BaO kasutamisel 95,2% 60 min reaktsiooniajaga, mis tavapärases segamisprotsessis võtaks muidu 3–4 h. Ultrahelitoega transesterdumise puhul optimaalsetes tingimustes oli 95% saagise saavutamiseks vaja 60 min, võrreldes 2–4 h tavapärase segamisega. Samuti suurenes ultrahelil 60 min jooksul saavutatud saagis CaO katalüsaatorina kasutamisel 5,5%-lt 77,3%-ni, SrO katalüsaatorina kasutamisel 48,2%-lt 95,2%-ni ja BaO katalüsaatorina kasutamisel 67,3%-lt 95,2-ni.

Biodiisli tootmine, kasutades katalüsaatorina erinevaid guanidiine (3% mol). (A) Mehaanilise segamisega perioodiline reaktor: (metanool:rapsiõli) 4:1, temperatuur 65ºC; (B) Ultraheli perioodiline reaktor: sonikaator UP200St, (metanool:rapsiõli) 4:1, 60% US amplituud, temperatuur 35ºC. Ultrahelil põhinev segamine edestab mehaanilist segamist kaugelt.
(Uuring ja graafikud: Shinde ja Kaliaguine, 2019)

Suure jõudlusega ultraheli reaktorid parema biodiisli töötluse jaoks

Hielscher Ultrasonics pakub suure jõudlusega ultraheliprotsessoreid ja -reaktoreid biodiisli tootmise parandamiseks, mille tulemuseks on suurem saagis, parem kvaliteet, lühem töötlusaeg ja madalamad tootmiskulud.

Väikese ja keskmise mahuga biodiisli reaktorid

Väikese ja keskmise mahuga biodiisli tootmiseks kuni 9ton/hr (2900 gal/hr) pakub Hielscher teile UIP500hdT (500 vatti), UIP1000hdT (1000 vatti), UIP1500hdT (1500 vatti), ja UIP2000hdT (2000 vatti) ultraheli kõrgnihkesegisti mudeleid. Need neli ultraheli reaktorit on väga kompaktsed ning lihtsasti integreeritavad või järelpaigaldatavad. Need on ehitatud raskeks tööks karmides keskkondades. Allpool leiate soovitatavad reaktorikonfiguratsioonid erinevate tootmiskiiruste jaoks.

Väga suure läbilaskevõimega tööstuslikud biodiisli reaktorid

Tööstuslike biodiisli tootmisjaamade jaoks pakub Hielscher järgmisi UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) ja UIP16000hdT (16kW) ultraheli homogenisaatoreid! Need ultraheli töötlusseadmed on mõeldud suurte vooluhulkade pidevaks töötlemiseks. 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 töötluskiiruste jaoks.