تولید بیودیزل با کارایی برتر فرایند و بهره‌وری هزینه

اختلاط فراصوتی فناوری برتر برای تولید بیودیزل با کارایی بالا و هزینه مقرون‌به‌صرفه است. کاویتاسیون فراصوتی انتقال جرم را به‌طور چشمگیری بهبود می‌دهد و در نتیجه هزینه‌های تولید و زمان فرایند را کاهش می‌دهد. هم‌زمان، امکان استفاده از روغن‌ها و چربی‌های کم‌کیفیت (مانند روغن‌های پسماند) فراهم می‌شود و کیفیت بیودیزل بهبود می‌یابد. Hielscher Ultrasonics راکتورهای اختلاط فراصوتی مقاوم و با عملکرد بالا را برای هر مقیاس تولید عرضه می‌کند. درباره مزایای فراصوت‌دهی برای تولید بیودیزل خود بیشتر بخوانید!

مزایای استفاده از فراصوت در تولید بیودیزل

بیودیزل (متیل استر اسید چرب، به‌اختصار FAME) محصول واکنش ترانس‌استریفیکاسیون مواد اولیه لیپیدی (تری‌گلیسریدها، مانند روغن گیاهی، روغن‌های پخت‌وپز مصرف‌شده، چربی‌های حیوانی و روغن جلبک) و الکل (متانول، اتانول) با استفاده از کاتالیزور (مانند هیدروکسید پتاسیم KOH) است.
مشکل: در تبدیل متداول بیودیزل با استفاده از هم‌زدن متداول، امتزاج‌ناپذیری دو واکنش‌دهنده روغن و الکل در واکنش ترانس‌استریفیکاسیون، نرخ انتقال جرم را پایین می‌آورد و به تولید ناکارآمد بیودیزل می‌انجامد. این ناکارآمدی با زمان طولانی واکنش، نسبت‌های مولی بالاتر متانول به روغن، نیاز زیاد به کاتالیزور، دمای بالای فرایند و سرعت بالای هم‌زدن مشخص می‌شود. این عوامل از محرک‌های اصلی هزینه هستند و تولید متداول بیودیزل را به فرایندی پرهزینه تبدیل می‌کنند.
راه‌حل: اختلاط فراصوتی واکنش‌دهنده‌ها را با کارایی بسیار بالا، سریع و کم‌هزینه امولسیون می‌کند؛ در نتیجه می‌توان نسبت روغن به متانول را بهبود داد، نیاز به کاتالیزور را کاهش داد و زمان و دمای واکنش را پایین آورد. به این ترتیب، در منابع (یعنی مواد شیمیایی و انرژی) و زمان صرفه‌جویی می‌شود و هزینه‌های فرایند کاهش می‌یابد؛ در عین حال، کیفیت بیودیزل و سودآوری تولید به‌طور چشمگیری بهبود می‌یابد. این ویژگی‌ها اختلاط فراصوتی را به فناوری ترجیحی برای تولید مؤثر بیودیزل تبدیل می‌کنند.
پژوهش‌ها و تولیدکنندگان صنعتی بیودیزل تأیید می‌کنند که اختلاط فراصوتی روشی بسیار مقرون‌به‌صرفه برای تولید بیودیزل است، حتی زمانی که روغن‌ها و چربی‌های کم‌کیفیت به‌عنوان خوراک استفاده می‌شوند. تشدید فرایند به کمک فراصوت، نرخ تبدیل را به‌طور قابل‌توجهی بهبود می‌دهد و مصرف متانول اضافی و کاتالیزور را کاهش می‌دهد؛ در نتیجه، تولید بیودیزل مطابق با استاندارد کیفی ASTM D6751 و مشخصات EN 14212 امکان‌پذیر می‌شود. (رجوع کنید به Abdullah et al., 2015)

ترانس‌استریفیکاسیون تری‌گلیسریدها به بیودیزل (FAME) با استفاده از فراصوت‌دهی، واکنش را تسریع می‌کند و کارایی را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد.

مزایای متعدد اختلاط فراصوتی در تولید بیودیزل

راکتورهای اختلاط فراصوتی را می‌توان به‌آسانی در هر تأسیسات جدیدی ادغام کرد یا برای ارتقای کارخانه‌های موجود بیودیزل به آن‌ها افزود. ادغام یک میکسر فراصوتی Hielscher هر واحد بیودیزل را به کارخانه‌ای با عملکرد بالا تبدیل می‌کند. نصب ساده، استحکام و سهولت استفاده (بدون نیاز به آموزش ویژه برای کاربری) امکان ارتقای هر تأسیسات به یک کارخانه بیودیزل با کارایی بالا را فراهم می‌کند. در ادامه، نتایج اثبات‌شده علمی درباره مزایایی را ارائه می‌کنیم که اشخاص ثالث مستقل مستند کرده‌اند. اعداد، برتری اختلاط فراصوتی بیودیزل را نسبت به هر روش متداول هم‌زدن اثبات می‌کنند.

نمودار جریان، مراحل تولید بیودیزل، از جمله اختلاط فراصوتی برای بهبود کارایی فرایند را نشان می‌دهد.

مقایسه کارایی و هزینه: فراصوت در برابر هم‌زدن مکانیکی

Gholami et al. (2021) در مطالعه مقایسه‌ای خود، مزایای ترانس‌استریفیکاسیون فراصوتی را نسبت به هم‌زدن مکانیکی (یعنی میکسر تیغه‌ای، پروانه همزن و میکسر پربرش) ارائه می‌کنند.

هزینه‌های سرمایه‌گذاری پایین:
پردازشگر و راکتور فراصوتی UIP16000 می‌تواند با اشغال فضایی به ابعاد تنها 1٫2m x 0٫6m، به میزان 192–384 t بیودیزل/d تولید کند. در مقابل، برای هم‌زدن مکانیکی (MS)، به‌دلیل زمان طولانی واکنش در فرایند هم‌زدن مکانیکی، راکتوری بسیار بزرگ‌تر لازم است که هزینه راکتور را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد. (رجوع کنید به Gholami et al., 2020)
هزینه‌های پایین فرایند:
هزینه‌های فرایند تولید فراصوتی بیودیزل، 7٫7% کمتر از هزینه‌های فرایند هم‌زدن است که عمدتاً از سرمایه‌گذاری کل کمتر برای فرایند فراصوت‌دهی ناشی می‌شود. هزینه مواد شیمیایی (کاتالیزور، متانول/الکل) سومین عامل بزرگ هزینه در هر دو فرایند فراصوت‌دهی و هم‌زدن مکانیکی است. با این حال، هزینه مواد شیمیایی برای تبدیل فراصوتی بیودیزل به‌طور قابل‌توجهی کمتر از هم‌زدن مکانیکی است. سهم هزینه مواد شیمیایی تقریباً 5% از هزینه نهایی بیودیزل را تشکیل می‌دهد. به‌دلیل مصرف کمتر متانول، هیدروکسید سدیم و اسید فسفریک، هزینه مواد شیمیایی در فرایند فراصوتی بیودیزل 2٫2% کمتر از فرایند هم‌زدن مکانیکی است.

کاهش هزینه‌های انرژی:
انرژی مصرفی راکتور اختلاط فراصوتی تقریباً یک‌سوم انرژی مصرفی همزن مکانیکی است. این کاهش قابل‌توجه مصرف انرژی حاصل ریزاختلاط شدید و کاهش زمان واکنش است که از تشکیل و فروپاشی حفره‌های بی‌شمار ناشی می‌شود؛ این حفره‌ها مشخصه پدیده کاویتاسیون آکوستیکی / فراصوتی هستند (Gholami et al., 2018). افزون بر این، در مقایسه با همزن متداول، مصرف انرژی مراحل بازیابی متانول و خالص‌سازی بیودیزل در فرایند اختلاط فراصوتی به‌ترتیب 26٫5% و 1٫3% کاهش می‌یابد. این کاهش به‌دلیل مقدار کمتر متانول ورودی به این دو ستون تقطیر در فرایند ترانس‌استریفیکاسیون فراصوتی است.

کاهش چشمگیر هزینه‌های دفع پسماند:
فناوری کاویتاسیون فراصوتی هزینه دفع پسماند را نیز به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد. این هزینه در فرایند فراصوت‌دهی تقریباً یک‌پنجم هزینه آن در فرایند هم‌زدن است؛ این امر از کاهش قابل‌توجه تولید پسماند به‌دلیل تبدیل بیشتر در راکتور و مصرف کمتر الکل ناشی می‌شود.
درباره تبدیل فراصوتی روغن‌های استخراج‌شده از تفاله قهوه مصرف‌شده به بیودیزل بیشتر بخوانید!

سازگاری بیشتر با محیط‌زیست:
به‌دلیل کارایی کلی بسیار بالا، کاهش مصرف مواد شیمیایی، نیاز کمتر به انرژی و کاهش پسماند، تولید فراصوتی بیودیزل در مقایسه با فرایندهای متداول تولید بیودیزل به‌طور قابل‌توجهی با محیط‌زیست سازگارتر است.

نتیجه‌گیری – فراصوت کارایی تولید بیودیزل را بهبود می‌دهد

ارزیابی علمی، مزایای آشکار اختلاط فراصوتی را نسبت به هم‌زدن مکانیکی متداول برای تولید بیودیزل نشان می‌دهد. مزایای پردازش فراصوتی بیودیزل شامل سرمایه‌گذاری کل، هزینه کل محصول، ارزش فعلی خالص و نرخ بازده داخلی است. مشخص شد که میزان سرمایه‌گذاری کل در فرایند کاویتاسیون فراصوتی تقریباً 20٫8% کمتر از فرایند دیگر است. استفاده از راکتورهای فراصوتی هزینه‌های محصول را 5٫2% کاهش داد – با استفاده از روغن کانولای بکر. از آنجا که فراصوت‌دهی امکان پردازش روغن‌های مصرف‌شده (مانند روغن‌های پخت‌وپز استفاده‌شده) را نیز فراهم می‌کند، می‌توان هزینه‌های تولید را به‌طور چشمگیری بیشتر کاهش داد. Gholami et al. (2021) نتیجه می‌گیرند که به‌دلیل ارزش فعلی خالص مثبت، فرایند کاویتاسیون فراصوتی گزینه بهتری برای فناوری اختلاط در تولید بیودیزل است.
از دیدگاه فنی، مهم‌ترین اثرات کاویتاسیون فراصوتی شامل کارایی چشمگیر فرایند و کاهش زمان واکنش است. تشکیل و فروپاشی تعداد زیادی حباب خلأ – موسوم به کاویتاسیون آکوستیکی / فراصوتی – زمان واکنش را از چندین ساعت در راکتور مخزن همزن‌دار به چند ثانیه در راکتور کاویتاسیون فراصوتی کاهش می‌دهد. این زمان ماند کوتاه امکان تولید بیودیزل را در راکتور جریان‌گذر با فضای اشغال‌شده کم فراهم می‌کند. راکتور کاویتاسیون فراصوتی همچنین اثرات مفیدی بر نیاز به انرژی و مواد دارد؛ مصرف انرژی را به نزدیک یک‌سوم مصرف راکتور مخزن همزن‌دار می‌رساند و مصرف متانول و کاتالیزور را 25% کاهش می‌دهد.
از دیدگاه اقتصادی، سرمایه‌گذاری کل فرایند کاویتاسیون فراصوتی کمتر از فرایند هم‌زدن مکانیکی است؛ این امر عمدتاً ناشی از کاهش تقریباً 50% در هزینه راکتور و 11٫6% در هزینه ستون تقطیر متانول است. فرایند کاویتاسیون فراصوتی همچنین به‌دلیل کاهش 4% در مصرف روغن کانولا، سرمایه‌گذاری کل کمتر، مصرف مواد شیمیایی 2٫2% کمتر و نیاز به تأسیسات جانبی 23٫8% کمتر، هزینه تولید بیودیزل را کاهش می‌دهد. برخلاف فرایند هم‌زدن مکانیکی، پردازش فراصوتی به‌دلیل ارزش فعلی خالص مثبت، دوره بازگشت سرمایه کوتاه‌تر و نرخ بازده داخلی بالاتر، سرمایه‌گذاری قابل‌قبولی است. فرایند کاویتاسیون فراصوتی علاوه بر مزایای فنی و اقتصادی، از فرایند هم‌زدن مکانیکی با محیط‌زیست سازگارتر است. کاویتاسیون فراصوتی به‌دلیل تبدیل بیشتر در راکتور و کاهش مصرف الکل در این فرایند، جریان‌های پسماند را 80% کاهش می‌دهد. (رجوع کنید به Gholami et al., 2021)

خوراک کم‌کیفیت را به بیودیزل بسیار خالص تبدیل کنید!

فراصوت‌دهی امکان پردازش مؤثرتر خوراک‌های کم‌کیفیت مانند روغن‌های گیاهی پسماند، چربی‌های سرخ‌کردنی مصرف‌شده، پیه یا روغن‌های ماهی را فراهم می‌کند، زیرا کاویتاسیون فراصوتی تماس بسیار بهتری میان فازهای امتزاج‌ناپذیر روغن و الکل ایجاد می‌کند و اختلاط و همچنین انتقال حرارت و جرم را به‌شدت بهبود می‌دهد. همچنین سینتیک واکنش را تسریع می‌کند، بنابراین حتی خوراک‌های دشوار و متغیر نیز سریع‌تر و کامل‌تر تبدیل می‌شوند.
کاویتاسیون آکوستیکی شرایط محیط واکنش را تشدید می‌کند و می‌تواند تشکیل رادیکال‌های بسیار واکنش‌پذیر را تقویت کند؛ این امر ترانس‌استریفیکاسیون سریع را بیشتر پشتیبانی می‌کند و به غلبه بر مشکلات معمول پردازش خوراک‌های نامرغوب کمک می‌کند.
بخوانید که فراصوت‌دهی چگونه روغن‌ها و چربی‌های پسماند را به بیودیزل تبدیل می‌کند!

از کاتالیزور دلخواه خود استفاده کنید

کارایی فرایند ترانس‌استریفیکاسیون فراصوتی بیودیزل با استفاده از هر دو نوع کاتالیزور قلیایی یا بازی اثبات شده است. برای نمونه، Shinde and Kaliaguine (2019) کارایی اختلاط فراصوتی و اختلاط مکانیکی تیغه‌ای را با استفاده از کاتالیزورهای مختلف، یعنی هیدروکسید سدیم (NaOH)، هیدروکسید پتاسیم (KOH)، (CH₃ONa)، هیدروکسید تترامتیل‌آمونیوم و چهار گوانیدین (پروپیل-2,3-دی‌سیکلوهگزیل گوانیدین (PCHG)، 1,3-دی‌سیکلوهگزیل 2 n-اکتیل گوانیدین (DCOG)، 1,1,3,3-تترامتیل گوانیدین(TMG)، 1,3-دی‌فنیل گوانیدین (DPG)) مقایسه کردند. اختلاط فراصوتی (در 35º) برای تولید بیودیزل برتر شناخته شد و از نظر بازده و نرخ تبدیل بالاتر از اختلاط مکانیکی (در 65º) پیشی گرفت. کارایی انتقال جرم در میدان فراصوت، سرعت واکنش ترانس‌استریفیکاسیون را در مقایسه با هم‌زدن مکانیکی افزایش داد. فراصوت‌دهی برای تمام کاتالیزورهای آزمایش‌شده از هم‌زدن مکانیکی بهتر عمل کرد. اجرای واکنش ترانس‌استریفیکاسیون با کاویتاسیون فراصوتی، جایگزینی با بهره‌وری انرژی بالا و قابل‌اجرا در مقیاس صنعتی برای تولید بیودیزل است. علاوه بر کاتالیزورهای پرکاربرد KOH و NaOH، هر دو کاتالیزور گوانیدینی، پروپیل-2,3 دی‌سیکلوهگزیل‌گوانیدین (PCHG) و 1,3-دی‌سیکلوهگزیل 2 n-اکتیل‌گوانیدین (DCOG)، نیز به‌عنوان جایگزین‌هایی جالب‌توجه برای تبدیل بیودیزل معرفی شده‌اند.
Mootabadi et al. (2010) سنتز بیودیزل از روغن پالم به کمک فراصوت را با استفاده از کاتالیزورهای مختلف اکسید فلزات قلیایی مانند CaO، BaO و SrO بررسی کردند. فعالیت کاتالیزور در سنتز بیودیزل به کمک فراصوت با فرایند سنتی هم‌زدن مغناطیسی مقایسه شد و مشخص شد که فرایند فراصوتی با استفاده از BaO در زمان واکنش 60 min به بازده 95٫2% می‌رسد؛ در حالی که این کار در فرایند هم‌زدن متداول 3–4 h زمان می‌برد. برای ترانس‌استریفیکاسیون به کمک فراصوت در شرایط بهینه، دستیابی به بازده 95% به 60 min زمان نیاز داشت، در مقایسه با 2–4 h در هم‌زدن متداول. همچنین، بازده‌های حاصل با فراصوت در 60 min با استفاده از CaO به‌عنوان کاتالیزور از 5٫5% به 77٫3%، با استفاده از SrO به‌عنوان کاتالیزور از 48٫2% به 95٫2% و با استفاده از BaO به‌عنوان کاتالیزور از 67٫3% به 95٫2 افزایش یافت.

تولید بیودیزل با استفاده از گوانیدین‌های مختلف (3% mol) به‌عنوان کاتالیزور. (A) راکتور ناپیوسته با هم‌زدن مکانیکی: (متانول:روغن کانولا) 4:1، دما 65ºC؛ (B) راکتور ناپیوسته فراصوتی: سونیکاتور UP200St، (متانول:روغن کانولا) 4:1، دامنه فراصوت (US) برابر با 60%، دما 35ºC. اختلاط به کمک فراصوت با اختلاف زیاد از هم‌زدن مکانیکی پیشی می‌گیرد.
(مطالعه و نمودارها: Shinde and Kaliaguine, 2019)

راکتورهای فراصوتی با عملکرد بالا برای پردازش برتر بیودیزل

Hielscher Ultrasonics پردازشگرها و راکتورهای فراصوتی با عملکرد بالا را برای بهبود تولید بیودیزل عرضه می‌کند که به بازده بیشتر، کیفیت بهتر، زمان پردازش کوتاه‌تر و هزینه‌های تولید کمتر منجر می‌شوند.

راکتورهای بیودیزل در مقیاس کوچک و متوسط

برای تولید بیودیزل در مقیاس کوچک و متوسط تا 9 تن/hr (2900 gal/hr)، Hielscher مدل‌های UIP500hdT (500 وات), UIP1000hdT (1000 وات), UIP1500hdT (1500 وات)، و UIP2000hdT (2000 وات) از میکسرهای پربرش فراصوتی را به شما عرضه می‌کند. این چهار راکتور فراصوتی بسیار جمع‌وجور هستند و به‌آسانی در سامانه‌ها ادغام می‌شوند یا برای ارتقا به آن‌ها افزوده می‌شوند. آن‌ها برای کار سنگین در محیط‌های سخت ساخته شده‌اند. در ادامه، آرایش‌های پیشنهادی راکتورها برای طیفی از نرخ‌های تولید آمده است.

راکتورهای صنعتی بیودیزل با ظرفیت عبوری بسیار بالا

برای کارخانه‌های تولید بیودیزل با پردازش صنعتی، Hielscher مدل‌های UIP4000hdT (4kW)، UIP6000hdT (6kW)، UIP10000 (10kW) و UIP16000hdT (16kW) از هموژنایزرهای فراصوتی را عرضه می‌کند! این پردازشگرهای فراصوتی برای پردازش پیوسته در دبی‌های بالا طراحی شده‌اند. UIP4000hdT، UIP6000hdT و UIP10000 را می‌توان در کانتینرهای استاندارد حمل‌ونقل دریایی نصب کرد. همچنین هر چهار مدل پردازشگر در کابینت‌های فولاد زنگ‌نزن عرضه می‌شوند. نصب عمودی به حداقل فضا نیاز دارد. در ادامه، آرایش‌های پیشنهادی برای نرخ‌های معمول پردازش صنعتی آمده است.