Biodieselin tuotanto erinomaisella prosessilla ja kustannustehokkuudella

Ultraäänisekoitus on ylivoimainen tekniikka erittäin tehokkaaseen ja kustannustehokkaaseen biodieselin tuotantoon. Ultraääni kavitaatio parantaa massansiirtoa voimakkaasti, mikä vähentää tuotantokustannuksia ja käsittelyn kestoa. Samalla voidaan käyttää heikkolaatuisia öljyjä ja rasvoja (esim. jäteöljyjä) ja parantaa biodieselin laatua. Hielscher Ultrasonics toimittaa korkean suorituskyvyn, vankat ultraäänisekoitusreaktorit mihin tahansa tuotantoasteikkoon. Lue lisää, miten biodieseltuotantosi hyötyy sonikaatiosta !

Biodieselin tuotantohyödyt ultraäänellä

Biodiesel (rasvahappometyyliesteri, abrev. FAME) on tulosta lipidiraaka-aineen (triglyseridit, esim. kasviöljy, käytetyt ruokaöljyt, eläinrasvat, leväöljy) ja alkoholin (metanoli, etanoli) transesteröintireaktiosta katalyytillä (esim. kaliumhydroksidi KOH).
Ongelma: Tavanomaisessa biodieselin muuntamisessa tavanomaista sekoittamista käyttäen öljyn ja alkoholin transesterointireaktion molempien reagenssien sekoittumattomuus johtaa huonoon massansiirtoon, mikä johtaa tehottomaan biodieselin tuotantoon. Tehottomuudelle ovat ominaisia pitkät reaktioajat, korkeammat metanoli-öljymoolisuhteet, korkeat katalysaattorivaatimukset, korkeat prosessilämpötilat ja korkeat sekoitusnopeudet. Nämä tekijät ovat merkittäviä kustannustekijöitä, jotka tekevät tavanomaisesta biodieselin valmistuksesta kalliin prosessin.
Ratkaisu: Ultraäänisekoitus emulgoi reaktantteja erittäin tehokkaalla, nopealla ja edullisella tavalla, jotta öljyn ja metanolin suhdetta voidaan parantaa, katalyyttivaatimukset vähenevät, reaktioaika ja reaktiolämpötila laskevat. Näin säästetään resursseja (eli kemikaaleja ja energiaa) sekä aikaa, jalostuskustannukset pienenevät, kun taas biodieselin laatu ja tuotannon kannattavuus paranevat merkittävästi. Nämä tosiasiat muuttavat ultraäänisekoituksen ensisijaisessa tekniikassa tehokkaaseen biodieselin valmistukseen.
Tutkimus ja teolliset biodieselin tuottajat vahvistavat, että ultraäänisekoitus on erittäin kustannustehokas tapa tuottaa biodieseliä, vaikka raaka-aineena käytettäisiin huonolaatuisia öljyjä ja rasvoja. Ultraääniprosessin tehostaminen parantaa huomattavasti muuntonopeutta vähentäen ylimääräisen metanolin ja katalyytin käyttöä, jolloin voidaan tuottaa biodieseliä, joka täyttää ASTM D6751- ja EN 14212 -eritelmien laatustandardit. (vrt. Abdullah et ai., 2015)

Triglyseridien transesteroituminen biodieseliin (FAME) sonikaatiolla johtaa nopeutettuun reaktioon ja huomattavasti suurempaan tehokkuuteen.

Lukuisat ultraäänisekoituksen edut biodieselin tuotannossa

Ultraäänisekoitusreaktorit voidaan helposti integroida mihin tahansa uuteen laitokseen sekä jälkiasentaa olemassa oleviin biodiesellaitoksiin. Hielscherin ultraäänisekoittimen integrointi muuttaa minkä tahansa biodiesellaitoksen korkean suorituskyvyn tuotantolaitokseksi. Yksinkertainen asennus, kestävyys ja käyttäjäystävällisyys (käyttöä koskevaa erityiskoulutusta ei tarvita) mahdollistavat minkä tahansa laitoksen päivittämisen erittäin tehokkaaksi biodieseltehtaaksi. Alla esitämme sinulle tieteellisesti todistettuja tuloksia riippumattomien kolmansien osapuolten dokumentoimista eduista. Numerot osoittavat ultraäänibiodelin sekoittumisen paremmuuden verrattuna mihin tahansa tavanomaiseen sekoitustekniikkaan.

Vuokaavio näyttää biodieselin tuotantovaiheet, mukaan lukien ultraäänisekoitus prosessin tehokkuuden parantamiseksi.

Tehokkuus ja kustannusvertailu: Ultrasonics vs Mekaaninen sekoittaminen

Gholami et al. (2021) esittävät vertailevassa tutkimuksessaan ultraäänen transesteroinnin edut mekaaniseen sekoittamiseen verrattuna (eli teräsekoitin, juoksupyörä, korkea leikkaussekoitin).
Investointikustannukset: Ultraääniprosessori ja reaktori UIP16000 voi tuottaa 192–384 t biodieseliä / d, jonka jalanjälki on vain 1,2 m x 0,6 m. Vertailun vuoksi mekaaniseen sekoittamiseen (MS) tarvitaan paljon suurempi reaktori mekaanisen strirrng-prosessin pitkän reaktioajan vuoksi, mikä aiheuttaa reaktorikustannusten merkittävän nousun. (vrt. Gholami et ai., 2020)
Käsittelykustannukset: Ultraäänibiodelin tuotannon käsittelykustannukset ovat 7,7% pienemmät kuin sekoitusprosessin käsittelykustannukset, lähinnä sonikaatioprosessin pienemmän kokonaisinvestoinnin vuoksi. Kemikaalien (katalyytti, metanoli/alkoholi) kustannukset ovat kolmanneksi suurin kustannustekijä molemmissa prosesseissa, sonikaatiossa ja mekaanisessa sekoittamisessa. Ultraäänibiodieselin muuntamisessa kemikaalien kustannukset ovat kuitenkin huomattavasti alhaisemmat kuin mekaanisen sekoittamisen kustannukset. Kemikaalien kustannusosuus on noin 5 % biodieselin lopullisista kustannuksista. Metanolin, natriumhydroksidin ja fosforihapon pienemmän kulutuksen vuoksi kemikaalien kustannukset ultraäänibiodieselin prosessissa ovat 2,2% pienemmät kuin mekaanisen sekoitusprosessin kustannukset.
Energiakustannukset: Ultraäänisekoitusreaktorin kuluttama energia on noin kolme kertaa pienempi kuin mekaanisen sekoittimen. Tämä huomattava energiankulutuksen väheneminen on seurausta voimakkaasta mikrosekoituksesta ja vähentyneestä reaktioajasta, joka johtuu lukemattomien onteloiden tuotannosta ja romahtamisesta, jotka luonnehtivat akustisen / ultraäänikavitaatioilmiön (Gholami et ai., 2018). Lisäksi tavanomaiseen sekoittimeen verrattuna metanolin talteenoton ja biodieselin puhdistusvaiheiden energiankulutus ultraäänisekoitusprosessin aikana vähenee vastaavasti 26,5% ja 1,3%. Tämä lasku johtuu siitä, että näihin kahteen tislauskolonniin tulee pienempiä määriä metanolia ultraäänitransesterointiprosessissa.
Jätehuoltokustannukset: Ultraääni kavitaatiotekniikka vähentää myös huomattavasti jätteiden hävittämisen kustannuksia. Sonikaatioprosessin kustannukset ovat noin viidennes hämmentävästä prosessista, mikä johtuu jätteentuotannon merkittävästä vähenemisestä, joka johtuu suuremmasta reaktorin muuntamisesta ja kulutetun alkoholin pienemmistä määristä.
Ympäristöystävällisyys: Erittäin korkean kokonaistehokkuuden, pienemmän kemiallisen kulutuksen, alhaisemman energiantarpeen ja vähentyneen jätteen vuoksi ultraäänibiodieselin tuotanto on huomattavasti ympäristöystävällisempää kuin perinteiset biodieselin valmistusprosessit.

johtopäätös – Ultrasonics parantaa biodieselin tuotannon tehokkuutta

Tieteellinen arviointi osoittaa ultraääniseoksen selkeät edut verrattuna tavanomaiseen mekaaniseen sekoittamiseen biodieselin tuotannossa. Ultraäänibiodelin käsittelyn etuja ovat pääomasijoitukset, tuotteen kokonaiskustannukset, nettonykyarvo ja sisäinen tuottoaste. Ultraäänikavitaatioprosessiin tehtyjen kokonaisinvestointien määrän todettiin olevan pienempi kuin muiden noin 20,8%. Ultraäänireaktoreiden käyttö vähensi tuotekustannuksia 5,2% – käyttämällä neitsytperäistä rypsiöljyä. Koska sonikaatio mahdollistaa myös käytettyjen öljyjen (esim. käytettyjen ruokaöljyjen) käsittelyn, tuotantokustannuksia voidaan alentaa huomattavasti edelleen. Gholami et ai. (2021) tulee siihen tulokseen, että positiivisen nettonykyarvon vuoksi ultraäänikavitaatioprosessi on parempi valinta sekoitustekniikasta biodieselin tuotantoon.
Teknisestä näkökulmasta ultraäänikavitaatioiden tärkeimmät vaikutukset ulottuvat merkittävään prosessitehokkuuteen ja reaktioajan lyhenemiseen. Lukuisten tyhjiökuplien muodostuminen ja romahtaminen – tunnetaan nimellä akustinen / ultraääni kavitaatio – lyhentää reaktioaikaa useista tunneista sekoitetun säiliön reaktorissa muutamaan sekuntiin ultraäänikavitaatioreaktorissa. Tämä lyhyt viipymisaika mahdollistaa biodieselin tuotannon läpivirtausreaktorissa, jonka jalanjälki on pieni. Ultraäänikavitaatioreaktorilla on myös hyödyllisiä vaikutuksia energian ja materiaalin vaatimuksiin, mikä vähentää energiankulutusta lähes kolmasosaan sekoitetun säiliöreaktorin kuluttamasta energiankulutuksesta ja metanoli- ja katalyyttikulutuksesta 25%.
Taloudellisesta näkökulmasta ultraäänikavitaatioprosessin kokonaisinvestointi on pienempi kuin mekaanisen sekoitusprosessin, mikä johtuu pääasiassa lähes 50%: n ja 11,6%: n vähenemisestä reaktorikustannuksissa ja metanolin tislauspylvään kustannuksista. Ultraäänikavitaatioprosessi vähentää myös biodieselin tuotantokustannuksia, koska rypsiöljyn kulutus on vähentynyt 4%, kokonaisinvestointi on pienempi, kemikaalien kulutus on 2,2% pienempi ja hyödyllisyysvaatimukset 23,8%. Toisin kuin mekaanisesti sekoitettu prosessi, ultraäänikäsittely on hyväksyttävä investointi positiivisen nettonykyarvon, lyhyemmän takaisinmaksuajan ja korkeamman sisäisen tuottoasteen vuoksi. Ultraäänikavitaatioprosessiin liittyvien teknis-taloudellisten etujen lisäksi se on ympäristöystävällisempi kuin mekaaninen sekoitusprosessi. Ultraääni kavitaatio johtaa 80%: n vähenemiseen jätevirroissa reaktorin korkeamman muuntamisen ja alkoholin kulutuksen vähenemisen vuoksi tässä prosessissa. (vrt. Gholami et ai., 2021)

Käytä valitsemaasi katalysaattoria

Biodieselin ultraäänitransesterointiprosessi on osoittautunut tehokkaaksi käyttämällä sekä emäksisiä että peruskatalyyttejä. Forinstance, Shinde ja Kaliaguine (2019) vertailivat ultraäänen ja mechnical-terän sekoittamisen tehokkuutta erilaisilla katalyyteillä, nimittäin natriumhydroksidilla (NaOH), kaliumhydroksidilla (KOH), (CH₃ONa), tetrametyyliammoniumhydroksidi ja neljä guanidiinia (propyyli-2,3-disykloheksyyli guanidiini (PCHG), 1,3-disykloheksyyli 2 n-oktyyli guanidiini (DCOG), 1,1,3,3-tetrametyyli guanidiini (TMG), 1,3-difenyyli guanidiini (DPG)). Ultraäänisekoitus (35 ° C: ssa), joka on osoitettu ylivoimaiseksi biodieselin tuotannossa, joka loistaa mekaanisen sekoittumisen (65 ° C: ssa) suuremmilla saannoilla ja muuntokurssilla. Massansiirron tehokkuus ultraäänikentässä lisäsi transesteröintireaktion nopeutta verrattuna mekaaniseen sekoittamiseen. Sonikaatio päihitti mekaanisen sekoittamisen kaikissa testatuissa katalyyteissä. Transesteröintireaktion suorittaminen ultraäänikavitaatiolla on energiatehokas ja teollisesti toteuttamiskelpoinen vaihtoehto biodieselin tuotannolle. Laajalti käytettyjen katalyyttien KOH ja NaOH lisäksi sekä guanidiinikatalyytit, propyyli-2,3-disykloheksyyliguanidiini (PCHG) että 1,3-disykloheksyyli 2 n-oktyyliguanidiini (DCOG) ovat molemmat osoittautuneet mielenkiintoisiksi altrnatiiviksi biodieselin muuntamisessa.
Mootabadi et ai. (2010) tutki ultraääniavusteista biodieselsynteesiä palmuöljystä käyttämällä erilaisia emäksisiä metallioksidikatalyyttejä, kuten CaO, BaO ja SrO. Katalyytin aktiivisuutta ultraääniavusteisessa biodieselsynteesissä verrattiin perinteiseen magneettiseen sekoitusprosessiin, ja havaittiin, että ultraääniprosessi osoitti 95,2% saannosta BaO: lla 60 minuutin reaktioajassa, joka muuten kestää 3–4 tuntia tavanomaisessa sekoitusprosessissa. Ultraäänellä avustettuun transesteröintiin optimaalisissa olosuhteissa tarvittiin 60 minuuttia 95%: n saannon saavuttamiseksi verrattuna 2–4 tuntiin tavanomaisella sekoittamisella. Myös ultraäänellä 60 minuutissa saavutetut saannot kasvoivat 5,5%: sta 77,3%: iin käyttämällä CaO: ta katalyytteinä, 48,2% - 95,2% käyttämällä SrO: ta katalyytteinä ja 67,3%: sta 95,2: een käyttämällä BaO: ta katalyytteinä.

Biodieselin tuotanto käyttämällä katalysaattorina erilaisia guanideja (3% mol). (A) Mekaaninen sekoituserä: (metanoli:rypsiöljy) 4:1, lämpötila 65 ºC; B) Ultraäänieräreaktori: ultraääni UP200St, (metanoli:rypsiöljy) 4:1, 60% Yhdysvaltain amplitudi, lämpötila 35 ºC. Ultraäänikäyttöinen sekoitus ylittää mekaanisen sekoittamisen ylivoimaisesti.
(Tutkimus ja kaaviot: Shinde ja Kaliaguine, 2019)

Korkean suorituskyvyn ultraäänireaktorit ylivoimaiseen biodieselin käsittelyyn

Hielscher Ultrasonics tarjoaa korkean suorituskyvyn ultraääniprosessoreita ja reaktoreita biodieselin tuotannon parantamiseksi, mikä johtaa korkeampiin saantoihin, parempaan laatuun, lyhyempään käsittelyaikaan ja alhaisempiin tuotantokustannuksiin.

Pienet ja keskisuuret biodieselreaktorit

Pieni ja keskisuuri biodieselin tuotanto jopa 9ton / h (2900 gal / hr), Hielscher tarjoaa sinulle UIP500hdT (500 wattia), UIP1000hdT (1000 wattia), UIP1500hdT (1500 wattia)ja UIP2000hdT (2000 wattia) ultraääni korkea leikkaus sekoitin malleja. Nämä neljä ultraäänireaktoria ovat erittäin kompakteja, helppo integroida tai jälkiasentaa. Ne on rakennettu raskaaseen käyttöön ankarissa ympäristöissä. Alla on suositellut reaktoriasetukset eri tuotantonopeuksille.

Erittäin suuritehoiset teolliset biodieselreaktorit

Teolliseen jalostukseen Hielscher tarjoaa biodieselin tuotantolaitoksia UIP4000hdT (4 kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) ja UIP16000hdT (16kW) ultraääni homogenisaattorit! Nämä ultraääniprosessorit on suunniteltu korkeiden virtausnopeuksien jatkuvaan käsittelyyn. UIP4000hdT, UIP6000hdT ja UIP10000 voidaan integroida tavallisiin merirahtikontteihin. Vaihtoehtoisesti kaikki neljä prosessorimallia ovat saatavana ruostumattomasta teräksestä valmistetuissa kaapeissa. Pystyasennus vaatii vähän tilaa. Alla on suositellut asetukset tyypillisille teollisille käsittelynopeuksille.