Biodieselin tuotanto ylivoimaisella prosessi- ja kustannustehokkuudella

Ultraäänisekoitus on ylivoimainen tekniikka erittäin tehokkaaseen ja kustannustehokkaaseen biodieselin tuotantoon. Ultraäänikavitaatio parantaa massansiirtoa huomattavasti, mikä vähentää tuotantokustannuksia ja käsittelyn kestoa. Samalla voidaan käyttää huonolaatuisia öljyjä ja rasvoja (esim. jäteöljyjä) ja parantaa biodieselin laatua. Hielscher Ultrasonics toimittaa korkean suorituskyvyn, vankat ultraäänisekoitusreaktorit mihin tahansa tuotantomittakaavaan. Lue lisää siitä, miten biodieselin tuotanto hyötyy sonikaatiosta !

Biodieselin tuotannon edut ultraäänellä

Biodiesel (rasvahappometyyliesteri, abrev. FAME) on lipidiraaka-aineen (triglyseridit, esim. kasviöljy, käytetyt ruokaöljyt, eläinrasvat, leväöljy) ja alkoholin (metanoli, etanoli) transesteröintireaktio, jossa käytetään katalyyttiä (esim. kaliumhydroksidi KOH).
Ongelma: Tavanomaisessa biodieselin muuntamisessa tavanomaisella sekoittamisella öljyn ja alkoholin transesteröintireaktion molempien reagenssien sekoittumaton luonne johtaa huonoon massansiirtonopeuteen, mikä johtaa tehottomaan biodieselin tuotantoon. Tehottomuudelle on ominaista pitkät reaktioajat, korkeammat metanolin ja öljyn moolisuhteet, korkeat katalyyttivaatimukset, korkeat prosessilämpötilat ja suuret sekoitusnopeudet. Nämä tekijät ovat merkittäviä kustannustekijöitä, jotka tekevät perinteisestä biodieselin valmistuksesta kalliin prosessin.
Ratkaisu: Ultraäänisekoitus emulgoi reagenssit erittäin tehokkaalla, nopealla ja edullisella tavalla, jotta öljyn ja metanolin suhdetta voidaan parantaa, katalyytin vaatimukset vähenevät, reaktioaika ja reaktiolämpötila laskevat. Näin säästetään resursseja (eli kemikaaleja ja energiaa) sekä aikaa, vähennetään käsittelykustannuksia ja parannetaan merkittävästi biodieselin laatua ja tuotannon kannattavuutta. Nämä tosiasiat kääntävät ultraäänisekoituksen edulliseen tekniikkaan 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 muuntokurssia, mikä vähentää ylimääräisen metanolin ja katalyytin käyttöä, mikä mahdollistaa ASTM D6751- ja EN 14212 -eritelmien laatustandardin mukaisen biodieselin tuottamisen. (vrt. Abdullah et al., 2015)

Triglyseridien transesteröinti biodieseliksi (FAME) sonikaatiolla johtaa nopeutettuun reaktioon ja huomattavasti suurempaan hyötysuhteeseen.

Lukuisia etuja ultraäänisekoituksesta biodieselin tuotannossa

Ultraäänisekoitusreaktorit voidaan helposti integroida mihin tahansa uuteen asennukseen sekä jälkiasentaa olemassa oleviin biodiesellaitoksiin. Hielscherin ultraäänisekoittimen integrointi muuttaa minkä tahansa biodiesellaitoksen korkean suorituskyvyn tuotantolaitokseksi. Yksinkertainen asennus, kestävyys ja käyttäjäystävällisyys (erityistä käyttökoulutusta ei tarvita) mahdollistavat minkä tahansa laitoksen päivittämisen erittäin tehokkaaksi biodiesellaitokseksi. Alla esittelemme sinulle tieteellisesti todistettuja tuloksia riippumattomien kolmansien osapuolten dokumentoimista eduista. Numerot osoittavat ultraäänibiodieselin sekoittamisen paremmuuden mihin tahansa tavanomaiseen sekoitustekniikkaan verrattuna.

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

Tehokkuuden ja kustannusten vertailu: ultraääni vs. mekaaninen sekoittaminen

(2021) esittävät vertailevassa tutkimuksessaan ultraäänitransesteröinnin edut mekaaniseen sekoittamiseen verrattuna (eli teräsekoitin, juoksupyörä, korkea leikkaussekoitin).
Investointikustannukset: Ultraääniprosessori ja reaktori UIP16000 voivat 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 strirrointiprosessin pitkän reaktioajan vuoksi, mikä aiheuttaa reaktorin kustannusten merkittävän nousun. (vrt. Gholami et al., 2020)
Käsittelykulut: Ultraäänibiodieselin tuotannon käsittelykustannukset ovat 7,7% pienemmät kuin sekoitusprosessissa, mikä johtuu pääasiassa sonikaatioprosessin pienemmistä kokonaisinvestoinneista. Kemikaalien (katalyytti, metanoli / alkoholi) kustannukset ovat kolmanneksi suurin kustannustekijä molemmissa prosesseissa, sonikaatiossa ja mekaanisessa sekoittamisessa. Ultraäänibiodieselin muuntamisessa kemikaalin kustannukset ovat kuitenkin huomattavasti alhaisemmat kuin mekaanisen sekoittamisen. Kemikaalien kustannusosuus on noin 5 % biodieselin lopullisista kustannuksista. Metanolin, natriumhydroksidin ja fosforihapon pienemmän kulutuksen vuoksi kemikaalien kustannukset ultraäänibiodieselprosessissa ovat 2,2% pienemmät kuin mekaanisen sekoitusprosessin.
Energiakustannukset: Ultraäänisekoitusreaktorin kuluttama energia on noin kolme kertaa pienempi kuin mekaanisen sekoittimen. Tämä energiankulutuksen huomattava väheneminen on seurausta voimakkaasta mikrosekoituksesta ja lyhentyneestä reaktioajasta, joka johtuu lukemattomien onteloiden tuotannosta ja romahtamisesta, jotka luonnehtivat akustisen / ultraäänikavitaation ilmiötä (Gholami et ai., 2018). Lisäksi tavanomaiseen sekoittimeen verrattuna energiankulutus metanolin talteenotto- ja biodieselin puhdistusvaiheissa ultraäänisekoitusprosessin aikana vähenee vastaavasti 26,5% ja 1,3%. Tämä lasku johtuu pienemmistä määristä metanolia, joka tulee näihin kahteen tislauskolonniin ultraäänitransesteröintiprosessissa.
Jätehuoltokustannukset: Ultraäänikavitaatiotekniikka vähentää myös huomattavasti jätteiden hävittämiskustannuksia. Tämä sonikaatioprosessin kustannus on noin viidesosa sekoitusprosessin kustannuksista, mikä johtuu jätteiden tuotannon merkittävästä vähenemisestä suuremman reaktorimuunnoksen ja kulutetun alkoholin pienempien määrien vuoksi.
Lue lisää käytettyjen kahvinporojen öljyjen ultraäänibiodieselin muuntamisesta!
Ympäristöystävällisyys: Erittäin korkean kokonaistehokkuuden, vähentyneen kemiallisen kulutuksen, alhaisempien energiavaatimusten ja vähentyneen jätteen ansiosta ultraäänibiodieselin tuotanto on huomattavasti ympäristöystävällisempää kuin perinteiset biodieselin valmistusprosessit.

Johtopäätös – Ultrasonics parantaa biodieselin tuotannon tehokkuutta

Tieteellinen arviointi osoittaa ultraäänisekoituksen selkeät edut verrattuna tavanomaiseen mekaaniseen sekoittamiseen biodieselin tuotannossa. Ultraäänibiodieselin käsittelyn etuja ovat kokonaispääomainvestoinnit, 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 neitsyt rypsiöljyä. Koska sonikaatio mahdollistaa myös käytettyjen öljyjen (esim. käytettyjen ruokaöljyjen) käsittelyn, tuotantokustannuksia voidaan vähentää merkittävästi edelleen. (2021) tulee siihen johtopäätökseen, että positiivisen nettonykyarvon vuoksi ultraäänikavitaatioprosessi on parempi sekoitustekniikan valinta biodieselin tuotantoon.
Teknisestä näkökulmasta ultraäänikavitaation tärkeimmät vaikutukset kattavat merkittävän prosessin tehokkuuden ja reaktioajan lyhenemisen. Lukuisten tyhjiökuplien muodostuminen ja romahtaminen – tunnetaan nimellä akustinen / ultraäänikavitaatio – Vähennä reaktioaikaa useista tunneista sekoitetussa säiliöreaktorissa muutamaan sekuntiin ultraäänikavitaatioreaktorissa. Tämä lyhyt viipymäaika mahdollistaa biodieselin tuotannon läpivirtausreaktorissa, jolla on pieni jalanjälki. Ultraäänikavitaatioreaktorilla on myös myönteisiä vaikutuksia energia- ja materiaalivaatimuksiin, mikä vähentää energiankulutusta lähes kolmannekseen sekoitetun säiliöreaktorin kuluttamasta ja metanolin ja katalyytin kulutuksesta 25%.
Taloudellisesta näkökulmasta ultraäänikavitaatioprosessin kokonaisinvestointi on pienempi kuin mekaanisen sekoitusprosessin, mikä johtuu pääasiassa reaktorikustannusten lähes 50%: n ja 11,6%: n vähenemisestä ja metanolin tislauskolonnin kustannuksista. Ultraäänikavitaatioprosessi vähentää myös biodieselin tuotantokustannuksia rypsiöljyn kulutuksen 4%: n vähenemisen, pienempien kokonaisinvestointien, 2,2% pienemmän kemikaalien kulutuksen ja 23,8% pienempien hyötyvaatimusten vuoksi. Toisin kuin mekaanisesti sekoitettu prosessi, ultraäänikäsittely on hyväksyttävä investointi sen positiivisen nettonykyarvon, lyhyemmän takaisinmaksuajan ja korkeamman sisäisen tuottoasteen vuoksi. Ultraäänikavitaatioprosessiin liittyvien teknistaloudellisten etujen lisäksi se on ympäristöystävällisempi kuin mekaaninen sekoitusprosessi. Ultraäänikavitaatio johtaa jätevirtojen vähenemiseen 80% reaktorin suuremman muunnoksen ja vähentyneen alkoholinkulutuksen vuoksi tässä prosessissa. (vrt. Gholami et al., 2021)

Käytä valitsemaasi katalyyttiä

Biodieselin ultraäänitransesteröintiprosessi on osoittautunut tehokkaaksi käyttämällä sekä emäksisiä että emäksisiä katalyyttejä. Esimerkiksi Shinde ja Kaliaguine (2019) vertasivat ultraääni- ja mekaanisen teräsekoituksen tehokkuutta käyttämällä erilaisia katalyyttejä, nimittäin natriumhydroksidia (NaOH), kaliumhydroksidia (KOH), (CH₃ONa), tetrametyyliammoniumhydroksidi ja neljä guanidiinia (propyyli-2,3-disykloheksyyliguanidiini (PCHG), 1,3-disykloheksyyli-2-n-oktyyliguanidiini (DCOG), 1,1,3,3-tetrametyyliguanidiini(TMG), 1,3-difenyyliguanidiini (DPG)). Ultraäänisekoitus (35º), kuten biodieselin tuotannossa on osoitettu, erinomainen mekaaninen sekoitus (65º) korkeammilla saannoilla ja muuntokurssilla. Massansiirron tehokkuus ultraäänikentässä paransi transesteröintireaktion nopeutta verrattuna mekaaniseen sekoittamiseen. Sonikaatio ylitti mekaanisen sekoittamisen kaikille testatuille katalyytteille. Transesteröintireaktion suorittaminen ultraäänikavitaatiolla on energiatehokas ja teollisesti kannattava vaihtoehto biodieselin tuotantoon. Laajalti käytettyjen katalyyttien KOH ja NaOH lisäksi molemmat guanidiinikatalyytit, propyyli-2,3-disykloheksyyliguanidiini (PCHG) ja 1,3-disykloheksyyli-2-n-oktyyliguanidiini (DCOG), on molemmat osoitettu mielenkiintoisiksi altrnatiiveiksi biodieselin muuntamiseen.
(2010) tutki ultraääniavusteista biodieselsynteesiä palmuöljystä käyttäen erilaisia alkalisia 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 reaktioajan kuluessa, 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 katalysaattoreina, 48,2%: sta 95,2%: iin käyttämällä SrO: ta katalysaattoreina ja 67,3%: sta 95,2: een käyttämällä BaO: ta katalysaattoreina.

Biodieselin tuotanto käyttäen katalysaattorina erilaisia guanidiineja (3% mol). (A) Mekaaninen sekoituspanosreaktori: (metanoli: rypsiöljy) 4:1, lämpötila 65 °C; B) Ultraäänipanosreaktori: ultraäänilaite UP200St, (metanoli: rypsiöljy) 4: 1, 60% Yhdysvaltain amplitudi, lämpötila 35 ºC. Ultraääniohjattu sekoitus ylittää ylivoimaisesti mekaanisen sekoittamisen.
(Tutkimus ja kaaviot: Shinde ja Kaliaguine, 2019)

Korkean suorituskyvyn ultraäänireaktorit erinomaiseen biodieselin käsittelyyn

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

Pienet ja keskisuuret biodieselreaktorit

Pienille ja keskisuurille biodieselin tuotannolle jopa 9 tonnia tunnissa (2900 gal / h) Hielscher tarjoaa sinulle UIP500hdT (500 wattia), UIP1000hdT (1000 wattia), UIP1500hdT (1500 wattia)ja UIP2000hdT (2000 wattia) ultraääni korkean leikkauksen sekoittimen mallit. Nämä neljä ultraäänireaktoria ovat erittäin kompakteja, helppo integroida tai jälkiasentaa. Ne on rakennettu raskaaseen käyttöön ankarissa ympäristöissä. Alta löydät suositellut reaktoriasetukset eri tuotantonopeuksille.

Erittäin suuren suorituskyvyn teolliset biodieselreaktorit

Teollisen jalostuksen biodieselin tuotantolaitoksille Hielscher tarjoaa UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) ja UIP16000hdT (16kW) ultraäänihomogenisaattorit! Nämä ultraääniprosessorit on suunniteltu suurten virtausnopeuksien jatkuvaan käsittelyyn. UIP4000hdT, UIP6000hdT ja UIP10000 voidaan integroida tavallisiin merirahtikontteihin. Vaihtoehtoisesti kaikki neljä prosessorimallia ovat saatavana ruostumattomasta teräksestä valmistetuissa kaapeissa. Pystyasennus vaatii vain vähän tilaa. Alta löydät suositellut asetukset tyypillisille teollisille käsittelynopeuksille.