Production de biodiesel & conversion au biodiesel
Lorsque vous fabriquez du biodiesel, une cinétique de réaction lente et un mauvais transfert de masse réduisent la capacité de votre usine de biodiesel ainsi que le rendement et la qualité de votre biodiesel. Les réacteurs à ultrasons Hielscher améliorent considérablement la cinétique de transestérification. Par conséquent, le traitement du biodiesel nécessite moins de méthanol en excès et moins de catalyseur.
Le biodiesel est généralement produit dans des réacteurs discontinus utilisant la chaleur et le mélange mécanique comme source d'énergie. Le mélange par cavitation ultrasonique est une alternative efficace pour obtenir un meilleur mélange dans le traitement commercial du biodiesel. La cavitation ultrasonique fournit l'énergie d'activation nécessaire à la transestérification industrielle du biodiesel.
Le mélange par ultrasons améliore le taux de conversion du biodiesel, augmente le rendement et permet d'économiser l'excès de méthanol et de catalyseur.
Transestérification du biodiesel améliorée par ultrasons
La production de biodiesel implique généralement une réaction chimique appelée transestérification, dans laquelle un triglycéride (tel que l'huile végétale, la graisse animale, les huiles de cuisson usées) réagit avec un alcool (tel que le méthanol) en présence d'un catalyseur pour produire du biodiesel (esters méthyliques d'acides gras) et du glycérol. Les réacteurs à ultrasons peuvent être utilisés pour améliorer le processus de transestérification de plusieurs façons, ce qui présente plusieurs avantages :
- Mélange amélioré : Les ondes ultrasoniques peuvent créer des bulles de cavitation qui s'effondrent violemment, provoquant un mélange et une agitation intenses du mélange réactionnel. Cela permet un meilleur contact entre les réactifs et le catalyseur, ce qui se traduit par une transestérification plus rapide et plus complète.
- Cinétique de réaction accélérée : Les conditions de haute énergie générées par les ondes ultrasoniques peuvent activer la réaction, en augmentant la vitesse de réaction et en réduisant le temps de réaction nécessaire pour atteindre un niveau de conversion donné. Il peut en résulter des rendements plus élevés et des coûts moindres.
- Réduction de l'utilisation de catalyseurs : Les réacteurs à ultrasons peuvent améliorer l'efficacité de l'utilisation des catalyseurs en fournissant davantage de sites actifs pour la réaction. Cela signifie qu'il faut moins de catalyseur pour atteindre le même niveau de conversion, ce qui réduit les coûts et l'impact sur l'environnement.
- Amélioration de la qualité des produits : Les réacteurs à ultrasons peuvent produire du biodiesel avec une teneur plus faible en acides gras libres, une plus grande pureté et de meilleures propriétés d'écoulement à froid. Cela est dû à l'amélioration du mélange et à la cinétique de réaction plus rapide, qui minimisent la formation de sous-produits indésirables et d'impuretés.
Ces avantages du traitement du biodiesel par ultrasons rendent l'utilisation d'un réacteur à ultrasons très économique, car l'utilisation de réacteurs à ultrasons améliore considérablement l'efficacité, la vitesse et la qualité de la transestérification du biodiesel. En résumé, les ultrasons transforment la transestérification en un processus plus durable sur le plan économique et environnemental.
Problèmes de mélange du biodiesel conventionnel : La réaction d'estérification conventionnelle dans le cadre d'un traitement par lots a tendance à être lente, et la séparation de phase de la glycérine prend beaucoup de temps, souvent 5 heures ou plus.
Les réacteurs à ultrasons vous permettent d'accélérer votre processus de production de biodiesel et d'augmenter simultanément le rendement et la qualité de votre biodiesel à des coûts de traitement inférieurs !
Ultrasonateur industriel UIP2000hdT avec cellule d'écoulement FC2T500k pour l'estérification et la transestérification en ligne du biodiesel.
Les avantages de la transestérification du biodiesel par ultrasons
- Des rendements en biodiesel plus élevés grâce à un meilleur mélange
- Amélioration de la qualité du biodiesel
- Utiliser même le pétrole le plus pauvre comme matière première
- Traitement continu en ligne
- Moins de méthanol
- Moins de catalyseur
- Gain de temps grâce à une conversion à grande vitesse
- Économie d'énergie
- fonctionnement simple et sûr
- Robustesse et faible entretien
- Haute performance : fonctionnement 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 à pleine charge
"Nous avons été très satisfaits de l'équipement et du service de Hielscher et nous avons la ferme intention d'utiliser la technologie d'ultrasonication de Hielscher dans tous nos projets futurs".
Todd Stephens, Tulsa Biofuels
Ultrasons pour la production de biodiesel
Le biodiesel est souvent produit dans des réacteurs discontinus. La conversion du biodiesel par ultrasons permet un traitement continu en ligne. L'ultrasonication permet d'obtenir un rendement en biodiesel supérieur à 99 %. Les réacteurs à ultrasons réduisent le temps de traitement d'un traitement par lots conventionnel de 1 à 4 heures à moins de 30 secondes. Plus important encore, les ultrasons réduisent le temps de séparation de 5 à 10 heures (en utilisant l'agitation conventionnelle) à moins de 60 minutes. Les ultrasons permettent également de réduire la quantité de catalyseur nécessaire jusqu'à 50 % en raison de l'augmentation de l'activité chimique en présence de cavitation. L'utilisation des ultrasons permet également de réduire la quantité de méthanol excédentaire nécessaire. Un autre avantage est l'augmentation de la pureté de la glycérine qui en résulte.
Production de biodiesel par ultrasons, étape par étape :
- l'huile végétale ou la graisse animale est mélangée au méthanol (qui produit des esters méthyliques) ou à l'éthanol (pour les esters éthyliques) et au méthoxyde ou à l'hydroxyde de sodium ou de potassium
- le mélange est chauffé, par exemple à des températures comprises entre 45 et 65 degrés Celsius
- le mélange chauffé est sonifié en ligne pendant 5 à 15 secondes
- la glycérine s'écoule ou est séparée à l'aide de centrifugeuses
- le biodiesel converti est lavé à l'eau
Le plus souvent, la sonication est effectuée à une pression élevée (1 à 3 bars, pression manométrique) à l'aide d'une pompe d'alimentation et d'une soupape de contre-pression réglable située à côté de la cellule d'écoulement.
La conversion industrielle du biodiesel ne nécessite pas beaucoup d'énergie ultrasonique. Le besoin réel en énergie peut être déterminé à l'échelle du banc en utilisant, par exemple, un processeur ultrasonique de 1 kW tel que l'UIP1000hdT. Tous les résultats de ces essais en laboratoire peuvent être mis à l'échelle de façon linéaire et sans aucun problème. Si nécessaire, des appareils à ultrasons certifiés ATEX sont disponibles, tels que l'UIP1000hdT. UIP1000-Exd.
Hielscher fournit des équipements industriels de traitement du biodiesel par ultrasons dans le monde entier. Avec des processeurs à ultrasons d'une puissance allant jusqu'à 16 kW par appareil, il n'y a pas de limite à la taille de l'usine de biodiesel ou à la capacité de traitement.
Coûts de la fabrication de biodiesel par ultrasons
Les ultrasons sont un moyen efficace d'augmenter la vitesse de réaction et le taux de conversion dans la production commerciale de biodiesel. Les coûts du traitement par ultrasons résultent principalement de l'investissement dans l'équipement ultrasonique, des coûts d'utilisation et de la maintenance. L'efficacité énergétique exceptionnelle des ultrasons Hielscher permet de réduire les coûts d'utilisation et de rendre ce processus encore plus écologique. Les coûts résultant de l'ultrasonisation varient entre 0,1ct et 1,0ct par litre (0,4ct à 1,9ct/gallon) lorsqu'ils sont utilisés à l'échelle commerciale.
En savoir plus sur l'efficacité du processus et les avantages économiques de la production de biodiesel par ultrasons !
Le mélange ultrasonique réduit la consommation d'énergie spécifique dans la fabrication du biodiesel, surpassant de loin le mélange magnétique hydrodynamique et les mélangeurs à haut cisaillement.
Installation ultrasonique à petite échelle pour le biodiesel
Les ultrasons peuvent être utilisés pour convertir l'huile en biodiesel à n'importe quelle échelle. L'image ci-dessous montre une installation à petite échelle pour le traitement de 60-70L (16 à 19 gallons). Il s'agit d'une installation typique pour les études initiales et la démonstration du processus.
L'estérification et la transestérification par ultrasons peuvent être effectuées en ligne par lots ou en continu. Ce graphique illustre le procédé ultrasonique par lots pour la conversion du biodiesel.
3x 1kW ultrasons du modèle 1000hdT avec un réacteur à flux ultrasonique pour une conversion très efficace du biodiesel.
- un appareil à ultrasons (par exemple, UIP500hdT ou UIP1000hdT) avec amplificateur, sonotrode et cellule d'écoulement
- compteur de puissance pour mesurer la puissance et l'énergie
- Réservoir de traitement de 80 litres (plastique, par exemple HDPE)
- élément chauffant (1 à 2kW)
- Réservoir de prémélange du catalyseur de 10 litres (plastique, par exemple HDPE)
- prémélangeur de catalyseur (agitateur)
- pompe (centrifuge, mono ou à engrenages) pour environ 10 à 20L/min à 1 à 3 barg
- soupape de contre-pression pour ajuster la pression dans la cellule d'écoulement
- manomètre pour mesurer la pression d'alimentation
Réacteurs à ultrasons pour un traitement supérieur du biodiesel
Hielscher Ultrasonics propose des processeurs et réacteurs à ultrasons de haute performance, qui amélioreront votre production de biodiesel en augmentant les rendements, en améliorant la qualité du biodiesel, en réduisant le temps de traitement et les coûts de production.
Réacteurs ultrasoniques à petite et moyenne échelle pour la transestérification du biodiesel
Pour les petites et moyennes productions de biodiesel allant jusqu'à 9 tonnes/heure (2900 gal/heure), Hielscher vous propose les UIP500hdT (500 watts), UIP1000hdT (1000 watts), UIP1500hdT (1500 watts) et UIP2000hdT (2000 watts) comme mélangeurs ultrasoniques à haut cisaillement avec réacteurs à écoulement continu pour un traitement fiable et efficace du biodiesel en ligne. Ces quatre réacteurs à ultrasons sont très compacts, faciles à intégrer ou à rééquiper. Ils sont conçus pour fonctionner dans des conditions difficiles. Vous trouverez ci-dessous les configurations de réacteurs recommandées pour une gamme de taux de production.
|
tonne/hr
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT (500 watts) |
00,25 à 0,5
|
80 à 160
|
| 1x UIP1000hdT (1000 watts) |
0.5 à 1.0
|
160 à 320
|
| 1x UIP1500hdT (1500 watts) |
0.75 à 1,5
|
240 à 480
|
| 1x UIP2000hdT (2000 watts) |
1,0 à 2,0
|
320 à 640
|
| 2x UIP2000hdT (2000 watts) |
2.0 à 4.0
|
640 à 1280
|
| 4xUIP1500hdT (1500 watts) |
3,0 à 6,0
|
960 à 1920
|
| 6x UIP1500hdT (1500 watts) |
4,5 à 9,0
|
1440 à 2880
|
| 6x UIP2000hdT (2000 watts) |
6,0 à 12,0
|
1920 à 3840
|
Réacteurs industriels à très grand débit pour le biodiesel
Pour le traitement industriel des usines de production de biodiesel, Hielscher propose les homogénéisateurs à ultrasons UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10000 (10kW) et UIP16000hdT (16kW) ! Ces processeurs à ultrasons sont conçus pour le traitement en continu de débits élevés. Les UIP4000hdT, UIP6000hdT et UIP10000 peuvent être intégrés dans des conteneurs de fret maritime standard. Les quatre modèles de processeurs sont également disponibles dans des armoires en acier inoxydable. Une installation verticale nécessite un minimum d'espace. Vous trouverez ci-dessous les configurations recommandées pour des taux de traitement industriels typiques.
|
tonne/hr
|
gal/hr
|
1x UIP6000hdT (6000 watts) |
3,0 à 6,0
|
960 à 1920
|
|---|---|---|
| 3x UIP4000hdT (4000 watts) |
6,0 à 12,0
|
1920 à 3840
|
| 5x UIP4000hdT (4000 watts) |
10,0 à 20,0
|
3200 à 6400
|
3x UIP6000hdT (6000 watts) |
9,0 à 18,0
|
2880 à 5880
|
| 3x UIP10000 (10 000 watts) |
15,0 à 30,0
|
4800 à 9600
|
| 3x UIP16000hdT (16 000 watts) |
24,0 à 48,0
|
7680 à 15360
|
| 5x UIP16000hdT |
40,0 à 80,0
|
12800 à 25600
|
Contactez nous ! / Demandez-nous !
L'appareil à ultrasons UIP16000hdT est capable de traiter 32 millions de tonnes de biodiesel.
Givre & Innovation technologique Sullivan de l'année
Hielscher Ultrasonics a reçu le prestigieux prix Frost and Sullivan Technology Innovation of the Year en reconnaissance de la mise au point par l'entreprise d'une nouvelle technologie ultrasonique pour la production de biodiesel.
Cliquez ici pour en savoir plus sur le prix Frost and Sullivan décerné aux réacteurs biodiesel de Hielscher Ultrasonics !
transestérification – La conversion chimique du biodiesel
La fabrication de biodiesel à partir d'huiles végétales (soja, canola, jatropha, graines de tournesol), d'algues, de graisses animales et d'huiles de cuisson usagées implique la transestérification catalysée par une base d'acides gras avec du méthanol ou de l'éthanol pour donner les esters méthyliques ou éthyliques correspondants. La glycérine est un sous-produit inévitable de cette réaction.
Les huiles végétales comme les graisses animales sont des triglycérides composés de trois chaînes d'acides gras liées par une molécule de glycérine. Les triglycérides sont des esters. Les esters sont des acides, comme les acides gras, combinés à un alcool. La glycérine (= glycérol) est un alcool lourd. Dans le processus de conversion, les esters de triglycérides sont transformés en esters d'alkyle (= biodiesel) à l'aide d'un catalyseur (soude) et d'un réactif alcoolique, par exemple le méthanol, ce qui donne des esters méthyliques de biodiesel. Le méthanol remplace la glycérine. Ce processus de conversion chimique est appelé transestérification.
Après la transestérification, la glycérine, qui est la phase la plus lourde, coule au fond. Le biodiesel, qui est la phase la plus légère, flotte à la surface et peut être séparé, par exemple au moyen de décanteurs ou de centrifugeuses.
Préparation du biodiesel
L'hydroxyde de potassium (0,2 à 0,4 kg, catalyseur) est dissous dans environ 8,5 litres de méthanol dans le réservoir de prémélange du catalyseur. Le prémélange du catalyseur doit être agité. Le réservoir de traitement est rempli de 66 litres d'huile végétale. L'huile est chauffée par l'élément chauffant à une température comprise entre 45 et 65 degrés Celsius.
conversion au biodiesel
Lorsque le catalyseur est entièrement dissous dans le méthanol, le prémélange de catalyseur est mélangé à l'huile chauffée. La pompe alimente le mélange dans la cellule d'écoulement. Au moyen de la soupape de contre-pression, la pression est réglée entre 1 et 3 bar (15 et 45 psig). La recirculation dans le réacteur ultrasonique à biodiesel doit être effectuée pendant environ 20 minutes. Pendant ce temps, l'huile est transformée en biodiesel. Ensuite, la pompe et les ultrasons sont arrêtés. La glycérine (phase plus lourde) se sépare du biodiesel (phase plus légère). La séparation dure environ 30 à 60 minutes. Lorsque la séparation est terminée, la glycérine peut être vidangée.
Lavage du biodiesel
Comme le biodiesel converti contient des impuretés, un lavage est nécessaire. Pour ce faire, de l'eau est mélangée au biodiesel. Les ultrasons peuvent favoriser le mélange du biodiesel avec l'eau. Cela augmente la surface active en raison de la réduction de la taille des gouttelettes. Il faut tenir compte du fait qu'une sonication très intense peut réduire les gouttelettes d'eau à une taille telle qu'il se forme une émulsion presque stable qui nécessitera des moyens spéciaux (par exemple, une centrifugeuse) pour être séparée.
Usine de fabrication de biodiesel
L'organigramme ci-dessous montre une installation typique pour la sonication en ligne de l'huile, du méthanol et du catalyseur pour la conversion en biodiesel.
L'estérification et la transestérification par ultrasons peuvent être effectuées en ligne par lots ou en continu. Le graphique montre le procédé ultrasonique en ligne pour la transestérification du biodiesel (FAME).
Traitement et séparation en continu du biodiesel
Dans une installation pour le traitement continu du biodiesel et la séparation continue, l'huile chauffée et le pré-mélange catalytique sont mélangés en continu à l'aide de pompes réglables. Un mélangeur statique en ligne améliore l'homogénéité de l'alimentation du réacteur à ultrasons. Le mélange huile/catalyseur passe dans la cellule d'écoulement, où il est exposé à la cavitation ultrasonique pendant environ 5 à 30 secondes. Une soupape de contre-pression est utilisée pour contrôler la pression dans la cellule d'écoulement. Le mélange sonifié entre dans la colonne du réacteur par le haut. Le volume de la colonne du réacteur est conçu pour permettre un temps de rétention d'environ 1 heure dans la colonne. Pendant ce temps, la réaction de transestérification est achevée. Le mélange glycérine/biodiesel réagi est pompé vers la centrifugeuse où il est séparé en fractions de biodiesel et de glycérine. Le post-traitement comprend la récupération du méthanol, le lavage et le séchage et peut également être effectué en continu.
Cette configuration élimine les lots de réacteurs de biodiesel, les agitateurs conventionnels et les grands réservoirs de séparation.
Vitesse de réaction de la transestérification du biodiesel
Les diagrammes ci-dessous montrent les résultats typiques de la transestérification de l'huile de colza (qualité industrielle) avec du méthoxyde de sodium (à gauche) et de l'hydroxyde de potassium (à droite). Pour les deux tests, un échantillon de contrôle (ligne bleue) a été exposé à un mélange mécanique intense. La ligne rouge représente l'échantillon soniqué de la même formulation en ce qui concerne le rapport de volume, la concentration du catalyseur et la température. L'axe horizontal indique le temps écoulé après le mélange ou la sonication, respectivement. L'axe vertical indique le volume de glycérine qui s'est déposé au fond. Il s'agit d'un moyen simple de mesurer la vitesse de réaction. Dans les deux diagrammes, l'échantillon sonifié (rouge) réagit beaucoup plus rapidement que l'échantillon témoin (bleu).
Comparaison entre le mélange ultrasonique (graphique rouge) et le mélange conventionnel (graphique bleu) pour la production de biodiesel – en utilisant le méthoxyde de sodium (à gauche) et l'hydroxyde de potassium (à droite) comme catalyseurs.
Liens pour l'approvisionnement en biodiesel
Informations sur les produits chimiques et la sécurité
Veuillez lire attentivement les informations ci-dessous afin d'éviter les complications et les effets néfastes sur la santé.
Produits chimiques pour biodiesel
Le méthanol est toxique. Il peut provoquer une détérioration des nerfs à la suite d'un usage prolongé. Il peut également être absorbé par la peau. En cas de projection dans les yeux, il peut provoquer la cécité et l'ingestion de méthanol peut être fatale. C'est pourquoi il convient de prendre les précautions nécessaires lors de la manipulation du méthanol. Il est recommandé d'utiliser un bon respirateur, un tablier et des gants en caoutchouc.
L'hydroxyde de potassium (KOH) est toxique et provoque des brûlures cutanées en cas de contact. Une bonne ventilation est nécessaire.
Veillez à ce que l'espace de travail soit largement et complètement ventilé pour permettre aux fumées de s'échapper. Les respirateurs à cartouche de vapeur ne sont pas efficaces contre les vapeurs de méthanol. Un système à adduction d'air (SCBA — Self-Contained Breathing Apparatus) offre une meilleure protection contre les vapeurs de méthanol.
Biodiesel et pièces en caoutchouc
L'utilisation prolongée de biodiesel à 100 % peut entraîner des complications pour les pièces en caoutchouc mouillées (pompe, tuyaux, joints toriques) du moteur. Le remplacement par des pièces en acier ou en caoutchouc résistant peut éliminer ce problème. Vous pouvez également mélanger environ 25 % de diesel conventionnel (fossile) à votre biodiesel pour éviter les complications.
Littérature / Références
- 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.
Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons très performants à partir de laboratoires à taille industrielle.