Production de biodiesel avec un processus et un coût d'efficacité supérieurs

Le mélange par ultrasons est la technologie supérieure pour une production de biodiesel hautement efficace et rentable. La cavitation ultrasonique améliore considérablement le transfert de masse, ce qui réduit les coûts de production et la durée du traitement. Dans le même temps, il est possible d'utiliser des huiles et des graisses de mauvaise qualité (par exemple, des huiles usagées) et d'améliorer la qualité du biodiesel. Hielscher Ultrasonics fournit des réacteurs de mélange à ultrasons performants et robustes pour toute échelle de production. Découvrez comment votre production de biodiesel bénéficiera de la sonication !

Avantages de la production de biodiesel grâce aux ultrasons

Le biodiesel (ester méthylique d'acide gras, abrégé en FAME) est le produit d'une réaction de transestérification d'une matière première lipidique (triglycérides, par exemple, huile végétale, huiles de cuisson usagées, graisses animales, huile d'algues) et d'un alcool (méthanol, éthanol) à l'aide d'un catalyseur (par exemple, hydroxyde de potassium KOH).
Le problème: Dans la conversion conventionnelle du biodiesel à l'aide d'une agitation classique, la nature non miscible des deux réactifs de la réaction de transestérification de l'huile et de l'alcool entraîne un mauvais taux de transfert de masse, ce qui se traduit par une production inefficace de biodiesel. Cette inefficacité se caractérise par des temps de réaction longs, des rapports molaires méthanol-huile plus élevés, des besoins élevés en catalyseurs, des températures de traitement élevées et des taux d'agitation élevés. Ces facteurs sont des facteurs de coût importants qui font de la fabrication conventionnelle de biodiesel un processus coûteux.
La solution: Le mélange par ultrasons émulsifie les réactifs de manière très efficace, rapide et peu coûteuse, de sorte que le rapport huile-méthanol peut être amélioré, que les besoins en catalyseurs sont réduits et que le temps et la température de réaction sont abaissés. Ainsi, les ressources (c'est-à-dire les produits chimiques et l'énergie) ainsi que le temps sont économisés, les coûts de traitement sont réduits, tandis que la qualité du biodiesel et la rentabilité de la production sont considérablement améliorées. Ces faits font du mélange par ultrasons la technologie préférée pour la fabrication efficace de biodiesel.
La recherche et les producteurs industriels de biodiesel confirment que le mélange par ultrasons est un moyen très rentable de produire du biodiesel, même lorsque des huiles et des graisses de mauvaise qualité sont utilisées comme matière première. L'intensification du processus par ultrasons améliore considérablement le taux de conversion en réduisant l'utilisation de méthanol et de catalyseur en excès, ce qui permet de produire du biodiesel répondant à la norme de qualité des spécifications ASTM D6751 et EN 14212. (cf. Abdullah et al., 2015)

La transestérification des triglycérides en biodiesel (FAME) à l'aide de la sonication permet d'accélérer la réaction et d'obtenir un rendement nettement supérieur.

Nombreux avantages du mélange par ultrasons dans la production de biodiesel

Les réacteurs de mélange à ultrasons peuvent être facilement intégrés dans toute nouvelle installation ainsi que dans les usines de biodiesel existantes. L'intégration d'un mélangeur à ultrasons Hielscher transforme toute installation de biodiesel en une usine de production de haute performance. La simplicité d'installation, la robustesse et la convivialité (aucune formation spécifique à l'utilisation n'est requise) permettent de transformer n'importe quelle installation en une usine de biodiesel hautement efficace. Nous vous présentons ci-dessous des résultats d'avantages scientifiquement prouvés et documentés par des tiers indépendants. Les chiffres prouvent la supériorité du mélange ultrasonique de biodiesel sur toute technique d'agitation conventionnelle.

L'organigramme montre les étapes de production du biodiesel, y compris le mélange par ultrasons pour améliorer l'efficacité du processus.

Comparaison de l'efficacité et des coûts : Ultrasons et agitation mécanique

Gholami et al. (2021) présentent dans leur étude comparative les avantages de la transestérification par ultrasons par rapport à l'agitation mécanique (c'est-à-dire le mélangeur à pales, la turbine, le mélangeur à haut cisaillement).
Les coûts d'investissement : Le processeur et réacteur à ultrasons UIP16000 peut produire 192-384 t de biodiesel/j avec un encombrement de seulement 1,2m x 0,6m. En comparaison, pour l'agitation mécanique (MS), un réacteur beaucoup plus grand est nécessaire en raison du long temps de réaction dans le processus d'agitation mécanique, ce qui entraîne une augmentation significative du coût du réacteur. (cf. Gholami et al., 2020)
Frais de traitement : Les coûts de traitement pour la production de biodiesel par ultrasons sont inférieurs de 7,7 % à ceux du procédé par agitation, principalement en raison de l'investissement total inférieur pour le procédé par sonication. Le coût des produits chimiques (catalyseur, méthanol/alcool) est le troisième facteur de coût le plus important dans les deux procédés, sonication et brassage mécanique. Cependant, pour la conversion ultrasonique du biodiesel, les coûts des produits chimiques sont nettement inférieurs à ceux de l'agitation mécanique. La fraction du coût des produits chimiques représente environ 5 % du coût final du biodiesel. En raison de la moindre consommation de méthanol, d'hydroxyde de sodium et d'acide phosphorique, le coût des produits chimiques dans le processus de conversion ultrasonique du biodiesel est inférieur de 2,2 % à celui du processus d'agitation mécanique.
Les coûts énergétiques : L'énergie consommée par le réacteur de mélange à ultrasons est environ trois fois inférieure à celle de l'agitateur mécanique. Cette réduction considérable de la consommation d'énergie est le produit du micro-mélange intense et du temps de réaction réduit, résultant de la production et de l'effondrement d'innombrables cavités, qui caractérisent le phénomène de cavitation acoustique / ultrasonique (Gholami et al., 2018). En outre, par rapport à l'agitateur conventionnel, la consommation d'énergie pour les étapes de récupération du méthanol et de purification du biodiesel pendant le processus de mélange par ultrasons est réduite de 26,5% et 1,3%, respectivement. Cette baisse est due aux plus faibles quantités de méthanol entrant dans ces deux colonnes de distillation dans le processus de transestérification par ultrasons.
Les coûts d'élimination des déchets : La technologie de cavitation ultrasonique réduit aussi remarquablement le coût de l'élimination des déchets. Ce coût dans le procédé de sonication est d'environ un cinquième de celui du procédé d'agitation, ce qui résulte de la diminution significative de la production de déchets due à une conversion plus élevée du réacteur et à des quantités plus faibles d'alcool consommé.
Respect de l'environnement : En raison du rendement global très élevé, de la réduction de la consommation de produits chimiques, des besoins énergétiques moindres et de la diminution des déchets, la production de biodiesel par ultrasons est nettement plus respectueuse de l'environnement que les procédés de fabrication de biodiesel classiques.

Conclusion – Les ultrasons améliorent l'efficacité de la production de biodiesel

L'évaluation scientifique montre les avantages évidents du mélange par ultrasons par rapport à l'agitation mécanique classique pour la production de biodiesel. Les avantages du traitement du biodiesel par ultrasons comprennent l'investissement total en capital, le coût total du produit, la valeur actuelle nette et le taux de rendement interne. Le montant de l'investissement total dans le processus de cavitation ultrasonique s'est avéré inférieur à celui des autres d'environ 20,8 %. L'utilisation de réacteurs à ultrasons a permis de réduire le coût du produit de 5,2 %. – en utilisant de l'huile de canola vierge. Étant donné que la sonication permet de traiter également les huiles usagées (par exemple, les huiles de cuisson usagées), les coûts de production peuvent encore être réduits de manière significative. Gholami et al. (2021) arrivent à la conclusion qu'en raison d'une valeur actuelle nette positive, le procédé de cavitation ultrasonique est le meilleur choix de technologie de mélange pour la production de biodiesel.
D'un point de vue technique, les effets les plus importants de la cavitation ultrasonique recouvrent l'efficacité significative du processus et la réduction du temps de réaction. La formation et l'effondrement de nombreuses bulles de vide – connue sous le nom de cavitation acoustique / ultrasonique – réduire le temps de réaction de plusieurs heures dans le réacteur à réservoir agité à quelques secondes dans le réacteur à cavitation ultrasonique. Ce court temps de séjour permet de produire du biodiesel dans un réacteur à flux continu de faible encombrement. Le réacteur à cavitation ultrasonique présente également des effets bénéfiques sur les besoins en énergie et en matériaux, réduisant la consommation d'énergie à près d'un tiers de celle d'un réacteur à réservoir agité et la consommation de méthanol et de catalyseur de 25 %.
D'un point de vue économique, l'investissement total du procédé de cavitation ultrasonique est inférieur à celui du procédé d'agitation mécanique, principalement en raison de la réduction de près de 50 % et de 11,6 % du coût du réacteur et du coût de la colonne de distillation du méthanol, respectivement. Le procédé de cavitation ultrasonique réduit également le coût de production du biodiesel en raison d'une réduction de 4 % de la consommation d'huile de colza, d'un investissement total inférieur, d'une consommation de produits chimiques inférieure de 2,2 % et d'une réduction de 23,8 % des besoins en électricité. Contrairement au procédé par agitation mécanique, le traitement par ultrasons constitue un investissement acceptable en raison de sa valeur actuelle nette positive, de son délai de récupération plus court et de son taux de rendement interne plus élevé. En plus des avantages technico-économiques associés au procédé de cavitation ultrasonique, celui-ci est plus respectueux de l'environnement que le procédé d'agitation mécanique. La cavitation ultrasonique entraîne une réduction de 80 % des flux de déchets en raison de la conversion plus élevée dans le réacteur et de la consommation réduite d'alcool dans ce procédé. (cf. Gholami et al., 2021)

Utilisez le catalyseur de votre choix

Le processus de transestérification par ultrasons du biodiesel s'est avéré efficace en utilisant des catalyseurs alcalins ou basiques. Par exemple, Shinde et Kaliaguine (2019) ont comparé l'efficacité du mélange par ultrasons et par lame mécanique en utilisant différents catalyseurs, à savoir l'hydroxyde de sodium (NaOH), l'hydroxyde de potassium (KOH), (CH₃ONa), hydroxyde de tétraméthylammonium et quatre guanidines (Propyl-2,3-dicyclohexyl guanidine (PCHG), 1,3-dicyclohexyl 2 n-octyl guanidine (DCOG), 1,1,3,3-tetramethyl guanidine (TMG), 1,3-diphenyl guanidine (DPG)). Le mélange ultrasonique (à 35º) s'est avéré supérieur pour la production de biodiesel, surpassant le mélange mécanique (à 65º) par des rendements et un taux de conversion plus élevés. L'efficacité du transfert de masse dans le champ ultrasonique a amélioré le taux de réaction de transestérification par rapport à l'agitation mécanique. La sonication a surpassé l'agitation mécanique pour tous les catalyseurs testés. L'exécution de la réaction de transestérification par cavitation ultrasonique est une alternative économe en énergie et industriellement viable pour la production de biodiesel. Outre les catalyseurs KOH et NaOH largement utilisés, les deux catalyseurs à base de guanidine, la propyl-2,3 dicyclohexylguanidine (PCHG) et la 1,3-dicyclohexyl-2 n-octylguanidine (DCOG), se sont révélés être des alternatives intéressantes pour la conversion du biodiesel.
Mootabadi et al. (2010) ont étudié la synthèse de biodiesel assistée par ultrasons à partir d'huile de palme en utilisant divers catalyseurs d'oxydes de métaux alcalins tels que CaO, BaO et SrO. L'activité du catalyseur dans la synthèse de biodiesel assistée par ultrasons a été comparée au processus traditionnel d'agitation magnétique, et il a été constaté que le processus ultrasonique a montré 95,2% de rendement en utilisant BaO dans un temps de réaction de 60 minutes, qui autrement prend 3-4 h dans le processus d'agitation conventionnel. Pour la transestérification assistée par ultrasons dans des conditions optimales, 60 minutes ont été nécessaires pour obtenir un rendement de 95 %, contre 2 à 4 heures avec l'agitation classique. De plus, les rendements obtenus avec les ultrasons en 60 min ont augmenté de 5,5 % à 77,3 % en utilisant CaO comme catalyseur, de 48,2 % à 95,2 % en utilisant SrO comme catalyseur, et de 67,3 % à 95,2 en utilisant BaO comme catalyseur.

Production de biodiesel en utilisant différentes guanidines (3% mol) comme catalyseur. (A) Réacteur discontinu à agitation mécanique : (méthanol:huile de canola) 4:1, température 65ºC ; (B) Réacteur batch à ultrasons : ultrasoniseur UP200St(méthanol:huile de colza) 4:1, 60% d'amplitude US, température 35ºC. Le mélange par ultrasons surpasse de loin l'agitation mécanique.
(Étude et graphiques : Shinde et Kaliaguine, 2019)

Réacteurs à ultrasons haute performance pour un traitement supérieur du biodiesel

Hielscher Ultrasonics propose des processeurs et des réacteurs à ultrasons de haute performance pour améliorer la production de biodiesel, ce qui se traduit par des rendements plus élevés, une meilleure qualité, une réduction du temps de traitement et des coûts de production.

Des petites et moyennes réacteurs Biodiesel

Pour les petits et de taille moyenne la production de biodiesel jusqu'à 9ton / h (2900 gal / h), Hielscher vous offre la UIP500hdT (500 watts), UIP1000hdT (1000 watts), UIP1500hdT (1500 watts), et UIP2000hdT (2000 watts) modèles de mélangeurs ultrasoniques à haut cisaillement. Ces quatre réacteurs à ultrasons sont très compacts, faciles à intégrer ou à installer ultérieurement. Ils sont conçus pour un fonctionnement intensif dans des environnements difficiles. Vous trouverez ci-dessous les configurations de réacteurs recommandées pour une gamme de taux de production.

Réacteurs industriels de biodiesel à très grand débit

Pour les installations de production de biodiesel de transformation industrielle Hielscher offre la UIP4000hdT (4 kW)UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10 kW) et UIP16000hdT (16kW) homogénéisateurs à ultrasons ! Ces processeurs à ultrasons sont conçus pour le traitement en continu de débits élevés. Les modèles UIP4000hdT, UIP6000hdT et UIP10000 peuvent être intégrés dans des conteneurs de fret maritime standard. Alternativement, les quatre modèles de processeurs sont disponibles dans des armoires en acier inoxydable. Une installation verticale nécessite un espace minimal. Vous trouverez ci-dessous les configurations recommandées pour des taux de traitement industriels typiques.