બાયોડીઝલ ઉત્પાદનમાં ઊર્જા કાર્યક્ષમતા અને મિથેનોલની બચત

સોનિકેશન એ ઊર્જાની બચત કરતી મિશ્રણ તકનીક છે, જે પરસ્પર અમિશ્રણીય તેલ અને મિથેનોલના પ્રાવસ્થાઓ વચ્ચે તીવ્ર સૂક્ષ્મ મિશ્રણ અને ઝડપી દ્રવ્ય સ્થાનાંતરણ સર્જવા માટે અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશનનો ઉપયોગ કરે છે. બાયોડીઝલની પ્રક્રિયામાં આ અસર પ્રતિક્રિયાનો સમય ભારે પ્રમાણમાં ઘટાડે છે – કલાકોથી સેકન્ડો સુધી – અને ઓછા તાપમાને તથા મિથેનોલ અને ઉત્પ્રેરકના ઓછા ઉપયોગ સાથે કાર્યક્ષમ ટ્રાન્સએસ્ટરિફિકેશન શક્ય બનાવે છે. સોનિકેશન પોતે ઊર્જા કાર્યક્ષમ પ્રક્રિયા તકનીક હોવા ઉપરાંત, મિથેનોલ અને ઉત્પ્રેરકની જરૂરિયાતો ઘટાડે છે, ઊર્જાનો વ્યય ન્યૂનતમ કરે છે અને નિસ્યંદન દ્વારા મિથેનોલની પુનઃપ્રાપ્તિની જરૂરિયાત ઘટાડે છે, જેના કારણે તે પરંપરાગત યાંત્રિક હલાવવાની પદ્ધતિનો અત્યંત અસરકારક અને ટકાઉ વિકલ્પ બને છે.

બાયોડીઝલ ઉત્પાદનમાં પ્રક્રિયાના તીવ્રીકરણ માટે સોનિકેશન

બાયોડીઝલનું ઉત્પાદન પરંપરાગત રીતે ટ્રાન્સએસ્ટરિફિકેશન પ્રક્રિયામાં તેલ અને આલ્કોહોલને મિશ્રિત કરવા માટે યાંત્રિક બ્લેડવાળા એજિટેટરો પર આધાર રાખે છે. જોકે, આ પદ્ધતિમાં પરસ્પર અમિશ્રણીય પ્રાવસ્થાઓ વચ્ચે આંતરપૃષ્ઠીય સંપર્ક નબળો રહે છે, જેના કારણે પ્રતિક્રિયામાં લાંબો સમય લાગે છે, મિથેનોલનો મોટો વધારાનો જથ્થો જરૂરી બને છે અને મિશ્રણ તથા ત્યારબાદ નિસ્યંદન દ્વારા મિથેનોલની પુનઃપ્રાપ્તિ બંનેમાં ઊર્જાનો નોંધપાત્ર વ્યય થાય છે.
Hielscher Ultrasonics GmbH દ્વારા વિકસાવવામાં આવેલી અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશન તકનીકના અમલીકરણથી પ્રક્રિયાની કાર્યક્ષમતામાં મૂળભૂત સુધારો થયો છે. અલ્ટ્રાસોનિક રિએક્ટરો તીવ્ર ધ્વનિક ઊર્જા લાગુ કરે છે, જે પ્રવાહી પ્રાવસ્થામાં સૂક્ષ્મ કેવિટેશન પરપોટા ઉત્પન્ન કરે છે. આ પરપોટા અંદરની તરફ ધસી પડીને ફૂટે ત્યારે સ્થાનિક અતિઉષ્ણ વિસ્તારો, તીવ્ર સૂક્ષ્મ મિશ્રણ અને ઊંચા દ્રવ્ય સ્થાનાંતરણ દર સર્જાય છે, જે સૌમ્ય પરિસ્થિતિઓમાં ઝડપી ટ્રાન્સએસ્ટરિફિકેશન શક્ય બનાવે છે.

અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશન અને યાંત્રિક હલાવવાની પદ્ધતિની સરખામણી

1. પ્રતિક્રિયાની કાર્યક્ષમતા અને મિશ્રણનું પ્રદર્શન

અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશન (UC) અને યાંત્રિક હલાવવાની પદ્ધતિ (MS) વાપરતા રિએક્ટરોના તુલનાત્મક તકનીકી-આર્થિક મૂલ્યાંકનમાં (Gholami et al., 2021):
અલ્ટ્રાસોનિક રિએક્ટરે 5–15 સેકન્ડમાં 99% રૂપાંતરણ કાર્યક્ષમતા હાંસલ કરી,
જ્યારે યાંત્રિક રીતે હલાવવામાં આવતા રિએક્ટરને 95% રૂપાંતરણ કાર્યક્ષમતા સુધી પહોંચવા માટે ~80 મિનિટની જરૂર પડી.
આ પ્રચંડ વેગવૃદ્ધિ Hielscher રિએક્ટરો દ્વારા સર્જાતા ધ્વનિક સૂક્ષ્મ પ્રવાહો અને કેવિટેશનથી પ્રેરિત ઇમલ્સિફિકેશનને કારણે થાય છે. આ ક્રિયાવિધિઓ તેલમાં આલ્કોહોલનું સૂક્ષ્મ વિખેરણ સર્જે છે, જે આંતરપૃષ્ઠીય ક્ષેત્રફળમાં મોટા પ્રમાણમાં વધારો કરે છે અને દ્રવ્ય સ્થાનાંતરણનો અવરોધ ન્યૂનતમ કરે છે.
મિશ્રણનું શ્રેષ્ઠ પ્રદર્શન ઓછા તાપમાને (45–60°C) અને મધ્યમ દબાણે (~3 bar) ટ્રાન્સએસ્ટરિફિકેશન શક્ય બનાવે છે, જ્યારે પરંપરાગત પ્રક્રિયાઓમાં મિથેનોલનું બાષ્પીભવન અટકાવવા અને દ્રાવ્યતા જાળવવા માટે ઘણી વાર વધુ ઊંચા દબાણની (~4 bar) જરૂર પડે છે.

અલ્ટ્રાસોનિક મિશ્રણ બાયોડીઝલ ઉત્પાદનમાં વિશિષ્ટ ઊર્જા વપરાશ ઘટાડે છે અને હાઇડ્રોડાયનેમિક ચુંબકીય મિશ્રણ તથા ઉચ્ચ કાતરબળવાળા મિક્સરો કરતાં ઘણી વધારે સારી કામગીરી આપે છે.

2. ઊર્જા વપરાશ અને રિએક્ટરની રચના

Hielscher ની ફ્લો-થ્રૂ અલ્ટ્રાસોનિક સિસ્ટમો (દા.ત., UIP1500hdT, UIP16000hdT) ઉત્પાદિત બાયોડીઝલ માટે માત્ર ~3 kJ/Lની વિશિષ્ટ ઊર્જા જરૂરિયાત સાથે ઊંચી શક્તિ ઘનતા પૂરી પાડે છે. 50,000 t/y ક્ષમતાવાળા બાયોડીઝલ પ્લાન્ટના તકનીકી-આર્થિક મોડેલમાં, યાંત્રિક હલાવવાની પદ્ધતિને બદલે અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશન અપનાવવાથી પ્રક્રિયાની કુલ ઊર્જા જરૂરિયાતમાં 6.9%નો ઘટાડો થયો.

તેની વિગતવાર વહેંચણી આ મુજબ છે:

મુખ્ય બચત ટ્રાન્સએસ્ટરિફિકેશનના સમયમાં થતા ભારે ઘટાડાને કારણે થાય છે, જે ઓછા ઘનફળવાળા રિએક્ટરોનો ઉપયોગ અને ગરમ કરવાની ઓછી જરૂરિયાત શક્ય બનાવે છે. UIP16000hdT જેવા Hielscher રિએક્ટરોની સુઘડ ફ્લો-થ્રૂ રચના દરરોજ 384 t સુધી બાયોડીઝલ ઉત્પન્ન કરી શકે છે અને મોટા હલાવવાના ટાંકોમાં જોવા મળતી ઘનફળના ઉપયોગની અકાર્યક્ષમતા વિના, મોડ્યુલર એકમોના સમૂહીકરણ દ્વારા ઉત્પાદનનું પ્રમાણ વધારવાની સુવિધા આપે છે.

મિથેનોલની બચત અને પુનઃપ્રાપ્તિ માટેની ઊર્જામાં ઘટાડો

અલ્ટ્રાસોનિક પ્રક્રિયાના ઊર્જાકીય લાભમાં તેનો શ્રેષ્ઠ રીતે થતો મિથેનોલ ઉપયોગ મહત્વનો ફાળો આપે છે.
 પરંપરાગત યાંત્રિક હલાવવાની પદ્ધતિમાં પ્રતિક્રિયાને આગળ ધપાવવા માટે મિથેનોલ અને તેલનો 6:1 મોલર ગુણોત્તર જરૂરી હોય છે, જેના કારણે મિથેનોલનો મોટો વધારાનો જથ્થો રહે છે, જેને પછી ઊર્જાનો સઘન વપરાશ કરતી બાષ્પીભવન અથવા નિસ્યંદન પ્રક્રિયા દ્વારા પુનઃપ્રાપ્ત કરવો પડે છે.
જોકે, Hielscher ની અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશન તકનીક માત્ર 4–4.5:1 મિથેનોલ અને તેલના ગુણોત્તર સાથે લગભગ સંપૂર્ણ રૂપાંતરણ હાંસલ કરે છે. આલ્કોહોલના કાચા માલમાં આ 25% ઘટાડો કાચા માલનો ખર્ચ ઘટાડવાની સાથે હજારો લિટર મિથેનોલનું બાષ્પીભવન અને સંઘનન કરવાની જરૂરિયાત પણ ટાળે છે, જેનાથી મિથેનોલ પુનઃપ્રાપ્તિ સ્તંભમાં વરાળનો વપરાશ નોંધપાત્ર રીતે ઘટે છે.
વધુમાં, મિથેનોલ અને ઉત્પ્રેરકની ઓછી જરૂરિયાતો આડપેદાશોનું નિર્માણ ન્યૂનતમ કરે છે અને અનુવર્તી શુદ્ધીકરણને સરળ બનાવે છે, જે વધુ સ્વચ્છ પ્રાવસ્થા વિભાજન અને ક્ષારીય ગંદા પાણીના ઓછા નિર્માણમાં ફાળો આપે છે.

 
જાણો કે બાયોડીઝલ ઉત્પાદન માટે વપરાયેલાં રસોઈ તેલ અને ડુક્કરની ચરબી જેવા સસ્તા કાચા માલ સાથે પણ અલ્ટ્રાસોનિક બાયોડીઝલ ઉત્પાદન કેમ કાર્ય કરે છે!
 

અલ્ટ્રાસોનિક પદ્ધતિ પ્રથમ 1.5 મિનિટમાં આશરે 75% રૂપાંતરણ હાંસલ કરે છે અને 6 મિનિટ પછી લગભગ 90% રૂપાંતરણ પર સ્થિર થઈ જાય છે.
પરંપરાગત પદ્ધતિમાં રૂપાંતરણનો દર ઘણો ધીમો હોય છે અને 8 મિનિટ પછી માત્ર આશરે 40% રૂપાંતરણ થાય છે.

આર્થિક અને પર્યાવરણીય અસરો

Gholami et al. (2021)ના તકનીકી-આર્થિક મોડેલે દર્શાવ્યું કે:

• કુલ રોકાણ ખર્ચમાં આશરે 21% ઘટાડો થયો,
• પ્રતિ ટન ઉત્પાદન ખર્ચમાં આશરે 5% ઘટાડો થયો,
• કચરાનું નિર્માણ યાંત્રિક હલાવવાની પદ્ધતિથી થતા નિર્માણના પાંચમા ભાગ સુધી ઘટ્યું,
• ધનાત્મક NPV સાથે આંતરિક વળતર દર (IRR) સુધરીને 18.3% થયો, જ્યારે પરંપરાગત પ્રક્રિયા આર્થિક રીતે અવ્યવહારુ રહી.

પર્યાવરણીય દૃષ્ટિકોણથી, વધારાના મિથેનોલમાં ઘટાડો કરવાથી બાષ્પશીલ કાર્બનિક સંયોજનોનાં ઉત્સર્જનમાં સીધો ઘટાડો થાય છે અને ઉષ્મીય ઊર્જાનો વપરાશ ઘટે છે, જે અલ્ટ્રાસોનિક બાયોડીઝલ ઉત્પાદનને પર્યાવરણને અનુકૂળ ઉત્પાદનના ઉદ્દેશો સાથે સુસંગત બનાવે છે.

અલ્ટ્રાસોનિક બાયોડીઝલ રિએક્ટરના ફાયદાઓનો વિહંગાવલોકન

(તુલનાત્મક અભ્યાસનાં પરિણામો, સરખાવો: Gholami et al., 2021)

ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા ધરાવતા અલ્ટ્રાસોનિક બાયોડીઝલ રિએક્ટર્સ

Hielscher Ultrasonics દ્વારા ડિઝાઇન કરાયેલા અલ્ટ્રાસોનિક બાયોડીઝલ રિએક્ટર્સ ઝડપી અને એકસમાન ટ્રાન્સએસ્ટરિફિકેશનની સાથે ઊર્જા અને સામગ્રીની નોંધપાત્ર બચત પણ પ્રદાન કરે છે. વધારાના મિથેનોલના વપરાશમાં ઘટાડો – અને તેને અનુરૂપ ઊંચા તાપમાને પુનઃપ્રાપ્તિના તબક્કાઓની નાબૂદી – ટકાઉપણાની દૃષ્ટિએ એક મોટો લાભ છે.
મોડ્યુલર પદ્ધતિથી ક્ષમતા વધારવાની સુવિધા, જાળવણીની ઓછી જરૂરિયાતો અને વિષમપ્રાવસ્થિય ઉત્પ્રેરકો સાથેની સુસંગતતા સાથે મળીને, Hielscher સોનિકેટર્સ ઊર્જા-કાર્યક્ષમ અને સ્વચ્છ બાયોડીઝલ ઉત્પાદન ટેકનોલોજી માટે એક માપદંડ સ્થાપિત કરે છે.
 
Hielscher Ultrasonics બાયોડીઝલ ટેકનોલોજીના ફાયદાઓ વિશે વધુ વાંચો!
 

નીચેનું કોષ્ટક તમને Hielscher અલ્ટ્રાસોનિક બાયોડીઝલ રિએક્ટર્સની અંદાજિત પ્રક્રિયા ક્ષમતાનો ખ્યાલ આપે છે:

ડિઝાઇન, ઉત્પાદન અને પરામર્શ – જર્મનીમાં નિર્મિત ગુણવત્તા

Hielscher અલ્ટ્રાસોનિકેટરો તેમની સર્વોચ્ચ ગુણવત્તા અને ડિઝાઇનનાં ધોરણો માટે જાણીતા છે. મજબૂતાઈ અને સરળ સંચાલનને કારણે અમારા અલ્ટ્રાસોનિકેટરોને ઔદ્યોગિક સુવિધાઓમાં સરળતાથી સંકલિત કરી શકાય છે. Hielscher અલ્ટ્રાસોનિકેટરો કઠોર પરિસ્થિતિઓ અને પડકારજનક વાતાવરણમાં પણ સરળતાથી કાર્ય કરે છે.

Hielscher Ultrasonics ISO પ્રમાણિત કંપની છે અને અત્યાધુનિક ટેક્નોલોજી તથા વપરાશકર્તા માટેની સરળતા ધરાવતા ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળા અલ્ટ્રાસોનિકેટરો પર વિશેષ ભાર મૂકે છે. નિઃસંદેહ, Hielscher અલ્ટ્રાસોનિકેટરો CE અનુરૂપ છે અને UL, CSA તથા RoHs ની આવશ્યકતાઓ પૂર્ણ કરે છે.

સાહિત્ય / સંદર્ભો

• 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.