Proizvodnja biodizela i konverzija u biodizel
Prevlad avajte ograničenja proizvodnje biodizela uz ultrazvučne reaktore! Spora kinetika reakcije i slab prijenos tvari mogu znatno smanjiti kapacitet vašeg postrojenja za proizvodnju biodizela, prinos i kvalitetu. Hielscher ultrazvučni reaktori rješavaju te izazove znatnim poboljšanjem kinetike transesterifikacije. Zbog toga je za proizvodnju biodizela potreban manji višak metanola i manje količine katalizatora.
Ultrazvučna kavitacija: vrhunsko rješenje za miješanje
Tradicionalna proizvodnja biodizela obično se odvija u šaržnim reaktorima uz unos energije toplinom i mehaničkim miješanjem. Ultrazvučna kavitacija nudi učinkovitu alternativu kojom se postiže bolje miješanje u komercijalnoj proizvodnji biodizela. Ta ultrazvučna kavitacija osigurava potrebnu energiju aktivacije za industrijsku transesterifikaciju u proizvodnji biodizela.
Ključne prednosti ultrazvučne transesterifikacije u proizvodnji biodizela:
- Više stope konverzije
- Kraća vremena reakcije
- Poboljšana kvaliteta proizvoda
- Mogućnost pretvorbe otpadnih ulja u FAME (metilne estere masnih kiselina)
Ultrazvučno miješanje poboljšava stopu konverzije u biodizel, povećava prinos i smanjuje potreban višak metanola te potrošnju katalizatora.
Ultrazvučno poboljšana transesterifikacija u proizvodnji biodizela
Proizvodnja biodizela obično uključuje kemijsku reakciju koja se naziva transesterifikacija, u kojoj triglicerid (primjerice biljno ulje, životinjska mast ili iskorištena ulja za kuhanje) reagira s alkoholom (primjerice metanolom) u prisutnosti katalizatora, pri čemu nastaju biodizel (metilni esteri masnih kiselina) i glicerol. Ultrazvučni reaktori mogu se upotrebljavati za poboljšanje procesa transesterifikacije na više načina, što donosi niz prednosti:
- Poboljšano miješanje: Ultrazvučni valovi mogu stvarati kavitacijske mjehuriće koji silovito kolabiraju, uzrokujući intenzivno miješanje i uzburkavanje reakcijske smjese. Time se poboljšava kontakt između reaktanata i katalizatora, što rezultira bržom i potpunijom transesterifikacijom.
- Ubrzana kinetika reakcije: Visokoenergetski uvjeti koje stvaraju ultrazvučni valovi mogu aktivirati reakciju, povećavajući brzinu reakcije i skraćujući vrijeme reakcije potrebno za postizanje određene razine konverzije. To može rezultirati većim prinosima i nižim troškovima.
- Smanjena potrošnja katalizatora: Ultrazvučni reaktori mogu poboljšati učinkovitost upotrebe katalizatora osiguravanjem većeg broja aktivnih mjesta za reakciju. To znači da je za postizanje iste razine konverzije potrebno manje katalizatora, čime se smanjuju troškovi i utjecaj na okoliš.
- Poboljšana kvaliteta proizvoda: Ultrazvučni reaktori mogu proizvesti biodizel s nižim udjelom slobodnih masnih kiselina, većom čistoćom i boljim svojstvima tečenja pri niskim temperaturama. To je rezultat poboljšanog miješanja i brže kinetike reakcije, koji svode nastajanje neželjenih nusproizvoda i nečistoća na najmanju moguću mjeru.
Te prednosti ultrazvučne obrade u proizvodnji biodizela čine upotrebu sustava s ultrazvučnim reaktorom vrlo ekonomičnom jer upotreba ultrazvučnih reaktora znatno poboljšava učinkovitost, brzinu i kvalitetu transesterifikacije u proizvodnji biodizela. Sveukupno, to znači da sonikacija čini transesterifikaciju ekonomski i okolišno održivijim procesom.
Problemi konvencionalnog miješanja u proizvodnji biodizela: Konvencionalna reakcija esterifikacije pri šaržnoj obradi obično je spora, a fazno odvajanje glicerina dugotrajno i često traje 5 sati ili više.
Ultrazvučni reaktori pomažu vam ubrzati proces proizvodnje biodizela te istodobno povećati prinos i kvalitetu biodizela uz niže troškove obrade!
Industrijski ultrazvučni uređaj UIP2000hdT s protočnom ćelijom FC2T500k za esterifikaciju i transesterifikaciju u proizvodnji biodizela izravno u toku.
Prednosti ultrazvučne transesterifikacije u proizvodnji biodizela
- Veći prinosi biodizela zahvaljujući poboljšanom miješanju
- Povećana kvaliteta biodizela
- Upotreba čak i ulja najlošije kvalitete kao sirovine
- Kontinuirana obrada izravno u toku
- Manje metanola
- Manje katalizatora
- Ušteda vremena zahvaljujući vrlo brzoj konverziji
- Ušteda energije
- Jednostavan i siguran rad
- Robusnost i mala potreba za održavanjem
- Visoka učinkovitost: rad 24/7 pod punim opterećenjem
Ultrazvučni reaktor UIP16000hdT proizvodi približno 32MMGY
“Vrlo smo zadovoljni opremom i uslugom tvrtke Hielscher te svakako namjeravamo uključiti tehnologiju sonikacije tvrtke Hielscher u sve naše buduće pothvate.”
Todd Stephens, Tulsa Biofuels
Ultrazvuk za proizvodnju biodizela
Biodizel se često proizvodi u šaržnim reaktorima. Ultrazvučna konverzija biodizela omogućuje kontinuiranu obradu u liniji. Sonikacijom se može postići prinos biodizela veći od 99%. Ultrazvučni reaktori skraćuju vrijeme obrade s uobičajenih 1 do 4 sata šaržne obrade na manje od 30 sekundi. Još važnije, sonikacija skraćuje vrijeme odvajanja s 5 do 10 sati (uz primjenu uobičajenog miješanja) na manje od 60 minuta. Sonikacija također pomaže smanjiti potrebnu količinu katalizatora za do 50% zbog povećane kemijske aktivnosti u prisutnosti kavitacije. Primjenom sonikacije smanjuje se i potrebna količina suvišnog metanola. Još je jedna prednost posljedično povećanje čistoće glicerina.
Ultrazvučna proizvodnja biodizela korak po korak:
- biljno ulje ili životinjska mast miješa se s metanolom (kojim nastaju metilni esteri) ili etanolom (za etilne estere) te natrijevim ili kalijevim metoksidom ili hidroksidom
- smjesa se zagrijava, npr. na temperature između 45 i 65degC
- zagrijana smjesa sonificira se u liniji 5 do 15 sekundi
- glicerin se izdvaja taloženjem ili odvaja centrifugama
- dobiveni biodizel ispire se vodom
Sonikacija se najčešće provodi pri povišenom tlaku (1 do 3bar, manometarski tlak) uz primjenu dobavne pumpe i podesivog protutlačnog ventila uz protočnu ćeliju.
Industrijska konverzija biodizela ne zahtijeva mnogo ultrazvučne energije. Stvarne potrebe za energijom mogu se odrediti na stolnom laboratorijskom sustavu, primjerice primjenom ultrazvučnog procesora snage 1kW kao što je UIP1000hdT. Svi rezultati takvih ispitivanja na stolnom laboratorijskom sustavu mogu se linearno i bez ikakvih problema prenijeti na veće mjerilo. Prema potrebi dostupni su ultrazvučni uređaji s ATEX certifikatom, kao što je UIP1000-Exd.
Hielscher isporučuje industrijsku ultrazvučnu opremu za obradu biodizela diljem svijeta. Uz ultrazvučne procesore snage do 16kW po pojedinačnom uređaju nema ograničenja veličine postrojenja za biodizel ni kapaciteta obrade.
Troškovi ultrazvučne proizvodnje biodizela
Sonikacija je učinkovito sredstvo za povećanje brzine reakcije i stupnja konverzije u komercijalnoj proizvodnji biodizela. Troškovi ultrazvučne obrade uglavnom proizlaze iz ulaganja u ultrazvučnu opremu, troškova energenata i komunalnih usluga te održavanja. Izvanredna energetska učinkovitost ultrazvučnih uređaja tvrtke Hielscher pomaže smanjiti troškove energenata i komunalnih usluga te time ovaj proces učiniti još prihvatljivijim za okoliš. Troškovi sonikacije koji iz toga proizlaze kreću se između 0,1ct i 1,0ct po litri (0,4ct do 1,9ct/gallon) pri primjeni u komercijalnim razmjerima.
Pročitajte više o učinkovitosti procesa i ekonomskim prednostima ultrazvučne proizvodnje biodizela!
Ultrazvučno miješanje smanjuje specifičnu potrošnju energije u proizvodnji biodizela te daleko nadmašuje hidrodinamičko magnetsko miješanje i miješalice s visokim smičnim silama.
Ultrazvučni sustav za proizvodnju biodizela u malom mjerilu
Sonikacija se može primjenjivati za pretvorbu ulja u biodizel u bilo kojem mjerilu. Slika u nastavku prikazuje sustav u malom mjerilu za obradu 60–70L (16 do 19 galona). To je tipičan sustav za početna istraživanja i demonstraciju procesa.
Ultrazvučna esterifikacija i transesterifikacija mogu se provoditi kao šaržni ili kontinuirani proces u liniji. Ovaj dijagram prikazuje ultrazvučni šaržni proces konverzije biodizela.
3x ultrazvučni uređaji snage 1kW modela 1000hdT s ultrazvučnim protočnim reaktorom za vrlo učinkovitu konverziju biodizela.
- jedan ultrazvučni uređaj (npr. UIP500hdT ili UIP1000hdT) s pojačivačem amplitude, sonotrodom i protočnom ćelijom
- mjerač snage za mjerenje snage i energije
- spremnik za obradu od 80L (plastični, npr. od HDPE-a)
- grijaći element (1 do 2kW)
- spremnik za predsmjesu katalizatora od 10L (plastični, npr. od HDPE-a)
- miješalica za pripremu predsmjese katalizatora
- pumpa (centrifugalna, monovijčana ili zupčasta) za približno 10 do 20L/min pri 1 do 3 barg
- protutlačni ventil za podešavanje tlaka u protočnoj ćeliji
- manometar za mjerenje dovodnog tlaka
Ultrazvučni reaktori za vrhunsku obradu biodizela
Hielscher Ultrasonics nudi ultrazvučne procesore i reaktore visokih performansi koji će unaprijediti vašu proizvodnju biodizela većim prinosima biodizela, poboljšanom kvalitetom biodizela, kraćim vremenom obrade i nižim troškovima proizvodnje.
Ultrazvučni reaktori za transesterifikaciju biodizela u malom i srednjem opsegu
Za proizvodnju biodizela u malom i srednjem opsegu do 9ton/hr (2900 gal/hr), Hielscher vam nudi UIP500hdT (500 vata), UIP1000hdT (1000 vata), UIP1500hdT (1500 vata) i UIP2000hdT (2000 vata) kao ultrazvučne miješalice s visokim smičnim silama i protočnim reaktorima za pouzdanu i učinkovitu obradu biodizela izravno u procesnoj liniji. Ova četiri ultrazvučna reaktora vrlo su kompaktna i jednostavna za integraciju ili naknadnu ugradnju. Konstruirana su za zahtjevan rad u teškim uvjetima. U nastavku ćete pronaći preporučene konfiguracije reaktora za različite proizvodne kapacitete.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT (500 vata) |
0,25 do 0,5
|
80 do 160
|
| 1x UIP1000hdT (1000 vata) |
0,5 do 1,0
|
160 do 320
|
| 1x UIP1500hdT (1500 vata) |
0,75 do 1,5
|
240 do 480
|
| 1x UIP2000hdT (2000 vata) |
1,0 do 2,0
|
320 do 640
|
| 2x UIP2000hdT (2000 vata) |
2,0 do 4,0
|
640 do 1280
|
| 4xUIP1500hdT (1500 vata) |
3,0 do 6,0
|
960 do 1920
|
| 6x UIP1500hdT (1500 vata) |
4,5 do 9,0
|
1440 do 2880
|
| 6x UIP2000hdT (2000 vata) |
6,0 do 12,0
|
1920 do 3840
|
Industrijski reaktori za biodizel vrlo velikog kapaciteta obrade
Za industrijska postrojenja za proizvodnju biodizela Hielscher nudi ultrazvučne homogenizatore UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10000 (10kW) i UIP16000hdT (16kW)! Ovi ultrazvučni procesori namijenjeni su kontinuiranoj obradi pri velikim protocima. UIP4000hdT, UIP6000hdT i UIP10000 mogu se ugraditi u standardne kontejnere za pomorski prijevoz. Alternativno, sva četiri modela procesora dostupna su u ormarima od nehrđajućeg čelika. Uspravna ugradnja zahtijeva minimalan prostor. U nastavku ćete pronaći preporučene konfiguracije za uobičajene industrijske kapacitete obrade.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
1x UIP6000hdT (6000 vata) |
3,0 do 6,0
|
960 do 1920
|
|---|---|---|
| 3x UIP4000hdT (4000 vata) |
6,0 do 12,0
|
1920 do 3840
|
| 5x UIP4000hdT (4000 vata) |
10,0 do 20,0
|
3200 do 6400
|
3x UIP6000hdT (6000 vata) |
9,0 do 18,0
|
2880 do 5880
|
| 3x UIP10000 (10.000 vata) |
15,0 do 30,0
|
4800 do 9600
|
| 3x UIP16000hdT (16.000 vata) |
24,0 do 48,0
|
7680 do 15.360
|
| 5x UIP16000hdT |
40,0 do 80,0
|
12.800 do 25.600
|
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Ultrazvučni uređaj UIP16000hdT može obraditi 32MMGY biodizela.
Tehnološka inovacija godine prema Frost & Sullivan
Hielscher Ultrasonics primio je prestižnu nagradu Frost and Sullivan za tehnološku inovaciju godine kao priznanje za razvoj nove ultrazvučne tehnologije za proizvodnju biodizela.
Kliknite ovdje da biste pročitali više o nagradi Frost and Sullivan za reaktore za biodizel tvrtke Hielscher Ultrasonics!
Transesterifikacija – kemijska pretvorba biodizela
Proizvodnja biodizela iz biljnih ulja (npr. soje, uljane repice, jatrofe, sjemenki suncokreta), algi, životinjskih masti te otpadnih jestivih ulja uključuje bazno kataliziranu transesterifikaciju masnih kiselina metanolom ili etanolom, pri čemu nastaju odgovarajući metilni esteri ili etilni esteri. Glicerin je neizbježan nusproizvod ove reakcije.
Biljna ulja, kao i životinjske masti, trigliceridi su sastavljeni od triju lanaca masnih kiselina povezanih molekulom glicerina. Trigliceridi su esteri. Esteri su kiseline, poput masnih kiselina, spojene s alkoholom. Glicerin (= glicerol) je teški alkohol. U procesu pretvorbe trigliceridni esteri pretvaraju se u alkilne estere (= biodizel) uz pomoć katalizatora (lužine) i alkoholnog reagensa, npr. metanola, čime nastaje biodizel od metilnih estera. Metanol zamjenjuje glicerin. Taj proces kemijske pretvorbe naziva se transesterifikacija.
Nakon transesterifikacije glicerin, koji je teža faza, potonut će na dno. Biodizel, koji je lakša faza, pluta na vrhu i može se odvojiti, npr. dekanterima ili centrifugama.
Priprema biodizela
Kalijev hidroksid (0,2 do 0,4kg, katalizator) otapa se u približno 8,5L metanola u spremniku za pripremu predsmjese katalizatora. Za to je potrebno miješanje predsmjese katalizatora. Spremnik za obradu puni se sa 66L biljnog ulja. Ulje se grijaćim elementom zagrijava na 45 do 65degC.
Pretvorba u biodizel
Kada se katalizator potpuno otopi u metanolu, predsmjesa katalizatora miješa se sa zagrijanim uljem. Pumpa dovodi smjesu u protočnu ćeliju. Ventilom za regulaciju protutlaka tlak se podešava na 1 do 3barg (15 do 45psig). Recirkulaciju kroz ultrazvučni reaktor za biodizel treba provoditi približno 20 minuta. Tijekom tog vremena ulje se pretvara u biodizel. Nakon toga isključuju se pumpa i ultrazvuk. Glicerin (teža faza) odvojit će se od biodizela (lakša faza). Odvajanje traje približno 30 do 60 minuta. Kada je odvajanje završeno, glicerin se može ispustiti.
Pranje biodizela
Budući da dobiveni biodizel sadrži nečistoće, potrebno ga je oprati. Za pranje se voda umiješa u biodizel. Sonikacija može poboljšati miješanje biodizela s vodom. Time se povećava aktivna površina zbog smanjenja veličine kapljica. Imajte na umu da vrlo intenzivna sonikacija može smanjiti kapljice vode do veličine pri kojoj nastaje gotovo stabilna emulzija, za čije će odvajanje biti potrebna posebna sredstva (npr. centrifuga).
Postrojenje za proizvodnju biodizela
Dijagram toka u nastavku prikazuje tipičan sustav za sonikaciju ulja, metanola i katalizatora u protoku radi pretvorbe u biodizel.
Ultrazvučna esterifikacija i transesterifikacija mogu se provoditi kao šaržni ili kontinuirani protočni proces. Dijagram prikazuje ultrazvučni protočni proces transesterifikacije za proizvodnju biodizela (FAME).
Kontinuirana obrada i odvajanje biodizela
U sustavu za kontinuiranu obradu biodizela i kontinuirano odvajanje zagrijano ulje i predsmjesa katalizatora kontinuirano se miješaju pomoću podesivih pumpi. Statička miješalica ugrađena u cjevovod poboljšava homogenost smjese koja se dovodi u ultrazvučni reaktor. Smjesa ulja i katalizatora prolazi kroz protočnu ćeliju, gdje se izlaže ultrazvučnoj kavitaciji približno 5 do 30 sekundi. Ventil za regulaciju protutlaka upotrebljava se za regulaciju tlaka u protočnoj ćeliji. Sonicirana smjesa ulazi u reaktorsku kolonu na vrhu. Volumen reaktorske kolone dimenzioniran je tako da omogućuje vrijeme zadržavanja u koloni od približno 1 sata. Tijekom tog vremena završava se reakcija transesterifikacije. Smjesa glicerina i biodizela nakon reakcije pumpa se u centrifugu, gdje se razdvaja na frakcije biodizela i glicerina. Naknadna obrada uključuje oporabu metanola, pranje i sušenje te se također može provoditi kontinuirano.
Ovaj sustav uklanja potrebu za šaržnom obradom u reaktorima za biodizel, konvencionalnim miješalicama i velikim spremnicima za odvajanje.
Brzina reakcije transesterifikacije u proizvodnji biodizela
Dijagrami u nastavku prikazuju tipične rezultate transesterifikacije ulja uljane repice (industrijske kvalitete) s natrijevim metoksidom (lijevo) i kalijevim hidroksidom (desno). U oba je ispitivanja kontrolni uzorak (plava linija) bio izložen intenzivnom mehaničkom miješanju. Crvena linija predstavlja sonicirani uzorak istog sastava u pogledu volumnog omjera, koncentracije katalizatora i temperature. Vodoravna os prikazuje vrijeme nakon miješanja odnosno sonikacije. Okomita os prikazuje volumen glicerina koji se istaložio na dnu. To je jednostavan način mjerenja brzine reakcije. U oba dijagrama sonicirani uzorak (crveno) reagira mnogo brže od kontrolnog uzorka (plavo).
Usporedba ultrazvučnog (crveni graf) i konvencionalnog miješanja (plavi graf) za proizvodnju biodizela – uz upotrebu natrijeva metoksida (lijevo) i kalijeva hidroksida (desno) kao katalizatora.
Poveznice na dobavljače opreme za biodizel
Kliknite ovdje za poveznice na dobavljače crpki i spremnika za industriju biodizela.
Kemijske i sigurnosne informacije
Pažljivo pročitajte informacije u nastavku kako biste spriječili komplikacije i štetne učinke na zdravlje.
Kemikalije za biodizel
Metanol je otrovan. Dugotrajna upotreba može uzrokovati oštećenje živaca. Može se i adsorbirati na koži. Ako dospije u oči, može uzrokovati sljepoću, a gutanje metanola može biti smrtonosno. Stoga poduzmite potrebne mjere opreza pri rukovanju metanolom. Preporučuje se upotreba kvalitetnog respiratora, pregače i gumenih rukavica.
Kalijev hidroksid (KOH) otrovan je i pri dodiru uzrokuje opekline kože. Potrebna je dobra ventilacija.
Osigurajte obilno i temeljito prozračivanje radnog prostora kako bi pare mogle izlaziti. Respiratori s filtarskim ulošcima za pare nisu učinkoviti protiv para metanola. Sustav s dovodom zraka (SCBA – samostalni aparat za disanje) pruža bolju zaštitu od para metanola.
Biodizel i gumeni dijelovi
Dugotrajan rad na 100% biodizelu može uzrokovati probleme s gumenim dijelovima motora koji su u dodiru s gorivom (crpka, crijeva, O-prstenovi). Zamjena čeličnim dijelovima ili vrlo otpornom gumom može ukloniti taj problem. Alternativno, u biodizel možete umiješati približno 25% konvencionalnog (fosilnog) dizela kako biste spriječili probleme.
Literatura / Reference
- 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 proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi, od laboratorijskih do industrijskih dimenzija.