Proizvodnja biodizela & pretvorba biodizela
Kada proizvodite biodizel, spora kinetika reakcije i loš prijenos mase smanjuju kapacitet vašeg postrojenja za biodizel, kao i prinos i kvalitetu biodizela. Hielscher ultrazvučni reaktori značajno poboljšavaju kinetiku transesterifikacije. Stoga je za preradu biodizela potreban manji višak metanola i manje katalizatora.
Biodizel se obično proizvodi u šaržnim reaktorima koristeći toplinu i mehaničko miješanje kao unos energije. Ultrazvučno kavitacijsko miješanje učinkovita je alternativa za postizanje boljeg miješanja u komercijalnoj preradi biodizela. Ultrazvučna kavitacija osigurava potrebnu aktivacijsku energiju za industrijsku transesterifikaciju biodizela.
Ultrazvučno miješanje poboljšava stopu konverzije biodizela, povećava prinos i štedi višak metanola i katalizatora.
Ultrazvučno poboljšana transesterifikacija biodizela
Proizvodnja biodizela obično uključuje kemijsku reakciju zvanu transesterifikacija, u kojoj triglicerid (kao što je biljno ulje, životinjska mast, istrošeno ulje za kuhanje) reagira s alkoholom (kao što je metanol) u prisutnosti katalizatora za proizvodnju biodizela (metilni esteri masnih kiselina ) i glicerol. Ultrazvučni reaktori mogu se koristiti za poboljšanje procesa transesterifikacije na nekoliko načina, što dovodi do nekoliko prednosti:
- Poboljšano miješanje: Ultrazvučni valovi mogu stvoriti kavitacijske mjehuriće koji se nasilno kolabiraju, uzrokujući intenzivno miješanje i agitaciju reakcijske smjese. To dovodi do boljeg kontakta između reaktanata i katalizatora, što rezultira bržom i potpunijom transesterifikacijom.
- Kinetika ubrzane reakcije: Uvjeti visoke energije koje generiraju ultrazvučni valovi mogu aktivirati reakciju, povećavajući brzinu reakcije i smanjujući vrijeme reakcije potrebno za postizanje određene razine pretvorbe. To može rezultirati većim prinosima i nižim troškovima.
- Smanjena upotreba katalizatora: Ultrazvučni reaktori mogu poboljšati učinkovitost korištenja katalizatora pružanjem više aktivnih mjesta za reakciju. To znači da je potrebno manje katalizatora za postizanje iste razine pretvorbe, smanjujući troškove i utjecaj na okoliš.
- Poboljšana kvaliteta proizvoda: Ultrazvučni reaktori mogu proizvesti biodizel s nižim sadržajem slobodnih masnih kiselina, većom čistoćom i boljim svojstvima hladnog protoka. To je zbog poboljšanog miješanja i brže kinetike reakcije, što minimalizira stvaranje neželjenih nusproizvoda i nečistoća.
Ove prednosti ultrazvučne obrade biodizela čine korištenje ultrazvučnog reaktora vrlo ekonomičnim budući da korištenje ultrazvučnih reaktora značajno poboljšava učinkovitost, brzinu i kvalitetu transesterifikacije biodizela. Ukratko, to znači da ultrazvučna obrada transesterifikacije pretvara u ekonomski i ekološki održiviji proces.
Problemi konvencionalnog miješanja biodizela: Konvencionalna reakcija esterifikacije u šaržnoj obradi ima tendenciju biti spora, a odvajanje faza glicerina je dugotrajno, često traje 5 sati ili više.
Ultrazvučni reaktori vam pomažu da ubrzate svoj proces biodizela i istovremeno povećate prinos i kvalitetu biodizela uz niže troškove prerade!
Industrijski ultrazvučni uređaj UIP2000hdT s protočnom ćelijom FC2T500k za inline esterfikaciju i transesterifikaciju biodizela.
Prednosti ultrazvučne transesterifikacije biodizela
- Veći prinosi biodizela zahvaljujući poboljšanom miješanju
- Povećana kvaliteta biodizela
- Koristite čak i najlošije ulje kao sirovinu
- Kontinuirana inline obrada
- Manje metanola
- Manje katalizatora
- Ušteda vremena zahvaljujući pretvorbi velike brzine
- Ušteda energije
- jednostavan i siguran rad
- Robusnost i malo održavanja
- Visoke performanse: 24/7 rad pod punim opterećenjem
"Bili smo jako zadovoljni Hielscherovom opremom i uslugom i imamo svaku namjeru uključiti Hielscher ultrazvučnu tehnologiju u sva naša buduća nastojanja."
Todd Stephens, Tulsa Biogoriva
Ultrazvuk za proizvodnju biodizela
Biodizel se često proizvodi u šaržnim reaktorima. Ultrazvučna pretvorba biodizela omogućuje kontinuiranu inline obradu. Ultrasonication može postići prinos biodizela veći od 99%. Ultrazvučni reaktori smanjuju vrijeme obrade s konvencionalne serijske obrade od 1 do 4 sata na manje od 30 sekundi. Još važnije, ultrazvučna obrada smanjuje vrijeme odvajanja s 5 do 10 sati (koristeći konvencionalno miješanje) na manje od 60 minuta. Ultrasonication također pomaže smanjiti količinu katalizatora potrebnog do 50% zbog povećane kemijske aktivnosti u prisutnosti kavitacije. Kada se koristi ultrazvuk, smanjena je i količina potrebnog viška metanola. Još jedna prednost je rezultirajuće povećanje čistoće glicerina.
Ultrazvučna proizvodnja biodizela korak po korak:
- biljno ulje ili životinjska mast se miješaju s metanolom (koji čini metil estere) ili etanolom (za etil estere) i natrijevim ili kalijevim metoksidom ili hidroksidom
- smjesa se zagrijava, npr. na temperature između 45 i 65°C
- zagrijana smjesa se sonicira u liniji 5 do 15 sekundi
- glicerin ispada ili se odvaja centrifugama
- pretvoreni biodizel se ispere vodom
Najčešće se sonikacija izvodi pri povišenom tlaku (1 do 3 bara, mjerni tlak) pomoću pumpe za napajanje i podesivog protutlačnog ventila pored protočne ćelije.
Industrijska pretvorba biodizela ne zahtijeva mnogo ultrazvučne energije. Stvarni energetski zahtjevi mogu se odrediti na stacionarnoj razini pomoću npr. ultrazvučnog procesora od 1kW kao što je UIP1000hdT. Svi rezultati iz takvih ispitivanja na stolu mogu se skalirati linearno i bez ikakvih problema. Ako je potrebno, 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 jednom uređaju, nema ograničenja u veličini postrojenja za biodizel ili kapacitetu prerade.
Troškovi ultrazvučne proizvodnje biodizela
Ultrasonication je učinkovito sredstvo za povećanje brzine reakcije i stope pretvorbe u komercijalnoj proizvodnji biodizela. Troškovi ultrazvučne obrade uglavnom proizlaze iz ulaganja u ultrazvučnu opremu, troškova komunalnih usluga i održavanja. Izvanredna energetska učinkovitost Hielscher ultrasonicators pomaže u smanjenju komunalnih troškova i na taj način učiniti ovaj proces još zelenijim. Rezultirajući troškovi za ultrazvuk variraju između 0,1 ct i 1,0 ct po litri (0,4 ct do 1,9 ct/galon) kada se koristi u komercijalnoj mjeri.
Pročitajte više o učinkovitosti procesa i ekonomskim prednostima ultrazvučne proizvodnje biodizela!
Ultrazvučno miješanje smanjuje specifičnu potrošnju energije u proizvodnji biodizela daleko nadmašuje hidrodinamičko magnetsko miješanje i visokosmične miješalice.
Mala ultrazvučna postavka za biodizel
Ultrasonication se može koristiti za pretvorbu nafte u biodizel u bilo kojoj mjeri. Donja slika prikazuje malu vagu za obradu 60-70L (16 do 19 galona). Ovo je tipična postavka za početne studije i demonstraciju procesa.
Ultrazvučna esterifikacija i transesterifikacija mogu se izvoditi kao šaržni ili kontinuirani inline proces. Ovaj grafikon prikazuje ultrazvučni šaržni proces za pretvorbu biodizela.
3x 1kW ultrazvučnika modela 1000hdT s ultrazvučnim protočnim reaktorom za visoko učinkovitu pretvorbu biodizela.
- jedan ultrazvučni uređaj (npr. UIP500hdT ili UIP1000hdT) s pojačivačem, sonotrodom i protočnom ćelijom
- mjerač snage za mjerenje snage i energije
- 80L spremnik za obradu (plastika, npr. HDPE)
- grijač (1 do 2kW)
- 10L spremnik za prethodno miješanje katalizatora (plastika, npr. HDPE)
- predmikser katalizatora (mješalica)
- pumpa (centrifuga, mono ili zupčanik) za cca. 10 do 20 L/min pri 1 do 3 bara
- protutlačni ventil za podešavanje tlaka u protočnoj ćeliji
- mjerač tlaka za mjerenje tlaka napajanja
Ultrazvučni reaktori za vrhunsku obradu biodizela
Hielscher Ultrasonics nudi ultrazvučne procesore i reaktore visokih performansi, koji će poboljšati vašu proizvodnju biodizela većim prinosima biodizela, poboljšanom kvalitetom biodizela, smanjenim vremenom obrade i nižim troškovima proizvodnje.
Mali i srednji ultrazvučni reaktori za transesterifikaciju biodizela
Za malu i srednju proizvodnju biodizela do 9 tona/h (2900 gal/h), Hielscher vam nudi UIP500hdT (500 vata), UIP1000hdT (1000 vata), UIP1500hdT (1500 vata) i UIP2000hdT (2000 vata) kao ultrazvučne visokosmične miješalice s protočnim reaktorima za pouzdanu i učinkovitu inline obradu biodizela. Ova četiri ultrazvučna reaktora vrlo su kompaktna, lako ih je integrirati ili naknadno ugraditi. Napravljeni su za teške uvjete rada u teškim uvjetima. U nastavku ćete pronaći preporučene postavke reaktora za niz proizvodnih stopa.
tona/sat | gal/sat | |
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT (500 W) | 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 biodizelski reaktori vrlo velike propusnosti
Za industrijsku preradu postrojenja za proizvodnju biodizela Hielscher nudi ultrazvučne homogenizatore UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10000 (10kW) i UIP16000hdT (16kW)! Ovi ultrazvučni procesori dizajnirani su za kontinuiranu obradu velikih brzina protoka. UIP4000hdT, UIP6000hdT i UIP10000 mogu se integrirati u standardne pomorske teretne kontejnere. Alternativno, sva četiri modela procesora dostupna su u kućištima od nehrđajućeg čelika. Uspravna instalacija zahtijeva minimalan prostor. U nastavku se nalaze preporučene postavke za tipične industrijske stope obrade.
tona/sat | gal/sat | 1x UIP6000hdT (6000 W) | 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 W) | 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 15360 |
| 5x UIP16000hdT | 40,0 do 80,0 | 12800 do 25600 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Ultrazvučni aparat UIP16000hdT sposoban je preraditi 32MMGY biodizela.
Mraz & Sullivan tehnološka inovacija godine
Hielscher Ultrasonics dobio je prestižnu nagradu Frost and Sullivan Technology Innovation of the Year kao priznanje za razvoj nove ultrazvučne tehnologije za proizvodnju biodizela.
Kliknite ovdje da biste pročitali više o nagradi Frost i Sullivan za Hielscher Ultrasonics biodizel reaktore!
transesterifikacija – Kemijska pretvorba biodizela
Proizvodnja biodizela iz biljnih ulja (npr. soje, uljane repice, jatrofe, sjemenki suncokreta), algi, životinjskih masti kao i otpadnih ulja za kuhanje uključuje bazno kataliziranu transesterizaciju masnih kiselina s metanolom ili etanolom kako bi se dobili odgovarajući metil esteri ili etil esteri . Glicerin je neizbježan nusprodukt ove reakcije.
Biljna ulja kao i životinjske masti su trigliceridi koji se sastoje od tri lanca masnih kiselina koje veže molekula glicerina. Trigliceridi su esteri. Esteri su kiseline, poput masnih kiselina, u kombinaciji s alkoholom. Glicerin (= glicerol) je teški alkohol. U procesu pretvorbe esteri triglicerida pretvaraju se u alkil estere (= biodizel) pomoću katalizatora (lužine) i alkoholnog reagensa, npr. metanola, čime se dobivaju metilni esteri biodizela. Metanol zamjenjuje glicerin. Ovaj kemijski proces 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 0,4 kg, katalizator) se otapa u cca. 8,5 L metanola u spremniku za prethodno miješanje katalizatora. Ovo zahtijeva miješanje predsmjese katalizatora. Spremnik za obradu se puni sa 66L biljnog ulja. Ulje se grije pomoću grijaćeg tijela na 45 do 65°C.
pretvorba biodizela
Kada je katalizator potpuno otopljen u metanolu, predsmjesa katalizatora se miješa sa zagrijanim uljem. Crpka dovodi smjesu u protočnu ćeliju. Pomoću protutlačnog ventila, tlak se podešava na 1 do 3 barg (15 do 45 psig). Recirkulaciju kroz ultrazvučni reaktor za biodizel treba izvoditi cca. 20 minuta. Za to vrijeme ulje se pretvara u biodizel. Nakon toga pumpa i ultrazvuk se isključuju. Glicerin (teža faza) će se odvojiti od biodizela (lakša faza). Razdvajanje traje cca. 30 do 60 minuta. Kada je odvajanje završeno, glicerin se može ocijediti.
Pranje biodizela
Budući da prerađeni biodizel sadrži nečistoće, potrebno je pranje. Za pranje se u biodizel umiješa voda. Ultrasonication može koristiti miješanje biodizela s vodom. Ovo povećava aktivnu površinu kao rezultat smanjenja veličine kapljica. Uzmite u obzir da vrlo intenzivna sonikacija može smanjiti kapljice vode do veličine, da se formira gotovo stabilna emulzija koja će zahtijevati posebna sredstva (npr. centrifuga) za odvajanje.
Pogon za proizvodnju biodizela
Dijagram toka u nastavku prikazuje tipičnu postavku za in-line sonikaciju ulja, metanola i katalizatora za pretvorbu u biodizel.
Ultrazvučna esterifikacija i transesterifikacija mogu se izvoditi kao šaržni ili kontinuirani inline proces. Grafikon prikazuje ultrazvučni inline proces za transesterfikaciju biodizela (FAME).
Kontinuirana obrada i odvajanje biodizela
U postavci za kontinuiranu obradu biodizela i kontinuiranu separaciju, zagrijano ulje i predsmjesa katalizatora kontinuirano se miješaju pomoću podesivih pumpi. Inline statički mikser poboljšava homogenost dovoda u ultrazvučni reaktor. Mješavina ulja/katalizatora prolazi kroz protočnu ćeliju, gdje se izlaže ultrazvučnoj kavitaciji cca. 5 do 30 sekundi. Za kontrolu tlaka u protočnoj ćeliji koristi se protutlačni ventil. Sonificirana mješavina ulazi u stupac reaktora na vrhu. Volumen reaktorske kolone projektiran je tako da daje cca. 1 sat vremena zadržavanja u koloni. Tijekom tog vremena reakcija transesterifikacije je završena. Izreagirana mješavina glicerina/biodizela pumpa se u centrifugu gdje se odvaja na frakcije biodizela i glicerina. Naknadna obrada uključuje obnavljanje metanola, pranje i sušenje, a može se provoditi i kontinuirano.
Ova postavka eliminira šarže reaktora biodizela, konvencionalne mješalice i velike spremnike separatora.
Brzina reakcije transesterifikacije biodizela
Donji dijagrami prikazuju tipične rezultate transesterifikacije repičinog ulja (industrijske kvalitete) s natrijevim metoksidom (lijevo) i kalijevim hidroksidom (desno). Za oba testa, kontrolni uzorak (plava linija) bio je izložen intenzivnom mehaničkom miješanju. Crvena linija predstavlja sonicirani uzorak identične formulacije s obzirom na omjer volumena, koncentraciju katalizatora i temperaturu. Vodoravna os prikazuje vrijeme nakon miješanja odnosno sonikacije. Okomita os pokazuje volumen glicerina koji se nataložio na dnu. Ovo je jednostavan način mjerenja brzine reakcije. U oba dijagrama, ultrazvučno obrađen uzorak (crveno) reagira mnogo brže od kontrolnog uzorka (plavo).
Usporedba ultrazvučnog (crveni grafikon) u odnosu na konvencionalno miješanje (plavi grafikon) za proizvodnju biodizela – koristeći natrijev metoksid (lijevo) i kalijev hidroksid (desno) kao katalizatore.
Veze za zalihe biodizela
Kliknite ovdje za poveznice na dobavljače pumpi i spremnika za industriju biodizela.
Informacije o kemikalijama i sigurnosti
Pažljivo pročitajte informacije u nastavku kako biste spriječili komplikacije i štetne učinke na zdravlje.
Kemikalije za biodizel
Metanol je otrovan. Može uzrokovati oštećenje živaca kao rezultat dugotrajne uporabe. Može ga apsorbirati i koža. Ako prsne u oči može izazvati sljepoću, a metanol može biti smrtonosan ako se proguta. Iz tog razloga, poduzmite potrebne mjere opreza pri rukovanju metanolom. Preporučljivo je koristiti dobar respirator, pregaču i gumene rukavice.
Kalijev hidroksid (KOH) je otrovan i uzrokuje opekline kože nakon kontakta. Potrebna je dobra ventilacija.
Pobrinite se da radni prostor bude izdašno i temeljito prozračen kako biste omogućili izlazak dima. Respiratori s uloškom za paru nisu učinkoviti protiv para metanola. Sustav dovoda zraka (SCBA — Samostalni aparat za disanje) pruža bolju zaštitu od para metanola.
Biodizel i gumeni dijelovi
Rad na 100% biodizelu dulje vrijeme može uzrokovati komplikacije na smočenim gumenim dijelovima (pumpa, crijeva, O-prstenovi) motora. Zamjena čeličnim dijelovima ili teškom gumom može eliminirati ovaj problem. Alternativno možete pomiješati cca. 25% konvencionalnog (fosilnog) dizela u vaš biodizel kako biste spriječili komplikacije.
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 laboratorija do industrijska veličina.