Proizvodnja biodizela uz vrhunski proces i isplativost

Ultrazvučno miješanje je vrhunska tehnologija za visoko učinkovitu i isplativu proizvodnju biodizela. Ultrazvučna kavitacija drastično poboljšava prijenos mase, čime se smanjuju troškovi proizvodnje i trajanje obrade. Istodobno se mogu koristiti nekvalitetna ulja i masti (npr. otpadna ulja) te se poboljšava kvaliteta biodizela. Hielscher Ultrasonics isporučuje robusne ultrazvučne reaktore za miješanje visokih performansi za bilo koju proizvodnu ljestvicu. Pročitajte kako će vaša proizvodnja biodizela imati koristi od sonikacije!

Prednosti proizvodnje biodizela korištenjem ultrazvuka

Biodizel (metilni ester masne kiseline, skraćeno FAME) proizvod je reakcije transesterifikacije lipidnih sirovina (trigliceridi, npr. biljno ulje, istrošena ulja za kuhanje, životinjske masti, ulje algi) i alkohola (metanol, etanol) pomoću katalizatora (npr. kalijev hidroksid KOH).
Problem: U konvencionalnoj pretvorbi biodizela korištenjem konvencionalnog miješanja, priroda oba reaktanta reakcije transesterifikacije ulja i alkohola koja se ne miješaju dovodi do niske brzine prijenosa mase što rezultira neučinkovitom proizvodnjom biodizela. Ovu neučinkovitost karakteriziraju duga vremena reakcije, viši molarni omjeri metanol-ulje, visoki zahtjevi za katalizatorom, visoke procesne temperature i visoke brzine miješanja. Ovi čimbenici su značajni pokretači troškova koji konvencionalnu proizvodnju biodizela čine skupim procesom.
Rješenje: Ultrazvučno miješanje emulgira reaktante na vrlo učinkovit, brz i jeftin način tako da se omjer ulja i metanola može poboljšati, zahtjevi za katalizatorom su smanjeni, vrijeme reakcije i temperatura reakcije su niži. Time se štede resursi (tj. kemikalije i energija) kao i vrijeme, smanjuju se troškovi prerade, dok se kvaliteta biodizela i profitabilnost proizvodnje značajno poboljšavaju. Ove činjenice pretvaraju ultrazvučno miješanje u preferiranu tehnologiju za učinkovitu proizvodnju biodizela.
Istraživanja i industrijski proizvođači biodizela potvrđuju da je ultrazvučno miješanje vrlo isplativ način za proizvodnju biodizela, čak i kada se kao sirovina koriste ulja i masti loše kvalitete. Intenzifikacija ultrazvučnog procesa značajno poboljšava stopu konverzije smanjujući upotrebu viška metanola i katalizatora, omogućujući proizvodnju biodizela koji zadovoljava standard kvalitete ASTM D6751 i EN 14212 specifikacije. (usp. Abdullah et al., 2015.)

Transesterifikacija triglicerida u biodizel (FAME) pomoću sonikacije rezultira ubrzanom reakcijom i značajno većom učinkovitošću.

Brojne prednosti ultrazvučnog miješanja u proizvodnji biodizela

Ultrazvučni reaktori za miješanje mogu se lako integrirati u bilo koju novu instalaciju, kao i naknadno ugraditi u postojeća postrojenja za biodizel. Integracija Hielscher ultrazvučne miješalice pretvara bilo koje postrojenje za biodizel u proizvodno postrojenje visokih performansi. Jednostavna instalacija, robusnost i lakoća korištenja (nije potrebna posebna obuka za rukovanje) omogućuju nadogradnju bilo kojeg postrojenja u visoko učinkovito postrojenje za biodizel. U nastavku vam predstavljamo znanstveno dokazane rezultate prednosti koje su dokumentirale neovisne treće strane. Brojke dokazuju superiornost ultrazvučnog miješanja biodizela nad bilo kojom konvencionalnom tehnikom miješanja.

Dijagram toka prikazuje korake proizvodnje biodizela uključujući ultrazvučno miješanje za poboljšanu učinkovitost procesa.

Usporedba učinkovitosti i troškova: Ultrazvučno vs mehaničko miješanje

Gholami i sur. (2021) u svojoj komparativnoj studiji predstavljaju prednosti ultrazvučne transesterifikacije u odnosu na mehaničko miješanje (tj. mješalica s lopaticama, impeler, mješalica s visokim smicanjem).
Troškovi ulaganja: Ultrazvučni procesor i reaktor UIP16000 mogu proizvesti 192–384 t biodizela/dan s otiskom od samo 1,2m x 0,6m. Za usporedbu, za mehaničko miješanje (MS) potreban je puno veći reaktor zbog dugog vremena reakcije u procesu mehaničkog miješanja, što uzrokuje značajno povećanje cijene reaktora. (usp. Gholami et al., 2020.)
Troškovi obrade: Troškovi obrade za ultrazvučnu proizvodnju biodizela su 7,7% niži od onih za proces miješanja, uglavnom zbog niže ukupne investicije za proces sonikacije. Trošak kemikalija (katalizator, metanol/alkohol) treći je najveći pokretač troškova u oba procesa, sonikaciji i mehaničkom miješanju. Međutim, za ultrazvučnu pretvorbu biodizela troškovi za kemikalije znatno su niži nego za mehaničko miješanje. Udio troškova za kemikalije iznosi cca. 5% konačne cijene biodizela. Zbog manje potrošnje metanola, natrijevog hidroksida i fosforne kiseline, trošak kemikalija u ultrazvučnom procesu biodizela manji je za 2,2% nego kod procesa mehaničkog miješanja.
Troškovi energije: Energija koju troši ultrazvučni reaktor za miješanje približno je tri puta manja od one koju troši mehanička mješalica. Ovo značajno smanjenje potrošnje energije proizvod je intenzivnog mikromiješanja i smanjenog vremena reakcije, što je rezultat stvaranja i urušavanja bezbrojnih šupljina, koje karakteriziraju fenomen akustične / ultrazvučne kavitacije (Gholami et al., 2018). Osim toga, u usporedbi s konvencionalnom mješalicom, potrošnja energije za faze povrata metanola i pročišćavanja biodizela tijekom procesa ultrazvučnog miješanja smanjena je za 26,5% odnosno 1,3%. Ovaj pad je zbog manjih količina metanola koji ulaze u ove dvije destilacijske kolone u ultrazvučnom procesu transesterifikacije.
Troškovi zbrinjavanja otpada: Tehnologija ultrazvučne kavitacije također značajno smanjuje troškove odlaganja otpada. Ovaj trošak u procesu sonikacije je otprilike jedna petina troška u procesu miješanja, što je rezultat značajnog smanjenja proizvodnje otpada zbog veće konverzije reaktora i nižih količina konzumiranog alkohola.
Ekološki prihvatljivost: Zbog vrlo visoke ukupne učinkovitosti, smanjene potrošnje kemikalija, nižih energetskih zahtjeva i smanjenog otpada, ultrazvučna proizvodnja biodizela znatno je ekološki prihvatljivija od konvencionalnih procesa proizvodnje biodizela.

Zaključak – Ultrazvuk poboljšava učinkovitost proizvodnje biodizela

Znanstvena procjena pokazuje jasne prednosti ultrazvučnog miješanja u odnosu na konvencionalno mehaničko miješanje za proizvodnju biodizela. Prednosti ultrazvučne obrade biodizela uključuju ukupna kapitalna ulaganja, ukupne troškove proizvoda, neto sadašnju vrijednost i internu stopu povrata. Utvrđeno je da je ukupni iznos ulaganja u proces ultrazvučne kavitacije niži od onog u druge za približno 20,8%. Korištenje ultrazvučnih reaktora smanjilo je troškove proizvoda za 5,2% – koristeći djevičansko ulje kanole. Budući da ultrazvuk omogućuje obradu istrošenih ulja (npr. korištenih ulja za kuhanje), troškovi proizvodnje mogu se dodatno smanjiti. Gholami i sur. (2021) došli su do zaključka da je zbog pozitivne neto sadašnje vrijednosti proces ultrazvučne kavitacije bolji izbor tehnologije miješanja za proizvodnju biodizela.
S tehničkog stajališta, najvažniji učinci ultrazvučne kavitacije obuhvaćaju značajnu učinkovitost procesa i smanjenje vremena reakcije. Stvaranje i kolaps brojnih vakuumskih mjehurića – poznata kao akustična / ultrazvučna kavitacija – smanjiti vrijeme reakcije s nekoliko sati u reaktoru s miješalicom na nekoliko sekundi u ultrazvučnom kavitacijskom reaktoru. Ovo kratko vrijeme zadržavanja omogućuje proizvodnju biodizela u protočnom reaktoru s malom površinom. Ultrazvučni kavitacijski reaktor također pokazuje korisne učinke na zahtjeve za energijom i materijalima, smanjujući potrošnju energije na gotovo jednu trećinu one koju troši reaktor s miješalicom i potrošnju metanola i katalizatora za 25%.
Iz ekonomske perspektive, ukupna investicija procesa ultrazvučne kavitacije niža je od one u procesu mehaničkog miješanja, uglavnom zbog gotovo 50% i 11,6% smanjenja troškova reaktora i troškova kolone za destilaciju metanola. Proces ultrazvučne kavitacije također smanjuje troškove proizvodnje biodizela zbog 4% smanjenja potrošnje ulja uljane repice, niže ukupne investicije, 2,2% niže potrošnje kemikalija i 23,8% nižih komunalnih potreba. Za razliku od procesa mehaničkog miješanja, ultrazvučna obrada prihvatljiva je investicija zbog pozitivne neto sadašnje vrijednosti, kraćeg vremena povrata i veće interne stope povrata. Uz tehno-ekonomske prednosti povezane s postupkom ultrazvučne kavitacije, on je ekološki prihvatljiviji od postupka mehaničkog miješanja. Ultrazvučna kavitacija rezultira smanjenjem tokova otpada od 80% zbog veće konverzije u reaktoru i smanjene potrošnje alkohola u ovom procesu. (usp. Gholami et al., 2021.)

Koristite katalizator po svom izboru

Ultrazvučni proces transesterifikacije biodizela dokazano je učinkovit upotrebom alkalnih ili bazičnih katalizatora. Na primjer, Shinde i Kaliaguine (2019) uspoređivali su učinkovitost ultrazvučnog i mehaničkog miješanja oštricama pomoću različitih katalizatora, naime natrijevog hidroksida (NaOH), kalijevog hidroksida (KOH), (CH₃ONa), tetrametil amonijev hidroksid i četiri gvanidina (propil-2,3-dicikloheksil gvanidin (PCHG), 1,3-dicikloheksil 2 n-oktil gvanidin (DCOG), 1,1,3,3-tetrametil gvanidin (TMG), 1,3-difenil gvanidin (DPG)). Ultrazvučno miješanje (na 35º) kao što je prikazano superiorno za proizvodnju biodizela ističe se mehaničkim miješanjem (na 65º) većim prinosima i stopom konverzije. Učinkovitost prijenosa mase u ultrazvučnom polju povećala je brzinu reakcije transesterifikacije u usporedbi s mehaničkim miješanjem. Sonikacija je bila bolja od mehaničkog miješanja za sve testirane katalizatore. Pokretanje reakcije transesterifikacije s ultrazvučnom kavitacijom je energetski učinkovita i industrijski održiva alternativa za proizvodnju biodizela. Osim naširoko korištenih katalizatora KOH i NaOH, oba gvanidinska katalizatora, propil-2,3 dicikloheksilgvanidin (PCHG) i 1,3-dicikloheksil 2 n-oktilgvanidin (DCOG), oba su se pokazala kao zanimljive alternative za pretvorbu biodizela.
Mootabadi i sur. (2010) istraživali su ultrazvučno potpomognutu sintezu biodizela iz palminog ulja korištenjem različitih katalizatora oksida alkalnih metala kao što su CaO, BaO i SrO. Aktivnost katalizatora u ultrazvučno potpomognutoj sintezi biodizela uspoređena je s tradicionalnim postupkom magnetskog miješanja i utvrđeno je da je ultrazvučni proces pokazao 95,2% prinosa korištenjem BaO unutar 60 min vremena reakcije, za koje je inače potrebno 3-4 h u konvencionalni postupak miješanja. Za ultrazvučno potpomognutu transesterifikaciju u optimalnim uvjetima, bilo je potrebno 60 minuta da se postigne 95% prinosa u usporedbi s 2-4 sata s konvencionalnim miješanjem. Također, prinosi postignuti ultrazvukom u 60 minuta povećali su se s 5,5% na 77,3% korištenjem CaO kao katalizatora, 48,2% na 95,2% korištenjem SrO kao katalizatora i 67,3% na 95,2% korištenjem BaO kao katalizatora.

Proizvodnja biodizela korištenjem različitih gvanidina (3% mol) kao katalizatora. (A) Šaržni reaktor s mehaničkim miješanjem: (metanol:ulje kanole) 4:1, temperatura 65ºC; (B) Ultrazvučni šaržni reaktor: ultrazvučni uređaj UP200St, (metanol:ulje kanole) 4:1, 60% US amplituda, temperatura 35ºC. Miješanje potaknuto ultrazvukom daleko nadmašuje mehaničko miješanje.
(Studija i grafikoni: Shinde i Kaliaguine, 2019.)

Ultrazvučni reaktori visokih performansi za vrhunsku obradu biodizela

Hielscher Ultrasonics nudi ultrazvučne procesore i reaktore visokih performansi za poboljšanu proizvodnju biodizela što rezultira većim prinosima, poboljšanom kvalitetom, smanjenim vremenom obrade i nižim troškovima proizvodnje.

Mali i srednji reaktori za biodizel

Za malu i srednju proizvodnju biodizela do 9 tona/h (2900 gal/h), Hielscher vam nudi UIP500hdT (500 W), UIP1000hdT (1000 vata), UIP1500hdT (1500 vata), i UIP2000hdT (2000 vata) ultrazvučni modeli miješalica visokog smicanja. 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.

Industrijski biodizelski reaktori vrlo velike propusnosti

Za industrijsku preradu postrojenja za proizvodnju biodizela Hielscher nudi UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) i UIP16000hdT (16kW) ultrazvučni homogenizatori! 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.