Biodízel-előállítás és biodízel-konverzió
Lépjen túl a biodízel-előállítás korlátain ultrahangos reaktorokkal! A lassú reakciókinetika és a gyenge anyagátadás jelentősen csökkentheti biodízelüzemének kapacitását, hozamát és termékminőségét. A Hielscher ultrahangos reaktorai az átészterezés kinetikájának lényeges javításával kezelik ezeket a kihívásokat. Ennek eredményeként a biodízel feldolgozásához kisebb metanolfelesleg és kevesebb katalizátor szükséges.
Ultrahangos kavitáció: kiváló keverési megoldás
A hagyományos biodízel-előállítás jellemzően szakaszos reaktorokat használ, amelyekben az energiát hő és mechanikus keverés biztosítja. Az ultrahangos kavitáció hatékony alternatívát kínál, amely jobb keverést tesz lehetővé a kereskedelmi célú biodízel-feldolgozásban. Ez az ultrahangos kavitáció biztosítja a biodízel ipari átészterezéséhez szükséges aktiválási energiát.
A biodízel ultrahangos átészterezésének fő előnyei:
- Magasabb konverziós arányok
- Rövidebb reakcióidők
- Jobb termékminőség
- Hulladékolajok FAME-mé (zsírsav-metil-észterekké) alakításának lehetősége
Az ultrahangos keverés javítja a biodízel konverziós arányát, növeli a hozamot, valamint megtakarítást eredményez a metanolfelesleg és a katalizátor felhasználásában.
A biodízel ultrahanggal javított átészterezése
A biodízel-előállítás jellemzően egy átészterezésnek nevezett kémiai reakciót foglal magában, amelyben egy triglicerid (például növényi olaj, állati zsír vagy használt sütőolaj) katalizátor jelenlétében egy alkohollal (például metanollal) reagál, és biodízelt (zsírsav-metil-észtereket), valamint glicerint hoz létre. Az ultrahangos reaktorok többféleképpen használhatók az átészterezési folyamat javítására, számos előnyt biztosítva:
- Jobb keverés: Az ultrahanghullámok kavitációs buborékokat hozhatnak létre, amelyek hevesen összeomlanak, intenzív keverést és felkavarodást okozva a reakcióelegyben. Ez javítja a reaktánsok és a katalizátor közötti érintkezést, ami gyorsabb és teljesebb átészterezést eredményez.
- Gyorsabb reakciókinetika: Az ultrahanghullámok által létrehozott nagy energiájú körülmények aktiválhatják a reakciót, növelve a reakciósebességet és csökkentve az adott konverziós szint eléréséhez szükséges reakcióidőt. Ez magasabb hozamokat és alacsonyabb költségeket eredményezhet.
- Csökkentett katalizátorfelhasználás: Az ultrahangos reaktorok javíthatják a katalizátor felhasználásának hatékonyságát azáltal, hogy több aktív helyet biztosítanak a reakció számára. Ez azt jelenti, hogy ugyanazon konverziós szint eléréséhez kevesebb katalizátor szükséges, ami csökkenti a költségeket és a környezeti terhelést.
- Jobb termékminőség: Az ultrahangos reaktorok alacsonyabb szabadzsírsav-tartalmú, nagyobb tisztaságú és jobb hidegfolyási tulajdonságú biodízelt állíthatnak elő. Ez a jobb keverésnek és a gyorsabb reakciókinetikának köszönhető, amelyek minimálisra csökkentik a nem kívánt melléktermékek és szennyeződések képződését.
Az ultrahangos biodízel-feldolgozás ezen előnyei rendkívül gazdaságossá teszik az ultrahangos reaktorrendszer használatát, mivel az ultrahangos reaktorok alkalmazása jelentősen javítja a biodízel átészterezésének hatékonyságát, sebességét és minőségét. Összességében ez azt jelenti, hogy az ultrahangos kezelés gazdasági és környezeti szempontból fenntarthatóbb folyamattá teszi az átészterezést.
A hagyományos biodízelkeverés problémái: A szakaszos feldolgozás során végzett hagyományos észterezési reakció általában lassú, a glicerin fázisszétválása pedig időigényes, és gyakran 5 órát vagy annál többet vesz igénybe.
Az ultrahangos reaktorok segítenek felgyorsítani a biodízel-előállítás folyamatát, egyúttal növelni a biodízel hozamát és javítani a minőségét, alacsonyabb feldolgozási költségek mellett!
UIP2000hdT ipari ultrahangos készülék FC2T500k átfolyó cellával a biodízel áramlás közbeni észterezéséhez és átészterezéséhez.
A biodízel ultrahangos átészterezésének előnyei
- Magasabb biodízelhozam a jobb keverésnek köszönhetően
- Jobb biodízelminőség
- Még a legrosszabb minőségű olaj is felhasználható alapanyagként
- Folyamatos, áramlás közbeni feldolgozás
- Kevesebb metanol
- Kevesebb katalizátor
- Időmegtakarítás a nagy sebességű konverziónak köszönhetően
- Energiamegtakarítás
- Egyszerű és biztonságos üzemeltetés
- Robusztus kialakítás és alacsony karbantartási igény
- Nagy teljesítmény: 24/7 üzemelés teljes terhelés mellett
A UIP16000hdT ultrahangos reaktor megközelítőleg 32MMGY mennyiséget állít elő
„Nagyon elégedettek vagyunk a Hielscher berendezéseivel és szolgáltatásaival, és határozott szándékunk, hogy a Hielscher ultrahangos kezelési technológiáját minden jövőbeli vállalkozásunkban alkalmazzuk.”
Todd Stephens, Tulsa Biofuels
Ultrahang a biodízel-előállításban
A biodízelt gyakran szakaszos reaktorokban állítják elő. Az ultrahangos biodízel-konverzió lehetővé teszi a folyamatos, áramlás közbeni feldolgozást. Az ultrahangos kezeléssel 99%-ot meghaladó biodízelhozam érhető el. Az ultrahangos reaktorok a hagyományos szakaszos feldolgozás 1–4 órás idejét kevesebb mint 30 másodpercre csökkentik. Még lényegesebb, hogy az ultrahangos kezelés az elválasztási időt a hagyományos keverés mellett szükséges 5–10 óráról kevesebb mint 60 percre csökkenti. Az ultrahangos kezelés a kavitáció jelenlétében megnövekedett kémiai aktivitásnak köszönhetően akár 50%-kal is segít csökkenteni a szükséges katalizátor mennyiségét. Ultrahangos kezelés alkalmazásakor a szükséges metanolfelesleg mennyisége is csökken. További előny a glicerin tisztaságának ebből adódó növekedése.
Ultrahangos biodízel-előállítás lépésről lépésre:
- a növényi olajat vagy állati zsírt metanollal (amely metil-észtereket eredményez) vagy etanollal (etil-észterek előállításához), valamint nátrium- vagy kálium-metoxiddal vagy -hidroxiddal keverik össze
- az elegyet felmelegítik, például 45–65degC közötti hőmérsékletre
- a felmelegített elegyet áramlás közben 5–15 másodpercig ultrahangos kezelésnek vetik alá
- a glicerin kiválik, vagy centrifugákkal választják el
- az átalakítás során keletkezett biodízelt vízzel mossák
Az ultrahangos kezelést leggyakrabban megnövelt nyomáson (1–3bar túlnyomáson) végzik, egy tápszivattyú és az átfolyó cella mellett elhelyezett állítható ellennyomás-szelep használatával.
Az ipari biodízel-konverzió nem igényel sok ultrahangos energiát. A tényleges energiaigény asztali léptékben határozható meg, például egy 1kW teljesítményű ultrahangos feldolgozóberendezéssel, mint amilyen a UIP1000hdT. Az ilyen asztali kísérletek összes eredménye lineárisan és problémamentesen vihető át nagyobb léptékre. Szükség esetén ATEX-tanúsítvánnyal rendelkező ultrahangos készülékek is rendelkezésre állnak, például a UIP1000-Exd.
A Hielscher világszerte szállít ipari ultrahangos biodízel-feldolgozó berendezéseket. Az egyenként akár 16kW teljesítményű ultrahangos feldolgozóberendezésekkel a biodízelüzem mérete és feldolgozási kapacitása nincs korlátozva.
Az ultrahangos biodízel-előállítás költségei
Az ultrahangos kezelés hatékony eszköz a reakciósebesség és a konverziós arány növelésére a kereskedelmi célú biodízel-előállításban. Az ultrahangos feldolgozás költségei főként az ultrahangos berendezések beszerzéséből, a közüzemi költségekből és a karbantartásból adódnak. A Hielscher ultrahangos készülékeinek kiemelkedő energiahatékonysága segít csökkenteni a közüzemi költségeket, és ezáltal még környezetbarátabbá tenni a folyamatot. Az ultrahangos kezelés ebből adódó költsége kereskedelmi léptékű alkalmazás esetén literenként 0,1ct és 1,0ct között (0,4ct–1,9ct/gallon) változik.
Olvasson többet az ultrahangos biodízel-előállítás folyamathatékonyságáról és gazdasági előnyeiről!
Az ultrahangos keverés csökkenti a biodízel-előállítás fajlagos energiafogyasztását, és messze felülmúlja a hidrodinamikus mágneses keverést és a nagy nyíróhatású keverőket.
Kis léptékű ultrahangos biodízel-előállító rendszer
Az ultrahangos kezelés bármilyen léptékben használható az olaj biodízellé alakítására. Az alábbi kép egy 60–70L (16–19 gallon) feldolgozására szolgáló kis léptékű rendszert mutat. Ez a kezdeti vizsgálatok és a folyamat bemutatásának tipikus elrendezése.
Az ultrahangos észterezés és átészterezés szakaszos vagy folyamatos, áramlás közbeni folyamatként is végezhető. Ez az ábra a biodízel-konverzió ultrahangos szakaszos folyamatát mutatja.
3x 1kW teljesítményű, 1000hdT típusú ultrahangos készülék ultrahangos átfolyó reaktorral a rendkívül hatékony biodízel-konverzióhoz.
- egy ultrahangos készülék (például UIP500hdT vagy UIP1000hdT) amplitúdóerősítővel, szonotródával és átfolyó cellával
- teljesítménymérő a teljesítmény és az energia méréséhez
- 80L térfogatú feldolgozótartály (műanyagból, például HDPE-ből)
- fűtőelem (1–2kW)
- 10L térfogatú katalizátor-előkeverő tartály (műanyagból, például HDPE-ből)
- katalizátor-előkeverő (keverőberendezés)
- szivattyú (centrifugál-, mono- vagy fogaskerék-szivattyú) megközelítőleg 10–20L/min térfogatáramhoz, 1–3 barg nyomáson
- ellennyomás-szelep az átfolyó cella nyomásának beállításához
- nyomásmérő a betáplálási nyomás méréséhez
Ultrahangos reaktorok a kiváló biodízel-feldolgozáshoz
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos feldolgozóberendezéseket és reaktorokat kínál, amelyek magasabb biodízelhozammal, jobb biodízelminőséggel, rövidebb feldolgozási idővel és alacsonyabb előállítási költségekkel javítják az Ön biodízel-előállítását.
Kis és közepes léptékű ultrahangos reaktorok a biodízel átészterezéséhez
A kis és közepes léptékű, akár 9ton/hr (2900 gal/hr) kapacitású biodízel-előállításhoz a Hielscher a UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1000 watt), UIP1500hdT (1500 watt) és UIP2000hdT (2000 watt) készülékeket kínálja ultrahangos, nagy nyíróhatású keverőként, átfolyó reaktorokkal a megbízható és hatékony, áramlás közbeni biodízel-feldolgozáshoz. Ez a négy ultrahangos reaktor rendkívül kompakt, könnyen beépíthető vagy utólag beszerelhető. Nagy igénybevételű üzemelésre készültek, mostoha környezeti feltételek mellett is. Az alábbiakban különböző termelési kapacitásokhoz ajánlott reaktorelrendezéseket talál.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT (500 watt) |
0,25–0,5
|
80–160
|
| 1x UIP1000hdT (1000 watt) |
0,5–1,0
|
160–320
|
| 1x UIP1500hdT (1500 watt) |
0,75–1,5
|
240–480
|
| 1x UIP2000hdT (2000 watt) |
1,0–2,0
|
320–640
|
| 2x UIP2000hdT (2000 watt) |
2,0–4,0
|
640–1280
|
| 4xUIP1500hdT (1500 watt) |
3,0–6,0
|
960–1920
|
| 6x UIP1500hdT (1500 watt) |
4,5–9,0
|
1440–2880
|
| 6x UIP2000hdT (2000 watt) |
6,0–12,0
|
1920–3840
|
Rendkívül nagy feldolgozási kapacitású ipari biodízelreaktorok
Az ipari feldolgozást végző biodízelüzemek számára a Hielscher a UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10000 (10kW) és UIP16000hdT (16kW) ultrahangos homogenizátorokat kínálja! Ezeket az ultrahangos feldolgozóberendezéseket nagy térfogatáramok folyamatos feldolgozására tervezték. A UIP4000hdT, UIP6000hdT és UIP10000 szabványos tengeri szállítókonténerekbe építhető be. Alternatív megoldásként mind a négy feldolgozóberendezés-modell rozsdamentes acél szekrényben is elérhető. A függőleges telepítés minimális helyet igényel. Az alábbiakban tipikus ipari feldolgozási kapacitásokhoz ajánlott elrendezéseket talál.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
1x UIP6000hdT (6000 watt) |
3,0–6,0
|
960–1920
|
|---|---|---|
| 3x UIP4000hdT (4000 watt) |
6,0–12,0
|
1920–3840
|
| 5x UIP4000hdT (4000 watt) |
10,0–20,0
|
3200–6400
|
3x UIP6000hdT (6000 watt) |
9,0–18,0
|
2880–5880
|
| 3x UIP10000 (10 000 watt) |
15,0–30,0
|
4800–9600
|
| 3x UIP16000hdT (16 000 watt) |
24,0–48,0
|
7680–15 360
|
| 5x UIP16000hdT |
40,0–80,0
|
12 800–25 600
|
Lépjen kapcsolatba velünk! / Kérdezzen tőlünk!
A UIP16000hdT ultrahangos készülék 32MMGY biodízel feldolgozására képes.
Frost & Sullivan – Az év technológiai innovációja
A Hielscher Ultrasonics megkapta a rangos Frost and Sullivan Az év technológiai innovációja díjat, a vállalat által a biodízel-előállításhoz kifejlesztett újszerű ultrahangos technológia elismeréseként.
Kattintson ide, és olvasson többet a Hielscher Ultrasonics biodízelreaktorainak odaítélt Frost and Sullivan díjról!
Átészterezés – A biodízel kémiai átalakítása
A növényi olajokból (például szója-, repce-, jatropha- vagy napraforgómag-olajból), algákból, állati zsírokból, valamint használt sütőolajokból történő biodízel-előállítás magában foglalja a zsírsavak báziskatalizált átészterezését metanollal vagy etanollal, amely a megfelelő metil-észtereket vagy etil-észtereket eredményezi. A glicerin e reakció elkerülhetetlen mellékterméke.
A növényi olajok az állati zsírokhoz hasonlóan trigliceridek, amelyek három, egy glicerinmolekulához kötött zsírsavláncból állnak. A trigliceridek észterek. Az észterek alkoholhoz kapcsolódó savak, például zsírsavak. A glicerin (= glicerol) nehéz alkohol. Az átalakítási folyamatban a trigliceridésztereket katalizátor (lúg) és alkoholreagens, például metanol felhasználásával alkil-észterekké (= biodízellé) alakítják; a metanol metil-észter-alapú biodízelt eredményez. A metanol a glicerin helyére lép. Ezt a kémiai átalakítási folyamatot átészterezésnek nevezik.
Az átészterezés után a glicerin, amely a nehezebb fázis, az aljára süllyed. A biodízel, amely a könnyebb fázis, felül úszik, és például dekantálókkal vagy centrifugákkal választható el.
A biodízel előkészítése
A kálium-hidroxidot (0,2–0,4kg, katalizátor) megközelítőleg 8,5L metanolban oldják fel a katalizátor-előkeverő tartályban. Ehhez a katalizátor-előkeverék keverése szükséges. A feldolgozótartályt 66L növényi olajjal töltik fel. Az olajat a fűtőelemmel 45–65degC hőmérsékletre melegítik.
Biodízel-konverzió
Amikor a katalizátor teljesen feloldódott a metanolban, a katalizátor-előkeveréket összekeverik a felmelegített olajjal. A szivattyú az elegyet az átfolyó cellába táplálja. Az ellennyomás-szelep segítségével a nyomást 1–3barg (15–45psig) értékre állítják. Az ultrahangos biodízelreaktoron keresztüli recirkulációt megközelítőleg 20 percig kell végezni. Ez idő alatt az olaj biodízellé alakul. Ezután kikapcsolják a szivattyút és az ultrahangot. A glicerin (nehezebb fázis) elválik a biodízeltől (könnyebb fázis). Az elválasztás megközelítőleg 30–60 percig tart. Amikor az elválasztás befejeződött, a glicerin leereszthető.
A biodízel mosása
Mivel az átalakítás során keletkezett biodízel szennyeződéseket tartalmaz, mosásra van szükség. A mosáshoz vizet kevernek a biodízelbe. Az ultrahangos kezelés elősegítheti a biodízel és a víz összekeverését. Ez a cseppméret csökkenése révén növeli az aktív felületet. Kérjük, vegye figyelembe, hogy a nagyon intenzív ultrahangos kezelés olyan méretűre csökkentheti a vízcseppeket, hogy szinte stabil emulzió képződik, amelynek szétválasztásához speciális eszközökre (például centrifugára) lesz szükség.
Biodízel-előállító üzem
Az alábbi folyamatábra az olaj, a metanol és a katalizátor biodízellé alakításához alkalmazott, áramlás közbeni ultrahangos kezelés tipikus elrendezését mutatja.
Az ultrahangos észterezés és átészterezés szakaszos vagy folyamatos, áramlás közbeni folyamatként is végezhető. Az ábra a biodízel (FAME) átészterezésének ultrahangos, áramlás közbeni folyamatát mutatja.
Folyamatos biodízel-feldolgozás és elválasztás
A folyamatos biodízel-feldolgozásra és folyamatos elválasztásra szolgáló rendszerben a felmelegített olajat és a katalizátor-előkeveréket állítható szivattyúk segítségével folyamatosan keverik össze. Egy csővezetékbe épített statikus keverő javítja az ultrahangos reaktorba betáplált elegy homogenitását. Az olaj/katalizátor elegy áthalad az átfolyó cellán, ahol megközelítőleg 5–30 másodpercig ultrahangos kavitációnak teszik ki. Az átfolyó cella nyomását ellennyomás-szeleppel szabályozzák. Az ultrahangosan kezelt elegy felül lép be a reaktoroszlopba. A reaktoroszlop térfogatát úgy méretezik, hogy megközelítőleg 1 óra tartózkodási időt biztosítson az oszlopban. Ez idő alatt az átészterezési reakció befejeződik. A reakción átesett glicerin/biodízel elegyet a centrifugába szivattyúzzák, ahol biodízel- és glicerinfrakcióra választják szét. Az utófeldolgozás metanol-visszanyerést, mosást és szárítást foglal magában, és szintén folyamatosan végezhető.
Ezzel az elrendezéssel megszüntethetők a biodízelreaktor szakaszos feldolgozási ciklusai, és elhagyhatók a hagyományos keverőberendezések, valamint a nagy elválasztótartályok.
A biodízel átészterezési reakciójának sebessége
Az alábbi diagramok az ipari minőségű repceolaj nátrium-metoxiddal (balra) és kálium-hidroxiddal (jobbra) végzett átészterezésének tipikus eredményeit mutatják. Mindkét vizsgálatban intenzív mechanikus keverésnek vetettek alá egy kontrollmintát (kék vonal). A piros vonal az azonos térfogatarányú, katalizátorkoncentrációjú és hőmérsékletű összetétel ultrahangosan kezelt mintáját jelöli. A vízszintes tengely a keverés, illetve az ultrahangos kezelés után eltelt időt mutatja. A függőleges tengely az alján kiülepedett glicerin térfogatát mutatja. Ez a reakciósebesség mérésének egyszerű módja. Mindkét diagramon az ultrahangosan kezelt minta (piros) sokkal gyorsabban reagál, mint a kontrollminta (kék).
Az ultrahangos (piros görbe) és a hagyományos keverés (kék görbe) összehasonlítása a biodízel-előállításban – nátrium-metoxid (balra) és kálium-hidroxid (jobbra) katalizátorok használatával.
Biodízel-előállítási eszközök beszállítóinak hivatkozásai
Kattintson ide a biodízelipar számára szivattyúkat és tartályokat szállító cégek hivatkozásaiért.
Vegyi és biztonsági információk
Kérjük, figyelmesen olvassa el az alábbi információkat a komplikációk és a káros egészségügyi hatások megelőzése érdekében.
A biodízel-előállítás vegyszerei
A metanol mérgező. Hosszan tartó használata idegkárosodást okozhat. A bőr is adszorbeálhatja. Ha a szembe fröccsen, vakságot okozhat, lenyelve pedig a metanol halálos lehet. Ezért a metanol kezelésekor tegye meg a szükséges óvintézkedéseket. Jó minőségű légzésvédő, kötény és gumikesztyű használata ajánlott.
A kálium-hidroxid (KOH) mérgező, és érintkezéskor égési sérülést okoz a bőrön. Jó szellőzés szükséges.
Gondoskodjon a munkaterület bőséges és alapos szellőztetéséről, hogy a gőzök távozhassanak. A gőzszűrő betéttel ellátott légzésvédők nem hatékonyak a metanolgőzök ellen. Egy levegőellátó rendszer (SCBA – önálló légzőkészülék) jobb védelmet nyújt a metanolgőzök ellen.
Biodízel és gumialkatrészek
A hosszabb ideig tartó, 100% biodízellel történő üzemelés problémákat okozhat a motor üzemanyaggal érintkező gumialkatrészeinél (szivattyú, tömlők, O-gyűrűk). Ezek acélalkatrészekre vagy nagy igénybevételre alkalmas gumira cserélése megszüntetheti ezt a problémát. Alternatív megoldásként megközelítőleg 25% hagyományos (fosszilis) dízelüzemanyagot keverhet a biodízelhez a problémák megelőzésére.
Szakirodalom / Hivatkozások
- 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.
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt a laboratóriumi mérettől az ipari méretig.