Biodízelgyártás kiemelkedő folyamathatékonysággal és költséghatékonysággal

Az ultrahangos keverés a rendkívül hatékony és költséghatékony biodízelgyártás kiemelkedő technológiája. Az ultrahangos kavitáció drasztikusan javítja az anyagátadást, ezáltal csökkenti a gyártási költségeket és a feldolgozás időtartamát. Ugyanakkor gyenge minőségű olajok és zsírok (pl. hulladékolajok) is felhasználhatók, és javul a biodízel minősége. A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű, robusztus ultrahangos keverőreaktorokat kínál bármilyen gyártási léptékhez. Tudjon meg többet arról, hogyan profitálhat biodízelgyártása az ultrahangos kezelésből!

Az ultrahang alkalmazásának előnyei a biodízelgyártásban

A biodízel (zsírsav-metil-észter, rövidítve FAME) lipid nyersanyag (trigliceridek, pl. növényi olaj, használt sütőolajok, állati zsírok, algaolaj) és alkohol (metanol, etanol) katalizátor (pl. kálium-hidroxid, KOH) alkalmazásával végzett átészterezési reakciójának terméke.
A probléma: A hagyományos keveréssel végzett hagyományos biodízel-előállítás során az olaj és az alkohol átészterezési reakciójának két reagense nem elegyedik egymással, ami alacsony anyagátadási sebességhez és ezáltal nem hatékony biodízelgyártáshoz vezet. Ezt a hatékonysághiányt hosszú reakcióidők, nagyobb metanol–olaj mólarányok, nagy katalizátorigény, magas folyamathőmérsékletek és nagy keverési fordulatszámok jellemzik. Ezek a tényezők jelentős költségnövelő tényezők, amelyek drága eljárássá teszik a hagyományos biodízelgyártást.
A megoldás: Az ultrahangos keverés rendkívül hatékonyan, gyorsan és alacsony költséggel emulgeálja a reagenseket, így javítható az olaj–metanol arány, csökken a katalizátorigény, valamint a reakcióidő és a reakcióhőmérséklet. Ezáltal erőforrások (azaz vegyszerek és energia), valamint idő takarítható meg, csökkennek a feldolgozási költségek, miközben jelentősen javul a biodízel minősége és a gyártás jövedelmezősége. Ezek a tények az ultrahangos keverést a hatékony biodízelgyártás előnyben részesített technológiájává teszik.
A kutatások és az ipari biodízelgyártók megerősítik, hogy az ultrahangos keverés rendkívül költséghatékony módja a biodízel előállításának, még akkor is, ha gyenge minőségű olajokat és zsírokat használnak alapanyagként. Az ultrahangos folyamatintenzifikálás jelentősen javítja a konverzió mértékét, csökkentve a feleslegben alkalmazott metanol és katalizátor felhasználását, és lehetővé téve az ASTM D6751 és EN 14212 előírások minőségi követelményeinek megfelelő biodízel előállítását. (vö. Abdullah et al., 2015)

A trigliceridek ultrahangos kezeléssel végzett átészterezése biodízellé (FAME) gyorsabb reakciót és jelentősen nagyobb hatékonyságot eredményez.

Az ultrahangos keverés számos előnye a biodízelgyártásban

Az ultrahangos keverőreaktorok könnyen integrálhatók bármely új berendezésrendszerbe, és utólag is beépíthetők meglévő biodízelüzemekbe. Egy Hielscher ultrahangos keverő integrálása bármely biodízelüzemet nagy teljesítményű gyártóüzemmé alakít. Az egyszerű telepítés, a robusztusság és a felhasználóbarát működés (az üzemeltetéshez nincs szükség külön képzésre) lehetővé teszi bármely létesítmény korszerűsítését rendkívül hatékony biodízelüzemmé. Az alábbiakban független harmadik felek által dokumentált előnyök tudományosan igazolt eredményeit mutatjuk be. A számok bizonyítják az ultrahangos biodízelkeverés fölényét bármely hagyományos keverési technikával szemben.

A folyamatábra a biodízelgyártás lépéseit mutatja be, beleértve a folyamathatékonyságot javító ultrahangos keverést.

A hatékonyság és a költségek összehasonlítása: ultrahang és mechanikus keverés

Gholami et al. (2021) összehasonlító tanulmányukban bemutatják az ultrahangos átészterezés előnyeit a mechanikus keveréssel (azaz lapátos keverővel, járókerekes keverővel, nagy nyíróhatású keverővel) szemben.

Alacsony beruházási költségek:
A UIP16000 ultrahangos kezelőberendezés és reaktor 192–384 t biodízel/d előállítására képes mindössze 1,2m x 0,6m alapterületen. Ezzel szemben a mechanikus keveréshez (MS) sokkal nagyobb reaktor szükséges a mechanikus keverési folyamat hosszú reakcióideje miatt, ami jelentősen növeli a reaktor költségét. (vö. Gholami et al., 2020)
Alacsony feldolgozási költségek:
Az ultrahangos biodízelgyártás feldolgozási költségei 7,7%-kal alacsonyabbak a keveréses eljárás költségeinél, főként az ultrahangos kezelési eljárás alacsonyabb teljes beruházási költsége miatt. A vegyszerek (katalizátor, metanol/alkohol) költsége a harmadik legnagyobb költségtényező mindkét eljárásban, az ultrahangos kezelésben és a mechanikus keverésben is. Az ultrahangos biodízel-előállítás vegyszerköltségei azonban jelentősen alacsonyabbak a mechanikus keverés vegyszerköltségeinél. A vegyszerek költséghányada a biodízel végső költségének kb. 5%-át teszi ki. A kisebb metanol-, nátrium-hidroxid- és foszforsav-felhasználás miatt az ultrahangos biodízelgyártási folyamat vegyszerköltsége 2,2%-kal alacsonyabb a mechanikus keverési folyamaténál.

Alacsonyabb energiaköltségek:
Az ultrahangos keverőreaktor energiafogyasztása megközelítőleg a mechanikus keverő energiafogyasztásának egyharmada. Ez a jelentős energiafogyasztás-csökkenés az intenzív mikrokeverés és a rövidebb reakcióidő eredménye, amelyeket az akusztikus / ultrahangos kavitáció jelenségét jellemző számtalan üreg képződése és összeomlása idéz elő (Gholami et al., 2018). Ezenkívül a hagyományos keverőhöz képest az ultrahangos keverési folyamat során a metanol visszanyerésének és a biodízel tisztításának energiafogyasztása rendre 26,5%-kal és 1,3%-kal csökken. Ez a csökkenés annak köszönhető, hogy az ultrahangos átészterezési folyamatban kisebb mennyiségű metanol kerül ebbe a két desztillációs oszlopba.

Nagymértékben csökkentett hulladékártalmatlanítási költségek:
Az ultrahangos kavitációs technológia a hulladékártalmatlanítás költségét is jelentősen csökkenti. Ez a költség az ultrahangos kezelési eljárásban nagyjából a keveréses eljárás költségének egyötöde, mivel a reaktorban elért nagyobb konverzió és a kisebb alkoholfelhasználás jelentősen csökkenti a keletkező hulladék mennyiségét.
Tudjon meg többet a használt kávézaccból származó olajok ultrahangos átalakításáról biodízellé!

Kedvezőbb környezeti hatás:
A nagyon magas összhatékonyság, a csökkent vegyszerfogyasztás, a kisebb energiaigény és a kevesebb hulladék miatt az ultrahangos biodízelgyártás jelentősen környezetbarátabb a hagyományos biodízelgyártási eljárásoknál.

Következtetés – Az ultrahang javítja a biodízelgyártás hatékonyságát

A tudományos értékelés egyértelműen bemutatja az ultrahangos keverés előnyeit a hagyományos mechanikus keveréssel szemben a biodízelgyártásban. Az ultrahangos biodízel-feldolgozás előnyei a teljes tőkeberuházásra, a teljes termékköltségre, a nettó jelenértékre és a belső megtérülési rátára terjednek ki. Megállapították, hogy az ultrahangos kavitációs eljárás teljes beruházási költsége megközelítőleg 20,8%-kal alacsonyabb a másik eljárásénál. Az ultrahangos reaktorok használata 5,2%-kal csökkentette a termékköltségeket – szűz repceolaj alkalmazása mellett. Mivel az ultrahangos kezelés használt olajok (pl. használt sütőolajok) feldolgozását is lehetővé teszi, a gyártási költségek jelentősen tovább csökkenthetők. Gholami et al. (2021) arra a következtetésre jutnak, hogy a pozitív nettó jelenérték miatt az ultrahangos kavitációs eljárás a biodízelgyártás keverési technológiájaként jobb választás.
Műszaki szempontból az ultrahangos kavitáció legfontosabb hatásai közé tartozik a jelentős folyamathatékonyság és a reakcióidő csökkenése. A számos vákuumbuborék képződése és összeomlása – amelyet akusztikus / ultrahangos kavitációnak neveznek – a kevert tartályreaktorban szükséges több óráról néhány másodpercre csökkenti a reakcióidőt az ultrahangos kavitációs reaktorban. Ez a rövid tartózkodási idő lehetővé teszi a biodízel előállítását kis helyigényű átfolyó reaktorban. Az ultrahangos kavitációs reaktor az energia- és anyagigényre is kedvezően hat: az energiafogyasztást a kevert tartályreaktor fogyasztásának közel egyharmadára, a metanol- és katalizátorfogyasztást pedig 25%-kal csökkenti.
Gazdasági szempontból az ultrahangos kavitációs eljárás teljes beruházási költsége alacsonyabb a mechanikus keverési eljárásénál, főként a reaktor költségének közel 50%-os, illetve a metanoldesztillációs oszlop költségének 11,6%-os csökkenése miatt. Az ultrahangos kavitációs eljárás a biodízel gyártási költségét is csökkenti a repceolaj-felhasználás 4%-os csökkenése, az alacsonyabb teljes beruházási költség, a 2,2%-kal alacsonyabb vegyszerfogyasztás és a 23,8%-kal kisebb közműigény révén. A mechanikus keverést alkalmazó eljárással szemben az ultrahangos feldolgozás elfogadható beruházás a pozitív nettó jelenértéke, rövidebb megtérülési ideje és magasabb belső megtérülési rátája miatt. Az ultrahangos kavitációs eljáráshoz kapcsolódó műszaki-gazdasági előnyök mellett az eljárás környezetbarátabb is a mechanikus keverési eljárásnál. Az ultrahangos kavitáció 80%-kal csökkenti a hulladékáramok mennyiségét az eljárás során a reaktorban elért nagyobb konverzió és a csökkent alkoholfogyasztás miatt. (vö. Gholami et al., 2021)

Alakítsa a gyenge minőségű alapanyagot kiváló tisztaságú biodízellé!

Az ultrahangos kezelés lehetővé teszi a gyenge minőségű alapanyagok, például hulladék növényi olajok, használt sütőzsírok, faggyú vagy halolajok hatékonyabb feldolgozását, mivel az ultrahangos kavitáció sokkal jobb érintkezést kényszerít ki az egymással nem elegyedő olaj- és alkoholfázisok között, nagymértékben javítva a keverést, valamint a hő- és anyagátadást. A reakciókinetikát is felgyorsítja, így még a nehezen feldolgozható, változó összetételű alapanyagok is gyorsabban és teljesebben alakíthatók át.
Az akusztikus kavitáció intenzívebbé teszi a reakciókörnyezetet, és elősegítheti a nagy reakcióképességű gyökök képződését, ami tovább támogatja a gyors átészterezést, és segít leküzdeni a gyenge minőségű alapanyagok szokásos feldolgozási hátrányait.
Olvassa el, hogyan alakítja az ultrahangos kezelés a hulladékolajokat és -zsírokat biodízellé!

Használja az Ön által választott katalizátort

A biodízel ultrahangos átészterezési eljárása mind alkalikus, mind bázikus katalizátorok alkalmazásával hatékonynak bizonyult. Shinde és Kaliaguine (2019) például összehasonlították az ultrahangos keverés és a mechanikus lapátos keverés hatékonyságát különböző katalizátorok, nevezetesen nátrium-hidroxid (NaOH), kálium-hidroxid (KOH), (CH₃ONa), tetrametil-ammónium-hidroxid és négy guanidin (propil-2,3-diciklohexil-guanidin (PCHG), 1,3-diciklohexil-2-n-oktil-guanidin (DCOG), 1,1,3,3-tetrametil-guanidin (TMG), 1,3-difenil-guanidin (DPG)) alkalmazásával. Az ultrahangos keverés (35º-on) a biodízelgyártásban jobbnak bizonyult, nagyobb hozamokkal és konverzióval felülmúlva a mechanikus keverést (65º-on). Az ultrahangtérben végbemenő hatékony anyagátadás a mechanikus keveréshez képest növelte az átészterezési reakció sebességét. Az ultrahangos kezelés minden vizsgált katalizátor esetében felülmúlta a mechanikus keverést. Az átészterezési reakció ultrahangos kavitációval történő végrehajtása energiahatékony és iparilag megvalósítható alternatíva a biodízelgyártásban. A széles körben használt KOH és NaOH katalizátorok mellett mindkét guanidinkatalizátor, a propil-2,3-diciklohexil-guanidin (PCHG) és az 1,3-diciklohexil-2-n-oktil-guanidin (DCOG) is érdekes alternatívának bizonyult a biodízel-előállításban.
Mootabadi et al. (2010) a pálmaolajból történő, ultrahanggal támogatott biodízel-szintézist vizsgálták különböző alkálifém-oxid katalizátorok, például CaO, BaO és SrO alkalmazásával. Az ultrahanggal támogatott biodízel-szintézis során mutatott katalizátoraktivitást összehasonlították a hagyományos mágneses keverési eljárással, és megállapították, hogy az ultrahangos eljárás BaO alkalmazásával 60 min reakcióidő alatt 95,2%-os hozamot eredményezett, ami a hagyományos keverési eljárásban egyébként 3–4 h időt igényel. Optimális körülmények között az ultrahanggal támogatott átészterezéshez 60 min volt szükséges a 95%-os hozam eléréséhez, szemben a hagyományos keveréssel szükséges 2–4 h idővel. Emellett az ultrahanggal 60 min alatt elért hozamok CaO katalizátor alkalmazásával 5,5%-ról 77,3%-ra, SrO katalizátor alkalmazásával 48,2%-ról 95,2%-ra, BaO katalizátor alkalmazásával pedig 67,3%-ról 95,2 értékre növekedtek.

Biodízelgyártás különböző guanidinek (3% mol) katalizátorként történő alkalmazásával. (A) Mechanikusan kevert szakaszos reaktor: (metanol:repceolaj) 4:1, hőmérséklet 65ºC; (B) Ultrahangos szakaszos reaktor: UP200St ultrahangos készülék, (metanol:repceolaj) 4:1, 60% ultrahang-amplitúdó, hőmérséklet 35ºC. Az ultrahangos keverés messze felülmúlja a mechanikus keverést.
(Tanulmány és grafikonok: Shinde és Kaliaguine, 2019)

Nagy teljesítményű ultrahangos reaktorok a kiemelkedő biodízel-feldolgozáshoz

A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos kezelőberendezéseket és reaktorokat kínál a biodízelgyártás javítására, ami nagyobb hozamokat, jobb minőséget, rövidebb feldolgozási időt és alacsonyabb gyártási költségeket eredményez.

Kis és közepes léptékű biodízelreaktorok

A legfeljebb 9ton/hr (2900 gal/hr) kapacitású, kis és közepes léptékű biodízelgyártáshoz a Hielscher a következő UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1000 watt), UIP1500hdT (1500 watt) és UIP2000hdT (2000 watt) ultrahangos, nagy nyíróhatású keverőmodelleket kínálja. Ez a négy ultrahangos reaktor nagyon kompakt, könnyen integrálható vagy utólag beépíthető. Nagy igénybevételű üzemeltetésre készültek, zord környezetben is. Az alábbiakban különböző gyártási kapacitásokhoz ajánlott reaktorkonfigurációkat talál.

Rendkívül nagy átbocsátási kapacitású ipari biodízelreaktorok

Az ipari feldolgozást végző biodízelgyártó üzemek számára a Hielscher a következő UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) és UIP16000hdT (16kW) ultrahangos homogenizátorokat kínálja! Ezeket az ultrahangos kezelőberendezéseket nagy térfogatáramok folyamatos feldolgozására tervezték. A UIP4000hdT, UIP6000hdT és UIP10000 szabványos tengeri szállítókonténerekbe integrálható. Alternatív megoldásként mind a négy kezelőberendezés-modell rozsdamentes acél szekrényben is elérhető. A függőleges telepítés minimális helyet igényel. Az alábbiakban tipikus ipari feldolgozási kapacitásokhoz ajánlott konfigurációkat talál.