Էներգաարդյունավետություն և մեթանոլի խնայողություն բիոդիզելի արտադրության մեջ

Ուլտրաձայնային մշակումը էներգախնայող խառնման տեխնոլոգիա է, որն օգտագործում է ուլտրաձայնային կավիտացիան՝ չխառնվող յուղային և մեթանոլային ֆազերի միջև ինտենսիվ միկրոխառնում և արագ զանգվածափոխանակություն ապահովելու համար։ Բիոդիզելի ստացման ընթացքում այս ազդեցությունը կտրուկ կրճատում է ռեակցիայի տևողությունը՝ ժամերից մինչև վայրկյաններ, և թույլ է տալիս արդյունավետ վերաէսթերացում իրականացնել ավելի ցածր ջերմաստիճաններում՝ մեթանոլի և կատալիզատորի նվազեցված օգտագործմամբ։ Բացի այն, որ ուլտրաձայնային մշակումն ինքնին էներգաարդյունավետ տեխնոլոգիա է, այն նվազեցնում է մեթանոլի և կատալիզատորի պահանջը, նվազագույնի է հասցնում էներգիայի կորուստները և նվազեցնում թորմամբ մեթանոլի վերականգնման անհրաժեշտությունը՝ դառնալով սովորական մեխանիկական խառնման բարձր արդյունավետությամբ և կայուն այլընտրանք։

Ուլտրաձայնային մշակումը՝ որպես բիոդիզելի արտադրության գործընթացի ինտենսիվացման միջոց

Բիոդիզելի արտադրության մեջ վերաէսթերացման ընթացքում յուղն ու սպիրտը խառնելու համար ավանդաբար օգտագործվում են մեխանիկական թիակավոր խառնիչներ։ Սակայն այս մեթոդի դեպքում չխառնվող ֆազերի միջև միջֆազային շփումը թույլ է, ինչը հանգեցնում է ռեակցիայի երկար տևողության, մեթանոլի մեծ ավելցուկի և էներգիայի զգալի կորուստների՝ ինչպես խառնման, այնպես էլ հետագա թորմամբ մեթանոլի վերականգնման ընթացքում։
Hielscher Ultrasonics GmbH ընկերության մշակած ուլտրաձայնային կավիտացիայի տեխնոլոգիայի ներդրումը հիմնովին բարձրացրել է գործընթացի արդյունավետությունը։ Ուլտրաձայնային ռեակտորներն օգտագործում են ինտենսիվ ակուստիկ էներգիա, որը հեղուկ ֆազում առաջացնում է մանրադիտակային կավիտացիոն պղպջակներ։ Դրանց ներպայթումը ստեղծում է տեղային բարձր ջերմաստիճանով գոտիներ, ինտենսիվ միկրոխառնում և զանգվածափոխանակության բարձր արագություններ՝ թույլ տալով մեղմ պայմաններում իրականացնել արագ վերաէսթերացում։

Ուլտրաձայնային կավիտացիայի և մեխանիկական խառնման համեմատություն

1. Ռեակցիայի արդյունավետությունը և խառնման արդյունավետությունը

Ուլտրաձայնային կավիտացիայով (UC) և մեխանիկական խառնմամբ (MS) ռեակտորների համեմատական տեխնիկատնտեսական գնահատման մեջ (Gholami et al., 2021)՝
ուլտրաձայնային ռեակտորը 5–15 վայրկյանի ընթացքում հասել է փոխակերպման 99% արդյունավետության,
մինչդեռ մեխանիկական խառնմամբ ռեակտորին պահանջվել է ~80 րոպե՝ փոխակերպման 95% արդյունավետության հասնելու համար։
Այս հսկայական արագացումը պայմանավորված է ակուստիկ միկրոհոսքերով և կավիտացիայի առաջացրած էմուլգացմամբ, որոնք ստեղծում են Hielscher ընկերության ռեակտորները։ Այս մեխանիզմները յուղի մեջ առաջացնում են սպիրտի մանրադիսպերս բաշխում՝ զգալիորեն մեծացնելով միջֆազային մակերեսը և նվազագույնի հասցնելով զանգվածափոխանակության դիմադրությունը։
Խառնման գերազանց արդյունավետությունը թույլ է տալիս վերաէսթերացումն իրականացնել ավելի ցածր ջերմաստիճաններում (45–60°C) և չափավոր ճնշումներում (~3 bar)՝ համեմատած սովորական գործընթացների հետ, որոնք մեթանոլի գոլորշիացումը կանխելու և լուծելիությունը պահպանելու համար հաճախ պահանջում են բարձրացված ճնշումներ (~4 bar)։

Ուլտրաձայնային խառնումը նվազեցնում է բիոդիզելի արտադրության տեսակարար էներգասպառումը՝ զգալիորեն գերազանցելով հիդրոդինամիկ մագնիսական խառնումը և սահքի բարձր արագությամբ խառնիչները։

2. Էներգասպառումը և ռեակտորի կառուցվածքը

Hielscher ընկերության հոսքային ուլտրաձայնային համակարգերը (օրինակ՝ UIP1500hdT, UIP16000hdT) ապահովում են հզորության բարձր խտություն՝ արտադրված բիոդիզելի համար ընդամենը ~3 kJ/L տեսակարար էներգապահանջով։ 50 000 t/y արտադրողականությամբ բիոդիզելի գործարանի տեխնիկատնտեսական մոդելում մեխանիկական խառնումից ուլտրաձայնային կավիտացիայի անցնելիս գործընթացի ընդհանուր էներգապահանջը նվազել է 6,9%-ով։

Ըստ առանձին բաղադրիչների՝

Հիմնական խնայողությունը պայմանավորված է վերաէսթերացման տևողության կտրուկ կրճատմամբ, ինչը թույլ է տալիս օգտագործել ավելի փոքր ծավալով ռեակտորներ և նվազեցնել տաքացման պահանջը։ Hielscher ընկերության ռեակտորների, օրինակ՝ UIP16000hdT մոդելի, կոմպակտ հոսքային կառուցվածքը թույլ է տալիս օրական արտադրել մինչև 384 t բիոդիզել՝ մոդուլների խմբավորման միջոցով ապահովելով արտադրական մասշտաբի մեծացման հնարավորություն՝ առանց մեծ խառնման բաքերին բնորոշ ծավալի անարդյունավետ օգտագործման։

Մեթանոլի խնայողություն և վերականգնման համար անհրաժեշտ էներգիայի նվազեցում

Ուլտրաձայնային մշակման էներգետիկ առավելության կարևոր գործոններից մեկը մեթանոլի օպտիմալացված օգտագործումն է։ Ավանդական մեխանիկական խառնումը ռեակցիան առաջ տանելու համար պահանջում է մեթանոլի և յուղի 6:1 մոլային հարաբերակցություն՝ առաջացնելով մեծ ավելցուկ, որը հետագայում պետք է վերականգնվի էներգատար գոլորշիացման կամ թորման միջոցով։
Մինչդեռ Hielscher ընկերության ուլտրաձայնային կավիտացիայի տեխնոլոգիան ապահովում է գրեթե ամբողջական փոխարկում մեթանոլի և յուղի ընդամենը 4–4,5:1 հարաբերակցությամբ։ Սպիրտային հումքի քանակի այս 25% նվազումը ոչ միայն կրճատում է հումքի ծախսերը, այլև վերացնում է հազարավոր լիտր մեթանոլ գոլորշիացնելու և խտացնելու անհրաժեշտությունը՝ զգալիորեն նվազեցնելով գոլորշու սպառումը մեթանոլի վերականգնման աշտարակում։
Բացի այդ, մեթանոլի և կատալիզատորի պահանջվող քանակների նվազումը նվազագույնի է հասցնում կողմնակի արգասիքների առաջացումը և պարզեցնում հետագա մաքրումը՝ նպաստելով փուլերի ավելի մաքուր բաժանմանը և ալկալային կեղտաջրերի առաջացման նվազմանը։

 
Իմացե՛ք, թե ինչու է բիոդիզելի ուլտրաձայնային արտադրությունը գործում նաև էժան հումքով, օրինակ՝ օգտագործված խոհարարական յուղերով և բիոդիզելի արտադրության համար նախատեսված խոզաճարպով։
 

Ուլտրաձայնային մեթոդով առաջին 1,5 րոպեի ընթացքում փոխարկման աստիճանը հասնում է մոտավորապես 75%-ի, իսկ 6 րոպե անց կայունանում է մոտ 90% մակարդակում։
Ավանդական մեթոդն ապահովում է փոխարկման շատ ավելի ցածր արագություն՝ 8 րոպե անց հասնելով փոխարկման ընդամենը մոտ 40% աստիճանի։

Տնտեսական և բնապահպանական հետևանքներ

Gholami և համահեղինակների (2021) տեխնիկատնտեսական մոդելը ցույց է տվել հետևյալը.

• Ընդհանուր ներդրումային ծախսերը նվազել են մոտ 21%-ով,
• Մեկ տոննա արտադրանքի ինքնարժեքը նվազել է մոտ 5%-ով,
• Առաջացող թափոնների քանակը կրճատվել է մինչև մեխանիկական խառնման դեպքում առաջացող քանակի մեկ հինգերորդը,
• Ներքին եկամտաբերության նորման (IRR) բարելավվել է՝ հասնելով 18,3%-ի՝ դրական զուտ ներկա արժեքի (NPV) պայմաններում, մինչդեռ ավանդական գործընթացը մնացել է տնտեսապես ոչ շահավետ։

Բնապահպանական տեսանկյունից մեթանոլի ավելցուկի կրճատումն ուղղակիորեն նվազեցնում է ցնդող օրգանական միացությունների արտանետումները և ջերմային էներգիայի օգտագործումը՝ բիոդիզելի ուլտրաձայնային արտադրությունը համապատասխանեցնելով կանաչ արտադրության նպատակներին։

Բիոդիզելի ուլտրաձայնային ռեակտորի առավելությունների ակնարկ

(համեմատական ուսումնասիրության արդյունքներ, տե՛ս Gholami և համահեղինակներ, 2021)

Բիոդիզելի բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային ռեակտորներ

Hielscher Ultrasonics ընկերության նախագծած բիոդիզելի ուլտրաձայնային ռեակտորներն ապահովում են ոչ միայն արագ և համաչափ տրանսէսթերացում, այլև էներգիայի ու նյութերի զգալի խնայողություն։ Ավելցուկային մեթանոլի օգտագործման նվազումը և դրա հետ կապված՝ բարձր ջերմաստիճաններում վերականգնման փուլերի վերացումը կայունության առումով մեծ առավելություն են։
Արտադրական ծավալների մոդուլային մեծացման հնարավորության, տեխնիկական սպասարկման ցածր պահանջների և հետերոգեն կատալիզատորների հետ համատեղելիության համադրությամբ՝ Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը չափանիշ են սահմանում բիոդիզելի էներգաարդյունավետ և մաքուր արտադրության տեխնոլոգիայի համար։
 
Կարդացե՛ք ավելին Hielscher Ultrasonics ընկերության բիոդիզելի տեխնոլոգիայի առավելությունների մասին։
 

Ստորև բերված աղյուսակը պատկերացում է տալիս Hielscher ուլտրաձայնային բիոդիզելի ռեակտորների մոտավոր մշակման արտադրողականության մասին.

Նախագծում, արտադրություն և խորհրդատվություն – Գերմանիայում ստեղծված որակ

Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը հայտնի են որակի և նախագծման իրենց ամենաբարձր չափանիշներով։ Ամրությունն ու շահագործման դյուրինությունը թույլ են տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերը սահուն ինտեգրել արդյունաբերական օբյեկտներում։ Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը հեշտությամբ աշխատում են ծանր պայմաններում և բարձր պահանջներ ներկայացնող միջավայրերում։

Hielscher Ultrasonics ընկերությունն ունի ISO հավաստագրում և հատուկ ուշադրություն է դարձնում բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային սարքերին, որոնք առանձնանում են նորագույն տեխնոլոգիայով և օգտագործման հարմարավետությամբ։ Իհարկե, Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը համապատասխանում են CE պահանջներին և բավարարում են UL, CSA և RoHs պահանջները։

Գրականություն / Հղումներ

• 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.