Բիոդիզելի արտադրություն՝ գործընթացի և ծախսերի գերազանց արդյունավետությամբ

Ուլտրաձայնային խառնումը բարձր արդյունավետությամբ և տնտեսապես շահավետ բիոդիզելի արտադրության համար գերազանց տեխնոլոգիա է։ Ուլտրաձայնային կավիտացիան կտրուկ բարելավում է զանգվածափոխանակությունը՝ դրանով նվազեցնելով արտադրական ծախսերն ու մշակման տևողությունը։ Միաժամանակ հնարավոր է օգտագործել ցածրորակ յուղեր և ճարպեր (օրինակ՝ թափոնային յուղեր), և բիոդիզելի որակը բարելավվում է։ Hielscher Ultrasonics ընկերությունը մատակարարում է բարձր արտադրողականությամբ, ամուր ուլտրաձայնային խառնման ռեակտորներ՝ արտադրության ցանկացած մասշտաբի համար։ Կարդացեք ավելին այն մասին, թե ուլտրաձայնային մշակումն ինչպես օգուտ կբերի բիոդիզելի ձեր արտադրությանը։

Բիոդիզելի արտադրության առավելությունները ուլտրաձայնի կիրառմամբ

Բիոդիզելը (ճարպաթթվի մեթիլ էսթեր, հապավումը՝ FAME) լիպիդային հումքի (տրիգլիցերիդներ, օրինակ՝ բուսական յուղ, օգտագործված խոհարարական յուղեր, կենդանական ճարպեր, ջրիմուռների յուղ) և սպիրտի (մեթանոլ, էթանոլ) վերաէսթերացման ռեակցիայի արգասիք է՝ կատալիզատորի (օրինակ՝ կալիումի հիդրօքսիդ՝ KOH) կիրառմամբ։
Խնդիրը. Սովորական խառնմամբ բիոդիզելի ստացման ավանդական գործընթացում յուղի և սպիրտի վերաէսթերացման ռեակցիայի երկու փոխազդող նյութերի չխառնվող բնույթը հանգեցնում է զանգվածափոխանակության ցածր արագության՝ բիոդիզելի արտադրությունը դարձնելով անարդյունավետ։ Այս անարդյունավետությունը բնութագրվում է ռեակցիայի երկար տևողությամբ, մեթանոլ–յուղ ավելի բարձր մոլային հարաբերակցություններով, կատալիզատորի մեծ պահանջով, գործընթացի բարձր ջերմաստիճաններով և խառնման բարձր արագություններով։ Այս գործոնները ծախսերի աճի էական պատճառներ են՝ բիոդիզելի ավանդական արտադրությունը դարձնելով թանկ գործընթաց։
Լուծումը. Ուլտրաձայնային խառնումը փոխազդող նյութերը էմուլսացնում է բարձր արդյունավետությամբ, արագ և ցածր ծախսերով, ինչի շնորհիվ հնարավոր է բարելավել յուղ–մեթանոլ հարաբերակցությունը, նվազեցնել կատալիզատորի պահանջը, կրճատել ռեակցիայի տևողությունն ու իջեցնել դրա ջերմաստիճանը։ Այդպիսով խնայվում են ռեսուրսները (այսինքն՝ քիմիական նյութերն ու էներգիան), ինչպես նաև ժամանակը, նվազում են մշակման ծախսերը, մինչդեռ բիոդիզելի որակն ու արտադրության շահութաբերությունը զգալիորեն բարելավվում են։ Այս փաստերը ուլտրաձայնային խառնումը դարձնում են բիոդիզելի արդյունավետ արտադրության նախընտրելի տեխնոլոգիա։
Հետազոտությունները և բիոդիզելի արդյունաբերական արտադրողները հաստատում են, որ ուլտրաձայնային խառնումը բիոդիզելի արտադրության տնտեսապես խիստ շահավետ եղանակ է, նույնիսկ երբ որպես հումք օգտագործվում են ցածրորակ յուղեր և ճարպեր։ Ուլտրաձայնով գործընթացի ինտենսիվացումը զգալիորեն բարձրացնում է փոխարկման արագությունը՝ նվազեցնելով ավելցուկային մեթանոլի և կատալիզատորի օգտագործումը և հնարավորություն տալով արտադրել ASTM D6751 և EN 14212 բնութագրերի որակի ստանդարտին համապատասխան բիոդիզել։ (Տե՛ս Abdullah et al., 2015)

Ուլտրաձայնային մշակմամբ տրիգլիցերիդների վերաէսթերացումը բիոդիզելի (FAME) հանգեցնում է ռեակցիայի արագացման և զգալիորեն ավելի բարձր արդյունավետության։

Բիոդիզելի արտադրությունում ուլտրաձայնային խառնման բազմաթիվ առավելությունները

Ուլտրաձայնային խառնման ռեակտորները կարելի է հեշտությամբ ներառել ցանկացած նոր կայանքում, ինչպես նաև դրանցով վերազինել բիոդիզելի գործող գործարանները։ Hielscher ուլտրաձայնային խառնիչի ներառումը բիոդիզելի արտադրության ցանկացած ձեռնարկություն վերածում է բարձր արտադրողականությամբ արտադրական գործարանի։ Պարզ տեղադրումը, ամրությունն ու օգտագործման դյուրինությունը (շահագործման համար հատուկ ուսուցում չի պահանջվում) թույլ են տալիս ցանկացած ձեռնարկություն արդիականացնել՝ դարձնելով այն բիոդիզելի բարձր արդյունավետությամբ գործարան։ Ստորև ներկայացնում ենք անկախ երրորդ կողմերի կողմից փաստագրված առավելությունների գիտականորեն ապացուցված արդյունքները։ Թվերն ապացուցում են բիոդիզելի ուլտրաձայնային խառնման գերազանցությունը սովորական խառնման ցանկացած եղանակի նկատմամբ։

Հոսքագիծը ցույց է տալիս բիոդիզելի արտադրության փուլերը՝ ներառյալ ուլտրաձայնային խառնումը՝ գործընթացի արդյունավետությունը բարելավելու համար։

Արդյունավետության և ծախսերի համեմատություն. ուլտրաձայնային մշակում և մեխանիկական խառնում

Gholami և համահեղինակները (2021) իրենց համեմատական ուսումնասիրությունում ներկայացնում են ուլտրաձայնային վերաէսթերացման առավելությունները մեխանիկական խառնման նկատմամբ (այսինքն՝ թիակավոր խառնիչ, թևանիվ, բարձր սահքային ուժերով խառնիչ)։

Ցածր ներդրումային ծախսեր.
UIP16000 ուլտրաձայնային մշակիչն ու ռեակտորը կարող են արտադրել օրական 192–384 t բիոդիզել՝ զբաղեցնելով ընդամենը 1,2m x 0,6m տարածք։ Համեմատության համար՝ մեխանիկական խառնման (MS) դեպքում պահանջվում է շատ ավելի մեծ ռեակտոր՝ մեխանիկական խառնման գործընթացում ռեակցիայի երկար տևողության պատճառով, ինչը զգալիորեն մեծացնում է ռեակտորի արժեքը։ (Տե՛ս Gholami et al., 2020)
Մշակման ցածր ծախսեր.
Բիոդիզելի ուլտրաձայնային արտադրության մշակման ծախսերը 7,7% ավելի ցածր են, քան խառնման գործընթացինը՝ հիմնականում ուլտրաձայնային մշակման գործընթացի համար անհրաժեշտ ավելի փոքր ընդհանուր ներդրման շնորհիվ։ Քիմիական նյութերի (կատալիզատոր, մեթանոլ/սպիրտ) արժեքը երկու գործընթացներում էլ՝ ուլտրաձայնային մշակման և մեխանիկական խառնման, ծախսերը պայմանավորող երրորդ խոշորագույն գործոնն է։ Սակայն բիոդիզելի ստացման ուլտրաձայնային փոխարկման դեպքում քիմիական նյութերի ծախսերը զգալիորեն ավելի ցածր են, քան մեխանիկական խառնման դեպքում։ Քիմիական նյութերի ծախսերի բաժինը կազմում է բիոդիզելի վերջնական արժեքի մոտավորապես 5%։ Մեթանոլի, նատրիումի հիդրօքսիդի և ֆոսֆորական թթվի ավելի փոքր սպառման շնորհիվ բիոդիզելի ստացման ուլտրաձայնային գործընթացում քիմիական նյութերի ծախսերը 2,2% ավելի ցածր են, քան մեխանիկական խառնման գործընթացում։

Էներգիայի ծախսերի նվազեցում.
Ուլտրաձայնային խառնման ռեակտորի սպառած էներգիան մոտավորապես երեք անգամ պակաս է մեխանիկական խառնիչի սպառածից։ Էներգիայի սպառման այս զգալի նվազումը ինտենսիվ միկրոխառնման և ռեակցիայի տևողության կրճատման արդյունք է, որոնք պայմանավորված են անհամար խոռոչների առաջացմամբ ու փլուզմամբ՝ ակուստիկ / ուլտրաձայնային կավիտացիայի երևույթը բնորոշող գործընթացներով (Gholami et al., 2018)։ Բացի այդ, սովորական խառնիչի համեմատությամբ, ուլտրաձայնային խառնման գործընթացում մեթանոլի վերականգնման և բիոդիզելի մաքրման փուլերի էներգասպառումը նվազում է համապատասխանաբար 26,5% և 1,3%։ Այս նվազումը պայմանավորված է ուլտրաձայնային վերաէսթերացման գործընթացում այդ երկու թորման աշտարակներ մուտք գործող մեթանոլի ավելի փոքր քանակներով։

Թափոնների հեռացման ծախսերի խիստ նվազեցում.
Ուլտրաձայնային կավիտացիայի տեխնոլոգիան նաև զգալիորեն նվազեցնում է թափոնների հեռացման ծախսերը։ Ուլտրաձայնային մշակման գործընթացում այս ծախսը կազմում է խառնման գործընթացի համապատասխան ծախսի մոտավորապես մեկ հինգերորդը՝ ռեակտորում փոխարկման ավելի բարձր աստիճանի և սպառվող սպիրտի ավելի փոքր քանակների շնորհիվ թափոնների առաջացման զգալի նվազման արդյունքում։
Կարդացեք ավելին օգտագործված սուրճի մրուրից ստացված յուղերի՝ բիոդիզելի ուլտրաձայնային փոխարկման մասին։

Բնապահպանական բարենպաստության բարելավում.
Շատ բարձր ընդհանուր արդյունավետության, քիմիական նյութերի սպառման նվազման, էներգիայի ավելի փոքր պահանջարկի և թափոնների նվազման շնորհիվ բիոդիզելի ուլտրաձայնային արտադրությունը զգալիորեն ավելի բարենպաստ է շրջակա միջավայրի համար, քան բիոդիզելի արտադրության սովորական գործընթացները։

Եզրակացություն – Ուլտրաձայնը բարձրացնում է բիոդիզելի արտադրության արդյունավետությունը

Գիտական գնահատումը ցույց է տալիս բիոդիզելի արտադրության մեջ ուլտրաձայնային խառնման հստակ առավելությունները սովորական մեխանիկական խառնման նկատմամբ։ Բիոդիզելի ուլտրաձայնային մշակման առավելությունները ներառում են ընդհանուր կապիտալ ներդրումները, արտադրանքի ընդհանուր ինքնարժեքը, զուտ ներկա արժեքը և եկամտաբերության ներքին նորման։ Պարզվել է, որ ուլտրաձայնային կավիտացիայի գործընթացում ընդհանուր ներդրումների ծավալը մոտավորապես 20,8%-ով պակաս է մյուս գործընթացի համեմատ։ Ուլտրաձայնային ռեակտորների կիրառումը նվազեցրել է արտադրանքի ինքնարժեքը 5,2%-ով՝ առաջնային կանոլայի յուղ օգտագործելիս։ Քանի որ ուլտրաձայնային մշակումը թույլ է տալիս մշակել նաև օգտագործված յուղեր (օրինակ՝ օգտագործված խոհարարական յուղեր), արտադրական ծախսերը կարող են էապես ավելի նվազել։ Gholami և համահեղինակները (2021) եզրակացնում են, որ դրական զուտ ներկա արժեքի շնորհիվ ուլտրաձայնային կավիտացիայի գործընթացը բիոդիզելի արտադրության համար խառնման տեխնոլոգիայի ավելի լավ ընտրություն է։
Տեխնիկական տեսանկյունից ուլտրաձայնային կավիտացիայի ամենակարևոր ազդեցություններն ընդգրկում են գործընթացի զգալի արդյունավետությունը և ռեակցիայի տևողության կրճատումը։ Բազմաթիվ վակուումային պղպջակների առաջացումն ու փլուզումը՝ ակուստիկ / ուլտրաձայնային կավիտացիա կոչվող երևույթը, կրճատում են ռեակցիայի տևողությունը՝ խառնիչով տարողային ռեակտորում մի քանի ժամից մինչև ուլտրաձայնային կավիտացիոն ռեակտորում մի քանի վայրկյան։ Մնալու այս կարճ ժամանակը թույլ է տալիս բիոդիզել արտադրել փոքր մակերես զբաղեցնող հոսքային ռեակտորում։ Ուլտրաձայնային կավիտացիոն ռեակտորը նաև բարենպաստ ազդեցություն է ունենում էներգիայի և նյութերի պահանջի վրա՝ էներգիայի սպառումը նվազեցնելով մինչև խառնիչով տարողային ռեակտորի սպառման գրեթե մեկ երրորդը, իսկ մեթանոլի և կատալիզատորի սպառումը՝ 25%-ով։
Տնտեսական տեսանկյունից ուլտրաձայնային կավիտացիայի գործընթացի ընդհանուր ներդրումները պակաս են մեխանիկական խառնման գործընթացի համեմատ՝ հիմնականում ռեակտորի արժեքի գրեթե 50%-ով և մեթանոլի թորման աշտարակի արժեքի 11,6%-ով նվազման շնորհիվ՝ համապատասխանաբար։ Ուլտրաձայնային կավիտացիայի գործընթացը նաև նվազեցնում է բիոդիզելի արտադրության ինքնարժեքը՝ կանոլայի յուղի սպառման 4%-ով կրճատման, ընդհանուր ներդրումների նվազման, քիմիական նյութերի սպառման 2,2%-ով և օժանդակ ռեսուրսների պահանջի 23,8%-ով նվազման շնորհիվ։ Ի տարբերություն մեխանիկական խառնմամբ գործընթացի՝ ուլտրաձայնային մշակումը ընդունելի ներդրում է՝ իր դրական զուտ ներկա արժեքի, հետգնման ավելի կարճ ժամկետի և եկամտաբերության ավելի բարձր ներքին նորմայի շնորհիվ։ Ուլտրաձայնային կավիտացիայի գործընթացի հետ կապված տեխնիկատնտեսական օգուտներից բացի, այն նաև էկոլոգիապես ավելի բարենպաստ է, քան մեխանիկական խառնման գործընթացը։ Ուլտրաձայնային կավիտացիան հանգեցնում է թափոնային հոսքերի 80%-ով կրճատման՝ ռեակտորում փոխարկման ավելի բարձր աստիճանի և այս գործընթացում սպիրտի սպառման նվազման շնորհիվ։ (Տե՛ս Gholami և համահեղինակներ, 2021)

Անորակ հումքը վերածե՛ք անթերի մաքուր բիոդիզելի։

Ուլտրաձայնային մշակումը թույլ է տալիս ավելի արդյունավետ մշակել անորակ հումքը, օրինակ՝ թափոնային բուսական յուղերը, տապակման համար օգտագործված ճարպերը, կենդանական հալած ճարպը կամ ձկան յուղերը, քանի որ ուլտրաձայնային կավիտացիան ապահովում է չխառնվող յուղային և սպիրտային փուլերի շատ ավելի լավ շփում՝ մեծապես բարելավելով խառնումը, ինչպես նաև ջերմա- և զանգվածափոխանակությունը։ Այն նաև արագացնում է ռեակցիայի կինետիկան, ուստի նույնիսկ դժվար մշակվող, փոփոխական հատկություններով հումքը կարող է փոխարկվել ավելի արագ և ավելի ամբողջական։
Ակուստիկ կավիտացիան ուժգնացնում է ռեակցիոն միջավայրը և կարող է նպաստել բարձր ռեակցիոնունակությամբ ռադիկալների առաջացմանը, ինչը լրացուցիչ նպաստում է արագ տրանսէսթերիֆիկացմանը և օգնում հաղթահարել ցածրորակ հումքի մշակման սովորական թերությունները։
Կարդացե՛ք, թե ինչպես է ուլտրաձայնային մշակումը թափոնային յուղերն ու ճարպերը վերածում բիոդիզելի։

Օգտագործե՛ք ձեր ընտրած կատալիզատորը

Ապացուցվել է բիոդիզելի ուլտրաձայնային տրանսէսթերիֆիկացման գործընթացի արդյունավետությունը ինչպես ալկալային, այնպես էլ հիմնային կատալիզատորների կիրառմամբ։ Օրինակ՝ Shinde և Kaliaguine (2019) համեմատել են ուլտրաձայնային և մեխանիկական թիակային խառնման արդյունավետությունը՝ օգտագործելով տարբեր կատալիզատորներ, մասնավորապես՝ նատրիումի հիդրօքսիդ (NaOH), կալիումի հիդրօքսիդ (KOH), (CH₃ONa), տետրամեթիլամոնիումի հիդրօքսիդ և չորս գուանիդիններ (պրոպիլ-2,3-դիցիկլոհեքսիլգուանիդին (PCHG), 1,3-դիցիկլոհեքսիլ-2-n-օկտիլգուանիդին (DCOG), 1,1,3,3-տետրամեթիլգուանիդին (TMG), 1,3-դիֆենիլգուանիդին (DPG))։ Ապացուցվել է, որ ուլտրաձայնային խառնումը (35º պայմաններում) գերազանցում է մեխանիկական խառնումը (65º պայմաններում) կենսադիզելի արտադրության մեջ՝ ապահովելով ավելի բարձր ելք և փոխակերպման արագություն։ Ուլտրաձայնային դաշտում զանգվածափոխանակության արդյունավետությունը բարձրացրել է վերաէսթերացման ռեակցիայի արագությունը՝ մեխանիկական խառնման համեմատ։ Ուլտրաձայնային մշակումը գերազանցել է մեխանիկական խառնումը փորձարկված բոլոր կատալիզատորների դեպքում։ Ուլտրաձայնային կավիտացիայով վերաէսթերացման ռեակցիայի իրականացումը կենսադիզելի արտադրության էներգաարդյունավետ և արդյունաբերական կիրառության համար կենսունակ այլընտրանք է։ Լայնորեն կիրառվող KOH և NaOH կատալիզատորներից բացի՝ գուանիդինային երկու կատալիզատորները՝ պրոպիլ-2,3-դիցիկլոհեքսիլգուանիդինը (PCHG) և 1,3-դիցիկլոհեքսիլ-2-n-օկտիլգուանիդինը (DCOG), նույնպես ներկայացվել են որպես կենսադիզելի ստացման փոխակերպման հետաքրքիր այլընտրանքներ։
Mootabadi et al. (2010) ուսումնասիրել են արմավենու յուղից կենսադիզելի սինթեզը՝ ուլտրաձայնի օժանդակությամբ, կիրառելով ալկալիական մետաղների տարբեր օքսիդային կատալիզատորներ, ինչպիսիք են CaO, BaO և SrO։ Ուլտրաձայնի օժանդակությամբ կենսադիզելի սինթեզում կատալիզատորի ակտիվությունը համեմատվել է ավանդական մագնիսական խառնման գործընթացի հետ, և պարզվել է, որ ուլտրաձայնային գործընթացում BaO կիրառելիս ստացվել է 95,2% ելք՝ ռեակցիայի 60 min տևողության ընթացքում, մինչդեռ սովորական խառնման գործընթացում դրա համար պահանջվում է 3–4 h։ Օպտիմալ պայմաններում ուլտրաձայնի օժանդակությամբ վերաէսթերացման դեպքում 95% ելքի հասնելու համար պահանջվել է 60 min՝ սովորական խառնման դեպքում պահանջվող 2–4 h տևողության համեմատ։ Բացի այդ, ուլտրաձայնի կիրառմամբ 60 min ընթացքում ստացված ելքերն աճել են 5,5%-ից մինչև 77,3%՝ որպես կատալիզատոր CaO կիրառելիս, 48,2%-ից մինչև 95,2%՝ որպես կատալիզատոր SrO կիրառելիս, և 67,3%-ից մինչև 95,2՝ որպես կատալիզատոր BaO կիրառելիս։

Կենսադիզելի արտադրություն՝ որպես կատալիզատոր տարբեր գուանիդինների (3% mol) կիրառմամբ։ (A) Պարբերական գործողության ռեակտոր՝ մեխանիկական խառնմամբ. (մեթանոլ:կանոլայի յուղ) 4:1, ջերմաստիճանը՝ 65ºC, (B) Պարբերական գործողության ուլտրաձայնային ռեակտոր՝ ուլտրաձայնային սարք UP200St, (մեթանոլ:կանոլայի յուղ) 4:1, ուլտրաձայնի ամպլիտուդը՝ 60%, ջերմաստիճանը՝ 35ºC։ Ուլտրաձայնով իրականացվող խառնումը զգալիորեն գերազանցում է մեխանիկական խառնումը։
(Ուսումնասիրությունը և գրաֆիկները՝ Shinde and Kaliaguine, 2019)

Բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային ռեակտորներ՝ կենսադիզելի առավել արդյունավետ մշակման համար

Hielscher Ultrasonics ընկերությունն առաջարկում է բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային մշակման սարքեր և ռեակտորներ՝ կենսադիզելի արտադրությունը բարելավելու համար՝ ապահովելով ավելի բարձր ելք, բարելավված որակ, մշակման ավելի կարճ տևողություն և արտադրական ավելի ցածր ծախսեր։

Կենսադիզելի փոքր և միջին մասշտաբի արտադրության ռեակտորներ

Մինչև 9ton/hr (2900 gal/hr) արտադրողականությամբ կենսադիզելի փոքր և միջին մասշտաբի արտադրության համար Hielscher ընկերությունն առաջարկում է UIP500hdT (500 վատտ), UIP1000hdT (1000 վատտ), UIP1500hdT (1500 վատտ) և UIP2000hdT (2000 վատտ) բարձր սահքային ազդեցությամբ ուլտրաձայնային խառնիչների մոդելները։ Այս չորս ուլտրաձայնային ռեակտորները շատ կոմպակտ են, հեշտությամբ ինտեգրվում են նոր կամ արդեն գործող համակարգերին։ Դրանք նախատեսված են խիստ պայմաններում ծանր աշխատանքային ռեժիմով շահագործման համար։ Ստորև ներկայացված են արտադրողականության տարբեր մակարդակների համար առաջարկվող ռեակտորային կազմաձևերը։

Շատ բարձր թողունակությամբ արդյունաբերական ռեակտորներ՝ կենսադիզելի արտադրության համար

Կենսադիզելի արտադրության արդյունաբերական մշակման գործարանների համար Hielscher ընկերությունն առաջարկում է UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) և UIP16000hdT (16kW) ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ։ Այս ուլտրաձայնային պրոցեսորները նախատեսված են մեծ ծավալային հոսքերով շարունակական մշակման համար։ UIP4000hdT, UIP6000hdT և UIP10000 մոդելները կարող են տեղադրվել ստանդարտ ծովային բեռնափոխադրման կոնտեյներներում։ Որպես այլընտրանք՝ պրոցեսորների բոլոր չորս մոդելները հասանելի են չժանգոտվող պողպատից պահարաններում։ Ուղղահայաց տեղադրումը պահանջում է նվազագույն տարածք։ Ստորև ներկայացված են առաջարկվող համակարգերի կազմաձևերը՝ արդյունաբերական մշակման բնորոշ արտադրողականությունների համար։