Produzione e conversione del biodiesel
Superate i limiti della produzione di biodiesel con i reattori a ultrasuoni! Una cinetica di reazione lenta e uno scarso trasferimento di massa possono ridurre significativamente la capacità, la resa e la qualità del vostro impianto di biodiesel. I reattori a ultrasuoni Hielscher affrontano queste sfide migliorando sostanzialmente la cinetica di transesterificazione. Di conseguenza, il trattamento del biodiesel richiede meno metanolo in eccesso e quantità ridotte di catalizzatore.
Cavitazione ultrasonica: una soluzione di miscelazione superiore
La produzione tradizionale di biodiesel utilizza generalmente reattori discontinui con apporto di energia sotto forma di calore e miscelazione meccanica. La cavitazione ultrasonica offre un’alternativa efficace che consente una migliore miscelazione nel trattamento del biodiesel su scala commerciale. Questa cavitazione ultrasonica fornisce l’energia di attivazione necessaria per la transesterificazione industriale del biodiesel.
Principali vantaggi della transesterificazione del biodiesel mediante ultrasuoni:
- Tassi di conversione più elevati
- Tempi di reazione più brevi
- Migliore qualità del prodotto
- Possibilità di convertire oli di scarto in FAME (esteri metilici degli acidi grassi)
La miscelazione a ultrasuoni migliora il tasso di conversione del biodiesel, aumenta la resa e riduce il consumo di metanolo in eccesso e di catalizzatore.
Transesterificazione del biodiesel migliorata mediante ultrasuoni
La produzione di biodiesel comporta generalmente una reazione chimica chiamata transesterificazione, nella quale un trigliceride (come olio vegetale, grasso animale o oli da cucina esausti) reagisce con un alcol (come il metanolo) in presenza di un catalizzatore per produrre biodiesel (esteri metilici degli acidi grassi) e glicerolo. I reattori a ultrasuoni possono essere utilizzati per migliorare il processo di transesterificazione in diversi modi, offrendo vari vantaggi:
- Migliore miscelazione: Le onde ultrasoniche possono creare bolle di cavitazione che collassano violentemente, provocando un’intensa miscelazione e agitazione della miscela di reazione. Questo favorisce il contatto tra i reagenti e il catalizzatore, consentendo una transesterificazione più rapida e completa.
- Cinetica di reazione accelerata: Le condizioni ad alta energia generate dalle onde ultrasoniche possono attivare la reazione, aumentando la velocità di reazione e riducendo il tempo necessario per raggiungere un determinato grado di conversione. Questo può comportare rese più elevate e costi inferiori.
- Minore utilizzo di catalizzatore: I reattori a ultrasuoni possono migliorare l’efficienza di utilizzo del catalizzatore fornendo più siti attivi per la reazione. Ciò significa che è necessario meno catalizzatore per raggiungere lo stesso grado di conversione, riducendo i costi e l’impatto ambientale.
- Migliore qualità del prodotto: I reattori a ultrasuoni possono produrre biodiesel con un contenuto inferiore di acidi grassi liberi, una maggiore purezza e migliori proprietà di scorrimento a freddo. Questo è dovuto alla migliore miscelazione e alla cinetica di reazione più rapida, che riducono al minimo la formazione di sottoprodotti indesiderati e impurità.
Questi vantaggi del trattamento del biodiesel mediante ultrasuoni rendono l’impiego di un sistema con reattore a ultrasuoni altamente conveniente, poiché l’utilizzo di reattori a ultrasuoni migliora significativamente l’efficienza, la velocità e la qualità della transesterificazione del biodiesel. In sintesi, la sonicazione rende la transesterificazione un processo più sostenibile dal punto di vista economico e ambientale.
Problemi della miscelazione convenzionale del biodiesel: La reazione di esterificazione convenzionale nei processi discontinui tende a essere lenta e la separazione della fase glicerina richiede molto tempo, spesso 5 ore o più.
I reattori a ultrasuoni vi aiutano ad accelerare il processo di produzione del biodiesel e, contemporaneamente, ad aumentarne la resa e la qualità con costi di trattamento inferiori!
Sonicatore industriale UIP2000hdT con cella di flusso FC2T500k per l’esterificazione e la transesterificazione del biodiesel in linea.
I vantaggi della transesterificazione del biodiesel mediante ultrasuoni
- Rese di biodiesel più elevate grazie alla migliore miscelazione
- Migliore qualità del biodiesel
- Utilizzo come materia prima anche degli oli di qualità più scadente
- Trattamento continuo in linea
- Meno metanolo
- Meno catalizzatore
- Risparmio di tempo grazie alla conversione ad alta velocità
- Risparmio energetico
- Funzionamento semplice e sicuro
- Robustezza e manutenzione ridotta
- Prestazioni elevate: funzionamento 24/7 a pieno carico
Il reattore a ultrasuoni UIP16000hdT produce circa 32MMGY
“Siamo stati molto soddisfatti delle apparecchiature e del servizio di Hielscher e abbiamo la ferma intenzione di includere la tecnologia di sonicazione Hielscher in tutte le nostre iniziative future.”
Todd Stephens, Tulsa Biofuels
Ultrasuoni per la produzione di biodiesel
Il biodiesel viene spesso prodotto in reattori discontinui. La conversione del biodiesel mediante ultrasuoni consente il trattamento continuo in linea. La sonicazione può raggiungere una resa di biodiesel superiore al 99%. I reattori a ultrasuoni riducono il tempo di trattamento dalle convenzionali 1–4 ore dei processi discontinui a meno di 30 secondi. Ancora più importante, la sonicazione riduce il tempo di separazione da 5–10 ore (con agitazione convenzionale) a meno di 60 minuti. La sonicazione contribuisce inoltre a ridurre fino al 50% la quantità di catalizzatore necessaria, grazie alla maggiore attività chimica in presenza di cavitazione. Con la sonicazione si riduce anche la quantità necessaria di metanolo in eccesso. Un ulteriore vantaggio è il conseguente aumento della purezza della glicerina.
Produzione di biodiesel mediante ultrasuoni, passo dopo passo:
- l’olio vegetale o il grasso animale viene miscelato con metanolo (che produce esteri metilici) o etanolo (per gli esteri etilici) e con metossido o idrossido di sodio o potassio
- la miscela viene riscaldata, ad esempio a temperature comprese tra 45 e 65degC
- la miscela riscaldata viene sottoposta a sonicazione in linea per 5–15 secondi
- la glicerina si separa per sedimentazione oppure mediante centrifughe
- il biodiesel ottenuto dalla conversione viene lavato con acqua
Nella maggior parte dei casi, la sonicazione viene eseguita a una pressione elevata (1–3bar, pressione relativa) utilizzando una pompa di alimentazione e una valvola di contropressione regolabile accanto alla cella di flusso.
La conversione industriale del biodiesel non richiede molta energia ultrasonica. Il fabbisogno energetico effettivo può essere determinato su scala da banco utilizzando, ad esempio, un processore a ultrasuoni da 1kW come UIP1000hdT. Tutti i risultati di queste prove da banco possono essere trasferiti a una scala maggiore in modo lineare e senza problemi. Se necessario, sono disponibili dispositivi a ultrasuoni certificati ATEX, come UIP1000-Exd.
Hielscher fornisce in tutto il mondo apparecchiature industriali a ultrasuoni per il trattamento del biodiesel. Con processori a ultrasuoni di potenza fino a 16kW per singolo dispositivo, non vi sono limiti alle dimensioni degli impianti di biodiesel o alla capacità di trattamento.
Costi della produzione di biodiesel mediante ultrasuoni
La sonicazione è un mezzo efficace per aumentare la velocità di reazione e il tasso di conversione nella produzione di biodiesel su scala commerciale. I costi del trattamento a ultrasuoni derivano principalmente dall’investimento nelle apparecchiature a ultrasuoni, dai costi delle utenze e dalla manutenzione. L’eccezionale efficienza energetica dei sonicatori Hielscher contribuisce a ridurre i costi delle utenze e, di conseguenza, a rendere questo processo ancora più ecologico. I costi risultanti della sonicazione variano tra 0,1ct e 1,0ct per litro (0,4ct–1,9ct/gallon) quando viene utilizzata su scala commerciale.
Scoprite di più sull’efficienza del processo e sui vantaggi economici della produzione di biodiesel mediante ultrasuoni!
La miscelazione a ultrasuoni riduce il consumo energetico specifico nella produzione di biodiesel, superando di gran lunga la miscelazione magnetica idrodinamica e i miscelatori ad alto taglio.
Sistema a ultrasuoni per biodiesel su piccola scala
La sonicazione può essere utilizzata per convertire l’olio in biodiesel a qualsiasi scala. L’immagine seguente mostra un sistema su piccola scala per il trattamento di 60–70L (16–19 galloni). Si tratta della configurazione tipica per gli studi iniziali e la dimostrazione del processo.
L’esterificazione e la transesterificazione mediante ultrasuoni possono essere eseguite come processo discontinuo o continuo in linea. Questo diagramma mostra il processo discontinuo a ultrasuoni per la conversione del biodiesel.
3x sonicatori da 1kW del modello 1000hdT con reattore a ultrasuoni a flusso continuo per una conversione del biodiesel altamente efficiente.
- un sonicatore (ad esempio UIP500hdT o UIP1000hdT) con booster, sonotrodo e cella di flusso
- misuratore per la misura della potenza e dell’energia
- serbatoio di trattamento da 80L (in plastica, ad esempio HDPE)
- elemento riscaldante (1–2kW)
- serbatoio da 10L per la premiscela del catalizzatore (in plastica, ad esempio HDPE)
- premiscelatore del catalizzatore (agitatore)
- pompa (centrifuga, monovite o a ingranaggi) per circa 10–20L/min a 1–3 barg
- valvola di contropressione per regolare la pressione nella cella di flusso
- manometro per misurare la pressione di alimentazione
Reattori a ultrasuoni per un trattamento superiore del biodiesel
Hielscher Ultrasonics offre processori e reattori a ultrasuoni ad alte prestazioni che miglioreranno la vostra produzione di biodiesel grazie a rese più elevate, una migliore qualità del biodiesel, tempi di trattamento ridotti e costi di produzione inferiori.
Reattori a ultrasuoni su piccola e media scala per la transesterificazione del biodiesel
Per la produzione di biodiesel su piccola e media scala fino a 9ton/hr (2900 gal/hr), Hielscher offre UIP500hdT (500 watts), UIP1000hdT (1000 watts), UIP1500hdT (1500 watts) e UIP2000hdT (2000 watts) come miscelatori a ultrasuoni ad alto taglio con reattori a flusso continuo per un trattamento del biodiesel in linea affidabile ed efficiente. Questi quattro reattori a ultrasuoni sono molto compatti e facili da integrare o installare in impianti esistenti. Sono costruiti per un funzionamento gravoso in ambienti difficili. Di seguito troverete le configurazioni di reattori consigliate per diverse capacità produttive.
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ton/hr
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gal/hr
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|---|---|---|
| 1x UIP500hdT (500 watts) |
0,25–0,5
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80–160
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| 1x UIP1000hdT (1000 watts) |
0,5–1,0
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160–320
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| 1x UIP1500hdT (1500 watts) |
0,75–1,5
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240–480
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| 1x UIP2000hdT (2000 watts) |
1,0–2,0
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320–640
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| 2x UIP2000hdT (2000 watts) |
2,0–4,0
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640–1280
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| 4x UIP1500hdT (1500 watts) |
3,0–6,0
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960–1920
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| 6x UIP1500hdT (1500 watts) |
4,5–9,0
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1440–2880
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| 6x UIP2000hdT (2000 watts) |
6,0–12,0
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1920–3840
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Reattori industriali per biodiesel con capacità produttive molto elevate
Per gli impianti industriali di produzione del biodiesel, Hielscher offre gli omogeneizzatori a ultrasuoni UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10.000 (10kW) e UIP16000hdT (16kW)! Questi processori a ultrasuoni sono progettati per il trattamento continuo a portate elevate. UIP4000hdT, UIP6000hdT e UIP10000 possono essere integrati in container standard per il trasporto marittimo. In alternativa, tutti e quattro i modelli di processore sono disponibili in armadi in acciaio inossidabile. L’installazione verticale richiede uno spazio minimo. Di seguito troverete le configurazioni consigliate per le tipiche capacità di trattamento industriale.
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ton/hr
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gal/hr
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1x UIP6000hdT (6000 watts) |
3,0–6,0
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960–1920
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|---|---|---|
| 3x UIP4000hdT (4000 watts) |
6,0–12,0
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1920–3840
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| 5x UIP4000hdT (4000 watts) |
10,0–20,0
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3200–6400
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3x UIP6000hdT (6000 watts) |
9,0–18,0
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2880–5880
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| 3x UIP10000 (10.000 watts) |
15,0–30,0
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4800–9600
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| 3x UIP16000hdT (16.000 watts) |
24,0–48,0
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7680–15.360
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| 5x UIP16000hdT |
40,0–80,0
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12.800–25.600
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Contattateci! / Chiedeteci informazioni!
Il sonicatore UIP16000hdT è in grado di trattare 32MMGY di biodiesel.
Innovazione tecnologica dell’anno Frost & Sullivan
Hielscher Ultrasonics ha ricevuto il prestigioso premio Frost and Sullivan per l’innovazione tecnologica dell’anno, come riconoscimento dello sviluppo da parte dell’azienda di una nuova tecnologia a ultrasuoni per la produzione di biodiesel.
Fate clic qui per saperne di più sul premio Frost and Sullivan assegnato ai reattori per biodiesel di Hielscher Ultrasonics!
Transesterificazione – La conversione chimica del biodiesel
La produzione di biodiesel da oli vegetali (ad esempio soia, colza, jatropha, semi di girasole), alghe, grassi animali e oli da cucina esausti comporta la transesterificazione degli acidi grassi con metanolo o etanolo, catalizzata da una base, per ottenere i corrispondenti esteri metilici o etilici. La glicerina è un sottoprodotto inevitabile di questa reazione.
Gli oli vegetali, come i grassi animali, sono trigliceridi composti da tre catene di acidi grassi legate a una molecola di glicerina. I trigliceridi sono esteri. Gli esteri sono acidi, come gli acidi grassi, combinati con un alcol. La glicerina (= glicerolo) è un alcol pesante. Nel processo di conversione, gli esteri dei trigliceridi vengono trasformati in esteri alchilici (= biodiesel) utilizzando un catalizzatore (liscivia) e un reagente alcolico, ad esempio metanolo, che produce biodiesel costituito da esteri metilici. Il metanolo sostituisce la glicerina. Questo processo di conversione chimica è chiamato transesterificazione.
Dopo la transesterificazione, la glicerina, che costituisce la fase più pesante, si deposita sul fondo. Il biodiesel, che costituisce la fase più leggera, galleggia in superficie e può essere separato, ad esempio mediante decantatori o centrifughe.
Preparazione del biodiesel
L’idrossido di potassio (0,2–0,4kg, catalizzatore) viene disciolto in circa 8,5L di metanolo nel serbatoio di premiscelazione del catalizzatore. Questo richiede l’agitazione della premiscela del catalizzatore. Il serbatoio di trattamento viene riempito con 66L di olio vegetale. L’olio viene riscaldato dall’elemento riscaldante a 45–65degC.
Conversione del biodiesel
Quando il catalizzatore è completamente disciolto nel metanolo, la premiscela del catalizzatore viene miscelata con l’olio riscaldato. La pompa alimenta la miscela alla cella di flusso. Mediante la valvola di contropressione, la pressione viene regolata a 1–3barg (15–45psig). Il ricircolo attraverso il reattore a ultrasuoni per biodiesel deve essere effettuato per circa 20 minuti. Durante questo periodo, l’olio viene convertito in biodiesel. Successivamente, la pompa e gli ultrasuoni vengono disattivati. La glicerina (fase più pesante) si separa dal biodiesel (fase più leggera). La separazione richiede circa 30–60 minuti. Quando la separazione è completata, la glicerina può essere scaricata.
Lavaggio del biodiesel
Poiché il biodiesel ottenuto dalla conversione contiene impurità, è necessario lavarlo. Per il lavaggio, l’acqua viene miscelata con il biodiesel. La sonicazione può favorire la miscelazione del biodiesel con l’acqua. Questo aumenta la superficie attiva grazie alla riduzione delle dimensioni delle gocce. Tenete presente che una sonicazione molto intensa può ridurre le gocce d’acqua a dimensioni tali da formare un’emulsione quasi stabile, che richiederà mezzi specifici (ad esempio una centrifuga) per essere separata.
Impianto di produzione del biodiesel
Il diagramma di flusso seguente mostra una configurazione tipica per la sonicazione in linea di olio, metanolo e catalizzatore per la conversione in biodiesel.
L’esterificazione e la transesterificazione mediante ultrasuoni possono essere eseguite come processo discontinuo o continuo in linea. Il diagramma mostra il processo a ultrasuoni in linea per la transesterificazione del biodiesel (FAME).
Trattamento e separazione continui del biodiesel
In un sistema per il trattamento e la separazione continui del biodiesel, l’olio riscaldato e la premiscela del catalizzatore vengono miscelati continuamente mediante pompe regolabili. Un miscelatore statico in linea migliora l’omogeneità dell’alimentazione al reattore a ultrasuoni. La miscela di olio e catalizzatore attraversa la cella di flusso, dove viene esposta alla cavitazione ultrasonica per circa 5–30 secondi. Una valvola di contropressione viene utilizzata per controllare la pressione nella cella di flusso. La miscela sottoposta a sonicazione entra nella colonna del reattore dall’alto. Il volume della colonna del reattore è dimensionato per garantire un tempo di permanenza nella colonna di circa 1 ora. Durante questo periodo, la reazione di transesterificazione viene completata. La miscela di glicerina e biodiesel che ha reagito viene pompata alla centrifuga, dove viene separata nelle frazioni di biodiesel e glicerina. Il trattamento successivo comprende il recupero del metanolo, il lavaggio e l’essiccazione e può anch’esso essere eseguito in continuo.
Questa configurazione elimina il funzionamento discontinuo dei reattori per biodiesel, gli agitatori convenzionali e i grandi serbatoi di separazione.
Velocità della reazione di transesterificazione del biodiesel
I diagrammi seguenti mostrano risultati tipici della transesterificazione dell’olio di colza (di grado industriale) con metossido di sodio (a sinistra) e idrossido di potassio (a destra). In entrambe le prove, un campione di controllo (linea blu) è stato sottoposto a un’intensa miscelazione meccanica. La linea rossa rappresenta il campione sottoposto a sonicazione con una formulazione identica per rapporto volumetrico, concentrazione del catalizzatore e temperatura. L’asse orizzontale mostra il tempo trascorso rispettivamente dopo la miscelazione o la sonicazione. L’asse verticale mostra il volume di glicerina depositata sul fondo. Questo è un metodo semplice per misurare la velocità di reazione. In entrambi i diagrammi, il campione sottoposto a sonicazione (rosso) reagisce molto più rapidamente del campione di controllo (blu).
Confronto tra miscelazione a ultrasuoni (grafico rosso) e convenzionale (grafico blu) per la produzione di biodiesel – utilizzando metossido di sodio (a sinistra) e idrossido di potassio (a destra) come catalizzatori.
Link per le forniture destinate al biodiesel
Fate clic qui per i link ai fornitori di pompe e serbatoi per l’industria del biodiesel.
Informazioni sulle sostanze chimiche e sulla sicurezza
Leggete attentamente le informazioni seguenti per prevenire complicazioni ed effetti nocivi sulla salute.
Sostanze chimiche per il biodiesel
Il metanolo è tossico. Può causare danni ai nervi in seguito a un utilizzo prolungato. Può essere assorbito anche attraverso la pelle. Gli schizzi negli occhi possono causare cecità e il metanolo può essere letale se ingerito. Per questo motivo, adottate le precauzioni necessarie quando manipolate il metanolo. Si raccomanda di utilizzare un buon respiratore, un grembiule e guanti di gomma.
L’idrossido di potassio (KOH) è tossico e provoca ustioni cutanee al contatto. È necessaria una buona ventilazione.
Assicuratevi che l’area di lavoro sia ampiamente e accuratamente ventilata per consentire la fuoriuscita dei vapori. I respiratori con cartucce per vapori non sono efficaci contro i vapori di metanolo. Un sistema ad adduzione d’aria (SCBA – autorespiratore autonomo) offre una migliore protezione contro i vapori di metanolo.
Biodiesel e componenti in gomma
Il funzionamento prolungato con biodiesel al 100% può causare problemi ai componenti in gomma del motore a contatto con il carburante (pompa, tubi flessibili, O-ring). La sostituzione con componenti in acciaio o in gomma per impieghi gravosi può eliminare questo problema. In alternativa, potete miscelare circa il 25% di diesel convenzionale (fossile) al vostro biodiesel per prevenire complicazioni.
Letteratura / Riferimenti
- 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.
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni, dalla scala di laboratorio a quella industriale.