ბიოდიზელის წარმოება პროცესისა და ხარჯების მაღალი ეფექტურობით

ულტრაბგერითი შერევა არის უმაღლესი ტექნოლოგია ბიოდიზელის მაღალეფექტური და ხელმისაწვდომი წარმოებისთვის. ულტრაბგერითი კავიტაცია მნიშვნელოვნად აუმჯობესებს მასის გადატანას, რითაც ამცირებს წარმოების ხარჯებს და დამუშავების ხანგრძლივობას. ამავდროულად, შესაძლებელია დაბალი ხარისხის ზეთებისა და ცხიმების (მაგ., ნარჩენი ზეთები) გამოყენება და ბიოდიზელის ხარისხის გაუმჯობესება. Hielscher Ultrasonics აწვდის მაღალეფექტურ, მდგრად ულტრაბგერით შერევის რეაქტორებს ნებისმიერი წარმოების მასშტაბისთვის. წაიკითხეთ მეტი იმის შესახებ, თუ როგორ ისარგებლებს თქვენი ბიოდიზელის წარმოება ულტრაბგერითი დამუშავებით!

ბიოდიზელის წარმოების სარგებელი ულტრაბგერის გამოყენებით

ბიოდიზელი (ცხიმოვანი მჟავების მეთილის ეთერი, შემოკლებით FAME) არის ლიპიდური საწყისი მასალის (ტრიგლიცერიდები, მაგ., მცენარეული ზეთი, გამოყენებული სამზარეულო ზეთები, ცხოველური ცხიმები, ალგების ზეთი) და სპირტის (მეთანოლი, ეთანოლი) ტრანსეთერიფიკაციის რეაქციის პროდუქტი კატალიზატორის (მაგ., კალიუმის ჰიდროქსიდი KOH) გამოყენებით.
პრობლემა: კონვენციურ ბიოდიზელის გარდაქმნაში კონვენციური შერევის გამოყენებით, ზეთისა და სპირტის ტრანსეთერიფიკაციის რეაქციის ორივე რეაგენტის ერთმანეთში შეურევადი ბუნება იწვევს მასის გადატანის ცუდ სიჩქარეს, რაც არაეფექტურ ბიოდიზელის წარმოებას იძლევა. ეს არაეფექტურობა ხასიათდება რეაქციის ხანგრძლივი დროით, მეთანოლ-ზეთის მაღალი მოლური თანაფარდობით, კატალიზატორის მაღალი მოთხოვნებით, პროცესის მაღალი ტემპერატურებით და შერევის მაღალი სიჩქარეებით. ეს ფაქტორები არის მნიშვნელოვანი ხარჯების მამოძრავებლები, რაც კონვენციურ ბიოდიზელის წარმოებას ძვირადღირებულ პროცესად აქცევს.
გადაწყვეტა: ულტრაბგერითი შერევა რეაგენტებს ემულსიას აქცევს მაღალეფექტური, სწრაფი და იაფი გზით, ისე რომ ზეთ-მეთანოლის თანაფარდობა გაუმჯობესდეს, კატალიზატორის მოთხოვნები შემცირდეს, რეაქციის დრო და რეაქციის ტემპერატურა დაეცეს. ამით რესურსები (ანუ ქიმიკატები და ენერგია), ასევე დრო ინახება, დამუშავების ხარჯები მცირდება, ხოლო ბიოდიზელის ხარისხი და წარმოების მოგება მნიშვნელოვნად იზრდება. ეს ფაქტები ულტრაბგერით შერევას ეფექტური ბიოდიზელის წარმოებისთვის სასურველ ტექნოლოგიად აქცევს.
კვლევითი და სამრეწველო ბიოდიზელის მწარმოებლები ადასტურებენ, რომ ულტრაბგერითი შერევა არის ბიოდიზელის წარმოების მაღალეკონომიური გზა, მაშინაც კი, როდესაც დაბალი ხარისხის ზეთები და ცხიმები გამოიყენება როგორც საწყისი მასალა. ულტრაბგერითი პროცესის ინტენსიფიკაცია მნიშვნელოვნად აუმჯობესებს გარდაქმნის სიჩქარეს, ამცირებს ზედმეტი მეთანოლისა და კატალიზატორის გამოყენებას, რაც საშუალებას იძლევა წარმოიქმნას ბიოდიზელი, რომელიც აკმაყოფილებს ASTM D6751 და EN 14212 სპეციფიკაციების ხარისხის სტანდარტს. (იხ. Abdullah et al., 2015)

ტრიგლიცერიდების ბიოდიზელად (FAME) ტრანსეთერიფიკაცია ულტრაბგერითი დამუშავების გამოყენებით იწვევს რეაქციის გაჩქარებას და მნიშვნელოვნად უფრო მაღალ ეფექტურობას.

ულტრაბგერითი შერევის მრავალი უპირატესობა ბიოდიზელის წარმოებაში

ულტრაბგერითი შერევის რეაქტორები მარტივად ინტეგრირდება ნებისმიერ ახალ ინსტალაციაში, ასევე შესაძლებელია მათი რეტროფიტირება არსებულ ბიოდიზელის ქარხნებში. Hielscher ულტრაბგერითი შერევის აპარატის ინტეგრაცია ნებისმიერ ბიოდიზელის ობიექტს მაღალეფექტურ წარმოების ქარხნად აქცევს. მარტივი მონტაჟი, მდგრადობა და მომხმარებლისთვის მოსახერხებლობა (ექსპლუატაციისთვის სპეციალური გადამზადება საჭირო არ არის) საშუალებას იძლევა ნებისმიერი ობიექტი მაღალეფექტურ ბიოდიზელის ქარხნად განახლდეს. ქვემოთ ჩვენ წარმოგიდგენთ მეცნიერულად დადასტურებულ შედეგებს უპირატესობების შესახებ, რომლებიც დამოუკიდებელი მესამე პირების მიერაა დოკუმენტირებული. რიცხვები ამტკიცებენ ულტრაბგერითი ბიოდიზელის შერევის უპირატესობას ნებისმიერ კონვენციურ შერევის ტექნიკასთან შედარებით.

სქემა აჩვენებს ბიოდიზელის წარმოების ეტაპებს, მათ შორის ულტრაბგერით შერევას პროცესის ეფექტურობის გასაუმჯობესებლად.

ეფექტურობისა და ხარჯების შედარება: ულტრაბგერა vs მექანიკური შერევა

Gholami et al. (2021) თავიანთ შედარებით კვლევაში წარმოადგენენ ულტრაბგერითი ტრანსეთერიფიკაციის უპირატესობებს მექანიკურ შერევასთან შედარებით (ანუ, ფრთიანი შერევის აპარატი, იმპელერი, მაღალი ძვრის შერევის აპარატი).

დაბალი ინვესტიციის ხარჯები:
ულტრაბგერითი პროცესორი და რეაქტორი UIP16000 შეუძლია აწარმოოს 192–384 t ბიოდიზელი/დ ფართობით, რომელიც შეადგენს მხოლოდ 1,2m x 0,6m. შესადარებლად, მექანიკური აღრევისთვის (MS) საჭიროა ბევრად უფრო დიდი რეაქტორი მექანიკური აღრევის პროცესში რეაქციის ხანგრძლივი დროის გამო, რაც იწვევს რეაქტორის ღირებულების მნიშვნელოვან ზრდას. (იხ. Gholami et al., 2020)
დაბალი დამუშავების ხარჯები:
ულტრაბგერითი ბიოდიზელის წარმოების დამუშავების ხარჯები 7,7%-ით ნაკლებია აღრევის პროცესის ხარჯებთან შედარებით, ძირითადად ულტრაბგერითი დამუშავების პროცესის ნაკლები საერთო ინვესტიციის გამო. ქიმიური ნივთიერებების (კატალიზატორი, მეთანოლი/ალკოჰოლი) ღირებულება არის მესამე უდიდესი ხარჯების მამოძრავებელი ორივე პროცესში, ულტრაბგერით დამუშავებასა და მექანიკურ აღრევაში. თუმცა, ულტრაბგერითი ბიოდიზელის კონვერტაციისთვის ქიმიური ნივთიერებების ხარჯები მნიშვნელოვნად ნაკლებია მექანიკურ აღრევასთან შედარებით. ქიმიური ნივთიერებების ხარჯების წილი შეადგენს დაახლოებით 5%-ს საბოლოო ბიოდიზელის ღირებულებიდან. მეთანოლის, ნატრიუმის ჰიდროქსიდისა და ფოსფორის მჟავას ნაკლები მოხმარების გამო, ქიმიური ნივთიერებების ხარჯები ულტრაბგერით ბიოდიზელის პროცესში 2,2%-ით ნაკლებია მექანიკური აღრევის პროცესის ხარჯებთან შედარებით.

შემცირებული ენერგეტიკული ხარჯები:
ულტრაბგერითი აღრევის რეაქტორის მიერ დახარჯული ენერგია დაახლოებით სამჯერ ნაკლებია მექანიკური აღმრევის მიერ დახარჯულ ენერგიასთან შედარებით. ენერგიის მოხმარების ეს მნიშვნელოვანი შემცირება არის ინტენსიური მიკრო-აღრევისა და რეაქციის დროის შემცირების შედეგი, რომელიც გამომდინარეობს ურიცხვი ღრუების წარმოქმნისა და ჩამოშლისგან, რაც ახასიათებს აკუსტიკური / ულტრაბგერითი კავიტაციის ფენომენს (Gholami et al., 2018). გარდა ამისა, ტრადიციულ აღმრევასთან შედარებით, ენერგიის მოხმარება მეთანოლის აღდგენისა და ბიოდიზელის გასუფთავების ეტაპებზე ულტრაბგერითი აღრევის პროცესის დროს შემცირებულია 26,5%-ით და 1,3%-ით, შესაბამისად. ეს კლება გამოწვეულია მეთანოლის ნაკლები რაოდენობით, რომელიც შედის ამ ორ დისტილაციის კოლონაში ულტრაბგერითი ტრანსეთერიფიკაციის პროცესში.

მნიშვნელოვნად შემცირებული ნარჩენების განთავსების ხარჯები:
ულტრაბგერითი კავიტაციის ტექნოლოგია ასევე შესამჩნევად ამცირებს ნარჩენების განთავსების ხარჯებს. ეს ხარჯი ულტრაბგერითი დამუშავების პროცესში დაახლოებით ხუთჯერ ნაკლებია აღრევის პროცესის ხარჯებთან შედარებით, რაც გამომდინარეობს ნარჩენების წარმოების მნიშვნელოვანი შემცირებიდან რეაქტორის უფრო მაღალი კონვერტაციისა და მოხმარებული ალკოჰოლის ნაკლები რაოდენობის გამო.
გაიგეთ მეტი ულტრაბგერითი ბიოდიზელის კონვერტაციის შესახებ ნარჩენი ყავის ნალექიდან მიღებული ზეთებისგან!

გარემოსდაცვითი მეგობრულობის გაუმჯობესება:
ძალიან მაღალი საერთო ეფექტურობის, ქიმიური მოხმარების შემცირების, ენერგეტიკული მოთხოვნების დაქვეითებისა და ნარჩენების შემცირების გამო, ულტრაბგერითი ბიოდიზელის წარმოება მნიშვნელოვნად უფრო გარემოსდაცვითად მეგობრულია, ვიდრე ტრადიციული ბიოდიზელის წარმოების პროცესები.

დასკვნა – ულტრაბგერა აუმჯობესებს ბიოდიზელის წარმოების ეფექტურობას

მეცნიერული შეფასება აჩვენებს ულტრაბგერითი შერევის ცალსახა უპირატესობას ბიოდიზელის წარმოებისთვის ტრადიციულ მექანიკურ შერევასთან შედარებით. ულტრაბგერითი ბიოდიზელის დამუშავების უპირატესობები მოიცავს მთლიან კაპიტალდაბანდებას, პროდუქტის მთლიან ღირებულებას, წმინდა მიმდინარე ღირებულებასა და უკუგების შიდა ნორმას. აღმოჩნდა, რომ ულტრაბგერითი კავიტაციის პროცესში მთლიანი ინვესტიციის ოდენობა დაახლოებით 20,8%-ით ნაკლები იყო სხვა პროცესთან შედარებით. ულტრაბგერითი რეაქტორების გამოყენებამ პროდუქტის ღირებულება 5,2%-ით შეამცირა – პირველადი კანოლის ზეთის გამოყენებისას. ვინაიდან ულტრაბგერითი დამუშავება საშუალებას იძლევა დამუშავდეს ასევე გამოყენებული ზეთები (მაგ., გამოყენებული სამზარეულო ზეთები), წარმოების ხარჯები მნიშვნელოვნად შეიძლება კიდევ უფრო შემცირდეს. Gholami et al. (2021) მივიდნენ დასკვნამდე, რომ დადებითი წმინდა მიმდინარე ღირებულების გამო, ულტრაბგერითი კავიტაციის პროცესი ბიოდიზელის წარმოებისთვის შერევის ტექნოლოგიის უკეთესი არჩევანია.
ტექნიკური თვალსაზრისით, ულტრაბგერითი კავიტაციის ყველაზე მნიშვნელოვანი ეფექტები მოიცავს პროცესის მნიშვნელოვან ეფექტურობასა და რეაქციის დროის შემცირებას. მრავალი ვაკუუმის ბუშტის წარმოქმნა და დაცემა – ცნობილი როგორც აკუსტიკური / ულტრაბგერითი კავიტაცია – ამცირებს რეაქციის დროს რამდენიმე საათიდან მორევის რეზერვუარში რამდენიმე წამამდე ულტრაბგერითი კავიტაციის რეაქტორში. ეს მოკლე რეზიდენციის დრო საშუალებას იძლევა ბიოდიზელის წარმოება მოხდეს ნაკადში გამავალ რეაქტორში მცირე ფართობით. ულტრაბგერითი კავიტაციის რეაქტორი ასევე აჩვენებს სასარგებლო ეფექტებს ენერგეტიკულ და მასალის მოთხოვნებზე, ამცირებს ენერგიის მოხმარებას თითქმის ერთ მესამედამდე მორევის რეზერვუარში მოხმარებულთან შედარებით და მეთანოლისა და კატალიზატორის მოხმარებას 25%-ით.
ეკონომიკური თვალსაზრისით, ულტრაბგერითი კავიტაციის პროცესისთვის საჭირო მთლიანი ინვესტიცია ნაკლებია მექანიკური მორევის პროცესისთვის საჭირო ინვესტიციაზე, ძირითადად რეაქტორის ღირებულების თითქმის 50%-ით და მეთანოლის დისტილაციის კოლონის ღირებულების 11,6%-ით შემცირების გამო, შესაბამისად. ულტრაბგერითი კავიტაციის პროცესი ასევე ამცირებს ბიოდიზელის წარმოების ხარჯებს კანოლის ზეთის მოხმარების 4%-ით შემცირების, უფრო დაბალი მთლიანი ინვესტიციის, ქიმიკატების მოხმარების 2,2%-ით შემცირებისა და დამხმარე რესურსებზე მოთხოვნის 23,8%-ით შემცირების გამო. მექანიკური მორევის პროცესისგან განსხვავებით, ულტრაბგერითი დამუშავება მისაღები საინვესტიციო ვარიანტია მისი დადებითი წმინდა მიმდინარე ღირებულების, ინვესტიციის ამოღების უფრო მოკლე პერიოდისა და უკუგების უფრო მაღალი შიდა ნორმის გამო. ულტრაბგერითი კავიტაციის პროცესთან დაკავშირებული ტექნიკურ-ეკონომიკური სარგებლის გარდა, ის უფრო ეკოლოგიურად სუფთაა მექანიკური მორევის პროცესთან შედარებით. ულტრაბგერითი კავიტაცია იწვევს ნარჩენების ნაკადების 80%-ით შემცირებას რეაქტორში უფრო მაღალი კონვერსიისა და ამ პროცესში ალკოჰოლის მოხმარების შემცირების გამო. (იხ. Gholami et al., 2021)

დაბალი ხარისხის ნედლეული სუფთა ბიოდიზელად აქციეთ!

ულტრაბგერითი დამუშავება საშუალებას იძლევა, დაბალი ხარისხის ნედლეული, როგორიცაა ნარჩენი მცენარეული ზეთები, შესაწვავად გამოყენებული ცხიმები, ცხოველური ქონი ან თევზის ზეთები, უფრო ეფექტურად დამუშავდეს, რადგან ულტრაბგერითი კავიტაცია უზრუნველყოფს ბევრად უკეთეს კონტაქტს ერთმანეთში შეურევადი ზეთისა და ალკოჰოლის ფაზებს შორის, რაც მნიშვნელოვნად აუმჯობესებს შერევას, ასევე სითბოსა და მასის გადაცემას. ის ასევე აჩქარებს რეაქციის კინეტიკას, ამიტომ რთულად დასამუშავებელი, ცვალებადი შემადგენლობის ნედლეულიც კი შეიძლება უფრო სწრაფად და სრულად გარდაიქმნას.
აკუსტიკური კავიტაცია აძლიერებს რეაქციის მიმდინარეობას და შეიძლება ხელი შეუწყოს მაღალი რეაქციისუნარიანობის მქონე რადიკალების წარმოქმნას, რაც კიდევ უფრო უწყობს ხელს სწრაფ ტრანსესტერიფიკაციას და დაბალი ხარისხის ნედლეულის დამუშავებისას ჩვეული სირთულეების დაძლევას.
წაიკითხეთ, თუ როგორ აქცევს ულტრაბგერითი დამუშავება ნარჩენ ზეთებსა და ცხიმებს ბიოდიზელად!

გამოიყენეთ თქვენთვის სასურველი კატალიზატორი

დადასტურებულია, რომ ბიოდიზელის ულტრაბგერითი ტრანსესტერიფიკაციის პროცესი ეფექტურია ტუტე ანუ ფუძე კატალიზატორების გამოყენებით. მაგალითად, Shinde and Kaliaguine (2019) შეადარეს ულტრაბგერითი შერევისა და მექანიკური ფრთიანი შემრევით შერევის ეფექტურობა სხვადასხვა კატალიზატორის გამოყენებით, კერძოდ, ნატრიუმის ჰიდროქსიდის (NaOH), კალიუმის ჰიდროქსიდის (KOH), (CH₃ONa), ტეტრამეთილამონიუმის ჰიდროქსიდისა და ოთხი გუანიდინის (პროპილ-2,3-დიციკლოჰექსილგუანიდინი (PCHG), 1,3-დიციკლოჰექსილ-2-n-ოქტილგუანიდინი (DCOG), 1,1,3,3-ტეტრამეთილგუანიდინი (TMG), 1,3-დიფენილგუანიდინი (DPG)). ულტრაბგერითი შერევა (35º-ზე) ბიოდიზელის წარმოებისთვის უპირატესი აღმოჩნდა და მექანიკურ შერევას (65º-ზე) უფრო მაღალი გამოსავლიანობითა და კონვერსიის მაჩვენებლით აჯობა. ულტრაბგერით ველში მასაგადაცემის ეფექტურობამ გაზარდა ტრანსესტერიფიკაციის რეაქციის სიჩქარე მექანიკურ მორევასთან შედარებით. ულტრაბგერითი დამუშავება აღემატებოდა მექანიკურ მორევას ყველა გამოცდილი კატალიზატორის შემთხვევაში. ტრანსესტერიფიკაციის რეაქციის წარმართვა ულტრაბგერითი კავიტაციით ბიოდიზელის წარმოების ენერგოეფექტური და სამრეწველო გამოყენებისთვის პრაქტიკულად განხორციელებადი ალტერნატივაა. ფართოდ გამოყენებული კატალიზატორების, KOH-ისა და NaOH-ის გარდა, გუანიდინის ორივე კატალიზატორი, პროპილ-2,3-დიციკლოჰექსილგუანიდინი (PCHG) და 1,3-დიციკლოჰექსილ-2-n-ოქტილგუანიდინი (DCOG), ბიოდიზელის მისაღებად საინტერესო ალტერნატივებად გამოიკვეთა.
Mootabadi et al. (2010) შეისწავლეს ულტრაბგერითი დამუშავების დახმარებით ბიოდიზელის სინთეზი პალმის ზეთისგან სხვადასხვა ტუტე ლითონის ოქსიდური კატალიზატორის გამოყენებით, როგორიცაა CaO, BaO და SrO. ულტრაბგერითი დამუშავების დახმარებით ბიოდიზელის სინთეზში კატალიზატორის აქტივობა შეადარეს ტრადიციული მაგნიტური მორევის პროცესში მის აქტივობას და აღმოჩნდა, რომ ულტრაბგერითმა პროცესმა BaO-ს გამოყენებით რეაქციის 60 წთ-ში 95,2% გამოსავლიანობა უზრუნველყო, რასაც ჩვეულებრივი მორევის პროცესში 3–4 საათი სჭირდება. ოპტიმალურ პირობებში ულტრაბგერითი დამუშავებით ხელშეწყობილი ტრანსესტერიფიკაციისას 95% გამოსავლიანობის მისაღწევად საჭირო იყო 60 წთ, ჩვეულებრივი მორევისთვის საჭირო 2–4 საათის ნაცვლად. ასევე, ულტრაბგერით 60 წთ-ში მიღებული გამოსავლიანობა გაიზარდა 5,5%-დან 77,3%-მდე CaO-ს კატალიზატორად გამოყენებისას, 48,2%-დან 95,2%-მდე SrO-ს კატალიზატორად გამოყენებისას და 67,3%-დან 95,2-მდე BaO-ს კატალიზატორად გამოყენებისას.

ბიოდიზელის წარმოება სხვადასხვა გუანიდინის (3% mol) კატალიზატორად გამოყენებით. (A) პერიოდული მოქმედების რეაქტორი მექანიკური მორევით: (მეთანოლი:კანოლის ზეთი) 4:1, ტემპერატურა 65ºC; (B) პერიოდული მოქმედების ულტრაბგერითი რეაქტორი: ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორი UP200St, (მეთანოლი:კანოლას ზეთი) 4:1, 60% US ამპლიტუდა, ტემპერატურა 35ºC. ულტრაბგერითი შერევა ბევრად აღემატება მექანიკურ შერევას.
(კვლევა და გრაფიკები: Shinde and Kaliaguine, 2019)

მაღალი წარმადობის ულტრაბგერითი რეაქტორები უპირატესი ბიოდიზელის დამუშავებისთვის

Hielscher Ultrasonics სთავაზობს მაღალი წარმადობის ულტრაბგერით პროცესორებს და რეაქტორებს ბიოდიზელის წარმოების გასაუმჯობესებლად, რაც იწვევს უფრო მაღალ გამოსავლიანობას, გაუმჯობესებულ ხარისხს, შემცირებულ დამუშავების დროს და დაბალ წარმოების ხარჯებს.

მცირე და საშუალო მასშტაბის ბიოდიზელის რეაქტორები

მცირე და საშუალო მასშტაბის ბიოდიზელის წარმოებისთვის, მაქსიმუმ 9 ტონა/სთ (2900 გალონი/სთ), Hielscher გთავაზობთ UIP500hdT (500 ვატი), UIP1000hdT (1000 ვატი), UIP1500hdT (1500 ვატი), და UIP2000hdT (2000 ვატი) ულტრაბგერითი მაღალი ძვრის შემრევების მოდელებს. ეს ოთხი ულტრაბგერითი რეაქტორი ძალიან კომპაქტურია და მარტივად ინტეგრირდება ახალ ან უკვე არსებულ დანადგარებში. ისინი შექმნილია მკაცრ გარემოში ინტენსიური მუშაობისთვის. ქვემოთ მოცემულია რეაქტორების რეკომენდებული კონფიგურაციები სხვადასხვა საწარმოო წარმადობისთვის.

ძალიან დიდი მოცულობითი ხარჯის ინდუსტრიული ბიოდიზელის რეაქტორები

ინდუსტრიული დამუშავების ბიოდიზელის წარმოების ქარხნებისთვის Hielscher გთავაზობთ UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) და UIP16000hdT (16kW) ულტრაბგერით ჰომოგენიზატორებს! ეს ულტრაბგერითი პროცესორები შექმნილია მაღალი მოცულობითი ხარჯის მქონე ნაკადების უწყვეტი დამუშავებისთვის. UIP4000hdT, UIP6000hdT და UIP10000 შეიძლება ინტეგრირდეს სტანდარტულ საზღვაო სატვირთო კონტეინერებში. ალტერნატივის სახით, პროცესორის ოთხივე მოდელი ხელმისაწვდომია უჟანგავი ფოლადის კარადებში. ვერტიკალური მონტაჟი მინიმალურ სივრცეს მოითხოვს. ქვემოთ მოცემულია რეკომენდებული კონფიგურაციები ტიპური სამრეწველო წარმადობისთვის.