바이오디젤 생산 및 바이오디젤 전환
초음파 반응기로 바이오디젤 생산의 한계를 극복하세요! 느린 반응 속도와 원활하지 않은 물질 전달은 바이오디젤 생산 시설의 생산 능력, 수율 및 품질을 크게 저하시킬 수 있습니다. Hielscher 초음파 반응기는 에스테르 교환 반응 속도를 대폭 높여 이러한 문제를 해결합니다. 그 결과, 바이오디젤 처리에 필요한 과량 메탄올과 촉매의 양이 줄어듭니다.
초음파 캐비테이션: 탁월한 혼합 솔루션
기존 바이오디젤 생산에서는 일반적으로 열과 기계적 혼합을 에너지원으로 사용하는 회분식 반응기를 이용합니다. 초음파 캐비테이션은 상업적 바이오디젤 처리에서 더 우수한 혼합을 달성하는 효과적인 대안을 제공합니다. 이러한 초음파 캐비테이션은 산업용 바이오디젤 에스테르 교환 반응에 필요한 활성화 에너지를 제공합니다.
초음파 바이오디젤 에스테르 교환 반응의 주요 장점:
- 더 높은 전환율
- 더 짧은 반응 시간
- 제품 품질 향상
- 폐유를 FAME(지방산 메틸 에스테르)으로 전환 가능
초음파 혼합은 바이오디젤 전환율과 수율을 높이고 과량 메탄올과 촉매를 절감합니다.
초음파로 개선된 바이오디젤 에스테르 교환 반응
바이오디젤 생산에는 일반적으로 에스테르 교환 반응이라는 화학 반응이 수반됩니다. 이 반응에서는 트리글리세리드(예: 식물성 기름, 동물성 지방, 폐식용유)가 촉매의 존재하에 알코올(예: 메탄올)과 반응하여 바이오디젤(지방산 메틸 에스테르)과 글리세롤을 생성합니다. 초음파 반응기는 여러 방식으로 에스테르 교환 공정을 개선하는 데 사용할 수 있으며, 다음과 같은 여러 이점을 제공합니다:
- 혼합 개선: 초음파는 격렬하게 붕괴하는 캐비테이션 기포를 생성하여 반응 혼합물의 강력한 혼합과 교반을 유발할 수 있습니다. 이는 반응물과 촉매 사이의 접촉을 개선하여 더 빠르고 더 완전한 에스테르 교환 반응으로 이어집니다.
- 반응 속도 향상: 초음파가 생성하는 고에너지 조건은 반응을 활성화하여 반응 속도를 높이고 주어진 전환 수준에 도달하는 데 필요한 반응 시간을 단축할 수 있습니다. 이는 수율 향상과 비용 절감으로 이어질 수 있습니다.
- 촉매 사용량 감소: 초음파 반응기는 반응에 필요한 활성점을 더 많이 제공하여 촉매 사용 효율을 높일 수 있습니다. 이는 동일한 전환 수준을 달성하는 데 필요한 촉매의 양이 줄어들어 비용과 환경 영향을 줄일 수 있음을 의미합니다.
- 제품 품질 향상: 초음파 반응기는 유리지방산 함량이 더 낮고 순도가 더 높으며 저온 유동 특성이 더 우수한 바이오디젤을 생산할 수 있습니다. 이는 혼합 개선과 반응 속도 향상으로 원치 않는 부산물과 불순물의 생성이 최소화되기 때문입니다.
초음파 반응기를 사용하면 바이오디젤 에스테르 교환 반응의 효율, 속도 및 품질이 크게 향상되므로, 이러한 초음파 바이오디젤 처리의 장점은 초음파 반응기 설비의 사용을 매우 경제적으로 만듭니다. 요약하면, 초음파 처리는 에스테르 교환 반응을 경제적·환경적으로 더 지속 가능한 공정으로 전환합니다.
기존 바이오디젤 혼합의 문제점: 회분식 처리에서 기존 에스테르화 반응은 느린 경향이 있으며, 글리세린의 상분리에는 시간이 많이 소요되어 흔히 5시간 이상 걸립니다.
초음파 반응기는 더 낮은 처리 비용으로 바이오디젤 공정을 가속하는 동시에 바이오디젤 수율과 품질을 높이는 데 도움을 줍니다!
산업용 초음파 처리기 UIP2000hdT 및 플로우 셀 FC2T500k를 이용한 인라인 바이오디젤 에스테르화 및 에스테르 교환 반응.
초음파 바이오디젤 에스테르 교환 반응의 장점
- 혼합 개선에 따른 바이오디젤 수율 향상
- 바이오디젤 품질 향상
- 품질이 가장 낮은 기름도 원료로 사용
- 연속 인라인 처리
- 메탄올 사용량 감소
- 촉매 사용량 감소
- 고속 전환에 따른 시간 절약
- 에너지 절약
- 간단하고 안전한 운전
- 견고성과 적은 유지보수
- 고성능: 전부하 상태에서 24/7 운전
초음파 반응기 UIP16000hdT는 약 32MMGY를 생산합니다
“저희는 Hielscher의 장비와 서비스에 매우 만족해 왔으며, 앞으로 추진할 모든 사업에 Hielscher의 초음파 처리 기술을 도입할 확고한 의지가 있습니다.”
Todd Stephens, Tulsa Biofuels
바이오디젤 생산을 위한 초음파 기술
바이오디젤은 흔히 배치 반응기에서 생산됩니다. 초음파를 이용한 바이오디젤 전환은 연속 인라인 처리를 가능하게 합니다. 초음파 처리를 통해 99%를 초과하는 바이오디젤 수율을 달성할 수 있습니다. 초음파 반응기는 기존 배치 처리에서 1–4시간이 걸리던 처리 시간을 30초 미만으로 단축합니다. 더 중요한 점은 초음파 처리가 기존 교반 방식에서 5–10시간이 걸리던 분리 시간을 60분 미만으로 단축한다는 것입니다. 또한 초음파 처리는 캐비테이션이 발생할 때 화학적 활성이 증가하므로 필요한 촉매량을 최대 50%까지 줄이는 데 도움이 됩니다. 초음파 처리를 사용하면 필요한 과잉 메탄올의 양도 줄어듭니다. 그 결과 글리세린의 순도가 높아지는 것도 또 다른 이점입니다.
초음파를 이용한 바이오디젤 생산 단계:
- 식물성 기름 또는 동물성 지방을 메탄올(메틸 에스터 생성용) 또는 에탄올(에틸 에스터 생성용), 그리고 나트륨 또는 칼륨의 메톡사이드 또는 수산화물과 혼합합니다
- 혼합물을 가열합니다. 예를 들어 온도를 45–65degC로 높입니다
- 가열된 혼합물을 인라인 방식으로 5–15초 동안 초음파 처리합니다
- 글리세린이 가라앉거나 원심분리기를 사용하여 분리됩니다
- 전환된 바이오디젤을 물로 세척합니다
대부분의 경우, 초음파 처리는 공급 펌프와 플로우 셀 옆에 설치된 조절식 배압 밸브를 사용하여 가압 상태(1–3bar, 게이지 압력)에서 수행됩니다.
산업용 바이오디젤 전환에는 많은 초음파 에너지가 필요하지 않습니다. 실제 에너지 요구량은 예를 들어 UIP1000hdT와 같은 1kW 초음파 처리기를 사용하여 벤치탑 규모에서 확인할 수 있습니다. 이러한 벤치탑 시험에서 얻은 모든 결과는 문제없이 선형적으로 규모를 확대하여 적용할 수 있습니다. 필요한 경우 ATEX 인증 초음파 장치를 이용할 수 있으며, 그 예로는 UIP1000-Exd가 있습니다.
Hielscher는 산업용 초음파 바이오디젤 처리 장비를 전 세계에 공급합니다. 단일 장치당 출력이 최대 16kW인 초음파 처리기를 사용하면 바이오디젤 공장의 규모나 처리 용량에 제한이 없습니다.
초음파 바이오디젤 제조 비용
초음파 처리는 상업적 바이오디젤 생산에서 반응 속도와 전환율을 높이는 효과적인 방법입니다. 초음파 처리 비용은 주로 초음파 장비 투자비, 유틸리티 비용 및 유지보수 비용에서 발생합니다. Hielscher 초음파 처리기의 탁월한 에너지 효율은 유틸리티 비용을 줄이고, 이를 통해 이 공정을 더욱 친환경적으로 만드는 데 도움이 됩니다. 상업적 규모에서 사용할 때 초음파 처리에 드는 비용은 리터당 0.1ct–1.0ct(갤런당 0.4ct–1.9ct)입니다.
초음파 바이오디젤 생산의 공정 효율과 경제적 이점에 대해 자세히 알아보세요!
초음파 혼합은 바이오디젤 제조의 비에너지 소비량을 줄이며, 유체역학적 자기 혼합 및 고전단 혼합기를 훨씬 능가합니다.
소규모 초음파 바이오디젤 설비
초음파 처리는 모든 규모에서 기름을 바이오디젤로 전환하는 데 사용할 수 있습니다. 아래 그림은 60–70L(16–19갤런)를 처리하는 소규모 설비를 보여줍니다. 이는 초기 연구와 공정 시연에 사용되는 일반적인 설비 구성입니다.
초음파 에스터화 및 에스터 교환 반응은 배치 공정 또는 연속 인라인 공정으로 수행할 수 있습니다. 이 도표는 바이오디젤 전환을 위한 초음파 배치 공정을 보여줍니다.
1000hdT 모델의 1kW 초음파 처리기 3대 및 고효율 바이오디젤 전환을 위한 초음파 유통식 반응기.
- 부스터, 소노트로드 및 플로우 셀을 갖춘 초음파 처리기 한 대(예: UIP500hdT 또는 UIP1000hdT)
- 전력과 에너지를 측정하는 전력계
- 80L 처리 탱크(플라스틱, 예: HDPE)
- 발열체(1–2kW)
- 10L 촉매 예비 혼합 탱크(플라스틱, 예: HDPE)
- 촉매 예비 혼합기(교반기)
- 1–3 barg에서 약 10–20L/min의 유량을 제공하는 펌프(원심식, 모노식 또는 기어식)
- 플로우 셀의 압력을 조절하는 배압 밸브
- 공급 압력을 측정하는 압력계
탁월한 바이오디젤 처리를 위한 초음파 반응기
Hielscher Ultrasonics는 바이오디젤 수율과 품질을 높이고 처리 시간과 생산 비용을 줄여 바이오디젤 생산을 개선하는 고성능 초음파 처리기와 반응기를 제공합니다.
바이오디젤 에스테르 교환 반응을 위한 소규모 및 중규모 초음파 반응기
최대 9톤/시간(2900 갤런/시간)의 소규모 및 중규모 바이오디젤 생산을 위해 Hielscher는 신뢰할 수 있고 효율적인 인라인 바이오디젤 처리가 가능하도록 유통식 반응기를 갖춘 초음파 고전단 혼합기 UIP500hdT(500와트), UIP1000hdT(1000와트), UIP1500hdT(1500와트), UIP2000hdT(2000와트)를 제공합니다. 이 네 가지 초음파 반응기는 매우 소형이며 기존 설비에 쉽게 통합하거나 추가 장착할 수 있습니다. 가혹한 환경에서 고부하로 작동하도록 제작되었습니다. 아래에서 다양한 생산량에 권장되는 반응기 구성을 확인할 수 있습니다.
|
톤/시간
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT (500와트) |
0.25–0.5
|
80–160
|
| 1x UIP1000hdT (1000와트) |
0.5–1.0
|
160–320
|
| 1x UIP1500hdT (1500와트) |
0.75–1.5
|
240–480
|
| 1x UIP2000hdT (2000와트) |
1.0–2.0
|
320–640
|
| 2x UIP2000hdT (2000와트) |
2.0–4.0
|
640–1280
|
| 4xUIP1500hdT (1500와트) |
3.0–6.0
|
960–1920
|
| 6x UIP1500hdT (1500와트) |
4.5–9.0
|
1440–2880
|
| 6x UIP2000hdT (2000와트) |
6.0–12.0
|
1920–3840
|
초대용량 산업용 바이오디젤 반응기
산업 규모의 바이오디젤 생산 설비를 위해 Hielscher는 초음파 균질기 UIP4000hdT(4kW), UIP6000hdT(6kW), 10000(10kW), UIP16000hdT(16kW)를 제공합니다! 이 초음파 처리기는 높은 유량에서 연속 처리하도록 설계되었습니다. UIP4000hdT, UIP6000hdT 및 UIP10000은 표준 해상 운송 컨테이너에 통합할 수 있습니다. 또는 네 가지 처리기 모델 모두 스테인리스강 캐비닛에 장착된 형태로 제공됩니다. 수직으로 설치하면 최소한의 공간만 필요합니다. 아래에서 일반적인 산업용 처리량에 권장되는 구성을 확인할 수 있습니다.
|
톤/시간
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP6000hdT (6000와트) |
3.0–6.0
|
960–1920
|
| 3x UIP4000hdT (4000와트) |
6.0–12.0
|
1920–3840
|
| 5x UIP4000hdT (4000와트) |
10.0–20.0
|
3200–6400
|
| 3x UIP6000hdT (6000와트) |
9.0–18.0
|
2880–5880
|
| 3x UIP10000 (10,000와트) |
15.0–30.0
|
4800–9600
|
| 3x UIP16000hdT (16,000와트) |
24.0–48.0
|
7680–15,360
|
| 5x UIP16000hdT |
40.0–80.0
|
12,800–25,600
|
연락하세요! / 문의하세요!
초음파 처리기 UIP16000hdT는 32MMGY의 바이오디젤을 처리할 수 있습니다.
Frost & Sullivan 올해의 기술 혁신상
Hielscher Ultrasonics는 바이오디젤 생산을 위한 새로운 초음파 기술을 개발한 공로를 인정받아 권위 있는 Frost and Sullivan 올해의 기술 혁신상을 수상했습니다.
여기를 클릭하여 Hielscher Ultrasonics 바이오디젤 반응기의 Frost and Sullivan 수상에 대해 자세히 알아보세요!
에스테르 교환 반응 – 바이오디젤의 화학적 전환
식물성 기름(예: 대두유, 카놀라유, 자트로파유, 해바라기씨유), 조류, 동물성 지방 및 폐식용유로 바이오디젤을 제조하는 과정에는 지방산을 메탄올 또는 에탄올과 반응시켜 해당 메틸 에스테르 또는 에틸 에스테르를 생성하는 염기 촉매 에스테르 교환 반응이 포함됩니다. 글리세린은 이 반응에서 불가피하게 생성되는 부산물입니다.
식물성 기름은 동물성 지방과 마찬가지로 글리세린 분자에 결합된 세 개의 지방산 사슬로 구성된 트리글리세리드입니다. 트리글리세리드는 에스테르입니다. 에스테르는 지방산과 같은 산이 알코올과 결합한 물질입니다. 글리세린(= 글리세롤)은 중질 알코올입니다. 전환 공정에서는 촉매(잿물)와 알코올 반응제를 사용하여 트리글리세리드 에스테르를 알킬 에스테르(= 바이오디젤)로 전환합니다. 예를 들어 메탄올을 사용하면 메틸 에스테르 바이오디젤이 생성됩니다. 메탄올은 글리세린을 대체합니다. 이러한 화학적 전환 공정을 에스테르 교환 반응이라고 합니다.
에스테르 교환 반응 후에는 더 무거운 상인 글리세린이 바닥으로 가라앉습니다. 더 가벼운 상인 바이오디젤은 위에 떠오르며, 예를 들어 디캔터나 원심분리기로 분리할 수 있습니다.
바이오디젤 준비
촉매 예비 혼합 탱크에서 수산화칼륨(0.2–0.4kg, 촉매)을 약 8.5L의 메탄올에 용해합니다. 이를 위해 촉매 예비 혼합물을 교반해야 합니다. 처리 탱크에 식물성 기름 66L를 채웁니다. 가열 소자로 기름을 45–65degC까지 가열합니다.
바이오디젤 전환
촉매가 메탄올에 완전히 용해되면 촉매 예비 혼합물을 가열된 기름과 혼합합니다. 펌프가 혼합물을 플로우 셀로 공급합니다. 배압 밸브를 사용하여 압력을 1–3barg(15–45psig)로 조절합니다. 초음파 바이오디젤 반응기를 통한 재순환을 약 20분 동안 수행해야 합니다. 이 시간 동안 기름이 바이오디젤로 전환됩니다. 그 후 펌프와 초음파를 끕니다. 글리세린(더 무거운 상)이 바이오디젤(더 가벼운 상)에서 분리됩니다. 분리에는 약 30–60분이 걸립니다. 분리가 완료되면 글리세린을 배출할 수 있습니다.
바이오디젤 세척
전환된 바이오디젤에는 불순물이 포함되어 있으므로 세척이 필요합니다. 세척을 위해 바이오디젤에 물을 혼합합니다. 초음파 처리는 바이오디젤과 물의 혼합에 도움이 될 수 있습니다. 이로 인해 액적 크기가 감소하면서 활성 표면적이 증가합니다. 매우 강한 초음파 처리는 물방울의 크기를 줄여 거의 안정한 에멀션을 형성할 수 있으며, 이를 분리하려면 특수한 수단(예: 원심분리기)이 필요하다는 점을 고려하십시오.
바이오디젤 제조 플랜트
아래 흐름도는 기름, 메탄올 및 촉매를 인라인으로 초음파 처리하여 바이오디젤로 전환하는 일반적인 구성을 보여줍니다.
초음파 에스테르화 및 에스테르 교환 반응은 배치 공정 또는 연속 인라인 공정으로 수행할 수 있습니다. 이 도표는 바이오디젤(FAME) 에스테르 교환 반응을 위한 초음파 인라인 공정을 보여줍니다.
연속 바이오디젤 처리 및 분리
바이오디젤을 연속으로 처리하고 분리하는 구성에서는 조절 가능한 펌프를 사용하여 가열된 기름과 촉매 예비 혼합물을 연속으로 혼합합니다. 인라인 정적 혼합기는 초음파 반응기로 공급되는 물질의 균질성을 높입니다. 기름/촉매 혼합물은 플로우 셀을 통과하면서 약 5–30초 동안 초음파 캐비테이션에 노출됩니다. 배압 밸브를 사용하여 플로우 셀 내부의 압력을 제어합니다. 초음파 처리된 혼합물은 반응탑 상부로 유입됩니다. 반응탑의 용적은 탑 내부에서 약 1시간의 체류 시간을 확보하도록 설계됩니다. 이 시간 동안 에스테르 교환 반응이 완료됩니다. 반응을 마친 글리세린/바이오디젤 혼합물은 펌프로 원심분리기에 이송되어 바이오디젤 분획과 글리세린 분획으로 분리됩니다. 후처리에는 메탄올 회수, 세척 및 건조가 포함되며, 이 역시 연속으로 수행할 수 있습니다.
이 구성을 사용하면 바이오디젤 반응기의 배치 처리, 기존 교반기 및 대형 분리 탱크가 필요하지 않습니다.
바이오디젤 에스테르 교환 반응 속도
아래 도표는 메톡사이드나트륨(왼쪽)과 수산화칼륨(오른쪽)을 사용한 유채유(공업용 등급)의 에스테르 교환 반응에서 얻은 대표적인 결과를 보여줍니다. 두 시험 모두 대조 시료(파란색 선)에 강한 기계적 혼합을 적용했습니다. 빨간색 선은 부피비, 촉매 농도 및 온도가 동일한 조성의 초음파 처리 시료를 나타냅니다. 가로축은 각각 혼합 또는 초음파 처리 후 경과 시간을 나타냅니다. 세로축은 바닥에 가라앉은 글리세린의 부피를 나타냅니다. 이는 반응 속도를 측정하는 간단한 방법입니다. 두 도표 모두 초음파 처리 시료(빨간색)가 대조 시료(파란색)보다 훨씬 빠르게 반응합니다.
메톡사이드나트륨(왼쪽)과 수산화칼륨(오른쪽)을 촉매로 사용한 바이오디젤 생산에서 초음파 혼합(빨간색 그래프)과 기존 혼합(파란색 그래프)의 비교.
바이오디젤 생산 설비 공급업체 링크
바이오디젤 산업용 펌프 및 탱크 공급업체 링크를 보려면 여기를 클릭하세요.
화학물질 및 안전 정보
문제 발생과 건강상의 악영향을 방지하려면 아래 정보를 주의 깊게 읽으세요.
바이오디젤 생산용 화학물질
메탄올은 독성이 있습니다. 장기간 사용하면 신경 손상을 일으킬 수 있습니다. 피부에 흡착될 수도 있습니다. 눈에 튀면 실명을 일으킬 수 있으며, 메탄올을 삼키면 사망에 이를 수 있습니다. 따라서 메탄올을 취급할 때는 필요한 예방 조치를 취하세요. 적절한 호흡보호구, 앞치마 및 고무장갑을 사용하는 것이 권장됩니다.
수산화칼륨(KOH)은 독성이 있으며 접촉 시 피부에 화상을 일으킵니다. 충분한 환기가 필요합니다.
증기가 빠져나갈 수 있도록 작업 공간을 충분하고 철저하게 환기하세요. 증기용 정화통을 사용하는 호흡보호구는 메탄올 증기에 효과가 없습니다. 공기 공급식 시스템(SCBA – 자급식 공기호흡기)은 메탄올 증기에 대해 더 나은 보호 기능을 제공합니다.
바이오디젤과 고무 부품
100% 바이오디젤로 장기간 운전하면 엔진에서 연료와 접촉하는 고무 부품(펌프, 호스, O링)에 문제가 발생할 수 있습니다. 강철 부품이나 내구성이 높은 고무로 교체하면 이 문제를 해결할 수 있습니다. 또는 바이오디젤에 기존의 화석연료 디젤을 약 25% 혼합하여 문제를 예방할 수 있습니다.
문헌 / 참고문헌
- 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 Ultrasonics는 고성능 초음파 균질기를 실험실 규모부터 산업 규모까지 제조합니다.