우수한 공정과 비용 효율성을 갖춘 바이오디젤 생산

초음파 혼합은 매우 효율적이고 비용 효율적인 바이오 디젤 생산을위한 우수한 기술입니다. 초음파 캐비테이션은 물질 전달을 획기적으로 개선하여 생산 비용과 처리 기간을 줄입니다. 동시에 품질이 낮은 오일과 지방(예: 폐유)을 사용할 수 있으며 바이오디젤 품질을 향상시킬 수 있습니다. Hielscher 초음파는 모든 생산 규모에 고성능의 견고한 초음파 혼합 반응기를 공급합니다. 바이오 디젤 생산이 초음파 처리의 이점을 어떻게 얻을 수 있는지 자세히 알아보십시오!

초음파를 사용한 바이오디젤 생산의 이점

바이오디젤(지방산 메틸 에스테르, 약칭. FAME)는 지질 원료(트리글리세리드, 예: 식물성 기름, 폐식용유, 동물성 지방, 조류유)와 알코올(메탄올, 에탄올)을 촉매(예: 수산화칼륨 KOH)를 사용하여 에스테르 교환 반응을 일으킨 산물입니다.
문제: 종래의 교반을 사용한 종래의 바이오디젤 변환에서는, 오일과 알콜의 에스테르 교환 반응의 두 반응물의 혼합되지 않는 성질로 인해 질량 전달 속도가 저하되어 비효율적인 바이오디젤 생산이 발생합니다. 이러한 비효율성은 긴 반응 시간, 더 높은 메탄올-오일 몰 비율, 높은 촉매 요구 사항, 높은 공정 온도 및 높은 교반 속도에 의해 특징지어집니다. 이러한 요인은 기존의 바이오디젤 제조를 비용이 많이 드는 공정으로 만드는 중요한 비용 동인입니다.
해결책: 초음파 혼합은 매우 효율적이고 신속하며 저렴한 방식으로 반응물을 유화하여 오일-메탄올 비율을 개선하고 촉매 요구 사항을 줄이며 반응 시간 및 반응 온도를 낮출 수 있습니다. 이를 통해 자원(즉, 화학 물질 및 에너지)과 시간이 절약되고 처리 비용이 절감되며 바이오디젤의 품질과 생산 수익성이 크게 향상됩니다. 이러한 사실은 효과적인 바이오 디젤 제조를 위해 선호되는 기술에서 초음파 혼합을 전환합니다.
연구 및 산업용 바이오디젤 생산업체는 초음파 혼합이 품질이 낮은 오일과 지방이 공급 원료로 사용되는 경우에도 바이오디젤을 생산하는 매우 비용 효율적인 방법임을 확인합니다. 초음파 공정 강화는 전환율을 크게 향상시켜 과도한 메탄올 및 촉매의 사용을 줄여 ASTM D6751 및 EN 14212 사양의 품질 표준을 충족하는 바이오 디젤을 생산할 수 있습니다. (Abdullah et al., 2015 참조)

초음파 처리를 사용하여 트리글리세라이드를 바이오 디젤 (FAME)으로 에스테르 교환하면 반응이 가속화되고 효율성이 크게 높아집니다.

바이오디젤 생산에서 초음파 혼합의 수많은 장점

초음파 혼합 반응기는 새로운 설비에 쉽게 통합할 수 있을 뿐만 아니라 기존 바이오디젤 플랜트에 개조할 수 있습니다. Hielscher 초음파 믹서의 통합은 모든 바이오 디젤 시설을 고성능 생산 공장으로 바꿉니다. 간단한 설치, 견고성 및 사용자 친화성(작동에 대한 특정 교육 필요 없음)을 통해 모든 시설을 고효율 바이오디젤 공장으로 업그레이드할 수 있습니다. 아래에서는 독립적인 제3자에 의해 문서화된 이점에 대한 과학적으로 입증된 결과를 제시합니다. 이 수치는 기존의 교반 기술에 비해 초음파 바이오 디젤 혼합의 우수성을 입증합니다.

흐름도는 공정 효율성 향상을 위한 초음파 혼합을 포함한 바이오디젤 생산 단계를 보여줍니다.

효율성 및 비용 비교: 초음파 대 기계적 교반

Gholami et al. (2021)은 비교 연구에서 기계적 교반(예: 블레이드 믹서, 임펠러, 고전단 믹서)에 비해 초음파 에스테르 교환의 이점을 제시합니다.
투자 비용: 초음파 프로세서와 반응기 UIP16000는 1.2m x 0.6m에 불과한 설치 공간으로 192–384 t 바이오디젤/d를 생산할 수 있습니다. 이에 비해 기계적 교반(MS)의 경우 기계적 교반 공정에서 긴 반응 시간으로 인해 훨씬 더 큰 반응기가 필요하며, 이로 인해 반응기 비용이 크게 증가합니다. (Gholami et al., 2020 참조)
처리 비용: 초음파 바이오 디젤 생산의 처리 비용은 교반 공정의 처리 비용보다 7.7 % 낮은데, 이는 주로 초음파 처리 공정에 대한 총 투자가 적기 때문입니다. 화학 물질 (촉매, 메탄올 / 알코올)의 비용은 초음파 처리 및 기계적 교반 모두에서 세 번째로 큰 비용 동인입니다. 그러나 초음파 바이오 디젤 변환의 경우 화학 물질 비용은 기계적 교반보다 훨씬 저렴합니다. 화학 물질의 비용 분율은 최종 바이오디젤 비용의 약 5%를 차지합니다. 메탄올, 수산화나트륨 및 인산의 소비가 적기 때문에 초음파 바이오 디젤 공정의 화학 물질 비용은 기계적 교반 공정보다 2.2 % 저렴합니다.
에너지 비용: 초음파 혼합 반응기가 소비하는 에너지는 기계식 교반기보다 약 3 배 낮습니다. 이러한 에너지 소비의 상당한 감소는 음향/초음파 캐비테이션 현상을 특징짓는 수많은 캐비티의 생성 및 붕괴로 인해 발생하는 강렬한 마이크로 믹싱과 감소된 반응 시간의 산물입니다(Gholami et al., 2018). 또한 기존 교반기에 비해 초음파 혼합 공정 중 메탄올 회수 및 바이오디젤 정제 단계의 에너지 소비가 각각 26.5% 및 1.3% 감소합니다. 이러한 감소는 초음파 에스테르 교환 공정에서이 두 증류 컬럼에 들어가는 메탄올의 양이 적기 때문입니다.
폐기물 처리 비용: 초음파 캐비테이션 기술은 또한 폐기물 처리 비용을 현저하게 줄여줍니다. 초음파 처리 공정에서의이 비용은 교반 공정의 약 1/5이며, 이는 더 높은 반응기 전환율과 더 적은 양의 소비 알코올로 인한 폐기물 생산의 현저한 감소로 인해 발생합니다.
사용한 커피 찌꺼기에서 추출한 오일의 초음파 바이오디젤 전환에 대해 자세히 알아보세요!
환경 친화성: 매우 높은 전체 효율, 화학 물질 소비 감소, 낮은 에너지 요구 사항 및 폐기물 감소로 인해 초음파 바이오 디젤 생산은 기존의 바이오 디젤 제조 공정보다 훨씬 환경 친화적입니다.

결론 – 초음파로 바이오디젤 생산 효율 향상

과학적 평가는 바이오 디젤 생산을위한 기존의 기계적 교반에 비해 초음파 혼합의 분명한 이점을 보여줍니다. 초음파 바이오 디젤 가공의 장점에는 총 자본 투자, 총 제품 비용, 순 현재 가치 및 내부 수익률이 포함됩니다. 초음파 캐비테이션 공정에 대한 총 투자액은 약 20.8 % 다른 것보다 낮은 것으로 나타났습니다. 초음파 반응기를 사용하여 제품 비용을 5.2% 절감 – 버진 카놀라유를 사용. 초음파 처리를 통해 사용한 기름 (예 : 사용 된 식용유)도 처리 할 수 있기 때문에 생산 비용을 크게 줄일 수 있습니다. Gholami et al. (2021)은 양수의 순 현재 가치로 인해 초음파 캐비테이션 공정이 바이오디젤 생산을 위한 혼합 기술의 더 나은 선택이라는 결론에 도달했습니다.
기술적 인 관점에서 초음파 캐비테이션의 가장 중요한 효과는 상당한 공정 효율성과 반응 시간 단축에 걸쳐 있습니다. 수많은 진공 기포의 형성과 붕괴 – Acoustic / Ultrasonic Cavitation으로 알려져 있습니다. – 교반 탱크 반응기에서 몇 시간이었던 반응 시간을 초음파 캐비테이션 반응기에서 몇 초로 줄입니다. 이 짧은 체류 시간으로 인해 설치 공간이 작은 플로우 스루 반응기에서 바이오디젤을 생산할 수 있습니다. 초음파 캐비테이션 반응기는 또한 에너지 및 재료 요구 사항에 유익한 효과를 보여 교반 탱크 반응기에서 소비되는 에너지 소비와 메탄올 및 촉매 소비를 25 % 줄입니다.
경제적 관점에서 볼 때, 초음파 캐비테이션 공정의 총 투자는 주로 반응기 비용과 메탄올 증류탑 비용이 각각 거의 50 % 및 11.6 % 감소하기 때문에 기계적 교반 공정보다 적습니다. 초음파 캐비테이션 공정은 또한 카놀라유 소비 4% 감소, 총 투자 감소, 화학 물질 소비 2.2% 감소, 유틸리티 요구 사항 23.8% 감소로 인해 바이오디젤 생산 비용을 절감합니다. 기계적으로 교반되는 과정과는 달리, 초음파 처리는 그것의 긍정적인 순 현재 가치, 더 짧은 투자 회수 시간 및 더 높은 내부 반환율 때문에 수락가능한 투자입니다. 초음파 캐비테이션 공정과 관련된 기술 경제적 이점 외에도 기계적 교반 공정보다 환경 친화적입니다. 초음파 캐비테이션은 반응기에서 더 높은 전환율로 인해 폐기물 흐름이 80% 감소하고 이 과정에서 알코올 소비가 감소합니다. (Gholami et al., 2021 참조)

원하는 촉매 사용

바이오디젤의 초음파 에스테르 교환 공정은 알칼리 또는 염기성 촉매를 모두 사용하여 효율적인 것으로 입증되었습니다. 예를 들어, Shinde와 Kaliaguine(2019)은 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), (CH₃ONa), 테트라메틸암모늄하이드록사이드 및 4개의 구아니딘(프로필-2,3-디시클로헥실 구아니딘(PCHG), 1,3-디시클로헥실2-n-옥틸구아니딘(DCOG), 1,1,3,3-테트라메틸구아니딘(TMG), 1,3-디페닐구아니딘(DPG)). 초음파 혼합 (35º에서)은 바이오 디젤 생산에 우수하며 더 높은 수율과 전환율로 기계적 혼합 (65º)을 능가합니다. 초음파 분야에서의 질량 전달의 효율성은 기계적 교반에 비해 에스테르 교환 반응의 속도를 향상시켰다. 초음파 처리는 테스트 된 모든 촉매에 대해 기계적 교반을 능가했습니다. 초음파 캐비테이션으로 에스테르 교환 반응을 실행하는 것은 바이오 디젤 생산을위한 에너지 효율적이고 산업적으로 실행 가능한 대안입니다. 널리 사용되는 촉매 KOH 및 NaOH 외에도 구아니딘 촉매인 프로필-2,3 디시클로헥실구아니딘(PCHG) 및 1,3-디시클로헥실2-옥틸구아니딘(DCOG)은 모두 바이오디젤 전환을 위한 흥미로운 인분체로 나타났습니다.
Mootabadi et al. (2010)은 CaO, BaO 및 SrO와 같은 다양한 알칼리성 금속 산화물 촉매를 사용하여 팜유에서 초음파 보조 바이오 디젤 합성을 조사했습니다. 초음파 보조 바이오 디젤 합성에서 촉매의 활성을 기존의 자기 교반 공정과 비교한 결과, 초음파 공정은 60 분 반응 시간 내에 BaO를 사용하여 95.2 %의 수율을 보였으며, 그렇지 않으면 기존 교반 공정에서 3-4 시간이 소요되었습니다. 최적의 조건에서 초음파 보조 에스테르 교환의 경우, 기존 교반으로 2-4 시간에 비해 95 %의 수율을 달성하는 데 60 분이 필요했습니다. 또한 60분 동안 초음파로 달성한 수율은 CaO를 촉매로 사용하여 5.5%에서 77.3%로, SrO를 촉매로 사용하여 48.2%에서 95.2%로, BaO를 촉매로 사용하여 67.3%에서 95.2%로 증가했습니다.

다양한 구아니딘(3% mol)을 촉매로 사용하는 바이오디젤 생산. (A) 기계적 교반 배치 반응기 : (메탄올 : 카놀라유) 4 : 1, 온도 65ºC; (B) 초음파 배치 반응기: 초음파기 UP200St, (메탄올 : 카놀라유) 4 : 1, 60 % US 진폭, 온도 35ºC. 초음파 구동 혼합은 기계적 교반을 훨씬 능가합니다.
(연구 및 그래프: Shinde 및 Kaliaguine, 2019)

우수한 바이오디젤 처리를 위한 고성능 초음파 반응기

Hielscher 초음파는 향상된 바이오 디젤 생산을위한 고성능 초음파 프로세서 및 반응기를 제공하여 수율을 높이고 품질을 개선하며 처리 시간을 단축하고 생산 비용을 절감합니다.

중소 규모 바이오디젤 반응기

최대 9ton/hr(2900gal/hr)의 중소형 바이오디젤 생산을 위해 Hielscher는 다음을 제공합니다. UIP500hdT (500 와트), UIP1000hdT (1000 와트), UIP1500hdT (1500 와트)그리고 UIP2000hdT (2000 와트) 초음파 고전단 믹서 모델. 이 4 개의 초음파 반응기는 매우 컴팩트하고 통합 또는 개조가 쉽습니다. 혹독한 환경에서 중부하 작업을 할 수 있도록 제작되었습니다. 아래에서 다양한 생산 속도에 권장되는 반응기 설정을 찾을 수 있습니다.

처리량이 매우 큰 산업용 바이오디젤 반응기

산업 공정, 바이오 디젤 생산 공장의 경우 Hielscher는 다음을 제공합니다. UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) 그리고 UIP16000hdT (16kW) 초음파 균질화기! 이 초음파 프로세서는 높은 유량의 연속 처리를 위해 설계되었습니다. UIP4000hdT, UIP6000hdT 및 UIP10000는 표준 해상화물 컨테이너에 통합 될 수 있습니다. 또는 4개의 프로세서 모델 모두 스테인리스 스틸 캐비닛에서 사용할 수 있습니다. 수직 설치에는 최소한의 공간이 필요합니다. 아래에서 일반적인 산업 가공 속도에 대한 권장 설정을 찾을 수 있습니다.