Energoefektivitāte un metanola ietaupījums biodīzeļdegvielas ražošanā
Apstrāde ar ultraskaņu ir enerģiju taupoša sajaukšanas tehnoloģija, kas izmanto ultraskaņas kavitāciju, lai radītu intensīvu mikrosajaukšanos un ātru masas pārnesi starp savstarpēji nesajaucamām eļļas un metanola fāzēm. Biodīzeļdegvielas ražošanā šī iedarbība krasi saīsina reakcijas laiku – no stundām līdz sekundēm – un ļauj efektīvi veikt pāresterificēšanu zemākā temperatūrā, izmantojot mazāk metanola un katalizatora. Apstrāde ar ultraskaņu ne tikai pati par sevi ir energoefektīva pārstrādes tehnoloģija, bet arī samazina nepieciešamo metanola un katalizatora daudzumu, līdz minimumam samazina enerģijas zudumus un mazina nepieciešamību atgūt metanolu ar destilāciju, tādējādi kļūstot par ļoti efektīvu un ilgtspējīgu alternatīvu tradicionālajai mehāniskajai maisīšanai.
Apstrāde ar ultraskaņu biodīzeļdegvielas ražošanas procesa intensificēšanai
Biodīzeļdegvielas ražošanā eļļas un spirta sajaukšanai pāresterificēšanas procesā tradicionāli izmanto mehāniskos lāpstiņu maisītājus. Tomēr šīs metodes trūkums ir nepietiekams kontakts savstarpēji nesajaucamo fāžu saskares virsmā, kas rada ilgu reakcijas laiku, lielu metanola pārākumu un ievērojamus enerģijas zudumus gan sajaukšanas laikā, gan vēlāk, atgūstot metanolu ar destilāciju.
Hielscher Ultrasonics GmbH izstrādātās ultraskaņas kavitācijas tehnoloģijas ieviešana ir būtiski uzlabojusi procesa efektivitāti. Ultraskaņas reaktori pievada intensīvu akustisko enerģiju, kas šķidrajā fāzē rada mikroskopiskus kavitācijas burbulīšus. To implozija rada lokālas augstas temperatūras zonas, intensīvu mikrosajaukšanos un lielu masas pārneses ātrumu, ļaujot ātri veikt pāresterificēšanu maigos apstākļos.
Jaudīgais Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces modelis UIP16000hdT ar 16 000 vatu jaudu ar plūsmas šūnu efektīvai un enerģiju taupošai biodīzeļdegvielas ražošanai.
Ultraskaņas kavitācijas un mehāniskās maisīšanas salīdzinājums
1. Reakcijas efektivitāte un sajaukšanas veiktspēja
Ultraskaņas kavitācijas (UC) un mehāniskās maisīšanas (MS) reaktoru salīdzinošā tehniski ekonomiskā novērtējumā (Gholami et al., 2021):
ultraskaņas reaktors sasniedza 99% konversijas efektivitāti 5–15 sekundēs,
savukārt mehāniski maisāmajam reaktoram bija nepieciešamas ~80 minūtes, lai sasniegtu 95% konversijas efektivitāti.
Šo milzīgo paātrinājumu nodrošina Hielscher reaktoru radītās akustiskās mikroplūsmas un kavitācijas izraisītā emulģēšana. Šie mehānismi rada smalkas spirta dispersijas eļļā, ievērojami palielinot fāžu saskares virsmas laukumu un līdz minimumam samazinot masas pārneses pretestību.
Izcila sajaukšanas veiktspēja ļauj veikt pāresterificēšanu zemākā temperatūrā (45–60°C) un mērenā spiedienā (~3 bar), salīdzinot ar tradicionālajiem procesiem, kuros bieži nepieciešams paaugstināts spiediens (~4 bar), lai novērstu metanola iztvaikošanu un saglabātu šķīdību.
Sajaukšana ar ultraskaņu samazina īpatnējo enerģijas patēriņu biodīzeļdegvielas ražošanā, ievērojami pārspējot hidrodinamisko magnētisko sajaukšanu un augstas bīdes maisītājus.
2. Enerģijas patēriņš un reaktora konstrukcija
Hielscher caurplūdes ultraskaņas sistēmas (piemēram, UIP1500hdT, UIP16000hdT) nodrošina lielu jaudas blīvumu ar īpatnējo enerģijas patēriņu tikai ~3 kJ/L saražotās biodīzeļdegvielas. Tehniski ekonomiskajā modelī biodīzeļdegvielas ražotnei ar jaudu 50 000 t/y kopējais procesa enerģijas patēriņš samazinājās par 6,9%, pārejot no mehāniskās maisīšanas uz ultraskaņas kavitāciju.
Sadalījums pa procesa posmiem:
| Procesa iekārta | Enerģija (MJ/h): MS → US | Samazinājums |
|---|---|---|
| Pāresterificēšanas reaktors | 116,6 → 32,4 | Par ~72% mazāk |
| Metanola atgūšanas kolonna | 3480 → 2557 | Par ~26% mazāk |
| Kopējais procesa enerģijas patēriņš | 14 746 → 13 732 | Par 6,9% mazāk |
Galveno ietaupījumu nodrošina krasi saīsinātais pāresterificēšanas laiks, kas ļauj izmantot mazāka tilpuma reaktorus un samazināt sildīšanai nepieciešamo enerģijas daudzumu. Hielscher reaktoru, piemēram, UIP16000hdT, kompaktā caurplūdes konstrukcija ļauj saražot līdz 384 t biodīzeļdegvielas dienā, nodrošinot iespēju palielināt ražošanas mērogu, apvienojot moduļus, un izvairoties no lielām maisīšanas tvertnēm raksturīgās neefektīvās tilpuma izmantošanas.
UIP1000hdT ultraskaņas reaktors uzlabotai eļļu un tauku pārveidei biodīzeļdegvielā.
Metanola ietaupījums un mazāks enerģijas patēriņš tā atgūšanai
Būtisku ieguldījumu apstrādes ar ultraskaņu enerģētiskajās priekšrocībās sniedz optimizēta metanola izmantošana.
Tradicionālai mehāniskai maisīšanai nepieciešama metanola un eļļas molārā attiecība 6:1, lai virzītu reakciju uz priekšu, radot lielu metanola pārpalikumu, kas vēlāk jāatgūst energoietilpīgā iztvaicēšanas vai destilācijas procesā.
Savukārt Hielscher ultraskaņas kavitācijas tehnoloģija nodrošina gandrīz pilnīgu konversiju, izmantojot metanola un eļļas attiecību tikai 4–4,5:1. Šis spirta izejvielas patēriņa samazinājums par 25% ne tikai samazina izejvielu izmaksas, bet arī novērš nepieciešamību iztvaicēt un kondensēt tūkstošiem litru metanola, ievērojami samazinot tvaika patēriņu metanola atgūšanas kolonnā.
Turklāt mazāks nepieciešamais metanola un katalizatora daudzums samazina blakusproduktu veidošanos līdz minimumam un vienkāršo turpmāko attīrīšanu, veicinot tīrāku fāžu atdalīšanos un samazinot sārmainu notekūdeņu veidošanos.
“Metanola atgūšanas posms biodīzeļdegvielas ražošanā ir ļoti energoietilpīgs, jo katra metanola kilograma iztvaicēšanai nepieciešami aptuveni 1100 kJ latentā siltuma – tādējādi metanola pārpalikuma izmantošana ir viens no galvenajiem siltumenerģijas patēriņu noteicošajiem faktoriem destilācijā.”
Ar ultraskaņas metodi pirmajās 1,5 minūtēs tiek sasniegta aptuveni 75% konversija, un pēc 6 minūtēm tā stabilizējas aptuveni 90% līmenī.
Tradicionālajai metodei ir daudz lēnāks konversijas ātrums, pēc 8 minūtēm sasniedzot tikai aptuveni 40% konversiju.
Ekonomiskā ietekme un ietekme uz vidi
Gholami et al. (2021) tehniski ekonomiskais modelis parādīja:
- Kopējās ieguldījumu izmaksas samazinājās par aptuveni 21%,
- Produkta izmaksas uz tonnu samazinājās par aptuveni 5%,
- Radīto atkritumu daudzums samazinājās līdz vienai piektdaļai no daudzuma, kas rodas mehāniskās maisīšanas procesā,
- Iekšējā ienesīguma norma (IRR) pieauga līdz 18,3%, nodrošinot pozitīvu neto pašreizējo vērtību (NPV), savukārt tradicionālais process joprojām bija ekonomiski neizdevīgs.
No vides aizsardzības viedokļa metanola pārpalikuma samazināšana tieši mazina gaistošo organisko savienojumu emisijas un siltumenerģijas patēriņu, saskaņojot biodīzeļdegvielas ražošanu ar ultraskaņu ar videi draudzīgas ražošanas mērķiem.
Ultraskaņas biodīzeļdegvielas reaktora priekšrocību pārskats
(salīdzinošā pētījuma rezultāti, sk. Gholami et al., 2021)
| Parametrs | Mehāniskā maisīšana | Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces |
|---|---|---|
| Reakcijas laiks | 80 min | 5–15 s |
| Metanola un eļļas attiecība | 6:1 | 4,5:1 |
| Kopējais procesa enerģijas patēriņš | 14 746 → 13 732 | Kopējais samazinājums par 6,9% |
| Katalizatora deva | 1,0 wt% | 0,75 wt% |
| Reaktora enerģijas patēriņš | 116,6 MJ/h | 32,4 MJ/h |
| Kopējais enerģijas patēriņš | 14 746 MJ/h | 13 732 MJ/h |
| Atkritumu veidošanās | 100% bāzes līmenis | 20% no bāzes līmeņa |
| Konversijas efektivitāte | 95% | 99% |
Ultraskaņas reaktors biodīzeļdegvielas ražošanai
Augstas efektivitātes ultraskaņas biodīzeļdegvielas reaktori
Hielscher Ultrasonics izstrādātie ultraskaņas biodīzeļdegvielas reaktori nodrošina ne tikai ātru un vienmērīgu pāresterificēšanu, bet arī ievērojamu enerģijas un materiālu ietaupījumu. Izmantotā metanola pārpalikuma samazināšana – un attiecīgi atteikšanās no atgūšanas posmiem augstā temperatūrā – sniedz būtisku priekšrocību ilgtspējas ziņā.
Apvienojumā ar modulāras mērogošanas iespējām, nelielām apkopes prasībām un saderību ar heterogēniem katalizatoriem Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces nosaka etalonu energoefektīvai un tīrai biodīzeļdegvielas ražošanas tehnoloģijai.
Lasiet vairāk par Hielscher Ultrasonics biodīzeļdegvielas tehnoloģijas priekšrocībām!
Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par Hielscher ultraskaņas biodīzeļdegvielas reaktoru aptuveno apstrādes jaudu:
|
Plūsmas ātrums
|
Jauda
|
|---|---|
|
20 – 100L/hr
|
|
|
80 – 400L/hr
|
|
|
0,3 – 1,5m³/hr
|
|
|
2 – 10m³/hr
|
|
|
20 – 100m³/hr
|
Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Vācijā radīta kvalitāte
Hielscher ultraskaņas ierīces ir labi pazīstamas ar visaugstākajiem kvalitātes un konstrukcijas standartiem. Izturība un vienkāršā lietošana ļauj mūsu ultraskaņas ierīces bez grūtībām integrēt rūpnieciskajās ražotnēs. Hielscher ultraskaņas ierīces viegli tiek galā ar skarbiem apstākļiem un prasīgu darba vidi.
Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums, kas īpašu uzmanību pievērš augstas veiktspējas ultraskaņas ierīcēm ar vismodernākajām tehnoloģijām un ērtu lietošanu. Protams, Hielscher ultraskaņas ierīces atbilst CE prasībām un izpilda UL, CSA un RoHs prasības.
Maisīšana ar ultraskaņu efektivitātes ziņā pārspēj mehāniskos lāpstiņu maisītājus.
- augsta efektivitāte
- vismodernākās tehnoloģijas
- uzticamība un izturība
- precīza procesa vadība
- apstrāde partijās un plūsmā
- jebkuram tilpumam
- vieda programmatūra
- vienkārša un droša lietošana
- nelielas apkopes vajadzības
- CIP (tīrīšana uz vietas)
Literatūra / Atsauces
- 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.
Bieži uzdotie jautājumi
Kas ir ilgtspējīgas degvielas?
Ilgtspējīgas degvielas ir enerģijas nesēji, ko iegūst no atjaunojamiem resursiem, piemēram, biomasas, atkritumiem vai uztverta oglekļa, ražo ar minimālām siltumnīcefekta gāzu neto emisijām un kas ir saderīgi ar esošo enerģētikas infrastruktūru.
Vai biodīzeļdegviela ir energoefektīva degviela?
Biodīzeļdegviela ir energoefektīva degviela, jo tās ražošana un izmantošana nodrošina labvēlīgu enerģijas bilanci: dzīves ciklā iegūtā enerģija parasti ir 3–5 reizes lielāka nekā tās sintēzei nepieciešamais fosilās enerģijas ieguldījums, īpaši tad, ja izmanto procesa intensifikācijas metodes, piemēram, apstrādi ar ultraskaņu.
Kā pieaugošais datu centru skaits ietekmē enerģijas cenas?
Pieaugošais datu centru skaits palielina globālo pieprasījumu pēc elektroenerģijas un pastiprina elektrotīklu noslodzi, tādējādi ietekmējot enerģijas vairumtirdzniecības cenas un paātrinot vajadzību pēc elektroenerģijas ražošanas ar zemām oglekļa emisijām un elektrotīklu elastības. Tādēļ enerģiju taupoša maisīšanas tehnoloģija, piemēram, apstrāde ar ultraskaņu, tiks izmantota arvien vairāk, lai samazinātu enerģijas patēriņu un apstrādes izmaksas.
Kāda ir biodīzeļdegvielas priekšrocība?
Biodīzeļdegvielas galvenā priekšrocība ir tās atjaunojamība un oglekļneitralitāte, jo to iegūst no bioloģiskas izcelsmes lipīdiem un tās izmantošana rada ievērojami mazāk cieto daļiņu, sēra oksīdu un nesadegušu ogļūdeņražu emisiju nekā no naftas iegūtas dīzeļdegvielas izmantošana, vienlaikus saglabājot saderību ar esošajiem dīzeļdzinējiem.
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus maisīšanai, disperģēšanai, emulģēšanai un ekstrakcijai laboratorijas, pilotražošanas un rūpnieciskā mērogā.