Energoefektivitāte un metanola ietaupījumi biodīzeļdegvielas ražošanā
Sonikācija ir enerģiju taupoša sajaukšanas tehnoloģija, kas izmanto ultraskaņas kavitāciju, lai radītu intensīvu mikromaisīšanu un strauju masas pārnesi starp nesajaucamām eļļas un metanola fāzēm. Biodīzeļdegvielas pārstrādē šis efekts krasi saīsina reakcijas laiku. – no stundām uz sekundēm – un ļauj veikt efektīvu pāresterifikāciju zemākā temperatūrā un ar samazinātu metanola un katalizatora izmantošanu. Papildus tam, ka sonikācija pati par sevi ir energoefektīva pārstrādes tehnoloģija, tā samazina metanola un katalizatora patēriņu, samazina enerģijas zudumus un metanola atgūšanas nepieciešamību destilācijas ceļā, padarot sonikāciju par ļoti efektīvu un ilgtspējīgu alternatīvu tradicionālajai mehāniskajai maisīšanai.
Sonikācija kā procesa intensifikācija biodīzeļdegvielas ražošanā
Biodīzeļdegvielas ražošanā tradicionāli izmanto mehāniskos asmeņu maisītājus eļļas un spirta sajaukšanai pāresterifikācijas procesā. Tomēr šai metodei ir vājš saskarsmes kontakts starp nesajaucamām fāzēm, kā rezultātā reakcija ilgst ilgi, rodas liels metanola pārpalikums un ievērojami enerģijas zudumi gan sajaukšanā, gan turpmākajā metanola atgūšanā ar destilāciju.
Ultraskaņas kavitācijas tehnoloģijas ieviešana, ko izstrādājusi Hielscher Ultrasonics GmbH, ir būtiski uzlabojusi procesa efektivitāti. Ultraskaņas reaktoros tiek izmantota intensīva akustiskā enerģija, kas rada mikroskopiskus kavitācijas burbuļus šķidrajā fāzē. To implozija rada lokalizētus karstos punktus, intensīvu mikromaisīšanu un augstu masas pārneses ātrumu, kas ļauj veikt ātru pāresterifikāciju maigos apstākļos.
Hielscher 16000 vatu jaudīgs sonikators, modelis UIP16000hdT ar plūsmas šūnu efektīvai un enerģiju taupošai biodīzeļdegvielas ražošanai.
Ultraskaņas kavitācijas un mehāniskās maisīšanas salīdzinājums
1. Reakcijas efektivitāte un sajaukšanas veiktspēja
Veicot ultraskaņas kavitācijas (UC) un mehāniskās maisīšanas (MS) reaktoru salīdzinošo tehniski ekonomisko novērtējumu (Gholami et al., 2021):
Ultraskaņas reaktors 5-15 sekunžu laikā panāca 99 % konversijas efektivitāti,
savukārt mehāniskās maisīšanas reaktoram bija nepieciešamas ~ 80 minūtes, lai sasniegtu 95 % konversijas efektivitāti.
Šo milzīgo paātrinājumu rada akustiskā mikrostrūklu plūsma un kavitācijas izraisītā emulģēšana, ko rada Hielscher reaktori. Šie mehānismi rada smalkas spirta dispersijas eļļā, ievērojami paplašinot starpfāžu laukumu un samazinot masas pārneses pretestību.
Izcila sajaukšanas veiktspēja ļauj veikt pāresterifikāciju zemākā temperatūrā (45-60 °C) un mērenā spiedienā (~ 3 bāri), salīdzinot ar parastajiem procesiem, kuros bieži vien ir nepieciešams paaugstināts spiediens (~ 4 bāri), lai novērstu metanola iztvaikošanu un saglabātu šķīdību.
Ultraskaņas maisīšana samazina īpatnējo enerģijas patēriņu biodīzeļdegvielas ražošanā, ievērojami pārspējot hidrodinamisko magnētisko maisīšanu un maisītājus ar augstu slīdes pakāpi.
2. Enerģijas patēriņš un reaktora konstrukcija
Hielscher caurplūdes ultraskaņas sistēmas (piemēram, UIP1500hdT, UIP16000hdT) nodrošina augstu jaudas blīvumu ar īpatnējo enerģijas patēriņu tikai ~ 3 kJ/l saražotās biodīzeļdegvielas. Tehniski ekonomiskajā modelī 50 000 t/biodīzeļdegvielas ražotnei, pārejot no mehāniskās maisīšanas uz ultraskaņas kavitāciju, kopējais procesa enerģijas patēriņš samazinājās par 6,9 %.
Šīs sadaļas sadalījums:
| Procesa vienība | Enerģija (MJ/h): MS → ASV | mazināšana |
|---|---|---|
| Transesterifikācijas reaktors | 116.6 → 32.4 | ~72% zemāks |
| Metanola reģenerācijas kolonna | 3480 → 2557 | ~26% zemāks |
| Kopējā procesa enerģija | 14,746 → 13,732 | par 6,9 % zemāka |
Lielāko ietaupījumu nodrošina krasi samazinātais pāresterifikācijas laiks, kas ļauj samazināt reaktora tilpumu un apkures prasības. Hielscher reaktoru, piemēram, UIP16000hdT, kompaktā caurplūdes konstrukcija var saražot līdz 384 t biodīzeļdegvielas dienā, piedāvājot mērogojamību, izmantojot modulāru grupēšanu bez lielo maisīto tvertņu tilpuma neefektivitātes.
UIP1000hdT ultraskaņas reaktors uzlabotu eļļu un tauku biodīzeļdegvielas konversiju.
Metanola ietaupījumi un samazināta reģenerācijas enerģija
Būtisks faktors, kas veicina ultraskaņas apstrādes enerģijas priekšrocības, ir optimizēta metanola izmantošana.Tradicionālajai mehāniskajai maisīšanai reakcijas virzīšanai nepieciešams 6:1 molārais metanola un eļļas attiecība, radot lielu pārpalikumu, kas vēlāk jāatgūst, izmantojot energoietilpīgu iztvaicēšanu vai destilāciju.
Tomēr Hielscher ultraskaņas kavitācijas tehnoloģija nodrošina gandrīz pilnīgu konversiju, izmantojot tikai 4-4,5:1 metanola un eļļas attiecību. Šis spirta izejvielu samazinājums par 25 % ne tikai samazina izejvielu izmaksas, bet arī novērš nepieciešamību iztvaicēt un kondensēt tūkstošiem litru metanola, ievērojami samazinot tvaika patēriņu metanola reģenerācijas kolonnā.
Turklāt zemākas metanola un katalizatora prasības samazina blakusproduktu veidošanos un vienkāršo pakārtoto attīrīšanu, veicinot tīrāku fāžu atdalīšanu un samazinot sārmainu notekūdeņu veidošanos.
“Biodīzeļdegvielas ražošanā metanola reģenerācijas posms ir ļoti energoietilpīgs, jo katram kilogramam metanola iztvaicēšanai nepieciešams aptuveni 1100 kJ latentā siltuma. – tādējādi metanola pārpalikuma izmantošana ir galvenais siltumenerģijas patēriņa dzinējspēks destilācijā.”
Ar ultraskaņas metodi pirmajā 1,5 minūtē tiek sasniegta aptuveni 75 % konversija, bet pēc 6 minūtēm - aptuveni 90 % konversija.
Tradicionālā metode uzrāda daudz lēnāku konversijas koeficientu, sasniedzot tikai aptuveni 40 % konversiju pēc 8 minūtēm.
Ietekme uz ekonomiku un vidi
Gholami et al. (2021) tehniski ekonomiskais modelis parādīja:
- Kopējās ieguldījumu izmaksas samazinātas par aptuveni 21%,
- Izstrādājuma izmaksas uz tonnu samazinātas par aptuveni 5 %,
- Atkritumu veidošanās ir samazināta līdz vienai piektajai daļai no mehāniskās maisīšanas radīto atkritumu daudzuma,
- Iekšējā peļņas norma (IRR) uzlabojās līdz 18,3 % ar pozitīvu NPV, bet tradicionālais process joprojām bija nerentabls.
No vides aizsardzības viedokļa metanola pārpalikuma samazināšana tieši mazina gaistošo organisko savienojumu emisijas un samazina siltumenerģijas patēriņu, tādējādi saskaņojot ultraskaņas biodīzeļdegvielas ražošanu ar videi draudzīgas ražošanas mērķiem.
Pārskats par ultraskaņas biodīzeļdegvielas reaktora priekšrocībām
(salīdzinošā pētījuma rezultāti, sk. Gholami et al., 2021)
| Parametru | Mehāniskā maisīšana | Hielscher Sonicators |
|---|---|---|
| Reakcijas laiks | 80 minūtes | 5-15 s |
| Metanola un eļļas attiecība | 6:1 | 4.5:1 |
| Kopējā procesa enerģija | 14,746 → 13,732 | 6,9 % kopējais samazinājums |
| Katalizatora iekraušana | 1,0 masas % | 0.75 masas % |
| Reaktora enerģija | 116,6 MJ/h | 32,4 MJ/h |
| Kopējā enerģija | 14,746 MJ/h | 13,732 MJ/h |
| Atkritumu radīšana | 100% bāzes līmenis | 20 % no bāzes līnijas |
| Konversijas efektivitāte | 95% | 99% |
Sonoreaktors biodīzeļdegvielas ražošanai
Augstas efektivitātes ultraskaņas biodīzeļdegvielas reaktori
Hielscher Ultrasonics izstrādātie ultraskaņas biodīzeļdegvielas reaktori nodrošina ne tikai ātru un vienmērīgu pāresterifikāciju, bet arī ievērojamu enerģijas un materiālu ietaupījumu. Metanola pārpalikuma samazinājums – un atbilstoša augsttemperatūras reģenerācijas posmu atcelšana. – ir būtiska ilgtspējības priekšrocība.
Apvienojumā ar modulāro mērogojamību, zemām uzturēšanas prasībām un saderību ar heterogēniem katalizatoriem Hielscher sonikatori ir etalons energoefektīvai un tīrai biodīzeļdegvielas ražošanas tehnoloģijai.
Uzziniet vairāk par Hielscher Ultrasonics biodīzeļdegvielas tehnoloģijas priekšrocībām!
Tabulā zemāk ir norādīta aptuvenā Hielscher ultraskaņas biodīzeļdegvielas reaktoru pārstrādes jauda:
|
Plūsmas ātrums
|
Jauda
|
|---|---|
|
20 – 100L / h
|
|
|
80 – 400L/h
|
|
|
0.3 – 1,5m³ / h
|
|
|
2 – 10m³/h
|
|
|
20 – 100m³/h
|
Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Kvalitāte ražots Vācijā
Hielscher ultrasonikatori ir labi pazīstami ar saviem augstākajiem kvalitātes un dizaina standartiem. Robustums un viegla darbība ļauj vienmērīgi integrēt mūsu ultrasonikatorus rūpnieciskajās iekārtās. Hielscher ultrasonikatori viegli apstrādā neapstrādātus apstākļus un prasīgu vidi.
Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums un īpašu uzsvaru liek uz augstas veiktspējas ultrasonikatoriem, kas piedāvā vismodernākās tehnoloģijas un lietotājdraudzīgumu. Protams, Hielscher ultrasonikatori atbilst CE prasībām un atbilst UL, CSA un RoHs prasībām.
Ultraskaņas sajaukšana pēc efektivitātes pārspēj mehāniskos darbrata maisītājus.
- augsta efektivitāte
- vismodernākās tehnoloģijas
- uzticamība & Stabilitāti
- Precīza procesa kontrole
- Partijas & Iekļautās
- jebkuram sējumam
- inteliģenta programmatūra
- viegli un droši lietojams
- zema apkope
- CIP (tīrā vietā)
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.
Biežāk uzdotie jautājumi
Kas ir ilgtspējīga degviela?
Ilgtspējīgs kurināmais ir enerģijas nesējs, kas iegūts no atjaunojamiem resursiem, piemēram, biomasas, atkritumiem vai uztverta oglekļa dioksīda, kas ražots ar minimālām siltumnīcefekta gāzu neto emisijām un ir saderīgs ar esošo enerģētikas infrastruktūru.
Vai biodīzeļdegviela ir energoefektīva degviela?
Biodīzeļdegviela ir energoefektīva degviela, jo tās ražošana un izmantošana nodrošina labvēlīgu enerģijas bilanci, un tās aprites cikla enerģijas atdeve parasti ir 3-5 reizes lielāka nekā tās sintēzei nepieciešamais fosilās enerģijas patēriņš, jo īpaši, ja tiek izmantotas procesa intensifikācijas metodes, piemēram, ultraskaņas metode.
Kā pieaugošais datu centru skaits ietekmē enerģijas cenas?
Pieaugošais datu centru skaits palielina globālo pieprasījumu pēc elektroenerģijas un pastiprina spiedienu uz elektrotīkliem, tādējādi ietekmējot enerģijas vairumtirdzniecības cenas un paātrinot vajadzību pēc zema oglekļa satura ražošanas un tīkla elastīguma. Tādējādi, lai samazinātu enerģijas patēriņu un apstrādes izmaksas, aizvien vairāk tiks izmantota tāda enerģiju taupoša sajaukšanas tehnoloģija kā ultraskaņas tehnoloģija.
Kādas ir biodīzeļdegvielas priekšrocības?
Galvenā biodīzeļdegvielas priekšrocība ir tās atjaunojamība un oglekļa neitralitāte, jo tā tiek iegūta no bioloģiskiem lipīdiem un emitē ievērojami mazāk cieto daļiņu, sēra oksīdu un nesadegušo ogļūdeņražu nekā naftas dīzeļdegviela, vienlaikus saglabājot saderību ar esošajiem dīzeļdzinējiem.
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus sajaukšanas lietojumiem, dispersijai, emulgācijai un ekstrakcijai laboratorijā, izmēģinājuma un rūpnieciskā mērogā.