Biodīzeļdegvielas ražošana ar augstāku procesa un izmaksu efektivitāti

Maisīšana ar ultraskaņu ir pārāka tehnoloģija ļoti efektīvai un ekonomiski izdevīgai biodīzeļdegvielas ražošanai. Ultraskaņas kavitācija krasi uzlabo masas pārnesi, tādējādi samazinot ražošanas izmaksas un apstrādes ilgumu. Vienlaikus var izmantot zemas kvalitātes eļļas un taukus (piemēram, atkritumeļļas), un tiek uzlabota biodīzeļdegvielas kvalitāte. Hielscher Ultrasonics piegādā augstas veiktspējas, izturīgus ultraskaņas maisīšanas reaktorus jebkuram ražošanas mērogam. Lasiet vairāk par to, kā apstrāde ar ultraskaņu uzlabos jūsu biodīzeļdegvielas ražošanu!

Ultraskaņas izmantošanas priekšrocības biodīzeļdegvielas ražošanā

Biodīzeļdegviela (taukskābju metilesteris, saīsināti FAME) ir lipīdu izejvielas (triglicerīdu, piemēram, augu eļļas, izlietotu cepamo eļļu, dzīvnieku tauku, aļģu eļļas) un spirta (metanola, etanola) pāresterificēšanas reakcijas produkts, ko iegūst, izmantojot katalizatoru (piemēram, kālija hidroksīdu KOH).
Problēma: Tradicionālajā biodīzeļdegvielas iegūšanas procesā, izmantojot parasto maisīšanu, abu pāresterificēšanas reakcijas reaģentu – eļļas un spirta – savstarpējā nesajaucamība izraisa zemu masas pārneses ātrumu, tādēļ biodīzeļdegvielas ražošana ir neefektīva. Šo neefektivitāti raksturo ilgs reakcijas laiks, lielāka metanola un eļļas molārā attiecība, liels nepieciešamais katalizatora daudzums, augsta procesa temperatūra un liels maisīšanas ātrums. Šie faktori būtiski palielina izmaksas, padarot tradicionālo biodīzeļdegvielas ražošanu par dārgu procesu.
Risinājums: Maisīšana ar ultraskaņu emulģē reaģentus ļoti efektīvi, ātri un ar zemām izmaksām, ļaujot uzlabot eļļas un metanola attiecību, samazināt nepieciešamo katalizatora daudzumu, saīsināt reakcijas laiku un pazemināt reakcijas temperatūru. Tādējādi tiek ietaupīti resursi (proti, ķīmiskās vielas un enerģija), kā arī laiks, samazinātas apstrādes izmaksas un vienlaikus ievērojami uzlabota biodīzeļdegvielas kvalitāte un ražošanas rentabilitāte. Šie fakti padara maisīšanu ar ultraskaņu par vēlamo tehnoloģiju efektīvai biodīzeļdegvielas ražošanai.
Pētījumi un rūpnieciskie biodīzeļdegvielas ražotāji apstiprina, ka maisīšana ar ultraskaņu ir ļoti ekonomiski izdevīgs veids, kā ražot biodīzeļdegvielu, pat izmantojot zemas kvalitātes eļļas un taukus kā izejvielas. Procesa intensifikācija ar ultraskaņu ievērojami uzlabo konversijas rādītāju, samazinot metanola un katalizatora pārpalikuma izmantošanu un ļaujot ražot biodīzeļdegvielu, kas atbilst ASTM D6751 un EN 14212 specifikācijās noteiktajām kvalitātes prasībām. (Sk. Abdullah et al., 2015)

Triglicerīdu pāresterificēšana biodīzeļdegvielā (FAME), izmantojot apstrādi ar ultraskaņu, paātrina reakciju un nodrošina ievērojami augstāku efektivitāti.

Daudzās priekšrocības, ko biodīzeļdegvielas ražošanā sniedz maisīšana ar ultraskaņu

Ultraskaņas maisīšanas reaktorus var viegli integrēt jebkurā jaunā iekārtu sistēmā, kā arī uzstādīt esošās biodīzeļdegvielas ražotnēs, tās modernizējot. Hielscher ultraskaņas maisītāja integrēšana pārvērš jebkuru biodīzeļdegvielas ražotni par augstas veiktspējas ražotni. Vienkārša uzstādīšana, izturība un ērta lietošana (darbināšanai nav nepieciešama īpaša apmācība) ļauj modernizēt jebkuru ražotni, padarot to par ļoti efektīvu biodīzeļdegvielas ražotni. Tālāk iepazīstinām ar zinātniski pierādītiem rezultātiem par priekšrocībām, kuras dokumentējušas neatkarīgas trešās puses. Skaitļi pierāda, ka maisīšana ar ultraskaņu biodīzeļdegvielas ražošanā ir pārāka par jebkuru tradicionālo maisīšanas metodi.

Plūsmas diagrammā parādīti biodīzeļdegvielas ražošanas posmi, tostarp maisīšana ar ultraskaņu procesa efektivitātes uzlabošanai.

Efektivitātes un izmaksu salīdzinājums: ultraskaņa un mehāniskā maisīšana

Gholami et al. (2021) savā salīdzinošajā pētījumā izklāsta ultraskaņas pāresterificēšanas priekšrocības salīdzinājumā ar mehānisko maisīšanu (proti, lāpstiņu maisītāju, spārnratmaisītāju, augstas bīdes intensitātes maisītāju).

Zemas ieguldījumu izmaksas:
Ultraskaņas procesors un reaktors UIP16000 var saražot 192–384 t biodīzeļdegvielas/d, aizņemot tikai 1,2m x 0,6m lielu platību. Salīdzinājumam – mehāniskai maisīšanai (MS) nepieciešams daudz lielāks reaktors, jo mehāniskās maisīšanas procesā reakcijas laiks ir ilgs, tādēļ reaktora izmaksas ievērojami palielinās. (Sk. Gholami et al., 2020)
Zemas apstrādes izmaksas:
Apstrādes izmaksas biodīzeļdegvielas ražošanā ar ultraskaņu ir par 7,7% zemākas nekā maisīšanas procesā, galvenokārt tādēļ, ka apstrādei ar ultraskaņu nepieciešami mazāki kopējie ieguldījumi. Ķimikāliju (katalizatora, metanola/spirta) izmaksas ir trešais lielākais izmaksu faktors abos procesos – gan apstrādē ar ultraskaņu, gan mehāniskajā maisīšanā. Tomēr, veicot konversiju biodīzeļdegvielā ar ultraskaņu, ķimikāliju izmaksas ir ievērojami zemākas nekā mehāniskajā maisīšanā. Ķimikāliju izmaksu daļa veido aptuveni 5% no biodīzeļdegvielas galīgajām izmaksām. Mazāka metanola, nātrija hidroksīda un fosforskābes patēriņa dēļ ķimikāliju izmaksas biodīzeļdegvielas ražošanas procesā ar ultraskaņu ir par 2,2% zemākas nekā mehāniskās maisīšanas procesā.

Samazinātas enerģijas izmaksas:
Ultraskaņas maisīšanas reaktora enerģijas patēriņš ir aptuveni trīsreiz mazāks nekā mehāniskā maisītāja enerģijas patēriņš. Šo ievērojamo enerģijas patēriņa samazinājumu nodrošina intensīva mikromaisīšana un īsāks reakcijas laiks, ko izraisa neskaitāmu dobumu veidošanās un sabrukšana, kas raksturo akustiskās / ultraskaņas kavitācijas parādību (Gholami et al., 2018). Turklāt, salīdzinot ar parasto maisītāju, ultraskaņas maisīšanas procesā enerģijas patēriņš metanola atgūšanas un biodīzeļdegvielas attīrīšanas posmos samazinās attiecīgi par 26,5% un 1,3%. Šis samazinājums ir saistīts ar mazāku metanola daudzumu, kas ultraskaņas pāresterificēšanas procesā nonāk šajās divās destilācijas kolonnās.

Ievērojami samazinātas atkritumu utilizācijas izmaksas:
Ultraskaņas kavitācijas tehnoloģija arī ievērojami samazina atkritumu utilizācijas izmaksas. Apstrādē ar ultraskaņu šīs izmaksas ir aptuveni viena piektdaļa no izmaksām maisīšanas procesā, jo augstāka konversijas pakāpe reaktorā un mazāks patērētā spirta daudzums ievērojami samazina radušos atkritumu daudzumu.
Lasiet vairāk par izlietoto kafijas biezumu eļļu konversiju biodīzeļdegvielā ar ultraskaņu!

Lielāks draudzīgums videi:
Ļoti augstās kopējās efektivitātes, samazinātā ķimikāliju patēriņa, mazākas enerģijas nepieciešamības un samazinātā atkritumu daudzuma dēļ biodīzeļdegvielas ražošana ar ultraskaņu ir ievērojami draudzīgāka videi nekā parastie biodīzeļdegvielas ražošanas procesi.

Secinājums – ultraskaņa uzlabo biodīzeļdegvielas ražošanas efektivitāti

Zinātniskais novērtējums parāda nepārprotamas ultraskaņas maisīšanas priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālo mehānisko maisīšanu biodīzeļdegvielas ražošanā. Biodīzeļdegvielas apstrādes ar ultraskaņu priekšrocības ietver kopējos kapitālieguldījumus, kopējās produkta izmaksas, neto pašreizējo vērtību un iekšējo ienesīguma normu. Tika konstatēts, ka kopējie ieguldījumi ultraskaņas kavitācijas procesā ir aptuveni par 20,8% mazāki nekā otrā procesā. Izmantojot ultraskaņas reaktorus, produkta izmaksas samazinājās par 5,2% – izmantojot nelietotu kanolas eļļu. Tā kā apstrāde ar ultraskaņu ļauj pārstrādāt arī lietotas eļļas (piemēram, lietotas cepamās eļļas), ražošanas izmaksas var samazināt vēl ievērojami vairāk. Gholami et al. (2021) secina, ka pozitīvās neto pašreizējās vērtības dēļ ultraskaņas kavitācijas process ir labāka maisīšanas tehnoloģijas izvēle biodīzeļdegvielas ražošanai.
No tehniskā viedokļa svarīgākā ultraskaņas kavitācijas ietekme ietver ievērojamu procesa efektivitāti un reakcijas laika samazinājumu. Daudzo vakuuma burbuļu veidošanās un sabrukšana – pazīstama kā akustiskā / ultraskaņas kavitācija – samazina reakcijas laiku no vairākām stundām tvertnes reaktorā ar maisītāju līdz dažām sekundēm ultraskaņas kavitācijas reaktorā. Šis īsais uzturēšanās laiks ļauj ražot biodīzeļdegvielu caurplūdes reaktorā, kas aizņem nelielu platību. Ultraskaņas kavitācijas reaktors arī labvēlīgi ietekmē enerģijas un materiālu patēriņu, samazinot enerģijas patēriņu līdz gandrīz vienai trešdaļai no tvertnes reaktora ar maisītāju patēriņa un metanola un katalizatora patēriņu par 25%.
No ekonomiskā viedokļa kopējie ieguldījumi ultraskaņas kavitācijas procesā ir mazāki nekā mehāniskās maisīšanas procesā, galvenokārt tāpēc, ka reaktora izmaksas samazinās gandrīz par 50%, bet metanola destilācijas kolonnas izmaksas – par 11,6%. Ultraskaņas kavitācijas process samazina arī biodīzeļdegvielas ražošanas izmaksas, pateicoties kanolas eļļas patēriņa samazinājumam par 4%, mazākiem kopējiem ieguldījumiem, par 2,2% mazākam ķimikāliju patēriņam un par 23,8% mazākai vajadzībai pēc energoresursiem un citiem palīgresursiem. Atšķirībā no procesa ar mehānisko maisīšanu apstrāde ar ultraskaņu ir pieņemams ieguldījums, pateicoties tās pozitīvajai neto pašreizējai vērtībai, īsākam atmaksāšanās laikam un augstākai iekšējai ienesīguma normai. Papildus tehniskajām un ekonomiskajām priekšrocībām, kas saistītas ar ultraskaņas kavitācijas procesu, tas ir videi draudzīgāks nekā mehāniskās maisīšanas process. Ultraskaņas kavitācija samazina atkritumu plūsmas par 80%, pateicoties augstākai konversijas pakāpei reaktorā un mazākam spirta patēriņam šajā procesā. (sal. Gholami et al., 2021)

Pārvērtiet zemas kvalitātes izejvielas izcili tīrā biodīzeļdegvielā!

Apstrāde ar ultraskaņu ļauj efektīvāk pārstrādāt zemas kvalitātes izejvielas, piemēram, augu eļļu atkritumus, lietotus cepšanas taukus, kausētus dzīvnieku taukus vai zivju eļļas, jo ultraskaņas kavitācija nodrošina daudz labāku saskari starp savstarpēji nesajaucamajām eļļas un spirta fāzēm, ievērojami uzlabojot maisīšanu, kā arī siltuma un masas pārnesi. Tā arī paātrina reakcijas kinētiku, tāpēc pat grūti pārstrādājamas izejvielas ar mainīgām īpašībām var pārveidot ātrāk un pilnīgāk.
Akustiskā kavitācija intensificē reakcijas vidi un var veicināt ļoti reaģētspējīgu radikāļu veidošanos, kas vēl vairāk sekmē ātru pāresterificēšanu un palīdz pārvarēt parastās zemas kvalitātes izejvielu pārstrādes grūtības.
Uzziniet, kā apstrāde ar ultraskaņu pārvērš eļļu un tauku atkritumus biodīzeļdegvielā!

Izmantojiet pašu izvēlētu katalizatoru

Ir pierādīts, ka biodīzeļdegvielas pāresterificēšanas process ar ultraskaņu ir efektīvs, izmantojot gan sārmainus, gan bāziskus katalizatorus. Piemēram, Shinde un Kaliaguine (2019) salīdzināja ultraskaņas maisīšanas un mehāniskās maisīšanas ar lāpstiņām efektivitāti, izmantojot dažādus katalizatorus, proti, nātrija hidroksīdu (NaOH), kālija hidroksīdu (KOH), (CH₃ONa), tetrametilamonija hidroksīdu un četrus guanidīnus (propil-2,3-dicikloheksilguanidīnu (PCHG), 1,3-dicikloheksil-2-n-oktilguanidīnu (DCOG), 1,1,3,3-tetrametilguanidīnu (TMG), 1,3-difenilguanidīnu (DPG)). Ultraskaņas maisīšana (35º temperatūrā) ir pierādījusi savu pārākumu biodīzeļdegvielas ražošanā, nodrošinot lielāku iznākumu un augstāku konversijas pakāpi nekā mehāniskā maisīšana (65º temperatūrā). Efektīvā masas pārnese ultraskaņas laukā palielināja pāresterificēšanas reakcijas ātrumu salīdzinājumā ar mehānisko maisīšanu. Apstrāde ar ultraskaņu pārspēja mehānisko maisīšanu ar visiem pārbaudītajiem katalizatoriem. Pāresterificēšanas reakcijas veikšana ar ultraskaņas kavitāciju ir energoefektīva un rūpnieciski īstenojama alternatīva biodīzeļdegvielas ražošanai. Papildus plaši izmantotajiem katalizatoriem KOH un NaOH abi guanidīnu katalizatori – propil-2,3-dicikloheksilguanidīns (PCHG) un 1,3-dicikloheksil-2-n-oktilguanidīns (DCOG) – ir pierādījuši sevi kā interesantas alternatīvas biodīzeļdegvielas ieguvei pāresterificēšanas procesā.
Mootabadi et al. (2010) pētīja biodīzeļdegvielas sintēzi no palmu eļļas ar ultraskaņas palīdzību, izmantojot dažādus sārmu metālu oksīdu katalizatorus, piemēram, CaO, BaO un SrO. Katalizatora aktivitāte biodīzeļdegvielas sintēzē ar ultraskaņas palīdzību tika salīdzināta ar tradicionālo magnētiskās maisīšanas procesu, un tika konstatēts, ka ultraskaņas process, izmantojot BaO, nodrošināja 95,2% iznākumu 60 min reakcijas laikā, kam parastajā maisīšanas procesā nepieciešamas 3–4 h. Pāresterificēšanai ar ultraskaņas palīdzību optimālos apstākļos bija nepieciešamas 60 min, lai sasniegtu 95% iznākumu, salīdzinājumā ar 2–4 h parastās maisīšanas gadījumā. Turklāt ar ultraskaņu 60 min laikā sasniegtais iznākums palielinājās no 5,5% līdz 77,3%, izmantojot CaO kā katalizatoru, no 48,2% līdz 95,2%, izmantojot SrO kā katalizatoru, un no 67,3% līdz 95,2, izmantojot BaO kā katalizatoru.

Biodīzeļdegvielas ražošana, izmantojot dažādus guanidīnus (3% mol) kā katalizatorus. (A) Periodiskas darbības reaktors ar mehānisko maisīšanu: (metanols:rapšu eļļa) 4:1, temperatūra 65ºC; (B) Periodiskas darbības ultraskaņas reaktors: ultraskaņas apstrādes iekārta UP200St, (metanols:rapšu eļļa) 4:1, ultraskaņas amplitūda 60%, temperatūra 35ºC. Maisīšana ar ultraskaņu ievērojami pārspēj mehānisko maisīšanu.
(Pētījums un grafiki: Shinde un Kaliaguine, 2019)

Augstas veiktspējas ultraskaņas reaktori izcilai biodīzeļdegvielas apstrādei

Hielscher Ultrasonics piedāvā augstas veiktspējas ultraskaņas apstrādes iekārtas un reaktorus biodīzeļdegvielas ražošanas uzlabošanai, nodrošinot lielāku iznākumu, labāku kvalitāti, īsāku apstrādes laiku un zemākas ražošanas izmaksas.

Biodīzeļdegvielas reaktori mazam un vidējam ražošanas apjomam

Biodīzeļdegvielas ražošanai mazā un vidējā apjomā līdz 9 tonnām stundā (2900 gal/hr) Hielscher piedāvā šādus UIP500hdT (500 vati), UIP1000hdT (1000 vati), UIP1500hdT (1500 vati) un UIP2000hdT (2000 vati) ultraskaņas augstas bīdes maisītāju modeļus. Šie četri ultraskaņas reaktori ir ļoti kompakti, un tos ir viegli integrēt vai uzstādīt esošajās ražotnēs. Tie ir paredzēti intensīvai darbībai skarbos vides apstākļos. Tālāk ir norādītas ieteicamās reaktoru konfigurācijas dažādiem ražošanas apjomiem.

Rūpnieciskie biodīzeļdegvielas reaktori ar ļoti lielu ražību

Rūpnieciskām biodīzeļdegvielas ražotnēm Hielscher piedāvā šādus UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) un UIP16000hdT (16kW) ultraskaņas homogenizatorus! Šie ultraskaņas procesori ir paredzēti nepārtrauktai apstrādei ar lielu plūsmas ātrumu. UIP4000hdT, UIP6000hdT un UIP10000 var integrēt standarta jūras kravu konteineros. Alternatīvi visi četri procesoru modeļi ir pieejami nerūsējošā tērauda skapjos. Vertikāls uzstādījums aizņem minimālu vietu. Tālāk ir norādītas ieteicamās konfigurācijas tipiskai rūpnieciskās apstrādes ražībai.