Biodieselproductie & biodieselomzetting
Overwin de beperkingen van biodieselproductie met ultrasone reactoren! Trage reactiekinetiek en slechte massaoverdracht kunnen de capaciteit, opbrengst en kwaliteit van uw biodieselfabriek aanzienlijk verminderen. Ultrasone reactoren van Hielscher pakken deze uitdagingen aan door de transesterificatiekinetiek sterk te verbeteren. Daardoor vereist de biodieselverwerking minder overtollige methanol en kleinere hoeveelheden katalysator.
Ultrasone cavitatie: een superieure mengoplossing
Bij traditionele biodieselproductie worden doorgaans batchreactoren gebruikt, waarbij warmte en mechanisch mengen als energietoevoer dienen. Ultrasone cavitatie biedt een effectief alternatief dat een betere menging bij commerciële biodieselverwerking oplevert. Deze ultrasone cavitatie levert de benodigde activeringsenergie voor industriële transesterificatie van biodiesel.
Belangrijkste voordelen van ultrasone transesterificatie van biodiesel:
- Hogere omzettingsgraden
- Kortere reactietijden
- Verbeterde productkwaliteit
- Mogelijkheid om afgewerkte oliën om te zetten in FAME (vetzuurmethylesters)
Ultrasoon mengen verbetert de omzettingsgraad van biodiesel, verhoogt de opbrengst en bespaart overtollige methanol en katalysator.
Ultrasoon verbeterde transesterificatie van biodiesel
Biodieselproductie omvat doorgaans een chemische reactie die transesterificatie wordt genoemd, waarbij een triglyceride (zoals plantaardige olie, dierlijk vet of gebruikte frituurolie) in aanwezigheid van een katalysator met een alcohol (zoals methanol) reageert om biodiesel (vetzuurmethylesters) en glycerol te produceren. Ultrasone reactoren kunnen worden gebruikt om het transesterificatieproces op verschillende manieren te verbeteren, wat diverse voordelen oplevert:
- Verbeterde menging: Ultrasone golven kunnen cavitatiebellen creëren die met kracht imploderen, waardoor het reactiemengsel intensief wordt gemengd en in beweging wordt gebracht. Dit zorgt voor beter contact tussen de reactanten en de katalysator, wat resulteert in een snellere en volledigere transesterificatie.
- Versnelde reactiekinetiek: De energierijke omstandigheden die door ultrasone golven worden opgewekt, kunnen de reactie activeren, de reactiesnelheid verhogen en de reactietijd verkorten die nodig is om een bepaalde omzettingsgraad te bereiken. Dit kan resulteren in hogere opbrengsten en lagere kosten.
- Verminderd katalysatorgebruik: Ultrasone reactoren kunnen de efficiëntie van het katalysatorgebruik verbeteren door meer actieve plaatsen voor de reactie beschikbaar te maken. Dit betekent dat er minder katalysator nodig is om dezelfde omzettingsgraad te bereiken, waardoor de kosten en de milieubelasting afnemen.
- Verbeterde productkwaliteit: Ultrasone reactoren kunnen biodiesel produceren met een lager gehalte aan vrije vetzuren, een hogere zuiverheid en betere stromingseigenschappen bij lage temperaturen. Dit is te danken aan de verbeterde menging en snellere reactiekinetiek, die de vorming van ongewenste bijproducten en onzuiverheden minimaliseren.
Deze voordelen van ultrasone biodieselverwerking maken het gebruik van een ultrasone reactoropstelling zeer rendabel, omdat ultrasone reactoren de efficiëntie, snelheid en kwaliteit van de transesterificatie van biodiesel aanzienlijk verbeteren. Samengevat betekent dit dat sonicatie de transesterificatie tot een economisch en ecologisch duurzamer proces maakt.
Problemen bij conventioneel mengen voor biodiesel: De conventionele veresteringsreactie bij batchverwerking verloopt doorgaans traag, en de fasescheiding van de glycerine is tijdrovend en duurt vaak 5 uur of langer.
Ultrasone reactoren helpen u uw biodieselproces te versnellen en tegelijkertijd de opbrengst en kwaliteit van uw biodiesel te verhogen tegen lagere verwerkingskosten!
Industriële sonicator UIP2000hdT met doorstroomcel FC2T500k voor inline verestering en transesterificatie van biodiesel.
De voordelen van ultrasone transesterificatie van biodiesel
- Hogere biodieselopbrengsten door verbeterde menging
- Verhoogde biodieselkwaliteit
- Gebruik zelfs olie van de allerlaagste kwaliteit als grondstof
- Continue inline verwerking
- Minder methanol
- Minder katalysator
- Tijdbesparing door snelle omzetting
- Energiebesparing
- Eenvoudige en veilige bediening
- Robuustheid en weinig onderhoud
- Hoge prestaties: 24/7 bedrijf onder volledige belasting
De ultrasone reactor UIP16000hdT produceert ca. 32MMGY
“We zijn zeer tevreden over de apparatuur en service van Hielscher en we zijn vast van plan om de ultrasone technologie van Hielscher in al onze toekomstige projecten op te nemen.”
Todd Stephens, Tulsa Biofuels
Ultrasone technologie voor biodieselproductie
Biodiesel wordt vaak in batchreactoren geproduceerd. Ultrasone biodieselomzetting maakt continue inline verwerking mogelijk. Sonicatie kan een biodieselopbrengst van meer dan 99% opleveren. Ultrasone reactoren verkorten de verwerkingstijd van de gebruikelijke batchverwerking van 1 tot 4 uur tot minder dan 30 seconden. Nog belangrijker is dat sonicatie de scheidingstijd verkort van 5 tot 10 uur (bij conventioneel roeren) tot minder dan 60 minuten. Sonicatie helpt ook de benodigde hoeveelheid katalysator met maximaal 50% te verminderen dankzij de verhoogde chemische activiteit in aanwezigheid van cavitatie. Bij toepassing van sonicatie wordt ook de benodigde hoeveelheid overtollige methanol verminderd. Een ander voordeel is de daaruit voortvloeiende toename van de zuiverheid van de glycerine.
Ultrasone biodieselproductie stap voor stap:
- de plantaardige olie of het dierlijke vet wordt gemengd met methanol (waarmee methylesters worden gevormd) of ethanol (voor ethylesters) en natrium- of kaliummethoxide of -hydroxide
- het mengsel wordt verwarmd, bijvoorbeeld tot temperaturen tussen 45 en 65degC
- het verwarmde mengsel wordt gedurende 5 tot 15 seconden inline aan sonicatie onderworpen
- de glycerine zakt uit of wordt met centrifuges afgescheiden
- de omgezette biodiesel wordt met water gewassen
Doorgaans wordt de sonicatie uitgevoerd bij een verhoogde druk (1 tot 3bar, overdruk) met behulp van een toevoerpomp en een instelbaar tegendrukventiel naast de doorstroomcel.
Industriële biodieselomzetting heeft niet veel ultrasone energie nodig. De werkelijke energiebehoefte kan op werkbankschaal worden bepaald met bijvoorbeeld een ultrasone processor van 1kW, zoals de UIP1000hdT. Alle resultaten van dergelijke proeven op werkbankschaal kunnen lineair en zonder problemen worden opgeschaald. Indien nodig zijn ATEX-gecertificeerde ultrasone apparaten beschikbaar, zoals de UIP1000-Exd.
Hielscher levert wereldwijd industriële ultrasone apparatuur voor biodieselverwerking. Met ultrasone processoren met een vermogen tot 16kW per afzonderlijk apparaat is er geen beperking aan de grootte van de biodieselfabriek of de verwerkingscapaciteit.
Kosten van ultrasone biodieselproductie
Sonicatie is een effectief middel om de reactiesnelheid en omzettingsgraad bij commerciële biodieselproductie te verhogen. De kosten van ultrasone verwerking vloeien voornamelijk voort uit de investering in ultrasone apparatuur, kosten voor nutsvoorzieningen en onderhoud. De uitstekende energie-efficiëntie van de sonicatoren van Hielscher helpt de kosten voor nutsvoorzieningen te verlagen en zo dit proces nog milieuvriendelijker te maken. De resulterende kosten voor sonicatie variëren tussen 0,1ct en 1,0ct per liter (0,4ct tot 1,9ct/gallon) bij toepassing op commerciële schaal.
Lees meer over de procesefficiëntie en economische voordelen van ultrasone biodieselproductie!
Ultrasoon mengen vermindert het specifieke energieverbruik bij biodieselproductie en presteert daarbij verreweg beter dan hydrodynamisch magnetisch mengen en mengers met hoge afschuiving.
Kleinschalige ultrasone biodieselopstelling
Sonicatie kan op elke schaal worden gebruikt om olie in biodiesel om te zetten. De onderstaande afbeelding toont een kleinschalige opstelling voor de verwerking van 60–70L (16 tot 19 gallons). Dit is de gebruikelijke opstelling voor eerste onderzoeken en procesdemonstraties.
Ultrasone verestering en transesterificatie kunnen als batchproces of als continu inline proces worden uitgevoerd. Dit schema toont het ultrasone batchproces voor biodieselomzetting.
3x 1kW-sonicatoren van het model 1000hdT met ultrasone doorstroomreactor voor zeer efficiënte biodieselomzetting.
- één sonicator (bijvoorbeeld UIP500hdT of UIP1000hdT) met booster, sonotrode en doorstroomcel
- vermogensmeter voor het meten van vermogen en energie
- verwerkingstank van 80L (kunststof, bijvoorbeeld HDPE)
- verwarmingselement (1 tot 2kW)
- tank van 10L voor het katalysatorvoormengsel (kunststof, bijvoorbeeld HDPE)
- voormenger voor de katalysator (roerder)
- pomp (centrifugaal-, mono- of tandwielpomp) voor ca. 10 tot 20L/min bij 1 tot 3 barg
- tegendrukventiel voor het instellen van de druk in de doorstroomcel
- manometer voor het meten van de toevoerdruk
Ultrasone reactoren voor superieure biodieselverwerking
Hielscher Ultrasonics biedt ultrasone processoren en reactoren met hoge prestaties die uw biodieselproductie verbeteren door hogere biodieselopbrengsten, verbeterde biodieselkwaliteit, kortere verwerkingstijden en lagere productiekosten.
Ultrasone reactoren voor transesterificatie van biodiesel op kleine en middelgrote schaal
Voor biodieselproductie op kleine en middelgrote schaal tot 9ton/hr (2900 gal/hr) biedt Hielscher u de UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1000 watt), UIP1500hdT (1500 watt) en UIP2000hdT (2000 watt) als ultrasone mengers met hoge afschuiving en doorstroomreactoren voor betrouwbare en efficiënte inline biodieselverwerking. Deze vier ultrasone reactoren zijn zeer compact en gemakkelijk te integreren of achteraf in te bouwen. Ze zijn gebouwd voor zwaar bedrijf in veeleisende omgevingen. Hieronder vindt u aanbevolen reactoropstellingen voor uiteenlopende productiecapaciteiten.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT (500 watt) |
0,25 tot 0,5
|
80 tot 160
|
| 1x UIP1000hdT (1000 watt) |
0,5 tot 1,0
|
160 tot 320
|
| 1x UIP1500hdT (1500 watt) |
0,75 tot 1,5
|
240 tot 480
|
| 1x UIP2000hdT (2000 watt) |
1,0 tot 2,0
|
320 tot 640
|
| 2x UIP2000hdT (2000 watt) |
2,0 tot 4,0
|
640 tot 1280
|
| 4xUIP1500hdT (1500 watt) |
3,0 tot 6,0
|
960 tot 1920
|
| 6x UIP1500hdT (1500 watt) |
4,5 tot 9,0
|
1440 tot 2880
|
| 6x UIP2000hdT (2000 watt) |
6,0 tot 12,0
|
1920 tot 3840
|
Industriële biodieselreactoren met zeer grote verwerkingscapaciteit
Voor biodieselfabrieken met industriële verwerking biedt Hielscher de ultrasone homogenisatoren UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10.000 (10kW) en UIP16000hdT (16kW)! Deze ultrasone processoren zijn ontworpen voor continue verwerking bij hoge debieten. De UIP4000hdT, UIP6000hdT en UIP10000 kunnen in standaard zeevrachtcontainers worden geïntegreerd. Als alternatief zijn alle vier de processormodellen verkrijgbaar in roestvrijstalen kasten. Een verticale installatie vereist minimale ruimte. Hieronder vindt u aanbevolen opstellingen voor gebruikelijke industriële verwerkingscapaciteiten.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
1x UIP6000hdT (6000 watt) |
3,0 tot 6,0
|
960 tot 1920
|
|---|---|---|
| 3x UIP4000hdT (4000 watt) |
6,0 tot 12,0
|
1920 tot 3840
|
| 5x UIP4000hdT (4000 watt) |
10,0 tot 20,0
|
3200 tot 6400
|
3x UIP6000hdT (6000 watt) |
9,0 tot 18,0
|
2880 tot 5880
|
| 3x UIP10000 (10.000 watt) |
15,0 tot 30,0
|
4800 tot 9600
|
| 3x UIP16000hdT (16.000 watt) |
24,0 tot 48,0
|
7680 tot 15.360
|
| 5x UIP16000hdT |
40,0 tot 80,0
|
12.800 tot 25.600
|
Neem contact met ons op! / Stel ons uw vragen!
De sonicator UIP16000hdT kan 32MMGY biodiesel verwerken.
Frost & Sullivan Technologie-innovatie van het Jaar
Hielscher Ultrasonics ontving de prestigieuze Frost and Sullivan Technology Innovation of the Year Award als erkenning voor de ontwikkeling door het bedrijf van nieuwe ultrasone technologie voor biodieselproductie.
Klik hier om meer te lezen over de Frost and Sullivan Award voor de biodieselreactoren van Hielscher Ultrasonics!
Transesterificatie – de chemische omzetting van biodiesel
De productie van biodiesel uit plantaardige oliën (bijvoorbeeld soja, canola, jatropha en zonnebloemzaad), algen, dierlijke vetten en gebruikte frituurolie omvat de basegekatalyseerde transesterificatie van vetzuren met methanol of ethanol tot de overeenkomstige methylesters of ethylesters. Glycerine is een onvermijdelijk bijproduct van deze reactie.
Zowel plantaardige oliën als dierlijke vetten zijn triglyceriden die bestaan uit drie vetzuurketens die door een glycerinemolecuul zijn gebonden. Triglyceriden zijn esters. Esters zijn zuren, zoals vetzuren, gecombineerd met een alcohol. Glycerine (= glycerol) is een zware alcohol. Bij het omzettingsproces worden triglyceride-esters omgezet in alkylesters (= biodiesel) met behulp van een katalysator (loog) en een alcoholreagens, bijvoorbeeld methanol, dat biodiesel op basis van methylesters oplevert. De methanol vervangt de glycerine. Dit chemische omzettingsproces wordt transesterificatie genoemd.
Na de transesterificatie zakt de glycerine, die de zwaardere fase vormt, naar de bodem. Biodiesel, die de lichtere fase vormt, drijft bovenop en kan worden afgescheiden, bijvoorbeeld met decanters of centrifuges.
Voorbereiding van biodiesel
Kaliumhydroxide (0,2 tot 0,4kg, katalysator) wordt in de tank voor het katalysatorvoormengsel opgelost in ca. 8,5L methanol. Hiervoor moet het katalysatorvoormengsel worden geroerd. De verwerkingstank wordt gevuld met 66L plantaardige olie. De olie wordt door het verwarmingselement verwarmd tot 45 tot 65degC.
Biodieselomzetting
Wanneer de katalysator volledig in de methanol is opgelost, wordt het katalysatorvoormengsel met de verwarmde olie gemengd. De pomp voert het mengsel naar de doorstroomcel. Met behulp van het tegendrukventiel wordt de druk ingesteld op 1 tot 3barg (15 tot 45psig). Recirculatie door de ultrasone biodieselreactor moet gedurende ca. 20 minuten plaatsvinden. Gedurende deze tijd wordt de olie in biodiesel omgezet. Daarna worden de pomp en het ultrageluid uitgeschakeld. De glycerine (zwaardere fase) zal zich van de biodiesel (lichtere fase) scheiden. De scheiding duurt ca. 30 tot 60 minuten. Wanneer de scheiding is voltooid, kan de glycerine worden afgetapt.
Biodiesel wassen
Omdat de omgezette biodiesel onzuiverheden bevat, moet deze worden gewassen. Voor het wassen wordt water door de biodiesel gemengd. Sonicatie kan het mengen van de biodiesel met het water bevorderen. Dit vergroot het actieve oppervlak door de verkleining van de druppels. Houd er rekening mee dat zeer intense sonicatie de waterdruppels zo klein kan maken dat er een vrijwel stabiele emulsie wordt gevormd, waarvoor speciale middelen (bijvoorbeeld een centrifuge) nodig zijn om deze te scheiden.
Biodieselfabriek
Het onderstaande stroomschema toont een gebruikelijke opstelling voor de inline sonicatie van olie, methanol en katalysator voor de omzetting in biodiesel.
Ultrasone verestering en transesterificatie kunnen als batchproces of als continu inline proces worden uitgevoerd. Het schema toont het ultrasone inline proces voor transesterificatie van biodiesel (FAME).
Continue biodieselverwerking en scheiding
In een opstelling voor continue biodieselverwerking en continue scheiding worden de verwarmde olie en het katalysatorvoormengsel continu met elkaar gemengd met behulp van regelbare pompen. Een inline statische menger verbetert de homogeniteit van de toevoer naar de ultrasone reactor. Het olie-katalysatormengsel stroomt door de doorstroomcel, waar het gedurende ca. 5 tot 30 seconden wordt blootgesteld aan ultrasone cavitatie. Een tegendrukventiel wordt gebruikt om de druk in de doorstroomcel te regelen. Het aan sonicatie onderworpen mengsel komt bovenaan de reactorkolom binnen. Het volume van de reactorkolom is zo ontworpen dat het mengsel ca. 1 uur in de kolom verblijft. Gedurende die tijd wordt de transesterificatiereactie voltooid. Het uitgereageerde glycerine-biodieselmengsel wordt naar de centrifuge gepompt, waar het in de biodiesel- en glycerinefracties wordt gescheiden. De nabehandeling omvat methanolterugwinning, wassen en drogen en kan ook continu worden uitgevoerd.
Deze opstelling maakt batchgewijze verwerking in biodieselreactoren, conventionele roerders en grote scheidingstanks overbodig.
Reactiesnelheid van biodieseltransesterificatie
De onderstaande diagrammen tonen gebruikelijke resultaten van de transesterificatie van koolzaadolie (industriële kwaliteit) met natriummethoxide (links) en kaliumhydroxide (rechts). Bij beide proeven werd een controlemonster (blauwe lijn) intensief mechanisch gemengd. De rode lijn vertegenwoordigt het aan sonicatie onderworpen monster met een identieke samenstelling wat betreft volumeverhouding, katalysatorconcentratie en temperatuur. De horizontale as toont de tijd na respectievelijk mengen of sonicatie. De verticale as toont het volume glycerine dat zich op de bodem heeft afgezet. Dit is een eenvoudige manier om de reactiesnelheid te meten. In beide diagrammen reageert het aan sonicatie onderworpen monster (rood) veel sneller dan het controlemonster (blauw).
Vergelijking van ultrasoon mengen (rode grafiek) met conventioneel mengen (blauwe grafiek) voor biodieselproductie – met natriummethoxide (links) en kaliumhydroxide (rechts) als katalysatoren.
Links naar leveranciers voor biodieselproductie
Klik hier voor links naar leveranciers van pompen en tanks voor de biodieselindustrie.
Chemische informatie en veiligheidsinformatie
Lees de onderstaande informatie zorgvuldig om complicaties en nadelige gezondheidseffecten te voorkomen.
Chemicaliën voor biodiesel
Methanol is giftig. Het kan bij langdurig gebruik zenuwschade veroorzaken. Het kan ook door de huid worden geadsorbeerd. Als het in de ogen spat, kan het blindheid veroorzaken, en methanol kan dodelijk zijn bij inslikken. Neem daarom de nodige voorzorgsmaatregelen bij het werken met methanol. Het gebruik van een goed ademhalingsmasker, een schort en rubberen handschoenen wordt aanbevolen.
Kaliumhydroxide (KOH) is giftig en veroorzaakt bij contact brandwonden op de huid. Goede ventilatie is vereist.
Zorg ervoor dat de werkruimte ruim en grondig wordt geventileerd, zodat dampen kunnen ontsnappen. Ademhalingsmaskers met dampfilterpatronen zijn niet effectief tegen methanoldampen. Een systeem met luchttoevoer (SCBA – zelfstandig ademhalingstoestel) biedt betere bescherming tegen methanoldampen.
Biodiesel en rubberen onderdelen
Langdurig gebruik van 100% biodiesel kan problemen veroorzaken bij rubberen onderdelen van de motor die ermee in contact komen (pomp, slangen, O-ringen). Vervanging door stalen onderdelen of rubber voor zware toepassingen kan dit probleem verhelpen. Als alternatief kunt u ca. 25% conventionele (fossiele) diesel door uw biodiesel mengen om problemen te voorkomen.
Literatuur / Referenties
- 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 Ultrasonics produceert ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties van laboratoriumschaal tot industriële schaal.