Productie biodiesel & omzetting biodiesel
Wanneer u biodiesel maakt, verlagen een trage reactiekinetiek en een slechte massaoverdracht de capaciteit van uw biodieselfabriek en de opbrengst en kwaliteit van uw biodiesel. Hielscher ultrasone reactoren verbeteren de transesterificatie kinetiek aanzienlijk. Daarom zijn er minder overtollige methanol en minder katalysator nodig voor de verwerking van biodiesel.
Biodiesel wordt meestal geproduceerd in batchreactoren waarbij warmte en mechanisch mengen als energie-input worden gebruikt. Ultrasoon cavitatief mengen is een effectief alternatief om een betere menging te verkrijgen in commerciële biodieselverwerking. Ultrasone cavitatie levert de noodzakelijke activeringsenergie voor de industriële omestering van biodiesel.
Ultrasoon mengen verbetert de biodieselomzettingssnelheid, verhoogt de opbrengst en bespaart overtollige methanol en katalysator.
Ultrasoon verbeterde omestering van biodiesel
Bij de productie van biodiesel wordt meestal een chemische reactie uitgevoerd die transesterificatie wordt genoemd, waarbij een triglyceride (zoals plantaardige olie, dierlijk vet, afgewerkte bakolie) reageert met een alcohol (zoals methanol) in aanwezigheid van een katalysator om biodiesel (vetzuurmethylesters) en glycerol te produceren. Ultrasone reactoren kunnen worden gebruikt om het transesterificatieproces op verschillende manieren te verbeteren, wat tot verschillende voordelen leidt:
- Verbeterd mengen: Ultrasone golven kunnen cavitatiebellen creëren die heftig in elkaar klappen, waardoor het reactiemengsel intens gemengd en geroerd wordt. Dit leidt tot een beter contact tussen de reactanten en de katalysator, wat resulteert in een snellere en volledigere transesterificatie.
- Versnelde reactiekinetiek: De hoogenergetische omstandigheden die door ultrasone golven worden gegenereerd, kunnen de reactie activeren, waardoor de reactiesnelheid toeneemt en de reactietijd die nodig is om een bepaald conversieniveau te bereiken, afneemt. Dit kan resulteren in hogere opbrengsten en lagere kosten.
- Minder katalysatorgebruik: Ultrasone reactoren kunnen de efficiëntie van het katalysatorgebruik verbeteren door meer actieve sites voor de reactie te bieden. Dit betekent dat er minder katalysator nodig is om hetzelfde conversieniveau te bereiken, waardoor de kosten en de impact op het milieu afnemen.
- Verbeterde productkwaliteit: Ultrasone reactoren kunnen biodiesel produceren met een lager gehalte aan vrije vetzuren, een hogere zuiverheid en betere koudevloei-eigenschappen. Dit komt door 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 economisch, aangezien het gebruik van ultrasone reactoren de efficiëntie, snelheid en kwaliteit van de omestering van biodiesel aanzienlijk verbetert. Samengevat betekent dit dat ultrasoon de omestering verandert in een economisch en ecologisch duurzamer proces.
Problemen bij het mengen van conventionele biodiesel: De conventionele veresteringsreactie in batchprocessen verloopt vaak 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 uw biodieselopbrengst en -kwaliteit te verhogen tegen lagere verwerkingskosten!
Industriële ultrasoon UIP2000hdT met flowcel FC2T500k voor inline verestering en transesterificatie van biodiesel.
De voordelen van ultrasone biodiesel-transesterificatie
- Hogere biodieselopbrengst door betere menging
- Hogere kwaliteit biodiesel
- Gebruik zelfs de armste olie als grondstof
- Continue inline verwerking
- Minder methanol
- Minder katalysator
- Tijdsbesparend dankzij supersnelle conversie
- Energiebesparend
- eenvoudige en veilige bediening
- Robuustheid en weinig onderhoud
- Hoge prestaties: 24/7 werking onder volledige belasting
"We zijn zeer tevreden over de apparatuur en service van Hielscher en we zijn vast van plan om de ultrasoontechnologie van Hielscher in al onze toekomstige activiteiten op te nemen."
Todd Stephens, Tulsa Biobrandstoffen
Ultrasoon voor de productie van biodiesel
Biodiesel wordt vaak geproduceerd in batchreactoren. Ultrasone biodieselconversie maakt continue inline verwerking mogelijk. Ultrasoon kan een biodieselopbrengst van meer dan 99% bereiken. Ultrasone reactoren verkorten de verwerkingstijd van de conventionele batchverwerking van 1 tot 4 uur tot minder dan 30 seconden. Nog belangrijker is dat ultrasoon de scheidingstijd terugbrengt van 5 tot 10 uur (bij gebruik van conventionele agitatie) tot minder dan 60 minuten. Ultrasoon geluid helpt ook om de benodigde hoeveelheid katalysator met wel 50% te verlagen door de verhoogde chemische activiteit in de aanwezigheid van cavitatie. Bij ultrasoon gebruik is ook minder overtollige methanol nodig. Een ander voordeel is dat de zuiverheid van de glycerine toeneemt.
Ultrasone biodieselproductie stap voor stap:
- de plantaardige olie of het dierlijke vet wordt gemengd met methanol (dat methylesters maakt) of ethanol (voor ethylesters) en natrium- of kaliummethoxide of -hydroxide
- het mengsel wordt verwarmd, bijvoorbeeld tot een temperatuur tussen 45 en 65 °C
- de verwarmde mix wordt 5 tot 15 seconden inline gesoneerd
- glycerine valt eruit of wordt afgescheiden met behulp van centrifuges
- de omgezette biodiesel wordt gewassen met water
Meestal wordt de sonificatie uitgevoerd bij een verhoogde druk (1 tot 3 bar, overdruk) met behulp van een voedingspomp en een instelbare tegendrukklep naast de stromingscel.
Voor industriële omzetting van biodiesel is niet veel ultrasone energie nodig. De werkelijke energiebehoefte kan worden bepaald op laboratoriumschaal met bijvoorbeeld een ultrasone processor van 1kW zoals de UIP1000hdT. Alle resultaten van dergelijke testopstellingen kunnen lineair en zonder problemen worden opgeschaald. Indien nodig zijn er ATEX-gecertificeerde ultrasone apparaten beschikbaar, zoals de UIP1000-Exd.
Hielscher levert wereldwijd industriële ultrasone biodieselverwerkingsapparatuur. Met ultrasone processors tot 16kW vermogen per apparaat zijn er geen grenzen aan de grootte van de biodieselfabriek of de verwerkingscapaciteit.
Kosten van ultrasone biodieselproductie
Ultrasoonverwerking is een effectief middel om de reactiesnelheid en omzettingssnelheid bij de commerciële productie van biodiesel te verhogen. De kosten van ultrasone verwerking worden voornamelijk veroorzaakt door de investering in ultrasone apparatuur, de gebruikskosten en het onderhoud. De uitstekende energie-efficiëntie van de Hielscher ultrasoonapparatuur helpt om de gebruikskosten te verlagen en zo dit proces nog groener te maken. De resulterende kosten voor de ultrasoonbehandeling variëren tussen 0,1ct en 1,0ct per liter (0,4ct tot 1,9ct/gallon) bij gebruik op commerciële schaal.
Lees meer over de procesefficiëntie en economische voordelen van ultrasone biodieselproductie!
Ultrasoon mengen verlaagt het specifieke energieverbruik bij de productie van biodiesel veel meer dan hydrodynamisch magnetisch mengen en mixers met hoge schuifkracht.
Kleinschalige ultrasone biodieselinstallatie
Ultrasoon kan worden gebruikt voor de omzetting van olie in biodiesel op elke schaal. De afbeelding hieronder toont een kleinschalige opstelling voor de verwerking van 60-70 liter (16 tot 19 gallon). Dit is de typische opstelling voor eerste studies en procesdemonstratie.
Ultrasone verestering en transesterificatie kunnen als batchproces of als continu inline proces worden uitgevoerd. Deze grafiek toont het ultrasone batchproces voor biodieselomzetting.
3x 1kW ultrasone apparaten van het model 1000hdT met ultrasone doorstroomreactor voor een zeer efficiënte omzetting van biodiesel.
- een ultrasoonapparaat (bv. UIP500hdT of UIP1000hdT) met booster, sonotrode en flowcel
- stroommeter voor het meten van stroom en energie
- 80L verwerkingstank (kunststof, bijv. HDPE)
- verwarmingselement (1 tot 2kW)
- Voormengtank met katalysator van 10 liter (kunststof, bijv. HDPE)
- katalysator voormenger (roerder)
- pomp (centrifuge, mono of tandwiel) voor ongeveer 10 tot 20 l/min bij 1 tot 3 barg
- tegendrukventiel voor het regelen van de druk in de stromingscel
- manometer voor het meten van de toevoerdruk
Ultrasone reactoren voor superieure biodieselverwerking
Hielscher Ultrasonics biedt hoogwaardige ultrasone processors en reactors, die uw biodieselproductie zullen verbeteren door een hogere biodieselopbrengst, verbeterde biodiesel kwaliteit, kortere verwerkingstijd en lagere productiekosten.
Ultrasone reactoren voor kleine en middelgrote schaal voor biodiesel-transsterificatie
Voor kleine en middelgrote biodieselproductie tot 9 ton/uur (2900 gal/uur) biedt Hielscher u de UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1000 watt), UIP1500hdT (1500 watt) en UIP2000hdT (2000 watt) als ultrasone high-shear mixers met doorstroomreactoren voor betrouwbare en efficiënte inline biodieselverwerking. Deze vier ultrasone reactoren zijn zeer compact en gemakkelijk te integreren of achteraf te installeren. Ze zijn gebouwd voor zware toepassingen in veeleisende omgevingen. Hieronder vindt u aanbevolen reactoropstellingen voor een reeks productiesnelheden.
|
ton/uur
|
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
|
Zeer grote industriële biodieselreactoren
Voor de industriële verwerking van biodieselproductie-installaties biedt Hielscher de ultrasone homogenisatoren UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10000 (10kW) en UIP16000hdT (16kW)! Deze ultrasone processors zijn ontworpen voor de continue verwerking van hoge debieten. De UIP4000hdT, UIP6000hdT en UIP10000 kunnen worden geïntegreerd in standaard zeevrachtcontainers. Als alternatief zijn alle vier processormodellen verkrijgbaar in roestvrijstalen kasten. Voor een rechtopstaande installatie is minimale ruimte nodig. Hieronder vindt u aanbevolen opstellingen voor typische industriële verwerkingssnelheden.
|
ton/uur
|
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 15360
|
| 5x UIP16000hdT |
40,0 tot 80,0
|
12800 tot 25600
|
Neem contact met ons op! / Vraag het ons!
De ultrasone 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 van nieuwe ultrasoontechnologie voor de productie van biodiesel.
Klik hier om meer te lezen over de Frost and Sullivan Award voor Hielscher Ultrasonics biodieselreactoren!
omestering – De chemische omzetting van biodiesel
Bij de productie van biodiesel uit plantaardige oliën (bijv. soja, canola, jatropha, zonnebloemzaad), algen, dierlijke vetten en afgewerkte bak- en braadolie worden vetzuren met methanol of ethanol basegekatalyseerd om de overeenkomstige methylesters of ethylesters te verkrijgen. Glycerine is een onvermijdelijk bijproduct van deze reactie.
Plantaardige oliën en dierlijke vetten zijn triglyceriden die bestaan uit drie ketens van vetzuren gebonden door een glycerinemolecuul. Triglyceriden zijn esters. Esters zijn zuren, zoals vetzuren, gecombineerd met een alcohol. Glycerine (= glycerol) is een zware alcohol. In het conversieproces worden triglyceride esters omgezet in alkylesters (= biodiesel) met behulp van een katalysator (loog) en een alcoholreagens, bijv. methanol, wat methylesters biodiesel oplevert. De methanol vervangt de glycerine. Dit chemische omzettingsproces wordt transesterificatie genoemd.
Na de transesterificatie zinkt de glycerine, de zwaardere fase, naar de bodem. Biodiesel, de lichtere fase, drijft bovenop en kan worden gescheiden, bijvoorbeeld door decanters of centrifuges.
Biodieselbereiding
Kaliumhydroxide (0,2 tot 0,4 kg, katalysator) wordt opgelost in ongeveer 8,5 liter methanol in de katalysator voormengtank. Dit vereist roeren van de katalysator voormengsel. De verwerkingstank wordt gevuld met 66 liter plantaardige olie. De olie wordt verwarmd door het verwarmingselement tot 45-65°C.
omzetting biodiesel
Wanneer de katalysator volledig is opgelost in de methanol, wordt het katalysatormengsel gemengd met de verwarmde olie. De pomp voert het mengsel naar de stromingscel. Met behulp van de tegendrukklep wordt de druk ingesteld op 1 tot 3barg (15 tot 45psig). De recirculatie door de ultrasone biodieselreactor moet ongeveer 20 minuten duren. Gedurende deze tijd wordt de olie omgezet in biodiesel. Hierna worden de pomp en het ultrasone geluid uitgeschakeld. De glycerine (zwaardere fase) wordt gescheiden van de biodiesel (lichtere fase). De scheiding duurt ongeveer 30 tot 60 minuten. Als de scheiding klaar is, kan de glycerine worden afgetapt.
Biodiesel wassen
Omdat de omgezette biodiesel onzuiverheden bevat, is wassen nodig. Voor het wassen wordt water door de biodiesel gemengd. Ultrasoon reinigen kan het mengen van de biodiesel met het water bevorderen. Dit vergroot het actieve oppervlak als gevolg van de verkleining van de druppelgrootte. Houd er rekening mee dat zeer intense ultrasoonbehandeling de waterdruppels zo groot kan maken dat er een bijna stabiele emulsie wordt gevormd die met speciale middelen (bijv. een centrifuge) moet worden afgescheiden.
Biodieselfabriek
Het stroomschema hieronder toont een typische opstelling voor de in-line sonificatie van olie, methanol en katalysator voor de omzetting in biodiesel.
Ultrasoon veresteren en transesterificeren kan als batchproces of als continu inline proces worden uitgevoerd. De grafiek toont het ultrasone inline proces voor omestering van biodiesel (FAME).
Continue verwerking en scheiding van biodiesel
In een opstelling voor continue biodieselverwerking en continue scheiding worden de verwarmde olie en de katalysatorpremix continu gemengd met behulp van regelbare pompen. Een inline statische mixer verbetert de homogeniteit van de toevoer naar de ultrasone reactor. Het olie/katalysatormengsel passeert de flowcel, waar het gedurende ongeveer 5 tot 30 seconden wordt blootgesteld aan ultrasone cavitatie. Een tegendrukventiel wordt gebruikt om de druk in de stromingscel te regelen. Het gesoniseerde mengsel komt bovenaan in de reactorkolom terecht. Het volume van de reactorkolom is zo ontworpen dat de retentietijd in de kolom ongeveer 1 uur bedraagt. Gedurende die tijd wordt de omesteringsreactie voltooid. Het gereageerde glycerine/biodieselmengsel wordt naar de centrifuge gepompt waar het wordt gescheiden in de biodiesel- en glycerinefracties. De nabewerking bestaat uit methanolterugwinning, wassen en drogen en kan ook continu worden uitgevoerd.
Deze opstelling elimineert biodieselreactorbatches, conventionele roerwerken en grote scheidingstanks.
Biodiesel Transesterificatie Reactiesnelheid
De diagrammen hieronder tonen typische resultaten van de transesterificatie van raapzaadolie (industriële kwaliteit) met natriummethoxide (links) en kaliumhydroxide (rechts). Voor beide tests werd een controlemonster (blauwe lijn) blootgesteld aan intensieve mechanische menging. De rode lijn vertegenwoordigt het gesoniseerde monster van de identieke formulering met betrekking tot volumeverhouding, katalysatorconcentratie en temperatuur. De horizontale as toont de tijd na respectievelijk mengen of soniceren. De verticale as toont het volume glycerine dat op de bodem bezinkt. Dit is een eenvoudige manier om de reactiesnelheid te meten. In beide diagrammen reageert het gesoneerde monster (rood) veel sneller dan het controlemonster (blauw).
Vergelijking tussen ultrasoon (rode grafiek) en conventioneel mengen (blauwe grafiek) voor biodieselproductie – met natriummethoxide (links) en kaliumhydroxide (rechts) als katalysator.
Links voor benodigdheden voor biodiesel
Klik hier voor links naar leveranciers van pompen en tanks voor de biodieselindustrie.
Chemische en veiligheidsinformatie
Lees onderstaande informatie zorgvuldig door om complicaties en nadelige gevolgen voor de gezondheid te voorkomen.
Biodieselchemicaliën
Methanol is giftig. Het kan zenuwbeschadiging veroorzaken bij langdurig gebruik. Het kan ook door de huid worden opgenomen. Als het in de ogen spat, kan het blindheid veroorzaken en Methanol kan dodelijk zijn als het wordt ingeslikt. Neem daarom de nodige voorzorgsmaatregelen bij het werken met Methanol. Het wordt aanbevolen om een goed ademhalingstoestel, een schort en rubberen handschoenen te gebruiken.
Kaliumhydroxide (KOH) is giftig en veroorzaakt brandwonden op de huid bij contact. Goede ventilatie is vereist.
Zorg ervoor dat de werkruimte voldoende en grondig geventileerd is, zodat dampen kunnen ontsnappen. Ademhalingstoestellen met damppatronen zijn niet effectief tegen methanoldampen. Een systeem met toegevoerde lucht (SCBA — Self-Contained Breathing Apparatus) biedt betere bescherming tegen methanoldampen.
Biodiesel en rubber onderdelen
Als de motor langere tijd op 100% biodiesel draait, kan dit leiden tot problemen met rubberen onderdelen die met vloeistof in aanraking komen (pomp, slangen, O-ringen). Vervanging door stalen onderdelen of zwaar rubber kan dit probleem verhelpen. Als alternatief kun je ongeveer 25% conventionele (fossiele) diesel door je biodiesel mengen om complicaties 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 hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van lab naar industrieel formaat.