Biodieselproductie met superieure proces- en kostenefficiëntie
Ultrasoon mengen is de superieure technologie voor zeer efficiënte en kosteneffectieve biodieselproductie. Ultrasone cavitatie verbetert de massaoverdracht drastisch, waardoor de productiekosten en verwerkingsduur afnemen. Tegelijkertijd kunnen oliën en vetten van slechte kwaliteit (bijv. afvaloliën) worden gebruikt en wordt de kwaliteit van de biodiesel verbeterd. Hielscher Ultrasonics levert hoogwaardige, robuuste ultrasone mengreactoren voor elke productieschaal. Lees meer hoe uw biodieselproductie zal profiteren van sonicatie!
Voordelen van biodieselproductie met ultrageluid
Biodiesel (fatty acid methyl ester, afgekort FAME) is het product van een omesteringsreactie van lipide als grondstof (triglyceriden, bijv. plantaardige olie, afgewerkte bakolie, dierlijke vetten, algenolie) en alcohol (methanol, ethanol) met behulp van een katalysator (bijv. kaliumhydroxide KOH).
Het probleem: Bij conventionele omzetting van biodiesel met conventioneel roeren leidt de onmengbare aard van de beide reactanten van de omesteringsreactie van olie en alcohol tot een slechte massaoverdracht, wat leidt tot een inefficiënte biodieselproductie. Deze inefficiëntie wordt gekenmerkt door lange reactietijden, hogere molaire verhoudingen methanol-olie, hoge katalysatorvereisten, hoge procestemperaturen en hoge roersnelheden. Deze factoren leiden tot aanzienlijke kosten, waardoor de conventionele productie van biodiesel een duur proces wordt.
De oplossing: Ultrasoon mengen emulgeert de reactanten op een zeer efficiënte, snelle en goedkope manier, zodat de olie-methanolverhouding kan worden verbeterd, er minder katalysator nodig is en de reactietijd en reactietemperatuur worden verlaagd. Hierdoor worden hulpbronnen (d.w.z. chemicaliën en energie) en tijd bespaard en worden de verwerkingskosten verlaagd, terwijl de kwaliteit van de biodiesel en de winstgevendheid van de productie aanzienlijk verbeteren. Deze feiten maken ultrasoon mengen tot de voorkeurstechnologie voor efficiënte biodieselproductie.
Onderzoek en industriële biodieselproducenten bevestigen dat ultrasoon mengen een zeer kosteneffectieve manier is om biodiesel te produceren, zelfs wanneer oliën en vetten van slechte kwaliteit als grondstof worden gebruikt. De intensivering van het ultrasone proces verbetert de omzettingssnelheid aanzienlijk, waardoor het gebruik van overtollige methanol en katalysator wordt verminderd en biodiesel kan worden geproduceerd die voldoet aan de kwaliteitsnormen van ASTM D6751 en EN 14212. (cf. Abdullah et al., 2015)
Veel voordelen van ultrasoon mengen bij de productie van biodiesel
Ultrasone mengreactoren kunnen eenvoudig worden geïntegreerd in elke nieuwe installatie of achteraf worden ingebouwd in bestaande biodieselfabrieken. De integratie van een Hielscher ultrasone menger verandert elke biodieselfabriek in een hoogwaardige productie-installatie. Eenvoudige installatie, robuustheid en gebruiksvriendelijkheid (geen specifieke training vereist) maken het mogelijk om elke installatie te upgraden naar een zeer efficiënte biodieselfabriek. Hieronder presenteren we u wetenschappelijk bewezen resultaten van voordelen die door onafhankelijke derden zijn gedocumenteerd. De cijfers bewijzen de superioriteit van ultrasoon biodiesel mengen ten opzichte van conventionele roertechnieken.
Vergelijking van efficiëntie en kosten: Ultrasoon vs. mechanisch roeren
Gholami et al. (2021) presenteren in hun vergelijkende studie de voordelen van ultrasone omestering ten opzichte van mechanisch roeren (d.w.z. bladmixer, waaier, high shear mixer).
Investeringskosten: De ultrasone processor en reactor UIP16000 kan 192-384 ton biodiesel/d produceren met een vloeroppervlak van slechts 1,2m x 0,6m. Ter vergelijking: voor mechanisch roeren (MS) is een veel grotere reactor nodig vanwege de lange reactietijd in het mechanische roerproces, waardoor de reactorkosten aanzienlijk toenemen. (cf. Gholami et al., 2020)
Verwerkingskosten: De verwerkingskosten voor ultrasone biodieselproductie zijn 7,7% lager dan die voor het roerproces, voornamelijk vanwege de lagere totale investering voor het sonicatieproces. De kosten van chemicaliën (katalysator, methanol/alcohol) zijn de op twee na grootste kostenfactor in beide processen, sonicatie en mechanisch roeren. Voor ultrasone omzetting van biodiesel zijn de kosten voor chemicaliën echter aanzienlijk lager dan voor mechanisch roeren. De kosten voor chemicaliën bedragen ongeveer 5% van de uiteindelijke biodieselkosten. Door het lagere verbruik van methanol, natriumhydroxide en fosforzuur zijn de kosten voor chemicaliën bij het ultrasone biodieselproces 2,2% lager dan bij het mechanische roerproces.
Energiekosten: De energie die wordt verbruikt door de ultrasone mengreactor is ongeveer drie keer lager dan die van de mechanische roerder. Deze aanzienlijke verlaging van het energieverbruik is een product van de intense micromenging en de kortere reactietijd, als gevolg van de productie en instorting van talloze holtes, die het fenomeen van akoestische / ultrasone cavitatie karakteriseren (Gholami et al., 2018). Bovendien is, vergeleken met de conventionele roerder, het energieverbruik voor methanolterugwinning en biodieselzuiveringsfasen tijdens het ultrasone mengproces verminderd met respectievelijk 26,5% en 1,3%. Deze afname is het gevolg van de lagere hoeveelheden methanol die deze twee destillatiekolommen binnenkomen tijdens het ultrasone omesteringsproces.
Afvalverwijderingskosten: Ultrasone cavitatietechnologie verlaagt ook opmerkelijk de kosten van afvalverwijdering. Deze kosten in het sonicatieproces bedragen ruwweg een vijfde van die in het roerproces, als gevolg van de aanzienlijke afname in afvalproductie door een hogere reactorconversie en lagere hoeveelheden verbruikte alcohol.
Lees meer over ultrasone biodieselconversie van oliën uit gebruikte koffiedrab!
Milieuvriendelijk: Door de zeer hoge algehele efficiëntie, het lagere chemicaliënverbruik, de lagere energiebehoefte en de verminderde hoeveelheid afval is ultrasone biodieselproductie aanzienlijk milieuvriendelijker dan conventionele biodieselproductieprocessen.
Conclusie – Ultrasoon verbetert efficiëntie biodieselproductie
De wetenschappelijke beoordeling toont de duidelijke voordelen van ultrasoon mengen ten opzichte van conventioneel mechanisch roeren voor de productie van biodiesel. De voordelen van ultrasone biodieselverwerking omvatten de totale kapitaalinvestering, de totale productkosten, de netto contante waarde en het interne rendement. Het bedrag van de totale investering in het ultrasone cavitatieproces bleek ongeveer 20,8% lager te zijn dan dat van andere processen. Het gebruik van ultrasone reactoren verminderde de productkosten met 5,2%. – met vierge canolaolie. Aangezien het met sonicatie mogelijk is om ook gebruikte oliën te verwerken (bijv. afgewerkte bakolie), kunnen de productiekosten aanzienlijk verder worden verlaagd. Gholami et al. (2021) komen tot de conclusie dat vanwege een positieve netto contante waarde, het ultrasone cavitatieproces de betere keuze is als mengtechnologie voor de productie van biodiesel.
Vanuit technisch oogpunt zijn de belangrijkste effecten van ultrasone cavitatie de aanzienlijke procesefficiëntie en de vermindering van de reactietijd. De vorming en instorting van talrijke vacuümbellen – bekend als akoestische / ultrasone cavitatie – reduceren de reactietijd van enkele uren in de geroerde tankreactor tot enkele seconden in de ultrasone cavitatiereactor. Deze korte verblijftijd maakt biodieselproductie mogelijk in een doorstroomreactor met een kleine voetafdruk. De ultrasone cavitatiereactor heeft ook gunstige effecten op de energie- en materiaalvereisten: het energieverbruik wordt teruggebracht tot bijna een derde van dat van een geroerde tankreactor en het verbruik van methanol en katalysator met 25%.
Vanuit economisch oogpunt is de totale investering van het ultrasone cavitatieproces lager dan die van het mechanische roerproces, voornamelijk door een verlaging van de reactorkosten met bijna 50% en de kosten van de methanoldestillatiekolom met 11,6%. Het ultrasone cavitatieproces verlaagt ook de productiekosten van biodiesel door een verlaging van 4% in het verbruik van canolaolie, een lagere totale investering, een 2,2% lager verbruik van chemicaliën en een 23,8% lager energieverbruik. In tegenstelling tot het mechanisch geroerde proces is het ultrasone proces een aanvaardbare investering vanwege de positieve netto contante waarde, kortere terugverdientijd en een hoger intern rendement. Naast de technisch-economische voordelen van het ultrasone cavitatieproces is het milieuvriendelijker dan het mechanisch roerproces. Ultrasone cavitatie resulteert in 80% minder afvalstromen door de hogere conversie in de reactor en een lager alcoholverbruik in dit proces. (vgl. Gholami et al., 2021)
Gebruik de katalysator van je keuze
Ultrasoon transesterificatieproces van biodiesel is efficiënt gebleken bij gebruik van zowel alkalische als basische katalysatoren. Shinde en Kaliaguine (2019) vergeleken bijvoorbeeld de efficiëntie van ultrasoon en mechanisch mengen met verschillende katalysatoren, namelijk natriumhydroxide (NaOH), kaliumhydroxide (KOH), (CH3ONa), tetramethyl ammoniumhydroxide en vier guanidines (propyl-2,3-dicyclohexyl guanidine (PCHG), 1,3-dicyclohexyl 2 n-octyl guanidine (DCOG), 1,1,3,3-tetramethyl guanidine (TMG), 1,3-difenyl guanidine (DPG)). Ultrasoon mengen (bij 35º) bleek superieur voor de productie van biodiesel en overtrof mechanisch mengen (bij 65º) door een hogere opbrengst en omzettingssnelheid. De efficiëntie van de massaoverdracht in het ultrasone veld verhoogde de snelheid van de omesteringsreactie in vergelijking met mechanisch roeren. Sonificatie overtrof mechanisch roeren voor alle geteste katalysatoren. Het uitvoeren van de omesteringsreactie met ultrasone cavitatie is een energie-efficiënt en industrieel haalbaar alternatief voor biodieselproductie. Naast de veelgebruikte katalysatoren KOH en NaOH zijn beide guanidinekatalysatoren, propyl-2,3-dicyclohexylguanidine (PCHG) en 1,3-dicyclohexyl 2 n-octylguanidine (DCOG), aangetoond als interessante altrnatieven voor de omzetting van biodiesel.
Mootabadi et al. (2010) onderzochten ultrasoon-ondersteunde biodieselsynthese uit palmolie met behulp van verschillende alkalische metaaloxidekatalysatoren zoals CaO, BaO en SrO. De activiteit van de katalysator in ultrasoon-ondersteunde biodieselsynthese werd vergeleken met het traditionele magnetische roerproces, en het bleek dat het ultrasone proces 95,2% van de opbrengst liet zien met behulp van BaO binnen 60 minuten reactietijd, wat anders 3-4 uur duurt in het conventionele roerproces. Voor ultrasoon geassisteerde transesterificatie onder optimale omstandigheden was 60 minuten nodig om een opbrengst van 95% te bereiken, vergeleken met 2-4 uur bij conventioneel roeren. Ook de rendementen bereikt met ultrageluid in 60 minuten verhoogd van 5,5% tot 77,3% met CaO als katalysator, 48,2% tot 95,2% met SrO als katalysator, en 67,3% tot 95,2 met BaO als katalysator.
Ultrasone reactoren met hoge prestaties voor superieure biodieselverwerking
Hielscher Ultrasonics biedt hoogwaardige ultrasone processors en reactors voor een verbeterde biodieselproductie, wat resulteert in een hogere opbrengst, een betere kwaliteit, een kortere verwerkingstijd en lagere productiekosten.
Kleine en middelgrote biodieselreactoren
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) ultrasone high-shear mixermodellen. Deze vier ultrasone reactoren zijn zeer compact, eenvoudig te integreren of achteraf te monteren. 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 industriële biodieselproductie-installaties biedt Hielscher de UIP4000hdT (4kW)UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) en UIP16000hdT (16kW) ultrasone homogenisatoren! Deze ultrasone processors zijn ontworpen voor de continue verwerking van hoge debieten. De UIP4000hdT, UIP6000hdT en UIP10000 kunnen worden geïntegreerd in standaard zeecontainers. 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!
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.
Wetenswaardigheden
Productie biodiesel
Biodiesel wordt geproduceerd wanneer triglyceriden worden omgezet in vrije vetmethylester (FAME) via een chemische reactie die transesterificatie wordt genoemd. Triglyceriden zijn glyceriden waarin het glycerol veresterd is met zuren met een lange keten, de zogenaamde vetzuren. Deze vetzuren zijn overvloedig aanwezig in plantaardige olie en dierlijke vetten. Tijdens de reactie van transesterificatie reageren triglyceriden in de grondstof (bijv. plantaardige oliën, afgewerkte bak- en braadoliën of dierlijke vetten) in aanwezigheid van een katalysator (bijv. kaliumhydroxide of natriumhydroxide) met een primaire alcohol (bijv. methanol). In de biodiesel transesterificatie reactie worden alkylesters gevormd uit de grondstof van plantaardige olie of dierlijk vet. Aangezien biodiesel kan worden geproduceerd uit verschillende grondstoffen, zoals zuivere plantaardige oliën, afgewerkte plantaardige oliën, gebruikte frituurolie en dierlijke vetten zoals talg en reuzel, kan de hoeveelheid vrije vetzuren (FFA's) sterk variëren. Het percentage vrije vetzuren van de triglyceriden is een cruciale factor die het biodieselproductieproces en de resulterende biodieselkwaliteit drastisch beïnvloedt. Een hoge hoeveelheid vrije vetzuren kan het omzettingsproces verstoren en de uiteindelijke biodiesel kwaliteit verslechteren. Het grootste probleem is dat vrije vetzuren (FFA's) reageren met alkalikatalysatoren, wat leidt tot de vorming van zeep. Zeepvorming veroorzaakt vervolgens problemen met het afscheiden van glycerol. Daarom hebben grondstoffen met een hoog gehalte aan FFA's meestal een voorbehandeling nodig (een zogenaamde veresteringsreactie), waarbij de FFA's worden omgezet in esters. Ultrasoonbehandeling bevordert beide reacties, transesterificatie en verestering.
Lees meer over ultrasoon geassisteerde zuurgekatalyseerde verestering en basisch gekatalyseerde omestering van arme oliën en vetten tot biodiesel van hoge kwaliteit!