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)

Transesterificatie van triglyceriden tot biodiesel (FAME) met behulp van sonicatie resulteert in een versnelde reactie en een aanzienlijk hoger rendement.

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.

Het stroomschema toont de stappen van de biodieselproductie, inclusief ultrasoon mengen voor een efficiënter proces.

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.

Biodieselproductie met verschillende guanidines (3% mol) als katalysator. (A) Mechanisch roerende batchreactor: (methanol:canolaolie) 4:1, temperatuur 65ºC; (B) Ultrasone batchreactor: ultrasoonapparaat UP200St(methanol:canolaolie) 4:1, 60% amplitude van de US, temperatuur 35ºC. Ultrasoon gestuurd mengen presteert veel beter dan mechanisch roeren.
(Studie en grafieken: Shinde en Kaliaguine, 2019)

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.

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.