Ultrasoon mengen is de superieure technologie voor een uiterst efficiënte en kosteneffectieve biodieselproductie. Ultrasone cavitatie verbetert de massaoverdracht drastisch, waardoor de productiekosten en de verwerkingsduur worden beperkt. Tegelijkertijd kunnen oliën en vetten van slechte kwaliteit (bv. afvaloliën) worden gebruikt en wordt de biodieselkwaliteit verbeterd. Hielscher Ultrasonics levert hoogwaardige, robuuste ultrasone mengreactoren voor elke productieschaal. Lees meer hoe uw biodieselproductie zal profiteren van sonicatie !

Voordelen van biodieselproductie met behulp van ultrageluid

Biodiesel (vetzuurmethylester, afkorting van FAME) is het product van een omesteringsreactie van een vetgrondstof (triglyceriden, bv. plantaardige olie, afgewerkte bak- en braadoliën, dierlijke vetten, algenolie) en alcohol (methanol, ethanol) met behulp van een katalysator (bv. kaliumhydroxide KOH).
Het probleem: Bij conventionele omzetting van biodiesel met gebruikmaking van conventionele roersystemen leidt de onvermengbare aard van de beide reactanten van de omesteringreactie van olie en alcohol tot een slechte massatransfersnelheid, hetgeen resulteert in een inefficiënte biodieselproductie. Deze inefficiëntie wordt gekenmerkt door lange reactietijden, hogere molaire verhoudingen tussen methanol en olie, hoge katalysatorvereisten, hoge procestemperaturen en hoge roersnelheden. Deze factoren zijn belangrijke kostenfactoren die van de conventionele biodieselproductie een duur proces maken.
De oplossing: Ultrasoon mengen emulgeert de reactanten op een zeer efficiënte, snelle en goedkope manier, zodat de olie-methanolverhouding kan worden verbeterd, de katalysatorvereisten worden verminderd en de reactietijd en -temperatuur worden verlaagd. Daardoor worden hulpbronnen (d.w.z. chemicaliën en energie) en tijd bespaard, worden de verwerkingskosten verminderd, terwijl de kwaliteit van de biodiesel en de rentabiliteit van de productie aanzienlijk worden verbeterd. Deze feiten maken van ultrasoon mengen de technologie bij uitstek voor een 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 en vermindert het gebruik van overtollige methanol en katalysator, waardoor biodiesel kan worden geproduceerd die voldoet aan de kwaliteitsnorm van ASTM D6751 en EN 14212 specificaties. (cf. Abdullah et al., 2015)

Omestering van triglyceriden tot biodiesel (FAME) met gebruikmaking van sonicatie leidt tot een versnelde reactie en een aanzienlijk hoger rendement.

Talrijke voordelen van ultrasoon mengen bij de productie van biodiesel

Ultrasone mengreactoren kunnen gemakkelijk in nieuwe installaties worden geïntegreerd of achteraf in bestaande biodieselfabrieken worden ingebouwd. De integratie van een Hielscher ultrasone menger verandert elke biodieselfaciliteit in een hoogwaardige productiefaciliteit. Eenvoudige installatie, robuustheid en gebruikersvriendelijkheid (geen specifieke opleiding voor bediening vereist) maken het mogelijk elke installatie op te waarderen tot een uiterst efficiënte biodieselinstallatie. Hieronder presenteren wij u wetenschappelijk bewezen resultaten van voordelen die door onafhankelijke derden zijn gedocumenteerd. De cijfers bewijzen de superioriteit van ultrasone biodiesel menging boven elke conventionele roertechniek.

Het stroomschema toont de productiestappen voor biodiesel met inbegrip van ultrasoon mengen voor een betere procesefficiëntie.

Vergelijking van efficiëntie en kosten: Ultrasoon versus mechanisch roeren

Gholami et al. (2021) presenteren in hun vergelijkende studie de voordelen van ultrasone transesterificatie boven mechanisch roeren (d.w.z. menger met bladen, waaier, menger met hoge afschuifsnelheid).
Investeringskosten: De ultrasone processor en reactor UIP16000 kan 192-384 ton biodiesel/d produceren met een voetafdruk van slechts 1,2 m x 0,6 m. Ter vergelijking: voor mechanisch roeren (MS) is een veel grotere reactor nodig vanwege de lange reactietijd in het mechanische strirrngproces, waardoor de reactorkosten aanzienlijk toenemen. (cf. Gholami et al., 2020)
Verwerkingskosten: De verwerkingskosten voor de productie van ultrasone biodiesel liggen 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 bij beide processen, sonicatie en mechanisch roeren. Voor de ultrasone omzetting van biodiesel zijn de kosten voor chemicaliën echter aanzienlijk lager dan voor het mechanisch roeren. De kosten voor chemicaliën maken ongeveer 5% uit van de uiteindelijke biodieselprijs. Door het lagere verbruik van methanol, natriumhydroxide en fosforzuur liggen de kosten voor chemicaliën bij het ultrasone biodieselproces 2,2% lager dan bij het mechanischroerproces.
Energiekosten: De door de ultrasone mengreactor verbruikte energie is ongeveer driemaal lager dan die van de mechanische roerder. Deze aanzienlijke vermindering van het energieverbruik is een product van de intense micromenging en de verkorte reactietijd, als gevolg van de productie en instorting van talloze holtes, die het fenomeen van akoestische / ultrasone cavitatie kenmerken (Gholami et al., 2018). Bovendien wordt, in vergelijking met de conventionele roerder, het energieverbruik voor methanolterugwinning en biodieselzuiveringsfasen tijdens het ultrasone mengproces verminderd met 26,5% en 1,3%, respectievelijk. Deze daling is te danken aan de lagere hoeveelheden methanol die deze twee destillatiekolommen binnenkomen tijdens het ultrasone transesterificatieproces.
Kosten voor afvalverwijdering: Ultrasone cavitatie technologie vermindert ook opmerkelijk de kosten van afvalverwijdering. Deze kosten bedragen bij het sonicatieproces ruwweg een vijfde van die bij het roerproces, als gevolg van de aanzienlijke daling van de afvalproductie door de hogere reactorconversie en de lagere hoeveelheden verbruikte alcohol.
Milieuvriendelijkheid: Door de zeer hoge algemene efficiëntie, het lagere chemicaliënverbruik, de lagere energiebehoefte en de verminderde hoeveelheid afval is de productie van ultrasone biodiesel aanzienlijk milieuvriendelijker dan conventionele biodieselproductieprocessen.

Conclusie – Ultrasonics verbetert de efficiëntie van de biodieselproductie

De wetenschappelijke beoordeling toont de duidelijke voordelen aan van ultrasoon mengen boven 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 de interne rentabiliteit. Het bedrag van de totale investering in het ultrasone cavitatieproces bleek lager te zijn dan dat van andere met ongeveer 20,8%. Het gebruik van ultrasone reactoren verminderde de productkosten met 5,2% – met canolaolie van eerste persing. Aangezien met sonicatie ook afgewerkte olie kan worden verwerkt (bv. afgewerkte bak- en braadolie), kunnen de productiekosten nog aanzienlijk verder worden verlaagd. Gholami et al. (2021) komen tot de conclusie dat het ultrasone cavitatieproces wegens een positieve netto contante waarde de betere keuze is als mengtechnologie voor de productie van biodiesel.
Vanuit technisch oogpunt overspannen de belangrijkste effecten van ultrasone cavitatie de aanzienlijke procesefficiëntie en de verkorting van de reactietijd. De vorming en ineenstorting van talrijke vacuümbubbels – bekend als akoestische/ultrasone cavitatie – de reactietijd verkorten 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 materiaalbehoeften: het energieverbruik wordt teruggebracht tot bijna een derde van het verbruik in een stirred-tankreactor, terwijl het verbruik van methanol en katalysatoren met 25% daalt.
Vanuit economisch oogpunt is de totale investering van het ultrasone cavitatieproces lager dan die van het mechanisch roerproces, voornamelijk dankzij een vermindering met respectievelijk bijna 50% en 11,6% van de reactorkosten en de kosten van de methanoldistillatiekolom. Het ultrasone cavitatieproces verlaagt ook de productiekosten van biodiesel door een 4% lager verbruik van canola-olie, een lagere totale investering, een 2,2% lager verbruik van chemicaliën en een 23,8% lagere behoefte aan nutsvoorzieningen. In tegenstelling tot het mechanisch geroerde proces is het ultrasone proces een aanvaardbare investering vanwege de positieve netto contante waarde, de kortere terugverdientijd en een hogere interne rentabiliteit. Naast de techno-economische voordelen die aan het ultrasone cavitatieproces zijn verbonden, is het ook milieuvriendelijker dan het mechanisch geroerde proces. Ultrasone cavitatie leidt tot een vermindering van de afvalstromen met 80% als gevolg van de hogere conversie in de reactor en het lagere alcoholverbruik in dit proces. (cf. Gholami et al., 2021)

Gebruik de katalysator van uw keuze

Het is bewezen dat ultrasone omestering van biodiesel efficiënt is met gebruik van zowel basische als alkalische katalysatoren. Zo vergeleken Shinde en Kaliaguine (2019) de efficiëntie van ultrasone en mechnische mesmenging met behulp van verschillende katalysatoren, namelijk natriumhydroxide (NaOH), kaliumhydroxide (KOH), (CH₃ONa), tetramethylammoniumhydroxide en vier guanidines (propyl-2,3-dicyclohexylguanidine (PCHG), 1,3-dicyclohexyl-2 n-octylguanidine (DCOG), 1,1,3,3-tetramethylguanidine (TMG), 1,3-difenylguanidine (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 transesterificatiereactie in vergelijking met mechanisch roeren. Sonificatie overtrof mechanisch roeren voor alle geteste katalysatoren. Het uitvoeren van de transesterificatie reactie met ultrasone cavitatie is een energie-efficiënt en industrieel haalbaar alternatief voor de productie van biodiesel. Naast de veel gebruikte katalysatoren KOH en NaOH, zijn beide guanidine katalysatoren, propyl-2,3 dicyclohexylguanidine (PCHG) en 1,3-dicyclohexyl-2 n-octylguanidine (DCOG), beide aangetoond als interessante altrnatieven voor de omzetting van biodiesel.
Mootabadi et al. (2010) onderzochten de ultrasoon ondersteunde biodiesel synthese uit palmolie met behulp van diverse alkalische metaaloxide katalysatoren zoals CaO, BaO en SrO. De activiteit van de katalysator in de ultrasoon-ondersteunde biodiesel synthese werd vergeleken met het traditionele magnetische roerproces, en er werd vastgesteld dat het ultrasone proces 95,2% opbrengst vertoonde met gebruik van BaO binnen 60 minuten reactietijd, wat anders 3-4 uur duurt in het conventionele roerproces. Voor ultrasoon ondersteunde transesterificatie onder optimale omstandigheden was 60 minuten nodig om 95% opbrengst te bereiken, vergeleken met 2-4 uur bij conventioneel roeren. Ook namen de met ultrageluid in 60 minuten bereikte opbrengsten toe 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:canola-olie) 4:1, 60% US amplitude, temperatuur 35ºC. Door ultrageluid aangedreven menging is veel beter dan mechanisch roeren.
(Studie en grafieken: Shinde en Kaliaguine, 2019)

Hoogwaardige ultrasone reactoren voor superieure biodieselverwerking

Hielscher Ultrasonics biedt hoogwaardige ultrasone processoren en reactoren voor een verbeterde biodieselproductie, resulterend in een hogere opbrengst, verbeterde kwaliteit, kortere verwerkingstijd en lagere productiekosten.

Kleine en middelgrote Biodiesel Reactoren

Voor kleine en middelgrote productie van biodiesel tot 9ton / hr (2900 liter / uur), Hielscher biedt u de UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1000 watt), UIP1500hdT (1500 watt)en UIP2000hdT (2000 watt) ultrasone high-shear menger modellen. Deze vier ultrasone reactoren zijn zeer compact, gemakkelijk te integreren of achteraf in te bouwen. Ze zijn gebouwd voor intensief gebruik in veeleisende omgevingen. Hieronder vindt u aanbevolen reactoropstellingen voor een reeks productiesnelheden.

Industriële biodieselreactoren met zeer grote doorvoercapaciteit

Voor industriële verwerking productie van biodiesel fabrieken Hielscher biedt de UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP1000000 (10kW) en UIP16000hdT (16kW) ultrasone homogenisatoren! Deze ultrasoonprocessoren 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 de processormodellen verkrijgbaar in roestvrijstalen kasten. Een rechtopstaande installatie vereist een minimum aan ruimte. Hieronder vindt u aanbevolen opstellingen voor typische industriële verwerkingstarieven.