Produkcja biodiesla & konwersja biodiesla
Podczas produkcji biodiesla powolna kinetyka reakcji i słaby transfer masy obniżają wydajność instalacji biodiesla, a także wydajność i jakość biodiesla. Reaktory ultradźwiękowe Hielscher znacznie poprawiają kinetykę transestryfikacji. Dlatego do przetwarzania biodiesla wymagany jest mniejszy nadmiar metanolu i mniej katalizatora.
Biodiesel jest powszechnie produkowany w reaktorach wsadowych przy użyciu ciepła i mieszania mechanicznego jako wkładu energii. Ultradźwiękowe mieszanie kawitacyjne jest skuteczną alternatywą dla osiągnięcia lepszego mieszania w komercyjnym przetwarzaniu biodiesla. Kawitacja ultradźwiękowa zapewnia niezbędną energię aktywacji dla przemysłowej transestryfikacji biodiesla.
Mieszanie ultradźwiękowe poprawia współczynnik konwersji biodiesla, zwiększa wydajność i oszczędza nadmiar metanolu i katalizatora.
Ultradźwiękowo ulepszona transestryfikacja biodiesla
Produkcja biodiesla zazwyczaj obejmuje reakcję chemiczną zwaną transestryfikacją, w której trójgliceryd (taki jak olej roślinny, tłuszcz zwierzęcy, zużyte oleje kuchenne) reaguje z alkoholem (takim jak metanol) w obecności katalizatora w celu wytworzenia biodiesla (estrów metylowych kwasów tłuszczowych) i glicerolu. Reaktory ultradźwiękowe mogą być wykorzystywane do usprawnienia procesu transestryfikacji na kilka sposobów, co prowadzi do szeregu korzyści:
- Ulepszone mieszanie: Fale ultradźwiękowe mogą tworzyć pęcherzyki kawitacyjne, które gwałtownie zapadają się, powodując intensywne mieszanie i mieszanie mieszaniny reakcyjnej. Prowadzi to do lepszego kontaktu między reagentami a katalizatorem, co skutkuje szybszą i pełniejszą transestryfikacją.
- Przyspieszona kinetyka reakcji: Wysokoenergetyczne warunki generowane przez fale ultradźwiękowe mogą aktywować reakcję, zwiększając szybkość reakcji i skracając czas reakcji potrzebny do osiągnięcia danego poziomu konwersji. Może to skutkować wyższą wydajnością i niższymi kosztami.
- Zmniejszone zużycie katalizatora: Reaktory ultradźwiękowe mogą poprawić efektywność wykorzystania katalizatora, zapewniając więcej aktywnych miejsc reakcji. Oznacza to, że do osiągnięcia tego samego poziomu konwersji potrzeba mniej katalizatora, co zmniejsza koszty i wpływ na środowisko.
- Lepsza jakość produktu: Reaktory ultradźwiękowe mogą produkować biodiesel o niższej zawartości wolnych kwasów tłuszczowych, wyższej czystości i lepszych właściwościach płynięcia na zimno. Wynika to z lepszego mieszania i szybszej kinetyki reakcji, które minimalizują powstawanie niepożądanych produktów ubocznych i zanieczyszczeń.
Te zalety ultradźwiękowego przetwarzania biodiesla sprawiają, że zastosowanie reaktora ultradźwiękowego jest wysoce ekonomiczne, ponieważ zastosowanie reaktorów ultradźwiękowych znacznie poprawia wydajność, szybkość i jakość transestryfikacji biodiesla. Oznacza to w skrócie, że ultradźwięki zamieniają transestryfikację w bardziej ekonomiczny i zrównoważony środowiskowo proces.
Problemy związane z konwencjonalnym mieszaniem biodiesla: Konwencjonalna reakcja estryfikacji w przetwarzaniu wsadowym jest zwykle powolna, a oddzielanie faz gliceryny jest czasochłonne, często trwając 5 godzin lub dłużej.
Reaktory ultradźwiękowe pomagają przyspieszyć proces biodiesla i jednocześnie zwiększyć wydajność i jakość biodiesla przy niższych kosztach przetwarzania!
Ultradźwiękowiec klasy przemysłowej UIP2000hdT z komorą przepływową FC2T500k do estryfikacji i transestryfikacji biodiesla na linii produkcyjnej.
Zalety ultradźwiękowej transestryfikacji biodiesla
- Wyższa wydajność biodiesla dzięki lepszemu mieszaniu
- Zwiększona jakość biodiesla
- Wykorzystanie nawet najsłabszej ropy jako surowca
- Przetwarzanie ciągłe na linii produkcyjnej
- Mniej metanolu
- Mniej katalizatora
- Oszczędność czasu dzięki szybkiej konwersji
- Oszczędność energii
- Prosta i bezpieczna obsługa
- Solidność i niskie koszty utrzymania
- Wysoka wydajność: praca 24/7 pod pełnym obciążeniem
"Jesteśmy bardzo zadowoleni ze sprzętu i usług Hielscher i mamy zamiar włączyć technologię ultradźwiękową Hielscher do wszystkich naszych przyszłych przedsięwzięć".
Todd Stephens, Tulsa Biofuels
Ultradźwięki do produkcji biodiesla
Biodiesel jest często produkowany w reaktorach wsadowych. Ultradźwiękowa konwersja biodiesla pozwala na ciągłe przetwarzanie w linii. Ultradźwięki mogą osiągnąć wydajność biodiesla przekraczającą 99%. Reaktory ultradźwiękowe skracają czas przetwarzania z konwencjonalnego przetwarzania wsadowego trwającego od 1 do 4 godzin do mniej niż 30 sekund. Co ważniejsze, ultradźwięki skracają czas separacji z 5 do 10 godzin (przy użyciu konwencjonalnego mieszania) do mniej niż 60 minut. Ultradźwięki pomagają również zmniejszyć ilość wymaganego katalizatora nawet o 50% ze względu na zwiększoną aktywność chemiczną w obecności kawitacji. Podczas stosowania ultradźwięków zmniejsza się również ilość wymaganego nadmiaru metanolu. Kolejną korzyścią jest wynikający z tego wzrost czystości gliceryny.
Ultradźwiękowa produkcja biodiesla krok po kroku:
- olej roślinny lub tłuszcz zwierzęcy jest mieszany z metanolem (który wytwarza estry metylowe) lub etanolem (w przypadku estrów etylowych) i metanolanem lub wodorotlenkiem sodu lub potasu
- mieszanka jest podgrzewana, np. do temperatury między 45 a 65 stopni Celsjusza
- podgrzana mieszanka jest poddawana sonikacji w linii przez 5 do 15 sekund
- gliceryna odpada lub jest oddzielana za pomocą wirówek
- przetworzony biodiesel jest przemywany wodą
Najczęściej sonikację przeprowadza się przy podwyższonym ciśnieniu (od 1 do 3 barów, ciśnienie manometryczne) za pomocą pompy zasilającej i regulowanego zaworu przeciwciśnienia obok celi przepływowej.
Przemysłowa konwersja biodiesla nie wymaga dużej ilości energii ultradźwiękowej. Rzeczywiste zapotrzebowanie na energię można określić w skali laboratoryjnej przy użyciu np. procesora ultradźwiękowego o mocy 1 kW, takiego jak UIP1000hdT. Wszystkie wyniki z takich prób laboratoryjnych mogą być skalowane liniowo i bez żadnych problemów. W razie potrzeby dostępne są urządzenia ultradźwiękowe z certyfikatem ATEX, takie jak UIP1000-Exd.
Hielscher dostarcza przemysłowe ultradźwiękowe urządzenia do przetwarzania biodiesla na całym świecie. Dzięki procesorom ultradźwiękowym o mocy do 16 kW na pojedyncze urządzenie, nie ma ograniczeń co do wielkości instalacji biodiesla lub wydajności przetwarzania.
Koszty ultradźwiękowej produkcji biodiesla
Ultradźwięki są skutecznym sposobem na zwiększenie szybkości reakcji i współczynnika konwersji w komercyjnej produkcji biodiesla. Koszty przetwarzania ultradźwiękowego wynikają głównie z inwestycji w sprzęt ultradźwiękowy, kosztów mediów i konserwacji. Wyjątkowa efektywność energetyczna ultrasonografów Hielscher pomaga obniżyć koszty mediów, a tym samym uczynić ten proces jeszcze bardziej ekologicznym. Wynikające z tego koszty ultradźwięków wahają się od 0,1ct do 1,0ct na litr (0,4ct do 1,9ct / galon), gdy są stosowane na skalę komercyjną.
Przeczytaj więcej o wydajności procesu i ekonomicznych korzyściach płynących z ultradźwiękowej produkcji biodiesla!
Mieszanie ultradźwiękowe zmniejsza jednostkowe zużycie energii w produkcji biodiesla, znacznie przewyższając hydrodynamiczne mieszanie magnetyczne i mieszalniki o wysokim ścinaniu.
Ultradźwiękowa konfiguracja biodiesla na małą skalę
Ultradźwięki mogą być stosowane do konwersji oleju do biodiesla w dowolnej skali. Poniższy rysunek przedstawia konfigurację na małą skalę do przetwarzania 60-70 litrów (16 do 19 galonów). Jest to typowa konfiguracja do wstępnych badań i demonstracji procesu.
Estryfikacja ultradźwiękowa i transestryfikacja mogą być prowadzone jako proces wsadowy lub ciągły w linii. Ten wykres przedstawia ultradźwiękowy proces wsadowy do konwersji biodiesla.
3x ultradźwięki 1kW model 1000hdT z ultradźwiękowym reaktorem przepływowym do wysokowydajnej konwersji biodiesla.
- jeden ultrasonograf (np. UIP500hdT lub UIP1000hdT) ze wzmacniaczem, sonotrodą i komorą przepływową
- miernik mocy do pomiaru mocy i energii
- Zbiornik procesowy 80 l (tworzywo sztuczne, np. HDPE)
- element grzejny (1 do 2kW)
- Zbiornik wstępnego mieszania katalizatora 10 l (tworzywo sztuczne, np. HDPE)
- premiks katalizatora (mieszadło)
- pompa (wirówka, mono lub zębata) dla ok. 10 do 20 l/min przy 1 do 3 barg
- zawór przeciwciśnieniowy do regulacji ciśnienia w komorze przepływowej
- manometr do pomiaru ciśnienia zasilania
Reaktory ultradźwiękowe do doskonałego przetwarzania biodiesla
Hielscher Ultrasonics oferuje wysokowydajne procesory ultradźwiękowe i reaktory, które poprawią produkcję biodiesla dzięki wyższej wydajności biodiesla, lepszej jakości biodiesla, krótszemu czasowi przetwarzania i niższym kosztom produkcji.
Małe i średnie reaktory ultradźwiękowe do transestryfikacji biodiesla
Dla małych i średnich produkcji biodiesla do 9 ton / h (2900 gal / h), Hielscher oferuje UIP500hdT (500 watów), UIP1000hdT (1000 watów), UIP1500hdT (1500 watów) i UIP2000hdT (2000 watów) jako ultradźwiękowe mieszalniki o wysokim ścinaniu z reaktorami przepływowymi do niezawodnego i wydajnego przetwarzania biodiesla inline. Te cztery reaktory ultradźwiękowe są bardzo kompaktowe, łatwe do zintegrowania lub modernizacji. Są one przeznaczone do pracy w trudnych warunkach. Poniżej znajdują się zalecane konfiguracje reaktorów dla różnych szybkości produkcji.
|
tona/godz.
|
gal/godz.
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT (500 W) |
0.25 do 0,5
|
80 do 160
|
| 1x UIP1000hdT (1000 W) |
0.5 do 1.0
|
160 do 320
|
| 1x UIP1500hdT (1500 W) |
0.75 do 1,5
|
240 do 480
|
| 1x UIP2000hdT (2000 W) |
1.0 do 2.0
|
320 do 640
|
| 2x UIP2000hdT (2000 W) |
2.0 do 4.0
|
640 do 1280
|
| 4xUIP1500hdT (1500 W) |
3.0 do 6.0
|
960 do 1920
|
| 6x UIP1500hdT (1500 W) |
4,5 do 9,0
|
1440 do 2880
|
| 6x UIP2000hdT (2000 W) |
6.0 do 12.0
|
1920 do 3840
|
Przemysłowe reaktory biodiesla o bardzo dużej przepustowości
Do przemysłowego przetwarzania biodiesla Hielscher oferuje homogenizatory ultradźwiękowe UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10000 (10kW) i UIP16000hdT (16kW)! Te ultradźwiękowe procesory są przeznaczone do ciągłego przetwarzania dużych natężeń przepływu. Modele UIP4000hdT, UIP6000hdT i UIP10000 można zintegrować ze standardowymi kontenerami do transportu morskiego. Alternatywnie, wszystkie cztery modele procesorów są dostępne w szafkach ze stali nierdzewnej. Instalacja w pozycji pionowej wymaga minimalnej przestrzeni. Poniżej znajdują się zalecane konfiguracje dla typowych szybkości przetwarzania przemysłowego.
|
tona/godz.
|
gal/godz.
|
1x UIP6000hdT (6000 W) |
3.0 do 6.0
|
960 do 1920
|
|---|---|---|
| 3x UIP4000hdT (4000 W) |
6.0 do 12.0
|
1920 do 3840
|
| 5x UIP4000hdT (4000 W) |
10.0 do 20.0
|
3200 do 6400
|
3x UIP6000hdT (6000 W) |
9.0 do 18.0
|
2880 do 5880
|
| 3x UIP10000 (10 000 watów) |
15,0 do 30,0
|
4800 do 9600
|
| 3x UIP16000hdT (16 000 watów) |
24,0 do 48,0
|
7680 do 15360
|
| 5x UIP16000hdT |
40,0 do 80,0
|
12800 do 25600
|
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Ultradźwiękowiec UIP16000hdT jest w stanie przetworzyć 32MMGY biodiesla.
Mróz & Innowacja technologiczna roku według Sullivan
Firma Hielscher Ultrasonics otrzymała prestiżową nagrodę Frost and Sullivan Technology Innovation of the Year Award w uznaniu za opracowanie przez firmę nowatorskiej technologii ultradźwiękowej do produkcji biodiesla.
Kliknij tutaj, aby przeczytać więcej o nagrodzie Frost and Sullivan dla reaktorów biodiesla firmy Hielscher Ultrasonics!
transestryfikacja – Chemiczna konwersja biodiesla
Produkcja biodiesla z olejów roślinnych (np. sojowego, rzepakowego, jatrofy, słonecznikowego), alg, tłuszczów zwierzęcych, a także odpadowych olejów kuchennych polega na katalizowanej zasadą transestryfikacji kwasów tłuszczowych metanolem lub etanolem w celu otrzymania odpowiednich estrów metylowych lub etylowych. Gliceryna jest nieuniknionym produktem ubocznym tej reakcji.
Oleje roślinne, podobnie jak tłuszcze zwierzęce, są trójglicerydami składającymi się z trzech łańcuchów kwasów tłuszczowych połączonych cząsteczką gliceryny. Trójglicerydy są estrami. Estry to kwasy, takie jak kwasy tłuszczowe, połączone z alkoholem. Gliceryna (= glicerol) jest alkoholem ciężkim. W procesie konwersji estry trójglicerydów są przekształcane w estry alkilowe (= biodiesel) przy użyciu katalizatora (ługu) i odczynnika alkoholowego, np. metanolu, który daje biodiesel z estrów metylowych. Metanol zastępuje glicerynę. Ten proces konwersji chemicznej nazywany jest transestryfikacją.
Po transestryfikacji gliceryna, która jest cięższą fazą, opadnie na dno. Biodiesel, który jest lżejszą fazą, unosi się na powierzchni i można go oddzielić, np. za pomocą dekanterów lub wirówek.
Przygotowanie biodiesla
Wodorotlenek potasu (0,2 do 0,4 kg, katalizator) jest rozpuszczany w około 8,5 l metanolu w zbiorniku wstępnego mieszania katalizatora. Wymaga to mieszania premiksu katalizatora. Zbiornik procesowy jest napełniany 66 l oleju roślinnego. Olej jest podgrzewany przez element grzejny do temperatury od 45 do 65 stopni Celsjusza.
konwersja biodiesla
Po całkowitym rozpuszczeniu katalizatora w metanolu, premiks katalizatora jest mieszany z podgrzanym olejem. Pompa podaje mieszaninę do komory przepływowej. Za pomocą zaworu zwrotnego ciśnienie jest regulowane do 1 do 3barg (15 do 45psig). Recyrkulacja przez ultradźwiękowy reaktor biodiesla powinna być wykonywana przez około 20 minut. W tym czasie olej jest przekształcany w biodiesel. Następnie pompa i ultradźwięki są wyłączane. Gliceryna (faza cięższa) oddzieli się od biodiesla (faza lżejsza). Oddzielenie trwa około 30 do 60 minut. Po zakończeniu separacji glicerynę można spuścić.
Mycie biodieslem
Ponieważ przetworzony biodiesel zawiera zanieczyszczenia, wymagane jest mycie. Do mycia woda jest mieszana z biodieslem. Ultradźwięki mogą korzystnie wpływać na mieszanie biodiesla z wodą. Zwiększa to powierzchnię czynną w wyniku redukcji wielkości kropli. Należy wziąć pod uwagę, że bardzo intensywna sonikacja może zmniejszyć kropelki wody do rozmiaru, że powstaje prawie stabilna emulsja, która będzie wymagać specjalnych środków (np. wirówki) do oddzielenia.
Zakład produkcji biodiesla
Poniższy schemat blokowy przedstawia typową konfigurację sonikacji oleju, metanolu i katalizatora w linii do konwersji w biodiesel.
Estryfikacja ultradźwiękowa i transestryfikacja mogą być prowadzone jako proces wsadowy lub ciągły w linii produkcyjnej. Wykres przedstawia ultradźwiękowy proces inline dla transestryfikacji biodiesla (FAME).
Ciągłe przetwarzanie i separacja biodiesla
W konfiguracji do ciągłego przetwarzania biodiesla i ciągłej separacji, podgrzany olej i premiks katalizatora są mieszane ze sobą w sposób ciągły za pomocą regulowanych pomp. Mieszalnik statyczny poprawia jednorodność wsadu do reaktora ultradźwiękowego. Mieszanina oleju i katalizatora przechodzi przez komorę przepływową, gdzie jest poddawana kawitacji ultradźwiękowej przez około 5 do 30 sekund. Zawór przeciwciśnieniowy służy do kontroli ciśnienia w komorze przepływowej. Mieszanina poddana działaniu ultradźwięków wchodzi do kolumny reaktora na górze. Objętość kolumny reaktora jest zaprojektowana tak, aby zapewnić około 1 godziny czasu retencji w kolumnie. W tym czasie reakcja transestryfikacji jest zakończona. Przereagowana mieszanina gliceryny i biodiesla jest pompowana do wirówki, gdzie jest rozdzielana na frakcje biodiesla i gliceryny. Przetwarzanie końcowe obejmuje odzyskiwanie metanolu, mycie i suszenie i może być również wykonywane w sposób ciągły.
Ta konfiguracja eliminuje partie reaktora biodiesla, konwencjonalne mieszadła i duże zbiorniki separatora.
Szybkość reakcji transestryfikacji biodiesla
Poniższe wykresy przedstawiają typowe wyniki transestryfikacji oleju rzepakowego (klasy przemysłowej) za pomocą metanolanu sodu (po lewej) i wodorotlenku potasu (po prawej). W przypadku obu testów próbka kontrolna (niebieska linia) została poddana intensywnemu mieszaniu mechanicznemu. Czerwona linia przedstawia sonikowaną próbkę identycznego preparatu pod względem stosunku objętości, stężenia katalizatora i temperatury. Oś pozioma pokazuje odpowiednio czas po wymieszaniu lub sonikacji. Oś pionowa pokazuje objętość gliceryny, która osiadła na dnie. Jest to prosty sposób pomiaru szybkości reakcji. Na obu wykresach próbka poddana sonikacji (czerwona) reaguje znacznie szybciej niż próbka kontrolna (niebieska).
Porównanie mieszania ultradźwiękowego (czerwony wykres) z mieszaniem konwencjonalnym (niebieski wykres) dla produkcji biodiesla – przy użyciu metanolanu sodu (po lewej) i wodorotlenku potasu (po prawej) jako katalizatorów.
Linki dla dostawców biodiesla
Kliknij tutaj, aby znaleźć linki do dostawców pomp i zbiorników dla przemysłu biodiesla.
Informacje chemiczne i dotyczące bezpieczeństwa
Należy uważnie przeczytać poniższe informacje, aby zapobiec powikłaniom i niekorzystnym skutkom zdrowotnym.
Substancje chemiczne do biodiesla
Metanol jest toksyczny. Może powodować uszkodzenie nerwów w wyniku długotrwałego stosowania. Może być również wchłaniany przez skórę. W przypadku dostania się do oczu może spowodować ślepotę, a połknięcie metanolu może być śmiertelne. Z tego powodu należy podjąć niezbędne środki ostrożności podczas pracy z metanolem. Zaleca się stosowanie dobrej maski oddechowej, fartucha i gumowych rękawic.
Wodorotlenek potasu (KOH) jest toksyczny i powoduje oparzenia skóry przy kontakcie. Wymagana jest dobra wentylacja.
Upewnić się, że miejsce pracy jest dobrze i dokładnie wentylowane, aby umożliwić wydostawanie się oparów. Półmaski filtrujące nie są skuteczne w przypadku oparów metanolu. System z doprowadzeniem powietrza (SCBA — Self-Contained Breathing Apparatus) zapewnia lepszą ochronę przed oparami metanolu.
Biodiesel i części gumowe
Praca na 100% biodieslu przez dłuższy czas może powodować komplikacje dla zwilżonych części gumowych (pompa, węże, O-ringi) silnika. Zastąpienie ich częściami stalowymi lub z wytrzymałej gumy może wyeliminować ten problem. Alternatywnie można zmieszać ok. 25% konwencjonalnego (kopalnego) oleju napędowego z biodieslem, aby zapobiec komplikacjom.
Literatura / Referencje
- 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 produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe od laboratorium do rozmiar przemysłowy.