Produkcja biodiesla i konwersja do biodiesla
Pokonaj ograniczenia produkcji biodiesla dzięki reaktorom ultradźwiękowym! Powolna kinetyka reakcji i słabe przenoszenie masy mogą znacznie obniżyć zdolność produkcyjną zakładu, uzysk i jakość biodiesla. Reaktory ultradźwiękowe Hielscher rozwiązują te problemy, znacząco poprawiając kinetykę transestryfikacji. W rezultacie przetwarzanie biodiesla wymaga mniejszego nadmiaru metanolu i mniejszych ilości katalizatora.
Kawitacja ultradźwiękowa: doskonalsze rozwiązanie do mieszania
Tradycyjna produkcja biodiesla zazwyczaj wykorzystuje reaktory okresowe, do których energia jest dostarczana w postaci ciepła i mieszania mechanicznego. Kawitacja ultradźwiękowa stanowi skuteczną alternatywę, zapewniającą lepsze mieszanie podczas przetwarzania biodiesla na skalę komercyjną. Kawitacja ultradźwiękowa dostarcza energię aktywacji niezbędną do przemysłowej transestryfikacji biodiesla.
Główne zalety ultradźwiękowej transestryfikacji biodiesla:
- Wyższy stopień konwersji
- Krótszy czas reakcji
- Lepsza jakość produktu
- Możliwość przekształcania olejów odpadowych w FAME (estry metylowe kwasów tłuszczowych)
Mieszanie ultradźwiękowe poprawia stopień konwersji do biodiesla, zwiększa uzysk oraz ogranicza zużycie nadmiarowego metanolu i katalizatora.
Transestryfikacja biodiesla usprawniona ultradźwiękami
Produkcja biodiesla zazwyczaj obejmuje reakcję chemiczną zwaną transestryfikacją, w której trigliceryd (taki jak olej roślinny, tłuszcz zwierzęcy lub zużyte oleje spożywcze) reaguje z alkoholem (takim jak metanol) w obecności katalizatora, wytwarzając biodiesel (estry metylowe kwasów tłuszczowych) i glicerol. Reaktory ultradźwiękowe mogą usprawniać proces transestryfikacji na kilka sposobów, zapewniając szereg korzyści:
- Lepsze mieszanie: Fale ultradźwiękowe mogą tworzyć pęcherzyki kawitacyjne, które gwałtownie zapadają się, powodując intensywne mieszanie i ruch mieszaniny reakcyjnej. Zapewnia to lepszy kontakt między reagentami a katalizatorem, co prowadzi do szybszej i pełniejszej transestryfikacji.
- Przyspieszona kinetyka reakcji: Warunki o wysokiej energii, wytwarzane przez fale ultradźwiękowe, mogą aktywować reakcję, zwiększając jej szybkość i skracając czas potrzebny do osiągnięcia określonego stopnia konwersji. Może to zapewnić wyższy uzysk i niższe koszty.
- Mniejsze zużycie katalizatora: Reaktory ultradźwiękowe mogą poprawiać efektywność wykorzystania katalizatora, udostępniając więcej miejsc aktywnych dla reakcji. Oznacza to, że do osiągnięcia tego samego stopnia konwersji potrzeba mniej katalizatora, co zmniejsza koszty i wpływ na środowisko.
- Lepsza jakość produktu: Reaktory ultradźwiękowe mogą wytwarzać biodiesel o mniejszej zawartości wolnych kwasów tłuszczowych, wyższej czystości i lepszych właściwościach przepływowych w niskich temperaturach. 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 układu z reaktorem ultradźwiękowym jest wysoce opłacalne, ponieważ reaktory ultradźwiękowe znacznie poprawiają efektywność, szybkość i jakość transestryfikacji biodiesla. Podsumowując, sonikacja sprawia, że transestryfikacja staje się procesem bardziej zrównoważonym pod względem ekonomicznym i środowiskowym.
Problemy konwencjonalnego mieszania biodiesla: Konwencjonalna reakcja estryfikacji w procesie okresowym zwykle przebiega powoli, a rozdział fazowy gliceryny jest czasochłonny i często trwa 5 godzin lub dłużej.
Reaktory ultradźwiękowe pomagają przyspieszyć proces produkcji biodiesla i jednocześnie zwiększyć jego uzysk oraz jakość przy niższych kosztach przetwarzania!
Sonikator przemysłowy UIP2000hdT z komorą przepływową FC2T500k do estryfikacji i transestryfikacji biodiesla w trybie przepływowym.
Zalety ultradźwiękowej transestryfikacji biodiesla
- Wyższy uzysk biodiesla dzięki lepszemu mieszaniu
- Wyższa jakość biodiesla
- Wykorzystanie nawet oleju najgorszej jakości jako surowca
- Ciągłe przetwarzanie w trybie przepływowym
- Mniej metanolu
- Mniej katalizatora
- Oszczędność czasu dzięki szybkiej konwersji
- Oszczędność energii
- Prosta i bezpieczna obsługa
- Solidność i niewielkie wymagania konserwacyjne
- Wysoka wydajność: praca 24/7 pod pełnym obciążeniem
Reaktor ultradźwiękowy UIP16000hdT produkuje ok. 32MMGY
„Jesteśmy bardzo zadowoleni z urządzeń i obsługi Hielscher i zdecydowanie zamierzamy wykorzystywać technologię sonikacji Hielscher we wszystkich naszych przyszłych przedsięwzięciach.”
Todd Stephens, Tulsa Biofuels
Ultradźwięki w produkcji biodiesla
Biodiesel jest często produkowany w reaktorach okresowych. Ultradźwiękowa konwersja do biodiesla umożliwia ciągłe przetwarzanie w trybie przepływowym. Sonikacja może zapewnić uzysk biodiesla przekraczający 99%. Reaktory ultradźwiękowe skracają czas przetwarzania z konwencjonalnego procesu okresowego trwającego od 1 do 4 godzin do mniej niż 30 sekund. Co ważniejsze, sonikacja skraca czas rozdziału z od 5 do 10 godzin (przy konwencjonalnym mieszaniu) do mniej niż 60 minut. Sonikacja pomaga również zmniejszyć wymaganą ilość katalizatora nawet o 50% dzięki zwiększonej aktywności chemicznej w obecności kawitacji. Przy zastosowaniu sonikacji zmniejsza się także wymagana ilość nadmiarowego metanolu. Kolejną korzyścią jest wynikający z tego wzrost czystości gliceryny.
Ultradźwiękowa produkcja biodiesla krok po kroku:
- olej roślinny lub tłuszcz zwierzęcy miesza się z metanolem (który tworzy estry metylowe) lub etanolem (do wytwarzania estrów etylowych) oraz metanolanem lub wodorotlenkiem sodu bądź potasu
- mieszaninę podgrzewa się, np. do temperatury od 45 do 65degC
- podgrzaną mieszaninę poddaje się sonikacji w trybie przepływowym przez 5–15 sekund
- gliceryna wydziela się lub jest oddzielana za pomocą wirówek
- biodiesel otrzymany w wyniku konwersji przemywa się wodą
Sonikację najczęściej przeprowadza się przy podwyższonym ciśnieniu (od 1 do 3bar, ciśnienie względne), stosując pompę zasilającą i regulowany zawór przeciwciśnieniowy obok komory przepływowej.
Przemysłowa konwersja do biodiesla nie wymaga dużej ilości energii ultradźwiękowej. Rzeczywiste zapotrzebowanie na energię można określić w skali stanowiska laboratoryjnego, używając np. procesora ultradźwiękowego o mocy 1kW, takiego jak UIP1000hdT. Wszystkie wyniki takich prób można skalować liniowo i bez żadnych problemów. W razie potrzeby dostępne są urządzenia ultradźwiękowe z certyfikatem ATEX, takie jak UIP1000-Exd.
Hielscher dostarcza przemysłowe urządzenia do ultradźwiękowego przetwarzania biodiesla na całym świecie. Dzięki procesorom ultradźwiękowym o mocy do 16kW na pojedyncze urządzenie nie ma ograniczeń dotyczących wielkości zakładu produkcji biodiesla ani zdolności przetwarzania.
Koszty ultradźwiękowej produkcji biodiesla
Sonikacja jest skutecznym sposobem zwiększania szybkości reakcji i stopnia konwersji w komercyjnej produkcji biodiesla. Koszty przetwarzania ultradźwiękowego wynikają głównie z nakładów inwestycyjnych na urządzenia ultradźwiękowe, kosztów mediów i konserwacji. Znakomita efektywność energetyczna sonikatorów Hielscher pomaga zmniejszyć koszty mediów, a tym samym uczynić ten proces jeszcze bardziej przyjaznym dla środowiska. Wynikające z tego koszty sonikacji przy zastosowaniu na skalę komercyjną wynoszą od 0,1ct do 1,0ct na litr (od 0,4ct do 1,9ct/gallon).
Przeczytaj więcej o efektywności procesu i korzyściach ekonomicznych ultradźwiękowej produkcji biodiesla!
Mieszanie ultradźwiękowe zmniejsza jednostkowe zużycie energii podczas produkcji biodiesla, zdecydowanie przewyższając mieszanie magnetyczne hydrodynamiczne i mieszalniki o wysokim ścinaniu.
Układ ultradźwiękowy do produkcji biodiesla na małą skalę
Sonikację można stosować do konwersji oleju do biodiesla w dowolnej skali. Poniższa ilustracja przedstawia układ do przetwarzania na małą skalę, obejmującego 60–70L (od 16 do 19 galonów). Jest to typowy układ do wstępnych badań i demonstracji procesu.
Ultradźwiękową estryfikację i transestryfikację można prowadzić jako proces okresowy lub ciągły proces przepływowy. Ten schemat przedstawia ultradźwiękowy proces okresowy konwersji do biodiesla.
3x sonikatory o mocy 1kW modelu 1000hdT z ultradźwiękowym reaktorem przepływowym do wysoce efektywnej konwersji do biodiesla.
- jeden sonikator (np. UIP500hdT lub UIP1000hdT) ze wzmacniaczem amplitudy, sonotrodą i komorą przepływową
- miernik mocy do pomiaru mocy i energii
- zbiornik procesowy 80L (z tworzywa sztucznego, np. HDPE)
- element grzejny (od 1 do 2kW)
- zbiornik 10L do przygotowania mieszaniny wstępnej katalizatora (z tworzywa sztucznego, np. HDPE)
- mieszalnik wstępny katalizatora (mieszadło)
- pompa (odśrodkowa, mono lub zębata) o natężeniu przepływu ok. 10–20L/min przy ciśnieniu od 1 do 3 barg
- zawór przeciwciśnieniowy do regulacji ciśnienia w komorze przepływowej
- manometr do pomiaru ciśnienia zasilania
Reaktory ultradźwiękowe zapewniające doskonalsze przetwarzanie biodiesla
Hielscher Ultrasonics oferuje wysokowydajne procesory i reaktory ultradźwiękowe, które usprawnią produkcję biodiesla dzięki wyższemu uzyskowi, lepszej jakości biodiesla, krótszemu czasowi przetwarzania i niższym kosztom produkcji.
Reaktory ultradźwiękowe do transestryfikacji biodiesla na małą i średnią skalę
Do produkcji biodiesla na małą i średnią skalę, do 9ton/hr (2900 gal/hr), Hielscher oferuje UIP500hdT (500 watów), UIP1000hdT (1000 watów), UIP1500hdT (1500 watów) i UIP2000hdT (2000 watów) jako ultradźwiękowe mieszalniki o wysokim ścinaniu z reaktorami przepływowymi, zapewniające niezawodne i efektywne przetwarzanie biodiesla w trybie przepływowym. Te cztery reaktory ultradźwiękowe są bardzo kompaktowe i łatwe do zintegrowania z instalacją lub zamontowania w istniejącym układzie. Są przystosowane do intensywnej pracy w trudnych warunkach. Poniżej przedstawiono zalecane konfiguracje reaktorów dla różnych wydajności produkcji.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT (500 watów) |
0,25–0,5
|
80–160
|
| 1x UIP1000hdT (1000 watów) |
0,5–1,0
|
160–320
|
| 1x UIP1500hdT (1500 watów) |
0,75–1,5
|
240–480
|
| 1x UIP2000hdT (2000 watów) |
1,0–2,0
|
320–640
|
| 2x UIP2000hdT (2000 watów) |
2,0–4,0
|
640–1280
|
| 4xUIP1500hdT (1500 watów) |
3,0–6,0
|
960–1920
|
| 6x UIP1500hdT (1500 watów) |
4,5–9,0
|
1440–2880
|
| 6x UIP2000hdT (2000 watów) |
6,0–12,0
|
1920–3840
|
Przemysłowe reaktory do biodiesla o bardzo dużej wydajności przetwarzania
Dla zakładów produkcji biodiesla prowadzących przetwarzanie przemysłowe Hielscher oferuje homogenizatory ultradźwiękowe UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10000 (10kW) i UIP16000hdT (16kW)! Te procesory ultradźwiękowe są przeznaczone do ciągłego przetwarzania przy dużych natężeniach przepływu. UIP4000hdT, UIP6000hdT i UIP10000 można zintegrować ze standardowymi kontenerami do transportu morskiego. Alternatywnie wszystkie cztery modele procesorów są dostępne w szafach ze stali nierdzewnej. Montaż pionowy wymaga minimalnej przestrzeni. Poniżej przedstawiono zalecane konfiguracje dla typowych przemysłowych wydajności przetwarzania.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP6000hdT (6000 watów) |
3,0–6,0
|
960–1920
|
| 3x UIP4000hdT (4000 watów) |
6,0–12,0
|
1920–3840
|
| 5x UIP4000hdT (4000 watów) |
10,0–20,0
|
3200–6400
|
| 3x UIP6000hdT (6000 watów) |
9,0–18,0
|
2880–5880
|
| 3x UIP10000 (10 000 watów) |
15,0–30,0
|
4800–9600
|
| 3x UIP16000hdT (16 000 watów) |
24,0–48,0
|
7680–15 360
|
| 5x UIP16000hdT |
40,0–80,0
|
12 800–25 600
|
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Sonikator UIP16000hdT może przetwarzać 32MMGY biodiesla.
Innowacja technologiczna roku Frost & Sullivan
Hielscher Ultrasonics otrzymał prestiżową nagrodę Frost and Sullivan za innowację technologiczną roku w uznaniu opracowania przez firmę nowatorskiej technologii ultradźwiękowej do produkcji biodiesla.
Kliknij tutaj, aby przeczytać więcej o nagrodzie Frost and Sullivan dla reaktorów do biodiesla Hielscher Ultrasonics!
Transestryfikacja – chemiczna konwersja do biodiesla
Produkcja biodiesla z olejów roślinnych (np. sojowego, rzepakowego typu canola, z jatrofy, z nasion słonecznika), alg, tłuszczów zwierzęcych oraz zużytych olejów spożywczych obejmuje katalizowaną zasadą transestryfikację kwasów tłuszczowych metanolem lub etanolem, prowadzącą do otrzymania odpowiednich estrów metylowych lub etylowych. Gliceryna jest nieuniknionym produktem ubocznym tej reakcji.
Oleje roślinne, podobnie jak tłuszcze zwierzęce, są triglicerydami złożonymi z trzech łańcuchów kwasów tłuszczowych połączonych cząsteczką gliceryny. Triglicerydy są estrami. Estry to kwasy, takie jak kwasy tłuszczowe, połączone z alkoholem. Gliceryna (= glicerol) jest ciężkim alkoholem. W procesie konwersji estry triglicerydowe są przekształcane w estry alkilowe (= biodiesel) przy użyciu katalizatora (ługu) i reagenta alkoholowego, np. metanolu, który daje biodiesel w postaci estrów metylowych. Metanol zastępuje glicerynę. Ten proces konwersji chemicznej nazywa się transestryfikacją.
Po transestryfikacji gliceryna, będąca cięższą fazą, opada na dno. Biodiesel, będący lżejszą fazą, unosi się na wierzchu i można go oddzielić, np. za pomocą dekanterów lub wirówek.
Przygotowanie biodiesla
Wodorotlenek potasu (od 0,2 do 0,4kg, katalizator) rozpuszcza się w ok. 8,5L metanolu w zbiorniku do przygotowania mieszaniny wstępnej katalizatora. Wymaga to mieszania tej mieszaniny. Zbiornik procesowy napełnia się 66L oleju roślinnego. Olej podgrzewa się za pomocą elementu grzejnego do temperatury od 45 do 65degC.
Konwersja do biodiesla
Gdy katalizator całkowicie rozpuści się w metanolu, mieszaninę wstępną katalizatora miesza się z podgrzanym olejem. Pompa podaje mieszaninę do komory przepływowej. Za pomocą zaworu przeciwciśnieniowego ustawia się ciśnienie od 1 do 3barg (od 15 do 45psig). Recyrkulację przez ultradźwiękowy reaktor do biodiesla należy prowadzić przez ok. 20 minut. W tym czasie olej jest przekształcany w biodiesel. Następnie wyłącza się pompę i ultradźwięki. Gliceryna (cięższa faza) oddziela się od biodiesla (lżejsza faza). Rozdział trwa ok. 30–60 minut. Po zakończeniu rozdziału glicerynę można spuścić.
Przemywanie biodiesla
Ponieważ biodiesel otrzymany w wyniku konwersji zawiera zanieczyszczenia, konieczne jest przemywanie. W tym celu wodę miesza się z biodieslem. Sonikacja może usprawnić mieszanie biodiesla z wodą. Zwiększa to aktywną powierzchnię wskutek zmniejszenia wielkości kropli. Należy pamiętać, że bardzo intensywna sonikacja może zmniejszyć krople wody do rozmiaru, przy którym powstaje niemal stabilna emulsja, wymagająca specjalnych środków (np. wirówki) do rozdzielenia.
Zakład produkcji biodiesla
Poniższy schemat przepływu przedstawia typowy układ do sonikacji oleju, metanolu i katalizatora w trybie przepływowym w celu konwersji do biodiesla.
Ultradźwiękową estryfikację i transestryfikację można prowadzić jako proces okresowy lub ciągły proces przepływowy. Schemat przedstawia ultradźwiękowy proces przepływowy transestryfikacji biodiesla (FAME).
Ciągłe przetwarzanie i rozdział biodiesla
W układzie do ciągłego przetwarzania biodiesla i ciągłego rozdziału podgrzany olej oraz mieszaninę wstępną katalizatora miesza się w sposób ciągły za pomocą pomp z regulacją. Mieszalnik statyczny zamontowany w linii poprawia jednorodność strumienia zasilającego reaktor ultradźwiękowy. Mieszanina oleju i katalizatora przepływa przez komorę przepływową, gdzie jest poddawana kawitacji ultradźwiękowej przez ok. 5–30 sekund. Zawór przeciwciśnieniowy służy do regulacji ciśnienia w komorze przepływowej. Mieszanina poddana sonikacji trafia do kolumny reaktora od góry. Objętość kolumny reaktora jest dobrana tak, aby zapewnić czas przebywania w kolumnie wynoszący ok. 1 godzinę. W tym czasie reakcja transestryfikacji zostaje zakończona. Mieszanina gliceryny i biodiesla po reakcji jest pompowana do wirówki, gdzie zostaje rozdzielona na frakcje biodiesla i gliceryny. Dalsza obróbka obejmuje odzysk metanolu, przemywanie i suszenie i również może być prowadzona w sposób ciągły.
Ten układ eliminuje okresowe przetwarzanie partii w reaktorach do biodiesla, konwencjonalne mieszadła i duże zbiorniki separacyjne.
Szybkość reakcji transestryfikacji biodiesla
Poniższe wykresy przedstawiają typowe wyniki transestryfikacji oleju rzepakowego (jakości przemysłowej) z metanolanem sodu (po lewej) i wodorotlenkiem potasu (po prawej). W obu testach próbkę kontrolną (niebieska linia) poddano intensywnemu mieszaniu mechanicznemu. Czerwona linia przedstawia próbkę poddaną sonikacji, o identycznych proporcjach objętościowych, stężeniu katalizatora i temperaturze. Oś pozioma przedstawia czas po mieszaniu lub sonikacji, odpowiednio. Oś pionowa przedstawia 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) i konwencjonalnego (niebieski wykres) w produkcji biodiesla – z zastosowaniem metanolanu sodu (po lewej) i wodorotlenku potasu (po prawej) jako katalizatorów.
Odnośniki do dostawców wyposażenia do produkcji biodiesla
Kliknij tutaj, aby uzyskać odnośniki do dostawców pomp i zbiorników dla przemysłu biodiesla.
Informacje chemiczne i dotyczące bezpieczeństwa
Prosimy uważnie przeczytać poniższe informacje, aby zapobiec komplikacjom i niekorzystnym skutkom zdrowotnym.
Substancje chemiczne stosowane w produkcji biodiesla
Metanol jest toksyczny. Przy długotrwałym stosowaniu może powodować uszkodzenie nerwów. Może również ulegać adsorpcji przez skórę. W przypadku dostania się do oczu może powodować ślepotę, a po połknięciu metanol może być śmiertelny. Z tego powodu podczas pracy z metanolem należy stosować niezbędne środki ostrożności. Zaleca się używanie dobrej maski oddechowej, fartucha i gumowych rękawic.
Wodorotlenek potasu (KOH) jest toksyczny i przy kontakcie powoduje oparzenia skóry. Wymagana jest dobra wentylacja.
Należy zapewnić obfitą i dokładną wentylację miejsca pracy, aby umożliwić usuwanie oparów. Maski oddechowe z pochłaniaczami par nie są skuteczne wobec oparów metanolu. System z doprowadzaniem powietrza (SCBA – autonomiczny aparat oddechowy) zapewnia lepszą ochronę przed parami metanolu.
Biodiesel i części gumowe
Długotrwała praca na 100% biodieslu może powodować problemy z gumowymi częściami silnika mającymi kontakt z paliwem (pompa, przewody, pierścienie uszczelniające typu O-ring). Wymiana na części stalowe lub gumę o wysokiej wytrzymałości może wyeliminować ten problem. Alternatywnie można domieszać do biodiesla ok. 25% konwencjonalnego (kopalnego) oleju napędowego, aby zapobiec problemom.
Literatura / Źródła
- 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 o rozmiarach od laboratoryjnych po przemysłowe.