Produkcja biodiesla z najwyższą efektywnością procesową i kosztową

Mieszanie ultradźwiękowe jest doskonałą technologią do wysoce wydajnej i opłacalnej produkcji biodiesla. Kawitacja ultradźwiękowa drastycznie poprawia przenoszenie masy, zmniejszając w ten sposób koszty produkcji i czas przetwarzania. Jednocześnie można stosować oleje i tłuszcze niskiej jakości (np. oleje odpadowe), a jakość biodiesla ulega poprawie. Hielscher Ultrasonics dostarcza wysokowydajne, wytrzymałe ultradźwiękowe reaktory mieszające dla każdej skali produkcji. Przeczytaj więcej, jak produkcja biodiesla skorzysta z sonikacji!

Korzyści z produkcji biodiesla przy użyciu ultradźwięków

Biodiesel (ester metylowy kwasów tłuszczowych, abrev. FAME) jest produktem reakcji transestryfikacji surowca lipidowego (trójglicerydy, np. olej roślinny, zużyte oleje spożywcze, tłuszcze zwierzęce, olej z alg) i alkoholu (metanol, etanol) przy użyciu katalizatora (np. wodorotlenku potasu KOH).
Problem: W konwencjonalnej konwersji biodiesla przy użyciu konwencjonalnego mieszania, niemieszalny charakter obu reagentów w reakcji transestryfikacji oleju i alkoholu prowadzi do słabej szybkości transferu masy, co skutkuje nieefektywną produkcją biodiesla. Ta nieefektywność charakteryzuje się długimi czasami reakcji, wyższymi stosunkami molowymi metanolu do oleju, wysokimi wymaganiami dotyczącymi katalizatora, wysokimi temperaturami procesu i wysokimi szybkościami mieszania. Czynniki te mają znaczący wpływ na koszty, co sprawia, że konwencjonalna produkcja biodiesla jest kosztownym procesem.
Rozwiązanie: Mieszanie ultradźwiękowe emulguje reagenty w wysoce wydajny, szybki i tani sposób, dzięki czemu można poprawić stosunek oleju do metanolu, zmniejszyć wymagania dotyczące katalizatora, obniżyć czas reakcji i temperaturę reakcji. W ten sposób oszczędzane są zasoby (tj. chemikalia i energia), a także czas, koszty przetwarzania są zmniejszone, a jakość biodiesla i rentowność produkcji ulegają znacznej poprawie. Fakty te sprawiają, że mieszanie ultradźwiękowe jest preferowaną technologią efektywnej produkcji biodiesla.
Badania i przemysłowi producenci biodiesla potwierdzają, że mieszanie ultradźwiękowe jest wysoce opłacalnym sposobem produkcji biodiesla, nawet gdy jako surowiec wykorzystywane są oleje i tłuszcze niskiej jakości. Ultradźwiękowa intensyfikacja procesu znacznie poprawia współczynnik konwersji, zmniejszając zużycie nadmiaru metanolu i katalizatora, umożliwiając produkcję biodiesla spełniającego normy jakościowe specyfikacji ASTM D6751 i EN 14212. (por. Abdullah et al., 2015)

Transestryfikacja trójglicerydów do biodiesla (FAME) przy użyciu sonikacji powoduje przyspieszenie reakcji i znacznie wyższą wydajność.

Liczne zalety mieszania ultradźwiękowego w produkcji biodiesla

Ultradźwiękowe reaktory mieszające można łatwo zintegrować z każdą nową instalacją, a także z istniejącymi instalacjami biodiesla. Integracja mieszalnika ultradźwiękowego Hielscher zamienia każdy zakład biodiesla w wysokowydajny zakład produkcyjny. Prosta instalacja, solidność i łatwość obsługi (nie jest wymagane specjalne szkolenie w zakresie obsługi) pozwalają na modernizację każdego zakładu w wysoce wydajną instalację do produkcji biodiesla. Poniżej przedstawiamy naukowo udowodnione wyniki korzyści udokumentowane przez niezależne strony trzecie. Liczby te dowodzą wyższości ultradźwiękowego mieszania biodiesla nad jakąkolwiek konwencjonalną techniką mieszania.

Schemat blokowy przedstawia etapy produkcji biodiesla, w tym mieszanie ultradźwiękowe w celu poprawy wydajności procesu.

Porównanie wydajności i kosztów: Ultradźwięki a mieszanie mechaniczne

Gholami et al. (2021) przedstawiają w swoim badaniu porównawczym zalety transestryfikacji ultradźwiękowej nad mieszaniem mechanicznym (tj. mieszadłem łopatkowym, wirnikiem, mieszadłem o wysokim ścinaniu).
Koszty inwestycji: Ultradźwiękowy procesor i reaktor UIP16000 może produkować 192-384 t biodiesla / d przy powierzchni zaledwie 1,2 m x 0,6 m. Dla porównania, w przypadku mieszania mechanicznego (MS) wymagany jest znacznie większy reaktor ze względu na długi czas reakcji w procesie mieszania mechanicznego, co powoduje znaczny wzrost kosztów reaktora. (por. Gholami et al., 2020)
Koszty przetwarzania: Koszty przetwarzania ultradźwiękowej produkcji biodiesla są o 7,7% niższe niż w przypadku procesu mieszania, głównie ze względu na niższe całkowite nakłady inwestycyjne na proces sonikacji. Koszt chemikaliów (katalizator, metanol / alkohol) jest trzecim co do wielkości czynnikiem kosztotwórczym w obu procesach, sonikacji i mieszaniu mechanicznym. Jednak w przypadku ultradźwiękowej konwersji biodiesla koszty chemikaliów są znacznie niższe niż w przypadku mieszania mechanicznego. Frakcja kosztów dla chemikaliów stanowi ok. 5% ostatecznego kosztu biodiesla. Ze względu na niższe zużycie metanolu, wodorotlenku sodu i kwasu fosforowego, koszt chemikaliów w ultradźwiękowym procesie biodiesla jest o 2,2% niższy niż w procesie mieszania mechanicznego.
Koszty energii: Energia zużywana przez ultradźwiękowy reaktor mieszający jest około trzykrotnie niższa niż w przypadku mieszadła mechanicznego. Ta znaczna redukcja zużycia energii jest wynikiem intensywnego mikromieszania i skróconego czasu reakcji, wynikającego z wytwarzania i zapadania się niezliczonych wnęk, które charakteryzują zjawisko kawitacji akustycznej / ultradźwiękowej (Gholami i in., 2018). Ponadto, w porównaniu z konwencjonalnym mieszadłem, zużycie energii na etapach odzyskiwania metanolu i oczyszczania biodiesla podczas procesu mieszania ultradźwiękowego zmniejsza się odpowiednio o 26,5% i 1,3%. Spadek ten wynika z mniejszych ilości metanolu wprowadzanego do tych dwóch kolumn destylacyjnych w procesie transestryfikacji ultradźwiękowej.
Koszty usuwania odpadów: Technologia kawitacji ultradźwiękowej znacznie zmniejsza również koszty utylizacji odpadów. Koszt ten w procesie sonikacji wynosi około jednej piątej kosztu w procesie mieszania, co wynika ze znacznego spadku produkcji odpadów ze względu na wyższą konwersję reaktora i mniejsze ilości zużytego alkoholu.
Przeczytaj więcej o ultradźwiękowej konwersji biodiesla olejów ze zużytych fusów kawy!
Przyjazność dla środowiska: Ze względu na bardzo wysoką ogólną wydajność, zmniejszone zużycie chemikaliów, niższe zapotrzebowanie na energię i zmniejszoną ilość odpadów, ultradźwiękowa produkcja biodiesla jest znacznie bardziej przyjazna dla środowiska niż konwencjonalne procesy produkcji biodiesla.

Wnioski – Ultradźwięki poprawiają wydajność produkcji biodiesla

Ocena naukowa pokazuje wyraźne zalety mieszania ultradźwiękowego w porównaniu z konwencjonalnym mieszaniem mechanicznym do produkcji biodiesla. Zalety ultradźwiękowego przetwarzania biodiesla obejmują całkowitą inwestycję kapitałową, całkowity koszt produktu, wartość bieżącą netto i wewnętrzną stopę zwrotu. Kwota całkowitej inwestycji w proces kawitacji ultradźwiękowej okazała się niższa niż w przypadku innych o około 20,8%. Zastosowanie reaktorów ultradźwiękowych obniżyło koszty produktu o 5,2% – przy użyciu oleju rzepakowego z pierwszego tłoczenia. Ponieważ sonikacja pozwala przetwarzać również zużyte oleje (np. zużyte oleje spożywcze), koszty produkcji można znacznie obniżyć. Gholami et al. (2021) doszli do wniosku, że ze względu na dodatnią wartość bieżącą netto, proces kawitacji ultradźwiękowej jest lepszym wyborem technologii mieszania do produkcji biodiesla.
Z technicznego punktu widzenia najważniejsze efekty kawitacji ultradźwiękowej obejmują znaczną wydajność procesu i skrócenie czasu reakcji. Powstawanie i zapadanie się licznych pęcherzyków próżniowych – znana jako kawitacja akustyczna / ultradźwiękowa – skracają czas reakcji z kilku godzin w reaktorze ze zbiornikiem mieszanym do kilku sekund w ultradźwiękowym reaktorze kawitacyjnym. Ten krótki czas przebywania umożliwia produkcję biodiesla w reaktorze przepływowym o niewielkiej powierzchni. Ultradźwiękowy reaktor kawitacyjny wykazuje również korzystny wpływ na zapotrzebowanie na energię i materiały, zmniejszając zużycie energii do prawie jednej trzeciej zużycia energii przez reaktor ze zbiornikiem mieszanym oraz zużycie metanolu i katalizatora o 25%.
Z ekonomicznego punktu widzenia całkowita inwestycja w proces kawitacji ultradźwiękowej jest niższa niż w przypadku procesu mieszania mechanicznego, głównie ze względu na prawie 50% i 11,6% redukcję kosztu reaktora i odpowiednio kosztu kolumny destylacyjnej metanolu. Proces kawitacji ultradźwiękowej zmniejsza również koszty produkcji biodiesla ze względu na 4% redukcję zużycia oleju rzepakowego, niższą całkowitą inwestycję, 2,2% niższe zużycie chemikaliów i 23,8% niższe zapotrzebowanie na media. W przeciwieństwie do procesu mieszania mechanicznego, przetwarzanie ultradźwiękowe jest akceptowalną inwestycją ze względu na dodatnią wartość bieżącą netto, krótszy czas zwrotu i wyższą wewnętrzną stopę zwrotu. Oprócz korzyści techniczno-ekonomicznych związanych z procesem kawitacji ultradźwiękowej, jest on bardziej przyjazny dla środowiska niż proces mieszania mechanicznego. Kawitacja ultradźwiękowa powoduje 80% redukcję strumieni odpadów ze względu na wyższą konwersję w reaktorze i zmniejszone zużycie alkoholu w tym procesie. (por. Gholami et al., 2021)

Użyj wybranego katalizatora

Ultradźwiękowy proces transestryfikacji biodiesla został udowodniony jako skuteczny przy użyciu zarówno katalizatorów alkalicznych, jak i zasadowych. Na przykład Shinde i Kaliaguine (2019) porównali skuteczność mieszania ultradźwiękowego i mechanicznego przy użyciu różnych katalizatorów, a mianowicie wodorotlenku sodu (NaOH), wodorotlenku potasu (KOH), (CH₃ONa), wodorotlenek tetrametyloamoniowy i cztery guanidyny (guanidyna propylo-2,3-dicykloheksylowa (PCHG), guanidyna 1,3-dicykloheksylowa 2 n-oktylowa (DCOG), guanidyna 1,1,3,3-tetrametylowa (TMG), guanidyna 1,3-difenylowa (DPG)). Mieszanie ultradźwiękowe (przy 35º) okazało się lepsze w produkcji biodiesla, przewyższając mieszanie mechaniczne (przy 65º) dzięki wyższej wydajności i współczynnikowi konwersji. Wydajność transferu masy w polu ultradźwiękowym zwiększyła szybkość reakcji transestryfikacji w porównaniu z mieszaniem mechanicznym. Sonikacja przewyższała mechaniczne mieszanie dla wszystkich testowanych katalizatorów. Prowadzenie reakcji transestryfikacji za pomocą kawitacji ultradźwiękowej jest energooszczędną i opłacalną przemysłowo alternatywą dla produkcji biodiesla. Oprócz powszechnie stosowanych katalizatorów KOH i NaOH, oba katalizatory guanidynowe, propyl-2,3-dicykloheksyloguanidyna (PCHG) i 1,3-dicykloheksyl 2 n-oktyloguanidyna (DCOG), zostały wykazane jako interesujące alternatywy dla konwersji biodiesla.
Mootabadi et al. (2010) badali wspomaganą ultradźwiękami syntezę biodiesla z oleju palmowego przy użyciu różnych katalizatorów z tlenków metali alkalicznych, takich jak CaO, BaO i SrO. Aktywność katalizatora w syntezie biodiesla wspomaganej ultradźwiękami porównano z tradycyjnym procesem mieszania magnetycznego i stwierdzono, że proces ultradźwiękowy wykazał 95,2% wydajności przy użyciu BaO w ciągu 60 minut czasu reakcji, co w przeciwnym razie zajmuje 3-4 godziny w konwencjonalnym procesie mieszania. W przypadku transestryfikacji wspomaganej ultradźwiękami w optymalnych warunkach, 60 minut było wymagane do osiągnięcia 95% wydajności w porównaniu do 2-4 godzin przy konwencjonalnym mieszaniu. Ponadto wydajność uzyskana za pomocą ultradźwięków w ciągu 60 minut wzrosła z 5,5% do 77,3% przy użyciu CaO jako katalizatorów, 48,2% do 95,2% przy użyciu SrO jako katalizatorów i 67,3% do 95,2 przy użyciu BaO jako katalizatorów.

Produkcja biodiesla przy użyciu różnych guanidyn (3% mol) jako katalizatora. (A) Reaktor wsadowy z mieszaniem mechanicznym: (metanol:olej rzepakowy) 4:1, temperatura 65ºC; (B) Reaktor wsadowy z ultradźwiękami: ultrasonicator UP200St(metanol:olej rzepakowy) 4:1, 60% amplituda US, temperatura 35ºC. Mieszanie ultradźwiękowe zdecydowanie przewyższa mieszanie mechaniczne.
(Badanie i wykresy: Shinde i Kaliaguine, 2019)

Wysokowydajne reaktory ultradźwiękowe do doskonałego przetwarzania biodiesla

Hielscher Ultrasonics oferuje wysokowydajne procesory ultradźwiękowe i reaktory do ulepszonej produkcji biodiesla, co skutkuje wyższymi plonami, lepszą jakością, krótszym czasem przetwarzania i niższymi kosztami produkcji.

Reaktory biodiesla na małą i średnią skalę

Do produkcji biodiesla na małą i średnią skalę do 9 ton/godzinę (2900 gal/godzinę), Hielscher oferuje następujące rozwiązania UIP500hdT (500 W), UIP1000hdT (1000 W), UIP1500hdT (1500 W), i UIP2000hdT (2000 W) modele ultradźwiękowych mieszalników wysokoobrotowych. 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.

Przemysłowe reaktory biodiesla o bardzo dużej przepustowości

Dla zakładów przetwórstwa przemysłowego biodiesla Hielscher oferuje UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) i UIP16000hdT (16kW) homogenizatory ultradźwiękowe! 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.