Produkcja biodiesla o wyjątkowej efektywności procesu i efektywności kosztowej

Mieszanie ultradźwiękowe to technologia przewyższająca inne rozwiązania w wysoce wydajnej i opłacalnej produkcji biodiesla. Kawitacja ultradźwiękowa radykalnie poprawia transport masy, zmniejszając tym samym 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 do produkcji w dowolnej skali. Dowiedz się więcej o korzyściach, jakie sonikacja przyniesie Twojej produkcji biodiesla!

Korzyści ze stosowania ultradźwięków w produkcji biodiesla

Biodiesel (ester metylowy kwasu tłuszczowego, w skrócie FAME) jest produktem reakcji transestryfikacji surowca lipidowego (triglicerydów, np. oleju roślinnego, zużytych olejów kuchennych, tłuszczów zwierzęcych, oleju z alg) z alkoholem (metanolem, etanolem) z użyciem katalizatora (np. wodorotlenku potasu KOH).
Problem: W konwencjonalnym procesie konwersji do biodiesla z zastosowaniem konwencjonalnego mieszania niemieszalność obu reagentów reakcji transestryfikacji – oleju i alkoholu – prowadzi do niskiej szybkości transportu masy, a w rezultacie do niewydajnej produkcji biodiesla. Tę niewydajność charakteryzują długie czasy reakcji, wyższe stosunki molowe metanolu do oleju, duże zapotrzebowanie na katalizator, wysokie temperatury procesu i duże prędkości mieszania. Czynniki te znacząco zwiększają koszty, sprawiając, że konwencjonalna produkcja biodiesla jest kosztownym procesem.
Rozwiązanie: Mieszanie ultradźwiękowe emulguje reagenty w sposób wysoce wydajny, szybki i tani, dzięki czemu można poprawić stosunek oleju do metanolu, zmniejszyć zapotrzebowanie na katalizator oraz skrócić czas reakcji i obniżyć jej temperaturę. Pozwala to oszczędzać zasoby (tj. substancje chemiczne i energię) oraz czas, zmniejszać koszty przetwarzania, a jednocześnie znacząco poprawiać jakość biodiesla i rentowność produkcji. Fakty te sprawiają, że mieszanie ultradźwiękowe jest preferowaną technologią skutecznej produkcji biodiesla.
Badania oraz przemysłowi producenci biodiesla potwierdzają, że mieszanie ultradźwiękowe jest wysoce opłacalnym sposobem produkcji biodiesla, nawet gdy surowcem są oleje i tłuszcze niskiej jakości. Ultradźwiękowa intensyfikacja procesu znacznie poprawia stopień konwersji, ograniczając stosowanie nadmiaru metanolu i katalizatora oraz umożliwiając produkcję biodiesla spełniającego wymagania jakościowe specyfikacji ASTM D6751 i EN 14212. (por. Abdullah i in., 2015)

Transestryfikacja triglicerydów do biodiesla (FAME) z zastosowaniem sonikacji przyspiesza reakcję i znacząco zwiększa wydajność.

Liczne zalety mieszania ultradźwiękowego w produkcji biodiesla

Ultradźwiękowe reaktory mieszające można łatwo zintegrować z dowolną nową instalacją, a także zamontować w istniejących zakładach produkcji biodiesla. Integracja mieszalnika ultradźwiękowego Hielscher przekształca każdy zakład produkcji biodiesla w wysokowydajny zakład produkcyjny. Prosty montaż, wytrzymałość i łatwość obsługi (obsługa nie wymaga specjalnego szkolenia) pozwalają zmodernizować dowolny zakład do poziomu wysoce wydajnej wytwórni biodiesla. Poniżej przedstawiamy naukowo potwierdzone wyniki dotyczące korzyści udokumentowanych przez niezależne podmioty. Liczby dowodzą przewagi ultradźwiękowego mieszania w produkcji biodiesla nad każdą konwencjonalną techniką mieszania.

Schemat przedstawia etapy produkcji biodiesla, w tym mieszanie ultradźwiękowe zwiększające efektywność procesu.

Porównanie efektywności i kosztów: ultradźwięki a mieszanie mechaniczne

Gholami i in. (2021) przedstawiają w swoim badaniu porównawczym zalety transestryfikacji ultradźwiękowej w stosunku do mieszania mechanicznego (tj. mieszalnika łopatkowego, mieszadła wirnikowego, mieszalnika o wysokim ścinaniu).

Niskie koszty inwestycyjne:
Procesor ultradźwiękowy i reaktor UIP16000 mogą produkować 192–384 t biodiesla/d, zajmując powierzchnię o wymiarach zaledwie 1,2m x 0,6m. Dla porównania mieszanie mechaniczne (MS) wymaga znacznie większego reaktora ze względu na długi czas reakcji w procesie mieszania mechanicznego, co powoduje znaczny wzrost kosztu reaktora. (por. Gholami i in., 2020)
Niskie koszty przetwarzania:
Koszty przetwarzania w ultradźwiękowej produkcji biodiesla są o 7,7% niższe niż w procesie mieszania, głównie ze względu na niższe całkowite nakłady inwestycyjne na proces sonikacji. Koszt substancji chemicznych (katalizatora, metanolu/alkoholu) jest trzecim co do wielkości czynnikiem kosztowym w obu procesach: sonikacji i mieszaniu mechanicznym. Jednak w przypadku ultradźwiękowej konwersji do biodiesla koszty substancji chemicznych są znacznie niższe niż w przypadku mieszania mechanicznego. Udział kosztów substancji chemicznych wynosi około 5% końcowego kosztu biodiesla. Ze względu na mniejsze zużycie metanolu, wodorotlenku sodu i kwasu fosforowego koszt substancji chemicznych w ultradźwiękowym procesie produkcji biodiesla jest o 2,2% niższy niż w procesie mieszania mechanicznego.

Niższe koszty energii:
Zużycie energii przez ultradźwiękowy reaktor mieszający jest około trzykrotnie niższe niż przez mieszadło mechaniczne. To znaczne zmniejszenie zużycia energii wynika z intensywnego mikromieszania i skrócenia czasu reakcji wskutek powstawania i zapadania się niezliczonych pęcherzyków kawitacyjnych, 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 w procesie mieszania ultradźwiękowego jest mniejsze odpowiednio o 26,5% i 1,3%. Spadek ten wynika z mniejszych ilości metanolu wprowadzanych do tych dwóch kolumn destylacyjnych w procesie transestryfikacji ultradźwiękowej.

Znacznie niższe koszty unieszkodliwiania odpadów:
Technologia kawitacji ultradźwiękowej również znacząco obniża koszt unieszkodliwiania odpadów. W procesie sonikacji koszt ten wynosi około jednej piątej kosztu w procesie mieszania, co wynika ze znacznego ograniczenia wytwarzania odpadów dzięki wyższemu stopniowi konwersji w reaktorze i mniejszym ilościom zużywanego alkoholu.
Dowiedz się więcej o ultradźwiękowej konwersji olejów ze zużytych fusów kawowych do biodiesla!

Większa przyjazność dla środowiska:
Ze względu na bardzo wysoką ogólną efektywność, mniejsze zużycie substancji chemicznych, niższe zapotrzebowanie na energię i mniejszą ilość odpadów ultradźwiękowa produkcja biodiesla jest znacznie bardziej przyjazna dla środowiska niż konwencjonalne procesy produkcji biodiesla.

Wnioski – ultradźwięki poprawiają efektywność produkcji biodiesla

Ocena naukowa wskazuje na wyraźną przewagę mieszania ultradźwiękowego nad konwencjonalnym mieszaniem mechanicznym w produkcji biodiesla. Zalety ultradźwiękowego przetwarzania biodiesla obejmują całkowite nakłady inwestycyjne, całkowity koszt produktu, wartość bieżącą netto i wewnętrzną stopę zwrotu. Stwierdzono, że całkowite nakłady inwestycyjne na proces kawitacji ultradźwiękowej były o około 20,8% niższe niż na drugi z porównywanych procesów. Zastosowanie reaktorów ultradźwiękowych zmniejszyło koszty produktu o 5,2% – przy użyciu świeżego oleju rzepakowego typu canola. Ponieważ sonikacja umożliwia również przetwarzanie zużytych olejów (np. zużytych olejów kuchennych), koszty produkcji można dodatkowo znacznie obniżyć. Gholami i in. (2021) dochodzą 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 efektywność procesu i skrócenie czasu reakcji. Powstawanie i zapadanie się licznych pęcherzyków próżniowych – znane jako kawitacja akustyczna / ultradźwiękowa – skracają czas reakcji z kilku godzin w reaktorze zbiornikowym z mieszadłem do kilku sekund w reaktorze kawitacji ultradźwiękowej. Ten krótki czas przebywania umożliwia produkcję biodiesla w reaktorze przepływowym zajmującym niewielką powierzchnię. Reaktor kawitacji ultradźwiękowej ma również korzystny wpływ na zapotrzebowanie na energię i materiały, zmniejszając zużycie energii do niemal jednej trzeciej zużycia reaktora zbiornikowego z mieszadłem oraz zużycie metanolu i katalizatora o 25%.
Z ekonomicznego punktu widzenia całkowite nakłady inwestycyjne na proces kawitacji ultradźwiękowej są niższe niż na proces mieszania mechanicznego, głównie dzięki zmniejszeniu kosztu reaktora o niemal 50% i kosztu kolumny destylacyjnej metanolu o 11,6%. Proces kawitacji ultradźwiękowej obniża również koszt produkcji biodiesla dzięki zmniejszeniu zużycia oleju rzepakowego typu canola o 4%, niższym całkowitym nakładom inwestycyjnym, o 2,2% mniejszemu zużyciu substancji chemicznych i o 23,8% niższemu zapotrzebowaniu na media. W przeciwieństwie do procesu z mieszaniem mechanicznym przetwarzanie ultradźwiękowe jest akceptowalną inwestycją ze względu na dodatnią wartość bieżącą netto, krótszy okres 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 zmniejsza strumienie odpadów o 80% dzięki wyższemu stopniowi konwersji w reaktorze i mniejszemu zużyciu alkoholu w tym procesie. (por. Gholami i in., 2021)

Przekształć surowiec niskiej jakości w biodiesel najwyższej czystości!

Sonikacja umożliwia skuteczniejsze przetwarzanie surowców niskiej jakości, takich jak odpadowe oleje roślinne, zużyte tłuszcze do smażenia, łój lub oleje rybne, ponieważ kawitacja ultradźwiękowa wymusza znacznie lepszy kontakt między niemieszającymi się fazami olejową i alkoholową, znacznie poprawiając mieszanie oraz transport ciepła i masy. Przyspiesza również kinetykę reakcji, dzięki czemu nawet trudne w przetwarzaniu surowce o zmiennych właściwościach mogą być przekształcane szybciej i w większym stopniu.
Kawitacja akustyczna intensyfikuje środowisko reakcji i może sprzyjać powstawaniu wysoce reaktywnych rodników, co dodatkowo wspomaga szybką transestryfikację i pomaga przezwyciężyć typowe trudności związane z przetwarzaniem surowców niskiej jakości.
Dowiedz się, jak sonikacja przekształca odpadowe oleje i tłuszcze w biodiesel!

Użyj wybranego przez siebie katalizatora

Wykazano, że ultradźwiękowy proces transestryfikacji w produkcji biodiesla jest wydajny przy użyciu zarówno katalizatorów alkalicznych, jak i zasadowych. Na przykład Shinde i Kaliaguine (2019) porównali efektywność mieszania ultradźwiękowego i mechanicznego mieszania łopatkowego z użyciem różnych katalizatorów, a mianowicie wodorotlenku sodu (NaOH), wodorotlenku potasu (KOH), (CH₃ONa), wodorotlenku tetrametyloamoniowego i czterech guanidyn (propyl-2,3-dicykloheksyloguanidyny (PCHG), 1,3-dicykloheksylo-2-n-oktyloguanidyny (DCOG), 1,1,3,3-tetrametyloguanidyny (TMG), 1,3-difenyloguanidyny (DPG)). Wykazano przewagę mieszania ultradźwiękowego (przy 35º) w produkcji biodiesla nad mieszaniem mechanicznym (przy 65º) pod względem wyższych uzysków i stopnia konwersji. Efektywność transportu masy w polu ultradźwiękowym zwiększyła szybkość reakcji transestryfikacji w porównaniu z mieszaniem mechanicznym. Sonikacja przewyższała mieszanie mechaniczne w przypadku wszystkich badanych katalizatorów. Prowadzenie reakcji transestryfikacji z zastosowaniem kawitacji ultradźwiękowej stanowi energooszczędną i przemysłowo opłacalną alternatywę w produkcji biodiesla. Oprócz szeroko stosowanych katalizatorów KOH i NaOH oba katalizatory guanidynowe, propyl-2,3-dicykloheksyloguanidyna (PCHG) i 1,3-dicykloheksylo-2-n-oktyloguanidyna (DCOG), okazały się interesującymi alternatywami w konwersji do biodiesla.
Mootabadi i in. (2010) badali wspomaganą ultradźwiękami syntezę biodiesla z oleju palmowego z użyciem różnych katalizatorów będących tlenkami 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 zapewniał uzysk 95,2% z użyciem BaO w czasie reakcji wynoszącym 60 min, podczas gdy w konwencjonalnym procesie mieszania wymaga to 3–4 h. W przypadku transestryfikacji wspomaganej ultradźwiękami w optymalnych warunkach uzyskanie uzysku 95% wymagało 60 min w porównaniu z 2–4 h przy konwencjonalnym mieszaniu. Ponadto uzyski osiągane z zastosowaniem ultradźwięków w ciągu 60 min wzrosły z 5,5% do 77,3% przy użyciu CaO jako katalizatora, z 48,2% do 95,2% przy użyciu SrO jako katalizatora oraz z 67,3% do 95,2 przy użyciu BaO jako katalizatora.

Produkcja biodiesla z użyciem różnych guanidyn (3% mol) jako katalizatora. (A) Reaktor okresowy z mieszaniem mechanicznym: (metanol:olej rzepakowy typu canola) 4:1, temperatura 65ºC; (B) Ultradźwiękowy reaktor okresowy: sonikator UP200St, (metanol:olej rzepakowy typu canola) 4:1, amplituda ultradźwięków 60%, temperatura 35ºC. Mieszanie ultradźwiękowe zdecydowanie przewyższa mieszanie mechaniczne.
(Badanie i wykresy: Shinde i Kaliaguine, 2019)

Wysokowydajne reaktory ultradźwiękowe zapewniające wyjątkową efektywność przetwarzania biodiesla

Hielscher Ultrasonics oferuje wysokowydajne procesory i reaktory ultradźwiękowe usprawniające produkcję biodiesla, co skutkuje wyższymi uzyskami, lepszą jakością, krótszym czasem przetwarzania i niższymi kosztami produkcji.

Reaktory do produkcji biodiesla w małej i średniej skali

Do produkcji biodiesla w małej i średniej skali, do 9ton/hr (2900 gal/hr), Hielscher oferuje modele ultradźwiękowych mieszalników o wysokim ścinaniu: UIP500hdT (500 watów), UIP1000hdT (1000 watów), UIP1500hdT (1500 watów) oraz UIP2000hdT (2000 watów) . Te cztery reaktory ultradźwiękowe są bardzo kompaktowe i łatwe do zintegrowania z nowymi lub istniejącymi instalacjami. Są przeznaczone do intensywnej eksploatacji w trudnych warunkach. Poniżej przedstawiono zalecane konfiguracje reaktorów dla różnych wydajności produkcji.

Przemysłowe reaktory do produkcji biodiesla o bardzo dużej wydajności przetwarzania

Dla zakładów produkujących biodiesel w skali przemysłowej Hielscher oferuje homogenizatory ultradźwiękowe UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) i UIP16000hdT (16kW) ! Te procesory ultradźwiękowe są przeznaczone do ciągłego przetwarzania przy wysokich 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. Instalacja w pozycji pionowej wymaga minimalnej przestrzeni. Poniżej przedstawiono zalecane konfiguracje dla typowych przemysłowych wydajności przetwarzania.