Produkcja biodiesla przy zachowaniu najwyższej wydajności procesu i kosztów

Mieszanie ultradźwiękowe jest najlepszą technologią dla wysokowydajnej i ekonomicznej produkcji biodiesla. Kawitacja ultradźwiękowa znacznie poprawia przenoszenie masy, co obniża koszty produkcji i skraca czas jej trwania. Jednocześnie można wykorzystać oleje i tłuszcze o niskiej jakości (np. oleje odpadowe) i poprawić jakość biodiesla. Firma Hielscher Ultrasonics dostarcza wysokowydajne i wytrzymałe reaktory mieszania ultradźwiękowego dla każdej skali produkcji. Dowiedz się więcej o korzyściach z sonikacji w produkcji biodiesla!

Korzyści z produkcji biodiesla przy użyciu ultradźwięków

Biodiesel (ester metylowy kwasów tłuszczowych, skrót 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 z wykorzystaniem konwencjonalnego mieszania, niemieszający się charakter obu reagentów reakcji transestryfikacji oleju i alkoholu prowadzi do słabego tempa przenoszenia masy, co skutkuje nieefektywną produkcją biodiesla. Niewydajność ta charakteryzuje się długim czasem reakcji, wyższym stosunkiem molowym metanol-olej, wysokimi wymaganiami dotyczącymi katalizatora, wysoką temperaturą procesu i dużą szybkością mieszania. Czynniki te mają istotny wpływ na koszty, czyniąc konwencjonalną produkcję biodiesla kosztownym procesem.
Rozwiązanie: Mieszanie ultradźwiękowe emulguje reagenty w sposób wysoce wydajny, szybki i tani, dzięki czemu można poprawić stosunek oleju do metanolu, zmniejszyć wymagania dotyczące katalizatora, obniżyć czas i temperaturę reakcji. W ten sposób oszczędza się zasoby (tj. chemikalia i energię) oraz czas, obniża koszty przetwarzania, a także znacznie poprawia jakość biodiesla i opłacalność produkcji. Te fakty sprawiają, że mieszanie ultradźwiękowe staje się preferowaną technologią efektywnej produkcji biodiesla.
Badania naukowe i przemysłowi producenci biodiesla potwierdzają, że mieszanie ultradźwiękowe jest bardzo opłacalnym sposobem produkcji biodiesla, nawet gdy jako surowiec stosowane są oleje i tłuszcze o niskiej jakości. Ultradźwiękowa intensyfikacja procesu znacznie poprawia współczynnik konwersji, zmniejszając zużycie nadmiaru metanolu i katalizatora, co pozwala na produkcję biodiesla spełniającego normy jakościowe specyfikacji ASTM D6751 i EN 14212. (por. Abdullah i in., 2015)

Transestryfikacja triglicerydów do biodiesla (FAME) z zastosowaniem 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, jak również z istniejącymi już instalacjami do produkcji biodiesla. Dzięki zastosowaniu mieszalnika ultradźwiękowego firmy Hielscher każda instalacja do produkcji biodiesla staje się wysokowydajnym zakładem produkcyjnym. Prosty montaż, solidna konstrukcja i łatwość obsługi (nie jest wymagane specjalne przeszkolenie w zakresie obsługi) umożliwiają modernizację każdego obiektu do wysokowydajnej instalacji do produkcji biodiesla. Poniżej przedstawiamy Państwu naukowo potwierdzone wyniki korzyści udokumentowane przez niezależne strony trzecie. Liczby te dowodzą wyższości ultradźwiękowego mieszania biodiesla nad każdą konwencjonalną techniką mieszania.

Na schemacie pokazano etapy produkcji biodiesla z uwzględnieniem mieszania ultradźwiękowego w celu zwiększenia wydajności procesu.

Porównanie wydajności i kosztów: Ultradźwięki a mieszanie mechaniczne

Gholami i in. (2021) przedstawili w swoim badaniu porównawczym zalety transestryfikacji ultradźwiękowej w porównaniu z mieszaniem mechanicznym (tj. mieszadłem łopatkowym, wirnikowym, wysokościnającym).
Koszty inwestycji: Procesor ultradźwiękowy i reaktor UIP16000 może produkować 192-384 t biodiesla/d przy powierzchni zabudowy wynoszącej 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 i in., 2020).
Koszty przetwarzania: Koszty przetwarzania w przypadku produkcji biodiesla metodą ultradźwiękową są o 7,7% niższe niż w przypadku procesu mieszania, głównie z powodu niższych całkowitych nakładów inwestycyjnych w procesie sonikacji. Koszt chemikaliów (katalizator, metanol/alkohol) jest trzecim co do wielkości czynnikiem kosztotwórczym w obu procesach - sonikacji i mieszania mechanicznego. Jednak w przypadku ultradźwiękowej konwersji biodiesla koszty chemikaliów są znacznie niższe niż w przypadku mieszania mechanicznego. Część kosztów związanych z chemikaliami stanowi ok. 5% końcowego kosztu biodiesla. Ze względu na niższe zużycie metanolu, wodorotlenku sodu i kwasu fosforowego, koszty chemikaliów w procesie biodiesla ultradźwiękowego są o 2,2% niższe niż w przypadku procesu mieszania mechanicznego.
Koszty energii: Energia zużywana przez reaktor do mieszania ultradźwiękowego jest około trzykrotnie niższa niż w przypadku mieszadła mechanicznego. Ta znaczna redukcja zużycia energii jest wynikiem intensywnego mikromieszania i skrócenia czasu reakcji, wynikającego z wytwarzania i zapadania się niezliczonych pustych przestrzeni, które charakteryzują zjawisko kawitacji akustycznej/ ultradźwiękowej (Gholami i in., 2018). Ponadto, w porównaniu z mieszadłem konwencjonalnym, zużycie energii na etapach odzyskiwania metanolu i oczyszczania biodiesla w procesie mieszania ultradźwiękowego zmniejsza się odpowiednio o 26,5% i 1,3%. Spadek ten wynika z mniejszej ilości metanolu wprowadzanego do tych dwóch kolumn destylacyjnych w procesie transestryfikacji ultradźwiękowej.
Koszty utylizacji odpadów: Technologia kawitacji ultradźwiękowej pozwala również znacznie obniżyć koszty usuwania odpadów. Koszt ten w procesie sonikacji wynosi około jednej piątej kosztu w procesie mieszania, co wynika ze znacznego zmniejszenia ilości wytwarzanych odpadów dzięki wyższej konwersji reaktora i mniejszej ilości zużytego alkoholu.
Przyjazność dla środowiska: Ze względu na bardzo wysoką ogólną wydajność, mniejsze zużycie substancji chemicznych, niższe zapotrzebowanie na energię i mniejszą ilość odpadów, ultradźwiękowa produkcja biodiesla jest znacznie bardziej przyjazna dla środowiska niż konwencjonalne procesy wytwarzania biodiesla.

Wniosek – Ultrasonics zwiększa wydajność produkcji biodiesla

W ocenie naukowej wykazano 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 oraz wewnętrzną stopę zwrotu. Stwierdzono, że łączne nakłady inwestycyjne w procesie kawitacji ultradźwiękowej są niższe od nakładów w innych procesach o około 20,8%. Zastosowanie reaktorów ultradźwiękowych obniżyło koszty produktu o 5,2%. – przy użyciu oleju rzepakowego z pierwszego tłoczenia. Ponieważ sonikacja pozwala na przetwarzanie także olejów przepracowanych (np. zużytych olejów spożywczych), koszty produkcji można jeszcze bardziej 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. Tworzenie i opadanie licznych pęcherzyków próżniowych – znana jako kawitacja akustyczna/ ultradźwiękowa – skrócenie czasu reakcji z kilku godzin w reaktorze ze zbiornikiem mieszadłowym do kilku sekund w reaktorze z kawitacją ultradźwiękową. Tak krótki czas przebywania w reaktorze umożliwia produkcję biodiesla w reaktorze przepływowym o niewielkiej powierzchni. Reaktor z kawitacją ultradźwiękową ma również korzystny wpływ na zapotrzebowanie na energię i materiały, zmniejszając zużycie energii do prawie jednej trzeciej zużycia w reaktorze ze zbiornikiem mieszadłowym, a zużycie metanolu i katalizatora o 25%.
Z ekonomicznego punktu widzenia, całkowite nakłady inwestycyjne w procesie kawitacji ultradźwiękowej są niższe niż w procesie mieszania mechanicznego, głównie ze względu na zmniejszenie kosztów reaktora o prawie 50% i kolumny destylacyjnej metanolu o 11,6%. Proces kawitacji ultradźwiękowej obniża również koszty produkcji biodiesla ze względu na zmniejszenie zużycia oleju rzepakowego o 4%, niższą całkowitą inwestycję, mniejsze zużycie chemikaliów o 2,2% oraz mniejsze zapotrzebowanie na media o 23,8%. W przeciwieństwie do procesu z mieszaniem mechanicznym, proces ultradźwiękowy jest inwestycją akceptowalną ze względu na dodatnią wartość bieżącą netto, krótszy czas zwrotu nakładów oraz 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 zmniejszenie strumienia odpadów o 80% ze względu na wyższą konwersję w reaktorze i mniejsze zużycie alkoholu w tym procesie. (por. Gholami et al., 2021)

Wykorzystaj wybrany katalizator

Udowodniono, że ultradźwiękowy proces transestryfikacji biodiesla jest skuteczny przy zastosowaniu zarówno katalizatorów alkalicznych, jak i zasadowych. Na przykład, Shinde i Kaliaguine (2019) porównali wydajność mieszania ultradźwiękowego i mieszania za pomocą łopatek mechanicznych przy użyciu różnych katalizatorów, a mianowicie wodorotlenku sodu (NaOH), wodorotlenku potasu (KOH), (CH₃ONa), wodorotlenku tetrametyloamoniowego i czterech guanidyn (propyl-2,3-dicykloheksylowej guanidyny (PCHG), 1,3-dicykloheksyl-2-n-oktylo guanidyny (DCOG), 1,1,3,3-tetrametylowej guanidyny (TMG), 1,3-difenylo guanidyny (DPG)). Mieszanie ultradźwiękowe (w temp. 35º) okazało się lepsze do produkcji biodiesla niż mieszanie mechaniczne (w temp. 65º) dzięki wyższej wydajności i współczynnikowi konwersji. Efektywność przenoszenia masy w polu ultradźwiękowym zwiększyła szybkość reakcji transestryfikacji w porównaniu z mieszaniem mechanicznym. Sonikacja przewyższała mieszanie mechaniczne dla wszystkich badanych katalizatorów. Prowadzenie reakcji transestryfikacji z zastosowaniem 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), okazały się interesującymi alternatywami dla konwersji biodiesla.
Mootabadi i in. (2010) badali wspomaganą ultradźwiękami syntezę biodiesla z oleju palmowego z zastosowaniem 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% wydajność przy użyciu BaO w ciągu 60 min czasu reakcji, co w przypadku konwencjonalnego procesu mieszania zajmuje 3-4 h. W przypadku transestryfikacji wspomaganej ultradźwiękami w optymalnych warunkach do uzyskania 95% wydajności wystarczyło 60 minut, w porównaniu z 2-4 godzinami w przypadku mieszania konwencjonalnego. Ponadto, wydajność uzyskiwana za pomocą ultradźwięków w ciągu 60 min wzrosła z 5,5% do 77,3% przy zastosowaniu CaO jako katalizatora, 48,2% do 95,2% przy zastosowaniu SrO jako katalizatora i 67,3% do 95,2% przy zastosowaniu BaO jako katalizatora.

Produkcja biodiesla przy użyciu różnych guanidyn (3% mol) jako katalizatora. (A) Reaktor okresowy z mieszaniem mechanicznym: (metanol:olej rzepakowy) 4:1, temperatura 65ºC; (B) reaktor okresowy z mieszaniem ultradźwiękowym: ultradźwiękowiec UP200St(metanol:olej rzepakowy) 4:1, amplituda ultradźwięków 60%, temperatura 35ºC. Mieszanie za pomocą ultradźwięków zdecydowanie przewyższa mieszanie mechaniczne.
(Opracowanie i wykresy: Shinde i Kaliaguine, 2019)

Wysokowydajne reaktory ultradźwiękowe do przetwarzania biodiesla o najwyższej jakości

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

Małą i średnią skalę Reaktory Biodiesel

Dla małych i średnich wielkości produkcji biodiesla do 9ton / hr (2900 gal / h), Hielscher oferuje Państwu UIP500hdT (500 W), UIP1000hdT (1000 W), UIP1500hdT (1500 W), i UIP2000hdT (2000 watów) modele ultradźwiękowych mieszadeł wysoko ścinających. Te cztery reaktory ultradźwiękowe są bardzo kompaktowe, łatwe do zintegrowania lub doposażenia. Są one przeznaczone do pracy w trudnych warunkach. Poniżej przedstawiono zalecane konfiguracje reaktorów dla różnych szybkości produkcji.

Przemysłowe reaktory biodiesla o bardzo dużej wydajności

Dla zakładów produkcyjnych przetwórstwa przemysłowego biodiesla Hielscher oferuje UIP4000hdT (4 kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10 kW) i UIP16000hdT (16kW) homogenizatory ultradźwiękowe! Te ultradźwiękowe procesory są przeznaczone do ciągłego przetwarzania dużych przepływów. Modele UIP4000hdT, UIP6000hdT i UIP10000 mogą być montowane w standardowych kontenerach morskich. Alternatywnie, wszystkie cztery modele procesorów są dostępne w szafach ze stali nierdzewnej. Instalacja w pozycji pionowej wymaga minimalnej ilości miejsca. Poniżej przedstawiono zalecane konfiguracje dla typowych szybkości przetwarzania przemysłowego.