Produção de biodiesel e conversão de biodiesel
Supere as limitações da produção de biodiesel com reatores ultrassónicos! Uma cinética de reação lenta e uma fraca transferência de massa podem reduzir significativamente a capacidade, o rendimento e a qualidade da sua unidade de produção de biodiesel. Os reatores ultrassónicos Hielscher respondem a estes desafios ao melhorar substancialmente a cinética de transesterificação. Como resultado, o processamento de biodiesel requer menos metanol em excesso e menores quantidades de catalisador.
Cavitação ultrassónica: uma solução superior de mistura
A produção tradicional de biodiesel utiliza normalmente reatores descontínuos com calor e mistura mecânica como fontes de energia. A cavitação ultrassónica oferece uma alternativa eficaz que proporciona uma melhor mistura no processamento comercial de biodiesel. Esta cavitação ultrassónica fornece a energia de ativação necessária para a transesterificação industrial de biodiesel.
Principais vantagens da transesterificação ultrassónica de biodiesel:
- Taxas de conversão mais elevadas
- Tempos de reação mais curtos
- Melhor qualidade do produto
- Capacidade de converter óleos usados em FAME (ésteres metílicos de ácidos gordos)
A mistura ultrassónica melhora a taxa de conversão de biodiesel, aumenta o rendimento e permite poupar metanol em excesso e catalisador.
Transesterificação de biodiesel melhorada por ultrassons
A produção de biodiesel envolve normalmente uma reação química denominada transesterificação, na qual um triglicérido (como óleo vegetal, gordura animal ou óleos alimentares usados) reage com um álcool (como metanol) na presença de um catalisador para produzir biodiesel (ésteres metílicos de ácidos gordos) e glicerol. Os reatores ultrassónicos podem ser utilizados para melhorar o processo de transesterificação de várias formas, proporcionando vários benefícios:
- Melhor mistura: As ondas ultrassónicas podem criar bolhas de cavitação que colapsam violentamente, provocando uma mistura e agitação intensas da mistura reacional. Isto proporciona um melhor contacto entre os reagentes e o catalisador, resultando numa transesterificação mais rápida e mais completa.
- Cinética de reação acelerada: As condições de elevada energia geradas pelas ondas ultrassónicas podem ativar a reação, aumentando a velocidade de reação e reduzindo o tempo de reação necessário para atingir um determinado nível de conversão. Isto pode resultar em rendimentos mais elevados e custos mais baixos.
- Menor utilização de catalisador: Os reatores ultrassónicos podem melhorar a eficiência da utilização do catalisador ao disponibilizar mais sítios ativos para a reação. Isto significa que é necessário menos catalisador para atingir o mesmo nível de conversão, reduzindo os custos e o impacto ambiental.
- Melhor qualidade do produto: Os reatores ultrassónicos podem produzir biodiesel com um menor teor de ácidos gordos livres, maior pureza e melhores propriedades de escoamento a frio. Isto deve-se à melhor mistura e à cinética de reação mais rápida, que minimizam a formação de subprodutos e impurezas indesejados.
Estas vantagens do processamento ultrassónico de biodiesel tornam a utilização de uma instalação com reator ultrassónico altamente económica, uma vez que a utilização de reatores ultrassónicos melhora significativamente a eficiência, a velocidade e a qualidade da transesterificação de biodiesel. Em suma, isto significa que a sonicação transforma a transesterificação num processo mais sustentável do ponto de vista económico e ambiental.
Problemas da mistura convencional de biodiesel: A reação de esterificação convencional no processamento descontínuo tende a ser lenta, e a separação de fases da glicerina é morosa, demorando frequentemente 5 horas ou mais.
Os reatores ultrassónicos ajudam a acelerar o seu processo de biodiesel e, simultaneamente, a aumentar o rendimento e a qualidade do seu biodiesel com custos de processamento mais baixos!
Sonicador de nível industrial UIP2000hdT com célula de fluxo FC2T500k para esterificação e transesterificação de biodiesel em linha.
As vantagens da transesterificação ultrassónica de biodiesel
- Rendimentos de biodiesel mais elevados graças a uma melhor mistura
- Maior qualidade do biodiesel
- Utilização até do óleo de pior qualidade como matéria-prima
- Processamento contínuo em linha
- Menos metanol
- Menos catalisador
- Poupança de tempo graças à conversão a alta velocidade
- Poupança de energia
- Funcionamento simples e seguro
- Robustez e pouca manutenção
- Elevado desempenho: funcionamento 24/7 em plena carga
O reator ultrassónico UIP16000hdT produz aproximadamente 32MMGY
“Estamos muito satisfeitos com o equipamento e o serviço da Hielscher e temos toda a intenção de incluir a tecnologia de sonicação Hielscher em todos os nossos projetos futuros.”
Todd Stephens, Tulsa Biofuels
Ultrassons para a produção de biodiesel
O biodiesel é frequentemente produzido em reatores descontínuos. A conversão ultrassónica de biodiesel permite o processamento contínuo em linha. A sonicação pode alcançar um rendimento de biodiesel superior a 99%. Os reatores ultrassónicos reduzem o tempo de processamento de 1 a 4 horas do processamento descontínuo convencional para menos de 30 segundos. Mais importante ainda, a sonicação reduz o tempo de separação de 5 a 10 horas (com agitação convencional) para menos de 60 minutos. A sonicação também ajuda a diminuir a quantidade de catalisador necessária em até 50%, devido à maior atividade química na presença de cavitação. Ao utilizar a sonicação, a quantidade de metanol em excesso necessária também é reduzida. Outro benefício é o aumento resultante da pureza da glicerina.
Produção ultrassónica de biodiesel passo a passo:
- o óleo vegetal ou a gordura animal são misturados com metanol (que produz ésteres metílicos) ou etanol (para ésteres etílicos) e metóxido ou hidróxido de sódio ou de potássio
- a mistura é aquecida, por exemplo, a temperaturas entre 45 e 65degC
- a mistura aquecida é submetida a sonicação em linha durante 5 a 15 segundos
- a glicerina precipita ou é separada com centrífugas
- o biodiesel convertido é lavado com água
Na maioria dos casos, a sonicação é realizada a uma pressão elevada (1 a 3bar, pressão manométrica), utilizando uma bomba de alimentação e uma válvula de contrapressão ajustável junto à célula de fluxo.
A conversão industrial de biodiesel não necessita de muita energia ultrassónica. A necessidade efetiva de energia pode ser determinada à escala de bancada utilizando, por exemplo, um processador ultrassónico de 1kW, como o UIP1000hdT. Todos os resultados destes ensaios de bancada podem ser transpostos linearmente para uma escala maior, sem quaisquer problemas. Se necessário, estão disponíveis dispositivos ultrassónicos com certificação ATEX, como o UIP1000-Exd.
A Hielscher fornece equipamento industrial de processamento ultrassónico de biodiesel em todo o mundo. Com processadores ultrassónicos com potência até 16kW por dispositivo, não há limites para a dimensão da unidade de produção de biodiesel ou para a capacidade de processamento.
Custos da produção ultrassónica de biodiesel
A sonicação é um meio eficaz de aumentar a velocidade de reação e a taxa de conversão na produção comercial de biodiesel. Os custos do processamento ultrassónico resultam principalmente do investimento em equipamento ultrassónico, dos custos dos serviços de energia e de outras utilidades e da manutenção. A extraordinária eficiência energética dos sonicadores Hielscher ajuda a reduzir os custos das utilidades e, assim, a tornar este processo ainda mais ecológico. Os custos resultantes da sonicação variam entre 0,1ct e 1,0ct por litro (0,4ct a 1,9ct/gallon) quando utilizada à escala comercial.
Saiba mais sobre a eficiência do processo e os benefícios económicos da produção ultrassónica de biodiesel!
A mistura ultrassónica reduz o consumo específico de energia na produção de biodiesel, superando largamente a mistura magnética hidrodinâmica e os misturadores de elevado cisalhamento.
Instalação ultrassónica de biodiesel de pequena escala
A sonicação pode ser utilizada para a conversão de óleo em biodiesel a qualquer escala. A imagem abaixo mostra uma instalação de pequena escala para o processamento de 60–70L (16 a 19 galões). Esta é a instalação típica para estudos iniciais e demonstração do processo.
A esterificação e a transesterificação ultrassónicas podem ser realizadas como processo descontínuo ou contínuo em linha. Este diagrama mostra o processo ultrassónico descontínuo para a conversão de biodiesel.
3x sonicadores de 1kW do modelo 1000hdT com reator ultrassónico de fluxo contínuo para uma conversão de biodiesel altamente eficiente.
- um sonicador (por exemplo, UIP500hdT ou UIP1000hdT) com amplificador de amplitude, sonotrodo e célula de fluxo
- medidor de potência para medir a potência e a energia
- depósito de processamento de 80L (plástico, por exemplo, HDPE)
- elemento de aquecimento (1 a 2kW)
- depósito de pré-mistura do catalisador de 10L (plástico, por exemplo, HDPE)
- pré-misturador do catalisador (agitador)
- bomba (centrífuga, mono ou de engrenagens) para aproximadamente 10 a 20L/min a 1 a 3 barg
- válvula de contrapressão para ajustar a pressão na célula de fluxo
- manómetro para medir a pressão de alimentação
Reatores ultrassónicos para um processamento superior de biodiesel
A Hielscher Ultrasonics oferece processadores e reatores ultrassónicos de elevado desempenho, que irão melhorar a sua produção de biodiesel através de rendimentos de biodiesel mais elevados, melhor qualidade do biodiesel, menor tempo de processamento e custos de produção mais baixos.
Reatores ultrassónicos de pequena e média escala para a transesterificação de biodiesel
Para a produção de biodiesel de pequena e média escala até 9ton/hr (2900 gal/hr), a Hielscher oferece-lhe o UIP500hdT (500 watts), o UIP1000hdT (1000 watts), o UIP1500hdT (1500 watts) e o UIP2000hdT (2000 watts) como misturadores ultrassónicos de elevado cisalhamento com reatores de fluxo contínuo para um processamento de biodiesel em linha fiável e eficiente. Estes quatro reatores ultrassónicos são muito compactos e fáceis de integrar ou instalar em sistemas existentes. São construídos para funcionamento intensivo em ambientes adversos. Abaixo encontrará configurações de reatores recomendadas para várias taxas de produção.
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ton/hr
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gal/hr
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|---|---|---|
| 1x UIP500hdT (500 watts) |
0,25 a 0,5
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80 a 160
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| 1x UIP1000hdT (1000 watts) |
0,5 a 1,0
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160 a 320
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| 1x UIP1500hdT (1500 watts) |
0,75 a 1,5
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240 a 480
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| 1x UIP2000hdT (2000 watts) |
1,0 a 2,0
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320 a 640
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| 2x UIP2000hdT (2000 watts) |
2,0 a 4,0
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640 a 1280
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| 4x UIP1500hdT (1500 watts) |
3,0 a 6,0
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960 a 1920
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| 6x UIP1500hdT (1500 watts) |
4,5 a 9,0
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1440 a 2880
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| 6x UIP2000hdT (2000 watts) |
6,0 a 12,0
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1920 a 3840
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Reatores industriais de biodiesel com capacidade de processamento muito elevada
Para unidades de produção de biodiesel com processamento industrial, a Hielscher oferece os homogeneizadores ultrassónicos UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10 000 (10kW) e UIP16000hdT (16kW)! Estes processadores ultrassónicos foram concebidos para o processamento contínuo de caudais elevados. O UIP4000hdT, o UIP6000hdT e o UIP10000 podem ser integrados em contentores normalizados de transporte marítimo. Em alternativa, os quatro modelos de processadores estão disponíveis em armários de aço inoxidável. Uma instalação vertical requer um espaço mínimo. Abaixo encontrará configurações recomendadas para taxas típicas de processamento industrial.
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ton/hr
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gal/hr
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|---|---|---|
| 1x UIP6000hdT (6000 watts) |
3,0 a 6,0
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960 a 1920
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| 3x UIP4000hdT (4000 watts) |
6,0 a 12,0
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1920 a 3840
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| 5x UIP4000hdT (4000 watts) |
10,0 a 20,0
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3200 a 6400
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| 3x UIP6000hdT (6000 watts) |
9,0 a 18,0
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2880 a 5880
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| 3x UIP10000 (10 000 watts) |
15,0 a 30,0
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4800 a 9600
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| 3x UIP16000hdT (16 000 watts) |
24,0 a 48,0
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7680 a 15 360
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| 5x UIP16000hdT |
40,0 a 80,0
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12 800 a 25 600
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Contacte-nos! / Coloque-nos as suas questões!
O sonicador UIP16000hdT é capaz de processar 32MMGY de biodiesel.
Inovação Tecnológica do Ano da Frost & Sullivan
A Hielscher Ultrasonics recebeu o prestigiado Prémio de Inovação Tecnológica do Ano da Frost and Sullivan em reconhecimento do desenvolvimento, pela empresa, de uma nova tecnologia ultrassónica para a produção de biodiesel.
Clique aqui para saber mais sobre o Prémio Frost and Sullivan atribuído aos reatores de biodiesel da Hielscher Ultrasonics!
Transesterificação – a conversão química do biodiesel
A produção de biodiesel a partir de óleos vegetais (por exemplo, soja, canola, jatrofa, sementes de girassol), algas, gorduras animais e óleos alimentares usados envolve a transesterificação de ácidos gordos catalisada por uma base, com metanol ou etanol, para produzir os ésteres metílicos ou etílicos correspondentes. A glicerina é um subproduto inevitável desta reação.
Os óleos vegetais, tal como as gorduras animais, são triglicéridos compostos por três cadeias de ácidos gordos ligadas por uma molécula de glicerina. Os triglicéridos são ésteres. Os ésteres são ácidos, como os ácidos gordos, combinados com um álcool. A glicerina (= glicerol) é um álcool pesado. No processo de conversão, os ésteres de triglicéridos são transformados em ésteres alquílicos (= biodiesel), utilizando um catalisador (lixívia alcalina) e um reagente alcoólico, por exemplo, metanol, que produz biodiesel de ésteres metílicos. O metanol substitui a glicerina. Este processo de conversão química denomina-se transesterificação.
Após a transesterificação, a glicerina, que é a fase mais pesada, deposita-se no fundo. O biodiesel, que é a fase mais leve, flutua à superfície e pode ser separado, por exemplo, por decantadores ou centrífugas.
Preparação do biodiesel
O hidróxido de potássio (0,2 a 0,4kg, catalisador) é dissolvido em aproximadamente 8,5L de metanol no depósito de pré-mistura do catalisador. Isto requer a agitação da pré-mistura do catalisador. O depósito de processamento é enchido com 66L de óleo vegetal. O óleo é aquecido pelo elemento de aquecimento a 45 a 65degC.
Conversão de biodiesel
Quando o catalisador está totalmente dissolvido no metanol, a pré-mistura do catalisador é misturada com o óleo aquecido. A bomba alimenta a célula de fluxo com a mistura. Através da válvula de contrapressão, a pressão é ajustada para 1 a 3barg (15 a 45psig). A recirculação através do reator ultrassónico de biodiesel deve ser realizada durante aproximadamente 20 minutos. Durante este tempo, o óleo é convertido em biodiesel. Depois, a bomba e os ultrassons são desligados. A glicerina (fase mais pesada) separa-se do biodiesel (fase mais leve). A separação demora aproximadamente 30 a 60 minutos. Quando a separação termina, a glicerina pode ser drenada.
Lavagem do biodiesel
Como o biodiesel convertido contém impurezas, é necessária uma lavagem. Para a lavagem, mistura-se água com o biodiesel. A sonicação pode favorecer a mistura do biodiesel com a água. Isto aumenta a área superficial ativa em resultado da redução do tamanho das gotículas. Tenha em conta que uma sonicação muito intensa pode reduzir as gotículas de água a um tamanho que leve à formação de uma emulsão quase estável, cuja separação exigirá meios especiais (por exemplo, uma centrífuga).
Unidade de produção de biodiesel
O fluxograma abaixo mostra uma instalação típica para a sonicação em linha de óleo, metanol e catalisador para a conversão em biodiesel.
A esterificação e a transesterificação ultrassónicas podem ser realizadas como processo descontínuo ou contínuo em linha. O diagrama mostra o processo ultrassónico em linha para a transesterificação de biodiesel (FAME).
Processamento e separação contínuos de biodiesel
Numa instalação para o processamento contínuo de biodiesel e a separação contínua, o óleo aquecido e a pré-mistura do catalisador são misturados continuamente através de bombas ajustáveis. Um misturador estático em linha melhora a homogeneidade da alimentação do reator ultrassónico. A mistura de óleo/catalisador passa pela célula de fluxo, onde é exposta à cavitação ultrassónica durante aproximadamente 5 a 30 segundos. Utiliza-se uma válvula de contrapressão para controlar a pressão na célula de fluxo. A mistura submetida a sonicação entra na coluna do reator pela parte superior. O volume da coluna do reator é dimensionado para proporcionar um tempo de retenção de aproximadamente 1 hora na coluna. Durante esse tempo, a reação de transesterificação é concluída. A mistura de glicerina/biodiesel resultante da reação é bombeada para a centrífuga, onde é separada nas frações de biodiesel e glicerina. O pós-processamento envolve a recuperação de metanol, a lavagem e a secagem, e também pode ser realizado continuamente.
Esta instalação elimina os lotes dos reatores de biodiesel, os agitadores convencionais e os grandes depósitos de separação.
Velocidade da reação de transesterificação de biodiesel
Os diagramas abaixo mostram resultados típicos da transesterificação de óleo de colza (de grau industrial) com metóxido de sódio (à esquerda) e hidróxido de potássio (à direita). Em ambos os ensaios, uma amostra de controlo (linha azul) foi exposta a uma mistura mecânica intensa. A linha vermelha representa a amostra submetida a sonicação, com uma formulação idêntica em termos de proporção volumétrica, concentração de catalisador e temperatura. O eixo horizontal mostra o tempo após a mistura ou a sonicação, respetivamente. O eixo vertical mostra o volume de glicerina que se depositou no fundo. Esta é uma forma simples de medir a velocidade de reação. Em ambos os diagramas, a amostra submetida a sonicação (vermelho) reage muito mais rapidamente do que a amostra de controlo (azul).
Comparação da mistura ultrassónica (gráfico vermelho) com a mistura convencional (gráfico azul) para a produção de biodiesel – utilizando metóxido de sódio (à esquerda) e hidróxido de potássio (à direita) como catalisadores.
Ligações para fornecedores de equipamento para biodiesel
Informações sobre produtos químicos e segurança
Leia atentamente as informações abaixo para evitar complicações e efeitos adversos para a saúde.
Produtos químicos para biodiesel
O metanol é tóxico. Pode causar deterioração dos nervos em resultado de uma utilização prolongada. Também pode ser adsorvido pela pele. Se salpicar para os olhos, pode causar cegueira, e o metanol pode ser fatal quando ingerido. Por este motivo, tome as precauções necessárias ao manusear metanol. Recomenda-se a utilização de um bom respirador, um avental e luvas de borracha.
O hidróxido de potássio (KOH) é tóxico e causa queimaduras na pele por contacto. É necessária uma boa ventilação.
Certifique-se de que o espaço de trabalho é ampla e completamente ventilado para permitir a saída dos vapores. Os respiradores com cartuchos para vapores não são eficazes contra os vapores de metanol. Um sistema de fornecimento de ar (SCBA – aparelho respiratório autónomo) oferece melhor proteção contra os vapores de metanol.
Biodiesel e peças de borracha
O funcionamento com 100% de biodiesel durante períodos prolongados pode causar complicações nas peças de borracha do motor em contacto com o combustível (bomba, mangueiras, juntas tóricas). A substituição por peças de aço ou borracha de elevada resistência pode eliminar este problema. Em alternativa, pode misturar aproximadamente 25% de gasóleo convencional (fóssil) no seu biodiesel para evitar complicações.
Bibliografia / Referências
- 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.
A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassónicos de elevado desempenho, desde a escala laboratorial até à escala industrial.