Produção de biodiesel & Conversão de biodiesel
Quando produz biodiesel, a cinética de reação lenta e a fraca transferência de massa reduzem a capacidade da sua fábrica de biodiesel, bem como o rendimento e a qualidade do biodiesel. Os reactores ultra-sónicos Hielscher melhoram significativamente a cinética de transesterificação. Por conseguinte, é necessário um menor excesso de metanol e menos catalisador para o processamento de biodiesel.
O biodiesel é normalmente produzido em reactores descontínuos utilizando calor e mistura mecânica como fonte de energia. A mistura por cavitação ultra-sónica é uma alternativa eficaz para conseguir uma melhor mistura no processamento comercial de biodiesel. A cavitação ultra-sónica fornece a energia de ativação necessária para a transesterificação industrial do biodiesel.
A mistura por ultra-sons melhora a taxa de conversão do biodiesel, aumenta o rendimento e poupa o excesso de metanol e de catalisador.
Transesterificação de Biodiesel Melhorada por Ultra-sons
A produção de biodiesel envolve normalmente uma reação química denominada transesterificação, na qual um triglicérido (como o óleo vegetal, a gordura animal, os óleos alimentares usados) reage com um álcool (como o metanol) na presença de um catalisador para produzir biodiesel (ésteres metílicos de ácidos gordos) e glicerol. Os reactores ultra-sónicos podem ser utilizados para melhorar o processo de transesterificação de várias formas, conduzindo a vários benefícios:
- Melhoria da mistura: As ondas ultra-sónicas podem criar bolhas de cavitação que colapsam violentamente, causando uma mistura e agitação intensas da mistura de reação. Isto leva a um melhor contacto entre os reagentes e o catalisador, resultando numa transesterificação mais rápida e completa.
- Cinética de reação acelerada: As condições de alta energia geradas pelas ondas ultra-sónicas podem ativar a reação, aumentando a taxa 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.
- Redução da utilização do catalisador: Os reactores ultra-sónicos podem melhorar a eficiência da utilização do catalisador, fornecendo mais locais activos para a reação. Isto significa que é necessário menos catalisador para atingir o mesmo nível de conversão, reduzindo os custos e o impacto ambiental.
- Melhoria da qualidade do produto: Os reactores de ultra-sons podem produzir biodiesel com menor teor de ácidos gordos livres, maior pureza e melhores propriedades de fluxo a frio. Isto deve-se a uma melhor mistura e a uma cinética de reação mais rápida, que minimizam a formação de subprodutos e impurezas indesejáveis.
Estas vantagens do processamento de biodiesel por ultra-sons tornam a utilização de uma configuração de reator de ultra-sons altamente económica, uma vez que a utilização de reactores de ultra-sons melhora significativamente a eficiência, a velocidade e a qualidade da transesterificação do biodiesel. Isto significa, em resumo, que a ultrassonografia transforma a transesterificação em um processo mais economicamente e ambientalmente sustentável.
Problemas da mistura convencional de biodiesel: A reação de esterificação convencional no processamento por lotes tende a ser lenta e a separação de fases da glicerina é morosa, demorando frequentemente 5 horas ou mais.
Os reactores ultra-sónicos ajudam-no a acelerar o seu processo de biodiesel e, simultaneamente, a aumentar o rendimento e a qualidade do biodiesel a custos de processamento mais baixos!
Ultrassom industrial UIP2000hdT com célula de fluxo FC2T500k para esterificação e transesterificação de biodiesel em linha.
As vantagens da transesterificação ultrassónica do biodiesel
- Maior rendimento de biodiesel devido a uma melhor mistura
- Aumento da qualidade do biodiesel
- Utilizar até o petróleo mais pobre como matéria-prima
- Processamento contínuo em linha
- Menos metanol
- Menos catalisador
- Poupança de tempo devido à conversão de alta velocidade
- Poupança de energia
- funcionamento simples e seguro
- Robustez e baixa manutenção
- Elevado desempenho: funcionamento 24 horas por dia, 7 dias por semana, a plena carga
"Estamos muito satisfeitos com o equipamento e o serviço da Hielscher e temos toda a intenção de incluir a tecnologia de ultra-sons da Hielscher em todos os nossos futuros empreendimentos."
Todd Stephens, Tulsa Biofuels
Ultra-sons para a produção de biodiesel
O biodiesel é frequentemente produzido em reactores descontínuos. A conversão ultra-sónica de biodiesel permite o processamento contínuo em linha. Ultrassom pode alcançar um rendimento de biodiesel em excesso de 99%. Reactores de ultra-sons reduzir o tempo de processamento a partir do convencional 1 a 4 horas de processamento em lote para menos de 30 segundos. Mais importante, ultrassom reduz o tempo de separação de 5 a 10 horas (usando agitação convencional) para menos de 60 minutos. A ultrassonografia também ajuda a diminuir a quantidade de catalisador necessária em até 50% devido ao aumento da atividade química na presença de cavitação. Ao utilizar a ultrassonografia, a quantidade de metanol em excesso necessária também é reduzida. Outro benefício é o aumento resultante na pureza da glicerina.
Produção de biodiesel por ultra-sons passo a passo:
- o óleo vegetal ou a gordura animal são misturados com metanol (para a produção de ésteres metílicos) ou etanol (para a produção de ésteres etílicos) e metóxido ou hidróxido de sódio ou de potássio
- a mistura é aquecida, por exemplo, a temperaturas entre 45 e 65 graus Celsius
- a mistura aquecida é submetida a uma sonicação em linha durante 5 a 15 segundos
- a glicerina desce ou é separada por centrifugação
- o biodiesel convertido é lavado com água
Geralmente, a sonicação é realizada a uma pressão elevada (1 a 3 bar, 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 ultra-sónica. A necessidade real de energia pode ser determinada à escala de bancada usando, por exemplo, um processador ultrassónico de 1kW como o UIP1000hdT. Todos os resultados de tais ensaios de bancada podem ser aumentados linearmente e sem quaisquer problemas. Se necessário, estão disponíveis dispositivos ultra-sónicos com certificação ATEX, tais como o UIP1000-Exd.
A Hielscher fornece equipamento industrial de processamento de biodiesel por ultra-sons, em todo o mundo. Com processadores ultra-sónicos de até 16 kW de potência por dispositivo único, não há limite para o tamanho da fábrica de biodiesel ou para a capacidade de processamento.
Custos de fabrico de biodiesel por ultra-sons
A ultrassonografia é um meio eficaz para 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, custos de serviços públicos e manutenção. A excelente eficiência energética dos ultrasonicators Hielscher ajuda a reduzir os custos de utilidade e por isso para tornar este processo ainda mais verde. Os custos resultantes para a ultrassonografia variam entre 0,1ct e 1,0ct por litro (0,4ct a 1,9ct/galão) quando usado em escala comercial.
Leia mais sobre a eficiência do processo e os benefícios económicos da produção de biodiesel por ultra-sons!
A mistura ultra-sónica reduz o consumo específico de energia no fabrico de biodiesel, superando de longe a mistura magnética hidrodinâmica e os misturadores de alto cisalhamento.
Instalação ultra-sónica de pequena escala para biodiesel
Ultrassom pode ser usado para a conversão de óleo em biodiesel em qualquer escala. A imagem abaixo mostra uma configuração de pequena escala para o processamento de 60-70L (16 a 19 galões). Esta é a configuração típica para estudos iniciais e demonstração do processo.
A esterificação e a transesterificação por ultra-sons podem ser executadas como um processo em linha contínuo ou em lote. Este gráfico mostra o processo de lote ultrassónico para a conversão de biodiesel.
3x ultrasonicadores de 1kW do modelo 1000hdT com reator de fluxo ultrassónico para uma conversão altamente eficiente do biodiesel.
- um aparelho de ultra-sons (por exemplo, UIP500hdT ou UIP1000hdT) com reforço, sonotrodo e célula de fluxo
- contador de energia para medição de potência e energia
- Tanque de processamento de 80L (plástico, por exemplo, HDPE)
- elemento de aquecimento (1 a 2kW)
- Depósito de pré-mistura de catalisador de 10L (plástico, por exemplo, PEAD)
- pré-misturador de catalisador (agitador)
- bomba (centrífuga, mono ou engrenagem) para aprox. 10 a 20L/min a 1 a 3 barg
- válvula de contrapressão para regular a pressão na célula de fluxo
- manómetro para medir a pressão de alimentação
Reactores de ultra-sons para um processamento superior de biodiesel
A Hielscher Ultrasonics oferece processadores e reactores ultra-sónicos de alto desempenho, que irão melhorar a sua produção de biodiesel através de maiores rendimentos de biodiesel, melhor qualidade do biodiesel, redução do tempo de processamento e menores custos de produção.
Reactores ultra-sónicos de pequena e média escala para a transesterificação do biodiesel
Para pequenas e médias produções de biodiesel 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 ultra-sónicos de alto cisalhamento com reactores de fluxo contínuo para um processamento de biodiesel em linha fiável e eficiente. Estes quatro reactores ultra-sónicos são muito compactos, fáceis de integrar ou de reequipar. Foram concebidos para um funcionamento intensivo em ambientes agressivos. Abaixo encontrará as configurações de reactores recomendadas para uma gama de taxas de produção.
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tonelada/hora
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gal/hora
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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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| 4xUIP1500hdT (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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Reactores industriais de biodiesel de muito grande capacidade
Para instalações de produção de biodiesel de processamento industrial, a Hielscher oferece os homogeneizadores ultra-sónicos UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10000 (10kW) e UIP16000hdT (16kW)! Estes processadores ultra-sónicos foram concebidos para o processamento contínuo de caudais elevados. O UIP4000hdT, o UIP6000hdT e o UIP10000 podem ser integrados em contentores normais 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 encontra as configurações recomendadas para taxas de processamento industrial típicas.
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tonelada/hora
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gal/hora
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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 15360
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| 5x UIP16000hdT |
40,0 a 80,0
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12800 a 25600
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Contactar-nos! / Pergunte-nos!
O aparelho de ultra-sons UIP16000hdT tem capacidade para processar 32MMGY de biodiesel.
Geada & Inovação Tecnológica do Ano da Sullivan
A Hielscher Ultrasonics recebeu o prestigiado prémio Frost and Sullivan Technology Innovation of the Year Award em reconhecimento do desenvolvimento pela empresa de uma nova tecnologia de ultra-sons para a produção de biodiesel.
Clique aqui para ler mais sobre o Prémio Frost and Sullivan para os reactores de biodiesel da Hielscher Ultrasonics!
transesterificação – A conversão química do biodiesel
O fabrico de biodiesel a partir de óleos vegetais (por exemplo, soja, canola, pinhão-manso, sementes de girassol), algas, gorduras animais, bem como óleos alimentares usados, envolve a transesterificação catalisada por bases de ácidos gordos com metanol ou etanol para dar os correspondentes ésteres metílicos ou ésteres etílicos. 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) e um reagente alcoólico, por exemplo, metanol, que produz biodiesel de ésteres metílicos. O metanol substitui a glicerina. Este processo de conversão química é designado por transesterificação.
Após a transesterificação, a glicerina, que é a fase mais pesada, afunda-se no fundo. O biodiesel, que é a fase mais leve, flutua no topo e pode ser separado, por exemplo, por decantadores ou centrífugas.
Preparação do biodiesel
O hidróxido de potássio (0,2 a 0,4 kg, catalisador) está a ser dissolvido em cerca de 8,5 L de metanol no depósito de pré-mistura do catalisador. Isto requer a agitação da pré-mistura do catalisador. O tanque de processamento está a ser enchido com 66L de óleo vegetal. O óleo é aquecido pelo elemento de aquecimento a 45 a 65 graus Celsius.
Conversão de biodiesel
Quando o catalisador está completamente dissolvido no metanol, a pré-mistura do catalisador é misturada com o óleo aquecido. A bomba alimenta a mistura na célula de fluxo. Por meio 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 está a ser convertido em biodiesel. Depois disso, a bomba e o ultrassom são desligados. A glicerina (fase mais pesada) separa-se do biodiesel (fase mais leve). A separação demora cerca de 30 a 60 minutos. Quando a separação estiver concluída, a glicerina pode ser drenada.
Lavagem de biodiesel
Uma vez que o biodiesel convertido contém impurezas, é necessário efetuar uma lavagem. Para a lavagem, a água é misturada com o biodiesel. A ultra-sons pode beneficiar a mistura do biodiesel com a água. Isto aumenta a área de superfície ativa como resultado da redução do tamanho das gotículas. Por favor, considere que a sonicação muito intensa pode reduzir as gotículas de água para um tamanho, que uma emulsão quase estável está sendo formado que vai exigir meios especiais (por exemplo, centrífuga) para ser separado.
Fábrica de produção de biodiesel
O fluxograma abaixo mostra uma configuração típica para a sonicação em linha de óleo, metanol e catalisador para a conversão em biodiesel.
esterificação ultra-sônica e transesterificação pode ser executado como lote ou processo em linha contínua. O gráfico mostra o processo em linha de ultra-sons para biodiesel (FAME) transesterficação.
Processamento e separação contínuos de biodiesel
Numa configuração para o processamento contínuo de biodiesel e separação contínua, o óleo aquecido e a pré-mistura do catalisador são misturados continuamente utilizando bombas ajustáveis. Um misturador estático em linha melhora a homogeneidade da alimentação do reator ultrassónico. A mistura óleo/catalisador passa pela célula de fluxo, onde é exposta à cavitação ultra-sónica durante cerca de 5 a 30 segundos. É utilizada uma válvula de contrapressão para controlar a pressão na célula de fluxo. A mistura sonicada entra na coluna do reator pelo topo. O volume da coluna do reator é concebido para permitir um tempo de retenção de cerca de 1 hora na coluna. Durante esse tempo, a reação de transesterificação está concluída. A mistura reagida de glicerina/biodiesel é bombeada para a centrífuga onde é separada nas fracções de biodiesel e glicerina. O pós-processamento envolve a recuperação do metanol, a lavagem e a secagem e também pode ser efectuado em contínuo.
Esta configuração elimina os lotes de reactores de biodiesel, os agitadores convencionais e os grandes tanques separadores.
Velocidade da reação de transesterificação do biodiesel
Os diagramas abaixo mostram resultados típicos da transesterificação de óleo de colza (grau industrial) com metóxido de sódio (esquerda) e hidróxido de potássio (direita). Para ambos os testes, uma amostra de controlo (linha azul) foi exposta a uma intensa mistura mecânica. A linha vermelha representa a amostra sonicada da formulação idêntica no que diz respeito ao rácio de volume, concentração de catalisador e temperatura. O eixo horizontal indica o tempo decorrido após a mistura ou a sonicação, respetivamente. O eixo vertical mostra o volume de glicerina que assentou no fundo. Este é um meio simples de medir a velocidade da reação. Em ambos os diagramas, a amostra sonicada (vermelha) reage muito mais rapidamente do que a amostra de controlo (azul).
Comparação entre a mistura ultra-sónica (gráfico vermelho) e a mistura convencional (gráfico azul) para a produção de biodiesel – utilizando como catalisadores metóxido de sódio (esquerda) e hidróxido de potássio (direita).
Ligações para o abastecimento de biodiesel
Clique aqui para obter ligações a fornecedores de bombas e depósitos para a indústria do biodiesel.
Informação química e de segurança
Leia atentamente as informações abaixo, para evitar complicações e efeitos adversos para a saúde.
Produtos químicos para biodiesel
O metanol é tóxico. Pode provocar a deterioração dos nervos como resultado de uma utilização prolongada. Também pode ser absorvido pela pele. Se salpicado para os olhos, pode causar cegueira e o metanol pode ser fatal quando ingerido. Por este motivo, devem ser tomadas as precauções necessárias ao manusear o metanol. Recomenda-se a utilização de um bom respirador, de um avental e de luvas de borracha.
O hidróxido de potássio (KOH) é tóxico e provoca queimaduras na pele em caso de contacto. É necessária uma boa ventilação.
Assegurar que o espaço de trabalho é generosa e completamente ventilado para permitir a libertação dos fumos. Os respiradores de cartucho de vapor não são eficazes contra os fumos de metanol. Um sistema de ar fornecido (SCBA — Self-Contained Breathing Apparatus) proporciona uma melhor proteção contra os vapores de metanol.
Biodiesel e peças de borracha
O funcionamento com 100% de biodiesel durante um período de tempo mais longo pode causar complicações nas peças de borracha molhadas (bomba, mangueiras, O-rings) do motor. A substituição por peças de aço ou borracha resistente pode eliminar este problema. Em alternativa, pode misturar aproximadamente 25% de gasóleo convencional (fóssil) no seu biodiesel para evitar complicações.
Literatura / 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 ultra-sónicos de alto desempenho a partir de laboratório para dimensão industrial.