Produção de Biodiesel & conversão de biodiesel
Quando você produz biodiesel, a cinética de reação lenta e a má transferência de massa estão diminuindo a capacidade da planta de biodiesel, bem como o rendimento e a qualidade do biodiesel. Os reatores ultrassônicos Hielscher melhoram significativamente a cinética de transesterificação. Portanto, menor excesso de metanol e menos catalisador são necessários para o processamento de biodiesel.
O biodiesel é comumente produzido em reatores de batelada usando calor e mistura mecânica como entrada de energia. A mistura cavitacional ultrassônica é uma alternativa eficaz para obter uma melhor mistura no processamento comercial de biodiesel. A cavitação ultrassônica fornece a energia de ativação necessária para a transesterificação industrial de biodiesel.
A mistura ultrassônica melhora a taxa de conversão de biodiesel, aumenta o rendimento e economiza excesso de metanol e catalisador.
Transesterificação Ultrassonicamente Melhorada de Biodiesel
A produção de biodiesel normalmente envolve uma reação química chamada transesterificação, na qual um triglicerídeo (como óleo vegetal, gordura animal, óleos de cozinha usados) reage com um álcool (como metanol) na presença de um catalisador para produzir biodiesel (ésteres metílicos de ácidos graxos) e glicerol. Os reatores ultrassônicos podem ser usados para aprimorar o processo de transesterificação de várias maneiras, levando a vários benefícios:
- Mistura melhorada: As ondas ultrassônicas podem criar bolhas de cavitação que colapsam violentamente, causando intensa mistura e agitação da mistura de reação. Isso leva a um melhor contato entre os reagentes e o catalisador, resultando em uma transesterificação mais rápida e completa.
- Cinética de reação acelerada: As condições de alta energia geradas pelas ondas ultrassônicas podem ativar a reação, aumentando a taxa de reação e reduzindo o tempo de reação necessário para atingir um determinado nível de conversão. Isso pode resultar em maiores rendimentos e custos mais baixos.
- Uso reduzido de catalisador: Os reatores ultrassônicos podem melhorar a eficiência do uso do catalisador, fornecendo locais mais ativos para a reação. Isso significa que menos catalisador é necessário para atingir o mesmo nível de conversão, reduzindo custos e impacto ambiental.
- Melhor qualidade do produto: Os reatores ultrassônicos podem produzir biodiesel com menor teor de ácidos graxos livres, maior pureza e melhores propriedades de fluxo a frio. Isso se deve à mistura aprimorada e à cinética de reação mais rápida, que minimiza a formação de subprodutos e impurezas indesejados.
Essas vantagens do processamento ultrassônico de biodiesel tornam o uso de uma configuração de reator ultrassônico altamente econômico, pois o uso de reatores ultrassônicos melhora significativamente a eficiência, velocidade e qualidade da transesterificação de biodiesel. Isso significa, em resumo, que a ultrassonografia transforma a transesterificação em um processo mais sustentável econômica e ambientalmente.
Problemas da mistura convencional de biodiesel: A reação de esterificação convencional no processamento em lote tende a ser lenta e a separação de fases da glicerina é demorada, geralmente levando 5 horas ou mais.
Os reatores ultrassônicos ajudam você a acelerar seu processo de biodiesel e, simultaneamente, aumentar o rendimento e a qualidade do biodiesel a custos de processamento mais baixos!
Ultrasonicator de nível industrial UIP2000hdT com célula de fluxo FC2T500k para esterificação e transesterificação de biodiesel em linha.
As vantagens da transesterificação ultrassônica de biodiesel
- Maiores rendimentos de biodiesel devido à mistura aprimorada
- Aumento da qualidade do biodiesel
- Use até mesmo o petróleo mais pobre como matéria-prima
- Processamento contínuo em linha
- Menos metanol
- Menos catalisador
- Economia de tempo devido à conversão de alta velocidade
- Economia de energia
- Operação simples e segura
- Robustez e baixa manutenção
- Alto desempenho: operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, sob carga total
"Estamos muito satisfeitos com o equipamento e o serviço da Hielscher e temos toda a intenção de incluir a tecnologia de ultrassom da Hielscher em todos os nossos empreendimentos futuros."
Todd Stephens, Tulsa Biocombustíveis
Ultrassom para produção de biodiesel
O biodiesel é frequentemente produzido em reatores em batelada. A conversão ultrassônica de biodiesel permite o processamento contínuo em linha. A ultrassonografia pode atingir um rendimento de biodiesel superior a 99%. Os reatores ultrassônicos reduzem o tempo de processamento do processamento em lote convencional de 1 a 4 horas para menos de 30 segundos. Mais importante, a ultrassonografia 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 usar ultrassom, a quantidade de excesso de metanol necessária também é reduzida. Outro benefício é o aumento resultante na pureza da glicerina.
Produção ultrassônica de biodiesel passo a passo:
- o óleo vegetal ou a gordura animal estão a ser misturados com o metanol (que produz ésteres metílicos) ou etanol (para os ésteres etílicos) e com metóxido ou hidróxido de sódio ou potássio
- a mistura é aquecida, por exemplo, a temperaturas entre 45 e 65 °C
- A mistura aquecida está sendo sonicada em linha por 5 a 15 segundos
- A glicerina cai ou é separada por meio de centrífugas
- O biodiesel convertido é lavado com água
Mais comumente, a sonicação é realizada a uma pressão elevada (1 a 3bar, pressão manométrica) usando uma bomba de alimentação e uma válvula de contrapressão ajustável ao lado da célula de fluxo.
A conversão industrial de biodiesel não precisa de muita energia ultrassônica. A necessidade real de energia pode ser determinada em escala de bancada usando, por exemplo, um processador ultrassônico de 1kW, como o UIP1000hdT. Todos os resultados desses testes de bancada podem ser ampliados linearmente e sem problemas. Se necessário, estão disponíveis dispositivos ultrassônicos com certificação ATEX, como o UIP1000-Exd.
A Hielscher fornece equipamentos industriais de processamento ultrassônico de biodiesel em todo o mundo. Com processadores ultrassônicos de até 16kW de potência por dispositivo, não há limite no tamanho da planta de biodiesel ou na capacidade de processamento.
Custos de fabricação de biodiesel ultrassônico
A ultrassonografia é um meio eficaz de aumentar a velocidade de reação e a taxa de conversão na produção comercial de biodiesel. Os custos de processamento ultrassônico resultam principalmente do investimento em equipamentos ultrassônicos, custos de serviços públicos e manutenção. A excelente eficiência energética dos ultrasonicadores Hielscher ajuda a reduzir os custos de serviços públicos e, com isso, tornar esse processo ainda mais ecológico. Os custos resultantes para a ultrassonografia variam entre 0,1 ct e 1,0 ct por litro (0,4 ct a 1,9 ct/galão) quando usado em escala comercial.
Leia mais sobre a eficiência do processo e os benefícios econômicos da produção ultrassônica de biodiesel!
A mistura ultrassônica reduz o consumo específico de energia na fabricação de biodiesel supera em muito a mistura magnética hidrodinâmica e os misturadores de alto cisalhamento.
Configuração de biodiesel ultrassônico em pequena escala
A ultrassonografia pode ser usada para a conversão de petróleo em biodiesel em qualquer escala. A imagem abaixo mostra uma configuração em pequena escala para o processamento de 60-70L (16 a 19 galões). Esta é a configuração típica para estudos iniciais e demonstração de processos.
A esterificação e a transesterificação ultrassônicas podem ser executadas como processo em linha contínuo ou em lote. Este gráfico mostra o processo de batelada ultrassônica para conversão de biodiesel.
3x ultrassônicos de 1kW do modelo 1000hdT com reator de fluxo ultrassônico para conversão de biodiesel altamente eficiente.
- um ultrassônico (por exemplo, UIP500hdT ou UIP1000hdT) com reforço, sonotrodo e célula de fluxo
- medidor de energia para medição de energia e energia
- Tanque de processamento de 80L (plástico, por exemplo, HDPE)
- elemento de aquecimento (1 a 2kW)
- Tanque de pré-mistura de catalisador de 10L (plástico, por exemplo, HDPE)
- 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 ajustar a pressão na célula de fluxo
- manômetro para medir a pressão de alimentação
Reatores ultrassônicos para processamento superior de biodiesel
A Hielscher Ultrasonics oferece processadores e reatores ultrassônicos de alto desempenho, que melhorarão sua produção de biodiesel por maiores rendimentos de biodiesel, melhor qualidade do biodiesel, tempo de processamento reduzido e custos de produção mais baixos.
Reatores ultrassônicos de pequena e média escala para transesterificação de biodiesel
Para produção de biodiesel de pequeno e médio porte de até 9 ton/h (2900 gal/h), a Hielscher oferece o UIP500hdT (500 watts), UIP1000hdT (1000 watts), UIP1500hdT (1500 watts) e UIP2000hdT (2000 watts) como misturadores ultrassônicos de alto cisalhamento com reatores de fluxo contínuo para processamento confiável e eficiente de biodiesel em linha. Esses quatro reatores ultrassônicos são muito compactos, fáceis de integrar ou adaptar. Eles são construídos para operação pesada em ambientes hostis. Abaixo, você encontrará configurações de reatores recomendadas para uma variedade de taxas de produção.
tonelada/h | gal/h | |
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT (500 watts) | 0.25 a 0,5 | 80 até 160 |
| 1x UIP1000hdT (1000 watts) | 0.5 a 1.0 | 160 até 320 |
| 1x UIP1500hdT (1500 watts) | 0.75 a 1,5 | 240 até 480 |
| 1x UIP2000hdT (2000 watts) | 1,0 até 2,0 | 320 até 640 |
| 2x UIP2000hdT (2000 watts) | 2,0 até 4,0 | 640 até 1280 |
| 4xUIP1500hdT (1500 watts) | 3,0 até 6,0 | 960 até 1920 |
| 6x UIP1500hdT (1500 watts) | 4,5 até 9,0 | 1440 até 2880 |
| 6x UIP2000hdT (2000 watts) | 6,0 até 12,0 | 1920 até 3840 |
Reatores industriais de biodiesel de grande rendimento
Para plantas de produção de biodiesel de processamento industrial, a Hielscher oferece os homogeneizadores ultrassônicos UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10000 (10kW) e UIP16000hdT (16kW)! Esses processadores ultrassônicos são projetados para o processamento contínuo de altas taxas de fluxo. O UIP4000hdT, UIP6000hdT e UIP10000 podem ser integrados em contêineres de frete marítimo padrão. Como alternativa, todos os quatro modelos de processador estão disponíveis em gabinetes de aço inoxidável. Uma instalação vertical requer espaço mínimo. Abaixo você encontra configurações recomendadas para taxas típicas de processamento industrial.
tonelada/h | gal/h | 1x UIP6000hdT (6000 watts) | 3,0 até 6,0 | 960 até 1920 |
|---|---|---|
| 3x UIP4000hdT (4000 watts) | 6,0 até 12,0 | 1920 até 3840 |
| 5x UIP4000hdT (4000 watts) | 10,0 até 20,0 | 3200 até 6400 | 3x UIP6000hdT (6000 watts) | 9,0 até 18,0 | 2880 até 5880 |
| 3x UIP10000 (10.000 watts) | 15,0 até 30,0 | 4800 até 9600 |
| 3x UIP16000hdT (16.000 watts) | 24,0 até 48,0 | 7680 até 15360 |
| 5x UIP16000hdT | 40,0 até 80,0 | 12800 até 25600 |
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O ultrassônico UIP16000hdT é capaz de processar biodiesel de 32MMGY.
Geada & Inovação Tecnológica do Ano da Sullivan
A Hielscher Ultrasonics recebeu o prestigioso Prêmio de Inovação Tecnológica do Ano da Frost and Sullivan em reconhecimento ao desenvolvimento da empresa de uma nova tecnologia de ultrassom para a produção de biodiesel.
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transesterificação – A conversão química do biodiesel
A fabricação de biodiesel a partir de óleos vegetais (por exemplo, soja, canola, pinhão-manso, semente de girassol), algas, gorduras animais e óleos de cozinha usados, envolve a transesterificação catalisada por base de ácidos graxos com metanol ou etanol para obter os ésteres metílicos ou ésteres etílicos correspondentes. A glicerina é um subproduto inevitável dessa reação.
Os óleos vegetais como gorduras animais são triglicerídeos compostos por três cadeias de ácidos graxos ligados por uma molécula de glicerina. Os triglicerídeos são ésteres. Os ésteres são ácidos, como os ácidos graxos, 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 (soda cáustica) e um reagente de álcool, por exemplo, metanol, que produz biodiesel de ésteres metílicos. O metanol substitui a glicerina. Esse processo de conversão química é chamado de transesterificação.
Após a transesterificação, a glicerina, que é a fase mais pesada, afundará. O biodiesel, que é a fase mais leve, flutua no topo e pode ser separado, por exemplo, por decantadores ou centrífugas.
Preparação de biodiesel
O hidróxido de potássio (0,2 a 0,4 kg, catalisador) está sendo dissolvido em aprox. 8,5L de metanol no tanque de pré-mistura do catalisador. Isso requer a agitação da pré-mistura do catalisador. O tanque de processamento está sendo preenchido com óleo vegetal de 66L. O óleo está sendo aquecido pelo elemento de aquecimento a 45 a 65 ° C.
conversão de biodiesel
Quando o catalisador é totalmente dissolvido no metanol, a pré-mistura do catalisador é misturada com o óleo aquecido. A bomba alimenta a mistura para a 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 ultrassônico de biodiesel deve ser realizada por aprox. 20 minutos. Durante esse período, o óleo está sendo convertido em biodiesel. Depois disso, a bomba e o ultrassom são desligados. A glicerina (fase mais pesada) se separará do biodiesel (fase mais leve). A separação leva aprox. 30 a 60 minutos. Quando a separação estiver concluída, a glicerina pode ser drenada.
Lavagem de Biodiesel
Como o biodiesel convertido contém impurezas, é necessária a lavagem. Para a lavagem, a água é misturada ao biodiesel. A ultrassonografia pode beneficiar a mistura do biodiesel com a água. Isso aumenta a área de superfície ativa como resultado da redução do tamanho da gota. Por favor, considere que a sonicação muito intensa pode reduzir as gotículas de água a um tamanho, que uma emulsão quase estável está sendo formada que exigirá meios especiais (por exemplo, centrífuga) para ser separada.
Fábrica de Biodiesel
O fluxograma abaixo mostra uma configuração típica para a sonicação em linha de óleo, metanol e catalisador para a conversão em biodiesel.
A esterificação e a transesterificação ultrassônicas podem ser executadas como processo em linha contínuo ou em lote. O gráfico mostra o processo ultrassônico em linha para transesterificação de biodiesel (FAME).
Processamento e Separação Contínua de Biodiesel
Em uma configuração para o processamento contínuo de biodiesel e separação contínua, o óleo aquecido e a pré-mistura do catalisador são misturados continuamente usando bombas ajustáveis. Um misturador estático em linha melhora a homogeneidade da alimentação do reator ultrassônico. A mistura óleo/catalisador passa pela célula de fluxo, onde está sendo exposta à cavitação ultrassônica por aprox. 5 a 30 segundos. Uma válvula de contrapressão é usada para controlar a pressão na célula de fluxo. A mistura sonicada entra na coluna do reator na parte superior. O volume da coluna do reator é projetado para fornecer aprox. 1 hora de tempo de retenção na coluna. Durante esse tempo, a reação de transesterificação é concluída. A mistura de glicerina/biodiesel reagida é bombeada para a centrífuga, onde é separada nas frações de biodiesel e glicerina. O pós-processamento envolve recuperação, lavagem e secagem de metanol e também pode ser feito continuamente.
Essa configuração elimina lotes de reatores de biodiesel, agitadores convencionais e grandes tanques separadores.
Velocidade de reação de transesterificação de biodiesel
Os diagramas abaixo mostram resultados típicos da transesterificação do óleo de colza (grau industrial) com metóxido de sódio (esquerda) e hidróxido de potássio (direita). Para ambos os testes, uma amostra controle (linha azul) foi exposta a intensa mistura mecânica. A linha vermelha representa a amostra sonicada da mesma formulação em relação à relação de volume, concentração de catalisador e temperatura. O eixo horizontal mostra o tempo após a mistura ou sonicação, respectivamente. O eixo vertical mostra o volume de glicerina que se depositou na parte inferior. Este é um meio simples de medir a velocidade de reação. Em ambos os diagramas, a amostra sonicada (vermelho) reage muito mais rápido do que a amostra controle (azul).
Comparação da mistura ultrassônica (gráfico vermelho) versus convencional (gráfico azul) para produção de biodiesel – usando com metóxido de sódio (esquerda) e hidróxido de potássio (direita) como catalisadores.
Links para suprimentos de biodiesel
Clique aqui para obter links para fornecedores de bombas e tanques para a indústria de biodiesel.
Informações químicas e de segurança
Leia atentamente as informações abaixo para evitar complicações e efeitos adversos à saúde.
Produtos químicos de biodiesel
O metanol é tóxico. Pode causar deterioração do nervo como resultado do uso prolongado. Também pode ser adsorvido pela pele. Se espirrar nos olhos, pode causar cegueira e o metanol pode ser fatal quando ingerido. Por esse motivo, tome as precauções necessárias ao manusear o metanol. Recomenda-se o uso de um bom respirador, avental e luvas de borracha.
O hidróxido de potássio (KOH) é tóxico e causa queimaduras na pele ao entrar em contato. É necessária uma boa ventilação.
Certifique-se de que o espaço de trabalho seja generosa e completamente ventilado para permitir que a fumaça escape. Os respiradores de cartucho de vapor não são eficazes contra vapores de metanol. Um sistema de fornecimento de ar (SCBA — Aparelho de respiração autônomo) oferece melhor proteção contra vapores de metanol.
Peças de biodiesel e borracha
Funcionar com 100% de biodiesel por mais tempo pode causar complicações nas peças de borracha molhadas (bomba, mangueiras, anéis de vedação) do motor. A substituição por peças de aço ou borracha resistente pode eliminar esse problema. Como alternativa, você pode misturar aprox. 25% de diesel convencional (fóssil) em 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.
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