Produção de biodiesel com processo superior e eficiência de custos

A mistura ultrassônica é a tecnologia superior para uma produção de biodiesel altamente eficiente e econômica. A cavitação ultrassônica melhora drasticamente a transferência de massa, reduzindo assim os custos de produção e a duração do processamento. Ao mesmo tempo, óleos e gorduras de má qualidade (por exemplo, óleos residuais) podem ser usados e a qualidade do biodiesel é melhorada. Hielscher Ultrasonics fornece reatores de mistura ultrassônica robusta e de alto desempenho para qualquer escala de produção. Leia mais como sua produção de biodiesel se beneficiará da sônica !

Benefícios da produção de biodiesel usando ultrassom

Biodiesel (éster de metila de ácido graxo, abrev. FAMA) é o produto de uma reação de transesterificação da matéria-prima lipídica (triglicérides, por exemplo, óleo vegetal, óleos de cozinha gastos, gorduras animais, óleo de algas) e álcool (metanol, etanol) usando um catalisador (por exemplo, hidróxido de potássio KOH).
O problema: Na conversão convencional de biodiesel utilizando agitação convencional, a natureza imiscível dos dois reagentes da reação de transesterificação do óleo e do álcool leva a uma baixa taxa de transferência de massa resultando em uma produção de biodiesel ineficiente. Essa ineficiência é caracterizada por longos tempos de reação, maiores relações molar de óleo de metanol, altas exigências de catalisador, altas temperaturas do processo e altas taxas de agitação. Esses fatores são fatores de custo significativos, tornando a fabricação convencional de biodiesel um processo caro.
A solução: A mistura ultrassônica emulsifica os reagentes de forma altamente eficiente, rápida e de baixo custo para que a relação óleo-metanol possa ser melhorada, os requisitos de catalisador são reduzidos, o tempo de reação e a temperatura de reação são reduzidos. Assim, os recursos (ou seja, produtos químicos e energia) bem como o tempo são economizados, o custo de processamento é reduzido, enquanto a qualidade do biodiesel e a rentabilidade da produção são significativamente melhoradas. Esses fatos transformam a mistura ultrassônica na tecnologia preferida para a fabricação eficaz de biodiesel.
Pesquisadores e produtores industriais de biodiesel confirmam que a mistura ultrassônica é uma maneira altamente econômica de produzir biodiesel, mesmo quando óleos e gorduras de má qualidade são usados como matéria-prima. A intensificação do processo ultrassônico melhora consideravelmente a taxa de conversão reduzindo o uso de metanol e catalisador em excesso, permitindo produzir biodiesel atendendo ao padrão de qualidade das especificações ASTM D6751 e EN 14212. (cf. Abdullah et al., 2015)

A transesterificação de triglicérides em biodiesel (FAME) usando sônica resulta em reação acelerada e eficiência significativamente maior.

Inúmeras vantagens da mistura ultrassônica na produção de biodiesel

Os reatores de mistura ultrassônica podem ser facilmente integrados em qualquer nova instalação, bem como retro-instalados em plantas de biodiesel existentes. A integração de um misturador ultrassônico Hielscher transforma qualquer instalação de biodiesel em uma planta de produção de alto desempenho. A instalação simples, robustez e simpatia do usuário (nenhum treinamento específico para operação necessário) permitem a atualização de qualquer instalação para uma planta de biodiesel altamente eficiente. Abaixo, apresentamos a você resultados cientificamente comprovados de vantagens documentadas por terceiros independentes. Os números comprovam a superioridade do biodiesel ultrassônico misturando-se sobre qualquer técnica de agitação convencional.

O fluxograma mostra as etapas de produção de biodiesel, incluindo a mistura ultrassônica para melhorar a eficiência do processo.

Eficiência e Comparação de Custos: Ultrassonics vs Mechanical Stirring

Gholami et al. (2021) apresentam em seu estudo comparativo as vantagens da transesterificação ultrassônica sobre a agitação mecânica (ou seja, misturador de lâminas, propulsor, misturador de tesoura alta).
Custos de investimento: O processador ultrassônico e o reator UIP16000 podem produzir biodiesel/d de 192-384 t com uma pegada de apenas 1,2m x 0,6m. Em comparação, para a agitação mecânica (MS) é necessário um reator muito maior devido ao longo tempo de reação no processo de strirrng mecânico, o que faz com que o custo do reator aumente significativamente. (cf. Gholami et al., 2020)
Custos de processamento: Os custos de processamento para a produção de biodiesel ultrassônico são 7,7% menores do que os do processo de agitação, principalmente devido ao menor investimento total para o processo de sônica. O custo dos produtos químicos (catalisador, metanol/álcool) é o terceiro maior custo em ambos os processos, sônica e agitação mecânica. No entanto, para a conversão ultrassônica do biodiesel, os custos com produtos químicos são significativamente menores do que para a agitação mecânica. A fração de custo para produtos químicos representa aproximadamente 5% do custo final do biodiesel. Devido ao menor consumo de metanol, hidróxido de sódio e ácido fosfórico, o custo para produtos químicos no processo de biodiesel ultrassônico é 2,2% menor do que o do processo de agitação mecânica.
Custos de energia: A energia consumida pelo reator de mistura ultrassônica é aproximadamente três vezes menor do que a do agitador mecânico. Essa considerável redução no consumo de energia é um produto da intensa micro-mistura e redução do tempo de reação, resultante da produção e colapso de inúmeras cavidades, que caracterizam o fenômeno da cavitação acústica/ultrassônica (Gholami et al., 2018). Além disso, em comparação com o agitador convencional, o consumo de energia para estágios de recuperação de metanol e purificação de biodiesel durante o processo de mistura ultrassônica é reduzido em 26,5% e 1,3%, respectivamente. Esse declínio deve-se às menores quantidades de metanol que entram nessas duas colunas de destilação no processo de transesterificação ultrassônica.
Custos de eliminação de resíduos: A tecnologia de cavitação ultrassônica também reduz notavelmente o custo de descarte de resíduos. Esse custo no processo de sônicação é de aproximadamente um quinto do que no processo de agitação, resultante da diminuição significativa da produção de resíduos devido à maior conversão do reator e menores quantidades de álcool consumido.
Amizade ambiental: Devido à eficiência global muito alta, à redução do consumo químico, às menores exigências energéticas e à redução dos resíduos, a produção de biodiesel ultrassônico é significativamente mais ambiental do que os processos convencionais de fabricação de biodiesel.

Conclusão – Ultrassônicos melhora eficiência de produção de biodiesel

A avaliação científica mostra as claras vantagens da mistura ultrassônica em relação à agitação mecânica convencional para a produção de biodiesel. As vantagens do processamento de biodiesel ultrassônico incluem investimento total de capital, custo total do produto, valor presente líquido e taxa interna de retorno. O montante do investimento total no processo de cavitação ultrassônica foi inferior ao de outros em aproximadamente 20,8%. O uso de reatores ultrassônicos reduziu os custos do produto em 5,2% – usando óleo de canola virgem. Uma vez que a sônica permite processar também óleos gastos (por exemplo, óleos de cozinha usados), os custos de produção podem ser reduzidos significativamente mais. Gholami et al. (2021) chegam à conclusão de que, devido a um valor presente líquido positivo, o processo de cavitação ultrassônica é a melhor escolha da tecnologia de mistura para a produção de biodiesel.
Do ponto de vista técnico, os efeitos mais importantes da cavitação ultrassônica abrangem a significativa eficiência do processo e a redução do tempo de reação. A formação e o colapso de numerosas bolhas de vácuo – conhecida como cavitação acústica/ultrassônica – reduzir o tempo de reação de várias horas no reator de tanque agitado para alguns segundos no reator de cavitação ultrassônica. Este curto tempo de residência permite a produção de biodiesel em um reator de fluxo com uma pequena pegada. O reator de cavitação ultrassônica também mostra efeitos benéficos sobre as necessidades energéticas e materiais, reduzindo o consumo de energia para quase um terço do consumido por um reator de tanque agitado e consumo de metanol e catalisador em 25%.
Do ponto de vista econômico, o investimento total do processo de cavitação ultrassônica é inferior ao do processo de agitação mecânica, principalmente devido à redução de quase 50% e 11,6% no custo do reator e do custo da coluna de destilação de metanol, respectivamente. O processo de cavitação ultrassônica também reduz o custo de produção de biodiesel devido à redução de 4% no consumo de óleo de canola, menor investimento total, 2,2% menor consumo de produtos químicos e 23,8% menor exigência de utilidade. Ao contrário do processo mecanicamente agitado, o processamento ultrassônico é um investimento aceitável devido ao seu valor presente líquido positivo, menor tempo de retorno e uma maior taxa interna de retorno. Além dos benefícios tecnoeconômicos associados ao processo de cavitação ultrassônica, é mais ecológico do que o processo de agitação mecânica. A cavitação ultrassônica resulta em uma redução de 80% nos fluxos de resíduos devido à maior conversão no reator e à redução do consumo de álcool nesse processo. (cf. Gholami et al., 2021)

Use o Catalisador de Sua Escolha

O processo de transesterificação ultrassônica do biodiesel tem sido comprovado como eficiente usando catalisadores alcalinos ou básicos. Forinstance, Shinde e Kaliaguine (2019) compararam a eficiência da mistura de lâminas ultrassônicas e mecânicas usando vários catalisadores, ou seja, hidróxido de sódio (NaOH), hidróxido de potássio (KOH), (CH₃ONa), hidróxido de amônio tetrametilo e quatro guanidinas (Propyl-2,3-dicyclohexyl guanidine (PCHG), 1,3-dicyclohexy l 2 n-octyl guanidina (DCOG), 1,1,3,3-tetrametila guanidina (TMG), 1,3-difenil guanidina (DPG)). Mistura ultrassônica (em 35º) como mostrado superior para a produção de biodiesel destacando a mistura mecânica (a 65º) por maiores rendimentos e taxa de conversão. A eficiência da transferência de massa no campo de ultrassom aumentou a taxa de reação de transesterificação em comparação com a agitação mecânica. A sonicação superou a agitação mecânica para todos os catalisadores testados. Executar a reação de transesterificação com cavitação ultrassônica é uma alternativa eficiente em energia e industrialmente viável para a produção de biodiesel. Além dos catalisadores amplamente utilizados KOH e NaOH, ambos catalisadores de guanidina, propyl-2,3 dicyclohexylguanidina (PCHG) e 1,3-dicyclohexyl 2 n-octylguanidine (DCOG), foram ambos mostrados como altrnativos interessantes para conversão de biodiesel.
Mootabadi et al. (2010) investigaram a síntese de biodiesel ultrassônica a partir do óleo de palma usando diversos catalisadores de óxido de metal alcalino, como CaO, BaO e SrO. A atividade do catalisador na síntese de biodiesel assistida por ultrassom foi comparada com o processo tradicional de agitação magnética, e verificou-se que o processo ultrassônico mostrou 95,2% de rendimento usando BaO dentro de 60 min tempo de reação, que de outra forma tomam 3-4 h no processo de agitação convencional. Para transesterificação ultrasonicamente assistida em condições ideais, 60 min foram necessários para atingir 95% de rendimento em comparação com 2-4 h com agitação convencional. Além disso, os rendimentos obtidos com ultrassom em 60 min aumentaram de 5,5% para 77,3% usando CaO como catalisadores, 48,2% para 95,2% usando O SrO como catalisadores e 67,3% para 95,2 usando OBA como catalisadores.

Produção de biodiesel usando várias guanidinas (3% mol) como catalisador. (A) Sensor de em lotes mecânico: (metanol:óleo de canola) 4:1, temperatura de 65ºC; (B) Reator de lote de ultrassom: ultrassonicador UP200St, (óleo de metanol:canola) 4:1, 60% de amplitude dos EUA, temperatura de 35ºC. A mistura orientada por ultrassom supera a agitação mecânica de longe.
(Estudo e gráficos: Shinde e Kaliaguine, 2019)

Reatores ultrassônicos de alto desempenho para processamento superior de biodiesel

A Hielscher Ultrasonics oferece processadores ultrassônicos de alto desempenho e reatores para uma melhor produção de biodiesel, resultando em maiores rendimentos, melhor qualidade, tempo de processamento reduzido e menores custos de produção.

Pequena e média escala Reactores Biodiesel

Para pequenas e médias produção tamanho biodiesel de até 9ton / hr (2900 gal / hr), Hielscher oferece-lhe a UIP500hdT (500 watts), UIP1000hdT (1000 watts), UIP1500hdT (1500 watts)e UIP2000hdT (2000 watts) modelos de misturador de alta cisalhamento ultrassônicos. Estes quatro reatores ultrassônicos são muito compactos, fáceis de integrar ou retro-fit. Eles são construídos para operação pesada em ambientes severos. Abaixo você encontrará configurações recomendadas de reator para uma série de taxas de produção.

Reatores de biodiesel industriais de grande rendimento

Para plantas de produção de processamento industrial de biodiesel Hielscher oferece a UIP4000hdT (4 kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) e UIP16000hdT (16kW) homogeneizadores ultrassônicos! Estes processadores ultrassônicos são projetados para o processamento contínuo de altas taxas de fluxo. O UIP4000hdT, UIP6000hdT e UIP10000 podem ser integrados em contêineres de carga marítima padrão. Alternativamente, todos os quatro modelos de processador estão disponíveis em armários de aço inoxidável. Uma instalação vertical requer espaço mínimo. Abaixo você encontra configurações recomendadas para taxas típicas de processamento industrial.