Producția de biodiesel și conversia în biodiesel
Depășiți limitările producției de biodiesel cu reactoare cu ultrasunete! Cinetica lentă a reacției și transferul de masă deficitar pot reduce semnificativ capacitatea, randamentul și calitatea instalației dumneavoastră de biodiesel. Reactoarele cu ultrasunete Hielscher abordează aceste provocări prin îmbunătățirea substanțială a cineticii transesterificării. Drept urmare, procesarea biodieselului necesită mai puțin metanol în exces și cantități reduse de catalizator.
Cavitația ultrasonică: o soluție superioară de amestecare
Producția tradițională de biodiesel utilizează de obicei reactoare discontinue (batch), cu căldură și amestecare mecanică drept aporturi de energie. Cavitația ultrasonică oferă o alternativă eficientă, care asigură o amestecare mai bună în procesarea comercială a biodieselului. Această cavitație ultrasonică furnizează energia de activare necesară pentru transesterificarea industrială a biodieselului.
Avantajele-cheie ale transesterificării biodieselului cu ultrasunete:
- Rate de conversie mai mari
- Timpi de reacție mai scurți
- Calitate îmbunătățită a produsului
- Capacitatea de a converti uleiurile uzate în FAME (esteri metilici ai acizilor grași)
Amestecarea cu ultrasunete îmbunătățește rata de conversie a biodieselului, crește randamentul și economisește metanolul în exces și catalizatorul.
Transesterificarea biodieselului îmbunătățită cu ultrasunete
Producția de biodiesel implică de obicei o reacție chimică numită transesterificare, în care o trigliceridă (cum ar fi uleiul vegetal, grăsimea animală, uleiurile de gătit uzate) reacționează cu un alcool (cum ar fi metanolul) în prezența unui catalizator pentru a produce biodiesel (esteri metilici ai acizilor grași) și glicerol. Reactoarele cu ultrasunete pot fi utilizate pentru a îmbunătăți procesul de transesterificare în mai multe moduri, ceea ce aduce mai multe beneficii:
- Amestecare îmbunătățită: Undele ultrasonice pot genera bule de cavitație care colapsează violent, provocând o amestecare și o agitare intensă a amestecului de reacție. Acest lucru duce la un contact mai bun între reactanți și catalizator, rezultând o transesterificare mai rapidă și mai completă.
- Cinetică de reacție accelerată: Condițiile de înaltă energie generate de undele ultrasonice pot activa reacția, crescând viteza de reacție și reducând timpul de reacție necesar pentru atingerea unui anumit nivel de conversie. Acest lucru poate duce la randamente mai mari și costuri mai mici.
- Consum redus de catalizator: Reactoarele cu ultrasunete pot îmbunătăți eficiența utilizării catalizatorului prin furnizarea unui număr mai mare de situsuri active pentru reacție. Aceasta înseamnă că este necesar mai puțin catalizator pentru a atinge același nivel de conversie, reducând costurile și impactul asupra mediului.
- Calitate îmbunătățită a produsului: Reactoarele cu ultrasunete pot produce biodiesel cu un conținut mai scăzut de acizi grași liberi, o puritate mai mare și proprietăți mai bune de curgere la rece. Acest lucru se datorează amestecării îmbunătățite și cineticii de reacție mai rapide, care minimizează formarea de subproduse și impurități nedorite.
Aceste avantaje ale procesării biodieselului cu ultrasunete fac ca utilizarea unei configurații cu reactor cu ultrasunete să fie extrem de economică, deoarece utilizarea reactoarelor cu ultrasunete îmbunătățește semnificativ eficiența, viteza și calitatea transesterificării biodieselului. Pe scurt, aceasta înseamnă că ultrasonicarea transformă transesterificarea într-un proces mai sustenabil din punct de vedere economic și ecologic.
Problemele amestecării convenționale a biodieselului: Reacția convențională de esterificare în procesarea discontinuă tinde să fie lentă, iar separarea fazelor glicerinei consumă mult timp, durând adesea 5 ore sau mai mult.
Reactoarele cu ultrasunete vă ajută să accelerați procesul de biodiesel și, simultan, să creșteți randamentul și calitatea biodieselului dumneavoastră, la costuri de procesare mai mici!
Ultrasonicatorul de calitate industrială UIP2000hdT cu celula de flux FC2T500k pentru esterificarea și transesterificarea în linie a biodieselului.
Avantajele transesterificării biodieselului cu ultrasunete
- Randamente mai mari de biodiesel datorită amestecării îmbunătățite
- Calitate crescută a biodieselului
- Utilizarea chiar și a uleiului de cea mai slabă calitate ca materie primă
- Procesare continuă în linie
- Mai puțin metanol
- Mai puțin catalizator
- Economie de timp datorită conversiei de mare viteză
- Economie de energie
- Operare simplă și sigură
- Robustețe și întreținere redusă
- Performanță ridicată: funcționare 24/7 la sarcină maximă
Reactorul cu ultrasunete UIP16000hdT produce aprox. 32MMGY
„Am fost foarte mulțumiți de echipamentele și serviciile Hielscher și avem ferma intenție de a include tehnologia de ultrasonicare Hielscher în toate proiectele noastre viitoare.”
Todd Stephens, Tulsa Biofuels
Ultrasunete pentru producția de biodiesel
Biodieselul este adesea produs în reactoare discontinue. Conversia biodieselului cu ultrasunete permite procesarea continuă în linie. Ultrasonicarea poate atinge un randament de biodiesel de peste 99%. Reactoarele cu ultrasunete reduc timpul de procesare de la 1 până la 4 ore, cât durează procesarea convențională în regim discontinuu, la mai puțin de 30 de secunde. Mai important, ultrasonicarea reduce timpul de separare de la 5 până la 10 ore (cu agitare convențională) la mai puțin de 60 de minute. Ultrasonicarea ajută, de asemenea, la reducerea cu până la 50% a cantității de catalizator necesare, datorită activității chimice crescute în prezența cavitației. Când se utilizează ultrasonicarea, se reduce și cantitatea necesară de metanol în exces. Un alt beneficiu este creșterea rezultată a purității glicerinei.
Producția de biodiesel cu ultrasunete, pas cu pas:
- uleiul vegetal sau grăsimea animală se amestecă cu metanolul (care formează esteri metilici) sau cu etanolul (pentru esteri etilici) și cu metoxid sau hidroxid de sodiu sau de potasiu
- amestecul este încălzit, de ex. la temperaturi între 45 și 65degC
- amestecul încălzit este sonicat în linie timp de 5 până la 15 secunde
- glicerina se separă prin decantare sau este separată cu ajutorul centrifugelor
- biodieselul obținut prin conversie este spălat cu apă
Cel mai frecvent, sonicarea se realizează la presiune ridicată (1 până la 3bar, presiune relativă), folosind o pompă de alimentare și o supapă de contrapresiune reglabilă amplasată lângă celula de flux.
Conversia industrială a biodieselului nu necesită multă energie ultrasonică. Necesarul real de energie poate fi determinat la scară de laborator (benchtop) folosind, de ex., un procesor cu ultrasunete de 1kW, cum ar fi UIP1000hdT. Toate rezultatele unor astfel de teste la scară de laborator pot fi extinse la scară mai mare în mod liniar și fără probleme. Dacă este necesar, sunt disponibile dispozitive cu ultrasunete certificate ATEX, cum ar fi UIP1000-Exd.
Hielscher furnizează echipamente industriale cu ultrasunete pentru procesarea biodieselului la nivel mondial. Cu procesoare cu ultrasunete de până la 16kW putere per dispozitiv individual, nu există nicio limită în ceea ce privește dimensiunea instalației de biodiesel sau capacitatea de procesare.
Costurile fabricării biodieselului cu ultrasunete
Ultrasonicarea este un mijloc eficient de a crește viteza de reacție și rata de conversie în producția comercială de biodiesel. Costurile procesării cu ultrasunete rezultă în principal din investiția în echipamente cu ultrasunete, din costurile utilităților și din întreținere. Eficiența energetică remarcabilă a ultrasonicatoarelor Hielscher ajută la reducerea costurilor utilităților și, prin aceasta, face procesul și mai ecologic. Costurile rezultate pentru ultrasonicare variază între 0,1ct și 1,0ct pe litru (0,4ct până la 1,9ct/galon) la utilizarea la scară comercială.
Citiți mai multe despre eficiența procesului și beneficiile economice ale producției de biodiesel cu ultrasunete!
Amestecarea cu ultrasunete reduce consumul specific de energie în fabricarea biodieselului, depășind cu mult amestecarea magnetică hidrodinamică și mixerele cu forfecare ridicată.
Configurație de biodiesel cu ultrasunete la scară mică
Ultrasonicarea poate fi utilizată pentru conversia uleiului în biodiesel la orice scară. Imaginea de mai jos prezintă o configurație la scară mică pentru procesarea a 60–70L (16 până la 19 galoane). Aceasta este configurația tipică pentru studii inițiale și demonstrarea procesului.
Esterificarea și transesterificarea cu ultrasunete pot fi realizate ca proces discontinuu sau continuu în linie. Această diagramă prezintă procesul discontinuu cu ultrasunete pentru conversia biodieselului.
3x ultrasonicatoare de 1kW, modelul 1000hdT cu reactor cu ultrasunete cu flux continuu pentru conversia foarte eficientă a biodieselului.
- un ultrasonicator (de ex., UIP500hdT sau UIP1000hdT) cu booster, sonotrodă și celulă de flux
- wattmetru pentru măsurarea puterii și a energiei
- rezervor de procesare de 80L (din plastic, de ex. HDPE)
- element de încălzire (1 până la 2kW)
- rezervor de 10L pentru preamestecul catalizatorului (din plastic, de ex. HDPE)
- dispozitiv de preamestecare a catalizatorului (agitator)
- pompă (centrifugă, mono sau cu roți dințate) pentru aprox. 10 până la 20L/min la 1 până la 3 barg
- supapă de contrapresiune pentru reglarea presiunii în celula de flux
- manometru pentru măsurarea presiunii de alimentare
Reactoare cu ultrasunete pentru o procesare superioară a biodieselului
Hielscher Ultrasonics oferă procesoare și reactoare cu ultrasunete de înaltă performanță, care vă vor îmbunătăți producția de biodiesel prin randamente mai mari de biodiesel, calitate îmbunătățită a biodieselului, timp de procesare redus și costuri de producție mai mici.
Reactoare cu ultrasunete la scară mică și medie pentru transesterificarea biodieselului
Pentru producția de biodiesel la scară mică și medie, de până la 9 tone/oră (2900 galoane/oră), Hielscher vă oferă UIP500hdT (500 wați), UIP1000hdT (1000 wați), UIP1500hdT (1500 wați) și UIP2000hdT (2000 wați) ca mixere ultrasonice cu forfecare ridicată, cu reactoare cu flux continuu, pentru o procesare în linie fiabilă și eficientă a biodieselului. Aceste patru reactoare cu ultrasunete sunt foarte compacte și ușor de integrat sau de adaptat ulterior. Sunt construite pentru funcționare intensivă în medii dure. Mai jos găsiți configurațiile de reactoare recomandate pentru o gamă de rate de producție.
|
tone/oră
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT (500 wați) |
0,25 până la 0,5
|
80 până la 160
|
| 1x UIP1000hdT (1000 wați) |
0,5 până la 1,0
|
160 până la 320
|
| 1x UIP1500hdT (1500 wați) |
0,75 până la 1,5
|
240 până la 480
|
| 1x UIP2000hdT (2000 wați) |
1,0 până la 2,0
|
320 până la 640
|
| 2x UIP2000hdT (2000 wați) |
2,0 până la 4,0
|
640 până la 1280
|
| 4xUIP1500hdT (1500 wați) |
3,0 până la 6,0
|
960 până la 1920
|
| 6x UIP1500hdT (1500 wați) |
4,5 până la 9,0
|
1440 până la 2880
|
| 6x UIP2000hdT (2000 wați) |
6,0 până la 12,0
|
1920 până la 3840
|
Reactoare industriale de biodiesel cu capacitate de procesare foarte mare
Pentru instalațiile industriale de producție a biodieselului, Hielscher oferă omogenizatoarele cu ultrasunete UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10000 (10kW) și UIP16000hdT (16kW)! Aceste procesoare cu ultrasunete sunt concepute pentru procesarea continuă la debite mari. UIP4000hdT, UIP6000hdT și UIP10000 pot fi integrate în containere standard de transport maritim. Alternativ, toate cele patru modele de procesoare sunt disponibile în dulapuri din oțel inoxidabil. O instalare verticală necesită spațiu minim. Mai jos găsiți configurațiile recomandate pentru rate tipice de procesare industrială.
|
tone/oră
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP6000hdT (6000 wați) |
3,0 până la 6,0
|
960 până la 1920
|
| 3x UIP4000hdT (4000 wați) |
6,0 până la 12,0
|
1920 până la 3840
|
| 5x UIP4000hdT (4000 wați) |
10,0 până la 20,0
|
3200 până la 6400
|
| 3x UIP6000hdT (6000 wați) |
9,0 până la 18,0
|
2880 până la 5880
|
| 3x UIP10000 (10.000 wați) |
15,0 până la 30,0
|
4800 până la 9600
|
| 3x UIP16000hdT (16.000 wați) |
24,0 până la 48,0
|
7680 până la 15.360
|
| 5x UIP16000hdT |
40,0 până la 80,0
|
12.800 până la 25.600
|
Contactați-ne! / Întrebați-ne!
Ultrasonicatorul UIP16000hdT poate procesa 32MMGY de biodiesel.
Inovația tehnologică a anului Frost & Sullivan
Hielscher Ultrasonics a primit prestigiosul premiu Frost and Sullivan pentru inovația tehnologică a anului, ca recunoaștere a dezvoltării de către companie a unei tehnologii ultrasonice inovatoare pentru producția de biodiesel.
Faceți clic aici pentru a citi mai multe despre premiul Frost and Sullivan acordat reactoarelor de biodiesel Hielscher Ultrasonics!
Transesterificarea – conversia chimică a biodieselului
Fabricarea biodieselului din uleiuri vegetale (de ex. soia, canola, jatropha, semințe de floarea-soarelui), alge, grăsimi animale, precum și din uleiuri de gătit uzate implică transesterificarea catalizată bazic a acizilor grași cu metanol sau etanol, pentru a obține esterii metilici sau esterii etilici corespunzători. Glicerina este un subprodus inevitabil al acestei reacții.
Uleiurile vegetale, ca și grăsimile animale, sunt trigliceride compuse din trei lanțuri de acizi grași legate de o moleculă de glicerină. Trigliceridele sunt esteri. Esterii sunt acizi, precum acizii grași, combinați cu un alcool. Glicerina (= glicerol) este un alcool greu. În procesul de conversie, esterii trigliceridici sunt transformați în esteri alchilici (= biodiesel) folosind un catalizator (leșie) și un reactiv alcoolic, de ex. metanol, ceea ce produce biodiesel sub formă de esteri metilici. Metanolul înlocuiește glicerina. Acest proces de conversie chimică se numește transesterificare.
După transesterificare, glicerina, care este faza mai grea, se va depune la fund. Biodieselul, care este faza mai ușoară, plutește deasupra și poate fi separat, de ex. cu ajutorul decantoarelor sau al centrifugelor.
Prepararea biodieselului
Hidroxidul de potasiu (0,2 până la 0,4kg, catalizator) se dizolvă în aprox. 8,5L de metanol în rezervorul de preamestec al catalizatorului. Acest lucru necesită agitarea preamestecului de catalizator. Rezervorul de procesare se umple cu 66L de ulei vegetal. Uleiul este încălzit de elementul de încălzire la 45 până la 65degC.
Conversia biodieselului
Când catalizatorul s-a dizolvat complet în metanol, preamestecul de catalizator se amestecă cu uleiul încălzit. Pompa alimentează amestecul în celula de flux. Cu ajutorul supapei de contrapresiune, presiunea se reglează la 1 până la 3barg (15 până la 45psig). Recircularea prin reactorul de biodiesel cu ultrasunete trebuie efectuată timp de aprox. 20 de minute. În acest timp, uleiul este transformat în biodiesel. După aceea, pompa și ultrasunetele se opresc. Glicerina (faza mai grea) se va separa de biodiesel (faza mai ușoară). Separarea durează aprox. 30 până la 60 de minute. Când separarea s-a încheiat, glicerina poate fi evacuată.
Spălarea biodieselului
Deoarece biodieselul obținut prin conversie conține impurități, este necesară spălarea. Pentru spălare, apa se amestecă în biodiesel. Ultrasonicarea poate favoriza amestecarea biodieselului cu apa. Aceasta crește suprafața activă ca urmare a reducerii dimensiunii picăturilor. Vă rugăm să rețineți că o sonicare foarte intensă poate reduce picăturile de apă la o dimensiune la care se formează o emulsie aproape stabilă, care va necesita mijloace speciale (de ex. centrifugă) pentru a fi separată.
Instalație de fabricare a biodieselului
Schema de flux de mai jos prezintă o configurație tipică pentru sonicarea în linie a uleiului, metanolului și catalizatorului în vederea conversiei în biodiesel.
Esterificarea și transesterificarea cu ultrasunete pot fi realizate ca proces discontinuu sau continuu în linie. Diagrama prezintă procesul în linie cu ultrasunete pentru transesterificarea biodieselului (FAME).
Procesarea și separarea continuă a biodieselului
Într-o configurație pentru procesarea continuă a biodieselului și separarea continuă, uleiul încălzit și preamestecul de catalizator sunt amestecate continuu cu ajutorul unor pompe reglabile. Un mixer static în linie îmbunătățește omogenitatea alimentării reactorului cu ultrasunete. Amestecul ulei/catalizator trece prin celula de flux, unde este expus cavitației ultrasonice timp de aprox. 5 până la 30 de secunde. O supapă de contrapresiune este utilizată pentru controlul presiunii în celula de flux. Amestecul sonicat intră în coloana reactorului prin partea superioară. Volumul coloanei reactorului este proiectat pentru a asigura un timp de retenție de aprox. 1 oră în coloană. În acest timp, reacția de transesterificare se finalizează. Amestecul reacționat de glicerină/biodiesel este pompat către centrifugă, unde este separat în fracțiile de biodiesel și de glicerină. Post-procesarea implică recuperarea metanolului, spălarea și uscarea și poate fi realizată, de asemenea, în mod continuu.
Această configurație elimină șarjele din reactoarele de biodiesel, agitatoarele convenționale și rezervoarele mari de separare.
Viteza reacției de transesterificare a biodieselului
Diagramele de mai jos prezintă rezultate tipice ale transesterificării uleiului de rapiță (de calitate industrială) cu metoxid de sodiu (stânga) și hidroxid de potasiu (dreapta). Pentru ambele teste, o probă de control (linia albastră) a fost supusă unei amestecări mecanice intense. Linia roșie reprezintă proba sonicată cu formulare identică în ceea ce privește raportul volumetric, concentrația catalizatorului și temperatura. Axa orizontală arată timpul scurs după amestecare, respectiv după sonicare. Axa verticală arată volumul de glicerină depus la fund. Acesta este un mijloc simplu de măsurare a vitezei de reacție. În ambele diagrame, proba sonicată (roșu) reacționează mult mai rapid decât proba de control (albastru).
Comparație între amestecarea cu ultrasunete (graficul roșu) și amestecarea convențională (graficul albastru) pentru producția de biodiesel – utilizând metoxid de sodiu (stânga) și hidroxid de potasiu (dreapta) drept catalizatori.
Linkuri pentru aprovizionarea în domeniul biodieselului
Informații chimice și de siguranță
Vă rugăm să citiți cu atenție informațiile de mai jos, pentru a preveni complicațiile și efectele adverse asupra sănătății.
Substanțe chimice pentru biodiesel
Metanolul este toxic. Poate provoca deteriorarea nervilor ca urmare a utilizării prelungite. Poate fi, de asemenea, adsorbit de piele. Dacă ajunge în ochi prin stropire, poate provoca orbire, iar metanolul poate fi fatal dacă este înghițit. Din acest motiv, luați măsurile de precauție necesare atunci când manipulați metanolul. Se recomandă utilizarea unui respirator bun, a unui șorț și a unor mănuși de cauciuc.
Hidroxidul de potasiu (KOH) este toxic și provoacă arsuri ale pielii la contact. Este necesară o ventilație bună.
Asigurați-vă că spațiul de lucru este ventilat din abundență și temeinic, pentru a permite evacuarea vaporilor. Respiratoarele cu cartușe pentru vapori nu sunt eficiente împotriva vaporilor de metanol. Un sistem cu alimentare cu aer (SCBA – aparat de respirat autonom) oferă o protecție mai bună împotriva vaporilor de metanol.
Biodieselul și piesele din cauciuc
Funcționarea cu biodiesel 100% pentru o perioadă mai lungă poate cauza complicații la piesele din cauciuc ale motorului aflate în contact cu lichidul (pompă, furtunuri, garnituri O-ring). Înlocuirea cu piese din oțel sau din cauciuc pentru solicitări mari poate elimina această problemă. Alternativ, puteți amesteca aprox. 25% motorină convențională (fosilă) în biodieselul dumneavoastră pentru a preveni complicațiile.
Literatură / Referințe
- 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.
Hielscher Ultrasonics fabrică omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță, de la scară de laborator la scară industrială.