Producția de biodiesel cu eficiență superioară a procesului și a costurilor

Amestecarea cu ultrasunete este tehnologia superioară pentru o producție de biodiesel extrem de eficientă și rentabilă. Cavitația ultrasonică îmbunătățește drastic transferul de masă, reducând astfel costurile de producție și durata procesării. În același timp, pot fi utilizate uleiuri și grăsimi de calitate slabă (de ex. uleiuri uzate), iar calitatea biodieselului este îmbunătățită. Hielscher Ultrasonics furnizează reactoare de amestecare cu ultrasunete robuste, de înaltă performanță, pentru orice scară de producție. Citiți mai multe despre modul în care producția dumneavoastră de biodiesel va beneficia de sonicare!

Beneficiile utilizării ultrasunetelor în producția de biodiesel

Biodieselul (ester metilic al acizilor grași, abrev. FAME) este produsul unei reacții de transesterificare a materiei prime lipidice (trigliceride, de ex. ulei vegetal, uleiuri de gătit uzate, grăsimi animale, ulei de alge) cu un alcool (metanol, etanol), folosind un catalizator (de ex. hidroxid de potasiu KOH).
Problema: În conversia convențională a biodieselului prin agitare convențională, natura nemiscibilă a celor doi reactanți ai reacției de transesterificare – uleiul și alcoolul – duce la o rată slabă a transferului de masă, ceea ce are ca rezultat o producție ineficientă de biodiesel. Această ineficiență se caracterizează prin timpi lungi de reacție, rapoarte molare metanol-ulei mai mari, necesar ridicat de catalizator, temperaturi de proces ridicate și viteze mari de agitare. Acești factori sunt generatori importanți de costuri, făcând din fabricarea convențională a biodieselului un proces costisitor.
Soluția: Amestecarea cu ultrasunete emulsionează reactanții într-un mod extrem de eficient, rapid și cu costuri reduse, astfel încât raportul ulei-metanol poate fi îmbunătățit, necesarul de catalizator este redus, iar timpul și temperatura de reacție sunt scăzute. Astfel se economisesc resurse (adică substanțe chimice și energie), precum și timp, costurile de procesare sunt reduse, în timp ce calitatea biodieselului și profitabilitatea producției sunt îmbunătățite semnificativ. Aceste fapte fac din amestecarea cu ultrasunete tehnologia preferată pentru fabricarea eficace a biodieselului.
Cercetarea și producătorii industriali de biodiesel confirmă că amestecarea cu ultrasunete este o modalitate foarte rentabilă de a produce biodiesel, chiar și atunci când ca materie primă se utilizează uleiuri și grăsimi de calitate slabă. Intensificarea procesului cu ultrasunete îmbunătățește considerabil rata de conversie, reducând utilizarea excesului de metanol și de catalizator și permițând producerea de biodiesel care îndeplinește standardul de calitate al specificațiilor ASTM D6751 și EN 14212. (cf. Abdullah et al., 2015)

Transesterificarea trigliceridelor în biodiesel (FAME) prin sonicare are ca rezultat o reacție accelerată și o eficiență semnificativ mai mare.

Numeroase avantaje ale amestecării cu ultrasunete în producția de biodiesel

Reactoarele de amestecare cu ultrasunete pot fi integrate cu ușurință în orice instalație nouă, precum și montate ulterior în instalațiile de biodiesel existente. Integrarea unui mixer cu ultrasunete Hielscher transformă orice unitate de biodiesel într-o instalație de producție de înaltă performanță. Instalarea simplă, robustețea și ușurința în utilizare (nu este necesară o instruire specifică pentru operare) permit modernizarea oricărei unități într-o instalație de biodiesel extrem de eficientă. Mai jos vă prezentăm rezultate dovedite științific privind avantajele, documentate de terți independenți. Cifrele dovedesc superioritatea amestecării cu ultrasunete a biodieselului față de orice tehnică convențională de agitare.

Schema de flux prezintă etapele producției de biodiesel, inclusiv amestecarea cu ultrasunete pentru o eficiență îmbunătățită a procesului.

Comparație a eficienței și a costurilor: ultrasunete vs. agitare mecanică

Gholami et al. (2021) prezintă în studiul lor comparativ avantajele transesterificării cu ultrasunete față de agitarea mecanică (adică mixer cu palete, rotor cu palete, mixer cu forfecare ridicată).

Costuri de investiție reduse:
Procesorul și reactorul cu ultrasunete UIP16000 poate produce 192–384 t biodiesel/d, cu o amprentă la sol de doar 1,2m x 0,6m. În comparație, pentru agitarea mecanică (MS) este necesar un reactor mult mai mare din cauza timpului lung de reacție din procesul de agitare mecanică, ceea ce determină o creștere semnificativă a costului reactorului. (cf. Gholami et al., 2020)
Costuri de procesare reduse:
Costurile de procesare pentru producția de biodiesel cu ultrasunete sunt cu 7,7% mai mici decât cele ale procesului cu agitare, în principal datorită investiției totale mai mici pentru procesul de sonicare. Costul substanțelor chimice (catalizator, metanol/alcool) este al treilea cel mai mare generator de costuri în ambele procese, sonicare și agitare mecanică. Cu toate acestea, în cazul conversiei biodieselului cu ultrasunete, costurile cu substanțele chimice sunt semnificativ mai mici decât în cazul agitării mecanice. Ponderea costurilor cu substanțele chimice reprezintă aprox. 5% din costul final al biodieselului. Datorită consumului mai redus de metanol, hidroxid de sodiu și acid fosforic, costul substanțelor chimice în procesul de biodiesel cu ultrasunete este cu 2,2% mai mic decât cel al procesului cu agitare mecanică.

Costuri energetice reduse:
Energia consumată de reactorul de amestecare cu ultrasunete este de aproximativ trei ori mai mică decât cea consumată de agitatorul mecanic. Această reducere considerabilă a consumului de energie este rezultatul micro-amestecării intense și al timpului de reacție redus, care decurg din formarea și implozia a nenumărate cavități ce caracterizează fenomenul de cavitație acustică / ultrasonică (Gholami et al., 2018). În plus, comparativ cu agitatorul convențional, consumul de energie pentru etapele de recuperare a metanolului și de purificare a biodieselului în procesul de amestecare cu ultrasunete este redus cu 26,5%, respectiv cu 1,3%. Această scădere se datorează cantităților mai mici de metanol care intră în aceste două coloane de distilare în procesul de transesterificare cu ultrasunete.

Costuri de eliminare a deșeurilor puternic reduse:
Tehnologia cavitației ultrasonice reduce, de asemenea, în mod remarcabil costul eliminării deșeurilor. Acest cost în procesul de sonicare reprezintă aproximativ o cincime din cel al procesului cu agitare, ca urmare a scăderii semnificative a cantității de deșeuri generate, datorită conversiei mai mari în reactor și cantităților mai mici de alcool consumat.
Citiți mai multe despre conversia cu ultrasunete în biodiesel a uleiurilor din zațul de cafea uzat!

Caracter ecologic îmbunătățit:
Datorită eficienței globale foarte ridicate, consumului redus de substanțe chimice, necesarului mai mic de energie și cantității reduse de deșeuri, producția de biodiesel cu ultrasunete este semnificativ mai ecologică decât procesele convenționale de fabricare a biodieselului.

Concluzie – Ultrasunetele îmbunătățesc eficiența producției de biodiesel

Evaluarea științifică arată avantajele clare ale amestecării cu ultrasunete față de agitarea mecanică convențională în producția de biodiesel. Avantajele procesării biodieselului cu ultrasunete includ investiția totală de capital, costul total al produsului, valoarea actualizată netă și rata internă de rentabilitate. S-a constatat că valoarea investiției totale în procesul cu cavitație ultrasonică a fost cu aproximativ 20,8% mai mică decât cea a celuilalt proces. Utilizarea reactoarelor cu ultrasunete a redus costurile produsului cu 5,2% – folosind ulei de canola virgin. Deoarece sonicarea permite procesarea și a uleiurilor uzate (de ex. uleiuri de gătit folosite), costurile de producție pot fi reduse și mai mult, în mod semnificativ. Gholami et al. (2021) ajung la concluzia că, datorită unei valori actualizate nete pozitive, procesul cu cavitație ultrasonică este cea mai bună alegere de tehnologie de amestecare pentru producția de biodiesel.
Din punct de vedere tehnic, cele mai importante efecte ale cavitației ultrasonice cuprind eficiența semnificativă a procesului și reducerea timpului de reacție. Formarea și implozia a numeroase bule de vid – cunoscute sub numele de cavitație acustică / ultrasonică – reduc timpul de reacție de la câteva ore în reactorul cu rezervor agitat la câteva secunde în reactorul cu cavitație ultrasonică. Acest timp de staționare scurt permite producția de biodiesel într-un reactor cu flux continuu cu o amprentă la sol redusă. Reactorul cu cavitație ultrasonică prezintă, de asemenea, efecte benefice asupra necesarului de energie și de materiale, reducând consumul de energie la aproape o treime din cel al unui reactor cu rezervor agitat, iar consumul de metanol și de catalizator cu 25%.
Din perspectivă economică, investiția totală a procesului cu cavitație ultrasonică este mai mică decât cea a procesului cu agitare mecanică, în principal datorită reducerii cu aproape 50% a costului reactorului, respectiv cu 11,6% a costului coloanei de distilare a metanolului. Procesul cu cavitație ultrasonică reduce, de asemenea, costul de producție al biodieselului datorită unei reduceri cu 4% a consumului de ulei de canola, unei investiții totale mai mici, unui consum de substanțe chimice cu 2,2% mai mic și unui necesar de utilități cu 23,8% mai mic. Spre deosebire de procesul cu agitare mecanică, procesarea cu ultrasunete este o investiție acceptabilă datorită valorii sale actualizate nete pozitive, perioadei mai scurte de recuperare a investiției și unei rate interne de rentabilitate mai mari. Pe lângă beneficiile tehnico-economice asociate procesului cu cavitație ultrasonică, acesta este mai ecologic decât procesul cu agitare mecanică. Cavitația ultrasonică are ca rezultat o reducere cu 80% a fluxurilor de deșeuri, datorită conversiei mai mari în reactor și consumului redus de alcool în acest proces. (cf. Gholami et al., 2021)

Transformați materia primă de calitate slabă în biodiesel impecabil!

Sonicarea permite procesarea mai eficientă a materiilor prime de calitate slabă, cum ar fi uleiurile vegetale uzate, grăsimile de prăjit folosite, seul sau uleiurile de pește, deoarece cavitația ultrasonică forțează un contact mult mai bun între fazele nemiscibile de ulei și alcool, îmbunătățind considerabil amestecarea, precum și transferul de căldură și de masă. De asemenea, accelerează cinetica reacției, astfel încât chiar și materiile prime dificile și variabile pot fi convertite mai rapid și mai complet.
Cavitația acustică intensifică mediul de reacție și poate favoriza formarea de radicali extrem de reactivi, ceea ce susține și mai mult transesterificarea rapidă și ajută la depășirea dezavantajelor obișnuite de procesare ale materiilor prime de calitate inferioară.
Citiți cum transformă sonicarea uleiurile și grăsimile uzate în biodiesel!

Utilizați catalizatorul ales de dumneavoastră

Procesul de transesterificare cu ultrasunete pentru biodiesel s-a dovedit eficient folosind atât catalizatori alcalini, cât și bazici. De exemplu, Shinde și Kaliaguine (2019) au comparat eficiența amestecării cu ultrasunete și a amestecării mecanice cu palete folosind diverși catalizatori, și anume hidroxid de sodiu (NaOH), hidroxid de potasiu (KOH), (CH₃ONa), hidroxid de tetrametilamoniu și patru guanidine (propil-2,3-diciclohexil guanidină (PCHG), 1,3-diciclohexil 2 n-octil guanidină (DCOG), 1,1,3,3-tetrametil guanidină (TMG), 1,3-difenil guanidină (DPG)). Amestecarea cu ultrasunete (la 35º) s-a dovedit superioară pentru producția de biodiesel, depășind amestecarea mecanică (la 65º) prin randamente și rate de conversie mai mari. Eficiența transferului de masă în câmpul ultrasonic a crescut viteza reacției de transesterificare comparativ cu agitarea mecanică. Sonicarea a depășit agitarea mecanică pentru toți catalizatorii testați. Desfășurarea reacției de transesterificare cu cavitație ultrasonică este o alternativă eficientă energetic și viabilă industrial pentru producția de biodiesel. Pe lângă catalizatorii utilizați pe scară largă KOH și NaOH, ambii catalizatori pe bază de guanidină, propil-2,3 diciclohexilguanidina (PCHG) și 1,3-diciclohexil 2 n-octilguanidina (DCOG), s-au dovedit a fi alternative interesante pentru conversia în biodiesel.
Mootabadi et al. (2010) au investigat sinteza biodieselului asistată de ultrasunete din ulei de palmier, folosind diverși catalizatori pe bază de oxizi de metale alcaline, precum CaO, BaO și SrO. Activitatea catalizatorului în sinteza biodieselului asistată de ultrasunete a fost comparată cu procesul tradițional de agitare magnetică și s-a constatat că procesul cu ultrasunete a prezentat un randament de 95,2% folosind BaO într-un timp de reacție de 60 min, care altfel necesită 3–4 h în procesul convențional cu agitare. Pentru transesterificarea asistată de ultrasunete în condiții optime au fost necesare 60 min pentru a obține un randament de 95%, comparativ cu 2–4 h prin agitare convențională. De asemenea, randamentele obținute cu ultrasunete în 60 min au crescut de la 5,5% la 77,3% folosind CaO drept catalizator, de la 48,2% la 95,2% folosind SrO drept catalizator și de la 67,3% la 95,2 folosind BaO drept catalizator.

Producția de biodiesel folosind diverse guanidine (3% mol) drept catalizator. (A) Reactor discontinuu cu agitare mecanică: (metanol:ulei de canola) 4:1, temperatură 65ºC; (B) Reactor discontinuu cu ultrasunete: ultrasonicatorul UP200St, (metanol:ulei de canola) 4:1, amplitudine US de 60%, temperatură 35ºC. Amestecarea cu ultrasunete depășește cu mult agitarea mecanică.
(Studiu și grafice: Shinde și Kaliaguine, 2019)

Reactoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru o procesare superioară a biodieselului

Hielscher Ultrasonics oferă procesoare și reactoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru o producție îmbunătățită de biodiesel, care are ca rezultat randamente mai mari, calitate îmbunătățită, timp de procesare redus și costuri de producție mai mici.

Reactoare de biodiesel la scară mică și medie

Pentru producția de biodiesel la scară mică și medie de până la 9 tone/oră (2900 gal/hr), Hielscher vă oferă UIP500hdT (500 wați), UIP1000hdT (1000 wați), UIP1500hdT (1500 wați), precum și UIP2000hdT (2000 wați) – modele de mixere cu ultrasunete cu forfecare ridicată. Aceste patru reactoare cu ultrasunete sunt foarte compacte, ușor de integrat sau de montat ulterior. Sunt construite pentru funcționare intensivă în medii dificile. Mai jos găsiți configurațiile de reactoare recomandate pentru o gamă de capacități de producție.

Reactoare industriale de biodiesel cu capacitate foarte mare

Pentru instalațiile industriale de producție a biodieselului, Hielscher oferă modelele UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) și UIP16000hdT (16kW) – omogenizatoare cu ultrasunete! 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 un spațiu minim. Mai jos găsiți configurațiile recomandate pentru capacități de procesare industriale tipice.