Biodiesel de producție cu proces superior și eficiența costurilor

Amestecarea cu ultrasunete este tehnologia superioară pentru producția de biodiesel extrem de eficientă și rentabilă. Cavitație cu ultrasunete îmbunătățește transferul de masă drastic, reducând astfel costurile de producție și durata de procesare. În același timp, pot fi utilizate uleiuri și grăsimi de slabă calitate (de exemplu, uleiuri uzate) și se poate îmbunătăți calitatea biomotorinei. Hielscher Ultrasonics furnizează reactoare de înaltă performanță, robuste de amestecare cu ultrasunete pentru orice scară de producție. Citeste mai mult cum productia de biodiesel va beneficia de sonicare!

Biodiesel beneficii de producție folosind ultrasunete

Biodiesel (ester metilic al acizilor grași, abrev. FAME) este produsul unei reacții de transesterificare a materiei prime lipidice (trigliceride, de exemplu, ulei vegetal, uleiuri de gătit uzate, grăsimi animale, ulei de alge) și alcool (metanol, etanol) folosind un catalizator (de exemplu, hidroxid de potasiu KOH).
Problema: În conversia convențională a biomotorinei utilizând agitarea convențională, natura nemiscibilă a celor doi reactanți ai reacției de transesterificare a uleiului și a alcoolului duce la o rată de transfer de masă slabă, ceea ce duce la o producție ineficientă de biomotorină. Această ineficiență se caracterizează prin timpi lungi de reacție, raporturi molare mai mari metanol-ulei, cerințe ridicate de catalizatori, temperaturi ridicate de proces și rate ridicate de agitare. Acești factori sunt factori de cost semnificative a face biodiesel convenționale de fabricație un proces costisitor.
Soluția: Amestecarea cu ultrasunete emulsionează reactanții într-un mod extrem de eficient, rapid și low-cost, astfel încât raportul ulei-metanol poate fi îmbunătățit, cerințele catalizatorului sunt reduse, timpul de reacție și temperatura de reacție sunt reduse. Astfel, resursele (de exemplu, substanțele chimice și energia), precum și timpul sunt economisite, costurile de prelucrare sunt reduse, în timp ce calitatea biomotorinei și rentabilitatea producției sunt îmbunătățite semnificativ. Aceste fapte rândul său, amestecarea cu ultrasunete în tehnologia preferată pentru fabricarea biodiesel eficace.
Cercetarea și producătorii industriali de biodiesel confirmă faptul că amestecarea cu ultrasunete este o modalitate extrem de rentabilă de a produce biodiesel, chiar și atunci când uleiurile și grăsimile de slabă calitate sunt utilizate ca materii prime. Intensificarea procesului cu ultrasunete îmbunătățește considerabil rata de conversie reducând utilizarea excesului de metanol și catalizator, permițând să producă biodiesel care îndeplinesc standardul de calitate al specificațiilor ASTM D6751 și EN 14212. (cf. Abdullah et al., 2015)

Transesterificarea trigliceridelor în biodiesel (FAME) folosind sonicare duce la reacție accelerată și eficiență semnificativ mai mare.

Numeroase avantaje de amestecare cu ultrasunete în producția de biodiesel

Reactoare de amestecare cu ultrasunete pot fi ușor integrate în orice instalație nouă, precum și retro-montate în instalațiile de biodiesel existente. Integrarea unui mixer cu ultrasunete Hielscher transformă orice instalație de biodiesel într-o instalație de producție de înaltă performanță. Instalarea simplă, robustețea și ușurința în utilizare (nu este necesară o pregătire specifică pentru funcționare) permit modernizarea oricărei instalații la o instalație de biodiesel extrem de eficientă. Mai jos, vă prezentăm rezultatele dovedite științific ale avantajelor documentate de terți independenți. Numerele dovedesc superioritatea de amestecare biodiesel cu ultrasunete peste orice tehnică convențională de agitare.

Diagrama arată etapele de producție biodiesel, inclusiv amestecarea cu ultrasunete pentru o eficiență îmbunătățită a procesului.

Eficiență și compararea costurilor: Ultrasonics vs agitare mecanică

Gholami et al. (2021) prezintă în studiul lor comparativ avantajele transesterificării cu ultrasunete față de agitarea mecanică (adică mixer cu lamă, rotor, mixer de forfecare înaltă).
Costuri de investiție: Procesorul cu ultrasunete și reactorul UIP16000 poate produce 192-384 t biodiesel / d cu o amprentă la sol de numai 1.2m x 0.6m. În comparație, pentru agitarea mecanică (SM) este necesar un reactor mult mai mare datorită timpului lung de reacție în procesul de strirrng mecanic, ceea ce face ca costul reactorului să crească semnificativ. (cf. Gholami et al., 2020)
Costuri de procesare: Costurile de prelucrare pentru producția de biodiesel cu ultrasunete sunt cu 7,7% mai mici decât cele pentru procesul de agitare, în principal din cauza investiției totale mai mici pentru procesul de sonicare. Costul substanțelor chimice (catalizator, metanol / alcool) este al treilea cel mai mare factor de cost în ambele procese, sonicare și agitare mecanică. Cu toate acestea, pentru conversia biodiesel cu ultrasunete costurile pentru chimice sunt semnificativ mai mici decât pentru agitare mecanice. Fracțiunea de cost pentru substanțele chimice reprezintă aproximativ 5% din costul final al biomotorinei. Datorită consumului mai mic de metanol, hidroxid de sodiu și acid fosforic, costul pentru substanțe chimice în procesul de biodiesel cu ultrasunete este cu 2,2% mai mic decât cel al procesului de agitare mecanică.
Costurile cu energia: Energia consumată de reactorul de amestecare cu ultrasunete este de aproximativ trei ori mai mică decât cea a agitatorului mecanic. Această reducere considerabilă a consumului de energie este un produs al micro-amestecării intense și al timpului de reacție redus, rezultat din producerea și prăbușirea nenumăratelor cavități, care caracterizează fenomenul de cavitație acustică / cu ultrasunete (Gholami et al., 2018). În plus, în comparație cu agitatorul convențional, consumul de energie pentru recuperarea metanolului și etapele de purificare a biodieselului în timpul procesului de amestecare cu ultrasunete este redus cu 26,5% și, respectiv, 1,3%. Acest declin 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: Tehnologia de cavitație cu ultrasunete, de asemenea, reduce remarcabil costul de eliminare a deșeurilor. Acest cost în procesul de sonicare este de aproximativ o cincime din cea în procesul de agitare, care rezultă din scăderea semnificativă a producției de deșeuri datorită conversiei mai mari a reactorului și cantități mai mici de alcool consumat.
Protecția mediului: Datorită eficienței globale foarte ridicate, consumul redus de substanțe chimice, cerințe mai mici de energie și deșeuri reduse, producția de biodiesel cu ultrasunete este semnificativ mai ecologică decât procesele convenționale de fabricație biodiesel.

Concluzie – Ultrasonics îmbunătățește eficiența producției de biodiesel

Evaluarea științifică arată avantajele clare ale amestecării cu ultrasunete față de agitarea mecanică convențională pentru producția de biodiesel. Avantajele prelucrării cu ultrasunete biodiesel includ investițiile totale de capital, costul total al produsului, valoarea actualizată netă și rata internă de rentabilitate. Cantitatea de investiții totale în procesul de cavitație cu ultrasunete sa dovedit a fi mai mică decât cea a altor cu aproximativ 20,8%. Utilizarea reactoarelor cu ultrasunete a redus costurile produsului cu 5,2% – folosind ulei de canola virgine. Deoarece sonicare permite să proceseze, de asemenea, uleiuri uzate (de exemplu, uleiuri de gătit utilizate), costurile de producție pot fi reduse semnificativ în continuare. Gholami et al. (2021) ajung la concluzia că, datorită unei valori actualizate nete pozitive, procesul de cavitație cu ultrasunete este cea mai bună alegere a tehnologiei de amestecare pentru producția de biodiesel.
Din punct de vedere tehnic, cele mai importante efecte ale cavitației cu ultrasunete acoperă eficiența semnificativă a procesului și reducerea timpului de reacție. Formarea și prăbușirea a numeroase bule de vid – cunoscut sub numele de cavitație acustică / cu ultrasunete – reduce timpul de reacție de la câteva ore în reactorul cu rezervor agitat la câteva secunde în reactorul de cavitație cu ultrasunete. Acest timp scurt de ședere permite producția de biodiesel într-un reactor cu flux, cu o amprentă mică. Reactorul de cavitație cu ultrasunete arată, de asemenea, efecte benefice asupra cerințelor de energie și materiale, reducând consumul de energie la aproape o treime din cel consumat de un reactor cu rezervor agitat și consumul de metanol și catalizator cu 25%.
Din punct de vedere economic, investiția totală a procesului de cavitație cu ultrasunete este mai mică decât cea a procesului de agitare mecanică, în principal datorită reducerii cu aproape 50% și 11,6% a costului reactorului și, respectiv, a costului coloanei de distilare a metanolului. Procesul de cavitație cu ultrasunete, de asemenea, reduce costul de producție biodiesel datorită unei reduceri de 4% a consumului de ulei de canola, investiții totale mai mici, 2.2% consum redus de substanțe chimice, și 23.8% cerințe de utilitate mai mici. Spre deosebire de procesul agitat mecanic, prelucrarea cu ultrasunete este o investiție acceptabilă datorită valorii sale actualizate nete pozitive, timp de recuperare mai scurt și o rată internă mai mare de rentabilitate. În plus față de beneficiile tehno-economice asociate cu procesul de cavitație cu ultrasunete, este mai ecologic decât procesul de agitare mecanică. Cavitația cu ultrasunete duce la o reducere cu 80% a fluxurilor de deșeuri datorită conversiei mai mari în reactor și a consumului redus de alcool în acest proces. (cf. Gholami et al., 2021)

Utilizați catalizatorul la alegere

Procesul de transesterificare cu ultrasunete de biodiesel a fost dovedit ca fiind eficient folosind catalizatori alcaline sau de bază. Forinstance, Shinde și Kaliaguine (2019) au comparat eficiența amestecării lamelor cu ultrasunete și mecicice folosind diferiți catalizatori, și anume hidroxid de sodiu (NaOH), hidroxid de potasiu (KOH), (CH)₃ONa), hidroxid de tetrametil amoniu 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) așa cum sa arătat superior pentru producția de biodiesel excelează amestecarea mecanică (la 65 ° ) prin randamente mai mari și rata de conversie. Eficiența transferului de masă în câmpul cu ultrasunete a crescut rata reacției de transesterificare în comparație cu agitarea mecanică. Sonicare depășit agitare mecanică pentru toți catalizatorii testați. Rularea reacției de transesterificare cu cavitație cu ultrasunete este o alternativă eficientă din punct de vedere energetic și viabilă industrial pentru producția de biodiesel. Pe lângă catalizatorii utilizați pe scară largă KOH și NaOH, ambii catalizatori de guanidină, propil-2,3 diciclohexilguanidină (PCHG) și 1,3-diciclohexil 2 n-octilguanidină (DCOG), ambele au fost prezentate ca altrnative interesante pentru conversia biodieselului.
Mootabadi et al. (2010) a investigat sinteza biodieselului asistat cu ultrasunete din ulei de palmier folosind diverși catalizatori de oxid de metal alcalin, cum ar fi CaO, BaO și SrO. Activitatea catalizatorului în sinteza biodieselului asistat cu ultrasunete a fost comparată cu procesul tradițional de agitare magnetică și sa constatat că procesul cu ultrasunete a arătat 95,2% din randament folosind BaO în timpul de reacție de 60 min, care altfel durează 3-4 ore în procesul convențional de agitare. Pentru transesterificarea ultrasonically asistată în condiții optime, 60 min a fost necesară pentru a obține un randament de 95% comparativ cu 2-4 h cu agitare convențională. De asemenea, randamentele obținute cu ultrasunete în 60 min au crescut de la 5,5% la 77,3% folosind CaO ca catalizatori, 48,2% la 95,2% folosind SrO ca catalizatori și 67,3% la 95,2 folosind BaO ca catalizatori.

Producția de biodiesel folosind guanidine diferite (3% mol) ca catalizator. (A) Batchreactor mecanic de agitare: (metanol: ulei de canola) 4:1, temperatura 65ºC; (B) Reactor cu ultrasunete lot: ultrasonicator UP200St, (metanol: ulei de canola) 4:1, 60% amplitudine SUA, temperatura de 35 ° C. Amestecarea cu ultrasunete depășește de departe agitarea mecanică.
(Studiu și grafice: Shinde și Kaliaguine, 2019)

Reactoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru procesarea superioară a biodieselului

Hielscher Ultrasonics oferă procesoare cu ultrasunete de înaltă performanță și reactoare pentru îmbunătățirea producției de biodiesel care rezultă în randamente mai mari, calitate îmbunătățită, timp de procesare redus și costuri de producție mai mici.

Reactoarele mici și mijlocii la scară Biodiesel

Pentru producția de mici și mijlocii de biodiesel până la 9ton / h (2900 gal / h), Hielscher-vă oferă UIP500hdT (500 wați). UIP1000hdT (1000 wați). UIP1500hdT (1500 wați), și UIP2000hdT (2000 wați) modele de mixer cu ultrasunete de înaltă forfecare. Aceste patru reactoare cu ultrasunete sunt foarte compacte, ușor de integrat sau retro-fit. Ele sunt construite pentru operarea grele în medii dure. Mai jos veți găsi configurațiile recomandate ale reactoarelor pentru o serie de rate de producție.

Foarte mare-debit reactoare industriale biodiesel

Pentru instalațiile de producție de prelucrare industrială biodiesel Hielscher oferă UIP4000hdT (4 kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) și UIP16000hdT (16kW) omogenizatoare cu ultrasunete! Aceste procesoare cu ultrasunete sunt concepute pentru prelucrarea continuă a debitelor ridicate. UIP4000hdT, UIP6000hdT și UIP10000 pot fi integrate în containerele standard de transport maritim de marfă. Alternativ, toate cele patru modele de procesoare sunt disponibile în dulapuri din oțel inoxidabil. O instalare în poziție verticală necesită un spațiu minim. Mai jos găsiți configurațiile recomandate pentru ratele tipice de procesare industrială.