Producția de biodiesel cu proces superior și eficiență a costurilor

Amestecarea cu ultrasunete este tehnologia superioară pentru producția de biodiesel extrem de eficientă și rentabilă. Cavitația cu ultrasunete 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 exemplu, uleiuri uzate) și calitatea biodieselului este îmbunătățită. Hielscher Ultrasonics furnizează de înaltă performanță, reactoare robuste de amestecare cu ultrasunete pentru orice scară de producție. Citiți mai multe despre modul în care producția de biodiesel va beneficia de sonicare!

Beneficiile producției de biodiesel folosind ultrasunete

Biomotorină (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 biodieselului folosind agitarea convențională, natura nemiscibilă a ambilor reactanți ai reacției de transesterificare a uleiului și alcoolului duce la o rată slabă de transfer de masă, rezultând o producție ineficientă de biodiesel. Această ineficiență se caracterizează prin timpi de reacție lungi, rapoarte molare mai mari metanol-ulei, cerințe ridicate de catalizator, temperaturi ridicate ale procesului și viteze ridicate de agitare. Acești factori sunt factori de cost semnificativi care fac ca fabricarea biodieselului convențional să fie un proces costisitor.
Soluția: Amestecarea cu ultrasunete emulsionează reactanții într-un mod extrem de eficient, rapid și ieftin, astfel încât raportul ulei-metanol poate fi îmbunătățit, cerințele catalizatorului sunt reduse, timpul de reacție și temperatura de reacție sunt reduse. Astfel, resursele (adică substanțele chimice și energia), precum și timpul sunt economisite, costurile de procesare sunt reduse, în timp ce calitatea biodieselului și rentabilitatea producției sunt îmbunătățite semnificativ. Aceste fapte transformă amestecarea cu ultrasunete în tehnologia preferată pentru fabricarea eficace a biodieselului.
Cercetare și producătorii industriali de biodiesel confirmă faptul că amestecarea cu ultrasunete este un mod extrem de rentabil de a produce biodiesel, chiar și atunci când uleiuri și grăsimi de calitate slabă sunt utilizate ca materie primă. Intensificarea procesului cu ultrasunete îmbunătățește considerabil rata de conversie reducând utilizarea excesului de metanol și catalizator, 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) folosind sonicare are ca rezultat o reacție accelerată și o eficiență semnificativ mai mare.

Numeroase avantaje ale amestecării cu ultrasunete în producția de biodiesel

Reactoare de amestecare cu ultrasunete pot fi ușor integrate în orice instalație nouă, precum și retro-montat 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 instruire specifică pentru operare) permit modernizarea oricărei instalații la o instalație de biodiesel de înaltă eficiență. Mai jos, vă prezentăm rezultatele dovedite științific ale avantajelor documentate de terți independenți. Numerele dovedesc superioritatea amestecului de biodiesel cu ultrasunete peste orice tehnică convențională de agitare.

Diagrama de flux 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 cu forfecare înaltă).
Costurile investiției: Procesorul cu ultrasunete și reactorul UIP16000 poate produce 192-384 t biodiesel / zi cu o amprentă de numai 1,2m x 0,6m. În comparație, pentru agitarea mecanică (MS) este necesar un reactor mult mai mare datorită timpului lung de reacție în procesul de strirrng mecanic, ceea ce determină creșterea semnificativă a costului reactorului. (cf. Gholami et al., 2020)
Costuri de procesare: Costurile de procesare pentru producția de biodiesel cu ultrasunete sunt 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 mecanică. Fracțiunea de cost pentru substanțele chimice reprezintă aproximativ 5% din costul final al biodieselului. 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.
Costuri 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 micromixării intense și al timpului de reacție redus, rezultat din producerea și prăbușirea a nenumărate cavități, care caracterizează fenomenul de cavitație acustică / ultrasonică (Gholami și colab., 2018). În plus, în comparație cu agitatorul convențional, consumul de energie pentru etapele de recuperare a metanolului și purificarea 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 reduce, de asemenea, remarcabil costul eliminării deșeurilor. Acest cost în procesul de sonicare este de aproximativ o cincime din cel în procesul de agitare, care rezultă din scăderea semnificativă a producției de deșeuri datorită conversiei reactorului mai mare și a cantităților mai mici de alcool consumat.
Citiți mai multe despre conversia biodiesel cu ultrasunete a uleiurilor din zaț de cafea uzat!
Protecția mediului: Datorită eficienței globale foarte ridicate, consumul redus de substanțe chimice, cerințele energetice mai mici și deșeurile reduse, producția de biodiesel cu ultrasunete este semnificativ mai ecologic decât procesele convenționale de fabricare a biodieselului.

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 procesării biodieselului cu ultrasunete includ investițiile totale de capital, costul total al produsului, valoarea actuală netă și rata internă de rentabilitate. Valoarea investiției 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 virgin de canola. Deoarece sonicare permite să proceseze, de asemenea, uleiuri uzate (de exemplu, uleiuri de gătit uzate), costurile de producție pot fi reduse semnificativ în continuare. Gholami et al. (2021) ajung la concluzia că, datorită unei valori actuale nete pozitive, procesul de cavitație cu ultrasunete este alegerea mai bună 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 numeroaselor bule de vid – cunoscut sub numele de cavitație acustică / ultrasonică – Reduceți 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 de curgere cu o amprentă mică. Reactorul de cavitație cu ultrasunete prezintă, de asemenea, efecte benefice asupra cerințelor energetice 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 reduce, de asemenea, costurile de producție de biodiesel din cauza unei reduceri de 4% a consumului de ulei de canola, investiții totale mai mici, 2.2% consum de substanțe chimice mai mic, și 23.8% mai mici cerințele de utilitate. Spre deosebire de procesul agitat mecanic, prelucrarea cu ultrasunete este o investiție acceptabilă datorită valorii sale actuale nete pozitive, timp de recuperare mai scurt și o rată internă de rentabilitate mai mare. În plus față de beneficiile tehnico-economice asociate cu procesul de cavitație cu ultrasunete, este mai ecologic decât procesul de agitare mecanică. Cavitația cu ultrasunete are ca rezultat 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 și colab., 2021)

Utilizați catalizatorul la alegere

Procesul de transesterificare cu ultrasunete de biodiesel a fost dovedit la fel de eficient folosind catalizatori alcaline sau de bază. De exemplu, Shinde și Kaliaguine (2019) au comparat eficiența amestecării cu ultrasunete și a lamei mecanice folosind diferiți catalizatori, și anume hidroxid de sodiu (NaOH), hidroxid de potasiu (KOH), (CH₃ONa), hidroxid de tetrametil amoniu și patru guanidine [propil-2,3-diciclohexil guanidină (PCHG), 1,3-diciclohexil2-octil guanidină (DCOG), 1,1,3,3-tetrametil guanidină (TMG), 1,3-difenil guanidină (DPG)]. Amestecarea cu ultrasunete (la 35 °), după cum sa arătat superior pentru producția de biodiesel excelând amestecarea mecanică (la 65 °) prin randamente mai mari și rata de conversie. Eficiența transferului de masă în câmpul cu ultrasunete a sporit rata reacției de transesterificare în comparație cu agitarea mecanică. Sonicare a depășit agitarea mecanică pentru toți catalizatorii testați. Rularea reacției de transesterificare cu cavitație cu ultrasunete este o alternativă eficientă din punct de vedere energetic și viabilă din punct de vedere 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-diciclohexil2 n-octilguanidină (DCOG), ambele s-au dovedit a fi altrnativi interesanți 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 60 min timp de reacție, care altfel durează 3-4 h în procesul convențional de agitare. Pentru transesterificarea asistată ultrasonically în condiții optime, 60 min a fost necesar pentru a obține un randament de 95%, comparativ cu 2-4 h cu agitare convențională. De asemenea, randamentele obținute cu ultrasunete în 60 de minute 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 diferite guanidine (3% mol) ca catalizator. (A) Reactor cu lot de agitare mecanică: (metanol:ulei de rapiță) 4:1, temperatură 65 °C; (B) Reactor cu ultrasunete: ultrasonicator UP200St, (metanol: ulei de canola) 4: 1, amplitudine 60% SUA, temperatură 35 ° C. Amestecarea cu ultrasunete depășește cu mult agitarea mecanică.
(Studiu și grafice: Shinde și Kaliaguine, 2019)

Reactoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru prelucrare superioară a biodieselului

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

Reactoare biodiesel la scară mică și medie

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

Reactoare industriale de biodiesel cu randament foarte mare

Pentru prelucrarea industrială a instalațiilor de producție de biodiesel Hielscher oferă UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) și UIP16000hdT (16kW) omogenizatoare cu ultrasunete! Aceste procesoare cu ultrasunete sunt proiectate pentru prelucrarea continuă a debitelor 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 ratele tipice de procesare industrială.