Производство биодизеля и преобразование сырья в биодизель
Преодолейте ограничения производства биодизеля с помощью ультразвуковых реакторов! Медленная кинетика реакции и недостаточный массоперенос могут значительно снижать производительность вашей установки по производству биодизеля, выход и качество продукта. Ультразвуковые реакторы Hielscher решают эти проблемы, существенно улучшая кинетику переэтерификации. В результате производство биодизеля требует меньшего избытка метанола и меньшего количества катализатора.
Ультразвуковая кавитация: превосходное решение для смешивания
При традиционном производстве биодизеля обычно используются реакторы периодического действия, в которые энергия подводится посредством нагрева и механического перемешивания. Ультразвуковая кавитация представляет собой эффективную альтернативу, обеспечивающую более качественное смешивание при промышленном производстве биодизеля. Эта ультразвуковая кавитация обеспечивает необходимую энергию активации для промышленной переэтерификации при производстве биодизеля.
Основные преимущества ультразвуковой переэтерификации при производстве биодизеля:
- Более высокая степень превращения
- Меньшее время реакции
- Улучшенное качество продукта
- Возможность переработки отработанных масел в FAME (метиловые эфиры жирных кислот)
Ультразвуковое смешивание повышает степень превращения сырья в биодизель, увеличивает выход продукта и позволяет экономить избыточный метанол и катализатор.
Переэтерификация при производстве биодизеля, улучшенная ультразвуком
Производство биодизеля обычно включает химическую реакцию, называемую переэтерификацией, в ходе которой триглицерид (например, растительное масло, животный жир или отработанное кулинарное масло) реагирует со спиртом (например, метанолом) в присутствии катализатора с образованием биодизеля (метиловых эфиров жирных кислот) и глицерола. Ультразвуковые реакторы могут улучшать процесс переэтерификации несколькими способами, обеспечивая ряд преимуществ:
- Улучшенное смешивание: Ультразвуковые волны могут создавать кавитационные пузырьки, которые резко схлопываются, вызывая интенсивное смешивание и перемешивание реакционной смеси. Это улучшает контакт между реагентами и катализатором, обеспечивая более быструю и полную переэтерификацию.
- Ускоренная кинетика реакции: Создаваемые ультразвуковыми волнами условия с высокой энергией могут активировать реакцию, повышая её скорость и сокращая время, необходимое для достижения заданной степени превращения. Это может увеличить выход продукта и снизить затраты.
- Снижение расхода катализатора: Ультразвуковые реакторы могут повышать эффективность использования катализатора, обеспечивая больше активных центров для реакции. Это означает, что для достижения той же степени превращения требуется меньше катализатора, что снижает затраты и воздействие на окружающую среду.
- Улучшенное качество продукта: Ультразвуковые реакторы могут производить биодизель с меньшим содержанием свободных жирных кислот, более высокой чистотой и лучшей текучестью при низких температурах. Это обусловлено улучшенным смешиванием и более быстрой кинетикой реакции, которые сводят к минимуму образование нежелательных побочных продуктов и примесей.
Эти преимущества ультразвуковой обработки при производстве биодизеля делают применение установки с ультразвуковым реактором весьма экономичным, поскольку использование ультразвуковых реакторов значительно повышает эффективность, скорость и качество переэтерификации при производстве биодизеля. Таким образом, обработка ультразвуком делает переэтерификацию более экономически и экологически устойчивым процессом.
Проблемы традиционного смешивания при производстве биодизеля: Традиционная реакция этерификации при периодической обработке обычно протекает медленно, а фазовое отделение глицерина занимает много времени – нередко 5 часов или более.
Ультразвуковые реакторы помогают ускорить процесс производства биодизеля и одновременно повысить его выход и качество при меньших затратах на обработку!
Промышленный ультразвуковой аппарат UIP2000hdT с проточной ячейкой FC2T500k для этерификации и переэтерификации при производстве биодизеля в потоке.
Преимущества ультразвуковой переэтерификации при производстве биодизеля
- Более высокий выход биодизеля благодаря улучшенному смешиванию
- Повышенное качество биодизеля
- Использование в качестве сырья даже масла самого низкого качества
- Непрерывная обработка в потоке
- Меньше метанола
- Меньше катализатора
- Экономия времени благодаря высокой скорости превращения
- Экономия энергии
- Простая и безопасная эксплуатация
- Надёжность и минимальная потребность в техническом обслуживании
- Высокая производительность: работа 24/7 при полной нагрузке
Ультразвуковой реактор UIP16000hdT производит приблизительно 32MMGY
«Мы очень довольны оборудованием и обслуживанием Hielscher и твёрдо намерены использовать технологию обработки ультразвуком Hielscher во всех наших будущих проектах».
Todd Stephens, Tulsa Biofuels
Ультразвук для производства биодизеля
Биодизель часто производят в реакторах периодического действия. Ультразвуковое преобразование сырья в биодизель позволяет вести непрерывную обработку в потоке. Обработка ультразвуком может обеспечить выход биодизеля свыше 99%. Ультразвуковые реакторы сокращают время обработки с обычных 1–4 часов при периодическом процессе до менее чем 30 секунд. Ещё важнее то, что обработка ультразвуком сокращает время разделения с 5–10 часов (при традиционном перемешивании) до менее чем 60 минут. Обработка ультразвуком также помогает уменьшить необходимое количество катализатора на величину до 50% благодаря повышенной химической активности в условиях кавитации. При использовании обработки ультразвуком также уменьшается необходимый избыток метанола. Ещё одно преимущество – повышение чистоты получаемого глицерина.
Ультразвуковое производство биодизеля по этапам:
- растительное масло или животный жир смешивают с метанолом (для получения метиловых эфиров) или этанолом (для получения этиловых эфиров) и метоксидом либо гидроксидом натрия или калия
- смесь нагревают, например, до температуры от 45 до 65degC
- нагретую смесь обрабатывают ультразвуком в потоке в течение 5–15 секунд
- глицерин отделяется самопроизвольно или с помощью центрифуг
- полученный биодизель промывают водой
Чаще всего обработку ультразвуком проводят при повышенном давлении (от 1 до 3bar, избыточное давление), используя подающий насос и регулируемый клапан противодавления рядом с проточной ячейкой.
Промышленное преобразование сырья в биодизель не требует большого количества ультразвуковой энергии. Фактическую потребность в энергии можно определить на настольной установке, используя, например, ультразвуковой процессор мощностью 1kW, такой как UIP1000hdT. Все результаты таких испытаний на настольной установке можно масштабировать линейно и без каких-либо проблем. При необходимости доступны ультразвуковые устройства, сертифицированные по ATEX, такие как UIP1000-Exd.
Hielscher поставляет промышленное ультразвуковое оборудование для производства биодизеля по всему миру. Благодаря ультразвуковым процессорам мощностью до 16kW на одно устройство размер установки по производству биодизеля и её производительность обработки не ограничены.
Затраты на ультразвуковое производство биодизеля
Обработка ультразвуком – эффективный способ повысить скорость реакции и степень превращения при промышленном производстве биодизеля. Затраты на ультразвуковую обработку складываются главным образом из инвестиций в ультразвуковое оборудование, затрат на коммунальные ресурсы и техническое обслуживание. Выдающаяся энергоэффективность ультразвуковых аппаратов Hielscher помогает снизить затраты на коммунальные ресурсы и тем самым сделать этот процесс ещё более экологичным. Итоговые затраты на обработку ультразвуком при использовании в промышленном масштабе составляют от 0,1ct до 1,0ct на литр (от 0,4ct до 1,9ct/gallon).
Узнайте больше об эффективности процесса и экономических преимуществах ультразвукового производства биодизеля!
Ультразвуковое смешивание снижает удельное энергопотребление при производстве биодизеля, значительно превосходя гидродинамическое магнитное смешивание и смесители с высоким сдвигом.
Ультразвуковая установка для производства биодизеля в малом масштабе
Обработку ультразвуком можно использовать для преобразования масла в биодизель в любом масштабе. На изображении ниже показана установка малого масштаба для обработки 60–70L (от 16 до 19 галлонов). Это типичная установка для первоначальных исследований и демонстрации процесса.
Ультразвуковые этерификацию и переэтерификацию можно проводить как периодически, так и непрерывно в потоке. Эта схема показывает периодический ультразвуковой процесс преобразования сырья в биодизель.
3x ультразвуковых аппарата модели 1000hdT мощностью 1kW с ультразвуковым проточным реактором для высокоэффективного преобразования сырья в биодизель.
- один ультразвуковой аппарат (например, UIP500hdT или UIP1000hdT) с бустером, сонотродом и проточной ячейкой
- измеритель мощности для измерения мощности и энергии
- технологическая ёмкость объёмом 80L (пластиковая, например, из HDPE)
- нагревательный элемент (от 1 до 2kW)
- ёмкость объёмом 10L для предварительного смешивания катализатора (пластиковая, например, из HDPE)
- устройство для предварительного смешивания катализатора (мешалка)
- насос (центробежный, одновинтовой или шестерёнчатый) с расходом приблизительно от 10 до 20L/min при давлении от 1 до 3 barg
- клапан противодавления для регулирования давления в проточной ячейке
- манометр для измерения давления подачи
Ультразвуковые реакторы для превосходной обработки при производстве биодизеля
Hielscher Ultrasonics предлагает высокопроизводительные ультразвуковые процессоры и реакторы, которые улучшат ваше производство биодизеля за счёт повышения выхода и качества биодизеля, сокращения времени обработки и снижения производственных затрат.
Ультразвуковые реакторы малого и среднего масштаба для переэтерификации при производстве биодизеля
Для производства биодизеля в малом и среднем масштабе с производительностью до 9ton/hr (2900 gal/hr) Hielscher предлагает UIP500hdT (500 ватт), UIP1000hdT (1000 ватт), UIP1500hdT (1500 ватт) и UIP2000hdT (2000 ватт) в качестве ультразвуковых смесителей с высоким сдвигом и проточными реакторами для надёжной и эффективной обработки при производстве биодизеля в потоке. Эти четыре ультразвуковых реактора очень компактны, их легко интегрировать или устанавливать при модернизации существующего оборудования. Они рассчитаны на интенсивную эксплуатацию в тяжёлых условиях. Ниже представлены рекомендуемые конфигурации реакторов для различных уровней производительности.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT (500 ватт) |
0,25–0,5
|
80–160
|
| 1x UIP1000hdT (1000 ватт) |
0,5–1,0
|
160–320
|
| 1x UIP1500hdT (1500 ватт) |
0,75–1,5
|
240–480
|
| 1x UIP2000hdT (2000 ватт) |
1,0–2,0
|
320–640
|
| 2x UIP2000hdT (2000 ватт) |
2,0–4,0
|
640–1280
|
| 4x UIP1500hdT (1500 ватт) |
3,0–6,0
|
960–1920
|
| 6x UIP1500hdT (1500 ватт) |
4,5–9,0
|
1440–2880
|
| 6x UIP2000hdT (2000 ватт) |
6,0–12,0
|
1920–3840
|
Промышленные реакторы для производства биодизеля с очень высокой производительностью
Для промышленных установок по производству биодизеля Hielscher предлагает ультразвуковые гомогенизаторы UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10000 (10kW) и UIP16000hdT (16kW)! Эти ультразвуковые процессоры предназначены для непрерывной обработки при высоких расходах. UIP4000hdT, UIP6000hdT и UIP10000 можно интегрировать в стандартные морские грузовые контейнеры. Кроме того, все четыре модели процессоров доступны в шкафах из нержавеющей стали. Вертикальная установка требует минимального пространства. Ниже представлены рекомендуемые конфигурации для типичных уровней производительности промышленной обработки.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
1x UIP6000hdT (6000 ватт) |
3,0–6,0
|
960–1920
|
|---|---|---|
| 3x UIP4000hdT (4000 ватт) |
6,0–12,0
|
1920–3840
|
| 5x UIP4000hdT (4000 ватт) |
10,0–20,0
|
3200–6400
|
3x UIP6000hdT (6000 ватт) |
9,0–18,0
|
2880–5880
|
| 3x UIP10000 (10 000 ватт) |
15,0–30,0
|
4800–9600
|
| 3x UIP16000hdT (16 000 ватт) |
24,0–48,0
|
7680–15 360
|
| 5x UIP16000hdT |
40,0–80,0
|
12 800–25 600
|
Свяжитесь с нами! / Задайте нам вопрос!
Ультразвуковой аппарат UIP16000hdT способен обеспечивать производство биодизеля в объёме 32MMGY.
Технологическая инновация года по версии Frost & Sullivan
Hielscher Ultrasonics получила престижную награду Frost and Sullivan «Технологическая инновация года» в знак признания разработки компанией новой ультразвуковой технологии для производства биодизеля.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше о награде Frost and Sullivan за реакторы Hielscher Ultrasonics для производства биодизеля!
Переэтерификация – химическое превращение при производстве биодизеля
Производство биодизеля из растительных масел (например, соевого, канолового, ятрофового и подсолнечного), водорослей, животных жиров, а также отработанных кулинарных масел включает катализируемую основанием переэтерификацию жирных кислот метанолом или этанолом с получением соответствующих метиловых или этиловых эфиров. Глицерин является неизбежным побочным продуктом этой реакции.
Растительные масла, как и животные жиры, представляют собой триглицериды, состоящие из трёх цепей жирных кислот, связанных молекулой глицерина. Триглицериды являются сложными эфирами. Сложные эфиры представляют собой кислоты, например жирные кислоты, соединённые со спиртом. Глицерин (= глицерол) – тяжёлый спирт. В процессе превращения триглицеридные эфиры преобразуются в алкиловые эфиры (= биодизель) с использованием катализатора (щёлочи) и спиртового реагента, например метанола, который даёт биодизель на основе метиловых эфиров. Метанол замещает глицерин. Этот процесс химического превращения называется переэтерификацией.
После переэтерификации глицерин, являющийся более тяжёлой фазой, оседает на дно. Биодизель, являющийся более лёгкой фазой, остаётся сверху и может быть отделён, например, с помощью декантаторов или центрифуг.
Подготовка к производству биодизеля
Гидроксид калия (от 0,2 до 0,4kg, катализатор) растворяют приблизительно в 8,5L метанола в ёмкости для предварительного смешивания катализатора. Для этого необходимо перемешивать предварительную смесь катализатора. Технологическую ёмкость заполняют 66L растительного масла. Масло нагревают нагревательным элементом до температуры от 45 до 65degC.
Преобразование сырья в биодизель
Когда катализатор полностью растворится в метаноле, предварительную смесь катализатора смешивают с нагретым маслом. Насос подаёт смесь в проточную ячейку. С помощью клапана противодавления давление устанавливают в пределах от 1 до 3barg (от 15 до 45psig). Рециркуляцию через ультразвуковой реактор для производства биодизеля следует проводить приблизительно 20 минут. За это время масло преобразуется в биодизель. После этого насос и ультразвук отключают. Глицерин (более тяжёлая фаза) отделяется от биодизеля (более лёгкой фазы). Разделение занимает приблизительно 30–60 минут. После завершения разделения глицерин можно слить.
Промывка биодизеля
Поскольку полученный биодизель содержит примеси, его необходимо промыть. Для промывки в биодизель добавляют воду и перемешивают. Обработка ультразвуком может улучшить смешивание биодизеля с водой. Это увеличивает площадь активной поверхности вследствие уменьшения размера капель. Учтите, что очень интенсивная обработка ультразвуком может уменьшить капли воды до такого размера, что образуется почти стабильная эмульсия, для разделения которой потребуются специальные средства (например, центрифуга).
Установка по производству биодизеля
Приведённая ниже технологическая схема показывает типичную установку для обработки ультразвуком масла, метанола и катализатора в потоке с целью преобразования сырья в биодизель.
Ультразвуковые этерификацию и переэтерификацию можно проводить как периодически, так и непрерывно в потоке. Схема показывает ультразвуковой процесс переэтерификации в потоке при производстве биодизеля (FAME).
Непрерывная обработка и разделение при производстве биодизеля
В установке для непрерывной обработки и непрерывного разделения при производстве биодизеля нагретое масло и предварительную смесь катализатора непрерывно смешивают с помощью регулируемых насосов. Статический смеситель в линии повышает однородность смеси, подаваемой в ультразвуковой реактор. Смесь масла и катализатора проходит через проточную ячейку, где подвергается воздействию ультразвуковой кавитации приблизительно в течение 5–30 секунд. Для регулирования давления в проточной ячейке используется клапан противодавления. Обработанная ультразвуком смесь поступает в реакторную колонну сверху. Объём реакторной колонны рассчитан так, чтобы обеспечить время пребывания в колонне приблизительно 1 час. За это время реакция переэтерификации завершается. Прореагировавшую смесь глицерина и биодизеля перекачивают в центрифугу, где она разделяется на фракции биодизеля и глицерина. Последующая обработка включает регенерацию метанола, промывку и сушку и также может выполняться непрерывно.
Эта установка устраняет необходимость в периодической обработке в реакторах для производства биодизеля, традиционных мешалках и больших разделительных ёмкостях.
Скорость реакции переэтерификации при производстве биодизеля
Приведённые ниже графики показывают типичные результаты переэтерификации рапсового масла (технического качества) с метоксидом натрия (слева) и гидроксидом калия (справа). В обоих испытаниях контрольный образец (синяя линия) подвергался интенсивному механическому перемешиванию. Красная линия соответствует обработанному ультразвуком образцу с идентичным составом по объёмному соотношению, концентрации катализатора и температуре. Горизонтальная ось показывает время после смешивания или обработки ультразвуком соответственно. Вертикальная ось показывает объём глицерина, осевшего на дне. Это простой способ измерения скорости реакции. На обоих графиках обработанный ультразвуком образец (красный) реагирует намного быстрее контрольного образца (синего).
Сравнение ультразвукового (красный график) и традиционного смешивания (синий график) при производстве биодизеля – с использованием метоксида натрия (слева) и гидроксида калия (справа) в качестве катализаторов.
Ссылки на поставщиков оборудования для производства биодизеля
Информация о химических веществах и безопасности
Внимательно прочитайте приведённую ниже информацию, чтобы предотвратить осложнения и неблагоприятное воздействие на здоровье.
Химические вещества для производства биодизеля
Метанол токсичен. При длительном использовании он может вызывать повреждение нервов. Он также может адсорбироваться кожей. При попадании в глаза он может вызвать слепоту, а при проглатывании метанол может привести к смерти. Поэтому при обращении с метанолом соблюдайте необходимые меры предосторожности. Рекомендуется использовать качественный респиратор, фартук и резиновые перчатки.
Гидроксид калия (KOH) токсичен и при контакте вызывает ожоги кожи. Необходима хорошая вентиляция.
Обеспечьте обильную и тщательную вентиляцию рабочего пространства для удаления паров. Респираторы с фильтрующими патронами для защиты от паров неэффективны против паров метанола. Система подачи воздуха (SCBA – автономный дыхательный аппарат) обеспечивает лучшую защиту от паров метанола.
Биодизель и резиновые детали
Длительная работа на 100% биодизеле может вызвать проблемы с резиновыми деталями двигателя, контактирующими с топливом (насос, шланги, уплотнительные кольца). Замена их стальными деталями или деталями из износостойкой резины может устранить эту проблему. Другой вариант – добавлять в биодизель приблизительно 25% обычного (ископаемого) дизельного топлива для предотвращения проблем.
Литература / Источники
- 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 производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы от лабораторных до промышленных моделей.