Ультразвуковое смешивание является превосходной технологией для высокоэффективного и экономичного производства биодизеля. Ультразвуковая кавитация значительно улучшает массообмен, тем самым снижая производственные затраты и продолжительность обработки. В то же время могут использоваться некачественные масла и жиры (например, отработанные масла) и улучшается качество биодизеля. Hielscher Ultrasonics поставляет высокопроизводительные, надежные ультразвуковые смесительные реакторы для любого масштаба производства. Узнайте больше, как ваше производство биодизеля выиграет от обработки ультразвуком!

Преимущества производства биодизеля с использованием ультразвука

Биодизель (метиловый эфир жирных кислот, абрев. FAME) является продуктом реакции переэтерификации липидного сырья (триглицеридов, например, растительного масла, отработанных кулинарных масел, животных жиров, водорослевого масла) и спирта (метанол, этанол) с использованием катализатора (например, гидроксида калия KOH).
Проблема: При обычной биодизельной конверсии с использованием обычного перемешивания несмешивающаяся природа обоих реагентов реакции переэтерификации масла и спирта приводит к низкой скорости массопереноса, что приводит к неэффективному производству биодизеля. Эта неэффективность характеризуется длительным временем реакции, более высоким молярным соотношением метанол-масло, высокими требованиями к катализатору, высокими температурами процесса и высокой скоростью перемешивания. Эти факторы являются значительными факторами затрат, что делает производство обычного биодизеля дорогостоящим процессом.
Решение: Ультразвуковое смешивание эмульгирует реагенты высокоэффективным, быстрым и недорогим способом, так что соотношение масла и метанола может быть улучшено, требования к катализатору снижены, время реакции и температура реакции снижены. Таким образом, экономятся ресурсы (т.е. химикаты и энергия), а также время, снижаются затраты на переработку, значительно повышается качество биодизеля и рентабельность производства. Эти факты превращают ультразвуковое смешивание в предпочтительную технологию для эффективного производства биодизеля.
Исследования и промышленные производители биодизеля подтверждают, что ультразвуковое смешивание является очень экономически эффективным способом производства биодизеля, даже если в качестве сырья используются некачественные масла и жиры. Интенсификация ультразвукового процесса значительно улучшает коэффициент конверсии, уменьшая использование избыточного метанола и катализатора, позволяя производить биодизельное топливо, соответствующее стандарту качества ASTM D6751 и EN 14212. (см. Абдулла и др., 2015)

Трансэстерификация триглицеридов в биодизельное топливо (FAME) с использованием звуковой реакции приводит к ускоренной реакции и значительно более высокой эффективности.

Многочисленные преимущества ультразвукового смешивания в производстве биодизеля

Ультразвуковые смесительные реакторы могут быть легко интегрированы в любую новую установку, а также модернизированы в существующие биодизельные установки. Интеграция ультразвукового смесителя Hielscher превращает любую биодизельную установку в высокопроизводительную производственную установку. Простая установка, надежность и удобство использования (не требует специальной подготовки для эксплуатации) позволяют модернизировать любой объект до высокоэффективной биодизельной установки. Ниже мы представляем вам научно доказанные результаты преимуществ, задокументированные независимыми третьими лицами. Цифры доказывают превосходство ультразвукового биодизельного смешивания над любым обычным методом перемешивания.

На блок-схеме показаны этапы производства биодизеля, включая ультразвуковое смешивание для повышения эффективности процесса.

Сравнение эффективности и стоимости: ультразвук против механического перемешивания

Gholami et al. (2021) представляют в своем сравнительном исследовании преимущества ультразвуковой переэтерификации перед механическим перемешиванием (т.е. лопастной смеситель, рабочее колесо, смеситель с высоким сдвигом).
Инвестиционные затраты: Ультразвуковой процессор и реактор UIP16000 могут производить 192–384 т биодизеля в сутки с занимаемой площадью всего 1,2 м х 0,6 м. Для сравнения, для механического перемешивания (МС) требуется гораздо больший реактор из-за длительного времени реакции в процессе механического скриррнга, что приводит к значительному увеличению стоимости реактора. (ср. Голами и др., 2020)
Затраты на обработку: Затраты на переработку ультразвукового биодизеля на 7,7% ниже, чем для процесса перемешивания, в основном из-за более низких общих инвестиций в процесс обработки ультразвуком. Стоимость химических веществ (катализатор, метанол/спирт) является третьим по величине фактором затрат в обоих процессах, обработке ультразвуком и механическом перемешивании. Однако для ультразвуковой биодизельной конверсии затраты на химическое вещество значительно ниже, чем на механическое перемешивание. Доля затрат на химикаты составляет около 5% от конечной стоимости биодизеля. Из-за более низкого потребления метанола, гидроксида натрия и фосфорной кислоты стоимость химических веществ в ультразвуковом биодизельном процессе на 2,2% ниже, чем в процессе механического перемешивания.
Затраты на электроэнергию: Энергия, потребляемая ультразвуковым перемешивающим реактором, примерно в три раза ниже, чем у механической мешалки. Это значительное снижение энергопотребления является продуктом интенсивного микроперемешивания и сокращения времени реакции, возникающего в результате образования и разрушения бесчисленных полостей, которые характеризуют явление акустической / ультразвуковой кавитации (Gholami et al., 2018). Кроме того, по сравнению с обычной мешалкой, расход энергии на этапы рекуперации метанола и очистки биодизеля в процессе ультразвукового перемешивания снижается на 26,5% и 1,3% соответственно. Это снижение связано с меньшим количеством метанола, поступающего в эти две дистилляционные колонны в процессе ультразвуковой переэтерификации.
Затраты на утилизацию отходов: Технология ультразвуковой кавитации также значительно снижает стоимость утилизации отходов. Эта стоимость в процессе обработки ультразвуком составляет примерно одну пятую от стоимости в процессе перемешивания, что является результатом значительного сокращения производства отходов из-за более высокой конверсии реактора и меньшего количества потребляемого спирта.
Экологичность: Благодаря очень высокой общей эффективности, сниженному потреблению химических веществ, более низким требованиям к энергии и сокращению отходов, производство ультразвукового биодизеля значительно более экологично, чем обычные процессы производства биодизеля.

Вывод – Ультразвук повышает эффективность производства биодизеля

Научная оценка показывает явные преимущества ультразвукового смешивания перед обычным механическим перемешиванием для производства биодизеля. Преимущества ультразвуковой переработки биодизеля включают общие капитальные вложения, общую стоимость продукта, чистую приведенную стоимость и внутреннюю норму прибыли. Было установлено, что общий объем инвестиций в ультразвуковой кавитационный процесс ниже, чем у других, примерно на 20,8%. Использование ультразвуковых реакторов снизило себестоимость продукции на 5,2% – с использованием натурального рапсового масла. Поскольку обработка ультразвуком позволяет перерабатывать также отработанные масла (например, отработанные растительные масла), затраты на производство могут быть значительно снижены еще больше. Gholami et al. (2021) приходят к выводу, что из-за положительной чистой приведенной стоимости процесс ультразвуковой кавитации является лучшим выбором технологии смешивания для производства биодизеля.
С технической точки зрения наиболее важные эффекты ультразвуковой кавитации охватывают значительную эффективность процесса и сокращение времени реакции. Образование и коллапс многочисленных вакуумных пузырьков – известная как акустическая / ультразвуковая кавитация – сократить время реакции с нескольких часов в реакторе с перемешиваемым резервуаром до нескольких секунд в ультразвуковом кавитационном реакторе. Такое короткое время пребывания позволяет производить биодизельное топливо в проточном реакторе с небольшой занимаемой площадью. Ультразвуковой кавитационный реактор также оказывает благотворное влияние на потребности в энергии и материалах, снижая потребление энергии почти до одной трети от потребления реактором с перемешиваемым резервуаром и потребление метанола и катализатора на 25%.
С экономической точки зрения общий объем инвестиций в процесс ультразвуковой кавитации ниже, чем в процесс механического перемешивания, в основном из-за снижения стоимости реактора почти на 50% и 11,6% и стоимости колонны дистилляции метанола соответственно. Процесс ультразвуковой кавитации также снижает затраты на производство биодизеля за счет снижения потребления рапсового масла на 4%, снижения общих инвестиций, снижения потребления химикатов на 2,2% и снижения требований к коммунальным услугам на 23,8%. В отличие от процесса механического перемешивания, ультразвуковая обработка является приемлемой инвестицией из-за ее положительной чистой приведенной стоимости, более короткого времени окупаемости и более высокой внутренней нормы прибыли. В дополнение к технико-экономическим преимуществам, связанным с процессом ультразвуковой кавитации, он более экологичен, чем процесс механического перемешивания. Ультразвуковая кавитация приводит к сокращению потоков отходов на 80% из-за более высокой конверсии в реакторе и снижения потребления спирта в этом процессе. (ср. Голами и др., 2021)

Используйте катализатор по вашему выбору

Доказано, что ультразвуковой процесс переэтерификации биодизеля эффективен с использованием как щелочных, так и основных катализаторов. Forinstance, Shinde и Kaliaguine (2019) сравнили эффективность ультразвукового и механического лопастного смешивания с использованием различных катализаторов, а именно гидроксида натрия (NaOH), гидроксида калия (KOH), (CH)₃ONa), гидроксид тетраметиламмония и четыре гуанидина (пропил-2,3-дициклогексилгуанидин (PCHG), 1,3-дициклогексил-2 n-октилгуанидин (DCOG), 1,1,3,3-тетраметилгуанидин (TMG), 1,3-дифенилгуанидин (DPG)). Ультразвуковое смешивание (при 35º), как показано, превосходит производство биодизеля, превосходя механическое смешивание (при 65º) за счет более высоких выходов и коэффициента конверсии. Эффективность массопереноса в ультразвуковом поле повысила скорость реакции переэтерификации по сравнению с механическим перемешиванием. Обработка ультразвуком превзошла механическое перемешивание для всех испытанных катализаторов. Запуск реакции переэтерификации с ультразвуковой кавитацией является энергоэффективной и промышленно жизнеспособной альтернативой для производства биодизеля. Помимо широко используемых катализаторов KOH и NaOH, оба катализатора гуанидина, пропил-2,3 дициклогексилгуанидин (PCHG) и 1,3-дициклогексил-2 n-октилгуанидин (DCOG), были показаны как интересные альтрнативы для превращения биодизеля.
Mootabadi et al. (2010) исследовали ультразвуковой синтез биодизеля из пальмового масла с использованием различных щелочных катализаторов оксида металлов, таких как CaO, BaO и SrO. Активность катализатора в ультразвуковом синтезе биодизеля сравнивали с традиционным процессом магнитного перемешивания, и было установлено, что ультразвуковой процесс показал 95,2% выхода с использованием BaO в течение 60 мин реакционного времени, которое в противном случае занимает 3–4 ч в обычном процессе перемешивания. Для ультразвуковой переэтерификации в оптимальных условиях требовалось 60 мин для достижения 95% выхода по сравнению с 2–4 ч при обычном перемешивании. Кроме того, выходы, достигнутые с помощью ультразвука за 60 мин, увеличились с 5,5% до 77,3% при использовании CaO в качестве катализаторов, с 48,2% до 95,2% при использовании SrO в качестве катализаторов и с 67,3% до 95,2 при использовании BaO в качестве катализаторов.

Производство биодизеля с использованием различных гуанидинов (3% моль) в качестве катализатора. (A) Механический перемешивающий периодический реактор: (метанол:рапсовое масло) 4:1, температура 65ºC; (B) Реактор ультразвукового действия: ультразвуковой аппарат UP200St, (метанол: рапсовое масло) 4:1, амплитуда 60% США, температура 35ºC. Ультразвуковое смешивание намного превосходит механическое перемешивание.
(Исследование и графики: Шинде и Калиагине, 2019)

Высокоэффективные ультразвуковые реакторы для превосходной переработки биодизеля

Hielscher Ultrasonics предлагает высокопроизводительные ультразвуковые процессоры и реакторы для улучшения производства биодизеля, что приводит к повышению урожайности, улучшению качества, сокращению времени обработки и снижению производственных затрат.

Малый и средний Биодизель Реакторы

Для малого и среднего производства биодизельного размера до 9ton / ч (2900 л / ч), Hielscher предлагает Вам UIP500hdT (500 Вт), UIP1000hdT (1000 Вт), UIP1500hdT (1500 Вт), а также UIP2000hdT (2000 Вт) ультразвуковые модели смесителей с высоким сдвигом. Эти четыре ультразвуковых реактора очень компактны, просты в интеграции или ретро-установке. Они предназначены для работы в тяжелых условиях эксплуатации в суровых условиях. Ниже вы найдете рекомендуемые реакторные установки для различных производственных показателей.

Очень высокопроизводительные промышленные биодизельные реакторы

Для промышленной переработки биодизеля заводов Hielscher предлагает UIP4000hdT (4 кВт), UIP6000hdT (6кВт), UIP10000 (10 кВт) а также UIP16000hdT (16кВт) ультразвуковые гомогенизаторы! Эти ультразвуковые процессоры предназначены для непрерывной обработки высоких скоростей потока. UIP4000hdT, UIP6000hdT и UIP10000 могут быть интегрированы в стандартные морские грузовые контейнеры. Кроме того, все четыре модели процессоров доступны в шкафах из нержавеющей стали. Вертикальная установка требует минимального пространства. Ниже вы найдете рекомендуемые настройки для типичных темпов промышленной обработки.