Производство биодизеля с превосходной технологической и экономической эффективностью

Ультразвуковое смешивание – превосходная технология для высокоэффективного и экономически выгодного производства биодизеля. Ультразвуковая кавитация резко улучшает массоперенос, тем самым снижая производственные затраты и продолжительность обработки. При этом можно использовать масла и жиры низкого качества (например, отработанные масла), а качество биодизеля повышается. Hielscher Ultrasonics поставляет высокопроизводительные, надежные ультразвуковые реакторы смешивания для любого масштаба производства. Узнайте подробнее, какие преимущества обработка ультразвуком даст вашему производству биодизеля!

Преимущества использования ультразвука в производстве биодизеля

Биодизель (метиловый эфир жирной кислоты, сокр. FAME) – продукт реакции переэтерификации липидного сырья (триглицеридов, например растительного масла, отработанных кулинарных масел, животных жиров, масла водорослей) и спирта (метанола, этанола) с использованием катализатора (например, гидроксида калия KOH).
Проблема: При традиционном получении биодизеля с использованием обычного перемешивания несмешиваемость обоих реагентов реакции переэтерификации – масла и спирта – приводит к низкой скорости массопереноса, что делает производство биодизеля неэффективным. Эта неэффективность характеризуется длительным временем реакции, более высокими молярными соотношениями метанола и масла, высокой потребностью в катализаторе, высокими температурами процесса и высокой скоростью перемешивания. Эти факторы существенно увеличивают затраты, делая традиционное производство биодизеля дорогостоящим процессом.
Решение: Ультразвуковое смешивание эмульгирует реагенты высокоэффективным, быстрым и малозатратным способом, позволяя улучшить соотношение масла и метанола, снизить потребность в катализаторе, сократить время реакции и снизить ее температуру. Таким образом, экономятся ресурсы (то есть химические вещества и энергия) и время, снижаются затраты на обработку, а качество биодизеля и рентабельность производства значительно повышаются. Эти факты делают ультразвуковое смешивание предпочтительной технологией эффективного производства биодизеля.
Исследования и промышленные производители биодизеля подтверждают, что ультразвуковое смешивание представляет собой высокоэкономичный способ производства биодизеля, даже когда в качестве сырья используются масла и жиры низкого качества. Ультразвуковая интенсификация процесса существенно повышает степень конверсии, сокращая использование избыточного метанола и катализатора и позволяя получать биодизель, соответствующий стандарту качества ASTM D6751 и спецификациям EN 14212. (См. Abdullah et al., 2015)

Переэтерификация триглицеридов в биодизель (FAME) с использованием обработки ультразвуком ускоряет реакцию и значительно повышает эффективность.

Многочисленные преимущества ультразвукового смешивания в производстве биодизеля

Ультразвуковые реакторы смешивания можно легко интегрировать в любую новую установку, а также использовать для модернизации существующих заводов по производству биодизеля. Интеграция ультразвукового смесителя Hielscher превращает любое предприятие по производству биодизеля в высокопроизводительный завод. Простота установки, надежность и удобство использования (специальное обучение для эксплуатации не требуется) позволяют модернизировать любое предприятие до высокоэффективного завода по производству биодизеля. Ниже мы представляем научно подтвержденные результаты, демонстрирующие преимущества, документально зафиксированные независимыми третьими сторонами. Цифры доказывают превосходство ультразвукового смешивания при производстве биодизеля над любой традиционной технологией перемешивания.

Технологическая схема показывает этапы производства биодизеля, включая ультразвуковое смешивание для повышения эффективности процесса.

Сравнение эффективности и затрат: ультразвук и механическое перемешивание

Gholami et al. (2021) в своем сравнительном исследовании представляют преимущества ультразвуковой переэтерификации перед механическим перемешиванием (то есть лопастным смесителем, импеллером, смесителем с высоким сдвигом).

Низкие инвестиционные затраты:
Ультразвуковой процессор и реактор UIP16000 может производить 192–384 t биодизеля/d, занимая площадь всего 1,2m x 0,6m. Для сравнения: при механическом перемешивании (MS) требуется гораздо более крупный реактор из-за длительного времени реакции в процессе механического перемешивания, что значительно увеличивает стоимость реактора. (См. Gholami et al., 2020)
Низкие затраты на обработку:
Затраты на обработку при ультразвуковом производстве биодизеля на 7,7% ниже, чем при процессе перемешивания, главным образом благодаря меньшим общим инвестициям в процесс обработки ультразвуком. Стоимость химических веществ (катализатора, метанола/спирта) является третьей по величине статьей затрат в обоих процессах – обработке ультразвуком и механическом перемешивании. Однако при ультразвуковом получении биодизеля затраты на химические вещества значительно ниже, чем при механическом перемешивании. Доля затрат на химические вещества составляет примерно 5% конечной стоимости биодизеля. Благодаря меньшему расходу метанола, гидроксида натрия и фосфорной кислоты затраты на химические вещества в ультразвуковом процессе производства биодизеля на 2,2% ниже, чем в процессе механического перемешивания.

Сниженные затраты на энергию:
Энергопотребление ультразвукового реактора смешивания приблизительно в три раза ниже, чем энергопотребление механической мешалки. Это существенное снижение энергопотребления обусловлено интенсивным микросмешиванием и сокращением времени реакции вследствие образования и схлопывания бесчисленных полостей, характерных для явления акустической / ультразвуковой кавитации (Gholami et al., 2018). Кроме того, по сравнению с обычной мешалкой энергопотребление на этапах регенерации метанола и очистки биодизеля при ультразвуковом смешивании снижается на 26,5% и 1,3% соответственно. Это снижение обусловлено меньшим количеством метанола, поступающего в эти две дистилляционные колонны при ультразвуковой переэтерификации.

Значительно сниженные затраты на утилизацию отходов:
Технология ультразвуковой кавитации также существенно снижает затраты на утилизацию отходов. В процессе обработки ультразвуком эти затраты составляют примерно одну пятую от затрат в процессе перемешивания благодаря значительному сокращению образования отходов вследствие более высокой конверсии в реакторе и меньшего расхода спирта.
Узнайте подробнее об ультразвуковом получении биодизеля из масел, извлеченных из отработанной кофейной гущи!

Повышенная экологичность:
Благодаря очень высокой общей эффективности, меньшему расходу химических веществ, более низкой потребности в энергии и сокращению отходов ультразвуковое производство биодизеля значительно экологичнее традиционных процессов его производства.

Заключение – ультразвук повышает эффективность производства биодизеля

Научная оценка показывает явные преимущества ультразвукового смешивания перед традиционным механическим перемешиванием при производстве биодизеля. Преимущества ультразвуковой обработки при производстве биодизеля касаются общих капитальных вложений, общей себестоимости продукта, чистой приведенной стоимости и внутренней нормы доходности. Установлено, что общий объем инвестиций в процесс ультразвуковой кавитации приблизительно на 20,8% ниже, чем в другой сравниваемый процесс. Использование ультразвуковых реакторов снизило себестоимость продукта на 5,2% – при использовании свежего канолового масла. Поскольку обработка ультразвуком позволяет перерабатывать также отработанные масла (например, использованные кулинарные масла), производственные затраты можно дополнительно значительно снизить. Gholami et al. (2021) приходят к выводу, что благодаря положительной чистой приведенной стоимости процесс ультразвуковой кавитации является лучшим выбором технологии смешивания для производства биодизеля.
С технической точки зрения важнейшие эффекты ультразвуковой кавитации включают значительную эффективность процесса и сокращение времени реакции. Образование и схлопывание многочисленных вакуумных пузырьков – известное как акустическая / ультразвуковая кавитация – сокращает время реакции с нескольких часов в реакторе с мешалкой до нескольких секунд в ультразвуковом кавитационном реакторе. Такое короткое время пребывания позволяет производить биодизель в проточном реакторе, занимающем небольшую площадь. Ультразвуковой кавитационный реактор также благоприятно влияет на потребность в энергии и материалах, снижая энергопотребление почти до одной трети от энергопотребления реактора с мешалкой, а расход метанола и катализатора – на 25%.
С экономической точки зрения общие инвестиции в процесс ультразвуковой кавитации ниже, чем в процесс механического перемешивания, главным образом благодаря снижению стоимости реактора почти на 50% и стоимости колонны дистилляции метанола на 11,6% соответственно. Процесс ультразвуковой кавитации также снижает себестоимость производства биодизеля благодаря сокращению расхода канолового масла на 4%, меньшим общим инвестициям, снижению расхода химических веществ на 2,2% и снижению потребности в энергоресурсах и коммунальных средах на 23,8%. В отличие от процесса с механическим перемешиванием, ультразвуковая обработка является приемлемой инвестицией благодаря положительной чистой приведенной стоимости, более короткому сроку окупаемости и более высокой внутренней норме доходности. Помимо технико-экономических преимуществ процесса ультразвуковой кавитации, он экологичнее процесса механического перемешивания. Ультразвуковая кавитация приводит к сокращению потоков отходов на 80% благодаря более высокой конверсии в реакторе и меньшему расходу спирта в этом процессе. (См. Gholami et al., 2021)

Превратите низкокачественное сырье в чистейший биодизель!

Обработка ультразвуком позволяет эффективнее перерабатывать низкокачественное сырье, такое как отработанные растительные масла, использованные жиры для жарки, твердый животный жир или рыбий жир, поскольку ультразвуковая кавитация обеспечивает гораздо лучший контакт между несмешивающимися фазами масла и спирта, значительно улучшая смешивание, а также тепло- и массоперенос. Она также ускоряет кинетику реакции, поэтому даже сложное сырье с изменчивыми характеристиками можно преобразовывать быстрее и полнее.
Акустическая кавитация интенсифицирует процессы в реакционной среде и может способствовать образованию высокореакционноспособных радикалов, что дополнительно поддерживает быструю переэтерификацию и помогает преодолеть обычные недостатки переработки низкосортного сырья.
Узнайте, как обработка ультразвуком превращает отработанные масла и жиры в биодизель!

Используйте катализатор по своему выбору

Доказана эффективность процесса ультразвуковой переэтерификации при производстве биодизеля с использованием как щелочных, так и основных катализаторов. Например, Shinde and Kaliaguine (2019) сравнили эффективность ультразвукового смешивания и механического перемешивания лопастной мешалкой с использованием различных катализаторов, а именно гидроксида натрия (NaOH), гидроксида калия (KOH), (CH₃ONa), гидроксида тетраметиламмония и четырех гуанидинов (Propyl-2,3-dicyclohexyl guanidine (PCHG), 1,3-dicyclohexyl 2 n-octyl guanidine (DCOG), 1,1,3,3-tetramethyl guanidine (TMG), 1,3-diphenyl guanidine (DPG)). Ультразвуковое смешивание (при 35º) продемонстрировало превосходство при производстве биодизеля, обеспечивая более высокий выход и степень конверсии, чем механическое перемешивание (при 65º). Эффективность массопереноса в ультразвуковом поле повысила скорость реакции переэтерификации по сравнению с механическим перемешиванием. Обработка ультразвуком превзошла механическое перемешивание для всех испытанных катализаторов. Проведение реакции переэтерификации с использованием ультразвуковой кавитации является энергоэффективной и промышленно применимой альтернативой для производства биодизеля. Помимо широко используемых катализаторов KOH и NaOH, оба гуанидиновых катализатора – propyl-2,3 dicyclohexylguanidine (PCHG) и 1,3-dicyclohexyl 2 n-octyl guanidine (DCOG) – показали себя интересными альтернативами для получения биодизеля.
Mootabadi et al. (2010) исследовали синтез биодизеля из пальмового масла с применением ультразвука, используя различные катализаторы на основе оксидов щелочных металлов, такие как CaO, BaO и SrO. Активность катализатора при синтезе биодизеля с применением ультразвука сравнивали с традиционным процессом магнитного перемешивания. Было установлено, что ультразвуковой процесс обеспечил выход 95,2% при использовании BaO за время реакции 60 min, тогда как при обычном перемешивании это занимает 3–4 h. Для переэтерификации с применением ультразвука в оптимальных условиях требовалось 60 min для достижения выхода 95% по сравнению с 2–4 h при обычном перемешивании. Кроме того, выходы, достигнутые с использованием ультразвука за 60 min, увеличились с 5,5% до 77,3% при использовании CaO в качестве катализатора, с 48,2% до 95,2% при использовании SrO в качестве катализатора и с 67,3% до 95,2 при использовании BaO в качестве катализатора.

Производство биодизеля с использованием различных гуанидинов (3% mol) в качестве катализатора. (A) Реактор периодического действия с механическим перемешиванием: (метанол:каноловое масло) 4:1, температура 65ºC; (B) Ультразвуковой реактор периодического действия: ультразвуковой аппарат UP200St, (метанол:каноловое масло) 4:1, амплитуда ультразвука 60%, температура 35ºC. Ультразвуковое смешивание намного превосходит механическое перемешивание.
(Исследование и графики: Shinde and Kaliaguine, 2019)

Высокопроизводительные ультразвуковые реакторы для превосходной обработки при производстве биодизеля

Hielscher Ultrasonics предлагает высокопроизводительные ультразвуковые процессоры и реакторы для улучшения производства биодизеля, обеспечивающие более высокий выход, улучшенное качество, сокращение времени обработки и снижение производственных затрат.

Реакторы для производства биодизеля малого и среднего масштаба

Для производства биодизеля малого и среднего масштаба с производительностью до 9ton/hr (2900 gal/hr) Hielscher предлагает модели UIP500hdT (500 ватт), UIP1000hdT (1000 ватт), UIP1500hdT (1500 ватт) и UIP2000hdT (2000 ватт) ультразвуковых смесителей с высоким сдвигом. Эти четыре ультразвуковых реактора очень компактны, их легко интегрировать или использовать для модернизации существующих установок. Они рассчитаны на интенсивную эксплуатацию в суровых условиях. Ниже приведены рекомендуемые конфигурации реакторов для различных уровней производительности.

Промышленные реакторы для производства биодизеля с очень высокой производительностью

Для промышленных предприятий по производству биодизеля Hielscher предлагает модели UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) и UIP16000hdT (16kW) ультразвуковых гомогенизаторов! Эти ультразвуковые процессоры предназначены для непрерывной обработки при высоких расходах. UIP4000hdT, UIP6000hdT и UIP10000 можно интегрировать в стандартные морские грузовые контейнеры. В качестве альтернативы все четыре модели процессоров доступны в шкафах из нержавеющей стали. Вертикальная установка требует минимального пространства. Ниже приведены рекомендуемые конфигурации для типичных уровней производительности промышленной обработки.