Производство биодизельного топлива с превосходной технологической и экономической эффективностью

Ультразвуковое смешивание является превосходной технологией для высокоэффективного и экономичного производства биодизельного топлива. Ультразвуковая кавитация значительно улучшает массообмен, тем самым снижая производственные затраты и продолжительность обработки. В то же время можно использовать некачественные масла и жиры (например, отработанные масла), что повышает качество биодизельного топлива. Hielscher Ultrasonics поставляет высокопроизводительные, надежные ультразвуковые смесительные реакторы для любого масштаба производства. Узнайте больше о том, какие преимущества получит ваше производство биодизеля от ультразвуковой обработки!

Преимущества производства биодизеля с помощью 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 (метанола, этанола) с использованием катализатора (например, гидроксида калия KOH).
Проблема: При обычной конверсии биодизеля с использованием обычного перемешивания несмешивающаяся природа обоих реагентов реакции переэтерификации масла и спирта приводит к низкой скорости массообмена, что приводит к неэффективному производству биодизеля. Эта неэффективность характеризуется длительным временем реакции, более высоким молярным соотношением метанола и масла, высокими требованиями к катализатору, высокими температурами процесса и высокой скоростью перемешивания. Эти факторы являются существенными факторами затрат, что делает обычное производство биодизеля дорогостоящим процессом.
Решение: Ультразвуковое смешивание позволяет высокоэффективно, быстро и недорого эмульгировать реагенты, что позволяет улучшить соотношение масла и метанола, снизить потребность в катализаторе, снизить время реакции и температуру реакции. Таким образом, экономятся ресурсы (т.е. химикаты и энергия), а также время, снижаются затраты на переработку, в то время как качество биодизельного топлива и рентабельность производства значительно улучшаются. Эти факты превращают ультразвуковое смешивание в предпочтительную технологию для эффективного производства биодизельного топлива.
Научные исследования и производители промышленного биодизеля подтверждают, что ультразвуковое смешивание является высокоэффективным способом производства биодизеля, даже когда в качестве сырья используются некачественные масла и жиры. Ультразвуковая интенсификация процесса значительно улучшает конверсию, снижая использование избытка метанола и катализатора, что позволяет производить биодизельное топливо, соответствующее стандартам качества ASTM D6751 и EN 14212. (ср. Abdullah et al., 2015)

Переэтерификация триглицеридов в биодизельное топливо (FAME) с использованием ультразвука приводит к ускорению реакции и значительному повышению эффективности.

Многочисленные преимущества ультразвукового смешивания при 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 любое биодизельное предприятие в высокопроизводительное производственное предприятие. Простая установка, надежность и удобство использования (не требующие специальной подготовки для работы) позволяют модернизировать любое предприятие до высокоэффективной биодизельной установки. Ниже мы представляем вам научно доказанные результаты преимуществ, задокументированные независимыми третьими сторонами. Эти цифры доказывают превосходство ультразвукового смешивания биодизеля над любым традиционным методом перемешивания.

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

Сравнение эффективности и стоимости: ультразвуковое и механическое перемешивание

Gholami et al. (2021) представляют в своем сравнительном исследовании преимущества ультразвуковой переэтерификации по сравнению с механическим перемешиванием (т.е. лопастной смеситель, рабочее колесо, смеситель с большими сдвиговыми усилиями).
Инвестиционные затраты: Ультразвуковой процессор и реактор UIP16000 могут производить 192–384 т биодизеля в сутки при занимаемой площади всего 1,2 м x 0,6 м. Для сравнения, для механического перемешивания (МС) требуется реактор гораздо большего размера из-за длительного времени реакции в механическом процессе, что приводит к значительному увеличению стоимости реактора. (ср. Gholami et al., 2020)
Затраты на обработку: Затраты на обработку при производстве биодизельного топлива с помощью ультразвука на 7,7% ниже, чем при перемешивании, в основном из-за более низких общих инвестиций в процесс ультразвуковой обработки. Стоимость химических веществ (катализатор, метанол/спирт) является третьим по величине фактором затрат в обоих процессах, как ультразвуковой, так и механической перемешиваемой. Тем не менее, для ультразвуковой конверсии биодизеля затраты на химическое перемешивание значительно ниже, чем на механическое перемешивание. Доля затрат на химикаты составляет около 5% от конечной стоимости биодизеля. Из-за более низкого расхода метанола, гидроксида натрия и фосфорной кислоты стоимость химических веществ в ультразвуковом биодизельном процессе на 2,2% ниже, чем при механическом перемешивании.
Затраты на электроэнергию: Энергия, потребляемая ультразвуковым смесительным реактором, примерно в три раза ниже, чем у механической мешалки. Такое значительное снижение энергопотребления является результатом интенсивного микроперемешивания и сокращения времени реакции 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 извлечения метанола и очистки биодизеля в процессе ультразвукового смешивания снижен на 26,5% и 1,3% соответственно. Это снижение связано с меньшим количеством метанола, поступающего в эти две ректификационные колонны в процессе ультразвуковой переэтерификации.
Затраты на утилизацию отходов: Технология ультразвуковой кавитации также значительно снижает затраты на утилизацию отходов. Эти затраты в процессе ультразвуковой обработки составляют примерно одну пятую от стоимости в процессе перемешивания, что обусловлено значительным снижением производства отходов из-за более высокой конверсии реактора и меньшего количества потребляемого алкоголя.
Узнайте больше об ультразвуковой биодизельной конверсии масел из отработанной кофейной гущи!
Экологичность: Благодаря очень высокой общей эффективности, сниженному расходу химикатов, более низким энергопотреблениям и уменьшенному количеству отходов, производство ультразвукового биодизеля является значительно более экологичным, чем традиционные процессы производства биодизеля.

Заключение – Ультразвуковое излучение повышает эффективность производства биодизеля

Научная оценка показывает явные преимущества ультразвукового перемешивания по сравнению с обычным механическим перемешиванием для производства биодизеля. К преимуществам ультразвуковой обработки биодизельного топлива относятся общий объем капиталовложений, общая стоимость продукта, чистая приведенная стоимость и внутренняя норма прибыли. Объем общих инвестиций в процесс ультразвуковой кавитации оказался ниже, чем в других процессах, примерно на 20,8%. Использование ультразвуковых реакторов снизило себестоимость продукта на 5,2% – Использование рапсового масла первого отжима. Поскольку ультразвуковая обработка позволяет перерабатывать также отработанные масла (например, отработанные кулинарные масла), производственные затраты могут быть значительно снижены. 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 важными эффектами ультразвуковой кавитации являются значительная эффективность процесса и сокращение времени реакции. Образование и схлопывание многочисленных вакуумных пузырей – известна как акустическая / ультразвуковая кавитация – Сократить время реакции с нескольких часов в реакторе с перемешиванием до нескольких секунд в реакторе с ультразвуковой кавитацией. Такое короткое время пребывания позволяет производить биодизельное топливо в проточном реакторе с небольшой занимаемой площадью. Ультразвуковой кавитационный реактор также оказывает положительное влияние на потребности в энергии и материалах, снижая потребление энергии почти до одной трети от энергопотребления, потребляемого реактором с перемешиванием, а также 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 и колонны дистилляции метанола почти на 50% и 11,6% соответственно. Процесс ультразвуковой кавитации также снижает затраты на производство биодизеля благодаря сокращению потребления рапсового масла на 4%, снижению общих инвестиций, снижению потребления химикатов на 2,2% и снижению потребности в коммунальных услугах на 23,8%. В отличие от процесса с механическим перемешиванием, ультразвуковая обработка является приемлемой инвестицией благодаря положительной чистой приведенной стоимости, более короткому времени окупаемости и более высокой внутренней норме прибыли. В дополнение к технико-экономическим преимуществам, связанным с ультразвуковым процессом кавитации, он более экологичен, чем процесс механического перемешивания. Ультразвуковая кавитация приводит к сокращению потоков отходов на 80% благодаря более высокой конверсии в реакторе и снижению потребления алкоголя в этом процессе. (ср. Gholami et al., 2021)

Используйте катализатор по своему выбору

Эффективность процесса ультразвуковой переэтерификации биодизеля с использованием как щелочных, так и основных катализаторов. Например, Shinde и Kaliaguine (2019) сравнили эффективность ультразвукового и механического смешивания лопаток с использованием различных катализаторов, а именно гидроксида натрия (NaOH), гидроксида калия (KOH), (CH₃ONa), тетраметиламмония гидроксид и четыре гуанидина (пропил-2,3-дициклогексилгуанидин (ПХГ), 1,3-дициклогексил-2 н-октилгуанидин (DCOG), 1,1,3,3-тетраметилгуанидин (ТМГ), 1,3-дифенилгуанидин (ДФГ)). Ультразвуковое смешивание (при 35º) превосходит механическое смешивание (при 65º) за счет более высокой производительности и коэффициента переработки. Эффективность массопереноса в ультразвуковой области повысила скорость реакции переэтерификации по сравнению с механическим перемешиванием. Ультразвуковая обработка превосходила механическое перемешивание для всех испытанных катализаторов. Запуск реакции переэтерификации с ультразвуковой кавитацией является энергоэффективной и промышленно жизнеспособной альтернативой производству биодизеля. Помимо широко используемых катализаторов KOH и NaOH, оба гуанидиновых катализатора, пропил-2,3 дициклогексилгуанидин (PCHG) и 1,3-дициклогексил-2 n-октилгуанидин (DCOG), были показаны как интересные альтернативы для конверсии биодизельного топлива.
Mootabadi et al. (2010) исследовали синтез биодизельного топлива с помощью ультразвука из пальмового масла с использованием различных катализаторов оксида щелочных металлов, таких как CaO, BaO и SrO. Активность катализатора в ультразвуковом синтезе биодизеля сравнивали с традиционным магнитным процессом перемешивания, и было обнаружено, что ультразвуковой процесс показал 95,2% выхода при использовании BaO в течение 60 мин времени реакции, что в противном случае занимает 3–4 ч при традиционном перемешивании. 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 реактор периодического действия: (метанол:рапсовое масло) 4:1, температура 65°C; (B) Ультразвуковой реактор периодического действия: ультразвуковой аппарат UP200St, (метанол:рапсовое масло) 4:1, амплитуда 60% США, температура 35ºC. Смешивание под действием ультразвука значительно превосходит механическое перемешивание.
(Исследование и графики: Шинде и Калиагин, 2019)

Высокопроизводительные ультразвуковые реакторы для превосходной переработки биодизеля

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

Мало- и среднетоннажные биодизельные реакторы

Для малого и среднего производства биодизельного топлива до 9 тонн/ч (2900 галлонов/ч) Hielscher предлагает вам UIP500hdT (500 Вт), UIP1000HDT (1000 Вт), UIP1500HDT (1500 Вт)и UIP2000hdT (2000 Вт) Модели ультразвуковых смесителей с большими сдвиговыми усилиями. Эти четыре ультразвуковых реактора очень компактны, их легко интегрировать или модернизировать. Они созданы для тяжелых условий эксплуатации в суровых условиях. Ниже приведены рекомендуемые конфигурации реакторов для различных скоростей производства.

Промышленные биодизельные реакторы с очень большой пропускной способностью

Для промышленных установок по производству биодизеля Hielscher предлагает UIP4000hdT (4 кВт), UIP6000hdT (6 кВт), UIP10000 (10 кВт) и UIP16000HDT (16 кВт) ультразвуковые гомогенизаторы! Эти ультразвуковые процессоры предназначены для непрерывной обработки с высокой скоростью потока. UIP4000hdT, UIP6000hdT и UIP10000 могут быть интегрированы в стандартные морские грузовые контейнеры. В качестве альтернативы все четыре модели процессоров доступны в корпусах из нержавеющей стали. Вертикальная установка требует минимального пространства. Ниже приведены рекомендуемые настройки для типичной промышленной скорости обработки.