Výroba bionafty a konverzia na bionaftu
Prekonajte obmedzenia výroby bionafty pomocou ultrazvukových reaktorov! Pomalá reakčná kinetika a nedostatočný prenos hmoty môžu výrazne znížiť kapacitu vášho závodu na výrobu bionafty, výťažnosť a kvalitu produktu. Ultrazvukové reaktory Hielscher riešia tieto problémy podstatným zlepšením kinetiky transesterifikácie. Vďaka tomu si spracovanie bionafty vyžaduje menší nadbytok metanolu a menšie množstvo katalyzátora.
Ultrazvuková kavitácia: vynikajúce riešenie miešania
Pri tradičnej výrobe bionafty sa zvyčajne používajú vsádzkové reaktory, do ktorých sa energia dodáva vo forme tepla a mechanického miešania. Ultrazvuková kavitácia ponúka účinnú alternatívu, ktorá pri komerčnom spracovaní bionafty zabezpečuje lepšie miešanie. Táto ultrazvuková kavitácia poskytuje aktivačnú energiu potrebnú na priemyselnú transesterifikáciu pri výrobe bionafty.
Hlavné výhody ultrazvukovej transesterifikácie pri výrobe bionafty:
- Vyššia miera konverzie
- Kratšie reakčné časy
- Lepšia kvalita produktu
- Možnosť premeny odpadových olejov na FAME (metylestery mastných kyselín)
Ultrazvukové miešanie zlepšuje mieru konverzie na bionaftu, zvyšuje výťažnosť a šetrí nadbytočný metanol a katalyzátor.
Ultrazvukom zlepšená transesterifikácia pri výrobe bionafty
Výroba bionafty zvyčajne zahŕňa chemickú reakciu nazývanú transesterifikácia, pri ktorej triglycerid (napríklad rastlinný olej, živočíšny tuk alebo použitý kuchynský olej) reaguje s alkoholom (napríklad metanolom) v prítomnosti katalyzátora za vzniku bionafty (metylesterov mastných kyselín) a glycerolu. Ultrazvukové reaktory možno použiť na zlepšenie procesu transesterifikácie viacerými spôsobmi, čo prináša niekoľko výhod:
- Lepšie miešanie: Ultrazvukové vlny môžu vytvárať kavitačné bubliny, ktoré prudko kolabujú a spôsobujú intenzívne miešanie a rozvírenie reakčnej zmesi. To vedie k lepšiemu kontaktu medzi reaktantmi a katalyzátorom, čo umožňuje rýchlejšiu a úplnejšiu transesterifikáciu.
- Zrýchlená reakčná kinetika: Vysokoenergetické podmienky vytvárané ultrazvukovými vlnami môžu aktivovať reakciu, zvýšiť jej rýchlosť a skrátiť reakčný čas potrebný na dosiahnutie danej úrovne konverzie. To môže viesť k vyšším výťažkom a nižším nákladom.
- Nižšia spotreba katalyzátora: Ultrazvukové reaktory môžu zlepšiť účinnosť využitia katalyzátora tým, že poskytujú viac aktívnych miest pre reakciu. To znamená, že na dosiahnutie rovnakej úrovne konverzie je potrebné menšie množstvo katalyzátora, čím sa znižujú náklady a vplyv na životné prostredie.
- Lepšia kvalita produktu: Ultrazvukové reaktory môžu produkovať bionaftu s nižším obsahom voľných mastných kyselín, vyššou čistotou a lepšími tokovými vlastnosťami za nízkych teplôt. Je to vďaka lepšiemu miešaniu a rýchlejšej reakčnej kinetike, ktoré minimalizujú tvorbu nežiaducich vedľajších produktov a nečistôt.
Vďaka týmto výhodám ultrazvukového spracovania bionafty je použitie zostavy s ultrazvukovým reaktorom veľmi hospodárne, pretože ultrazvukové reaktory výrazne zlepšujú účinnosť, rýchlosť a kvalitu transesterifikácie pri výrobe bionafty. Celkovo to znamená, že pôsobenie ultrazvuku robí z transesterifikácie ekonomicky aj environmentálne udržateľnejší proces.
Problémy konvenčného miešania pri výrobe bionafty: Konvenčná esterifikačná reakcia pri vsádzkovom spracovaní býva pomalá a fázová separácia glycerínu je časovo náročná, pričom často trvá 5 hodín alebo viac.
Ultrazvukové reaktory vám pomôžu urýchliť proces výroby bionafty a súčasne zvýšiť výťažnosť a kvalitu bionafty pri nižších nákladoch na spracovanie!
Priemyselný ultrazvukový prístroj UIP2000hdT s prietokovou celou FC2T500k na esterifikáciu a transesterifikáciu pri výrobe bionafty priamo v potrubí.
Výhody ultrazvukovej transesterifikácie pri výrobe bionafty
- Vyššie výťažky bionafty vďaka lepšiemu miešaniu
- Vyššia kvalita bionafty
- Využitie aj toho najnekvalitnejšieho oleja ako vstupnej suroviny
- Kontinuálne spracovanie priamo v potrubí
- Menej metanolu
- Menej katalyzátora
- Úspora času vďaka rýchlej konverzii
- Úspora energie
- Jednoduchá a bezpečná obsluha
- Robustnosť a nenáročná údržba
- Vysoký výkon: prevádzka 24/7 pri plnom zaťažení
Ultrazvukový reaktor UIP16000hdT produkuje približne 32MMGY
„So zariadeniami a službami spoločnosti Hielscher sme veľmi spokojní a máme pevný zámer zahrnúť ultrazvukovú technológiu Hielscher do všetkých našich budúcich projektov.“
Todd Stephens, Tulsa Biofuels
Ultrazvuk pri výrobe bionafty
Bionafta sa často vyrába vo vsádzkových reaktoroch. Ultrazvuková konverzia bionafty umožňuje kontinuálne prietokové spracovanie. Sonikáciou možno dosiahnuť výťažnosť bionafty presahujúcu 99%. Ultrazvukové reaktory skracujú čas spracovania z bežných 1 až 4 hodín pri vsádzkovom spracovaní na menej ako 30 sekúnd. Ešte dôležitejšie je, že sonikácia skracuje čas separácie z 5 až 10 hodín (pri použití bežného miešania) na menej ako 60 minút. Sonikácia tiež pomáha znížiť potrebné množstvo katalyzátora až o 50% vďaka zvýšenej chemickej aktivite za prítomnosti kavitácie. Pri použití sonikácie sa znižuje aj potrebné množstvo nadbytočného metanolu. Ďalšou výhodou je výsledné zvýšenie čistoty glycerínu.
Ultrazvuková výroba bionafty krok za krokom:
- rastlinný olej alebo živočíšny tuk sa zmieša s metanolom (pri ktorom vznikajú metylestery) alebo etanolom (na tvorbu etylesterov) a s metoxidom alebo hydroxidom sodným či draselným
- zmes sa zahreje, napr. na teplotu medzi 45 a 65degC
- zahriata zmes sa sonikuje v prietokovom režime počas 5 až 15 sekúnd
- glycerín sa vylúči alebo sa oddelí pomocou odstrediviek
- bionafta získaná konverziou sa premyje vodou
Sonikácia sa najčastejšie vykonáva pri zvýšenom tlaku (1 až 3bar, pretlak) pomocou napájacieho čerpadla a nastaviteľného protitlakového ventilu vedľa prietokovej cely.
Priemyselná konverzia bionafty nevyžaduje veľa ultrazvukovej energie. Skutočnú potrebu energie možno určiť v stolovom meradle napr. pomocou ultrazvukového procesora s výkonom 1kW, ako je UIP1000hdT. Všetky výsledky takýchto skúšok v stolovom meradle možno lineárne a bez akýchkoľvek problémov preniesť do väčšieho meradla. V prípade potreby sú k dispozícii ultrazvukové zariadenia s certifikáciou ATEX, ako napríklad UIP1000-Exd.
Hielscher dodáva priemyselné ultrazvukové zariadenia na spracovanie bionafty do celého sveta. Vďaka ultrazvukovým procesorom s výkonom až 16kW na jedno zariadenie neexistuje žiadne obmedzenie veľkosti závodu na výrobu bionafty ani kapacity spracovania.
Náklady na ultrazvukovú výrobu bionafty
Sonikácia je účinný spôsob zvýšenia reakčnej rýchlosti a miery konverzie pri komerčnej výrobe bionafty. Náklady na ultrazvukové spracovanie vyplývajú najmä z investície do ultrazvukového zariadenia, nákladov na energie a médiá a údržby. Vynikajúca energetická účinnosť ultrazvukových zariadení Hielscher pomáha znižovať náklady na energie a médiá, a tým robí tento proces ešte ekologickejším. Výsledné náklady na sonikáciu sa pri použití v komerčnom meradle pohybujú medzi 0,1ct a 1,0ct na liter (0,4ct až 1,9ct/galón).
Prečítajte si viac o účinnosti procesu a ekonomických výhodách ultrazvukovej výroby bionafty!
Ultrazvukové miešanie znižuje mernú spotrebu energie pri výrobe bionafty a výrazne prekonáva hydrodynamické magnetické miešanie aj miešače s vysokým šmykom.
Ultrazvuková zostava na výrobu bionafty v malom meradle
Sonikáciu možno použiť na konverziu oleja na bionaftu v akomkoľvek meradle. Na obrázku nižšie je zostava v malom meradle na spracovanie 60–70L (16 až 19 galónov). Ide o typickú zostavu na úvodné štúdie a demonštráciu procesu.
Ultrazvuková esterifikácia a transesterifikácia sa môžu vykonávať ako vsádzkový alebo kontinuálny prietokový proces. Táto schéma znázorňuje ultrazvukový vsádzkový proces konverzie na bionaftu.
3x 1kW ultrazvukové zariadenia modelu 1000hdT s ultrazvukovým prietokovým reaktorom na vysoko účinnú konverziu na bionaftu.
- jedno ultrazvukové zariadenie (napr. UIP500hdT alebo UIP1000hdT) so zosilňovačom amplitúdy, sonotródou a prietokovou celou
- wattmeter na meranie výkonu a energie
- 80L spracovateľskú nádrž (plastovú, napr. z HDPE)
- vykurovacie teleso (1 až 2kW)
- 10L nádrž na predzmes katalyzátora (plastovú, napr. z HDPE)
- predmiešavač katalyzátora (miešadlo)
- čerpadlo (odstredivé, mono alebo zubové) na prietok približne 10 až 20L/min pri tlaku 1 až 3 barg
- protitlakový ventil na nastavenie tlaku v prietokovej cele
- manometer na meranie vstupného tlaku
Ultrazvukové reaktory na špičkové spracovanie bionafty
Hielscher Ultrasonics ponúka vysokovýkonné ultrazvukové procesory a reaktory, ktoré zlepšia vašu výrobu bionafty vďaka vyšším výťažkom bionafty, lepšej kvalite bionafty, kratšiemu času spracovania a nižším výrobným nákladom.
Ultrazvukové reaktory na transesterifikáciu bionafty v malom a strednom rozsahu
Na výrobu bionafty v malom a strednom rozsahu až do 9ton/hr (2900 gal/hr) vám Hielscher ponúka UIP500hdT (500 wattov), UIP1000hdT (1000 wattov), UIP1500hdT (1500 wattov) a UIP2000hdT (2000 wattov) ako ultrazvukové miešače s vysokým šmykovým účinkom a prietokovými reaktormi na spoľahlivé a účinné kontinuálne spracovanie bionafty priamo v potrubí. Tieto štyri ultrazvukové reaktory sú veľmi kompaktné a ľahko sa integrujú alebo dodatočne inštalujú do existujúcich zariadení. Sú skonštruované na náročnú prevádzku v drsnom prostredí. Nižšie nájdete odporúčané zostavy reaktorov pre rôzne výrobné kapacity.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT (500 wattov) |
0,25 až 0,5
|
80 až 160
|
| 1x UIP1000hdT (1000 wattov) |
0,5 až 1,0
|
160 až 320
|
| 1x UIP1500hdT (1500 wattov) |
0,75 až 1,5
|
240 až 480
|
| 1x UIP2000hdT (2000 wattov) |
1,0 až 2,0
|
320 až 640
|
| 2x UIP2000hdT (2000 wattov) |
2,0 až 4,0
|
640 až 1280
|
| 4xUIP1500hdT (1500 wattov) |
3,0 až 6,0
|
960 až 1920
|
| 6x UIP1500hdT (1500 wattov) |
4,5 až 9,0
|
1440 až 2880
|
| 6x UIP2000hdT (2000 wattov) |
6,0 až 12,0
|
1920 až 3840
|
Priemyselné reaktory na bionaftu s veľmi vysokou výrobnou kapacitou
Pre závody na priemyselnú výrobu bionafty ponúka Hielscher ultrazvukové homogenizátory UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10000 (10kW) a UIP16000hdT (16kW)! Tieto ultrazvukové procesory sú navrhnuté na kontinuálne spracovanie pri vysokých prietokoch. UIP4000hdT, UIP6000hdT a UIP10000 možno integrovať do štandardných námorných prepravných kontajnerov. Alternatívne sú všetky štyri modely procesorov k dispozícii v skriniach z nehrdzavejúcej ocele. Zvislá inštalácia vyžaduje minimum priestoru. Nižšie nájdete odporúčané zostavy pre typické priemyselné spracovateľské kapacity.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP6000hdT (6000 wattov) |
3,0 až 6,0
|
960 až 1920
|
| 3x UIP4000hdT (4000 wattov) |
6,0 až 12,0
|
1920 až 3840
|
| 5x UIP4000hdT (4000 wattov) |
10,0 až 20,0
|
3200 až 6400
|
| 3x UIP6000hdT (6000 wattov) |
9,0 až 18,0
|
2880 až 5880
|
| 3x UIP10000 (10 000 wattov) |
15,0 až 30,0
|
4800 až 9600
|
| 3x UIP16000hdT (16 000 wattov) |
24,0 až 48,0
|
7680 až 15 360
|
| 5x UIP16000hdT |
40,0 až 80,0
|
12 800 až 25 600
|
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Ultrazvukový prístroj UIP16000hdT dokáže spracovať 32MMGY bionafty.
Technologická inovácia roka Frost & Sullivan
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics získala prestížne ocenenie Frost and Sullivan za technologickú inováciu roka ako uznanie za vývoj novej ultrazvukovej technológie na výrobu bionafty.
Kliknite sem a prečítajte si viac o ocenení Frost and Sullivan pre reaktory na bionaftu od spoločnosti Hielscher Ultrasonics!
Transesterifikácia – chemická premena bionafty
Výroba bionafty z rastlinných olejov (napr. sójového, repkového, jatrofového, slnečnicového), rias, živočíšnych tukov, ako aj použitých kuchynských olejov zahŕňa zásadito katalyzovanú transesterifikáciu mastných kyselín metanolom alebo etanolom, pri ktorej vznikajú príslušné metylestery alebo etylestery. Glycerín je nevyhnutným vedľajším produktom tejto reakcie.
Rastlinné oleje aj živočíšne tuky sú triglyceridy zložené z troch reťazcov mastných kyselín viazaných molekulou glycerínu. Triglyceridy sú estery. Estery sú kyseliny, napríklad mastné kyseliny, zlúčené s alkoholom. Glycerín (= glycerol) je ťažký alkohol. V procese konverzie sa triglyceridové estery premieňajú na alkylestery (= bionafta) pomocou katalyzátora (lúhu) a alkoholového činidla, napr. metanolu, pri použití ktorého vzniká bionafta vo forme metylesterov. Metanol nahrádza glycerín. Tento proces chemickej konverzie sa nazýva transesterifikácia.
Po transesterifikácii klesne glycerín, ktorý tvorí ťažšiu fázu, na dno. Bionafta, ktorá tvorí ľahšiu fázu, pláva na povrchu a možno ju oddeliť napr. dekantérmi alebo odstredivkami.
Príprava bionafty
Hydroxid draselný (0,2 až 0,4kg, katalyzátor) sa rozpúšťa v približne 8,5L metanolu v nádrži na prípravu predzmesi katalyzátora. To si vyžaduje miešanie predzmesi katalyzátora. Procesná nádrž sa naplní 66L rastlinného oleja. Olej sa pomocou vykurovacieho telesa zahrieva na 45 až 65degC.
Konverzia na bionaftu
Keď sa katalyzátor úplne rozpustí v metanole, predzmes katalyzátora sa zmieša so zahriatym olejom. Čerpadlo privádza zmes do prietokovej cely. Pomocou protitlakového ventilu sa tlak nastaví na 1 až 3barg (15 až 45psig). Recirkulácia cez ultrazvukový reaktor na výrobu bionafty by mala prebiehať približne 20 minút. Počas tohto času sa olej premieňa na bionaftu. Potom sa čerpadlo aj ultrazvuk vypnú. Glycerín (ťažšia fáza) sa oddelí od bionafty (ľahšia fáza). Separácia trvá približne 30 až 60 minút. Po dokončení separácie možno glycerín vypustiť.
Premývanie bionafty
Keďže bionafta vzniknutá konverziou obsahuje nečistoty, je potrebné premývanie. Pri premývaní sa do bionafty primiešava voda. Pôsobenie ultrazvuku môže zlepšiť miešanie bionafty s vodou. V dôsledku zmenšenia veľkosti kvapiek sa zväčšuje aktívny povrch. Majte na pamäti, že veľmi intenzívna sonikácia môže zmenšiť kvapky vody natoľko, že vznikne takmer stabilná emulzia, na ktorej separáciu budú potrebné špeciálne prostriedky (napr. odstredivka).
Závod na výrobu bionafty
Nižšie uvedená procesná schéma znázorňuje typickú zostavu na sonikáciu oleja, metanolu a katalyzátora priamo v potrubí pri konverzii na bionaftu.
Ultrazvuková esterifikácia a transesterifikácia môžu prebiehať ako dávkový proces alebo ako kontinuálny proces priamo v potrubí. Schéma znázorňuje ultrazvukový proces transesterifikácie na bionaftu (FAME) priamo v potrubí.
Kontinuálne spracovanie a separácia bionafty
V zostave na kontinuálne spracovanie bionafty a kontinuálnu separáciu sa zahriaty olej a predzmes katalyzátora nepretržite zmiešavajú pomocou regulovateľných čerpadiel. Statický miešač zabudovaný do potrubia zlepšuje homogenitu vstupnej zmesi privádzanej do ultrazvukového reaktora. Zmes oleja a katalyzátora prechádza prietokovou celou, kde je približne 5 až 30 sekúnd vystavená ultrazvukovej kavitácii. Protitlakový ventil slúži na reguláciu tlaku v prietokovej cele. Sonikovaná zmes vstupuje do reaktorovej kolóny zhora. Objem reaktorovej kolóny je navrhnutý tak, aby doba zdržania v kolóne bola približne 1 hodina. Počas tohto času sa transesterifikačná reakcia dokončí. Zreagovaná zmes glycerínu a bionafty sa čerpá do odstredivky, kde sa rozdelí na frakciu bionafty a frakciu glycerínu. Následné spracovanie zahŕňa spätné získavanie metanolu, premývanie a sušenie a tiež môže prebiehať kontinuálne.
Táto zostava odstraňuje potrebu spracovania dávok v reaktore na výrobu bionafty, konvenčných miešadiel a veľkých separačných nádrží.
Rýchlosť transesterifikačnej reakcie pri výrobe bionafty
Nasledujúce diagramy znázorňujú typické výsledky transesterifikácie repkového oleja (priemyselnej kvality) s metoxidom sodným (vľavo) a hydroxidom draselným (vpravo). Pri oboch skúškach bola kontrolná vzorka (modrá čiara) vystavená intenzívnemu mechanickému miešaniu. Červená čiara predstavuje vzorku ošetrenú ultrazvukom s rovnakým zložením z hľadiska objemového pomeru, koncentrácie katalyzátora a teploty. Vodorovná os znázorňuje čas po miešaní, respektíve po sonikácii. Zvislá os znázorňuje objem glycerínu, ktorý sa usadil na dne. Ide o jednoduchý spôsob merania rýchlosti reakcie. V oboch diagramoch vzorka ošetrená ultrazvukom (červená) reaguje oveľa rýchlejšie ako kontrolná vzorka (modrá).
Porovnanie ultrazvukového miešania (červený graf) s konvenčným miešaním (modrý graf) pri výrobe bionafty – s použitím metoxidu sodného (vľavo) a hydroxidu draselného (vpravo) ako katalyzátorov.
Odkazy na dodávateľov pre výrobu bionafty
Kliknutím sem zobrazíte odkazy na dodávateľov čerpadiel a nádrží pre priemysel výroby bionafty.
Chemické a bezpečnostné informácie
Pozorne si prečítajte nasledujúce informácie, aby ste predišli komplikáciám a nepriaznivým účinkom na zdravie.
Chemikálie na výrobu bionafty
Metanol je toxický. Pri dlhodobom používaní môže spôsobiť poškodenie nervov. Môže sa tiež adsorbovať na koži. Pri vniknutí do očí môže spôsobiť slepotu a pri požití môže byť smrteľný. Z tohto dôvodu pri manipulácii s metanolom dodržiavajte potrebné preventívne opatrenia. Odporúča sa používať kvalitný respirátor, zásteru a gumené rukavice.
Hydroxid draselný (KOH) je toxický a pri kontakte spôsobuje poleptanie kože. Vyžaduje sa dobré vetranie.
Zabezpečte dostatočné a dôkladné vetranie pracoviska, aby mohli výpary unikať. Respirátory s filtračnými vložkami proti parám nie sú účinné proti výparom metanolu. Systém s prívodom vzduchu (SCBA – autonómny dýchací prístroj) poskytuje lepšiu ochranu pred parami metanolu.
Bionafta a gumené diely
Dlhodobá prevádzka na 100% bionaftu môže spôsobiť komplikácie s gumenými dielmi motora, ktoré sú v kontakte s palivom (čerpadlo, hadice, O-krúžky). Výmena za oceľové diely alebo odolnú gumu môže tento problém odstrániť. Prípadne môžete do bionafty primiešať približne 25% konvenčnej (fosílnej) motorovej nafty, aby ste predišli komplikáciám.
Literatúra / Referencie
- 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 vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizéry vo veľkostiach od laboratórnej po priemyselnú.