Výroba bionafty & Premena bionafty
Pri výrobe bionafty pomalá reakčná kinetika a slabý prenos hmoty znižujú kapacitu zariadenia na výrobu bionafty, ako aj výťažnosť a kvalitu bionafty. Ultrazvukové reaktory Hielscher výrazne zlepšujú kinetiku transesterifikácie. Preto je na spracovanie bionafty potrebný nižší prebytok metanolu a menej katalyzátora.
Bionafta sa bežne vyrába v dávkových reaktoroch s použitím tepla a mechanického miešania ako energetického vstupu. Ultrazvukové kavitačné miešanie je účinnou alternatívou na dosiahnutie lepšieho miešania pri komerčnom spracovaní bionafty. Ultrazvuková kavitácia poskytuje potrebnú aktivačnú energiu pre priemyselnú transesterifikáciu bionafty.
Ultrazvukové miešanie zlepšuje mieru premeny bionafty, zvyšuje výťažnosť a šetrí prebytočný metanol a katalyzátor.
Ultrazvukovo vylepšená transesterifikácia bionafty
Výroba bionafty zvyčajne zahŕňa chemickú reakciu nazývanú transesterifikácia, pri ktorej triglyceridy (ako je rastlinný olej, živočíšny tuk, použité kuchynské oleje) reagujú s alkoholom (napríklad metanolom) v prítomnosti katalyzátora za vzniku bionafty (metylestery mastných kyselín) a glycerolu. Ultrazvukové reaktory možno použiť na zlepšenie procesu transesterifikácie niekoľkými spôsobmi, čo vedie k niekoľkým výhodám:
- Vylepšené miešanie: Ultrazvukové vlny môžu vytvárať kavitačné bubliny, ktoré sa prudko zrútia, čo spôsobí intenzívne miešanie a miešanie reakčnej zmesi. To vedie k lepšiemu kontaktu medzi reaktantmi a katalyzátorom, čo vedie k rýchlejšej a úplnejšej transesterifikácii.
- Kinetika zrýchlenej reakcie: Vysokoenergetické podmienky generované ultrazvukovými vlnami môžu aktivovať reakciu, zvýšiť rýchlosť reakcie a skrátiť reakčný čas potrebný na dosiahnutie danej úrovne konverzie. To môže mať za následok vyššie výnosy a nižšie náklady.
- Znížená spotreba katalyzátora: Ultrazvukové reaktory môžu zlepšiť účinnosť použitia katalyzátora tým, že poskytujú aktívnejšie miesta pre reakciu. To znamená, že na dosiahnutie rovnakej úrovne konverzie, zníženie nákladov a vplyvu na životné prostredie je potrebných menej katalyzátora.
- Zlepšená kvalita produktu: Ultrazvukové reaktory dokážu vyrábať bionaftu s nižším obsahom voľných mastných kyselín, vyššou čistotou a lepšími vlastnosťami toku za studena. Je to spôsobené zlepšeným miešaním a rýchlejšou reakčnou kinetikou, ktorá minimalizuje tvorbu nežiaducich vedľajších produktov a nečistôt.
Vďaka týmto výhodám ultrazvukového spracovania bionafty je použitie ultrazvukového reaktora vysoko ekonomické, pretože použitie ultrazvukových reaktorov výrazne zlepšuje účinnosť, rýchlosť a kvalitu transesterifikácie bionafty. To znamená, že ultrazvuk mení transesterifikáciu na ekonomicky a environmentálne udržateľnejší proces.
Problémy konvenčného miešania bionafty: Konvenčná esterifikačná reakcia pri dávkovom spracovaní býva pomalá a fázová separácia glycerínu je časovo náročná, často trvá 5 hodín alebo viac.
Ultrazvukové reaktory vám pomôžu urýchliť proces bionafty a súčasne zvýšiť výťažnosť a kvalitu bionafty pri nižších nákladoch na spracovanie!
Priemyselný ultrazvuk UIP2000hdT s prietokovým článkom FC2T500k na inline esterifikáciu a transesterifikáciu bionafty.
Výhody ultrazvukovej transesterifikácie bionafty
- Vyššie výťažnosti bionafty vďaka lepšiemu miešaniu
- Zvýšená kvalita bionafty
- Ako surovinu používajte aj ten najhorší olej
- Kontinuálne inline spracovanie
- Menej metanolu
- Menej katalyzátora
- Úspora času vďaka vysokorýchlostnej konverzii
- Úspora energie
- jednoduchá a bezpečná obsluha
- Robustnosť a nízka údržba
- Vysoký výkon: prevádzka 24/7 pri plnom zaťažení
"Sme veľmi spokojní so zariadením a službami spoločnosti Hielscher a máme v úmysle zahrnúť ultrazvukovú technológiu Hielscher do všetkých našich budúcich snáh."
Todd Stephens, Tulsa Biofuels
Ultrazvuk na výrobu bionafty
Bionafta sa často vyrába v dávkových reaktoroch. Ultrazvuková konverzia bionafty umožňuje kontinuálne inline spracovanie. Ultrazvukom sa môže dosiahnuť výťažok bionafty vyšší ako 99 %. Ultrazvukové reaktory skracujú čas spracovania z konvenčného 1 až 4-hodinového dávkového spracovania na menej ako 30 sekúnd. Ešte dôležitejšie je, že ultrazvuk skracuje čas separácie z 5 na 10 hodín (pri použití konvenčného miešania) na menej ako 60 minút. Ultrazvuk tiež pomáha znížiť množstvo katalyzátora potrebného až o 50% v dôsledku zvýšenej chemickej aktivity v prítomnosti kavitácie. Pri použití ultrazvuku sa zníži aj množstvo potrebného prebytočného metanolu. Ďalšou výhodou je výsledné zvýšenie čistoty glycerínu.
Ultrazvuková výroba bionafty krok za krokom:
- rastlinný olej alebo živočíšny tuk sa zmieša s metanolom (ktorý vytvára metylestery) alebo etanolom (v prípade etylesterov) a metoxidom alebo hydroxidom sodným alebo draselným
- zmes sa zahrieva napr. na teploty medzi 45 a 65 °C
- Zahriata zmes sa sonikuje v rade po dobu 5 až 15 sekúnd
- glycerín vypadáva alebo sa oddeľuje pomocou odstrediviek
- Premenená bionafta sa premyje vodou
Najčastejšie sa sonikácia vykonáva pri zvýšenom tlaku (1 až 3 bary, pretlak) pomocou napájacieho čerpadla a nastaviteľného protitlakového ventilu vedľa prietokového článku.
Priemyselná premena bionafty nepotrebuje veľa ultrazvukovej energie. Skutočnú spotrebu energie je možné určiť v stolovom meradle napríklad pomocou ultrazvukového procesora s výkonom 1 kW, ako je UIP1000hdT. Všetky výsledky takýchto skúšobných skúšok je možné lineárne a bez problémov rozšíriť. V prípade potreby sú k dispozícii ultrazvukové zariadenia s certifikáciou ATEX, ako napríklad UIP1000-Exd.
Spoločnosť Hielscher dodáva priemyselné ultrazvukové zariadenia na spracovanie bionafty po celom svete. S ultrazvukovými procesormi s výkonom až 16 kW na jedno zariadenie neexistuje žiadny limit vo veľkosti zariadenia na výrobu bionafty alebo spracovateľskej kapacite.
Náklady na výrobu ultrazvukovej bionafty
Ultrazvuk je účinným prostriedkom na zvýšenie reakčnej rýchlosti a miery konverzie pri komerčnej výrobe bionafty. Náklady na ultrazvukové spracovanie vyplývajú najmä z investícií do ultrazvukových zariadení, nákladov na energie a údržbu. Vynikajúca energetická účinnosť ultrazvukových prístrojov Hielscher pomáha znižovať náklady na energie a tým robiť tento proces ešte ekologickejším. Výsledné náklady na ultrazvuk sa pohybujú medzi 0,1 ct a 1,0 ct na liter (0,4 ct až 1,9 ct/galón) pri použití v komerčnom meradle.
Prečítajte si viac o efektívnosti procesu a ekonomických výhodách ultrazvukovej výroby bionafty!
Ultrazvukové miešanie znižuje špecifickú spotrebu energie pri výrobe bionafty ďaleko prekonáva hydrodynamické magnetické miešanie a mixéry s vysokým strihom.
Nastavenie ultrazvukovej bionafty v malom meradle
Ultrazvuk možno použiť na premenu ropy na bionaftu v akomkoľvek rozsahu. Obrázok nižšie ukazuje nastavenie malého rozsahu na spracovanie 60-70 l (16 až 19 galónov). Toto je typické nastavenie pre počiatočné štúdie a demonštráciu procesov.
Ultrazvuková esterifikácia a transesterifikácia môžu byť spustené ako dávkový alebo kontinuálny inline proces. Táto tabuľka zobrazuje ultrazvukový dávkový proces na konverziu bionafty.
3x 1kW ultrazvuk modelu 1000hdT s ultrazvukovým prietokovým reaktorom pre vysoko účinnú konverziu bionafty.
- jeden ultrazvuk (napr. UIP500hdT alebo UIP1000hdT) s boosterom, sonotródou a prietokovým článkom
- Merač výkonu na meranie výkonu a energie
- Spracovateľská nádrž 80 l (plast, napr. HDPE)
- vykurovacie teleso (1 až 2kW)
- 10L nádrž na predmiešanie katalyzátora (plast, napr. HDPE)
- Predmiešavač katalyzátora (miešadlo)
- čerpadlo (odstredivka, mono alebo prevodovka) pre cca. 10 až 20 l/min pri 1 až 3 bargoch
- protitlakový ventil na nastavenie tlaku v prietokovom článku
- tlakomer na meranie prívodného tlaku
Ultrazvukové reaktory na vynikajúce spracovanie bionafty
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics ponúka vysokovýkonné ultrazvukové procesory a reaktory, ktoré zlepšia vašu výrobu bionafty vyššími výťažkami bionafty, zlepšenou kvalitou bionafty, skráteným časom spracovania a nižšími výrobnými nákladmi.
Ultrazvukové reaktory malého a stredného rozsahu na transesterifikáciu bionafty
Pre malú a strednú výrobu bionafty do 9 ton/h (2900 gal/h) vám spoločnosť Hielscher ponúka UIP500hdT (500 wattov), UIP1000hdT (1000 wattov), UIP1500hdT (1500 wattov) a UIP2000hdT (2000 wattov) ako ultrazvukové mixéry s vysokým strihom s prietokovými reaktormi pre spoľahlivé a efektívne inline spracovanie bionafty. Tieto štyri ultrazvukové reaktory sú veľmi kompaktné, ľahko sa integrujú alebo dodatočne montujú. Sú skonštruované pre náročnú prevádzku v drsnom prostredí. Nižšie nájdete odporúčané nastavenia reaktora pre rôzne výrobné rýchlosti.
tona/hod | 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 veľkým výkonom
Pre závody na priemyselné spracovanie bionafty ponúka spoločnosť Hielscher ultrazvukové homogenizátory UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10000 (10kW) a UIP16000hdT (16kW)! Tieto ultrazvukové procesory sú určené na kontinuálne spracovanie vysokých prietokov. UIP4000hdT, UIP6000hdT a UIP10000 je možné integrovať do štandardných námorných nákladných kontajnerov. Alternatívne sú všetky štyri modely procesorov dostupné v skrinkách z nehrdzavejúcej ocele. Vzpriamená inštalácia vyžaduje minimálny priestor. Nižšie nájdete odporúčané nastavenia pre typické priemyselné rýchlosti spracovania.
tona/hod | 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 15360 |
| 5x UIP16000hdT | 40,0 až 80,0 | 12800 až 25600 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Ultrazvuk UIP16000hdT je schopný spracovať bionaftu 32MMGY.
Mráz & Sullivanova technologická inovácia roka
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics získala prestížne ocenenie Frost and Sullivan Technology Innovation of the Year Award ako uznanie za vývoj novej ultrazvukovej technológie pre výrobu bionafty.
Kliknite sem a prečítajte si viac o cene Frost and Sullivan Award pre bionaftové reaktory Hielscher Ultrasonics!
transesterifikácia – Chemická premena bionafty
Výroba bionafty z rastlinných olejov (napr. sója, repka, jatrofa, slnečnicové semienka), rias, živočíšnych tukov, ako aj odpadových kuchynských olejov zahŕňa bázicky katalyzovanú transesterifikáciu mastných kyselín metanolom alebo etanolom za vzniku zodpovedajúcich metylesterov alebo etylesterov. Glycerín je nevyhnutným vedľajším produktom tejto reakcie.
Rastlinné oleje ako živočíšne tuky sú triglyceridy zložené z troch reťazcov mastných kyselín viazaných molekulou glycerínu. Triglyceridy sú estery. Estery sú kyseliny, podobne ako mastné kyseliny, v kombinácii s alkoholom. Glycerín (= glycerol) je ťažký alkohol. V procese konverzie sa estery triglyceridov premieňajú na alkylestery (= bionafta) pomocou katalyzátora (lúhu) a alkoholového činidla, napr. metanolu, čím sa získa bionafta z metylesterov. Metanol nahrádza glycerín. Tento proces chemickej premeny sa nazýva transesterifikácia.
Po transesterifikácii glycerín, ktorý je ťažšou fázou, klesne na dno. Bionafta, ktorá je ľahšou fázou, pláva na vrchu a dá sa oddeliť napr. pomocou karaf alebo centrifúg.
Príprava bionafty
Hydroxid draselný (0.2 až 0.4 kg, katalyzátor) sa rozpúšťa na cca. 8.5 l metanolu v nádrži na predmiešanie katalyzátora. To si vyžaduje premiešanie premixu katalyzátora. Spracovateľská nádrž je naplnená 66 l rastlinným olejom. Olej sa ohrieva vykurovacím telesom na 45 až 65 ° C.
Premena bionafty
Keď je katalyzátor úplne rozpustený v metanole, premix katalyzátora sa zmieša so zahriatym olejom. Čerpadlo privádza zmes do prietokovej bunky. Pomocou protitlakového ventilu sa tlak nastaví na 1 až 3 barg (15 až 45 psig). Recirkulácia cez ultrazvukový reaktor na bionaftu by sa mala vykonávať cca. 20 minút. Počas tejto doby sa olej premieňa na bionaftu. Potom sa pumpa a ultrazvuk vypnú. Glycerín (ťažšia fáza) sa oddelí od bionafty (ľahšia fáza). Oddelenie trvá cca. 30 až 60 minút. Po dokončení separácie je možné glycerín vypustiť.
Umývanie bionafty
Keďže premenená bionafta obsahuje nečistoty, je potrebné pranie. Na umývanie sa do bionafty primieša voda. Ultrazvuk môže byť prospešný pri zmiešaní bionafty s vodou. Tým sa zväčší aktívna plocha v dôsledku zmenšenia veľkosti kvapiek. Vezmite prosím do úvahy, že veľmi intenzívna sonikácia môže zmenšiť kvapky vody na veľkosť, že sa vytvára takmer stabilná emulzia, ktorá bude vyžadovať špeciálne prostriedky (napr. odstredivku) na oddelenie.
Závod na výrobu bionafty
Nižšie uvedený vývojový diagram ukazuje typické nastavenie pre in-line sonikáciu oleja, metanolu a katalyzátora na premenu na bionaftu.
Ultrazvuková esterifikácia a transesterifikácia môžu byť spustené ako dávkový alebo kontinuálny inline proces. Tabuľka zobrazuje ultrazvukový inline proces transesterifikácie bionafty (FAME).
Kontinuálne spracovanie a separácia bionafty
V nastavení na kontinuálne spracovanie bionafty a kontinuálnu separáciu sa zohriaty olej a premix katalyzátora nepretržite miešajú pomocou nastaviteľných čerpadiel. Inline statický mixér zlepšuje homogenitu prívodu do ultrazvukového reaktora. Zmes oleja a katalyzátora prechádza prietokovou bunkou, kde je vystavená ultrazvukovej kavitácii po dobu cca. 5 až 30 sekúnd. Na reguláciu tlaku v prietokovom článku sa používa protitlakový ventil. Sonikovaná zmes vstupuje do reaktorovej kolóny na vrchu. Objem kolóny reaktora je navrhnutý tak, aby poskytoval cca. 1 hodina retenčného času v kolóne. Počas tejto doby je transesterifikačná reakcia ukončená. Zreagovaná zmes glycerínu a bionafty sa prečerpá do odstredivky, kde sa rozdelí na frakcie bionafty a glycerínu. Následné spracovanie zahŕňa regeneráciu, pranie a sušenie metanolu a môže sa vykonávať aj nepretržite.
Toto nastavenie eliminuje dávky reaktorov na bionaftu, konvenčné miešadlá a veľké separačné nádrže.
Rýchlosť reakcie transesterifikácie bionafty
Nižšie uvedené diagramy znázorňujú typické výsledky transesterifikácie repkového oleja (priemyselnej kvality) metoxidom sodným (vľavo) a hydroxidom draselným (vpravo). Pri oboch testoch bola kontrolná vzorka (modrá čiara) vystavená intenzívnemu mechanickému miešaniu. Červená čiara predstavuje sonikovanú vzorku rovnakej formulácie s ohľadom na objemový pomer, koncentráciu katalyzátora a teplotu. Vodorovná os ukazuje čas po zmiešaní alebo sonikácii. Vertikálna os ukazuje objem glycerínu, ktorý sa usadil na dne. Toto je jednoduchý spôsob merania rýchlosti reakcie. V oboch diagramoch sonikovaná vzorka (červená) reaguje oveľa rýchlejšie ako kontrolná vzorka (modrá).
Porovnanie ultrazvukového (červený graf) a konvenčného miešania (modrý graf) pri výrobe bionafty – použitie s metoxidom sodným (vľavo) a hydroxidom draselným (vpravo) ako katalyzátormi.
Odkazy na dodávky bionafty
Kliknite sem pre odkazy na dodávateľov čerpadiel a nádrží pre priemysel bionafty.
Chemické a bezpečnostné informácie
Pozorne si prečítajte nižšie uvedené informácie, aby ste predišli komplikáciám a nepriaznivým účinkom na zdravie.
Chemikálie pre bionaftu
Metanol je toxický. Môže spôsobiť poškodenie nervov v dôsledku dlhodobého používania. Môže byť adsorbovaný aj pokožkou. Ak sa postrieka do očí, môže spôsobiť slepotu a metanol môže byť pri požití smrteľný. Z tohto dôvodu pri manipulácii s metanolom urobte potrebné opatrenia. Odporúča sa používať dobrý respirátor, zásteru a gumené rukavice.
Hydroxid draselný (KOH) je toxický a pri kontakte spôsobuje popáleniny pokožky. Vyžaduje sa dobré vetranie.
Uistite sa, že pracovný priestor je veľkoryso a dôkladne vetraný, aby mohli unikať výpary. Respirátory s parnými kartušami nie sú účinné proti výparom metanolu. Systém prívodného vzduchu (dýchací prístroj — samostatný dýchací prístroj) poskytuje lepšiu ochranu pred výparmi metanolu.
Bionafta a gumové diely
Dlhšia prevádzka na 100% bionaftu môže spôsobiť komplikácie s navlhčenými gumovými časťami (čerpadlo, hadice, O-krúžky) motora. Tento problém môže odstrániť výmena oceľovými dielmi alebo odolnou gumou. Prípadne môžete do bionafty primiešať približne 25 % konvenčnej (fosílnej) 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.
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórium do priemyselná veľkosť.