Výroba bionafty s vynikajúcou procesnou a nákladovou efektívnosťou

Ultrazvukové miešanie je vynikajúca technológia pre vysoko efektívnu a nákladovo efektívnu výrobu bionafty. Ultrazvuková kavitácia drasticky zlepšuje prenos hmoty, čím znižuje výrobné náklady a trvanie spracovania. Zároveň je možné použiť nekvalitné oleje a tuky (napr. odpadové oleje) a zlepšiť kvalitu bionafty. Spoločnosť Hielscher Ultrasonics dodáva vysokovýkonné a robustné ultrazvukové miešacie reaktory pre akýkoľvek výrobný rozsah. Prečítajte si viac, ako bude vaša výroba bionafty ťažiť zo sonikácie!

Výhody výroby bionafty pomocou ultrazvuku

Bionafta (metylester mastných kyselín, abrev. FAME) je produktom transesterifikačnej reakcie lipidovej suroviny (triglyceridy, napr. rastlinný olej, použité kuchynské oleje, živočíšne tuky, olej z rias) a alkoholu (metanol, etanol) pomocou katalyzátora (napr. hydroxid draselný KOH).
Problém: Pri konvenčnej konverzii bionafty pomocou konvenčného miešania vedie nemiešateľná povaha reaktantov transesterifikačnej reakcie oleja a alkoholu k nízkej rýchlosti prenosu hmoty, čo vedie k neefektívnej výrobe bionafty. Táto neúčinnosť sa vyznačuje dlhými reakčnými časmi, vyšším molárnym pomerom metanolu a oleja, vysokými požiadavkami na katalyzátor, vysokými procesnými teplotami a vysokou rýchlosťou miešania. Tieto faktory sú významnými nákladovými faktormi, vďaka ktorým je konvenčná výroba bionafty nákladným procesom.
Riešenie: Ultrazvukové miešanie emulguje reaktanty vysoko efektívnym, rýchlym a lacným spôsobom, takže je možné zlepšiť pomer oleja a metanolu, znížiť požiadavky na katalyzátor, znížiť reakčný čas a reakčná teplota. Tým sa šetria zdroje (t. j. chemikálie a energia), ako aj čas, znižujú sa náklady na spracovanie a výrazne sa zlepšuje kvalita bionafty a ziskovosť výroby. Tieto skutočnosti menia ultrazvukové miešanie na preferovanú technológiu pre efektívnu výrobu bionafty.
Výskum a priemyselní výrobcovia bionafty potvrdzujú, že ultrazvukové miešanie je vysoko nákladovo efektívny spôsob výroby bionafty, aj keď sa ako surovina používajú nekvalitné oleje a tuky. Ultrazvuková intenzifikácia procesu výrazne zlepšuje mieru konverzie, čím sa znižuje použitie prebytočného metanolu a katalyzátora, čo umožňuje vyrábať bionaftu spĺňajúcu kvalitatívny štandard špecifikácií ASTM D6751 a EN 14212. (porovnaj Abdullah et al., 2015)

Transesterifikácia triglyceridov na bionaftu (FAME) pomocou sonikácie má za následok zrýchlenú reakciu a výrazne vyššiu účinnosť.

Početné výhody ultrazvukového miešania pri výrobe bionafty

Ultrazvukové miešacie reaktory je možné ľahko integrovať do akejkoľvek novej inštalácie, ako aj dodatočne namontovať do existujúcich zariadení na výrobu bionafty. Integrácia ultrazvukového mixéra Hielscher premení každé zariadenie na výrobu bionafty na vysokovýkonný výrobný závod. Jednoduchá inštalácia, robustnosť a užívateľská prívetivosť (nevyžaduje sa žiadne špecifické školenie o prevádzke) umožňujú modernizáciu akéhokoľvek zariadenia na vysoko účinné zariadenie na výrobu bionafty. Nižšie vám predstavujeme vedecky dokázané výsledky výhod zdokumentovaných nezávislými tretími stranami. Čísla dokazujú nadradenosť ultrazvukového miešania bionafty nad akoukoľvek konvenčnou technikou miešania.

Vývojový diagram zobrazuje kroky výroby bionafty vrátane ultrazvukového miešania pre lepšiu efektivitu procesu.

Porovnanie účinnosti a nákladov: ultrazvuk vs mechanické miešanie

Gholami et al. (2021) vo svojej porovnávacej štúdii uvádzajú výhody ultrazvukovej transesterifikácie oproti mechanickému miešaniu (tj lopatkový mixér, obežné koleso, mixér s vysokým strihom).
Investičné náklady: Ultrazvukový procesor a reaktor UIP16000 dokáže vyrobiť 192 – 384 t bionafty/d s pôdorysom iba 1,2 m x 0,6 m. Na porovnanie, pre mechanické miešanie (MS) je potrebný oveľa väčší reaktor kvôli dlhému reakčnému času v procese mechanického strirngovania, čo spôsobuje výrazné zvýšenie nákladov na reaktor. (porovnaj Gholami a kol., 2020)
Náklady na spracovanie: Náklady na spracovanie ultrazvukovej výroby bionafty sú o 7,7 % nižšie ako náklady na proces miešania, najmä z dôvodu nižších celkových investícií do procesu sonikácie. Náklady na chemikálie (katalyzátor, metanol/alkohol) sú tretím najväčším nákladovým faktorom v oboch procesoch, sonikácii a mechanickom miešaní. Pri ultrazvukovej konverzii bionafty sú však náklady na chemikálie výrazne nižšie ako pri mechanickom miešaní. Nákladový zlomok chemikálií predstavuje približne 5 % konečných nákladov na bionaftu. Vzhľadom na nižšiu spotrebu metanolu, hydroxidu sodného a kyseliny fosforečnej sú náklady na chemikálie v procese ultrazvukovej bionafty o 2.2 % nižšie ako náklady na proces mechanického miešania.
Náklady na energiu: Energia spotrebovaná ultrazvukovým miešacím reaktorom je približne trikrát nižšia ako energia mechanického miešadla. Toto výrazné zníženie spotreby energie je výsledkom intenzívneho mikromiešania a skráteného reakčného času, ktoré je výsledkom tvorby a kolapsu nespočetných dutín, ktoré charakterizujú fenomén akustickej / ultrazvukovej kavitácie (Gholami et al., 2018). Okrem toho sa v porovnaní s konvenčným miešadlom zníži spotreba energie na regeneráciu metanolu a fázy čistenia bionafty počas procesu ultrazvukového miešania o 26,5 %, respektíve 1,3 %. Tento pokles je spôsobený nižším množstvom metanolu, ktorý vstupuje do týchto dvoch destilačných kolón v procese ultrazvukovej transesterifikácie.
Náklady na likvidáciu odpadu: Ultrazvuková kavitačná technológia tiež výrazne znižuje náklady na likvidáciu odpadu. Tieto náklady v procese sonikácie sú zhruba pätinové v procese miešania, čo vyplýva z výrazného zníženia produkcie odpadu v dôsledku vyššej konverzie reaktora a nižšieho množstva spotrebovaného alkoholu.
Prečítajte si viac o ultrazvukovej premene bionafty olejov z použitej kávovej usadeniny!
Šetrnosť k životnému prostrediu: Vďaka veľmi vysokej celkovej účinnosti, zníženej spotrebe chemikálií, nižším energetickým požiadavkám a zníženému množstvu odpadu je ultrazvuková výroba bionafty výrazne šetrnejšia k životnému prostrediu ako bežné procesy výroby bionafty.

Záver – Ultrazvuk zvyšuje efektivitu výroby bionafty

Vedecké hodnotenie ukazuje jasné výhody ultrazvukového miešania oproti konvenčnému mechanickému miešaniu pri výrobe bionafty. Medzi výhody ultrazvukového spracovania bionafty patria celkové kapitálové investície, celkové náklady na produkt, čistá súčasná hodnota a vnútorná miera návratnosti. Zistilo sa, že výška celkovej investície do procesu ultrazvukovej kavitácie je nižšia ako u ostatných približne o 20,8 %. Použitie ultrazvukových reaktorov znížilo náklady na produkt o 5,2 % – pomocou panenského repkového oleja. Keďže sonikácia umožňuje spracovanie aj použitých olejov (napr. použitých kuchynských olejov), výrobné náklady sa môžu výrazne znížiť. Gholami et al. (2021) dospeli k záveru, že vzhľadom na kladnú čistú súčasnú hodnotu je proces ultrazvukovej kavitácie lepšou voľbou technológie miešania na výrobu bionafty.
Z technického hľadiska najdôležitejšie účinky ultrazvukovej kavitácie zahŕňajú významnú efektivitu procesu a skrátenie reakčného času. Tvorba a kolaps mnohých vákuových bublín – známa ako akustická / ultrazvuková kavitácia – Skráťte reakčný čas z niekoľkých hodín v reaktore s miešanou nádržou na niekoľko sekúnd v ultrazvukovom kavitačnom reaktore. Táto krátka doba zotrvania umožňuje výrobu bionafty v prietokovom reaktore s malým pôdorysom. Ultrazvukový kavitačný reaktor tiež vykazuje priaznivé účinky na energetické a materiálové požiadavky, znižuje spotrebu energie na takmer jednu tretinu spotreby reaktora s miešacou nádržou a spotrebu metanolu a katalyzátora o 25%.
Z ekonomického hľadiska je celková investícia do procesu ultrazvukovej kavitácie nižšia ako investícia do procesu mechanického miešania, najmä v dôsledku takmer 50 % a 11,6 % zníženia nákladov na reaktor a nákladov na destilačnú kolónu metanolu. Proces ultrazvukovej kavitácie tiež znižuje náklady na výrobu bionafty vďaka 4 % zníženiu spotreby repkového oleja, nižšej celkovej investícii, o 2,2 % nižšej spotrebe chemikálií a o 23,8 % nižších požiadaviek na úžitkové služby. Na rozdiel od mechanicky miešaného procesu je ultrazvukové spracovanie prijateľnou investíciou vďaka svojej kladnej čistej súčasnej hodnote, kratšej dobe návratnosti a vyššej vnútornej miere návratnosti. Okrem technicko-ekonomických výhod spojených s procesom ultrazvukovej kavitácie je šetrnejší k životnému prostrediu ako proces mechanického miešania. Ultrazvuková kavitácia má za následok 80% zníženie odpadových tokov vďaka vyššej konverzii v reaktore a zníženej spotrebe alkoholu v tomto procese. (porovnaj Gholami a kol., 2021)

Použite katalyzátor podľa vlastného výberu

Proces ultrazvukovej transesterifikácie bionafty sa ukázal ako účinný pri použití alkalických alebo zásaditých katalyzátorov. Napríklad Shinde a Kaliaguine (2019) porovnávali účinnosť ultrazvukového a mechanického miešania lopatiek pomocou rôznych katalyzátorov, a to hydroxidu sodného (NaOH), hydroxidu draselného (KOH), (CH₃ONa), hydroxid tetrametylamónny a štyri guanidíny (propyl-2,3-dicyklohexylguanidín (PCHG), 1,3-dicyklohexyl 2 n-oktylguanidín (DCOG), 1,1,3,3-tetrametylguanidín (TMG), 1,3-difenylguanidín (DPG)). Ultrazvukové miešanie (pri 35 °), ako je znázornené, vynikajúce pri výrobe bionafty, vynikajúce mechanické miešanie (pri 65 °) s vyššími výťažkami a mierou konverzie. Účinnosť prenosu hmoty v ultrazvukovom poli zvýšila rýchlosť transesterifikačnej reakcie v porovnaní s mechanickým miešaním. Sonikácia prekonala mechanické miešanie všetkých testovaných katalyzátorov. Spustenie transesterifikačnej reakcie ultrazvukovou kavitáciou je energeticky účinnou a priemyselne životaschopnou alternatívou výroby bionafty. Okrem široko používaných katalyzátorov KOH a NaOH sa oba guanidínové katalyzátory, propyl-2,3 dicyklohexylguanidín (PCHG) a 1,3-dicyklohexyl2 n-oktylguanidín (DCOG), ukázali ako zaujímavé altrnatívy pre konverziu bionafty.
Mootabadi et al. (2010) skúmali ultrazvukom asistovanú syntézu bionafty z palmového oleja pomocou rôznych katalyzátorov oxidov alkalických kovov, ako sú CaO, BaO a SrO. Aktivita katalyzátora v ultrazvukom asistovanej syntéze bionafty bola porovnaná s tradičným procesom magnetického miešania a zistilo sa, že ultrazvukový proces vykazoval 95,2 % výťažku pomocou BaO v rámci 60 minútového reakčného času, ktorý inak trvá 3–4 hodiny v konvenčnom procese miešania. Na ultrazvukom asistovanú transesterifikáciu za optimálnych podmienok bolo potrebných 60 minút na dosiahnutie 95% výťažku v porovnaní s 2–4 hodinami pri konvenčnom miešaní. Výťažky dosiahnuté ultrazvukom za 60 minút sa tiež zvýšili z 5,5 % na 77,3 % s použitím CaO ako katalyzátorov, zo 48,2 % na 95,2 % s použitím SrO ako katalyzátorov a zo 67,3 % na 95,2 s použitím BaO ako katalyzátorov.

Výroba bionafty s použitím rôznych guanidínov (3 % mol) ako katalyzátora. A) Dávkový reaktor s mechanickým miešaním: (metanol: repkový olej) 4:1, teplota 65 °C; (B) Ultrazvukový vsádkový reaktor: ultrazvuk UP200St, (metanol: repkový olej) 4:1, 60% US amplitúda, teplota 35 ° C. Ultrazvukom poháňané miešanie ďaleko prekonáva mechanické miešanie.
(Štúdia a grafy: Shinde a Kaliaguine, 2019)

Vysokovýkonné ultrazvukové reaktory pre vynikajúce spracovanie bionafty

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics ponúka vysokovýkonné ultrazvukové procesory a reaktory na zlepšenie výroby bionafty, čo vedie k vyšším výťažkom, lepšej kvalite, skráteniu času spracovania a nižším výrobným nákladom.

Malé a stredné reaktory na bionaftu

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) Modely ultrazvukových mixérov s vysokým strihom. 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.

Priemyselné reaktory na bionaftu s veľmi veľkým výkonom

Pre závody na priemyselné spracovanie bionafty ponúka spoločnosť Hielscher UIP4000hdT (4 kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10 kW) a UIP16000hdT (16kW) Ultrazvukové homogenizátory! 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.