Výroba bionafty s vynikajúcou procesnou a nákladovou efektívnosťou

Ultrazvukové miešanie je najlepšou technológiou na vysoko efektívnu a nákladovo úspornú výrobu bionafty. Ultrazvuková kavitácia výrazne zlepšuje prenos hmoty, čím znižuje výrobné náklady a čas spracovania. Zároveň možno používať oleje a tuky nízkej kvality (napr. odpadové oleje) a zlepšuje sa kvalita bionafty. Hielscher Ultrasonics dodáva vysokovýkonné, robustné ultrazvukové miešacie reaktory pre akýkoľvek rozsah výroby. Prečítajte si viac o tom, ako môže vaša výroba bionafty profitovať zo sonikácie!

Výhody využitia ultrazvuku pri výrobe bionafty

Bionafta (metylester mastných kyselín, skrátene FAME) je produktom transesterifikačnej reakcie lipidovej suroviny (triglyceridov, napr. rastlinného oleja, použitých kuchynských olejov, živočíšnych tukov, oleja z rias) a alkoholu (metanolu, etanolu) za použitia katalyzátora (napr. hydroxidu draselného KOH).
Problém: Pri konvenčnej konverzii na bionaftu pomocou bežného miešania vedie nemiešateľnosť oboch reaktantov transesterifikačnej reakcie, oleja a alkoholu, k nízkej rýchlosti prenosu hmoty, čo spôsobuje neefektívnu výrobu bionafty. Táto neefektívnosť sa vyznačuje dlhými reakčnými časmi, vyššími molárnymi pomermi metanolu k oleju, vysokou spotrebou katalyzátora, vysokými procesnými teplotami a vysokými otáčkami miešania. Tieto faktory výrazne zvyšujú náklady, čím sa konvenčná výroba bionafty stáva nákladným procesom.
Riešenie: Ultrazvukové miešanie emulguje reaktanty vysoko efektívne, rýchlo a s nízkymi nákladmi, vďaka čomu možno zlepšiť pomer oleja k metanolu, znížiť spotrebu katalyzátora, skrátiť reakčný čas a znížiť reakčnú teplotu. Tým sa šetria zdroje (t. j. chemikálie a energia) aj čas, znižujú sa náklady na spracovanie a zároveň sa výrazne zlepšuje kvalita bionafty a ziskovosť výroby. Vďaka týmto skutočnostiam je ultrazvukové miešanie preferovanou technológiou na účinnú výrobu bionafty.
Výskum a priemyselní výrobcovia bionafty potvrdzujú, že ultrazvukové miešanie je nákladovo vysoko efektívnym spôsobom výroby bionafty, aj keď sa ako vstupná surovina používajú oleje a tuky nízkej kvality. Intenzifikácia procesu ultrazvukom výrazne zlepšuje mieru konverzie a znižuje používanie nadbytočného metanolu a katalyzátora, čo umožňuje vyrábať bionaftu spĺňajúcu požiadavky na kvalitu podľa normy ASTM D6751 a špecifikácií EN 14212. (porov. Abdullah et al., 2015)

Transesterifikácia triglyceridov na bionaftu (FAME) pomocou sonikácie vedie k zrýchleniu reakcie a výrazne vyššej účinnosti.

Početné výhody ultrazvukového miešania pri výrobe bionafty

Ultrazvukové miešacie reaktory možno jednoducho integrovať do akéhokoľvek nového zariadenia aj dodatočne zabudovať do existujúcich závodov na výrobu bionafty. Integrácia ultrazvukového miešača Hielscher premení akúkoľvek prevádzku na výrobu bionafty na vysokovýkonný výrobný závod. Jednoduchá inštalácia, robustnosť a jednoduché používanie (obsluha nevyžaduje špeciálne školenie) umožňujú modernizovať akúkoľvek prevádzku na vysoko efektívny závod na výrobu bionafty. Nižšie uvádzame vedecky preukázané výsledky potvrdzujúce výhody zdokumentované nezávislými tretími stranami. Čísla dokazujú prevahu ultrazvukového miešania pri výrobe bionafty nad akoukoľvek konvenčnou technikou miešania.

Vývojový diagram zobrazuje kroky výroby bionafty vrátane ultrazvukového miešania na zlepšenie efektívnosti procesu.

Porovnanie efektívnosti a nákladov: ultrazvuk verzus mechanické miešanie

Gholami et al. (2021) vo svojej porovnávacej štúdii predstavujú výhody ultrazvukovej transesterifikácie oproti mechanickému miešaniu (t. j. pomocou lopatkového miešača, obežného miešadla alebo miešača s vysokým šmykom).

Nízke investičné náklady:
Ultrazvukový procesor a reaktor UIP16000 dokáže vyrobiť 192–384 t bionafty/d pri pôdorysných rozmeroch iba 1,2m x 0,6m. Na porovnanie, pri mechanickom miešaní (MS) je potrebný oveľa väčší reaktor z dôvodu dlhého reakčného času pri procese mechanického miešania, čo výrazne zvyšuje náklady na reaktor. (porov. Gholami et al., 2020)
Nízke náklady na spracovanie:
Náklady na spracovanie pri ultrazvukovej výrobe bionafty sú o 7,7% nižšie ako pri procese miešania, najmä vďaka nižším celkovým investíciám do procesu sonikácie. Náklady na chemikálie (katalyzátor, metanol/alkohol) sú treťou najväčšou nákladovou položkou v oboch procesoch, pri sonikácii aj mechanickom miešaní. Pri ultrazvukovej konverzii na bionaftu sú však náklady na chemikálie výrazne nižšie ako pri mechanickom miešaní. Podiel nákladov na chemikálie predstavuje približne 5% konečných nákladov na bionaftu. Vďaka nižšej spotrebe metanolu, hydroxidu sodného a kyseliny fosforečnej sú náklady na chemikálie pri ultrazvukovom procese výroby bionafty o 2,2% nižšie ako pri procese mechanického miešania.

Znížené náklady na energiu:
Spotreba energie ultrazvukového miešacieho reaktora je približne trikrát nižšia ako spotreba mechanického miešadla. Toto výrazné zníženie spotreby energie je výsledkom intenzívneho mikromiešania a skráteného reakčného času v dôsledku vzniku a kolapsu nespočetných dutín, ktoré charakterizujú jav akustickej / ultrazvukovej kavitácie (Gholami et al., 2018). Okrem toho je v porovnaní s konvenčným miešadlom pri procese ultrazvukového miešania spotreba energie vo fáze spätného získavania metanolu znížená o 26,5% a vo fáze čistenia bionafty o 1,3%. Tento pokles je spôsobený menšími množstvami metanolu vstupujúcimi do týchto dvoch destilačných kolón pri procese ultrazvukovej transesterifikácie.

Výrazne znížené náklady na likvidáciu odpadu:
Technológia ultrazvukovej kavitácie tiež výrazne znižuje náklady na likvidáciu odpadu. Tieto náklady pri procese sonikácie predstavujú približne jednu pätinu nákladov pri procese miešania, čo vyplýva z výrazného zníženia tvorby odpadu vďaka vyššiemu stupňu konverzie v reaktore a menším množstvám spotrebovaného alkoholu.
Prečítajte si viac o ultrazvukovej konverzii olejov z použitej kávovej usadeniny na bionaftu!

Väčšia šetrnosť k životnému prostrediu:
Vďaka veľmi vysokej celkovej účinnosti, zníženej spotrebe chemikálií, nižším energetickým nárokom a menšiemu množstvu odpadu je ultrazvuková výroba bionafty výrazne šetrnejšia k životnému prostrediu ako konvenčné procesy výroby bionafty.

Záver – Ultrazvuk zvyšuje účinnosť výroby bionafty

Vedecké hodnotenie ukazuje jasné výhody ultrazvukového miešania oproti konvenčnému mechanickému miešaniu pri výrobe bionafty. Výhody ultrazvukového spracovania bionafty zahŕňajú celkové kapitálové investície, celkové náklady na produkt, čistú súčasnú hodnotu a vnútornú mieru návratnosti. Zistilo sa, že celkové investície do procesu ultrazvukovej kavitácie sú približne o 20,8% nižšie než pri druhom procese. Použitie ultrazvukových reaktorov znížilo náklady na produkt o 5,2% – pri použití panenského repkového oleja. Keďže sonikácia umožňuje spracovať aj použité oleje (napr. použité kuchynské oleje), výrobné náklady možno ešte výrazne znížiť. Gholami et al. (2021) dospeli k záveru, že vďaka kladnej čistej súčasnej hodnote je proces ultrazvukovej kavitácie lepšou voľbou technológie miešania pri výrobe bionafty.
Z technického hľadiska patria medzi najdôležitejšie účinky ultrazvukovej kavitácie výrazná účinnosť procesu a skrátenie reakčného času. Tvorba a kolaps početných vákuových bublín – známe ako akustická / ultrazvuková kavitácia – skracujú reakčný čas z niekoľkých hodín v miešanom tankovom reaktore na niekoľko sekúnd v ultrazvukovom kavitačnom reaktore. Tento krátky čas zdržania umožňuje výrobu bionafty v prietokovom reaktore s malými nárokmi na podlahovú plochu. Ultrazvukový kavitačný reaktor má priaznivé účinky aj na energetické a materiálové nároky: znižuje spotrebu energie na takmer jednu tretinu spotreby miešaného tankového reaktora a spotrebu metanolu a katalyzátora o 25%.
Z ekonomického hľadiska sú celkové investície do procesu ultrazvukovej kavitácie nižšie než do procesu mechanického miešania, najmä vďaka zníženiu nákladov na reaktor o takmer 50% a nákladov na metanolovú destilačnú kolónu o 11,6%. Proces ultrazvukovej kavitácie znižuje aj náklady na výrobu bionafty vďaka zníženiu spotreby repkového oleja o 4%, nižším celkovým investíciám, o 2,2% nižšej spotrebe chemikálií a o 23,8% nižším nárokom na prevádzkové médiá a energie. Na rozdiel od procesu s mechanickým miešaním predstavuje ultrazvukové spracovanie prijateľnú investíciu vďaka kladnej čistej súčasnej hodnote, kratšej dobe návratnosti a vyššej vnútornej miere návratnosti. Okrem technicko-ekonomických výhod spojených s procesom ultrazvukovej kavitácie je tento proces šetrnejší k životnému prostrediu než proces mechanického miešania. Ultrazvuková kavitácia vedie k zníženiu odpadových tokov o 80% vďaka vyššej konverzii v reaktore a zníženej spotrebe alkoholu v tomto procese. (porov. Gholami et al., 2021)

Premeňte nekvalitné vstupné suroviny na dokonale čistú bionaftu!

Sonikácia umožňuje účinnejšie spracovanie nekvalitných vstupných surovín, ako sú odpadové rastlinné oleje, použité tuky na vyprážanie, loj alebo rybie oleje, pretože ultrazvuková kavitácia vynucuje oveľa lepší kontakt medzi nemiešateľnými fázami oleja a alkoholu, čím výrazne zlepšuje miešanie aj prenos tepla a hmoty. Urýchľuje aj reakčnú kinetiku, takže aj náročné suroviny s premenlivými vlastnosťami možno premieňať rýchlejšie a úplnejšie.
Akustická kavitácia zintenzívňuje reakčné prostredie a môže podporovať tvorbu vysoko reaktívnych radikálov, čo ďalej podporuje rýchlu transesterifikáciu a pomáha prekonávať bežné nevýhody spracovania nekvalitných vstupných surovín.
Prečítajte si, ako sonikácia premieňa odpadové oleje a tuky na bionaftu!

Použite katalyzátor podľa vlastného výberu

Pri výrobe bionafty sa preukázala účinnosť procesu ultrazvukovej transesterifikácie pri použití alkalických aj zásaditých katalyzátorov. Napríklad Shinde a Kaliaguine (2019) porovnávali účinnosť ultrazvukového miešania a mechanického miešania lopatkovým miešadlom s použitím rôznych katalyzátorov, konkrétne 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 35º) sa pri výrobe bionafty ukázalo ako účinnejšie než mechanické miešanie (pri 65º), pričom dosahovalo vyššie výťažky a vyšší stupeň konverzie. Účinný prenos hmoty v ultrazvukovom poli zvýšil rýchlosť transesterifikačnej reakcie v porovnaní s mechanickým miešaním. Sonikácia prekonala mechanické miešanie pri všetkých testovaných katalyzátoroch. Uskutočňovanie transesterifikačnej reakcie pomocou ultrazvukovej kavitácie predstavuje energeticky účinnú a priemyselne realizovateľnú alternatívu výroby bionafty. Okrem široko používaných katalyzátorov KOH a NaOH sa ako zaujímavé alternatívy pri konverzii na bionaftu ukázali aj oba guanidínové katalyzátory, propyl-2,3-dicyklohexylguanidín (PCHG) a 1,3-dicyklohexyl-2-n-oktylguanidín (DCOG).
Mootabadi et al. (2010) skúmali syntézu bionafty z palmového oleja podporovanú ultrazvukom s použitím rôznych katalyzátorov na báze oxidov alkalických kovov, ako sú CaO, BaO a SrO. Aktivita katalyzátora pri syntéze bionafty podporovanej ultrazvukom sa porovnávala s tradičným procesom magnetického miešania. Zistilo sa, že ultrazvukový proces s použitím BaO dosiahol výťažok 95,2% pri reakčnom čase 60 min, čo pri konvenčnom miešaní inak trvá 3–4 h. Pri transesterifikácii podporovanej ultrazvukom za optimálnych podmienok bolo na dosiahnutie výťažku 95% potrebných 60 min v porovnaní s 2–4 h pri konvenčnom miešaní. Výťažky dosiahnuté pomocou ultrazvuku za 60 min sa tiež zvýšili z 5,5% na 77,3% pri použití CaO ako katalyzátora, zo 48,2% na 95,2% pri použití SrO ako katalyzátora a zo 67,3% na 95,2 pri použití BaO ako katalyzátora.

Výroba bionafty s použitím rôznych guanidínov (3% mol) ako katalyzátora. (A) Vsádzkový reaktor s mechanickým miešaním: (metanol:kanolový olej) 4:1, teplota 65ºC; (B) Ultrazvukový vsádzkový reaktor: ultrazvukový prístroj UP200St, (metanol:kanolový olej) 4:1, 60% amplitúda ultrazvuku, teplota 35ºC. Ultrazvukové miešanie výrazne prekonáva mechanické miešanie.
(Štúdia a grafy: Shinde a Kaliaguine, 2019)

Vysokovýkonné ultrazvukové reaktory na mimoriadne účinné spracovanie bionafty

Hielscher Ultrasonics ponúka vysokovýkonné ultrazvukové procesory a reaktory na zlepšenie výroby bionafty, ktoré prinášajú vyššie výťažky, lepšiu kvalitu, kratší čas spracovania a nižšie výrobné náklady.

Reaktory na výrobu bionafty v malom a strednom rozsahu

Na výrobu bionafty v malom a strednom rozsahu až do 9ton/hr (2900 gal/hr) vám Hielscher ponúka modely UIP500hdT (500 wattov), UIP1000hdT (1000 wattov), UIP1500hdT (1500 wattov) a UIP2000hdT (2000 wattov) ultrazvukových mixérov s vysokými šmykovými silami. Tieto štyri ultrazvukové reaktory sú veľmi kompaktné a ľahko sa integrujú alebo dodatočne inštalujú do existujúcich zariadení. Sú skonštruované na náročnú prevádzku v drsných podmienkach. Nižšie nájdete odporúčané zostavy reaktorov pre rôzne výrobné kapacity.

Priemyselné reaktory na výrobu bionafty s veľmi vysokou výrobnou kapacitou

Pre priemyselné závody na výrobu bionafty ponúka Hielscher UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) a UIP16000hdT (16kW) ultrazvukové homogenizátory! Tieto ultrazvukové procesory sú navrhnuté na kontinuálne spracovanie pri vysokých prietokoch. UIP4000hdT, UIP6000hdT a UIP10000 možno integrovať do štandardných kontajnerov na námornú prepravu. Alternatívne sú všetky štyri modely procesorov dostupné v skriniach z nehrdzavejúcej ocele. Zvislá inštalácia vyžaduje minimálny priestor. Nižšie nájdete odporúčané zostavy pre typické priemyselné výrobné kapacity.