Výroba bionafty s vynikajúcim procesom a nákladovou efektívnosťou

Ultrazvukové miešanie je vynikajúca technológia pre vysoko efektívnu a nákladovo efektívnu výrobu bionafty. Ultrazvuková kavitácia zlepšuje hromadný prenos drasticky, čím sa znižujú výrobné náklady a trvanie spracovania. Zároveň sa môžu použiť nekvalitné oleje a tuky (napr. odpadové oleje) a zlepšiť sa kvalita bionafty. Hielscher Ultrasonics dodáva vysoko výkonné, robustné ultrazvukové miešacie reaktory pre akúkoľvek výrobnú škálu. Prečítajte si viac o tom, ako bude vaša výroba bionafty ťažiť zo ultrazvukom!

Výhody výroby bionafty pomocou ultrazvuku

Bionafta (metylester mastných kyselín, abrev. FAME) je produkt transesterifikačnej reakcie lipidovej suroviny (triglyceridy, napr. rastlinný olej, použité oleje na varenie, živočíšne tuky, olej z rias) a alkoholu (metanol, etanol) s použitím katalyzátora (napr. hydroxid draselný KOH).
Problém: Pri konvenčnej konverzii bionafty s použitím konvenčného miešania vedie nemiešateľná povaha oboch reaktantov transesterifikačnej reakcie oleja a alkoholu k nízkej miere prenosu hmoty, čo vedie k neefektívnej výrobe bionafty. Táto neefektívnosť sa vyznačuje dlhými reakčnými časmi, vyššími pomermi moláru metanolu a oleja, vysokými požiadavkami na katalyzátor, vysokými teplotami procesu a vysokou rýchlosťou miešania. Tieto faktory sú významnými nákladovými hnacími silami, vďaka ktorým je konvenčná výroba bionafty nákladným procesom.
Riešenie: Ultrazvukové miešanie emulguje reaktanty vysoko efektívnym, rýchlym a lacným spôsobom, takže pomer oleja a metanolu sa môže zlepšiť, požiadavky katalyzátora sa znižujú, reakčný čas a reakčná teplota sa znižujú. Tým sa šetria zdroje (t. j. chemikálie a energia), ako aj čas, znižujú sa náklady na spracovanie, zatiaľ čo kvalita bionafty a ziskovosť výroby sa výrazne zlepšujú. Tieto fakty obrátiť ultrazvukové miešanie v preferovanej technológii pre efektívnu výrobu bionafty.
Výskumní a priemyselní výrobcovia bionafty potvrdzujú, že ultrazvukové miešanie je vysoko nákladovo efektívny spôsob výroby bionafty, aj keď sa ako východisková surovina používajú nekvalitné oleje a tuky. Ultrazvukový proces intenzifikácia výrazne zlepšuje konverzný pomer znižujúci použitie prebytočného metanolu a katalyzátora, čo umožňuje vyrábať bionaftu spĺňajúcu normu kvality špecifikácií ASTM D6751 a EN 14212. (porov. Abdullah et al., 2015)

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

Početné výhody ultrazvukového miešania vo výrobe bionafty

Ultrazvukové miešacie reaktory môžu byť ľahko integrované do akejkoľvek novej inštalácie, ako aj retro-namontované do existujúcich bionaftových elektrární. Integrácia ultrazvukového mixéra Hielscher premení akékoľvek zariadenie na bionaftu na vysokovýkonný výrobný závod. Jednoduchá inštalácia, robustnosť a užívateľská prívetivosť (nevyžaduje sa žiadne špecifické školenie pre prevádzku) umožňujú modernizáciu akéhokoľvek zariadenia na vysoko efektívny závod na výrobu bionafty. Nižšie vám prinášame vedecky overené výsledky výhod zdokumentovaných nezávislými tretími stranami. Čísla dokazujú nadradenosť ultrazvukovej bionafty miešanie nad akoukoľvek konvenčnou technikou miešania.

Vývojový diagram zobrazuje výrobné kroky bionafty vrátane ultrazvukového miešania pre lepšiu účinnosť procesu.

Efektívne a porovnanie nákladov: Ultrazvukom vs Mechanické miešanie

Gholami et al. (2021) predstavujú vo svojej porovnávacej štúdii výhody ultrazvukovej transesterifikácie oproti mechanickému miešaniu (tj miešačka čepelí, obežné koleso, vysoko šmykový mixér).
Investičné náklady: Ultrazvukový procesor a reaktor UIP16000 môže produkovať 192-384 t bionafta / d s stopou len 1,2 m x 0,6 m. Pre porovnanie, pre mechanické miešanie (MS) je potrebný oveľa väčší reaktor kvôli dlhému reakčnému času v procese mechanického strirrngu, čo spôsobuje, že náklady na reaktor sa výrazne zvyšujú. (porovnaj Gholami et al., 2020)
Náklady na spracovanie: Náklady na spracovanie ultrazvukovej bionafty výroby sú o 7,7% nižšie ako náklady na miešací proces, najmä kvôli nižším celkovým investíciám do ultrazvukom procesu. Náklady na chemikálie (katalyzátor, metanol / alkohol) sú tretím najväčším hnacím motorom nákladov v oboch procesoch, ultrazvukom a mechanickým miešaním. Avšak pre ultrazvukovú konverziu bionafty sú náklady na chemikálie výrazne nižšie ako pri mechanickom miešaní. Podiel nákladov na chemikálie 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 mechanickým miešadlom. Toto výrazné zníženie spotreby energie je výsledkom intenzívneho mikro-miešania a zníženého reakčného času, ktorý je výsledkom výroby a kolapsu nespočetných dutín, ktoré charakterizujú fenomén akustickej / ultrazvukovej kavitácie (Gholami et al., 2018). Okrem toho, v porovnaní s konvenčným miešadlom, spotreba energie pre regeneráciu metanolu a fázy čistenia bionafty počas ultrazvukového procesu miešania sa znižuje o 26,5% a 1,3% v uvedenom poradí. Tento pokles je spôsobený nižším množstvom metanolu vstupujúceho do týchto dvoch destilačných stĺpcov v procese ultrazvukovej transesterifikácie.
Náklady na likvidáciu odpadu: Ultrazvuková technológia kavitácie tiež pozoruhodne znižuje náklady na likvidáciu odpadu. Tieto náklady v procese ultrazvukom sú zhruba jedna pätina z toho v procese miešania, čo je výsledkom významného poklesu produkcie odpadu v dôsledku vyššej konverzie reaktora a nižšieho množstva spotrebovaného alkoholu.
Šetrnosť k životnému prostrediu: Vzhľadom na veľmi vysokú celkovú účinnosť, zníženú chemickú spotrebu, nižšie energetické požiadavky a znížený odpad, ultrazvuková výroba bionafty je výrazne šetrnejšia k životnému prostrediu ako konvenčné výrobné procesy bionafty.

Záver – Ultrazvukom zlepšuje účinnosť výroby bionafty

Vedecké hodnotenie ukazuje jasné výhody ultrazvukového miešania oproti konvenčnému mechanickému miešaniu pre výrobu bionafty. Výhody ultrazvukového spracovania bionafty zahŕňajú celkové kapitálové investície, celkové náklady na produkt, čistú súčasnú hodnotu a vnútornú mieru návratnosti. Zistilo sa, že suma celkových investícií do ultrazvukového kavitačného procesu je nižšia ako u iných približne o 20,8%. Použitie ultrazvukových reaktorov znížilo náklady na produkt o 5,2% – s použitím panenského repkového oleja. Keďže ultrazvukom umožňuje spracovať aj použité oleje (napr. použité oleje na varenie), výrobné náklady sa môžu výrazne znížiť. Gholami et al. (2021) dospeli k záveru, že vďaka pozitívnej čistej súčasnej hodnote je proces ultrazvukovej kavitácie lepšou voľbou technológie miešania pre výrobu bionafty.
Z technického hľadiska najdôležitejšie účinky ultrazvukovej kavitácie pokrývajú významnú účinnosť procesu a zníženie reakčného času. Tvorba a kolaps mnohých vákuových bublín – známy ako akustická / ultrazvuková kavitácia – znížte reakčný čas z niekoľkých hodín v reaktore miešanej nádrže na niekoľko sekúnd v ultrazvukovom kavitačnom reaktore. Táto krátka doba pobytu umožňuje výrobu bionafty v prietokovom reaktore s malou stopou. Ultrazvukový kavitačný reaktor tiež vykazuje priaznivé účinky na požiadavky na energiu a materiál, čím sa znižuje spotreba energie na takmer jednu tretinu spotreby reaktora s miešanou nádržou a spotreby metanolu a katalyzátora o 25%.
Z ekonomického hľadiska je celková investícia ultrazvukového procesu kavitácie nižšia ako celková investícia mechanického miešacieho procesu, najmä v dôsledku takmer 50% a 11,6% zníženia nákladov na reaktor a nákladov na destiláciu metanolu. Ultrazvukový proces kavitácie tiež znižuje výrobné náklady bionafty v dôsledku 4% zníženia spotreby repkového oleja, nižších celkových investícií, o 2,2% nižšej spotreby chemikálií a o 23,8% nižších požiadaviek na užitočnosť. Na rozdiel od mechanicky miešaného procesu je ultrazvukové spracovanie prijateľnou investíciou vďaka svojej pozitívnej čistej súčasnej hodnote, kratšej dobe návratnosti a vyššej vnútornej miere návratnosti. Okrem techno-ekonomických výhod spojených s ultrazvukovým procesom kavitácie je šetrnejší k životnému prostrediu ako proces mechanického miešania. Ultrazvuková kavitácia má za následok 80% zníženie tokov odpadu v dôsledku vyššej konverzie v reaktore a zníženej spotreby alkoholu v tomto procese. (porovnaj Gholami et al., 2021)

Použite katalyzátor podľa vášho výberu

Ultrazvukový transesterifikačný proces bionafty bol preukázaný ako účinný pomocou alkalických alebo základných katalyzátorov. Forinstance, Shinde and Kaliaguine (2019) porovnávali účinnosť ultrazvukového a mechanického miešania čepelí pomocou rôznych katalyzátorov, a to hydroxidu sodného (NaOH), hydroxidu draselného (KOH), (CH)₃ONa), tetrametyl hydroxid amónny a štyri guanidíny (Propyl-2,3-didicyklohexyl guanidín (PCHG), 1,3-dikyklohexyl 2 n-oktyl guanidín (DCOG), 1,1,3,3-tetrametyl guanidín (TMG), 1,3-difenyl guanidín (DPG)). Ultrazvukové miešanie (pri 35º), ako je uvedené lepšie pre výrobu bionafty vynikajúce pre výrobu bionafty vynikajúce mechanické miešanie (pri 65º) vyššími výnosmi a konverzným pomerom. Účinnosť prenosu hmoty v ultrazvukovom poli zvýšila rýchlosť transesterifikačnej reakcie v porovnaní s mechanickým miešaním. Ultrazvukom prekonal mechanické miešanie pre všetky testované katalyzátory. Spustenie transesterifikačnej reakcie s ultrazvukovou kavitáciou je energeticky efektívna a priemyselne životaschopná alternatíva pre výrobu bionafty. Okrem široko používaných katalyzátorov KOH a NaOH sa oba katalyzátory guanidínu, propyl-2,3 dicyclohexylguanidín (PCHG) a 1,3-dikyclohexyl 2 n-oktyluanidín (DCOG), ukázali ako zaujímavé altrnatíva pre konverziu bionafty.
Mootabadi et al. (2010) skúmal ultrazvukom asistovanú syntézu bionafty z palmového oleja pomocou rôznych katalyzátorov alkalických oxidov 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 ukázal 95,2% výnosu pomocou BaO v priebehu 60 minút reakčného času, ktorý inak trvá 3-4 h v konvenčnom procese miešania. Pre rozpúšťadle asistovanú transesterifikáciu za optimálnych podmienok, 60 min bolo potrebné na dosiahnutie 95% výnosu v porovnaní s 2-4 h s konvenčným miešaním. Výnosy dosiahnuté ultrazvukom za 60 min sa tiež zvýšili z 5,5% na 77,3% pomocou CaO ako katalyzátorov, 48,2% na 95,2% pomocou SrO ako katalyzátorov a 67,3% na 95,2 pomocou BaO ako katalyzátorov.

Výroba bionafty s použitím rôznych guanidínov (3% mol) ako katalyzátora. A) Mechanický miešací dávkovač: (metanol:repkový olej) 4:1, teplota 65 °C; B) Ultrazvukový dávkový reaktor: Ultrasonicator UP200St, (metanol:repkový olej) 4:1, 60% amplitúdy USA, teplota 35 ° C. Ultrazvukom riadené miešanie ďaleko prevyšuje mechanické miešanie.
(Štúdia a grafy: Shinde and Kaliaguine, 2019)

Vysokovýkonné ultrazvukové reaktory pre vynikajúce spracovanie bionafty

Hielscher Ultrasonics ponúka vysoko výkonné ultrazvukové procesory a reaktory pre lepšiu výrobu bionafty, čo vedie k vyšším výnosom, lepšej kvalite, skráteniu času spracovania a nižším výrobným nákladom.

Malé a stredné bionafty reaktorov

Pre malé a stredne veľké výroby bionafty až do 9ton/HR (2900 gal/hr), Hielscher ponúka UIP500hdT (500 wattov), UIP1000hdT (1000 wattov), UIP1500hdT (1500 wattov), a UIP2000hdT (2000 wattov) Ultrazvukové high-šmykové mixér modely. Tieto štyri ultrazvukové reaktory sú veľmi kompaktné, ľahko sa integrujú alebo retro-fit. Sú určené pre ťažkú prevádzku v drsných prostrediach. Nižšie nájdete odporúčané nastavenia reaktora pre celý rad výrobných sadzieb.

Reaktory s veľmi veľkou priepustnosťou pre priemyselnú bionaftu

Pre priemyselné spracovanie bionafty výrobné závody Hielscher ponúka UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10 kW) a UIP16000hdT (16kW) Ultrazvukové homogenizátory! Tieto ultrazvukové procesory sú určené pre nepretržité spracovanie vysokých prietokov. UIP4000hdT, UIP6000hdT a UIP10000 môžu byť integrované do štandardných kontajnerov námornej nákladnej dopravy. Prípadne sú všetky štyri modely procesorov k dispozícii v skrinkách z nehrdzavejúcej ocele. Vzpriamená inštalácia vyžaduje minimálny priestor. Nižšie nájdete odporúčané nastavenia pre typické miery priemyselného spracovania.