Proizvodnja biodizla in pretvorba v biodizel
Premagajte omejitve pri proizvodnji biodizla z ultrazvočnimi reaktorji! Počasna reakcijska kinetika in slab prenos snovi lahko znatno zmanjšata zmogljivost, izkoristek in kakovost proizvodnje v vašem obratu za biodizel. Ultrazvočni reaktorji Hielscher te izzive rešujejo z bistvenim izboljšanjem kinetike transesterifikacije. Zato predelava biodizla zahteva manj presežnega metanola in manjše količine katalizatorja.
Ultrazvočna kavitacija: vrhunska rešitev za mešanje
Tradicionalna proizvodnja biodizla običajno uporablja šaržne reaktorje, v katere se energija dovaja s toploto in mehanskim mešanjem. Ultrazvočna kavitacija ponuja učinkovito alternativo, ki pri komercialni predelavi biodizla zagotavlja boljše mešanje. Ta ultrazvočna kavitacija zagotavlja potrebno aktivacijsko energijo za industrijsko transesterifikacijo biodizla.
Ključne prednosti ultrazvočne transesterifikacije biodizla:
- Višje stopnje pretvorbe
- Krajši reakcijski časi
- Izboljšana kakovost izdelka
- Možnost pretvorbe odpadnih olj v FAME (metilne estre maščobnih kislin)
Ultrazvočno mešanje izboljša stopnjo pretvorbe v biodizel, poveča izkoristek ter zmanjša porabo presežnega metanola in katalizatorja.
Ultrazvočno izboljšana transesterifikacija biodizla
Proizvodnja biodizla običajno vključuje kemijsko reakcijo, imenovano transesterifikacija, pri kateri triglicerid (kot so rastlinsko olje, živalska maščoba ali uporabljena olja za kuhanje) reagira z alkoholom (kot je metanol) v prisotnosti katalizatorja, pri čemer nastaneta biodizel (metilni estri maščobnih kislin) in glicerol. Ultrazvočne reaktorje je mogoče uporabiti za izboljšanje procesa transesterifikacije na več načinov, kar prinaša številne prednosti:
- Izboljšano mešanje: Ultrazvočni valovi lahko ustvarijo kavitacijske mehurčke, ki silovito implodirajo ter povzročijo intenzivno mešanje in vrtinčenje reakcijske zmesi. To izboljša stik med reaktanti in katalizatorjem, kar omogoča hitrejšo in popolnejšo transesterifikacijo.
- Pospešena reakcijska kinetika: Visokoenergijske razmere, ki jih ustvarijo ultrazvočni valovi, lahko aktivirajo reakcijo, povečajo reakcijsko hitrost in skrajšajo reakcijski čas, potreben za doseganje določene stopnje pretvorbe. To lahko privede do višjih izkoristkov in nižjih stroškov.
- Zmanjšana poraba katalizatorja: Ultrazvočni reaktorji lahko izboljšajo učinkovitost uporabe katalizatorja, saj zagotovijo več aktivnih mest za reakcijo. To pomeni, da je za doseganje enake stopnje pretvorbe potrebnega manj katalizatorja, kar zmanjša stroške in vpliv na okolje.
- Izboljšana kakovost izdelka: Ultrazvočni reaktorji lahko proizvedejo biodizel z nižjo vsebnostjo prostih maščobnih kislin, višjo čistostjo in boljšimi pretočnimi lastnostmi pri nizkih temperaturah. To je posledica izboljšanega mešanja in hitrejše reakcijske kinetike, ki zmanjšata nastajanje neželenih stranskih produktov in nečistoč.
Zaradi teh prednosti ultrazvočne predelave biodizla je uporaba sistema z ultrazvočnim reaktorjem zelo gospodarna, saj ultrazvočni reaktorji znatno izboljšajo učinkovitost, hitrost in kakovost transesterifikacije biodizla. To v povzetku pomeni, da sonikacija spremeni transesterifikacijo v ekonomsko in okoljsko bolj trajnosten proces.
Težave pri konvencionalnem mešanju biodizla: Konvencionalna reakcija esterifikacije pri šaržni predelavi je navadno počasna, fazno ločevanje glicerina pa je zamudno in pogosto traja 5 ur ali več.
Ultrazvočni reaktorji vam pomagajo pospešiti proces proizvodnje biodizla ter hkrati povečati njegov izkoristek in kakovost ob nižjih stroških predelave!
Industrijski sonikator UIP2000hdT s pretočno celico FC2T500k za esterifikacijo in transesterifikacijo biodizla v pretočnem sistemu.
Prednosti ultrazvočne transesterifikacije biodizla
- Višji izkoristki biodizla zaradi izboljšanega mešanja
- Višja kakovost biodizla
- Kot surovino uporabite tudi olje najslabše kakovosti
- Neprekinjena predelava v pretočnem sistemu
- Manj metanola
- Manj katalizatorja
- Prihranek časa zaradi hitre pretvorbe
- Prihranek energije
- Preprosto in varno upravljanje
- Robustnost in malo vzdrževanja
- Visoka zmogljivost: delovanje 24/7 pri polni obremenitvi
Ultrazvočni reaktor UIP16000hdT proizvede približno 32MMGY
“Z opremo in storitvami podjetja Hielscher smo zelo zadovoljni in trdno nameravamo tehnologijo sonikacije Hielscher vključiti v vse naše prihodnje projekte.”
Todd Stephens, Tulsa Biofuels
Ultrazvok za proizvodnjo biodizla
Biodizel se pogosto proizvaja v šaržnih reaktorjih. Ultrazvočna pretvorba v biodizel omogoča neprekinjeno predelavo v pretočnem sistemu. Sonikacija lahko doseže izkoristek biodizla nad 99%. Ultrazvočni reaktorji skrajšajo čas predelave s konvencionalne šaržne predelave, ki traja od 1 do 4 ure, na manj kot 30 sekund. Še pomembneje je, da sonikacija skrajša čas ločevanja s 5 do 10 ur (pri konvencionalnem mešanju) na manj kot 60 minut. Sonikacija zaradi povečane kemijske aktivnosti v prisotnosti kavitacije pomaga tudi zmanjšati potrebno količino katalizatorja za do 50%. Pri uporabi sonikacije se zmanjša tudi potrebna količina presežnega metanola. Dodatna prednost je posledično povečanje čistosti glicerina.
Ultrazvočna proizvodnja biodizla po korakih:
- rastlinsko olje ali živalska maščoba se zmeša z metanolom (pri čemer nastanejo metilni estri) ali etanolom (za etilne estre) ter natrijevim ali kalijevim metoksidom ali hidroksidom
- zmes se segreje, npr. na temperature med 45 in 65degC
- segreta zmes se sonificira v pretočnem sistemu od 5 do 15 sekund
- glicerin se izloči ali loči s centrifugami
- biodizel, nastal s pretvorbo, se spere z vodo
Sonikacija se najpogosteje izvaja pri povišanem tlaku (od 1 do 3bar, nadtlak) z uporabo dovodne črpalke in nastavljivega ventila za protitlak ob pretočni celici.
Industrijska pretvorba v biodizel ne potrebuje veliko ultrazvočne energije. Dejanske potrebe po energiji je mogoče določiti v namiznem merilu z uporabo npr. ultrazvočnega procesorja z močjo 1kW, kot je UIP1000hdT. Vse rezultate takšnih namiznih preizkusov je mogoče linearno in brez težav prenesti v večje merilo. Po potrebi so na voljo ultrazvočne naprave s certifikatom ATEX, kot je UIP1000-Exd.
Hielscher po vsem svetu dobavlja industrijsko opremo za ultrazvočno predelavo biodizla. Z ultrazvočnimi procesorji z močjo do 16kW na posamezno napravo ni omejitev glede velikosti obrata za biodizel ali zmogljivosti predelave.
Stroški ultrazvočne proizvodnje biodizla
Sonikacija je učinkovit način za povečanje reakcijske hitrosti in stopnje pretvorbe pri komercialni proizvodnji biodizla. Stroški ultrazvočne predelave izhajajo predvsem iz naložbe v ultrazvočno opremo, stroškov energije in drugih obratovalnih virov ter vzdrževanja. Izjemna energijska učinkovitost sonikatorjev Hielscher pomaga zmanjšati stroške energije in drugih obratovalnih virov ter s tem narediti proces še okolju prijaznejši. Pri uporabi v komercialnem merilu se stroški sonikacije gibljejo med 0,1ct in 1,0ct na liter (od 0,4ct do 1,9ct/gallon).
Preberite več o učinkovitosti procesa in ekonomskih prednostih ultrazvočne proizvodnje biodizla!
Ultrazvočno mešanje zmanjša specifično porabo energije pri proizvodnji biodizla in daleč prekaša hidrodinamično magnetno mešanje ter mešalnike z visokim strigom.
Ultrazvočni sistem za biodizel v majhnem merilu
Sonikacijo je mogoče uporabiti za pretvorbo olja v biodizel v katerem koli merilu. Spodnja slika prikazuje sistem v majhnem merilu za predelavo 60–70L (od 16 do 19 galon). To je značilen sistem za začetne raziskave in predstavitev procesa.
Ultrazvočno esterifikacijo in transesterifikacijo je mogoče izvajati kot šaržni proces ali neprekinjeni proces v pretočnem sistemu. Ta shema prikazuje ultrazvočni šaržni proces pretvorbe v biodizel.
3x sonikatorji z močjo 1kW modela 1000hdT z ultrazvočnim pretočnim reaktorjem za zelo učinkovito pretvorbo v biodizel.
- en sonikator (npr. UIP500hdT ali UIP1000hdT) z ojačevalnikom amplitude, sonotrodo in pretočno celico
- merilnik moči za merjenje moči in energije
- 80L procesni rezervoar (plastičen, npr. iz HDPE)
- grelni element (od 1 do 2kW)
- 10L rezervoar za predmešanico katalizatorja (plastičen, npr. iz HDPE)
- predmešalnik katalizatorja (mešalo)
- črpalka (centrifugalna, mono ali zobniška) za približno 10 do 20L/min pri 1 do 3 barg
- ventil za protitlak za nastavljanje tlaka v pretočni celici
- manometer za merjenje dovodnega tlaka
Ultrazvočni reaktorji za vrhunsko predelavo biodizla
Hielscher Ultrasonics ponuja visokozmogljive ultrazvočne procesorje in reaktorje, ki bodo izboljšali vašo proizvodnjo biodizla z višjimi izkoristki biodizla, izboljšano kakovostjo biodizla, krajšim časom predelave in nižjimi proizvodnimi stroški.
Ultrazvočni reaktorji za transesterifikacijo biodizla v majhnem in srednjem merilu
Za proizvodnjo biodizla v majhnem in srednjem merilu do 9ton/hr (2900 gal/hr) vam Hielscher ponuja UIP500hdT (500 vatov), UIP1000hdT (1000 vatov), UIP1500hdT (1500 vatov) in UIP2000hdT (2000 vatov) kot ultrazvočne mešalnike z visokim strigom in pretočnimi reaktorji za zanesljivo in učinkovito predelavo biodizla v pretočnem sistemu. Ti štirje ultrazvočni reaktorji so zelo kompaktni in jih je preprosto vključiti v sistem ali naknadno vgraditi. Izdelani so za zahtevno delovanje v težkih okoljih. Spodaj so priporočene konfiguracije reaktorjev za različne proizvodne zmogljivosti.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT (500 vatov) |
0,25 do 0,5
|
80 do 160
|
| 1x UIP1000hdT (1000 vatov) |
0,5 do 1,0
|
160 do 320
|
| 1x UIP1500hdT (1500 vatov) |
0,75 do 1,5
|
240 do 480
|
| 1x UIP2000hdT (2000 vatov) |
1,0 do 2,0
|
320 do 640
|
| 2x UIP2000hdT (2000 vatov) |
2,0 do 4,0
|
640 do 1280
|
| 4xUIP1500hdT (1500 vatov) |
3,0 do 6,0
|
960 do 1920
|
| 6x UIP1500hdT (1500 vatov) |
4,5 do 9,0
|
1440 do 2880
|
| 6x UIP2000hdT (2000 vatov) |
6,0 do 12,0
|
1920 do 3840
|
Industrijski reaktorji za biodizel z zelo veliko zmogljivostjo predelave
Za obrate za proizvodnjo biodizla z industrijsko predelavo Hielscher ponuja ultrazvočne homogenizatorje UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10000 (10kW) in UIP16000hdT (16kW)! Ti ultrazvočni procesorji so zasnovani za neprekinjeno predelavo pri visokih pretokih. UIP4000hdT, UIP6000hdT in UIP10000 je mogoče vgraditi v standardne zabojnike za pomorski prevoz. Vsi štirje modeli procesorjev so na voljo tudi v omarah iz nerjavnega jekla. Navpična namestitev zahteva minimalno prostora. Spodaj so priporočene konfiguracije za značilne zmogljivosti industrijske predelave.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
1x UIP6000hdT (6000 vatov) |
3,0 do 6,0
|
960 do 1920
|
|---|---|---|
| 3x UIP4000hdT (4000 vatov) |
6,0 do 12,0
|
1920 do 3840
|
| 5x UIP4000hdT (4000 vatov) |
10,0 do 20,0
|
3200 do 6400
|
3x UIP6000hdT (6000 vatov) |
9,0 do 18,0
|
2880 do 5880
|
| 3x UIP10000 (10.000 vatov) |
15,0 do 30,0
|
4800 do 9600
|
| 3x UIP16000hdT (16.000 vatov) |
24,0 do 48,0
|
7680 do 15.360
|
| 5x UIP16000hdT |
40,0 do 80,0
|
12.800 do 25.600
|
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
Sonikator UIP16000hdT lahko predela 32MMGY biodizla.
Tehnološka inovacija leta Frost & Sullivan
Hielscher Ultrasonics je prejel prestižno nagrado Frost and Sullivan za tehnološko inovacijo leta kot priznanje za razvoj nove ultrazvočne tehnologije za proizvodnjo biodizla.
Kliknite tukaj in preberite več o nagradi Frost and Sullivan za reaktorje za biodizel Hielscher Ultrasonics!
Transesterifikacija – kemijska pretvorba v biodizel
Proizvodnja biodizla iz rastlinskih olj (npr. soje, oljne ogrščice, jatrofe, sončničnih semen), alg, živalskih maščob in odpadnih olj za kuhanje vključuje z bazo katalizirano transesterifikacijo maščobnih kislin z metanolom ali etanolom, pri čemer nastanejo ustrezni metilni ali etilni estri. Glicerin je neizogiben stranski produkt te reakcije.
Rastlinska olja so tako kot živalske maščobe trigliceridi, sestavljeni iz treh verig maščobnih kislin, povezanih z molekulo glicerina. Trigliceridi so estri. Estri so kisline, kot so maščobne kisline, združene z alkoholom. Glicerin (= glicerol) je težek alkohol. V procesu pretvorbe se trigliceridni estri pretvorijo v alkilne estre (= biodizel) z uporabo katalizatorja (luga) in alkoholnega reagenta, npr. metanola, ki daje biodizel iz metilnih estrov. Metanol nadomesti glicerin. Ta proces kemijske pretvorbe se imenuje transesterifikacija.
Po transesterifikaciji glicerin, ki je težja faza, potone na dno. Biodizel, ki je lažja faza, plava na vrhu in ga je mogoče ločiti, npr. z dekantatorji ali centrifugami.
Priprava biodizla
Kalijev hidroksid (od 0,2 do 0,4kg, katalizator) se raztopi v približno 8,5L metanola v rezervoarju za predmešanico katalizatorja. Pri tem je potrebno mešanje predmešanice katalizatorja. Procesni rezervoar se napolni s 66L rastlinskega olja. Olje se z grelnim elementom segreje na 45 do 65degC.
Pretvorba v biodizel
Ko je katalizator popolnoma raztopljen v metanolu, se predmešanica katalizatorja zmeša s segretim oljem. Črpalka dovaja zmes v pretočno celico. Z ventilom za protitlak se tlak nastavi na 1 do 3barg (15 do 45psig). Recirkulacija skozi ultrazvočni reaktor za biodizel naj poteka približno 20 minut. V tem času se olje pretvarja v biodizel. Nato se črpalka in ultrazvok izklopita. Glicerin (težja faza) se loči od biodizla (lažja faza). Ločevanje traja približno 30 do 60 minut. Ko je ločevanje končano, je mogoče glicerin izpustiti.
Spiranje biodizla
Ker biodizel, nastal s pretvorbo, vsebuje nečistoče, je potrebno spiranje. Pri spiranju se v biodizel vmeša voda. Sonikacija lahko izboljša mešanje biodizla z vodo. Zaradi zmanjšanja velikosti kapljic se poveča aktivna površina. Upoštevajte, da lahko zelo intenzivna sonikacija zmanjša vodne kapljice do velikosti, pri kateri nastane skoraj stabilna emulzija, za katere ločevanje bodo potrebna posebna sredstva (npr. centrifuga).
Obrat za proizvodnjo biodizla
Spodnja shema poteka prikazuje značilen sistem za sonikacijo olja, metanola in katalizatorja v pretočnem sistemu za pretvorbo v biodizel.
Ultrazvočno esterifikacijo in transesterifikacijo je mogoče izvajati kot šaržni proces ali neprekinjeni proces v pretočnem sistemu. Shema prikazuje ultrazvočni pretočni proces transesterifikacije za biodizel (FAME).
Neprekinjena predelava in ločevanje biodizla
V sistemu za neprekinjeno predelavo biodizla in neprekinjeno ločevanje se segreto olje in predmešanica katalizatorja neprekinjeno mešata z nastavljivimi črpalkami. Statični mešalnik v pretočnem sistemu izboljša homogenost zmesi, ki se dovaja v ultrazvočni reaktor. Zmes olja in katalizatorja prehaja skozi pretočno celico, kjer je približno 5 do 30 sekund izpostavljena ultrazvočni kavitaciji. Za uravnavanje tlaka v pretočni celici se uporablja ventil za protitlak. Sonificirana zmes vstopa v reaktorsko kolono na vrhu. Prostornina reaktorske kolone je zasnovana tako, da zagotavlja približno 1 uro zadrževalnega časa v koloni. V tem času se reakcija transesterifikacije zaključi. Zmes glicerina in biodizla po reakciji se prečrpa v centrifugo, kjer se loči na frakciji biodizla in glicerina. Naknadna obdelava vključuje pridobivanje metanola nazaj, spiranje in sušenje ter lahko prav tako poteka neprekinjeno.
Ta sistem odpravlja šaržno obdelavo v reaktorjih za biodizel, konvencionalna mešala in velike ločevalne rezervoarje.
Hitrost reakcije transesterifikacije biodizla
Spodnja diagrama prikazujeta značilne rezultate transesterifikacije olja oljne ogrščice (industrijske kakovosti) z natrijevim metoksidom (levo) in kalijevim hidroksidom (desno). Pri obeh preizkusih je bil kontrolni vzorec (modra črta) izpostavljen intenzivnemu mehanskemu mešanju. Rdeča črta predstavlja sonificirani vzorec z enako sestavo glede na prostorninsko razmerje, koncentracijo katalizatorja in temperaturo. Vodoravna os prikazuje čas po mešanju oziroma sonikaciji. Navpična os prikazuje prostornino glicerina, ki se je usedel na dno. To je preprost način merjenja reakcijske hitrosti. V obeh diagramih sonificirani vzorec (rdeče) reagira veliko hitreje kot kontrolni vzorec (modro).
Primerjava ultrazvočnega (rdeči graf) in konvencionalnega mešanja (modri graf) za proizvodnjo biodizla – z uporabo natrijevega metoksida (levo) in kalijevega hidroksida (desno) kot katalizatorjev.
Povezave do dobaviteljev za proizvodnjo biodizla
Kliknite tukaj za povezave do dobaviteljev črpalk in rezervoarjev za industrijo biodizla.
Informacije o kemikalijah in varnosti
Pozorno preberite spodnje informacije, da preprečite zaplete in škodljive vplive na zdravje.
Kemikalije za biodizel
Metanol je strupen. Pri dolgotrajni uporabi lahko povzroči poškodbe živčevja. Lahko se tudi adsorbira na koži. Če brizgne v oči, lahko povzroči slepoto, zaužitje metanola pa je lahko smrtno. Zato pri ravnanju z metanolom upoštevajte potrebne previdnostne ukrepe. Priporočljiva je uporaba dobrega respiratorja, predpasnika in gumijastih rokavic.
Kalijev hidroksid (KOH) je strupen in ob stiku povzroči opekline kože. Potrebno je dobro prezračevanje.
Poskrbite, da je delovni prostor izdatno in temeljito prezračen, da lahko hlapi odhajajo. Respiratorji s filtrskimi vložki za hlape niso učinkoviti proti hlapom metanola. Sistem z dovodom zraka (SCBA – samostojni dihalni aparat) zagotavlja boljšo zaščito pred hlapi metanola.
Biodizel in gumijasti deli
Dolgotrajno delovanje na 100% biodizel lahko povzroči težave pri gumijastih delih motorja, ki so v stiku z gorivom (črpalka, cevi, O-obroči). Zamenjava z jeklenimi deli ali odporno gumo lahko odpravi to težavo. Za preprečevanje težav lahko biodizlu dodate tudi približno 25% konvencionalnega (fosilnega) dizla.
Literatura / Reference
- 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 izdeluje visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje od laboratorijskih do industrijskih velikosti.