Energetska učinkovitost in prihranki metanola pri proizvodnji biodizla

Sonikacija je energijsko varčna tehnologija mešanja, ki z ultrazvočno kavitacijo ustvarja intenzivno mikromešanje in hiter prenos snovi med medsebojno nemešljivima oljno in metanolno fazo. Pri predelavi biodizla ta učinek drastično skrajša reakcijski čas – z ur na sekunde – ter omogoča učinkovito transesterifikacijo pri nižjih temperaturah in z manjšo porabo metanola in katalizatorja. Sonikacija poleg tega, da je sama po sebi energetsko učinkovita tehnologija obdelave, zmanjšuje potrebe po metanolu in katalizatorju, zmanjšuje izgube energije na najmanjšo možno mero in zmanjšuje potrebo po regeneraciji metanola z destilacijo, zaradi česar je zelo učinkovita in trajnostna alternativa običajnemu mehanskemu mešanju.

Sonikacija za intenzifikacijo procesa pri proizvodnji biodizla

Proizvodnja biodizla tradicionalno temelji na mehanskih lopatičnih mešalih za mešanje olja in alkohola v procesu transesterifikacije. Vendar je pri tej metodi stik na meji med nemešljivimi fazami slab, kar povzroča dolge reakcijske čase, velik presežek metanola in znatne izgube energije tako pri mešanju kot pri poznejši regeneraciji metanola z destilacijo.
Uvedba tehnologije ultrazvočne kavitacije, kot jo je zasnoval Hielscher Ultrasonics GmbH, je temeljito izboljšala učinkovitost procesa. Ultrazvočni reaktorji dovajajo intenzivno akustično energijo, ki v tekoči fazi ustvarja mikroskopske kavitacijske mehurčke. Njihova implozija ustvarja lokalizirana vroča območja, intenzivno mikromešanje in visoke hitrosti prenosa snovi, kar omogoča hitro transesterifikacijo v blagih pogojih.

Primerjava ultrazvočne kavitacije in mehanskega mešanja

1. Učinkovitost reakcije in zmogljivost mešanja

Primerjalna tehnično-ekonomska ocena reaktorjev z ultrazvočno kavitacijo (UC) in mehanskim mešanjem (MS) (Gholami et al., 2021) je pokazala:
Ultrazvočni reaktor je v 5–15 sekundah dosegel 99% učinkovitost pretvorbe,
medtem ko je reaktor z mehanskim mešanjem za doseganje 95% učinkovitosti pretvorbe potreboval ~80 minut.
Ta izjemna pospešitev je posledica akustičnega mikrotoka in emulgiranja zaradi kavitacije, ki ju ustvarjajo reaktorji Hielscher. Ta mehanizma ustvarjata fine disperzije alkohola v olju, s čimer močno povečujeta medfazno površino in zmanjšujeta upor pri prenosu snovi na najmanjšo možno mero.
Vrhunska zmogljivost mešanja omogoča transesterifikacijo pri nižjih temperaturah (45–60°C) in zmernih tlakih (~3 bar) v primerjavi z običajnimi procesi, ki pogosto zahtevajo povišane tlake (~4 bar), da preprečijo izhlapevanje metanola in ohranjajo topnost.

Ultrazvočno mešanje zmanjšuje specifično porabo energije pri proizvodnji biodizla in pri tem daleč presega hidrodinamično magnetno mešanje in mešala z visokim strigom.

2. Poraba energije in zasnova reaktorja

Pretočni ultrazvočni sistemi Hielscher (npr. UIP1500hdT, UIP16000hdT) zagotavljajo visoko gostoto moči s specifično potrebo po energiji le ~3 kJ/L proizvedenega biodizla. V tehnično-ekonomskem modelu obrata za proizvodnjo biodizla z zmogljivostjo 50.000 t/y se je skupna potreba procesa po energiji ob prehodu z mehanskega mešanja na ultrazvočno kavitacijo zmanjšala za 6,9%.

Podrobna razčlenitev:

Glavni prihranek izhaja iz drastično skrajšanega časa transesterifikacije, ki omogoča manjše prostornine reaktorjev in manjše potrebe po ogrevanju. Kompaktna pretočna zasnova reaktorjev Hielscher, kot je UIP16000hdT, lahko proizvede do 384 t biodizla/dan in omogoča povečevanje zmogljivosti z modularnim združevanjem brez neučinkovite izrabe prostornine velikih mešalnih posod.

Prihranki metanola in manjša poraba energije za regeneracijo

Ključen dejavnik energetske prednosti ultrazvočne obdelave je optimizirana izraba metanola.
 Tradicionalno mehansko mešanje zahteva molska razmerja metanola proti olju 6:1, da reakcija poteka v smeri produktov, pri čemer nastane velik presežek, ki ga je treba pozneje regenerirati z energijsko potratnim izparevanjem ali destilacijo.
Tehnologija ultrazvočne kavitacije Hielscher pa doseže skoraj popolno pretvorbo pri razmerjih metanola proti olju le 4–4,5:1. To 25% zmanjšanje količine alkohola kot vhodne surovine ne zmanjšuje le stroškov surovin, temveč odpravlja tudi potrebo po izparevanju in kondenziranju tisočev litrov metanola, kar znatno zmanjša porabo pare v koloni za regeneracijo metanola.
Poleg tega manjše potrebe po metanolu in katalizatorju zmanjšujejo nastajanje stranskih produktov na najmanjšo možno mero in poenostavljajo nadaljnje čiščenje, kar prispeva k čistejšemu ločevanju faz in manjšemu nastajanju alkalnih odpadnih voda.

 
Izvedite, zakaj ultrazvočna proizvodnja biodizla deluje tudi s poceni surovinami, kot so odpadna jedilna olja in svinjska mast za proizvodnjo biodizla!
 

Ultrazvočna metoda v prvih 1,5 minutah doseže približno 75% pretvorbo, po 6 minutah pa se ustali pri približno 90% pretvorbi.
Običajna metoda ima veliko nižjo hitrost pretvorbe in po 8 minutah doseže le približno 40% pretvorbo.

Ekonomske in okoljske posledice

Tehnično-ekonomski model avtorjev Gholami et al. (2021) je pokazal:

• Zmanjšanje skupnih investicijskih stroškov za približno 21%,
• Zmanjšanje stroškov izdelka na tono za približno 5%,
• Zmanjšanje nastajanja odpadkov na petino količine pri mehanskem mešanju,
• Povečanje interne stopnje donosnosti (IRR) na 18,3% ob pozitivni neto sedanji vrednosti (NPV), medtem ko je običajni proces ostal ekonomsko neupravičen.

Z okoljskega vidika zmanjšanje presežka metanola neposredno zmanjšuje emisije hlapnih organskih spojin in porabo toplotne energije, s čimer ultrazvočno proizvodnjo biodizla usklajuje s cilji zelene proizvodnje.

Pregled prednosti ultrazvočnega reaktorja za biodizel

(rezultati primerjalne študije, prim. Gholami et al., 2021)

Visoko učinkoviti ultrazvočni reaktorji za biodizel

Ultrazvočni reaktorji za biodizel, ki jih je zasnoval Hielscher Ultrasonics, zagotavljajo hitro in enakomerno transesterifikacijo ter znatne prihranke energije in materialov. Zmanjšanje uporabe presežnega metanola – in s tem povezana odprava visokotemperaturnih korakov regeneracije – pomeni pomembno prednost z vidika trajnosti.
V kombinaciji z modularnim povečevanjem zmogljivosti, majhnimi potrebami po vzdrževanju in združljivostjo s heterogenimi katalizatorji sonikatorji Hielscher postavljajo merilo za energetsko učinkovito in čisto tehnologijo proizvodnje biodizla.
 
Preberite več o prednostih tehnologije Hielscher Ultrasonics za biodizel!
 

Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave ultrazvočnih reaktorjev Hielscher za biodizel:

Načrtovanje, proizvodnja in svetovanje – kakovost iz Nemčije

Ultrazvočne naprave Hielscher so dobro znane po najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in preprosto upravljanje omogočata nemoteno vključevanje naših ultrazvočnih naprav v industrijske obrate. Ultrazvočne naprave Hielscher zlahka obvladujejo težke pogoje in zahtevna okolja.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in posebno pozornost namenja visokozmogljivim ultrazvočnim napravam, ki jih odlikujeta najsodobnejša tehnologija in prijaznost do uporabnika. Ultrazvočne naprave Hielscher so seveda skladne s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

Literatura / Viri

• 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.