Proizvodnja biodizla z superiornim procesom in stroškovno učinkovitostjo

Ultrazvočno mešanje je vrhunska tehnologija za visoko učinkovito in stroškovno učinkovito proizvodnjo biodizla. Ultrazvočna kavitacija drastično izboljšuje prenos mase, s čimer se zmanjšajo proizvodni stroški in trajanje obdelave. Hkrati se lahko uporabljajo slabo kakovostna olja in maščobe (npr. od odpadkov) in izboljša kakovost biodizla. Hielscher Ultrasonics dobavlja visoko zmogljivost, robustne ultrazvočne mešanje reaktorjev za vsako proizvodno lestvico. Preberite več o tem, kako bo vaša proizvodnja biodizla koristila sonication !

Prednosti proizvodnje biodizla z uporabo ultrazvoka

Biodiesel (maščobna kislina metil ester, abrev. FAME) je produkt transesterifikacijne reakcije lipidnih surovin (trigliceridi, npr. rastlinsko olje, izrabljena kurilna olja, živalske maščobe, algalno olje) in alkohola (metanol, etanol) z uporabo katalizatorja (npr. kalijev hidroksid KOH).
Težava: Pri konvencionalni pretvorbi biodizla z uporabo običajnega mešanja neučinkovita narava obeh reakantov transesterifikacialne reakcije olja in alkohola povzroči slabo stopnjo množičnega prenosa, kar povzroči neučinkovito proizvodnjo biodizla. Za to neučinkovitost so značilni dolgi reakcijski časi, višja molarna razmerja metanol-olja, visoke zahteve za katalizacijo, visoke procesne temperature in visoke stopnje mešanja. Ti dejavniki so pomembni stroškovni gonilniki, zaradi česar običajni biodizla proizvajajo drag postopek.
Rešitev: Ultrazvočno mešanje emulgirajo reaktante na zelo učinkovit, hiter in nizko cenovni način, tako da se lahko izboljša razmerje med oljom in metanolom, zmanjšajo se zahteve katalizanta, zmanjša se čas reakcije in temperatura reakcije. S tem se prihranijo viri (torej kemikalije in energija) ter čas, zmanjšajo stroški predelave, medtem ko se kakovost biodizla in dobičkonosnost proizvodnje znatno izboljšata. Ta dejstva obračajo ultrazvočno mešanje v želeni tehnologiji za učinkovitost proizvodnje biodizla.
Raziskave in industrijski proizvajalci biodizla potrjujejo, da je ultrazvočno mešanje zelo stroškovno učinkovit način za proizvodnjo biodizla, tudi če se slabo kakovostna olja in maščobe uporabljajo kot surovina. Ultrazvočna intenzivnost procesa znatno izboljša stopnjo pretvorbe, ki zmanjšuje uporabo presežka metanola in katalizanta, kar omogoča proizvodnjo biodizla, ki izpolnjuje standard kakovosti specifikacij ASTM D6751 in EN 14212. (prim. Abdullah et al., 2015)

Transesterifikacija trigliceridov v biodizl (FAME) z uporabo sonication ima za rezultat pospešeno reakcijo in bistveno večjo učinkovitost.

Številne prednosti ultrazvočnega mešanja v proizvodnji biodizla

Ultrazvočno mešanje reaktorji se lahko enostavno vključijo v katero koli novo instalacijo, kot tudi retro-fited v obstoječe biodizle obratov. Integracija hielscher ultrazvočnega mešalnika spremeni vsak biodisel obrat v visoko zmogljivost proizvodni obrat. Enostavna montaža, robustnost in prijaznost uporabnikov (ni potrebno posebno usposabljanje za obratovanje) omogočajo nadgradnjo katerega koli objekta v zelo učinkovito biodizlo. Spodaj vam predstavljamo znanstveno dokazane rezultate prednosti, ki jih dokumentirajo neodvisne tretje osebe. Številke dokazujejo premoč ultrazvočnega mešanja biodizla nad vsako konvencionalno tehniko mešanja.

Diagram poteka prikazuje korake proizvodnje biodizla, vključno z ultrazvočnim mešanjem za izboljšano učinkovitost procesa.

Učinkovitost in primerjava stroškov: Ultrazvočni vs Mechanical Stirring

Gholami et al. (2021) so v svoji primerjalni študiji prisotne prednosti ultrazvočne transesterifikacije pred mehanskim mešalnikom (to je mešalnik rezil, impeler, mešalnik visoke striže).
Stroški naložb: Ultrazvočni procesor in reaktor UIP16000 lahko proizvaja 192–384 t biodizla/d z odtisom samo 1,2m x 0,6m. Za mehansko mešanje (MS) je za mehansko mešanje (MS) potreben veliko večji reaktor zaradi dolgega časa reakcije v postopku mehanskega strirrnga, zaradi česar se stroški reaktorja znatno povečajo. (prim. Gholami et al., 2020)
Stroški obdelave: Stroški predelave za ultrazvočno proizvodnjo biodizla so za 7,7 % nižji od stroškov za proces mešanja, predvsem zaradi nižjih skupnih naložb za proces sonication. Stroški kemikalij (katalizovalec, metanol/alkohol) so tretji največji stroškovni voznik v obeh procesih, sonication in mehansko mešanje. Vendar pa so za ultrazvočno pretvorbo biodizla stroški za kemikalije bistveno nižji kot za mehansko mešanje. Delež stroškov za kemikalije predstavlja približno 5 % končnih stroškov biodizla. Zaradi manjše porabe metanola, natrijevega hidroksida in fosforne kisline so stroški za kemikalije v postopku ultrazvočnega biodizla za 2,2 % nižji od stroškov mehanskega mešanja.
Stroški energije: Energija, ki jo porabi ultrazvočni mešalnik, je približno trikrat nižja od energije z mehanskim stirrerjem. To precejšnje zmanjšanje porabe energije je produkt intenzivnega mikro-mešanja in skrajšanega časa reakcije, ki je posledica proizvodnje in kolapsa neštetih votlin, ki so značilni pojav akustične / ultrazvočne kavitacije (Gholami et al., 2018). Poleg tega se v primerjavi s konvencionalnim stirrerjem poraba energije za fazo predelave metanola in prečiščevanja biodizla med ultrazvočnim mešanjem zmanjša za 26,5 % oziroma za 1,3 %. Ta upad je posledica manjših količin metanola, ki vstopa v ta dva destilacijo stolpca v ultrazvočni transesterifikacijski proces.
Stroški odstranjevanja odpadkov: Ultrazvočna tehnologija kavitacije prav tako izjemno zmanjšuje stroške odstranjevanja odpadkov. Ta strošek v postopku sonikacije je približno petina stroškov v postopku mešanja, ki je posledica znatnega zmanjšanja proizvodnje odpadkov zaradi večje pretvorbe reaktorja in manjših količin zaužitega alkohola.
Prijaznost do okolja: Zaradi zelo visoke splošne učinkovitosti, zmanjšane porabe kemikalij, nižjih energetskih zahtev in zmanjšanih odpadkov je ultrazvočna proizvodnja biodizla bistveno bolj okolju prijazna od običajnih proizvodnih procesov biodizla.

Zaključek – Ultrazvočna izboljša učinkovitost proizvodnje biodizla

Znanstvena ocena kaže jasne prednosti ultrazvočnega mešanja pred običajnim mehanskim mešanjem za proizvodnjo biodizla. Prednosti ultrazvočne predelave biodizla vključujejo skupne kapitalske naložbe, skupne stroške proizvoda, neto sedanjo vrednost in notranjo stopnjo donosa. Ugotovilo se je, da je znesek skupnih naložb v ultrazvočni kavitacijo nižji od zneska drugih za približno 20,8 %. Uporaba ultrazvočnih reaktorjev zmanjšala stroške izdelka za 5,2 % – uporabo deviškega olja iz canola. Ker sonication omogoča predelavo tudi izrabljena olja (npr. rabljena kuhališča), se lahko proizvodni stroški bistveno dodatno zmanjšajo. Gholami et al. (2021) pride do zaključka, da je zaradi pozitivne neto sedanje vrednosti ultrazvočni kavitacijni proces boljša izbira tehnologije mešanja za proizvodnjo biodizla.
S tehničnega vidika najpomembnejši učinki ultrazvočne kavitacije segajo do pomembne učinkovitosti procesa in zmanjšanja reakcijskega časa. Nastanek in kolaps številnih vakumskih mehurčkov – znan kot akustična / ultrazvočna kavitacija – zmanjšati reakcijski čas z več ur v mešano-tank reaktorju na nekaj sekund v ultrazvočni kavitacijo reaktor. Ta kratek čas bivanja omogoča proizvodnjo biodizla v pretočni reaktor z majhnim odtisom. Ultrazvočni kavitacijni reaktor kaže tudi blagodejne učinke na zahteve po energiji in materialu, s tem pa se poraba energije zmanjša na skoraj tretjino energije, ki jo porabi reaktor mešanega rezervoarja ter poraba metanola in katalizovalca za 25 %.
Z ekonomskega vidika je skupna naložba procesa ultrazvočne kavitacije nižja od naložbe v mehanični proces mešanja, predvsem zaradi skoraj 50% oziroma 11,6% zmanjšanja stroškov reaktorja oziroma stroškov kolone destilacije metanola. Postopek ultrazvočne kavitacije zmanjšuje tudi stroške proizvodnje biodizla zaradi 4-odstotnega zmanjšanja porabe olja v kanoli, nižje skupne naložbe, 2,2 % manjše porabe kemikalij in 23,8 % nižjih komunalnih zahtev. Za razliko od mehansko mešanega procesa je ultrazvočna obdelava sprejemljiva naložba zaradi pozitivne neto sedanje vrednosti, krajšega časa vračila in višje notranje stopnje donosa. Poleg tehnoekonomskih koristi, povezanih z ultrazvočnim kavitacijnim procesom, je okolju prijaznejši od mehanskega procesa mešanja. Ultrazvočna kavitacija ima za 80% zmanjšanje tokov odpadkov zaradi večje pretvorbe v reaktorju in zmanjšane porabe alkohola v tem procesu. (prim. Gholami et al., 2021)

Uporaba katalizovalca po vaši izbiri

Ultrazvočni proces transesterifikacije biodizla se je izkazal kot učinkovit z uporabo tako alkalnih kot osnovnih katalizantov. Forinstance, Shinde in Kaliaguine (2019) so primerjali učinkovitost ultrazvočnega in mehniičnega mešanja rezil z različnimi katalizanti, in sicer natrijevim hidroksidom (NaOH), kalijevim hidroksidom (KOH), (CH₃ONa), tetrametil amonijev hidroksid in štirje guanidini (propil-2,3-dicikloheksil guanidin (PCHG), 1,3-dicikloheksil 1 2 n-oktil guanidin (DCOG), 1,1,3,3-tetrametil guanidin (TMG), 1,3-difenil guanidin (DPG)). Ultrazvočno mešanje (pri 35º), kot je prikazano vrhunsko za proizvodnjo biodizla odlično mehansko mešanje (pri 65º) po višjih donosih in stopnji pretvorbe. Učinkovitost prenosa mase v ultrazvočnem polju je povečala hitrost transesterifikacijne reakcije v primerjavi z mehanskim mešanje. Sonication je preseči mehansko mešanje za vse preizkušene katalizovalce. Izvajanje reakcije transesterifikacije z ultrazvočno kavitacijo je energetsko učinkovita in industrijsko uspešna alternativa za proizvodnjo biodizla. Poleg široko uporabljenih katalizantov KOH in NaOH sta bila oba katalizanta guanidina, propil-2,3 dicikloheksilguanidin (PCHG) in 1,3-dicikloheksil 2 n-oktilguanidin (DCOG) zanimiva altrnativa za pretvorbo biodiesela.
Mootabadi et al. (2010) je raziskoval ultrazvočno podprto sintezo biodizla iz palmovega olja z uporabo različnih katalizatorjev alkalnega kovinskega oksida, kot so CaO, BaO in SrO. Aktivnost katalizanta pri sintezi biodizla z ultrazvočno pomočjo je bila v primerjavi s tradicionalnim procesom magnetnega mešanja, ugotovili pa so, da je ultrazvočni proces pokazal 95,2 % donosa z uporabo BaO v 60 min reakcijskega časa, ki sicer traja 3–4 h v običajnem postopku mešanja. Za ultrazvočno podprto transesterifikacijo ob optimalnih pogojih je bilo potrebno 60 min za doseganje 95% donosa v primerjavi z 2–4 h s konvencionalnim mešanje. Prav tako so se donosi, doseženi z ultrazvokom v 60 minutah, povečali s 5,5% na 77,3% z uporabo CaO kot katalizovalcev, 48,2% na 95,2% z uporabo SRO kot katalizovalcev, in 67,3% na 95,2, ki uporabljajo BaO kot katalizovalce.

Proizvodnja biodizla z uporabo različnih guanidinov (3% mol) kot katalizanta. (A) Mehanski mešani batchreactor: (olje metanola:canola) 4:1, temperatura 65ºC; (B) Ultrazvočni serski reaktor: ultrasonicator UP200St, (metanol:canola olje) 4:1, 60% AMPLITUDE ZDA, temperatura 35ºC. Ultrazvočno pogon mešanje prehiti mehansko mešanje daleč.
(Študija in grafi: Shinde in Kaliaguine, 2019)

Ultrazvočni reaktorji visoke zmogljivosti za vrhunsko predelavo biodizla

Hielscher Ultrasonics ponuja visoko zmogljive ultrazvočne procesorje in reaktorje za izboljšano proizvodnjo biodizla, kar ima za posledico višje donose, izboljšano kakovost, skrajšan čas obdelave in nižje stroške proizvodnje.

Mala in srednje velika biodizla Reaktorji

Za mala in srednje proizvodnje velikost biodizla do 9ton / h (2900 gal / h), Hielscher vam na voljo UIP500hdT (500 w), UIP1000hdT (1000 w), UIP1500hdT (1500 w)in UIP2000hdT (2000 w) ultrazvočne visoko skice mešalnik modelov. Ti štirje ultrazvočni reaktorji so zelo kompaktni, enostavni za integracijo ali retro-fit. Zgrajeni so za težko delovanje v oteženih okoljih. Spodaj boste našli priporočene reaktorske nabore za vrsto proizvodnih stopenj.

Zelo veliki pretočni industrijski biodizli reaktorji

Za proizvodne obrate industrijska predelava biodizla Hielscher ponuja UIP4000hdT (4 kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) in UIP16000hdT (16kW) ultrazvočni homogenizatorji! Ti ultrazvočni procesorji so namenjeni za neprekinjeno obdelavo visokih pretokov. UIP4000hdT, UIP6000hdT in UIP10000 se lahko vključijo v standardne zabojnike za pomorski tovor. Druga možnost je, da so vsi štirje modeli procesorjev na voljo v omarah iz nerjavečega jekla. Za pokončno namestitev je potreben minimalen prostor. Spodaj najdete priporočene natise za tipične industrijske stopnje predelave.