Proizvodnja biodizla z vrhunsko procesno in stroškovno učinkovitostjo

Ultrazvočno mešanje je vrhunska tehnologija za visoko učinkovito in stroškovno učinkovito proizvodnjo biodizla. Ultrazvočna kavitacija drastično izboljša prenos mase, s čimer se zmanjšajo proizvodni stroški in trajanje obdelave. Hkrati se lahko uporabijo slaba olja in maščobe (npr. odpadna olja) in izboljša kakovost biodizla. Hielscher Ultrasonics dobavlja visoko zmogljive, robustne ultrazvočne mešalne reaktorje za katero koli proizvodno lestvico. Preberite več, kako bo vaša proizvodnja biodizla imela koristi od ultrazvočnega razbijanja!

Prednosti proizvodnje biodizla z uporabo ultrazvoka

Biodizel (metil ester maščobnih kislin, abrev. FAME) je produkt transesterifikacijske reakcije lipidnih surovin (trigliceridi, npr. rastlinsko olje, izrabljena olja za kuhanje, živalske maščobe, olje alg) in alkohola (metanol, etanol) z uporabo katalizatorja (npr. kalijev hidroksid KOH).
Težava: Pri običajni pretvorbi biodizla z običajnim mešanjem nemešana narava obeh reaktantov transesterifikacijske reakcije olja in alkohola vodi do slabe hitrosti prenosa mase, kar ima za posledico neučinkovito proizvodnjo biodizla. Za to neučinkovitost so značilni dolgi reakcijski časi, višja molska razmerja metanol in olja, visoke zahteve po katalizatorju, visoke procesne temperature in visoke hitrosti mešanja. Ti dejavniki so pomembni dejavniki stroškov, zaradi česar je konvencionalna proizvodnja biodizla drag proces.
Rešitev: Ultrazvočno mešanje emulgira reaktante na zelo učinkovit, hiter in poceni način, tako da se lahko izboljša razmerje med oljem in metanolom, zmanjšajo zahteve po katalizatorju, znižajo reakcijski čas in reakcijska temperatura. S tem se prihranijo viri (tj. kemikalije in energija) ter čas, zmanjšajo se stroški predelave, kakovost biodizla in donosnost proizvodnje pa se znatno izboljšata. Ta dejstva spremenijo ultrazvočno mešanje v prednostno tehnologijo za učinkovito proizvodnjo biodizla.
Raziskave in industrijski proizvajalci biodizla potrjujejo, da je ultrazvočno mešanje zelo stroškovno učinkovit način za proizvodnjo biodizla, tudi če se kot surovina uporabljajo olja in maščobe slabe kakovosti. Ultrazvočno intenziviranje procesa znatno izboljša stopnjo pretvorbe, zmanjša uporabo presežnega metanola in katalizatorja, kar omogoča proizvodnjo biodizla, ki ustreza standardom kakovosti specifikacij ASTM D6751 in EN 14212. (prim. Abdullah et al., 2015)

Transesterifikacija trigliceridov v biodizel (FAME) z uporabo ultrazvočne obdelave povzroči pospešeno reakcijo in bistveno večjo učinkovitost.

Številne prednosti ultrazvočnega mešanja v proizvodnji biodizla

Ultrazvočni mešalni reaktorji se lahko enostavno integrirajo v vsako novo napravo in jih naknadno vgradijo v obstoječe obrate za biodizel. Integracija Hielscherjevega ultrazvočnega mešalnika spremeni vsak obrat za biodizel v visoko zmogljiv proizvodni obrat. Enostavna namestitev, robustnost in prijaznost do uporabnika (ni potrebno posebno usposabljanje za delovanje) omogočajo nadgradnjo katerega koli obrata na visoko učinkovito napravo za proizvodnjo biodizla. V nadaljevanju vam predstavljamo znanstveno dokazane rezultate prednosti, ki so jih dokumentirale neodvisne tretje osebe. Številke dokazujejo superiornost ultrazvočnega mešanja biodizla nad katero koli konvencionalno tehniko mešanja.

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

Primerjava učinkovitosti in stroškov: ultrazvok proti mehanskemu mešanju

Gholami et al. (2021) v svoji primerjalni študiji predstavljajo prednosti ultrazvočne transesterifikacije pred mehanskim mešanjem (tj. Mešalnik rezil, rotor, mešalnik z visokim striženjem).
Investicijski stroški: Ultrazvočni procesor in reaktorski UIP16000 lahko proizvedeta 192–384 t biodizela? d z odtisom le 1,2 m x 0,6 m. Za primerjavo, za mehansko mešanje (MS) je potreben veliko večji reaktor zaradi dolgega reakcijskega časa v mehanskem procesu strerrng, kar povzroči, da 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 postopek mešanja, predvsem zaradi nižjih skupnih naložb v postopek ultrazvočnega razbijanja. Stroški kemikalij (katalizator, metanol? alkohol) so tretji največji dejavnik stroškov v obeh procesih, ultrazvočnem in mehanskem mešanju. Vendar pa so za ultrazvočno pretvorbo biodizla stroški kemikalij bistveno nižji kot pri mehanskem mešanju. Stroškovni delež kemikalij predstavlja približno 5 % končnih stroškov biodizla. Zaradi manjše porabe metanola, natrijevega hidroksida in fosforne kisline so stroški kemikalij v ultrazvočnem procesu biodizla za 2,2% nižji od stroškov mehanskega mešanja.
Stroški energije: Energija, ki jo porabi ultrazvočni mešalni reaktor, je približno trikrat nižja od energije, ki jo porabi mehansko mešalo. To znatno zmanjšanje porabe energije je produkt intenzivnega mikromešanja in skrajšanega reakcijskega časa, ki je posledica nastanka in propada neštetih votlin, ki so značilne za pojav akustične? ultrazvočne kavitacije (Gholami et al., 2018). Poleg tega se v primerjavi s konvencionalnim mešalnikom poraba energije za predelavo metanola in faze čiščenja biodizla med postopkom ultrazvočnega mešanja zmanjša za 26,5% oziroma 1,3%. Ta upad je posledica manjših količin metanola, ki vstopajo v ti dve destilacijski koloni v procesu ultrazvočne transesterifikacije.
Stroški odstranjevanja odpadkov: Tehnologija ultrazvočne kavitacije prav tako izjemno zmanjša stroške odstranjevanja odpadkov. Ta strošek v postopku ultrazvočnega razbijanja je približno petina stroškov v postopku mešanja, kar je posledica znatnega zmanjšanja proizvodnje odpadkov zaradi večje pretvorbe reaktorja in manjših količin porabljenega alkohola.
Preberite več o ultrazvočni pretvorbi olj iz izrabljene kavne usedline!
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 kot običajni postopki proizvodnje biodizla.

Sklep – Ultrazvok izboljšuje 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 izdelka, neto sedanjo vrednost in notranjo stopnjo donosa. Ugotovljeno je bilo, da je znesek skupne naložbe v proces ultrazvočne kavitacije nižji od drugega za približno 20, 8%. Uporaba ultrazvočnih reaktorjev je zmanjšala stroške izdelka za 5, 2% – z uporabo deviškega olja repice. Ker ultrazvočno razbijanje omogoča predelavo tudi izrabljenih olj (npr. rabljenih olj za kuhanje), se lahko proizvodni stroški še znatno zmanjšajo. Gholami et al. (2021) so prišli do zaključka, da je zaradi pozitivne neto sedanje vrednosti postopek ultrazvočne kavitacije boljša izbira tehnologije mešanja za proizvodnjo biodizla.
S tehničnega vidika najpomembnejši učinki ultrazvočne kavitacije zajemajo znatno učinkovitost procesa in zmanjšanje reakcijskega časa. Nastajanje in propad številnih vakuumskih mehurčkov – znana kot akustična? ultrazvočna kavitacija – Skrajšajte reakcijski čas z nekaj ur v reaktorju z mešanim rezervoarjem na nekaj sekund v ultrazvočnem kavitacijskem reaktorju. Ta kratek čas zadrževanja omogoča proizvodnjo biodizla v pretočnem reaktorju z majhnim odtisom. Ultrazvočni kavitacijski reaktor kaže tudi ugodne učinke na energetske in materialne potrebe, saj zmanjšuje porabo energije na skoraj tretjino porabe reaktorja z mešanim rezervoarjem ter porabo metanola in katalizatorja za 25%.
From the economic perspective, the ultrasonic cavitation process’s total investment is lower than that of the mechanical stirring process, mainly due to nearly 50% and 11.6% reduction in the reactor cost and the methanol distillation column cost, respectively. The ultrasonic cavitation process also reduces biodiesel production cost due to a 4% reduction in canola oil consumption, lower total investment, 2.2% lower chemicals consumption, and 23.8% lower utility requirements. Unlike the mechanically stirred process, the ultrasonic processing is an acceptable investment due to its positive net present value, shorter payback time, and a higher internal rate of return. In addition to the techno-economic benefits associated with the ultrasonic cavitation process, it is more environmentally-friendly than the mechanical stirring process. Ultrasonic cavitation results in an 80% reduction in waste streams due to the higher conversion in the reactor and reduced alcohol consumption in this process. (cf. Gholami et al., 2021)

Uporabite katalizator po vaši izbiri

Ultrazvočni proces transesterifikacije biodizla se je izkazal za učinkovitega z uporabo alkalnih ali osnovnih katalizatorjev. Na primer, Shinde in Kaliaguine (2019) sta primerjala učinkovitost ultrazvočnega in mehaničnega mešanja rezil z uporabo različnih katalizatorjev, in sicer natrijevega hidroksida (NaOH), kalijevega hidroksida (KOH), (CH)₃ONa), tetrametil amonijev hidroksid in štirje gvanidini (propil-2,3-dicikloheksil gvanidin (PCHG), 1,3-dicikloheksil 2 n-oktil gvanidin (DCOG), 1,1,3,3-tetrametil gvanidin (TMG), 1,3-difenil gvanidin (DPG)). Ultrazvočno mešanje (pri 35 °), kot je prikazano, je boljše za proizvodnjo biodizla, ki se odlikuje mehansko mešanje (pri 65 °) z višjimi donosi in stopnjo pretvorbe. Učinkovitost prenosa mase v ultrazvočnem polju je povečala hitrost transesterifikacijske reakcije v primerjavi z mehanskim mešanjem. Sonication je presegel mehansko mešanje za vse preizkušene katalizatorje. Izvajanje transesterifikacijske reakcije z ultrazvočno kavitacijo je energetsko učinkovita in industrijsko izvedljiva alternativa za proizvodnjo biodizla. Poleg široko uporabljenih katalizatorjev KOH in NaOH sta se oba katalizatorja gvanidina, propil-2,3 dicikloheksilgvanidin (PCHG) in 1,3-dicikloheksil 2 n-oktilgvanidin (DCOG), pokazala kot zanimiva altrnative za pretvorbo biodizla.
(2010) so raziskovali ultrazvočno podprto sintezo biodizla iz palmovega olja z uporabo različnih katalizatorjev alkalnih kovinskih oksidov, kot so CaO, BaO in SrO. Aktivnost katalizatorja v ultrazvočni sintezi biodizla so primerjali s tradicionalnim postopkom magnetnega mešanja in ugotovljeno je bilo, da je ultrazvočni postopek pokazal 95,2% donosa z uporabo BaO v 60-minutnem reakcijskem času, ki sicer traja 3–4 ure v običajnem procesu mešanja. Za ultrazvočno podprto transesterifikacijo v optimalnih pogojih je bilo potrebnih 60 minut, da se doseže 95-odstotni donos v primerjavi z 2-4 urami pri običajnem mešanju. Tudi donos, dosežen z ultrazvokom v 60 minutah, se je povečal s 5,5% na 77,3% z uporabo CaO kot katalizatorjev, 48,2% na 95,2% z uporabo SrO kot katalizatorjev in 67,3% na 95,2% z uporabo BaO kot katalizatorjev.

Proizvodnja biodizla z uporabo različnih gvanidinov (3% mol) kot katalizatorja. (A) Šaržni reaktor z mehanskim mešanjem: (metanol: oljne ogrščice) 4:1, temperatura 65 °C; (B) Ultrazvočni šaržni reaktor: ultrazvočni aparat UP200St, (metanol: oljna repica) 4: 1, 60% ameriška amplituda, temperatura 35 ° C. Mešanje na ultrazvočni pogon daleč presega mehansko mešanje.(Študija in grafi: Shinde in Kaliaguine, 2019)

Visoko zmogljivi ultrazvočni reaktorji 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, krajši čas obdelave in nižje proizvodne stroške.

Reaktorji za biodizel v majhnem in srednjem obsegu

Za proizvodnjo biodizla majhnih in srednje velikih do 9 ton/uro (2900 gal/h) vam Hielscher ponuja UIP500hdT (500 vatov), UIP1000hdT (1000 vatov), UIP1500hdT (1500 vatov)in UIP2000hdT (2000 vatov) Ultrazvočni modeli mešalnikov z visokim striženjem. Ti štirje ultrazvočni reaktorji so zelo kompaktni, enostavni za integracijo ali naknadno namestitev. Izdelani so za težke obremenitve v težkih okoljih. Spodaj boste našli priporočene nastavitve reaktorjev za različne proizvodne hitrosti.

Industrijski reaktorji za biodizel z zelo veliko zmogljivostjo

Za obrate za industrijsko predelavo biodizla Hielscher ponuja UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) in UIP16000hdT (16kW) Ultrazvočni homogenizatorji! Ti ultrazvočni procesorji so zasnovani za neprekinjeno obdelavo visokih pretokov. UIP4000hdT, UIP6000hdT in UIP10000 se lahko integrirajo v standardne zabojnike za pomorski tovor. Druga možnost je, da so vsi štirje modeli procesorjev na voljo v omarah iz nerjavečega jekla. Pokončna namestitev zahteva minimalen prostor. Spodaj najdete priporočene nastavitve za tipične hitrosti industrijske obdelave.