Енергетска ефикасност и уштеда метанола у производњи биодизела

Соникација је технологија мешања која штеди енергију и користи ултразвучну кавитацију за стварање интензивног микромешања и брзог преноса масе између међусобно немешљивих фаза уља и метанола. У производњи биодизела овај ефекат драстично скраћује време реакције – са сати на секунде – и омогућава ефикасну трансестерификацију на нижим температурама и уз смањену употребу метанола и катализатора. Осим што је сама по себи енергетски ефикасна технологија обраде, соникација смањује потребе за метанолом и катализатором, своди губитке енергије на минимум и смањује потребу за издвајањем метанола дестилацијом ради поновне употребе, што је чини веома ефикасном и одрживом алтернативом конвенционалном механичком мешању.

Соникација као начин интензификације процеса у производњи биодизела

Производња биодизела традиционално се ослања на механичке лопатичне мешалице за мешање уља и алкохола у процесу трансестерификације. Међутим, овај поступак карактерише слаб контакт на граници међусобно немешљивих фаза, што доводи до дугог времена реакције, великог вишка метанола и значајних губитака енергије како при мешању тако и при накнадном издвајању метанола дестилацијом ради поновне употребе.
Увођење технологије ултразвучне кавитације, коју је развила компанија Hielscher Ultrasonics GmbH, суштински је побољшало ефикасност процеса. Ултразвучни реактори примењују интензивну акустичку енергију која ствара микроскопске кавитационе мехуриће у течној фази. Њихова имплозија ствара локализоване зоне високе температуре, интензивно микромешање и велике брзине преноса масе, омогућавајући брзу трансестерификацију у благим условима.

Поређење ултразвучне кавитације и механичког мешања

1. Ефикасност реакције и учинак мешања

У упоредној техноекономској процени реактора са ултразвучном кавитацијом (UC) и реактора са механичким мешањем (MS) (Gholami et al., 2021):
Ултразвучни реактор је постигао ефикасност конверзије од 99% за 5–15 секунди,
док је реактору са механичким мешањем било потребно ~80 минута да достигне ефикасност конверзије од 95%.
Ово огромно убрзање потиче од акустичког микрострујања и емулговања изазваног кавитацијом које стварају реактори Hielscher. Ови механизми стварају фине дисперзије алкохола у уљу, знатно повећавајући међуфазну површину и сводећи отпор преносу масе на минимум.
Супериоран учинак мешања омогућава трансестерификацију на нижим температурама (45–60°C) и при умереним притисцима (~3 bar), у поређењу са конвенционалним процесима који често захтевају повишене притиске (~4 bar) ради спречавања испаравања метанола и одржавања растворљивости.

Ултразвучно мешање смањује специфичну потрошњу енергије у производњи биодизела и далеко надмашује хидродинамичко магнетно мешање и мешалице са високим смицањем.

2. Потрошња енергије и конструкција реактора

Проточни ултразвучни системи Hielscher (нпр. UIP1500hdT, UIP16000hdT) обезбеђују високу густину снаге уз специфичну потрошњу енергије од само ~3 kJ/L произведеног биодизела. У техноекономском моделу постројења за производњу биодизела капацитета 50.000 t/y, укупна потрошња енергије процеса смањена је за 6,9% преласком са механичког мешања на ултразвучну кавитацију.

Преглед по појединачним ставкама:

Највећа уштеда потиче од драстично скраћеног времена трансестерификације, што омогућава мање запремине реактора и мање потребе за загревањем. Компактна проточна конструкција реактора Hielscher, као што је UIP16000hdT, омогућава производњу до 384 t биодизела дневно и повећање капацитета повезивањем модуларних јединица, без неефикасног искоришћења запремине карактеристичног за велике резервоаре са мешалицама.

Уштеда метанола и смањена потрошња енергије за његово издвајање ради поновне употребе

Оптимизовано коришћење метанола кључно доприноси енергетској предности ултразвучне обраде.
 Традиционално механичко мешање захтева моларни однос метанола према уљу од 6:1 да би се реакција одвијала унапред, при чему настаје велики вишак који се касније мора издвојити ради поновне употребе енергетски интензивним испаравањем или дестилацијом.
Међутим, Hielscher технологија ултразвучне кавитације постиже готово потпуну конверзију при односу метанола према уљу од само 4–4,5:1. Ово смањење количине алкохола као улазне сировине за 25% не само да смањује трошкове сировина већ и отклања потребу за испаравањем и кондензовањем хиљада литара метанола, чиме се знатно смањује потрошња паре у колони за издвајање метанола ради поновне употребе.
Поред тога, мање потребне количине метанола и катализатора своде стварање нуспроизвода на минимум и поједностављују накнадно пречишћавање, доприносећи чистијем раздвајању фаза и смањеном настајању алкалних отпадних вода.

 
Сазнајте зашто ултразвучна производња биодизела функционише и са јефтиним сировинама као што су отпадна јестива уља и свињска маст за производњу биодизела!
 

Ултразвучна метода постиже приближно 75% конверзије у првих 1,5 минута и достиже плато на око 90% конверзије након 6 минута.
Конвенционална метода показује знатно мању брзину конверзије, достижући само око 40% конверзије након 8 минута.

Економске и еколошке последице

Техноекономски модел из рада Gholami et al. (2021) показао је:

• Укупни инвестициони трошкови смањени су за приближно 21%,
• Трошкови производа по тони смањени су за приближно 5%,
• Количина насталог отпада смањена је на петину количине која настаје при механичком мешању,
• Интерна стопа приноса (IRR) повећана је на 18,3% уз позитивну нето садашњу вредност (NPV), док је конвенционални процес остао неисплатив.

Са еколошког становишта, смањење вишка метанола директно смањује емисије испарљивих органских једињења и потрошњу топлотне енергије, усклађујући ултразвучну производњу биодизела са циљевима зелене производње.

Преглед предности ултразвучног реактора за биодизел

(резултати упоредне студије, уп. Gholami et al., 2021)

Високоефикасни ултразвучни реактори за биодизел

Ултразвучни реактори за биодизел које је пројектовала компанија Hielscher Ultrasonics омогућавају не само брзу и равномерну трансестерификацију већ и значајне уштеде енергије и материјала. Смањење употребе вишка метанола – и одговарајуће елиминисање високотемпературних корака његовог издвајања ради поновне употребе – представља значајну предност у погледу одрживости.
У комбинацији са могућношћу модуларног повећања капацитета, малим захтевима за одржавање и компатибилношћу са хетерогеним катализаторима, Hielscher соникатори постављају мерило за енергетски ефикасну и чисту технологију производње биодизела.
 
Прочитајте више о предностима технологије компаније Hielscher Ultrasonics за производњу биодизела!
 

Табела у наставку даје преглед приближног капацитета обраде Hielscher ултразвучних реактора за биодизел:

Пројектовање, производња и саветовање – квалитет произведен у Немачкој

Hielscher ултразвучни процесори су познати по највишим стандардима квалитета и пројектовања. Робусност и једноставно руковање омогућавају несметану интеграцију наших ултразвучних процесора у индустријска постројења. Hielscher ултразвучни процесори лако раде у тешким условима и захтевним окружењима.

Hielscher Ultrasonics је компанија са ISO сертификатом и посебан нагласак ставља на ултразвучне процесоре високих перформанси који се одликују најсавременијом технологијом и једноставним коришћењем. Наравно, Hielscher ултразвучни процесори су усаглашени са CE захтевима и испуњавају захтеве UL, CSA и RoHs.

Литература / Референце

• 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.