Производња биодизела уз врхунску процесну и трошковну ефикасност

Ултразвучно мешање је супериорна технологија за високо ефикасну и економичну производњу биодизела. Ултразвучна кавитација драстично побољшава пренос масе, чиме смањује трошкове производње и трајање обраде. Истовремено се могу користити уља и масти лошег квалитета (нпр. отпадна уља), а квалитет биодизела се побољшава. Hielscher Ultrasonics испоручује робусне ултразвучне реакторе високих перформанси за мешање у свим обимима производње. Прочитајте више о томе како ће ваша производња биодизела имати користи од соникације!

Предности употребе ултразвука у производњи биодизела

Биодизел (метил естар масних киселина, скраћено FAME) је производ реакције трансестерификације липидне сировине (триглицерида, нпр. биљног уља, искоришћених уља за кување, животињских масти, уља алги) и алкохола (метанола, етанола) уз употребу катализатора (нпр. калијум-хидроксида KOH).
Проблем: При конвенционалној конверзији у биодизел уз конвенционално мешање, међусобна немешљивост оба реактанта у реакцији трансестерификације уља и алкохола доводи до мале брзине преноса масе, што резултира неефикасном производњом биодизела. Ову неефикасност карактеришу дуга времена реакције, већи моларни односи метанола према уљу, велике потребне количине катализатора, високе процесне температуре и велике брзине мешања. Ови фактори значајно повећавају трошкове, чинећи конвенционалну производњу биодизела скупим процесом.
Решење: Ултразвучно мешање емулгује реактанте на високо ефикасан, брз и јефтин начин, тако да се однос уља и метанола може побољшати, потребне количине катализатора смањују, време реакције скраћује, а температура реакције снижава. Тиме се штеде ресурси (тј. хемикалије и енергија), као и време, смањују се трошкови обраде, док се квалитет биодизела и профитабилност производње значајно побољшавају. Ове чињенице чине ултразвучно мешање преферираном технологијом за ефикасну производњу биодизела.
Истраживања и индустријски произвођачи биодизела потврђују да је ултразвучно мешање веома економичан начин производње биодизела, чак и када се као сировина користе уља и масти лошег квалитета. Интензификација процеса ултразвуком знатно повећава степен конверзије, смањујући употребу вишка метанола и катализатора, што омогућава производњу биодизела који испуњава захтеве квалитета спецификација ASTM D6751 и EN 14212. (уп. Abdullah и сар., 2015)

Трансестерификација триглицерида у биодизел (FAME) применом соникације доводи до убрзања реакције и значајно веће ефикасности.

Бројне предности ултразвучног мешања у производњи биодизела

Ултразвучни реактори за мешање могу се лако интегрисати у сваку нову инсталацију, као и накнадно уградити у постојећа постројења за биодизел. Интеграција ултразвучне мешалице Hielscher претвара свако постројење за биодизел у производно постројење високих перформанси. Једноставна уградња, робусност и лакоћа употребе (није потребна посебна обука за руковање) омогућавају надоградњу сваког постројења у високо ефикасно постројење за биодизел. У наставку представљамо научно доказане резултате о предностима које су документовале независне треће стране. Бројчани подаци доказују супериорност ултразвучног мешања у производњи биодизела у односу на било коју конвенционалну технику мешања.

Дијаграм тока приказује кораке производње биодизела, укључујући ултразвучно мешање ради побољшања ефикасности процеса.

Поређење ефикасности и трошкова: ултразвук у односу на механичко мешање

Gholami и сар. (2021) у својој упоредној студији представљају предности ултразвучне трансестерификације у односу на механичко мешање (тј. мешалицу са лопатицама, импелер, мешалицу са високим смицањем).

Ниски инвестициони трошкови:
Ултразвучни процесор и реактор UIP16000 може да произведе 192–384 t биодизела дневно, уз простор за постављање од само 1,2m x 0,6m. Поређења ради, за механичко мешање (MS) потребан је знатно већи реактор због дугог времена реакције у процесу механичког мешања, што доводи до значајног повећања трошкова реактора. (уп. Gholami et al., 2020)
Ниски трошкови обраде:
Трошкови обраде у ултразвучној производњи биодизела су за 7,7% нижи од трошкова процеса мешања, углавном због мањих укупних улагања у процес соникације. Трошкови хемикалија (катализатора, метанола/алкохола) представљају трећу највећу ставку трошкова у оба процеса, соникацији и механичком мешању. Међутим, трошкови хемикалија за ултразвучну конверзију у биодизел знатно су нижи него за механичко мешање. Удео трошкова хемикалија у коначним трошковима биодизела износи приближно 5%. Због мање потрошње метанола, натријум-хидроксида и фосфорне киселине, трошкови хемикалија у ултразвучном процесу производње биодизела су за 2,2% нижи него у процесу механичког мешања.

Смањени трошкови енергије:
Енергија коју троши реактор за ултразвучно мешање приближно је три пута мања од енергије коју троши механичка мешалица. Ово значајно смањење потрошње енергије резултат је интензивног микромешања и скраћеног времена реакције, који настају услед стварања и колапса безбројних шупљина, карактеристичних за појаву акустичне / ултразвучне кавитације (Gholami et al., 2018). Поред тога, у поређењу са конвенционалном мешалицом, потрошња енергије у фазама регенерације метанола и пречишћавања биодизела током процеса ултразвучног мешања смањена је за 26,5% и 1,3%, редом. Ово смањење последица је мањих количина метанола које улазе у ове две дестилационе колоне у процесу ултразвучне трансестерификације.

Знатно смањени трошкови одлагања отпада:
Технологија ултразвучне кавитације такође знатно смањује трошкове одлагања отпада. Ови трошкови у процесу соникације износе приближно једну петину трошкова у процесу мешања, што је резултат значајног смањења настајања отпада услед већег степена конверзије у реактору и мањих количина утрошеног алкохола.
Прочитајте више о ултразвучној конверзији уља из талога искоришћене кафе у биодизел!

Побољшана еколошка прихватљивост:
Због веома високе укупне ефикасности, смањене потрошње хемикалија, мањих енергетских потреба и смањене количине отпада, ултразвучна производња биодизела знатно је еколошки прихватљивија од конвенционалних процеса производње биодизела.

Закључак – Ултразвук побољшава ефикасност производње биодизела

Научна процена показује јасне предности ултразвучног мешања у односу на конвенционално механичко мешање у производњи биодизела. Предности ултразвучне производње биодизела обухватају укупна капитална улагања, укупне трошкове производа, нето садашњу вредност и интерну стопу приноса. Утврђено је да су укупна улагања у процес ултразвучне кавитације приближно 20,8% нижа него у други процес. Употребом ултразвучних реактора трошкови производа смањени су за 5,2% – при употреби некоришћеног уља каноле. Пошто соникација омогућава прераду и употребљених уља (нпр. коришћених јестивих уља), трошкови производње могу се додатно знатно смањити. Gholami et al. (2021) закључују да је, због позитивне нето садашње вредности, процес ултразвучне кавитације бољи избор технологије мешања за производњу биодизела.
Са техничког становишта, најважнији ефекти ултразвучне кавитације обухватају значајну ефикасност процеса и скраћење времена реакције. Стварање и колапс бројних вакуумских мехурића – познати као акустична / ултразвучна кавитација – скраћују време реакције са неколико сати у реактору са мешалицом на неколико секунди у реактору са ултразвучном кавитацијом. Ово кратко време задржавања омогућава производњу биодизела у проточном реактору који заузима малу површину. Реактор са ултразвучном кавитацијом такође повољно утиче на потребе за енергијом и материјалима, смањујући потрошњу енергије на готово једну трећину потрошње реактора са мешалицом, а потрошњу метанола и катализатора за 25%.
Са економског становишта, укупна улагања у процес ултразвучне кавитације нижа су него у процес механичког мешања, углавном због смањења трошкова реактора за готово 50% и трошкова колоне за дестилацију метанола за 11,6%. Процес ултразвучне кавитације такође смањује трошкове производње биодизела захваљујући смањењу потрошње уља каноле за 4%, нижим укупним улагањима, 2,2% нижој потрошњи хемикалија и 23,8% мањим потребама за помоћним ресурсима. За разлику од процеса механичког мешања, ултразвучна обрада представља прихватљиво улагање због позитивне нето садашње вредности, краћег периода повраћаја улагања и више интерне стопе приноса. Поред техничко-економских предности повезаних са процесом ултразвучне кавитације, овај процес је еколошки прихватљивији од процеса механичког мешања. Ултразвучна кавитација доводи до смањења токова отпада за 80% захваљујући већој конверзији у реактору и смањеној потрошњи алкохола у овом процесу. (уп. Gholami et al., 2021)

Претворите сировине ниског квалитета у беспрекоран биодизел!

Соникација омогућава ефикаснију прераду сировина лошег квалитета, као што су отпадна биљна уља, употребљене масти за пржење, лој или рибља уља, јер ултразвучна кавитација обезбеђује знатно бољи контакт између немешљивих фаза уља и алкохола, чиме се у великој мери побољшавају мешање и пренос топлоте и масе. Она такође убрзава кинетику реакције, па се чак и сировине које су тешке за прераду и променљивог састава могу конвертовати брже и потпуније.
Акустична кавитација интензивира услове у реакционој средини и може подстаћи стварање високо реактивних радикала, што додатно подржава брзу трансестерификацију и помаже у превазилажењу уобичајених недостатака при преради сировина ниског квалитета.
Прочитајте како соникација претвара отпадна уља и масти у биодизел!

Користите катализатор по свом избору

Доказано је да је процес ултразвучне трансестерификације у производњи биодизела ефикасан уз употребу како алкалних тако и базних катализатора. На пример, Shinde и Kaliaguine (2019) упоредили су ефикасност ултразвучног мешања и механичког мешања лопатицама уз употребу различитих катализатора, и то натријум-хидроксида (NaOH), калијум-хидроксида (KOH), (CH₃ONa), тетраметиламонијум-хидроксид и четири гванидина (пропил-2,3-дициклохексилгванидин (PCHG), 1,3-дициклохексил-2-n-октилгванидин (DCOG), 1,1,3,3-тетраметилгванидин (TMG), 1,3-дифенилгванидин (DPG)). Ултразвучно мешање (при 35º) показало се као супериорно у производњи биодизела, надмашујући механичко мешање (при 65º) вишим приносима и већим степеном конверзије. Ефикасност преноса масе у ултразвучном пољу повећала је брзину реакције трансестерификације у поређењу са механичким мешањем. Соникација је надмашила механичко мешање код свих испитаних катализатора. Извођење реакције трансестерификације уз ултразвучну кавитацију представља енергетски ефикасну и индустријски изводљиву алтернативу за производњу биодизела. Поред широко коришћених катализатора KOH и NaOH, оба гванидинска катализатора, пропил-2,3-дициклохексилгванидин (PCHG) и 1,3-дициклохексил-2-n-октилгванидин (DCOG), показала су се као занимљиве алтернативе за конверзију у биодизел.
Mootabadi и сар. (2010) истраживали су синтезу биодизела из палминог уља уз помоћ ултразвука, користећи различите катализаторе на бази алкалних металних оксида, као што су CaO, BaO и SrO. Активност катализатора у синтези биодизела уз помоћ ултразвука упоређена је са традиционалним поступком магнетног мешања и утврђено је да је ултразвучни поступак уз коришћење BaO дао принос од 95,2% за време реакције од 60 min, за шта је иначе потребно 3–4 h у конвенционалном поступку мешања. За трансестерификацију уз помоћ ултразвука при оптималним условима било је потребно 60 min да се постигне принос од 95%, у поређењу са 2–4 h при конвенционалном мешању. Такође, приноси постигнути ултразвуком за 60 min повећали су се са 5,5% на 77,3% уз CaO као катализатор, са 48,2% на 95,2% уз SrO као катализатор и са 67,3% на 95,2 уз BaO као катализатор.

Производња биодизела коришћењем различитих гванидина (3% mol) као катализатора. (A) Шаржни реактор са механичким мешањем: (метанол:уље каноле) 4:1, температура 65ºC; (B) Ултразвучни шаржни реактор: ултразвучни процесор UP200St, (метанол:уље каноле) 4:1, 60% ултразвучне амплитуде, температура 35ºC. Мешање помоћу ултразвука далеко надмашује механичко мешање.
(Студија и графикони: Shinde и Kaliaguine, 2019)

Ултразвучни реактори високих перформанси за супериорну прераду биодизела

Hielscher Ultrasonics нуди ултразвучне процесоре и реакторе високих перформанси за унапређење производње биодизела, што доводи до виших приноса, побољшаног квалитета, краћег времена обраде и нижих трошкова производње.

Реактори за производњу биодизела у малом и средњем обиму

За производњу биодизела у малом и средњем обиму, до 9ton/hr (2900 gal/hr), Hielscher вам нуди моделе UIP500hdT (500 вати), UIP1000hdT (1000 вати), UIP1500hdT (1500 вати) и UIP2000hdT (2000 вати) ултразвучних мешалица са високим смицањем. Ова четири ултразвучна реактора су веома компактна и лако се интегришу или накнадно уграђују. Направљени су за интензиван рад у тешким условима. У наставку ћете пронаћи препоручене конфигурације реактора за различите производне капацитете.

Индустријски реактори за биодизел са веома великим производним капацитетом

За индустријска постројења за производњу биодизела Hielscher нуди UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) и UIP16000hdT (16kW) ултразвучне хомогенизаторе! Ови ултразвучни процесори пројектовани су за континуирану обраду при великим протоцима. UIP4000hdT, UIP6000hdT и UIP10000 могу се уградити у стандардне контејнере за поморски транспорт. Алтернативно, сва четири модела процесора доступна су у орманима од нерђајућег челика. Усправна инсталација захтева минималан простор. У наставку су дате препоручене конфигурације за типичне капацитете индустријске обраде.