Biodieselproduktion och omvandling till biodiesel
Övervinn begränsningarna i biodieselproduktionen med ultraljudsreaktorer! Långsam reaktionskinetik och dålig massöverföring kan avsevärt minska biodieselanläggningens kapacitet, utbyte och kvalitet. Hielschers ultraljudsreaktorer hanterar dessa utmaningar genom att väsentligt förbättra transesterifieringskinetiken. Därmed kräver biodieselprocessen mindre metanolöverskott och mindre mängder katalysator.
Ultraljudskavitation: En överlägsen blandningslösning
Traditionell biodieselproduktion använder vanligtvis satsreaktorer där energi tillförs genom värme och mekanisk blandning. Ultraljudskavitation erbjuder ett effektivt alternativ som ger bättre blandning vid kommersiell biodieselproduktion. Denna ultraljudskavitation tillför den aktiveringsenergi som krävs för industriell transesterifiering till biodiesel.
Viktiga fördelar med ultraljudsassisterad transesterifiering till biodiesel:
- Högre omsättningsgrader
- Kortare reaktionstider
- Förbättrad produktkvalitet
- Möjlighet att omvandla spilloljor till FAME (fettsyrametylestrar)
Ultraljudsblandning förbättrar omsättningsgraden vid biodieselproduktion, ökar utbytet och minskar behovet av metanolöverskott och katalysator.
Ultraljudsförbättrad transesterifiering till biodiesel
Biodieselproduktion innefattar vanligtvis en kemisk reaktion som kallas transesterifiering, där en triglycerid (såsom vegetabilisk olja, animaliskt fett eller använda matoljor) reagerar med en alkohol (såsom metanol) i närvaro av en katalysator för att bilda biodiesel (fettsyrametylestrar) och glycerol. Ultraljudsreaktorer kan användas för att förbättra transesterifieringsprocessen på flera sätt, vilket ger flera fördelar:
- Förbättrad blandning: Ultraljudsvågor kan skapa kavitationsbubblor som kollapsar våldsamt och orsakar intensiv blandning och omrörning av reaktionsblandningen. Detta ger bättre kontakt mellan reaktanterna och katalysatorn, vilket leder till snabbare och mer fullständig transesterifiering.
- Accelererad reaktionskinetik: De energirika förhållanden som ultraljudsvågor skapar kan aktivera reaktionen, öka reaktionshastigheten och förkorta den reaktionstid som krävs för att nå en viss omsättningsgrad. Detta kan ge högre utbyten och lägre kostnader.
- Minskad katalysatoranvändning: Ultraljudsreaktorer kan effektivisera katalysatoranvändningen genom att tillhandahålla fler aktiva ställen för reaktionen. Detta innebär att mindre katalysator krävs för att uppnå samma omsättningsgrad, vilket minskar kostnaderna och miljöpåverkan.
- Förbättrad produktkvalitet: Ultraljudsreaktorer kan producera biodiesel med lägre halt av fria fettsyror, högre renhet och bättre flytegenskaper vid låga temperaturer. Detta beror på den förbättrade blandningen och den snabbare reaktionskinetiken, som minimerar bildningen av oönskade biprodukter och föroreningar.
Dessa fördelar med ultraljudsassisterad biodieselproduktion gör användningen av ett system med ultraljudsreaktor mycket ekonomiskt fördelaktig, eftersom ultraljudsreaktorer avsevärt förbättrar effektiviteten, hastigheten och kvaliteten vid transesterifiering till biodiesel. Sammantaget innebär detta att ultraljudsbehandling gör transesterifieringen till en mer ekonomiskt och miljömässigt hållbar process.
Problem med konventionell biodieselblandning: Den konventionella esterifieringsreaktionen vid satsvis bearbetning tenderar att vara långsam, och fasseparationen av glycerinet är tidskrävande och tar ofta 5 timmar eller mer.
Ultraljudsreaktorer hjälper dig att påskynda din biodieselprocess och samtidigt öka utbytet och kvaliteten på din biodiesel till lägre bearbetningskostnader!
Ultraljudsapparaten UIP2000hdT för industriellt bruk med flödescell FC2T500k för esterifiering och transesterifiering till biodiesel i en inlineprocess.
Fördelarna med ultraljudsassisterad transesterifiering till biodiesel
- Högre biodieselutbyten tack vare förbättrad blandning
- Högre biodieselkvalitet
- Använd även olja av allra lägsta kvalitet som råvara
- Kontinuerlig inlinebearbetning
- Mindre metanol
- Mindre katalysator
- Tidsbesparing tack vare snabb omvandling
- Energibesparing
- Enkel och säker drift
- Robusthet och lågt underhållsbehov
- Hög prestanda: drift dygnet runt, alla dagar i veckan, under full belastning
Ultraljudsreaktorn UIP16000hdT producerar cirka 32MMGY
”Vi har varit mycket nöjda med Hielschers utrustning och service och har för avsikt att använda Hielschers ultraljudsteknik i alla våra framtida satsningar.”
Todd Stephens, Tulsa Biofuels
Ultraljud för biodieselproduktion
Biodiesel produceras ofta i satsreaktorer. Omvandling till biodiesel med ultraljud möjliggör kontinuerlig inlinebearbetning. Ultraljudsbehandling kan ge ett biodieselutbyte på över 99%. Ultraljudsreaktorer minskar bearbetningstiden från konventionell satsbearbetning på 1 till 4 timmar till mindre än 30 sekunder. Ännu viktigare är att ultraljudsbehandling minskar separationstiden från 5 till 10 timmar (med konventionell omrörning) till mindre än 60 minuter. Ultraljudsbehandlingen bidrar också till att minska den erforderliga mängden katalysator med upp till 50% tack vare den ökade kemiska aktiviteten vid kavitation. Vid ultraljudsbehandling minskar även behovet av metanolöverskott. En annan fördel är den ökade renheten hos det resulterande glycerinet.
Biodieselproduktion med ultraljud steg för steg:
- vegetabilisk olja eller animaliskt fett blandas med metanol (som ger metylestrar) eller etanol (för etylestrar) och natrium- eller kaliummetoxid eller natrium- eller kaliumhydroxid
- blandningen värms upp, t.ex. till temperaturer mellan 45 och 65degC
- den uppvärmda blandningen ultraljudsbehandlas inline i 5 till 15 sekunder
- glycerin avskiljs eller separeras med centrifuger
- den bildade biodieseln tvättas med vatten
Vanligtvis utförs ultraljudsbehandlingen vid förhöjt tryck (1 till 3bar, övertryck) med hjälp av en matarpump och en justerbar mottrycksventil intill flödescellen.
Industriell omvandling till biodiesel kräver inte mycket ultraljudsenergi. Det faktiska energibehovet kan bestämmas i bänkskala med t.ex. en ultraljudsprocessor på 1kW såsom UIP1000hdT. Alla resultat från sådana försök i bänkskala kan skalas upp linjärt och utan problem. Vid behov finns ATEX-certifierade ultraljudsenheter tillgängliga, såsom UIP1000-Exd.
Hielscher levererar industriell ultraljudsutrustning för biodieselproduktion över hela världen. Med ultraljudsprocessorer med en effekt på upp till 16kW per enskild enhet finns ingen gräns för biodieselanläggningens storlek eller bearbetningskapacitet.
Kostnader för biodieseltillverkning med ultraljud
Ultraljudsbehandling är ett effektivt sätt att öka reaktionshastigheten och omvandlingsgraden vid kommersiell biodieselproduktion. Kostnaderna för ultraljudsbehandling utgörs främst av investeringen i ultraljudsutrustning, kostnader för energi och andra försörjningsmedier samt underhåll. Den enastående energieffektiviteten hos Hielschers ultraljudsenheter bidrar till att minska kostnaderna för energi och andra försörjningsmedier och därigenom göra processen ännu miljövänligare. De resulterande kostnaderna för ultraljudsbehandlingen varierar mellan 0,1ct och 1,0ct per liter (0,4ct till 1,9ct/gallon) vid användning i kommersiell skala.
Läs mer om processeffektiviteten och de ekonomiska fördelarna med biodieselproduktion med ultraljud!
Ultraljudsblandning minskar den specifika energiförbrukningen vid biodieseltillverkning och överträffar med stor marginal hydrodynamisk magnetisk blandning och högskjuvningsblandare.
Småskalig ultraljudsanläggning för biodiesel
Ultraljudsbehandling kan användas för att omvandla olja till biodiesel i alla skalor. Bilden nedan visar en småskalig anläggning för bearbetning av 60–70L (16 till 19 gallon). Detta är en typisk anläggning för inledande studier och processdemonstration.
Förestring och transesterifiering med ultraljud kan utföras som satsprocess eller kontinuerlig inlineprocess. Detta diagram visar satsprocessen med ultraljud för omvandling till biodiesel.
3x 1kW ultraljudsenheter av modellen 1000hdT med ultraljudsgenomflödesreaktor för högeffektiv omvandling till biodiesel.
- en ultraljudsenhet (t.ex. UIP500hdT eller UIP1000hdT) med booster, sonotrod och flödescell
- effektmätare för mätning av effekt och energi
- 80L processtank (plast, t.ex. HDPE)
- värmeelement (1 till 2kW)
- 10L tank för katalysatorförblandning (plast, t.ex. HDPE)
- katalysatorförblandare (omrörare)
- pump (centrifugalpump, monopump eller kugghjulspump) för cirka 10 till 20L/min vid 1 till 3 barg
- mottrycksventil för att justera trycket i flödescellen
- manometer för att mäta matningstrycket
Ultraljudsreaktorer för överlägsen biodieselbearbetning
Hielscher Ultrasonics erbjuder högpresterande ultraljudsprocessorer och reaktorer som förbättrar din biodieselproduktion genom högre biodieselutbyte, förbättrad biodieselkvalitet, kortare bearbetningstid och lägre produktionskostnader.
Ultraljudsreaktorer för omförestring av biodiesel i liten och medelstor skala
För biodieselproduktion i liten och medelstor skala på upp till 9ton/hr (2900 gal/hr) erbjuder Hielscher UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1000 watt), UIP1500hdT (1500 watt) och UIP2000hdT (2000 watt) som ultraljudsblandare med hög skjuvning och genomströmningsreaktorer för tillförlitlig och effektiv inlinebearbetning av biodiesel. Dessa fyra ultraljudsreaktorer är mycket kompakta och enkla att integrera eller eftermontera. De är byggda för krävande drift i tuffa miljöer. Nedan hittar du rekommenderade reaktoruppställningar för olika produktionshastigheter.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP500hdT (500 watt) |
0,25–0,5
|
80–160
|
| 1x UIP1000hdT (1000 watt) |
0,5–1,0
|
160–320
|
| 1x UIP1500hdT (1500 watt) |
0,75–1,5
|
240–480
|
| 1x UIP2000hdT (2000 watt) |
1,0–2,0
|
320–640
|
| 2x UIP2000hdT (2000 watt) |
2,0–4,0
|
640–1280
|
| 4xUIP1500hdT (1500 watt) |
3,0–6,0
|
960–1920
|
| 6x UIP1500hdT (1500 watt) |
4,5–9,0
|
1440–2880
|
| 6x UIP2000hdT (2000 watt) |
6,0–12,0
|
1920–3840
|
Industriella biodieselreaktorer med mycket hög genomströmningskapacitet
För anläggningar med industriell biodieselproduktion erbjuder Hielscher ultraljudshomogenisatorerna UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), 10000 (10kW) och UIP16000hdT (16kW)! Dessa ultraljudsprocessorer är konstruerade för kontinuerlig bearbetning vid höga flöden. UIP4000hdT, UIP6000hdT och UIP10000 kan integreras i standardcontainrar för sjöfrakt. Alternativt finns alla fyra processormodellerna i skåp av rostfritt stål. En stående installation kräver minimalt med utrymme. Nedan hittar du rekommenderade uppställningar för typiska industriella bearbetningshastigheter.
|
ton/hr
|
gal/hr
|
|
|---|---|---|
| 1x UIP6000hdT (6000 watt) |
3,0–6,0
|
960–1920
|
| 3x UIP4000hdT (4000 watt) |
6,0–12,0
|
1920–3840
|
| 5x UIP4000hdT (4000 watt) |
10,0–20,0
|
3200–6400
|
| 3x UIP6000hdT (6000 watt) |
9,0–18,0
|
2880–5880
|
| 3x UIP10000 (10 000 watt) |
15,0–30,0
|
4800–9600
|
| 3x UIP16000hdT (16 000 watt) |
24,0–48,0
|
7680–15 360
|
| 5x UIP16000hdT |
40,0–80,0
|
12 800–25 600
|
Kontakta oss! / Fråga oss!
Ultraljudsapparaten UIP16000hdT kan bearbeta 32MMGY biodiesel.
Frost & Sullivan – Årets tekniska innovation
Hielscher Ultrasonics fick det prestigefyllda priset Frost and Sullivan Technology Innovation of the Year som ett erkännande av företagets utveckling av ny ultraljudsteknik för biodieselproduktion.
Klicka här för att läsa mer om Frost and Sullivan-priset för Hielscher Ultrasonics biodieselreaktorer!
Omförestring – den kemiska omvandlingen av biodiesel
Tillverkning av biodiesel från vegetabiliska oljor (t.ex. soja, raps, jatropha, solrosfrön), alger, animaliska fetter samt använda matoljor innefattar baskatalyserad omförestring av fettsyror med metanol eller etanol för att bilda motsvarande metylestrar eller etylestrar. Glycerin är en oundviklig biprodukt av denna reaktion.
Vegetabiliska oljor liksom animaliska fetter är triglycerider som består av tre fettsyrakedjor bundna till en glycerinmolekyl. Triglycerider är estrar. Estrar är syror, såsom fettsyror, kombinerade med en alkohol. Glycerin (= glycerol) är en tung alkohol. I omvandlingsprocessen omvandlas triglyceridestrar till alkylestrar (= biodiesel) med hjälp av en katalysator (lut) och en alkohol som reagens, t.ex. metanol, vilket ger biodiesel av metylestrar. Metanolen ersätter glycerinet. Denna kemiska omvandlingsprocess kallas omförestring.
Efter omförestringen sjunker glycerinet, som är den tyngre fasen, till botten. Biodiesel, som är den lättare fasen, flyter ovanpå och kan separeras, t.ex. med dekantrar eller centrifuger.
Beredning av biodiesel
Kaliumhydroxid (0,2 till 0,4kg, katalysator) löses i cirka 8,5L metanol i tanken för förblandning av katalysatorn. Detta kräver omrörning av katalysatorförblandningen. Processtanken fylls med 66L vegetabilisk olja. Oljan värms med värmeelementet till 45 till 65degC.
Omvandling till biodiesel
När katalysatorn är helt upplöst i metanolen blandas katalysatorförblandningen med den uppvärmda oljan. Pumpen matar blandningen till flödescellen. Med hjälp av mottrycksventilen justeras trycket till 1 till 3barg (15 till 45psig). Återcirkulation genom ultraljudsreaktorn för biodiesel bör ske i cirka 20 minuter. Under denna tid omvandlas oljan till biodiesel. Därefter stängs pumpen och ultraljudet av. Glycerinet (den tyngre fasen) separeras från biodieseln (den lättare fasen). Separationen tar cirka 30 till 60 minuter. När separationen är klar kan glycerinet tappas av.
Tvättning av biodiesel
Eftersom den omvandlade biodieseln innehåller föroreningar krävs tvättning. Vid tvättningen blandas vatten in i biodieseln. Ultraljudsbehandling kan förbättra blandningen av biodieseln med vattnet. Detta ökar den aktiva ytarean genom att droppstorleken minskar. Tänk på att mycket intensiv ultraljudsbehandling kan minska vattendropparnas storlek så mycket att en nästan stabil emulsion bildas, som kräver särskilda metoder (t.ex. centrifugering) för att separeras.
Anläggning för biodieseltillverkning
Flödesschemat nedan visar en typisk uppställning för inline-ultraljudsbehandling av olja, metanol och katalysator för omvandling till biodiesel.
Ultraljudsassisterad förestring och omförestring kan utföras satsvis eller som en kontinuerlig inline-process. Schemat visar inline-processen med ultraljud för omförestring till biodiesel (FAME).
Kontinuerlig bearbetning och separation av biodiesel
I en uppställning för kontinuerlig bearbetning och kontinuerlig separation av biodiesel blandas den uppvärmda oljan och katalysatorförblandningen kontinuerligt med hjälp av reglerbara pumpar. En statisk inline-blandare förbättrar homogeniteten hos inflödet till ultraljudsreaktorn. Olje-/katalysatorblandningen passerar flödescellen, där den utsätts för ultraljudskavitation i cirka 5 till 30 sekunder. En mottrycksventil används för att reglera trycket i flödescellen. Den ultraljudsbehandlade blandningen kommer in i reaktorkolonnen upptill. Reaktorkolonnens volym är dimensionerad för att ge cirka 1 timmes uppehållstid i kolonnen. Under denna tid slutförs omförestringsreaktionen. Den färdigreagerade glycerin-/biodieselblandningen pumpas till centrifugen där den separeras i biodiesel- och glycerinfraktionerna. Efterbehandlingen omfattar metanolåtervinning, tvättning och torkning och kan också utföras kontinuerligt.
Denna uppställning eliminerar satsvis drift av biodieselreaktorer, konventionella omrörare och stora separationstankar.
Reaktionshastighet vid omförestring av biodiesel
Diagrammen nedan visar typiska resultat av omförestring av rapsolja (industrikvalitet) med natriummetoxid (vänster) och kaliumhydroxid (höger). I båda försöken utsattes ett kontrollprov (blå linje) för intensiv mekanisk blandning. Den röda linjen representerar det ultraljudsbehandlade provet med identisk sammansättning vad gäller volymförhållande, katalysatorkoncentration och temperatur. Den horisontella axeln visar tiden efter blandning respektive ultraljudsbehandling. Den vertikala axeln visar volymen glycerin som sedimenterat på botten. Detta är ett enkelt sätt att mäta reaktionshastigheten. I båda diagrammen reagerar det ultraljudsbehandlade provet (rött) mycket snabbare än kontrollprovet (blått).
Jämförelse mellan ultraljudsblandning (röd kurva) och konventionell blandning (blå kurva) för biodieselproduktion – med natriummetoxid (vänster) och kaliumhydroxid (höger) som katalysatorer.
Länkar till leverantörer av utrustning för biodieselproduktion
Klicka här för länkar till leverantörer av pumpar och tankar för biodieselindustrin.
Kemikalie- och säkerhetsinformation
Läs informationen nedan noggrant för att förebygga komplikationer och negativa hälsoeffekter.
Kemikalier för biodieselproduktion
Metanol är giftigt. Det kan orsaka nervskador vid långvarig användning. Det kan också adsorberas av huden. Stänk i ögonen kan orsaka blindhet, och metanol kan vara dödligt vid förtäring. Vidta därför nödvändiga försiktighetsåtgärder vid hantering av metanol. Användning av ett bra andningsskydd, ett förkläde och gummihandskar rekommenderas.
Kaliumhydroxid (KOH) är giftigt och orsakar frätskador på huden vid kontakt. God ventilation krävs.
Se till att arbetsutrymmet har riklig och grundlig ventilation så att ångorna kan ventileras bort. Andningsskydd med gasfilterpatroner är inte effektiva mot metanolångor. Ett system med lufttillförsel (SCBA – fristående andningsapparat) ger bättre skydd mot metanolångor.
Biodiesel och gummidelar
Långvarig drift med 100% biodiesel kan orsaka problem med de gummidelar i motorn som kommer i kontakt med bränslet (pump, slangar, O-ringar). Byte till ståldelar eller extra tåligt gummi kan eliminera detta problem. Alternativt kan du blanda in cirka 25% konventionell (fossil) diesel i din biodiesel för att förebygga problem.
Litteratur / Referenser
- 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.
Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer från laboratoriestorlek till industriell storlek.