Biodieselproduktion med överlägsen process- och kostnadseffektivitet

Ultraljudsblandning är den överlägsna tekniken för mycket effektiv och kostnadseffektiv biodieselproduktion. Ultraljud kavitation förbättrar massöverföringen drastiskt, vilket minskar produktionskostnaderna och bearbetningstiden. Samtidigt kan oljor och fetter av dålig kvalitet (t.ex. spilloljor) användas och biodieselkvaliteten förbättras. Hielscher Ultrasonics levererar högpresterande, robusta ultraljudsblandningsreaktorer för alla produktionsskalor. Läs mer hur din biodieselproduktion kommer att dra nytta av ultraljudsbehandling!

Fördelar med biodieselproduktion med hjälp av ultraljud

Biodiesel (fettsyrametylester, abrev. FAME) är produkten av en transesterifieringsreaktion mellan lipidråmaterial (triglycerider, t.ex. vegetabilisk olja, använda matoljor, animaliska fetter, algolja) och alkohol (metanol, etanol) med hjälp av en katalysator (t.ex. kaliumhydroxid KOH).
Problemet: Vid konventionell biodieselomvandling med konventionell omrörning leder den oblandbara karaktären hos de båda reaktanterna i transesterifieringsreaktionen av olja och alkohol till dålig massöverföringshastighet vilket resulterar i en ineffektiv biodieselproduktion. Denna ineffektivitet kännetecknas av långa reaktionstider, högre molförhållanden mellan metanol och olja, höga katalysatorkrav, höga processtemperaturer och höga omrörningshastigheter. Dessa faktorer är betydande kostnadsdrivare, vilket gör konventionell biodieseltillverkning till en dyr process.
Lösningen: Ultraljudsblandning emulgerar reaktanterna på ett mycket effektivt, snabbt och billigt sätt så att förhållandet mellan olja och metanol kan förbättras, katalysatorkraven minskas, reaktionstiden och reaktionstemperaturen sänks. På så sätt sparas resurser (dvs. kemikalier och energi) samt tid, bearbetningskostnaderna minskar samtidigt som biodieselkvaliteten och produktionens lönsamhet förbättras avsevärt. Dessa fakta gör ultraljudsblandning i den föredragna tekniken för effektiv biodieseltillverkning.
Forskning och industriella biodieselproducenter bekräftar att ultraljudsblandning är ett mycket kostnadseffektivt sätt att producera biodiesel, även när oljor och fetter av dålig kvalitet används som råvara. Ultraljudsprocessens intensifiering förbättrar avsevärt omvandlingshastigheten och minskar användningen av överskott av metanol och katalysator, vilket gör det möjligt att producera biodiesel som uppfyller kvalitetsstandarden i ASTM D6751 och EN 14212 specifikationer. (jfr Abdullah et al., 2015)

Transesterifiering av triglycerider till biodiesel (FAME) med hjälp av ultraljudsbehandling resulterar i accelererad reaktion och betydligt högre effektivitet.

Många fördelar med ultraljudsblandning i biodieselproduktion

Ultraljudsblandningsreaktorer kan enkelt integreras i alla nya installationer samt eftermonteras i befintliga biodieselanläggningar. Integreringen av en Hielscher ultraljudsmixer förvandlar vilken biodieselanläggning som helst till en högpresterande produktionsanläggning. Enkel installation, robusthet och användarvänlighet (ingen specifik utbildning för drift krävs) gör det möjligt att uppgradera vilken anläggning som helst till en högeffektiv biodieselanläggning. Nedan presenterar vi dig med vetenskapligt bevisade resultat av fördelar som dokumenterats av oberoende tredje part. Siffrorna bevisar överlägsenheten av ultraljud biodiesel blandning över någon konventionell omrörningsteknik.

Flödesschemat visar produktionsstegen för biodiesel, inklusive ultraljudsblandning för förbättrad processeffektivitet.

Effektivitet och kostnadsjämförelse: Ultraljud vs mekanisk omrörning

Gholami et al. (2021) presenterar i sin jämförande studie fördelarna med ultraljudstransesterifiering jämfört med mekanisk omrörning (dvs. bladblandare, pumphjul, mixer med hög skjuvning).
Investeringskostnader: Ultraljudsprocessorn och reaktorn UIP16000 kan producera 192–384 ton biodiesel/d med ett fotavtryck på endast 1,2 m x 0,6 m. Som jämförelse krävs en mycket större reaktor för mekanisk omrörning (MS) på grund av den långa reaktionstiden i den mekaniska strirrng-processen, vilket gör att reaktorkostnaden ökar avsevärt. (jfr Gholami et al., 2020)
Kostnader för bearbetning: Bearbetningskostnaderna för ultraljud biodiesel produktion är 7,7% lägre än de för omrörningsprocessen, främst på grund av den lägre totala investeringen för ultraljudsbehandling processen. Kostnaden för kemikalier (katalysator, metanol/alkohol) är den tredje största kostnadsdrivaren i både processer, ultraljudsbehandling och mekanisk omrörning. Emellertid, för ultraljud biodiesel omvandling kostnaderna för kemikalier är betydligt lägre än för mekanisk omrörning. Kostnadsfraktionen för kemikalier står för ca 5 % av den slutliga biodieselkostnaden. På grund av den lägre förbrukningen av metanol, natriumhydroxid och fosforsyra är kostnaden för kemikalier i ultraljudsbiodieselprocessen 2,2 % lägre än för den mekaniska omrörningsprocessen.
Energikostnader: Energin som förbrukas av ultraljudsblandningsreaktorn är ungefär tre gånger lägre än den som används av den mekaniska omröraren. Denna avsevärda minskning av energiförbrukningen är en produkt av den intensiva mikroblandningen och den minskade reaktionstiden, till följd av produktion och kollaps av otaliga hålrum, som kännetecknar fenomenet akustisk / ultraljudskavitation (Gholami et al., 2018). Dessutom, jämfört med den konventionella omröraren, minskar energiförbrukningen för metanolåtervinning och biodieselreningssteg under ultraljudsblandningsprocessen med 26,5 % respektive 1,3 %. Denna minskning beror på de lägre mängderna metanol som kommer in i dessa två destillationskolonner i ultraljudstransesterifieringsprocessen.
Kostnader för avfallshantering: Ultraljudskavitationsteknik minskar också avsevärt kostnaderna för avfallshantering. Denna kostnad i ultraljudsbehandlingsprocessen är ungefär en femtedel av den i omrörningsprocessen, vilket resulterar i den betydande minskningen av avfallsproduktionen på grund av högre reaktoromvandling och lägre mängder konsumerad alkohol.
Läs mer om ultraljud biodiesel omvandling av oljor från förbrukad kaffesump!
Miljövänlighet: På grund av den mycket höga totala effektiviteten, den minskade kemiska förbrukningen, lägre energibehov och minskat avfall, är ultraljud biodieselproduktion betydligt mer miljövänlig än konventionella biodieseltillverkningsprocesser.

Slutsats – Ultraljud förbättrar effektiviteten i biodieselproduktionen

Den vetenskapliga bedömningen visar de tydliga fördelarna med ultraljudsblandning jämfört med konventionell mekanisk omrörning för biodieselproduktion. Fördelarna med ultraljud biodiesel bearbetning inkluderar total kapitalinvestering, total produktkostnad, nettonuvärde och internränta. Beloppet för den totala investeringen i ultraljudskavitationsprocessen visade sig vara lägre än för andra med cirka 20,8 %. Användning av ultraljudsreaktorer minskade produktkostnaderna med 5,2 % – med hjälp av jungfrulig rapsolja. Eftersom ultraljudsbehandling gör det möjligt att bearbeta även förbrukade oljor (t.ex. använda matoljor), kan produktionskostnaderna minskas betydligt ytterligare. Gholami et al. (2021) kommer till slutsatsen att på grund av ett positivt nettonuvärde är ultraljudskavitationsprocessen det bättre valet av blandningsteknik för biodieselproduktion.
Ur teknisk synvinkel spänner de viktigaste effekterna av ultraljudskavitation över den betydande processeffektiviteten och minskningen av reaktionstiden. Bildandet och kollapsen av många vakuumbubblor – känd som akustisk / ultraljudskavitation – Minska reaktionstiden från flera timmar i omrörningstankreaktorn till några sekunder i ultraljudskavitationsreaktorn. Denna korta uppehållstid möjliggör biodieselproduktion i en genomströmningsreaktor med ett litet fotavtryck. Ultraljudskavitationsreaktorn visar också positiva effekter på energi- och materialbehov, vilket minskar energiförbrukningen till nästan en tredjedel av den som förbrukas av en omrörd tankreaktor och metanol- och katalysatorförbrukningen med 25 %.
Ur ett ekonomiskt perspektiv är den totala investeringen i ultraljudskavitationsprocessen lägre än den för den mekaniska omrörningsprocessen, främst på grund av nästan 50 % och 11,6 % minskning av reaktorkostnaden respektive kostnaden för metanoldestillationskolonnen. Ultraljudskavitationsprocessen minskar också produktionskostnaden för biodiesel på grund av en 4% minskning av rapsoljeförbrukningen, lägre total investering, 2,2% lägre kemikalieförbrukning och 23,8% lägre verktygsbehov. Till skillnad från den mekaniskt omrörda processen är ultraljudsbearbetningen en acceptabel investering på grund av dess positiva nettonuvärde, kortare återbetalningstid och en högre internränta. Förutom de tekno-ekonomiska fördelarna som är förknippade med ultraljudskavitationsprocessen är den mer miljövänlig än den mekaniska omrörningsprocessen. Ultraljudskavitation resulterar i en 80% minskning av avfallsströmmar på grund av den högre omvandlingen i reaktorn och minskad alkoholkonsumtion i denna process. (jfr Gholami et al., 2021)

Använd den katalysator du väljer

Ultraljud transesterifiering process av biodiesel har visat sig vara effektiv med hjälp av både alkaliska eller basiska katalysatorer. Till exempel jämförde Shinde och Kaliaguine (2019) effektiviteten av ultraljud och mekanisk bladblandning med hjälp av olika katalysatorer, nämligen natriumhydroxid (NaOH), kaliumhydroxid (KOH), (CH₃ONa), tetrametylammoniumhydroxid och fyra guanidiner (propyl-2,3-dicyklohexylguanidin (PCHG), 1,3-dicyklohexyl-2 n-oktylguanidin (DCOG), 1,1,3,3-tetrametylguanidin (TMG), 1,3-dicyklohexyl-2 n-oktylguanidin (DPG)). Ultraljudsblandning (vid 35º) som visat sig överlägsen för biodieselproduktion, utmärker sig mekanisk blandning (vid 65º) genom högre utbyten och omvandlingshastighet. Effektiviteten av massöverföring i ultraljudsfältet förbättrade hastigheten för transesterifieringsreaktionen jämfört med mekanisk omrörning. Ultraljudsbehandling överträffade mekanisk omrörning för alla testade katalysatorer. Att köra transesterifieringsreaktionen med ultraljudskavitation är ett energieffektivt och industriellt lönsamt alternativ för biodieselproduktion. Förutom de allmänt använda katalysatorerna KOH och NaOH har båda guanidinkatalysatorerna, propyl-2,3 dicyklohexylguanidin (PCHG) och 1,3-dicyklohexyl-2 n-oktylguanidin (DCOG), båda visat sig vara intressanta altrnatives för biodieselomvandling.
Mootabadi et al. (2010) undersökte ultraljudsassisterad biodieselsyntes från palmolja med hjälp av olika alkaliska metalloxidkatalysatorer såsom CaO, BaO och SrO. Katalysatorns aktivitet i ultraljudsassisterad biodieselsyntes jämfördes med den traditionella magnetiska omrörningsprocessen, och det visade sig att ultraljudsprocessen visade 95,2 % av utbytet med BaO inom 60 minuters reaktionstid, vilket annars tar 3–4 timmar i den konventionella omrörningsprocessen. För ultraljudsassisterad transesterifiering vid optimala förhållanden krävdes 60 minuter för att uppnå 95 % utbyte jämfört med 2–4 timmar med konventionell omrörning. Dessutom ökade utbytet som uppnåddes med ultraljud på 60 minuter från 5,5 % till 77,3 % med CaO som katalysatorer, 48,2 % till 95,2 % med SrO som katalysatorer och 67,3 % till 95,2 med BaO som katalysatorer.

Produktion av biodiesel med hjälp av olika guanidiner (3 % mol) som katalysator. (A) Mekanisk omrörningssatsreaktor: (metanol: rapsolja) 4:1, temperatur 65ºC; (B) Satsvis reaktor med ultraljud: ultraljudsapparat UP200St, (metanol: rapsolja) 4:1, 60 % US amplitud, temperatur 35ºC. Ultraljudsdriven blandning överträffar mekanisk omrörning med råge.
(Studie och grafer: Shinde och Kaliaguine, 2019)

Högpresterande ultraljudsreaktorer för överlägsen biodieselbearbetning

Hielscher Ultrasonics erbjuder högpresterande ultraljudsprocessorer och reaktorer för förbättrad biodieselproduktion som resulterar i högre avkastning, förbättrad kvalitet, minskad bearbetningstid och lägre produktionskostnader.

Små och medelstora biodieselreaktorer

För små och medelstora biodieselproduktioner på upp till 9 ton/timme (2900 gal/timme) erbjuder Hielscher dig UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1000 watt), UIP1500hdT (1500 watt)och UIP2000hdT (2000 watt) Modeller av ultraljudsmixer med hög skjuvning. Dessa fyra ultraljudsreaktorer är mycket kompakta, lätta att integrera eller eftermontera. De är byggda för tung drift i tuffa miljöer. Nedan hittar du rekommenderade reaktoruppställningar för en rad olika produktionshastigheter.

Industriella biodieselreaktorer med mycket stor genomströmning

För produktionsanläggningar för biodiesel inom industriell bearbetning erbjuder Hielscher UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6 kW), UIP10000 (10kW) och UIP16000hdT (16kW) homogenisatorer med ultraljud! Dessa ultraljudsprocessorer är designade för kontinuerlig bearbetning av höga flödeshastigheter. UIP4000hdT, UIP6000hdT och UIP10000 kan integreras i standardcontainrar för sjöfrakt. Alternativt kan alla fyra processormodellerna fås i skåp i rostfritt stål. En upprätt installation kräver minimalt med utrymme. Nedan hittar du rekommenderade inställningar för typiska industriella bearbetningshastigheter.