ประสิทธิภาพการใช้พลังงานและการประหยัดเมทานอลในการผลิตไบโอดีเซล

การใช้คลื่นอัลตราโซนิกเป็นเทคโนโลยีการผสมที่ประหยัดพลังงาน โดยใช้คาวิเทชันจากคลื่นอัลตราโซนิกเพื่อสร้างการผสมระดับจุลภาคอย่างเข้มข้นและการถ่ายเทมวลอย่างรวดเร็วระหว่างเฟสน้ำมันกับเฟสเมทานอลที่ไม่ผสมเป็นเนื้อเดียวกัน ในกระบวนการผลิตไบโอดีเซล ผลดังกล่าวช่วยลดเวลาปฏิกิริยาอย่างมาก – จากหลายชั่วโมงเหลือเพียงไม่กี่วินาที – และทำให้เกิดทรานส์เอสเทอริฟิเคชันอย่างมีประสิทธิภาพที่อุณหภูมิต่ำลง พร้อมลดการใช้เมทานอลและตัวเร่งปฏิกิริยา นอกจากการใช้คลื่นอัลตราโซนิกจะเป็นเทคโนโลยีการแปรรูปที่ใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพในตัวเองแล้ว ยังช่วยลดความต้องการเมทานอลและตัวเร่งปฏิกิริยา ลดการสูญเสียพลังงานให้เหลือน้อยที่สุด และลดความจำเป็นในการนำเมทานอลกลับคืนด้วยการกลั่น จึงเป็นทางเลือกที่มีประสิทธิผลสูงและยั่งยืนสำหรับการกวนเชิงกลแบบดั้งเดิม

การใช้คลื่นอัลตราโซนิกเพื่อเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการผลิตไบโอดีเซล

การผลิตไบโอดีเซลแบบดั้งเดิมอาศัยเครื่องกวนเชิงกลแบบใบพัดในการผสมน้ำมันกับแอลกอฮอล์ในกระบวนการทรานส์เอสเทอริฟิเคชัน อย่างไรก็ตาม วิธีนี้มีข้อจำกัดจากการสัมผัสระหว่างผิวของเฟสที่ไม่ผสมเป็นเนื้อเดียวกันได้ไม่ดี ส่งผลให้ใช้เวลาปฏิกิริยานาน ต้องใช้เมทานอลส่วนเกินในปริมาณสูง และสูญเสียพลังงานอย่างมากทั้งในการผสมและในการนำเมทานอลกลับคืนด้วยการกลั่นในขั้นตอนถัดไป
การนำเทคโนโลยีคาวิเทชันจากคลื่นอัลตราโซนิกที่พัฒนาทางวิศวกรรมโดย Hielscher Ultrasonics GmbH มาใช้ได้ปรับปรุงประสิทธิภาพของกระบวนการอย่างเป็นพื้นฐาน เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกใช้พลังงานเสียงที่เข้มข้นเพื่อสร้างฟองคาวิเทชันขนาดจุลภาคในเฟสของเหลว การยุบตัวของฟองเหล่านี้ทำให้เกิดจุดร้อนเฉพาะที่ การผสมระดับจุลภาคอย่างเข้มข้น และอัตราการถ่ายเทมวลสูง จึงทำให้เกิดทรานส์เอสเทอริฟิเคชันอย่างรวดเร็วภายใต้สภาวะที่ไม่รุนแรง

การเปรียบเทียบคาวิเทชันจากคลื่นอัลตราโซนิกกับการกวนเชิงกล

1. ประสิทธิภาพปฏิกิริยาและสมรรถนะการผสม

ในการประเมินเชิงเทคนิคและเศรษฐศาสตร์เพื่อเปรียบเทียบเครื่องปฏิกรณ์แบบคาวิเทชันจากคลื่นอัลตราโซนิก (UC) กับเครื่องปฏิกรณ์แบบกวนเชิงกล (MS) (Gholami et al., 2021):
เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกให้ประสิทธิภาพการเปลี่ยนสาร 99% ภายใน 5–15 วินาที
ขณะที่เครื่องปฏิกรณ์แบบกวนเชิงกลต้องใช้เวลา ~80 นาทีเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการเปลี่ยนสาร 95%
การเร่งปฏิกิริยาอย่างมหาศาลนี้เกิดจากการไหลเวียนระดับจุลภาคที่เหนี่ยวนำด้วยคลื่นเสียงและการเกิดอิมัลชันที่เหนี่ยวนำด้วยคาวิเทชัน ซึ่งเครื่องปฏิกรณ์ Hielscher สร้างขึ้น กลไกเหล่านี้ทำให้แอลกอฮอล์กระจายตัวเป็นหยดละเอียดในน้ำมัน เพิ่มพื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างเฟสอย่างมาก และลดความต้านทานต่อการถ่ายเทมวลให้เหลือน้อยที่สุด
สมรรถนะการผสมที่เหนือกว่าทำให้สามารถดำเนินปฏิกิริยาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันที่อุณหภูมิต่ำลง (45–60°C) และความดันปานกลาง (~3 bar) เมื่อเทียบกับกระบวนการแบบดั้งเดิมที่มักต้องใช้ความดันสูงขึ้น (~4 bar) เพื่อป้องกันการระเหยของเมทานอลและรักษาความสามารถในการละลาย

การผสมด้วยคลื่นอัลตราโซนิกช่วยลดการใช้พลังงานจำเพาะในการผลิตไบโอดีเซล โดยมีสมรรถนะเหนือกว่าการผสมด้วยแม่เหล็กแบบอุทกพลศาสตร์และเครื่องผสมแรงเฉือนสูงอย่างมาก

2. การใช้พลังงานและการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์

ระบบอัลตราโซนิกแบบไหลผ่านของ Hielscher (เช่น UIP1500hdT, UIP16000hdT) ให้ความหนาแน่นกำลังสูง โดยมีความต้องการพลังงานจำเพาะเพียง ~3 kJ/L ของไบโอดีเซลที่ผลิตได้ ในแบบจำลองเชิงเทคนิคและเศรษฐศาสตร์สำหรับโรงงานไบโอดีเซลขนาด 50,000 t/y ความต้องการพลังงานรวมของกระบวนการลดลง 6.9% เมื่อเปลี่ยนจากการกวนเชิงกลเป็นคาวิเทชันจากคลื่นอัลตราโซนิก

เมื่อแจกแจงรายละเอียด:

การประหยัดส่วนใหญ่เกิดจากเวลาทรานส์เอสเทอริฟิเคชันที่ลดลงอย่างมาก ทำให้ใช้เครื่องปฏิกรณ์ที่มีปริมาตรเล็กลงและลดความต้องการให้ความร้อน การออกแบบแบบไหลผ่านที่กะทัดรัดของเครื่องปฏิกรณ์ Hielscher เช่น UIP16000hdT สามารถผลิตไบโอดีเซลได้สูงสุด 384 t ต่อวัน และสามารถขยายกำลังการผลิตโดยจัดกลุ่มโมดูล โดยไม่มีปัญหาความไม่มีประสิทธิภาพด้านปริมาตรของถังกวนขนาดใหญ่

การประหยัดเมทานอลและการลดพลังงานในการนำกลับคืน

ปัจจัยสำคัญที่ส่งผลให้กระบวนการอัลตราโซนิกมีข้อได้เปรียบด้านพลังงานคือการใช้เมทานอลอย่างเหมาะสมที่สุด
 การกวนเชิงกลแบบดั้งเดิมต้องใช้อัตราส่วนโมลของเมทานอลต่อน้ำมัน 6:1 เพื่อผลักดันปฏิกิริยาไปข้างหน้า ทำให้มีเมทานอลส่วนเกินจำนวนมากซึ่งต้องนำกลับคืนในภายหลังด้วยการระเหยหรือการกลั่นที่ใช้พลังงานสูง
อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีคาวิเทชันจากคลื่นอัลตราโซนิกของ Hielscher ทำให้เกิดการเปลี่ยนสารเกือบสมบูรณ์ด้วยอัตราส่วนเมทานอลต่อน้ำมันเพียง 4–4.5:1 การลดวัตถุดิบแอลกอฮอล์ลง 25% นี้ไม่เพียงลดต้นทุนวัตถุดิบ แต่ยังหลีกเลี่ยงความจำเป็นในการระเหยและควบแน่นเมทานอลหลายพันลิตร ซึ่งลดการใช้ไอน้ำในหอกลั่นนำเมทานอลกลับคืนอย่างมีนัยสำคัญ
นอกจากนี้ ความต้องการเมทานอลและตัวเร่งปฏิกิริยาที่ลดลงยังช่วยลดการเกิดผลิตภัณฑ์พลอยได้ให้เหลือน้อยที่สุดและทำให้การทำให้บริสุทธิ์ในขั้นตอนปลายน้ำง่ายขึ้น ส่งผลให้การแยกเฟสสะอาดยิ่งขึ้นและลดการเกิดน้ำเสียที่เป็นด่าง

 
เรียนรู้ว่าเหตุใดการผลิตไบโอดีเซลด้วยคลื่นอัลตราโซนิกจึงใช้ได้กับวัตถุดิบราคาถูก เช่น น้ำมันปรุงอาหารใช้แล้วและไขมันหมูสำหรับการผลิตไบโอดีเซล!
 

วิธีอัลตราโซนิกให้การเปลี่ยนสารประมาณ 75% ภายใน 1.5 นาทีแรก และเริ่มคงตัวที่การเปลี่ยนสารประมาณ 90% หลังจาก 6 นาที
วิธีแบบดั้งเดิมมีอัตราการเปลี่ยนสารช้ากว่ามาก โดยให้การเปลี่ยนสารเพียงประมาณ 40% หลังจาก 8 นาที

ผลกระทบด้านเศรษฐกิจและสิ่งแวดล้อม

แบบจำลองเชิงเทคนิคและเศรษฐศาสตร์จาก Gholami et al. (2021) แสดงให้เห็นว่า:

• ต้นทุนการลงทุนรวมลดลงประมาณ 21%,
• ต้นทุนผลิตภัณฑ์ต่อตันลดลงประมาณ 5%,
• การเกิดของเสียลดลงเหลือหนึ่งในห้าของปริมาณที่เกิดจากการกวนเชิงกล,
• อัตราผลตอบแทนภายใน (IRR) เพิ่มขึ้นเป็น 18.3% โดยมี NPV เป็นบวก ขณะที่กระบวนการแบบดั้งเดิมยังคงไม่คุ้มค่าทางเศรษฐกิจ

ในแง่สิ่งแวดล้อม การลดเมทานอลส่วนเกินช่วยลดการปล่อยสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่ายโดยตรงและลดการใช้พลังงานความร้อน ทำให้การผลิตไบโอดีเซลด้วยคลื่นอัลตราโซนิกสอดคล้องกับเป้าหมายการผลิตที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

ภาพรวมข้อดีของเครื่องปฏิกรณ์ไบโอดีเซลแบบอัลตราโซนิก

(ผลการศึกษาเปรียบเทียบ ดูประกอบ Gholami et al., 2021)

เครื่องปฏิกรณ์ไบโอดีเซลแบบอัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูง

เครื่องปฏิกรณ์ไบโอดีเซลแบบอัลตราโซนิกที่ออกแบบโดย Hielscher Ultrasonics ไม่เพียงทำให้เกิดทรานส์เอสเทอริฟิเคชันอย่างรวดเร็วและสม่ำเสมอ แต่ยังช่วยประหยัดพลังงานและวัสดุได้อย่างมาก การลดการใช้เมทานอลส่วนเกิน – และการขจัดขั้นตอนการนำกลับคืนที่อุณหภูมิสูงซึ่งเป็นผลตามมา – ถือเป็นข้อได้เปรียบสำคัญด้านความยั่งยืน
เมื่อรวมกับความสามารถในการขยายกำลังการผลิตแบบโมดูลาร์ ความต้องการบำรุงรักษาต่ำ และความเข้ากันได้กับตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธุ์ เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher จึงสร้างมาตรฐานอ้างอิงสำหรับเทคโนโลยีการผลิตไบโอดีเซลที่ใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพและสะอาด
 
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับข้อดีของเทคโนโลยีไบโอดีเซลจาก Hielscher Ultrasonics!
 

ตารางด้านล่างแสดงกำลังการแปรรูปโดยประมาณของเครื่องปฏิกรณ์ไบโอดีเซลแบบอัลตราโซนิก Hielscher:

การออกแบบ การผลิต และการให้คำปรึกษา – คุณภาพที่ผลิตในเยอรมนี

เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher เป็นที่รู้จักดีในด้านมาตรฐานคุณภาพและการออกแบบที่สูงที่สุด ความทนทานและการใช้งานที่ง่ายช่วยให้สามารถผสานเครื่องอัลตราโซนิกของเราเข้ากับโรงงานอุตสาหกรรมได้อย่างราบรื่น เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher รับมือกับสภาวะที่รุนแรงและสภาพแวดล้อมที่มีข้อเรียกร้องสูงได้อย่างง่ายดาย

Hielscher Ultrasonics เป็นบริษัทที่ได้รับการรับรอง ISO และให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับเครื่องอัลตราโซนิกสมรรถนะสูงที่มีเทคโนโลยีล้ำสมัยและใช้งานสะดวก แน่นอนว่าเครื่องอัลตราโซนิก Hielscher สอดคล้องกับ CE และเป็นไปตามข้อกำหนดของ UL, CSA และ RoHs

วรรณกรรม / เอกสารอ้างอิง

• 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.