ประสิทธิภาพการใช้พลังงานและการประหยัดเมทานอลในการผลิตไบโอดีเซล

โซนิเคชันเป็นเทคโนโลยีการผสมที่ประหยัดพลังงานซึ่งใช้การเกิดโพรงเสียงอัลตราโซนิกเพื่อสร้างการผสมระดับจุลภาคที่เข้มข้นและการถ่ายเทมวลอย่างรวดเร็วระหว่างเฟือน้ำมันและเมทานอลที่ไม่สามารถผสมกันได้ ในการผลิตไบโอดีเซล ผลกระทบนี้ช่วยลดเวลาในการเกิดปฏิกิริยาอย่างมาก – จากชั่วโมงเป็นวินาที – และช่วยให้เกิดการทรานส์เอสเทอริฟิเคชันอย่างมีประสิทธิภาพที่อุณหภูมิต่ำลง พร้อมทั้งลดการใช้เมทานอลและตัวเร่งปฏิกิริยา นอกจากจะเป็นเทคโนโลยีการแปรรูปที่ประหยัดพลังงานในตัวเองแล้ว การใช้อัลตราซาวนด์ยังช่วยลดความต้องการเมทานอลและตัวเร่งปฏิกิริยา ลดการสูญเสียพลังงาน และลดความจำเป็นในการแยกเมทานอลด้วยการกลั่น ทำให้การใช้อัลตราซาวนด์เป็นทางเลือกที่มีประสิทธิภาพสูงและยั่งยืนเมื่อเทียบกับการกวนแบบกลไกทั่วไป

โซนิเคชันเพื่อการเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการผลิตไบโอดีเซล

การผลิตไบโอดีเซลแบบดั้งเดิมอาศัยเครื่องกวนใบมีดเชิงกลในการผสมน้ำมันและแอลกอฮอล์ในกระบวนการทรานเอสเทอริฟิเคชัน อย่างไรก็ตาม วิธีนี้มีปัญหาการสัมผัสระหว่างพื้นผิวของเฟสที่ไม่สามารถผสมกันได้ ทำให้เวลาในการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น มีเมทานอลส่วนเกินสูง และสูญเสียพลังงานอย่างมากทั้งในขั้นตอนการผสมและการกู้คืนเมทานอลในภายหลังโดยการกลั่น
การนำเทคโนโลยีการเกิดโพรงอากาศด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง (ultrasonic cavitation) ซึ่งได้รับการออกแบบโดย Hielscher Ultrasonics GmbH มาใช้ ได้ปรับปรุงประสิทธิภาพของกระบวนการอย่างมีนัยสำคัญ เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกใช้พลังงานเสียงความเข้มสูงที่ก่อให้เกิดฟองโพรงอากาศขนาดเล็กมากในของเหลว การระเบิดของฟองเหล่านี้ทำให้เกิดจุดร้อนเฉพาะที่ การผสมในระดับจุลภาคอย่างเข้มข้น และอัตราการถ่ายโอนมวลที่สูง ส่งผลให้เกิดปฏิกิริยาทรานส์เอสเตอริฟิเคชันอย่างรวดเร็วภายใต้สภาวะที่อ่อนโยน

การเปรียบเทียบการสลายไขมันด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงและการกวนเชิงกล

1. ประสิทธิภาพปฏิกิริยาและประสิทธิภาพการผสม

ในการประเมินทางเทคโนโลยีและเศรษฐศาสตร์เชิงเปรียบเทียบระหว่างเครื่องปฏิกรณ์คาวิเทชันอัลตราโซนิก (UC) และเครื่องปฏิกรณ์แบบกวนเชิงกล (MS) (Gholami et al., 2021):
เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกสามารถบรรลุประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลง 99% ภายใน 5–15 วินาที
ในขณะที่เครื่องปฏิกรณ์แบบกวนทางกลต้องใช้เวลาประมาณ 80 นาทีเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลง 95%
การเร่งความเร็วอย่างมหาศาลนี้เกิดจากการไหลเวียนขนาดเล็กของเสียงและการเกิดอิมัลซิฟิเคชันที่เกิดจากการเกิดโพรงอากาศซึ่งเครื่องปฏิกรณ์ของ Hielscher สร้างขึ้น กลไกเหล่านี้ทำให้เกิดการกระจายตัวของแอลกอฮอล์ในน้ำมันอย่างละเอียด ซึ่งช่วยขยายพื้นที่ผิวสัมผัสและลดความต้านทานการถ่ายเทมวลได้อย่างมาก
ประสิทธิภาพการผสมที่เหนือกว่าช่วยให้สามารถเกิดการทรานส์เอสเตอริฟิเคชันได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า (45–60°C) และแรงดันปานกลาง (~3 บาร์) เมื่อเทียบกับกระบวนการแบบดั้งเดิมที่มักต้องใช้แรงดันสูง (~4 บาร์) เพื่อป้องกันการระเหยของเมทานอลและรักษาความละลาย

การผสมด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงช่วยลดการใช้พลังงานเฉพาะในการผลิตไบโอดีเซลได้ดีกว่าการผสมด้วยแม่เหล็กแบบไฮโดรไดนามิกและเครื่องผสมแบบแรงเฉือนสูงอย่างมาก

2. การใช้พลังงานและการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์

ระบบอัลตราโซนิกแบบไหลผ่านของ Hielscher (เช่น UIP1500hdT, UIP16000hdT) ให้ความหนาแน่นของพลังงานสูงโดยมีความต้องการพลังงานเฉพาะเพียง ~3 กิโลจูลต่อลิตรของไบโอดีเซลที่ผลิตได้ในแบบจำลองทางเทคโนโลยีและเศรษฐศาสตร์สำหรับโรงงานผลิตไบโอดีเซลขนาด 50,000 ตันต่อปี ความต้องการพลังงานรวมของกระบวนการลดลง 6.9% เมื่อเปลี่ยนจากการกวนด้วยเครื่องกลเป็นการสลายด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง

แยกแยะดังนี้:

การประหยัดหลักมาจากการลดเวลาในการทรานส์เอสเทอริฟิเคชันอย่างมาก ทำให้สามารถใช้ปริมาณเครื่องปฏิกรณ์ที่เล็กลงและลดความต้องการในการให้ความร้อน การออกแบบแบบไหลผ่านที่กะทัดรัดของเครื่องปฏิกรณ์ Hielscher เช่น UIP16000hdT สามารถผลิตไบโอดีเซลได้ถึง 384 ตันต่อวัน โดยเสนอความสามารถในการขยายขนาดผ่านการรวมแบบโมดูลาร์โดยไม่มีความไม่มีประสิทธิภาพเชิงปริมาตรของถังกวนขนาดใหญ่

การประหยัดเมทานอลและการลดพลังงานในการกู้คืน

ปัจจัยสำคัญที่ช่วยเสริมความได้เปรียบด้านพลังงานของกระบวนการด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง คือการใช้เมทานอลอย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด การกวนด้วยวิธีกลแบบดั้งเดิมต้องใช้เมทานอลต่อน้ำมันในอัตราส่วนโมลาร์ 6:1 เพื่อกระตุ้นปฏิกิริยาให้ดำเนินไป ส่งผลให้เกิดเมทานอลส่วนเกินจำนวนมาก ซึ่งต้องนำไปกำจัดภายหลังด้วยกระบวนการระเหยหรือกลั่นที่ใช้พลังงานสูง
อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีการเกิดโพรงอากาศด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงของ Hielscher สามารถบรรลุการเปลี่ยนแปลงเกือบสมบูรณ์ด้วยอัตราส่วนเมทานอลต่อน้ำมันเพียง 4–4.5:1 เท่านั้น การลดวัตถุดิบแอลกอฮอล์ลง 25% นี้ไม่เพียงแต่ช่วยลดต้นทุนวัตถุดิบเท่านั้น แต่ยังหลีกเลี่ยงความจำเป็นในการระเหยและควบแน่นเมทานอลหลายพันลิตร ซึ่งช่วยลดการใช้ไอน้ำในคอลัมน์การกู้คืนเมทานอลได้อย่างมีนัยสำคัญ
นอกจากนี้ ความต้องการเมทานอลและตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต่ำลงยังช่วยลดการเกิดของผลิตภัณฑ์พลอยได้และทำให้การทำให้บริสุทธิ์ในขั้นตอนต่อไปง่ายขึ้น ซึ่งส่งผลให้การแยกเฟสสะอาดขึ้นและลดการเกิดน้ำเสียที่เป็นด่าง

 
เรียนรู้ว่าทำไมการผลิตไบโอดีเซลด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงจึงสามารถทำงานได้กับวัตถุดิบราคาถูก เช่น น้ำมันปรุงอาหารที่ใช้แล้วและไขมันหมู สำหรับการผลิตไบโอดีเซล!
 

วิธีการอัลตราโซนิกสามารถแปลงได้ประมาณ 75% ภายใน 1.5 นาทีแรก และคงที่ที่ประมาณ 90% หลังจาก 6 นาที
วิธีการแบบดั้งเดิมแสดงอัตราการเปลี่ยนแปลงที่ช้ากว่ามาก โดยสามารถทำได้เพียงประมาณ 40% หลังผ่านไป 8 นาที

ผลกระทบทางเศรษฐกิจและสิ่งแวดล้อม

แบบจำลองทางเทคโนโลยี-เศรษฐศาสตร์จาก Gholami และคณะ (2021) แสดงให้เห็นว่า:

• ต้นทุนการลงทุนทั้งหมดลดลงประมาณ 21%
• ต้นทุนสินค้าต่อตันลดลงประมาณ 5%
• การลดปริมาณของเสียเหลือเพียงหนึ่งในห้าของปริมาณที่เกิดจากการกวนด้วยเครื่องจักร
• อัตราผลตอบแทนภายใน (IRR) ปรับตัวดีขึ้นเป็น 18.3% โดยมีมูลค่าปัจจุบันสุทธิเป็นบวก ในขณะที่กระบวนการแบบดั้งเดิมยังคงไม่คุ้มค่าทางเศรษฐกิจ

จากมุมมองด้านสิ่งแวดล้อม การลดเมทานอลส่วนเกินโดยตรงช่วยลดการปล่อยสารประกอบอินทรีย์ระเหยและลดการใช้พลังงานความร้อน ซึ่งสอดคล้องกับวัตถุประสงค์ของการผลิตไบโอดีเซลด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

ภาพรวมของข้อได้เปรียบของเครื่องปฏิกรณ์ไบโอดีเซลอัลตราโซนิก

(ผลการศึกษเปรียบเทียบบท, cf. Gholami et al., 2021)

เครื่องปฏิกรณ์ไบโอดีเซลอัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูง

เครื่องปฏิกรณ์ไบโอดีเซลอัลตราโซนิกที่ออกแบบโดย Hielscher Ultrasonics ไม่เพียงแต่ให้การทรานส์เอสเทอริฟิเคชันที่รวดเร็วและสม่ำเสมอเท่านั้น แต่ยังช่วยประหยัดพลังงานและวัสดุได้อย่างมากอีกด้วย การลดการใช้เมทานอลส่วนเกิน – และการกำจัดขั้นตอนฟื้นฟูอุณหภูมิสูงที่สอดคล้องกัน – ถือเป็นข้อได้เปรียบด้านความยั่งยืนที่สำคัญ
เมื่อรวมกับความสามารถในการปรับขนาดแบบโมดูลาร์ ความต้องการในการบำรุงรักษาต่ำ และความเข้ากันได้กับตัวเร่งปฏิกิริยาที่หลากหลาย เครื่องโซนิเคเตอร์ของ Hielscher ได้สร้างมาตรฐานใหม่สำหรับเทคโนโลยีการผลิตไบโอดีเซลที่มีประสิทธิภาพด้านพลังงานและสะอาด
 
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับข้อดีของเทคโนโลยีไบโอดีเซลจาก Hielscher Ultrasonics!
 

ตารางด้านล่างนี้แสดงให้คุณเห็นถึงกำลังการผลิตโดยประมาณของเครื่องปฏิกรณ์ไบโอดีเซลอัลตราโซนิกของ Hielscher:

การออกแบบ การผลิต และการให้คําปรึกษา – คุณภาพ ผลิตในประเทศเยอรมนี

เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher เป็นที่รู้จักกันดีในด้านคุณภาพและมาตรฐานการออกแบบสูงสุด ความทนทานและใช้งานง่ายช่วยให้สามารถรวมเครื่องอัลตราโซนิกของเราเข้ากับโรงงานอุตสาหกรรมได้อย่างราบรื่น สภาพที่ขรุขระและสภาพแวดล้อมที่ต้องการสามารถจัดการได้ง่ายโดยเครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher

Hielscher Ultrasonics เป็น บริษัท ที่ได้รับการรับรองมาตรฐาน ISO และให้ความสําคัญเป็นพิเศษกับเครื่องอัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงที่มีเทคโนโลยีล้ําสมัยและเป็นมิตรกับผู้ใช้ แน่นอนว่าเครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher เป็นไปตามมาตรฐาน CE และตรงตามข้อกําหนดของ UL, CSA และ RoHs

วรรณกรรม / อ้างอิง