Виробництво біодизеля з чудовою процесною та економічною ефективністю

Ультразвукове змішування є чудовою технологією для високоефективного та економічно вигідного виробництва біодизеля. Ультразвукова кавітація різко покращує масообмін, тим самим знижуючи витрати на виробництво і тривалість обробки. У той же час можна використовувати неякісні олії та жири (наприклад, відпрацьовані оливи) та покращувати якість біодизеля. Hielscher Ultrasonics постачає високопродуктивні, надійні ультразвукові змішувальні реактори для будь-яких масштабів виробництва. Дізнайтеся більше, як ваше виробництво біодизеля виграє від ультразвукової діагностики!

Переваги виробництва біодизеля за допомогою ультразвуку

Біодизель (метиловий ефір жирної кислоти, абрев. FAME) є продуктом реакції переетерифікації ліпідної сировини (тригліцеридів, наприклад, рослинної олії, відпрацьованих кулінарних олій, тваринних жирів, олії водоростей) та спирту (метанолу, етанолу) за допомогою каталізатора (наприклад, гідроксиду калію KOH).
Проблема полягає в тому, що При традиційному перетворенні біодизеля з використанням звичайного перемішування незмішувана природа обох реагентів реакції переетерифікації нафти та спирту призводить до низької швидкості масообміну, що призводить до неефективного виробництва біодизеля. Ця неефективність характеризується тривалим часом реакції, більш високими молярними відношеннями метанол і масло, високими вимогами до каталізаторів, високими температурами процесу і високими швидкостями перемішування. Ці фактори є значними факторами витрат, що робить виробництво традиційного біодизеля дорогим процесом.
Розв'язання: Ультразвукове змішування емульгує реагенти високоефективним, швидким і недорогим способом, що дозволяє покращити співвідношення нафти та метанолу, зменшити вимоги до каталізатора, знизити час реакції та температуру реакції. Таким чином, економляться ресурси (тобто хімікати та енергія), а також час, знижуються витрати на переробку, а якість біодизеля та рентабельність виробництва значно покращуються. Ці факти перетворюють ультразвукове змішування в кращу технологію для ефективного виробництва біодизеля.
Дослідження та промислові виробники біодизеля підтверджують, що ультразвукове змішування є високоекономічно ефективним способом виробництва біодизеля, навіть коли в якості сировини використовуються неякісні олії та жири. Інтенсифікація ультразвукового процесу значно покращує коефіцієнт перетворення, зменшуючи використання надлишку метанолу і каталізатора, дозволяючи виробляти біодизель, що відповідає стандарту якості специфікації ASTM D6751 і EN 14212. (пор. Абдулла та ін., 2015)

Переетерифікація тригліцеридів у біодизель (FAME) за допомогою ультразвуку призводить до прискорення реакції та значно вищої ефективності.

Численні переваги ультразвукового змішування у виробництві біодизеля

Ультразвукові змішувальні реактори можуть бути легко інтегровані в будь-яку нову установку, а також модернізовані в існуючі біодизельні установки. Інтеграція ультразвукового міксера Hielscher перетворює будь-який біодизельний завод на високопродуктивну виробничу установку. Простий монтаж, надійність і зручність у використанні (не потрібне спеціальне навчання для експлуатації) дозволяють модернізувати будь-який об'єкт до високоефективної біодизельної установки. Нижче ми представляємо вам науково доведені результати переваг, задокументовані незалежними третіми сторонами. Цифри доводять перевагу ультразвукового змішування біодизеля над будь-якою звичайною технікою перемішування.

Блок-схема показує етапи виробництва біодизеля, включаючи ультразвукове змішування для підвищення ефективності процесу.

Порівняння ефективності та вартості: ультразвук проти механічного перемішування

Gholami et al. (2021) у своєму порівняльному дослідженні представляють переваги ультразвукової переетерифікації перед механічним перемішуванням (тобто лопатевий міксер, робоче колесо, змішувач із високим зсувом).
Інвестиційні витрати: Ультразвуковий процесор і UIP16000 реактора можуть виробляти 192–384 т біодизеля/д при площі лише 1,2 м х 0,6 м. Для порівняння, для механічного перемішування (МС) потрібен набагато більший реактор через тривалий час реакції в процесі механічного стрірнгування, що призводить до значного збільшення вартості реактора. (пор. Голамі та ін., 2020)
Витрати на обробку: Витрати на переробку для виробництва ультразвукового біодизеля на 7,7% нижчі, ніж для процесу перемішування, головним чином через нижчі загальні інвестиції в процес ультразвуку. Вартість хімічних речовин (каталізатор, метанол/спирт) є третім за величиною фактором витрат як у процесах, так і в ультразвуковому та механічному перемішуванні. Однак при ультразвуковому перетворенні біодизеля витрати на хімічну речовину значно нижчі, ніж при механічному перемішуванні. Частка витрат на хімікати становить приблизно 5% від кінцевої вартості біодизеля. Завдяки меншій витраті метанолу, гідроксиду натрію та фосфорної кислоти вартість хімічних речовин у процесі ультразвукового біодизеля на 2,2% нижча, ніж у процесі механічного перемішування.
Витрати на електроенергію: Енергія, споживана ультразвуковим змішувальним реактором, приблизно в три рази нижче, ніж у механічної мішалки. Це значне зниження споживання енергії є результатом інтенсивного мікроперемішування та скорочення часу реакції, що є результатом виробництва та руйнування незліченної кількості порожнин, які характеризують явище акустичної / ультразвукової кавітації (Gholami et al., 2018). Крім того, в порівнянні зі звичайною мішалкою, енерговитрати на етапи відновлення метанолу і очищення біодизеля в процесі ультразвукового перемішування знижуються на 26,5% і 1,3% відповідно. Це зниження пов'язане з меншою кількістю метанолу, що надходить у ці дві ректифікаційні колони в процесі ультразвукової переетерифікації.
Витрати на утилізацію відходів: Технологія ультразвукової кавітації також значно знижує витрати на утилізацію відходів. Ці витрати в процесі ультразвуку становлять приблизно одну п'яту від вартості в процесі перемішування, що є результатом значного зниження виробництва відходів через більш високу конверсію реактора і меншу кількість спожитого спирту.
Читайте більше про ультразвукову біодизельну конверсію олій з відпрацьованої кавової гущі!
Екологічність: Завдяки дуже високій загальній ефективності, зниженому споживанню хімікатів, нижчим потребам в енергії та зменшенню відходів, виробництво ультразвукового біодизеля є значно більш екологічним, ніж звичайні процеси виробництва біодизеля.

Висновок – Ультразвук підвищує ефективність виробництва біодизеля

Наукова оцінка показує очевидні переваги ультразвукового перемішування перед звичайним механічним перемішуванням для виробництва біодизеля. Переваги ультразвукової переробки біодизеля включають загальні капітальні інвестиції, загальну собівартість продукції, чисту приведену вартість і внутрішню норму прибутку. Було виявлено, що сума загальних інвестицій у процес ультразвукової кавітації нижча, ніж у інших приблизно на 20,8%. Використання ультразвукових реакторів дозволило знизити собівартість продукції на 5,2% – з використанням олії каноли першого віджиму. Оскільки ультразвукова обробка дозволяє переробляти і відпрацьовані олії (наприклад, відпрацьовані кулінарні олії), витрати на виробництво можуть бути значно знижені. Gholami et al. (2021) приходять до висновку, що завдяки позитивній чистій приведеній вартості процес ультразвукової кавітації є кращим вибором технології змішування для виробництва біодизеля.
З технічної точки зору, найважливіші ефекти ультразвукової кавітації полягають у значній ефективності процесу і скороченні часу реакції. Освіта і руйнування численних вакуумних бульбашок – відома як акустична / ультразвукова кавітація – скоротити час реакції з декількох годин в реакторі з перемішуванням до декількох секунд в реакторі ультразвукової кавітації. Такий короткий час перебування дозволяє виробляти біодизель у проточному реакторі з невеликою площею. Ультразвуковий кавітаційний реактор також демонструє сприятливий вплив на потреби в енергії та матеріалах, знижуючи споживання енергії майже до третини від споживаної реактором з перемішаним баком, а також споживання метанолу та каталізатора на 25%.
З економічної точки зору, загальні інвестиції в процес ультразвукової кавітації нижчі, ніж у процес механічного перемішування, головним чином через зниження вартості реактора та вартості колонки перегону метанолу майже на 50% та 11,6% відповідно. Процес ультразвукової кавітації також знижує вартість виробництва біодизеля за рахунок зниження споживання ріпакової олії на 4%, зниження загальних інвестицій, зниження споживання хімікатів на 2,2% та зниження вимог до комунальних послуг на 23,8%. На відміну від процесу механічного перемішування, ультразвукова обробка є прийнятною інвестицією завдяки її позитивній чистій приведеній вартості, коротшому часу окупності та вищій внутрішній нормі прибутку. На додаток до техніко-економічних переваг, пов'язаних з процесом ультразвукової кавітації, він є більш екологічним, ніж процес механічного перемішування. Ультразвукова кавітація призводить до зменшення потоків відходів на 80% за рахунок більш високої конверсії в реакторі та зменшення споживання алкоголю в цьому процесі. (пор. Голамі та ін., 2021)

Використовуйте обраний каталізатор

Доведено ефективність процесу ультразвукової переетерифікації біодизеля з використанням як лужних, так і основних каталізаторів. Наприклад, Шинде та Каліагін (2019) порівняли ефективність ультразвукового та механічного змішування лопатей з використанням різних каталізаторів, а саме гідроксиду натрію (NaOH), гідроксиду калію (KOH), (CH₃ONa), гідроксид тетраметиламонію та чотири гуанідини (пропіл-2,3-дициклогексилгуанідин (PCHG), 1,3-дициклогексил 2 n-октилгуанідин (DCOG), 1,1,3,3-тетраметилгуанідин (TMG), 1,3-дифенілгуанідин (DPG)). Ультразвукове перемішування (при 35º), як було показано, перевершує виробництво біодизеля, перевершуючи механічне перемішування (при 65º) більш високими виходами і коефіцієнтом перетворення. Ефективність масообміну в полі ультразвуку підвищувала швидкість реакції переетерифікації в порівнянні з механічним перемішуванням. Ультразвуковий звук перевершив механічне перемішування для всіх випробуваних каталізаторів. Запуск реакції переетерифікації з ультразвуковою кавітацією є енергоефективною та промислово вигідною альтернативою для виробництва біодизеля. Крім широко використовуваних каталізаторів KOH і NaOH, обидва гуанідинові каталізатори, пропіл-2,3 дициклогексилгуанідин (PCHG) і 1,3-дициклогексил 2 n-октилгуанідин (DCOG), були показані як цікаві альтрністи для конверсії біодизеля.
Mootabadi et al. (2010) досліджували синтез біодизеля з пальмової олії за допомогою ультразвуку з використанням різноманітних каталізаторів оксиду лужних металів, таких як CaO, BaO та SrO. Активність каталізатора в синтезі біодизеля за допомогою ультразвуку порівняли з традиційним процесом магнітного перемішування, і було виявлено, що ультразвуковий процес показав 95,2% виходу з використанням BaO протягом 60 хв часу реакції, що в іншому випадку займає 3-4 год при звичайному процесі перемішування. Для переетерифікації за допомогою ультразвуку в оптимальних умовах потрібно 60 хв для досягнення 95% виходу в порівнянні з 2-4 год при звичайному перемішуванні. Крім того, вихід, досягнутий за допомогою ультразвуку за 60 хв, збільшився з 5,5% до 77,3% з використанням CaO як каталізаторів, з 48,2% до 95,2% з використанням SrO як каталізаторів і з 67,3% до 95,2% з використанням BaO як каталізаторів.

Виробництво біодизеля з використанням різних гуанідинів (3% моль) в якості каталізатора. (A) Механічний реактор періодичної дії перемішування: (метанол: ріпакова олія) 4:1, температура 65ºC; (B) Ультразвуковий реактор періодичної дії: ультразвуковий апарат UP200St, (метанол: олія каноли) 4:1, амплітуда 60% США, температура 35ºC. Змішування за допомогою ультразвуку значно перевершує механічне перемішування.
(Дослідження та графіки: Шинде та Каліагіне, 2019)

Високопродуктивні ультразвукові реактори для високоякісної переробки біодизеля

Hielscher Ultrasonics пропонує високопродуктивні ультразвукові процесори та реактори для покращення виробництва біодизеля, що призводить до підвищення врожайності, покращення якості, скорочення часу обробки та зниження виробничих витрат.

Малі та середні біодизельні реактори

Для малого та середнього виробництва біодизеля до 9 тонн/год (2900 гал/год) компанія Hielscher пропонує вам UIP500HDT (500 Вт), UIP1000HDT (1000 Вт), UIP1500HDT (1500 Вт)і UIP2000HDT (2000 Вт) Ультразвукові моделі змішувачів з високим зсувом. Ці чотири ультразвукові реактори дуже компактні, легко інтегруються або модернізуються. Вони створені для роботи у важких умовах експлуатації. Нижче ви знайдете рекомендовані установки реакторів для різних темпів виробництва.

Промислові біодизельні реактори з дуже великою пропускною здатністю

Для промислових переробних заводів з виробництва біодизеля Hielscher пропонує UIP4000HDT (4 кВт), UIP6000HDT (6 кВт), UIP10000 (10 кВт) і UIP16000HDT (16 кВт) ультразвукові гомогенізатори! Ці ультразвукові процесори призначені для безперервної обробки високих швидкостей потоку. UIP4000hdT, UIP6000hdT і UIP10000 можуть бути інтегровані в стандартні морські контейнери. Крім того, всі чотири моделі процесорів доступні в корпусах з нержавіючої сталі. Вертикальна установка вимагає мінімального простору. Нижче наведено рекомендовані налаштування для типових темпів промислової обробки.