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.

Ультразвуковий біодизельний реактор UIP2000HDT Для неперевершеної ефективності процесу: вищі врожаї, покращена якість біодизеля, швидша переробка та зниження витрат.
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)

Ультразвуковий проточний реактор з 3x 1 кВт ультразвукові апарати моделі 1000HDT для високоефективної конверсії біодизеля.

Блок-схема показує типову установку для процесу біодизеля за допомогою ультразвуку. Використання ультразвукового реактора значно підвищує ефективність біодизельного процесу.
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.
тонн/год
|
гал/год
|
|
---|---|---|
1x UIP500HDT (500 Вт) |
0від .25 до 0.5
|
від 80 до 160
|
1x UIP1000HDT (1000 Вт) |
0від .5 до 1.0
|
від 160 до 320
|
1x UIP1500HDT (1500 Вт) |
0від .75 до 1,5
|
від 240 до 480
|
1x UIP2000HDT (2000 Вт) |
Від 1,0 до 2,0
|
від 320 до 640
|
2x UIP2000HDT (2000 Вт) |
Від 2,0 до 4,0
|
від 640 до 1280
|
4xUIP1500HDT (1500 Вт) |
Від 3,0 до 6,0
|
З 960 по 1920 рр.
|
6x UIP1500HDT (1500 Вт) |
від 4,5 до 9,0
|
від 1440 до 2880
|
6x UIP2000HDT (2000 Вт) |
від 6,0 до 12,0
|
З 1920 по 3840 рр.
|
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.
тонн/год
|
гал/год
|
1x UIP6000HDT (6000 Вт) |
Від 3,0 до 6,0
|
З 960 по 1920 рр.
|
---|---|---|
3x UIP4000HDT (4000 Вт) |
від 6,0 до 12,0
|
З 1920 по 3840 рр.
|
5x UIP4000HDT (4000 Вт) |
від 10,0 до 20,0
|
від 3200 до 6400
|
3x UIP6000HDT (6000 Вт) |
від 9,0 до 18,0
|
від 2880 до 5880
|
3x UIP10000 (10 000 Вт) |
від 15,0 до 30,0
|
від 4800 до 9600
|
3x UIP16000HDT (16 000 Вт) |
Від 24,0 до 48,0
|
від 7680 до 15360
|
5x UIP16000HDT |
Від 40,0 до 80,0
|
від 12800 до 25600
|
Зв'яжіться з нами! / Запитайте нас!
Література / Список літератури
- 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.
Факти, які варто знати
Виробництво біодизеля
Біодизель утворюється, коли тригліцериди перетворюються на вільний жирний метиловий ефір (FAME) за допомогою хімічної реакції, відомої як переетерифікація. Тригліцериди - це гліцериди, в яких гліцерин етерифікується кислотами з довгим ланцюгом, відомими як жирні кислоти. Ці жирні кислоти в достатку присутні в рослинному маслі і тваринних жирах. Під час реакції переетерифікації тригліцериди, присутні у вихідній сировині (наприклад, рослинні олії, відпрацьовані кулінарні олії або тваринні жири), реагують у присутності каталізатора (наприклад, гідроксиду калію або гідроксиду натрію) з первинним спиртом (наприклад, метанолом). У реакції переетерифікації біодизеля з вихідної сировини рослинного масла або тваринного жиру утворюються алкільні ефіри. Оскільки біодизель можна виробляти з різної сировини, такої як рослинні олії першого віджиму, відпрацьовані рослинні олії, використані олії для смаження, тваринні жири, такі як сало та сало, кількість вільних жирних кислот (FFA) може сильно варіюватися. Процентний вміст вільних жирних кислот у тригліцеридах є вирішальним фактором, який суттєво впливає на процес виробництва біодизеля та його якість отриманого біодизеля. Велика кількість вільних жирних кислот може перешкоджати процесу перетворення і погіршувати кінцеву якість біодизеля. Основна проблема полягає в тому, що вільні жирні кислоти (ВЖК) вступають в реакцію з каталізаторами лугів, в результаті чого утворюється мило. Утворення мила згодом викликає проблеми з відділенням гліцерину. Тому сировина, що містить велику кількість ВЖК, в основному вимагає попередньої обробки (так звана реакція етерифікації), під час якої ВЖК перетворюються на ефіри. Ультразвук сприяє як реакціям, так і переетерифікації та етерифікації.
Дізнайтеся більше про етерифікацію за допомогою ультразвуку з кислотним каталізом та переетерифікацію бідних олій та жирів за допомогою основи до високоякісного біодизеля!

Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори з Лабораторії до промислові розміри.