Виробництво біодизеля з найвищою ефективністю процесу та економічною доцільністю

Ультразвукове змішування є найкращою технологією для високоефективного та економічно вигідного виробництва біодизеля. Ультразвукова кавітація різко покращує масоперенесення, тим самим знижуючи виробничі витрати та тривалість обробки. Водночас можна використовувати олії та жири низької якості (наприклад, відпрацьовані олії), а якість біодизеля покращується. Hielscher Ultrasonics постачає високопродуктивні, надійні ультразвукові реактори для змішування для будь-якого масштабу виробництва. Дізнайтеся більше про те, як ваше виробництво біодизеля виграє від ультразвукової обробки!

Переваги виробництва біодизеля за допомогою ультразвуку

Біодизель (метилові ефіри жирних кислот, скор. FAME) є продуктом реакції переетерифікації ліпідної сировини (тригліцериди, наприклад, рослинна олія, відпрацьовані олії для смаження, тваринні жири, олія з водоростей) та спирту (метанол, етанол) з використанням каталізатора (наприклад, гідроксид калію KOH).
Проблема: При традиційному перетворенні на біодизель із використанням звичайного перемішування незмішувана природа обох реагентів реакції переетерифікації олії та спирту призводить до низької швидкості масоперенесення, що спричиняє неефективне виробництво біодизеля. Ця неефективність характеризується тривалим часом реакції, вищими мольними співвідношеннями метанол-олія, високими вимогами до каталізатора, високими температурами процесу та високими швидкостями перемішування. Ці фактори є значними драйверами витрат, що робить традиційне виробництво біодизеля дорогим процесом.
Рішення: Ультразвукове змішування емульгує реагенти у високоефективний, швидкий та дешевий спосіб, так що співвідношення олія-метанол можна покращити, вимоги до каталізатора зменшуються, а час реакції та температура реакції знижуються. Таким чином, заощаджуються ресурси (тобто хімікати та енергія), а також час, зменшуються витрати на обробку, тоді як якість біодизеля та рентабельність виробництва суттєво покращуються. Ці факти перетворюють ультразвукове змішування на переважну технологію для ефективного виробництва біодизеля.
Дослідницькі та промислові виробники біодизеля підтверджують, що ультразвукове змішування є високоекономічним способом виробництва біодизеля, навіть коли сировиною служать олії та жири низької якості. Ультразвукове інтенсифікування процесу суттєво покращує ступінь перетворення, зменшуючи використання надлишкового метанолу та каталізатора, дозволяючи виробляти біодизель, що відповідає стандартам якості ASTM D6751 та специфікаціям EN 14212. (пор. Abdullah et al., 2015)

Переетерифікація тригліцеридів у біодизель (FAME) за допомогою ультразвукової обробки призводить до прискореної реакції та значно вищої ефективності.

Численні переваги ультразвукового змішування у виробництві біодизеля

Ультразвукові реактори для змішування можна легко інтегрувати в будь-яку нову установку, а також дооснащувати ними існуючі заводи з виробництва біодизеля. Інтеграція ультразвукового змішувача Hielscher перетворює будь-яке підприємство з виробництва біодизеля на високопродуктивний виробничий завод. Простота встановлення, надійність та зручність у користуванні (немає потреби у спеціальному навчанні для експлуатації) дозволяють модернізувати будь-яке підприємство до високоефективного заводу з виробництва біодизеля. Нижче ми представляємо вам науково доведені результати переваг, задокументовані незалежними третіми сторонами. Цифри доводять перевагу ультразвукового змішування біодизеля над будь-якою традиційною технікою перемішування.

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

Порівняння ефективності та вартості: Ультразвук проти механічного перемішування

Gholami et al. (2021) у своєму порівняльному дослідженні представляють переваги ультразвукової переетерифікації над механічним перемішуванням (тобто лопатевий змішувач, імператор, високозсувний змішувач).

Низькі інвестиційні витрати:
Ультразвуковий процесор і реактор UIP16000 можуть виробляти 192–384 т біодизеля/добу з площею всього 1,2 м x 0,6 м. Для порівняння, для механічного перемішування (MS) потрібен значно більший реактор через тривалий час реакції в процесі механічного перемішування, що призводить до суттєвого зростання вартості реактора. (див. Gholami et al., 2020)
Низькі витрати на обробку:
Витрати на обробку для виробництва біодизеля за допомогою ультразвуку на 7,7% нижчі, ніж для процесу перемішування, переважно через менші загальні інвестиції для процесу ультразвукової обробки. Вартість хімікатів (каталізатор, метанол/спирт) є третім за величиною фактором витрат в обох процесах, ультразвукової обробки та механічного перемішування. Однак для ультразвукової конверсії біодизеля витрати на хімікати значно нижчі, ніж для механічного перемішування. Частка витрат на хімікати становить приблизно 5% від кінцевої вартості біодизеля. Через менше споживання метанолу, гідроксиду натрію та фосфорної кислоти витрати на хімікати в процесі ультразвукового виробництва біодизеля на 2,2% нижчі, ніж у процесі механічного перемішування.

Знижені витрати на енергію:
Енергія, споживана ультразвуковим реактором змішування, приблизно втричі нижча, ніж у механічному мішалці. Це значне зниження споживання енергії є результатом інтенсивного мікрозмішування та скорочення часу реакції, що виникають внаслідок утворення та колапсу незліченних порожнин, які характеризують явище акустичної / ультразвукової кавітації (Gholami et al., 2018). Крім того, порівняно зі звичайною мішалкою, споживання енергії на етапах рекуперації метанолу та очищення біодизеля під час процесу ультразвукового змішування зменшується на 26,5% та 1,3% відповідно. Це зниження зумовлене меншою кількістю метанолу, що надходить у ці дві ректифікаційні колони в процесі ультразвукового переетерифікації.

Різко знижені витрати на утилізацію відходів:
Технологія ультразвукової кавітації також помітно знижує витрати на утилізацію відходів. Ці витрати в процесі ультразвукової обробки становлять приблизно одну п’яту від витрат у процесі перемішування, що є результатом значного зменшення виробництва відходів завдяки вищій конверсії в реакторі та меншій кількості спожитого спирту.
Дізнайтеся більше про ультразвукову конверсію біодизеля з олії з відпрацьованої кавової гущі!

Покращена екологічність:
Завдяки дуже високій загальній ефективності, зниженому споживанню хімікатів, меншим енерговимогам та зменшенню відходів, виробництво біодизеля за допомогою ультразвуку є значно більш екологічно чистим, ніж традиційні процеси виробництва біодизеля.

Висновок – Ультразвук покращує ефективність виробництва біодизеля

Наукова оцінка демонструє чіткі переваги ультразвукового змішування над традиційним механічним перемішуванням для виробництва біодизеля. Переваги ультразвукової обробки біодизеля включають загальні капітальні інвестиції, загальну собівартість продукту, чисту теперішню вартість та внутрішню ставку дохідності. Виявлено, що сума загальних інвестицій у процес ультразвукової кавітації була нижчою, ніж у інших, приблизно на 20,8%. Використання ультразвукових реакторів знизило собівартість продукту на 5,2% – при використанні свіжої олії канолы. Оскільки ультразвукова обробка дозволяє також переробляти відпрацьовані олії (наприклад, використані олії для смаження), виробничі витрати можна значно знизити ще більше. Gholami et al. (2021) доходять висновку, що завдяки позитивній чистій теперішній вартості процес ультразвукової кавітації є кращим вибором технології змішування для виробництва біодизеля.
З технічної точки зору, найважливіші ефекти ультразвукової кавітації охоплюють значну ефективність процесу та скорочення часу реакції. Утворення та колапс численних вакуумних бульбашок – відоме як акустична / ультразвукова кавітація – скорочує час реакції з кількох годин у реакторі з перемішуванням до кількох секунд у реакторі ультразвукової кавітації. Цей короткий час перебування дозволяє виробляти біодизель у проточному реакторі з малою площею. Реактор ультразвукової кавітації також демонструє позитивні ефекти щодо енергетичних та матеріальних вимог, знижуючи споживання енергії майже до однієї третини від того, що споживає реактор з перемішуванням, а споживання метанолу та каталізатора – на 25%.
З економічної точки зору, загальні інвестиції в процес ультразвукової кавітації нижчі, ніж у процесі механічного перемішування, переважно завдяки зниженню вартості реактора та вартості колони ректифікації метанолу приблизно на 50% та 11,6% відповідно. Процес ультразвукової кавітації також знижує собівартість виробництва біодизеля завдяки зменшенню споживання олії канолы на 4%, нижчим загальним інвестиціям, на 2,2% нижчому споживанню хімікатів та на 23,8% нижчим вимогам до комунальних послуг. На відміну від процесу з механічним перемішуванням, ультразвукова обробка є прийнятною інвестицією завдяки своїй позитивній чистій теперішній вартості, коротшому терміну окупності та вищій внутрішній ставці дохідності. Крім техно-економічних переваг, пов’язаних із процесом ультразвукової кавітації, він є більш екологічно чистим, ніж процес механічного перемішування. Ультразвукова кавітація призводить до зменшення потоків відходів на 80% завдяки вищій конверсії в реакторі та зниженому споживанню спирту в цьому процесі. (пор. Gholami et al., 2021)

Перетворіть сировину низької якості на бездоганний біодизель!

Ультразвукова обробка дозволяє ефективніше переробляти таку низькоякісну сировину, як відпрацьовані рослинні олії, використані жири для смаження, тваринні жири або риб’ячі олії, оскільки ультразвукова кавітація забезпечує набагато кращий контакт між незмішуваними фазами олії та спирту, значно покращуючи змішування, а також тепло- та масоперенесення. Вона також прискорює кінетику реакції, тому навіть складна, змінна сировина може бути перетворена швидше та повніше.
Акустична кавітація інтенсифікує середовище реакції та може сприяти утворенню високоактивних радикалів, що додатково підтримує швидку переетерифікацію та допомагає подолати звичайні недоліки обробки сировини низької якості.
Дізнайтеся, як ультразвукова обробка перетворює відпрацьовані олії та жири на біодизель!

Використовуйте каталізатор на ваш вибір

Ультразвуковий процес переетерифікації для виробництва біодизеля довів свою ефективність при використанні як лужних, так і основних каталізаторів. Наприклад, Shinde та Kaliaguine (2019) порівняли ефективність ультразвукового та механічного лопатевого змішування з використанням різних каталізаторів, а саме гідроксиду натрію (NaOH), гідроксиду калію (KOH), (CH₃ONa), тетраметиламоній гідроксид та чотири гуанідини (пропіл-2,3-дициклогексилгуанідин (PCHG), 1,3-дициклогексил-2-н-октилгуанідин (DCOG), 1,1,3,3-тетраметилгуанідин (TMG), 1,3-дифенілгуанідин (DPG)). Ультразвукове змішування (при 35º), як показано, є кращим для виробництва біодизеля, перевершуючи механічне змішування (при 65º) за вищою вихідною кількістю та ступенем конверсії. Ефективність масопереносу в ультразвуковому полі підвищувала швидкість реакції переетерифікації порівняно з механічним перемішуванням. Ультразвукова обробка перевершувала механічне перемішування для всіх випробуваних каталізаторів. Проведення реакції переетерифікації з ультразвуковою кавітацією є енергоефективною та промислово придатною альтернативою для виробництва біодизеля. Крім широко використовуваних каталізаторів KOH та NaOH, обидва гуанідинові каталізатори, пропіл-2,3-дициклогексилгуанідин (PCHG) та 1,3-дициклогексил-2-н-октилгуанідин (DCOG), були показані як цікаві альтернативи для конверсії біодизеля.
Mootabadi et al. (2010) досліджували синтез біодизеля за допомогою ультразвуку з пальмової олії, використовуючи різноманітні каталізатори на основі оксидів лужних металів, такі як CaO, BaO та SrO. Активність каталізатора в синтезі біодизеля за допомогою ультразвуку порівнювали з традиційним процесом магнітного перемішування, і було виявлено, що ультразвуковий процес показав 95,2% виходу, використовуючи BaO протягом 60 хв часу реакції, що інакше вимагало б 3–4 год у звичайному процесі перемішування. Для ультразвуково-асистованої переетерифікації за оптимальних умов було потрібно 60 хв, щоб досягти 95% виходу, порівняно з 2–4 год при звичайному перемішуванні. Також виходи, досягнуті за допомогою ультразвуку за 60 хв, зросли з 5,5% до 77,3% при використанні CaO як каталізаторів, з 48,2% до 95,2% при використанні SrO як каталізаторів та з 67,3% до 95,2 при використанні BaO як каталізаторів.

Виробництво біодизеля з використанням різних гуанідинів (3% моль) як каталізаторів. (A) Механічне перемішування в реакторі періодичної дії: (метанол:олія ріпаку) 4:1, температура 65ºC; (B) Ультразвуковий реактор періодичної дії: ультразвуковий гомогенізатор UP200St, (метанол:олія ріпаку) 4:1, 60% амплітуда US, температура 35ºC. Змішування, кероване ультразвуком, значно перевершує механічне перемішування.
(Дослідження та графіки: Shinde and Kaliaguine, 2019)

Високоефективні ультразвукові реактори для покращеної обробки біодизеля

Hielscher Ultrasonics пропонує високоефективні ультразвукові процесори та реактори для покращеного виробництва біодизеля, що призводить до вищих виходів, покращеної якості, скороченого часу обробки та нижчих виробничих витрат.

Реактори для виробництва біодизеля малого та середнього масштабу

Для виробництва біодизеля малого та середнього розміру до 9 т/год (2900 гал/год), Hielscher пропонує вам UIP500hdT (500 Вт), UIP1000hdT (1000 Вт), UIP1500hdT (1500 Вт), та UIP2000hdT (2000 Вт) моделі ультразвукових високосдвигових змішувачів. Ці чотири ультразвукові реактори дуже компактні, їх легко інтегрувати або встановити повторно. Вони розроблені для важких умов експлуатації в жорстких середовищах. Нижче ви знайдете рекомендовані конфігурації реакторів для діапазону виробничих потужностей.

Промислові реактори для виробництва біодизеля з дуже великою пропускною здатністю

Для промислової обробки заводів з виробництва біодизеля Hielscher пропонує UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) та UIP16000hdT (16kW) ультразвукові гомогенізатори! Ці ультразвукові процесори розроблені для безперервної обробки високих об’ємних витрат. UIP4000hdT, UIP6000hdT та UIP10000 можна інтегрувати в стандартні морські вантажні контейнери. Альтернативно, всі чотири моделі процесорів доступні в шафах із нержавіючої сталі. Вертикальна установка вимагає мінімальної площі. Нижче наведено рекомендовані конфігурації для типових промислових швидкостей обробки.