Hiệu quả năng lượng và tiết kiệm metanol trong sản xuất diesel sinh học

Xử lý bằng siêu âm là công nghệ trộn tiết kiệm năng lượng, sử dụng hiện tượng xâm thực siêu âm để tạo ra sự trộn vi mô mạnh mẽ và truyền khối nhanh giữa hai pha dầu và metanol không hòa tan lẫn nhau. Trong quá trình sản xuất diesel sinh học, hiệu ứng này rút ngắn đáng kể thời gian phản ứng – từ hàng giờ xuống còn vài giây – và cho phép thực hiện phản ứng trao đổi este hiệu quả ở nhiệt độ thấp hơn, đồng thời giảm lượng metanol và chất xúc tác sử dụng. Bên cạnh việc bản thân là một công nghệ xử lý có hiệu quả năng lượng cao, xử lý bằng siêu âm còn giảm nhu cầu metanol và chất xúc tác, giảm thiểu tổn thất năng lượng và giảm nhu cầu thu hồi metanol bằng chưng cất, nhờ đó trở thành một phương án thay thế có hiệu quả cao và bền vững cho phương pháp khuấy cơ học thông thường.

Xử lý bằng siêu âm để tăng cường quá trình sản xuất diesel sinh học

Theo truyền thống, quá trình sản xuất diesel sinh học dựa vào các thiết bị khuấy cơ học dạng cánh để trộn dầu và cồn trong phản ứng trao đổi este. Tuy nhiên, phương pháp này có hạn chế là khả năng tiếp xúc tại bề mặt phân cách giữa các pha không hòa tan lẫn nhau kém, dẫn đến thời gian phản ứng dài, lượng metanol dư lớn và tổn thất năng lượng đáng kể trong cả quá trình trộn lẫn quá trình thu hồi metanol bằng chưng cất sau đó.
Việc đưa vào ứng dụng công nghệ xâm thực siêu âm do Hielscher Ultrasonics GmbH phát triển đã cải thiện căn bản hiệu quả của quá trình. Các thiết bị phản ứng siêu âm cung cấp năng lượng âm cường độ cao, tạo ra các bọt xâm thực cực nhỏ trong pha lỏng. Sự sụp đổ của các bọt này tạo ra các điểm nóng cục bộ, sự trộn vi mô mạnh mẽ và tốc độ truyền khối cao, cho phép phản ứng trao đổi este diễn ra nhanh chóng trong điều kiện ôn hòa.

So sánh xâm thực siêu âm và khuấy cơ học

1. Hiệu quả phản ứng và hiệu năng trộn

Trong một nghiên cứu đánh giá so sánh kinh tế – kỹ thuật giữa thiết bị phản ứng xâm thực siêu âm (UC) và thiết bị phản ứng khuấy cơ học (MS) (Gholami và cộng sự, 2021):
Thiết bị phản ứng siêu âm đạt hiệu suất chuyển hóa 99% trong vòng 5–15 giây,
trong khi thiết bị phản ứng khuấy cơ học cần ~80 phút để đạt hiệu suất chuyển hóa 95%.
Sự tăng tốc vượt bậc này bắt nguồn từ các dòng vi mô do sóng âm và quá trình nhũ hóa do xâm thực mà các thiết bị phản ứng Hielscher tạo ra. Những cơ chế này tạo ra hệ phân tán mịn của cồn trong dầu, làm tăng đáng kể diện tích bề mặt phân cách và giảm thiểu trở lực truyền khối.
Hiệu năng trộn vượt trội cho phép thực hiện phản ứng trao đổi este ở nhiệt độ thấp hơn (45–60°C) và áp suất vừa phải (~3 bar), so với các quy trình thông thường vốn thường đòi hỏi áp suất cao hơn (~4 bar) để ngăn metanol bay hơi và duy trì độ hòa tan.

Trộn bằng siêu âm làm giảm mức tiêu thụ năng lượng riêng trong sản xuất diesel sinh học, vượt xa phương pháp trộn từ thủy động lực học và các máy trộn có lực cắt cao.

2. Tiêu thụ năng lượng và thiết kế thiết bị phản ứng

Các hệ thống siêu âm dòng chảy liên tục của Hielscher (ví dụ: UIP1500hdT, UIP16000hdT) cung cấp mật độ công suất cao với nhu cầu năng lượng riêng chỉ ~3 kJ/L diesel sinh học được sản xuất. Trong mô hình kinh tế – kỹ thuật cho một nhà máy diesel sinh học có công suất 50.000 t/năm, tổng nhu cầu năng lượng của quá trình giảm 6,9% khi chuyển từ khuấy cơ học sang xâm thực siêu âm.

Chi tiết như sau:

Phần tiết kiệm chủ yếu đến từ việc rút ngắn đáng kể thời gian phản ứng trao đổi este, cho phép giảm thể tích thiết bị phản ứng và nhu cầu gia nhiệt. Thiết kế dòng chảy liên tục nhỏ gọn của các thiết bị phản ứng Hielscher, chẳng hạn như UIP16000hdT, có thể sản xuất tới 384 t diesel sinh học/ngày, cho phép mở rộng quy mô bằng cách kết hợp các mô-đun thành cụm mà không gặp tình trạng sử dụng thể tích kém hiệu quả của các bồn khuấy lớn.

Tiết kiệm metanol và giảm năng lượng thu hồi

Một yếu tố đóng góp quan trọng vào lợi thế về năng lượng của xử lý siêu âm là việc sử dụng methanol được tối ưu hóa.
 Phương pháp khuấy cơ học truyền thống đòi hỏi tỷ lệ mol methanol trên dầu là 6:1 để thúc đẩy phản ứng theo chiều thuận, tạo ra lượng methanol dư lớn mà sau đó phải được thu hồi bằng quá trình bay hơi hoặc chưng cất tiêu tốn nhiều năng lượng.
Tuy nhiên, công nghệ xâm thực siêu âm của Hielscher đạt mức chuyển hóa gần như hoàn toàn với tỷ lệ methanol trên dầu chỉ 4–4,5:1. Việc giảm 25% lượng cồn nguyên liệu này không chỉ cắt giảm chi phí nguyên liệu mà còn tránh phải làm bay hơi và ngưng tụ hàng nghìn lít methanol, giúp giảm đáng kể lượng hơi nước tiêu thụ trong tháp thu hồi methanol.
Hơn nữa, nhu cầu methanol và chất xúc tác thấp hơn giúp giảm thiểu sự hình thành sản phẩm phụ và đơn giản hóa quá trình tinh chế sau phản ứng, góp phần phân tách pha sạch hơn và giảm phát sinh nước thải kiềm.

 
Tìm hiểu vì sao sản xuất biodiesel bằng siêu âm cũng có thể sử dụng nguyên liệu giá rẻ như dầu ăn thải và mỡ lợn để sản xuất biodiesel!
 

Phương pháp siêu âm đạt mức chuyển hóa khoảng 75% trong 1,5 phút đầu tiên và ổn định ở mức chuyển hóa khoảng 90% sau 6 phút.
Phương pháp thông thường cho thấy tốc độ chuyển hóa chậm hơn nhiều, chỉ đạt mức chuyển hóa khoảng 40% sau 8 phút.

Tác động kinh tế và môi trường

Mô hình kinh tế kỹ thuật của Gholami và cộng sự (2021) cho thấy:

• Tổng chi phí đầu tư giảm khoảng 21%,
• Chi phí sản phẩm trên mỗi tấn giảm khoảng 5%,
• Lượng chất thải phát sinh giảm còn một phần năm so với phương pháp khuấy cơ học,
• Tỷ suất hoàn vốn nội bộ (IRR) được cải thiện lên 18,3% với giá trị hiện tại ròng (NPV) dương, trong khi quy trình thông thường vẫn không có hiệu quả kinh tế.

Từ góc độ môi trường, việc giảm lượng methanol dư trực tiếp giảm phát thải các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và giảm sử dụng nhiệt năng, giúp sản xuất biodiesel bằng siêu âm phù hợp với các mục tiêu sản xuất xanh.

Tổng quan về các ưu điểm của thiết bị phản ứng siêu âm sản xuất biodiesel

(kết quả nghiên cứu so sánh, xem Gholami và cộng sự, 2021)

Thiết bị phản ứng siêu âm hiệu suất cao để sản xuất biodiesel

Các thiết bị phản ứng siêu âm sản xuất biodiesel do Hielscher Ultrasonics thiết kế không chỉ thực hiện phản ứng trao đổi este nhanh chóng và đồng đều mà còn tiết kiệm đáng kể năng lượng và nguyên liệu. Việc giảm sử dụng methanol dư – cùng với việc loại bỏ tương ứng các bước thu hồi ở nhiệt độ cao – tạo nên một lợi thế lớn về tính bền vững.
Khi kết hợp với khả năng mở rộng quy mô theo mô-đun, yêu cầu bảo trì thấp và khả năng tương thích với các chất xúc tác dị thể, các thiết bị siêu âm Hielscher thiết lập một chuẩn mực cho công nghệ sản xuất biodiesel sạch và tiết kiệm năng lượng.
 
Đọc thêm về các ưu điểm của công nghệ biodiesel Hielscher Ultrasonics!
 

Bảng dưới đây cho biết công suất xử lý gần đúng của các thiết bị phản ứng siêu âm sản xuất biodiesel Hielscher:

Thiết kế, chế tạo và tư vấn – Chất lượng sản xuất tại Đức

Các thiết bị siêu âm Hielscher nổi tiếng với các tiêu chuẩn chất lượng và thiết kế cao nhất. Độ bền và khả năng vận hành dễ dàng cho phép tích hợp thuận lợi các thiết bị siêu âm của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Các thiết bị siêu âm Hielscher dễ dàng đáp ứng các điều kiện khắc nghiệt và môi trường có yêu cầu cao.

Hielscher Ultrasonics là công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt chú trọng đến các thiết bị siêu âm hiệu suất cao có công nghệ tiên tiến nhất và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, các thiết bị siêu âm Hielscher tuân thủ CE và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• 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.