Trộn siêu âm là công nghệ vượt trội để sản xuất diesel sinh học hiệu quả cao và tiết kiệm chi phí. Cavitation siêu âm cải thiện chuyển khối lượng mạnh mẽ, do đó làm giảm chi phí sản xuất và thời gian xử lý. Đồng thời, các loại dầu và chất béo kém chất lượng (ví dụ, dầu thải) có thể được sử dụng và chất lượng diesel sinh học được cải thiện. Hielscher Ultrasonics cung cấp các lò phản ứng trộn siêu âm hiệu suất cao, mạnh mẽ cho bất kỳ quy mô sản xuất nào. Đọc thêm làm thế nào sản xuất diesel sinh học của bạn sẽ được hưởng lợi từ sonication!

Lợi ích sản xuất diesel sinh học bằng cách sử dụng siêu âm

Diesel sinh học (axit béo methyl ester, abrev. FAME) là sản phẩm của phản ứng chuyển hóa của nguyên liệu lipid (triglyceride, ví dụ, dầu thực vật, dầu ăn đã qua sử dụng, mỡ động vật, dầu tảo) và rượu (methanol, ethanol) sử dụng chất xúc tác (ví dụ: kali hydroxit KOH).
Vấn đề: Trong chuyển đổi diesel sinh học thông thường bằng cách sử dụng khuấy thông thường, bản chất không thể chấp nhận được của cả hai chất phản ứng của phản ứng chuyển hóa của dầu và rượu dẫn đến tỷ lệ chuyển khối lượng kém dẫn đến sản xuất diesel sinh học không hiệu quả. Sự kém hiệu quả này được đặc trưng bởi thời gian phản ứng dài, tỷ lệ răng hàm methanol-dầu cao hơn, yêu cầu chất xúc tác cao, nhiệt độ quá trình cao và tỷ lệ khuấy cao. Những yếu tố này là những động lực chi phí đáng kể làm cho sản xuất dầu diesel sinh học thông thường trở thành một quá trình tốn kém.
Giải pháp: Trộn siêu âm nhũ hóa các chất phản ứng một cách hiệu quả cao, nhanh chóng và chi phí thấp để tỷ lệ dầu-methanol có thể được cải thiện, yêu cầu chất xúc tác được giảm, thời gian phản ứng và nhiệt độ phản ứng được hạ xuống. Do đó, tài nguyên (tức là hóa chất và năng lượng) cũng như thời gian được tiết kiệm, chi phí chế biến được giảm, trong khi chất lượng dầu diesel sinh học và lợi nhuận sản xuất được cải thiện đáng kể. Những sự kiện này biến sự pha trộn siêu âm trong công nghệ ưa thích để sản xuất diesel sinh học hiệu quả.
Các nhà sản xuất dầu diesel sinh học công nghiệp và nghiên cứu xác nhận rằng trộn siêu âm là một cách hiệu quả về chi phí cao để sản xuất dầu diesel sinh học, ngay cả khi các loại dầu và chất béo kém chất lượng được sử dụng làm nguyên liệu. Quá trình tăng cường siêu âm cải thiện đáng kể tỷ lệ chuyển đổi làm giảm việc sử dụng methanol dư thừa và chất xúc tác, cho phép sản xuất dầu diesel sinh học đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng của các thông số kỹ thuật ASTM D6751 và EN 14212. (xem Abdullah et al., 2015)

Transesterification của chất béo trung tính thành dầu diesel sinh học (FAME) bằng cách sử dụng sonication kết quả trong phản ứng tăng tốc và hiệu quả cao hơn đáng kể.

Nhiều lợi thế của trộn siêu âm trong sản xuất diesel sinh học

Lò phản ứng trộn siêu âm có thể dễ dàng tích hợp vào bất kỳ cài đặt mới nào cũng như được trang bị retro vào các nhà máy diesel sinh học hiện có. Việc tích hợp máy trộn siêu âm Hielscher biến bất kỳ cơ sở diesel sinh học nào thành một nhà máy sản xuất hiệu suất cao. Cài đặt đơn giản, mạnh mẽ và thân thiện với người dùng (không cần đào tạo cụ thể cho hoạt động) cho phép nâng cấp bất kỳ cơ sở nào thành nhà máy diesel sinh học hiệu quả cao. Dưới đây, chúng tôi trình bày cho bạn kết quả đã được khoa học chứng minh về lợi thế được ghi nhận bởi các bên thứ ba độc lập. Những con số chứng minh tính ưu việt của hỗn hợp diesel sinh học siêu âm so với bất kỳ kỹ thuật khuấy thông thường nào.

Lưu đồ cho thấy các bước sản xuất diesel sinh học bao gồm trộn siêu âm để cải thiện hiệu quả quy trình.

So sánh hiệu quả và chi phí: Siêu âm so với khuấy cơ học

Gholami et al. (2021) có mặt trong nghiên cứu so sánh của họ về lợi thế của việc chuyển hóa siêu âm so với khuấy cơ học (ví dụ: máy trộn lưỡi dao, cánh quạt, máy trộn cắt cao).
Chi phí đầu tư: Bộ xử lý siêu âm và lò phản ứng UIP16000 có thể sản xuất diesel sinh học 192-384 tấn / d với dấu chân chỉ 1,2m x 0,6m. Để so sánh, để khuấy cơ học (MS), một lò phản ứng lớn hơn nhiều là cần thiết do thời gian phản ứng dài trong quá trình strirrng cơ học, khiến chi phí lò phản ứng tăng đáng kể. (xem Gholami et al., 2020)
Chi phí chế biến: Chi phí xử lý cho sản xuất diesel sinh học siêu âm thấp hơn 7,7% so với quá trình khuấy, chủ yếu là do tổng đầu tư thấp hơn cho quá trình sonication. Chi phí hóa chất (chất xúc tác, methanol / rượu) là trình điều khiển chi phí lớn thứ ba trong cả hai quá trình, sonication và khuấy cơ học. Tuy nhiên, đối với chuyển đổi diesel sinh học siêu âm, chi phí cho hóa chất thấp hơn đáng kể so với khuấy cơ học. Phần chi phí cho hóa chất chiếm khoảng 5% chi phí diesel sinh học cuối cùng. Do mức tiêu thụ methanol, natri hydroxit và axit photphoric thấp hơn, chi phí cho các hóa chất trong quá trình diesel sinh học siêu âm thấp hơn 2,2% so với quá trình khuấy cơ học.
Chi phí năng lượng: Năng lượng tiêu thụ bởi lò phản ứng trộn siêu âm thấp hơn khoảng ba lần so với máy khuấy cơ học. Việc giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng này là một sản phẩm của sự pha trộn vi mô mạnh mẽ và giảm thời gian phản ứng, do sản xuất và sụp đổ của vô số sâu răng, đặc trưng cho hiện tượng cavitation âm thanh / siêu âm (Gholami et al., 2018). Ngoài ra, so với máy khuấy thông thường, mức tiêu thụ năng lượng cho các giai đoạn thu hồi methanol và lọc diesel sinh học trong quá trình trộn siêu âm giảm lần lượt 26,5% và 1,3%. Sự suy giảm này là do lượng methanol thấp hơn đi vào hai cột chưng cất này trong quá trình chuyển hóa siêu âm.
Chi phí xử lý chất thải: Công nghệ cavitation siêu âm cũng làm giảm đáng kể chi phí xử lý chất thải. Chi phí này trong quá trình sonic hóa là khoảng một phần năm trong quá trình khuấy, do giảm đáng kể sản xuất chất thải do chuyển đổi lò phản ứng cao hơn và lượng rượu tiêu thụ thấp hơn.
Thân thiện với môi trường: Do hiệu quả tổng thể rất cao, tiêu thụ hóa chất giảm, yêu cầu năng lượng thấp hơn và giảm chất thải, sản xuất diesel sinh học siêu âm thân thiện với môi trường hơn đáng kể so với các quy trình sản xuất diesel sinh học thông thường.

Kết thúc – Siêu âm cải thiện hiệu quả sản xuất diesel sinh học

Đánh giá khoa học cho thấy những lợi thế rõ ràng của việc trộn siêu âm so với khuấy cơ học thông thường để sản xuất diesel sinh học. Những lợi thế của chế biến diesel sinh học siêu âm bao gồm tổng vốn đầu tư, tổng chi phí sản phẩm, giá trị hiện tại ròng và tỷ lệ hoàn vốn nội bộ. Tổng số tiền đầu tư vào quá trình cavitation siêu âm đã được tìm thấy là thấp hơn so với khác khoảng 20,8%. Sử dụng lò phản ứng siêu âm làm giảm 5,2% chi phí sản phẩm – sử dụng dầu canola nguyên chất. Vì sonication cho phép xử lý các loại dầu đã qua sử dụng (ví dụ: dầu ăn đã qua sử dụng), chi phí sản xuất có thể giảm đáng kể hơn nữa. Gholami et al. (2021) đi đến kết luận rằng do giá trị hiện tại ròng tích cực, quá trình cavitation siêu âm là sự lựa chọn tốt hơn của công nghệ trộn để sản xuất diesel sinh học.
Từ quan điểm kỹ thuật, các tác động quan trọng nhất của cavitation siêu âm kéo dài hiệu quả quy trình đáng kể và giảm thời gian phản ứng. Sự hình thành và sụp đổ của nhiều bong bóng chân không – được gọi là cavitation âm thanh / siêu âm – giảm thời gian phản ứng từ vài giờ trong lò phản ứng bể khuấy xuống còn vài giây trong lò phản ứng khoang siêu âm. Thời gian cư trú ngắn này cho phép sản xuất dầu diesel sinh học trong một lò phản ứng chảy qua với một dấu chân nhỏ. Lò phản ứng khoang siêu âm cũng cho thấy tác dụng có lợi đối với nhu cầu năng lượng và vật liệu, giảm mức tiêu thụ năng lượng xuống gần một phần ba lượng tiêu thụ bởi lò phản ứng bể khuấy và tiêu thụ methanol và chất xúc tác xuống 25%.
Từ góc độ kinh tế, tổng mức đầu tư của quá trình cavitation siêu âm thấp hơn so với quá trình khuấy cơ học, chủ yếu là do giảm gần 50% và 11,6% chi phí lò phản ứng và chi phí cột chưng cất methanol, tương ứng. Quá trình cavitation siêu âm cũng làm giảm chi phí sản xuất diesel sinh học do giảm 4% tiêu thụ dầu canola, tổng mức đầu tư thấp hơn, tiêu thụ hóa chất thấp hơn 2,2% và yêu cầu tiện ích thấp hơn 23,8%. Không giống như quá trình khuấy động cơ học, xử lý siêu âm là một khoản đầu tư chấp nhận được do giá trị hiện tại ròng tích cực của nó, thời gian hoàn vốn ngắn hơn và tỷ lệ hoàn vốn nội bộ cao hơn. Ngoài những lợi ích kinh tế kỹ thuật liên quan đến quá trình cavitation siêu âm, nó thân thiện với môi trường hơn so với quá trình khuấy cơ học. Cavitation siêu âm dẫn đến giảm 80% dòng chất thải do sự chuyển đổi cao hơn trong lò phản ứng và giảm tiêu thụ rượu trong quá trình này. (cf. Gholami et al., 2021)

Sử dụng chất xúc tác của sự lựa chọn của bạn

Quá trình chuyển hóa siêu âm của diesel sinh học đã được chứng minh là hiệu quả bằng cách sử dụng cả chất xúc tác kiềm hoặc cơ bản. Forinstance, Shinde và Kaliaguine (2019) đã so sánh hiệu quả của việc trộn lưỡi siêu âm và mechnical bằng cách sử dụng các chất xúc tác khác nhau, cụ thể là natri hydroxit (NaOH), kali hydroxit (KOH), (CH₃ONa), tetramethyl ammonium hydroxit và bốn guanidines (Propyl-2,3-dicyclohexyl guanidine (PCHG), 1,3-dicyclohexyl 2 n-octyl guanidine (DCOG), 1,1,3,3-tetramethyl guanidine (TMG), 1,3-diphenyl guanidine (DPG)). Trộn siêu âm (ở 35º) như được hiển thị vượt trội cho sản xuất diesel sinh học vượt trội trộn cơ học (ở 65º) bởi năng suất cao hơn và tỷ lệ chuyển đổi. Hiệu quả của việc chuyển khối lượng trong lĩnh vực siêu âm tăng cường tốc độ phản ứng chuyển hóa so với khuấy cơ học. Sonication vượt trội so với khuấy cơ học cho tất cả các chất xúc tác được thử nghiệm. Chạy phản ứng chuyển hóa với cavitation siêu âm là một thay thế hiệu quả năng lượng và khả thi về mặt công nghiệp cho sản xuất diesel sinh học. Bên cạnh các chất xúc tác được sử dụng rộng rãi KOH và NaOH, cả hai chất xúc tác guanidine, propyl-2,3 dicyclohexylguanidine (PCHG) và 1,3-dicyclohexyl 2 n-octylguanidine (DCOG), cả hai đều được chứng minh là altrnatives thú vị để chuyển đổi diesel sinh học.
Mootabadi et al. (2010) đã điều tra tổng hợp diesel sinh học hỗ trợ siêu âm từ dầu cọ bằng cách sử dụng các chất xúc tác oxit kim loại kiềm đa dạng như CaO, BaO và SrO. Hoạt động của chất xúc tác trong tổng hợp diesel sinh học hỗ trợ siêu âm được so sánh với quá trình khuấy từ truyền thống, và người ta thấy rằng quá trình siêu âm cho thấy 95,2% năng suất sử dụng BaO trong thời gian phản ứng 60 phút, nếu không mất 3-4 giờ trong quá trình khuấy thông thường. Đối với chuyển hóa hỗ trợ siêu âm ở điều kiện tối ưu, cần 60 phút để đạt được năng suất 95% so với 2-4 giờ với khuấy thông thường. Ngoài ra, năng suất đạt được với siêu âm trong 60 phút tăng từ 5,5% lên 77,3% sử dụng CaO làm chất xúc tác, 48,2% đến 95,2% sử dụng SrO làm chất xúc tác và 67,3% lên 95,2 sử dụng BaO làm chất xúc tác.

Sản xuất diesel sinh học sử dụng các guanidines khác nhau (3% mol) làm chất xúc tác. (A) Batchreactor khuấy cơ học: (methanol:dầu canola) 4:1, nhiệt độ 65ºC; (B) Lò phản ứng lô siêu âm: ultrasonicator UP200St, (methanol: dầu canola) 4: 1, biên độ 60% của Hoa Kỳ, nhiệt độ 35ºC. Trộn điều khiển siêu âm vượt trội so với khuấy cơ học cho đến nay.
(Nghiên cứu và đồ thị: Shinde và Kaliaguine, 2019)

Lò phản ứng siêu âm hiệu suất cao để xử lý diesel sinh học cao cấp

Hielscher Ultrasonics cung cấp bộ xử lý siêu âm hiệu suất cao và lò phản ứng để cải thiện sản xuất diesel sinh học dẫn đến năng suất cao hơn, cải thiện chất lượng, giảm thời gian chế biến và chi phí sản xuất thấp hơn.

Lò phản ứng diesel sinh học quy mô nhỏ và trung bình

Đối với sản xuất diesel sinh học cỡ vừa và nhỏ lên đến 9ton/HR (2900 gal/giờ), Hielscher cung cấp cho bạn các UIP500hdT (500 watt), UIP1000hdT (1000 watt), UIP1500hdT (1500 watt), và UIP2000hdT (2000 watt) mô hình máy trộn cắt cao siêu âm. Bốn lò phản ứng siêu âm này rất nhỏ gọn, dễ tích hợp hoặc phù hợp với retro. Chúng được xây dựng cho hoạt động nặng nề trong môi trường khắc nghiệt. Dưới đây bạn sẽ tìm thấy các thiết lập lò phản ứng được đề xuất cho một loạt các tỷ lệ sản xuất.

Lò phản ứng diesel sinh học công nghiệp thông lượng rất lớn

Đối với nhà máy sản xuất diesel sinh học chế biến công nghiệp Hielscher cung cấp UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) và UIP16000hdT (16kW) đồng nhất siêu âm! Những bộ xử lý siêu âm này được thiết kế để xử lý liên tục tốc độ dòng chảy cao. UIP4000hdT, UIP6000hdT và UIP10000 có thể được tích hợp vào các container vận tải đường biển tiêu chuẩn. Ngoài ra, tất cả bốn mô hình bộ xử lý đều có sẵn trong tủ thép không gỉ. Một cài đặt thẳng đứng đòi hỏi không gian tối thiểu. Dưới đây bạn tìm thấy các thiết lập được đề xuất cho tỷ lệ chế biến công nghiệp điển hình.