Sản xuất diesel sinh học với hiệu quả vượt trội về quy trình và chi phí

Trộn siêu âm là công nghệ vượt trội để sản xuất diesel sinh học với hiệu suất cao và chi phí hợp lý. Hiện tượng xâm thực siêu âm cải thiện mạnh mẽ quá trình truyền khối, qua đó giảm chi phí sản xuất và thời gian xử lý. Đồng thời, có thể sử dụng dầu và mỡ chất lượng kém (ví dụ: dầu thải), và chất lượng diesel sinh học được cải thiện. Hielscher Ultrasonics cung cấp các thiết bị phản ứng trộn siêu âm hiệu năng cao, bền bỉ cho mọi quy mô sản xuất. Đọc thêm để tìm hiểu cách xử lý siêu âm mang lại lợi ích cho hoạt động sản xuất diesel sinh học của bạn!

Lợi ích của việc sử dụng siêu âm trong sản xuất diesel sinh học

Diesel sinh học (metyl este của axit béo, viết tắt là FAME) là sản phẩm của phản ứng trao đổi este giữa nguyên liệu lipid (triglyceride, ví dụ: dầu thực vật, dầu ăn đã qua sử dụng, mỡ động vật, dầu tảo) và ancol (metanol, etanol), có sử dụng chất xúc tác (ví dụ: kali hydroxit KOH).
Vấn đề: Trong quá trình chuyển hóa diesel sinh học thông thường bằng phương pháp khuấy thông thường, tính không hòa trộn của hai chất phản ứng là dầu và ancol trong phản ứng trao đổi este dẫn đến tốc độ truyền khối thấp, khiến việc sản xuất diesel sinh học kém hiệu quả. Sự kém hiệu quả này thể hiện ở thời gian phản ứng dài, tỷ lệ mol metanol/dầu cao hơn, nhu cầu chất xúc tác cao, nhiệt độ xử lý cao và tốc độ khuấy cao. Các yếu tố này làm tăng đáng kể chi phí, khiến sản xuất diesel sinh học thông thường trở thành một quy trình tốn kém.
Giải pháp: Trộn siêu âm nhũ hóa các chất phản ứng một cách hiệu quả cao, nhanh chóng và ít tốn kém, nhờ đó có thể cải thiện tỷ lệ dầu/metanol, giảm nhu cầu chất xúc tác, rút ngắn thời gian phản ứng và hạ nhiệt độ phản ứng. Qua đó, tiết kiệm tài nguyên (tức là hóa chất và năng lượng) cũng như thời gian, giảm chi phí xử lý, đồng thời cải thiện đáng kể chất lượng diesel sinh học và khả năng sinh lời của hoạt động sản xuất. Những lợi ích này khiến trộn siêu âm trở thành công nghệ được ưu tiên để sản xuất diesel sinh học hiệu quả.
Các nghiên cứu và các nhà sản xuất diesel sinh học công nghiệp xác nhận rằng trộn siêu âm là phương pháp sản xuất diesel sinh học có hiệu quả chi phí rất cao, ngay cả khi sử dụng dầu và mỡ chất lượng kém làm nguyên liệu. Việc tăng cường quá trình bằng siêu âm cải thiện đáng kể tỷ lệ chuyển hóa, giảm lượng metanol và chất xúc tác dư cần sử dụng, cho phép sản xuất diesel sinh học đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng ASTM D6751 và các yêu cầu kỹ thuật EN 14212. (xem Abdullah và cộng sự, 2015)

Phản ứng trao đổi este chuyển triglyceride thành diesel sinh học (FAME) bằng xử lý siêu âm giúp tăng tốc phản ứng và nâng cao đáng kể hiệu suất.

Nhiều ưu điểm của trộn siêu âm trong sản xuất diesel sinh học

Các thiết bị phản ứng trộn siêu âm có thể dễ dàng được tích hợp vào bất kỳ hệ thống lắp đặt mới nào cũng như được lắp bổ sung vào các nhà máy diesel sinh học hiện có. Việc tích hợp máy trộn siêu âm Hielscher biến bất kỳ cơ sở sản xuất diesel sinh học nào thành một nhà máy sản xuất hiệu năng cao. Lắp đặt đơn giản, độ bền cao và dễ sử dụng (không cần đào tạo chuyên biệt để vận hành) cho phép nâng cấp bất kỳ cơ sở nào thành một nhà máy diesel sinh học hiệu suất cao. Dưới đây, chúng tôi trình bày các kết quả đã được khoa học chứng minh về những ưu điểm được các bên thứ ba độc lập ghi nhận. Các số liệu chứng minh tính vượt trội của trộn siêu âm trong sản xuất diesel sinh học so với bất kỳ kỹ thuật khuấy thông thường nào.

Sơ đồ quy trình thể hiện các bước sản xuất diesel sinh học, bao gồm trộn siêu âm để cải thiện hiệu quả quy trình.

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

Trong nghiên cứu so sánh của mình, Gholami và cộng sự (2021) trình bày những ưu điểm của phản ứng trao đổi este bằng siêu âm so với khuấy cơ học (tức là máy trộn dạng lưỡi, cánh khuấy, máy trộn có lực cắt cao).

Chi phí đầu tư thấp:
Thiết bị xử lý và lò phản ứng siêu âm UIP16000 có thể sản xuất 192–384 t biodiesel/d với diện tích lắp đặt chỉ 1,2m x 0,6m. Để so sánh, phương pháp khuấy cơ học (MS) cần một lò phản ứng lớn hơn nhiều do thời gian phản ứng dài trong quá trình khuấy cơ học, khiến chi phí lò phản ứng tăng đáng kể. (xem Gholami và cộng sự, 2020)
Chi phí xử lý thấp:
Chi phí xử lý để sản xuất biodiesel bằng siêu âm thấp hơn 7,7% so với quá trình khuấy, chủ yếu do tổng vốn đầu tư cho quá trình xử lý bằng siêu âm thấp hơn. Chi phí hóa chất (chất xúc tác, methanol/cồn) là yếu tố đóng góp lớn thứ ba vào chi phí trong cả hai quá trình: xử lý bằng siêu âm và khuấy cơ học. Tuy nhiên, chi phí hóa chất cho quá trình chuyển hóa thành biodiesel bằng siêu âm thấp hơn đáng kể so với khuấy cơ học. Chi phí hóa chất chiếm khoảng 5% chi phí biodiesel thành phẩm. Do tiêu thụ ít methanol, natri hydroxit và axit photphoric hơn, chi phí hóa chất trong quá trình sản xuất biodiesel bằng siêu âm thấp hơn 2,2% so với quá trình khuấy cơ học.

Giảm chi phí năng lượng:
Năng lượng tiêu thụ của lò phản ứng trộn siêu âm bằng khoảng một phần ba so với máy khuấy cơ học. Mức giảm đáng kể về tiêu thụ năng lượng này là kết quả của quá trình trộn vi mô mạnh và thời gian phản ứng được rút ngắn nhờ sự hình thành và sụp đổ của vô số bọt rỗng, vốn là đặc trưng của hiện tượng xâm thực âm / siêu âm (Gholami và cộng sự, 2018). Ngoài ra, so với máy khuấy thông thường, năng lượng tiêu thụ ở các công đoạn thu hồi methanol và tinh chế biodiesel trong quá trình trộn siêu âm giảm lần lượt 26,5% và 1,3%. Mức giảm này là do lượng methanol đi vào hai cột chưng cất này ít hơn trong quá trình trao đổi este bằng siêu âm.

Giảm mạnh chi phí xử lý chất thải:
Công nghệ xâm thực siêu âm cũng làm giảm rõ rệt chi phí xử lý chất thải. Chi phí này trong quá trình xử lý bằng siêu âm bằng khoảng một phần năm so với quá trình khuấy, nhờ lượng chất thải phát sinh giảm đáng kể do mức độ chuyển hóa trong lò phản ứng cao hơn và lượng cồn tiêu thụ thấp hơn.
Đọc thêm về quá trình chuyển hóa dầu từ bã cà phê đã qua sử dụng thành biodiesel bằng siêu âm!

Cải thiện tính thân thiện với môi trường:
Nhờ hiệu suất tổng thể rất cao, mức tiêu thụ hóa chất giảm, nhu cầu năng lượng thấp hơn và lượng chất thải giảm, quá trình sản xuất biodiesel bằng siêu âm thân thiện với môi trường hơn đáng kể so với các quá trình sản xuất biodiesel thông thường.

Kết luận – Siêu âm cải thiện hiệu quả sản xuất biodiesel

Đánh giá khoa học cho thấy những ưu điểm rõ rệt của trộn siêu âm so với khuấy cơ học thông thường trong sản xuất biodiesel. Những ưu điểm của quá trình xử lý biodiesel bằng siêu âm bao gồm tổng vốn đầu tư, tổng chi phí sản phẩm, giá trị hiện tại ròng và tỷ suất hoàn vốn nội bộ. Tổng mức đầu tư cho quy trình xâm thực siêu âm được xác định là thấp hơn khoảng 20,8% so với quy trình còn lại. Việc sử dụng các thiết bị phản ứng siêu âm đã giảm chi phí sản phẩm 5,2% – khi sử dụng dầu cải canola nguyên sinh. Vì xử lý siêu âm còn cho phép xử lý dầu đã qua sử dụng (ví dụ: dầu ăn đã qua sử dụng), chi phí sản xuất có thể tiếp tục giảm đáng kể. Gholami và cộng sự (2021) kết luận rằng nhờ giá trị hiện tại ròng dương, quy trình xâm thực siêu âm là lựa chọn công nghệ trộn tốt hơn cho sản xuất biodiesel.
Về mặt kỹ thuật, những tác động quan trọng nhất của xâm thực siêu âm bao gồm hiệu quả quy trình đáng kể và việc rút ngắn thời gian phản ứng. Sự hình thành và sụp đổ của vô số bọt chân không – được gọi là xâm thực âm học / siêu âm – rút ngắn thời gian phản ứng từ vài giờ trong thiết bị phản ứng bồn khuấy xuống còn vài giây trong thiết bị phản ứng xâm thực siêu âm. Thời gian lưu ngắn này cho phép sản xuất biodiesel trong thiết bị phản ứng dòng chảy liên tục có diện tích lắp đặt nhỏ. Thiết bị phản ứng xâm thực siêu âm cũng có tác động có lợi đối với nhu cầu năng lượng và vật liệu, giảm mức tiêu thụ năng lượng xuống gần một phần ba mức tiêu thụ của thiết bị phản ứng bồn khuấy và giảm mức tiêu thụ methanol cùng chất xúc tác 25%.
Về mặt kinh tế, tổng mức đầu tư cho quy trình xâm thực siêu âm thấp hơn so với quy trình khuấy cơ học, chủ yếu nhờ chi phí thiết bị phản ứng và chi phí cột chưng cất methanol giảm lần lượt gần 50% và 11,6%. Quy trình xâm thực siêu âm cũng giảm chi phí sản xuất biodiesel nhờ giảm 4% mức tiêu thụ dầu cải canola, tổng mức đầu tư thấp hơn, mức tiêu thụ hóa chất thấp hơn 2,2% và nhu cầu tiện ích phụ trợ thấp hơn 23,8%. Khác với quy trình khuấy cơ học, xử lý siêu âm là một khoản đầu tư có thể chấp nhận được nhờ giá trị hiện tại ròng dương, thời gian hoàn vốn ngắn hơn và tỷ suất hoàn vốn nội bộ cao hơn. Ngoài những lợi ích kinh tế kỹ thuật gắn liền với quy trình xâm thực siêu âm, quy trình này còn thân thiện với môi trường hơn so với quy trình khuấy cơ học. Xâm thực siêu âm giúp giảm 80% các dòng chất thải nhờ mức độ chuyển hóa cao hơn trong thiết bị phản ứng và mức tiêu thụ cồn thấp hơn trong quy trình này. (xem Gholami và cộng sự, 2021)

Biến nguyên liệu chất lượng thấp thành biodiesel tinh sạch!

Xử lý siêu âm cho phép xử lý hiệu quả hơn các nguyên liệu chất lượng kém như dầu thực vật thải, chất béo chiên rán đã qua sử dụng, mỡ động vật nhai lại hoặc dầu cá, vì xâm thực siêu âm tạo ra sự tiếp xúc tốt hơn nhiều giữa pha dầu và pha cồn vốn không hòa tan lẫn nhau, cải thiện đáng kể quá trình trộn cũng như truyền nhiệt và truyền khối. Quá trình này cũng làm tăng tốc động học phản ứng, nhờ đó ngay cả những nguyên liệu khó xử lý, có tính chất biến động cũng có thể được chuyển hóa nhanh hơn và hoàn toàn hơn.
Xâm thực âm học tăng cường môi trường phản ứng và có thể thúc đẩy sự hình thành các gốc tự do có hoạt tính cao, qua đó hỗ trợ thêm cho phản ứng trao đổi este diễn ra nhanh và giúp khắc phục những bất lợi thường gặp khi xử lý nguyên liệu chất lượng thấp.
Tìm hiểu cách xử lý siêu âm biến dầu và chất béo thải thành biodiesel!

Sử dụng chất xúc tác theo lựa chọn của bạn

Quy trình trao đổi este bằng siêu âm để sản xuất biodiesel đã được chứng minh là có hiệu quả khi sử dụng cả chất xúc tác kiềm hoặc chất xúc tác bazơ. Ví dụ, Shinde và Kaliaguine (2019) đã so sánh hiệu quả của trộn siêu âm và trộn bằng cánh khuấy cơ học khi sử dụng nhiều chất xúc tác khác nhau, cụ thể là natri hydroxit (NaOH), kali hydroxit (KOH), (CH₃ONa), tetrametylamoni hydroxit và bốn guanidin (propyl-2,3-đixiclohexyl guanidin (PCHG), 1,3-đixiclohexyl 2 n-octyl guanidin (DCOG), 1,1,3,3-tetrametyl guanidin(TMG), 1,3-điphenyl guanidin (DPG)). Trộn bằng siêu âm (ở 35º) đã cho thấy ưu thế trong sản xuất biodiesel, vượt trội so với trộn cơ học (ở 65º) nhờ hiệu suất thu sản phẩm và tỷ lệ chuyển hóa cao hơn. Hiệu quả truyền khối trong trường siêu âm làm tăng tốc độ phản ứng trao đổi este so với khuấy cơ học. Xử lý bằng siêu âm vượt trội so với khuấy cơ học đối với tất cả các chất xúc tác được thử nghiệm. Thực hiện phản ứng trao đổi este bằng xâm thực siêu âm là một phương án tiết kiệm năng lượng và khả thi ở quy mô công nghiệp để sản xuất biodiesel. Bên cạnh các chất xúc tác được sử dụng rộng rãi là KOH và NaOH, cả hai chất xúc tác guanidin, propyl-2,3 đixiclohexylguanidin (PCHG) và 1,3-đixiclohexyl 2 n-octylguanidin (DCOG), đều đã cho thấy tiềm năng là những lựa chọn thay thế đáng quan tâm cho quá trình chuyển hóa thành biodiesel.
Mootabadi và cộng sự (2010) đã nghiên cứu tổng hợp biodiesel từ dầu cọ có hỗ trợ siêu âm, sử dụng nhiều chất xúc tác oxit kim loại kiềm như CaO, BaO và SrO. Hoạt tính của chất xúc tác trong quá trình tổng hợp biodiesel có hỗ trợ siêu âm được so sánh với quá trình khuấy từ truyền thống, và kết quả cho thấy quá trình siêu âm đạt hiệu suất thu sản phẩm 95,2% khi sử dụng BaO trong thời gian phản ứng 60 min, trong khi quá trình khuấy thông thường cần 3–4 h. Đối với phản ứng trao đổi este có hỗ trợ siêu âm ở điều kiện tối ưu, cần 60 min để đạt hiệu suất thu sản phẩm 95%, so với 2–4 h khi khuấy thông thường. Ngoài ra, hiệu suất thu sản phẩm đạt được khi sử dụng siêu âm trong 60 min tăng từ 5,5% lên 77,3% khi dùng CaO làm chất xúc tác, từ 48,2% lên 95,2% khi dùng SrO làm chất xúc tác, và từ 67,3% lên 95,2 khi dùng BaO làm chất xúc tác.

Sản xuất biodiesel sử dụng các guanidin khác nhau (3% mol) làm chất xúc tác. (A) Thiết bị phản ứng theo mẻ có khuấy cơ học: (metanol:dầu cải canola) 4:1, nhiệt độ 65ºC; (B) Thiết bị phản ứng siêu âm theo mẻ: thiết bị siêu âm UP200St, (metanol:dầu cải canola) 4:1, biên độ siêu âm 60%, nhiệt độ 35ºC. Trộn bằng siêu âm vượt xa khuấy cơ học.
(Nghiên cứu và đồ thị: Shinde và Kaliaguine, 2019)

Thiết bị phản ứng siêu âm hiệu năng cao cho quá trình sản xuất biodiesel vượt trội

Hielscher Ultrasonics cung cấp các thiết bị xử lý và thiết bị phản ứng siêu âm hiệu năng cao để cải thiện quá trình sản xuất biodiesel, mang lại hiệu suất thu sản phẩm cao hơn, chất lượng tốt hơn, thời gian xử lý ngắn hơn và chi phí sản xuất thấp hơn.

Thiết bị phản ứng biodiesel quy mô nhỏ và vừa

Đối với sản xuất biodiesel quy mô nhỏ và vừa với năng suất lên đến 9ton/hr (2900 gal/hr), Hielscher cung cấp cho bạn UIP500hdT (500 oát), UIP1000hdT (1000 oát), UIP1500hdT (1500 oát), và UIP2000hdT (2000 oát) thuộc dòng máy trộn siêu âm có lực cắt cao. Bốn thiết bị phản ứng siêu âm này rất nhỏ gọn, dễ tích hợp hoặc lắp bổ sung vào hệ thống hiện có. Chúng được chế tạo để vận hành với cường độ cao trong môi trường khắc nghiệt. Dưới đây là các cấu hình thiết bị phản ứng được khuyến nghị cho nhiều mức năng suất sản xuất.

Thiết bị phản ứng biodiesel công nghiệp có năng suất xử lý rất lớn

Đối với các nhà máy sản xuất biodiesel quy mô công nghiệp, Hielscher cung cấp UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) và UIP16000hdT (16kW) máy đồng nhất siêu âm! Các thiết bị xử lý siêu âm này được thiết kế để xử lý liên tục ở lưu lượng cao. UIP4000hdT, UIP6000hdT và UIP10000 có thể được tích hợp vào các container vận tải biển tiêu chuẩn. Ngoài ra, cả bốn mẫu thiết bị xử lý đều có phiên bản đặt trong tủ thép không gỉ. Việc lắp đặt theo phương thẳng đứng chỉ cần diện tích tối thiểu. Dưới đây là các cấu hình được khuyến nghị cho các mức năng suất xử lý công nghiệp điển hình.