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

Trộn siêu âm là công nghệ vượt trội để sản xuất diesel sinh học hiệu quả cao và tiết kiệm chi phí. Siêu âm cavitation cải thiện chuyển khối lượng mạnh mẽ, do đó làm giảm chi phí sản xuất và thời gian xử lý. Đồng thời, 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 hiệu suất cao, mạnh mẽ siêu âm trộn lò phản ứng cho bất kỳ quy mô sản xuất. 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 siêu âm

Dầu diesel sinh học (axit béo methyl ester, abrev. FAME) là sản phẩm của phản ứng transester hóa của nguyên liệu lipid (triglyceride, ví dụ: dầu thực vật, dầu ăn đã qua sử dụng, mỡ động vật, dầu tảo) và rượu (metanol, ethanol) sử dụng chất xúc tác (ví dụ: kali hydroxit KOH).
Vấn đề: Trong chuyển đổi diesel sinh học thông thường bằng cách khuấy thông thường, bản chất không thể trộn lẫn của cả hai chất phản ứng của phản ứng transester hóa dầu và rượu dẫn đến tốc độ truyền 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 mol methanol-dầu cao hơn, yêu cầu chất xúc tác cao, nhiệt độ quá trình cao và tốc độ khuấy cao. Những yếu tố này là những động lực chi phí đáng kể làm cho sản xuất 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-metanol có thể được cải thiện, yêu cầu chất xúc tác giảm, thời gian phản ứng và nhiệt độ phản ứng được hạ xuống. Qua đó, tài nguyên (tức là hóa chất và năng lượng) cũng như thời gian được tiết kiệm, chi phí chế biến giảm, trong khi chất lượng diesel sinh học và lợi nhuận sản xuất được cải thiện đáng kể. Những sự thật này biến trộn siêu âm trong công nghệ ưa thích để sản xuất diesel sinh học hiệu quả.
Nghiên cứu và các nhà sản xuất diesel sinh học công nghiệp xác nhận rằng trộn siêu âm là một cách hiệu quả cao để sản xuất dầu diesel sinh học, ngay cả khi dầu và chất béo kém chất lượng được sử dụng làm nguyên liệu. Quá trình siêu âm tăng cường cải thiện đáng kể tỷ lệ chuyển đổi giảm việc sử dụng metanol dư thừa và chất xúc tác, cho phép sản xuất dầu diesel sinh học đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng của thông số kỹ thuật ASTM D6751 và EN 14212. (xem Abdullah và cộng sự, 2015)

Transester hóa triglyceride thành dầu diesel sinh học (FAME) bằng cách sử dụng sonication dẫn đến 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 cũng như trang bị thêm 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. Lắp đặt đơn giản, mạnh mẽ và thân thiện với người dùng (không cần đào tạo cụ thể để vận hành) 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 những lợi thế được ghi nhận bởi các bên thứ ba độc lập. Những con số chứng minh sự vượt trội của trộn 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 quá trình.

Hiệu quả và chi phí so sánh: Ultrasonics vs cơ học khuấy

Gholami et al. (2021) trình bày trong nghiên cứu so sánh của họ những lợi thế của transesterification siêu âm so với khuấy cơ học (tức là máy trộn lưỡi, cánh quạt, máy trộn cắt cao).
Chi phí đầu tư: Bộ xử lý siêu âm và lò phản ứng UIP16000 có thể sản xuất 192-384 t diesel sinh học / ngày với dấu chân chỉ 1,2m x 0,6m. Để so sánh, đối với khuấy cơ học (MS), cần có lò phản ứng lớn hơn nhiều do thời gian phản ứng dài trong quá trình strirrng cơ học, làm cho chi phí lò phản ứng tăng đáng kể. (xem Gholami và cộng sự, 2020)
Chi phí xử lý: Chi phí chế biến cho sản xuất diesel sinh học siêu âm thấp hơn 7,7% so với quá trình khuấy, chủ yếu là do tổng mức đầu tư thấp hơn cho quá trình sonication. Chi phí hóa chất (chất xúc tác, metanol / rượu) là trình điều khiển chi phí lớn thứ ba trong cả hai quá trình, sonication và khuấy cơ học. Tuy nhiên, để 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 tiêu thụ metanol, 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 sản phẩm của quá trình trộn vi mô cường độ cao và giảm thời gian phản ứng, do sản xuất và sụp đổ vô số khoang, đặc trưng cho hiện tượng xâm thực âm thanh / siêu âm (Gholami et al., 2018). Ngoài ra, so với máy khuấy thông thường, tiêu thụ năng lượng cho các giai đoạn thu hồi metanol và tinh chế diesel sinh học trong quá trình trộn siêu âm giảm lần lượt là 26,5% và 1,3%. Sự suy giảm này là do lượng metanol thấp hơn đi vào hai cột chưng cất này trong quá trình transester hóa siêu âm.
Chi phí xử lý chất thải: Công nghệ siêu âm cavitation cũng làm giảm đáng kể chi phí xử lý chất thải. Chi phí này trong quá trình sonication là khoảng một phần năm của quá trình khuấy, kết quả từ việc giảm đáng kể sản xuất chất thải do chuyển đổi lò phản ứng cao hơn và lượng rượu tiêu thụ thấp hơn.
Đọc thêm về chuyển đổi diesel sinh học siêu âm của dầu từ bã cà phê đã qua sử dụng!
Thân thiện với môi trường: Do hiệu quả tổng thể rất cao, giảm tiêu thụ hóa chất, 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 – Ultrasonics cải thiện hiệu quả sản xuất diesel sinh học

Đánh giá khoa học cho thấy những lợi thế rõ ràng của 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. Số tiền tổng đầu tư trong 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 giảm 5,2% chi phí sản phẩm – Sử dụng dầu hạt cải 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 dương, quá trình xâm thực siêu âm là lựa chọn tốt hơn của công nghệ trộn để sản xuất diesel sinh học.
Từ quan điểm kỹ thuật, các hiệu ứng quan trọng nhất của cavitation siêu âm kéo dài hiệu quả quá 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 xâm thực siêu âm. Thời gian cư trú ngắn này cho phép sản xuất diesel sinh học trong lò phản ứng chảy qua với một dấu chân nhỏ. Lò phản ứng xâm thực siêu âm cũng cho thấy tác dụng có lợi đối với các yêu cầu về năng lượng và vật liệu, giảm mức tiêu thụ năng lượng xuống gần một phần ba mức tiêu thụ của lò phản ứng bể khuấy và tiêu thụ methanol và chất xúc tác 25%.
Từ góc độ kinh tế, tổng mức đầu tư của quá trình xâm thực 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 metanol, 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 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 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 xâm thực siêu âm, nó thân thiện với môi trường hơn so với quá trình khuấy cơ học. Siêu âm cavitation kết quả trong một giảm 80% trong dòng chất thải do chuyển đổi cao hơn trong lò phản ứng và giảm tiêu thụ rượu trong quá trình này. (xem Gholami và cộng sự, 2021)

Sử dụng chất xúc tác bạn chọn

Quá trình transesterification siêu âm của dầu diesel sinh học đã được chứng minh là hiệu quả bằng cách sử dụng cả chất xúc tác kiềm hoặc cơ bản. Ví dụ, Shinde và Kaliaguine (2019) đã so sánh hiệu quả của việc trộn lưỡi siêu âm và cơ học bằng các chất xúc tác khác nhau, cụ thể là natri hydroxit (NaOH), kali hydroxit (KOH), (CH₃ONa), tetramethyl amoni 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 thể hiện vượt trội cho sản xuất diesel sinh học trộn cơ học xuất sắc (ở 65º) bởi năng suất cao hơn và tỷ lệ chuyển đổi. Hiệu quả của việc truyền khối lượng trong lĩnh vực siêu âm đã tăng cường tốc độ phản ứng transester hóa so với khuấy cơ học. Sonication vượt trội hơn khuấy cơ học cho tất cả các chất xúc tác được thử nghiệm. Chạy phản ứng transester 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 chất phân bổ 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 nó đã được tìm thấy rằng quá trình siêu âm cho thấy 95,2% năng suất sử dụng BaO trong vòng 60 phút thời gian phản ứng, mà nếu không mất 3-4 h trong quá trình khuấy thông thường. Đối với transesterification 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% đến 95,2 sử dụng BaO làm chất xúc tác.

Sản xuất diesel sinh học sử dụng guanidines khác nhau (3% mol) làm chất xúc tác. (A) Lò phản ứng trộn cơ khí: (metanol: dầu hạt cải) 4: 1, nhiệt độ 65ºC; (B) Lò phản ứng lô siêu âm: siêu âm UP200St, (methanol: dầu hạt cải) 4: 1, biên độ 60% của Hoa Kỳ, nhiệt độ 35ºC. Trộn điều khiển bằng siêu âm vượt trội hơn 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 vi 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 xử lý và chi phí sản xuất thấp hơn.

Lò phản ứng diesel sinh học quy mô vừa và nhỏ

Đối với sản xuất diesel sinh học cỡ vừa và nhỏ lên đến 9ton / giờ (2900 gal / giờ), Hielscher cung cấp cho bạn 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 chế tạo để hoạt động hạng nặng 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 các nhà máy sản xuất diesel sinh học chế biến công nghiệp, Hielscher cung cấp UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) và UIP16000hdT (16kW) siêu âm đồng nhất! Những bộ vi xử lý siêu âm 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 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 xử lý công nghiệp điển hình.