Opublikowano

Ultradźwiękowe mieszanie do produkcji biodiesla

Hielscher oferuje ultradźwiękowe reaktory mieszające do produkcji biodiesla w dowolnej skali. Ultradźwiękowe mieszanie poprawia przenoszenie masy oraz kinetykę reakcji prowadząc do szybszej transestryfikacji i wyższej wydajności. Zmniejsza to zużycie metanolu oraz katalizatora.

Ultradźwiękowe reaktory są zalecane przy produkcji od 0.25 tony na godzinę wzwyż. Hielscher oferuje homogenizatory ultradźwiękowe o jednostkowej wydajności do 16 ton/h. Zazwyczaj stosuje się trzy do pięciu reaktorów pracujących równolegle aby dopasować się do wahań w szybkości produkcji.

Niższe koszty surowców i zwiększona wydajność biodiesla

Nadmiar metanolu i katalizatora stanowią znaczny koszt w produkcji biodiesla. Ultradźwiękowe katalizatory Hielschera wzbogacają proces mieszania o kawitacyjne ścieranie. Daje to znacznie mniejsze krople metanolu polepszając zużycie metanolu i katalizatora. Wynikiem jest ich mniejsze zużycie. Dodatkowo kawitacja poprawia kinetykę reakcji prowadząc do szybszej i pełniejszej transestryfikacji.

Reaktory biodiesla dla małej i średniej skali







Homogenizatory ultradźwiękowe procesowe © www.hielscher.com  

Do małej i średniej produkcji biodiesla do 9 ton/h, Hielscher oferuje homogenizatory UIP500hdUIP1000hd oraz UIP1500hd. Te trzy reaktory ultradźwiękowe są kompaktowe, łatwe do zintegrowania czy modernizacji istniejącej już instalacji produkcyjnej. Są odporne na pracę w ciężkich warunkach w nieprzyjaznym środowisku. Poniżej znajdują się zalecane konfiguracje reaktorów dla przykładowych zakresów przetwórczych.

 ton/h
1x UIP500hd0.25 do 0.5
1x UIP1000hd0.5 do 1.0
1x UIP1500hd0.75 do 1.5
2x UIP1000hd1.0 do 2.0
2x UIP1500hd1.5 do 3.0
4x UIP1500hd3.0 do 6.0
6x UIP1500hd4.5 do 9.0

Reaktory biodiesla dla pełnej skali

Do przemysłowych instalacji produkcji biodiesla Hielscher oferuje UIP4000UIP10000 oraz UIP16000. Te przemysłowe homogenizatory ultradźwiękowe są przeznaczone do pracy ciągłej przy dużych przepływach. Jednostki UIP4000 oraz UIP10000 mogą być zintegrowane w standardowych kontenerach morskich. Alternatywnie wszystkie trzy jednostki mogą być umieszczone w komorach dźwiękochłonnych ze stali nierdzewnej. Ich pionowy montaż wymaga minimalnej powierzchni. Poniżej znajdują się zalecane konfiguracje reaktorów dla typowych przemysłowych zakresów przetwórczych.

 ton/h
3x UIP40006.0 do 12.0
5x UIP400010.0 do 20.0
3x UIP1000015.0 do 30.0
3x UIP1600024.0 do 48.0
5x UIP1600040.0 do 80.0

Ultradźwiękowe mieszanie oleju z metanolem w sposób ciągły (inline)

© www.hielscher.com

Ultradźwiękowe reaktory mieszające stanowią zamienniki dla mieszadeł i innych urządzeń ścinających umieszczonych w zbiorniku. Reaktory ultradźwiękowe są ogólnie instalowane do mieszania dwóch strumieni z nadawą. Oleju oraz metanolu (z katalizatorem). Surowa wstępnie zmieszana nadawa jest pompowana do reaktora ultradźwiękowego, gdzie kawitacja miesza i emulguje oba składniki w ciągu 5 do 15 sekund. Jest to proces mieszania w sposób ciągły inline. Kiedy mieszanka opuszcza reaktor przepływowy, gliceryna oddziela się grawitacyjnie w czasie poniżej 60 minut. Zamiennie można podać dalej mieszankę do wirówki po kilku minutach reakcji. Mieszanie wbudowane w linię zmniejsza ilość i objętość zbiorników używanych do tradycyjnego przetwarzania w partiach. Poprawia to wykorzystanie kapitału.

Ultradźwiękowe procesory do produkcji biodiesla

Wytwarzając biodiesel, wolna kinetyka reakcji i słabe przenoszenie masy obniżają wydajność i jakość produkcji. Reaktory ultradźwiękowe Hielschera poprawiają znacznie kinetykę transestryfikacji. Dlatego do produkcji wymagane jest mniej nadmiarowego metanolu oraz katalizatora.

Biodiesel jest powszechnie produkowany w partiach produkcyjnych przy użyciu ciepła i mieszania mechanicznego jako doprowadzenia energii. Ultradźwiękowe mieszanie kawitacyjne jest efektywną alternatywą do osiągnięcia lepszego mieszania w komercyjnym przetwórstwie biodiesla. Kawitacja ultradźwiękowa dostarcza niezbędnej energii aktywacji w przemysłowej transestryfikacji biodiesla.

Transestryfikacja (chemiczna konwersja do biodiesla)

Wytwarzanie biodiesla z olejów roślinnych (np. soi, rzepaku, jatrofy, nasion słonecznika czy glonów) lub tłuszczów zwierzęcych, obejmuje transestryfikację katalizowaną zasadą kwasów tłuszczowych z metanolem lub etanolem, prowadzącą do otrzymania odpowiednich estrów metylowych lub etylowych. Gliceryna jest nieuniknionym produktem ubocznym tej reakcji. Oleje roślinne, jak i tłuszcze zwierzęce są trójglicerydami składającymi się z trzech łańcuchów kwasów tłuszczowych, związanych cząsteczkami gliceryny. Trójglicerydy są estrami. Estry to kwasy, takie jak kwasy tłuszczowe, połączone alkoholem. Gliceryna (= glicerol) to ciężki alkohol. W procesie konwersji estry trójglicerydowe są przekształcane w estry alkilowe (= biodiesel) z użyciem katalizatora (ług) i alkoholu, np. metanolu, co daje estry metylowe biodiesla. Metanol zastępuje glicerynę. Gliceryna – cięższa faza – opada na dno. Biodiesel – lżejsza faza – pływa na górze i może być oddzielona na przykład przez dekantację lub wirowanie. Ten proces konwersji jest nazywany transestryfikacją.

Konwencjonalna reakcja estryfikacji w procesie wsadowym zwykle jest powolna, a oddzielenie fazy glicerynowej jest czasochłonne, często trwa 5 godzin lub więcej.

Ultradźwięki do produkcji biodiesla

Obecnie biodiesel jest produkowany głównie w reaktorach wsadowych. Ultradźwiękowe przetwarzanie biodiesla pozwala na proces ciągły. Ultradźwięki mogą pomóc osiągnąć ponad 99% wydajność biodiesla. Reaktory ultradźwiękowe skracają czas obróbki od tradycyjnych 1 do 4 godzin przetwarzania wsadowego do mniej niż 30 sekund. Co ważniejsze, ultradźwięki skracają czas rozdzielania od 5 do 10 godzin (przy użyciu konwencjonalnego mieszania) do mniej niż 60 minut. Ultradźwięki również przyczyniają się do zmniejszenia ilości wymaganego katalizatora do 50% ze względu na zwiększoną aktywnością chemiczną w obecności kawitacji (patrz także sonochemia). Przy użyciu ultradźwięków także ilość wymaganego nadmiaru metanolu redukuje się. Inną korzyścią jest wynikający z tego wzrost czystości gliceryny.

Ultradźwiękowe przetwarzanie biodiesla obejmuje następujące czynności:

  1. Olej roślinny lub tłuszcz zwierzęcy miesza się z metanolem (co daje estry metylowe) lub etanolem (estry etylowe) oraz metanolanem lub wodorotlenkiem sodu lub potasu
  2. Mieszanka jest ogrzewana, na przykład do temperatury pomiędzy 45 a 65°C
  3. Ogrzaną mieszaninę sonifikuje się w procesie ciągłym przez 5 do 15 sekund
  4. Gliceryna opada lub jest oddzielana za pomocą wirówek
  5. Przekształcony biodiesel przemywa się wodą
  6. Najczęściej sonikację prowadzi się pod podwyższonym ciśnieniem (1 do 3 bar, nadciśnienia) przy użyciu pompy zasilającej oraz regulowanego zaworu ciśnienia wstecznego umieszczonego za celą przepływową.

Przemysłowe przetwórstwo biodiesla nie potrzebuje dużo energii ultradźwiękowej. Powyższa tabela pokazuje typowe wymagania energetyczne dla różnych przepływów.Faktyczne zapotrzebowanie na energię może być określane przy użyciu 1kW procesora ultradźwiękowego w skali laboratoryjnej. Wszystkie wyniki z tych badań mogą być łatwo przeskalowane. W razie potrzeby, dostępne są urządzenia z certyfikatami FM i ATEX, takie jak UIP1000-Exd.

Hielscher dostarcza przemysłowe ultradźwiękowe urządzenia do przetwarzania biodiesla na całym świecie. Z ultradźwiękowymi maszynami aż do 16kW mocy na jednym urządzeniu, nie ma ograniczeń w ilości i wydajności przetwarzanego biodiesla.

Koszty ultradźwiękowego wytwarzania biodiesla

© www.hielscher.com

Ultradźwiękowa sonikacja jest skutecznym sposobem na zwiększenie szybkości reakcji i współczynnika konwersji w komercyjnym przetwórstwie biodiesla. Ultradźwiękowe koszty przetwórstwa wynikają głównie z inwestycji w urządzenia ultradźwiękowe, koszty użytkowania i konserwacji. Wyjątkowa efektywność energetyczna urządzeń ultradźwiękowych Hielschera pozwala zmniejszyć koszty użytkowania i przez to uczynić ten proces jeszcze bardziej ekologicznym. Powstałe koszty ultradźwięków wahają się między 0.4 gr a 4.0 gr na litr przy zastosowaniu w skali przemysłowej. Aby uzyskać więcej informacji na temat kosztów ultradźwiękowego przetwórstwa, kliknij tutaj.

Frost & Sullivan Innowacja Technologiczna Roku

Hielscher Ultrasonics otrzymał prestiżową nagrodę Frost & Sullivan Technologiczna Innowacja Roku w uznaniu rozwoju przez firmę nowatorskiej ultradźwiękowej technologii produkcji bio-diesla. Kliknij tutaj, aby przeczytać więcej.

Ultradźwiękowy układ produkcji biodiesla w małej skali

© www.hielscher.com

Ultradźwięki można stosować do przekształcania oleju w biodiesla w dowolnej skali. Rysunek przedstawia konfigurację w małej skali dla przetwarzania 60-70 litrów. Jest to typowa konfiguracja do wstępnych badań i demonstracji procesu.

Ta instalacja składa się z następujących części:

  • Jeden ultradźwiękowy procesor 500 W lub 1000 W (20kHz) ze wzmacniaczem amplitudy, sonotrodą i komorą przepływową
  • Miernik mocy i energii
  • Zbiornik przetwórczy 80 litrowy (plastik, np. HDPE)
  • Element grzejny (1 do 2kW)
  • 10 litrowy zbiornik do wstępnego zmieszania katalizatora (plastik, np. HDPE)
  • Mieszadło do wymieszania katalizatora
  • Pompa (odśrodkowa, kawitacyjna lub zębata) ok. 10 do 20 litrów/minutę przy 1 do 3 bar
  • Zawór ciśnienia wstecznego dla regulacji ciśnienia w komorze przepływowej
  • Manometr do pomiaru ciśnienia zasilania

Przygotowanie

Wodorotlenek potasu (0,2 do 0,4 kg, katalizator) jest rozpuszczany w około. 8.5L metanolu w zbiorniku do wstępnego wymieszania katalizatora. Wymaga to mieszania. Zbiornik technologiczny jest wypełniony 66L oleju roślinnego. Olej jest rozgrzewany za pomocą elementu grzejnego do 45 do 65°C.

Przetwarzanie

Gdy katalizator jest całkowicie rozpuszczony w metanolu, mieszankę z katalizatorem miesza się z gorącym olejem. Pompa doprowadza mieszaninę do komory przepływowej. Za pomocą zaworu ciśnienia wstecznego, ciśnienie doprowadza się do 1 do 3 bar (15 do 45 psi). Recyrkulacja poprzez ultradźwiękowy reaktor biodiesla powinna być prowadzona przez ok. 20 minut. W tym czasie olej jest przekształcany w biodiesel. Następnie, pompa i ultradźwięki są wyłączane. Gliceryna (cięższa faza) będzie oddzielać się od biodiesla (lżejsza fazy). Separacja trwa ok. od 30 do 60 minut. Po zakończeniu rozdzielania, gliceryna może być spuszczona.

Mycie biodiesla

Ponieważ uzyskany biodiesel zawiera zanieczyszczenia, konieczne jest mycie. W tym celu biodiesel miesza się z wodą. Ultradźwięki mogą wspomóc wymieszanie biodiesla z wodą. Zwiększa to powierzchnię aktywną w wyniku redukcji wielkości kropli (patrz ultradźwiękowa emulgacja ultradźwiękowa emulgacja). Proszę zwrócić uwagę, że bardzo intensywna sonikacja może zmniejszyć kropelki wody do wielkości, która wytworzy prawie stabilną emulsję wymagającą specjalnych środków (np. wirówki) w celu rozdzielenia.

Przetwarzanie i rozdzielanie biodiesla w sposób ciągły

W instalacji do przetwarzania i rozdziału biodiesla w sposób ciągły, rozgrzany olej i premiks katalizatora miesza się ze sobą bez przerwy przy użyciu regulowanej pompy. Wbudowany mieszalnik statyczny poprawia jednorodność strumienia zasilającego wprowadzanego do reaktora ultradźwiękowego. Mieszanina oleju i katalizatora przechodzi przez celę przepływową, w której jest poddana działaniu kawitacji ultradźwiękowej przez ok. 5 do 30 sekund. Zawór ciśnienia wstecznego służy do kontrolowania ciśnienia w komorze przepływowej. Sonikowana mieszanka dostaje się na szczyt kolumny reaktora. Objętość kolumny reaktora ma zapewnić ok. 1 godzinę czasu retencji w kolumnie. W tym czasie, reakcja transestryfikacji jest kompletna. Przereagowana mieszanina jest pompowana do wirówki, gdzie rozdziela się na frakcje biodiesla i gliceryny. Przetwarzanie końcowe obejmuje odzysk metanolu, mycie oraz suszenie i może to być także wykonywane w sposób ciągły. Taka konfiguracja eliminuje wsadową nadawę reaktora biodiesla, konwencjonalne mieszadła i duże zbiorniki separatora.

Szybkość reakcji transestryfikacji biodiesla

Poniższe schematy przedstawiają typowe wyniki transestryfikacji oleju rzepakowego (klasy przemysłowej) za pomocą metanolanu sodu (z lewej) oraz wodorotlenku potasu (z prawej). W obu badaniach próbka kontrolna (linia niebieska) poddana była intensywnemu mieszaniu mechanicznemu. Czerwona linia oznacza poddaną ultradźwiękom próbkę o identycznym składzie w odniesieniu do proporcji objętości, stężenia katalizatora i temperatury. Oś pozioma przedstawia czas, odpowiednio po zmieszaniu lub sonikacji. Oś pionowa pokazuje objętość gliceryny, która osiadła na dnie. Jest to prosty sposób pomiaru szybkości reakcji. W obu schematach próbki poddane działaniu ultradźwięków (czerwony) reagują znacznie szybciej, niż próbki kontrolne (niebieski).

© www.hielscher.com
© www.hielscher.com

Informacja o odczynnikach chemicznych i bezpieczeństwie

Proszę przeczytać uważnie poniższe informacje, aby uniknąć powikłań i niekorzystnych skutków dla zdrowia.

Odczynniki do biodiesla

Metanol jest toksyczny. Może spowodować pogorszenie nerwów na skutek długotrwałego użytkowania. Może być także adsorbowany przez skórę. Jeśli dostanie się do oczu może spowodować utratę wzroku, może być śmiertelny w przypadku połknięcia. Z tego powodu, podejmuj niezbędne środki ostrożności przy obchodzeniu się z metanolem. Zaleca się stosowanie dobrego respiratora, fartucha i rękawic gumowych.

Wodorotlenek potasu (KOH) jest toksyczny i powoduje przy kontakcie poparzenie skóry. Wymagana jest dobra wentylacja.

Upewnij się, że obszar roboczy jest dobrze i starannie wentylowany, aby umożliwić odprowadzanie oparów. Wkłady oparowe do repisratorów nie są skuteczne przeciw oparom metanolu. Aparaty powietrzne butlowe dają lepszą ochronę przed oparami metanolu.

Biodiesel i części gumowe

Zasilanie 100% biodieslem przez dłuższy czas może spowodować komplikacje z mokrymi elementami gumowymi (pompy, węże, uszczelki) silnika. Zastąpienie częściami stalowymi lub gumą o wysokiej odporności może wyeliminować ten problem. Ewentualnie można zastosować domieszkę ok. 25% konwencjonalnego (kopalnego), oleju napędowego do swojego biodiesla, aby zapobiec powikłaniom.

Biodiesel

Biodiesel, taki jak ester metylowy rzepakowy (RME) jest paliwem odnawialnym i biodegradowalnym. Biodiesel ma kilka zalet w porównaniu z prostym olejem roślinnym (SVO). Nie wymaga konwersji silnika lub modyfikacji układu paliwowego do zasilania biodieslem konwencjonalnych silników Diesla. Biodiesel jest powszechnie dodawany do oleju napędowego sprzedawane go dziś na stacjach paliw w celu zwiększenia śliskości czystego Diesel o Ultra-Niskiej Zawartości Siarki (ULSD), co jest korzystne, ponieważ Biodiesel prawie nie zawiera żadnej zawartości siarki.

Ultradźwięki oszczędzają energię i koszty

© www.hielscher.com

W przetwarzaniu odnawialnych paliw alternatywnych, takich jak biodiesel, zużycie energii i jej ochrona jest niezwykle ważna. Energia elektryczna wykorzystywana do produkcji “zielonego” paliwa ma bezpośredni wpływ na ogólny bilans energii i CO2.

Wykres przedstawia porównanie kawitacji ultradźwiękowej, mieszania wysokiego ścinania i kawitacji hydrodynamicznej. Korzystanie z urządzeń ultradźwiękowych HIELSCHER do przetwarzania biodiesla wymaga ok. 1.4 kWh/m³. Osiągnięcia podobnej wydajności przy użyciu magnetycznej impulsowej kawitacji hydrodynamicznej wymaga około 32.0 kWh/m³. Mieszanie z dużymi siłami ścinającymi wymaga około 4.4 kWh/m³. Oznacza to, że magnetyczna impulsowa kawitacja hydrodynamiczna wymaga ok. 23 razy więcej energii, a mieszanie z dużymi siłami ścinania ok. 3 razy więcej energii, niż urządzenia ultradźwiękowe Hielscher dla osiągnięcia takiej samej wydajności.

Prowadzi to do znacznie wyższych rocznych kosztów energii elektrycznej. Jest to poważny czynnik kosztowy, który musi zostać oceniony przy inwestowaniu w technologię przetwarzania.

Materiały dodatkowe

“W Genuine Bio-Fuel Inc. ultradźwiękowy procesor  Hielscher UIP1000hd umożliwia nam produkcję wysokiej jakości biodiesla ASTM z różnych surowców naturalnych. Jednostka ta redukuje nam koszty oraz poprawia wydajność procesu.”

Jeff Longo, Genuine Bio-Fuel Inc.

“Jesteśmy bardzo zadowoleni z wyposażenia Hielscher oraz usług i mamy zamiar stosowania technologii ultradźwiękowej Hielscher we wszystkich naszych przyszłych przedsięwzięciach.”

Todd Stephens, Tulsa Biofuels

Naciśnij aby zobaczyć nasz certyfikat ASTM!

Powiązane publikacje

Ultrasonic Transesterification of Oil to Biodiesel

Impact of Ultrasonication on Biodiesel Processing Efficiency

The Use of Ultrasonic Reactors in a Small Scale Continuous Biodiesel Process – Graham Towerton (2007)

Biodiesel from Algae using Ultrasonication

Sonocatalysis – Ultrasonically assisted catalysis

Fast-Transesterification of Soybean Oil Using Ultrasonication

Influence of Mass Transfer on the Production of Biodiesel

Biodiesel Impacts on Exhaust Emissions

Production Technology

Biodiesel Analytical Methods

‘Foolproof’ Way to Make Biodiesel

Łącza

List of Suppliers for Tanks and Pumps for Biodiesel Production

M Global Enterprises: Chemical Blending & Engineering

Biodiesel Databases

Emissions Database

Biorefinery Technology

Society of Agricultural and Biological Engineers

Wikipedia: Biodiesel

Wpis jest tłumaczeniem artykułu firmy Hielscher Ultrasonics GmbH, którego oryginał jest dostępny pod adresem https://www.hielscher.com/biodiesel_ultrasonic_mixing_reactors.htm

© copyright 1999-2014, Hielscher Ultrasonics GmbH

© copyright na tłumaczenie 2014, Labindex S.C.