一種生產(chǎn)生物柴油的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及生物柴油制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種生產(chǎn)生物柴油的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 能源亦稱(chēng)能量資源或能源資源。是指可產(chǎn)生各種能量（如熱量、電能、光能和機(jī)械 能等）或可作功的物質(zhì)的統(tǒng)稱(chēng)。是指能夠直接取得或者通過(guò)加工、轉(zhuǎn)換而取得有用能的各 種資源，包括煤炭、原油、天然氣、煤層氣、水能、核能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能等一 次能源和電力、熱力、成品油等二次能源，以及其他新能源和可再生能源。
[0003] 燃料是指燃燒時(shí)能產(chǎn)生熱能或動(dòng)力和光能的可燃物質(zhì)，主要是含碳物質(zhì)或碳?xì)浠?合物。按形態(tài)可以分成固體燃料、液體燃料、氣體燃料、化石燃料、生物燃料和核燃料等。
[0004] 燃料能源是指燃料經(jīng)過(guò)加熱產(chǎn)生的熱能形式的能源。燃料能源即是燃燒時(shí)能產(chǎn)生 熱能、光能的物質(zhì)。主要包含亦化石燃料、生物燃料和核燃料。石油、煤炭等化石燃料均是 天然資源，隨著開(kāi)采活動(dòng)的頻繁加劇，我國(guó)現(xiàn)有的礦物資源越來(lái)越稀少，呈現(xiàn)出即將枯竭的 趨勢(shì)；核燃料（nuclearfuel)是在核反應(yīng)堆中通過(guò)核裂變或核聚變產(chǎn)生能量，核燃料雖然 能產(chǎn)生較高的能量，但產(chǎn)生核能的物質(zhì)（例如：鈾、钚等）均存在著放射性毒害，對(duì)人體和 環(huán)境存在著安全隱患；生物燃料（biofuel)是指由生物質(zhì)組成或萃取的固體、液體或氣體 燃料，生物燃料可以替代由石油制取的汽油和柴油，是研究可再生能源開(kāi)發(fā)利用的重要發(fā) 展方向。生物燃料中所指的生物質(zhì)是指利用大氣、水、土地等通過(guò)光合作用而產(chǎn)生的各種有 機(jī)體，即一切有生命的可以生長(zhǎng)的有機(jī)物質(zhì)；它包括植物、動(dòng)物和微生物等，不同于石油、煤 炭、核能等傳統(tǒng)燃料，生物燃料是新興的可再生燃料；具有可再生性、低碳、環(huán)保等特性，具 有廣泛推廣應(yīng)用的意義。
[0005] 美國(guó)科學(xué)家最新的研究成果顯示，目前應(yīng)用最廣泛的兩種生物燃料是生物柴油和 乙醇燃料；生物柴油與乙醇燃料相比，具有更廣泛的選擇性；生物柴油（Biodiesel)又稱(chēng)為 生質(zhì)柴油，是用未加工過(guò)的或者使用過(guò)的植物油以及動(dòng)物脂肪通過(guò)不同的化學(xué)反應(yīng)制備出 來(lái)的一種被認(rèn)為是環(huán)保的生物質(zhì)燃料，通常是長(zhǎng)鏈單烷基酯結(jié)構(gòu)。這種生物燃料可以像柴 油一樣使用。生物柴油最普遍的制備方法是酯交換反應(yīng)。由植物油和脂肪中占主要成分的 甘油三酯與醇（一般是甲醇）在催化劑存在下反應(yīng)，生成脂肪酸酯。脂肪酸酯的物理和化 學(xué)性質(zhì)與柴油非常相近甚至更好。生物柴油可代替石化柴油用于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中的再生性 柴油燃料，與傳統(tǒng)的石化能源相比，其硫及芳烴含量低、閃點(diǎn)高、十六烷值高、具有良好的潤(rùn) 滑性，可部分添加到石化柴油中。近年來(lái)，隨著人們對(duì)燃料能源需求量的急劇攀升，尤其是 具有低碳環(huán)保特性的生物燃料，越來(lái)越受到廣泛重視。能否提高能源凈增益，是否具有環(huán)境 效益和經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，并能在不減少糧食供應(yīng)的前提下大量生產(chǎn)是生物柴油能否實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng) 用的前提。在生產(chǎn)生物燃料中的生物柴油過(guò)程中，催化劑起著關(guān)鍵的作用，常用的有堿性催 化劑、酸性催化劑、酶催化劑和無(wú)機(jī)催化劑等。
[0006] 生物酶法生產(chǎn)生物柴油具有反應(yīng)條件溫和，能耗低，對(duì)設(shè)備要求低等優(yōu)點(diǎn)。專(zhuān)利 CN1436834A提供了一種短鏈脂肪酸酯合成生物油料的方法，在適宜的溫度下利用生物酶催 化動(dòng)植物油脂等可再生資源生產(chǎn)生物柴油。但生物酶法生產(chǎn)成本高、反應(yīng)效率低，且催化酶 易失活，這阻礙了生物酶法技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，對(duì)其的研究現(xiàn)處于探索階段。
[0007] 與生物酶法合成生物柴油相比，化學(xué)法生產(chǎn)生物柴油具有生產(chǎn)成本較低、反應(yīng)容 易控制、油脂轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本具有重要意義。專(zhuān)利CN 103756791A利用廢棄油脂，在復(fù)合催化劑的作用下生產(chǎn)生物柴油，油脂轉(zhuǎn)化率較高、催化劑 可循環(huán)利用。專(zhuān)利CN103756792A通過(guò)預(yù)處理除去油脂中大部分游離脂肪酸并有效降低含 水量，通過(guò)酯交換中活性白土處理有效除去生物柴油中的皂、甘油、部分有色雜質(zhì)等，并在 后處理中加入穩(wěn)定劑，增加了生物柴油的穩(wěn)定性。
[0008] 雖然化學(xué)法能夠提高生物油脂的轉(zhuǎn)化率，降低生產(chǎn)成本，但其較高的能耗負(fù)荷也 成為此法在工業(yè)中廣泛應(yīng)用面臨的問(wèn)題之一。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者在降低裝置能耗，減少操作 費(fèi)用方面做出了杰出貢獻(xiàn)。專(zhuān)利CN103320233A提出了一種利用連續(xù)管式反應(yīng)器生產(chǎn)生物 柴油的方法，該方法酯化反應(yīng)過(guò)程不加熱、不攪拌，高效節(jié)能，整個(gè)流程在低溫常壓環(huán)境下 進(jìn)行，能量消耗低、利用率高，節(jié)能環(huán)保；專(zhuān)利US2008312460A1開(kāi)發(fā)了一種超聲裝置，利用 多頻率超聲能量，將植物油或動(dòng)物油轉(zhuǎn)化為生物柴油，節(jié)省能耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為降低現(xiàn)有技術(shù)中采用化學(xué)法生產(chǎn)生物柴油過(guò)程中能耗較高等問(wèn)題，本發(fā)明的目 的在于提供一種生產(chǎn)生物柴油的裝置和方法，利用本發(fā)明裝置和方法能夠降低生物柴油生 產(chǎn)過(guò)程中的設(shè)備投資、減少能耗，所制備的生物柴油純度高。
[0010] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0011] -種生產(chǎn)生物柴油的裝置，該裝置為背包式反應(yīng)精餾隔壁塔，包括原料油預(yù)熱器、 原料醇預(yù)熱器、預(yù)反應(yīng)器、隔壁塔（DWC)、背包式反應(yīng)器I和背包式反應(yīng)器II;其中：所述原 料油預(yù)熱器和原料醇預(yù)熱器分別連接所述預(yù)反應(yīng)器，預(yù)反應(yīng)器連接所述隔壁塔（DWC);所 述背包式反應(yīng)器I和背包式反應(yīng)器II設(shè)于隔壁塔DWC外部，并分別通過(guò)側(cè)線(xiàn)與隔壁塔DWC 相連接；所述背包式反應(yīng)器I和背包式反應(yīng)器II都通過(guò)進(jìn)液管接收隔壁塔DWC側(cè)線(xiàn)抽出物 流，再通過(guò)回流管將反應(yīng)后的物流返回隔壁塔DWC內(nèi)。
[0012] 所述隔壁塔DWC為設(shè)有分隔壁的主塔，所述主塔內(nèi)設(shè)有規(guī)整填料或塔板，起到精 餾分離作用。
[0013] 所述分隔壁平行于隔壁塔DWC側(cè)壁設(shè)置，并將隔壁塔DWC內(nèi)部分隔為左右兩部分 空間，左右兩部分空間在塔底處相連通。
[0014] 所述預(yù)反應(yīng)器、背包式反應(yīng)器I和背包式反應(yīng)器II內(nèi)裝填催化劑，對(duì)其內(nèi)發(fā)生的 反應(yīng)起到催化作用。
[0015] 所述隔壁塔DWC的頂部還設(shè)有塔頂甲醇冷凝器和塔頂副產(chǎn)物水冷凝器，塔頂甲醇 冷凝器和塔頂副產(chǎn)物水冷凝器分設(shè)于所述分隔壁的左側(cè)和右側(cè)。
[0016] 所述生物柴油產(chǎn)品從隔壁塔DWC的底部采出，其中一部分流經(jīng)塔底再沸器后返回 至隔壁塔DWC內(nèi)；其中另一部分依次經(jīng)過(guò)原料醇預(yù)熱器和原料油預(yù)熱器后采出收集。
[0017] 利用上述生產(chǎn)裝置生產(chǎn)高純度生物柴油的方法如下：
[0018] 原料油和原料醇分別經(jīng)過(guò)原料油預(yù)熱器和原料醇預(yù)熱器預(yù)熱后進(jìn)入預(yù)反應(yīng)器內(nèi)， 在預(yù)反應(yīng)器內(nèi)催化劑的作用下發(fā)生酯化反應(yīng)生成生物柴油和副產(chǎn)物水，反應(yīng)產(chǎn)物（生物柴 油和副產(chǎn)物水）與未反應(yīng)的原料（原料油和原料醇）共同進(jìn)入隔壁塔DWC中進(jìn)行分離；在 隔壁塔進(jìn)料板的上方和下方分別抽出液體進(jìn)入背包反應(yīng)器I和背包反應(yīng)器II中進(jìn)行進(jìn)一 步反應(yīng)，反應(yīng)后的物流再由隔壁塔原塔板返回隔壁塔內(nèi)進(jìn)行進(jìn)一步分離，目標(biāo)產(chǎn)物生物柴 油由塔底采出，其中一部分生物柴油依次通過(guò)原料醇預(yù)熱器和原料油預(yù)熱器換熱，提供原 料預(yù)熱所需能量后作為生物柴油產(chǎn)品收集，另一部分生物柴油經(jīng)再沸器換熱后返回隔壁塔 用于提供隔壁塔內(nèi)上升蒸氣，隔壁塔內(nèi)未反應(yīng)的組分原料醇和副產(chǎn)物水分別經(jīng)由塔頂甲醇 冷凝器和塔頂副產(chǎn)物水冷凝器冷凝，然后一部分作為塔頂產(chǎn)品采出，另一部分從塔頂回流 至隔壁塔內(nèi)。
[0019] 本發(fā)明中，所述隔壁塔（DWC)內(nèi)操作壓力為100~300kPa，塔頂操作溫度為50~ 150°C，塔底操作溫度為150~300°C;所述背包反應(yīng)器和背包反應(yīng)器內(nèi)操作壓力為200~ 400kPa，操作溫度為100~300°C。
[0020] 本發(fā)明中，背包反應(yīng)器的數(shù)目及位置可根據(jù)隔壁塔內(nèi)實(shí)際的反應(yīng)效果及催化劑活 性情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證原料的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)品的純度要求。
[0021] 本發(fā)明中，使用的原料油為游離脂肪酸，原料醇為一元醇，催化劑是固體酸催化 劑。
[0022] 本發(fā)明中，生物柴油產(chǎn)品的濃度達(dá)到了 99%以上，達(dá)到了相關(guān)的生物柴油標(biāo)準(zhǔn)要 求。
[0023] 其中，所述游離脂肪酸簡(jiǎn)稱(chēng)FFA，存在于人體內(nèi)的脂質(zhì)，大致可以分為膽固醇、中性 脂肪（三酸甘油脂）、磷脂質(zhì)、游離脂肪酸等4種。游離脂肪酸是中性脂肪分解成的物質(zhì)。 當(dāng)肌肉活動(dòng)所需能源一肝糖耗盡時(shí)，脂肪組織會(huì)分解中性脂肪成為游離脂肪酸來(lái)充當(dāng)能 源使用。其中，所述一元醇，是指在分子內(nèi)僅含有一個(gè)羥基的醇。醇類(lèi)是烴分子中一個(gè)或幾 個(gè)氫被羥基取代而生成的一類(lèi)有機(jī)化合物。芳香烴的環(huán)上的氫被羥基取代而生成的化合物 不屬醇類(lèi)而屬酚類(lèi)。
[0024] 其中，所述固體酸催化劑是酸堿催化劑中的一類(lèi)重要催化劑，催化功能來(lái)源于固 體表面上存在的具有催化活性的酸性部位，稱(chēng)為酸中心。它們多數(shù)為非過(guò)渡元素的氧化物 或混合氧化物，其催化性能不同于含過(guò)渡元素的氧化物催化劑。這類(lèi)催化劑廣泛應(yīng)用于離 子型機(jī)理的催化反應(yīng)，種類(lèi)很多（見(jiàn)表）。此外，還有潤(rùn)載型固體酸催化劑，是將液體酸附載 于固體載體上而形成的，如固體磷酸催化劑。
[0025] 相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下：
[0026] 1、本發(fā)明通過(guò)利用背包式反應(yīng)精餾隔壁塔將反應(yīng)移至精餾塔外，既有反應(yīng)精餾過(guò) 程集中節(jié)省投資費(fèi)用和操作費(fèi)用的優(yōu)勢(shì)又能自由地調(diào)節(jié)分離條件和反應(yīng)條件，并使用隔壁 塔實(shí)現(xiàn)三種物質(zhì)的單塔分離，與常規(guī)生產(chǎn)工藝相比，所述背包式反應(yīng)精餾隔壁塔具有節(jié)省 設(shè)備投資及降低能耗生產(chǎn)高純度生物柴油的效果。
[0027] 2、在背包式反應(yīng)精餾隔壁塔中實(shí)現(xiàn)高純度生物柴油的生產(chǎn)，將反應(yīng)移至精餾塔外 進(jìn)行，既有反應(yīng)精餾過(guò)程集中、節(jié)省投資費(fèi)用和操作費(fèi)用的優(yōu)勢(shì)，又能自由地調(diào)節(jié)分離條件 和反應(yīng)條件，隔壁塔工藝實(shí)現(xiàn)閉路循環(huán)，未完全反應(yīng)的原料回流重復(fù)利用，提高了總轉(zhuǎn)化 率，并實(shí)現(xiàn)了三種物質(zhì)的單塔分離。
[0028] 3、采用本發(fā)明裝置及方法生產(chǎn)生物柴油，原料油轉(zhuǎn)化率在99%以上，所得生物柴 油純度在99%以上，達(dá)到同樣水解率及產(chǎn)品分離要求，比常規(guī)反應(yīng)精餾流程可節(jié)能40%以 上。
[0029] 4、與傳統(tǒng)兩塔反應(yīng)精餾流程相比，采用本發(fā)明可減少所需精餾塔的數(shù)目，在相同 的產(chǎn)品要求下，可節(jié)約一個(gè)精餾塔和一個(gè)再沸器的設(shè)備投資費(fèi)用及操作費(fèi)用，并可降低能 耗20~30%;與反應(yīng)隔壁精餾塔流程相比，通過(guò)添加背包反應(yīng)器使反應(yīng)部分和精餾部分的 壓力可分別自由的調(diào)節(jié)，降低了精餾塔的操作壓力，并由此降低了加壓造成的操作費(fèi)用及 相關(guān)設(shè)備費(fèi)用，達(dá)到了節(jié)能減排的效果。
[0030] 說(shuō)明書(shū)附圖
[0031] 圖1為背包式反應(yīng)精餾隔壁塔生產(chǎn)生物柴油的工藝流程示意圖。
[0032] 圖中：1-原料油預(yù)熱器；2-原料醇預(yù)熱器；3-塔頂甲醇冷凝器；4-塔頂副產(chǎn)物 水冷凝器；5-塔底再沸器；6-預(yù)