一種生產(chǎn)生物柴油的裝置和方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及生物柴油制備技術領域，具體涉及一種生產(chǎn)生物柴油的裝置和方法。
【背景技術】
[0002] 能源亦稱能量資源或能源資源。是指可產(chǎn)生各種能量（如熱量、電能、光能和機械 能等）或可作功的物質(zhì)的統(tǒng)稱。是指能夠直接取得或者通過加工、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、風能、太陽能、地熱能、生物質(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] 燃料是指燃燒時能產(chǎn)生熱能或動力和光能的可燃物質(zhì)，主要是含碳物質(zhì)或碳氫化 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)過加熱產(chǎn)生的熱能形式的能源。燃料能源即是燃燒時能產(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，隨著開采活動的頻繁加劇，我國現(xiàn)有的礦物資源越來越稀少，呈現(xiàn)出即將枯竭的 趨勢；核燃料（nuclearfuel)是在核反應堆中通過核裂變或核聚變產(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、土地等通過光合作用而產(chǎn)生的各種有 機體，即一切有生命的可以生長的有機物質(zhì)；它包括植物、動物和微生物等，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 有廣泛推廣應用的意義。
[0005] 美國科學家最新的研究成果顯示，目前應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)又稱為 生質(zhì)柴油，是用未加工過的或者使用過的植物油以及動物脂肪通過不同的化學反應制備出 來的一種被認為是環(huán)保的生物質(zhì)燃料，通常是長鏈單烷基酯結構。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。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，生成脂肪酸酯。脂肪酸酯的物理和化 學性質(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)動機中的再生性 柴油燃料，與傳統(tǒng)的石化能源相比，其硫及芳烴含量低、閃點高、十六烷值高、具有良好的潤 滑性，可部分添加到石化柴油中。近年來，隨著人們對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)濟競爭力，并能在不減少糧食供應的前提下大量生產(chǎn)是生物柴油能否實現(xiàn)工業(yè)應 用的前提。在生產(chǎn)生物燃料中的生物柴油過程中，催化劑起著關鍵的作用，常用的有堿性催 化劑、酸性催化劑、酶催化劑和無機催化劑等。
[0006] 生物酶法生產(chǎn)生物柴油具有反應條件溫和，能耗低，對設備要求低等優(yōu)點。專利 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、反應效率低，且催化酶 易失活，這阻礙了生物酶法技術在工業(yè)生產(chǎn)中的應用，對其的研究現(xiàn)處于探索階段。
[0007] 與生物酶法合成生物柴油相比，化學法生產(chǎn)生物柴油具有生產(chǎn)成本較低、反應容 易控制、油脂轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點，對于提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本具有重要意義。專利CN 103756791A利用廢棄油脂，在復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。專利CN103756792A通過預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，但其較高的能耗負荷也 成為此法在工業(yè)中廣泛應用面臨的問題之一。國內(nèi)外專家學者在降低裝置能耗，減少操作 費用方面做出了杰出貢獻。專利CN103320233A提出了一種利用連續(xù)管式反應器生產(chǎn)生物 柴油的方法，該方法酯化反應過程不加熱、不攪拌，高效節(jié)能，整個流程在低溫常壓環(huán)境下 進行，能量消耗低、利用率高，節(jié)能環(huán)保；專利US2008312460A1開發(fā)了一種超聲裝置，利用 多頻率超聲能量，將植物油或動物油轉(zhuǎn)化為生物柴油，節(jié)省能耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為降低現(xiàn)有技術中采用化學法生產(chǎn)生物柴油過程中能耗較高等問題，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)過程中的設備投資、減少能耗，所制備的生物柴油純度高。
[0010] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案如下：
[0011] -種生產(chǎn)生物柴油的裝置，該裝置為背包式反應精餾隔壁塔，包括原料油預熱器、 原料醇預熱器、預反應器、隔壁塔（DWC)、背包式反應器I和背包式反應器II;其中：所述原 料油預熱器和原料醇預熱器分別連接所述預反應器，預反應器連接所述隔壁塔（DWC);所 述背包式反應器I和背包式反應器II設于隔壁塔DWC外部，并分別通過側線與隔壁塔DWC 相連接；所述背包式反應器I和背包式反應器II都通過進液管接收隔壁塔DWC側線抽出物 流，再通過回流管將反應后的物流返回隔壁塔DWC內(nèi)。
[0012] 所述隔壁塔DWC為設有分隔壁的主塔，所述主塔內(nèi)設有規(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側壁設置，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] 所述預反應器、背包式反應器I和背包式反應器II內(nèi)裝填催化劑，對其內(nèi)發(fā)生的 反應起到催化作用。
[0015] 所述隔壁塔DWC的頂部還設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)物水冷凝器分設于所述分隔壁的左側和右側。
[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)過原料醇預熱器和原料油預熱器后采出收集。
[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)過原料油預熱器和原料醇預熱器預熱后進入預反應器內(nèi)， 在預反應器內(nèi)催化劑的作用下發(fā)生酯化反應生成生物柴油和副產(chǎn)物水，反應產(chǎn)物（生物柴 油和副產(chǎn)物水）與未反應的原料（原料油和原料醇）共同進入隔壁塔DWC中進行分離；在 隔壁塔進料板的上方和下方分別抽出液體進入背包反應器I和背包反應器II中進行進一 步反應，反應后的物流再由隔壁塔原塔板返回隔壁塔內(nèi)進行進一步分離，目標產(chǎn)物生物柴 油由塔底采出，其中一部分生物柴油依次通過原料醇預熱器和原料油預熱器換熱，提供原 料預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;所述背包反應器和背包反應器內(nèi)操作壓力為200~ 400kPa，操作溫度為100~300°C。
[0020] 本發(fā)明中，背包反應器的數(shù)目及位置可根據(jù)隔壁塔內(nèi)實際的反應效果及催化劑活 性情況進行調(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)品的濃度達到了 99%以上，達到了相關的生物柴油標準要 求。
[0023] 其中，所述游離脂肪酸簡稱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)。 當肌肉活動所需能源一肝糖耗盡時，脂肪組織會分解中性脂肪成為游離脂肪酸來充當能 源使用。其中，所述一元醇，是指在分子內(nèi)僅含有一個羥基的醇。醇類是烴分子中一個或幾 個氫被羥基取代而生成的一類有機化合物。芳香烴的環(huán)上的氫被羥基取代而生成的化合物 不屬醇類而屬酚類。
[0024] 其中，所述固體酸催化劑是酸堿催化劑中的一類重要催化劑，催化功能來源于固 體表面上存在的具有催化活性的酸性部位，稱為酸中心。它們多數(shù)為非過渡元素的氧化物 或混合氧化物，其催化性能不同于含過渡元素的氧化物催化劑。這類催化劑廣泛應用于離 子型機理的催化反應，種類很多（見表）。此外，還有潤載型固體酸催化劑，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，本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果如下：
[0026] 1、本發(fā)明通過利用背包式反應精餾隔壁塔將反應移至精餾塔外，既有反應精餾過 程集中節(jié)省投資費用和操作費用的優(yōu)勢又能自由地調(diào)節(jié)分離條件和反應條件，并使用隔壁 塔實現(xiàn)三種物質(zhì)的單塔分離，與常規(guī)生產(chǎn)工藝相比，所述背包式反應精餾隔壁塔具有節(jié)省 設備投資及降低能耗生產(chǎn)高純度生物柴油的效果。
[0027] 2、在背包式反應精餾隔壁塔中實現(xiàn)高純度生物柴油的生產(chǎn)，將反應移至精餾塔外 進行，既有反應精餾過程集中、節(jié)省投資費用和操作費用的優(yōu)勢，又能自由地調(diào)節(jié)分離條件 和反應條件，隔壁塔工藝實現(xiàn)閉路循環(huán)，未完全反應的原料回流重復利用，提高了總轉(zhuǎn)化 率，并實現(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，達到同樣水解率及產(chǎn)品分離要求，比常規(guī)反應精餾流程可節(jié)能40%以 上。
[0029] 4、與傳統(tǒng)兩塔反應精餾流程相比，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)約一個精餾塔和一個再沸器的設備投資費用及操作費用，并可降低能 耗20~30%;與反應隔壁精餾塔流程相比，通過添加背包反應器使反應部分和精餾部分的 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用及 相關設備費用，達到了節(jié)能減排的效果。
[0030] 說明書附圖
[0031] 圖1為背包式反應精餾隔壁塔生產(chǎn)生物柴油的工藝流程示意圖。
[0032] 圖中：1-原料油預熱器；2-原料醇預熱器；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