CN100335595C - 一种连续制备生物柴油的方法 - Google Patents
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Abstract
一种连续制备生物柴油的方法，以短链醇为酰基受体，在短链醇的近临界、临界及超临界状态下，将可再生的植物油脂转化生成生物燃油，属于生物油料合成领域。将管式预热器、管式反应器加热至设定温度，利用高压泵分别将短链醇与油脂按摩尔比连续泵入管式预热器，混合，在管式反应器中反应10～40分钟，冷却，经产品分离罐分离，即可连续生产出生物柴油。本发明由于在反应体系中没有引进其他杂质，反应副产物粗甘油更容易通过精致获得高附加值的纯甘油产品；具有环境友好，生产分离过程简便，成本低，效率高，产量大，产品品质稳定等优点；采用的梯度升温反应工艺，大大降低了高温下不饱和脂肪酸链发生裂解现象，提高了产品中脂肪酸酯的含量。
Description
技术领域
本发明涉及一种连续制备生物柴油的方法，特别涉及以短链醇为酰基受体，在短链醇的近临界、临界及超临界状态下，将可再生的植物油脂转化生成生物燃油的一种连续制备生物柴油的方法，属于生物油料合成领域。
背景技术
由动植物油脂通过酯交换反应生成的长链脂肪酸酯类物质，是一种新型的无污染可再生的绿色能源，现在称为生物柴油。其燃烧性能通过实践证明，与传统的石化柴油非常接近，可作为石化柴油的替代燃料。由于生物柴油相比石化柴油具有众多的优点，特别是显著的降低了对环境的污染和快速的可再生性，在环境问题及能源问题日益突出的现在，生物柴油的研究和应用已经受到了广泛的关注。
目前生物柴油的生产方法一种是将动植物油与短链醇在催化剂作用下通过酯交换反应而得；另一种是无需催化剂，利用超临界方法在高温高压下直接进行酯交换反应进行制备。根据所使用的催化剂不同，生产方法有化学法和生物酶法两种。化学法使用的催化剂包括无机酸催化剂和无机碱催化剂。生物酶法采用脂肪酶作为反应的催化剂。化学催化法产品分离过程复杂，易造成二次污染；生物酶法中，反应速度慢，达到反应平衡所需时间长，同时，作为催化剂的脂肪酶失活现象明显，回收利用难度大，造成生产成本升高。无需催化剂的高温高压下的酯交换反应，由于不需要使用催化剂，所以减少了一切由催化剂带来的各种分离困难，使生产工艺得到了大大的简化。但由于不饱和脂肪酸链在高温下，容易发生裂解反应，使生物柴油产率降低，造成原料的浪费。而降低反应温度，反应转化率又会降低。特别是在植物油中，不饱和脂肪酸占总脂肪酸的比例非常高。减少不饱和脂肪酸的裂解损失对此种工艺的实际实施具有非常重要的意义。专利CN 1626621A提出了加入共溶剂的方法，虽然一定程度上降低了反应温度，但这会影响反应产物的纯度以及增加反应产物后处理工艺的复杂程度，并且由于使用共溶剂，增加了生产成本。
目前，基于上述几种方法的工艺几乎采用的均是间歇方法制备生物柴油，生产效率较低，产品质量也不稳定。如何提高生产效率，产品品质，产品产量的是目前工艺研究的主要方向之一。而连续生产工艺具有产量大，效率高，产品质量稳定等优点。此外，超临界方法中，高温下如何减少不饱和脂肪酸链的裂解现象，提高产品得率，也是目前的研究重点。
发明内容
本发明的目的是提出一种连续制备生物柴油的方法，以短链醇为酰基受体，油脂为原料，对反应混合物采用梯度升温反应工艺，经反应后，即可生产出生物柴油。一种连续制备生物柴油的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将可自动控温的管式预热器加热至设定温度，设定温度范围：30℃～200℃；
(2)管式反应器由可自动控温的加热炉加热至设定温度，设定温度范围：280℃～350℃；
(3)调节压力控制阀，设定所需反应压力，反应压力16MPa～50MPa；
(4)利用高压泵分别同时将短链醇与油脂按摩尔比为15∶1～60∶1连续泵入管式预热器中，在管式预热器中，短链醇与油脂分别被加热至设定温度(30℃～200℃)后，进入混合器进行混合；
(5)短链醇与油脂经混合器混合，形成反应混合物料，反应混合物料连续流入管式反应器中，并在管式反应器中进行梯度升温反应过程，此过程使反应混合物料的温度由预热温度逐渐升高并最终达到反应器加热炉的设定温度(280℃～350℃)，使反应物料间的酯交换反应平衡不断向产物方向移动并达到平衡，经10～40分钟反应后，反应物料进入冷却器冷却，经产品分离罐分离，即可连续生产出生物柴油。
所述短链醇为甲醇或乙醇。
所述反应过程无需催化剂、共溶剂及任何反应助剂。
所述油脂为植物油：菜籽油、棉籽油、大豆油、大豆色拉油等。
所述管式反应器为盘管式反应器。
所述梯度升温反应工艺为：短链醇与油脂在进入管式反应器前，先由一低温恒温预热器预热至所设定之低温度值状态。短链醇与油脂经混合器混合后，通入由一高温恒温加热炉加热的管式反应器中，反应混合物料在管式反应器中随着不断的流动而逐渐被加热并升温，最终在管式反应器末端被加热至所设定之高温度值状态，使反应混合物料的温度在反应器入口到出口之间从低到高的梯度分布。反应混合物料在管式反应器中升温的过程，同时也是反应混合物料发生酯交换反应并达到反应平衡的过程。
本发明的有益效果是：
(1)反应过程中无需采用任何催化剂、共溶剂等反应助剂，具有环境友好性，生产分离过程简便，生产成本低等优点。且由于在反应体系中没有引进其他杂质，反应副产物粗甘油更容易通过精致获得高附加值的纯甘油产品。
(2)采用了连续生产过程，生产效率高，产量大，产品品质稳定，相比间歇工艺，各方面都有明显提高。
(3)采用梯度升温反应工艺，大大降低了高温下不饱和脂肪酸链发生裂解的现象，极大的提高了产品中脂肪酸酯的含量。
具体实施方式
本发明为一种连续制备生物柴油的方法，以短链醇为酰基受体，油脂为原料，对反应混合物采用梯度升温反应工艺，经反应后，即可生产出生物柴油。现结合图一具体说明其生产过程：
(1)将可自动控温的管式预热器5加热至设定温度，设定温度范围：30℃～200℃；
(2)管式反应器7由可自动控温的加热炉加热至设定温度，设定温度范围：280℃～350℃；
(3)调节压力控制阀9，设定所需反应压力。反应压力16MPa～50MPa；
(4)利用高压泵3、4分别同时将短链醇2与油脂1按摩尔比为15∶1～60∶1连续泵入管式预热器中。在管式预热器中，短链醇与油脂分别被加热至设定温度(30℃～200℃)后，进入混合器6进行混合；
(5)短链醇与油脂经混合器混合，形成反应混合物料，反应混合物料连续流入管式反应器中，并在管式反应器中进行梯度升温反应过程，此过程使反应混合物料的温度由预热温度逐渐升高并最终达到反应器加热炉的设定温度，使反应物料间的酯交换反应平衡不断向产物方向移动并达到平衡，经10～40分钟反应后，反应物料进入冷却器8冷却，经产品分离罐10分离，即可连续生产出生物柴油。
所述短链醇为甲醇或乙醇。
所述反应过程无需催化剂、共溶剂及任何反应助剂。
所述油脂为植物油：菜籽油、棉籽油、大豆油、大豆色拉油等。
所述管式反应器为盘管式反应器。
所述梯度升温反应工艺为：短链醇与油脂在进入管式反应器前，先由一低温恒温预热器预热至所设定之低温度值状态。短链醇与油脂经混合器混合后，通入由一高温恒温加热炉加热的管式反应器中，反应混合物料在管式反应器中随着不断的流动而逐渐被加热并升温，最终在管式反应器末端被加热至所设定之高温度值状态，使反应混合物料的温度在反应器入口到出口之间从低到高的梯度分布。反应混合物料在管式反应器中升温的过程，同时也是反应混合物料发生酯交换反应并达到反应平衡的过程。
实施例1
将盘管反应器7加热至320℃，盘管预热器5加热至100℃。调节压力控制阀9使反应器内压力为32MPa。将甲醇2与大豆油1分别以2ml/min和1ml/min(摩尔比40∶1)的流量由高压平流泵3、4同时泵入容积为75ml的盘管预热器5中进行预热，预热至100℃后，经混合器6混合后进入容积为75mL的盘管反应器7中，反应物料温度由100℃逐步加热至320℃，在反应器入口及出口之间形成一个由100℃逐步升高到320℃的温度梯度。经过25分钟反应，反应物料经冷却器8冷却后，经产品分离罐10分离产品，即可生产出生物柴油，脂肪酸甲酯含量达到97％以上。
实施例2
将盘管反应器7加热至350℃，盘管预热器5加热至200℃。调节压力控制阀9使反应器内压力为16MPa。将甲醇2与大豆油1分别以5.5ml/min和2ml/min(摩尔比55∶1)的流量由高压平流泵3、4同时泵入容积为75ml的盘管预热器5中进行预热，预热至200℃后，经混合器6混合后进入容积为75mL的盘管反应器7中，反应物料温度由200℃逐步加热至350℃，在反应器入口及出口之间形成一个由200℃逐步升高到350℃的温度梯度。经过10分钟反应，反应物料经冷却器8冷却后，经产品分离罐10分离产品，即可生产出生物柴油，脂肪酸甲酯含量达到94％以上。
实施例3
将盘管反应器7加热至280℃，盘管预热器5加热至30℃。调节压力控制阀9使反应器内压力为32MPa。将甲醇2与大豆油1分别以3ml/min和1ml/min(摩尔比60∶1)的流量由高压平流泵3、4同时泵入容积为75ml的盘管预热器5中进行预热，预热至30℃后，经混合器6混合后进入容积为75mL的盘管反应器7中，反应物料温度由30℃逐步加热至280℃，在反应器入口及出口之间形成一个由30℃逐步升高到280℃的温度梯度。经过19分钟反应，反应物料经冷却器8冷却后，经产品分离罐10分离产品，即可生产出生物柴油，脂肪酸甲酯含量达到95％以上。
实施例4
将盘管反应器7加热至320℃，盘管预热器5加热至100℃。调节压力控制阀9使反应器内压力为50MPa。将甲醇2与大豆油1分别以0.9ml/min和1.2ml/min(摩尔比15∶1)的流量由高压平流泵3、4同时泵入容积为75ml的盘管预热器5中进行预热，预热至100℃后，经混合器6混合后进入容积为75mL的盘管反应器7中，反应物料温度由100℃逐步加热至320℃，在反应器入口及出口之间形成一个由100℃逐步升高到320℃的温度梯度。经过36分钟反应，反应物料经冷却器8冷却后，经产品分离罐10分离产品，即可生产出生物柴油，脂肪酸甲酯含量达到94％以上。
实施例5
将盘管反应器7加热至320℃，盘管预热器5加热至100℃。调节压力控制阀9使反应器内压力为28MPa。将甲醇2与菜籽油1分别以0.9ml/min和1ml/min(摩尔比17∶1)的流量由高压平流泵3、4同时泵入容积为75ml的盘管预热器5中进行预热，预热至100℃后，经混合器6混合后进入容积为75mL的盘管反应器7中，反应物料温度由100℃逐步加热至320℃，在反应器入口及出口之间形成一个由100℃逐步升高到320℃的温度梯度。经过40分钟反应，反应物料经冷却器8冷却后，经产品分离罐10分离产品，即可生产出生物柴油，脂肪酸甲酯含量达到94％以上。
实施例6
将盘管反应器7加热至330℃，盘管预热器5加热至150℃。调节压力控制阀9使反应器内压力为32MPa。将甲醇2与棉籽油1分别以2ml/min和1.5ml/min(摩尔比27∶1)的流量由高压平流泵3、4同时泵入容积为75ml的盘管预热器5中进行预热，预热至150℃后，经混合器6混合后进入容积为75mL的盘管反应器7中，反应物料温度由150℃逐步加热至330℃，在反应器入口及出口之间形成一个由150℃逐步升高到330℃的温度梯度。经过21分钟反应，反应物料经冷却器8冷却后，经产品分离罐10分离产品，即可生产出生物柴油，脂肪酸甲酯含量达到95％以上。
实施例7
将盘管反应器7加热至320℃，盘管预热器5加热至150℃。调节压力控制阀9使反应器内压力为32MPa。将乙醇2与大豆油1分别以2ml/min和1ml/min(摩尔比30∶1)的流量由高压平流泵3、4同时泵入容积为75ml的盘管预热器5中进行预热，预热至150℃后，经混合器6混合后进入容积为75mL的盘管反应器7中，反应物料温度由150℃逐步加热至320℃，在反应器入口及出口之间形成一个由150℃逐步升高到320℃的温度梯度。经过25分钟反应，反应物料经冷却器8冷却后，经产品分离罐10分离产品，即可生产出生物柴油，脂肪酸甲酯含量达到95％以上。
实施例8
将盘管反应器7加热至320℃，盘管预热器5加热至100℃。调节压力控制阀9使反应器内压力为32MPa。将甲醇2与大豆色拉油1分别以2ml/min和1ml/min(摩尔比40∶1)的流量由高压平流泵3、4同时泵入容积为75ml的盘管预热器5中进行预热，预热至100℃后，经混合器6混合后进入容积为75mL的盘管反应器7中，反应物料温度由100℃逐步加热至320℃，在反应器入口及出口之间形成一个由100℃逐步升高到320℃的温度梯度。经过25分钟反应，反应物料经冷却器8冷却后，经产品分离罐10分离产品，即可生产出生物柴油，脂肪酸甲酯含量达到98％以上。
Claims (6)
1、一种连续制备生物柴油的方法，以短链醇为酰基受体，油脂为原料，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将可自动控温的管式预热器加热至设定温度，设定温度范围：30℃～200℃；
(2)管式反应器由可自动控温的加热炉加热至设定温度，设定温度范围：280℃～350℃；
(3)调节压力控制阀，设定所需反应压力，反应压力16MPa～50MPa；
(4)利用高压泵分别同时将短链醇与油脂按摩尔比为15∶1～60∶1连续泵入管式预热器中，在管式预热器中，短链醇与油脂分别被加热至设定温度30℃～200℃后，进入混合器进行混合；
(5)短链醇与油脂经混合器混合，形成反应混合物料，反应混合物料连续流入管式反应器中，并在管式反应器中进行梯度升温反应过程，反应物料间的酯交换反应平衡不断向产物方向移动并达到平衡，经10～40分钟反应后，反应物料进入冷却器冷却，经产品分离罐分离，即可连续生产出生物柴油；
所述梯度升温反应过程是使反应混合物料的温度由预热温度逐渐升高并最终达到反应器加热炉的设定温度280℃～350℃。
2、根据权利要求1所述的一种连续制备生物柴油的方法，其特征在于，所述短链醇为甲醇或乙醇。
3、根据权利要求1所述的一种连续制备生物柴油的方法，其特征在于，所述反应过程无需催化剂、共溶剂及任何反应助剂。
4、根据权利要求1所述的一种连续制备生物柴油的方法，其特征在于，所述油脂为植物油，所述植物油选自菜籽油、棉籽油、大豆油、大豆色拉油中的任何一种。
5、根据权利要求1所述的一种连续制备生物柴油的方法，其特征在于，所述管式反应器为盘管式反应器。
6、一种梯度升温反应方法，其特征在于，短链醇与油脂在进入管式反应器前，先由一低温恒温预热器预热至所设定之低温度值状态；短链醇与油脂经混合器混合后，通入由一高温恒温加热炉加热的管式反应器中，反应混合物料在管式反应器中随着不断的流动而逐渐被加热并升温，最终在管式反应器末端被加热至所设定之高温度值状态，使反应混合物料的温度在反应器入口到出口之间从低到高的梯度分布。
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