CN101701165A - 高酸值油脂制备生物柴油的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高酸值油脂制备生物柴油的方法,方法为:向反应釜中滴加酸值范围在20~200mgKOH/g的植物或动物油脂,在搅拌状态下进行催化裂解,碳酸钠催化剂预先加入反应釜中,反应釜内温度为450℃,所产生的裂解油蒸汽经过温度为320~360℃的精馏柱后,自上而下通入逆流反应填料塔中,同时,将醇蒸汽自下而上通入逆流反应填料塔中与裂解油蒸汽逆流反应,逆流反应填料塔内装载酸性颗粒催化剂固定床床层,逆流反应填料塔内温度为60~200℃,在逆流反应填料塔塔底得到产物生物柴油。产品的密度0.80~0.86g/cm3,含水量0.31~0.39%,热值41.0~45.0kJ/g,粘度2.5~3.5mm2/s,冷滤点-8~-22℃,冷凝点-30~-15℃,酸值为1.0~5.0mg KOH/g。本方法工艺简单、产物燃料油酸值低,产品转化率高。
Description
技术领域
本发明属于生物质能源转化技术领域,主要涉及高酸值油脂裂解-酯化制备液体燃料油。
背景技术
生物质是唯一可以直接转化得到液体燃料油的可再生资源。目前利用油脂制备液体燃料油的方法主要是酯交换法制备生物柴油,经过多年的发展,生物柴油的制备已形成比较完备的技术体系。但是由于自身结构上的缺陷、原料成本的制约,其进一步发展受到限制。例如,生物柴油冷凝点较高,低温流动性差,不适宜寒冷地区使用;热值也比石化柴油低9~13%。此外,生物柴油存储稳定性差,容易发生氧化、变质,不易储存。
相比较酯交换法,催化裂解是另一条以油脂为原料的液体燃料油制备方法。催化裂解法没有甘油的后处理步骤,也没有甲醇回用问题,工艺简单,省去了许多生产设备。所得到的燃料油热值高,性能与柴油接近。但目前可以有效减少裂解油中的羧酸含量,降低产物酸值的研究鲜有报道,所得裂解油酸值普遍较高(>100mg KOH/g),在设备腐蚀、燃料性质上存在潜在的缺陷。因此需采取适当措施,降低产物酸值,提高收率。若采用常规的与甲醇酯化反应、蒸馏等方法则会造成原料浪费和较多能耗。
发明内容
为了解决现有技术存在的裂解油酸值高、收率低、工艺复杂、原料浪费严重的缺点,本发明提供了一种高酸值油脂制备生物柴油的方法,工艺简单、产物燃料油酸值低,产品转化率高。
一种高酸值油脂制备生物柴油的方法,方法为:
向反应釜中滴加酸值范围在20~200mgKOH/g的植物或动物油脂,在搅拌状态下进行催化裂解,碳酸钠催化剂预先加入反应釜中,催化剂的量为油脂质量的5%,反应釜内温度为450℃,所产生的裂解油蒸汽经过温度为320~360℃的精馏柱后,自上而下通入逆流反应填料塔中,同时,将醇蒸汽自下而上通入逆流反应填料塔中与裂解油蒸汽逆流反应,逆流反应填料塔内装载酸性颗粒催化剂固定床床层,逆流反应填料塔内温度为60~200℃,在逆流反应填料塔塔底得到产物生物柴油。
所用醇为甲醇、乙醇或丁醇。搅拌速度为220r/min。逆流反应填料塔内装载的酸性催化剂固定床床层是成型的酸性MCM-41介孔分子筛、成型的氧化物固体超强酸、酸性阳离子交换树脂或酸性催化剂负载颗粒活性炭。成型的氧化物固体超强酸为氧化锆固体超强酸、氧化钛固体超强酸或氧化锡固体超强酸。酸性催化剂负载颗粒活性炭为硫酸氢钠负载颗粒活性炭、对甲苯磺酸负载颗粒活性炭。所述的植物或动物油脂为酸化油,地沟油,油酸中的任意一种,优选地沟油。
反应完的醇蒸汽由逆流反应填料塔塔顶导出到醇储罐中,并经回收提纯后,由加热装置加热再进入逆流反应填料塔反应。
有益效果:
1.采用碱性催化剂碳酸钠,能够改变裂解反应历程,得到的热解产物在组成、性质上同石油衍生柴油相接近。在裂解过程中引入了搅拌装置,增大了催化剂与原料油的接触面积,使反应更充分,提高催化剂的使用寿命。
2.催化裂解装置中加入精馏柱,可有效控制产物裂解油的分子量,使裂解油能够具有与柴油相近的馏程。
3.裂解油直接通入逆流反应填料塔与醇蒸汽反应,减少了冷凝单元操作,降低了填料塔的热量输入。
4.降酸值是在常压下反应、温度要求不高,反应条件容易控制。
5.利用逆流酯化反应,降低裂解油的羧酸含量,实现了连续化操作。醇和催化剂回收利用率高,反应体系能耗低、污染少、节约成本。
6.产物的转化率较高,冷凝点低,低温流动性能好,富含高燃烧稳定性的直链结构烷烃、烯烃化合物,更接近石化柴组分,物性接近石化柴油。
7.选用的油脂和醇类均属可再生资源。
本发明有效利用了精馏柱和逆流反应填料塔,优化了反应工艺条件使酸值显著降低,操作简便,节约能耗。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。1-生物油脂储罐,2-恒流泵,3-裂解反应釜,4-催化剂,5-第一加热装置、10-第二加热装置,6-精馏柱,7-逆流反应填料塔,8-产品储罐,9-醇蒸汽,11-醇储罐。
图2是地沟油催化裂解反应结束后,生物柴油和0号柴油相经气质联用分析中的气象色谱图。其中,a.0号柴油,b.裂解油,c.酯化后的裂解油,经质谱分析催化裂解油主要成分与石化柴油相似,主要是烷烃和烯烃类化合物;酯化后的裂解油中除了含有与石化柴油相似组分外,还含有酯类化合物,因而酸值较低。
具体实施方式
作为实验用油脂原料的酸化油,地沟油,油酸等植物和动物油脂为市售;自制分子筛和固体超强酸催化剂。
一种高酸值油脂制备生物柴油的方法,方法为:
生物油脂由生物油脂储罐1经恒流泵2向裂解反应釜3中滴加酸值范围在20~200mgKOH/g的植物或动物油脂,在搅拌状态下进行催化裂解,碳酸钠催化剂4预先加入反应釜中,催化剂的量为油脂质量的5%,反应釜3内温度为450℃,反应釜的温度由第一加热装置5保证,所产生的裂解油蒸汽经过温度为320~360℃的精馏柱6后,自上而下通入逆流反应填料塔7中,同时,将醇蒸汽自下而上通入逆流反应填料塔7中与裂解油蒸汽逆流反应,逆流反应填料塔7内装载酸性颗粒催化剂固定床床层,逆流反应填料塔7内温度为60~200℃,在逆流反应填料塔7塔底得到产物生物柴油,进入产品储罐8中。
所用醇为甲醇、乙醇或丁醇。搅拌速度为220r/min。逆流反应填料塔内装载的酸性催化剂固定床床层是成型的酸性MCM-41介孔分子筛、成型的氧化物固体超强酸、酸性阳离子交换树脂或酸性催化剂负载颗粒活性炭。成型的氧化物固体超强酸为氧化锆固体超强酸、氧化钛固体超强酸或氧化锡固体超强酸。酸性催化剂负载颗粒活性炭为硫酸氢钠负载颗粒活性炭、对甲苯磺酸负载颗粒活性炭。所述的植物或动物油脂为酸化油,地沟油,油酸中的任意一种,优选地沟油。
反应完的醇蒸汽9由逆流反应填料塔7塔顶导出进入醇储罐11中并经回收提纯后,由第二加热装置10加热再进入逆流反应填料塔7反应。
实施例1:
在反应釜中加入5g碳酸钠催化剂,加热至450℃,搅拌速度为220r/min;取100g地沟油(20mg KOH/g),以50g/h的速度经恒流泵滴加进反应釜,所产生的蒸汽经过340℃精馏柱后,通入装填成型的酸性MCM-41介孔分子筛的填料塔,与逆流通入甲醇蒸汽接触反应,填料塔温度保持120℃,反应完的甲醇蒸汽由逆流反应填料塔塔顶出来后经回收提纯后,由加热装置加热再进入逆流反应填料塔反应。经过逆流反应填料塔后的产物酸值为2mg KOH/g,产率为80%,密度为0.82g/cm3,含水量为0.32%,热值为44.2kJ/g,粘度为2.7mm2/s,冷滤点为-21℃,冷凝点为-28℃。
实施例2:
在反应釜中加入5g碳酸钠催化剂,加热至450℃,搅拌速度为220r/min;取100g地沟油(20mg KOH/g),以50g/h的速度经恒流泵滴加进反应釜,所产生的蒸汽经过340℃精馏柱后,通入装填成型的酸性MCM-41介孔分子筛的填料塔,与逆流通入乙醇蒸汽接触反应,填料塔温度保持120℃。经过逆流反应填料塔后的产物酸值为3mg KOH/g,产率为77%,密度为0.81g/cm3,含水量为0.34%,热值为42.2kJ/g,粘度为2.8mm2/s,冷滤点为-21℃,冷凝点为-28℃。
实施例3:
在反应釜中加入5g碳酸钠催化剂,加热至450℃,搅拌速度为220r/min;取100g地沟油(20mg KOH/g),以50g/h的速度经恒流泵滴加进反应釜,所产生的蒸汽经过340℃精馏柱后,通入装填成型的酸性MCM-41介孔分子筛的填料塔,与逆流通入丁醇蒸汽接触反应,填料塔温度保持120℃。经过逆流反应填料塔后的产物酸值为3mg KOH/g,产率为81%,密度为0.83g/cm3,含水量为0.32%,热值为42.0kJ/g,粘度为2.8mm2/s,冷滤点为-20℃,冷凝点为-27℃。
实施例4:
在反应釜中加入5g碳酸钠催化剂,加热至450℃,搅拌速度为220r/min;取100g地沟油(20mg KOH/g),以50g/h的速度经恒流泵滴加进反应釜,所产生的蒸汽经过340℃精馏柱后,通入装填成型的氧化锆固体超强酸的填料塔,与逆流通入甲醇蒸汽接触反应,填料塔温度保持120℃。经过逆流反应填料塔后的产物酸值为1mg KOH/g,产率为83%,密度为0.82g/cm3,含水量为0.33%,热值为44.3kJ/g,粘度为2.7mm2/s,冷滤点为-22℃,冷凝点为-29℃。
实施例5:
在反应釜中加入5g碳酸钠催化剂,加热至450℃,搅拌速度为220r/min;取100g地沟油(20mg KOH/g),以50g/h的速度经恒流泵滴加进反应釜,所产生的蒸汽经过340℃精馏柱后,通入装填成型的氧化钛固体超强酸的填料塔,与逆流通入甲醇蒸汽接触反应,填料塔温度保持120℃。经过逆流反应填料塔后的产物酸值为2mg KOH/g,产率为79%,密度为0.82g/cm3,含水量为0.32%,热值为43.4kJ/g,粘度为2.8mm2/s,冷滤点为-22℃,冷凝点为-28℃。
实施例6:
在反应釜中加入5g碳酸钠催化剂,加热至450℃,搅拌速度为220r/min;取100g地沟油(20mg KOH/g),以50g/h的速度经恒流泵滴加进反应釜,所产生的蒸汽经过340℃精馏柱后,通入装填成型的氧化锡固体超强酸的填料塔,与逆流通入甲醇蒸汽接触反应,填料塔温度保持120℃。经过逆流反应填料塔后的产物酸值为3mg KOH/g,产率为81%,密度为0.81g/cm3,含水量为0.32%,热值为42.1kJ/g,粘度为2.7mm2/s,冷滤点为-22℃,冷凝点为-28℃。
实施例7:
在反应釜中加入5g碳酸钠催化剂,加热至450℃,搅拌速度为220r/min;取100g地沟油(20mg KOH/g),以50g/h的速度经恒流泵滴加进反应釜,所产生的蒸汽经过340℃精馏柱后,通入装填成型的酸性阳离子交换树脂的填料塔,与逆流通入甲醇蒸汽接触反应,填料塔温度保持120℃。经过逆流反应填料塔后的产物酸值为2mg KOH/g,产率为82%,密度为0.81g/cm3,含水量为0.30%,热值为44.5kJ/g,粘度为2.6mm2/s,冷滤点为-21℃,冷凝点为-27℃。
实施例8:
在反应釜中加入5g碳酸钠催化剂,加热至450℃,搅拌速度为220r/min;取100g地沟油(20mg KOH/g),以50g/h的速度经恒流泵滴加进反应釜,所产生的蒸汽经过340℃精馏柱后,通入装填成型的硫酸氢钠负载颗粒活性炭的填料塔,与逆流通入甲醇蒸汽接触反应,填料塔温度保持120℃。经过逆流反应填料塔后的产物酸值为2mg KOH/g,产率为80%,密度为0.82g/cm3,含水量为0.33%,热值为44.0kJ/g,粘度为2.8mm2/s,冷滤点为-22℃,冷凝点为-28℃。
实施例9:
在反应釜中加入5g碳酸钠催化剂,加热至450℃,搅拌速度为220r/min;取100g地沟油(20mg KOH/g),以50g/h的速度经恒流泵滴加进反应釜,所产生的蒸汽经过340℃精馏柱后,通入装填成型的对甲苯磺酸负载颗粒活性炭的填料塔,与逆流通入甲醇蒸汽接触反应,填料塔温度保持120℃。经过逆流反应填料塔后的产物酸值为2mg KOH/g,产率为81%,密度为0.84g/cm3,含水量为0.32%,热值为43.2kJ/g,粘度为2.8mm2/s,冷滤点为-21℃,冷凝点为-27℃。
实施例10:
在反应釜中加入5g碳酸钠催化剂,加热至450℃,搅拌速度为220r/min;取100g地沟油(20mg KOH/g),以50g/h的速度经恒流泵滴加进反应釜,所产生的蒸汽经过340℃精馏柱后,通入装填成型的氧化锆固体超强酸的填料塔,与逆流通入甲醇蒸汽接触反应,填料塔温度保持60℃。经过逆流反应填料塔后的产物酸值为2mg KOH/g,产率为82%,密度为0.82g/cm3,含水量为0.33%,热值为44.3kJ/g,粘度为2.7mm2/s,冷滤点为-22℃,冷凝点为-29℃。
实施例11:
在反应釜中加入5g碳酸钠催化剂,加热至450℃,搅拌速度为220r/min;取100g地沟油(20mg KOH/g),以50g/h的速度经恒流泵滴加进反应釜,所产生的蒸汽经过340℃精馏柱后,通入装填成型的氧化锆固体超强酸的填料塔,与逆流通入甲醇蒸汽接触反应,填料塔温度保持150℃。经过逆流反应填料塔后的产物酸值为3mg KOH/g,产率为79%,密度为0.82g/cm3,含水量为0.32%,热值为43.4kJ/g,粘度为2.8mm2/s,冷滤点为-22℃,冷凝点为-28℃。
实施例12:
在反应釜中加入5g碳酸钠催化剂,加热至450℃,搅拌速度为220r/min;取100g地沟油(20mg KOH/g),以50g/h的速度经恒流泵滴加进反应釜,所产生的蒸汽经过340℃精馏柱后,通入装填成型的氧化锆固体超强酸的填料塔,与逆流通入甲醇蒸汽接触反应,填料塔温度保持200℃。经过逆流反应填料塔后的产物酸值为4mg KOH/g,产率为79%,密度为0.81g/cm3,含水量为0.32%,热值为43.0kJ/g,粘度为2.7mm2/s,冷滤点为-20℃,冷凝点为-26℃。
实施例13:
在反应釜中加入5g碳酸钠催化剂,加热至450℃,搅拌速度为220r/min;取100g酸化油(120mg KOH/g),以50g/h的速度经恒流泵滴加进反应釜,所产生的蒸汽经过340℃精馏柱后,通入装填成型的氧化锆固体超强酸的填料塔,与逆流通入甲醇蒸汽接触反应,填料塔温度保持120℃。经过逆流反应填料塔后的产物酸值为5mg KOH/g,产率为78%,密度为0.82g/cm3,含水量为0.32%,热值为43.0kJ/g,粘度2.5mm2/s,冷滤点为-17℃,冷凝点为-24℃。
实施例14:
在反应釜中加入5g碳酸钠催化剂,加热至450℃,搅拌速度为220r/min;取100g油酸(200mg KOH/g),以50g/h的速度经恒流泵滴加进反应釜,所产生的蒸汽经过340℃精馏柱后,通入装填成型的氧化锆固体超强酸的填料塔,与逆流通入甲醇蒸汽接触反应,填料塔温度保持120℃。经过逆流反应填料塔后的产物酸值为4mg KOH/g,产率为80%,密度为0.83g/cm3,含水量为0.37%,热值为43.3kJ/g,粘度3.1mm2/s,冷滤点为-15℃,冷凝点为-23℃。
实施例15:
介孔分子筛ZrO2-MCM-41的合成方法:
采用水热合成法制得SO4 2-/ZrO2-MCM-41。所使用的原料配比Zr(SO4)2、SiO2、Na2O、十六烷基三甲基溴化铵(CTMABr)及H2O的摩尔比为0.05∶1∶0.67∶0.2∶102。
合成步骤如下:
1.将Zr(SO4)2水溶液加入CTMABr水溶液中得A;
2.将Na2SiO3和硅酸四乙酯加入A中;
3.在剧烈搅拌下,用1mol/L的HCl调pH值为8.5,常温下搅拌3h;
4.将混合物移入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应器中,密封,在烘箱中于100℃晶化24h;
5.晶化结束后,将结晶固体产物与母液分离,用去离子水洗涤至中性;
6.在60℃干燥12h。得到Zr-MCM-41介孔分子筛原粉。
7.最后,在马弗炉中200℃焙烧2h,550℃焙烧6h,得到Zr-MCM-41介孔分子筛。
Zr-MCM-41介孔分子筛成型及活性组分负载
1.粘结剂的制备:称取Ni(NO3)2·6H2O晶体和Al2O3粉末,将Al2O3粉末加入Ni(NO3)2·6H2O晶体的水溶液中,在恒温40℃水浴中浸渍2h-4h,干燥,制成淡绿色粉末;
2.将Zr-MCM-41介孔分子筛原粉与粘结剂粉末混合均匀,加入,再加入5-20mL硝酸,混合均匀,挤压成型,自然干燥后,105℃下干燥,再在400℃煅烧,升温至500℃煅烧;
3.活性组分溶液浸渍:用0.75mol/L H2SO4浸泡经过焙烧的Zr-MCM-41成型介孔分子筛30min。过滤,于60℃干燥12h,550℃焙烧3h,得成型的SO4 2-/ZrO2-MCM-41。
实施例16:
成型的氧化物固体超强酸的制备:
1.将氧氯化锆或硫酸钛或四氯化锡溶于水中,加氨水使之沉淀完全,陈化2h;
2.抽滤,滤饼干110℃下烘干,粉碎成200目以下的粉末;
3.粘结剂的制备:称取Ni(NO3)2·6H2O晶体和Al2O3粉末,将Al2O3粉末加入Ni(NO3)2·6H2O晶体的水溶液中,在恒温40℃水浴中浸渍2h-4h,干燥,制成淡绿色粉末;
4.将氧化物粉末与粘结剂粉末混合均匀,加入,再加入5-20mL硝酸,混合均匀,挤压成型,自然干燥后,105℃下干燥,再在400℃煅烧,升温至500℃煅烧;
5.用硫酸溶液(1mol/L)浸泡1h,抽滤,烘干;
6.在马福炉内于550℃下焙烧3h,制得成型的固体超强酸催化剂。
实施例17:
成型的酸性催化剂负载颗粒活性炭的制备:
1.将硫酸氢钠或对甲苯磺酸溶于水,使之完全溶解;
2.将颗粒活性炭浸入碳酸氢钠或对甲苯磺酸的水溶液,混合均匀;
3.用旋转蒸发仪,蒸干水分,制得成型的硫酸氢钠或对甲苯磺酸负载颗粒活性炭。
Claims (8)
1.一种高酸值油脂制备生物柴油的方法,其特征在于,方法为:
向反应釜中滴加酸值范围在20~200mgKOH/g的植物或动物油脂,在搅拌状态下进行催化裂解,碳酸钠催化剂预先加入反应釜中,催化剂的量为油脂质量的5%,反应釜内温度为450℃,所产生的裂解油蒸汽经过温度为320~360℃的精馏柱后,自上而下通入逆流反应填料塔中,同时,将醇蒸汽自下而上通入逆流反应填料塔中与裂解油蒸汽逆流反应,逆流反应填料塔内装载酸性颗粒催化剂固定床床层,逆流反应填料塔内温度为60~200℃,在逆流反应填料塔塔底得到产物生物柴油。
2.如权利要求1所述的高酸值油脂制备生物柴油的方法,其特征在于,所用醇为甲醇、乙醇或丁醇。
3.如权利要求1所述的高酸值油脂制备生物柴油的方法,其特征在于,搅拌速度为220r/min。
4.如权利要求1所述的高酸值油脂制备生物柴油的方法,其特征在于,逆流反应填料塔内装载的酸性催化剂固定床床层是成型的酸性MCM-41介孔分子筛、成型的氧化物固体超强酸、酸性阳离子交换树脂或酸性催化剂负载颗粒活性炭。
5.如权利要求4所述的高酸值油脂制备生物柴油的方法,其特征在于,成型的氧化物固体超强酸为氧化锆固体超强酸、氧化钛固体超强酸或氧化锡固体超强酸。
6.如权利要求4所述的高酸值油脂制备生物柴油的方法,其特征在于,酸性催化剂负载颗粒活性炭为硫酸氢钠负载颗粒活性炭、对甲苯磺酸负载颗粒活性炭。
7.如权利要求1所述的高酸值油脂制备生物柴油的方法,其特征在于,所述的植物或动物油脂为酸化油,地沟油,油酸中的任意一种。
8.如权利要求1所述的高酸值油脂制备生物柴油的方法,其特征在于,反应完的醇蒸汽由逆流反应填料塔塔顶导出并经回收提纯后,由加热装置加热再进入逆流反应填料塔反应。
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