CN102010792A - 一种连续化生产生物柴油的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的连续化生产生物柴油的方法，利用催化剂本身具有的宏观一维直孔道，有效减小了催化剂床层上的压降，降低了对催化剂强度和设备承压能力的要求。首先将预热后的油脂与低碳醇按一定的比例分别泵入装置中，或者将油脂、低碳醇、共溶剂按一定比例混合后泵入装置中，经静态混合器直接进入装填有规整孔道固体碱整体催化剂的反应器中，进行酯交换反应；反应器出料进入减压蒸馏装置中，回收多余的低碳醇或者低碳醇与共溶剂的混合物。蒸馏后的液体静置分层后，上层得到生物柴油产品，下层得到粗甘油。相较于传统固定床工艺，本发明设备成本降低，操作简单，运行能耗低，生物柴油的总产率能达到98%以上，市场前景良好。

Description

一种连续化生产生物柴油的方法
技术领域
本发明涉及一种连续化制备生物柴油的方法，尤其涉及一种利用具有规整孔道固体碱整体催化剂填充反应器合成生物柴油的方法，属于生物柴油制备技术领域。 
背景技术
生物柴油主要指以可再生的动植物油脂为原料，经酯化或酯交换反应所得到的脂肪酸低碳醇酯，是可以替代常规柴油使用的环保材料。
 目前工业上使用的生产生物柴油的方法主要是均相酸/碱催化酯交换反应，此方法设备腐蚀大，后处理复杂，产生大量的废水。固体碱催化剂具有反应活性高，反应条件温和，产物易于分离，可循环使用，对设备腐蚀小等优点。中国专利CN 1664072A公开了一种利用碱或碱土金属氧化物、负载型碱金属及氢氧化物固体碱生产生物柴油的方法，反应时间不超过4小时，酯交换反应的转化率在95%左右。中国专利 CN 101642716A公开了一种碱土金属甘油化物的固体碱催化剂。这些专利大多仍普遍采用传统的间歇反应工艺。
为了改变传统间歇生产工艺的劳动强度大，反应时间长，不易进一步扩大产量的弱点，研究人员不断开发连续化生产生物柴油的方法。中国专利 CN 10044896C公开了一种利用固体酸催化剂和活塞流反应器生产生物柴油的方法。中国专利CN 101012389A公开了一种使用碱土金属醇盐化合物为固体碱催化剂制备生物柴油的方法，其催化剂的粒径为20nm ~ 8mm。中国专利CN 1919973提出利用环路湍流反应器组成一套连续式制备生物柴油的装置，反应温度为150℃ ~ 230℃，压力为1 MPa ~ 7MPa，停留时间为5-30min。中国专利CN 101168682A公开了一种使用阴离子交换树脂和滴流床反应器制备生物柴油的方法，反应温度为65℃ ~ 100℃，停留时间为100min ~ 300min。这些工艺有的设备成本高，操作过程复杂，有的反应时间过长，有的还由于设备的限制只能使用均相催化剂（如中国专利CN101586041A和中国专利CN 100372915C）。固定床、滴流床反应器可以很容易的将固体催化剂与连续化生产结合起来，且操作简单，易放大。然而在通常的使用固定床、滴流床反应器中，催化剂采用乱堆法填充在反应器内，由于反应物油脂的黏度大，从而反应器内的床层压降也远大于通常以小分子气体或液体为反应物时的情况，因此普通强度的催化剂无法满足实际生产的要求。同时过大的床层压降对反应器的承压能力也有较高的要求，并且增加了能耗。
发明内容
  技术问题： 针对现有固定床反应器中由于催化剂颗粒小，采用乱堆法装填之后，液体呈无规状态流动而引起的床层压降大的问题，本发明提供一种基于规整孔道固体碱整体催化剂，连续化制备生物柴油的方法。利用催化剂本身的规整孔道促进液体的流动，从而克服由于液体无规流动所引起的床层压降，降低对反应器承压能力的要求，节省设备的运行能耗，实现生物柴油的快速连续化制备。
技术方案：本发明提供一种以油脂和低碳醇为原料，利用规整孔道固体碱催化，连续化制备生物柴油的方法，该方法包括以下步骤：
1）将规整孔道固体碱整体催化剂装填入反应器，确保孔道方向与液体流向平行。
所述反应器为管式、固定床、滴流床反应器中的任何一种；
       所述规整孔道固体碱整体催化剂的外径与反应器内径相同，整体装填入反应器中；
       所述规整孔道固体碱整体催化剂为以蜂窝陶瓷为载体的碱性整体催化剂；其活性组分为：负载有碱金属、碱土金属盐的一种或多种的水滑石或类水滑石类固体碱。
2）将油脂储罐、油脂管路预热器、醇管路预热器、静态混合器、反应器升温至指定温度。然后将油脂与低碳醇按一定的比例，泵入装置中，经预热器，静态混合器后直接进入装填有规整孔道固体碱整体催化剂的反应器进行酯交换反应。
所述低碳醇为甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇、异丁醇的一种或几种；
所述油脂指主要成分为脂肪酸甘油酯的动物油、植物油或废弃油；
所述油脂与低碳醇的比例为油脂与低碳醇摩尔比为1：3 ~ 1：60；
反应器操作压力为常压~10MPa，操作温度为35℃ ~ 180℃；
反应物停留时间为0.5min ~ 60min；
所述油脂储罐的指定温度为35℃ ~ 60℃；
所述油脂管路预热器的指定温度为35℃ ~ 150℃，并不低于油脂储料罐的温度；
所述醇管路预热器的指定温度为35℃ ~ 150℃；
所述静态混合器指定温度为35℃ ~ 180℃，并不低于油脂管路预热器和醇管路预热器的温度。
3）反应后的出料进入减压蒸馏设备，回收低碳醇。
4）蒸馏后的液体进入静置分层装置，上层出口得到产品生物柴油，下层出口得到粗甘油。   
本发明还提供一种通过添加共溶剂获得油脂、低碳醇、共溶剂均相反应物体系，再利用规整孔道固体碱整体催化剂，连续化催化制备生物柴油的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1）将规整孔道固体碱整体催化剂装填入反应器，确保孔道方向与液体流向平行。
所述反应器为管式、固定床、滴流床反应器中的任何一种；
       所述规整孔道固体碱整体催化剂的外径与反应器内径相同，整体装填入反应器中；
       所述规整孔道固体碱整体催化剂为以蜂窝陶瓷为载体的碱性整体催化剂；其活性组分为：负载有一种或多种碱金属、碱土金属盐的水滑石或类水滑石类固体碱。
2）将油脂储罐、油脂管路预热器、静态混合器、反应器升温至指定温度。然后将油脂、低碳醇、共溶剂按一定的比例混合后加入油脂储罐，再将混合液体泵入装置中，经预热器，静态混合器后直接进入装填有规整孔道固体碱整体催化剂的反应器中进行酯交换反应。
所述低碳醇为甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇、异丁醇中的一种或几种；
所述油脂指主要成分为脂肪酸甘油酯的动物油、植物油或废弃油；
所述共溶剂为四氢呋喃、丙酮、乙酸甲酯、乙酸乙酯、环己烷、正己烷、正庚烷、异丙醚中的任何一种；
所述油脂与低碳醇的比例为油脂与低碳醇摩尔比为1：3 ~ 1：60；
反应器操作压力为常压~10MPa，操作温度为35℃ ~ 180℃；
反应物停留时间为0.5min~60min；
所述油脂储罐的指定温度为35℃ ~ 60℃；
所述油脂管路预热器的指定温度为35℃ ~ 150℃，并不低于油脂储罐的温度；
所述静态混合器的指定温度为35℃ ~ 180℃，并不低于油脂管路预热器的温度。
3）反应后的出料进入减压蒸馏设备，回收低碳醇和共溶剂。
4）蒸馏后的液体进入静置分层装置，上层出口得到生物柴油产品，下层出口得到粗甘油。   
有益效果：本发明与传统采用乱堆法填充催化剂的反应器相比，由于装填具有宏观一维孔道的整体固体碱催化剂，其孔道可以为反应物的流动提供通路，从而有效地降低了催化剂床层压降。采用该方法生产生物柴油，反应器设备承压要求低，操作能耗低，更易于生物柴油的规模化生产。
附图说明
图1为本发明流程示意图，
在图1中有： 1：油脂储罐，2：计量泵，3：油脂管路预热器，4：低碳醇储罐，5：计量泵，6：醇管路预热器，7：静态混合器，8：反应器，9：减压蒸馏装置，10：冷凝器，11：冷凝器，12：静置分层装置。
具体实施方式
下面的实施例用来进一步说明本发明而非限制本发明。
图1为本发明流程示意图。
实施例1：以大豆油和甲醇为原料，KF/Ca-Mg-Al类水滑石/蜂窝陶瓷为催化剂制备生物柴油
1）将大豆油和甲醇分别加入其储罐；
2）将外径为1cm，长为10cm的KF/Ca-Mg-Al 类水滑石/蜂窝陶瓷催化剂装入内径为1cm的反应器中。蜂窝陶瓷孔密度为：400孔/平方英寸。
3）油脂储罐1设定为30℃，预热器3和预热器6设定为55℃，静态混合器7设定为60℃，反应器温度设定为60℃，操作压力为0.1MPa。
4）各装置的温度达到预设温度后，将油脂与甲醇按摩尔比1：12的比例，分别泵入装置中，控制流速，使得大豆油停留时间为3.4min。
5）反应器出口液体经减压蒸馏装置9蒸馏，甲醇蒸汽经冷凝器10，回收至醇储罐4。
6）蒸馏后的液体进入静置装置12，静置分层后，上层出口得到生物柴油产品，下层出口得到粗甘油。经检测，得到生物柴油产率为99%。
实施例2：以粗棕榈油和甲醇为原料，K2CO3/Ca -Al 类水滑石/蜂窝陶瓷为催化剂制备生物柴油
1）将粗棕榈油和甲醇分别加入其储罐；
2）将外径为5cm，长为80cm的K2CO3/Ca -Al 类水滑石/蜂窝陶瓷催化剂装入内径为5cm的固定床反应器中。蜂窝陶瓷孔密度为：300孔/平方英寸。
3）油脂储罐1设定为30℃，预热器3和预热器6设定为55℃，静态混合器7设定为60℃，反应器温度设定为60℃，操作压力为0.1MPa。
4）各装置的温度达到预设温度后，将油脂与甲醇按摩尔比12：1的比例，分别泵入装置中，控制流速，使得油脂停留时间为4.1min。
5）反应器出口液体经减压蒸馏装置9，甲醇蒸汽经冷凝器10，回收至醇储罐4。
6）蒸馏后的液体进入静置装置12，静置分层后，上层出口得到生物柴油产品，下层出口得到粗甘油。经检测，得到生物柴油产率为99%。
实施例3：以粗棕榈油和乙醇为原料，KF/ Mg-Al 水滑石/蜂窝陶瓷为催化剂制备生物柴油
1）将粗棕榈油和乙醇分别加入其储罐；
2）将外径为10cm，长为120cm的KF/ Mg-Al HT/蜂窝陶瓷催化剂装入内径为10cm的反应管中。蜂窝陶瓷孔密度为：400孔/平方英寸。
3）油脂储罐1设定为60℃，预热器3和预热器6设定为65℃，静态混合器7设定为120℃，反应器温度设定为120℃，操作压力为0.4MPa。
4）各装置的温度达到预设温度后，将油脂与乙醇按摩尔比1：14的比例分别泵入装置中，控制反应物流速，使得反应物停留时间为5.2min。
5）反应器出口液体经减压蒸馏装置9蒸馏，乙醇蒸汽经冷凝器10，回收至醇储罐4。
6）蒸馏后的液体进入静置装置12，静置分层后，上层出口得到生物柴油产品，下层出口得到粗甘油。经检测，得到生物柴油产率为99%。
实施例4：以粗棕榈油和甲醇为原料，异丙醚为共溶剂，KF/ Ca-Mg-Al 水滑石/蜂窝陶瓷为催化剂制备生物柴油
1）将粗棕榈油、甲醇、异丙醚按摩尔比1：12：8配制成混合液，加入油脂储罐。
2）将外径为5cm，长为50cm的KF/Ca-Mg-Al HT/蜂窝陶瓷催化剂装入内径为5cm的反应管中。蜂窝陶瓷孔密度为：400孔/平方英寸。
3）油脂储罐1设定为30℃，预热器3设定为55℃，静态混合器7设定为60℃，反应器温度设定为60℃，操作压力为0.1MPa。预热器6和计量泵5停用。
4）各装置的温度达到预设温度后，将油脂储罐中的反应物混合液泵入装置中，控制反应物流速，使得反应物停留时间为1.7min。
5）反应器出口液体经减压蒸馏装置9蒸馏，甲醇及异丙醚蒸汽经冷凝器10，回收至醇储罐4。
6）蒸馏后的液体进入静置装置12，静置分层后，上层出口得到生物柴油产品，下层出口得到粗甘油。经检测，得到生物柴油产率为99%。

Claims (2)

1.一种连续化生产生物柴油的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1）将规整孔道固体碱整体催化剂装填入反应器，确保孔道方向与液体流向平行；所述反应器为管式、固定床或滴流床反应器中的一种；
    所述规整孔道固体碱整体催化剂的外径与反应器内径相同，整体装填入反应器中；
    所述规整孔道固体碱整体催化剂为以蜂窝陶瓷为载体的碱性整体催化剂；其活性组分为：负载有一种或多种碱金属、碱土金属盐的水滑石或类水滑石类固体碱；
2）将油脂储罐、油脂管路预热器、醇管路预热器、静态混合器、反应器升温至指定温度，然后将油脂与低碳醇按比例分别泵入装置中，经预热器，静态混合器后直接进入装填有规整孔道固体碱整体催化剂的反应器中进行酯交换反应；
所述低碳醇为甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇或异丁醇的一种或几种；
所述油脂指主要成分为脂肪酸甘油酯的动物油、植物油或废弃油；
所述油脂与低碳醇的比例为油脂与低碳醇摩尔比为1：3 ~ 1：60；
反应器操作压力为常压~10MPa，操作温度为35℃ ~ 180℃；
反应物停留时间为0.5min~60min；
所述油脂储罐的指定温度为35℃ ~ 60℃；
所述油脂管路预热器的指定温度为35℃ ~ 150℃，并不低于油脂储罐的温度；
所述醇管路预热器的指定温度为35℃ ~ 150℃；
所述静态混合器的指定温度为35℃ ~ 180℃，并不低于油脂管路预热器和醇预热器的温度；
3）反应后的出料进入减压蒸馏设备，回收低碳醇；
4）蒸馏后的液体进入静置分层装置，上层出口得到生物柴油产品，下层出口得到粗甘油。
2.一种连续化制备生物柴油的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1）将规整孔道固体碱整体催化剂装填入反应器，确保孔道方向与液体流向平行；
    所述反应器为管式、固定床或滴流床反应器中的任何一种；
    所述规整孔道固体碱整体催化剂的外径与反应器内径相同，整体装填入反应器中；
    所述规整孔道固体碱整体催化剂为以蜂窝陶瓷为载体的碱性整体催化剂；其活性组分为：负载有一种或多种碱金属、碱土金属盐的水滑石或类水滑石类固体碱；
2）将油脂储罐、油脂管路预热器、静态混合器、反应器升温至指定温度，然后将油脂、低碳醇、共溶剂按比例混合后加入油脂储罐，再将混合液体泵入装置中，经预热器，静态混合器后直接进入装填有规整孔道固体碱整体催化剂的反应器进行酯交换反应；
所述低碳醇为甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇或异丁醇中的一种或几种；
所述油脂指主要成分为脂肪酸甘油酯的动物油、植物油或废弃油；
所述共溶剂为四氢呋喃、丙酮、乙酸甲酯、乙酸乙酯、环己烷、正己烷、正庚烷或异丙醚中的任何一种；
所述油脂、低碳醇、共溶剂的比例为油脂与低碳醇摩尔比为1：3 ~ 1：60；共溶剂的用量不少于在油脂储罐指定温度下，油脂、低碳醇、共溶剂形成均相体系时所使用的共溶剂的用量；
反应器操作压力为常压~10MPa，操作温度为35℃ ~ 180℃；
反应物停留时间为0.5min~60min；
所述油脂储罐的指定温度为35℃ ~ 60℃；
所述油脂管路预热器的指定温度为35℃ ~ 150℃，并不低于油脂储罐的使用温度；
所述静态混合器指定温度为35℃ ~ 180℃，并不低于油脂管路预热器温度；
3）反应后的出料进入减压蒸馏设备，回收低碳醇与共溶剂；
4）蒸馏后的液体进入静置分层装置，上层出口得到生物柴油产品，下层出口得到粗甘油。
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