CN105542827B - 一种超声波乙醇－水体系的生物质生物油制取系统及方法 - Google Patents

一种超声波乙醇－水体系的生物质生物油制取系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超声波乙醇－水体系的生物质生物油制取系统及方法，包括超声波高压反应罐、离心分离机、固体燃料回收仓、第一蒸馏装置、第二蒸馏装置、第一离心萃取器、第二离心萃取器、第三离心萃取器、第四离心萃取器、第一输送泵、第二输送泵、压缩泵、无水乙醇储存罐，萃取剂储存罐、无水乙醇回收罐、萃取剂回收罐、气体储存罐、气体回收罐和废液回收罐等。本系统在亚/超临界条件下，超声波高压反应罐利用超声波的空化效应与乳化效应，配合乙醇/水溶液对生物质进行液化，可用于多种生物质的生物油提取。产生的固液混合物通过离心分离机分离、第一蒸馏装置蒸馏、离心萃取器萃取、第二蒸馏装置蒸馏后制备出生物油。

Description

一种超声波乙醇－水体系的生物质生物油制取系统及方法
技术领域
本发明涉及生物质生物油制取领域，尤其涉及一种超声波乙醇－水体系的生物质生物油制取系统及方法。
背景技术
随着快速发展，人类对石油的需求日益加剧，石油的供需关系制约着全世界的经济发展。目前，全球石油资源＝日益减少，逐渐枯竭。因而，大力发展可再生清洁燃料至关重要，也是必然的趋势。生物油是未来值得大力推广到可再生能源之一，生物油有望取代天然气、汽柴油等化石燃料成为未来主要的交通燃料，具有广阔的应用前景。地球生物每年通过光合作用生产的生物质总量达到1440～1800亿吨(干重)，其能量是全球能源消耗总量的10～20倍。而我国生物质资源丰富，从长远角度看，生物质是我国生物油的理想原料。
液化制取生物质生物油是先将生物质分解成小分子，然后重聚成油性化合物。在液化过程，作为供氢溶剂的溶液，通过传递氢自由基，达到降低液化产物的含氧量的目的，同时还起到稳定中间产物的作用，防止液化中间产物聚合成大分子化合物(如残渣、沥青质等)，目前常用的供氢溶剂为醇-水混合溶剂；另一方面，生物质原料无需干燥就可以进行液化处理。同时设置反应在亚-超临界溶液的条件下可得到热值更高的生物油。
为了提高生物质生物油产量，目前大多数技术方法都会在前期对生物质进行破壁以及在反应过程中进行搅拌均一化，其主要手段是机械粉碎和磁力搅拌。这种方法大多用于实验室研究，不利于工业生产。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种超声波乙醇－水体系的生物质生物油制取系统及方法。在超声波高压反应罐中，以乙醇/水混合溶剂为介质，利用超声波对生物质细胞壁的破坏作用，提高生物质油脂提取率，本发明处理量大，可实现工业化生产。
本发明通过下述技术方案实现：
一种超声波乙醇－水体系的生物质生物油制取系统，包括超声波高压反应罐8、离心分离机22、固体燃料回收仓23、第一蒸馏装置25、第二蒸馏装置34、第一离心萃取机28、第二离心萃取机29、第三离心萃取机30、第四离心萃取机31、第一输送泵21、第二输送泵27、无水乙醇储存罐7、萃取剂储存罐35、无水乙醇回收罐24、萃取剂回收罐33、储料罐6、储油罐36、气体储存罐2、气体回收罐1、第一废液回收罐26、第二废液回收罐32；
所述超声波高压反应罐8上设置有高压反应罐物料入口9、高压反应罐醇/水入口11、超声波反应器与超声波换能器18、高压反应罐料液出口19、高压反应罐料液出口阀门20、高压反应罐溢流口13、高压反应罐进气口14、高压反应罐排气口15；
所述离心分离机22上设置有离心分离机入口37、离心分离机液体出口39、离心分离机固体出口38；
所述第一蒸馏装置25设置有第一蒸馏装置入口40、第一蒸馏装置有机溶液出口42、第一蒸馏装置水-生物油出口41；
所述第一离心萃取机28、第二离心萃取机29、第三离心萃取机30和第四离心萃取机31分别设置有：萃取母液入口47、48、49、50，以及有机溶液入口55、56、57、58，以及萃残液出口43、44、45、46，还设有萃取剂相生物油出口51、52、53、54；
所述第二蒸馏装置34设置有第二蒸馏装置入口59、第二蒸馏装置有机溶液出口60，第二蒸馏装置生物油出口61；
所述气体储存罐2通过闸阀二5连接高压反应罐进气口14，所述高压反应罐排气口15通过闸阀一3依次连接压缩泵4、气体回收罐1；储料罐6与高压反应罐物料入口9连接；无水乙醇储存罐7与高压反应罐醇/水入口11连接；
所述高压反应罐料液出口19依次与第一输送泵21、离心分离机22、第一蒸馏装置入口40相连；
所述离心分离机22的离心分离机固体出口38与固体燃料回收仓23连接；所述第一蒸馏装置25的第一蒸馏装置水-生物油出口41与第二输送泵27连接，之后分两路分别与第一离心萃取机28和第二离心萃取机29连接；
所述第一离心萃取机28与第三离心萃取机30连接，所述第二离心萃取机29与第四离心萃取机31连接；第四离心萃取机有机溶液入口58和第三离心萃取机有机溶液入口57分别与萃取剂储存罐35连接；
第三离心萃取机萃取剂相生物油出口53和第四离心萃取机萃取剂物油出口54并联后，依次连接第二蒸馏装置入口59、储油罐36；第一蒸馏装置有机溶液出口42与无水乙醇回收罐24连接，第二蒸馏装置有机溶液出口60与萃取剂回收罐33连接。
所述超声波高压反应罐8还包括压力表10、热电偶17、搅拌装置16、操作面板12；所述压力表10、操作面板12设置于超声波高压反应罐8顶壁上部，所述热电偶17、搅拌装置16设置于超声波高压反应罐8内部，所述搅拌装置16桨叶为同轴两层长方形平板，呈90°分布，搅拌装置16可阶段性顺时针逆时针转动，所述热电偶17由超声波高压反应罐8的顶壁伸入超声波高压反应罐8内部。
高压反应罐物料入口9与高压反应罐醇/水入口11分别设置在超声波高压反应罐8罐顶壁上部的两侧，构成该反应区域的入口；高压反应罐料液出口19设置于超声波高压反应罐8下端底部，构成该反应区域的出口；高压反应罐进气口14、高压反应罐排气口15设置在超声波高压反应罐8的侧壁，且高压反应罐排气口15布置位置高于高压反应罐进气口14。
所述第一离心萃取机28萃残液出口43连接第一废液回收罐26。
所述第二离心萃取机29的萃残液出口44连接第二废液回收罐32。
制取生物质生物油的方法如下：
打开高压反应罐物料入口9加入未经干燥研磨的原始生物质，打开高压反应罐醇/水入口11加入醇/水溶液，根据具体工艺条件和生物质处理量设置超声波高压反应罐8的加热温度，打开闸阀一3，同时打开闸阀二5并启动压缩泵4连通超声波高压反应罐8与气体回收罐1，当超声波高压反应罐8内部压力达到额定值后关闭闸阀一3、闸阀二5和压缩泵4，运行超声波高压反应罐8，超声波高压反应罐8工作完毕后打开高压反应罐料液出口阀门20，启动第一输送泵21将固液混合物送入离心分离机22，离心分离完毕后关停离心分离机22，固体燃料由离心分离机固体出口38排至固体燃料回收室23，液体由离心分离机液体出口39排出送入第一蒸馏装置入口40，蒸馏完毕后有机溶液由第一蒸馏装置有机溶液出口42排入无水乙醇回收罐24，水-生物油由第一蒸馏装置水-生物油出口41排出，打开第二输送泵27，分两路将混合溶液送入第一离心萃取机萃取母液入口47、第二离心萃取机萃取母液入口48，萃取剂溶液由萃取剂储存罐35排出经第三离心萃取机有机溶液入口57、第四离心萃取机有机溶液入口58分别送入第三离心萃取机30、第四离心萃取机31，萃残液由第一离心萃取机萃残液出口43、第二离心萃取机萃残液出口44分别送入第一废液回收罐26、第二废液回收罐32，萃取剂相生物油由第三离心萃取机萃取剂相生物油出口53、第四离心萃取机萃取剂相生物油出口54经第二蒸馏装置入口59送入第二蒸馏装置34，蒸馏完毕后有机溶液由第二蒸馏装置有机溶液出口60送入萃取剂回收罐33，生物油由第二蒸馏装置生物油出口61送入储油罐36。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明可用于多种生物质的生物油提取，超声波高压反应罐中的超声波发生器产生高频振荡信号由超声波换能器产生高频机械振荡波传播到反应混合液中，利用超声波空化效应与乳化效应加速化学反应速率。同时超声波高压反应罐采用两层搅拌器搅拌，使料液温度均匀升高，液化完毕后通过离心分离机固体燃料与含有生物油的液体分离，分离完毕后由蒸馏装置分离有机溶液与水-生物油，蒸馏完毕后用两套萃取装置萃取，旨在确保工艺流程的连续进行萃取方式为连续逆流萃取，使得溶质与溶剂的混合更彻底，分离的效果也比普通逆流萃取依靠萃取动力学和泵的涡转所产生的吸力进行逆流萃取好的多，萃取剂可使用二氯甲烷，萃取完毕后用蒸馏装置分离有机溶液与生物油，本发明充分利用沿海海洋生物资源的优势，实现生物质生物油制取工业化，具有工艺简单、反应条件温和、环境友好等优点。
附图说明
图1为本发明超声波乙醇－水体系的生物质生物油制取系统结构示意图。
图2为图1中所示超声波高压反应罐8结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1、2所示。本发明公开了一种超声波乙醇－水体系的生物质生物油制取系统，其特征在于包括超声波高压反应罐8、离心分离机22、固体燃料回收仓23、第一蒸馏装置25、第二蒸馏装置34、第一离心萃取机28、第二离心萃取机29、第三离心萃取机30、第四离心萃取机31、第一输送泵21、第二输送泵27、无水乙醇储存罐7、萃取剂储存罐35、无水乙醇回收罐24、萃取剂回收罐33、储料罐6、储油罐36、气体储存罐2、气体回收罐1、第一废液回收罐26、第二废液回收罐32；
所述超声波高压反应罐8上设置有高压反应罐物料入口9、高压反应罐醇/水入口11、超声波反应器与超声波换能器18、高压反应罐料液出口19、高压反应罐料液出口阀门20、高压反应罐溢流口13、高压反应罐进气口14、高压反应罐排气口15；
所述离心分离机22上设置有离心分离机入口37、离心分离机液体出口39、离心分离机固体出口38；
所述第一蒸馏装置25设置有第一蒸馏装置入口40、第一蒸馏装置有机溶液出口42、第一蒸馏装置水-生物油出口41；
所述第一离心萃取机28、第二离心萃取机29、第三离心萃取机30和第四离心萃取机31分别设置有：萃取母液入口47、48、49、50，以及有机溶液入口55、56、57、58，以及萃残液出口43、44、45、46，还设有萃取剂相生物油出口51、52、53、54；
所述第二蒸馏装置34设置有第二蒸馏装置入口59、第二蒸馏装置有机溶液出口60，第二蒸馏装置生物油出口61；
所述气体储存罐2通过闸阀二5连接高压反应罐进气口14，所述高压反应罐排气口15通过闸阀一3依次连接压缩泵4、气体回收罐1；储料罐6与高压反应罐物料入口9连接；无水乙醇储存罐7与高压反应罐醇/水入口11连接；
所述高压反应罐料液出口19依次与第一输送泵21、离心分离机22、第一蒸馏装置入口40相连；
所述离心分离机22的离心分离机固体出口38与固体燃料回收仓23连接；所述第一蒸馏装置25的第一蒸馏装置水-生物油出口41与第二输送泵27连接，之后分两路分别与第一离心萃取机28和第二离心萃取机29连接；
所述第一离心萃取机28与第三离心萃取机30连接，所述第二离心萃取机29与第四离心萃取机31连接；第四离心萃取机有机溶液入口58和第三离心萃取机有机溶液入口57分别与萃取剂储存罐35连接；
第三离心萃取机萃取剂相生物油出口53和第四离心萃取机萃取剂物油出口54并联后，依次连接第二蒸馏装置入口59、储油罐36；第一蒸馏装置有机溶液出口42与无水乙醇回收罐24连接，第二蒸馏装置有机溶液出口60与萃取剂回收罐33连接。
所述超声波高压反应罐8还包括压力表10、热电偶17、搅拌装置16、操作面板12；所述压力表10、操作面板12设置于超声波高压反应罐8顶壁上部，所述热电偶17、搅拌装置16设置于超声波高压反应罐8内部，所述搅拌装置16桨叶为同轴两层长方形平板，呈90°分布，搅拌装置16可阶段性顺时针逆时针转动，所述热电偶17由超声波高压反应罐8的顶壁伸入超声波高压反应罐8内部。
高压反应罐物料入口9与高压反应罐醇/水入口11分别设置在超声波高压反应罐8罐顶壁上部的两侧，构成该反应区域的入口；高压反应罐料液出口19设置于超声波高压反应罐8下端底部，构成该反应区域的出口；高压反应罐进气口14、高压反应罐排气口15设置在超声波高压反应罐8的侧壁，且高压反应罐排气口15布置位置高于高压反应罐进气口14。
所述第一离心萃取机28萃残液出口43连接第一废液回收罐26。
所述第二离心萃取机29的萃残液出口44连接第二废液回收罐32。
采用本发明超声波乙醇－水体系的生物质生物油制取系统，制取生物质生物油的方法，可通过如下步骤实现：
打开高压反应罐物料入口9加入未经干燥研磨的原始生物质，打开高压反应罐醇/水入口11加入醇/水溶液，根据具体工艺条件和生物质处理量设置超声波高压反应罐8的加热温度，打开闸阀一3，同时打开闸阀二5并启动压缩泵4连通超声波高压反应罐8与气体回收罐1，当超声波高压反应罐8内部压力达到额定值后关闭闸阀一3、闸阀二5和压缩泵4，运行超声波高压反应罐8，超声波高压反应罐8工作完毕后打开高压反应罐料液出口阀门20，启动第一输送泵21将固液混合物送入离心分离机22，离心分离完毕后关停离心分离机22，固体燃料由离心分离机固体出口38排至固体燃料回收仓23，液体由离心分离机液体出口39排出送入第一蒸馏装置入口40，蒸馏完毕后有机溶液由第一蒸馏装置有机溶液出口42排入无水乙醇回收罐24，水-生物油由第一蒸馏装置水-生物油出口41排出，打开第二输送泵27，分两路将混合溶液送入第一离心萃取机萃取母液入口47、第二离心萃取机萃取母液入口48，萃取剂溶液由萃取剂储存罐35排出经第三离心萃取机有机溶液入口57、第四离心萃取机有机溶液入口58分别送入第三离心萃取机30、第四离心萃取机31，萃残液由第一离心萃取机萃残液出口43、第二离心萃取机萃残液出口44分别送入第一废液回收罐26、第二废液回收罐32，萃取剂相生物油由第三离心萃取机萃取剂相生物油出口53、第四离心萃取机萃取剂相生物油出口54经第二蒸馏装置入口59送入第二蒸馏装置34，蒸馏完毕后有机溶液由第二蒸馏装置有机溶液出口60送入萃取剂回收罐33，生物油由第二蒸馏装置生物油出口61送入储油罐36。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超声波乙醇－水体系的生物质生物油制取系统，其特征在于包括超声波高压反应罐(8)、离心分离机(22)、固体燃料回收仓(23)、第一蒸馏装置(25)、第二蒸馏装置(34)、第一离心萃取机(28)、第二离心萃取机(29)、第三离心萃取机(30)、第四离心萃取机(31)、第一输送泵(21)、第二输送泵(27)、无水乙醇储存罐(7)、萃取剂储存罐(35)、无水乙醇回收罐(24)、萃取剂回收罐(33)、储料罐(6)、储油罐(36)、气体储存罐(2)、气体回收罐(1)、第一废液回收罐(26)、第二废液回收罐(32)；
所述超声波高压反应罐(8)上设置有高压反应罐物料入口(9)、高压反应罐醇/水入口(11)、超声波反应器与超声波换能器(18)、高压反应罐料液出口(19)、高压反应罐料液出口阀门(20)、高压反应罐溢流口(13)、高压反应罐进气口(14)、高压反应罐排气口(15)；
所述离心分离机(22)上设置有离心分离机入口(37)、离心分离机液体出口(39)、离心分离机固体出口(38)；
所述第一蒸馏装置(25)设置有第一蒸馏装置入口(40)、第一蒸馏装置有机溶液出口(42)、第一蒸馏装置水-生物油出口(41)；
所述第一离心萃取机(28)、第二离心萃取机(29)、第三离心萃取机(30)和第四离心萃取机(31)分别设置有：萃取母液入口(47、48、49、50)，以及有机溶液入口(55、56、57、58)，以及萃残液出口(43、44、45、46)，还设有萃取剂相生物油出口(51、52、53、54)；
所述第二蒸馏装置(34)设置有第二蒸馏装置入口(59)、第二蒸馏装置有机溶液出口(60)，第二蒸馏装置生物油出口(61)；
所述气体储存罐(2)通过闸阀二(5)连接高压反应罐进气口(14)，所述高压反应罐排气口(15)通过闸阀一(3)依次连接压缩泵(4)、气体回收罐(1)；储料罐(6)与高压反应罐物料入口(9)连接；无水乙醇储存罐(7)与高压反应罐醇/水入口(11)连接；
所述高压反应罐料液出口(19)依次与第一输送泵(21)、离心分离机(22)、第一蒸馏装置入口(40)相连；
所述离心分离机(22)的离心分离机固体出口(38)与固体燃料回收仓(23)连接；所述第一蒸馏装置(25)的第一蒸馏装置水-生物油出口(41)与第二输送泵(27)连接，之后分两路分别与第一离心萃取机(28)和第二离心萃取机(29)连接；
所述第一离心萃取机(28)与第三离心萃取机(30)连接，所述第二离心萃取机(29)与第四离心萃取机(31)连接；第四离心萃取机有机溶液入口(58)和第三离心萃取机有机溶液入口(57)分别与萃取剂储存罐(35)连接；
第三离心萃取机萃取剂相生物油出口(53)和第四离心萃取机萃取剂物油出口(54)并联后，依次连接第二蒸馏装置入口(59)、储油罐(36)；第一蒸馏装置有机溶液出口(42)与无水乙醇回收罐(24)连接，第二蒸馏装置有机溶液出口(60)与萃取剂回收罐(33)连接。
2.根据权利要求1所述超声波乙醇－水体系的生物质生物油制取系统，其特征在于，所述超声波高压反应罐(8)还包括压力表(10)、热电偶(17)、搅拌装置(16)、操作面板(12)；所述压力表(10)、操作面板(12)设置于超声波高压反应罐(8)顶壁上部，所述热电偶(17)、搅拌装置(16)设置于超声波高压反应罐(8)内部，所述搅拌装置(16)桨叶为同轴两层长方形平板，呈90°分布，搅拌装置(16)可阶段性顺时针逆时针转动，所述热电偶(17)由超声波高压反应罐(8)的顶壁伸入超声波高压反应罐(8)内部。
3.根据权利要求1所述超声波乙醇－水体系的生物质生物油制取系统，其特征在于，高压反应罐物料入口(9)与高压反应罐醇/水入口(11)分别设置在超声波高压反应罐(8)罐顶壁上部的两侧，构成该反应区域的入口；高压反应罐料液出口(19)设置于超声波高压反应罐(8)下端底部，构成该反应区域的出口；高压反应罐进气口(14)、高压反应罐排气口(15)设置在超声波高压反应罐(8)的侧壁，且高压反应罐排气口(15)布置位置高于高压反应罐进气口(14)。
4.根据权利要求1所述超声波乙醇－水体系的生物质生物油制取系统，其特征在于，所述第一离心萃取机(28)萃残液出口(43)连接第一废液回收罐(26)。
5.根据权利要求1所述超声波乙醇－水体系的生物质生物油制取系统，其特征在于，所述第二离心萃取机(29)的萃残液出口(44)连接第二废液回收罐(32)。
6.采用权利要求1至5中任一项所述超声波乙醇－水体系的生物质生物油制取系统制取生物质生物油的方法，其特征在于包括如下步骤：
打开高压反应罐物料入口(9)加入未经干燥研磨的原始生物质，打开高压反应罐醇/水入口(11)加入醇/水溶液，根据具体工艺条件和生物质处理量设置超声波高压反应罐(8)的加热温度，打开闸阀一(3)，同时打开闸阀二(5)并启动压缩泵(4)连通超声波高压反应罐(8)与气体回收罐(1)，当超声波高压反应罐(8)内部压力达到额定值后关闭闸阀一(3)、闸阀二(5)和压缩泵(4)，运行超声波高压反应罐(8)，超声波高压反应罐(8)工作完毕后打开高压反应罐料液出口阀门(20)，启动第一输送泵(21)将固液混合物送入离心分离机(22)，离心分离完毕后关停离心分离机(22)，固体燃料由离心分离机固体出口(38)排至固体燃料回收仓(23)，液体由离心分离机液体出口(39)排出送入第一蒸馏装置入口(40)，蒸馏完毕后有机溶液由第一蒸馏装置有机溶液出口(42)排入无水乙醇回收罐(24)，水-生物油由第一蒸馏装置水-生物油出口(41)排出，打开第二输送泵(27)，分两路将混合溶液送入第一离心萃取机萃取母液入口(47)、第二离心萃取机萃取母液入口(48)，萃取剂溶液由萃取剂储存罐(35)排出经第三离心萃取机有机溶液入口(57)、第四离心萃取机有机溶液入口(58)分别送入第三离心萃取机(30)、第四离心萃取机(31)，萃残液由第一离心萃取机萃残液出口(43)、第二离心萃取机萃残液出口(44)分别送入第一废液回收罐(26)、第二废液回收罐(32)，萃取剂相生物油由第三离心萃取机萃取剂相生物油出口(53)、第四离心萃取机萃取剂相生物油出口(54)经第二蒸馏装置入口(59)送入第二蒸馏装置(34)，蒸馏完毕后有机溶液由第二蒸馏装置有机溶液出口(60)送入萃取剂回收罐(33)，生物油由第二蒸馏装置生物油出口(61)送入储油罐(36)。
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