CN113088351A - 一种基于介质阻挡放电的生物柴油催化加氢提质装置 - Google Patents

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王军锋
赵卫东
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Abstract

本发明公开了一种基于介质阻挡放电的生物柴油催化加氢提质的装置，包括液相反应器，在液相反应器的底部装有多孔鼓气板；液相反应器的进液口用来填充生物柴油与催化剂的混合物，介质阻挡放电发生单元包括内电极、放电管、外电极和高压电源；内电极与高压电源相连，外电极接地；放电管的入口端与供气单元连通，由供气单元向放电管内腔提供氢原料气体；放电管的出口端与在液相反应器底部相连，将介质阻挡放电发生单元产生的等离子体气体输送至多孔鼓气板，等离子体气体通过多孔鼓泡板以微气泡形式分散到液相反应器中，提供了较大的等离子体气泡与生物柴油接触面积，从而促进了等离子体与生物柴油加氢反应的速率。

Description

一种基于介质阻挡放电的生物柴油催化加氢提质装置
技术领域
本发明属于生物油催化加氢提质领域，特指一种基于介质阻挡放电的生物柴油催化加氢提质装置。
背景技术
随着社会经济的发展，化石能源被大量消耗并逐渐枯竭，寻找可替代清洁能源已成为全球共识。生物柴油作为典型的生物燃料之一，是以植物油或动物油脂为原料制成的绿色可再生能源，具有污染物排放少、可降解性好以及节能环保等优良特性。然而，由于生物柴油中多不饱和碳键的存在，其氧化稳定性较差，在发生氧化反应和聚合反应时会产生高分子聚合物和沉淀物。这些产物的存在不仅增加了燃料的储存和运输难度，并且在作为汽车燃料时容易造成发动机油路堵塞，限制了生物柴油作为一种直接运输燃料的应用推广。
通过催化加氢降低生物柴油中的含氧量是其制备过程中的重要技术手段。选择性加氢是目前的主要方式之一，该方式通过将氢加成到生物柴油脂肪酸甲酯的一部分不饱和双键上，使生物柴油在双键数量减少、碘值降低和氧化安定性提升的同时有效保证其低温流动性，实现生物柴油品质的综合提升。然而，这种方式的实施需要一定的压力和温度条件，同时需要结合贵金属催化剂或者双金属催化剂进行催化；尽管现有的加氢提质技术能实现生物柴油在化学结构上与石油化工柴油接近，但由于制备工艺苛刻(高温、高压)、耗氢量大及生产成本高等问题，制约了该技术的大规模推广。此外，生物柴油加氢工艺的选择性和加氢深度的可控性仍有待提高，需要进一步研究。因此，开发更简单、经济的加氢工艺技术，是加氢工艺发展过程中亟待解决的问题。
气体放电形成的低温等离子体含有激发态分子、自由基、正负离子，以及高能电子等高反应活性粒子，能够引发常温常压下难以进行的反应，具有化学反应选择性、反应速率和反应深度可控的优势，是解决生物柴油选择性加氢提质问题的一个新途径。常见的低温等离子体放电技术包括电晕放电、电弧放电和介质阻挡放电等，其中电晕放电的放电区域集中在曲率半径较小的电极区，具有放电稳定、能耗低的优点，但是通常情况下放电通道难以到达对面电极，存在反应耗时过长且放电时注入能量较低的问题；电弧放电的脉冲持续时间较长，具有能量密度高、反应效率快等优点，然而剧烈的放电导致反应区温度过高，对生物油进行加氢提质时会造成生物油的结焦；介质阻挡放电是指电源正负电极间存在绝缘介质的一种放电方式，可适用于大部分常见物质化学键的断裂，且放电稳定、均匀分布在放电间隙，对形成大体积稳定的等离子体十分有利，具有性能稳定，电子密度大的优势，有利于反应效率的提升。
发明内容
本发明根据现有技术的不足与缺陷，提出了一种基于介质阻挡放电的生物柴油催化加氢提质的装置，目的是基于介质阻挡放电在常温常压下对生物柴油进行高效催化加氢提质。
本发明所采用的技术方案如下：
一种基于介质阻挡放电的生物柴油催化加氢提质的装置，主要包括液相反应器，在液相反应器的底部装有多孔鼓气板，液相反应器设有进液口、出液口和出气口；所述进液口用来填充生物柴油与催化剂的混合物，所述催化剂为金属细颗粒物；介质阻挡放电发生单元包括内电极、放电管、外电极和高压电源；所述内电极与高压电源相连，所述外电极接地，所述放电管的入口端与供气单元连通，由供气单元向放电管内腔提供氢原料气体；所述放电管的出口端与在液相反应器底部相连，将介质阻挡放电发生单元产生的等离子体气体输送至多孔鼓气板，等离子体气体通过多孔鼓泡板以微气泡形式分散到液相反应器中，提供了较大的等离子体气泡与生物柴油接触面积，从而促进了等离子体与生物柴油加氢反应的速率。
进一步，所述液相反应器整体设计为圆筒状，由绝缘材料加工制造而成，
进一步，所述液相反应器的材料选择石英玻璃。
进一步，高压电源优选交流电源或脉冲电源。
进一步，所述内电极为导体螺纹棒，直径在5～10mm之间。
进一步，所述外电极包裹在放电管的外表面，厚度在0.3～0.5mm之间。
进一步，所述放电管为绝缘材料加工制作的圆管。
进一步，所述进液口在反应器底部，进料为生物柴油和催化剂的混合物，所述催化剂选Raney-Ni细颗粒。
进一步，所述多孔鼓泡板上加工出多个阵列分布的网孔，材料绝缘，形成的等离子体气体直接通过所述多孔鼓泡板鼓泡到液相反应器中。
进一步，所述氢原料气体选取氢气、富氢气、或氩气与富氢气的混合物中的一种。
本发明的有益效果是：
本发明利用介质阻挡放电在常温常压下对生物柴油进行高效催化加氢提质。更具体的说，通过施加高电压在介质阻挡放电发生单元的两电极之间区域形成强电场，使氢原料气体发生电离产生活性氢自由基，形成的等离子体气体通过多孔鼓泡板以微气泡形式分散到液相反应器中，提供了较大的等离子体气泡与生物柴油接触面积，从而促进了等离子体与生物柴油加氢反应的速率。本发明中介质阻挡放电产生的高能电子能量高，放电稳定且在放电间隙分布均匀，可在常温常压下实现生物柴油的选择性加氢，且不会产生燃烧氧化后对大气造成污染的氮、硫元素，产生的气体混合物可进行回收利用。本发明所设计的装置结构简单，安装方便，运行及维护费用较低；整套装置操作简单，加工易于实现。
附图说明
图1为本发明的整体装置结构示意图。
图2为本发明的介质阻挡放电发生单元结构示意图。
图3为本发明的多孔鼓泡板。
图中，1.储气罐，2.减压阀，3.阀门，4.流量计，5.管道A，6.进气口，7.内电极，8.放电管，9.外电极，10.管道B，11.高压电源，12.电流探头，13.电压探头，14.示波器，15.多孔鼓泡板，16.进液口，17.液相反应器，18.出液口，19.排气口，20.等离子体气泡，21.催化剂，22.介质层，23.网孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明提供了一种基于介质阻挡放电的生物柴油催化加氢提质的装置，如图1所示，主要包括：液相反应器17、多孔鼓泡板15、介质阻挡放电发生单元、高压电源11、示波器14以及供气装置。液相反应器17整体设计为圆筒状，由绝缘材料(如石英玻璃)加工制造而成，液相反应器17的下部侧壁上设置进液口16，由进液口16向液相反应器17内注入Raney-Ni细颗粒物催化剂和生物柴油；在液相反应器17的上部侧壁上设置出液口18，在液相反应器17的顶部设置排口19；在液相反应器17内部设置多孔鼓泡板15，多孔鼓泡板15上加工出多个阵列分布的网孔23，材料绝缘，形成的等离子体气体直接通过所述多孔鼓泡板鼓泡到液相反应器中。多孔鼓泡板15的上表面低于进液口16；且多孔鼓泡板15与液相反应器17的内底面之间的空间为进气腔。多孔鼓泡板15，结构如图3所示，该装置可以将等离子体气体以微气泡20形式分散在反应器17中，能极大地增加等离子体气泡与生物柴油的相界面面积，从而促进加氢效率，如图3，多孔鼓泡板15上网孔23的单孔直径在0.1～0.3mm之间。
如图2，介质阻挡放电发生单元包括内电极7、介质层22和外电极9。内电极7为螺纹棒，直径优选在5～10mm之间，材料优选铜。外电极9同轴套装在内电极7外部，优选材料为铝箔片，厚度在0.3～0.5mm之间。介质层22贴着外电极9内壁面设置，介质层22内壁面与内电极7之间的通道为放电管8，放电管8为绝缘材料加工制作的圆管，材料优选石英玻璃或陶瓷。放电管8的进气口6，放电管8的出气口通过管道B10连接进气腔。内电极7通过导线连接高压电源11，外电极9通过导线接地。高压电源11通过光纤探头采集系统的电流和电压信号并输入示波器14。
供气装置包括储气罐1、减压阀2、阀门3和流量计5，储气罐1的出口通过管道A5与介质阻挡放电发生单元中放电管8的进气口6连通；且在管道A5上装有减压阀2、阀门3和流量计5；储气罐1储存有氢原料气体，具体可选氢气、富氢气、或氩气与富氢气的混合物中的一种。
为了更清楚的解释本申请所设计的生物柴油催化加氢提质的装置，以下结合本装置的工作过程做进一步说明：
使用前，所有阀门保持关闭状态。提前将Raney-Ni细颗粒物催化剂均匀散播在生物柴油中，通过进液口16向液相反应器中填充。打开减压阀2，控制出气压力；打开阀门3，调整气体流量，气体通过管道A5、B10涌入液相反应器17，持续5分钟，排尽管道和反应器内的空气。启动高压电源11，调节电源参数，同时打开示波器14，利用光纤探头采集系统的电流和电压信号；配合供气装置，气体发生放电，在放电管内腔8产生活性氢自由基，形成的等离子体气体通过管道B10经多孔鼓泡板15以微气泡20形式分散在液相反应器17中，通过催化剂21作用与生物柴油发生加氢反应。液相反应器中剩余的液体经出液口18排出，放电过程中产生的气体混合物通过出气口19排出回收。
表1
Figure BDA0003041130150000041
Figure BDA0003041130150000051
表1为采用气相色谱-质谱联用仪对生物柴油样品进行氢化前后组分及相对含量的测量结果。大豆油甲酯(SME)和本装置处理后得到的加氢大豆油甲酯PHSME样品的主要成分均为棕榈酸甲酯(C16:0)、油酸甲酯(C18:1)和亚油酸甲酯(C18:2)，三者之和在SME和PHSME中占比分别约为97％和77.05％。在PHSME中出现的新成分C20:0和C20:1表明部分碳链长度增加。此外，PHSME主要由16～20个碳原子构成的直链脂肪酸甲酯组成，不含支链结构，也不含燃烧氧化后对大气造成污染的氮、硫元素，在结构组成上与石化柴油的直链烷烃有相似的特点。
等离子催化加氢致使高不饱和脂肪酸甲酯(C18:2、C19:2)含量均大幅下降，表明生物柴油的饱和度有了显著提升。PHSME的完全饱和成分和低不饱和成分的相对含量分别为19.44％和48.93％，可见SME经过适度加氢后，含有两个C＝C双键的高不饱和组分优先被转化为低不饱和组分，完全饱和组分的转化率较低，因此在降低不饱和度的同时，避免了过度氢化。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于介质阻挡放电的生物柴油催化加氢提质的装置，其特征在于，主要包括液相反应器(17)，在液相反应器(17)的底部装有多孔鼓气板(15)，液相反应器(17)设有进液口(16)、出液口(18)和出气口(19)；所述进液口用来填充生物柴油与催化剂的混合物，所述催化剂为金属细颗粒物；介质阻挡放电发生单元包括内电极(7)、放电管(8)、外电极(9)和高压电源(11)；所述内电极与高压电源相连，所述外电极接地，所述放电管的入口端与供气单元连通，由供气单元向放电管内腔提供氢原料气体；所述放电管的出口端与在液相反应器(17)底部相连，将介质阻挡放电发生单元产生的等离子体气体输送至多孔鼓气板(15)，等离子体气体通过多孔鼓泡板(15)以微气泡形式分散到液相反应器(17)中，提供了较大的等离子体气泡与生物柴油接触面积，从而促进了等离子体与生物柴油加氢反应的速率。
2.根据权利要求1所述的一种基于介质阻挡放电的生物柴油催化加氢提质的装置，其特征在于，所述液相反应器(17)整体设计为圆筒状，由绝缘材料加工制造而成。
3.根据权利要求2所述的一种基于介质阻挡放电的生物柴油催化加氢提质的装置，其特征在于，所述液相反应器(17)的材料选择石英玻璃。
4.根据权利要求1所述的一种基于介质阻挡放电的生物柴油催化加氢提质的装置，其特征在于，高压电源(11)选择交流电源或脉冲电源。
5.根据权利要求1所述的一种基于介质阻挡放电的生物柴油催化加氢提质的装置，其特征在于，所述内电极(7)为导体螺纹棒，直径在5～10mm之间。
6.根据权利要求1所述的一种基于介质阻挡放电的生物柴油催化加氢提质的装置，其特征在于，所述外电极(9)包裹在放电管(8)的外表面，外电极(9)的厚度在0.3～0.5mm之间。
7.根据权利要求1所述的一种基于介质阻挡放电的生物柴油催化加氢提质的装置，其特征在于，所述放电管(8)为绝缘材料加工制作的圆管。
8.根据权利要求1所述的一种基于介质阻挡放电的生物柴油催化加氢提质的装置，其特征在于，所述进液口(16)在反应器底部，进料为生物柴油和催化剂的混合物，所述催化剂选Raney-Ni细颗粒。
9.根据权利要求1所述的一种基于介质阻挡放电的生物柴油催化加氢提质的装置，其特征在于，所述多孔鼓泡板(15)上加工出多个阵列分布的网孔(23)，材料绝缘，形成的等离子体气体直接通过所述多孔鼓泡板(15)鼓泡到液相反应器(17)中。
10.根据权利要求1所述的一种基于介质阻挡放电的生物柴油催化加氢提质的装置，其特征在于，所述氢原料气体选取氢气、富氢气、或氩气与富氢气的混合物中的一种。
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106118738A (zh) * 2016-08-17 2016-11-16 江苏大学 一种气体‑液体两相放电加氢精制生物油的装置

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