CN114806722A - 一种连续生产脂肪酸甲酯系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及生物柴油技术领域，具体涉及一种连续生产脂肪酸甲酯系统及方法。所述连续生产脂肪酸甲酯系统包括反应釜，所述反应釜内设有多个隔板，所述隔板将所述反应釜的内腔分隔为多个竖向分布的反应腔，所述反应釜在每两个相邻所述反应腔之间连接有溢流管，所述隔板上设有排气孔；物料通过所述溢流管自上而下从位于上侧的所述反应腔输送至位于下侧的反应腔内，甲醇通过所述隔板自下而上从位于下侧的所述反应腔输送至位于上侧的所述反应腔内，输送至所述反应釜底部反应腔的物料即为脂肪酸甲酯。本申请具有生产效率高、能耗低、大幅减少固废排放的特点，制备的脂肪酸甲酯无需提纯操作便能达到生物柴油的标准要求。
Description
技术领域
本申请涉及生物柴油技术领域，具体涉及一种连续生产脂肪酸甲酯系统及方法。
背景技术
生物柴油是从可再生的生物质资源中所获得的一种性质近似于柴油的可再生燃料，其主要成分是脂肪酸甲酯。市面上的生物柴油主要以餐厨废弃油脂和甲醇为原料，其不仅能解决当下餐厨废弃油脂污染环境的问题，还能实现资源的可再生利用，为人们提供更多的绿色能源。
然而，餐厨废弃油脂中游离脂肪酸的含量较高，其酸值一般在20-150mgKOH/g，对于高酸值的原料油主要采用酯化、酯交换两步法生产生物柴油。其中，酯化反应是可逆反应，反应生成的水会抑制酯化反应的进行，从而降低酯化反应的转化率，使得反应得到的脂肪酸甲酯酸值较高，其脂肪酸酯相中脂肪酸甲酯的含量较低，达不到生物柴油的标准要求，须通过分离如蒸馏等手段将脂肪酸甲酯提纯，这导致了能耗较高，生产效率较低。
发明内容
为了解决现有脂肪酸甲酯生产效率低、能耗高的问题，本申请提供一种连续生产脂肪酸甲酯系统及方法，其制备的脂肪酸甲酯无需提纯操作便能达到生物柴油的标准要求。
第一方面，本申请提供一种连续生产脂肪酸甲酯系统，采用如下的技术方案：
一种连续生产脂肪酸甲酯系统，包括反应釜，所述反应釜内设有多个隔板，所述隔板将所述反应釜的内腔分隔为多个竖向分布的反应腔，所述反应釜在每两个相邻所述反应腔之间连接有溢流管，所述隔板上设有排气孔；物料通过所述溢流管自上而下从位于上侧的所述反应腔输送至位于下侧的反应腔内，甲醇通过所述排气孔自下而上从位于下侧的所述反应腔输送至位于上侧的所述反应腔内，输送至所述反应釜底部反应腔的物料即为脂肪酸甲酯。
本申请的系统在生产脂肪酸甲酯时，甲醇以气态鼓泡的形式加入餐厨废弃油脂等物料中，加入的甲醇气能带动物料翻腾，促使甲醇与餐厨废弃油脂充分反应，在多个反应腔内重复反应后，其制得的脂肪酸甲酯酸值低于2mgKOH/g，脂肪酸甲酯的含量达96.5%以上，实现脂肪酸甲酯的连续生产，无需对其制得的脂肪酸甲酯进行提纯操作便能达到生物柴油的产品标准要求，具有生产效率高、能耗低的特点。
优选的，所述反应釜在位于底部的所述反应腔内设有加热机构。
通过采用上述技术方案，加热机构能对位于反应釜底部的反应腔内的物料加热，使得物料中掺杂的甲醇有效排出，同时能对通入该反应腔内的甲醇进行加热，减少甲醇在输送过程中发生液化。
优选的，所述反应釜在每一所述隔板的上方设有陶瓷填料层。
通过采用上述技术方案，陶瓷填料层能增加甲醇与餐厨废弃油脂在反应腔内混合的阻力，促使两者充分接触进行反应，有助于提高反应效率。
优选的，所述陶瓷填料层由至少一个陶瓷砖铺设而成，所述陶瓷砖上均匀开设有适于倾斜输送的输料通道。
通过采用上述技术方案，陶瓷砖方便陶瓷填料层的清洗和更换，相对于其他填料能具有更好的操作性。在此基础上，在陶瓷砖上开设适于倾斜输送的输料通道，能够增加物料以及甲醇在填料内的输送时间，从而能进一步增加餐厨废弃油脂与甲醇的接触时间而使其充分反应。
优选的，所述溢流管的一端连接在位于上侧反应腔的上方侧壁上，所述溢流管的另一端连接在位于下侧反应腔的底部侧壁上。
通过采用上述技术方案，位于上侧的反应腔内的物料积蓄到一定液位后，通过溢流管输送至位于下侧的反应腔内，由此能保证每个反应腔内的甲醇与餐厨废弃油脂有充足的反应时间，促使反应充分进行。
优选的，所述连续生产脂肪酸甲酯系统还包括抽料泵，所述反应釜的釜底并与所述抽料泵相连通。
通过采用上述技术方案，抽料泵能将集油腔内的混合液及时排出，使得反应过程可控。
第二方面，本申请提供一种连续生产脂肪酸甲酯的方法，采用如下的技术方案：
一种连续生产脂肪酸甲酯的方法，采用上述连续生产脂肪酸甲酯系统，包括以下步骤：
将餐厨废弃油脂与酸催化剂混合，混合液经预热后输送至位于反应釜顶部的反应腔内，将甲醇加热为甲醇气通入位于反应釜底部的反应腔内，所述混合液自上而下从位于上侧的反应腔内输送至位于下侧的反应腔内，最后汇集于所述反应釜的底部，所述甲醇气自下而上鼓泡分散在位于所述反应腔内的混合液中参与反应，收获所述反应釜底部的混合液，即得脂肪酸甲酯。
本申请的生产方法基于上述系统，将餐厨废弃油脂与酸催化剂先进行混合预热有助于其形成的混合液一进入反应釜便能于鼓泡的甲醇迅速开始反应，其制备方法简单，操作方便，便于脂肪酸甲酯的连续生产，获得的脂肪酸甲酯无需进行提纯操作便能达到生物柴油的产品标准要求，具有生产效率高、能耗低的特点。
优选的，所述反应腔内甲醇气向上输送的压力为0.1-1.0kg/cm2。
通过采用上述技术方案，该压力下的甲醇能有效阻止位于上侧的反应腔内的混合液通过排气管流入位于下侧的反应腔内，同时促使甲醇与餐厨废弃油脂充分反应。
优选的，所述酸催化剂的添加量为餐厨废弃油脂重量的0.12-1.12%。
通过采用上述技术方案，在本申请中酸催化剂的添加量为0.12-1.12%便可催化甲醇与餐厨废弃油脂反应，这是基于本申请的反应釜能促使甲醇与餐厨废弃油脂在各个反应腔内能充分接触反应，因此无需过多的酸催化剂，相对于现有技术中2%的添加量能有效降低生产成本；此外，因酸催化剂添加量的减少，混合液的pH值能有效升高，由此促使本申请的反应可以在不锈钢材质的反应釜内进行，相对于现有的陶瓷反应釜，不锈钢反应釜具有更高的可操作性。
优选的，所述预热温度为80-110℃。
通过采用上述技术方案，本申请中混合液预热到80-110℃也可促使甲醇与餐厨废弃油脂发生反应，这是基于本申请的反应釜能促使甲醇与餐厨废弃油脂在各个反应腔内能充分接触反应，因此无需升温至现有酸催化的反应温度（120-160℃），进而可有效降低生产脂肪酸甲酯的能耗。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、本申请的系统通过在预热装置和反应釜的设置，并在反应釜内多个反应腔，使得甲醇以气态鼓泡的形式与餐厨废弃油脂反应，在经过多个反应腔重复操作后，其制得的脂肪酸甲酯无需进行提纯操作便能达到生物柴油的产品标准要求，具有生产效率高、能耗低的特点。
2、本申请的生产方法通过对甲醇输送气压、酸催化剂添加量、预热温度等工艺参数的控制，能有效保证其制得的脂肪酸甲酯的酸值低于1.5，含量达96.5%以上，实现脂肪酸甲酯的连续生产。
附图说明
图1是本申请实施例1的连续生产脂肪酸甲酯系统图；
图2是申请实施例1的连续生产脂肪酸甲酯系统中陶瓷填料层的俯视图；
图3是申请实施例1的连续生产脂肪酸甲酯系统中陶瓷填料层的竖向剖视图。
附图标记说明：
1、第一进料管；11、餐厨废弃油脂输送管；12、酸催化剂输送管；13、总管；2、第二进料管；3、预热装置；4、反应釜；41、隔板；411、排气孔；42、反应腔；43、溢流管；44、陶瓷填料层；441、陶瓷砖；442、输料通道；45、加热机构；5、甲醇回收塔；6、排料管；7、抽料泵；8、柴油收集塔。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本申请作进一步详细说明。
实施例1
本实施例提供一种连续生产脂肪酸甲酯系统，参见图1，包括第一进料管1，第二进料管2、预热装置3、反应釜4、甲醇回收塔5、排料管6、抽料泵7和柴油收集塔8。
其中，第一进料管1包括餐厨废弃油脂输送管11、酸催化剂输送管12以及与反应釜4相连，餐厨废弃油脂和酸催化剂在总管13内汇集后通过总管13输送至反应釜4的顶部。预热装置3具体为一加热套管，其安装在总管13的外侧，通过水蒸气对物料进行加热。第二进料管2为甲醇输送管，甲醇输送管连接在反应釜4底部的一侧壁上，甲醇经气化后通过甲醇输送管输送至反应釜4内参与反应。排料管6的一端连接在反应釜4的底部，排料管6的另一端与抽料泵7相连，反应生成的脂肪酸甲酯通过抽料泵7能及时输送到柴油收集塔8中进行存储，由此获得的脂肪酸甲酯无需进行提纯操作便能达到产品标准要求，具有生产效率高、能耗低的特点。
其中，反应釜4为一竖向的塔式结构，在本实施例中其釜体可采用不锈钢材质制成，内部设有多个竖向间隔设置的隔板41，隔板41将反应釜4的内腔分隔为多个竖向分布的反应腔42。反应釜4在每个隔板41上均匀开设有多个排气孔411，甲醇通过隔板41自下而上从位于下侧的反应腔42输送至位于上侧的反应腔42内。
反应腔42的设置数量维持在一定范围内，这是基于反应腔42若数量过少有可能会导致制得的脂肪酸甲酯未达到产品标准要求，数量过多则会增加系统建造成本和脂肪酸甲酯的生产成本，经过反复试验，反应腔42的数量优选5-15个，本实施例的附图以11个反应腔42为例加以示出。除此之外，还可以设置两个内设6个反应腔的反应釜4进行串联，这样能降低反应釜4的高度，便于便于操作人员的维护和操作。
反应釜4在每两个相邻反应腔42之间连接有溢流管43，物料通过溢流管43自上而下从位于上侧的反应腔42输送至位于下侧的反应腔42内。其中，溢流管43的一端连接在位于上侧反应腔42的上方侧壁上，溢流管43的另一端连接在位于下侧反应腔42的底部侧壁上。当位于上侧的反应腔42内的物料积蓄到一定液位后，通过溢流管43输送至位于下侧的反应腔42内，由此能保证每个反应腔42内的甲醇与餐厨废弃油脂有充足的反应时间，促使反应充分进行。
反应釜4在每个隔板41的上方还铺设有一陶瓷填料层44，陶瓷填料层44中的陶瓷颗粒能增加甲醇与餐厨废弃油脂在反应腔42内混合的阻力，促使两者充分接触进行反应，有助于提高反应效率。
本实施例中陶瓷填料层44参见图2和图3，由多块陶瓷砖441铺设成圆盘状，该陶瓷砖441铺设的方式有助于陶瓷填料层的清洗和更换，相对于其他填料能具有更好的操作性。每个陶瓷砖441上均匀开设有适于倾斜输送的输料通道442，该输送通道442交错倾斜设置，由此不但能促使餐厨废弃油脂和甲醇能顺利通过，还能增加两者在填料内的输送时间，从而能进一步增加餐厨废弃油脂与甲醇的接触时间而使其充分反应。
反应釜4在位于底部的反应腔42内还设有一个加热机构45。该加热机构45的结构可以根据需要加以调整，本实施例具体采用加热管，通过在加热管内通入水蒸气实现对对位于反应釜4底部的反应腔42内的物料加热，使得物料中掺杂的甲醇有效排出，同时能对通入该反应腔42内的甲醇进行加热，减少甲醇在输送过程中发生液化。其中以水蒸气为导热传媒，相对于导热油具有流动性高、热量波动范围小的特点，能快速对脂肪酸甲酯进行升温，同时避免升温过度而影响脂肪酸甲酯的品质。
上述连续生产脂肪酸甲酯系统对应的生产方法，包括以下步骤：
①、预热：
将餐厨废弃油脂和酸催化剂同步输送至总管13处混合；其中餐厨废弃油脂为宁波市当地回收的厨余垃圾浸出油，酸值为82mgKOH/g，酸催化剂可以为有机酸和无机酸中的一种或几种的混合物，本实施例具体以浓硫酸（浓度为98%）为例加以说明，浓硫酸的添加量为餐厨废弃油脂重量的0.2%，在流经加热装置后预热到90℃，形成混合液。
②、反应：
将混合液通过总管13输送至反应釜4顶部的反应腔42内，于此同时，将甲醇加热气化后从第二进料管2（甲醇输送管）输送至反应釜4底部的反应腔42内，随后通过排气孔411自下而上充满各个反应腔42，多余的甲醇输送至甲醇回收塔5中进行回收；
此时，混合液进入反应釜4顶部的反应腔42后，由于位于下侧的反应腔42内的甲醇气通过排气孔411不断向位于上侧的反应腔42内输送，输送压力为0.3kg/cm2，混合液没过排气孔411后，甲醇气以鼓泡方式加入混合液中发生反应，同时能阻止混合液通过排气孔411渗漏到位于下侧的反应腔42内；
待位于上侧的反应腔42内的混合液液位到达溢流的入口时，多余的混合液会通过溢流管43输送至位于下侧的反应腔42的底部，继续与下一个反应腔42鼓泡的甲醇气进行反应，由此在多个反应腔42内重复反应，直至混合液输送至反应釜4底部的反应腔42内；
此时，位于反应釜4底部反应腔42内的加热机构45对该区域内的混合液加热，将混合液的温度保持在90℃，对该混合液中掺杂的水分和甲醇加以蒸发；最后通过抽料泵7将堆积在反应釜4底部反应腔42内的混合液输送至柴油收集塔8中，即获得脂肪酸甲酯。
该脂肪酸甲酯的含水量＜0.05%，酸值为0.8mgKOH/g，脂肪酸甲酯占脂肪酸酯相体积分数为98.5%。
故实施例1的系统和方法能够实现脂肪酸甲酯的连续生产，无需对其制得的脂肪酸甲酯进行提纯操作便能达到生物柴油的产品标准要求，具有生产效率高、能耗低的特点。
实施例2
本实施例在实施例1的系统和方法基础上，将混合液的预热温度调至为80℃，浓硫酸的添加量为餐厨废弃油脂重量的0.2%。
其制得的脂肪酸甲酯的含水量＜0.05%，酸值为1.8mgKOH/g，脂肪酸甲酯占脂肪酸酯相体积分数为96.7%。
实施例3
本实施例在实施例1的系统和方法基础上，将混合液的预热温度调至为110℃，浓硫酸的添加量为餐厨废弃油脂重量的0.2%。
其制得的脂肪酸甲酯的含水量＜0.05%，酸值为0.6mgKOH/g，脂肪酸甲酯占脂肪酸酯相体积分数为98.9%。
实施例4
本实施例在实施例1的系统和方法基础上，将混合液的预热温度调至为90℃，浓硫酸的添加量为餐厨废弃油脂重量的0.12%。
其制得的脂肪酸甲酯的含水量＜0.05%，酸值为1.1mgKOH/g，脂肪酸甲酯占脂肪酸酯相体积分数为97.2%。
实施例5
本实施例在实施例1的系统和方法基础上，将混合液的预热温度调至为90℃，浓硫酸的添加量为餐厨废弃油脂重量的1.12%。
其制得的脂肪酸甲酯的含水量＜0.05%，酸值为0.7mgKOH/g，脂肪酸甲酯占脂肪酸酯相体积分数为99.0%。
实施例6
本实施例在实施例1的系统和方法基础上，将混合液的预热温度调至为90℃，浓硫酸的添加量为餐厨废弃油脂重量的2.0%，本实施例因硫酸含量较高，混合液的酸性较强，故改不锈钢材质的反应釜4使用寿命较短。
其制得的脂肪酸甲酯的含水量＜0.05%，酸值为0.5mgKOH/g，脂肪酸甲酯占脂肪酸酯相体积分数为99.1%。
实施例7
本实施例在实施例1的系统和方法基础上，将反应腔42内甲醇气向上输送的压力调至为0.12kg/cm2。
其制得的脂肪酸甲酯的含水量＜0.05%，酸值为2.0mgKOH/g，脂肪酸甲酯占脂肪酸酯相体积分数为96.5%。
实施例8
本实施例在实施例1的系统和方法基础上，将反应腔42内甲醇气向上输送的压力调至为0.5kg/cm2。
其制得的脂肪酸甲酯的含水量＜0.05%，酸值为1.1mgKOH/g，脂肪酸甲酯占脂肪酸酯相体积分数为97.8%。
实施例9
本实施例在实施例1的系统和方法基础上，将反应腔42内甲醇气向上输送的压力调至为1.0kg/cm2。
其制得的脂肪酸甲酯的含水量＜0.05%，酸值为0.7mgKOH/g，脂肪酸甲酯占脂肪酸酯相体积分数为98.7%。
实施例10
本实施例在实施例1的系统和方法基础上，将反应腔42内甲醇气向上输送的压力调至为1.2kg/cm2。
其制得的脂肪酸甲酯的含水量＜0.05%，酸值为0.8mgKOH/g，脂肪酸甲酯占脂肪酸酯相体积分数为98.0%。
综上，本申请在制备脂肪酸甲酯时，餐厨废弃油脂与酸催化剂混合后预热至80℃以上、酸催化剂添加量为0.12%以上便可促使餐厨废弃油脂与甲醇有效反应，其制得的脂肪酸甲酯酸值≤2mgKOH/g，脂肪酸甲酯含量≥96.5%，无需进行提纯操作便能达到产品标准要求，具有生产效率高、能耗低、大幅减少固废排放的特点。其中，实施例4-6制得的脂肪酸甲酯中，鉴于温度升高会增加能耗，浓硫酸增加不但会增加生产成本还会使不锈钢反应釜的使用寿命减少，因此本申请优选80-110℃的预热温度、0.12-1.12%的酸催化剂添加量，其中进一步优选预热温度为90℃、酸催化剂添加量为0.2%的技术方案。另外，反应腔42内甲醇气向上输送的压力调至为0.1-1.0kg/cm2时，其制得的脂肪酸甲酯品质更为优异，因此将其作为进一步的优选。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (10)
1.一种连续生产脂肪酸甲酯系统，其特征在于，包括反应釜(4)，所述反应釜(4)内设有多个隔板(41)，所述隔板(41)将所述反应釜(4)的内腔分隔为多个竖向分布的反应腔(42)，所述反应釜(4)在每两个相邻所述反应腔(42)之间连接有溢流管(43)，所述隔板(41)上设有排气孔(411)；物料通过所述溢流管(43)自上而下从位于上侧的所述反应腔(42)输送至位于下侧的反应腔(42)内，甲醇通过所述排气孔(411)自下而上从位于下侧的所述反应腔(42)输送至位于上侧的所述反应腔(42)内，输送至所述反应釜(4)底部反应腔(42)的物料即为脂肪酸甲酯。
2.根据权利要求1所述的连续生产脂肪酸甲酯系统，其特征在于：所述反应釜(4)在位于底部的所述反应腔(42)内设有加热机构(45)。
3.根据权利要求1所述的连续生产脂肪酸甲酯系统，其特征在于：所述反应釜(4)在每一所述隔板(41)的上方设有陶瓷填料层(44)。
4.根据权利要求3所述的连续生产脂肪酸甲酯系统，其特征在于：所述陶瓷填料层(44)由至少一个陶瓷砖(441)铺设而成，所述陶瓷砖(441)上均匀开设有适于倾斜输送的输料通道(442)。
5.根据权利要求1所述的连续生产脂肪酸甲酯系统，其特征在于：所述溢流管(43)的一端连接在位于上侧反应腔(42)的上方侧壁上，所述溢流管(43)的另一端连接在位于下侧反应腔(42)的底部侧壁上。
6.根据权利要求1所述的连续生产脂肪酸甲酯系统，其特征在于：还包括抽料泵(7)，所述反应釜(4)的釜底并与所述抽料泵(7)相连通。
7.一种连续生产脂肪酸甲酯的方法，其特征在于，采用如权利要求1-6中任一项所述的连续生产脂肪酸甲酯系统，包括以下步骤：
将餐厨废弃油脂与酸催化剂混合，混合液经预热后输送至位于反应釜(4)顶部的反应腔(42)内，将甲醇加热为甲醇气通入位于反应釜(4)底部的反应腔(42)内，所述混合液自上而下从位于上侧的反应腔(42)内输送至位于下侧的反应腔(42)内，最后汇集于所述反应釜(4)的底部，所述甲醇气自下而上鼓泡分散在位于所述反应腔(42)内的混合液中参与反应，收获所述反应釜(4)底部的混合液，即得脂肪酸甲酯。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述反应腔(42)内甲醇气向上输送的压力为0.1-1.0kg/cm2。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述酸催化剂的添加量为餐厨废弃油脂重量的0.12-1.12%。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述预热温度为80-110℃。
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