CN1900224B - 一种生物柴油的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种生物柴油的制备方法,按顺序包括以下步骤:(A)将油脂和C1-C6-元醇进行酯交换反应,得到反应粗产物;(B)使反应粗产物中的混合酯相和甘油相分离;(C)从混合酯相和甘油相分别闪蒸出一元醇;(D)对混合酯相和甘油相分别进行减压精馏,得到高纯度脂肪酸单酯和甘油。本发明方法对原料适应性强,工艺切换方便,即使以酸值很高的未精炼油为原料,也不需对原料进行预处理,可直接进行加工。原料中可成为生物柴油的成份基本上全部被利用,反应转化率可达100%,经减压精馏塔精馏,塔顶脂肪酸单酯纯度可达99.9%。本工艺基本无三废排放,是一个环境友好的绿色工艺。
Description
发明领域
本发明涉及由油脂和C1-C6一元醇反应制备脂肪酸单酯(即生物柴油)的工艺方法。
背景技术
生物柴油可通过油脂与C1-C6一元醇进行酯交换反应制得,反应产物中有脂肪酸单酯,还有单甘酯、二甘酯、甘油,以及未反应的醇和油脂(即甘油三酯)。现有技术中,生物柴油的制备方法可分为酸催化法、碱催化法、酶催化法和超临界法。
CN1473907A采用植物油精炼的下脚料及食用回收油为原料,催化剂由硫酸、盐酸、对甲苯磺酸、十二烷基苯磺酸、萘磺酸等无机和有机酸复配而成,经酸化除杂、连续脱水、酯化、分层、减压蒸馏等工序进行生产,连续真空脱水的压力为0.08~0.09Mpa,温度60~95℃,脱水至水含量0.2%以下,酯化步骤催化剂加入量1~3%,酯化温度60~80℃,反应时间6小时。反应后产物先中和除去催化剂,然后,分层除去少量水,去水后产物经减压蒸馏得到生物柴油。
酸催化与碱催化相比存在的问题是反应速度慢,会有大量废酸产生,污染环境。
DE3444893公开了一种方法,用酸催化剂,常压,50~120℃,将游离脂肪酸与醇进行酯化,对油料进行预酯化处理,然后在碱金属催化剂下进行酯交换反应,但遗留的酸催化剂要被碱中和,碱金属催化剂的量会增加。采用预酯化,使加工流程变长,设备投资,能耗大幅上升,另外,需把碱性催化剂从产物中除去,有大量废水产生。回收甘油困难。
CN1472280A公开了一种方法,以脂肪酸酯作为酰基受体,在生物酶的存在下,催化生物进行转酯反应生产生物柴油。采用酶催化剂存在不足是:反应时间长、效率较低,酶较贵,且在高纯度甲醇中易失活。
CN1111591C公开了一种油脂和一元醇反应制备脂肪酸酯的方法,该方法包括将甲醇同油脂反应来获得脂肪酸酯,在280℃,12MPa条件下,脂肪酸甲酯生成率为60%,从该专利看出:脂肪酸甲酯生成率较低,而且没有公开对反应粗产物中单甘酯、二甘酯、甘油三酯如何进行处理。
发明内容
本发明提供一种制备生物柴油的工艺方法,该方法可得到高纯度脂肪酸单酯,也可副产较高纯度单甘酯,作为添加剂使用。
本发明提供的生物柴油的制备方法,按顺序包括以下步骤:
(A)将油脂和C1-C6一元醇进行酯交换反应,得到反应粗产物;
(B)使反应粗产物中的混合酯相和甘油相分离;
(C)从混合酯相和甘油相分别蒸出一元醇;
(D)对混合酯相和甘油相分别进行减压精馏,得到高纯度脂肪酸单酯和甘油。
本发明提供的方法中,还可以包含步骤(E):用分子精馏拔出(D)釜底中的单甘酯和二甘酯,其中单甘酯可作为添加剂使用,二甘酯可循环再用.经分子精馏后,原料中可生成脂肪酸单酯的部分都得到充分利用.
在步骤(A)中,油脂和醇可单独提供给反应器,或将它们预混合后提供给反应器,在提供给反应器之前,可用预热器将物料预热,也可直接进入反应器,这样,反应器既起到预热器的作用,也起到反应器的作用。如采用预热器,可将油脂和醇分别预热或混合后一起预热。
所说的油脂是动物油或植物油,优选大豆油、菜籽油、棉籽油、椰子油、棕榈油等植物油,酸值也可在大的范围内变化,例如,可以是0-70mgKOH/g。
所说的C1-C6一元醇,可以是单一的脂肪醇,也可以是一种或多种脂肪醇的混合物,优选甲醇和乙醇。
对于步骤(A)的酯交换反应,温度升高,反应转化率提高,因为从动力学角度而言,温度升高有利于反应进行,但温度过高时,反应产物颜色发黑,会有焦质产生。因此,温度保持在250-350℃,最好270-320℃为宜。压力越高对反应越有利,但压力太高,使装置的投资和操作费用提高较多,所以,压力应在6-12Mpa,最好7-11Mpa为宜。液时空速为0.1~20h-1。整个物系或油脂和醇中的一种物料可以处于超临界状态,也可以不处于超临界状态。为提高油脂的转化率,可适当提高醇/油摩尔比,但提高醇/油的摩尔比使物料在反应器中停留时间缩短,转化率下降。也使装置能耗和操作费用增加,使设备的利用率下降。所以,较好的醇/油摩尔比为3-60∶1,优选的醇/油摩尔比为4-12∶1。
在步骤(A)中,还可以选择性地加入碱性化合物,例如选自周期表IA、IIA族金属元素的氢氧化物、氧化物、醇化物、碳酸盐或碳酸氢盐等,优选NaOH、CsOH、Ca(OH)2、KOH、Na2O、K2O、Na2CO3、K2CO3等,碱性化合物用量可以为油脂重量的0.005-2重%,优选0.005-0.5重%。
在步骤(B)中,分离从(A)步骤得到反应粗产物中的混合酯相和甘油相,可以沉降分离或通过纤维束分离器分离,优选通过纤维束分离器分离。所说的纤维分离器由分离筒和接收罐组成,分离筒中安装有不锈钢丝组成的纤维束,产物混合物先流过分离筒,再进入接收罐分层,实现混合物的分离。分离条件是温度20-200℃,优选60-100℃,压力大于一个大气压或常压均可,例如0.1-0.5MPa,优选0.1-0.3MPa,空速0.1-20h-1,优选1-10h-1。对于乳化严重的反应粗产物,要达到很好的分相效果,采用沉降法一般需放置过夜,而采用纤维束分离器,可在很短时间内完成,从而大幅提高分离速度和生产效率。
在步骤(C)中,从(B)步骤得到的轻相(混合酯相)和重相(甘油相)分别通过闪蒸,蒸出一元醇,闪蒸可在大于一个大气压、常压或真空的条件下进行,例如压力可以为0.05-0.5MPa。
在步骤(D)中,从步骤(C)得到的无醇轻相(混合酯相)进减压精馏塔,塔釜压力小于0.1MPa,优选小于0.01Mpa,更优选小于0.001Mpa。回流比1-10∶1,塔釜温度为120-300℃,优选170-280℃,更优选190-280℃,通过减压精馏,可得到高纯度脂肪酸单酯。
从步骤(C)得到的无醇重相(甘油相)也可进减压精馏塔,塔顶得到甘油馏分。
在步骤(E)中,从步骤(D)得到的混合酯相的釜残液进分子精馏装置,在小于5Pa,优选小于3pa,更优选小于1pa压力下,加热面温度170-220℃,优选180-200℃条件下,可得较高纯度的单甘酯,加热面温度200-290℃,优选200-250℃条件下,可得到较高纯度的二甘酯.其中单甘酯可作为添加剂使用,二甘酯可作为原料重新循环至反应器人口,而重质残渣可作为燃料.分子精馏装置可含有一级或连续多级(即一组或连续多组),通过一级分子精馏可得到单甘酯含量较高的轻馏分,重馏分可进入第二级分子精馏,蒸出二甘酯,它可循环至反应器人口进行二次反应,如果不需要得到纯度较高的单甘酯,可用一级分子精馏,直接蒸出单甘酯和二甘酯,将它们循环至反应器入口,进行二次反应.
按照本发明提供的方法,反应转化率可达100%,经减压精馏塔精馏,塔顶脂肪酸单酯纯度可达99.9%。本工艺基本无三废排放,是一个环境友好的绿色工艺,对环境保护有利。
本发明也可副产较高纯度单甘酯,作为添加剂使用。
另外,本发明即使以酸值很高的未精炼油为原料,也不需对原料进行预处理,可直接进行加工。可用于以各种毛油为原料的工艺过程,如以大豆油、菜籽油、棉籽油、椰子油和棕榈油的毛油为原料。这样,省去工序繁杂的预处理,使能耗、设备投资下降。各种油料的毛油中含有沸点较高的有机物质,不易与单甘酯、二甘酯、甘油三酯分离,使用本发明方法,毛油中可成为脂肪酸甲酯的成份可得到最大限度的利用。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明,但本发明并不限于此。
实施例中“产物收率”定义如下:
产物收率=(产物重量/油料重量)×100%
实施例1
将甘油三酯含量为68m%,酸值60mgKOH/g的变质油料和甲醇分别以600克/小时和93克/小时的速率提供到预热器中,预热器温度200℃,将预热后的物料连续不断地提供到管式反应器中,反应器中温度270-280℃,压力8-8.5Mpa,反应转化率100%,流出反应器粗产物流速693克/小时,经减压后,进入纤维束分离器,在温度40℃,液时空速10h-1条件下,连续分出混合酯相和甘油相,将混合酯相和甘油相进入各自闪蒸塔,分别连续闪蒸出甲醇,将蒸出甲醇后的混合酯相以600克/小时速度进入减压精馏塔,在真空度7mmHg,塔釜289℃,回流比1∶1的条件下,塔顶蒸出脂肪酸甲酯498克/小时,纯度可达99.5~99.9%,釜残液进入分子精馏装置,在残压2-3pa,加热面200℃下,轻馏分出料55.2克/小时,可得单甘酯含量较高的馏分,将剩余高沸点物料又进行分子精馏,在残压1pa,加热面250℃下,轻馏分出料33克/小时。这部分料可作为原料循环至反应器进料口,进行二次反应。产物收率可达97.7%。二甘酯回收率可达93%。原料中可成为脂肪酸甲酯的成份基本上全部被利用。
实施例2
将甘油三酯含量为85m%,酸值26mgKOH/g的变质油料和甲醇分别以600克/小时和200克/小时的速率提供到预热器中,加入NaOH的量为0.01%(以油量为基准),预热器温度200℃,将预热后的物料连续不断地提供到管式反应器中,反应器中温度260℃,压力8.5Mpa,反应转化率100%,流出反应器粗产物流速800克/小时,经减压后,进入纤维束分离器,在温度160℃,液时空速10h-1条件下,连续分出混合酯相和甘油相,将混合酯相和甘油相进入各自闪蒸塔,分别连续闪蒸出甲醇,将蒸出甲醇后的混合酯相以600克/小时速度进入减压精馏塔,在真空度8mmHg,塔釜280℃,回流比1∶1的条件下,塔顶蒸出脂肪酸甲酯535克/小时,纯度可达99.5~99.9%,釜残液进入分子精馏装置,在残压1pa,加热面250℃下,轻馏分出料51.8克/小时.这部分料可作为原料循环至反应器进料口,进行二次反应.产物收率可达97.8%.原料中可成为脂肪酸甲酯的成份基本上全部被利用.
实施例3
未精炼棉籽油(甘油三酯含量为93m%,酸值12mgKOH/g)和甲醇分别以600克/小时和200克/小时的速率提供到预热器中,预热器温度200℃,将预热后的物料连续不断地提供到管式反应器中,270-280℃,压力8-8.5Mpa,反应转化率100%,流出反应器粗产物流速800克/小时,经减压后,进入纤维束分离器,在温度100℃,液时空速5h-1条件下,连续分出混合酯相和甘油相。将混合酯相和甘油相进入各自闪蒸塔,分别连续闪蒸出甲醇,将蒸出甲醇后的混合酯相以600克/小时速度进人减压精馏塔,在真空度8-10mmHg,塔釜279℃,回流比2∶1的条件下,塔顶脂肪酸甲酯流速489克/小时,纯度可达99.8%,釜残液进入分子精馏装置,在残压1pa,加热面250℃下,轻馏分出料104.9克/小时。这部分料可作为原料循环至反应器进料口,进行二次反应。产物收率可达99%。原料中可成为脂肪酸甲酯的成份基本上全部被利用。
实施例4
精炼大豆油和甲醇分别以600克/小时和239克/小时的速率提供到预热器中,加入KOH的量为0.01%(以大豆油量为基准),预热器温度200℃,将预热后的物料连续不断地提供到管式反应器中,反应器中温度260℃,压力9Mpa,反应转化率100%,流出反应器粗产物流速839克/小时,经减压后,进入纤维束分离器,在温度25℃,液时空速9h-1条件下,连续分出酯相和甘油相,将酯相和甘油相进入各自闪蒸塔,分别连续闪蒸出甲醇,蒸出甲醇后混合酯相速率600克/小时。将混合酯相以600克/小时速度进入减压精馏塔,在真空度8-10mmHg,塔釜279℃,回流比1∶1的条件下,塔顶脂肪酸甲酯流速542克/小时,纯度可达99.9%,釜残液作为原料循环至反应器进料口,进行二次反应。物料几乎没有损失,原料中可成为脂肪酸甲酯的成份基本上全部被利用。
实施例5
将酸值30mgKOH/g的变质油料和甲醇分别以600克/小时和140克/小时的速率提供到预热器中,加人NaOH的量为0.01%(以油量为基准),预热器温度200℃,将预热后的物料连续不断地提供到管式反应器中,反应器中温度267-270℃,压力7Mpa,液时空速1.2h-1,反应转化率100%,流出反应器粗产物流速740克/小时,经减压后,静置沉降,分出混合酯相和甘油相,将混合酯相和甘油相进入各自闪蒸塔,分别连续闪蒸出甲醇,将蒸出甲醇后的混合酯相以600克/小时速度进入减压精馏塔,在真空度8mmHg,塔釜251-260℃,回流比1∶1的条件下,塔顶蒸出脂肪酸甲酯572克/小时,纯度可达99.9%,釜残液进入分子精馏装置,在残压1pa,加热面250℃下,蒸出轻馏分。这部分料可作为原料循环至反应器进料口,进行二次反应。。原料中可成为脂肪酸甲酯的成份几乎全部变成产物。
实施例6
精炼植物油和甲醇分别以600克/小时和170克/小时的速率提供到预热器中,加入KOH的量为0.01%(以大豆油量为基准),预热器温度200℃,将预热后的物料连续不断地提供到管式反应器中,反应器中温度270℃,压力7Mpa,液时空速1.2h-1,反应转化率100%,流出反应器粗产物流速770克/小时,经减压后,静置沉将,分出酯相和甘油相,将酯相和甘油相进入各自闪蒸塔,分别连续闪蒸出甲醇,蒸出甲醇后混合酯相速率600克/小时.将混合酯相以600克/小时速度进入减压精馏塔,在真空度8-10mmHg,塔釜210--220℃,回流比1∶1的条件下,塔顶脂肪酸甲酯流速582克/小时,纯度可达99.5~99.9%,釜残液作为原料循环至反应器进料口,进行二次反应.物料几乎没有损失,原料中可成为脂肪酸甲酯的成份几乎全部变成产物.
Claims (15)
1.一种生物柴油的制备方法,按顺序包括以下步骤:
(A)将油脂和C1-C6一元醇进行酯交换反应,得到反应粗产物;
(B)使反应粗产物中的混合酯相和甘油相分离;
(C)从混合酯相和甘油相分别闪蒸出一元醇;
(D)对混合酯相和甘油相分别进行减压精馏,得到高纯度脂肪酸单酯和甘油。
2.按照权利要求1所述的方法,其特征在于还包括步骤(E):用分子精馏拔出(D)釜底中的单甘酯和二甘酯,根据需要循环使用。
3.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,所说的油脂是动物油或植物油,酸值范围是0-70mgKOH/g。
4.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,所说的一元醇是甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇和丁醇。
5.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(A)的反应温度为250-350℃,压力为6-12Mpa,醇/油摩尔比为3-60∶1。
6.按照权利要求5所述的方法,其特征在于,步骤(A)的反应温度为270-320℃,压力为7-11Mpa,醇/油摩尔比为4-12∶1。
7.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤(A)中,还选择性地加入碱性化合物,碱性化合物是选自周期表I A、II A族金属元素的氢氧化物、氧化物、醇化物、碳酸盐或碳酸氢盐。
8.按照权利要求7所述的方法,其特征在于,碱性化合物用量为油脂重量的0.005-2重%。
9.按照权利要求7或8所述的方法,其特征在于,碱性化合物是NaOH、CsOH、Ca(OH)2、KOH、Na2O、K2O、Na2CO3或K2CO3,碱性化合物用量为油脂重量的0.005-0.5重%。
10.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤(B)中通过纤维束分离器将混合酯相和甘油相分离。
11.按照权利要求10所述的方法,其特征在于,分离条件是温度20-200℃,压力0.1-0.5MPa,空速0.1-20h-1。
12.按照权利要求10所述的方法,其特征在于,分离条件是温度60-100℃,压力0.1-0.3MPa,空速1-4h-1。
13.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤(C)中,闪蒸压力为0.05-0.5MPa。
14.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤(D)中,混合酯相的减压精馏塔塔釜压力小于0.1MPa,回流比1-10∶1,塔釜温度为120-300℃。
15.按照权利要求14所述的方法,其特征在于,在步骤(D)中,混合酯相的减压精馏塔塔釜压力小于0.01Mpa,回流比1-10∶1,塔釜温度为170-280℃。
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