CN201722361U - 一种气升式生物柴油酯交换反应装置 - Google Patents

一种气升式生物柴油酯交换反应装置 Download PDF

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徐自明
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Abstract

一种气升式生物柴油酯交换反应装置，涉及生物柴油生产加工设备。其主要包括酯交换反应器和液体分相分离器，酯交换反应器以气体为动力，靠上升管、降液管装置的引导，形成气液混合物的总体有序循环。向上升管通入气体，使管内气含率升高，比重变轻，气液混合物向上流动，气泡至液面处部分气泡破裂，气体由反应器排气口排出。剩下的气液混合物比重较上升管内的气液混合物大，由下降管下沉，形成循环。超声波可以强化气体在溶液中的微分散。反应产物通入液体分相分离器，轻相甲酯和重相甘油分离，甲酯经过后处理得到生物柴油。本实用新型较传统的机械搅拌式反应器加快了生物柴油生产时的反应速度，提高了原料转化率，实现了低成本、高产量。

Description

一种气升式生物柴油酯交换反应装置
技术领域
本实用新型属于燃料加工设备，具体涉及生物柴油生产加工设备，特指一种气升式生物柴油酯交换反应装置。
背景技术
生物柴油是当前生物质能源研究中的一个热点。在工业化生产中，多采用动植物油脂为原料，通过酯交换工艺制备得到生物柴油。目前制备生物柴油的设备多采用机械搅拌反应器，混合主要靠搅拌桨来实现，因此以每个搅拌桨为中心，液体形成局部的小循环，不能使油脂和甲醇以及催化剂充分接触，混合，导致酯交换反应不充分，反应速度慢，效率低。气升式反应器是以压缩气体为单一的能量输入形式，以其结构简单、成本低廉及传质效率高而引起广泛的注意，在污水处理、生物发酵、合成等领域均获得了许多成功的运用，但将其用于制备生物柴油的研究还未见报道。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种结构简单，加工制造容易，能耗低、混合好、传热传质效率高的装置，加快生物柴油生产时的反应速度，提高原料转化率，实现低成本、高产量。
为实现以上目的，本实用新型气升式生物柴油酯交换反应装置主要包括酯交换反应器和液体分相分离器，酯交换反应器包括进料口、催化剂入口、连接管、上升管和降液管；上升管位于降液管内，降液管上端设有进料口和催化剂入口，降液管下端通过连接管与液体分相分离器相连；液体分相分离器主要由罐体、清洗出口、甲酯出口、甘油排放口、隔流挡板、轻相液位计、重相液位计组成，轻相液位计和甲酯出口位于罐体的上端，甘油排放口和重相液位计位于罐体的下端，罐体底部设有清洗出口，罐体内部设有隔流挡板，其特征在于：酯交换反应器还设有气体发生器、中间储罐、冷凝器、气体分布器、超声波发生器和超声波管，气体发生器一端通过管路连接上升管，另一端依次通过中间储罐和冷凝器与降液管相连，气体分布器设在上升管下端，超声波管位于降液管底部，超声波发生器控制超声波管，降液管高径比(H/D)为10.7，上升管和降液管的直径之比(D1/D)为0.60。
液态甲醇通过气体发生器形成气态甲醇，通过管路进入上升管，过量甲醇从降液管顶部排出，经冷凝器又转化为液态，经管路回流到气体发生器。超声波发生器和超声波管由电气连接构成超声处理器，可以产生一定频率范围的超声波。
工作原理：酯交换反应器以气体为动力，靠上升管、降液管装置的引导，形成气液混合物的总体有序循环。向上升管通入气体，使管内气含率升高，比重变轻，气液混合物向上流动，气泡至液面处部分气泡破裂，气体由反应器排气口排出。剩下的气液混合物比重较上升管内的气液混合物大，由下降管下沉，形成循环。超声波可以强化气体在溶液中的微分散。反应产物通入液体分相分离器，轻相甲酯和重相甘油分离，甲酯经过后处理得到生物柴油。
酯交换反应器结构参数主要包括：①降液管高径比(H/D)；②升气管和降液管的直径之比D1/D。这两个相对几何结构尺寸参数是决定气升式反应器性能优劣的重要参数。酯交换反应器结构参数的优化：
1.研究方法：气体经喷嘴以一定的速度射入反应器，由于反应物的粘性、表面张力而产生气含；气体和反应物之间的动量传递，气泡的浮动、合并、破碎推动液体循环，产生混合；气液间还发生分子扩散作用，主要是气相向液相的传递。因此，反应器的性能主要通过气含率ε，混合时间t，液相环流速率v以及液相体积传质系数kL指标来评价。通过选取不同降液管高径比(H/D)及不同升气管和降液管的直径之比D1/D得到流动、混合效果较好，结构简单、实际制造可行的一种方案。与相同尺寸的标准机械搅拌反应器进行酯交换反应对比试验、评价，并按此条件设计和制造了酯交换反应装置。
2.试验条件
酯交换反应器用有机玻璃制成，以便于观察。降液管D＝0.140m，高度分别取0.88、1.03、1.50和1.60m。试验介质为自来水，试验用气体为空气，进气压力为P＝0.13MPa(表压)，最大通风比(装液量与每分钟的通风量之比)为1∶1.5。
3.试验结果与分析
3.1降液管高径比(H/D)对反应装置性能的影响
从表1可以看出，反应器适当增加高径比有利于提高反应器的性能，可增大液相环流速率、液相体积传质系数，但高径比也不是越大越好，由混合时间t与高径的关联式分析得出：随着管高度的增加，反应器内的混合时间t也相应增加，并且单位体积的气-液接触面积下降，不利于混合与传质。反应器高径比以10.7为宜。
混合时间t与高径的关联式：混合时间t＝20.41(H/D)0.505
表1不同H/D对反应装置的性能的影响
Figure GSA00000070359800031
3.2上升管与降液管直径比D1/D对反应装置性能的影响
试验结果见表2。随着上升管与降液管直径比D1/D的增加，反应器液相体积传质系数总体变化不大。在上升管与降液管直径比D1/D较小时，虽然在上升管中湍动和涡流较强，但液体循环速度较低使得混合时间较长。当D1/D＝0.6时，下降管液速度增加，液体循环速度提高，湍动和涡流较强，此时混合时间最短。当D1/D＞0.6时，液速急剧下降，湍动和涡流变弱，使得混合时间又变长。选择D1/D＝0.6作为最佳上升管与反应器直径比。
表2不同D1/D对反应装置的性能的影响
Figure GSA00000070359800032
4.新型酯交换反应器与标准机械搅拌式反应器制备生物柴油比较
以大豆油与甲醇为原料，通过酯交换反应制备生物柴油对比试验
表1酯交换结果比较
Figure GSA00000070359800033
由表1的结果可以看出，采用新型酯交换反应器制备生物柴油有利于提高脂肪酸甲酯转化率，较传统的机械搅拌式反应器脂肪酸甲酯转化率增加5.5％，反应周期缩短0.6小时，同时甲醇用量减少33.3％，催化剂用量减少20％。气升式反应器加快了生物柴油生产时的反应速度，提高了原料转化率，实现了低成本、高产量。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图
1-超声波发生器；2-气体发生器；3-中间储罐；4-冷凝器；5-进料口；6-催化剂入口；7-气体分布器；8-连接管；9-超声波管；10-上升管；11-降液管；12-液体分相分离器；12-12.1-罐体；12.2-轻相液位计；12.3-甲酯出口；12.4-隔流挡板；12.5-重相液位计；12.6-甘油排放口；12.7-清洗出口
具体实施方式
参见附图，一种生物柴油酯交换反应装置，主要包括酯交换反应器和液体分相分离器，酯交换反应器主要由超声波发生器1、气体发生器2、中间储罐3、冷凝器4、进料口5、催化剂入口6、气体分布器7、出料口8、声波管9、上升管10、降液管11组成。
酯交换反应器操作流程：原料通过进料口5和催化剂入口6定量加入，过量的液态甲醇通过气体发生器2转变为气态通入上升管10，打开超声波发生器1，这时气流经过气体分布器7，在上升管10中形成稳定的气流，气流通过降液管11形成环流，起到传热传质的作用。约0.5小时后，酯交换反应结束。反应产物通过连接管8通入液体分相分离器12。过量气态甲醇通过冷凝器4、中间储罐2回流进入气体发生器2。
液体分相器主要由罐体12.1、清洗出口12.7、甲酯出口12.3、甘油排放口12.6、隔流挡板12.4、轻相液位计12.2、重相液位计12.5组成。通过连接管8将酯交换反应器的出料口与液体分相分离器的进料口连接。轻相甲酯从甲酯出口12.3流出，重相甘油从甘油排放口12.6流出，甲酯经过水洗、干燥等精制过程得到生物柴油。
在降液管11的上部设有甲醇的回收装置，该装置主要由冷凝器4和中间储罐3组成，回收的甲醇由中间储罐3进入气体发生器2。
降液管11的外壁上有夹套，恒温水池通过总输水管和进水管与夹套连通，夹套通过总出水管、进水管与恒温水池连通。此装置用来调节酯交换反应的温度，反应温度控制在60℃。
以大豆油与甲醇为原料，通过酯交换反应制备生物柴油。使用本设备再采用与其配合的工艺，反应30分钟，生物柴油(脂肪酸甲酯)的得率就可以达到90％以上，相比而言传统的机械式搅拌反应器需反应60分钟以上，脂肪酸甲酯的得率才能达到90％以上。
采用本反应装置所生产的生物柴油经测试燃料性能如下表所示：
Figure GSA00000070359800051
从测试结果得知，利用本实用新型所生产的生物柴油各项燃料性能参数优于我国0号柴油，达到美国生物柴油标准。

Claims (2)

1.一种气升式生物柴油酯交换反应装置，包括酯交换反应器和液体分相分离器(12)，酯交换反应器包括进料口(5)、催化剂入口(6)、连接管(8)、上升管(10)和降液管(11)；上升管(10)位于降液管(11)内，降液管(11)上端设有进料口(5)和催化剂入口(6)，降液管(11)下端通过连接管(8)与液体分相分离器(12)相连；液体分相分离器(12)主要由罐体(12.1)、清洗出口(12.7)、甲酯出口(12.3)、甘油排放口(12.6)、隔流挡板(12.4)、轻相液位计(12.2)、重相液位计(12.5)组成，轻相液位计(12.2)和甲酯出口(12.3)位于罐体(12.1)的上端，甘油排放口(12.6)和重相液位计(12.5)位于罐体(12.1)的下端，罐体(12.1)底部设有清洗出口(12.7)，罐体内部设有隔流挡板(12.4)，其特征在于：酯交换反应器还设有气体发生器(2)、中间储罐(3)、冷凝器(4)、气体分布器(7)、超声波发生器(1)和超声波管(9)，气体发生器(2)一端通过管路连接上升管(10)，另一端依次通过中间储罐(3)和冷凝器(4)与降液管(11)相连，气体分布器(7)设在上升管(10)下端，超声波管(9)位于降液管(11)底部，超声波发生器(1)控制超声波管(9)，降液管(11)高径比(H/D)为10.7，上升管(10)和降液管(11)的直径之比(D1/D)为0.60。
2.权利要求1所述的反应装置，其特征在于：降液管(11)的外壁上有夹套，恒温水池通过总输水管和进水管与夹套连通，夹套通过总出水管、进水管与恒温水池连通，用来调节酯交换反应的温度。
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CN101805673A (zh) * 2010-04-01 2010-08-18 江苏大学 一种气升式生物柴油酯交换反应装置

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