CN202022865U - 一种低能耗回收生物柴油生产中过量甲醇的装置 - Google Patents

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黄大隆
祝春芳
袁振宏
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Abstract

本实用新型提供了一种低能耗回收生物柴油生产中过量甲醇的装置。包括预酯化装置、转酯化装置及膜分离甲醇回收装置三部分。预酯化装置主设备包括：装有固体酸催化剂的固定床反应器，分离甲醇和油脂的连续分相器。转酯化装置主设备包括：活塞流反应器和分离粗甘油和粗生物柴油的连续分相器。膜分离甲醇回收装置包括渗透汽化膜组件，还包括与渗透汽化膜组件连通的由冷凝器和接收罐组成的甲醇蒸汽冷凝接收装置，及由渗透液冷凝系统、水接收罐、缓冲罐和真空泵组成的透过液的冷凝接收装置。本实用新型在降低生产过程成本的同时，实现地沟油生物柴油的连续生产，形成绿色环保的生产工艺。

Description

一种低能耗回收生物柴油生产中过量甲醇的装置
技术领域
本实用新型属于节能领域，涉及一种低能耗回收生物柴油生产中过量甲醇的装置。
技术背景
2011年2月1日我国开始实施生物柴油B5标准，该标准将生物柴油定义为由动植物油与醇(例如甲醇或乙醇)经酯交换反应制得的脂肪酸单烷基酯。因为甲醇的价格优势，生物柴油通常为脂肪酸甲酯(FAME)。生物柴油是一种环境友好的可再生能源，美国、欧洲分别用大豆油和菜籽油做原料。我国是一个食用油进口国，昂贵的原料价格是制约生物柴油产业化发展的瓶颈。
另一方面，食用油使用过程中产生的废油脂一般为食用油总量的20-30％，我国废油脂总量估计在500万吨以上。废油脂中含有很多致癌物质，对人的健康威胁极大。国家现在禁止将这些餐饮废弃油脂喂养家畜，利用这些原料生产生物柴油真是化害为利的一个经济可行的途径。
目前生物柴油企业普遍采用碱催化方法合成生物柴油，要求原料油的游离脂肪酸含量小于1％。废油脂游离脂肪酸含量高，地沟油经常达到50％，游离脂肪酸需要和甲醇反应将酸值降低，再通过碱催化酯交换两步法合成生物柴油。但是酯化过程是一个可逆反应，需要加入过量甲醇。后续的碱催化酯交换反应也需要加入过量甲醇，甲醇通常是所需理论量的2-3倍。以含游离脂肪酸50％的地沟油为例，预酯化和酯交换反应加入甲醇为理论摩尔数的10倍以上，这样就有超过9倍摩尔数的甲醇需要回收。
简单蒸馏回收的甲醇含水量过高，目前生物柴油生产采用精馏工艺提纯甲醇。甲醇精馏过程能耗高，特别是用地沟油酸化油等高酸价废油脂生产生物柴油，需要加入大过量的甲醇，增加了生产成本。因此，国内即使用地沟油等废油脂生产生物柴油市场竞争优势仍不明显，原料和市场价格稍有波动，企业就无法盈利生产，许多致力于发展生物柴油的企业在没有政府补贴的情况下都处于亏损的边缘。
本实用新型在甲醇蒸馏回收过程使用膜渗透气化技术分离甲醇中少量水，减少精馏过程，节约能量消耗，进一步降低生产成本，促进生物柴油的产业化进程。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种低能耗回收生物柴油生产中过量甲醇的装置。
本实用新型是通过以下技术方案予以实现的：
本实用新型装置包括预酯化装置、转酯化装置及膜分离甲醇回收装置三部分，以高酸价废油脂为处理原料。预酯化装置主设备包括：装有固体酸催化剂的固定床反应器，分离甲醇和油脂的连续分相器。转酯化装置主设备包括：活塞流反应器和分离粗甘油和粗生物柴油的连续分相器。这两项技术都是同一申请人已经公开并授权的专利，专利号分别为ZL200620061332.1和ZL200610036419.8。
膜分离甲醇回收装置包括渗透汽化膜组件，通过渗透汽化膜组件的甲醇蒸汽分别来自两个薄膜蒸发器。一个薄膜蒸发器将高酸价原料油预酯化完成后分离出的过量甲醇连续蒸发汽化，薄膜蒸发器剩余料液回送到预酯化反应釜。另一个薄膜蒸发器将转酯化反应剩余甲醇连续汽化，剩余组份经连续分相器分为粗甘油和粗生物柴油。所述渗透汽化膜组件可以为已有的分子筛膜等无机组件或聚乙烯醇有机膜组件，能够有效分离甲醇中的少量水。膜分离甲醇回收装置还包括与渗透汽化膜组件连通的由冷凝器和接收罐组成的甲醇蒸汽冷凝接收装置，及由渗透液冷凝系统、水接收罐、缓冲罐和真空泵组成的透过液(主要成份为水)的冷凝接收装置。脱水后的甲醇冷凝后可直接送入原料油的固定床预酯化反应装置，可连续重复使用回收甲醇。
所述渗透汽化膜组件的渗透汽化膜主要性能指标为渗透通量和分离系数。
单位时间内单位面积透过液的量为渗透通量J：
J(g/m2·h)＝透过液体量/膜面积×透过时间。
将冷凝液用气相色谱分析，得到各组分的浓度，从而求出分离系数a：
a＝C1A(1-CA)/CA(1-C1A)(A组分优先透过膜)。
其中CA和C1A分别表示优先透过组分A在供给液和透过液中重量百分浓度。
本实用新型的积极效果如下：
采用渗透汽化膜分离技术分离回收生物柴油生产需要的过量甲醇，和甲醇精馏回收过程比较，可以降低生物柴油的生产成本。特别是利用地沟油、酸化油等废油脂生产生物柴油，预酯化过程需要加入大过量的甲醇，将渗透汽化膜分离和薄膜蒸发器内甲醇的连续蒸发过程耦合，再结合已经申请专利的固体酸催化预酯化和连续分相技术，在降低生产过程成本的同时，实现地沟油生物柴油的连续生产，形成绿色环保的生产工艺。
附图说明
图1是本实用新型装置结构示意图。
附图标记说明：1固定床反应器；2分离甲醇和油脂的连续分相器；3活塞流反应装置；4蒸发预酯化油脂中甲醇的薄膜蒸发器；5蒸发转酯化油脂中甲醇的薄膜蒸发器；6分离粗甘油和粗生物柴油的连续分相器；7渗透汽化膜组件；8渗透液冷凝系统；9水接收罐；10缓冲罐；11甲醇冷凝系统；12甲醇接收罐；13真空泵。
具体实施方式：
以下结合实施例对本实用新型做进一步说明，但实施例不对本实用新型保护范围构成限制。
如图1所示，本实施例装置结构如下：设有装有固体酸催化剂的固定床反应器1，固定床反应器1上设有原料废油脂入口与甲醇入口，固定床反应器1通过管道连通分离甲醇和油脂的连续分相器2。连续分相器2通过管道连通活塞流反应装置3并向活塞流反应装置3输入油脂，此外连续分相器2还通过管道连通蒸发预酯化油脂中甲醇的薄膜蒸发器4。活塞流反应装置3上另设有甲醇与碱入口，并连通蒸发转酯化油脂中甲醇的薄膜蒸发器5。薄膜蒸发器5连通分离粗甘油和粗生物柴油的连续分相器6，连续分相器6上分别设有甘油与粗生物柴油出口。薄膜蒸发器4与薄膜蒸发器5上均设有甲醇蒸汽出口，两者的甲醇蒸汽会合后输入渗透汽化膜组件7。渗透汽化膜组件7上一个出口通过甲醇冷凝系统11连通甲醇接收罐12以回收甲醇；另一个出口依次连通渗透液冷凝系统8、水接收罐9、缓冲罐10、真空泵13，以回收透过液(主要成份为水)。
薄膜蒸发器4的剩余料液出口可连通固定床反应器1，以将薄膜蒸发器剩余料液回送到固定床反应器1。甲醇接收罐12可连通固定床反应器1的甲醇入口，可连续重复使用回收甲醇。
上述装置可分为预酯化装置、转酯化装置及膜分离甲醇回收装置三大部分。预酯化装置包括管道连通的固定床反应器1和分离甲醇和油脂的连续分相器2，转酯化装置包括活塞流反应装置3和连续分相器6，膜分离甲醇回收装置包括甲醇蒸汽及渗透液回收的部件。
实施例
采用实验室合成聚乙烯醇乙二醛交联膜，在流速u为2.5m·s-1，渗透测压力为1000Pa，温度60℃下，膜性能为：通量J为3.280kg·h-1·m-2，，选择性α为88.9。膜组件面积为1m2，膜池的槽道宽为21.66cm，深为14.44cm，槽道总长为4.62m，槽道设计为折流形。
通过固定床反应装置1的地沟油游离脂肪酸含量50％，流量180kg·h-1，甲醇流量200kg·h-1。通过连续分相器2分离后，9kg的甲醇参加了酯化反应，3kg的甲醇留在油脂相，189kg·h-1的甲醇经过薄膜蒸发器4蒸发进入渗透汽化膜组件7。
经过连续分相器2的废油脂游离脂肪酸低于1％，在活塞流反应器3和甲醇在碱催化剂的作用下发生转酯化反应，甲醇流量23kg·h-1，反应后在薄膜蒸发器5连续蒸发甲醇，16kg·h-1甲醇进入到渗透汽化膜组件7。
渗透汽化膜组件甲醇处理量205kg·h-1，进料液甲醇的质量分数为96-97％，通过渗透汽化膜分离后甲醇质量分数大于99％。
经过计算，利用渗透汽化膜组件甲醇回收的能量消耗2.44×105kJ·h-1。
理论计算相同条件下精馏过程回收甲醇消耗能量8.96×105kJ·h-1。
本实施例可以节约70％以上的能量。

Claims (3)

1.一种低能耗回收生物柴油生产中过量甲醇的装置，其特征在于：固定床反应器(1)上设有原料废油脂入口与甲醇入口，固定床反应器(1)通过管道连通分离甲醇和油脂的连续分相器(2)；连续分相器(2)通过管道连通活塞流反应装置(3)并向活塞流反应装置(3)输入油脂，此外连续分相器(2)还通过管道连通蒸发预酯化油脂中甲醇的薄膜蒸发器(4)；活塞流反应装置(3)上另设有甲醇与碱入口，并连通蒸发转酯化油脂中甲醇的薄膜蒸发器(5)；薄膜蒸发器(5)连通分离粗甘油和粗生物柴油的连续分相器(6)，连续分相器(6)上分别设有甘油与粗生物柴油出口；薄膜蒸发器(4)与薄膜蒸发器(5)上均设有甲醇蒸汽出口，两者的甲醇蒸汽会合后输入渗透汽化膜组件(7)；渗透汽化膜组件(7)上一个出口通过甲醇冷凝系统(11)连通甲醇接收罐(12)以回收甲醇；另一个出口依次连通渗透液冷凝系统(8)、水接收罐(9)、缓冲罐(10)、真空泵(13)，以回收透过液。
2.如权利要求1所述的低能耗回收生物柴油生产中过量甲醇的装置，其特征在于：甲醇接收罐(12)连通固定床反应器(1)的甲醇入口，可连续重复使用回收甲醇。
3.根据权利要求1所述的低能耗回收生物柴油生产中过量甲醇的装置，其特征在于，薄膜蒸发器(4)的剩余料液出口连通固定床反应器(1)。
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