CN203768336U - 一种高效酯化、酯交换反应装置 - Google Patents

Abstract

一种高效酯化、酯交换反应装置，它包括纤维膜反应器A、储罐B、热交换器C、水相循环泵P1和油相循环泵P2，纤维膜反应器A是一直立筒形装置，内部装有金属纤维丝，纤维膜反应器A下部与卧式的储罐B相连，纤维丝的下端一直伸展到储罐B的底部，储罐B的上部有油相出口E2，通过管道经油相循环泵P2与热交换器油相入口E5相连，热交换器油相出口E4通过管道与纤维膜反应器A上部的入口E1相连，形成循环系统，储罐B下部有水相出口E3，它通过管道经水相循环泵P1和纤维膜反应器A上部的入口E1相连，形成循环系统。本实用新型的反应装置生产效率高，催化剂用量少，酸碱废水排放少。

Description

一种高效酯化、酯交换反应装置

技术领域

本实用新型涉及生物柴油工业领域的原料油酯与甲醇在催化剂作用下进行酯化酯交换反应生成脂肪酸甲酯的一种高效反应装置。

技术背景

石油资源短缺，能源需要换代，替代能源和可再生能源的开发已是世界各主要国家的一项战略性课题。所以生物柴油这一概念一经出现，就受到世界各国的普遍关注。由于生物柴油本身具有性能优势（如良好的燃烧性能、润滑性能、安全性能以及优异的环境友好性能），已有很多国家进行了生物柴油的研制和生产。

生物柴油的生产，它的核心步骤是酯化、酯交换的反应，开发高水平的酯化、酯交换连续生产装置，对于生物柴油工艺的发展，实现规模化生产，降低产品成本，促进生物柴油产业的健康发展有着重大意义。

酯化酯交换反应过程中原料油脂与甲醇进行酯化、酯交换生成脂肪酸甲酯，即生物柴油。对于原料油脂与甲醇的酯化、酯交换反应，提高其反应速度一直是一个重点，也是一个难点.它不仅涉及催化剂，还涉及反应工程问题。对于生物柴油工艺，由于原料油脂和甲醇不互溶，反应体系是多相的，反应发生在相界面上，所以油脂、脂肪酸、甲醇、催化剂之间的传质速度极大地影响反应的速度和反应进行的深度，有许多学者将注意力集中在油脂与甲醇的互溶上，有学者用加入共溶剂使体系变成一相来解决问题，也有学者用相转移催化剂来提高相间的传质和反应速率。但在工业生产上这些措施的实现不仅有一定的技术难度，还增加了生产成本。

实用新型专利200820171720.4公开了一种高效膜反应装置，是由反应釜、搅拌装置、管路、泵机和控制柜组成，在泵机和反应釜之间的管路上设有物料混和高效膜反应塔，物料混和高效膜反应塔是塔体内设有竖直放置的金属纤维膜，塔体上部为进料口，下部为出料口，该实用新型具有加大反应物质接触面积、延长接触时间、有效提高反应速度、降低其反应温度、耗能降低、提高产量和产品质量的特点。

实用新型专利201220020961公开了非均相超微细化连续生产生物柴油反应装置，对原料超微细化、增加流体层流运动的速度梯度、使流体分割混合均匀、反应接触面积大、反应转化速率高、且设备投资成本低，适用于生物柴油的连续化、规模化生产的特点。

专利200510011603提供了一种水力空化制备生物柴油的方法，属于提高生物柴油生产效率、降低生产成本的技术领域。该方法在传统的生物柴油生产技术基础上采用水力空化酯交换反应器来优化生物柴油的生产，这种方法工艺简单，酯交换反应速度快，反应时间比传统反应器短，油脂酯交换转化率高,产品满足生物柴油标准。适于大规模的工业生产。

原料油脂在酯化酯交换的过程中由于使用酸碱催化剂，所以产生比较多的含甲醇的酸碱废水，这些废水不能直接排放到污水处理系统，必须经过预处理。生物柴油污水处理的达标排放是生物柴油生产工艺的难点之一，也增加了生物柴油的生产成本。因此减少生物柴油生产过程中酸碱催化剂的使用量，实现减少酸碱废水的排放是生物柴油工艺设备开发的重点之一。而上述专利均未涉及减少生物柴油生产过程中酸碱催化剂的使用量。

发明内容

本实用新型的目的就是提供一种高效酯化、酯交换反应装置，它不仅能提高生物柴油生产效率，而且能减少生物柴油生产过程中酸碱催化剂的使用量。

本实用新型的技术方案如下：

一种高效酯化、酯交换反应装置，如图1所示，它包括纤维膜反应器A、储罐B、热交换器C、水相循环泵P1和油相循环泵P2，纤维膜反应器A是一直立筒形装置，内部充满金属纤维丝，纤维横截面的充满密度为0.25-15%；纤维的直径为0.01-0.2毫米，纤维膜反应器A下部与卧式的储罐B相连，纤维丝的下端一直伸展到储罐B的底部，储罐B的上部有油相出口E2，通过管道经油相循环泵P2相连，然后分两路，一路与热交换器C底部的热交换器油相入口E5相连，热交换器油相出口E4通过管道与纤维膜反应器A上部的入口E1相连，形成循环系统，另一路作为与产品粗油脂储罐相连，储罐B下部有水相出口E3，它通过管道经水相循环泵P1和纤维膜反应器A上部的入口E1相连，形成循环系统，它是如下运作的：纤维膜反应器A顶部有原料进口E1，水相的甲醇和催化剂在亲水的纤维膜表面由于液体和固体间的表面张力和重力作用，沿着金属纤维的表面铺展，形成无返混的、大而簿的表面，第二种流体油脂在纤维膜反应器A内从金属纤维周围、水相的甲醇和催化剂薄膜外平行地流过，两种液体之间的磨擦力将使液体沿着纤维流动，而甲醇和催化剂形成的水相液体由于金属纤维表面的亲水作用又倾向于使其附着在纤维上，在这两种力的共同作用下，甲醇和催化剂形成的水相液体会沿着金属纤维沿伸，并被约束在金属纤维表面的传质界面，其单位体积产生的传质界面非常高，甲醇和催化剂形成的水相流入储罐B内的下层，通过水相循环泵P1一部分打循环通过纤维膜反应器A顶部原料进口E1进入纤维膜反应器A，使用纤维膜高效传质反应器，油酯与甲醇在催化剂作用下进行酯化酯交换反应生成脂肪酸甲酯速度大大提高。

该反应器最早是由美国MeriChem公司在美国专利US3758404中公开的，它的技术特点是，解决了分散性处理技术的许多难题，可以高效、经济和安全地处理不混溶性液体相间传质的问题，既提高了相间质量传递的效率，又使两相液体容易分离。它是通过液体在纤维膜表面形成液膜来建立传质界面的。

本实用新型所述的一种高效酯化、酯交换反应装置用于生物柴油生产的酯化酯交换反应的工艺步骤如下：

原料油脂、甲醇从热交换器入口E5进入热交换器C经加热后和催化剂一起从纤维膜反应器上部入口E1进入纤维膜反应器A，水相的甲醇和催化剂在亲水的纤维膜表面由重力作用沿着金属纤维的表面铺展，形成无返混的、大而簿的表面，油脂在纤维膜反应器A内从金属纤维周围、水相的甲醇和催化剂薄膜外平行地流过，两种液体之间形成非常高的传质界面。反应生成脂肪酸甲酯速度大大提高。反应生成的脂肪酸甲酯和未反应的油脂作为油相从储罐B的上部油相出口E2经油相循环泵P2输送出，一部分从热交换器进口E5进入热交换器C，经加热后从热交换器出口E4循环回纤维膜反应器入口E1进入纤维膜反应器A,另一部分作为产品粗甲酯进入下一工序。催化剂和未反应的甲醇作为水相从储罐B的下部水相出口E3经水相循环泵P1输送，一部分循环回纤维膜反应器入口E1，另一部分作为废催化剂去废催化剂处理系统。

本实用新型的特点之一是催化剂用量少，酸碱废水排放少。

本实用新型的酯化酯交换反应装置采用双泵循环，即油相和水相酸催化剂分别循环。这样可以通过循环量的控制，用较少的催化剂总量，保持酯化酯交换反应体系有较高的催化剂。从而达到减少催化剂使用量，减少催化剂废水排放的目的。

本实用新型装置还可以用酯化反应的废酸水对高酸值油脂进行预酯化反应，达到对原料油脂预处理的目的。

本实用新型的特点之二是高效、节能。

纤维膜反应技术是近期发展起来的针对气-液相或不易混合的液-液相之间进行传质的新技术,利用界面扩张原理,使得两相介质在接触时能够获得较大的接触面积,从而提高传质效率；使得反应速度大大加快，温度大大降低，节省了大量能耗，缩短了反应时间，增大了产能；油脂和甲醇的酯化反应是不易混合的液-液相之间进行传质化学反应，纤维膜反应加速器使得两相介质在接触时接触面积提高了100多倍,反应时间由通常5到6小时，缩短在2小时内，其实际效益不言而愈。

另外，纤维膜反应器中，水相和油相不互混，酯化反应生成的甲酯进入油相，水相自动分离，有利于水从体系中分离出来，从而有利于平衡向生成甲酯的方向移动。该过程不需要蒸发脱水，所以节能。

附图说明

图1是本实用新型高效酯化、酯交换反应装置的示意图；

其中：

A   纤维膜反应器

B   储罐

C   热交换器

P1  水相循环泵

P2  油相循环泵

E1  原料油脂、催化剂、甲醇入口

E2  储罐B的上部油相出口

E3  储罐B的下部水相出口

E4  热交换器出口

E5  热交换器入口

E6  热交换器蒸汽入口

E7  热交换器冷凝水出口

具体实施方式

实施例1

一种高效酯化、酯交换反应装置由纤维膜反应器A、储罐B、热交换器C、水相循环泵P1和油相循环泵P2组成。纤维膜反应器A为圆筒状，直径为400mm，高4000mm（不包括伸入储罐B的部分），内部充满亲水的、直径为0.01～0.2mm金属纤维组成的纤维膜（Cr Ni Ti合金，南京金炼科技发展有限公司购得），纤维膜反应器A的圆筒伸入到气液分离段C内350mm，而金属纤维组成的纤维膜则一直伸到储罐B的底部，储罐B为圆筒状，直径为1500mm，长4000mm。纤维膜反应器A与储罐B密封结合，储罐B壁上有油出口E2，水相出口E3。E2通过管道与循环泵P2连接，通过循环泵将反应生成的脂肪酸甲酯和未反应的油脂作为油相从E5进入热交换器C，经加热后从E4出口循环回纤维膜反应器A的E1入口。E3通过管道与循环泵P1连接，通过循环泵将催化剂和甲醇循环回纤维膜反应器A的E1入口。

实施例2

用实施例1的装置进行高酸值油脂的预酯化反应。酸值为152mgKOH/g,含水2%，皂化值为186的地沟油为原料，进料量为2000kg/小时，甲醇（98%）进料量为400kg/小时，硫酸（68%）进料量为30kg/小时。水相循环泵P1的循环量为5000kg/小时，油相循环泵P2的循环量为20000kg/小时。反应温度65℃，压力0.2MPA。产品粗甲酯的酸值为72mgKOH/g，出料量为2000kg/小时，含甲醇的废催化剂的排放量为430kg/小时。

实施例3

用实施例1的装置进行中酸值油脂的酯化反应,以实施例2的酸值为72mgKOH/g的粗甲酯产品为原料，进料量为2000kg/小时，甲醇（98%）进料量为400kg/小时，硫酸（98%）进料量为12kg/小时。水相循环泵P1的循环量为4500kg/小时，油相循环泵P2的循环量为20000kg/小时。反应温度65℃，压力0.2MPA。产品粗甲酯的酸值为2mgKOH/g，出料量为2000kg/小时，含甲醇的废催化剂的排放量为412kg/小时。

实施例4

用实施例1的装置进行油脂的酯交换反应,实施例3的酸值为2mgKOH/g的粗甲酯产品为原料，进料量为2000kg/小时，甲醇（98%）进料量为410kg/小时（其中含催化剂KOH10kg/小时）。水相循环泵P1的循环量为4500kg/小时，油相循环泵P2的循环量为20000kg/小时。反应温度65°C，压力0.2MPA。产品粗甲酯的出料量为2000kg/小时，含甘油的废催化剂的排放量为412kg/小时。油脂的转化率为98%。

Claims (1)

1.一种高效酯化、酯交换反应装置，其特征是：它包括纤维膜反应器（A）、储罐（B）、热交换器（C）、水相循环泵（P1）和油相循环泵（P2），纤维膜反应器（A）是一直立筒形装置，内部充满金属纤维丝，纤维横截面的充满密度为0.25-15%；纤维的直径为0.01-0.2毫米，纤维膜反应器（A）下部与卧式的储罐（B）相连，所述的金属纤维丝的下端一直伸展到储罐（B）的底部，储罐（B）的上部有油相出口（E2），通过管道经油相循环泵（P2）相连，然后分两路，一路与热交换器（C）底部的热交换器油相入口（E5）相连，热交换器油相出口（E4）通过管道与纤维膜反应器（A）上部的入口（E1）相连，形成循环系统，另一路作为与产品粗油脂储罐相连，储罐（B）下部有水相出口（E3），它通过管道经水相循环泵（P1）和纤维膜反应器（A）上部的入口（E1）相连，形成循环系统。