TWI387646B - Reverse flow esterification reactor for producing biomass diesel and its - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種製造生質柴油之逆向流動酯化反應器及其方法，特別是有關於一種具有提供高溫高壓環境之酯化反應塔，不需額外加入添加劑而進行轉酯化反應製成生質柴油的設備與方法。
隨著國際上開發中國家經濟成長所需之大量能源需求，衍生因能源供需失衡導致的國際原油價格高漲、京都議定書生效後全球溫室氣體減量的發展趨勢，促使各國政府積極開發生質能等再生替代性能源，生質柴油是生質能的一種，為「使用動植物油脂或廢食用油之脂肪酸，於觸媒存在下，與醇類反應產生酯類燃料」，生質柴油能夠有效減少廢棄油脂的數量，將廢棄物成為有用的燃料，生質柴油為取代石化燃料的重要再生與環保燃料之一。
在先前技術中，比較於傳統的使用催化劑轉酯化反應製程，使用超臨界醇類進行油脂轉酯化反應的主要優點為不需使用催化劑、轉酯化程度高、可簡化後段的純化製程與甘油回收品質佳，雖然利用超臨界醇類進行生質柴油的製備已經被視為是下一代的新興製造技術，但是先前的研究指出若欲在10分鐘內達到99百分比以上的轉化率，在壓力30百萬帕斯卡下，必須給予相當高的操作溫度，其操作溫度高達攝氏400度，在如此高的操作溫度下，轉酯化反應的副產物偏多，因此如何降低反應溫度是一個亟需解決的問題，若欲降低反應溫度，多採用的手段包括加入輔溶劑，如二氧化碳或丙烷等，或是開發固體催化劑等；也因為醇與酸的酯化反應係平衡反應，因此轉化率受到溫度與壓力的影響極大，添加大量過量的醇類雖然可以稍微降低操作溫度與壓力，並可以獲得較高的轉化率，但是必須消耗大量的醇類，造成不經濟與環境的負擔。
然而，先前技術具有無法避免之缺點，就是必須使用添加劑、製程難度高、製程控制不易、對環境造成負擔與製造成本高等缺失。
有鑑於此，為解決上述問題，本發明係提供一種製造生質柴油之逆向流動酯化反應器及其方法，將含有脂肪酸之原料與含有醇類之原料放入逆向流動酯化反應器內，可不需加入任何添加劑，且操作溫度較低，經過酯化反應塔內進行轉酯化反應，製成生成物生質柴油。
為達上述目的，本發明所提供之一種製造生質柴油之逆向流動酯化反應器及其方法，由於脂肪酸的分子量僅油脂的1/3左右，因此含脂肪酸的原料與醇類的雙成份系統之臨界軌跡的溫度與壓力將遠低於油脂與醇類的雙成份系統，這表示脂肪酸與醇類可以在更低的溫度與壓力下成為單一均相，所以使用脂肪酸當作原料，則可以在更低的反應條件下進行單一均相的反應，將含有脂肪酸之原料與含有醇類之原料加熱至操作溫度後放入逆向流動酯化反應器內，在逆向流動酯化反應器中酯化反應塔給於持續的高溫與高壓，進行轉酯化反應，並將其副產物醇類與水不斷地藉由汽液分離裝置分離後排出逆向流動酯化反應器，藉由不斷地排出副產物醇類與水，迫使轉酯化反應不斷地正向反應，製成生成物生質柴油。
本發明之有益功效為提供製造生質柴油之逆向流動酯化反應器及其方法，本流動酯化反應器使用含有脂肪酸之原料與含有醇類之原料，不使用任何添加劑，提高轉酯化反應之轉化率，為綠色環保的製程，不會造成環境的負擔，具有製程簡單、製程控制容易與降低製造成本等諸多功效。
有關本發明的特徵與實作，茲配合圖示作最佳實施例詳細說明如下。
請參照圖1所示，其為本發明製造生質柴油(Bio－diesel、Fatty Acid Methyl Ester、FAME)之逆向流動酯化反應器1，酯化反應塔(Packed Reactor、Esterification Tower)100為桶狀金屬中空槽體，可承受40百萬帕斯卡(Mpa)以下之氣壓，酯化反應塔(Esterification Reactor)100內有篩板(Sieve Tray)103，用於使進入酯化反應塔(Ester ification Reactor)100內之原料充份混合，酯化反應塔(Esterification Reactor)100內也可設置層板(Laminated Plates)、耐高溫填充子(Filler)或不銹鋼網(Steel Mesh)裝置等，酯化反應塔(Esterification Reactor)100具有壓力控制裝置(Pressure Controller)101，能控制酯化反應塔(Esterification Reactor)100內之壓力，維持轉酯化反應(Esterification)製程所需的壓力，酯化反應塔(Esterification Reactor)100也具有溫度控制裝置(Temperature Controller)102，能控制酯化反應塔(Esterification Reactor)100內之溫度，維持轉酯化反應(Esterification)製程所需的溫度；第一進料裝置110連接酯化反應塔(Esterification Reactor)100上端，第一進料裝置110具有第一加壓進料手段113加壓幫浦(Pump)，用以加壓由第一進料裝置110進入酯化反應塔(Esterification Reactor)100之原料，第一進料裝置110與酯化反應塔(Packed Reactor、Esterification Tower)100連接處有流量控制裝置(Flow Controller)112，用以控制由第一進料裝置110進入酯化反應塔(Esterification Reactor)100之原料流量，第一進料裝置110具有加熱溫度控制裝置(Heater and Temperature Controller)111，用以加熱由第一進料裝置110進入酯化反應塔(Esterification Reactor)100之原料；第二進料裝置120連接酯化反應塔(Esterification Reactor)100下端，第二進料裝置120具有第二加壓進料手段122加壓幫浦(Pump)，用以加壓由第二進料裝置120進入酯化反應塔(Esterification Reactor)100之原料，第二進料裝置120與酯化反應塔(Esterification Rea ctor)100連接處有流量控制裝置(Flow Controller)123，用以控制由第二進料裝置120進入酯化反應塔(Esterification Reactor)100之原料流量，第二進料裝置120具有加熱溫度控制裝置(Heater and Temperature Controller)121，用以加熱由第二進料裝置120進入酯化反應塔(Packed Reactor、Esterification Tower)100之原料；第一出料裝置130連接酯化反應塔(Esterification Reactor)100上端，第一出料裝置130與酯化反應塔(Esterification Reactor)100連接處有流量控制裝置(Flow Controller)131，用以控制由第一出料裝置130流出酯化反應塔(Esterification Reactor)100之副產物流量，第一出料裝置130具有氣液分離裝置(Separator)132分餾塔(Fractionating Tower)，用以分離由第一出料裝置130流出酯化反應塔(Esterification Reactor)100之副產物；第二出料裝置140連接酯化反應塔(Esterification Reactor)100下端，第二出料裝置140與酯化反應塔(Esterification Reactor)100連接處有流量控制裝置(Flow Controller)141，用以控制由第二出料裝置140流出酯化反應塔(Esterification Reactor)100之產物流量。
請參照圖1與圖2A所示，其為本發明利用逆向流動酯化反應器1製作生質柴油(Bio－diesel、Fatty Acid Methyl Ester、FAME)231的方法2，第一階段為原料加熱手段(步驟S110)，將含有脂肪酸之原料(Fatty Acids)211於第一進料裝置110內由加熱溫度控制裝置(Heater and Tempera ture Controller)111加熱至攝氏340度，並經由流量控制裝置(Flow Controller)112送進酯化反應塔(Esterification Reactor)100，將含有醇類之原料(Alcohol)212甲醇(MeOH、Methanol)溶液於第二進料裝置120內由加熱溫度控制裝置(Heater and Temperature Controller)121加熱至攝氏340度，並經由流量控制裝置(Flow Controller)123送進酯化反應塔(Esterifica tion Reactor)100，其中含有脂肪酸之原料(Fatty Acids Mixture)211可為脂肪酸(Fatty Acids)與油脂(Oil)混合物，而含有醇類之原料(Alcohol)212可為1~4個碳(Carbon)之醇類(Alcoho l)。
第二階段為轉酯化反應(Esterification)22(步驟S120)，在酯化反應塔(Esterification Reactor)100內，維持溫度攝氏340度與壓力30百萬帕斯卡(Mpa)，含有脂肪酸之原料(Fatty Acids)211從酯化反應塔(Esterific ation Reactor)100內上端往下流動，含有醇類之原料(Alcohol)212甲醇(MeOH、Methanol)溶液從酯化反應塔(Esterification Reactor)100內下端往上流動，含有脂肪酸之原料(Fatty Acids)211與含有醇類之原料(Alcohol)212甲醇(MeOH、Methanol)溶液於篩板(Sieve Tray)103充分接觸混合進行轉酯化反應(Esterification)22，製成生質柴油(Bio－diesel、Fatty Acid Methyl Ester、FAME)231與副產物醇類溶液(Alcoholic solution)232，生質柴油(Bio－diesel、Fatty Acid Methyl Ester、FAME)231經由第二出料裝置140流出，而醇類溶液(Alcoholic solution)232進入第一出料裝置130，經由氣液分離裝置(Separator)132分餾塔(Fractionating Tower)進行氣液分離手段24，利用醇類溶液(Alcoholic solution)232中各成分沸點之不同，分離成醇類(Alcohol)241甲醇(MeOH、Methanol)、水(Water)242與甘油(Glycerol、Glycerin)243，經由連續不斷地將醇類(Alcohol)241甲醇(MeOH、Methanol)、水(Water)242與甘油(Glycerol、Glycerin)243排出，迫使轉酯化反應(Esterification)22不斷地往正向反應，藉以提高轉酯化反應(Esterification)22之轉化率(Conversion efficiency)，提高製成生質柴油(Bio－diesel、Fatty Acid Methyl Ester、FAME)231的效率；請參照圖2B所示，一般的生質柴油(Bio－diesel、Fatty Acid Methyl Ester、FAME)231含有微量的雜質，可利用精煉手段(Purification)25蒸餾(Distillation)將生質柴油(Bio－diesel、Fatty Acid Methyl Ester、FAME)的雜質醇類溶液252分離出，製成精煉生質柴油(Bio－diesel、Fatty Acid Methyl Ester、FAME)251，其中分出的醇類溶液252可利用氣液分離裝置(Separator)132分餾塔(Fractionating Tower)進行氣液分離手段24，將醇類(Alcohol)甲醇(MeOH、Methanol)241、水(Water)242與甘油(Glycerol、Glycerin)243分離並排出。
請參照圖3A與圖3B所示，利用本發明原理於實驗室使用相同操作條件，進行超臨界甲醇(MeOH、Methanol)進行大豆油(Soybean Oil)轉酯化反應(Esterification)製作生質柴油(Bio－diesel、Fatty Acid Methyl Ester、FAME)，產物經過簡單冷凍後即可輕易獲得不含皂的生質柴油(Bio－diesel、Fatty Acid Methyl Ester、FAME)與溶有甘油(Glycerol、Glycerin)的甲醇(MeOH、Methanol)溶液，使用氣相層析儀(Gas Chromatograph)檢測生成物生質柴油(Bio－diesel、Fatty Acid Methyl Ester、FAME)；請參照圖4所示為大豆油(Soybean Oil)完全轉酯化反應(Esterification)產物之氣相層析譜圖(GC chromatogram)，其中橫軸為滯留時間(Retention Time)，縱軸為離子峰(Peak)，顯示所製成的生質柴油(Bio－diesel、Fatty Acid Methyl Ester、FAME)中已完全不含三酸甘油酯(TG、Triacylglycerol)，僅含少量非皂化成分(USM、Unsaponifiable matter)，請見圖4中白色圈起部分；請參照圖5所示，縱軸為轉酯化反應(Esterification)之轉化率(Conversion efficiency)，橫軸為反應時間(Time)，其單位為分鐘(Min)，在30百萬帕斯卡(Mpa)的壓力條件下，溫度攝氏340度(虛線所示)與攝氏400度(實線所示)在不同反應時間(Time)下產生的生質柴油(Bio－diesel、Fatty Acid Methyl Ester、FAME)含量，其中大約只含有非皂化成分(USM、Unsaponifiable matter)2百分比(Percent，%)左右，轉酯化反應(Esterification)之轉化率(Conversion efficiency)相當高。
雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，所作更動與潤飾之等效替換，仍為本發明之專利保護範圍內。
綜觀上述，本發明以其整體之組合與特徵而言，既未曾見諸於同類產品中，申請前亦未公開，誠已符合專利法之法定要件，依法提出發明專利之申請。
1．．．逆向流動酯化反應器
100．．．酯化反應塔
101．．．壓力控制裝置
102．．．溫度控制裝置
103．．．篩板
110．．．第一進料裝置
111．．．加熱溫度控制裝置
112．．．流量控制裝置
113．．．第一加壓進料手段
120．．．第二進料裝置
121．．．加熱溫度控制裝置
122．．．第二加壓進料手段
123．．．流量控制裝置
130．．．第一出料裝置
131．．．流量控制裝置
132．．．氣液分離裝置
140．．．第二出料裝置
141．．．流量控制裝置
2．．．利用逆向流動酯化反應器製作生質柴油的方法
步驟S110．．．原料加熱手段
步驟S120．．．轉酯化反應
211．．．含有脂肪酸之原料
212．．．含有醇類之原料
22．．．轉酯化反應
231．．．生質柴油
232．．．醇類溶液
24．．．氣液分離手段
241．．．醇類
242．．．水
243．．．甘油
25．．．精煉手段
252．．．醇類溶液
251．．．精煉生質柴油
圖1 為本發明逆向流動酯化反應器之結構圖；圖2A為本發明利用逆向流動酯化反應器製作生質柴油的方法流程圖；圖2B為製作精鍊生質柴油的方法流程圖；圖3A為大豆油甲酯化產物之簡易冷凍分離製程前圖；圖3B為大豆油甲酯化產物之簡易冷凍分離製程後圖；圖4 為大豆油完全甲酯化反應產物之氣相層析譜圖；以及圖5 為甲酯化大豆油中生質柴油的含量。
1．．．逆向流動酯化反應器
100．．．酯化反應塔
101．．．壓力控制裝置
102．．．溫度控制裝置
103．．．篩板
110．．．第一進料裝置
111．．．加熱溫度控制裝置
112．．．流量控制裝置
113．．．第一加壓進料手段
120．．．第二進料裝置
121．．．加熱溫度控制裝置
122．．．第二加壓進料手段
123．．．流量控制裝置
130．．．第一出料裝置
131．．．流量控制裝置
132．．．氣液分離裝置
140．．．第二出料裝置
141．．．流量控制裝置
Claims (11)
- 一種逆向流動酯化反應器，該逆向流動酯化反應器至少包含有：一酯化反應塔，該酯化反應塔為中空壓力槽體；一第一進料裝置，該第一進料裝置連接於該酯化反應塔上方，該第一進料裝置有一第一加壓進料手段；一第二進料裝置，該第二進料裝置連接於該酯化反應塔下方，該第二進料裝置有一第二加壓進料手段；一第一出料裝置，該第一出料裝置連接於該酯化反應塔上方，以及；一第二出料裝置，該第二出料裝置連接於該酯化反應塔下方。
- 如申請專利範圍第1項所述之逆向流動酯化反應器，其中該酯化反應塔具有一壓力控制裝置。
- 如申請專利範圍第1項所述之逆向流動酯化反應器，其中該酯化反應塔具有一溫度控制裝置。
- 如申請專利範圍第1項所述之逆向流動酯化反應器，其中該酯化反應塔內具有篩板、層板、耐高溫填充子或不銹鋼網裝置。
- 如申請專利範圍第1項所述之逆向流動酯化反應器，其中該第一進料裝置或該第二進料裝置具有至少一加熱溫度控制裝置。
- 如申請專利範圍第1項所述之逆向流動酯化反應器，其中該第一加壓進料手段或該第二加壓進料手段為加壓幫浦。
- 如申請專利範圍第1項所述之逆向流動酯化反應器，其中該第一出料裝置具有一氣液分離裝置。
- 一種利用申請專利範圍第1項之逆向流動酯化反應器製作生質柴油的方法，其至少包含下列步驟：將加熱至攝氏100~500度之一含有脂肪酸之原料經由該第一進料裝置送進該酯化反應塔；將加熱至攝氏100~500度之一含有醇類之原料經由該第二進料裝置送進該酯化反應塔；該含有脂肪酸之原料與該含有醇類之原料在該酯化反應塔起轉酯化反應，產生一醇類、一水與該生質柴油，以及；該醇類與該水連續由該第一出料裝置排出，同時該生質柴油連續由該第二出料裝置排出。
- 如申請專利範圍第8項所述之製作生質柴油的方法，其中該酯化反應塔內之溫度維持在攝氏100~500度。
- 如申請專利範圍第8項所述之製作生質柴油的方法，其中該酯化反應塔內之壓力維持在10~40MPa。
- 如申請專利範圍第8項所述之製作生質柴油的方法，其中該含有醇類之原料係選自1~4個碳之醇類。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW96148045A TWI387646B (zh) | 2007-12-14 | 2007-12-14 | Reverse flow esterification reactor for producing biomass diesel and its |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| TW96148045A TWI387646B (zh) | 2007-12-14 | 2007-12-14 | Reverse flow esterification reactor for producing biomass diesel and its |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW200925263A TW200925263A (en) | 2009-06-16 |
| TWI387646B true TWI387646B (zh) | 2013-03-01 |
Family
ID=44729313
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW96148045A TWI387646B (zh) | 2007-12-14 | 2007-12-14 | Reverse flow esterification reactor for producing biomass diesel and its |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWI387646B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI394830B (zh) * | 2009-08-20 | 2013-05-01 | Nat Univ Chung Hsing | A Method for Producing Biodiesel from Seed Production |
-
2007
- 2007-12-14 TW TW96148045A patent/TWI387646B/zh not_active IP Right Cessation
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW200925263A (en) | 2009-06-16 |
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