TWI493025B - Structure of a kind of solid diesel catalyst for solid diesel catalyst - Google Patents

Description

一種生質柴油粉狀固態觸媒轉酯設備系統結構

本發明係與生質柴油轉酯設備設備之系統結構相關，尤指一種具有粉狀固態觸媒轉酯之生產系統結構。針對如何提高轉紙效率，降低能源損耗，進一步縮減生產程序，減少廢棄物排放，達到節能減排清潔生產設備之系統結構。

傳統生質柴油主要是使用鹼觸媒(液態觸媒)反應居多，一般使用氫氧化鈉為主。其反應程序如圖1所示，利用轉酯油、甲醇及觸媒(NaOH)催化反應，一般在反應必須有較高溫度及壓力。進而有人應用超音波或微波來加速催化作用，加快轉酯速度，而其產物會形成含有NaOH觸媒，不能直接使用，必須先進行脫除NaOH觸媒，不但增加脫附成本，更造成大量廢水，回用則需有大量成本；不回用增加汙染風險及處理成本及藥劑，影響環境，不是完善轉酯系統。

在固態觸媒轉酯雖有多方面研究，但往往必須將觸媒固定在多孔載體上，如圖4所示，讓反應物(甲醇及轉酯油)流經觸媒反應。其因多孔材料被覆觸媒有一定難度，且多孔材料往往容易因油汙造成阻礙，減少反應表面積，造成反應鈍化，轉酯率往往變化很 大。再其次在觸媒鈍化時必須重新活化，其材質多元回用不易，活化有相當難度，容易形成廢棄物，不是一種良好使用模式，市場應用不多，其反應程序如圖2所示，其唯一好處是反應物後可直接分離使用，沒有清洗廢水問題。

前述兩者不同觸媒反應模式都不盡理想，雖然生質柴油轉酯不是一項新技術，但對其反應物程序研究仍然逃不出這兩個模式，其有很大改善空間，如何能提高反應效率，降低生產成本及設備建置成本，是一項相當重要課題，更能符合節能減排環保措施，達到清潔生產理想目標。

本發明主要目的之一，在簡化生質柴油之生產程序，提高轉酯反應效率，應用粉狀固態觸媒反應轉酯，排除原有固態觸媒載體設施，讓反應物(轉酯油及甲醇)及觸媒(粉狀)一併循環，除可維持粉狀固態觸媒接觸面積大的優勢，亦可讓反應設備更單純化。建置與液態觸媒相同反應方式，讓觸媒直接與反應物混合直接反應，增加反應時間及面積，提高反應效率，排除固態觸媒僅在載體上反應缺失。

本發明主要目的之二，建置高效率、共用多功能性微波加熱模組，利用微波加熱及催化觸媒反應，提高轉酯效率，透過微波高速振盪可提高轉酯效果，在反應後段更應用提高加熱模式讓多餘甲醇直接在反應槽內蒸出脫除，達到反應及快速脫除甲醇目 的，降低能源損耗及縮短製程時間，讓轉酯及脫附甲醇可共用同一組加熱器，達到設備簡化及縮短製程目的。

本發明主要目的之三，以粉狀固態觸媒反應，免除後段觸媒回收及廢水排放目的，反應產物及觸媒應用簡易沈降模式直接分層，上層為生質柴油，下層為甘油，沈澱物為觸媒，或觸媒亦可先透過過濾裝置取出粉狀固態觸媒。觸媒可再次使用，而鈍化觸媒(材料單純)亦可直接活化，沒有載體不純物，能輕易再生循環利用，達到節能減排清潔作業目標。

為達上述目的，吾人特別針對生質柴油轉酯系統，進一步建構如圖3及圖6所示創新粉狀固態觸媒生質柴油生產流程系統；及圖5及圖7所示，一種創新生質柴油轉酯設備之系統結構，進一步改善原有系統盲點，建立固態觸媒有液態觸媒一樣快速反應效果，且擁有固態觸媒系統環保優點。依圖3及圖6流程，能有效改善生產程序，提高生產效率。

其中固態觸媒現有皆使用載體的方式，如圖4所示，建構一種多孔性載體，將觸媒固定於觸媒床上，不但生產有一定難度，而其觸媒與觸媒載體成份不同，使用後要再生有難度，往往是形成廢棄物，而吾人應用微小化觸媒，混合於反應物中，不但能隨反應物循環混合，且能增加轉酯反應(不會因不在觸媒床就喪失轉化機會)。更有隨反應物流向微波加熱催化器，能透過直接式高頻振盪催化及加熱，更可加快反應，讓反應更徹底，進而縮短反應 時間，可達節能減排清潔生產目標。

一種生質柴油粉狀固態觸媒轉酯系統之主要結構，其系統結構有：

一、 微波加熱催化反應器10，該微波加熱催化反應器10係有微波加熱驅動裝置11，微波反應腔13，加熱催化溫控模組12，微波反應入口14及微波反應出口15等組合而成，利用循環泵37引入反應。微波反應腔13內有轉酯循環管路16。該轉酯循環管路16係應用非金屬及可耐溫100℃以上材料建置，能讓微波穿透，讓反應物加熱及催化。

二、 延續反應蒸發器20，該延續反應蒸發器20係由蒸發反應槽25，蒸發反應槽入口26，安全控制閥21，反應蒸發溫度計22，甲醇蒸氣出口23及循環反應出口24建置。

三、 循環輸送控制系統裝置30，該循環輸送控制裝置30係由入料控制閥31，微波加熱催化反應器輸入閥33，微波加熱催化反應器回流閥34，靜置輸入閥35，循環反應閥36、循環泵37及甲醇回流閥38等所組成系統循環裝置。

四、 甲醇回收冷凝裝置40，該甲醇回收冷凝裝置40係由甲醇迴流出口41，甲醇回收閥42，甲醇熱交換裝置43及甲醇蒸氣引入口44組合而成。

五、 靜置分離器50，該靜置分離器50係由生質柴油出口51，甘油出口52，靜置分層指示器53，靜置分離槽54及靜置液引入 口55等結合而成。

六、 固態觸媒過濾器60，該固態觸媒過濾器60，係由固態觸媒輸出控制裝置61，觸媒出口62，觸媒過濾模組63，過濾入口64，過濾出口65組成。

上述系統建置兩種系統作業程序，如圖3及圖6所示，其系統結構如圖5及圖7所示。圖3系統程序是利用靜置分離上層生質柴油，下層甘油，沈澱物則為固態觸媒，沒有過濾裝置，其系統結構如圖5所示。而圖6的系統流程是利用過濾裝置濾出固態觸媒，在轉酯反應後生成物在流入靜置槽前先行濾出，所以增加過濾器去除固態觸媒，後段就沒有沈澱物，可直接分層取出反應物再利用，其系統結構如圖7所示。

1‧‧‧甲醇

2‧‧‧轉酯油

3‧‧‧觸媒

5‧‧‧甘油

6‧‧‧生質柴油

10‧‧‧微波加熱催化反應器

11‧‧‧微波加熱催化反應器驅動裝置

12‧‧‧加熱催化溫控模組

13‧‧‧微波反應腔

14‧‧‧微波反應入口

15‧‧‧微波反應出口

16‧‧‧轉酯循環管路

20‧‧‧延續反應蒸發器

21‧‧‧安全控制閥

22‧‧‧反應蒸發溫度計

23‧‧‧甲醇蒸氣出口

24‧‧‧反應循環出口

25‧‧‧蒸發反應槽

26‧‧‧蒸發反應器入口

30‧‧‧循環輸送控制系統

31‧‧‧入料控制閥

33‧‧‧微波加熱催化反應器輸入閥

34‧‧‧微波加熱催化反應器回流閥

35‧‧‧靜置輸入閥

36‧‧‧循環反應閥

37‧‧‧循環泵

38‧‧‧甲醇回流閥

40‧‧‧甲醇回收冷凝裝置

41‧‧‧甲醇迴流出口

42‧‧‧甲醇回收輸出閥

43‧‧‧甲醇熱交換裝置

44‧‧‧甲醇蒸氣引入口

50‧‧‧靜置分離器

51‧‧‧生質柴油出口閥

52‧‧‧甘油出口閥

53‧‧‧分層指示窗

54‧‧‧靜置分離槽

55‧‧‧靜置液入口

60‧‧‧固態觸媒過濾器

61‧‧‧固態觸媒輸出控制裝置

62‧‧‧觸媒出口

63‧‧‧觸媒過濾模組

64‧‧‧過濾入口

65‧‧‧過濾出口

100‧‧‧轉酯油及甲醇入口

101‧‧‧轉酯油及甲醇出口

102‧‧‧固態觸媒

103‧‧‧固態反應器

圖1、傳統酸酸鹼觸媒(液態)轉酯流程

圖2、傳統固態觸媒轉酯程序

圖3、創新粉狀固態觸媒轉酯流程I

圖4、固態觸媒反應器

圖5、創新生質柴油轉酯設備之系統結構I

圖6、創新粉狀固態觸媒轉酯流程II

圖7、創新生質柴油轉酯設備之系統結構II

實施方式如圖五所示，首先將①甲醇②轉酯油③觸媒，依需求比例混合，利用循環泵37及入料控制閥31引入流向微波加熱催化反應器輸入閥33，進入微波加熱催化反應器10，經微波反應入口14，微波反應腔13到微波反應出口15，流向延續反應蒸發器20，蒸發反應槽入口26流入，存於蒸發反應槽25內，完成進料程序，關閉入料控制閥31。

進入加熱催化反應程序，開啟循環反應閥36，讓反應物(①+②+③)透過循環泵37流向微波加熱催化反應器10，形成循環流動。進一步開啟微波加熱驅動器11進行加熱催化(反應溫度65℃-70℃間)，讓反應物振盪形成直接加熱及催化轉酯反應，其利用加熱催化溫控模組12，讓其控制在最佳催化反應溫度。而①甲醇在此溫度會有蒸發情形，應用甲醇回收冷凝裝置40，將甲醇蒸氣冷凝，進一步應用回流閥38將甲醇液體再引回進入反應物中，待完成反應後，進入甲醇蒸除程序。

進入甲醇蒸除程序，進一步將加熱催化溫控模組12調高到甲醇沸點以上溫度約80℃，讓多餘甲醇氣化及快速移出，經甲醇蒸氣出口23導入甲醇回收冷凝裝置40，進一步應用甲醇熱交換裝置43，將甲醇冷凝，關閉甲醇回流閥38，開啟甲醇回收輸出閥42引出多餘甲醇，可回用於製程中，待甲醇蒸出後關閉甲醇回收閥42，關閉微波加熱驅動器11，進入移出反應物程 序。

移出反應物程序則先行開啟靜置輸入閥35，進一步關閉微波加熱催化反應器輸入閥33，進一步開啟微波加熱催化反應器回流閥34，利用循環泵37引力，進一步將所有反應物移至靜置分離器50的靜置分離槽54中，待清除反應系統內反應產物則關閉所有控制閥及循環泵37，完成反應程序。靜置程序待一段時間可以清楚看到反應產物會形成上層的生質柴油，下層甘油，底部沈澱物是觸媒，可以由分層指示窗53看到分層情形，而生質柴油可用生質柴油出口閥51引出，而甘油及觸媒可以用甘油出口閥52引出，而沈澱固態觸媒可再回製程使用，輕易達到生產生質柴油目標。

為讓反應後粉狀固態觸媒快速移出使用，更可增加固態觸媒過濾器60，如圖七之系統結構，將固態觸媒過濾器60，應用觸媒過濾模組63，置於靜置分離器50前端及靜置輸出閥35間把粉狀顆粒觸媒濾出，透過固態觸媒輸出控制裝置61經觸媒出口62引出，可以達到直接捕捉觸媒方式。

由上述所述利用上述實施方式能建置完善生質柴油之系統結構，由圖3反應程序，可建置圖6模式系統結構，由圖5反應程序，可建置圖7模式系統結構。

10‧‧‧微波加熱催化反應器

20‧‧‧延續反應蒸發器

30‧‧‧循環輸送控制系統

40‧‧‧甲醇回收冷凝裝置

50‧‧‧靜置分離器

60‧‧‧固態觸媒過濾器

Claims (1)

1. 一種生質柴油粉狀固態觸媒轉酯系統結構係利用過濾脫除粉狀固態觸媒之系統結構，包括：一微波加熱催化反應器，用以提供反應物進行加熱催化轉酯及甲醇脫除的微波能量及溫度控制，由微波加熱驅動裝置、微波反應腔、加熱催化溫控模組、微波反應入口及微波反應出口所組成；一延續反應蒸發器，提供延續反應及甲醇蒸發的蒸發器，由蒸發反應槽、安全控制閥、甲醇蒸氣出口、蒸發反應槽入口、反應循環出口及反應蒸發溫度計，所組合成；一循環輸送控制系統，用以提供進料引入反應物、輸出反應物及循環反應，由入料控制閥、微波加熱催化反應器輸入閥、微波加熱催化反應器回流閥、靜置輸入閥、循環反應閥、循環泵及甲醇回流閥所組成；一甲醇回收冷凝裝置，用以提供甲醇蒸氣冷凝回循環反應系統及甲醇蒸氣冷凝回收，由甲醇迴流出口、甲醇蒸氣引入口、甲醇回收閥及甲醇熱交換裝置所組成；一固態觸媒過濾器，用以提供提供固態觸媒過濾分離，由觸媒過濾模組、固態觸媒輸出控制裝置及觸媒出口所組成。