一種節(jié)能環(huán)保型堿催化酯交換法生產(chǎn)生物柴油的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種節(jié)能環(huán)保型堿催化酯交換法生產(chǎn)生物柴油的裝置與方法。裝置包括原料混合罐、反應(yīng)器、第一緩沖罐、甲醇精餾塔、第二緩沖罐、第一分液罐、第二分液罐、蒸發(fā)器、第一甘油冷凝器、第二甘油冷凝器和第三甘油冷凝器。所述方法沒有傳統(tǒng)方法的水洗步驟。甲醇、原料油和堿催化劑進(jìn)入反應(yīng)器反應(yīng)，進(jìn)入甲醇精餾塔，并在底部加入甘油，塔頂甲醇回到前面循環(huán)利用，進(jìn)入分液罐分液，上層液體為生物柴油，下層為溶有氫氧化鉀的甘油。甘油流進(jìn)蒸發(fā)器蒸發(fā)，蒸發(fā)后氫氧化鉀結(jié)晶析出，甘油部分回流，剩下的甘油純度高，可作為副產(chǎn)物出售。本發(fā)明中原料利用率大大提升，甲醇全部回收，堿催化劑也能在后面蒸發(fā)中結(jié)晶出來回收利用，故原料利用率很高。
【專利說明】一種節(jié)能環(huán)保型堿催化酯交換法生產(chǎn)生物柴油的裝置及方 法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及生物能源制備及化工工藝流程領(lǐng)域，具體涉及一種節(jié)能環(huán)保型堿催化 酯交換法生產(chǎn)生物柴油的裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 由于世界石油能源的不斷枯竭及原油價(jià)格的不斷上漲，而且由于燃燒化石燃料而 導(dǎo)致的一系列問題，如環(huán)境污染、酸雨、溫室效應(yīng)等越來越顯著。世界各國(guó)都在尋求新的替 代能源。
[0003] 生物柴油近年來作為替代能源備受關(guān)注。根據(jù)1992年美國(guó)生物柴油協(xié)會(huì)（NBB) 的定義，生物柴油（Biodiesel)是指以動(dòng)植物油脂等可再生生物資源生產(chǎn)的可用于發(fā)動(dòng) 機(jī)的清潔替代燃油。生物柴油的主要成分為高級(jí)脂肪酸甲酯。生物柴油具有環(huán)境污染小、可 再生、無毒易降解、十六烷值高、C0 2排放量少、可減少溫室效應(yīng)等優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樯锊裼偷闹?要成分為高級(jí)脂肪酸酯，其含氧量高，燃燒充分，且不含芳香烴，對(duì)環(huán)境不會(huì)造成太大影響， 而且生物柴油的燃燒熱值跟石化柴油的差不多，因此是一種理想的替代能源。
[0004] 目前，生物柴油的生產(chǎn)方法主要分為兩種，有物理方法和化學(xué)方法。其中物理方法 的原理主要是直接將廢棄的動(dòng)植物油脂與柴油混合，通過各種手段提高混合的均勻度，這 種方法主要是直接混合法（或稀釋法）、微乳化法。而化學(xué)方法主要是通過一系列化學(xué)反 應(yīng)將動(dòng)植物油脂分解為較小的分子，從而從根本上改善生物柴油的性能，方法主要有高溫 熱裂解法和酯交換法。物理方法雖簡(jiǎn)單易行，能降低動(dòng)植物油的黏度，但畢竟治標(biāo)不治本， 十六烷值不高，燃燒過程中容易產(chǎn)生積炭，從而破環(huán)設(shè)備。而高溫裂解法對(duì)反應(yīng)設(shè)備的要求 高，且催化劑不易得到，成本高，不利于推廣。目前工業(yè)化生產(chǎn)生物柴油主要采用堿催化均 相酯交換法，但這種工藝流程長(zhǎng)，生產(chǎn)過程也需要較多的能量，且粗生物柴油需要水洗，會(huì) 產(chǎn)生大量廢水，原料還不能得到從分利用。本發(fā)明就是針對(duì)目前堿催化均相酯交換法中存 在的問題而提出的，從而減少生產(chǎn)過程自身的能量消耗及廢物排放。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明一種節(jié)能環(huán)保型堿催化酯交換法生產(chǎn)生物柴油的裝置及方法，解決的技術(shù) 問題是目前用堿催化均相酯交換法反應(yīng)法生產(chǎn)生物柴油工藝流程長(zhǎng)，單位產(chǎn)量能耗大、廢 液排放量大的問題(廢水排放量與生物柴油的質(zhì)量比至少為1 :1)。
[0006] 為解決上述問題，本發(fā)明采用了以下工藝： 一種節(jié)能環(huán)保型堿催化酯交換法生產(chǎn)生物柴油的裝置，包括原料混合罐、反應(yīng)器、第一 緩沖罐、甲醇精餾塔、第二緩沖罐、第一分液罐、第二分液罐、蒸發(fā)器、第一甘油冷凝器、第二 甘油冷凝器和第三甘油冷凝器，所述原料混合罐出口與反應(yīng)器、第一緩沖罐、甲醇精餾塔的 第一進(jìn)料口通過管道順次連接，甲醇精餾塔的塔頂出料口與第二緩沖罐入口連接，緩沖罐 的頂部氣相出料口與混合罐底部入口連接，緩沖罐底部液相出料口與混合罐入口連接；所 述甲醇精餾塔底部出料口與第一分液罐入口連接，第一分液罐底部出料口與蒸發(fā)器進(jìn)料入 口連接，第一分液罐頂部出料口與第二分液罐入口連接，第二分液罐底部出料口與蒸發(fā)器 進(jìn)料入口連接，蒸發(fā)器蒸汽出口與第二甘油冷凝器，甲醇精餾塔的第二進(jìn)料口順次連接；所 述蒸發(fā)器蒸汽出口與第一甘油冷凝器連接，第一甘油冷凝器出口分別與第一分液罐和第二 分液罐連接；所述蒸發(fā)器蒸汽出口與第三甘油冷凝器連接；所述甲醇精餾塔的第二進(jìn)料口 不高于甲醇精餾塔的第一進(jìn)料口。所述裝置還包括原料預(yù)熱器、甲醇精餾塔冷凝器、甲醇 精餾塔再沸器和物料冷卻器；所述原料預(yù)熱器通過管道連接于混合罐與反應(yīng)器之間，所述 物料冷卻器通過管道連接于甲醇精餾塔底部出料口與第一分液罐之間，所述甲醇精餾塔冷 凝器一端與甲醇精餾塔塔頂氣相出口連接，另一端分別與甲醇精餾塔塔頂回流管口和第二 緩沖罐連接，所述甲醇精餾塔再沸器連接于甲醇精餾塔塔底液相出口和甲醇精餾塔塔底氣 相進(jìn)口之間。
[0007] -種節(jié)能環(huán)保型堿催化酯交換法生產(chǎn)生物柴油的方法，步驟如下：堿催化劑、原料 油與甲醇在原料混合罐中混合后，通過堿催化酯交換法于反應(yīng)器中反應(yīng)，反應(yīng)后的物料沒 有進(jìn)行靜置分層直接進(jìn)入甲醇精餾塔精餾，甲醇精餾塔頂?shù)募状甲鳛檫M(jìn)料回流至原料混合 罐，甲醇精餾塔底物料進(jìn)入第一分液罐靜置分層，第一分液罐中的液體下層為溶有堿催化 劑的甘油，溶有堿催化劑的甘油流進(jìn)蒸發(fā)器蒸發(fā)提純，第一分液罐中上層為粗生物柴油，所 述粗生物柴油從第二分液罐底部入口進(jìn)入；由蒸發(fā)器蒸發(fā)提純的甘油一部分從第二分液罐 頂部進(jìn)入，然后靜置分層，上層即為生物柴油，下層甘油流入蒸發(fā)器蒸發(fā)提純，蒸發(fā)提純的 甘油冷卻后部分回流到甲醇精餾塔中，部分作為甘油副產(chǎn)品回收，堿催化劑由蒸發(fā)器底部 出料口獲得，經(jīng)過第二分液罐分離后，制備得到的生物柴油由第二分液罐出口流出。
[0008] 上述方法中，所述甲醇與原料油的摩爾比為（5~8):1，堿催化劑用量為原料油的質(zhì) 量的0· 7%?1· 4%。
[0009] 上述方法中，所述堿催化劑包括氫氧化鉀、氫氧化鈉或甲醇鈉；所述原料油包括植 物油脂和動(dòng)物油脂中的一種以上；所述甲醇精餾塔底物料包括甘油、堿催化劑、生物柴油和 原料油中的一種以上。
[0010] 上述方法中，甲醇精餾塔塔頂?shù)募状际沁M(jìn)行部分冷凝，蒸汽最終從原料混合罐底 鼓泡進(jìn)入，以直接混合的形式加熱原料，控制鼓泡的速率和面積使氣相甲醇全部變成液相； 冷凝部分是沸點(diǎn)回流到原料混合罐。
[0011] 上述方法中，甲醇精餾塔是雙線進(jìn)料，其中一條進(jìn)料物流是堿催化酯交換法反應(yīng) 后的物料，從甲醇精餾塔的第一進(jìn)料口進(jìn)入；另外一條進(jìn)料物流是甘油，從甲醇精餾塔的第 二進(jìn)料口進(jìn)入。
[0012] 上述方法中，蒸發(fā)器蒸發(fā)出來的甘油冷凝后，一部分流回到甲醇精餾塔塔底，一部 分從第二分液罐頂部進(jìn)入，洗滌粗生物柴油，剩下的作為副產(chǎn)物。
[0013] 上述方法中，第一分液罐和第二分液罐下層出來的甘油都進(jìn)入同一個(gè)蒸發(fā)器進(jìn)行 蒸發(fā)提純。
[0014] 上述方法中，所述甲醇精餾塔塔板數(shù)在4~13塊之間（不包括冷凝器和再沸器)，塔 頂摩爾回流比在〇. 5~2. 0之間，塔頂壓力在50kPa到150kPa之間，第一進(jìn)料板在第2塊塔 板到第4塊塔板之間(從上往下數(shù))。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為： 1、 流程明顯縮短，少了水洗和干燥的步驟； 2、 由于沒有了水洗的步驟，也就沒有了廢水排放，且降低了分離難度； 3、 原料利用率大大提升，傳統(tǒng)的工藝中堿催化劑很難回收，后續(xù)處理又要增加成本，甲 醇回收量也很少，因?yàn)樵诜磻?yīng)后分離時(shí)生物柴油會(huì)帶走部分甲醇，而水洗又會(huì)帶走部分甲 醇，這部分甲醇是很難回收的。而該工藝中甲醇全部回收，堿催化劑也能在后面蒸發(fā)中結(jié)晶 出來回收利用，故原料利用率很高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明中節(jié)能環(huán)保型堿催化酯交換法生產(chǎn)生物柴油裝置。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地具體詳細(xì)描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不 限于此，對(duì)于未特別注明的工藝參數(shù)，可參照常規(guī)技術(shù)進(jìn)行。
[0018] 如圖1所示，其中1為原料混合罐、2為原料預(yù)熱器、3為反應(yīng)器、4為第一緩沖罐、 5為甲醇精餾塔、6為第二緩沖罐、7為第一分液罐、8為第二分液罐、9為蒸發(fā)器、10為第一 甘油冷凝器、11為第二甘油冷凝器、12為第三甘油冷凝器、13為甲醇精餾塔冷凝器、14為 甲醇精餾塔再沸器、15為物料冷卻器、a為第一進(jìn)料口、b為第二進(jìn)料口。
[0019] 年產(chǎn)3萬噸生物柴油的流程： 如圖1所述，原料油（4486. 29kg/h，主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為棕櫚酸甲酯為7. 85%，亞油 酸甲酯為2. 99%,油酸甲酯為88. 04%,硬脂酸甲酯為1. 12%)、甲醇（430. 28kg/h)和氫氧化 鉀（23. 68kg/h)進(jìn)入原料混合罐1，經(jīng)原料預(yù)熱器2換熱后進(jìn)入反應(yīng)器3反應(yīng)(反應(yīng)溫度為 64°C，壓力為常壓)，反應(yīng)后進(jìn)入第一緩沖罐4,之后以5420. 43kg/h的流量進(jìn)入甲醇精餾塔 5(甲醇精餾塔有4塊塔板(不包括冷凝器和再沸器)，塔頂摩爾回流比1. 2,塔頂為常壓，第一 進(jìn)料口 a在第2塊塔板，第二進(jìn)料口 b在第4塊塔板)，同時(shí)底部甘油以操作壓力下的沸點(diǎn)溫 度進(jìn)料，進(jìn)料甘油流量為250kg/h，甲醇精餾塔5塔頂為常壓，塔頂蒸出的甲醇（480. 16kg/ h)經(jīng)部分冷凝后進(jìn)入第二緩沖罐6,其中氣相摩爾分?jǐn)?shù)為55%，之后進(jìn)入原料混合罐1，甲 醇精餾塔5塔底產(chǎn)物（5190. 26kg/h)冷卻(冷卻到20°C )后進(jìn)入第一分液罐7靜置分層，上 層為粗生物柴油（4477. 24kg/h)，下層為粗甘油（713. 02kg/h)，粗生物柴油從第二分液罐8 底部進(jìn)入，甘油（654kg/h)從第二分液罐8頂部進(jìn)入，混合后再靜置分層，上層即為生物柴 油（4475. 81kg/h),下層粗甘油（655. 43kg/h)連同第一分液罐7下層的甘油一起進(jìn)入蒸發(fā) 器9減壓蒸發(fā)提純(蒸發(fā)器溫度為260°C )，從蒸發(fā)器9蒸發(fā)出來的甘油（1344. 76kg/h)冷凝 后，一部分流回到甲醇精餾塔5塔底(流量為250kg/h，溫度為260°C )，一部分從第二分液罐 8頂部進(jìn)入，洗滌粗生物柴油，流量為（654kg/h，溫度為20°C )，剩下甘油冷卻到常溫的作為 副產(chǎn)物，其純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù)）高達(dá)93%，氫氧化鉀則沉淀在蒸發(fā)器9的底部，取出后可循環(huán)使 用；生物柴油由第二分液罐出口流出。
[0020] 根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 50441-2007《石油化工設(shè)計(jì)能耗計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》，將工藝中所用的蒸汽， 冷卻水折算成標(biāo)準(zhǔn)煤。其中蒸汽折算成標(biāo)準(zhǔn)煤為每年1339598. 49kg，循環(huán)冷卻水折算成標(biāo) 準(zhǔn)煤為每年20835. 87kg，故公用工程總能耗折算成標(biāo)準(zhǔn)煤為每年1360. 4t。所以，該工藝的 單位生產(chǎn)能耗為每噸生物柴油需要消耗45. 35kg標(biāo)準(zhǔn)煤。
[0021] 在該方案中，廢水排放量為0噸，而用傳統(tǒng)有水洗流程的工藝廢水排放量為3萬噸 每年。
[0022] 本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明 的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出 其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的 精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù) 范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種節(jié)能環(huán)保型堿催化酯交換法生產(chǎn)生物柴油的裝置，其特征在于：包括原料混合 罐、反應(yīng)器、第一緩沖罐、甲醇精餾塔、第二緩沖罐、第一分液罐、第二分液罐、蒸發(fā)器、第一 甘油冷凝器、第二甘油冷凝器和第三甘油冷凝器，所述原料混合罐出口與反應(yīng)器、第一緩沖 罐、甲醇精餾塔的第一進(jìn)料口通過管道順次連接，甲醇精餾塔的塔頂出料口與第二緩沖罐 入口連接，緩沖罐的頂部氣相出料口與混合罐底部入口連接，緩沖罐底部液相出料口與混 合罐入口連接；所述甲醇精餾塔底部出料口與第一分液罐入口連接，第一分液罐底部出料 口與蒸發(fā)器進(jìn)料入口連接，第一分液罐頂部出料口與第二分液罐入口連接，第二分液罐底 部出料口與蒸發(fā)器進(jìn)料入口連接，蒸發(fā)器蒸汽出口與第二甘油冷凝器，甲醇精餾塔的第二 進(jìn)料口順次連接；所述蒸發(fā)器蒸汽出口還與第一甘油冷凝器連接，第一甘油冷凝器出口分 別與第一分液罐和第二分液罐連接；所述蒸發(fā)器蒸汽出口還與第三甘油冷凝器連接；所述 甲醇精餾塔的第二進(jìn)料口不高于甲醇精餾塔的第一進(jìn)料口。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述節(jié)能環(huán)保型堿催化酯交換法生產(chǎn)生物柴油的裝置，其特征在 于，所述裝置還包括原料預(yù)熱器、甲醇精餾塔冷凝器、甲醇精餾塔再沸器和物料冷卻器；所 述原料預(yù)熱器通過管道連接于混合罐與反應(yīng)器之間，所述物料冷卻器通過管道連接于甲醇 精餾塔底部出料口與第一分液罐之間，所述甲醇精餾塔冷凝器一端與甲醇精餾塔塔頂氣相 出口連接，另一端分別與甲醇精餾塔塔頂回流管口和第二緩沖罐連接，所述甲醇精餾塔再 沸器連接于甲醇精餾塔塔底液相出口和甲醇精餾塔塔底氣相進(jìn)口之間。
3. 權(quán)利要求1-2所述裝置生產(chǎn)生物柴油的方法，其特征在于，步驟如下：堿催化劑、原 料油與甲醇在原料混合罐中混合后，通過堿催化酯交換法于反應(yīng)器中反應(yīng)，反應(yīng)后的物料 沒有進(jìn)行靜置分層直接進(jìn)入甲醇精餾塔精餾，甲醇精餾塔頂?shù)募状甲鳛檫M(jìn)料回流至原料混 合罐，甲醇精餾塔底物料進(jìn)入第一分液罐靜置分層，第一分液罐中的液體下層為溶有堿催 化劑的甘油，溶有堿催化劑的甘油流進(jìn)蒸發(fā)器蒸發(fā)提純，第一分液罐中上層為粗生物柴油， 所述粗生物柴油從第二分液罐底部入口進(jìn)入；由蒸發(fā)器蒸發(fā)提純的甘油一部分從第二分液 罐頂部進(jìn)入，然后靜置分層，上層即為生物柴油，下層甘油流入蒸發(fā)器蒸發(fā)提純，蒸發(fā)提純 的甘油冷卻后部分回流到甲醇精餾塔中，部分作為甘油副產(chǎn)品回收，堿催化劑由蒸發(fā)器底 部出料口獲得，經(jīng)過第二分液罐分離后，制備得到的生物柴油由第二分液罐出口流出。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的生產(chǎn)生物柴油的方法，其特征在于：所述甲醇與原料油的摩 爾比為（5~8) :1，堿催化劑用量為原料油的質(zhì)量的0. 79Γ1. 4%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的生產(chǎn)生物柴油的方法，其特征在于：所述堿催化劑包括氫氧 化鉀、氫氧化鈉或甲醇鈉；所述原料油包括植物油脂和動(dòng)物油脂中的一種以上；所述甲醇 精餾塔底物料包括甘油、堿催化劑、生物柴油和原料油中的一種以上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的生產(chǎn)生物柴油的方法，其特征在于：甲醇精餾塔塔頂?shù)募状?是進(jìn)行部分冷凝，蒸汽最終從原料混合罐底鼓泡進(jìn)入，以直接混合的形式加熱原料，控制鼓 泡的速率和面積使氣相甲醇全部變成液相；冷凝部分是沸點(diǎn)回流到原料混合罐。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的生產(chǎn)生物柴油的方法，其特征在于：甲醇精餾塔是雙線進(jìn)料， 其中一條進(jìn)料物流是堿催化酯交換法反應(yīng)后的物料，從甲醇精餾塔的第一進(jìn)料口進(jìn)入；另 外一條進(jìn)料物流是甘油，從甲醇精餾塔的第二進(jìn)料口進(jìn)入。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的生產(chǎn)生物柴油的方法，其特征在于：蒸發(fā)器蒸發(fā)出來的甘油 冷凝后，一部分流回到甲醇精餾塔塔底，一部分從第二分液罐頂部進(jìn)入，洗滌粗生物柴油， 剩下的作為副產(chǎn)物。
9. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的生產(chǎn)生物柴油的方法，其特征在于：第一分液罐和第二分液 罐下層出來的甘油都進(jìn)入同一個(gè)蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)提純。
10. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的生產(chǎn)生物柴油的方法，其特征在于：所述甲醇精餾塔塔板數(shù) 在4~13塊之間，所述塔板數(shù)不包括冷凝器和再沸器，塔頂摩爾回流比在0. 5~2. 0之間，塔頂 壓力在50kPa到150kPa之間，第一進(jìn)料板在第2塊塔板到第4塊塔板之間。
【文檔編號(hào)】C11C3/10GK104087426SQ201410248852
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月6日
【發(fā)明者】方利國(guó), 林昌鵬, 劉婧 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)