用棕榈油制备生物柴油的工艺方法和设备 【技术领域】
本发明涉及一种用棕榈油制备生物柴油的工艺方法和设备，属能源、化学、化工领域。
背景技术
矿物石油正逐渐耗尽，价格不断上涨对世界经济形成严峻考验，全球各国都受到石油价格暴涨的冲击；传统燃料对环境的破坏日趋严重，寻找可再生而环保的能源迫在眉睫。生物柴油(脂肪酸甲酯)是一种可再生、高效、安全的清洁能源，有许多石化柴油不可企及又是人类迫切所需的优点：1、可再生，用之不尽，将真正实现能源永续利用，维持和促进资源、环境、社会经济协调持续发展。2、无污染。与矿物柴油不同，燃烧后排放的碳氢化合物、CO、SO2、NOx等有害物质极少。3、储藏、运输、使用等安全、方便。因为不是易燃易爆、有毒物质。4、可促进其他产业，如种植业、油脂加工业等。5、无须对目前使用矿物柴油的装置改装，且因生物柴油润滑作用好，对发动机的磨损大大降低。因此，开发生物柴油不仅能摆脱能源危机，实现能源永续利用，而且有利于构建资源节约型、环境友好型社会，促进经济社会全面协调可持续发展，具有显著的经济和社会意义。如能大规模商品化生产之，人类渴望再生又洁净的能源的宿愿便可实现。
不论用什么油脂制备生物柴油，其过程都是一个很缓慢且可逆的反应过程，目前生物柴油的制备过程中存在的主要问题是反应物停留时间过长，反应效率不高，从而增加了生物柴油的成本，限制了生物柴油的生产规模。而提高反应效率可以从改进工艺和装置等方面着手。开发连续生产工艺可使生物柴油的生产效率提高、生产规模扩大、成本降低，有利于生物柴油的推广应用。目前制造生物柴油的技术大多为间歇式搅拌方式，效率低，操作不便，且不能控制反应物的组成。必须开发生物柴油的专有技术——包括工艺流程和设备，才能使之成为真正具有竞争力的新兴产业。
制备生物柴油的原料很广，本发明采用棕榈油制备生物柴油。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种用棕榈油制备生物柴油的工艺方法和设备，若用除棕榈油、甲醇、氢氧化钠或甲醇钠以外的原料制备生物柴油，除原料各组分间的配比与本发明可能不同外，本发明所提供的工艺流程和生产设备同样适用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：以氢氧化钠(NaOH)或甲醇钠(或称甲基钠)(NaOMe)为催化剂，按每升甲醇(CH3OH)溶解2～100克催化剂的比例配制好甲醇与催化剂的混合物，关闭阀门23，将该混合物贮存于器皿21，制备前在约40℃温度下混合1小时左右；将棕榈油贮存于器皿22；器皿21和22分别接计量泵24，计量泵24后接加热器25，加热器25出来的反应物(含催化剂的甲醇和棕榈油)通过输入管路26进入设有机械振荡装置的反应器1；甲醇与催化剂混合物的流量与棕榈油流量(单位均为升/小时)比为1∶2～1∶10。反应物准备就绪后，将频率和振幅调到所需值，开启机械振荡装置，将计量泵24调到所需值，把反应物从各自的器皿中抽出，并加热到40～100℃输入反应器1。反应器1进、出口处设置的与之密封配合固联的机械振荡装置，使反应器1中的反应物充分混合而强化反应过程。机械振荡装置的特征是：几何轴线与转轴10相交的转子7单个或多个装配于同一转轴10或不同转轴10上，或两两对称或非对称装配于同一转轴10或不同转轴10上，转子7的偏心距形成180°的相位差，转子7与活塞5外端成活动或固定联接，当转轴10带动转子7转动时，活塞5被转子7驱动，使活塞5作往复运动，或使两相邻活塞5作方向相反、位移绝对值相等的往复运动，转子7在转轴10的方向可以移动或固定，移动的结果改变转子7在活塞5所处位置的偏心距，即改变活塞5的振幅，使活塞5可以在不同的振幅下振动，活塞导筒16与反应器1成密封联接，活塞5的往复运动激励反应器1内的反应物，使反应器1内反应物质点的碰撞几率增加，形成湍流或充分混合，改善反应物流动状态，使各质点流速趋于均匀，避免返混，达到柱塞流，产生有利于反应过程进行的运动；所述反应器1内可安装挡板2或填料，反应器1的形状为管状或盆状，横截面为圆或非圆，直径均匀或有变化，安装方式为立式或卧式或斜置，强化方式为单级、双级或多级，管状包括直管、弯管、“L”形管、“T”形管、“十”字形管或盘管，可为单管式或多管式；加热器25出口至反应器1入口18之间的输送管路可采取保温措施以使反应物保持适当的反应温度。在适当的频率和振幅下反应完毕后，生成物(粗生物柴油+甘油)先进入分离器34进行进行分离，也可采用自然分离方式：甘油密度大，沉底；粗生物柴油密度小，上浮。分离出来的含甲醇的粗生物柴油(或采用自然分离时，上面的粗生物柴油)进入水洗器32，洗去甲醇。经水洗的生物柴油先经过滤水器30(滤水介质可采用沙子)，滤去水分，然后进入吸水器29(吸水介质可采用食盐或工业盐)进一步脱水后进入储藏罐36得到生物柴油。通过调控活塞5地频率和/或振幅可调控反应器1内反应物的流动状态和停留时间或生成物的成份组成和/或转化率或反应速率；活塞5的频率可通过改变调速电机转速而改变，活塞5的振幅可通过改变转子位置而改变；通过改变催化剂的用量和/或甲醇与棕榈油流量配比可得到组成和性能不同的生物柴油。除转子7外，活塞驱动机构还有连杆机构、移动凸轮机构41、圆柱凸轮机构43、齿轮机构、蜗轮蜗杆机构、或螺旋机构；活塞驱动机构对称或非对称安装。所述活塞驱动机构的速度可调或恒定。所述转子7包括盘状转子和柱状转子，转子7在其旋转轴线方向固定或可移动，转子外表面与活塞外端成点接触或切线接触。所述盘状转子7包括圆截面转子、或非圆截面转子；转子7单个或两两对称或非对称固定于同一转轴10或不同转轴10上。所述柱状转子包括圆柱、圆台、或非圆截面柱体；柱状转子的几何轴线与其旋转轴线相交、或交叉、或平行、或重合；柱状转子横截面与其几何轴线垂直或不垂直；采用柱状转子时，柱状转子单个或两两对称或非对称固定于同一转轴10或不同转轴10上。
本发明的有益效果和优点是：反应物(含催化剂的甲醇与棕榈油)各组分间的配比是一种最适宜比例，不必提高流速，而用振荡技术提高和调控流速，达到湍流效果或充分混合，提高过程效率。湍流程度不依赖于净流速，而由振荡装置调控，振荡装置可无级地调节振幅和频率。可在很低的雷诺数(ReynoldsNumber)下使流体获得湍流或充分混合，不仅能提高过程效率，且节约了流体输送装置能耗与设备体积。对称斜置转子7使两活塞5反对称运动，即左活塞5上升，右活塞5下降；右活塞5上升，左活塞5下降。该技术可扩展为任意级数的强化。本发明调节弹性大，适应范围宽，可将间歇过程转化为连续过程。转子7的驱动电机载荷很小，故其功率极小(比间歇过程中搅拌桨的电机功率小得多)，因为电机只需驱动转子旋转，而转子所受扭矩很小，活塞5的重力并不对转子7的转轴10产生扭矩，因为其作用线过转轴10，电机只需克服较小的摩擦力矩。强化装置的通用性大，并不因反应器1大型化而使强化装置增大，只要电机能驱动转子7旋转，转子7就能推动活塞5，尺寸相差不太大的反应器1可采用同样大小的转子7。调节振幅的步进电机只在调振幅的极短时间内工作一下，振幅调好后即停机，几乎不需能耗。当最佳频率和振幅已知，不需要经常变换振幅时，可按此最佳振幅作为转子7的偏心距将转子7设计制造成固定的偏心距，如图4、5所示，这样可免去步进电机。通过调控设备的强化参数，即活塞5的频率与振幅等，可调控反应器1内物料的流动状态、或调控物料的停留时间或生成物的成份组成与转化率(发动机的性能不同，对于燃料的成份要求可能不同，本发明可以通过调控设备的强化参数来调控反应器内反应物的停留时间从而调控生物柴油的成份组成)；或通过调控活塞5的频率和/或振幅可使反应器1内的物料达到柱塞流，这是一种对反应过程极为有利的流动状态。本发明是提高生物柴油或其它产品的生产效率、降低其成本、扩大其规模、控制其组成、提高其质量等的关键技术与设备。结构、装配简便，技术实现上方便易行。振幅调节机构的结构也很简单，只需沿水平方向移动滑板11。设备内置挡板时，可增强湍流程度或混合效果，两挡板间的小空间相当于一个微型搅拌釜，整个过程设备相当于一系列微搅拌釜的连续组合。挡板结构形式多样，有圆环、正方形环、六边形环、三角形环板、多孔挡板和“十”字挡板等，如图4所示，可造成千变万化的流态。在活塞5外端设置与其中心线垂直的接触件46时，活塞5的往复运动为简谐振动。对非圆截面转子7，活塞5的行程、速度和两活塞5内端面之间的距离变化可通过设计转子7的具体截面形状而决定。反应物可连续地从反应器的一端流入，从另一端流出，从而实现连续操作。圆柱转子7的偏心距不产生偏心载荷。因为转子本身(就每一个转子而言)是一个圆柱体，对转轴10是反对称的，如图14所示：对圆柱偏心转子，o点是其几何轴线与其转轴10之交点，转子在o点两侧长度相等，虽然在o点的两侧转子都有偏心距，但o点两侧的偏心距所产生的偏心载荷相互抵消。例如，a点的偏心载荷必然被与之对称的b点的偏心载荷抵消。使用偶数个偏心圆盘转子7时整个装置也出现偏心载荷。另外，圆柱偏心转子的偏心距是连续变化的(如图14所示)，因此活塞5可以得到任意数值的振幅；调速电机也可用无级变速电机，这样活塞5可以得到任意数值的频率。
采用多级强化时，也可将离合器37断开，每级以各自的频率和振幅运行(见图3)，因为反应过程处于不同的阶段时，所需强化频率和/或振幅可能不同。
反应物输入管路的保温措施可将柔性加热带47缠绕于其上，如图30所示。
【附图说明】
图1是单级强化的工艺流程与设备。
图2是多级同一频率和振幅强化的工艺流程与设备。
图3是多级不同频率和振幅强化的工艺流程与设备。
图4是各种形式的挡板。
图5是单级强化固定偏心距的转子。
图6是多级强化固定偏心距的转子。
图7是采用空心活塞的强化方案。
图8是非圆截面转子空心活塞强化方案。
图9是连杆机构驱动活塞的强化方案。
图10、11、12是盘管反应器强化方案。
图13是“十”字形管反应器的强化方案。
图14是横截面与转轴斜交的转子。
图15是横截面与转轴垂直的转子。
图16是圆截面变径柱状转子。
图17是非圆截面变径柱状转子。
图18是由单个转子推动两个活塞的强化方案。
图19是几何异形横截面两端大小不同的柱状转子。
图20是分离对称“凹”形平面移动凸轮机构驱动活塞的方案。
图21是分离对称“凸”形平面移动凸轮机构驱动活塞的方案。
图22是“凹”形平面移动凸轮机构驱动活塞的方案。
图23是“凸”形平面移动凸轮机构驱动活塞的方案。
图24是“凹”形齿条-蜗杆机构驱动活塞的方案。
图25是“凸”形齿条-蜗杆机构驱动活塞的方案。
图26是曲面移动凸轮机构驱动活塞的方案。
图27是圆柱凸轮机构驱动活塞的方案。
图28是蜗轮蜗杆机构驱动活塞的强化方案。
图29(a)是转子外表面与活塞外端成点接触的方式。
图29(b)是转子外表面与活塞外端成切线接触的方式。
图30是反应物输入管路的保温措施。
图中：1.反应器，2.挡板及其支杆，3.生成物料出口，4.法兰，5.活塞，6.支架，7.转子，8.轴承座，9.轴承，10.转轴(接调速电机)，11.滑板，12.支座兼导轨，13.地脚螺栓，14.传动螺杆(接步进电机)，15.弹簧，16.活塞导筒，17.法兰连接螺栓，18.反应物入口，19.阀门，20.放空阀，21.含催化剂的甲醇器皿，22.棕榈油器皿，23.阀门，24.计量泵，25.加热器，26.反应物输入管路，27.生成物输出管路，28.清水管道，29.吸水器，30.滤水器，31.排水口，32.水洗器，33.甘油排放口，34.分离器，35.溢流阀，36.储藏罐，37.离合器，38.出口阀，39.连接阀，40.连接管，41.移动凸轮，42.蜗杆，43.圆柱凸轮，44.传动螺母，45.蜗轮，46.接触件，47.柔性加热带，48.温度控制器。
【具体实施方式】
实施例1，参阅图1。本例以倒U形管反应器1为例，按每升甲醇溶解20克甲醇钠的比例配制好甲醇与催化剂的混合物，关闭阀门23，将该混合物贮存于器皿21，在40℃温度下混合1小时。将频率调到4Hz，振幅调到3mm，开启振荡装置，调节好计量泵24：使CH3OH+NaOMe混合物的流量为0.509l/h，棕榈油的流量为2.591l/h，将反应物(含催化剂的甲醇与棕榈油)从各自的器皿内抽出，并加热到60℃输入反应器1。在上述参数下反应完毕后，生成物(粗生物柴油+甘油)先进入分离器34进行进行分离，分离出来的含甲醇的粗生物柴油进入水洗器32，洗去甲醇。经水洗的生物柴油先经过滤水器30(滤水介质为沙子)，滤去水分，然后进入吸水器29(吸水介质为工业盐)进一步脱水后进入储藏罐36即得到成品生物柴油。反应物源源不断地输入反应器1，生成物源源不断地从反应器1流出，这样就形成了连续的生产过程。
如欲得到不同组成的生物柴油，可改变活塞5的频率和/或振幅。
实施例2，生产量大需要多级强化时，可采用图2或3的方案。其余同实施例1。
实施例3，其他形式的反应器的实施方式如图7～13、20～28所示。其余同实施例1。反应器1的直径较大时，可采用空心活塞5，参阅图7、8、26～28。
实施例4，将圆柱转子7替换为非圆截面柱状转子7，其余同实施例1，见图8、17～19等。转子7横截面的轮廓曲线形状可由反应工艺过程需要的最佳振动规律决定以产生最优的振荡方式，改变转子7的横截面轮廓曲线可得到各种振动规律。还可通过移动滑板11来调节振幅，或改变电机的转速以调节振动频率，使振幅和/或频率满足反应工艺过程的需要。这给生产过程带来了很大方便。将转子7换成其它活塞驱动机构，如连杆机构、移动凸轮机构41、圆柱凸轮机构43、齿轮机构、蜗轮蜗杆机构、或螺旋机构等，亦可。其余同实施例1。