專利名稱：用棕櫚油制備生物柴油的工藝方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用棕櫚油制備生物柴油的工藝方法和設備，屬能源、化學、化工領域。
背景技術：
礦物石油正逐漸耗盡，價格不斷上漲對世界經濟形成嚴峻考驗，全球各國都受到石油價格暴漲的沖擊；傳統(tǒng)燃料對環(huán)境的破壞日趨嚴重，尋找可再生而環(huán)保的能源迫在眉睫。生物柴油(脂肪酸甲酯)是一種可再生、高效、安全的清潔能源，有許多石化柴油不可企及又是人類迫切所需的優(yōu)點1、可再生，用之不盡，將真正實現(xiàn)能源永續(xù)利用，維持和促進資源、環(huán)境、社會經濟協(xié)調持續(xù)發(fā)展。2、無污染。與礦物柴油不同，燃燒后排放的碳氫化合物、C0、S02、N0x等有害物質極少。3、儲藏、運輸、使用等安全、方便。因為不是易燃易爆、有毒物質。4、可促進其他產業(yè)，如種植業(yè)、油脂加工業(yè)等。5、無須對目前使用礦物柴油的裝置改裝，且因生物柴油潤滑作用好，對發(fā)動機的磨損大大降低。因此，開發(fā)生物柴油不僅能擺脫能源危機，實現(xiàn)能源永續(xù)利用，而且有利于構建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，促進經濟社會全面協(xié)調可持續(xù)發(fā)展，具有顯著的經濟和社會意義。如能大規(guī)模商品化生產之，人類渴望再生又潔凈的能源的宿愿便可實現(xiàn)。 不論用什么油脂制備生物柴油，其過程都是一個很緩慢且可逆的反應過程，目前生物柴油的制備過程中存在的主要問題是反應物停留時間過長，反應效率不高，從而增加了生物柴油的成本，限制了生物柴油的生產規(guī)模。而提高反應效率可以從改進工藝和裝置等方面著手。開發(fā)連續(xù)生產工藝可使生物柴油的生產效率提高、生產規(guī)模擴大、成本降低，有利于生物柴油的推廣應用。目前制造生物柴油的技術大多為間歇式攪拌方式，效率低，操作不便，且不能控制反應物的組成。必須開發(fā)生物柴油的專有技術——包括工藝流程和設備，才能使之成為真正具有競爭力的新興產業(yè)。 制備生物柴油的原料很廣，本發(fā)明采用棕櫚油制備生物柴油。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種用棕櫚油制備生物柴油的工藝方法和設備，若用除棕櫚油、甲醇、氫氧化鈉或甲醇鈉以外的原料制備生物柴油，除原料各組分間的配比與本發(fā)明可能不同外，本發(fā)明所提供的工藝流程和生產設備同樣適用。 本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是以氫氧化鈉(NaOH)或甲醇鈉(或稱甲基鈉)(NaOMe)為催化劑，按每升甲醇(CH30H)溶解2 100克催化劑的比例配制好甲醇與催化劑的混合物，關閉閥門23，將該混合物貯存于器皿21，制備前在約4(TC溫度下混合1小時左右；將棕櫚油貯存于器皿22 ;器皿21和22分別接計量泵24，計量泵24后接加熱器25，加熱器25出來的反應物(含催化劑的甲醇和棕櫚油)通過輸入管路26進入設有機械振蕩裝置的反應器1 ;甲醇與催化劑混合物的流量與棕櫚油流量(單位均為升/小時)比為l : 2 1 : 10。反應物準備就緒后，將頻率和振幅調到所需值，開啟機械振蕩裝置，將計量泵24調到所需值，把反應物從各自的器皿中抽出，并加熱到40 IO(TC輸入反應器1 。反應器1進、出口處設置的與之密封配合固聯(lián)的機械振蕩裝置，使反應器1中的反應物充分混合而強化反應過程。機械振蕩裝置的特征是幾何軸線與轉軸10相交的轉子7單個或多個裝配于同一轉軸10或不同轉軸10上，或兩兩對稱或非對稱裝配于同一轉軸10或不同轉軸10上，轉子7的偏心距形成180°的相位差，轉子7與活塞5外端成活動或固定聯(lián)接，當轉軸10帶動轉子7轉動時，活塞5被轉子7驅動，使活塞5作往復運動，或使兩相鄰活塞5作方向相反、位移絕對值相等的往復運動，轉子7在轉軸10的方向可以移動或固定，移動的結果改變轉子7在活塞5所處位置的偏心距，即改變活塞5的振幅，使活塞5可以在不同的振幅下振動，活塞導筒16與反應器1成密封聯(lián)接，活塞5的往復運動激勵反應器1內的反應物，使反應器1內反應物質點的碰撞幾率增加，形成湍流或充分混合，改善反應物流動狀態(tài)，使各質點流速趨于均勻，避免返混，達到柱塞流，產生有利于反應過程進行的運動；所述反應器l內可安裝擋板2或填料，反應器1的形狀為管狀或盆狀，橫截面為圓或非圓，直徑均勻或有變化，安裝方式為立式或臥式或斜置，強化方式為單級、雙級或多級，管狀包括直管、彎管、"L"形管、"T"形管、"十"字形管或盤管，可為單管式或多管式；加熱器25出口至反應器l入口 18之間的輸送管路可采取保溫措施以使反應物保持適當?shù)姆磻獪囟取Ｔ谶m當?shù)念l率和振幅下反應完畢后，生成物(粗生物柴油+甘油)先進入分離器34進行進行分離，也可采用自然分離方式甘油密度大，沉底；粗生物柴油密度小，上浮。分離出來的含甲醇的粗生物柴油(或采用自然分離時，上面的粗生物柴油)進入水洗器32，洗去甲醇。經水洗的生物柴油先經過濾水器30(濾水介質可采用沙子)，濾去水分，然后進入吸水器29 (吸水介質可采用食鹽或工業(yè)鹽)進一步脫水后進入儲藏罐36得到生物柴油。通過調控活塞5的頻率和/或振幅可調控反應器1內反應物的流動狀態(tài)和停留時間或生成物的成份組成和/或轉化率或反應速率；活塞5的頻率可通過改變調速電機轉速而改變，活塞5的振幅可通過改變轉子位置而改變；通過改變催化劑的用量和/或甲醇與棕櫚油流量配比可得到組成和性能不同的生物柴油。除轉子7夕卜，活塞驅動機構還有連桿機構、移動凸輪機構41、圓柱凸輪機構43、齒輪機構、蝸輪蝸桿機構、或螺旋機構；活塞驅動機構對稱或非對稱安裝。所述活塞驅動機構的速度可調或恒定。所述轉子7包括盤狀轉子和柱狀轉子，轉子7在其旋轉軸線方向固定或可移動，轉子外表面與活塞外端成點接觸或切線接觸。所述盤狀轉子7包括圓截面轉子、或非圓截面轉子；轉子7單個或兩兩對稱或非對稱固定于同一轉軸10或不同轉軸IO上。所述柱狀轉子包括圓柱、圓臺、或非圓截面柱體；柱狀轉子的幾何軸線與其旋轉軸線相交、或交叉、或平行、或重合；柱狀轉子橫截面與其幾何軸線垂直或不垂直；采用柱狀轉子時，柱狀轉子單個或兩兩對稱或非對稱固定于同一轉軸10或不同轉軸10上。
本發(fā)明的有益效果和優(yōu)點是反應物(含催化劑的甲醇與棕櫚油)各組分間的配比是一種最適宜比例，不必提高流速，而用振蕩技術提高和調控流速，達到湍流效果或充分混合，提高過程效率。湍流程度不依賴于凈流速，而由振蕩裝置調控，振蕩裝置可無級地調節(jié)振幅和頻率?？稍诤艿偷睦字Z數(shù)(ReynoldsNumber)下使流體獲得湍流或充分混合，不僅能提高過程效率，且節(jié)約了流體輸送裝置能耗與設備體積。對稱斜置轉子7使兩活塞5反對稱運動，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。該技術可擴展為任意級數(shù)的強化。本發(fā)明調節(jié)彈性大，適應范圍寬，可將間歇過程轉化為連續(xù)過程。轉子7的驅動電機載荷很小，故其功率極小(比間歇過程中攪拌槳的電機功率小得多)，因為電機只需驅動轉子旋轉，而轉子所受扭矩很小，活塞5的重力并不對轉子7的轉軸IO產生扭矩，因為其作用線過轉軸10，電機只需克服較小的摩擦力矩。強化裝置的通用性大，并不因反應器1大型化而使強化裝置增大，只要電機能驅動轉子7旋轉，轉子7就能推動活塞5，尺寸相差不太大的反應器1可采用同樣大小的轉子7。調節(jié)振幅的步進電機只在調振幅的極短時間內工作一下，振幅調好后即停機，幾乎不需能耗。當最佳頻率和振幅已知，不需要經常變換振幅時，可按此最佳振幅作為轉子7的偏心距將轉子7設計制造成固定的偏心距，如圖4、5所示，這樣可免去步進電機。通過調控設備的強化參數(shù)，即活塞5的頻率與振幅等，可調控反應器1內物料的流動狀態(tài)、或調控物料的停留時間或生成物的成份組成與轉化率(發(fā)動機的性能不同，對于燃料的成份要求可能不同，本發(fā)明可以通過調控設備的強化參數(shù)來調控反應器內反應物的停留時間從而調控生物柴油的成份組成)；或通過調控活塞5的頻率和/或振幅可使反應器1內的物料達到柱塞流，這是一種對反應過程極為有利的流動狀態(tài)。本發(fā)明是提高生物柴油或其它產品的生產效率、降低其成本、擴大其規(guī)模、控制其組成、提高其質量等的關鍵技術與設備。結構、裝配簡便，技術實現(xiàn)上方便易行。振幅調節(jié)機構的結構也很簡單，只需沿水平方向移動滑板11。設備內置擋板時，可增強湍流程度或混合效果，兩擋板間的小空間相當于一個微型攪拌釜，整個過程設備相當于一系列微攪拌釜的連續(xù)組合。擋板結構形式多樣，有圓環(huán)、正方形環(huán)、六邊形環(huán)、三角形環(huán)板、多孔擋板和"十"字擋板等，如圖4所示，可造成千變萬化的流態(tài)。在活塞5外端設置與其中心線垂直的接觸件46時，活塞5的往復運動為簡諧振動。對非圓截面轉子7，活塞5的行程、速度和兩活塞5內端面之間的距離變化可通過設計轉子7的具體截面形狀而決定。反應物可連續(xù)地從反應器的一端流入，從另一端流出，從而實現(xiàn)連續(xù)操作。圓柱轉子7的偏心距不產生偏心載荷。因為轉子本身(就每一個轉子而言)是一個圓柱體，對轉軸10是反對稱的，如圖14所示對圓柱偏心轉子，o點是其幾何軸線與其轉軸10之交點，轉子在o點兩側長度相等，雖然在o點的兩側轉子都有偏心距，但o點兩側的偏心距所產生的偏心載荷相互抵消。例如，a點的偏心載荷必然被與之對稱的b點的偏心載荷抵消。使用偶數(shù)個偏心圓盤轉子7時整個裝置也出現(xiàn)偏心載荷。另外，圓柱偏心轉子的偏心距是連續(xù)變化的(如圖14所示)，因此活塞5可以得到任意數(shù)值的振幅；調速電機也可用無級變速電機，這樣活塞5可以得到任意數(shù)值的頻率。 采用多級強化時，也可將離合器37斷開，每級以各自的頻率和振幅運行(見圖3)，
因為反應過程處于不同的階段時，所需強化頻率和/或振幅可能不同。 反應物輸入管路的保溫措施可將柔性加熱帶47纏繞于其上，如圖30所示。


圖1是單級強化的工藝流程與設備。 圖2是多級同一頻率和振幅強化的工藝流程與設備。 圖3是多級不同頻率和振幅強化的工藝流程與設備。 圖4是各種形式的擋板。 圖5是單級強化固定偏心距的轉子。 圖6是多級強化固定偏心距的轉子。 圖7是采用空心活塞的強化方案。
6
圖8是非圓截面轉子空心活塞強化方案。 圖9是連桿機構驅動活塞的強化方案。 圖10、11、12是盤管反應器強化方案。 圖13是"十"字形管反應器的強化方案。 圖14是橫截面與轉軸斜交的轉子。 圖15是橫截面與轉軸垂直的轉子。 圖16是圓截面變徑柱狀轉子。 圖17是非圓截面變徑柱狀轉子。 圖18是由單個轉子推動兩個活塞的強化方案。 圖19是幾何異形橫截面兩端大小不同的柱狀轉子。 圖20是分離對稱"凹"形平面移動凸輪機構驅動活塞的方案。 圖21是分離對稱"凸"形平面移動凸輪機構驅動活塞的方案。 圖22是"凹"形平面移動凸輪機構驅動活塞的方案。 圖23是"凸"形平面移動凸輪機構驅動活塞的方案。 圖24是"凹"形齒條_蝸桿機構驅動活塞的方案。 圖25是"凸"形齒條_蝸桿機構驅動活塞的方案。 圖26是曲面移動凸輪機構驅動活塞的方案。 圖27是圓柱凸輪機構驅動活塞的方案。 圖28是蝸輪蝸桿機構驅動活塞的強化方案。 圖29(a)是轉子外表面與活塞外端成點接觸的方式。 圖29(b)是轉子外表面與活塞外端成切線接觸的方式。 圖30是反應物輸入管路的保溫措施。 圖中1.反應器，2.擋板及其支桿，3.生成物料出口，4.法蘭，5.活塞，6.支架，7.轉子，8.軸承座，9.軸承，IO.轉軸(接調速電機)，ll.滑板，12.支座兼導軌，13.地腳螺栓，14.傳動螺桿(接步進電機)，15.彈簧，16.活塞導筒，17.法蘭連接螺栓，18.反應物入口，19.閥門，20.放空閥，21.含催化劑的甲醇器皿，22.棕櫚油器皿，23.閥門，24.計量泵，25.加熱器，26.反應物輸入管路，27.生成物輸出管路，28.清水管道，29.吸水器，30.濾水器，31.排水口，32.水洗器，33.甘油排放口，34.分離器，35.溢流閥，36.儲藏罐，37.離合器，38.出口閥，39.連接閥，40.連接管，41.移動凸輪，42.蝸桿，43.圓柱凸輪，44.傳動螺母，45.蝸輪，46.接觸件，47.柔性加熱帶，48.溫度控制器。
具體實施例方式
實施例l，參閱圖l。本例以倒U形管反應器1為例，按每升甲醇溶解20克甲醇鈉的比例配制好甲醇與催化劑的混合物，關閉閥門23，將該混合物貯存于器皿21，在40°C溫度下混合1小時。將頻率調到4Hz，振幅調到3mm，開啟振蕩裝置，調節(jié)好計量泵24 :使CH3OH+NaOMe混合物的流量為0. 5091/h，棕櫚油的流量為2. 5911/h，將反應物(含催化劑的甲醇與棕櫚油)從各自的器皿內抽出，并加熱到6(TC輸入反應器1。在上述參數(shù)下反應完畢后，生成物(粗生物柴油+甘油)先進入分離器34進行進行分離，分離出來的含甲醇的粗生物柴油進入水洗器32，洗去甲醇。經水洗的生物柴油先經過濾水器30(濾水介質為沙子)，濾去水分，然后進入吸水器29 (吸水介質為工業(yè)鹽)進一步脫水后進入儲藏罐36即得到成品生物柴油。反應物源源不斷地輸入反應器l，生成物源源不斷地從反應器1流出，這樣就形成了連續(xù)的生產過程。 如欲得到不同組成的生物柴油，可改變活塞5的頻率和/或振幅。 實施例2，生產量大需要多級強化時，可采用圖2或3的方案。其余同實施例1。 實施例3，其他形式的反應器的實施方式如圖7 13、20 28所示。其余同實施
例1。反應器1的直徑較大時，可采用空心活塞5，參閱圖7、8、26 28。 實施例4，將圓柱轉子7替換為非圓截面柱狀轉子7，其余同實施例1，見圖8、 17
19等。轉子7橫截面的輪廓曲線形狀可由反應工藝過程需要的最佳振動規(guī)律決定以產生
最優(yōu)的振蕩方式，改變轉子7的橫截面輪廓曲線可得到各種振動規(guī)律。還可通過移動滑板
11來調節(jié)振幅，或改變電機的轉速以調節(jié)振動頻率，使振幅和/或頻率滿足反應工藝過程
的需要。這給生產過程帶來了很大方便。將轉子7換成其它活塞驅動機構，如連桿機構、移
動凸輪機構41、圓柱凸輪機構43、齒輪機構、蝸輪蝸桿機構、或螺旋機構等，亦可。其余同實
施例1。
權利要求
一種用棕櫚油制備生物柴油的工藝方法和設備，其特征是以氫氧化鈉(NaOH)或甲醇鈉(或稱甲基鈉)(NaOMe)為催化劑，按每升甲醇(CH3OH)溶解2～100克催化劑的比例配制好甲醇與催化劑的混合物，關閉閥門(23)，將該混合物貯存于器皿(21)，制備前在約40℃溫度下混合1小時左右；將棕櫚油貯存于器皿(22)；器皿(21)和(22)分別接計量泵(24)，計量泵(24)后接加熱器(25)，加熱器(25)出來的反應物(含催化劑的甲醇和棕櫚油)通過輸入管路(26)進入設有機械振蕩裝置的反應器(1)；甲醇與催化劑混合物的流量與棕櫚油流量(單位均為升/小時)比為1∶2～1∶10。
2. 根據(jù)權利要求1所述的用棕櫚油制備生物柴油的工藝方法和設備，其特征是反應物準備就緒后按下列步驟制備生物柴油(1) 將頻率和振幅調到所需值，開啟機械振蕩裝置；(2) 將計量泵(24)調到所需值，把反應物從各自的器皿中抽出，并加熱到40 IO(TC輸入反應器(1);反應器(1)進、出口處設置的與之密封配合固聯(lián)的機械振蕩裝置，使反應器(1)中的反應物充分混合而強化反應過程；所述機械振蕩裝置的特征是幾何軸線與轉軸(10)相交的轉子(7)單個或多個裝配于同一轉軸(10)或不同轉軸(10)上，或兩兩對稱或非對稱裝配于同一轉軸(10)或不同轉軸(10)上，轉子(7)的偏心距形成180°的相位差，轉子(7)與活塞(5)外端成活動或固定聯(lián)接，當轉軸(10)帶動轉子(7)轉動時，活塞(5)被轉子(7)驅動，使活塞(5)作往復運動，或使兩相鄰活塞(5)作方向相反、位移絕對值相等的往復運動，轉子(7)在轉軸(10)的方向可以移動或固定，移動的結果改變轉子(7)在活塞(5)所處位置的偏心距，即改變活塞(5)的振幅，使活塞(5)可以在不同的振幅下振動，活塞導筒(16)與反應器(1)成密封聯(lián)接，活塞(5)的往復運動激勵反應器(1)內的反應物，使反應器(1)內反應物質點的碰撞幾率增加，形成湍流或充分混合，改善反應物流動狀態(tài)，使各質點流速趨于均勻，避免返混，達到柱塞流，產生有利于反應過程進行的運動；所述反應器(1)內可安裝擋板(2)或填料，反應器(1)的形狀為管狀或盆狀，橫截面為圓或非圓，直徑均勻或有變化，安裝方式為立式或臥式或斜置，強化方式為單級、雙級或多級，管狀包括直管、彎管、"L"形管、"T"形管、"十"字形管或盤管，可為單管式或多管式；加熱器(25)出口至反應器(1)入口 (18)之間的輸送管路可采取保溫措施以使反應物保持適當?shù)姆磻獪囟龋?3) 在適當?shù)念l率和振幅下反應完畢后，生成物(粗生物柴油+甘油)先進入分離器(34)進行進行分離，也可采用自然分離方式甘油密度大，沉底；粗生物柴油密度小，上??；(4) 分離出來的含甲醇的粗生物柴油(或采用自然分離時，上面的粗生物柴油)進入水洗器(32)，洗去甲醇；(5) 經水洗的生物柴油先經過濾水器(30)，濾去水分，然后進入吸水器(29)進一步脫水后進入儲藏罐(36)得到生物柴油；(6) 通過調控活塞(5)的頻率和/或振幅可調控反應器(1)內反應物的流動狀態(tài)和停留時間或生成物的成份組成和/或轉化率或反應速率；活塞(5)的頻率可通過改變調速電機轉速而改變，活塞(5)的振幅可通過改變轉子位置而改變；通過改變催化劑的用量和/或甲醇與棕櫚油流量配比可得到組成和性能不同的生物柴油。
3. 如權利要求1和2所述的制備生物柴油的工藝方法及設備，其特征是用除棕櫚油、甲醇、氫氧化鈉或甲醇鈉以外的原料制備生物柴油時，除原料各組分間的配比不同外，所述工藝流程和生產設備同樣適用。
4. 根據(jù)權利要求1所述的機械振蕩裝置，其特征是除轉子(7)夕卜，活塞驅動機構還有連桿機構、移動凸輪機構(41)、圓柱凸輪機構(43)、齒輪機構、蝸輪蝸桿機構、或螺旋機構；活塞驅動機構對稱或非對稱安裝。
5. 根據(jù)權利要求4所述的機械振蕩裝置，其特征是所述活塞驅動機構的速度可調或恒定。
6. 根據(jù)權利要求1所述的機械振蕩裝置，其特征是所述轉子(7)包括盤狀轉子和柱狀轉子，轉子(7)在其旋轉軸線方向固定或可移動，轉子外表面與活塞外端成點接觸或切線接觸。
7. 根據(jù)權利要求5所述的機械振蕩裝置，其特征是所述盤狀轉子(7)包括圓截面轉子、或非圓截面轉子；轉子(7)單個或兩兩對稱或非對稱固定于同一轉軸(10)或不同轉軸(10)上。
8. 根據(jù)權利要求5所述的機械振蕩裝置，其特征是所述柱狀轉子包括圓柱、圓臺、或非圓截面柱體；柱狀轉子的幾何軸線與其旋轉軸線相交、或交叉、或平行、或重合；柱狀轉子橫截面與其幾何軸線垂直或不垂直；采用柱狀轉子時，柱狀轉子單個或兩兩對稱或非對稱固定于同一轉軸(10)或不同轉軸(10)上。
全文摘要
一種用棕櫚油制備生物柴油的工藝方法和設備。用于提高生物柴油生產效率、轉化率與品質，調控其組成等。其技術方案要點是含催化劑的甲醇與棕櫚油各組分間按一種適宜比例連續(xù)從反應器入口輸入，反應器裝有振蕩強化裝置，以增強反應效果，控制產物組成，提高反應速率與轉化率；在適當頻率和振幅下反應完畢后，生成物連續(xù)從反應器出口流出并經過分離、水洗、濾水、吸水等工序。調控強化裝置的活塞頻率、振幅可調控物料流動狀態(tài)、停留時間、產物成份與轉化率，或使物料達到平推流。強化裝置調節(jié)彈性大，適應范圍寬，調節(jié)活塞驅動機構的運動速度、幾何形狀與尺寸、空間位置或更換擋板形式可滿足各種反應條件。棕櫚油來源廣泛，價格低廉。
文檔編號C10L1/02GK101717696SQ20091021207
公開日2010年6月2日 申請日期2009年11月3日 優(yōu)先權日2009年11月3日
發(fā)明者朱國林, 朱瑞林 申請人:朱瑞林