一种利用废弃油脂制备一代生物柴油的装置系统 |
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| 申请号 | CN202311785098.1 | 申请日 | 2023-12-21 | 公开(公告)号 | CN117683588A | 公开(公告)日 | 2024-03-12 |
| 申请人 | 福州大学; | 发明人 | 江莉龙; 黄宽; 蔡镇平; 曹彦宁; 马永德; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种利用废弃油脂制备一代 生物 柴油 的装置系统，预酯化反应器的出口与液液分离器连通，液液分离器的第一有机相出口与第一甲醇回收塔连通，第一甲醇回收塔上的第二有机相出口与酯交换反应器连通，用于将预酯化后在第一甲醇回收塔内分离出甲醇后的有机相通入酯交换反应器进行转酯交换反应；酯交换反应器的出口依次 串联 水 洗塔和生物柴油精制塔，用于将在转酯化后经水洗塔水洗分离出的有机相通入生物柴油精制塔。本发明工艺系统可靠，原料适应性强，可用于处理各种品质较差的废弃油脂，生产高品质一代生物柴油；另外，本系统使用液体酸催化剂做为预酯化反应用催化剂，能够高效地循环利用，以及减小对设备的 腐蚀 ，实现系统长周期稳定运行。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种利用废弃油脂制备一代生物柴油的装置系统，其特征在于，包括预酯化反应器(1)、液液分离器(3)、第一甲醇回收塔(4)、酯交换反应器(6)、水洗塔(8)和生物柴油精制塔(10)；所述预酯化反应器(1)上设有原料进口(11)、第一催化剂进口(12)和第一甲醇进口(13)，所述原料进口(11)与外部的废弃油脂供应机构连通，用于为所述预酯化反应器(1)提供废弃油脂，所述的第一催化剂进口(12)和第一甲醇进口(13)分别与外部的催化剂和甲醇供应机构连通，分别用于为所述预酯化反应器(1)提供液体酸催化剂和甲醇；所述预酯化反应器(1)的出口与所述液液分离器(3)的进口连通，所述液液分离器(3)的出口分两路，分别为第一有机相出口(31)和第一水相出口(32)，所述有机相出口(31)与所述第一甲醇回收塔(4)的进口连通，用于将预酯化后分离出的有机相混合物送入所述第一甲醇回收塔(4)进行分离；所述第一甲醇回收塔(4)上的第二有机相出口(41)与所述酯交换反应器(6)进口连通，用于将在所述第一甲醇回收塔(4)内分离出甲醇后的有机相通入所述酯交换反应器(6)进行转酯交换反应，所述酯交换反应器(6)上设有第二催化剂进口(61)和第二甲醇进口(62)，所述的第二催化剂进口(61)和第二甲醇进口(62)分别与外部的催化剂和甲醇供应机构连通，分别用于为所述酯交换反应器(6)提供碱催化剂和甲醇；所述酯交换反应器(6)的出口与所述水洗塔(8)的进口连通，所述水洗塔(8)的出口分两路，分别为第三有机相出口(81)和第二水相出口(82)，所述第三有机相出口(81)与所述生物柴油精制塔(10)的进口连通，用于将在转酯化后经所述水洗塔(8)水洗分离出的有机相通入所述生物柴油精制塔(10)。 |
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| 说明书全文 | 一种利用废弃油脂制备一代生物柴油的装置系统技术领域[0001] 本发明涉及生物油脂催化转化技术领域，具体涉及一种利用废弃油脂制备一代生物柴油的装置系统。 背景技术[0002] 在当今工业化社会中，能源需求巨大，传统的化石燃料在满足这一需求的同时对环境造成了严重的负面影响，如温室气体排放和土壤、水源污染等。因此，开发绿色的可再生能源成为了全球主要大国的共识。其中，生物质尤其是具有与石化柴油相似碳链结构生物油脂的开发与利用，受到了广泛关注。生物油脂主要包括植物油、动物油脂、微藻油、以及食品加工或烹饪使用过后的餐厨废弃油、酸化油和潲水油等废弃油脂。与动植物油脂和微生物油脂相比，我国的废弃油脂资源较为丰富，每年可收集超过1000万吨。因此，将废弃油脂在催化剂的作用下与醇(甲醇或乙醇)反应，得到一代生物柴油，与传统石化柴油混合使用，对于提高我国能源安全和发展绿色能源体系具有重要的战略意义。目前，一代生物柴油主要是利用浓硫酸、盐酸和磷酸等无机酸催化剂进行酯化反应，然而，传统酸催化剂具有强腐蚀性，对生产设备和环境构成风险。同时，该类型酸催化剂在回收和再利用方面面临诸多挑战。 发明内容[0003] 为解决现有技术的不足，本发明提供了一种利用废弃油脂制备一代生物柴油的装置系统。该生产系统以废弃油脂为原料，以酸性离子液体为预酯化催化剂，能够实现液体酸催化剂的高效循环，降低设备腐蚀，提高产品收率，过程高效稳定。 [0004] 本发明采用如下技术方案： [0005] 一种利用废弃油脂制备一代生物柴油的装置系统，包括预酯化反应器、液液分离器、第一甲醇回收塔、酯交换反应器、水洗塔和生物柴油精制塔；所述预酯化反应器上设有原料进口、第一催化剂进口和第一甲醇进口，所述原料进口与外部的废弃油脂供应机构连通，用于为所述预酯化反应器提供废弃油脂，所述的第一催化剂进口和第一甲醇进口分别与外部的催化剂和甲醇供应机构连通，分别用于为所述预酯化反应器提供液体酸催化剂和甲醇；所述预酯化反应器的出口与所述液液分离器的进口连通，所述液液分离器的出口分两路，分别为第一有机相出口和第一水相出口，所述有机相出口与所述第一甲醇回收塔的进口连通，用于将预酯化后分离出的有机相混合物送入所述第一甲醇回收塔进行分离；所述第一甲醇回收塔上的第二有机相出口与所述酯交换反应器进口连通，用于将在所述第一甲醇回收塔内分离出甲醇后的有机相通入所述酯交换反应器进行转酯交换反应，所述酯交换反应器上设有第二催化剂进口和第二甲醇进口，所述的第二催化剂进口和第二甲醇进口分别与外部的催化剂和甲醇供应机构连通，分别用于为所述酯交换反应器提供碱催化剂和甲醇；所述酯交换反应器的出口与所述水洗塔的进口连通，所述水洗塔的出口分两路，分别为第三有机相出口和第二水相出口，所述第三有机相出口与所述生物柴油精制塔的进口连通，用于将在转酯化后经所述水洗塔水洗分离出的有机相通入所述生物柴油精制塔。 [0006] 优选地，所述的预酯化反应器和液液分离器之间还设有过滤器，所述预酯化反应器的出口与所述过滤器进口连通，所述过滤器上过滤掉废渣后的物料出口与所述液液分离器的进口连通。 [0007] 优选地，所述的水洗塔和生物柴油精制塔之间还设有干燥塔，所述水洗塔的第三有机相出口与所述干燥塔进口连通，所述干燥塔的出口与所述生物柴油精制塔的进口连通。 [0008] 优选地，所述系统还包括第二甲醇回收塔和第一甲醇精制塔，所述第一水相出口与所述第二甲醇回收塔的进口连通，用于将预酯化后分离出的水相混合物送入所述第二甲醇回收塔进行分离，所述第二甲醇回收塔上设有第二甲醇出口和催化剂出口，所述催化剂出口与外部的催化剂收集机构连通，用于液体催化剂的循环利用，所述第二甲醇出口与所述第一甲醇精制塔的进口连通，用于将在所述第二甲醇回收塔内分离出液体催化剂后的甲醇混合物通入所述第一甲醇精制塔，所述第一甲醇精制塔的出口分两路，一路与外部的甲醇回收机构连通，另一路与外部的废水收集机构连通。 [0009] 更优地，所述第一甲醇回收塔上还设有第一甲醇出口，所述第一甲醇出口与所述第一甲醇精制塔的进口连通。 [0010] 优选地，所述系统还包括中和罐、第三甲醇回收塔和第二甲醇精制塔，所述第二水相出口与所述中和罐的进口连通，与自所述中和罐上的酸液入口通入所述中和罐内的磷酸进行中和；所述中和罐的出口与所述第三甲醇回收塔的进口连通，所述第三甲醇回收塔上设有第三甲醇出口，所述第三甲醇出口与所述第二甲醇精制塔的进口连通，用于将在所述第三甲醇回收塔内分离出废水后的甲醇混合物通入所述甲醇精制塔进一步脱废，所述第二甲醇精制塔的出口分两路，一路与外部的甲醇回收机构连通，另一路与外部的废水收集机构连通。 [0011] 自所述原料进口加入的废弃油脂为酸化油、潲水油、餐厨废弃油中的一种或多种混合物。 [0012] 自所述第一催化剂进口加入的液体酸催化剂为咪唑硫酸氢盐离子液体、N‑烷基铵硫酸氢盐离子液体、吡啶硫酸氢盐离子液体以及吡咯硫酸氢盐离子液体中的一种或多种。 [0013] 所述预酯化反应器中加入的甲醇和废弃油脂的摩尔比为(1～10):1，以废弃油脂质量计算，加入的液体酸催化剂的用量为2～15％。 [0014] 自所述第二催化剂进口加入的酯交换用碱催化剂为LiOH、NaOH、KOH中的一种或多种。 [0015] 所述酯交换反应器中加入的醇油摩尔比为(1～10):1，以废弃油脂质量计算，加入的碱催化剂用量为1～10％。 [0017] 优选地，所述液液分离器为层析器，其操作温度为50～100℃，操作压力为0.1～1MPa，分液时间为0.1～1h。 [0018] 所述酯交换反应器的酯交换反应温度为50～150℃，反应时间为0.5～10h，操作压力为0.1～1MPa。 [0019] 优选地，所述生物柴油精制塔为减压精馏塔，其塔顶操作温度为100～300℃，操作压力为0.5～2.0kPa。 [0020] 所述过滤器的操作温度为50～100℃。 [0021] 所述的第一甲醇回收塔、第二甲醇回收塔和第三甲醇回收塔的操作温度为50～100℃，操作压力为0.1～1.0MPa。 [0022] 优选地，所述第一甲醇精制塔和第二甲醇精制塔均为常压精馏塔，其塔顶操作温度为67～75℃，操作压力为0.1～0.15MPa。 [0023] 所述中和罐的操作温度为50～70℃，操作时间为0.5～2h。 [0025] 本发明技术方案，具有如下优点： [0026] A、本发明工艺系统可靠，原料适应性强，可用于处理各种品质较差的废弃油脂，生产高品质一代生物柴油；本系统预酯化和转酯化效率高(可达95％以上)。 [0028] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0029] 图1为本发明利用废弃油脂制备一代生物柴油的装置系统结构示意图。 [0030] 图中标识如下： [0031] 1‑预酯化反应器，11‑原料进口，12‑第一催化剂进口，13‑第一甲醇进口；2‑过滤器；3‑液液分离器，31‑第一有机相出口，32‑第一水相出口；4‑第一甲醇回收塔，41‑第二有机相出口，42‑第一甲醇出口；5‑第二甲醇回收塔，51‑第二甲醇出口，52‑催化剂出口；6‑酯交换反应器，61‑第二催化剂进口，62‑第二甲醇进口；7‑第一甲醇精制塔；8‑水洗塔，81‑第三有机相出口，82‑第二水相出口，83‑加水口；9‑干燥塔；10‑生物柴油精制塔；20‑中和罐，201‑酸液入口；30‑第三甲醇回收塔，301‑第三甲醇出口；40‑第二甲醇精制塔。 具体实施方式[0032] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0033] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。 [0034] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0035] 如图1所示，本发明提供了一种利用废弃油脂制备一代生物柴油的装置系统，包括预酯化反应器1、液液分离器3、第一甲醇回收塔4、酯交换反应器6、水洗塔8和生物柴油精制塔10，预酯化反应器1上设有原料进口11、第一催化剂进口12和第一甲醇进口13，原料进口11与外部的废弃油脂供应机构连通，用于为预酯化反应器1提供废弃油脂，第一催化剂进口 12和第一甲醇进口13分别与外部的催化剂和甲醇供应机构连通，分别用于为预酯化反应器 1提供液体酸催化剂和甲醇；预酯化反应器1的出口与液液分离器3的进口连通，液液分离器 3的出口分两路，分别为第一有机相出口31和第一水相出口32，有机相出口31与第一甲醇回收塔4的进口连通，用于将预酯化后分离出的有机相混合物送入第一甲醇回收塔4进行分离；第一甲醇回收塔4上的第二有机相出口41与酯交换反应器6进口连通，用于将在第一甲醇回收塔4内分离出甲醇后的有机相通入酯交换反应器6进行转酯交换反应，酯交换反应器 6上设有第二催化剂进口61和第二甲醇进口62，第二催化剂进口61和第二甲醇进口62分别与外部的催化剂和甲醇供应机构连通，分别用于为酯交换反应器6提供碱催化剂和甲醇；酯交换反应器6的出口与水洗塔8的进口连通，水洗塔8的出口分两路，分别为第三有机相出口 81和第二水相出口82，第三有机相出口81与生物柴油精制塔10的进口连通，用于将在转酯化后经水洗塔8水洗分离出的有机相通入生物柴油精制塔10，生物柴油精制塔10的出口与外部的一代生物柴油收集装置连通，将通过生物柴油精制塔10产出的一代生物柴油收集。 本发明中自原料进口11加入到预酯化反应器1中的废弃油脂可为酸化油、潲水油、餐厨废弃油中的一种或多种，自第一催化剂进口12加入的液体酸催化剂为咪唑硫酸氢盐离子液体、N‑烷基铵硫酸氢盐离子液体、吡啶硫酸氢盐离子液体以及吡咯硫酸氢盐离子液体中的一种或多种。预酯化反应器1中加入的甲醇和废弃油脂的摩尔比为(1～10):1，以废弃油脂质量计算，加入的液体酸催化剂的用量为2～15％。自第二催化剂进口61加入到酯交换反应器6的酯交换用碱催化剂为LiOH、NaOH、KOH中的一种或多种；酯交换反应器6中加入的醇油摩尔比为(1～10):1，以废弃油脂质量计算，加入的碱催化剂用量为1～10％。 [0036] 进一步地，在预酯化反应器1和液液分离器3之间还设有过滤器2，预酯化反应器1的出口与过滤器2进口连通，过滤器2上过滤掉废渣后的物料出口与液液分离器3的进口连通。水洗塔8和生物柴油精制塔10之间还设有干燥塔9，水洗塔8的第三有机相出口81与干燥塔9进口连通，干燥塔9的出口与生物柴油精制塔10的进口连通。 [0037] 所述系统还包括第二甲醇回收塔5和第一甲醇精制塔7，第一水相出口32与第二甲醇回收塔5的进口连通，用于将预酯化后分离出的水相混合物送入第二甲醇回收塔5进行分离，第二甲醇回收塔5上设有第二甲醇出口51和催化剂出口52，催化剂出口52与外部的催化剂收集机构连通，用于液体催化剂的循环利用，第二甲醇出口51与第一甲醇精制塔7的进口连通，用于将在第二甲醇回收塔5内分离出液体催化剂后的甲醇混合物通入第一甲醇精制塔7，第一甲醇精制塔7的出口分两路，一路与外部的甲醇回收机构连通，另一路与外部的废水收集机构连通。第一甲醇回收塔4上还设有第一甲醇出口42，第一甲醇出口42与第一甲醇精制塔7的进口连通。 [0038] 另外，所述系统还包括中和罐20、第三甲醇回收塔30和第二甲醇精制塔40，第二水相出口82与中和罐20的进口连通，与自中和罐20上的酸液入口201通入中和罐20内的磷酸进行中和；中和罐20的出口与第三甲醇回收塔30的进口连通，第三甲醇回收塔30上设有第三甲醇出口301，第三甲醇出口301与第二甲醇精制塔40的进口连通，用于将在第三甲醇回收塔30内分离出废水后的甲醇混合物通入第一甲醇精制塔7进一步脱废，第二甲醇精制塔40的出口分两路，一路与外部的甲醇回收机构连通，另一路与外部的废水收集机构连通。 [0039] 本发明中，预酯化反应器1的预酯化反应温度为50～120℃，反应时间为0.5～5h，操作压力为0.1～1MPa；过滤器2的操作温度为50～100℃；液液分离器3为层析器，其操作温度为50～100℃，操作压力为0.1～1MPa，分液时间为0.1～1h；第一甲醇回收塔4、第二甲醇回收塔5和第三甲醇回收塔30的操作温度为50～100℃，操作压力为0.1～1.0MPa；酯交换反应器6的酯交换反应温度为50～150℃，反应时间为0.5～10h，操作压力为0.1～1MPa；第一甲醇精制塔7和第二甲醇精制塔40均为常压精馏塔，其塔顶操作温度为67～75℃，操作压力为0.1～0.15MPa；干燥塔9中的干燥剂为活性炭、分子筛和硅胶中的一种或几种生物柴油精制塔10为减压精馏塔，其塔顶操作温度为100～300℃，操作压力为0.5～2.0kPa；中和罐20的操作温度为50～70℃，操作时间为0.5～2h。 [0041] S1、将废弃油脂与甲醇和N‑甲基吡啶硫酸氢盐离子液体混合后于预酯化反应器中进行酯化反应。其中，离子液体催化剂的用量为5％(以废弃油脂质量计算)，醇油摩尔比为2:1，反应温度为75℃，反应时间3.0h，反应器的操作压力为0.15MPa。预酯化后的混合液经过滤器(操作温度为50℃)滤去废渣。 [0042] S2、预酯化后的混合液与去离子水按照1:2混合后经过液液分离器(操作温度为60℃，分液时间为0.5h)分成有机相I和水相I，有机相I进入第一甲醇回收塔分离得到预酯化产物和粗甲醇，回收塔的操作温度为60℃，操作压力为0.2MPa。利用KOH滴定法测定油脂的酸值，并计算出废弃油脂中游离脂肪酸的转化率为96％。 [0043] S3、水相I进入第二甲醇回收塔回收液体催化剂和粗甲醇，回收塔的操作温度为80℃，操作压力为0.1MPa。第一甲醇回收塔和第二甲醇回收塔得到的粗甲醇通入第一甲醇精制塔进一步纯化，操作温度为70℃，操作压力为0.1MPa。 [0044] S4、预酯化产物与KOH、甲醇混合均匀后于酯交换反应器进行转酯化反应。其中，KOH的用量和醇油摩尔比分别为1.5％和3:1(以废弃油脂质量计算)，反应温度为70℃，反应时间3h，反应器的操作压力为0.15MPa。反应后，混合液进入水洗塔分成有机相II和水相II(废弃油脂与去离子水的比例为2，操作温度为60℃)，有机相进入装填硅胶的60℃干燥塔中进行干燥，并进入生物柴油精制塔分离得到一代生物柴油产品，生物柴油精制塔的操作温度为280℃，操作压力为1kPa。利用GC‑MS对转酯化前后的脂肪酸甲酯进行准确定量，并计算出废弃油脂的转酯化效率为97％。 [0045] S5、水相II进入中和罐与磷酸进行反应，中和罐的温度为50℃，磷酸/KOH的摩尔比为0.5，反应1h。随后，混合液进入第三甲醇回收塔和第二甲醇精制塔进行甲醇的分离与纯化。其中，第三甲醇回收塔的操作温度为70℃，操作压力为0.1MPa；第二甲醇精制塔的操作温度为70℃，操作压力为0.1MPa。 [0046] 本发明工艺系统可靠，原料适应性强，可用于处理各种品质较差的废弃油脂，生产高品质一代生物柴油；本系统预酯化和转酯化效率高(可达95％以上)。本发明系统使用液体酸催化剂做为预酯化反应用催化剂，能够高效地循环利用，以及减小对设备的腐蚀，实现系统长周期稳定运行。 [0047] 本发明未述及之处适用于现有技术。 [0048] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。 |
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