一种生物柴油制备装置及制备方法

专利名称：一种生物柴油制备装置及制备方法
技术领域：
本发明涉及ー种生物柴油制备装置及制备方法。
背景技术：
随着石油资源的日益枯竭和人类对能源需求量的快速増加，世界各国都在加快开发新型可替代能源。生物柴油是ー种新型的无污染、可再生能源，具有易于生物降解、燃烧污染物排放低、温室气体排放少等优点，符合可持续发展的要求。在エ业化生产中，一般采用植物油脂为原料，通过酯交換反应制备得到生物柴油，通常采用酸、碱作为催化剂。传统的制备生物柴油的设备多采用机械搅拌反应器，混合主要靠搅拌桨来实现，以每个搅拌桨为中心，反应液体形成局部的小循环，不能使油脂和甲醇以及催化剂充分接触、混合，酷交换反应不充分，反应速度慢，效率低。目前，制约生物柴油产业发展的瓶颈在于其成本较高且效率偏低，突破该瓶颈的方法只有开发新型的低成本、高效率的生物柴油制备エ艺。
发明内容
本发明的目的在于提供ー种结合稳定磁力搅拌和超声波作用的生物柴油制备装置及利用该装置的生物柴油制备方法，具体由以下技术方案来实现
ー种生物柴油制备装置，该装置包括磁力搅拌机构、超声波酯化反应机构和液体分相器，所述磁力搅拌机构包括搅拌桶、立式圆形永磁铁、磁性离子液体储罐以及原料储罐，所述搅拌桶中部设有分层挡板，该分层挡板将搅拌桶分隔成上、下搅拌室，且分层挡板中部设有连通上、下搅拌室的通孔，所述下搅拌室底部内凹，所述立式圆形永磁铁可转动地置于该内凹处，所述原料储罐、磁性离子液体储罐分别通过管路与所述下搅拌室的下部、上部连通；所述超声波酯化反应机构包括恒温单元以及互相连接的酯化反应器和超声波发生单元，所述酯化反应器与恒温単元接触连接；所述酯化反应器的上、下部分别通过管路与所述上搅拌室、液体分相器连通。所述的生物柴油制备装置，其进ー步设计在于，所述下搅拌室底部内凹处形成内凹壁，所述内凹壁上设置有环状进料ロ ；所述原料储罐上部设有三个反应物进料ロ，其下部设有原料出料ロ，所述原料出料ロ通过一原料管路与所述环状进料ロ连通，所述原料管路外壁上套设有ー加热管。所述的生物柴油制备装置，其进ー步设计在干，所述酯化反应器为倾斜设置一支架上的管状容器，所述超声波发生单元包括依次连接的变幅杆、超声波换能器以及超声发生器，所述变幅杆与所述酯化反应器连接，将超声发生器产生的超声波变幅后传送入酯化反应器内。所述的生物柴油制备装置，其进ー步设计在干，所述恒温単元为套设在所述酯化反应器上的恒温伴热夹套。所述的生物柴油制备装置，其进ー步设计在于，所述液体分相器中部设有产物进料ロ，其上部、下部分别设有甲酯出口、甘油出口，该液体分相器内部还设有一隔流挡板，该隔流挡板包括互相连接的水平段与竖直段，所述水平段与产物进料口上部的液体分相器内壁连接，所述竖直段与所述产物进料ロ相対。所述的生物柴油制备装置，其进ー步设计在于，所述液体分相器上部呈圆柱筒体，其下部呈倒锥筒体，所述甘油出ロ位于所述倒锥筒体的下端，所述甘油出口、甲酷出口的上方均设有ー液位计，分别为重相液位计、轻相液位计。所述的生物柴油制备装置，其进ー步设计在于，所述磁性离子液体储罐通过ー离子液体管路与所述下搅拌室连通，所述原料管路、离子液体管路上均设置有一液泵和一流量计。所述的生物柴油制备装置，其进ー步设计在于，所述磁力搅拌机构还包括与所述立式圆形永磁铁驱动连接的旋转马达以及通过管路与所述下搅拌室连通的磁性离子液体回收罐。利用上述生物柴油制备装置的生物柴油制备方法，该制备方法包括如下步骤
1)、将原料植物油、甲醇以及强碱性催化剂以一定比例分别从所述原料储罐上的三个反应物进料ロ加入原料储罐形成原料混合物，在磁性离子液体储罐中加入[bmim]FeCl4离子液体；
2)、启动所述离子液体管路上的液泵将所述下搅拌室内装满步骤I所述离子液体；
3)、以一定转速转动立式圆形永磁铁，使得上述离子液体处于一定強度的旋转磁场的作用下并开始高速转动；
4)、启动所述原料管路上的液泵，自所述环状进料ロ将原料储罐内的原料混合物以ー定速度送入所述下搅拌室内，原料混合物的密度小于上述离子液体的密度，其在经高速转动的离子液体充分搅拌的同时上升进入所述上搅拌室；
5)、当上搅拌室内经过充分搅拌的原料混合物达到一定量时，将原料混合物送入所述酷化反应器内，于此同时，启动恒温单元以及超声发生器，使得原料混合物在恒温以及一定频率的超声波作用下酷化反应一定时间后生成轻相甲酯和重相甘油；
6)、将上述甲酯和甘油的混合物送入所述液体分相器中，然后将轻相的甲酯从液相液体分相器上部的甲酯出口输出收集，对所得甲酯进行蒸馏、水洗、分离、精制后得到纯净的生物柴油。所述的生物柴油制备方法，其进ー步设计在于，所述立式圆形永磁铁的转速为100-200转/分钟；所述恒温単元给酯化反应器加热使得原料混合物处于55-65°C之间的恒温下，所述超声波发生器的功率为150-250W，产生的超声波频率为30-90HZ ;所述旋转磁场的强度为5000-7000奥斯特；所述甲醇和原料油的摩尔比为4:1-8:1 ;所述强碱性催化剂为KOH或者NaOH，其与原料油的质量比为0. 2:100-1:100。本发明具有的有益效果是
(I)本发明综合了磁力搅拌作用和超声波高频振荡作用，借助磁性等离子体液体在外加旋转磁场下的自旋作用，对原料油、甲醇和催化剂进行充分混合，并利用反应物比重小于磁性离子液体而自动分层实现静置提取。提取后的反应物在超声波高频振荡和空化作用下，酯化反应得到加強，生物柴油制备速度得到提高。(2)本发明的装置保证了旋转磁力搅拌对原料油、甲醇和催化剂的混合作用，并在充分混合的基础上实现静置提取；同时倾斜放置的反应器确保超声波高频振荡作用的有效性。(3)本发明的装置结构简单，易于安装、检修。(4)该方法具有能耗低、混合好、传质传热效率高的优点，可加快生物柴油制备时的反应速度，提高原料转化率，实现低成本、高产量。


附图1是本发明的生物柴油制备方法专用装置的结构示意图。图中标号名称1_磁力搅拌机构、2-原料储罐、3-磁性离子液体储罐、4-搅拌桶、
4.1-分层挡板、4. 2-上搅拌室、4. 3-下搅拌室、4. 4-通孔、4. 5环状进料ロ、5-混合物液位计、6-恒温伴热夹套、7-酷化反应器、8-变幅杆、9-超声波换能器、10-超声发生器、11-甲酷出口、12-轻相液位计、13-重相液位计、14-甘油出口、15-隔流挡板、16-液体分相器、17-磁性离子液体回收罐、18-旋转马达、19-立式圆形永磁铁、20-加热管、21-超声波酯化反应机构。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施例对本发明作进ー步详细说明。结合说明书附1，该生物柴油制备装置，包括磁力搅拌机构1、超声波酯化反应机构21和液体分相器16，磁力搅拌机构I包括搅拌桶4、立式圆形永磁铁19、磁性离子液体储罐3以及原料储罐2，搅拌桶4中部设有分层挡板4. 1，分层挡板4.1将搅拌桶分隔成上、下搅拌室，且分层挡板中部设有连通上、下搅拌室的通孔4. 4，下搅拌室底部内凹形成一圓柱状空腔4. 41，立式圆形永磁铁可转动地置于该内凹处并且与旋转马达18连接，下搅拌室4. 3底部内凹处形成 内凹壁，内凹壁上设置有环状进料ロ 4. 5 ;原料储罐2上部设有三个反应物进料ロ 2. 2，其下部设有原料出料ロ 2. 3，原料出料ロ 2. 3通过原料管路2.1与环状进料ロ 4. 5连通，原料管路2.1外壁上套设有加热管20，磁性离子液体储罐3通过离子液体管路3.1与下搅拌室连通，原料管路、离子液体管路上均设置有ー液泵231和一流量计232。下搅拌室还通过管路与磁性离子液体回收罐17连通。超声波酯化反应机构21包括恒温单元以及互相连接的酯化反应器7和超声波发生単元，酷化反应器7与恒温単元接触连接，通过恒温単元为酯化反应器提供恒定的反应温度环境，恒温単元为套设在酯化反应器上的恒温伴热夹套6。酯化反应器的上、下部分别通过管路与上搅拌室4. 2的混合物出料ロ 4. 21、液体分相器16连通。上搅拌室位于混合物出料ロ 4. 21的上方位置设置有混合物液位计5。酷化反应器为倾斜5-10°设置在一支架(图中未画出)上的管状容器，超声波发生单元包括依次连接的变幅杆8、超声波换能器9以及超声发生器10，变幅杆与酯化反应器连接，将超声发生器产生的超声波扩大振动幅度后传送入酯化反应器内。液体分相器16上部呈圆柱筒体，其下部呈倒锥筒体，液体分相器中部设有产物进料ロ 161，其上部设有甲酷出口 11，倒锥筒体的下端设有甘油出口 14，甘油出口、甲酷出口的上方均设有ー液位计，分别为重相液位计13、轻相液位计12。该液体分相器内部还设有隔流挡板15，该隔流挡板包括互相连接的水平段151与竖直段152，水平段151与产物进料口上部的液体分相器内壁连接，竖直段152与产物进料ロ 161相対。磁力搅拌机构21、超声波酯化反应机构22和液体分相器23相互之间的连通管路上都设有单向阀。液体分相器22中的甲酯出口 11和甘油出口 14处都设有单向阀。原料植物油如海滨锦葵油或大豆与甲醇在一定温度和一定強度的超声波作用下经强碱性催化剂如KOH、NaOH的催化作用生成相应甲酯和甘油的混合物。此为生物柴油制备领域现有知识，本发明涉及的生物柴油的制备方法的特征在于利用了本发明提供的生物柴油制备装置，因此通过一个实施例对本发明提供的生物柴油制备方法进行说明。利用上述装置的生物柴油制备过程如下
I)取海滨锦葵油或大豆油作为原料油，原料油通过超临界C02流体萃取得到，油脂含水量0. 15%，从原料储罐上的三个反应物进料ロ 2. 2按照甲醇和原料油的摩尔比5 :1 (4:1-8:1之间任意比例均可)以及强碱性催化剂(取分析纯K0H)和原料油的质量比
0.5:100 (0. 2:100-1:100之间任意比例均可)的技术要求分别向原料储罐内加入对应分量的原料油、甲醇以及分析纯K0H，在原料储罐内形成原料混合物；在磁性离子液体储罐中加入[bmim]FeC14离子液体。2)、启动所述离子液体管路上的液泵将所述下搅拌室内装满上述[bmim]FeC14离子液体；
3)、以100-200转/分钟(如150转/分钟)转速转动立式圆形永磁铁，使得上述离子液体处于5000-7000奥斯特(如6000奥斯特)强度的旋转磁场的作用下并开始高速转动；
4)、启动所述原料管路上的液泵，自所述环状进料ロ将原料储罐内的原料混合物以I升/分钟的速度较缓慢地送入所述下搅拌室内，同时加热管20通电发热给进入下搅拌室的原料混合物进行预热；原料混 合物的密度小于上述离子液体的密度，原料混合物的供给流速较慢，其在经高速转动的离子液体充分搅拌的同时上升进入所述上搅拌室；
5)、当上搅拌室内经过充分搅拌的原料混合物达到一定量吋，混合物液位计5产生相应读数，此时关停原料管路上的液泵将原料混合物通过混合物出料ロ 4. 21送入所述酯化反应器7内，于此同时，启动恒温单元以及超声发生器，使得原料混合物在温度在50-65°C之间的恒温下(如60°C恒温)，并设定超声发生器的功率为200W(150-250W之间的任意功率即可)，输出频率为30Hz (同样，超声波频率可取20-90HZ之间的任意频率)的超声波，酷化反应器内的经过充分搅拌的原料油和甲醇在强碱性催化剂、恒定温度以及超声波的作用下进行酯化反应，酷化反应十分钟后生成轻相的甲酯和重相的甘油；
6)、将上述含有甲酯和甘油的产物混合物送入所述液体分相器中，上述产物混合物受到隔流挡板15的阻碍，其流入液体分相器的水平冲カ被抵消，甲酯跟甘油的混合物自然分层，轻相的甲酯浮于重相的甘油之上，然后将轻相的甲酯从液相液体分相器上部的甲酯出ロ输出收集，对所得甲酯进行蒸馏、水洗、分离、精制后得到纯净的甲醇即生物柴油。[bmim]FeC14离子液体可通过磁性离子液体回收罐17进行回收处理后重复使用，提高了使用效率，进ー步节省了成本。本发明综合了磁力搅拌作用和超声波高频振荡作用，借助磁性等离子体液体在外加旋转磁场下的自旋作用，对原料油、甲醇和催化剂进行充分混合，并利用反应物比重小于磁性离子液体而自动分层实现静置提取。提取后的反应物在超声波高频振荡和空化作用下，酷化反应得到加强，生物柴油制备速度得到提高。本发明的装置保证了旋转磁力搅拌对原料油、甲醇和催化剂的混合作用，并在充分混合的基础上实现静置提取；同时倾斜放置的反应器确保超声波高频振荡作用的有效性。本发明的装置结构简单，易于安装、检修。该方法具有能耗低、混合好、传质传热效率高的优点，可加快生物柴油制备时的反应速度，提高原料转 化率，实现低成本、高产量。
权利要求
1.ー种生物柴油制备装置，其特征在于，该装置包括磁力搅拌机构、超声波酯化反应机构和液体分相器，所述磁力搅拌机构包括搅拌桶、立式圆形永磁铁、磁性离子液体储罐以及原料储罐，所述搅拌桶中部设有分层挡板，该分层挡板将搅拌桶分隔成上、下搅拌室，且分层挡板中部设有连通上、下搅拌室的通孔，所述下搅拌室底部内凹，所述立式圆形永磁铁可转动地置于该内凹处，所述原料储罐、磁性离子液体储罐分别通过管路与所述下搅拌室的下部、上部连通；所述超声波酯化反应机构包括恒温单元以及互相连接的酯化反应器和超声波发生单元，所述酯化反应器与恒温単元接触连接；所述酯化反应器的上、下部分别通过管路与所述上搅拌室、液体分相器连通。
2.根据权利要求1所述的生物柴油制备装置，其特征在于，所述下搅拌室底部内凹处形成内凹壁，所述内凹壁上设置有环状进料ロ ；所述原料储罐上部设有三个反应物进料ロ，其下部设有原料出料ロ，所述原料出料ロ通过一原料管路与所述环状进料ロ连通，所述原料管路外壁上套设有一加热管。
3.根据权利要求2所述的生物柴油制备装置，其特征在干，所述酯化反应器为倾斜设置一支架上的管状容器，所述超声波发生单元包括依次连接的变幅杆、超声波换能器以及超声发生器，所述变幅杆与所述酯化反应器连接，将超声发生器产生的超声波变幅后传送入酯化反应器内。
4.根据权利要求3所述的生物柴油制备装置，其特征在干，所述恒温単元为套设在所述酯化反应器上的恒温伴热夹套。
5.根据权利要求3所述的生物柴油制备装置，其特征在于，所述液体分相器中部设有产物进料ロ，其上部、下部分别设有甲酯出ロ、甘油出口，该液体分相器内部还设有ー隔流挡板，该隔流挡板包括互相连接的水平段与竖直段，所述水平段与产物进料口上部的液体分相器内壁连接，所述竖直段与所述产物进料ロ相対。
6.根据权利要求5所述的生物柴油制备装置，其特征在于，所述液体分相器上部呈圆柱筒体，其下部呈倒锥筒体，所述甘油出口位于所述倒锥筒体的下端，所述甘油出口、甲酷出口的上部均设有ー液位计，分别为重相液位计、轻相液位计。
7.根据权利要求2所述的生物柴油制备装置，其特征在于，所述磁性离子液体储罐通过ー离子液体管路与所述下搅拌室连通，所述原料管路、离子液体管路上均设置有ー液泵和一流量计。
8.根据权利要求1所述的生物柴油制备装置，其特征在于，所述磁力搅拌机构还包括与所述立式圆形永磁铁驱动连接的磁力马达以及通过管路与所述下搅拌室连通的磁性离子液体回收罐。
9.如权利要求1-8中所述的生物柴油制备装置的生物柴油制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤 1)、将原料植物油、甲醇以及强碱性催化剂以一定比例分别从所述原料储罐上的三个反应物进料ロ加入原料储罐形成原料混合物，在磁性离子液体储罐中加入[bmim]FeCl4离子液体； 2)、启动所述离子液体管路上的液泵将所述下搅拌室内装满步骤I所述离子液体； 3)、以一定转速转动立式圆形永磁铁，使得上述离子液体处于一定強度的旋转磁场的作用下并开始高速转动；4)、启动所述原料管路上的液泵，自所述环状进料ロ将原料储罐内的原料混合物以ー定速度送入所述下搅拌室内，原料混合物的密度小于上述离子液体的密度，其在经高速转动的离子液体充分搅拌的同时上升进入所述上搅拌室； 5)、当上搅拌室内经过充分搅拌的原料混合物达到一定量时，将原料混合物送入所述酷化反应器内，于此同时，启动恒温单元以及超声发生器，使得原料混合物在恒温以及一定频率的超声波作用下酷化反应一定时间后生成轻相甲酯和重相甘油； 6)、将上述甲酯和甘油的混合物送入所述液相分离器中，然后将轻相的甲酯从液相分离器上部的甲酯出口输出收集，对所得甲酯进行蒸馏、水洗、分离、精制后得到纯净的生物柴油。
10.根据权利要求9所述的生物柴油制备方法，其特征在于，所述恒温単元给酯化反应器加热使得原料混合物处于55-65°C之间的恒温下，所述超声波发生器的功率为150-250W，产生的超声波频率为30-90HZ ;所述旋转磁场的强度为5000-7000奥斯特；所述甲醇和原料油的摩尔比为4:1-8:1 ;所述强碱性催化剂为KOH或者NaOH，其与原料油的质量比为 0. 2:100-1:100。
全文摘要
本发明涉及一种生物柴油制备装置及制备方法，装置包括磁力搅拌机构、超声波酯化反应机构和液体分相器，磁力搅拌机构包括搅拌桶、立式圆形永磁铁、磁性离子液体储罐以及原料储罐，搅拌桶中部设有分层挡板将搅拌桶分隔成上、下搅拌室，下搅拌室底部内凹，立式圆形永磁铁可转动地置于该内凹处，原料储罐、磁性离子液体储罐分别通过管路与下搅拌室的下部、上部连通；超声波酯化反应机构包括互相连接的酯化反应器和超声波发生单元，酯化反应器的上、下部分别通过管路与上搅拌室、液体分相器连通。本发明综合了磁力搅拌作用和超声波高频振荡作用，对原料油、甲醇和催化剂进行充分混合后在超声波作用下，酯化反应得到加强，提高了生物柴油制备速度。
文档编号B01J19/12GK103060098SQ20131000325
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月6日 优先权日2012年12月31日
发明者张华 , 袁银男, 倪红军 申请人:南通大学