空化与光催化一体的生物柴油合成强化装置

本发明涉及一种用于强化生物柴油合成的装置，属于生物柴油合成领域。

背景技术：

传统柴油的使用加剧了温室效应和大气污染，而且传统柴油是不可持续能源。利用空化技术强化由植物油或非食用油或动物脂肪合成生物柴油是一种绿色、高效、可行的方法。

超声波会引起空化，随后的气泡破裂为声化学提供了能量来源。然而，由于超声换能器驱动的声化学过程是非线性的，因此放大这些过程并不是一项简单的任务，需要合理布置换能器的位置。在流动系统中实现空化的另一种方法是水力空化技术。水力空化技术发展了新的反应器的设计，使反应物更好地混合，以有效地促进传质和传热。

对于多相体系，如油-甲醇，其形成不混溶的反应混合物，超声波的使用通常会导致乳化作用的改善和液滴尺寸的减小。因此超声波被证明是通过甘油三酯(来源于植物或动物)与甲醇的反应制备生物柴油(脂肪酸甲酯—fame)的一个非常好的工具。超声波空化已应用于大豆油、动物脂肪、麻疯树油、棕榈油等多种原料的酯交换反应。通过空化和湍流混合产生大规模乳化的替代方法包括水力空化，这种空化可以通过使用文丘里管式装置或转子-定子式发电机产生，气泡崩塌产生的高湍流度有助于这种过程中的传质。水力空化会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体(如水和油)发生乳化，且加速溶质的溶解，加速化学反应，利用水力空化能够有效进行生物柴油的制备。

cn110846136a公开了一种用棉籽油制备生物柴油的方法，采用有机碱为催化剂，一步法进行酯交换反应，生产生物柴油，将空化设备、超声波反应器或二级以上空化设备、超声波反应器串联，强化反应过程。该方法的各个空化设备相互分离，未形成有效协同，制备流程较复杂且制备效率不高。

技术实现要素：

本发明中针对现有生物柴油合成技术存在的不足，提供一种合成效率高、效果好的的生物柴油合成强化，利用空化技术强化甘油三酯与甲醇的反应制备生物柴油。

本发明的空化与光催化一体的生物柴油合成强化装置，采用以下技术方案：

该装置，包括定子、转子、转轴、紫外线发射器、超声波换能器和催化剂注入装置，定子为密封筒体，定子内壁上分布有超声换能器，定子上设置有紫外线发射器，定子上相对两侧分别设置有出料口和进料口，进料口一侧连接催化剂注入装置，转轴安装在定子中，转子处于定子中并安装在转轴上，转子上分布有叶片，叶片内带有空腔，叶片中在空腔的两侧分布有空化通孔。

所述催化剂注入装置包括依次连接的催化剂输送管、催化剂泵和催化剂仓，催化剂仓内放置tio2催化剂，tio2催化剂由催化剂泵通过催化剂输送管输注入定子内，注入浓度为1.5～3.5mg/l。

所述超声波换能器等间距地沿轴向与周向嵌入于定子内壁，每圈2～8个，共2～6圈。

所述超声波换能器与超声波发生器连接，超声波发生器频率为30～60khz，单机功率为1500～3000w。

所述紫外线发生器以圆周阵列、等角度均分的形式嵌入在定子的侧面，每侧共有2～12个，单机功率为15～100w；两侧的紫外线发生器数量相等，一一对应。

所述进料口和出料口对角设置，以防止产生短流现象。所述进料口的进料流量为1.5～4.5m³/h。

所述转轴的转速为4000～4500r/min，所述转子在转轴上等距分布有2～6个。

所述叶片在转子上分布4～10个，

所述定子内径为300～600mm，定子宽度为200～500mm，壁厚度为15～40mm。所述叶片长为50～200mm，宽度为30～60mm，厚度为20～40mm。定子两侧呈锥形，以提高空化效果及紫外线照射效果。

所述定子内部的反应温度为50～80℃(升温来自于空化现象的热效应)。

所述空化通孔的轴线与转子的转动切线方向一致，而不是与转子的轴向一致。

所述空化通孔为文丘里形结构，两端分别为出口和入口，中部为喉部，出口和入口内径为1～6mm，喉部内径为0.4～1mm；收缩角为35～50°，扩张角为8～15°。所述空化通孔在叶片空腔两侧呈4～10排，3～10列的矩形阵列排布。所述空化通孔在叶片空腔两侧相对设置，两两对正。所述空化通孔内壁的表面粗糙度ra小于1.6mm。

为保证空化现象的形成并高效地实现生物柴油制备工艺，上述结构与工艺参数均由实际制备实验所得。

本发明所述装置采用旋转空化技术，创新地通过转轴高速旋转带动转子，使流体流通过转子上的文丘里形空化通孔高效生成空化气泡。当静压力恢复时空化气泡溃灭并释放出巨大的能量。该能量表现为最高可达5000k的局部热点，1000bar的高压，伴随着威力巨大的冲击波和高速微射流(150m/s)，从而使甘油三酯与甲醇发生乳化且加速溶质的溶解，还可通过高温高压环境加速酯交换反应速度，以达到强化制备生物柴油的目的。在水力空化效应作用的同时耦合超声波，可大大增强空泡溃灭时产生的能量，提高上述过程的强度。此外，空化效应可不间断冲洗光催化剂表面，使光催化剂保持较高的光催化性能。因此，上述三者的耦合使用可获得远高于单独使用时制备效果的总和。

将葵花籽油(甘油三酯)和甲醇溶液(溶入naoh溶液中)分别输送到上述装置的定子中，并通过催化剂输送管将tio2催化剂输送至定子中，在紫外线发射器的照射下对实现葵花籽油和甲醇混合液的乳化，与此同时，通过水力及超声空化反应，实现混合液的进一步乳化，以实现fame的制备，最终得到生物柴油。

本发明通过强化生物柴油制备实验，在上述结构及以下工况下：定子的内径为400mm，定子的宽度为340mm，壁厚度为30mm；叶片长为130mm，宽度为60mm，厚度为30mm；文丘里形孔的出口和入口内径为6mm，中央喉部内径为0.7mm,收缩角为45°，扩张角为11°；叶片上的文丘里形孔呈5×4矩形阵列排布；超声波换能器每排4个，共6排；超声波发生器为2个，单机功率为2000w；紫外线发射器单侧共有7个，单机功率为45w；获得如下结论：在转速4500rpm，流量为2.6m³/h，超声波频率40khz，反应温度75℃条件下，以废大豆煎炸油(5l)作为原料，添加甲醇(油醇比1：6)和碱催化剂koh(浓度为1wt.％)，单独使用水力空化200秒内fame的转化率为76wt.％；而利用该装置耦合水力空化、超声空化及光催化技术，100秒内则其转化率可达99wt.％，以可见该工艺流程对生物柴油制备过程高效且环保。

本发明具有以下特点：

1.本发明所述装置结合水力空化、超声空化技术与光催化技术，远远比单独使用水力空化、超声空化或光催化的方法效率高(可提高3～4倍以上)，具有高效性，且此方法的生物柴油制备量大，可连续作业；

2.本发明所述装置转子内空化通孔为文丘里形结构，叶片两端的文丘里形空化通孔两两对正，以在不改变叶片数量的前提下实现两次连续空化过程，使空化效果倍增，空化效率远高于传统装置；

3.本发明所述装置转子空化通孔内壁的表面粗糙度ra小于1.6mm，有利于强化空化初生效应，进而提高空化效率(较未经精加工空化通孔空化效率可提高20％以上)；

4.本发明所述装置采用多转子对称分布，每个转子叶片上开设阵列文丘里形孔，并在定子内壁设置加超声波换能器与紫外线发射器，较传统空化器极大地提高了水力空化的处理效率；

5.本发明所述装置可放大性强，可根据处理需求改变超声波反应器与水力空化反应器的尺寸，更换大功率动力装置即可满足更大生物柴油制备量的需求；

6.本发明所述装置高效耦合了水力空化、超声空化与光催化技术，一体化设备大大简化了整个工艺流程；

7.本发明所述装置运转过程中，水力空化反应器的定子、转子表面周期性被空化清洗，具有自清洁功能；

8.本发明所述装置结构简单、适应性强、操作方便、安全可靠且便于维修；

9.本发明所述装置不局限于制备生物柴油，对于其他类型的生物燃料制备也预计拥有良好的处理效果；

10.本发明所述装置使用的光催化剂不局限于tio2，使用其他类型的光催化剂也预计拥有良好的处理效果；

11.本发明所述装置的结构与工艺参数均由实际制备实验所得。

附图说明

图1是本发明空化与光催化一体的生物柴油合成强化装置的结构示意图。

图2是本发明中的定子和转子截面示意图。

图3是本发明中的定子、转轴及紫外线发射器的截面示意图。

图4是本发明中转子结构示意图。

图5是本发明的工艺流程示意图。

图中：1.进料管，2.楔键，3.机械密封，4.转轴，5.角接触球轴承，6.密封端盖，7.密封盖，8.定子，9.垫圈，10.超声波换能器，11.超声波发生器，12.催化剂仓，13.空化通孔，14.转子，15.催化剂输送管，16.催化剂泵，17.紫外线发射器，18.控制阀，19.出料口，20.叶片，21.空腔，22.电磁阀，23.电磁阀，24.本发明装置，25.葵花籽油罐，26.甲醇罐。

具体实施方式

本发明空化与光催化一体的生物柴油合成强化装置，如图1和图2所示，包括定子8、转子14、转轴4、紫外线发射器17、超声波换能器10和催化剂注入装置。催化剂注入装置连接在定子一侧，包括依次连接的催化剂输送管15、催化剂泵16和催化剂仓12。催化剂仓12内放置tio2催化剂，tio2在催化剂泵16的控制下通过催化剂输送管15进入定子8内，浓度为1.5～3.5mg/l，使得葵花籽油(甘油三酯)和甲醇的混合物被充分乳化，进而制备生物柴油。

定子8为空心密封回转体，有两个半壳围合而成，中部连接处通过螺栓连接，连接处有密封垫圈。两个半壳的外侧呈锥形。定子8相对的两侧设置角接触球轴承5，轴承外部设有密封盖7，密封盖7上连接密封端盖6，且连接处有密封圈，形成密封结构。

定子8内壁上装有超声换能器10。超声波换能器等间距地沿轴向与周向嵌入于定子内壁，每圈2～8个，共2～6圈。各个超声波换能器10均与超声波发生器11连接。超声波发生器11数量为1～4个，频率为30～60khz，单机功率为1500～3000w。耦合超声波后，可使大大增强空泡溃灭时产生的能量，促进羟自由基的生成，促进乳化效果。

定子8上设置有紫外线发射器17，参见图3，紫外线发生器17以圆周阵列、等角度均分的形式嵌入在定子8的侧面，每侧共有2～12个，单机功率为15～100w，通过密封结构进行固定；两侧的紫外线发生器数量相等，一一对应，可保证定子1中不同区域所受光照强度相同，使得光催化反应能够高效进行，从而最大限度地进行生物柴油制备。

定子8的一侧下部设置出料口18，相对一侧上部设置有进料口1。进料口1和出料口19对角设置，以防止产生短流现象。进料口1与出料口19分别与控制阀18相连，用于控制流量。进料口的进料流量为1.5～4.5m³/h。定子8上在进料口1的一侧连接催化剂输送管15。由于空泡溃灭持续产热，定子内部反应温度为50～80℃。

转轴4通过角接触球轴承5安装在定子8中，一端伸出密封盖7，并依次通过联轴器和增速器与动力装置(电机)连接，带动转子14在定子8内转动。转轴4两端与定子8的连接处在定子8外侧设有机械密封3，并处在密封盖7内部，以保证装置的密封性。转轴4的转速为4000～4500r/min。转子14处于定子8的空腔中，并通过楔键2固定安装在转轴4上。转子14在转轴4上等距分布有2～6个。

图4为本发明所述装置的转子结构示意图。转子14为多叶片叶轮结构，其上分布有4～10个叶片20。叶片为带有空腔21的中空梯形体结构，叶片20长为50～200mm，宽度为30～60mm，厚度为20～40mm。空腔21为空化过程提供高流速低压强的发生面，增强扰流效应，增强空化效果。叶片20中在空腔21的两侧分布有空化通孔13，空化通孔13的轴线与转子的转动切线方向一致，而不是与转子的轴向一致。空化通孔13为文丘里形结构，两端分别为出口和入口，中部为喉部，出口和入口内径为1～6mm，喉部内径为0.4～1mm；收缩角为35～50°，扩张角为8～15°。空化通孔13在叶片上呈4～10排、3～10列的矩形阵列排布，有利于空泡的产生与溃灭。空腔21两侧的空化通孔13相对设置，两两对正。转子高速旋转时，流体从一侧的文丘里孔的大端进入，流经喉部产生空化现象，再由小端流出。之后流体便会进入另一侧的文丘里孔中，再次诱发空化现象。因此，该结构可在不改变叶片数量的前提下实现两次连续空化过程，使空化效果倍增。所述文丘里孔内壁的表面粗糙度ra小于1.6mm，有利于强化空化初生效应，进而提高空化效率。

空化现象是指液体在一定温度下，当局部压强降低到该温度的饱和蒸汽压强以下时，液体剧烈地汽化而产生空泡的现象。上述装置中，催化剂仓在催化剂泵的作用下通过输送管将tio2催化剂输送至定子中，并在紫外线发射器的照射下对实现葵花籽油(甘油三酯)和甲醇的混合物的乳化，与此同时，电机带动转子高速旋转，使转子上的文丘里孔与混合物相对运动，从而引发空化现象。此外，超声换能器通过浸于液体中而直接作用于甲醇和甘油三酯上，从而实现超声空化。空化现象发生时，空化气泡存在的时间约为0.1μs，它在爆炸的瞬间可以产生大约5000k、1000bar的局部高温高压环境，从而产生出非同寻常的能量效应，这些条件足以使甲醇和甘油三酯在空化泡内发生化学键断裂，水相燃烧，高温热分解或自由基反应，并能够使得甲醇和甘油三酯发生乳化，从而达到制备生物柴油目的。

采用本发明上述装置的工艺流程，如图5所示，所用设施包括葵花籽油罐25、甲醇罐26、电磁阀22、电磁阀23和本发明装置24。将葵花籽油罐25中的葵花籽油(甘油三酯)和甲醇罐26中的甲醇溶液分别通过电磁阀22和电磁阀23两个单独的电磁阀输送到本发明装置24中。

从定子8上的进液口1流入定子8中，转轴4带动转子14高速旋转，使得叶片上的空化通孔13高速剪切流体，使混合液的局部静压力低于饱和蒸汽压，诱发水力空化现象。与此同时，外部的超声波发生器11把电转换成与超声波换能器10相匹配的高频交流电信号，传递到嵌于定子8内壁上的超声换能器10，超声波换能器将电能转化为声能，产生高频超声波。超声波作用于流体中，诱发超声空化现象，从而大大增加水力空化生成的空泡数量并提升其溃灭强度，提高处理效率。此外，在催化剂泵16的作用下，催化剂仓12通过催化剂输送管15将tio2输送至定子8中，对紫外线发射器17的照射下产生的光解反应起催化作用。空化现象产生的极高温、高压条件大大促进了光催化的反应速率。并且空化效应可不间断冲洗光催化剂表面，使光催化剂保持较高的光催化性能，从而进一步促进制备效果。上述三种处理工艺的高效，极大提高了乳化效果，更好地达到生物柴油制备的目的。处理后的混合液经左侧定子端盖上的出料口19流出，再进入进料口1进行循环处理，直至获得满意的合成结果。