一種高效酯化、酯交換反應(yīng)裝置制造方法
【專利摘要】一種高效酯化、酯交換反應(yīng)裝置，它包括纖維膜反應(yīng)器A、儲罐B、熱交換器C、水相循環(huán)泵P1和油相循環(huán)泵P2，纖維膜反應(yīng)器A是一直立筒形裝置，內(nèi)部裝有金屬纖維絲，纖維膜反應(yīng)器A下部與臥式的儲罐B相連，纖維絲的下端一直伸展到儲罐B的底部，儲罐B的上部有油相出口E2，通過管道經(jīng)油相循環(huán)泵P2與熱交換器油相入口E5相連，熱交換器油相出口E4通過管道與纖維膜反應(yīng)器A上部的入口E1相連，形成循環(huán)系統(tǒng)，儲罐B下部有水相出口E3，它通過管道經(jīng)水相循環(huán)泵P1和纖維膜反應(yīng)器A上部的入口E1相連，形成循環(huán)系統(tǒng)。本實(shí)用新型的反應(yīng)裝置生產(chǎn)效率高，催化劑用量少，酸堿廢水排放少。
【專利說明】一種高效酯化、酯交換反應(yīng)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及生物柴油工業(yè)領(lǐng)域的原料油酯與甲醇在催化劑作用下進(jìn)行酯化酯交換反應(yīng)生成脂肪酸甲酯的一種高效反應(yīng)裝置。
技術(shù)背景
[0002]石油資源短缺，能源需要換代，替代能源和可再生能源的開發(fā)已是世界各主要國家的一項(xiàng)戰(zhàn)略性課題。所以生物柴油這一概念一經(jīng)出現(xiàn)，就受到世界各國的普遍關(guān)注。由于生物柴油本身具有性能優(yōu)勢(如良好的燃燒性能、潤滑性能、安全性能以及優(yōu)異的環(huán)境友好性能)，已有很多國家進(jìn)行了生物柴油的研制和生產(chǎn)。
[0003]生物柴油的生產(chǎn)，它的核心步驟是酯化、酯交換的反應(yīng)，開發(fā)高水平的酯化、酯交換連續(xù)生產(chǎn)裝置，對于生物柴油工藝的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，降低產(chǎn)品成本，促進(jìn)生物柴油產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展有著重大意義。
[0004]酯化酯交換反應(yīng)過程中原料油脂與甲醇進(jìn)行酯化、酯交換生成脂肪酸甲酯，即生物柴油。對于原料油脂與甲醇的酯化、酯交換反應(yīng)，提高其反應(yīng)速度一直是一個(gè)重點(diǎn)，也是一個(gè)難點(diǎn).它不僅涉及催化劑，還涉及反應(yīng)工程問題。對于生物柴油工藝，由于原料油脂和甲醇不互溶，反應(yīng)體系是多相的，反應(yīng)發(fā)生在相界面上，所以油脂、脂肪酸、甲醇、催化劑之間的傳質(zhì)速度極大地影響反應(yīng)的速度和反應(yīng)進(jìn)行的深度，有許多學(xué)者將注意力集中在油脂與甲醇的互溶上，有學(xué)者用加入共溶劑使體系變成一相來解決問題，也有學(xué)者用相轉(zhuǎn)移催化劑來提高相間的傳質(zhì)和反應(yīng)速率。但在工業(yè)生產(chǎn)上這些措施的實(shí)現(xiàn)不僅有一定的技術(shù)難度,還增加了生產(chǎn)成本。
[0005]實(shí)用新型專利200820171720.4公開了一種高效膜反應(yīng)裝置，是由反應(yīng)釜、攪拌裝置、管路、泵機(jī)和控制柜組成，在泵機(jī)和反應(yīng)釜之間的管路上設(shè)有物料混和高效膜反應(yīng)塔，物料混和高效膜反應(yīng)塔是塔體內(nèi)設(shè)有豎直放置的金屬纖維膜，塔體上部為進(jìn)料口，下部為出料口，該實(shí)用新型具有加大反應(yīng)物質(zhì)接觸面積、延長接觸時(shí)間、有效提高反應(yīng)速度、降低其反應(yīng)溫度、耗能降低、提高產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量的特點(diǎn)。
[0006]實(shí)用新型專利201220020961公開了非均相超微細(xì)化連續(xù)生產(chǎn)生物柴油反應(yīng)裝置，對原料超微細(xì)化、增加流體層流運(yùn)動的速度梯度、使流體分割混合均勻、反應(yīng)接觸面積大、反應(yīng)轉(zhuǎn)化速率高、且設(shè)備投資成本低，適用于生物柴油的連續(xù)化、規(guī)?；a(chǎn)的特點(diǎn)。
[0007]專利200510011603提供了一種水力空化制備生物柴油的方法，屬于提高生物柴油生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的【技術(shù)領(lǐng)域】。該方法在傳統(tǒng)的生物柴油生產(chǎn)技術(shù)基礎(chǔ)上采用水力空化酯交換反應(yīng)器來優(yōu)化生物柴油的生產(chǎn)，這種方法工藝簡單，酯交換反應(yīng)速度快，反應(yīng)時(shí)間比傳統(tǒng)反應(yīng)器短，油脂酯交換轉(zhuǎn)化率高，產(chǎn)品滿足生物柴油標(biāo)準(zhǔn)。適于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。
[0008]原料油脂在酯化酯交換的過程中由于使用酸堿催化劑，所以產(chǎn)生比較多的含甲醇的酸堿廢水，這些廢水不能直接排放到污水處理系統(tǒng)，必須經(jīng)過預(yù)處理。生物柴油污水處理的達(dá)標(biāo)排放是生物柴油生產(chǎn)工藝的難點(diǎn)之一，也增加了生物柴油的生產(chǎn)成本。因此減少生物柴油生產(chǎn)過程中酸堿催化劑的使用量，實(shí)現(xiàn)減少酸堿廢水的排放是生物柴油工藝設(shè)備開發(fā)的重點(diǎn)之一。而上述專利均未涉及減少生物柴油生產(chǎn)過程中酸堿催化劑的使用量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本實(shí)用新型的目的就是提供一種高效酯化、酯交換反應(yīng)裝置，它不僅能提高生物柴油生產(chǎn)效率，而且能減少生物柴油生產(chǎn)過程中酸堿催化劑的使用量。
[0010]本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下:
[0011]一種高效酯化、酯交換反應(yīng)裝置，如圖1所示，它包括纖維膜反應(yīng)器A、儲罐B、熱交換器C、水相循環(huán)泵Pl和油相循環(huán)泵P2，纖維膜反應(yīng)器A是一直立筒形裝置，內(nèi)部充滿金屬纖維絲，纖維橫截面的充滿密度為0.25-15% ;纖維的直徑為0.01-0.2毫米，纖維膜反應(yīng)器A下部與臥式的儲罐B相連，纖維絲的下端一直伸展到儲罐B的底部，儲罐B的上部有油相出口 E2，通過管道經(jīng)油相循環(huán)泵P2相連，然后分兩路，一路與熱交換器C底部的熱交換器油相入口 E5相連，熱交換器油相出口 E4通過管道與纖維膜反應(yīng)器A上部的入口 El相連，形成循環(huán)系統(tǒng)，另一路作為與產(chǎn)品粗油脂儲罐相連，儲罐B下部有水相出口 E3，它通過管道經(jīng)水相循環(huán)泵Pl和纖維膜反應(yīng)器A上部的入口 El相連，形成循環(huán)系統(tǒng)，它是如下運(yùn)作的:纖維膜反應(yīng)器A頂部有原料進(jìn)口 E1，水相的甲醇和催化劑在親水的纖維膜表面由于液體和固體間的表面張力和重力作用，沿著金屬纖維的表面鋪展，形成無返混的、大而簿的表面，第
二種流體油脂在纖維膜反應(yīng)器A內(nèi)從金屬纖維周圍、水相的甲醇和催化劑薄膜外平行地流過，兩種液體之間的磨擦力將使液體沿著纖維流動，而甲醇和催化劑形成的水相液體由于金屬纖維表面的親水作用又傾向于使其附著在纖維上，在這兩種力的共同作用下，甲醇和催化劑形成的水相液體會沿著金屬纖維沿伸，并被約束在金屬纖維表面的傳質(zhì)界面，其單位體積產(chǎn)生的傳質(zhì)界面非常高，甲醇和催化劑形成的水相流入儲罐B內(nèi)的下層，通過水相循環(huán)泵Pl—部分打循環(huán)通過纖維膜反應(yīng)器A頂部原料進(jìn)口 El進(jìn)入纖維膜反應(yīng)器A，使用纖維膜高效傳質(zhì)反應(yīng)器，油酯與甲醇在催化劑作用下進(jìn)行酯化酯交換反應(yīng)生成脂肪酸甲酯速度大大提高。
[0012]該反應(yīng)器最早是由美國MeriChem公司在美國專利US3758404中公開的，它的技術(shù)特點(diǎn)是，解決了分散性處理技術(shù)的許多難題，可以高效、經(jīng)濟(jì)和安全地處理不混溶性液體相間傳質(zhì)的問題，既提高了相間質(zhì)量傳遞的效率，又使兩相液體容易分離。它是通過液體在纖維膜表面形成液膜來建立傳質(zhì)界面的。
[0013]本實(shí)用新型所述的一種高效酯化、酯交換反應(yīng)裝置用于生物柴油生產(chǎn)的酯化酯交換反應(yīng)的工藝步驟如下:
[0014]原料油脂、甲醇從熱交換器入口 E5進(jìn)入熱交換器C經(jīng)加熱后和催化劑一起從纖維膜反應(yīng)器上部入口 El進(jìn)入纖維膜反應(yīng)器A，水相的甲醇和催化劑在親水的纖維膜表面由重力作用沿著金屬纖維的表面鋪展，形成無返混的、大而簿的表面，油脂在纖維膜反應(yīng)器A內(nèi)從金屬纖維周圍、水相的甲醇和催化劑薄膜外平行地流過，兩種液體之間形成非常高的傳質(zhì)界面。反應(yīng)生成脂肪酸甲酯速度大大提高。反應(yīng)生成的脂肪酸甲酯和未反應(yīng)的油脂作為油相從儲罐B的上部油相出口 E2經(jīng)油相循環(huán)泵P2輸送出，一部分從熱交換器進(jìn)口 E5進(jìn)入熱交換器C，經(jīng)加熱后從熱交換器出口 E4循環(huán)回纖維膜反應(yīng)器入口 El進(jìn)入纖維膜反應(yīng)器A,另一部分作為產(chǎn)品粗甲酯進(jìn)入下一工序。催化劑和未反應(yīng)的甲醇作為水相從儲罐B的下部水相出口 E3經(jīng)水相循環(huán)泵Pl輸送，一部分循環(huán)回纖維膜反應(yīng)器入口 E1，另一部分作為廢催化劑去廢催化劑處理系統(tǒng)。
[0015]本實(shí)用新型的特點(diǎn)之一是催化劑用量少，酸堿廢水排放少。
[0016]本實(shí)用新型的酯化酯交換反應(yīng)裝置采用雙泵循環(huán)，即油相和水相酸催化劑分別循環(huán)。這樣可以通過循環(huán)量的控制，用較少的催化劑總量，保持酯化酯交換反應(yīng)體系有較高的催化劑。從而達(dá)到減少催化劑使用量，減少催化劑廢水排放的目的。
[0017]本實(shí)用新型裝置還可以用酯化反應(yīng)的廢酸水對高酸值油脂進(jìn)行預(yù)酯化反應(yīng)，達(dá)到對原料油脂預(yù)處理的目的。
[0018]本實(shí)用新型的特點(diǎn)之二是高效、節(jié)能。
[0019]纖維膜反應(yīng)技術(shù)是近期發(fā)展起來的針對氣-液相或不易混合的液-液相之間進(jìn)行傳質(zhì)的新技術(shù)，利用界面擴(kuò)張?jiān)?，使得兩相介質(zhì)在接觸時(shí)能夠獲得較大的接觸面積，從而提高傳質(zhì)效率；使得反應(yīng)速度大大加快，溫度大大降低，節(jié)省了大量能耗，縮短了反應(yīng)時(shí)間，增大了產(chǎn)能；油脂和甲醇的酯化反應(yīng)是不易混合的液-液相之間進(jìn)行傳質(zhì)化學(xué)反應(yīng)，纖維膜反應(yīng)加速器使得兩相介質(zhì)在接觸時(shí)接觸面積提高了 100多倍，反應(yīng)時(shí)間由通常5到6小時(shí)，縮短在2小時(shí)內(nèi)，其實(shí)際效益不言而愈。
[0020]另外，纖維膜反應(yīng)器中，水相和油相不互混，酯化反應(yīng)生成的甲酯進(jìn)入油相，水相自動分離，有利于水從體系中分離出來，從而有利于平衡向生成甲酯的方向移動。該過程不需要蒸發(fā)脫水，所以 節(jié)能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本實(shí)用新型高效酯化、酯交換反應(yīng)裝置的示意圖；
[0022]其中:
[0023]A纖維膜反應(yīng)器
[0024]B儲罐
[0025]C熱交換器
[0026]Pl水相循環(huán)泵
[0027]P2油相循環(huán)泵
[0028]El原料油脂、催化劑、甲醇入口
[0029]E2儲罐B的上部油相出口
[0030]E3儲罐B的下部水相出口
[0031]E4熱交換器出口
[0032]E5熱交換器入口
[0033]E6熱交換器蒸汽入口
[0034]E7熱交換器冷凝水出口
【具體實(shí)施方式】
[0035]實(shí)施例1
[0036]一種高效酯化、酯交換反應(yīng)裝置由纖維膜反應(yīng)器A、儲罐B、熱交換器C、水相循環(huán)泵Pl和油相循環(huán)泵P2組成。纖維膜反應(yīng)器A為圓筒狀，直徑為400mm，高4000mm (不包括伸入儲罐B的部分)，內(nèi)部充滿親水的、直徑為0.0l?0.2mm金屬纖維組成的纖維膜(CrNi Ti合金，南京金煉科技發(fā)展有限公司購得)，纖維膜反應(yīng)器A的圓筒伸入到氣液分離段C內(nèi)350mm，而金屬纖維組成的纖維膜則一直伸到儲罐B的底部，儲罐B為圓筒狀，直徑為1500mm,長4000mm。纖維膜反應(yīng)器A與儲罐B密封結(jié)合，儲罐B壁上有油出口 E2，水相出口E3。E2通過管道與循環(huán)泵P2連接，通過循環(huán)泵將反應(yīng)生成的脂肪酸甲酯和未反應(yīng)的油脂作為油相從E5進(jìn)入熱交換器C，經(jīng)加熱后從E4出口循環(huán)回纖維膜反應(yīng)器A的El入口。E3通過管道與循環(huán)泵Pl連接，通過循環(huán)泵將催化劑和甲醇循環(huán)回纖維膜反應(yīng)器A的El入口。
[0037]實(shí)施例2
[0038]用實(shí)施例1的裝置進(jìn)行高酸值油脂的預(yù)酯化反應(yīng)。酸值為152mgK0H/g，含水2%，皂化值為186的地溝油為原料，進(jìn)料量為2000kg/小時(shí)，甲醇(98%)進(jìn)料量為400kg/小時(shí)，硫酸(68%)進(jìn)料量為30kg/小時(shí)。水相循環(huán)泵Pl的循環(huán)量為5000kg/小時(shí)，油相循環(huán)泵P2的循環(huán)量為20000kg/小時(shí)。反應(yīng)溫度65°C，壓力0.2MPA。產(chǎn)品粗甲酯的酸值為72mgK0H/g，出料量為2000kg/小時(shí)，含甲醇的廢催化劑的排放量為430kg/小時(shí)。
[0039]實(shí)施例3
[0040]用實(shí)施例1的裝置進(jìn)行中酸值油脂的酯化反應(yīng)，以實(shí)施例2的酸值為72mgK0H/g的粗甲酯產(chǎn)品為原料，進(jìn)料量為2000kg/小時(shí)，甲醇(98%)進(jìn)料量為400kg/小時(shí)，硫酸(98%)進(jìn)料量為12kg/小時(shí)。水相循環(huán)泵Pl的循環(huán)量為4500kg/小時(shí)，油相循環(huán)泵P2的循環(huán)量為20000kg/小時(shí)。反應(yīng)溫度65°C，壓力0.2MPA。產(chǎn)品粗甲酯的酸值為2mgK0H/g，出料量為2000kg/小時(shí)，含甲醇的廢催化劑的排放量為412kg/小時(shí)。
[0041]實(shí)施例4
[0042]用實(shí)施例1的裝置進(jìn)行油脂的酯交換反應(yīng)，實(shí)施例3的酸值為2mgK0H/g的粗甲酯產(chǎn)品為原料，進(jìn)料量為2000kg/小時(shí)，甲醇(98%)進(jìn)料量為410kg/小時(shí)(其中含催化劑KOHlOkg/小時(shí))。水相循環(huán)泵Pl的循環(huán)量為4500kg/小時(shí)，油相循環(huán)泵P2的循環(huán)量為20000kg/小時(shí)。反應(yīng)溫度65° C，壓力0.2MPA。產(chǎn)品粗甲酯的出料量為2000kg/小時(shí)，含甘油的廢催化劑的排放量為412kg/小時(shí)。油脂的轉(zhuǎn)化率為98%。
【權(quán)利要求】
1.一種高效酯化、酯交換反應(yīng)裝置，其特征是:它包括纖維膜反應(yīng)器(A)、儲罐(B)、熱交換器(C)、水相循環(huán)泵(Pl)和油相循環(huán)泵(P2)，纖維膜反應(yīng)器(A)是一直立筒形裝置，內(nèi)部充滿金屬纖維絲，纖維橫截面的充滿密度為0.25-15% ;纖維的直徑為0.01-0.2毫米，纖維膜反應(yīng)器(A)下部與臥式的儲罐(B)相連，所述的金屬纖維絲的下端一直伸展到儲罐(B)的底部，儲罐(B)的上部有油相出口(E2)，通過管道經(jīng)油相循環(huán)泵(P2)相連，然后分兩路，一路與熱交換器(C)底部的熱交換器油相入口(E5)相連，熱交換器油相出口(E4)通過管道與纖維膜反應(yīng)器(A)上部的入口(El)相連，形成循環(huán)系統(tǒng)，另一路作為與產(chǎn)品粗油脂儲罐相連，儲罐(B)下部有水相出口(E3)，它通過管道經(jīng)水相循環(huán)泵(Pl)和纖維膜反應(yīng)器(A)上部的入口(El)相連，形成循環(huán)系統(tǒng)。
【文檔編號】C11C3/04GK203768336SQ201420171036
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年4月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月9日
【發(fā)明者】劉寬, 吳沛成, 沙繼華, 張建國 申請人:南京華阜尚研能源科技有限公司