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一种连续制备生物柴油的方法

阅读：1037发布：2020-09-12

IPRDB可以提供一种连续制备生物柴油的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明一种连续制备生物柴油的方法，是以动植物油脂和短链醇为主要原料，以锥形螺杆挤出机作为连续反应器，利用其连续分散、剪切、压缩、脱挥、输送的功能，实现一步完成油脂与短链醇的均化、酯交换反应、短链醇脱挥、水分脱挥获得生物柴油。该方法通过锥形螺杆挤出机，使醇酯溶液在分散段、化学反应段、混炼段和挤出段发生不同的反应，在分散段进行油脂脱挥处理，在化学反应段强力剪切下使醇酯反应界面增加，在混炼段进行高温恒压下的连续酯交换反应和脱挥处理，在挤出段进行产品纯化。实现多个不同反应条件下连续制备生物柴油，不但反应效率高，而且生物柴油质量稳定，纯度高，产品转化率达到98%以上，总甘油量小于0.05%，完全达到国家生物柴油GB/T20828-2007的标准。，下面是一种连续制备生物柴油的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种连续制备生物柴油的方法，其特征是以动植物油脂和短链醇为主要原料，以锥形螺杆挤出机作为连续反应器，利用其连续分散、剪切、压缩、脱挥、输送的功能，实现生物柴油连续生产时一步完成油脂与短链醇的均化、酯交换反应、短链醇脱挥、水分脱挥，具体制备方法如下：

1）将油脂注入已预热的锥形螺杆挤出机，其中所述的锥形螺杆挤出机为同向锥形双螺杆挤出机，螺杆长径比≥52，设置分散段、化学反应段、混炼段和挤出段，其中分散段长度为螺杆长度的20-25％，化学反应段长度为螺杆长度的20-30％，混炼段长度为螺杆长度的30-

35%，挤出段长度为螺杆长度的15-20％；在化学反应段设置一组90°螺纹块，混炼段设置一组45°、一组60°的反向螺纹块；从喂料到出料依次设置温度为：分散段80-100℃、化学反应段100-110℃、混炼段100-120℃、挤出段100-110℃ ；主机转速为50-150 转/ 分钟，在分散段与化学反应段设置真空脱挥，排除油脂中的水分；

2）在化学反应段设置液体泵，泵入短链醇，短链醇泵入量按脂肪酸与短链醇摩尔比1:

1.5-2.0 过量加入，通过挤压反应使醇酯混溶液形成均相的反应界面；

3）在混炼段设置真空脱挥，醇酯混溶液在锥形螺杆挤出机混炼段设置的反向螺纹混炼作用下同时受到横向剪切和径向压力，在极短时间内均相醇酯界面产生高温和高压，快速完成酯交换，过量短链醇通过真空脱挥装置被收集后循环使用；

4）在挤出段挤出的生物柴油混合液经静置分层后取上层脂肪酸酯或通过分离机分离出脂肪酸酯，再经150℃ -200℃减压蒸馏收集，得到高纯度生物柴油。

2.根据权利要求1所述的一种连续制备生物柴油的方法，其特征是：制备步骤1）所述的油脂其主要成分为三脂肪酸甘油酯的动植物油脂。

3.根据权利要求1所述的一种连续制备生物柴油的方法，其特征是：制备步骤2）所述的短链醇为C1-C4 的单羟基醇。

说明书全文

一种连续制备生物柴油的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及生物柴油领域，具体涉及一种连续高效制备生物柴油的方法。

背景技术

[0002] 通过将植物油或动物油酯的主要成分甘油三酯进行酯化或酯交换反应变为长链脂肪酸单酯，是目前生产生物柴油的主要途径。由于生物柴油原料可以再生，表现出良好的环保性和可持续性，成为柴油良好的替代品。大力发展生物柴油对经济可持续发展，推进能源替代，减轻环境压力，控制城市大气污染具有重要的战略意义。因此，生物柴油的研究和应用推广在近些年发展相当迅速。

[0003] 生物柴油的主要原料为动植物油脂，可以通过油脂与低级醇进行酯交换反应制得脂肪酸酯，在脂肪酸酯中含有甘油、单甘脂、二甘酯等副产品，通过分离即可得到生物柴油。在酯交换反应制备生物柴油时，需要用到酸和碱，必须进行中和和水洗，从而产生大量的污水，而且不能重复使用，带来较高的催化剂成本；利用超临界高温高压，反应速率快、转化率高，但投资及运行成本高，工艺稳定性差，难以控制；生物酶法反应条件温和，无污染物排放且无需水洗，但催化酶成本偏高，而且反应慢，效率低。

[0004] 另外，由于甘油酯与低级醇的酯交换反应为可逆反应，油脂的转化率受热力学平衡限制，随着油脂转化率的提高，单位转化率的成本不断增加，而且由于油脂原料的不稳定因素，未转化的油脂和各类中间产物的含量影响最终生物柴油的品质。如果通过添加足量的催化剂或延长反应时间提高转化率，则会导致增加副产品甚至导致已转化的生物柴油降解。因此，转化高效、质量稳定、高纯度的生物柴油成为目前发展生物柴油生产和使用的主要方向。

[0005] 中国发明专利CN1141993C 公开了超临界条件下合成脂肪酸酯的方法，该方法不使用催化剂，对油脂原料要求较低，反应时间短，工艺简化，但是该工艺反应条件苛刻，压力大，反应温度高(350-400℃ )，稳定性差。

[0006] 中国发明专利101550349公开了一种用超临界技术制备生物柴油的方法，该方法将各种油脂经酸化除水、甲酯化、经处理后的油脂和甲醇适当的摩尔比在超临界下成为均相，进行酯交换反应，控制压力为8-40MPA，温度300-450℃。该发明缩短了生物油脂转化生物柴油的时间，无碱或酸催化剂的污染。但由于超临界制备生物柴油的方法需要在高温高压条件下进行，导致较高的生产费用和能量消耗，而且属于间歇式生产，工艺稳定性差，尤其是高温容易导致生物柴油焦化。

[0007] 中国发明专利CN101096602公开了一种无催化剂连续化合成生物柴油的方法，该方法先将带非极性的油脂进行电磁化处理，使油酯分子带有极性，再将极性的甲醇与带有极性的油脂同时地连续地输入高压剪切均质泵进行交联、互溶和均相处理，以便形成油脂和甲醇的单相互溶溶液。该方法通过改变反应相的极性从而增加互溶性以提高反应效率，从而取消了催化剂。但由于缺少了催化剂，因此在反应器中需要较高的温度、压力和较长的反应时间，间歇式的反应导致效率变低。

[0008] 中国发明专利公开号CN1473907A公开了一种生物柴油的生产方法，该方法包括使原料真空脱水，再在催化剂的存在下发生酯化反应，采用无机酸( 如硫酸、盐酸、磷酸) 和有机酸( 如对甲苯磺酸、十二烷基苯磺酸、萘磺酸) 的复配作为催化剂。该方法是酸催化法，缺点是反应速度慢，会产生大量的废酸产物和废水，从而导致污染环境。

[0009] 中国发明专利1916114公开了一种连续、均相制备生物柴油的方法，该方法将天然油脂等与甲醇及碱金属氢氧化物和能使混合液形成均相的有机溶剂共同混合，形成均相体系，送入管道式反应器进行连续酯化反应制备生物柴油。该方法使油脂与甲醇能充分互溶，加速了反应速率，缩短反应时间，但由于采用碱金属氢氧化物作为催化剂，因此，对设备腐蚀严重，而且碱催化剂损耗大，存在污染。

[0010] 中国发明专利CN 102492560 B公开了一种分布式植物油转酯化生产的装置及生产的方法，该方法是将植物油脂类原料油、低碳醇和吡啶三氟甲基磺酸盐离子液体催化剂的混合物在反应釜加热搅拌，反应3-5 小时；静置反应物料分为轻重两相，分离两相。该方法即是使用了催化剂，反应时间也较长。

[0011] 根据上述，目前生物柴油制备过程存在反应时间长、原料消耗大、设备耗能大、须经多次重复酯交换过程以提高转化率等问题；为了进一步提高反应效率，采用加催化剂、使用过量短链醇、反应器采用高温高压、或者加强搅拌强度、甚至采用超临界工艺。但由于生物柴油的油脂原料成分较为复杂，而且油脂原料的质量稳定性较差，制备的生物柴油中含有甘油等多种极性副产品，加上催化剂以及过量甲醇等，进一步导致产物的复杂，最终导致油脂转化反应效率低、质量不稳定、生物柴油纯度低。

发明内容

[0012] 针对目前制备生物柴油存在反应效率低、质量不稳定、纯度低、催化剂易污染环境的缺陷，本发明提供一种连续制备生物柴油的方法。该方法使油脂与短链醇的均化、酯交换、副产品的分离在锥形螺杆机中一次性完成，避免了生物柴油制备中由于油脂质量不稳、反应条件难以控制而导致的反应效率低、质量不稳定因素，尤其是在不使用催化剂条件下高效制备生物柴油，避免了催化剂成本影响和对环境的污染，实现了清洁生产生物柴油。

[0013] 本发明一种连续制备生物柴油的方法，是以动植物油脂和短链醇为主要原料，以锥形螺杆挤出机作为连续反应器，利用其连续分散、剪切、压缩、脱挥、输送的功能，实现生物柴油连续生产时一步完成油脂与短链醇的均化、酯交换反应、短链醇脱挥、水分脱挥。该方法通过锥形螺杆挤出机，使醇酯溶液在分散段、化学反应段、混炼段和挤出段发生不同的反应，在分散段进行油脂的剪切分散处理，在化学反应段强力剪切下使醇酯反应界面增加，在混炼段进行高温恒压下的连续酯交换反应和脱挥处理，在挤出段进行产品纯化。本发明属于连续反应，在短时间内均相醇酯界面增多，产生高温和高压，快速完成酯交换，无需催化剂即可得到高质量生物柴油。

[0014] 本发明是采用如下技术方案实现的：

[0015] 1）将油脂注入已预热的锥形螺杆挤出机，从喂料到出料依次设置温度为：分散段80-100℃、化学反应段100-110℃、混炼段100-120℃、挤出段100-110℃；主机转速为50-150转/分钟，在分散段与化学反应段设置真空脱挥，排除油脂中的水分；

[0016] 2）在化学反应段设置液体泵，泵入短链醇，短链醇泵入量按脂肪酸与短链醇摩尔比1:1.5-2.0过量加入，通过挤压反应使醇酯混溶液形成均相的反应界面；

[0017] 3）在混炼段设置真空脱挥，醇酯混溶液在锥形螺杆挤出机混炼段设置的反向螺纹混炼作用下同时受到横向剪切和径向压力，在极短时间内均相醇酯界面产生高温和高压，快速完成酯交换，过量短链醇通过真空脱挥装置被收集后循环使用；

[0018] 4）在挤出段挤出的生物柴油混合液经静置分层后取上层脂肪酸酯或通过分离机分离出脂肪酸酯，再经150℃-200℃减压蒸馏收集，得到高纯度生物柴油。

[0019] 上述制备方法中，制备步骤1）所述的油脂其主要成分为三脂肪酸甘油酯的动植物油脂。

[0020] 上述制备方法中，制备步骤2）所述的短链醇为C1-C4的单羟基醇。

[0021] 上述制备方法中，制备步骤1)所述的锥形螺杆挤出机为同向锥形双螺杆挤出机，螺杆长径比≥52，设置分散段、化学反应段、混炼段和挤出段，其中分散段长度为螺杆长度的20-25％，化学反应段长度为螺杆长度的20-30％，混炼段长度为螺杆长度的30-35%，挤出段长度为螺杆长度的15-20％；在化学反应段设置一组90°螺纹快，混炼段设置一组45°、一组60°的反向螺纹块，在化学反应段90°螺纹快作用下醇酯界面充分接触，在混炼段反向螺纹混炼作用下，同时受到横向剪切和径向压力，在极短时间内均相醇酯界面产生高温和高压，快速完成酯交换，物料酯化反应时间保持在10-15min。

[0022] 上述制备方法中，制备步骤1）、步骤3）所述的设置真空脱挥，脱挥真空压力为0.6-0.8MPa。

[0023] 本发明一种连续制备生物柴油的方法，是以动植物油脂和短链醇为主要原料，以锥形螺杆挤出机作为连续反应器，利用其连续分散、剪切、压缩、脱挥、输送的功能，实现生物柴油连续生产时一步完成油脂与短链醇的均化、酯交换反应、短链醇脱挥、水分脱挥。该方法通过锥形螺杆挤出机，使醇酯溶液在分散段、化学反应段、混炼段和挤出段发生不同的反应，在分散段进行油脂的剪切分散脱挥处理，在化学反应段强力剪切下使醇酯反应界面增加，在混炼段进行高温恒压下的连续酯交换反应和脱挥处理，在挤出段进行产品纯化。实现多个不同反应条件下连续制备生物柴油，不但反应效率高，而且生物柴油质量稳定，纯度高，产品转化率达到98%以上，总甘油量小于0.05%，完全达到国家生物柴油GB/T20828-2007 的标准。

[0024] 本发明一种连续制备生物柴油的方法，其突出的特点和有益的效果在于：

[0025] 1、本发明一种连续制备生物柴油的方法，通过锥形螺杆挤出机，利用在分散段、化学反应段、混炼段和挤出段发生不同的反应，以及连续加醇、脱挥、分离，实现多个不同反应条件下连续制备生物柴油，不但反应效率高，而且生物柴油质量稳定，纯度高，产品转化率达到98%以上。

[0026] 2、本发明一种连续制备生物柴油的方法，通过螺纹设置，醇酯溶液在螺杆中停留10-15min，在在螺杆横向剪切和径向压力条件下，在短时间内均相醇酯界面增多，产生高温和高压，快速完成酯交换，无需催化剂即可得到高质量生物柴油，避免了使用催化剂对环境的污染。

[0027] 3、本发明一种连续制备生物柴油的方法，属于连续动态推进式反应，生物柴油质量稳定，工艺易于控制，避免了反应釜间歇式反应中难以控制工艺的缺陷，适合于批量规模化生产。

附图说明

[0028] 图1是本发明一种连续制备生物柴油的方法所采用的设备工艺流程示意图。

具体实施方式

[0029] 以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。

[0030] 实施例1

[0031] 1）将菜籽油脂注入已预热的锥形螺杆挤出机，螺杆直径为75mm,螺杆长径比56，设置分散段、化学反应段、混炼段和从喂料到出料依次设置温度为：分散段80-100℃、化学反应段100-110℃、混炼段100-120℃、挤出段100-110℃；主机转速为50转/分钟，在分散段与化学反应段设置真空脱挥，脱挥真空压力为0.6MPa，排除油脂中的水分；

[0032] 2）在化学反应段设置液体泵，泵入甲醇，甲醇泵入量按脂肪酸与短链醇摩尔比1:1.5过量加入，通过挤压反应使醇酯混溶液形成均相的反应界面；

[0033] 3）在混炼段设置真空脱挥，脱挥真空压力为0.8MPa，醇酯混溶液在锥形螺杆挤出机混炼段设置的反向螺纹混炼作用下同时受到横向剪切和径向压力，在极短时间内均相醇酯界面产生高温和高压，快速完成酯交换，过量短链醇通过真空脱挥装置被收集后循环使用；

[0034] 4）在挤出段挤出的生物柴油混合液经静置分层后取上层脂肪酸酯或通过分离机分离出脂肪酸酯，再经150℃减压蒸馏收集，得到高纯度生物柴油。

[0035] 通过测试，实施例1油脂向生物柴油转化率为98%以上，得到的生物质柴油性能指标完全达到国家标准GB/T20828-2007《柴油机燃料调和用生物柴油》关键指标，具体指标如下：

[0036]测试项目 GB/T20828质量指标实施例1质量指标测试方法
密度（20℃）（kg/㎡） 820-900 824 GB/T2540
水含量（质量分数）/ %          ≤ 0.05 0.01 GB/T 0246
十六烷值                     ≥  4 9           79 GB/T 386
酸值/（mgKOH/g）       ≤0.80 0.18 GB/T 264
游离甘油含量（质量分数）/ %   ≤0.020 0.0098 ASTMD 6584
总甘油含量（质量分数）/ %      ≤ 0.240 0.038 ASTMD 6584

[0037] 实施例2

[0038] 1）将餐厨回收精炼油脂注入已预热的锥形螺杆挤出机，螺杆直径92mm，螺杆长径比58，从喂料到出料依次设置温度为：分散段80-100℃、化学反应段100-110℃、混炼段100-120℃、挤出段100-110℃；主机转速为100转/分钟，在分散段与化学反应段设置真空脱挥，脱挥真空压力为0.8MPa。排除油脂中的水分；

[0039] 2）在化学反应段设置液体泵，泵入乙醇，乙醇泵入量按脂肪酸与短链醇摩尔比1:2.0过量加入，通过挤压反应使醇酯混溶液形成均相的反应界面；

[0040] 3）在混炼段设置真空脱挥，脱挥真空压力为0.8MPa。醇酯混溶液在锥形螺杆挤出机混炼段设置的反向螺纹混炼作用下同时受到横向剪切和径向压力，在极短时间内均相醇酯界面产生高温和高压，快速完成酯交换，过量短链醇通过真空脱挥装置被收集后循环使用；

[0041] 4）在挤出段挤出的生物柴油混合液经静置分层后取上层脂肪酸酯或通过分离机分离出脂肪酸酯，再经180℃减压蒸馏收集，得到高纯度生物柴油。

[0042] 通过测试，实施例2油脂向生物柴油转化率为98%以上，得到的生物质柴油性能指标完全达到国家标准GB/T20828-2007《柴油机燃料调和用生物柴油》关键指标，具体指标如下：

[0043]测试项目 GB/T20828质量指标实施例2质量指标测试方法
密度（20℃）（kg/㎡） 820-900 865 GB/T2540
水含量（质量分数）/ %          ≤ 0.05 0.009 GB/T 0246
十六烷值                     ≥  4 9            82 GB/T 386
酸值/（mgKOH/g）       ≤0.80 0.23 GB/T 264
游离甘油含量（质量分数）/ %   ≤0.020 0.009 ASTMD 6584
总甘油含量（质量分数）/ %      ≤ 0.240 0.050 ASTMD 6584

[0044] 实施例3

[0045] 1）将玉米油和大豆油的混合油脂注入已预热的锥形螺杆挤出机，螺杆直径78mm，螺杆长径比52，从喂料到出料依次设置温度为：分散段80-100℃、化学反应段100-110℃、混炼段100-120℃、挤出段100-110℃；主机转速为150转/分钟，在分散段与化学反应段设置真空脱挥，脱挥真空压力为0.8MPa。排除油脂中的水分；

[0046] 2）在化学反应段设置液体泵，泵入乙醇，乙醇泵入量按脂肪酸与短链醇摩尔比1:2.0过量加入，通过挤压反应使醇酯混溶液形成均相的反应界面；

[0047] 3）在混炼段设置真空脱挥，脱挥真空压力为0.8MPa。醇酯混溶液在锥形螺杆挤出机混炼段设置的反向螺纹混炼作用下同时受到横向剪切和径向压力，在极短时间内均相醇酯界面产生高温和高压，快速完成酯交换，过量短链醇通过真空脱挥装置被收集后循环使用；

[0048] 4）在挤出段挤出的生物柴油混合液经静置分层后取上层脂肪酸酯或通过分离机分离出脂肪酸酯，再经200℃减压蒸馏收集，得到高纯度生物柴油。

[0049] 实施例4

[0050] 1）将微藻油脂和蓖麻油的混合物注入已预热的锥形螺杆挤出机，螺杆直径68mm，螺杆长径比60，从喂料到出料依次设置温度为：分散段80-100℃、化学反应段100-110℃、混炼段100-120℃、挤出段100-110℃；主机转速为120转/分钟，在分散段与化学反应段设置真空脱挥，脱挥真空压力为0.8MPa。排除油脂中的水分；

[0051] 2）在化学反应段设置液体泵，泵入乙醇，乙醇泵入量按脂肪酸与短链醇摩尔比1:1.5过量加入，通过挤压反应使醇酯混溶液形成均相的反应界面；

[0052] 3）在混炼段设置真空脱挥，脱挥真空压力为0.8MPa。醇酯混溶液在锥形螺杆挤出机混炼段设置的反向螺纹混炼作用下同时受到横向剪切和径向压力，在极短时间内均相醇酯界面产生高温和高压，快速完成酯交换，过量短链醇通过真空脱挥装置被收集后循环使用；

[0053] 4）在挤出段挤出的生物柴油混合液经静置分层后取上层脂肪酸酯或通过分离机分离出脂肪酸酯，再经200℃减压蒸馏收集，得到高纯度生物柴油。

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