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1、气液连续反应器应用于生物柴油的生产SamBehzadi,MohammedM.FaridDepartmentofChemicalandMaterialsEngineering,UniversityofAuckland,PrivateBag,92019Auckland,NewZealand摘要.为了从脂肪和油脂中制备生物柴油,人们制定了一种新型的连续反应器进程。与目前建立的过程反应物分离相比,这一进程的主要特点是:高反应速率,反应物和产品比值小。反应进程中将热油/脂肪,喷洒到充满甲醇逆流式水蒸气的反应室中,使产品连续分
2、离并且使未反应的甲醇流留在反应器中,在这一过程单周期的基础上,整个转化率在原料的50%~96%之间。研究中发现,甲醇的体积流量是17.2L/h,油的体积流量为10L/h,每升甲醇中含5-7克甲醇钠的操作条件下,可以达到94–96%的转化率。同时研究其它反应物的流量,催化剂的类型和浓度,以及温度等因素的反应进程的影响。关键词:生物柴油甲醇甲醇钠氢氧化钠喷雾反应器1.引言生物柴油从由脂肪和油酯提炼出的燃料(MaandHanna,1999;SrivastavaandPrasad,2000;Knotheetal.,2005
3、;Pahl,2005;VanGerpen,2005;MittelbachandRemschmidt,2006)。与从原油生产出柴油相比,这种生物柴油燃料有相似的性质,并且可以直接用于柴油发动机原料或者与柴油混合使用。生物柴油的主要优点是,它可以进行生物降解,不会吸附在发动机上,硫氧化物等有害气体的排放量少(Knotheetal.,2005;Pahl,2005;VanGerpen,2005)。但是,由于生产原料和加工费用高,导致生物柴油的造价远远高于普通柴油。通过建立一个持续的过程降低生产过程成本,从而使生物柴油的生
4、产成本降低,提高生物柴油的价格竞争力(MaandHanna,1999;SrivastavaandPrasad,2000;Knotheetal.,2005;Pahl,2005;VanGerpen,2005)。目前巴西,美国,德国,澳大利亚,意大利和奥地利等一些国家已经使用乙醇和生物柴油燃料,随着越来越多的国家将使用生物燃料,这些燃料的经济可行性需要进行改进(Bender,1999;Korbitz,1999;InternationalEnergyAgency,2004;Doradoetal.,2006;Haasetal
5、.,2006)。在大多数国家,通过政府的支持,降低税率以减少生产成本。但是,新的持续进程的研究将降低燃料的生产成本,有助于满足我们日益增长的能源需求。生物柴油一般采用批式反应器生产,但是,更持续的反应进程已经开发并用于实验室生产和扩大工业生产规模。1.1.酯交换和反应变量酯交换反应通常是一个三步连续可逆反应(Marchettietal.,2007)。甘油三酯逐步转换成甘油二酯,单甘酯,最后转化成甘油,整个过程中每一步都有1mol的烷基酯生产。总反应三个控制阶段分别是:传质,动力学和平衡控制。由于反应物甲醇和甘油三酯
6、混溶性不好,传质阶段是三个反应阶段中最慢的,传质阶段完成后,由动力学控制反应进程。动力学控制阶段乙醇和油酯的摩尔比是6:1时,正逆反应是二级反应,当摩尔比是30:1或者更高时,正逆反应是一级反应(Freedmanetal.,1986;Vicenteetal.,2005)。当醇油摩尔比较高时,可以获得较高的反应速率,但是酯化反应结束后,醇的分离较为复杂。在较高的醇油比情况下,酯的分离更为困难。综合考虑这些原因,反应的过程主要采用醇油摩尔比是6:1(Meheretal.,2006)。动力学和传质阶段可以通过提高反应温度
7、,加快搅拌来加快反应速率(NoureddiniandZhu,1997;DarnokoandCheryan,2000b;Vicenteetal.,2005)。而温度的升高同时使反应物更为混溶以提高反应速率。Maetal.(1998).Ma等全面研究了不同温度下甲醇和乙醇在牛油中的溶解度。研究发现醇的溶解度随着温度的升高而增大,但是操作温度又受到反应物醇沸点的限制(大气压下,乙醇的沸点是67℃)。DarnokoandCheryan(2000b)在批式反应器中研究了棕榈油酯交换的动力学机理,研究发现,反应的转化率与随温度
8、的变化无关,但是酯交换的速率随温度改变,总反应进程决定于甘油二酯,单甘酯和醇的转化常数。通过测定转化常数,发现甘油三酯的转化成甘油二酯的速率在整个转换反应中是最慢的。传质时间随着温度的升高而缩短,使得高温时具有较高的转化率(NoureddiniandZhu,1997;DarnokoandCheryan,2000b)。全混流是为了加快反应物的碰撞,并传质反应混