小型生物柴油間歇生產(chǎn)裝置的選型設(shè)計(jì)

馬志研，王佰亮

(1. 營(yíng)口理工學(xué)院化學(xué)工程系，遼寧 營(yíng)口 115000；2. 沈陽(yáng)化工研究院設(shè)計(jì)工程有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110021)

小型生物柴油間歇生產(chǎn)裝置的選型設(shè)計(jì)

馬志研1，王佰亮2

(1. 營(yíng)口理工學(xué)院化學(xué)工程系，遼寧 營(yíng)口 115000；2. 沈陽(yáng)化工研究院設(shè)計(jì)工程有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110021)

以間歇均相催化菜籽油生產(chǎn)生物柴油工藝為例，介紹生產(chǎn)生物柴油間歇反應(yīng)裝置的選型設(shè)計(jì)。闡述了裝置選型設(shè)計(jì)的主要環(huán)節(jié)，對(duì)反應(yīng)釜選型和攪拌器選型進(jìn)行了介紹，提出了影響攪拌器攪拌效果的因素和考慮攪拌器放大效應(yīng)的必要性。

生物柴油；間歇反應(yīng)；設(shè)計(jì)

生物柴油是以各種油脂為原料，與低碳醇(如甲醇、乙醇)經(jīng)酯化或轉(zhuǎn)酯化等一系列加工處理而制成的一種液體燃料，它是石化柴油的替代品，是典型的“綠色能源”[1]。其中酯交換法是目前生產(chǎn)生物柴油的主要方法，它主要通過(guò)酯基轉(zhuǎn)移作用將高粘度的油脂轉(zhuǎn)化成低粘度的脂肪酸酯[2]。因此酯交換反應(yīng)器是生產(chǎn)生物柴油過(guò)程中的核心設(shè)備，正確選擇反應(yīng)設(shè)備的形式、結(jié)構(gòu)尺寸、確定合適的反應(yīng)溫度、反應(yīng)濃度是生物柴油是否能夠達(dá)到產(chǎn)品要求的關(guān)鍵。本文以間歇均相催化菜籽油生產(chǎn)生物柴油工藝為例，介紹反應(yīng)裝置的選型設(shè)計(jì)。

1 工藝流程

圖1 間歇均相堿催化工藝流程圖

世界上生產(chǎn)規(guī)模在5000-10000t/a的大部分工業(yè)裝置是以間歇方式進(jìn)行操作的。酸堿均可作為催化劑用于酯交換反應(yīng)制備生物柴油，而堿催化法更為普遍。酯交換和酯化過(guò)程可由均相催化和非均相催化實(shí)現(xiàn)。圖1所示為間歇均相堿催化生物柴油工藝流程圖[3]。

2 選型計(jì)算

2.1 工藝條件

生產(chǎn)規(guī)模：10000t/a

生產(chǎn)時(shí)間：每年生產(chǎn)時(shí)間按照300天計(jì)

工藝參數(shù)：采用酯催化法，間歇攪拌釜式反應(yīng)器制備生物柴油，甲醇和原料菜籽油摩爾比6:1，催化劑用量KOH為原料菜籽油質(zhì)量的1.2%，反應(yīng)溫度為65℃，反應(yīng)時(shí)間為1h，輔助時(shí)間4h，生物柴油收率為95%。

物性數(shù)據(jù)：菜籽油密度：ρ菜籽油=918kg·m-3；相對(duì)分子質(zhì)量M菜籽油=869.8；甲醇的密度：ρ甲醇=792kg·m-3；相對(duì)分子質(zhì)量M甲醇=32.04；氫氧化鉀密度：ρKOH=2040 kg·m-3。

2.2 反應(yīng)器體積確定

在實(shí)際的生產(chǎn)中，物料不能全部充滿反應(yīng)釜，要給攪拌等留有一定空間，所以間歇釜的容積要比有效容積要大[3]。以生產(chǎn)1t生物柴油為例。

生產(chǎn)1t菜籽油生物柴油所需要菜籽油的質(zhì)量和體積為：

m菜籽油=1000/0.95=1053kg

V菜籽油=1053/918=1.15m3

生產(chǎn)1t菜籽油生物柴油所需要甲醇的質(zhì)量和體積為：

m甲醇=(1053/869.8) ×6×32.04=233kg

V甲醇=233/792=0.294m3

生產(chǎn)1t菜籽油生物柴油所需要KOH的質(zhì)量和體積為：

mKOH= 1053×1.2%=12.64kg

VKOH=12.64/2040=0.006m3

那么生產(chǎn)1t菜籽油生物柴油所需要總的物料體積為：

V菜籽油+V甲醇+VKOH=1.45m3

每小時(shí)生產(chǎn)生物柴油的質(zhì)量為：

m=10000/(300×24)=1.39t/h

每小時(shí)投料總體積為：

v=1.39×1.45=2.02m3/h

每批總的操作時(shí)間為5h，則總投料體積為：

VR=2.02×5=10.10 m3

因此反應(yīng)器的裝料容積為10.10 m3

有效容積與反應(yīng)釜的容積VT之比稱為填料系數(shù)(φ), φ=VR/VT[3]。由于生物柴油生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生泡沫不多、不沸騰，需要攪拌，因此生產(chǎn)生物柴油過(guò)程中φ的值為0.7～0.8。

表1 立式搪玻璃反應(yīng)釜型號(hào)參數(shù)

因此VT的范圍12.63～14.43 m3之間。依據(jù)表1中常用釜的型號(hào)參數(shù)，可以選擇立式系列兩臺(tái)F6300或一臺(tái)F12500搪玻璃反應(yīng)釜，符合要求。

2.3 攪拌器選型

攪拌器是立式釜式反應(yīng)器中最重要的部分，用于攪拌混合液體反應(yīng)物，其類型或攪拌形式直接決定化工反應(yīng)的進(jìn)程、產(chǎn)品收率、生產(chǎn)能耗等[4]。在生物柴油的生產(chǎn)過(guò)程中，往往所用催化劑的密度比油酯和醇的密度大，攪拌效果不好往往容易沉積在釜底，造成反應(yīng)不均勻，并且強(qiáng)酸強(qiáng)堿類催化劑會(huì)對(duì)搪瓷設(shè)備釜底封口處有一定腐蝕[8]。

常見(jiàn)的攪拌器的結(jié)構(gòu)形式很多，常用的有槳式攪拌器、框式攪拌器、旋漿式攪拌器、渦輪式攪拌器等。在實(shí)際應(yīng)用中往往根據(jù)反應(yīng)物料的粘度性質(zhì)、狀態(tài)性質(zhì)或傳熱目的去選擇不同的攪拌器[5，6]。

表2 攪拌器選型依據(jù)[6]

因此，對(duì)于選取立式釜式反應(yīng)器的生物柴油生產(chǎn)中，反應(yīng)時(shí)的物料是低粘度，密度相近，包括非均相液體混合和固液混合，并且固液密度差較大。結(jié)合反應(yīng)器型號(hào)和體積，宜采用旋漿式攪拌器與渦輪式攪拌器的組合，渦輪式攪拌器采用開(kāi)啟彎葉，漿葉外緣附近造成激烈的旋渦運(yùn)動(dòng)和很大的剪切力，使液體微團(tuán)分散的更細(xì)。

2.4 其他因素

在實(shí)際生產(chǎn)中，攪拌器的功率、循環(huán)量及攪拌強(qiáng)度都會(huì)影響攪拌的效果。

2.4.1 攪拌器功率和攪拌強(qiáng)度

對(duì)于常用旋漿式、漿葉式、渦輪式等定性攪拌器，其功率一般可以采用下面公式計(jì)算[3,7]：

P=kNρn3d5

P'=Pη

其中，P為理論攪拌功率，kN為功率準(zhǔn)數(shù)，n為葉輪轉(zhuǎn)速，d為葉輪直徑，P'為實(shí)際效率，η機(jī)械效率。

攪拌器電機(jī)功率在攪拌漿葉、攪拌軸的允許強(qiáng)度前提下，增大功率，提高攪拌轉(zhuǎn)速，從而提高攪拌強(qiáng)度。但在實(shí)際生產(chǎn)中一定要結(jié)合實(shí)際、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。否則會(huì)對(duì)攪拌器的機(jī)封產(chǎn)生負(fù)面的影響。

2.4.2 循環(huán)量與混合程度反應(yīng)釜內(nèi)物料的混合程度, 與攪拌器的循環(huán)量(Q)和進(jìn)出反應(yīng)釜的物料的流量(q)有關(guān),兩者比值 λ=Q/q可以反應(yīng)物料的混合程度，文獻(xiàn)報(bào)道，當(dāng)λ>600時(shí)候，物料混合較好[7]。

2.4.3 攪拌器的放大

攪拌的過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，影響其攪拌效果的因素較多，因此經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)對(duì)攪拌器的化工工藝參數(shù)確定之后，還需要進(jìn)行小試、中試試驗(yàn)，確定攪拌器的最佳操作條件和生產(chǎn)中的操作參數(shù)。中試的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)模擬和優(yōu)化才能獲得出為設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模所需要的攪拌裝置的操作條件和參數(shù)。也就是反應(yīng)器的放大過(guò)程[6，8]。在實(shí)際應(yīng)用中，反應(yīng)裝置的選型、操作參數(shù)需要理論計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)相結(jié)合才能最終確定。

3 結(jié)論

對(duì)生物柴油間歇反應(yīng)裝置的選型設(shè)計(jì)主要涉及反應(yīng)釜型號(hào)確定、攪拌器型號(hào)確定、工藝放大等三個(gè)方面：

(1) 通過(guò)對(duì)生產(chǎn)規(guī)模, 生產(chǎn)時(shí)間，反應(yīng)工藝原理、反應(yīng)參數(shù)、物性數(shù)據(jù)等進(jìn)行采集分析后，確定反應(yīng)釜的型號(hào)和尺寸。

(2) 通過(guò)對(duì)物料粘度，物料理化狀態(tài)、是否考慮強(qiáng)化液體與釜壁間傳熱進(jìn)行分析后，結(jié)合已有經(jīng)驗(yàn)選擇攪拌器的類型，確定攪拌器的尺寸、功率等。

(3)在實(shí)際生產(chǎn)中，還需要進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)研究 ,還需通過(guò)小試、中試，對(duì)攪拌器進(jìn)行合理選用，確定合適的參數(shù)，以達(dá)到工藝要求。

[1] 吳謀成. 生物柴油[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：1-3.

[2] 鞠慶華. 有機(jī)堿催化制備生物柴油模擬體系的研究[D].南京：南京工業(yè)大學(xué)，2005.

[3] 王存文. 生物柴油制備技術(shù)及實(shí)例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：97-102.

[4] 李 兵. 新型行星式攪拌器實(shí)驗(yàn)研究[D].青島：青島科技大學(xué)，2012.

[5] 秦學(xué)民. 筒式攪拌器的研制及其攪拌性能研究[D].大慶：大慶石油學(xué)院，2008 .

[6] 華依青. 攪拌器在化工單元設(shè)備中的選用[J].化工設(shè)計(jì)，2004，14(6)：10-13.

[7] 應(yīng)俊信. 酯化反應(yīng)釜攪拌器的分析[J].聚酯工業(yè)，2000，13(3)：9-12.

[8] 胡建成，陳海霞，章秋香. 酯化反應(yīng)釜攪拌器的改進(jìn)[J]. 化工機(jī)械，2007，34(5)：281-282.

(本文文獻(xiàn)格式：馬志研，王佰亮.小型生物柴油間歇生產(chǎn)裝置的選型設(shè)計(jì)[J].山東化工，2016，45(14)：103-104，107.)

The Design of The Small Scale Intermittent Biodiesel Production Unit

MaZhiyan1，WangBailiang2

(1. Department of chemical engineering, Yingkou institute of technology, Yingkou 115000，China；2. Shenyang Chemical Industry Research Institute Design Engineering Co., Ltd., Shenyang 110021, China)

The design of the Small scale intermittent biodiesel production unit was introduced in this paper with the technology of intermittent homogeneous catalysis rapeseed oil to product biodiesel as an example. The key point of the design method was report and the design of the selection of Reaction kettle and agitator was introduced. The influence factor of the agitator effects and the necessity and importance of the scaling effect consideration also were put forward.

biodiesel; intermittent production; design

2016-02-18

營(yíng)口理工學(xué)院2016年院級(jí)科研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：YYL201622)

馬志研(1980—)，中級(jí)實(shí)驗(yàn)師，工學(xué)碩士，遼寧省營(yíng)口市人，2008年畢業(yè)于沈陽(yáng)化工學(xué)院化學(xué)工程專業(yè)，研究方向：從事化工產(chǎn)品添加劑及化工模擬工作；通訊作者：王佰亮，E-mail：wangbailiang@sinochem.com。

TE667

A

1008-021X(2016)14-0103-02