小型生物柴油間歇生產裝置的選型設計

馬志研，王佰亮

(1. 營口理工學院化學工程系，遼寧 營口 115000；2. 沈陽化工研究院設計工程有限公司，遼寧 沈陽 110021)

小型生物柴油間歇生產裝置的選型設計

馬志研1，王佰亮2

(1. 營口理工學院化學工程系，遼寧 營口 115000；2. 沈陽化工研究院設計工程有限公司，遼寧 沈陽 110021)

以間歇均相催化菜籽油生產生物柴油工藝為例，介紹生產生物柴油間歇反應裝置的選型設計。闡述了裝置選型設計的主要環節，對反應釜選型和攪拌器選型進行了介紹，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的必要性。

生物柴油；間歇反應；設計

生物柴油是以各種油脂為原料，與低碳醇(如甲醇、乙醇)經酯化或轉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生物柴油的主要方法，它主要通過酯基轉移作用將高粘度的油脂轉化成低粘度的脂肪酸酯[2]。因此酯交換反應器是生產生物柴油過程中的核心設備，正確選擇反應設備的形式、結構尺寸、確定合適的反應溫度、反應濃度是生物柴油是否能夠達到產品要求的關鍵。本文以間歇均相催化菜籽油生產生物柴油工藝為例，介紹反應裝置的選型設計。

1 工藝流程

圖1 間歇均相堿催化工藝流程圖

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

2 選型計算

2.1 工藝條件

生產規模：10000t/a

生產時間：每年生產時間按照300天計

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

物性數據：菜籽油密度：ρ菜籽油=918kg·m-3；相對分子質量M菜籽油=869.8；甲醇的密度：ρ甲醇=792kg·m-3；相對分子質量M甲醇=32.04；氫氧化鉀密度：ρKOH=2040 kg·m-3。

2.2 反應器體積確定

在實際的生產中，物料不能全部充滿反應釜，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1t生物柴油為例。

生產1t菜籽油生物柴油所需要菜籽油的質量和體積為：

m菜籽油=1000/0.95=1053kg

V菜籽油=1053/918=1.15m3

生產1t菜籽油生物柴油所需要甲醇的質量和體積為：

m甲醇=(1053/869.8) ×6×32.04=233kg

V甲醇=233/792=0.294m3

生產1t菜籽油生物柴油所需要KOH的質量和體積為：

mKOH= 1053×1.2%=12.64kg

VKOH=12.64/2040=0.006m3

那么生產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

每小時生產生物柴油的質量為：

m=10000/(300×24)=1.39t/h

每小時投料總體積為：

v=1.39×1.45=2.02m3/h

每批總的操作時間為5h，則總投料體積為：

VR=2.02×5=10.10 m3

因此反應器的裝料容積為10.10 m3

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

表1 立式搪玻璃反應釜型號參數

因此VT的范圍12.63～14.43 m3之間。依據表1中常用釜的型號參數，可以選擇立式系列兩臺F6300或一臺F12500搪玻璃反應釜，符合要求。

2.3 攪拌器選型

攪拌器是立式釜式反應器中最重要的部分，用于攪拌混合液體反應物，其類型或攪拌形式直接決定化工反應的進程、產品收率、生產能耗等[4]。在生物柴油的生產過程中，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，造成反應不均勻，并且強酸強堿類催化劑會對搪瓷設備釜底封口處有一定腐蝕[8]。

常見的攪拌器的結構形式很多，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。在實際應用中往往根據反應物料的粘度性質、狀態性質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[6]

因此，對于選取立式釜式反應器的生物柴油生產中，反應時的物料是低粘度，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。結合反應器型號和體積，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啟彎葉，漿葉外緣附近造成激烈的旋渦運動和很大的剪切力，使液體微團分散的更細。

2.4 其他因素

在實際生產中，攪拌器的功率、循環量及攪拌強度都會影響攪拌的效果。

2.4.1 攪拌器功率和攪拌強度

對于常用旋漿式、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算[3,7]：

P=kNρn3d5

P'=Pη

其中，P為理論攪拌功率，kN為功率準數，n為葉輪轉速，d為葉輪直徑，P'為實際效率，η機械效率。

攪拌器電機功率在攪拌漿葉、攪拌軸的允許強度前提下，增大功率，提高攪拌轉速，從而提高攪拌強度。但在實際生產中一定要結合實際、現場試驗。否則會對攪拌器的機封產生負面的影響。

2.4.2 循環量與混合程度反應釜內物料的混合程度, 與攪拌器的循環量(Q)和進出反應釜的物料的流量(q)有關,兩者比值 λ=Q/q可以反應物料的混合程度，文獻報道，當λ>600時候，物料混合較好[7]。

2.4.3 攪拌器的放大

攪拌的過程是一個十分復雜的過程，影響其攪拌效果的因素較多，因此經過理論計算和經驗對攪拌器的化工工藝參數確定之后，還需要進行小試、中試試驗，確定攪拌器的最佳操作條件和生產中的操作參數。中試的數據經過模擬和優化才能獲得出為設計工業生產規模所需要的攪拌裝置的操作條件和參數。也就是反應器的放大過程[6，8]。在實際應用中，反應裝置的選型、操作參數需要理論計算、經驗和試驗相結合才能最終確定。

3 結論

對生物柴油間歇反應裝置的選型設計主要涉及反應釜型號確定、攪拌器型號確定、工藝放大等三個方面：

(1) 通過對生產規模, 生產時間，反應工藝原理、反應參數、物性數據等進行采集分析后，確定反應釜的型號和尺寸。

(2) 通過對物料粘度，物料理化狀態、是否考慮強化液體與釜壁間傳熱進行分析后，結合已有經驗選擇攪拌器的類型，確定攪拌器的尺寸、功率等。

(3)在實際生產中，還需要進一步進行試驗研究 ,還需通過小試、中試，對攪拌器進行合理選用，確定合適的參數，以達到工藝要求。

[1] 吳謀成. 生物柴油[M]. 北京：化學工業出版社，2009：1-3.

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

[3] 王存文. 生物柴油制備技術及實例[M].北京：化學工業出版社，2009：97-102.

[4] 李 兵. 新型行星式攪拌器實驗研究[D].青島：青島科技大學，2012.

[5] 秦學民. 筒式攪拌器的研制及其攪拌性能研究[D].大慶：大慶石油學院，2008 .

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

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

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

(本文文獻格式：馬志研，王佰亮.小型生物柴油間歇生產裝置的選型設計[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

營口理工學院2016年院級科研項目(項目編號：YYL201622)

馬志研(1980—)，中級實驗師，工學碩士，遼寧省營口市人，2008年畢業于沈陽化工學院化學工程專業，研究方向：從事化工產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