一種製備生物柴油的裝置及方法
2023-10-05 11:23:44
一種製備生物柴油的裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種製備生物柴油的裝置及方法。該裝置包括管路系統、反應系統和測量系統，管路系統包括原料循環收納箱、物料循環泵、入流管路、回流管路、可調節蝶閥、不可調節蝶閥；反應系統包括水力空化反應器、水力空化孔板、撞擊室、電機驅動旋轉噴嘴；測量系統包括上遊壓力表和下遊壓力表，及流量計。本發明基於耦合水力空化和旋轉撞擊流技術，實現了生物柴油的高效製備。循環流體流經空化反應器內孔板上的節流孔，出現的空化現象增強了流體的湍流強度，使醇相和酯相的傳質面大大增加；旋轉撞擊流技術強化了碰撞時的切向力，強化了碰撞面上的空化效果；裝置運行安全且運行成本低，能大大提高生物柴油的製備效率，縮短了生物柴油的製備時間。
【專利說明】一種製備生物柴油的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明專利涉及水力空化和生物柴油製備領域。特指運用水力空化耦合旋轉撞擊流技術來實現生物柴油製備的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]隨著我國經濟的高速發展，尤其是汽車工業的飛速發展，數億輛汽車尾氣排放帶來世界範圍的環境汙染，日益嚴重的全球性能源短缺與環境的惡化。因此控制汽車尾氣的排放，保護人類賴以生存的自然環境成為目前人類急需解決的問題。世界各國的能源專家從環境保護和資源的戰略角度出發，積極探索發展替代燃料及可再生的能源，對解決石油資源的短缺、緩解石油供應壓力，減少環境汙染都有重大的意義。此時生物柴油作為一種清潔型的替代燃料，則具有相當深遠的意義。
[0003]生物柴油是指以動、植物油脂等可再生生物資源生產的，可用於壓燃式發動機的清潔燃料。主要成份是脂肪酸酯，一般是有菜籽油、大豆油、回收烹飪油、動物油等可再生油脂與醇類(甲醇、乙醇)經酯化反應製得。
[0004]目前生物柴油主要是用化學法生產，即用動物或植物油脂和甲醇或乙醇等低碳醇在酸性或者鹼性催化劑和高溫條件下進行酯化反應，生成相應的脂肪酸甲酯或乙酯，再經洗滌乾燥即得生物柴油。甲醇或乙醇在生產過程中可循環使用，生產設備與一般制油設備相同，生產過程中可產生10%左右的副產品甘油。但在生產中仍存在轉換效率低，反應時間長等問題，導致大規模量產生物柴油存在不少困難。
【發明內容】
[0005]為克服上述現有技術的不足，本發明採用水力空化耦合旋轉撞擊流技術來實現生物柴油的製備。
[0006]本發明的技術方案是:
一種製備生物柴油的裝置，包括管路系統、反應系統和測量系統，其特徵在於:
所述管路系統包括原料循環收納箱、物料循環泵、入流管路、回流管路、用於控制兩個對稱布置的水力空化反應器內流量的可調節蝶閥、安裝在回流管路上的不可調節蝶閥；對稱布置的兩個裝有水力空化反應器的支路採用並聯連接方式，其上遊端經入流管路接物料循環泵，下遊端經由回流管路與原料循環收納箱相連接，構成封閉循環迴路；通過可調節蝶閥的開度可以使兩個裝有水力空化反應器的支路的流量相同；
所述反應系統包括水力空化反應器、水力空化孔板、撞擊室、電機驅動旋轉噴嘴；水力空化孔板兩端與水力空化反應器密封連接，電機驅動旋轉噴嘴安裝在兩個裝有水力空化反應器的支路末端，伸至撞擊室內，並密封；
所述測量系統包括安裝在水力空化孔板上遊用於測量孔板上遊壓力的上遊壓力表和安裝在水力空化孔板下遊用於測量孔板下遊壓力的下遊壓力表，及兩個設置於水力空化反應器上遊用於測量對稱布置的水力空化反應器內流量的流量計。[0007]作為本發明的進一步改進，所述電機驅動旋轉噴嘴包括角型噴嘴和電機轉子，電機轉子帶動角型噴嘴沿圓周旋轉運動，可實現速度調節。
[0008]作為本發明的進一步改進，所述水力空化孔板安置於水力空化反應器中，採用圓形開孔形狀，開孔數目為5~40個，除中心孔水平開孔外其它開孔採用傾斜開孔，開孔率為
0.03、.06。
[0009]作為本發明的進一步改進，所述入流管路採用304不鏽鋼衛生管，規格為Φ25mm*2mm。
[0010]一種權利要求1至4中任意一項所述製備生物柴油的裝置的製備生物柴油的方法，包括如下步驟: A、在原料循環收納箱內添加原料甲醇和油脂，再輔以微量催化劑，並輔以溫度控制；
B、開啟物料循環泵，通過調節可調節蝶閥保證以所需流量進入入流管路；
C、經過流量計後，原料進入水力空化反應器，然後通過水力空化孔板；
D、在水力空化反應器末端，原料通過電機驅動旋轉噴嘴，在撞擊室兩邊互相噴射形成撞擊流；
E、反應後，原料通過回流管路回到原料循環收納箱中進行循環反應。
[0011]進一步，步驟A中，採用的甲醇和油脂的比為3:廣5:1，加入KOH作為催化劑，其含
量佔總量0.1%。
[0012]進一步，步驟B中，物料循環泵通過管路與原料循環收納箱連接，輸送原料進入入流管路中，且通過可調節蝶閥的閥門開合大小設置回流，以期達到所需要的管路流量。
[0013]進一步，步驟C中，入流管路進入兩個支流的入流管路，分別調節兩側的蝶閥以求達到兩邊管路流量相等，並且經過流量計觀測支流流量；然後原料隨管路流入水力空化反應器中，並且經過節流元件水力空化孔板，同時監測孔板兩端上下遊的上遊壓力表和下遊壓力表。
[0014]進一步，步驟D中，原料經過水力空化孔板後，通過裝置在下遊末端平面的電機驅動旋轉噴嘴，在撞擊室內兩側噴嘴保持同一角速度進行互相對噴，在撞擊面形成強烈撞擊空化。
[0015]進一步，步驟E中，在撞擊室內原料撞擊後，從出口經回流管路流回原料循環收納箱，以繼續循環。
[0016]本發明的有益效果是:
採用水力空化孔板節流技術，原料流經孔板時，產生空化現象，大大增加了酯交換反應的傳質面積，且孔板上的節流孔首次採用傾斜角度的設計，增強了渦流效果也可以大大增加湍流、旋轉和剪切力效應，顯著提高酯交換轉換率效果。
[0017]採用旋轉撞擊流技術，大大增加了流體的湍動能和剪切力，可以更好地在撞擊面產生空化區，此處原料激烈撞擊，傳質面增加，酯化反應速度也得以大幅度提高。採用該技術方案生物柴油轉換率可以高達96%以上，裝置設計簡單也便於工業生產應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明一種製備生物柴油的裝置的結構示意圖；
圖2為水力空化孔板示意圖；圖3為圖2中水力空化孔板的剖視圖；
圖4為電機驅動旋轉噴嘴裝置示意圖。
[0019]圖中:1、原料循環收納箱；2、物料循環泵；3、入流管路；4、可調節蝶閥；5、流量計；6、水力空化反應器；7、上遊壓力表；8、水力空化孔板；9、下遊壓力表；10、電機驅動旋轉噴嘴；11、撞擊室；12、回流管路；13、不可調節蝶閥；14、角型噴嘴；15、電機轉子。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0021]本發明一種製備生物柴油的裝置的結構如圖1所示，包括管路系統、反應系統和測量系統，其中:
管路系統包括原料循環收納箱1、物料循環泵2、入流管路3、回流管路12、用於控制兩個對稱布置的水力空化反應器6內流量的可調節蝶閥4、安裝在回流管路12上的不可調節蝶閥13 ;對稱布置的兩個裝有水力空化反應器6的支路採用並聯連接方式，其上遊端經入流管路3接物料循環泵2，下遊端經由回流管路12與原料循環收納箱I相連接，構成封閉循環迴路；通過可調節蝶閥4的開度可以使兩個裝有水力空化反應器6的支路的流量相同。
[0022]反應系統包括水力空化反應器6、水力空化孔板8、撞擊室11、電機驅動旋轉噴嘴10 ;水力空化孔板8兩端與水力空化反應器6通過設計相應的法蘭盤密封連接，電機驅動旋轉噴嘴10安裝在兩個裝有水力空化反應器6的支路末端，且使用螺紋連接，伸至撞擊室11內，並密封；撞擊室11材料為有機玻璃，能更好的觀察撞擊面。
[0023]測量系統包括安裝在水力空化孔板8上遊用於測量孔板上遊壓力的上遊壓力表7和安裝在水力空化孔板8下遊用於測量孔板下遊壓力的下遊壓力表9，及兩個設置於水力空化反應器6上遊用於測量對稱布置的水力空化反應器6內流量的流量計5。
[0024]上述電機驅動旋轉噴嘴10的結構如圖4所示，包括角型噴嘴14和電機轉子15，電機轉子15帶動角型噴嘴14沿圓周旋轉運動，可實現速度調節。
[0025]上述水力空化孔板8的結構如圖2和圖3所示，水力空化孔板8安置於水力空化反應器6中，採用圓形開孔形狀，開孔數目為5~40個，除中心孔水平開孔外其它開孔採用傾斜開孔，開孔率為0.03、.06。
[0026] 上述入流管路3採用304不鏽鋼衛生管,規格為Φ 25mm*2mm。
[0027]本發明一種製備生物柴油的方法，包括如下步驟:
A、在原料循環收納箱內添加原料甲醇和油脂，再輔以微量催化劑，並輔以溫度控制。採用的甲醇和油脂的比為3:廣5:1，加入KOH作為催化劑，其含量佔總量0.1%。不工作時，不可調節蝶閥13處於關閉狀態；開始工作時，打開蝶閥至開啟狀態。
[0028]B、開啟物料循環泵，通過調節可調節蝶閥保證以所需流量進入入流管路。物料循環泵通過管路與原料循環收納箱連接，輸送原料進入入流管路中，且通過可調節蝶閥的閥門開合大小設置回流，以期達到所需要的管路流量。
[0029]C、經過流量計後，原料進入水力空化反應器，然後通過水力空化孔板。入流管路進入兩個支流的入流管路，分別調節兩側的蝶閥以求達到兩邊管路流量相等，並且經過流量計觀測支流流量；然後原料隨管路流入水力空化反應器中，並且經過節流元件水力空化孔板，同時監測孔板兩端上下遊的上遊壓力表和下遊壓力表。具體地，打開物料循環泵2，並且調節兩側支路的可調節蝶閥4，使兩側支路流量基本處於8m3/h(流量範圍可以自行調節，8至IlmVh左右，空化效果較佳)，並且可以觀測讀取上遊壓力表7和下遊壓力表9的數值。原料經由水力空化孔板8後，由於節流孔的作用，流動速度增加且會有大量空化出現，原料在此處進行傳質面酯交換反應。
[0030]D、在水力空化反應器末端，原料通過電機驅動旋轉噴嘴，在撞擊室兩邊互相噴射形成撞擊流。原料經過水力空化孔板後，通過裝置在下遊末端平面的電機驅動旋轉噴嘴，在撞擊室內兩側噴嘴保持同一角速度進行互相對噴，形成撞擊面，在撞擊面中心產生負壓區，在撞擊面形成強烈撞擊空化效應。且此時電機轉子15帶動角型噴嘴14沿圓周方向進行旋轉對射。
[0031]E、反應後，原料通過回流管路回到原料循環收納箱中進行循環反應。在撞擊室內原料撞擊後，從出口經回流管路12流回原料循環收納箱1，進行下一次循環。
[0032]如此循環30分鐘後，關閉可調節蝶閥4，物料循環泵2，不可調節蝶閥13，對原料進行檢測，轉換率能高達96%以上。
[0033]本發明一種製備生物柴油的裝置是在傳統製備生物柴油醇油酯交換方法基礎上，通過耦合水力空化和旋轉撞擊流技術，實現生物柴油的高效製備。循環流體流經空化反應器內孔板上的節流孔時，孔板後出現的空化現象增強了流體的湍流強度，這也使得製備生物柴油的醇相和酯相的傳質面大大增加，強化了生物柴油的製備效果。裝置中創新引入的旋轉撞擊流技術強化了碰撞時的切向力，這也進一步強化了碰撞面上的空化效果。此裝置運行安全且運行成本低，能大大提高生物柴油的製備效率，大大縮短了生物柴油的製備時間，更適合規模化生產。
[0034]以上所述僅 為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種製備生物柴油的裝置，包括管路系統、反應系統和測量系統，其特徵在於: 所述管路系統包括原料循環收納箱(1)、物料循環泵(2)、入流管路(3)、回流管路(12)、用於控制兩個對稱布置的水力空化反應器(6)內流量的可調節蝶閥(4)、安裝在回流管路(12)上的不可調節蝶閥(13);對稱布置的兩個裝有水力空化反應器(6)的支路採用並聯連接方式，其上遊端經入流管路(3)接物料循環泵(2)，下遊端經由回流管路(12)與原料循環收納箱(1)相連接，構成封閉循環迴路；通過可調節蝶閥(4)的開度可以使兩個裝有水力空化反應器(6)的支路的流量相同； 所述反應系統包括水力空化反應器(6)、水力空化孔板(8)、撞擊室(11)、電機驅動旋轉噴嘴(10);水力空化孔板(8)兩端與水力空化反應器(6)密封連接，電機驅動旋轉噴嘴(10)安裝在兩個裝有水力空化反應器(6)的支路末端，伸至撞擊室(11)內，並密封； 所述測量系統包括安裝在水力空化孔板(8)上遊用於測量孔板上遊壓力的上遊壓力表(7 )和安裝在水力空化孔板(8 )下遊用於測量孔板下遊壓力的下遊壓力表(9 )，及兩個設置於水力空化反應器(6)上遊用於測量對稱布置的水力空化反應器(6)內流量的流量計(5)。
2.根據權利要求書I所述的一種製備生物柴油的裝置，其特徵在於:所述電機驅動旋轉噴嘴(10)包括角型噴嘴(14)和電機轉子(15)，電機轉子(15)帶動角型噴嘴(14)沿圓周旋轉運動，可實現速度調節。
3.根據權利要求書I或2所述的一種製備生物柴油的裝置，其特徵在於:所述水力空化孔板(8) 安置於水力空化反應器(6)中，採用圓形開孔形狀，開孔數目為5~40個，除中心孔水平開孔外其它開孔採用傾斜開孔，開孔率為0.03、.06。
4.根據權利要求書I或2所述的一種製備生物柴油的裝置，其特徵在於:所述入流管路(3)採用304不鏽鋼衛生管，規格為(j5 25mm*2mm。
5.一種權利要求1至4中任意一項所述製備生物柴油的裝置的製備生物柴油的方法，包括如下步驟: A、在原料循環收納箱(1)內添加原料甲醇和油脂，再輔以微量催化劑，並輔以溫度控制； B、開啟物料循環泵(2)，通過調節可調節蝶閥(4)保證以所需流量進入入流管路(3)； C、經過流量計(5)後，原料進入水力空化反應器(6 )，然後通過水力空化孔板(8 ); D、在水力空化反應器(6)末端，原料通過電機驅動旋轉噴嘴(10)，在撞擊室(11)兩邊互相噴射形成撞擊流； E、反應後，原料通過回流管路(12)回到原料循環收納箱(1)中進行循環反應。
6.根據權利要求5所述的一種製備生物柴油的方法，其特徵在於:步驟A中，採用的甲醇和油脂的比為3: f 5:1，加入KOH作為催化劑，其含量佔總量0.1%。
7.根據權利要求5所述的一種製備生物柴油的方法，其特徵在於:步驟B中，物料循環泵(2 )通過管路與原料循環收納箱(1)連接，輸送原料進入入流管路(3 )中，且通過可調節蝶閥(4)的閥門開合大小設置回流，以期達到所需要的管路流量。
8.根據權利要求5所述的一種製備生物柴油的方法，其特徵在於:步驟C中，入流管路(3)進入兩個支流的入流管路，分別調節兩側的蝶閥(4)以求達到兩邊管路流量相等，並且經過流量計(5) 觀測支流流量；然後原料隨管路流入水力空化反應器(6)中，並且經過節流元件水力空化孔板(8)，同時監測孔板兩端上下遊的上遊壓力表(7)和下遊壓力表(9)。
9.根據權利要求5所述的一種製備生物柴油的方法，其特徵在於:步驟D中，原料經過水力空化孔板(8)後，通過裝置在下遊末端平面的電機驅動旋轉噴嘴(10)，在撞擊室(11)內兩側噴嘴保持同一角速度進行互相對噴，在撞擊面形成強烈撞擊空化。
10.根據權利要求5所述的一種製備生物柴油的方法，其特徵在於:步驟E中，在撞擊室(11)內原料撞擊後，從出口經回流管路(12)流回原`料循環收納箱(1)，以繼續循環。
【文檔編號】C11C3/10GK103881828SQ201410100788
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月19日 優先權日:2014年3月19日
【發明者】陳馭航, 何志霞, 王芬, 蔣鼎, 李昌恩 申請人:江蘇大學