小桐子生物柴油制备的试验研究

论文摘要

随着石油资源的日益枯竭、环境污染的加重和车辆柴油化趋势的加快,世界各国都加快了对替代石化燃料的开发步伐。在这种形势下,环保、可再生的生物燃料技术应运而生。由于生物柴油具有和石化柴油极为相似的性质,所以可替代石化柴油,成为新型的清洁环保可再生液体生物燃料,且具有巨大的潜力和广阔的市场前景。生物柴油（Biodiesel）又称脂肪酸甲酯（Fatty Acid Ester）,是利用植物油脂或动物油脂等可再生资源制取出来的可以替代石化燃料的清洁新型燃料,主要成分为软脂酸、硬脂酸、油酸、亚油酸等长链饱和与不饱和脂肪酸同甲醇或乙醇等所形成的酯类化合物。目前,工业上大多采用酸或碱催化法制取生物柴油,虽然该方法技术上较为成熟,但此方法存在对原料要求较高、反应时间相对较长、由于皂化反应的发生而使后处理过程较为复杂、催化剂使用寿命有限制、产物分离困难等缺点,需要寻求制备生物柴油的新方法。小桐子（Jatropha curcas.L）又名麻疯树、臭油桐、桐油树、膏桐、芙蓉树、黑皂树等,属大戟科（Euphorbiaceae）麻疯树属（J.atropha）。落叶灌木或小乔木,其种子含油量高,出油率高达50%以上,为我国四大木本油料植物（乌桕、油茶、小桐子和核桃）之一。小桐子油具有毒性,不能食用,传统多用于化工方面,如生产油漆、硬化油、制皂等。目前国内生产生物柴油的主要原料是地沟油、食用废油,这样就限制了大规模地发展生物柴油。以小桐子油为原料制取生物柴油,扩大了生物柴油的原料来源,满足了大规模发展生物柴油的需要,同时也避免了发展生物柴油会与人类争抢食用油的局面。作者以小桐子油为原料,不添加任何催化剂,采用亚临界水—超临界甲醇两步法制备生物柴油,第一步将小桐子油在亚临界水中水解成脂肪酸,第二步将其脂肪酸在超临界甲醇中酯化成脂肪酸甲酯,即生物柴油。论文详细研究了各步反应中反应温度、反应时间、反应压力及原料配比等因素对制备生物柴油的影响。试验结果以采用酸值分析为主,兼而使用超高效液相色谱进行分析。得出小桐子油在亚临界水中水解反应的最佳条件为：反应温度290℃,油水体积比1：3,反应时间40min,转化率达到98.9%。并对水解反应进行了动力学分析,得出此水解反应的反应级数为0.78,活化能为55.34 kJ/mol,反应动力学模型为-dcA/dt=7254.96e55.34/RTCA0.78。对小桐子油脂肪酸在超临界甲醇中酯化反应,首先采用单因素分析方法进行了分析,根据试验分析结果,采用L9（34）正交表,对反应温度、反应时间和脂肪酸与甲醇体积比3因素3水平的正交试验,并对正交试验结果进行极差和方差分析,得出此酯化反应的最佳条件为：反应温度290℃,反应时间30min,脂肪酸与甲醇体积比1：2,并用优化后的最佳工艺条件进行了验证试验,转化率达到99.02%。同时对酯化反应进行了动力学分析,得出此酯化反应的反应级数为1.45,活化能为66.79 kJ/mol,反应动力学模型为：-dcA/dt=5.65×105e66.79/RTcA1.45。作者最后对小桐子油及其生物柴油的性能指标进行了测定,生物柴油除水分含量和酸值两指标外,其它各指标均已达到我国生物柴油国家标准。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 引言
• 1.1 国内外能源现状
• 1.2 生物质能的研究现状
• 1.3 国内外生物柴油研究现状
• 1.3.1 国外生物柴油的研究与利用现状
• 1.3.2 我国生物柴油的研究与利用现状
• 1.4 生物柴油制备方法
• 1.4.1 直接混合法
• 1.4.2 微乳液法
• 1.4.3 高温裂解法
• 1.4.4 酯交换法
• 1.4.5 生物酶合成法
• 1.4.6 工程微藻法
• 1.5 本课题的提出
• 1.5.1 课题背景及意义
• 1.5.2 本课题的研究意义
• 1.5.3 课题来源
• 1.5.4 本论文研究内容
• 第二章 试验方法
• 2.1 试验原料与仪器设备
• 2.1.1 试验原料
• 2.1.2 试验仪器设备
• 2.2 水解转化率和酯化转化率的分析方法
• 2.2.1 酸值分析法
• 2.2.2 甘油含量分析法
• 2.2.3 超高效液相色谱分析法
• 第三章 小桐子油在亚临界水中水解反应的试验研究
• 引言
• 3.1 试验结果及讨论
• 3.1.1 反应温度对水解转化率的影响
• 3.1.2 反应时间对水解转化率的影响
• 3.1.3 油水体积比对水解转化率的影响
• 3.1.4 反应压力对水解转化率的影响
• 3.1.5 其它因素对水解转化率的影响
• 3.2 小桐子油亚临界水解反应的动力学研究
• 3.2.1 反应级数、反应速率方程的确定
• 3.2.2 水解反应活化能的确定
• 3.3 本章小结
• 第四章 小桐子油脂肪酸在超临界甲醇中酯化反应试验研究
• 引言
• 4.1 试验结果及讨论
• 4.1.1 反应温度对脂化转化率的影响
• 4.1.2 脂肪酸与甲醇体积比对酯化转化率的影响
• 4.1.3 反应时间对酯化转化率的影响
• 4.1.4 其它因素对脂化转化率的影响
• 4.2 正交试验
• 4.3 小桐子油脂肪酸超临界酯化反应的动力学研究
• 4.3.1 反应级数、反应速率方程的确定
• 4.3.2 酯化反应活化能的确定
• 4.4 本章小结
• 第五章 小桐子油及其生物柴油的理化性能
• 5.1 小桐子及其油的特性
• 5.2 小桐子及其油的性能测定
• 5.2.1 小桐子种子颗粒重量及含仁率的测定
• 5.2.2 小桐子种子含水率的测定
• 5.2.3 小桐子种子含油率的测定
• 5.2.4 小桐子油皂化值的测定
• 5.2.5 小桐子油碘值的测定
• 5.2.6 小桐子油酸值的测定
• 5.2.7 小桐子油总脂肪酸含量的测定
• 5.2.8 小桐子油脂肪酸组成的测定
• 5.2.9 小桐子油的理论酸值和相对分子量的计算
• 5.3 小桐子油生物柴油的性能测定
• 5.3.1 生物柴油的性能指标
• 5.3.2 小桐子油生物柴油性能指标的测定
• 第六章 总结与展望
• 6.1 小桐子油亚临界水解反应研究结论
• 6.2 小桐子油脂肪酸超临界酯化反应研究结论
• 6.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录