大豆酸化油合成生物柴油的工艺研究

论文摘要

随着石油资源的日益缺乏和人们环境保护意识的增强,人们开始寻找一种可再生的能够替代石油燃料并对环境破坏小的新能源,生物柴油以其可再生性及对环境友好等优点备受人们关注。以酸化油为原料生产生物柴油,不仅可以解决目前生物柴油原料价格偏高的问题,还较好地解决了植物油精炼厂油脚处置不当带来的环境污染问题,具有良好的经济效益和社会效益,因此,利用酸化油合成生物柴油具有重要的研究意义。本文采用浓硫酸催化预酯化、浓硫酸催化酯化反应和氢氧化钠催化酯交换反应的工艺流程。首先通过预酯化反应使酸化油中的绝大部分脂肪酸进行酯化反应,蒸出反应生成的水,然后通过酯化反应将酸值降低到2.0以下,达到碱催化酯交换反应对原料的要求,再进行酯交换反应,最后通过减压蒸馏制得生物柴油产品。本实验通过预酯化和酯化反应两步,相比传统的一步酯化工艺,可大幅度降低醇油比,大大缩短酯化反应时间。而后进行的碱催化酯交换,可以使酸化油中的脂肪酸甘油酯转化率有很大提高,比只进行酸催化的生物柴油收率提高了十几个百分点。对实验中的各步反应,以醇油比、反应时间、反应温度和催化剂用量为考察因素,分别进行了单因素实验和正交实验,得出反应的最佳操作条件:（1）酸催化预酯化反应的最佳操作条件:醇油摩尔比16,反应时间8h,反应温度70℃,催化剂质量分数2%。此条件下进行反应,大豆酸化油的酸值从128降至5.6,脂肪酸的转化率为95.6%。（2）酸催化酯化反应的最佳实验条件是:醇油摩尔比12,反应时间5h,反应温度70℃,催化剂质量分数2%。此条件下进行反应,经过预酯化后的产物酸值从5.6降至1.9,脂肪酸的转化率达到98.5%。（3）碱催化酯交换反应的最佳实验条件是:醇油摩尔比6,反应时间1h,反应温度60℃,催化剂质量分数1%。此条件下进行反应,最后通过减压蒸馏,收集压力1.33kPa下,160-240℃的馏分。生物柴油的最终收率达80.2%。利用气相色谱对生物柴油进行了定性分析,确定生物柴油的组成。对生成的生物柴油的馏程、凝点、闪点、粘度和铜片腐蚀进行了测定,并与国内外生物柴油生产标准进行了对比,产品质量符合各项指标要求,证实了用生物柴油部分代替0#号柴油的可行性。本文采用化工流程模拟软件Aspen Plus对年产1万吨的生物柴油的生产装置进行了模拟计算,确定了主要设备的操作参数,对实现工业化生产具有十分重要的参考意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 前言
• 1 文献综述
• 1.1 生物柴油主要性质及用途
• 1.1.1 生物柴油的主要性质
• 1.1.2 生物柴油的用途
• 1.2 生物柴油生产所用原料
• 1.2.1 国外生物柴油主要原料
• 1.2.2 国内生物柴油主要原料
• 1.2.2.1 植物油油脚和酸化油
• 1.2.2.2 利用贫瘠土地种植油料植物
• 1.2.2.3 废食用油（地沟油）
• 1.2.2.4 利用海水培养工程微藻
• 1.3 生物柴油制备技术
• 1.3.1 物理法
• 1.3.1.1 直接混合法
• 1.3.1.2 微乳液法
• 1.3.2 化学法
• 1.3.2.1 高温热裂解法
• 1.3.2.2 酸碱催化法
• 1.3.2.3 生物酶催化法
• 1.3.2.4 超临界法
• 1.3.3 生物柴油制备方法的优劣对比
• 1.4 生物柴油在国内外生产状况
• 1.4.1 欧盟生物柴油生产现状
• 1.4.2 美国生物柴油生产现状
• 1.4.3 中国生物柴油生产现状
• 1.5 本课题开展的目的、意义和研究内容
• 2 实验部分
• 2.1 实验内容
• 2.2 实验概述
• 2.2.1 反应机理
• 2.2.1.1 酸催化酯化反应机理
• 2.2.1.2 碱催化酯交换反应机理
• 2.2.2 主要仪器和试剂
• 2.2.3 实验装置
• 2.2.4 实验产品分析方法
• 2.2.4.1 酸值测定
• 2.2.4.2 气相色谱分析条件
• 2.2.4.3 物理指标测定
• 2.2.5 实验设计与方案
• 2.2.5.1 酸催化预酯化实验流程
• 2.2.5.2 酸催化酯化实验流程
• 2.2.5.3 碱催化酯交换实验流程
• 2.3 本章小结
• 3 实验结果与讨论
• 3.1 工艺流程处理方法与讨论
• 3.2 酸催化实验结果与讨论
• 3.2.1 脂肪酸转化率的计算
• 3.2.2 酸催化预酯化实验
• 3.2.2.1 单因素实验结果与分析
• 3.2.2.2 正交实验优化工艺条件结果与讨论
• 3.2.3 酸催化酯化实验
• 3.2.3.1 单因素实验结果与分析
• 3.2.3.2 正交实验优化工艺条件结果与讨论
• 3.3 碱催化实验结果与讨论
• 3.3.1 生物柴油收率的计算
• 3.3.2 单因素实验结果与讨论
• 3.3.3 正交实验优化工艺条件结果与讨论
• 3.4 生物柴油检测结果
• 3.5 本章小结
• 4 生物柴油生产工艺的模拟及优化
• 4.1 物系组成与流程
• 4.1.1 物系组成
• 4.1.2 流程简介
• 4.1.3 主要单元模块
• 4.1.3.1 化学计量反应器
• 4.1.3.2 两相闪蒸罐
• 4.1.3.3 精馏塔
• 4.2 模拟计算
• 4.2.1 数学模型的选择
• 4.2.2 单元操作模型的选择
• 4.2.3 设计变量的确定
• 4.3 模拟计算结果与讨论
• 4.3.1 反应器工艺条件的确定
• 4.3.2 闪蒸罐工艺条件的确定
• 4.3.3 精馏塔工艺条件的确定
• 4.4 本章小结
• 结论与建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的主要研究成果