小型生物柴油间歇生产装置的选型设计

马志研，王佰亮

(1. 营口理工学院化学工程系，辽宁 营口 115000；2. 沈阳化工研究院设计工程有限公司，辽宁 沈阳 110021)

小型生物柴油间歇生产装置的选型设计

马志研1，王佰亮2

(1. 营口理工学院化学工程系，辽宁 营口 115000；2. 沈阳化工研究院设计工程有限公司，辽宁 沈阳 110021)

以间歇均相催化菜籽油生产生物柴油工艺为例，介绍生产生物柴油间歇反应装置的选型设计。阐述了装置选型设计的主要环节，对反应釜选型和搅拌器选型进行了介绍，提出了影响搅拌器搅拌效果的因素和考虑搅拌器放大效应的必要性。

生物柴油；间歇反应；设计

生物柴油是以各种油脂为原料，与低碳醇(如甲醇、乙醇)经酯化或转酯化等一系列加工处理而制成的一种液体燃料，它是石化柴油的替代品，是典型的“绿色能源”[1]。其中酯交换法是目前生产生物柴油的主要方法，它主要通过酯基转移作用将高粘度的油脂转化成低粘度的脂肪酸酯[2]。因此酯交换反应器是生产生物柴油过程中的核心设备，正确选择反应设备的形式、结构尺寸、确定合适的反应温度、反应浓度是生物柴油是否能够达到产品要求的关键。本文以间歇均相催化菜籽油生产生物柴油工艺为例，介绍反应装置的选型设计。

1 工艺流程

图1 间歇均相碱催化工艺流程图

世界上生产规模在5000-10000t/a的大部分工业装置是以间歇方式进行操作的。酸碱均可作为催化剂用于酯交换反应制备生物柴油，而碱催化法更为普遍。酯交换和酯化过程可由均相催化和非均相催化实现。图1所示为间歇均相碱催化生物柴油工艺流程图[3]。

2 选型计算

2.1 工艺条件

生产规模：10000t/a

生产时间：每年生产时间按照300天计

工艺参数：采用酯催化法，间歇搅拌釜式反应器制备生物柴油，甲醇和原料菜籽油摩尔比6:1，催化剂用量KOH为原料菜籽油质量的1.2%，反应温度为65℃，反应时间为1h，辅助时间4h，生物柴油收率为95%。

物性数据：菜籽油密度：ρ菜籽油=918kg·m-3；相对分子质量M菜籽油=869.8；甲醇的密度：ρ甲醇=792kg·m-3；相对分子质量M甲醇=32.04；氢氧化钾密度：ρKOH=2040 kg·m-3。

2.2 反应器体积确定

在实际的生产中，物料不能全部充满反应釜，要给搅拌等留有一定空间，所以间歇釜的容积要比有效容积要大[3]。以生产1t生物柴油为例。

生产1t菜籽油生物柴油所需要菜籽油的质量和体积为：

m菜籽油=1000/0.95=1053kg

V菜籽油=1053/918=1.15m3

生产1t菜籽油生物柴油所需要甲醇的质量和体积为：

m甲醇=(1053/869.8) ×6×32.04=233kg

V甲醇=233/792=0.294m3

生产1t菜籽油生物柴油所需要KOH的质量和体积为：

mKOH= 1053×1.2%=12.64kg

VKOH=12.64/2040=0.006m3

那么生产1t菜籽油生物柴油所需要总的物料体积为：

V菜籽油+V甲醇+VKOH=1.45m3

每小时生产生物柴油的质量为：

m=10000/(300×24)=1.39t/h

每小时投料总体积为：

v=1.39×1.45=2.02m3/h

每批总的操作时间为5h，则总投料体积为：

VR=2.02×5=10.10 m3

因此反应器的装料容积为10.10 m3

有效容积与反应釜的容积VT之比称为填料系数(φ), φ=VR/VT[3]。由于生物柴油生产过程中发生泡沫不多、不沸腾，需要搅拌，因此生产生物柴油过程中φ的值为0.7～0.8。

表1 立式搪玻璃反应釜型号参数

因此VT的范围12.63～14.43 m3之间。依据表1中常用釜的型号参数，可以选择立式系列两台F6300或一台F12500搪玻璃反应釜，符合要求。

2.3 搅拌器选型

搅拌器是立式釜式反应器中最重要的部分，用于搅拌混合液体反应物，其类型或搅拌形式直接决定化工反应的进程、产品收率、生产能耗等[4]。在生物柴油的生产过程中，往往所用催化剂的密度比油酯和醇的密度大，搅拌效果不好往往容易沉积在釜底，造成反应不均匀，并且强酸强碱类催化剂会对搪瓷设备釜底封口处有一定腐蚀[8]。

常见的搅拌器的结构形式很多，常用的有桨式搅拌器、框式搅拌器、旋浆式搅拌器、涡轮式搅拌器等。在实际应用中往往根据反应物料的粘度性质、状态性质或传热目的去选择不同的搅拌器[5，6]。

表2 搅拌器选型依据[6]

因此，对于选取立式釜式反应器的生物柴油生产中，反应时的物料是低粘度，密度相近，包括非均相液体混合和固液混合，并且固液密度差较大。结合反应器型号和体积，宜采用旋浆式搅拌器与涡轮式搅拌器的组合，涡轮式搅拌器采用开启弯叶，浆叶外缘附近造成激烈的旋涡运动和很大的剪切力，使液体微团分散的更细。

2.4 其他因素

在实际生产中，搅拌器的功率、循环量及搅拌强度都会影响搅拌的效果。

2.4.1 搅拌器功率和搅拌强度

对于常用旋浆式、浆叶式、涡轮式等定性搅拌器，其功率一般可以采用下面公式计算[3,7]：

P=kNρn3d5

P'=Pη

其中，P为理论搅拌功率，kN为功率准数，n为叶轮转速，d为叶轮直径，P'为实际效率，η机械效率。

搅拌器电机功率在搅拌浆叶、搅拌轴的允许强度前提下，增大功率，提高搅拌转速，从而提高搅拌强度。但在实际生产中一定要结合实际、现场试验。否则会对搅拌器的机封产生负面的影响。

2.4.2 循环量与混合程度反应釜内物料的混合程度, 与搅拌器的循环量(Q)和进出反应釜的物料的流量(q)有关,两者比值 λ=Q/q可以反应物料的混合程度，文献报道，当λ>600时候，物料混合较好[7]。

2.4.3 搅拌器的放大

搅拌的过程是一个十分复杂的过程，影响其搅拌效果的因素较多，因此经过理论计算和经验对搅拌器的化工工艺参数确定之后，还需要进行小试、中试试验，确定搅拌器的最佳操作条件和生产中的操作参数。中试的数据经过模拟和优化才能获得出为设计工业生产规模所需要的搅拌装置的操作条件和参数。也就是反应器的放大过程[6，8]。在实际应用中，反应装置的选型、操作参数需要理论计算、经验和试验相结合才能最终确定。

3 结论

对生物柴油间歇反应装置的选型设计主要涉及反应釜型号确定、搅拌器型号确定、工艺放大等三个方面：

(1) 通过对生产规模, 生产时间，反应工艺原理、反应参数、物性数据等进行采集分析后，确定反应釜的型号和尺寸。

(2) 通过对物料粘度，物料理化状态、是否考虑强化液体与釜壁间传热进行分析后，结合已有经验选择搅拌器的类型，确定搅拌器的尺寸、功率等。

(3)在实际生产中，还需要进一步进行试验研究 ,还需通过小试、中试，对搅拌器进行合理选用，确定合适的参数，以达到工艺要求。

[1] 吴谋成. 生物柴油[M]. 北京：化学工业出版社，2009：1-3.

[2] 鞠庆华. 有机碱催化制备生物柴油模拟体系的研究[D].南京：南京工业大学，2005.

[3] 王存文. 生物柴油制备技术及实例[M].北京：化学工业出版社，2009：97-102.

[4] 李 兵. 新型行星式搅拌器实验研究[D].青岛：青岛科技大学，2012.

[5] 秦学民. 筒式搅拌器的研制及其搅拌性能研究[D].大庆：大庆石油学院，2008 .

[6] 华依青. 搅拌器在化工单元设备中的选用[J].化工设计，2004，14(6)：10-13.

[7] 应俊信. 酯化反应釜搅拌器的分析[J].聚酯工业，2000，13(3)：9-12.

[8] 胡建成，陈海霞，章秋香. 酯化反应釜搅拌器的改进[J]. 化工机械，2007，34(5)：281-282.

(本文文献格式：马志研，王佰亮.小型生物柴油间歇生产装置的选型设计[J].山东化工，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

营口理工学院2016年院级科研项目(项目编号：YYL201622)

马志研(1980—)，中级实验师，工学硕士，辽宁省营口市人，2008年毕业于沈阳化工学院化学工程专业，研究方向：从事化工产品添加剂及化工模拟工作；通讯作者：王佰亮，E-mail：wangbailiang@sinochem.com。

TE667

A

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