生物柴油提炼工艺的优化设计

席丽青，段志刚

（奥福科技有限公司江西分公司，江西南昌 330001）

柴油作为一种石油炼制品，具有良好的燃烧性（燃烧性能明显优于0号柴油），在人类社会经济发展中广泛用于工业产业充当动力燃料。我国是能源消耗大国，近年来产业经济快速发展，能源短缺与环境恶化的矛盾日益突出，保护人类赖以生存的自然环境的行动刻不容缓，因此从资源挖掘和环境保护的角度探索寻求可再生能源替代不可再生资源。生物柴油，也叫脂肪酸甲酯，被认定为清洁型柴油燃料，其产业在我国具有相当大的发展空间。同时作为对环境友好的绿色燃料，其能创造较为深远的经济价值和社会效益，生物柴油的提炼涉及高温高压反应、强腐蚀性等操作环境，副产品种类多，产量巨大而工艺繁琐，因此对生物柴油的提炼工艺进行自控优化设计尤为重要[1]。

目前，发展生物柴油产业的主要障碍是生产成本高。一方面，发展生物柴油产业的前提是拥有充足、成本低廉和高质量地原料来源；另一方面，对生物柴油生产工艺进行改进，提高生物柴油生产过程的转化率，采用更加自动化控制进行大批量的生产，从而降低生产成本。

1 当前问题

1.1 当前社会问题

目前生物柴油以三种油品——废动植物油（预处理后的地沟油）、酒店（餐饮）煎炸废油、植物油为原料，主要流程为先酸催化预酯化，再碱催化转酯化制取脂肪酸甲酯（生物柴油）和副产甘油。高酸值原料油（废动植物油酸值70~130）用硫酸催化预酯化；植物油原料（酸值0.63）可直接用碱催化转酯化制取脂肪酸甲酯和甘油；预酯化和转酯化都使用过量甲醇，产物分离后分别脱除甲醇，制得副产物粗甘油及粗品生物柴油，生物柴油经进一步精制得到符合国际标准的产品。脱除的甲醇精馏提纯后回收套用。副产物粗甘油经过脱醇后出售。

废动植物油（预处理后的地沟油）生产工艺，包括机械过滤等预处理、预酯化、离心分离、转酯化、离心分离、甲酯脱醇、甘油脱醇、甲酯粗品脱色、干洗、甲醇精馏回收等工段。

酒店煎炸废油生产工艺包括机械过滤预处理、酯化、转酯化、离心分离、甲酯脱醇、甘油脱醇、甲酯粗品干洗、甲醇精馏回收等工段。

植物油生产工艺包括脱水、预酯化、酯化及氧化、水洗脱水、精馏等工段。

目前工厂产量输出较大的主要为采用植物油为原材料进行生物柴油的生产，其中重要而危险度高的工序包括脱水、预酯化、酯化及氧化、水洗脱水、精馏等工段。

1.2 当前技术

生物柴油的技术主要采用植物油为原材料进行生物柴油的生产，目前该项目生物柴油生产工艺装置采用了国内较成熟的工艺，同国内辽宁超维特生物能源有限公司30万t/a 生物柴油项目、宁波杰森绿色能源科技有限公司年新增2万t 生物柴油及5 000 t 工业级混合油生产技术改造项目、嘉善盈丰生物能源有限公司年产1万t 生物柴油项目相同的原辅材料和生产工艺路线进行生产，以上产品相关技术已经成熟可靠，工艺广泛采用并成熟运用。

目前，野生动物栖息地的保护已经成为一项非常重要的任务，为了让各类野生动物有一个美好的家园，人们应该正确树立保护野生动物的思想意识，不乱砍乱伐，不肆意杀戮，确保野生动物的生存与繁衍。同时，国家应该加大对野生动物栖息地的保护力度，安排相关人员在野生动物保护区坚守岗地，在未经允许的情况下，禁止任何人进入野生动物保护区，并且倡导周边的人民群众一起做好保护野生动物的工作。

1.3 优化分析

对生物柴油生产装置优化属于安全提升改造工程，从而提高其生产效率和产品质量，其中主要对旧设备进行更换、启用部分设备、增加安全系统，同时缩小产能，生产工艺成熟可靠。

通过对生物柴油工艺设备生产线优化，可有效发挥配套综合优势、增加市场竞争力。优化项目将使原有的资源得到更充分的利用，形成资源的循环利用。优化后，有以下特点。

（1）生产工艺、设备选择充分考虑了各工序间的衔接，根据物料量合理搭配，减少各工序中可能发生的跑、冒、滴、漏。

（2）根据物料性质，本项目的反应釜、中间罐等采用搪玻璃、316材料、304或非金属防腐蚀材料，进一步降低反应物料对设备的腐蚀，保证生产安全性。

（3）原料配制以及生产处于密闭系统，原料通过输送管道计量进行自动控制，操作工人减少了与物料直接接触的机会，能有效降低操作工人的风险。

（4）采用自动化控制系统，极大限度减少人与设备设施接触，能有效保障操作的精准和人员的安全。

本项目生物柴油采用化学法技术和工艺，生产的生物柴油采取与0#柴油调和使用，作为柴油发动机的燃料。

1.4 当前的工艺问题

图1 工艺流程图

（1）脱水：植物油脂打入脱水釜，开启真空泵，通入蒸汽加热，脱水釜内的油脂升温进行脱水。

（2）预酯化：将甲醇、浓硫酸分别加入预酯化釜中，将脱水釜内脱水后的植物油脂打入到预酯化釜中，在常压下通入蒸汽加热。使植物油脂在浓硫酸的催化作用下进行预酯化反应。

（3）酯化及氧化：将预酯化内的溶液打入到酯化釜，分别加入甲醇、浓硫酸、乙酸溶液，在常压下蒸汽加热进行酯化反应，蒸发出来的气体去蒸馏系统，分离得到的部分粗甘油、粗乙酸和水的混合液打入氧化反应釜中，再向氧化釜内一次性加入固体高锰酸钾，氧化掉混合液中的少量甘油，得到粗乙酸和水混合溶液，混合溶液去蒸馏塔蒸馏后得到副产粗乙酸。酯化釜内剩余的溶液进行下一步的水洗脱水和精馏。

（4）水洗脱水：酯化釜加入氢氧化钠水溶液进行水洗，直到pH 为7，再进行加热真空脱水。

（5）精馏：将酯化釜的粗生物柴油输送至精馏一塔，导热油加热再沸器，将精馏一塔常压蒸馏，塔顶采出含有以醋酸甲酯、甲醇等为主的轻组分杂质，塔釜采出物输送至精馏二塔。精馏二塔加压蒸馏，塔釜采出含有少量生物柴油、甲醇的废水；在塔顶得到生物柴油和水、生物柴油和甲醇等共沸物，输送至精馏三塔进料。塔侧线采出气相甘油副产品。

精馏三塔常压蒸馏，塔顶得到生物柴油和水、生物柴油和甲醇等共沸物，输送至精馏四塔；精馏三塔侧线采出气相生物柴油产品，塔釜采出高沸点重组分杂质——即副产品植物沥青。

精馏四塔压力为常压蒸汽加热蒸馏，在塔顶分离出含有少量生物柴油、水的废甲醇以及其他轻组分杂质。塔釜物料含有大量的生物柴油，通过泵送至精馏二塔，回收其中的生物柴油产品。

2 控制系统优化方案

2.1 危险度分析

生物柴油提炼工艺过程中涉及的氧化反应属于重点监管危险化工工艺，且氧化反应工艺操作方式为半间歇式工艺，根据相关规定，项目需进行反应风险评估，评估内容根据氧化反应的工况进行，得出安全风险评估结果。

根据反应工艺危险度等级，明确安全操作条件，在设计过程中指导工艺管道、自动仪表控制系统、自动报警与安全仪表系统、物料释放后的收集与保护，同时可为厂区和周边区域制定应急预案等方面提供参考方案、提出安全风险防控建议。

针对氧化反应的安全风险措施优化改进如下。

通过具有相关资质研究院进行反应安全风险评估，结果得出实际加料速度下氧化反应的工艺危险度评估为1级通过反应热分析。

对于反应工艺危险度分级为1级的工艺过程，采用DCS 或 PLC 自动控制系统，集中监控及自动调节主要的反应参数。若发生一次性投料且冷却失效，反应工艺危险度等级会升高，具有潜在热失控风险。因此，实际生产时设置DCS 或 PLC 自动控制系统，集中监控及自动调节主要的反应参数，对加料实施自动控制，增设进料限流装置，设置偏离正常值的报警和联锁控制，设置紧急切断阀，杜绝可能出现的一次性投料。在非正常工况下有超压风险的反应系统，设置安全阀、爆破片等紧急泄放的安全设施。

2.2 工艺优化方案

根据氧化工艺反应的风险安全评估结果以及相关规定的要求，为了提升生产全过程中的本质安全，项目优化设置DCS 控制系统和SIS 独立的安全仪表系统，要求独立设置参数测量仪表、控制阀、逻辑控制器。在正常工况下，对生产过程的温度、压力、流量、液位等参数在控制室监控画面显示，并按照工艺的要求在控制室进行远程自动监测、记录、报警、控制。

反应工段的脱水釜、预酯化反应釜、酯化反应釜、脱水釜设置有压力指示；温度远传指示、高低报警，自动调节蒸汽流量以控制反应温度。氧化反应釜设置DCS系统仪表和SIS系统仪表。有温度远传指示、报警，自动调节蒸汽流量控制氧化反应釜的温度，联锁控制进料。温度与进料管线上的切断阀连锁，当达到DCS 系统的高、低限定值时报警，当达到DCS 系统的高高定值时连锁关闭进料管线上的切断阀；当达到SIS 系统的高限定值时连锁关闭进料管线上的切断阀。

精馏工段根据相关规定对精馏塔进行优化设计，设置DCS 系统仪表，精馏塔设进料流量自动控制阀，设置液位自动控制以达到连续进料和出料，通过调节塔釜内的进料或釜液抽出量调节液位；精馏塔应设塔釜和回流罐液位设置就地和远传指示并设高低液位报警；设置塔釜温度远传指示、超限报警，塔釜温度高高联锁切断热媒；塔顶冷凝器设置冷媒流量控制阀，用物料出口温度控制冷却水控制阀的开度。再沸器的加热热媒管道上设置热媒流量控制阀，通过改变热媒流量调节釜温；塔顶为馏出液为液体的回流罐，设就地和自控液位计，用回流罐液位控制或超驰回流量或冷媒量；回流罐设高低液位报警。塔顶设置回流泵，在回流管道上设置远传、指示流量计和温度计，设置流量低限报警和温度高限报警。

为了提升连续精馏过程及物料转塔衔接过程的本质安全，精馏塔设置塔釜温度高高限报警，自动联锁切断塔釜再沸器的导热油进口管道阀门；塔顶设置压力高高限报警，自动联锁切断塔釜再沸器的导热油进口管道阀门。

3 优化成果

生物柴油反应工序和精馏工序采用先进可靠的工艺，配备齐全的安全设施，设计充分考虑了安全要求，严格执行有关标准规范，对制备生物柴油工艺中可能的各种危害和危险因素采取有效的防范措施。制定符合国家标准或行业标准的安全措施，设置DCS 系统和独立的SIS 安全仪表系统，从而提高了项目的安全系数，项目优化后，在确保各项安全设施可靠运行状况下，能达到优化的效果。

优化工艺产出的生物柴油产品质量指标符合《B5柴油》（GB 25199—2017）[2]；甘油副产品质量指标符合《甘油》（GB/T 13206—2022）[3]优等品；粗乙酸副产品质量指标符合《工业用冰乙酸》（GB/T 1628—2020）[4]Ⅱ型指标。