[发明专利]用于生物柴油的生产和纯化的连续流系统

说明书

提供一种用于生产和纯化生物柴油的系统和方法。具体地，所述系统包括模块化生物柴油反应器以及连续流分离和纯化单元的串联布置结构。所述系统还可以包括位于生物柴油反应器与连续流分离和纯化单元之间的蒸发单元。

发明领域

本发明涉及用于在连续流系统中从甘油酯和/或游离脂肪酸生产和纯化生物柴油的系统和方法。

背景技术

目前，生物柴油主要使用植物油为原料并通过甘油酯的碱性催化酯交换的分批处理来生产。直接碱性催化的酯交换酯交换需要具有低水分和低游离脂肪酸含量(通常＜2％)的高质量的原料。

2017年的主要原料是棕榈油和豆油，世界总产量接近300亿升(Statista有限公司、约翰布拉姆斯广场1、0355汉堡、德国(Statista GmbH Johannes-Brahms-Platz 1,0355Hamburg.Germany)。来自https://www.statista.com/statistics/271472/biodiesel-production-in-selected-countries/21.02.2019)

一般而言，生物柴油生产的利润率很低，并且生产设施需要很大才会变得经济实惠。主要成本是原料成本，使用高等级植物油会使生物柴油行业与食品行业竞争，并且会增加使用单一栽培的土地。这些都是在使用生物柴油作为传统的化石柴油燃料的替代品带来环境和文化效益的情况下的负面影响。对此，生物柴油行业目前正越来越多地转向使用腰油(废油)和腰脂(废油)。最明显使用的来自屠宰场的腰部(废料)的食用油和脂肪被用作原料，以替代目前占主导地位的高质量植物油。这显著地降低了原材料(原料)成本，并且使生产的生物柴油变得环境友好起来。然而，使用这种低级的材料会给生产处理带来额外的压力，需要对颗粒进行预处理以及脱水。并且，在原料被水解降解的情况下，需要额外的生产工序以在碱性催化酯交换之前去除游离脂肪酸或将其转化为相应的烷基酯。这通常通过中和或通过游离脂肪酸的酸性催化酯化反应来实现，将脂肪酸的含量降低到2％以下，从而避免在进行的碱性催化酯交换反应中形成不利的皂基。

在传统的生物柴油生产中，在均相催化分批处理中，生产出的原材料的生物柴油含有多余的过量醇(通常为甲醇)、副产品甘油(通常约为1:3摩尔比)、余下的催化剂和一些皂化脂肪酸(皂基)。这些副产品需要被去除并部分地精炼以供再利用(醇/甲醇)或作为原材料(甘油)用于其他工业。甘油可以通过沉淀去除大部分，醇(甲醇)可以通过蒸发去除。催化剂和皂基可以通过水洗或离子交换树脂去除。具体地，当沉淀和洗涤被应用于原材料的生物柴油的纯化时，这些步骤会对生产处理造成相当大的问题，需要分离槽具有较高的容量，和/或可能成为生产量的限制因素。

连续流生物柴油生产(尤其是在将粗制产物的纯化整合到连续流中的情况下)可能会比分批生产更有利，因为实现相同的生产量只需要较少的槽容积和占地面积，操作更自动化，因此需要更少的人力，并提供更一致的产品质量。在实验室和半规模的连续流生物柴油生产中采用如下几种方法。这些方法包括振荡反应器、微通道、层流、液体-液体膜和膜反应器以及超临界处理和反应蒸馏。Dang-Thuan Tran、Jo-Shu Chang和Duu-Jong Lee在应用能源(Applied Energy)185(2017)376-409中对该技术领域的当前状态进行了很好的概述。然而，这些方法在大规模的商业设施中的应用程度并不明显。

发明内容

本发明的系统涉及一种串联形式的(相继的)连续流生物柴油生产和纯化的系统，该系统包括模块化生物柴油反应器和连续流分离纯化单元，该连续流分离纯化单元优选地一个塔中包括湿洗、干洗和纯化，该塔有利地与中间闪蒸单元组合在单个系统。

连续流反应器明确地构造成允许游离脂肪酸(FFA)和甘油酯比率处于0～1的可变成分的低级原料灵活、有效和经济地转化。本发明的生物柴油反应器提供一种适用于以下情况的连续流反应系统：i)需要大范围的生产量、催化剂组成和催化剂接触时间；ii)大的压力和温度范围以及高效的传热；iii)催化剂组成和结构的高度灵活性；iv)组合、维护和催化剂再生的高度灵活性。