一种新型振荡流强化反应器制备生物柴油的探讨*

2013-10-15朱瑞林

化工装备技术 2013年4期

关键词：柴油反应器混合

朱瑞林

（湖南师范大学工学院）

朱国林

（江西警察学院）

本文介绍和研究以一种新型振荡流强化反应器制备生物柴油的技术和设备。

1 设备简介

根据笔者的一项发明专利技术（ZL200510031285.6，一种工艺过程的强化技术及其装置）构建一种新型振荡流强化反应器制备生物柴油，其主要技术方案是（参见图1）：在管式反应器1上设置与之配合的转子机械振荡装置，该装置主要由活塞3与圆柱转子4构成，转子对称斜置，形成相位差180°的偏心距，此即活塞振幅。调速电机带动转子旋转，以推动活塞振动，使反应器内流体形成湍流或充分混合，以强化反应过程。电机转速即活塞振荡频率，可无级调节，能准确读知。滑板5可在支座兼导轨6上移动，以改变振幅，即该转子机械振荡装置可使活塞的振荡频率和振幅适时调节。反应器内设置挡板，以增强湍流程度或混合效果。挡板形式多样，可使流态多样化，以便在不改变流体净流速的条件下增强湍流程度或混合效果；或根据不同的反应条件（如流速、催化剂、原料等）选用不同的挡板。

与传统的湍流混合不同，利用该机械装置不必提高流速，而用机械振荡技术调控流速，达到湍流效果或充分混合，提高过程效率；湍流程度不依赖于净流速，而通过调控活塞的频率和振幅（可无级调节，因为二者都是连续变化的）来调控反应器内物料的流态、停留时间等，可避免返混等不利于反应进行的现象，可在很低的雷诺数（Re）下使流体获得湍流或充分混合，不仅能提高过程效率，而且可节约流体输送装置能耗、减小设备体积。结构简单，技术实现方便易行；调节弹性大，适应范围宽；将间歇过程转化为连续过程，因而不存在装料、卸料、清洗等辅助劳动时间和频繁的开、停车，不仅可提高生产效率，简化操作，方便生产，也将大大缩小反应器的长度；此外，还可通过调控振荡强化参数来调控流体流态，从而调控反应器的特性。转子的驱动电机载荷很小，故其功率很小（比间歇过程中搅拌桨的电机功率小得多），因为电机只需驱动转子旋转，而转子所受扭矩很小，活塞重力作用线过转轴，不产生扭矩，电机只需克服轴承处的摩擦力矩即可。强化装置通用性大，不因反应器大型化而使强化装置增大，只要电机能克服轴承处的摩擦力矩而使转子旋转，转子就能推动活塞。尺寸相差不大的反应器可用同样的转子。步进电机只在调振幅的极短时间内工作一下，振幅调好后即停机，几乎不需能耗。

2 该强化装置用于制备生物柴油的可行性及优势

图1 振荡强化反应器

生物柴油制备过程中的反应器是关键和核心设备。振荡流技术已被证实具有良好的传热传质与混合效果，有利于提高过程效率，降低成本。目前，振荡流技术的研究主要集中于流动特性、混合效果、传热传质强化和振荡流热管技术等方面，采用振荡强化技术制备生物柴油的研究极少报道。生物柴油的制备既受反应动力学影响，也受传质与混合的影响[1]。在反应动力学以及油脂植物的分布、选择、培育、遗传改良、原料特性、化学配方、催化、反应工艺和生物柴油特性等方面，国内外已有很多研究[1]。

制备生物柴油的反应是一个很缓慢而可逆的过程，目前这类反应一般采用分批反应生产工艺。但我们发现曾有研究证明，“长”过程应用振荡技术是行之有效的，因此，把振荡强化技术应用于生物柴油制备的尝试将是可行的。目前生物柴油的生产大都采用搅拌技术，也说明生物柴油的制备受传质与混合控制。此外，通过目前正在进行的国家科技部技术创新基金项目 “新型生物柴油过程强化技术及其设备”的研究，我们发现，强化参数与停留时间对生物柴油的产率和反应结果等影响很大，这也表明生物柴油的制备很大程度上是传质与混合控制过程。

另外，过程的反应动力学和传质混合特性有时是相互耦合的，如文献 [1] 采用超声波对废油脂进行预酯化处理可达到降低酸值减少废油脂中游离脂肪酸含量的目的，其优点是缩短反应时间、提高预酯化的效果。从过程工程角度及该专利技术原理来看，也可见该技术装置能有效地提高过程效率，降低成本，提高产品质量。还有很多研究表明，反应时间和混合效果对生物柴油的制备影响很大，这同时也说明传质特性对生物柴油的制备影响很大。既然振荡能提高湍流和混合程度，而物料的湍流或混合程度及停留时间必然与强化参数有关，这样就可以通过调控强化参数（频率、振幅等）来调控反应器的性能（如调控停留时间，而停留时间可影响反应结果），使之特别适合生物柴油制备这样一个缓慢又可逆的反应过程，从而提高生物柴油生产效率与质量。

以黏度为例，利用该类强化反应器所制得的生物柴油，测得其动力黏度为0.002 8 Pa·s，换算成运动黏度为3.5 mm2/s，符合中国与德国生物柴油标准。

3 目的和意义

石油资源日渐耗尽，世界各国经济都受到石油价格飙升的冲击，传统燃料对环境的破坏日趋严重，开发和利用可再生而环保的新能源势在必行。生物柴油是一种可再生、安全、高效的清洁能源，有许多优点，具有显著的经济和社会意义。

国内外生物柴油研发方兴未艾，主要集中在油脂植物的分布、选择、培育、遗传改良、原料特性、化学配方、催化、反应过程和生物柴油特性等方面[1]，以本文技术和方法研究生物柴油的制备尚未发现。20世纪80年代，美国等进行了能源植物种的选择、富油种的引种栽培、遗传改良及建立“柴油林场”等工作，在能源植物特性和植物燃油研制、获得植物燃油途径、燃油使用技术上取得了较大进展。法国生物柴油年产量高达50万t。英国正致力于甘油的分离过程和以藻类植物制备生物柴油的研发。德国聂尔公司于1988年发明生物柴油，目前生产居欧盟领先地位。意大利生物柴油生产能力高达40万t/a，比利时28万t/a。欧盟规划到2020年运输燃料20%用生物柴油替代。日本、巴西、印度、加拿大等也纷纷出台相关计划。世界经合组织于2004年9月6日公布的最新研究报告建议：各国政府应大力支持和鼓励生物质能源领域的技术创新，缩小它与传统原油及天然气产品的价格差距，最终达到替代结果。

我国生物质燃油研发起步较晚，系统研究始于中科院 “八五”重点科研项目 “燃料油植物的研究与应用技术”，完成了对金沙江流域燃料油植物资源的调查及栽培技术研究。2004年国家科技部启动 “十五”国家科技攻关计划 “生物燃料油技术开发”项目。中国林科院建立了产量为500 t/a生物柴油与化工产品综合生产线。1999～2002年，湖南省林科院主持承担了国家林业局引进国外先进林业技术，从南非、美国和巴西引进能源树种绿玉树优良无性系，研制完成了绿玉树乳汁榨取设备，进行了绿玉树乳汁成分和燃料特性研究。笔者曾探讨了以过程强化技术制备生物柴油的可行性与优势[2]，还对以菜籽油制取的生物柴油黏度进行了研究，发现流动特征对所得生物柴油的黏度影响较大，而本项目技术可借改变强化参数来调节流态。2004年前后，先后有海南、四川、福建的几家企业从事生物柴油开发，主要以餐饮业废油或膏桐、黄连木、油菜籽等为原料，设计生产能力累计达4万t/a。近年来涉足生物柴油的研究或生产者不断增多，而目前我国每年生物柴油生产总量与1.6亿t的石油进口量相比微乎其微。由财政部、国家发改委等五部委联合下发的《关于发展生物能源和生物化工财税扶持政策的实施意见》（财建[2006] 702号）提出，要重点支持直接替代石油的生物能源及生物化工产业，包括生物柴油等；2006年1月1日开始正式实施的《中华人民共和国可再生能源法》为生物柴油的生产和应用提供了法律依据；2010年9月，国家质检总局、国家标准委员会联合颁布了《生物柴油调合燃料（B5）》标准（GB/T 25199—2010），为生物柴油的推广应用和发展奠定了重要基础，必将迎来生物柴油产业的更大发展；同年10月，《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》正式将生物产业和新能源产业列为战略性新兴产业；11月初，海南成为全国第一个在车用市场推广生物柴油的省份更让人们对生物柴油摆脱能源危机充满了信心和希望。湖南省能源研究与节约协会的通讯称：中国农科院培育的 “中油-0361”油菜新品系种子含油量达54.72%，比普通菜油提高25%以上，产油量每公顷1500 kg。长江流域是世界最大的油菜生产带，占世界总产量的1/3，还有2000万公顷冬闲田可利用，可年产约4000万t生物柴油。可见我国生产生物柴油有得天独厚的优势。此外，除熟知的油菜、蓖麻、大豆、花生、向日葵等是优良原料外，世界上有300多种灌木、400多种花卉含“石油”。因此，本文技术应用前景广阔。