專利名稱：一種多頻超聲輻射溢流槽連續式生物柴油生產裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及生物柴油生產裝置技術領域，特別涉及一種多頻超聲溢流槽連續式生物柴油生產裝置。
背景技術：
生物柴油是以各種天然動植物油為原料，通過各種物理及化學方法轉化的可替代石化柴油的新型清潔能源，它的主要成分是脂肪酸甲酯。與傳統燃料油相比，生物柴油由于具有硫含量低、冷濾點低、潤滑性能好、閃點高、十六烷值高、環境友好及可再生等性能而具 有廣闊的應用前景。目前，制備生物柴油的方法主要分為物理法和化學法。其中，化學法中的酯交換法操作簡單、工藝成熟、產品性質優良、應用最為廣泛。酯交換反應是指油脂和短鏈醇(一般為甲醇)在催化劑的作用下轉化為脂肪酸單酯及甘油的反應。由于油脂和甲醇互溶性差，酯交換反應只在界面緩慢進行，為了強化醇油兩相傳質，提高反應速率，通常會采用一些過程強化技術來強化酯交換反應。其中，超聲波輻射操作方便，結構簡單，反應條件溫和，是一種效果顯著的強化技術。當超聲波作用在反應體系時，超聲的空化作用會使反應體系內形成大量的空化泡。空化泡快速地形成、生長、崩潰使空化泡周圍的液體高速沖入空化泡中心，擾動相界面，乳化反應體系，有效強化兩相傳質。另外，超聲的空化效應還能引起局部的聞溫聞壓，提聞反應速率。與傳統的機械攪拌相比，超聲強化作用可以有效的減少反應時間，降低醇油比、催化劑用量和反應溫度，加速酯交換反應的進程。另外，超聲輻射消耗的能量僅為機械攪拌條件下所消耗能量1/3 1/2，是一種高效、節能的強化方法。目前，生物柴油生產裝置大多為間歇式、半間歇式反應器或單頻超聲輻射管式反應器。這樣的反應器存在著傳質速率低、反應時間長、生產過程能耗大、成本高及產物質量不穩定等一系列缺陷。
發明內容
本發明的發明目的是針對現有生物柴油生產裝置的技術不足，提供一種低能耗及低成本的多頻超聲溢流槽連續式生物柴油生產裝置；利用該裝置可以高效、節能、低耗地生產生物柴油。為實現上述發明目的，本發明采用的技術方案為
提供一種多頻超聲輻射溢流槽連續式生物柴油生產裝置，包括原料油罐、甲醇-催化劑溶解罐、甘油分離槽、甘油罐、產物洗滌槽、熱水罐、粗甲酯儲罐、分餾裝置及廢水罐；還設有預酯化反應釜與逐級溢流多頻超聲反應器；原料油罐與甲醇-催化劑溶解罐分別通過管道與預酯化反應釜的入口連接；預酯化反應釜的出口和甲醇-催化劑溶解罐分別通過管道與逐級溢流多頻超聲反應器的入口連接；逐級溢流多頻超聲反應器的出口與油泵的一端連接，油泵的另一端通過管道與甘油分離槽的入口連接；甘油分離槽設有兩個出口，兩個出口分別通過管道與甘油罐及產物洗滌槽的入口連接；產物洗滌槽還設有另一入口，該入口通過管道與熱水罐連接；產物洗滌槽底部也設有兩個出口，該兩個出口分別通過管道與粗甲酯儲罐及廢水罐連接；粗甲酯儲罐底部設有一個出口，該出口通過管道與分餾裝置入口連接。優選地，所述逐級溢流多頻超聲反應器由四個獨立的超聲反應槽通過溢流管串聯形成四級溢流多頻超聲反應器；每個超聲反應槽前后兩側面沿槽裝有3組功率無級可調的超聲換能器，兩側正對的兩個超聲換能器為一組，同組的兩個超聲換能器偏心60_ 70_安裝；每個超聲反應槽換能器由一個獨立開關控制。這樣使得每個超聲槽的超聲換能器可單獨工作，也可與其他組合輻射。優選地，所述多頻超聲輻射反應器由四個獨立的超聲反應槽通過溢流管連接形成串聯4級；每個超聲反應槽前后兩側面沿槽裝有3組功率無級可調的超聲換能器，兩側正對的兩個超聲換能器為一組，同組的兩個超聲換能器偏心60mm 70mm安裝；每個超聲反應槽換能器由一個獨立開關控制。 優選地，所述四個反應槽上安裝的超聲換能器的頻率依次為15kHz、25kHz、35kHz 及 40 kHz。優選地，每個超聲反應槽為扁平形幾何構形，第一、二級超聲反應槽換能器安裝側面寬175mm 185mm,福射間距50mm 60mm ;第三、四級超聲反應槽換能器安裝側面寬115mm 125mm,福射間距 80mm 90mm。優選地，原料油罐與預酯化反應釜之間的管道設有轉子流量計；甲醇-催化劑溶解罐與預酯化反應釜之間設有轉子流量計；預酯化反應釜與超聲反應槽之間設有轉子流量計；第四級超聲反應槽與甘油分離槽之間的管道設有轉子流量計。第一轉子流量計控制原料油罐中的物料流量；第二轉子流量計控制甲醇-催化劑溶解罐中的物料流量，兩者按一定醇油比流入預酯化反應釜中進行預酯化反應(或者預混合)。預酯化反應結束后，進行中和分離，繼續補充甲醇和催化劑，然后經第三轉子流量計控制流量后流入超聲反應器中第一級超聲反應槽，并依次經過第一級、第二級、第三級和第四級超聲反應槽進行酯交換反應。反應后，混合物用油泵經第四轉子流量計控制流量后輸送至甘油分離槽。經重力沉降，上述反應后混合物中的上層脂肪酸甲酯溢流進入產物洗滌槽，經來自熱水罐的熱水洗滌后流入粗甲酯儲罐，下層甘油流入甘油罐回收。粗甲酯進入分餾裝置分餾，從而得到高品質生物柴油。優選地，所述甲醇-催化劑溶解罐、預酯化反應釜及產物洗滌罐設有轉速可調的機械攪拌裝置。優選地，所述預酯化反應釜、超聲反應器及熱水罐設有熱電偶及溫度可控的加熱
>J-U ρ α裝直。優選地，所述原料油罐、甲醇-催化劑溶解罐、預酯化反應釜、超聲反應器、甘油分離槽、產物洗滌槽與熱水罐都設有可拆卸移動式上蓋。優選地，預酯化反應釜和產物洗滌槽都設有可視化透明窗，以便于數據采集，實時監測反應的進行，觀察反應釜內液位分層情況。本發明相對于現有技術，具有以下有益效果
I、本發明涉及的超聲反應器由四個獨立的超聲反應槽串聯而成，物料通過溢流管依次流過四個超聲反應槽進行酯交換反應，減少了返混，有利于推動反應向正向進行；
2、構成超聲反應器的四個扁平型反應槽前后兩面均裝有大輻射面超聲換能器。正對兩側面換能器偏心安裝可以減少輻射盲區，使聲強分布更加均勻；超聲換能器開啟后能形成強大的超聲場，強化醇油兩相傳質過程，提高酯交換反應速率；
3、本發明涉及的超聲反應器采用了15kHz、25kHz、35 kHz及40 kHz四組不同頻率的超聲換能器；多頻組合輻射產生混響超聲場能明顯增大反應槽中聲能密度，改善聲能分布，對傳質過程的強化作用大于單頻率超聲的強化效果；
4、本發明涉及的多頻超聲輻射有較強的熱效應，物料流經四個超聲反應槽的過程中溫度逐漸上升，形成穩定的溫度梯度；酯交換反應開始時，物料濃度較高，反應不需要太高的溫度就可以達到較大的反應速率；隨著反應的進行，物料濃度逐漸降低，而酯交換反應是吸熱反應，升高溫度有利于提高甲酯的轉化率；超聲熱效應所形成的穩定的溫度梯度剛好能滿足酯交換反應的溫度要求，降低外部加熱所需能耗；
5、本發明涉及的甘油分離槽實現了副產物甘油的連續分離；經過初步分離的粗產物經 來自熱水罐的熱水洗滌，進一步除去粗產物中殘留的甘油、甲醇及催化劑；
6、本發明實現了生物柴油的連續生產及分離，操作簡單，易于實現自動化控制，大大的縮短了反應時間，降低了能量消耗，提高了設備生產能力，降低了生產成本；
7、本發明通過靈活調節操作參數(醇油比、催化劑用量、反應器中停留時間等)能很好的適應不同品質的原料油(如酸值較高的原料油，如餐飲廢油、油腳料等和酸值較低的精煉植物油，如麻風樹籽油、精煉大豆油等)的生物柴油制備；
總而言之，該裝置采用輻射面積大多頻換能器陣列式布局，產生的超聲場能量密度高，有效空化區域大，可以高效混合反應體系，減小傳質阻力，提高傳質反應速率，大大縮短了反應時間，減小了催化劑用量和醇油比，降低了生產成本，提高了產品質量。該裝置操作簡單，實現了連續生產，易于實現自動化控制。本發明在連續式生物柴油生產裝置的基礎上添加了多頻混響超聲場，更好的強化了酯交換反應時的傳質和傳熱，是一種快速、高效、連續的生物柴油生產裝置。
圖I是本發明多頻超聲溢流槽連續式生物柴油生產裝置的結構示意 圖2是超聲反應器的立體 圖3是超聲反應器的主視 圖4是超聲反應器的俯視 圖5是超聲反應器的側視圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明的發明目的作進一步詳細地描述，實施例不能在此一一贅述，但本發明的實施方式并不因此限定于以下實施例。除非特別說明，本發明采用的材料和加工方法為本技術領域常規材料和加工方法。實施例I
如圖I所示，一種多頻超聲輻射溢流槽連續式生物柴油生產裝置，包括原料油罐I、甲醇-催化劑儲罐3、預酯化反應釜5、逐級溢流多頻超聲反應器8、甘油分離槽11、甘油罐12、產物洗滌槽13、廢水罐14、粗甲酯儲罐15、熱水罐16、分餾裝置17。原料油罐I與甲醇-催化劑儲罐3分別通過管道與預酯化反應釜5的入口連接.預酯化反應釜5的出口通過管道與逐級溢流多頻超聲反應器8的第一級超聲反應槽的入口連接。逐級溢流多頻超聲反應器8的第四級超聲反應槽的出口通過管道與油泵的一端連接，油泵的另一端通過管道與甘油分離槽11的入口連接。甘油分離槽11設有兩個出口，兩個出口分別通過管道與甘油罐14及產物洗滌槽13的入口連接。產物洗滌槽13還設有另一入口，該入口通過管道與熱水罐16連接。產物洗滌槽13底部也設有兩個出口，該兩個出口分別通過管道與粗甲酯儲罐15及廢水罐14連接。粗甲酯儲罐15底部設有一個出口，通過管道與分餾裝置入口連接。預酯化反應釜5還設有另一個出口，該出口與廢水罐6連接。逐級溢流多頻超聲反應器8由四個獨立的超聲反應槽8-1通過溢流管8-2連接形成。每個超聲反應槽8-1前后兩側面沿槽高裝有3組功率無級可調的超聲換能器，每個超聲反應槽兩側正對的兩個超聲換能器為一組，每組超聲換能器包括兩臺超聲換能器8-3 ； 同組的兩個超聲換能器安裝偏心60_ ;各個超聲反應槽換能器由獨立開關控制。四個反應槽上安裝的超聲換能器的頻率依次為15kHz、25kHz、35 kHz與40 kHz。原料油罐與預酯化反應釜之間的管道設有第一轉子流量計2。甲醇-催化劑儲罐與預酯化反應釜之間設有第二轉子流量計4。預酯化反應釜與超聲反應槽之間設有第三轉子流量計7。超聲反應槽與甘油分離槽之間的管道設有第四轉子流量計10與離心泵9。另外，甲醇-催化劑儲罐、預酯化反應釜及產物洗滌罐設有轉速可調的機械攪拌裝置。預酯化反應釜、超聲反應器及熱水罐設有熱電偶及溫度可調的加熱裝置。原料油罐、甲醇-催化劑儲罐、預酯化反應釜、超聲反應器、甘油分離槽、產物洗滌槽、熱水罐的上蓋都為可拆卸移動式上蓋。預酯化反應釜和產物洗滌槽都設有可視化透明窗。其中，本實施例主要是針對高酸值原料油(如廢餐飲油、油腳料等)及低酸值精煉油(如精制大豆油、花生油等)生產生物柴油工藝流程。對于高酸值的原料油，直接使用酸催化法，以均相酸(如濃H2SO4)為催化劑催化原料油進行酯交換反應制備生物柴油。對于低酸值的原料油，直接使用堿催化法，以均相堿(如Κ0Η)為催化劑催化原料油進行酯交換反應制備生物柴油。此時，預酯化反應釜可以對反應原料進行預混合。原料油罐I及甲醇-催化劑罐3中的物料分別經第一轉子流量計2和第一轉子流量計4控制流量，按一定醇油比流入預酯化反應釜5中進行預混合后，經第三轉子流量計7控制流量后流入超聲反應器8中進行酯交換反應。反應后，混合物用離心泵9且經第四轉子流量計10控制流量后輸送至甘油分離槽11，經重力沉降，上層脂肪酸甲酯流進產物洗滌罐13，經熱水罐16的熱水洗滌之后流入粗甲酯儲罐15，下層甘油流入甘油罐12回收。粗甲酯進入分餾裝置17分餾，得到高品質生物柴油。實施例2
本實施例除下屬特征外，其他均與實施例I相同本實施例主要是針對酸值適中的原料油生產生物柴油工藝流程。
對于酸值適中的原料油，可以先以濃H2SO4為催化劑催化原料油從而進行預酯化反應，再以氫氧化鉀為催化劑催化原料油進行酯交換反應從而制備生物柴油。原料油罐I及甲醇-催化劑罐3中的原料油及甲醇-濃H2SO4溶液分別經第一轉子流量計2和第二轉子流量4控制流量，按一定醇油比流入預酯化反應釜中進行預酯化反應；待酸值降低到2mgK0H/g以下后，加入適量堿中和濃H2S04。原料油經過干燥并補充一定量的甲醇-KOH溶液后，經第三轉子流量計7控制流量流入超聲反應器中進行酯交換反應。后續的產物分離步驟同上所述。上述實施例僅為本發明的較佳實施例，并非用來限定本發明的實施范圍。即凡依本發明內容所作的均等變化與修飾，都為本發明權利要求所要求保護的范圍所涵蓋。·
權利要求
1.一種多頻超聲輻射溢流槽連續式生物柴油生產裝置，包括原料油罐、甲醇-催化劑溶解罐、甘油分離槽、甘油罐、產物洗滌槽、熱水罐、粗甲酯儲罐、廢水罐及分餾裝置；其特征在于還設有預酯化反應釜與逐級溢流多頻超聲反應器；原料油罐與甲醇-催化劑溶解罐分別通過管道與預酯化反應釜的入口連接；預酯化反應釜的出口和甲醇-催化劑溶解罐分別通過管道與逐級溢流多頻超聲反應器的入口連接；逐級溢流多頻超聲反應器的出口與油泵的一端連接，油泵的另一端通過管道與甘油分離槽的入口連接；甘油分離槽設有兩個出口，兩個出口分別通過管道與甘油罐及產物洗滌槽的入口連接；產物洗滌槽還設有另一入口，該入口通過管道與熱水罐連接；產物洗滌槽底部也設有兩個出口，該兩個出口分別通過管道與粗甲酯儲罐及廢水罐連接；粗甲酯儲罐底部設有一個出口，該出口通過管道與分餾裝置入口連接。
2.根據權利要求I所述的多頻超聲輻射溢流槽連續式生物柴油生產裝置，其特征在于所述逐級溢流多頻超聲反應器由四個獨立的超聲反應槽通過溢流管串聯形成四級溢流多頻超聲反應器；每個超聲反應槽前后兩側面沿槽裝有3組功率無級可調的超聲換能器，兩側正對的兩個超聲換能器為一組，同組的兩個超聲換能器偏心60mm 70mm安裝；每個超聲反應槽換能器由一個獨立開關控制。
3.根據權利要求2所述的多頻超聲輻射溢流槽連續式生物柴油生產裝置，其特征在于所述四個超聲反應槽上安裝的超聲換能器的頻率依次為15kHz、25kHz、35 kHz及40kHz。
4.根據權利要求2所述的多頻超聲輻射溢流槽連續式生物柴油生產裝置，其特征在于每個超聲反應槽為扁平形幾何構形，第一、二級超聲反應槽換能器安裝側面寬175mm 185mm,福射間距50mm 60mm ;第三、四級超聲反應槽換能器安裝側面寬115mm 125mm,福射間距80mm 90臟。
5.根據權利要求I所述的多頻超聲輻射溢流槽連續式生物柴油生產裝置，其特征在于原料油罐與預酯化反應釜之間的管道設有轉子流量計；甲醇-催化劑溶解罐與預酯化反應釜之間設有轉子流量計；預酯化反應釜與超聲反應槽之間設有轉子流量計；第四級超聲反應槽與甘油分離槽之間的管道設有轉子流量計。
6.根據權利要求I所述的多頻超聲輻射溢流槽連續式生物柴油生產裝置，其特征在于所述預酯化反應釜還設有另一個出口，該出口與廢水罐連接。
7.根據權利要求I所述的多頻超聲輻射溢流槽連續式生物柴油生產裝置，其特征在于所述甲醇-催化劑溶解罐、預酯化反應釜及產物洗滌罐設有轉速可調的機械攪拌裝置。
8.根據權利要求I所述的多頻超聲輻射溢流槽連續式生物柴油生產裝置，其特征在于所述預酯化反應釜、超聲反應器及熱水罐設有熱電偶及溫度可控的加熱裝置。
9.根據權利要求I所述的多頻超聲輻射溢流槽連續式生物柴油生產裝置，其特征在于所述原料油罐、甲醇-催化劑溶解罐、預酯化反應釜、超聲反應器、甘油分離槽、產物洗滌槽與熱水罐都設有可拆卸移動式上蓋。
10.根據權利要求1-9任一項所述的多頻超聲溢流槽連續式生物柴油生產裝置，其特征在于預酯化反應釜和產物洗滌罐都設有可視化透明窗。
全文摘要
本發明公開了一種低能耗及低成本的多頻超聲溢流槽連續式生物柴油生產裝置；利用該裝置可以高效、節能、低耗地生產生物柴油。本發明在連續式生物柴油生產裝置的基礎上添加了多頻混響超聲場，更好的強化了酯交換反應時的傳質和傳熱，是一種快速、高效、連續的生物柴油生產裝置。
文檔編號C11B3/00GK102888283SQ20121038383
公開日2013年1月23日 申請日期2012年10月11日 優先權日2012年10月11日
發明者鄒華生, 熊喬興, 雷敏 申請人:華南理工大學