气液连续反应器应用于生物柴油的生产.doc

气液连续反应器应用于生物柴油的生产

SamBehzadi,MohammedM.Farid
DepartmentofChemicalandMaterialsEngineering,UniversityofAuckland,PrivateBag,92019Auckland,NewZealand

摘要
.为了从脂肪和油脂中制备生物柴油，人们制定了一种新型的连续反应器进程。与目前建立的过程反应物分离相比，这一进程的主要特点是：高反应速率，反应物和产品比值小。反应进程中将热油/脂肪，喷洒到充满甲醇逆流式水蒸气的反应室中，使产品连续分离并且使未反应的甲醇流留在反应器中，在这一过程单周期的基础上，整个转化率在原料的50%～96%之间。研究中发现，甲醇的体积流量是17.2L/h，油的体积流量为10L/h，每升甲醇中含5-7克甲醇钠的操作条件下，可以达到94–96%的转化率。同时研究其它反应物的流量，催化剂的类型和浓度，以及温度等因素的反应进程的影响。

关键词：生物柴油甲醇甲醇钠氢氧化钠喷雾反应器

1.引言
生物柴油从由脂肪和油酯提炼出的燃料(MaandHanna,1999;SrivastavaandPrasad,2000;Knotheetal.,2005;Pahl,2005;VanGerpen,2005;MittelbachandRemschmidt,2006)。与从原油生产出柴油相比，这种生物柴油燃料有相似的性质，并且可以直接用于柴油发动机原料或者与柴油混合使用。生物柴油的主要优点是，它可以进行生物降解，不会吸附在发动机上，硫氧化物等有害气体的排放量少(Knotheetal.,2005;Pahl,2005;VanGerpen,2005)。但是，由于生产原料和加工费用高，导致生物柴油的造价远远高于普通柴油。
通过建立一个持续的过程降低生产过程成本，从而使生物柴油的生产成本降低，提高生物柴油的价格竞争力(MaandHanna,1999;SrivastavaandPrasad,2000;Knotheetal.,2005;Pahl,2005;VanGerpen,2005)。目前巴西，美国，德国，澳大利亚，意大利和奥地利等一些国家已经使用乙醇和生物柴油燃料，随着越来越多的国家将使用生物燃料，这些燃料的经济可行性需要进行改进(Bender,1999;Korbitz,1999;InternationalEnergyAgency,2004;Doradoetal.,2006;Haasetal.,2006)。在大多数国家，通过政府的支持，降低税率以减少生产成本。但是，新的持续进程的研究将降低燃料的生产成本，有助于满足我们日益增长的能源需求。生物柴油一般采用批式反应器生产，但是，更持续的反应进程已经开发并用于实验室生产和扩大工业生产规模。
1.1.酯交换和反应变量
酯交换反应通常是一个三步连续可逆反应(Marchettietal.,2007)。甘油三酯逐步转换成甘油二酯，单甘酯，最后转化成甘油，整个过程中每一步都有1mol的烷基酯生产。总反应三个控制阶段分别是：传质，动力学和平衡控制。由于反应物甲醇和甘油三酯混溶性不好，传质阶段是三个反应阶段中最慢的，传质阶段完成后，由动力学控制反应进程。动力学控制阶段乙醇和油酯的摩尔比是6:1时，正逆反应是二级反应，当摩尔比是30:1或者更高时，正逆反应是一级反应(Freedmanetal.,1986;Vicenteetal.,2005)。当醇油摩尔比较高时，可以获得较高的反应速率，但是酯化反应结束后，醇的分离较为复杂。在较高的醇油比情况下，酯的分离更为困难。综合考虑这些原因，反应的过程主要采用醇油摩尔比是6:1(Meheretal.,2006)。
动力学和传质阶段可以通过提高反应温度，加快搅拌来加快反应速率(NoureddiniandZhu,1997;DarnokoandCheryan,2000b;Vicenteetal.,2005)。而温度的升高同时使反应物更为混溶以提高反应速率。Maetal.(1998).Ma等全面研究了不同温度下甲醇和乙醇在牛油中的溶解度。研究发现醇的溶解度随着温度的升高而增大，但是操作温度又受到反应物醇沸点的限制（大气压下，乙醇的沸点是67℃）。
DarnokoandCheryan(2000b)在批式反应器中研究了棕榈油酯交换的动力学机理，研究发现，反应的转化率与随温度的变化无关，但是酯交换的速率随温度改变，总反应进程决定于甘油二酯，单甘酯和醇的转化常数。通过测定转化常数，发现甘油三酯的转化成甘油二酯的速率在整个转换反应中是最慢的。传质时间随着温度的升高而缩短，使得高温时具有较高的转化率(NoureddiniandZhu,1997;DarnokoandCheryan,2000b)。
全混流是