专利名称：一种多频超声辐射溢流槽连续式生物柴油生产装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及生物柴油生产装置技术领域，特别涉及一种多频超声溢流槽连续式生物柴油生产装置。
背景技术：
生物柴油是以各种天然动植物油为原料，通过各种物理及化学方法转化的可替代石化柴油的新型清洁能源，它的主要成分是脂肪酸甲酯。与传统燃料油相比，生物柴油由于具有硫含量低、冷滤点低、润滑性能好、闪点高、十六烷值高、环境友好及可再生等性能而具 有广阔的应用前景。目前，制备生物柴油的方法主要分为物理法和化学法。其中，化学法中的酯交换法操作简单、工艺成熟、产品性质优良、应用最为广泛。酯交换反应是指油脂和短链醇(一般为甲醇)在催化剂的作用下转化为脂肪酸单酯及甘油的反应。由于油脂和甲醇互溶性差，酯交换反应只在界面缓慢进行，为了强化醇油两相传质，提高反应速率，通常会采用一些过程强化技术来强化酯交换反应。其中，超声波辐射操作方便，结构简单，反应条件温和，是一种效果显著的强化技术。当超声波作用在反应体系时，超声的空化作用会使反应体系内形成大量的空化泡。空化泡快速地形成、生长、崩溃使空化泡周围的液体高速冲入空化泡中心，扰动相界面，乳化反应体系，有效强化两相传质。另外，超声的空化效应还能引起局部的闻温闻压，提闻反应速率。与传统的机械搅拌相比，超声强化作用可以有效的减少反应时间，降低醇油比、催化剂用量和反应温度，加速酯交换反应的进程。另外，超声辐射消耗的能量仅为机械搅拌条件下所消耗能量1/3 1/2，是一种高效、节能的强化方法。目前，生物柴油生产装置大多为间歇式、半间歇式反应器或单频超声辐射管式反应器。这样的反应器存在着传质速率低、反应时间长、生产过程能耗大、成本高及产物质量不稳定等一系列缺陷。
发明内容
本发明的发明目的是针对现有生物柴油生产装置的技术不足，提供一种低能耗及低成本的多频超声溢流槽连续式生物柴油生产装置；利用该装置可以高效、节能、低耗地生产生物柴油。为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为
提供一种多频超声辐射溢流槽连续式生物柴油生产装置，包括原料油罐、甲醇-催化剂溶解罐、甘油分离槽、甘油罐、产物洗涤槽、热水罐、粗甲酯储罐、分馏装置及废水罐；还设有预酯化反应釜与逐级溢流多频超声反应器；原料油罐与甲醇-催化剂溶解罐分别通过管道与预酯化反应釜的入口连接；预酯化反应釜的出口和甲醇-催化剂溶解罐分别通过管道与逐级溢流多频超声反应器的入口连接；逐级溢流多频超声反应器的出口与油泵的一端连接，油泵的另一端通过管道与甘油分离槽的入口连接；甘油分离槽设有两个出口，两个出口分别通过管道与甘油罐及产物洗涤槽的入口连接；产物洗涤槽还设有另一入口，该入口通过管道与热水罐连接；产物洗涤槽底部也设有两个出口，该两个出口分别通过管道与粗甲酯储罐及废水罐连接；粗甲酯储罐底部设有一个出口，该出口通过管道与分馏装置入口连接。优选地，所述逐级溢流多频超声反应器由四个独立的超声反应槽通过溢流管串联形成四级溢流多频超声反应器；每个超声反应槽前后两侧面沿槽装有3组功率无级可调的超声换能器，两侧正对的两个超声换能器为一组，同组的两个超声换能器偏心60_ 70_安装；每个超声反应槽换能器由一个独立开关控制。这样使得每个超声槽的超声换能器可单独工作，也可与其他组合辐射。优选地，所述多频超声辐射反应器由四个独立的超声反应槽通过溢流管连接形成串联4级；每个超声反应槽前后两侧面沿槽装有3组功率无级可调的超声换能器，两侧正对的两个超声换能器为一组，同组的两个超声换能器偏心60mm 70mm安装；每个超声反应槽换能器由一个独立开关控制。 优选地，所述四个反应槽上安装的超声换能器的频率依次为15kHz、25kHz、35kHz 及 40 kHz。优选地，每个超声反应槽为扁平形几何构形，第一、二级超声反应槽换能器安装侧面宽175mm 185mm,福射间距50mm 60mm ;第三、四级超声反应槽换能器安装侧面宽115mm 125mm,福射间距 80mm 90mm。优选地，原料油罐与预酯化反应釜之间的管道设有转子流量计；甲醇-催化剂溶解罐与预酯化反应釜之间设有转子流量计；预酯化反应釜与超声反应槽之间设有转子流量计；第四级超声反应槽与甘油分离槽之间的管道设有转子流量计。第一转子流量计控制原料油罐中的物料流量；第二转子流量计控制甲醇-催化剂溶解罐中的物料流量，两者按一定醇油比流入预酯化反应釜中进行预酯化反应(或者预混合)。预酯化反应结束后，进行中和分离，继续补充甲醇和催化剂，然后经第三转子流量计控制流量后流入超声反应器中第一级超声反应槽，并依次经过第一级、第二级、第三级和第四级超声反应槽进行酯交换反应。反应后，混合物用油泵经第四转子流量计控制流量后输送至甘油分离槽。经重力沉降，上述反应后混合物中的上层脂肪酸甲酯溢流进入产物洗涤槽，经来自热水罐的热水洗涤后流入粗甲酯储罐，下层甘油流入甘油罐回收。粗甲酯进入分馏装置分馏，从而得到高品质生物柴油。优选地，所述甲醇-催化剂溶解罐、预酯化反应釜及产物洗涤罐设有转速可调的机械搅拌装置。优选地，所述预酯化反应釜、超声反应器及热水罐设有热电偶及温度可控的加热
>J-U ρ α装直。优选地，所述原料油罐、甲醇-催化剂溶解罐、预酯化反应釜、超声反应器、甘油分离槽、产物洗涤槽与热水罐都设有可拆卸移动式上盖。优选地，预酯化反应釜和产物洗涤槽都设有可视化透明窗，以便于数据采集，实时监测反应的进行，观察反应釜内液位分层情况。本发明相对于现有技术，具有以下有益效果
I、本发明涉及的超声反应器由四个独立的超声反应槽串联而成，物料通过溢流管依次流过四个超声反应槽进行酯交换反应，减少了返混，有利于推动反应向正向进行；
2、构成超声反应器的四个扁平型反应槽前后两面均装有大辐射面超声换能器。正对两侧面换能器偏心安装可以减少辐射盲区，使声强分布更加均匀；超声换能器开启后能形成强大的超声场，强化醇油两相传质过程，提高酯交换反应速率；
3、本发明涉及的超声反应器采用了15kHz、25kHz、35 kHz及40 kHz四组不同频率的超声换能器；多频组合辐射产生混响超声场能明显增大反应槽中声能密度，改善声能分布，对传质过程的强化作用大于单频率超声的强化效果；
4、本发明涉及的多频超声辐射有较强的热效应，物料流经四个超声反应槽的过程中温度逐渐上升，形成稳定的温度梯度；酯交换反应开始时，物料浓度较高，反应不需要太高的温度就可以达到较大的反应速率；随着反应的进行，物料浓度逐渐降低，而酯交换反应是吸热反应，升高温度有利于提高甲酯的转化率；超声热效应所形成的稳定的温度梯度刚好能满足酯交换反应的温度要求，降低外部加热所需能耗；
5、本发明涉及的甘油分离槽实现了副产物甘油的连续分离；经过初步分离的粗产物经 来自热水罐的热水洗涤，进一步除去粗产物中残留的甘油、甲醇及催化剂；
6、本发明实现了生物柴油的连续生产及分离，操作简单，易于实现自动化控制，大大的缩短了反应时间，降低了能量消耗，提高了设备生产能力，降低了生产成本；
7、本发明通过灵活调节操作参数(醇油比、催化剂用量、反应器中停留时间等)能很好的适应不同品质的原料油(如酸值较高的原料油，如餐饮废油、油脚料等和酸值较低的精炼植物油，如麻风树籽油、精炼大豆油等)的生物柴油制备；
总而言之，该装置采用辐射面积大多频换能器阵列式布局，产生的超声场能量密度高，有效空化区域大，可以高效混合反应体系，减小传质阻力，提高传质反应速率，大大缩短了反应时间，减小了催化剂用量和醇油比，降低了生产成本，提高了产品质量。该装置操作简单，实现了连续生产，易于实现自动化控制。本发明在连续式生物柴油生产装置的基础上添加了多频混响超声场，更好的强化了酯交换反应时的传质和传热，是一种快速、高效、连续的生物柴油生产装置。
图I是本发明多频超声溢流槽连续式生物柴油生产装置的结构示意 图2是超声反应器的立体 图3是超声反应器的主视 图4是超声反应器的俯视 图5是超声反应器的侧视图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。除非特别说明，本发明采用的材料和加工方法为本技术领域常规材料和加工方法。实施例I
如图I所示，一种多频超声辐射溢流槽连续式生物柴油生产装置，包括原料油罐I、甲醇-催化剂储罐3、预酯化反应釜5、逐级溢流多频超声反应器8、甘油分离槽11、甘油罐12、产物洗涤槽13、废水罐14、粗甲酯储罐15、热水罐16、分馏装置17。原料油罐I与甲醇-催化剂储罐3分别通过管道与预酯化反应釜5的入口连接.预酯化反应釜5的出口通过管道与逐级溢流多频超声反应器8的第一级超声反应槽的入口连接。逐级溢流多频超声反应器8的第四级超声反应槽的出口通过管道与油泵的一端连接，油泵的另一端通过管道与甘油分离槽11的入口连接。甘油分离槽11设有两个出口，两个出口分别通过管道与甘油罐14及产物洗涤槽13的入口连接。产物洗涤槽13还设有另一入口，该入口通过管道与热水罐16连接。产物洗涤槽13底部也设有两个出口，该两个出口分别通过管道与粗甲酯储罐15及废水罐14连接。粗甲酯储罐15底部设有一个出口，通过管道与分馏装置入口连接。预酯化反应釜5还设有另一个出口，该出口与废水罐6连接。逐级溢流多频超声反应器8由四个独立的超声反应槽8-1通过溢流管8-2连接形成。每个超声反应槽8-1前后两侧面沿槽高装有3组功率无级可调的超声换能器，每个超声反应槽两侧正对的两个超声换能器为一组，每组超声换能器包括两台超声换能器8-3 ； 同组的两个超声换能器安装偏心60_ ;各个超声反应槽换能器由独立开关控制。四个反应槽上安装的超声换能器的频率依次为15kHz、25kHz、35 kHz与40 kHz。原料油罐与预酯化反应釜之间的管道设有第一转子流量计2。甲醇-催化剂储罐与预酯化反应釜之间设有第二转子流量计4。预酯化反应釜与超声反应槽之间设有第三转子流量计7。超声反应槽与甘油分离槽之间的管道设有第四转子流量计10与离心泵9。另外，甲醇-催化剂储罐、预酯化反应釜及产物洗涤罐设有转速可调的机械搅拌装置。预酯化反应釜、超声反应器及热水罐设有热电偶及温度可调的加热装置。原料油罐、甲醇-催化剂储罐、预酯化反应釜、超声反应器、甘油分离槽、产物洗涤槽、热水罐的上盖都为可拆卸移动式上盖。预酯化反应釜和产物洗涤槽都设有可视化透明窗。其中，本实施例主要是针对高酸值原料油(如废餐饮油、油脚料等)及低酸值精炼油(如精制大豆油、花生油等)生产生物柴油工艺流程。对于高酸值的原料油，直接使用酸催化法，以均相酸(如浓H2SO4)为催化剂催化原料油进行酯交换反应制备生物柴油。对于低酸值的原料油，直接使用碱催化法，以均相碱(如Κ0Η)为催化剂催化原料油进行酯交换反应制备生物柴油。此时，预酯化反应釜可以对反应原料进行预混合。原料油罐I及甲醇-催化剂罐3中的物料分别经第一转子流量计2和第一转子流量计4控制流量，按一定醇油比流入预酯化反应釜5中进行预混合后，经第三转子流量计7控制流量后流入超声反应器8中进行酯交换反应。反应后，混合物用离心泵9且经第四转子流量计10控制流量后输送至甘油分离槽11，经重力沉降，上层脂肪酸甲酯流进产物洗涤罐13，经热水罐16的热水洗涤之后流入粗甲酯储罐15，下层甘油流入甘油罐12回收。粗甲酯进入分馏装置17分馏，得到高品质生物柴油。实施例2
本实施例除下属特征外，其他均与实施例I相同本实施例主要是针对酸值适中的原料油生产生物柴油工艺流程。
对于酸值适中的原料油，可以先以浓H2SO4为催化剂催化原料油从而进行预酯化反应，再以氢氧化钾为催化剂催化原料油进行酯交换反应从而制备生物柴油。原料油罐I及甲醇-催化剂罐3中的原料油及甲醇-浓H2SO4溶液分别经第一转子流量计2和第二转子流量4控制流量，按一定醇油比流入预酯化反应釜中进行预酯化反应；待酸值降低到2mgK0H/g以下后，加入适量碱中和浓H2S04。原料油经过干燥并补充一定量的甲醇-KOH溶液后，经第三转子流量计7控制流量流入超声反应器中进行酯交换反应。后续的产物分离步骤同上所述。上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。·
权利要求
1.一种多频超声辐射溢流槽连续式生物柴油生产装置，包括原料油罐、甲醇-催化剂溶解罐、甘油分离槽、甘油罐、产物洗涤槽、热水罐、粗甲酯储罐、废水罐及分馏装置；其特征在于还设有预酯化反应釜与逐级溢流多频超声反应器；原料油罐与甲醇-催化剂溶解罐分别通过管道与预酯化反应釜的入口连接；预酯化反应釜的出口和甲醇-催化剂溶解罐分别通过管道与逐级溢流多频超声反应器的入口连接；逐级溢流多频超声反应器的出口与油泵的一端连接，油泵的另一端通过管道与甘油分离槽的入口连接；甘油分离槽设有两个出口，两个出口分别通过管道与甘油罐及产物洗涤槽的入口连接；产物洗涤槽还设有另一入口，该入口通过管道与热水罐连接；产物洗涤槽底部也设有两个出口，该两个出口分别通过管道与粗甲酯储罐及废水罐连接；粗甲酯储罐底部设有一个出口，该出口通过管道与分馏装置入口连接。
2.根据权利要求I所述的多频超声辐射溢流槽连续式生物柴油生产装置，其特征在于所述逐级溢流多频超声反应器由四个独立的超声反应槽通过溢流管串联形成四级溢流多频超声反应器；每个超声反应槽前后两侧面沿槽装有3组功率无级可调的超声换能器，两侧正对的两个超声换能器为一组，同组的两个超声换能器偏心60mm 70mm安装；每个超声反应槽换能器由一个独立开关控制。
3.根据权利要求2所述的多频超声辐射溢流槽连续式生物柴油生产装置，其特征在于所述四个超声反应槽上安装的超声换能器的频率依次为15kHz、25kHz、35 kHz及40kHz。
4.根据权利要求2所述的多频超声辐射溢流槽连续式生物柴油生产装置，其特征在于每个超声反应槽为扁平形几何构形，第一、二级超声反应槽换能器安装侧面宽175mm 185mm,福射间距50mm 60mm ;第三、四级超声反应槽换能器安装侧面宽115mm 125mm,福射间距80mm 90臟。
5.根据权利要求I所述的多频超声辐射溢流槽连续式生物柴油生产装置，其特征在于原料油罐与预酯化反应釜之间的管道设有转子流量计；甲醇-催化剂溶解罐与预酯化反应釜之间设有转子流量计；预酯化反应釜与超声反应槽之间设有转子流量计；第四级超声反应槽与甘油分离槽之间的管道设有转子流量计。
6.根据权利要求I所述的多频超声辐射溢流槽连续式生物柴油生产装置，其特征在于所述预酯化反应釜还设有另一个出口，该出口与废水罐连接。
7.根据权利要求I所述的多频超声辐射溢流槽连续式生物柴油生产装置，其特征在于所述甲醇-催化剂溶解罐、预酯化反应釜及产物洗涤罐设有转速可调的机械搅拌装置。
8.根据权利要求I所述的多频超声辐射溢流槽连续式生物柴油生产装置，其特征在于所述预酯化反应釜、超声反应器及热水罐设有热电偶及温度可控的加热装置。
9.根据权利要求I所述的多频超声辐射溢流槽连续式生物柴油生产装置，其特征在于所述原料油罐、甲醇-催化剂溶解罐、预酯化反应釜、超声反应器、甘油分离槽、产物洗涤槽与热水罐都设有可拆卸移动式上盖。
10.根据权利要求1-9任一项所述的多频超声溢流槽连续式生物柴油生产装置，其特征在于预酯化反应釜和产物洗涤罐都设有可视化透明窗。
全文摘要
本发明公开了一种低能耗及低成本的多频超声溢流槽连续式生物柴油生产装置；利用该装置可以高效、节能、低耗地生产生物柴油。本发明在连续式生物柴油生产装置的基础上添加了多频混响超声场，更好的强化了酯交换反应时的传质和传热，是一种快速、高效、连续的生物柴油生产装置。
文档编号C11B3/00GK102888283SQ20121038383
公开日2013年1月23日 申请日期2012年10月11日 优先权日2012年10月11日
发明者邹华生, 熊乔兴, 雷敏 申请人:华南理工大学