超声波辅助固体碱制备生物柴油及反应过程研究

摘要

随着经济的发展,石化能源已经不能满足世界经济发展的需要。以天然油脂为原料生产的生物柴油(脂肪酸甲酯)是一种对环境友好的生物质可再生资源,可以替代部分传统的化石燃料,对缓解能源危机和减轻环境污染具有重要意义。目前国内外生物柴油工业生产中普遍使用均相碱催化酯交换生产生物柴油,该方法存在副反应多、反应后产物不易分离、产生大量的污水、催化剂不能重复利用等缺点,成为制约生物柴油生产的瓶颈。本研究采用市售固体碱铝氧单钠为催化剂,结合超声波技术,对生物柴油的制备过程进行了研究。
　　 本文首先测定了实验用市售大豆油的酸值,得到其值为0.449mgKOH/g,在该酸值范围内,可用固体碱性催化剂催化酯交换反应,对生物柴油产率影响不大。用气相色谱法测定了大豆生物柴油的成分,得到其主要成分为棕榈酸甲酯、硬脂酸甲酯、油酸甲酯、亚油酸甲酯和亚麻酸甲酯。所用气相色谱条件测得的相关系数r大于0.999,平均回收率为100.44%～103.20%之间,标准偏差0.16%-1.48%,测定方法比较精确,该测量方法可用于生物柴油的分离、定量和定性分析。
　　 另外,对生物柴油的制备过程分别进行了单因素试验和正交试验,考察了醇油摩尔比、超声波频率、催化剂用量、反应时间对大豆生物柴油制备的影响。结果表明:超声波频率28kHz、醇油摩尔比9:1、催化剂用量2%,反应20min后,生物柴油产率达95.21%;在该实验室制备条件下,各因子的影响主次顺序是:超声波频率＞醇油摩尔比＞反应时间＞催化剂用量。
　　 基于气-液两相模型、湍流模型和完全空化模型,本文利用Fluent软件对超声反应进行了初步的二维模拟,分析了超声反应器内的速度变化情况,获得了反应器内的流场分布。结果得出:超声波的振动导致运动边界最高振动速度接近3.5m/s,高频振动产生周期性变化的高压,最高压力达5MPa。很短时间内在反应器内形成一个比较稳定的流场,振子正上方的运动比较激烈,并且在内部形成2个对称的回流区,回流区中心的速度最小。这样的流场搅拌效果比较好,对容器内反应物的混合有很好的促进作用。