微通道反应器中连续生产生物柴油的工艺研究

摘要

全球范围内能源危机日益严重，生物柴油作为一种环境友好型能源已受到世界各国的广泛关注。目前，生物柴油主要通过酸、碱催化或脂肪酶催化来制备，由于原料甲醇和油脂互不相溶，存在传质问题。工业上生产生物柴油主要在搅拌釜反应器中进行，生产效率偏低。微通道反应器是一类可以极大地提高反应物的传质和传热效率的新型反应器，可以有效地改善上述生产方式中的不足，因此被应用于生物柴油生产。本文利用微通道反应器对制备生物柴油的生产工艺进行了探索和研究，获得的实验数据可为生物柴油的高强度工业化生产提供理论基础和技术支撑。
　　首先，结合已有研究和文献，设计构建了一个集微混合器及微反应器为一体的“Z”-型微通道反应器，通过比较“Z”-型微通道反应器和”U”-型微通道反应器中生物柴油的收率，结果表明“Z”型微通道反应器更利于生物柴油的制备，其转化率是“U”-型微通道的1.11倍。然后通过单因素实验，考察在“Z”-型微通道反应器中制备生物柴油时各因素（醇油摩尔比、温度、催化剂含量和停留时间）对生物柴油收率的影响。结果表明，当反应底物中甲醇与大豆油的醇油摩尔比为8∶1、反应温度为58℃、催化剂KOH含量（相对于大豆油的质量分数）为1.2％、停留时间为15s时，生物柴油的收率可达98.6％。
　　其次，利用响应面法(RSM)对“Z”-型微通道反应器对生产生物柴油的工艺条件进行了优化。本实验利用minitab对获得的数据进行分析，得出二次多项回归模型，确定生产生物柴油的最佳条件:醇油比为8.5∶1，温度为59℃，催化剂氢氧化钾含量为1.17％，停留时间为14.9s。在此条件下，反应最终测得的生物柴油收率为99.5％。在此条件下还研究了油脂的品质对生物柴油收率的影响。实验表明生物柴油的收率会分别随着水分和脂肪酸含量的增加而降低，其中水分对生物柴油收率的影响较小，而脂肪酸含量对生物柴油收率的影响较为明显。
　　最后，本论文还探索了在微通道反应器中固定化脂肪酶在叔丁醇体系和无溶剂体系中催化制备生物柴油的情况。实验表明，生物柴油的收率随着时间增高，而且叔丁醇体系下脂肪酶催化制备生物柴油的效率明显高于无溶剂体系。
　　研究结果表明，本论文使用的“Z”-型微通道反应器构建简单，传质效果好，有利于生物柴油的制备，利用此微通道反应器可实现生物柴油的高强度连续生产。

目录

声明

摘要

引言

1．文献综述

1．1 生物柴油概述

1．2 生物柴油的生产方法

1．2．1 物理方法

1．2．2 化学方法

1．2．3 生物方法

1．3 制备生物柴油的新型反应器研究进展

1．4 微反应器制备生物柴油研究进展

1．4．1 微反应器技术起源及其应用

1．4．2 微反应器的特点

1．4．3 微反应系统合成生物柴油研究进展

1．5 本课题的研究方案

1．5．1 本课题的研究内容

1．5．2 本课题的研究意义

2 微反应器的结构设计

2．1 引言

2．2 微通道反应器的设计

2．4 小结

3 微反应器生产生物柴油影响因素的研究

3．1 引言

3．2 实验材料与试剂

3．2．1 实验材料

3．2．2 实验试剂

3．2．3 实验仪器

3．3 实验方法

3．3．1 大豆油理化性质的测定

3．3．2 生物柴油标样的制备

3．3．3 微反应器中生产生物柴油

3．4 分析方法

3．4．1 脂肪酸甲酯含量的测定

3．4．2 气相色谱分析条件

3．5 实验结果与讨论

3．5．1 大豆油理化性质的测定结果

3．5．2 传统搅拌釜进行酯交换反应脂肪酸甲酯测定结果

3．5．3 反应操作参数对微反应器生产生物柴油的影响

3．6 小结

4 响应面法优化生物柴油生产工艺

4．1 引言

4．2 实验仪器与材料

4．2．1 实验材料

4．2．2 实验试剂

4．2．3 实验仪器

4．3 实验方法

4．3．1 RSM优化实验设计

4．3．2 最优化条件验证实验

4．3．4 油脂品质对生物柴油收率的影响

4．4．分析方法

4．5 结果与讨论

4．5．1 RSM优化实验与结果分析

4．5．2 微通道反应器中碱催化酯交换反应制备生物柴油工艺响应面图的分析

4．5．3 最优条件的确定与验证

4．5．4 微反应器和常规反应器生产生物柴油的比较

4．5．5 油脂品质对生物柴油收率的影响

4．6 结论

5 微反应器中脂肪酶催化大豆油制备生物柴油的探索

5．1 引言

5．2 实验仪器与材料

5．2．1 实验材料

5．2．2 实验试剂

5．2．3 实验仪器

5．3 实验方法

5．3．1 固定化脂肪酶在无溶剂体系下催化生物柴油的制备

5．3．2 固定化脂肪酶在叔丁醇体系下催化生物柴油的制备

5．4 分析方法

5．5 结果与讨论

5．5．1 固定化脂肪酶在无溶剂体系下催化生物柴油的影响

5．5．2 固定化脂肪酶在叔丁醇体系下催化生物柴油制备

5．6 小结

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢