棕榈油生物柴油低温结晶过程研究

摘要

生物柴油燃烧性能良好，且具有可持续性和环境友好性，大力发展生物柴油对于缓解能源短缺危机，改善生态环境具有重要意义。棕榈油生物柴油(PME)低温流动性能较差，低温环境下容易结晶影响正常使用。本文对PME结晶行为、析出晶体形态及影响因素等进行系统研究，探究PME结晶机理，并对PME结晶过程进行模拟，为改善PME低温流动性能提供理论依据。
　　以棕榈油为原料制备生物柴油，经检测理化性能符合国标要求。使用气质联用仪对生物柴油及石化柴油化学组成进行分析。结果表明:PME由C、H、O三种元素构成，主要成分为10～24个偶数碳原子组成的脂肪酸甲酯(FAME)。其中，饱和饱和脂肪酸甲酯（SFAME）和不饱和脂肪酸甲酯（UFAME）的质量分数分别为40.13％和59.57％。SFAME主要成分为棕榈酸甲酯(C16∶0)，其质量分数为31.04％。其次为硬脂酸甲酯(C18∶0)，质量分数为6.64％。而UFAME主要由单不饱和脂肪酸甲酯(C16∶1～C20∶1)、二不饱和脂肪酸甲酯(C18∶2)和三不饱和脂肪酸甲酯(C18∶3)构成，其质量分数分别为44.54％、14.44％、0.59％。石化柴油含有C、H两种元素，主要是由8～24个碳原子组成的正构烷烃构成。-10PD中正构烷烃质量分数为61.26％。
　　使用低温显微设备观察PME结晶过程，对获取的晶体图像进行定量表征。研究发现，温度、降温速率、调合及添加低温流动性改进剂都会对结晶过程产生重要影响。随着温度降低，析出晶体数量不断增加后趋于稳定，晶体体积不断增大，并相互聚集、联结形成复杂结构。降温速率较小时，生成晶体数量较少，单个晶体体积较大，呈规则多边形片状结构。降温速率较大时析出晶体数量增大，体积减小，呈复杂的团簇状结构。与石化柴油调合和添加低温流动改进剂，可以抑制晶体生长，减小生成晶体尺寸。
　　PME可以看作高熔点SFAME为溶质，低熔点UFAME作为溶剂的伪二元溶液。结晶过程分为溶液过饱和、成核、晶体生长三个阶段。其晶体生长机制分为两类:平衡生长机制、分形生长机制。平衡条件下，晶习由晶体中各晶面生长速率差异确定，外形规则，具有明显对称性和各向异性。外部环境偏离平衡时，晶体出现分形生长，形成晶习为团簇状不规则枝杈结构，周围分布细小相似枝晶，具有明显分形特征。
　　以C18∶0为酯晶中SFAME模型化合物，使用MaterialsStudio软件，采用BFDH模型、AE模型对平衡状态下PME晶体形态进行模拟。两种模型得到的理论晶习均呈六面体薄片状晶体，最大显露面为{002}面，与低温结晶试验观察结果吻合。AE模型考虑晶面附着能，所得晶习层间距更小晶体更薄，更符合实际情况。以C18为柴油蜡晶中正构烷烃模型化合物。利用MaterialsStudio软件，采用BFDH模型、AE模型预测该晶体平衡态的理论晶习。所得晶习均为六角片状，{001}面为最大显露面，与蜡晶实际形态相符。采用DLA模型，利用Matlab软件模拟PME非平衡状态下生长过程。模拟结果为团簇状不规则凝聚体，呈现分形特征，非平衡态下PME析出酯晶图像具有一定相似性。

目录

声明

摘要

插图清单

附表清单

1 绪论

1．1 生物柴油简介

1．2 生物柴油发展现状

1．3 生物柴油低温流动性及结晶过程研究现状

1．4 研究意义和主要研究内容

2 棕榈油生物柴油的制备

2．1 实验材料及仪器

2．2 实验方法

2．3 酯交换法制备生物柴油机理

2．4 结果与讨论

2．5 本章小结

3 棕榈油生物柴油低温结晶实验

3．1 实验材料及仪器

3．2 实验方法

3．3 结果与讨论

3．4 本章小结

4 棕榈油生物柴油结晶机理

4．1 生物柴油结晶过程分析

4．2 酯晶晶习形态学研究

4．3 本章小结

5 酯晶晶习模拟

5．1 平衡生长机制下晶习模拟

5．2 分形生长机制下晶习模拟

5．3 本章小结

6 结论和展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果