生物柴油的制备研究

生物柴油的制备研究 1 研究背景 生物柴油是以植物的果实、种子或废弃的食用油、动物脂肪油等作为原料,与醇类 (甲醇、乙醇) 经酯交换反应获得,是一种清洁的可再生能源。与石化柴油相比,生物柴油具有显著地优越性[1]:同时具有环保特性优良、润滑性能很好、优良的冷
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生物柴油的制备研究

1 研究背景
  生物柴油是以植物的果实、种子或废弃的食用油、动物脂肪油等作为原料,与醇类 (甲醇、乙醇)
经酯交换反应获得,是一种清洁的可再生能源。与石化柴油相比,生物柴油具有显著地优越性[1]:同时具有环保特性优良、润滑性能很好、优良的冷启动性能、安全性能较高、具有良好的燃烧性能、使用性广、具有可再生性能等。

  2 实验部分
  原料及产品酸值的测定: 酸值的测定采用 GBT5530-2005 ISO660-1996动植物油脂酸值和酸度测定标准。

  在250 mL锥形瓶中加入50 mL乙醇溶液,然后再加入0.5 mL酚酞指示剂,将其加热至沸腾,保持乙醇的温度为70 ℃左右,用0.1
mol/L氢氧化钾滴定至溶液变色,并保持15
s不褪色,即为终点。将中和之后的乙醇溶液倒入装有待测样品的锥形瓶中,摇匀使其充分混合并煮沸。用氢氧化钾标准液进行滴定,滴定过程中进行充分摇动。等溶液变色,且保持15
s不褪色,即为滴定终点。
  试样的酸值 S,用 mg KOH/g 的数值表示,按下式计算:

  式中:V——滴定时所用氢氧化钾标准溶液的体积(mL);
  C——滴定时所用氢氧化钾标准溶液的准确浓度(mol/L);

  m——试样的质量(g);
  56.1——氢氧化钾的摩尔质量(g/mL);
  取重复测定两个结果的算术平均值,作为试样的酸值。

  由上述方法测得原料的酸值为194.8 mg KOH/g。
  2.1 不同实验反应条件对生物柴油产率的影响

  酯化反应为平本文由毕业论文http://www.lw54.com收集整理衡反应,当反应达到一定程度时就会达到平衡,为了使反应能够向右进行,最大程度的提高产率,我们将甲醇与酸化油的摩尔比提高到6:1。反应过程中除去反应产生的水,将有利于反应向右进行。为此我们设计了不同的方案。

  (1) 水分不除去,甲醇直接回流反应
  预处理后的酸化油与甲醇及催化剂在反应器内反应,甲醇不断回流,产生的水分不除去。取200
g除水后的酸化油加入500 mL三口圆底烧瓶中,然后加入196 mL甲醇,再加入2 mL浓H2SO4,采用油浴加热,将温度升至100 ℃,让甲醇回馏反应4
h。然后换成常压蒸馏装置,将甲醇在100 ℃时蒸出,然后换油泵减压蒸馏出产品。最终蒸出产品43.95 g,产率为21.97%。
  (2)
加入带水剂环己烷进行带水

  预处理后的酸化油与甲醇,催化剂在反应器中反应,环己烷不断将水分和甲醇带出,然后将其加入精馏器内重新沸腾进入反应器,水分由于精馏柱的存在,而留在再沸器内。取200
g除水后的酸化油加入500 mL三口圆底烧瓶中,然后加入196 mL甲醇,加入50 mL环己烷,再加入2
mL浓H2SO4,采用油浴加热,将两个油浴的温度升至100 ℃,反应时间4 h。然后换成常压蒸馏装置,将甲醇在100
℃时蒸出,然后换油泵减压蒸馏出产品。最终蒸出产品100.2 g,产率为50.1%。
  (3) 循环反应

  酸化油和甲醇在反应器中发生酯化转酯化反应, 甲醇不断气化,并将产生的水分以蒸汽的形式带走,
进入甲醇精馏器,水分由于精馏柱的存在而冷却下来,甲醇却能从精馏柱顶部出来, 经球形冷凝管冷凝后返回到酯化反应器与酸化油继续进行反应,
反应产生的水就被不断带出酯化反应器, 促使反应不断向生成脂肪酸甲酯方向进行。
  取200 g除水后的酸化油加入500
mL三口圆底烧瓶中,然后加入196 mL甲醇,再加入2 mL浓H2SO4,采用油浴加热,将温度升至100 ℃,甲醇在里面循环反应。反应时间4
h。然后换成常压蒸馏装置,将甲醇在100 ℃时蒸出,然后换油泵减压蒸馏出产品。最终蒸出产品134.47 g,产率为67.23%。

  从上面的对比试验可以看出,采用循环反应能够有效带出水分,使反应向右进行,并且获得生物柴油的最大产率67.23%。
  2.2
催化剂对生物柴油转化率的影响
  转化率的计算 以原料的转化率作为标准, 根据反应前后酸值的变化即可测定反应转化率, 即:

  催化剂是影响反应的主要因素,本文主要研究了催化剂对反应产率的影响。研究了浓硫酸、对甲苯磺酸、磺酸树脂等催化剂对反应产率的影响。
  2.3
反应时间对生物柴油转化率的影响
  当选用对甲苯磺酸为催化剂时反应时间的延长,酸值不断降低,在反应的1 h内酸值下降最快,在6 h时,酸值降到2.81
mgKOH/g,转化率为98.55%,从经济角度考虑,6 h为最佳反应时间。
  2.4 反应温度对生物柴油转化率的影响
  取200
g除水后的酸化油加入500
mL三口圆底烧瓶中,然后加入摩尔比为6:1的甲醇,再加入1%的催化剂,采用油浴加热,控制不同的反应温度,使甲醇在装置中循环反应。每隔1
h取样测酸值检测反应进度。
  从中可以看出,反应温度对酸值的影响不是很大,70 ℃和80 ℃反应差别不是很大,90 ℃和100
℃时由于温度太高,甲醇气化严重,造成酸值下降缓慢,从实际情况考虑,最终确定70 ℃为最佳反应时间。
  3 生物柴油的连续反应
  取200
g除水后的酸化油加入500 mL三口圆底烧瓶中,然后加入196 mL甲醇,再加入2 g对甲苯磺酸,采用油浴加热,将温度升至100
℃,甲醇在里面循环反应。反应时间6 h。然后换成常压蒸馏装置,将甲醇在100 ℃时蒸出,然后换油泵减压蒸馏出产品。然后取剩余物重新加入甲醇,加入催化剂进行反应6
h,然后换常压蒸馏装置,将甲醇在100 ℃时蒸出,然后换油泵减压蒸馏出产品。最终两次共蒸出166.52 g产品,产率为83.26%。
  4 结论

  (1) 反应时将水分及时除去能促进反应向右进行,因此采用循环除水装置能最大化提高产率。
  (2)
选用对甲苯磺酸为催化剂时催化效果最好,在甲醇和酸化油的摩尔比为6∶1,对甲苯磺酸用量为酸化油质量的1% ,油浴温度为100 ℃,反应温度为70 ℃条件下,反应6
h,酸化油的酸值可以降到2.81 mg KOH/g,生物柴油的转化率为98.55%。
  (3) 从经济角度考虑,反应时间为6
h为最佳反应时间,反应温度为70 ℃。
  (4)
单次生产产率为67.23%,连续生产能将产率提高到83.26%,放大实验转化率仍然很高,具有一定的经济效益。   

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