一種新型振蕩流強化反應器制備生物柴油的探討*

朱瑞林

（湖南師范大學工學院）

朱國林

（江西警察學院）

本文介紹和研究以一種新型振蕩流強化反應器制備生物柴油的技術和設備。

1 設備簡介

根據筆者的一項發明專利技術（ZL200510031285.6，一種工藝過程的強化技術及其裝置）構建一種新型振蕩流強化反應器制備生物柴油，其主要技術方案是 （參見圖1）：在管式反應器1上設置與之配合的轉子機械振蕩裝置，該裝置主要由活塞3與圓柱轉子4構成，轉子對稱斜置，形成相位差180°的偏心距，此即活塞振幅。調速電機帶動轉子旋轉，以推動活塞振動，使反應器內流體形成湍流或充分混合，以強化反應過程。電機轉速即活塞振蕩頻率，可無級調節，能準確讀知。滑板5可在支座兼導軌6上移動，以改變振幅，即該轉子機械振蕩裝置可使活塞的振蕩頻率和振幅適時調節。反應器內設置擋板，以增強湍流程度或混合效果。擋板形式多樣，可使流態多樣化，以便在不改變流體凈流速的條件下增強湍流程度或混合效果；或根據不同的反應條件 （如流速、催化劑、原料等）選用不同的擋板。

與傳統的湍流混合不同，利用該機械裝置不必提高流速，而用機械振蕩技術調控流速，達到湍流效果或充分混合，提高過程效率；湍流程度不依賴于凈流速，而通過調控活塞的頻率和振幅 （可無級調節，因為二者都是連續變化的）來調控反應器內物料的流態、停留時間等，可避免返混等不利于反應進行的現象，可在很低的雷諾數 （Re）下使流體獲得湍流或充分混合，不僅能提高過程效率，而且可節約流體輸送裝置能耗、減小設備體積。結構簡單，技術實現方便易行；調節彈性大，適應范圍寬；將間歇過程轉化為連續過程，因而不存在裝料、卸料、清洗等輔助勞動時間和頻繁的開、停車，不僅可提高生產效率，簡化操作，方便生產，也將大大縮小反應器的長度；此外，還可通過調控振蕩強化參數來調控流體流態，從而調控反應器的特性。轉子的驅動電機載荷很小，故其功率很小（比間歇過程中攪拌槳的電機功率小得多），因為電機只需驅動轉子旋轉，而轉子所受扭矩很小，活塞重力作用線過轉軸，不產生扭矩，電機只需克服軸承處的摩擦力矩即可。強化裝置通用性大，不因反應器大型化而使強化裝置增大，只要電機能克服軸承處的摩擦力矩而使轉子旋轉，轉子就能推動活塞。尺寸相差不大的反應器可用同樣的轉子。步進電機只在調振幅的極短時間內工作一下，振幅調好后即停機，幾乎不需能耗。

2 該強化裝置用于制備生物柴油的可行性及優勢

圖1 振蕩強化反應器

生物柴油制備過程中的反應器是關鍵和核心設備。振蕩流技術已被證實具有良好的傳熱傳質與混合效果，有利于提高過程效率，降低成本。目前，振蕩流技術的研究主要集中于流動特性、混合效果、傳熱傳質強化和振蕩流熱管技術等方面，采用振蕩強化技術制備生物柴油的研究極少報道。生物柴油的制備既受反應動力學影響，也受傳質與混合的影響[1]。在反應動力學以及油脂植物的分布、選擇、培育、遺傳改良、原料特性、化學配方、催化、反應工藝和生物柴油特性等方面，國內外已有很多研究[1]。

制備生物柴油的反應是一個很緩慢而可逆的過程，目前這類反應一般采用分批反應生產工藝。但我們發現曾有研究證明，“長”過程應用振蕩技術是行之有效的，因此，把振蕩強化技術應用于生物柴油制備的嘗試將是可行的。目前生物柴油的生產大都采用攪拌技術，也說明生物柴油的制備受傳質與混合控制。此外，通過目前正在進行的國家科技部技術創新基金項目 “新型生物柴油過程強化技術及其設備”的研究，我們發現，強化參數與停留時間對生物柴油的產率和反應結果等影響很大，這也表明生物柴油的制備很大程度上是傳質與混合控制過程。

另外，過程的反應動力學和傳質混合特性有時是相互耦合的，如文獻 [1] 采用超聲波對廢油脂進行預酯化處理可達到降低酸值減少廢油脂中游離脂肪酸含量的目的，其優點是縮短反應時間、提高預酯化的效果。從過程工程角度及該專利技術原理來看，也可見該技術裝置能有效地提高過程效率，降低成本，提高產品質量。還有很多研究表明，反應時間和混合效果對生物柴油的制備影響很大，這同時也說明傳質特性對生物柴油的制備影響很大。既然振蕩能提高湍流和混合程度，而物料的湍流或混合程度及停留時間必然與強化參數有關，這樣就可以通過調控強化參數 （頻率、振幅等）來調控反應器的性能 （如調控停留時間，而停留時間可影響反應結果），使之特別適合生物柴油制備這樣一個緩慢又可逆的反應過程，從而提高生物柴油生產效率與質量。

以黏度為例，利用該類強化反應器所制得的生物柴油，測得其動力黏度為0.002 8 Pa·s，換算成運動黏度為3.5 mm2/s，符合中國與德國生物柴油標準。

3 目的和意義

石油資源日漸耗盡，世界各國經濟都受到石油價格飆升的沖擊，傳統燃料對環境的破壞日趨嚴重，開發和利用可再生而環保的新能源勢在必行。生物柴油是一種可再生、安全、高效的清潔能源，有許多優點，具有顯著的經濟和社會意義。

國內外生物柴油研發方興未艾，主要集中在油脂植物的分布、選擇、培育、遺傳改良、原料特性、化學配方、催化、反應過程和生物柴油特性等方面[1]，以本文技術和方法研究生物柴油的制備尚未發現。20世紀80年代，美國等進行了能源植物種的選擇、富油種的引種栽培、遺傳改良及建立“柴油林場”等工作，在能源植物特性和植物燃油研制、獲得植物燃油途徑、燃油使用技術上取得了較大進展。法國生物柴油年產量高達50萬t。英國正致力于甘油的分離過程和以藻類植物制備生物柴油的研發。德國聶爾公司于1988年發明生物柴油，目前生產居歐盟領先地位。意大利生物柴油生產能力高達40萬t/a，比利時28萬t/a。歐盟規劃到2020年運輸燃料20%用生物柴油替代。日本、巴西、印度、加拿大等也紛紛出臺相關計劃。世界經合組織于2004年9月6日公布的最新研究報告建議：各國政府應大力支持和鼓勵生物質能源領域的技術創新，縮小它與傳統原油及天然氣產品的價格差距，最終達到替代結果。

我國生物質燃油研發起步較晚，系統研究始于中科院 “八五”重點科研項目 “燃料油植物的研究與應用技術”，完成了對金沙江流域燃料油植物資源的調查及栽培技術研究。2004年國家科技部啟動 “十五”國家科技攻關計劃 “生物燃料油技術開發”項目。中國林科院建立了產量為500 t/a生物柴油與化工產品綜合生產線。1999～2002年，湖南省林科院主持承擔了國家林業局引進國外先進林業技術，從南非、美國和巴西引進能源樹種綠玉樹優良無性系，研制完成了綠玉樹乳汁榨取設備，進行了綠玉樹乳汁成分和燃料特性研究。筆者曾探討了以過程強化技術制備生物柴油的可行性與優勢[2]，還對以菜籽油制取的生物柴油黏度進行了研究，發現流動特征對所得生物柴油的黏度影響較大，而本項目技術可借改變強化參數來調節流態。2004年前后，先后有海南、四川、福建的幾家企業從事生物柴油開發，主要以餐飲業廢油或膏桐、黃連木、油菜籽等為原料，設計生產能力累計達4萬t/a。近年來涉足生物柴油的研究或生產者不斷增多，而目前我國每年生物柴油生產總量與1.6億t的石油進口量相比微乎其微。由財政部、國家發改委等五部委聯合下發的 《關于發展生物能源和生物化工財稅扶持政策的實施意見》（財建[2006] 702號）提出，要重點支持直接替代石油的生物能源及生物化工產業，包括生物柴油等；2006年1月1日開始正式實施的《中華人民共和國可再生能源法》為生物柴油的生產和應用提供了法律依據；2010年9月，國家質檢總局、國家標準委員會聯合頒布了 《生物柴油調合燃料（B5）》標準（GB/T 25199—2010）， 為生物柴油的推廣應用和發展奠定了重要基礎，必將迎來生物柴油產業的更大發展；同年10月， 《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》正式將生物產業和新能源產業列為戰略性新興產業；11月初，海南成為全國第一個在車用市場推廣生物柴油的省份更讓人們對生物柴油擺脫能源危機充滿了信心和希望。湖南省能源研究與節約協會的通訊稱：中國農科院培育的 “中油-0361”油菜新品系種子含油量達54.72%，比普通菜油提高25%以上，產油量每公頃1500 kg。長江流域是世界最大的油菜生產帶，占世界總產量的1/3，還有2000萬公頃冬閑田可利用，可年產約4000萬t生物柴油。可見我國生產生物柴油有得天獨厚的優勢。此外，除熟知的油菜、蓖麻、大豆、花生、向日葵等是優良原料外，世界上有300多種灌木、400多種花卉含“石油”。因此，本文技術應用前景廣闊。

4 結論

生物柴油是一種可再生、高效、安全、潔凈的新型能源，具有資源節約型、環境友好型等特點。制備生物柴油的反應是一個很緩慢而可逆的過程，本技術與設備能促進生物柴油的反應，提高生產效率，節約生產成本，是生產生物柴油的理想方式。

[1] 蔡鈺穎，商平，趙瑞華，等.超聲波處理廢油脂制取生物柴油的研究[J] .石油煉制與化工，2008，39(1)：62-65.

[2] 朱瑞林，趙春振.利用過程強化技術及其裝置生產生物柴油 [J] .化工裝備技術,2007，28(4)：20-23.