朱瑞林

（湖南師范大學(xué)工學(xué)院）

朱國林

（江西警察學(xué)院）

本文介紹和研究以一種新型振蕩流強(qiáng)化反應(yīng)器制備生物柴油的技術(shù)和設(shè)備。

1 設(shè)備簡介

根據(jù)筆者的一項(xiàng)發(fā)明專利技術(shù)（ZL200510031285.6，一種工藝過程的強(qiáng)化技術(shù)及其裝置）構(gòu)建一種新型振蕩流強(qiáng)化反應(yīng)器制備生物柴油，其主要技術(shù)方案是 （參見圖1）：在管式反應(yīng)器1上設(shè)置與之配合的轉(zhuǎn)子機(jī)械振蕩裝置，該裝置主要由活塞3與圓柱轉(zhuǎn)子4構(gòu)成，轉(zhuǎn)子對稱斜置，形成相位差180°的偏心距，此即活塞振幅。調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，以推動(dòng)活塞振動(dòng)，使反應(yīng)器內(nèi)流體形成湍流或充分混合，以強(qiáng)化反應(yīng)過程。電機(jī)轉(zhuǎn)速即活塞振蕩頻率，可無級(jí)調(diào)節(jié)，能準(zhǔn)確讀知?；?可在支座兼導(dǎo)軌6上移動(dòng)，以改變振幅，即該轉(zhuǎn)子機(jī)械振蕩裝置可使活塞的振蕩頻率和振幅適時(shí)調(diào)節(jié)。反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置擋板，以增強(qiáng)湍流程度或混合效果。擋板形式多樣，可使流態(tài)多樣化，以便在不改變流體凈流速的條件下增強(qiáng)湍流程度或混合效果；或根據(jù)不同的反應(yīng)條件 （如流速、催化劑、原料等）選用不同的擋板。

與傳統(tǒng)的湍流混合不同，利用該機(jī)械裝置不必提高流速，而用機(jī)械振蕩技術(shù)調(diào)控流速，達(dá)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(diào)控活塞的頻率和振幅 （可無級(jí)調(diào)節(jié)，因?yàn)槎叨际沁B續(xù)變化的）來調(diào)控反應(yīng)器內(nèi)物料的流態(tài)、停留時(shí)間等，可避免返混等不利于反應(yīng)進(jìn)行的現(xiàn)象，可在很低的雷諾數(shù) （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(jié)約流體輸送裝置能耗、減小設(shè)備體積。結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)實(shí)現(xiàn)方便易行；調(diào)節(jié)彈性大，適應(yīng)范圍寬；將間歇過程轉(zhuǎn)化為連續(xù)過程，因而不存在裝料、卸料、清洗等輔助勞動(dòng)時(shí)間和頻繁的開、停車，不僅可提高生產(chǎn)效率，簡化操作，方便生產(chǎn)，也將大大縮小反應(yīng)器的長度；此外，還可通過調(diào)控振蕩強(qiáng)化參數(shù)來調(diào)控流體流態(tài)，從而調(diào)控反應(yīng)器的特性。轉(zhuǎn)子的驅(qū)動(dòng)電機(jī)載荷很小，故其功率很小（比間歇過程中攪拌槳的電機(jī)功率小得多），因?yàn)殡姍C(jī)只需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子所受扭矩很小，活塞重力作用線過轉(zhuǎn)軸，不產(chǎn)生扭矩，電機(jī)只需克服軸承處的摩擦力矩即可。強(qiáng)化裝置通用性大，不因反應(yīng)器大型化而使強(qiáng)化裝置增大，只要電機(jī)能克服軸承處的摩擦力矩而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子就能推動(dòng)活塞。尺寸相差不大的反應(yīng)器可用同樣的轉(zhuǎn)子。步進(jìn)電機(jī)只在調(diào)振幅的極短時(shí)間內(nèi)工作一下，振幅調(diào)好后即停機(jī)，幾乎不需能耗。

2 該強(qiáng)化裝置用于制備生物柴油的可行性及優(yōu)勢

圖1 振蕩強(qiáng)化反應(yīng)器

生物柴油制備過程中的反應(yīng)器是關(guān)鍵和核心設(shè)備。振蕩流技術(shù)已被證實(shí)具有良好的傳熱傳質(zhì)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(shù)的研究主要集中于流動(dòng)特性、混合效果、傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化和振蕩流熱管技術(shù)等方面，采用振蕩強(qiáng)化技術(shù)制備生物柴油的研究極少報(bào)道。生物柴油的制備既受反應(yīng)動(dòng)力學(xué)影響，也受傳質(zhì)與混合的影響[1]。在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)以及油脂植物的分布、選擇、培育、遺傳改良、原料特性、化學(xué)配方、催化、反應(yīng)工藝和生物柴油特性等方面，國內(nèi)外已有很多研究[1]。

制備生物柴油的反應(yīng)是一個(gè)很緩慢而可逆的過程，目前這類反應(yīng)一般采用分批反應(yīng)生產(chǎn)工藝。但我們發(fā)現(xiàn)曾有研究證明，“長”過程應(yīng)用振蕩技術(shù)是行之有效的，因此，把振蕩強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)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(chǎn)大都采用攪拌技術(shù)，也說明生物柴油的制備受傳質(zhì)與混合控制。此外，通過目前正在進(jìn)行的國家科技部技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目 “新型生物柴油過程強(qiáng)化技術(shù)及其設(shè)備”的研究，我們發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)化參數(shù)與停留時(shí)間對生物柴油的產(chǎn)率和反應(yīng)結(jié)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(zhì)與混合控制過程。

另外，過程的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和傳質(zhì)混合特性有時(shí)是相互耦合的，如文獻(xiàn) [1] 采用超聲波對廢油脂進(jìn)行預(yù)酯化處理可達(dá)到降低酸值減少廢油脂中游離脂肪酸含量的目的，其優(yōu)點(diǎn)是縮短反應(yīng)時(shí)間、提高預(yù)酯化的效果。從過程工程角度及該專利技術(shù)原理來看，也可見該技術(shù)裝置能有效地提高過程效率，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。還有很多研究表明，反應(yīng)時(shí)間和混合效果對生物柴油的制備影響很大，這同時(shí)也說明傳質(zhì)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(shí)間必然與強(qiáng)化參數(shù)有關(guān)，這樣就可以通過調(diào)控強(qiáng)化參數(shù) （頻率、振幅等）來調(diào)控反應(yīng)器的性能 （如調(diào)控停留時(shí)間，而停留時(shí)間可影響反應(yīng)結(jié)果），使之特別適合生物柴油制備這樣一個(gè)緩慢又可逆的反應(yīng)過程，從而提高生物柴油生產(chǎn)效率與質(zhì)量。

以黏度為例，利用該類強(qiáng)化反應(yīng)器所制得的生物柴油，測得其動(dòng)力黏度為0.002 8 Pa·s，換算成運(yùn)動(dòng)黏度為3.5 mm2/s，符合中國與德國生物柴油標(biāo)準(zhǔn)。

3 目的和意義

石油資源日漸耗盡，世界各國經(jīng)濟(jì)都受到石油價(jià)格飆升的沖擊，傳統(tǒng)燃料對環(huán)境的破壞日趨嚴(yán)重，開發(fā)和利用可再生而環(huán)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(yōu)點(diǎn)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。

國內(nèi)外生物柴油研發(fā)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(xué)配方、催化、反應(yīng)過程和生物柴油特性等方面[1]，以本文技術(shù)和方法研究生物柴油的制備尚未發(fā)現(xiàn)。20世紀(jì)80年代，美國等進(jìn)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(shù)上取得了較大進(jìn)展。法國生物柴油年產(chǎn)量高達(dá)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(fā)。德國聶爾公司于1988年發(fā)明生物柴油，目前生產(chǎn)居歐盟領(lǐng)先地位。意大利生物柴油生產(chǎn)能力高達(dá)40萬t/a，比利時(shí)28萬t/a。歐盟規(guī)劃到2020年運(yùn)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(tái)相關(guān)計(jì)劃。世界經(jīng)合組織于2004年9月6日公布的最新研究報(bào)告建議：各國政府應(yīng)大力支持和鼓勵(lì)生物質(zhì)能源領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，縮小它與傳統(tǒng)原油及天然氣產(chǎn)品的價(jià)格差距，最終達(dá)到替代結(jié)果。

我國生物質(zhì)燃油研發(fā)起步較晚，系統(tǒng)研究始于中科院 “八五”重點(diǎn)科研項(xiàng)目 “燃料油植物的研究與應(yīng)用技術(shù)”，完成了對金沙江流域燃料油植物資源的調(diào)查及栽培技術(shù)研究。2004年國家科技部啟動(dòng) “十五”國家科技攻關(guān)計(jì)劃 “生物燃料油技術(shù)開發(fā)”項(xiàng)目。中國林科院建立了產(chǎn)量為500 t/a生物柴油與化工產(chǎn)品綜合生產(chǎn)線。1999～2002年，湖南省林科院主持承擔(dān)了國家林業(yè)局引進(jìn)國外先進(jìn)林業(yè)技術(shù)，從南非、美國和巴西引進(jìn)能源樹種綠玉樹優(yōu)良無性系，研制完成了綠玉樹乳汁榨取設(shè)備，進(jìn)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(qiáng)化技術(shù)制備生物柴油的可行性與優(yōu)勢[2]，還對以菜籽油制取的生物柴油黏度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)流動(dòng)特征對所得生物柴油的黏度影響較大，而本項(xiàng)目技術(shù)可借改變強(qiáng)化參數(shù)來調(diào)節(jié)流態(tài)。2004年前后，先后有海南、四川、福建的幾家企業(yè)從事生物柴油開發(fā)，主要以餐飲業(yè)廢油或膏桐、黃連木、油菜籽等為原料，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力累計(jì)達(dá)4萬t/a。近年來涉足生物柴油的研究或生產(chǎn)者不斷增多，而目前我國每年生物柴油生產(chǎn)總量與1.6億t的石油進(jìn)口量相比微乎其微。由財(cái)政部、國家發(fā)改委等五部委聯(lián)合下發(fā)的 《關(guān)于發(fā)展生物能源和生物化工財(cái)稅扶持政策的實(shí)施意見》（財(cái)建[2006] 702號(hào)）提出，要重點(diǎn)支持直接替代石油的生物能源及生物化工產(chǎn)業(yè)，包括生物柴油等；2006年1月1日開始正式實(shí)施的《中華人民共和國可再生能源法》為生物柴油的生產(chǎn)和應(yīng)用提供了法律依據(jù)；2010年9月，國家質(zhì)檢總局、國家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)聯(lián)合頒布了 《生物柴油調(diào)合燃料（B5）》標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 25199—2010）， 為生物柴油的推廣應(yīng)用和發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)，必將迎來生物柴油產(chǎn)業(yè)的更大發(fā)展；同年10月， 《國務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》正式將生物產(chǎn)業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)列為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)；11月初，海南成為全國第一個(gè)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(jī)充滿了信心和希望。湖南省能源研究與節(jié)約協(xié)會(huì)的通訊稱：中國農(nóng)科院培育的 “中油-0361”油菜新品系種子含油量達(dá)54.72%，比普通菜油提高25%以上，產(chǎn)油量每公頃1500 kg。長江流域是世界最大的油菜生產(chǎn)帶，占世界總產(chǎn)量的1/3，還有2000萬公頃冬閑田可利用，可年產(chǎn)約4000萬t生物柴油。可見我國生產(chǎn)生物柴油有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。此外，除熟知的油菜、蓖麻、大豆、花生、向日葵等是優(yōu)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(shù)應(yīng)用前景廣闊。

4 結(jié)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(jié)約型、環(huán)境友好型等特點(diǎn)。制備生物柴油的反應(yīng)是一個(gè)很緩慢而可逆的過程，本技術(shù)與設(shè)備能促進(jìn)生物柴油的反應(yīng)，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，是生產(chǎn)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(qiáng)化技術(shù)及其裝置生產(chǎn)生物柴油 [J] .化工裝備技術(shù),2007，28(4)：20-23.