利用超重力旋轉填充床反應器連續進行酯化反應產製生質柴油

Continuous-flow esterification for biodiesel production using a rotating packed bed

黃成帆(Cheng-Fan Huang)

指導教授 ： 陳奕宏

國立臺北科技大學/工程學院/化學工程研究所/碩士(2013年)

https://doi.org/10.6841/NTUT.2013.00736

摘要

本研究是以自由脂肪酸(Free fatty acids, FFAs)及甲醇作為原料，利用均相觸媒的對甲苯磺酸(p-Toluenesulfonic acid monohydrate, PTSA)結合超重力旋轉填充床反應器(Rotating packed bed, RPB)及高溫酯化(Esterification)技術，達到連續式產製生質柴油之目的。FFAs主要來自廢食用油或油酯經處理後的廢棄物，然而利用FFAs進行產製生質柴油時，不僅可避免與人爭糧更可藉此降低生質柴油之生產成本，在製程上也只需要經過酯化反應，無須再進行第二階段的轉酯化反應。本研究在進行酯化反應時，有別於一些研究的不同之處在於將反應溫度提高至100 °C以上，藉此不僅可提升酯化反應之反應速度，更可達到在酯化反應進行的同時將副產物水蒸發去除而可完全酯化。本研究的第一部分，主要是利用批次反應系統測試常溫與高溫酯化反應之差別，並藉由不同含水率的甲醇進行測試，了解副產物水對此系統之影響。另外，在第二及第三部分則是利用RPB的微觀混合技術，將氣態甲醇及液態FFAs進行強烈的微觀混合反應，藉此達到製程強化(Process intensification)之目的。影響酯化反應之轉化率(Conversion)的變數包括：自由脂肪酸之流量、甲醇與自由脂肪酸的莫耳比、觸媒劑量、RPB之轉速、及反應溫度等。根據批次的實驗結果可以得知，高溫酯化反應較常溫酯化反應更容易達到轉化率100%。然而，當高溫酯化反應結合RPB進行操作時，在自由脂肪酸流量為80 mL/min、RPB之轉速為900 rpm、醇油莫耳比為3.0、觸媒劑量為1.0% wcat/wFFAs、及反應器內溫度為146.7-129.7 °C等之操作條件下，進行第一次反應收集的酯化產物之轉化率為18.16%；如利用此酯化產物在進行第二次反應，用以模擬兩台反應器串聯之結果，而最後所得到的酯化產物之轉化率則可上升至35.34%。如果將觸媒劑量降低為0.3% wcat/wFFAs，並固定油相及含水甲醇流量為80 mL/min及30.7 mL/min，再利用實驗方法用以模擬，當利用RPB進行串聯逆流高溫酯化反應產製生質柴油時，需要多少台RPB進行串聯。由最後實驗結果可知，當RPB串聯至第20台時，可將FFAs之原始酸價從204.36 mg KOH/g降至8.87 mg KOH/g，與估計當RPB串聯至第41台時，其酸價可降低至0.5 mg KOH/g以下，整體轉化率可達到99.8%以上。

關鍵字

旋轉填充床 ； 連續式生產 ； 高溫酯化 ； 生質柴油 ； 自由脂肪酸

並列摘要

This study investigates the esterification process for continuous-flow production of biodiesel from free fatty acids (FFAs), methanol and p-toluenesulfonic acid monogydrate at high-temperature esterification using a rotating packed bed (RPB). The low quality oils which frequently contain a lot of FFAs do not competing with food and reduce the production costs. Unlike the previous studies, the reaction temperature was higher than 100 °C. The high-temperature system can enhance the reaction rate of esterification and remove water as a by-product simultaneously. Firstly, the esterification efficiency at different reaction temperatures and catalyst dosages were evaluated. Then the RPB was employed as a continuous-flow esterification reactor to increase the micromixing efficiency of FFAs and gasous methanol. The parameters including the flow rate of FFAs, molar ratio of methanol to FFAs, catalyst dosage, rotational speed of the RPB, and reaction temperature were investigated in respect of the conversion. As a result, the conversion of the esterification reaction at high temperature is better than that at the normal temperature. The chosen experimental conditions were the FFAs flow rate of 80 mL/min, the rotating speed of 900 rpm, the methanol-FFAs molar ratio of 3.0, the catalyst dosage of 1.0% wcat/wFFAs, and the reaction temperature of 146.7-129.7 °C. In the RPB system, the conversion was obtained as 18.16% in the first run and 35.34% in the second run. Twenty RPB reactors in series were performed based on the experimental design while the acid value was reduced from 204.36 to 8.87 mg KOH/g. Furthermore, the conversion of 99.8% can be estimated when using 41 RPB reactors in series.

並列關鍵字

rotating packed bed ； continuous-flow production ； high-temperature esterification ； biodiesel ； free fatty acids

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