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两步法催化桐油制备生物柴油工艺及动力学研究

潘登  
【摘要】: 当今世界面临能源与环境的双重压力,积极寻找环境友好、可再生的替代能源已成为国际瞩目的焦点。在众多的替代燃料中,生物柴油以其优越的性能备受关注。采用食用油料作为生产生物柴油原料,不符合我国的基本国情,政府鼓励开发山地丘陵资源,开发油料树种,发展生物柴油产业。 本文以非食用桐油为原料,通过预酯化和酯化两步法制备生物柴油。预酯化采用活性炭负载硫酸(H_2SO_4/ AC)及二氧化硅负载硫酸(H_2SO_4/ SiO_2)为负载型催化剂,催化甲醇与原料油中的游离脂肪酸(FFA)的酯化反应,从而降低原料油酸值;第二步,以KOH为催化剂,催化经酯化反应降酸值处理的桐油和甲醇进行酯交换反应制备生物柴油。 本文系统考察了反应温度、反应时间、催化剂用量和醇/FFA摩尔比对预酯化反应的影响。以H_2SO_4/ AC为催化剂最佳工艺条件为:反应时间1.5h,醇/FFA摩尔为15:1,反应温度90℃,催化剂用量3%;以H_2SO_4/ SiO_2为催化剂最佳工艺条件为:反应时间40min,醇/FFA摩尔比15:1,反应温度65℃,催化剂用量0.8%,搅拌速率1000rmp。在最佳工艺条件下,两种催化剂催化酯化反应转化率均在92%以上。以KOH为催化剂催化酯交换反应制备生物柴油的最佳工艺条件为:反应时间50min,醇油摩尔比6∶1,反应温度70min,催化剂用量1%。以最佳反应条件进行验证试验,结果脂肪酸甲酯的产率达97.8%。 本文初步探讨了酯化及酯交换反应动力学行为。以H_2SO_4/ AC为催化剂,通过测定不同反应温度、不同醇/FFA摩尔比条件下游离脂肪酸的转化率,以此确定酯化反应的动力学控制步骤及动力学方程中的待定参数。结果表明,所建立的动力学方程在实验条件范围内能较好的描述酯化反应过程;以碱催化反应机理,在简化的动力学模型上建立了酯交换反应的宏观动力学方程,结果表明,在60℃,醇油摩尔比6:1时,酯化反应表观级数为3.1级,速率常数为2.133×10~(-3)(mol/L)~(-2.1)·min~(-1),反应的活化能Ea=31.09 kJ·mol~(-1),指前因子A=1.958×10~5 L·mol~(-1)·min~(-1)。


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