毕业设计(论文)-植物籽油制备生物柴油的工艺研究.doc
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1、河南科技大学毕业论文植物籽油制备生物柴油的工艺研究摘 要由于环境问题和能源问题的日益严重,对可再生能源的开发已经逐步成为当今科学研究的热点。生物柴油是以动、植物油脂以及废弃的油脂为原料与甲醇经酯交换反应制备的新型替代能源,其主要成分是脂肪酸甲酯。生物柴油具有粘度低、闪点高、十六烷值高、无毒和可生物降解等优点,而且可以减轻大气的温室气体浓度。对解决地球升温、酸雨问题、改善人类的生存环境、实现经济的可持续发展具有重要的意义。本课题以油树籽油为原料油,采用酸、碱催化剂经“两步法”工艺将“油树”籽油转化为生物柴油,即先用酸催化剂催化油树籽油中的游离脂肪酸转化为脂肪酸甲酯,经过预酯化反应将原料油的酸值降
2、低到碱催化剂适宜的范围后,再以碱催化剂催化脂肪酸甘油酯经酯交换反应生成生物柴油。本课题主要分为三个步骤来研究:第一、与以其他油品为原料来合成生物柴油的工艺参数做比较得出该工艺的最优参数范围为:最适醇油比的范围为4:112:1,催化剂的用量的范围为0.4%1.2%,反应温度的范围为5065和反应时间的范围为90min180min。第二、假定反应时间为180min,通过单因素法设计出13组实验粗略得出植物籽油制备生物柴油的最优工艺参数为最适醇油比为6:1,催化剂的用量为0.6%,反应温度60。第三、在此基础上通过三因素三水平Box-Behnken实验设计法设计出13组实验得出该工艺的最优工艺参数为
3、:醇油比为5.72:1,催化剂用量为0.80%,反应温度为63,反应时间为60min。关键词: 生物柴油,最适醇油比,催化剂的用量,反应温度,反应时间STUDY ON THE PRODUCTION OF BIODIESEL FROM PLANT SEED OILABSTRACTAs environmental issues and energy crisis become serious, developing renewable energy has gradually caught much more attentions. Biodiesel is an alternative to p
4、etroleum fuel. It can be produced by trans-esterification of vegetable oil, animal fat, or recycle greases with methanol in the presence of a catalyst. The main component in the biodiesel is fatty acid methyl esters. Biodiesel has various advantages including low viscosity, high flash point, high ce
5、tane number, non-toxic and biodegradable. Furthermore, the concentrations of greenhouse gases in atmosphere can be reduced by using the biodiesel as motor fuels. It is of a great significance for solving the global warming and acid rain, improving the human environment and achieving sustainable econ
6、omic development. In this study, cornus macrophylla oil was utilized as feedstock. The biodiesel was produced with a two step trans-esterification. The first step of the process was to convert free fatty acid to fatty acid methyl esters in the presence of acid catalyst. After the pre-esterification,
7、 the acid value of oil was dropping down to the suitable range, and then in the second step the triglyceride was converted to the fatty acid methyl esters by trans-esterification in the presence of base catalyst. Study on this process is divided into three steps:Firstly, the parameters of the produc
8、tion of biodiesel was obtained from reference papers as below: the smolar ratios of methanol to oil is in the range of 4: 1 12:1, quantity of acid catalyst is in the range of 0.4% 1.2%, reaction temperature is in the range of 50 65 and reaction time ranges from 90min 180min. Secondly, 13 experiments
9、 were designed by using single factor method to study the optimal parameters of this process roughly and the results shows that the optimal parameters for the production of biodiesel are as follows: 6:1 molar ratios of methanol to oil, 0.6% of acid catalyst, and reaction temperature of 60. Finally,
10、based on the preliminary study, another 13 experiments were proposed by using three factors and three levels Box-Behnken method and the result shows that the optimal conditions are as follows: 5.72:1 molar ratios of methanol to oil, 0.8% of acid catalyst, reaction temperature of 63 , and the reactio
11、n time was 60min. KEY WORDS: biodiesel, the most optimum molar ratio of methanol to oil, quantity of catalyst, reaction temperature, reaction timeIII河南科技大学毕业论文朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典目 录前 言1第一章综 述2 1.1生物柴油的概述2 1.2动植物油脂的化学结构以及生物柴油的组成3 1.2.1动植物油脂的化学结构3 1.2.2生物柴油的组成4 1.2.3生物柴油与石化柴油的的比较5 1.3生物柴油的生产方法6 1.3.1均相催化
12、法7 1.3.2非均相催化法8 1.3.3生物催化法9 1.3.4超临界法11 1.3.5不同生产方法的比较11 1.4我国发展生物柴油的现状以及意义12 1.4.1国内的油料作物资源以及分布12 1.4.2国内的生物柴油的发展13 1.5本课题研究目的及方案14第二章实验部分15 2.1实验目的及内容15 2.1.1实验目的15 2.1.2实验内容15 2.2实验原料以及仪器15 2.2.1实验原料15 2.2.2实验试剂15 2.2.3实验仪器16 2.3实验装置17 2.4原料和产品的分析方法17 2.4.1原料和产物酸值的测定方法17 2.4.2原料皂化值的测定方法18 2.4.3原料
13、平均分子量的计算19 2.5试验设计19 2.5.1单因素法求出反应最优范围19 2.5.2 三因素三水平实验21 2.5.3 最佳反应时间的确定22第三章实验结果与分析23 3.1测出的原料油的品质23 3.2单因素法的实验结果23 3.3模型的建立与显著性检验26 3.4响应面分析28 3.4.1各因素交互作用对响应值的影响28 3.4.3 最佳反应时间的确定29 3.4.3 提取工艺条件的确定30参考文献31致 谢3333前 言生物柴油是由动、植物油脂或长链脂肪酸与甲醇或乙醇等低碳醇在催化剂的作用下转酯化反应生成的脂肪酸甲酯或脂肪酸乙酯,生物柴油以其无毒、可生物降解、尾气中几乎不含SOx
14、等优点成为当今最重要的清洁燃料之一1。当前世界,石化燃料的枯竭和环境污染的加剧两大因素决定了新的替代型能源的出现已经是必然趋势,生物柴油作为最重要的可再生液体燃料之一,具有能量密度高、润滑性能好、储运安全、抗爆性好、燃烧充分等优良使用性能,还具有可再生、环境友好及良好的替代性等优点,目前世界上超过95%的生物柴油制备是以食用油为原料的,尽管现阶段存在生产成本过高等缺点,但是通过合理开发利用,可以有效缓解石化柴油供应紧张局面。包括中国在内的许多国家已将发展生物液体燃料确定为国家产业发展方向,利用可再生农、林等植物油资源发展生物炼油和石化工业实现可持续发展的一条重要途径,有着广阔的应用前景。因此,
15、生物柴油的研究成为国内外学者研究的热点。本研究以“油树”籽油和甲醇催化合成生物柴油,是因为“油树”产于河南各山区,生于山坡和山谷杂木林中,不占用耕地,并且辽宁、河北、山东、山西、陕西、湖北、湖南、福建、广西、贵州、四川、云南等地均有分布,分布广泛。“油树”种仁含油约27%28%,出油率约为25%30%,过去常作为食用油。但因其口感不佳,目前主要用于作为工业用油。本课题拟以“油树”籽油为研究对象,采用BOX-Behnken法确定酸催化酯化的最优工艺参数,探索其制备生物柴油的最优工艺参数,为我国生物柴油的开发利用和今后发展提供参考。第一章 综 述 1.1生物柴油的概述生物柴油是以动物油脂、植物油脂
16、或者废弃油脂等可再生资源为原料制造出来的可以替代石化柴油的清洁安全的新型燃料,其主要成分为棕榈酸、硬脂酸、油酸、亚油酸等长链饱和与不饱和脂肪酸和甲醇反应生成的酯类化合物。生物柴油生产的主要方法是酯交换法,其反应的方程式如下图1-1所示:图1-1 酯交换反应方程式Fig.1-1 Transesterification reaction equation生物柴油与石化柴油相比,具有可再生、易于生物讲解、燃烧污染物排放低、温室气体排放低等石化柴油不可替代的优点。同时,生物柴油具有与石化柴油相近的性能,并且具有无与伦比的优越性2:(1)具有优良的环保特性。由于生物柴油来自可再生的生物质资源,因此生物柴
17、油中不含石化柴油中常有的硫成分。硫含量低,使得二氧化硫和硫化物的排放低,可减少约30%(有催化剂时为70%);生物柴油中不含具有致癌性、对环境造成污染的芳香族烷烃,因而废气对人体损害低于柴油。检测表明,与石化柴油相比,使用生物柴油可降低90%的空气毒性,降低94%的患癌率;由于生物柴油含氧量高,使其燃烧时排烟少,一氧化碳的排放与柴油相比减少约lO%(有催化剂时为95%);同时,生物柴油的生物降解性高3。(2)具有较好的低温发动机启动性能。无添加剂冷滤点可达204。(3)具有较好的润滑性能。使喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率低,使用寿命长。(4)具有较好的安全性能。由于生物柴油闪点比石化柴油高,
18、因此,便于储藏和运输。(5)具有良好的燃烧性能。生物柴油的十六烷值高,使其燃烧性好于石化柴油,而且生物柴油的燃烧残留物呈微酸性使催化剂和发动机机油的使用寿命延长5。 (6)具有可再生性能。生物柴油作为可再生能源,与石油储量不同,生物柴油所产生的二氧化碳,供植物吸收成长,并无C02的净值增加,从而形成密闭型的碳循环,保证供应量不会枯竭。(7)无需改动柴油机,可直接添加使用,同时无需另添设加油设备、储存设备及人员的特殊技术训练6。(8)生物柴油以一定比例与石化柴油调和使用,可以降低油耗、提高动力性,并降低尾气污染7。因此,生物柴油是一种可再生的、环境友好燃料,具有良好的应用前景。 1.2动植物油脂
19、的化学结构以及生物柴油的组成 1.2.1动植物油脂的化学结构8动植物油脂是混甘油三酯的混合物,构成甘油三酯的脂肪酸种类、碳链长度、不饱和度以及几何构型对油脂的性质起着重要的作用,同时,脂肪酰基与甘油三个羟基的结合位置,即脂肪酸在甘油三酯中的分布情况对油脂的性质也有很大影响。图1.1显示的就是一种典型的甘油三酯的化学结构式。(-硬脂酸-亚油酸-油酸甘油酯)图1-2 典型的甘油三酯化学结构式Fig. 1-2 A typical chemical structure triglycerides每种油脂含有的大约5-6种不同的脂肪酸,下表1.1列出了一般油脂中常见的脂肪酸。普通豆油中含有硬脂酸、棕榈酸
20、、油酸、亚油酸和亚麻酸等,同时油脂中还含有少量的磷脂、甾醇、植物蜡、维生素E和少量的水。表1-1常见的脂肪酸以及其结构分子式Tab. 1-1 Common fatty acids and its structure formula脂肪酸系统名称速记表示分子式羊脂酸正癸酸C10:0C10H20O2月桂酸十二烷酸C12:0C12H24O2豆蔻酸十四烷酸C14:0C14H28O2棕榈酸十六烷酸C16:0C16H32O2硬脂酸十八烷酸C18:0C18H36O2花生酸二十烷酸C20:0C20H40O2月桂烯酸顺-9-十二碳烯酸9c12:1C12H22O2肉豆蔻酸顺-9-十四碳烯酸9c14:1C14H26
21、O2棕榈油酸顺-9-十六碳烯酸9c16:1C16H20O2油酸顺-9-十八碳烯酸9c18:1C18H34O2芥酸顺-13二十二碳烯酸13c22:1C22H42O2亚油酸顺-9,顺-12-十八碳二烯酸9c,12c18:2C18H32O2亚麻酸顺-6,顺-9,顺-12-十八碳三烯酸6c,9c,12c18:3C18H30O2-桐酸顺-9,反-11,反-13-十八碳三烯酸9c,11t,13t18:3C18H30O2 1.2.2生物柴油的组成生物柴油的主要成分是各种脂肪酸甲酯,表1-2所示的是以各种植物油为原料制各的生物柴油的脂肪酸组成9。表1-2各种植物油制备生物柴油的脂肪酸组成Tab. 1-2 Fa
22、tty acid composition of various biodiesel脂肪酸甲酯名称生物柴油来源花生油玉米油棉籽油芝麻油葵花籽油大豆油菜籽油肉豆蔻酸0.4棕榈酸10.911.820.48.15.810.53.1硬脂酸2.71.31.44.03.73.61.0花生酸1.10.40.20.30.5山嵛酸1.40.40.20.3二十四碳烯酸0.60.5十六碳烯酸0.3油酸46.530.915.140.423.823.532.3二十碳烯酸0.70.20.20.26.8芥酸0.30.232.8亚油酸35.455.262.446.765.554.714.5二十二碳烯酸0.3亚麻酸0.10.50
23、.20.37.17.7饱和脂肪酸17.013.122.212.510.014.55.4不饱和脂肪酸83.086.977.887.590.085.594.6生物柴油中各种脂肪酸,尤其是不饱和脂肪酸的含量对于生物柴油的品质有着决定性的影响,因此不同植物油所生产的生物柴油在理化性质上有着显著的区别。 1.2.3生物柴油与石化柴油的的比较10生物柴油作为石化柴油的替代能源,与石化柴油相比,生物柴油显示出良好的理化特性,使之较石化柴油更具有环境友好性。表1-3所示的是生物柴油与石化柴油的性质差异。表1-3生物柴油和石化柴油的性质差异Tab. 1-3 Nature biodiesel and petrol
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