生物柴油生产装置——间歇反应装置
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发布时间：2024-10-24 16:56
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时间：2024-11-01 14:03
（一）间歇反应装置
釜式反应器是一种常见的间歇反应装置，为低高径比的圆筒形反应器，体积可大可小，带夹套、蛇管或列管等表面传热构件，有温度计或热电偶，能承受高压。在反应器内设有搅拌装置。间歇釜式反应器操作灵活，适应不同操作条件和产品品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产，中、小型生物柴油制备厂多采用间歇搅拌釜式反应器。
（1）釜式反应器体积的计算
在间歇操作中，原料加入反应器后，反应进行至预定转化率，产品放出，完成一次操作。设反应时间为τ，加料、出料及清洗时间τ′，每批操作所需时间为τ+τ′。如要求平均单位时间处理物料量为v，则每批处理的物料量为VR=v(τ+τ′)，即反应器的有效容积，也称装料容积。生物柴油生产中，主要工艺条件和技术指标为：醇油比范围4～20:1，6:1常用；反应温度范围常温至85℃，通常在60～65℃；碱性催化剂用量占油脂量的0.3%～1.5%，反应时间20min至1h以上；油脂转化率85%～95%。酸性催化剂用量占油脂量的3%～7%，反应时间4h至10h以上，油脂转化率同样为85%～95%。实际生产中，搅拌、泡沫等原因导致物料不能装满，所以间歇釜容积需大于有效容积。
有效容积与总容积比值称为装料系数φ，即φ=VR/VT。VT为反应器总容积，简称反应器容积。装料系数根据经验确定，一般在0.4～0.85之间，具体数值需根据不发生泡沫、不沸腾液体、搅拌速度等条件调整。生物柴油生产中，φ值取0.7～0.8较为合理。
（2）釜式反应器搅拌器的选择
搅拌器是釜式反应器中最重要的部分，用于搅拌液体或低稠度悬浮液，其结构和性能直接影响化学反应进程。搅拌器类型多样，表列了常用的结构型式及数据。下文将重点讨论几种搅拌器提供的流动方式和湍动程度，以供选择。
① 桨式搅拌器
桨式搅拌器结构简单，制造方便，适用于黏度小或固体悬浮物含量在5%以下的液体，以及仅需保持缓和混合的场合。轴旋转时，平板桨叶形成水平的圆形液流，通过倾斜桨叶（45°～60°）增加上下翻动。适用于黏度高达15Pa·s、密度达2000kg·m-3的非均一系统液体搅拌，以及流动性液体混合、纤维状或结晶状固体溶解、固体熔化、保持较轻固体颗粒悬浮等。
平桨式搅拌器缺点是不易产生轴向液流，但尺寸和转速正确时，仍为有效搅拌器。用于液-液互溶系统混合或可溶性固体溶解，平桨直径通常为容器直径的0.7倍，叶端圆周速度维持在1.5～3m/s，液体深度与容器直径相等。为使较轻不溶性固体均匀悬浮，平桨直径约为容器直径的1/3～1/2，桨叶宽度为直径的1/6～1/4，叶底边缘距离容器底等于宽度。为防止固体分离，容器内装设数个与液面等高、宽度为容器直径的1/12～1/10的挡板。这些挡板阻止水平运动，增加上下翻动液流，减少轴旁旋涡，提高搅拌效率，但功率消耗增加50%至4～5倍。在大容器设计中，挡板数约为4或6个，根据反应设备直径调整挡板数目。
② 框式及锚式搅拌器
框式搅拌器和锚式搅拌器属于桨式搅拌器类型，由水平、垂直桨叶和斜桨叶组成，具有弧形等曲的桨叶。在运转时，Re数一般不超过1000，避免生成旋涡，叶片端部圆周速度较低（0.5～1.5m/s），转速一般低于60r/min，大型设备则低于30r/min。锚式搅拌器运动缓慢，表面积大，外形与锅壁吻合，贴近锅壁，适用于传热操作，防止锅壁上形成静止膜，尤其对黏稠物料，可防止在锅底和锅壁上附着，防止局部过热和焦化。
③ 旋桨式搅拌器
旋桨式搅拌器类似无外壳的轴流泵，直径小于容器，转速较高，叶片端部圆周速度一般为5～15m/s，适用于低黏度（μ<10Pa·s）液体搅拌。产生轴向流动，向下流至釜底后折回旋桨入口。主要形成大循环量总体流动，但湍流程度不高。适用于大尺寸调匀，尤其是要求容器上下均匀的场合。大循环量总体流动有助于固体颗粒悬浮。
④ 涡轮式搅拌器
涡轮式搅拌器类似无泵壳的离心泵，工作情况与双吸式离心泵叶轮相似。直径一般为容器直径的0.3～0.5倍，转速高，端部切线速度一般为3～8m/s，适用于低黏度或中等黏度（μ<50Pa·s）的液体搅拌。与旋桨式相比，涡轮式搅拌器产生的总体流动回路更为曲折，出口绝对速度很大，桨叶外缘附近造成激烈的旋涡运动和大剪切力，将液体微团分散得更细。因此，涡轮搅拌器适用于要求小尺度均匀的搅拌过程。但在易于分层物料（如含较重固体颗粒悬浮液）中使用则不甚合适。
综上所述，采用搅拌釜式反应器的生物柴油生产中，应选择合适的搅拌器类型以确保低黏度、密度相近、不互溶液-液系统搅拌。较小反应器，倾斜角（45°～60°）的桨式搅拌器较为合理；较大反应器，则旋桨式搅拌器与涡轮式搅拌器的组合更为合适，以保证两相有较大传质界面并确保宏观混合均匀。
