TWI485242B - 生質柴油製造方法 - Google Patents

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Description

生質柴油製造方法
本發明係關於一種生質柴油製造方法，特別是一種以超臨界流體產製生質柴油之方法。
生質柴油(即脂肪酸甲基酯，簡稱FAME)為生質能源之一種，可替代一般石化燃料，緩解全球暖化之勢。
習用生質柴油之製造方法，包含習用鹼催化法(以催化劑，如氫氧化鈉或氫氧化鉀等鹼性物進行催化反應)或習用超臨界醇法(以超臨界醇類進行油脂轉酯反應)，自動、植物油脂或廢棄油脂中游離脂肪酸，轉為有用的生質柴油。惟，前者所得之生質柴油易殘留鹼性物，並衍生大量甘油副產物(其反應如第1圖所示)，難以移除，故其轉化率不彰；後者雖無催化劑使用之虞，卻仍有甘油副產物偏多，不易移除之困擾。
一種習用生質柴油之製造方法，如中華民國公開第201105789號專利所示，係先利用大量醋酸水解蔴瘋籽油上的脂肪酸，再利用甲醇溶液進行超臨界醇解，以獲得生質柴油。該習用方法須以二階段反應(包含次臨解水解反應及超臨界醇解反應)始完成該生質柴油之製造，且該次臨解水解反應需耗費大量的醋酸，爾後再自醋酸中分離水解脂肪酸以進行後續反應，不僅操作步驟繁瑣，且並無法改善甘油副產物偏多之問題，恐無法有效適用於該生質柴油之產製。
日本學者另提供一種習用生質柴油之製造方法，係在乙酸乙酯(Methyl acetate)之催化下(Shiro Saka & Yohei Isayama,A new process for catalyst-free production of biodiesel using supercritical methyl acetate,2009)，利用超臨界碳酸二甲酯(Dimethyl carbonate)進行生質柴油之製備(Zul Ilham & Shiro Saka,Dimethyl carbonate as potential reactant in non-catalytic biodiesel production by supercritical method,2009)，該習用生質柴油之製造方法雖可有效改善甘油副產物之生成，然而，該碳酸二甲酯需以化工技術合成，其合成成本較高且操作複雜，仍為產製生質柴油之瓶頸。
此外，上述諸種習用生質柴油之製造方法，為維持產物(生質柴油)之製造品質，多偏好以植物性油脂為生產生質柴油原料，往往須額外操作萃取處理以獲得植物性油脂，徒增生質柴油的製造成本與製造時間。
因此，有必要提供一種可便於產製生質柴油之方法，以改善上述先前技術之種種問題。
本發明之主要目的係提供一種生質柴油製造方法，係利用低成本且易於取得之材料進行生質柴油的製造。
本發明之另一目的係提供一種生質柴油製造方法，係能夠減少甘油副產物之產生，同時避免製造成本的增加。
本發明之另一目的係提供一種生質柴油製造方法，係可直接以各種食用油類或廢棄食用油為原料製造生質柴油，減化製程。
為達到前述發明目的，本發明所運用之技術手段及藉由該技術手段所能達到之功效包含有：一種生質柴油製造方法，係包含：先將一甲醇打入一槽體，加熱該甲醇至其臨界溫度以上，以獲得一超臨界甲醇；將一反應基質打入上述之槽體中，其中該反應基質包含莫耳比為3：1之醋酸及原料油，上述之甲醇與該原料油之莫耳比為60：1；最後通入一超臨界二氧化碳至上述 之槽體，使上述之超臨界甲醇與該超臨界二氧化碳之總壓力達10兆帕以上；其中，上述之超臨界甲醇、原料油、醋酸及超臨界二氧化碳係於上述之槽體內，在溫度為240-500℃，壓力為8.1-50兆帕之參數條件下反應0.1-1.5小時；以獲得一生質柴油。
本發明之生質柴油製造方法中，其中，上述之甲醇與該原料油之體積比係2.5：1，上述之醋酸與該原料油之體積比係1：6.4。
本發明之生質柴油製造方法中，其中，上述之甲醇係加熱至240-250℃。
本發明之生質柴油製造方法中，其中，上述原料油係選自由植物油、動物油、廢棄食用油及其他含甘油脂和脂肪酸之油脂所組成之群組。
本發明之生質柴油製造方法中，其中，上述原料油係沙拉油(大豆油)。
本發明之生質柴油製造方法中，其中，上述之超臨界甲醇、原料油、醋酸及超臨界二氧化碳於上述之槽體內，以280℃，20兆帕之參數條件下反應。
本發明之生質柴油製造方法中，其中，上述之超臨界甲醇、原料油、醋酸及超臨界二氧化碳於上述之槽體內之反應時間係90分鐘。
藉由上述技術特徵，本發明較佳實施例之生質柴油製造方法，確實可在節省成本及操作時間之前提下，減少甘油副產物之產生，並且兼具廢棄食用油之再生利用之優點。
 〔本發明〕
1‧‧‧高壓泵浦
11‧‧‧進氣閥
2‧‧‧高壓泵浦
21‧‧‧進氣閥
3‧‧‧高壓槽體
4‧‧‧升溫件
a‧‧‧控溫單元
b‧‧‧控壓單元
v‧‧‧排氣閥
第1圖係習用技術之甘油副產物之生成反應式。
第2圖係本發明較佳實施例之化學反應式之一。
第3圖係本發明較佳實施例之化學反應式之二。
第4圖係本發明較佳實施例之化學反應式之三。
第5圖係本發明較佳實施例之生質柴油製造裝置。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本發明較佳實施例之生質柴油製造方法，係依序操作以下步驟：將一甲醇打入一槽體；加熱該甲醇至其臨界溫度以上，以獲得一超臨界甲醇；將一反應基質打入上述之槽體中，其中該反應基質包含莫耳比為1：1至5：1之醋酸及原料油，上述之甲醇與該原料油之莫耳比為20：1至90：1；最後通入一超臨界二氧化碳至上述之槽體，使上述之超臨界甲醇與該超臨界二氧化碳之總壓力達10兆帕(MPa)以上；其中，上述之超臨界甲醇、原料油、醋酸及超臨界二氧化碳係於上述之槽體內，在溫度為240-500℃，壓力為8.1-50兆帕(MPa)之參數條件下反應0.1-1.5小時；以獲得一生質柴油。
更詳言之，本發明較佳實施例之生質柴油製造方法，係利用適量之醋酸作為轉酯反應的反應基質，該醋酸可催化脂肪酸的水解，同時參與如第2及4圖所示之反應，因此，該醋酸可於本實施例之生質柴油製造方法中完全作用，而不需另行操作分離步驟，即可續行與甲醇之反應。其中，該醋酸與原料油之莫耳比較佳為3：1，其體積比則約為1：6.4，而該甲醇與該原料油之莫耳比較佳為60：1，體積比約2.5：1，使該醋酸可完全作用，且減少甘油之產量。
請再參照第1至3圖所示，上述之醋酸可輔助脂肪酸自原料 油上游離，而游離脂肪酸係與甲醇反應，產生甘油副產物(即該第1圖所示)。然而，本發明較佳實施例所採用之適量醋酸，可進一步與該甘油副產物反應(即該第4圖所示)，形成甘油酯，是以可減少甘油副產物的產生。再者，上述之醋酸更可進一步地與甲醇反應(即如第2圖所示)，產生乙酸甲酯(Methyl acetate)以及碳酸二甲酯(Dimethyl carbonate)，更利於提升該生質柴油的轉化率，並減少甘油副產物的產生。
本實施例之甲醇係利用一幫浦(pump)，通入上述之槽體，該甲醇較佳係選用99%之甲醇，而上述醋酸較佳係選用99%之冰醋酸，使該甲醇與該醋酸可以反應完全，依序進行前段所述之反應，而不需另以額外步驟分離未反應之醋酸。其中，該反應時間約為0.1-1.5小時，該反應時間係視反應系統大小(如前述之槽體)而定，該反應系統越大則反應時間越長，舉例說明之，6毫升(ml)之反應系統其反應時間約15分鐘，而150毫升(ml)之反應系統其反應時間約約1.5小時。
此外，上述之甲醇係加熱至其臨界溫度以上，較佳為240℃至500℃，更佳為280℃，以獲得上述之超臨界甲醇，輔助反應(即該第1圖示之反應)之進行，並提升反應速率。
又，上述之原料油可以係任何具有甘油脂和脂肪酸之油脂，包含植物油、動物油、廢棄食用油或上述各類油脂之任何比例之組合，本實施例較佳係選用廢棄食用油，以藉由本實施例之方法再生並轉化該廢棄食用油，有助於減少廢棄食用油之屯量。
此外，最後通入之超臨界二氧化碳，可提升上述超臨界甲醇與反應基質的溶解度，同時穩定前述槽體內的壓力值，該超臨界二氧化碳與該超臨界甲醇之總壓力係達10兆帕(MPa)以上，較佳為20-50兆帕(MPa)，更佳為20兆帕(MPa)。
舉例而言，本發明較佳實施例的一實際實施樣態，係提供一 種如第5圖所示之生質柴油製造裝置，係具有二高壓泵浦1、2；一高壓槽體3；及一升溫件4，該二高壓泵浦1、2係分別將甲醇及超臨界二氧化碳通入該高壓槽體3並透過該升溫件4加熱，且各該二高壓泵浦1、2係設有一進氣閥11、21，係調控該超臨界二氧化碳或甲醇之通入速率。該高壓槽體3係分別與一控溫單元a及一控壓單元b相連接，以透過該控溫單元a及該控壓單元b調節該高壓槽體3之溫度與壓力。此外，該高壓槽體3另與一排氣閥v連接，係供產物排出。
本實際實施樣態中，係由上述高壓泵浦1將75.93毫升(ml)甲醇通入上述高壓槽體3(本實際實施樣態之高壓槽體為150毫升)，並由上述升溫件4將該甲醇加熱至280℃，使該甲醇轉為超臨界態，再與該反應基質混合，該反應基質同樣係由上述高壓泵浦1，並以最高流速為每分鐘10毫升之通量(10ml/min)通入，且該反應基質係由30毫升(ml)沙拉油(即大豆油)及4.68毫升(ml)99%醋酸所組成(其中，甲醇/沙拉油之莫耳比為60；醋酸/沙拉油之莫耳比為3)。此時，再將超臨界二氧化碳以最高流速為每分鐘200毫升(200ml/min)之通氣速率自上述高壓泵浦2通入上述高壓槽體3，使該超臨界二氧化碳與超臨界甲醇之總壓力達20兆帕，使該高壓槽體3於280℃、20兆帕下反應90分鐘，即可自上述排氣閥v收取所產製之生質柴油。請參照第1表所示，經上述實際實施樣態所產製之生質柴油，經量測並參照第1圖之方程式以如下之公式計算，可測得生質柴油轉換率達97.83%，而甘油副產物之生成量相較於習用催化劑法(鹼催化法)或超臨界醇類法之生成量係減少約30.2%。
公式：(甘油分子量×1)/(甲醇分子量×3+三酸甘油脂分子量×1)×100%=甘油產量。
藉此，本發明較佳實施例之生質柴油製造方法，確實具有有效減少甘油副產物產生之功效，該生質柴油製造方法係利用適量醋酸與甲醇作為反應基質，不僅可於單階段的處理步驟中，產製生質柴油，更可省去分離未完全反應之反應基質的額外步驟，具有節省成本及操作時間等功效。
此外，本發明較佳實施例之生質柴油製造方法可應用於各種食用油，甚至是廢棄食用油之處理，有利於廢棄食用油之再生利用，並可兼顧該生質柴油的產製品質，為本發明之功效。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (8)

  1. 一種生質柴油製造方法，係包含：先將一甲醇打入一槽體，加熱該甲醇至其臨界溫度以上，以獲得一超臨界甲醇；將一反應基質打入上述之槽體中，其中該反應基質包含莫耳比為3：1之醋酸及原料油，上述甲醇與該原料油之莫耳比為60：1；最後通入一超臨界二氧化碳至上述之槽體，使上述之超臨界甲醇與該超臨界二氧化碳之總壓力達10兆帕以上；其中，上述之超臨界甲醇、原料油、醋酸及超臨界二氧化碳係於上述之槽體內，在溫度為240-500℃，壓力為8.1-50兆帕之參數條件下反應0.1-1.5小時；以獲得一生質柴油。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之生質柴油製造方法，其中，上述之甲醇與該原料油之體積比係2.5：1。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之生質柴油製造方法，其中，上述之醋酸與該原料油之體積比係1：6.4。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之生質柴油製造方法，其中，上述之甲醇係加熱至240-500℃。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之生質柴油製造方法，其中，上述原料油係選自由植物油、動物油、廢棄食用油及其他含甘油脂和脂肪酸之油脂所組成之群組。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之生質柴油製造方法，其中，上述原料油係沙拉油。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之生質柴油製造方法，其中，上述之超臨界甲醇、原料油、醋酸及超臨界二氧化碳於上述之槽體內，以280℃，20兆帕之參數條件下反應。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之生質柴油製造方法，其中，上述之超臨界甲醇、原料油、醋酸及超臨界二氧化碳於上述之槽體內之反應時間係90分鐘。
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