概述
一旦酯交换反应趋于完成,反应器混合物中即含有脂肪酸甲酯(FAME)、粗甘油、残余醇、催化剂、皂以及未完全转化的单甘酯、二甘酯和三甘酯。精制工序涉及一系列相互关联的反应后操作。在湿法洗涤路线中,这些操作包括甘油分离、洗涤以去除残余污染物,以及随后的干燥,其他精制方案亦可行。每个步骤均影响最终B100能否满足ASTM D6751所规定的性质限值,该美国规范已汇总于AFDC公开数据表中。
甘油分离
酯-甘油分离利用两相之间的密度差实现。两相的实际密度取决于组成和温度,包括粗甘油中所含的甲醇、水及催化剂。这一密度差足以支持重力分离,但两相分层速率受多种因素影响。反应过程中的强烈混合会将甘油以细小液滴的形式分散于酯相中,显著延长聚并时间。混合程度、催化剂残留量及转化率均影响分离效果。对这些因素的控制应依据实际工艺设计,而非采用通用搅拌调整方案或将水相pH目标应用于非水体系。产品中若含有大量单甘酯、二甘酯和三甘酯,可能在界面处形成乳化层,造成产品损失并影响规范符合性。
分离设备
生产指南就酯-甘油分离讨论了重力倾析器、离心机和水力旋流器三种设备。倾析器系统仅依靠停留时间和重力,对于小型或间歇操作,所需数小时的保留时间或可接受,但连续生产装置则需要相应更大容积的容器。离心机系统通过产生人工高重力场大幅加速分离,但其资本成本较高,且需要细致、频繁的维护。水力旋流器系统对挥发性组分似乎较为敏感:残余甲醇可能在设备内快速降压过程中发生闪蒸,从而破坏分离效果,该风险需结合实际压力、温度、组成及设备设计进行评估。
FAME相的水洗
洗涤的主要目的是去除酯交换反应过程中生成的皂。水还为加酸中和残余碱性催化剂提供介质,并用于去除由此生成的盐以及酯相中残留的游离甘油和甲醇。理想情况下,应在洗涤步骤前去除残余甲醇,以避免将其带入废水,但部分工艺也采用随洗涤水一并去除甲醇的方式。宜采用温热的软化水:温热有助于降低饱和酯析出的风险,温和的洗涤操作同样重要,以限制乳化形成并实现有效的相分离。适当的洗涤水处理有助于避免引入硬度离子及其他污染物,单纯使用软化水并不能确保所有不良金属离子均已去除。可见洗涤水分离后,溶解水仍可能残留。AFDC摘要中规定水和沉淀物的限值为体积分数0.050%(采用D2709),但该离心试验方法并不能确定溶解水含量。干燥效果需采用与适用水质要求相对应的方法加以验证。
干燥及后续质量控制
真空干燥器和降膜蒸发器均可用于去除酯相中的洗涤水。在减压条件下操作可在较低温度下实现蒸发,使用较高温度蒸发器时需注意,过高的温度可能导致多不饱和脂肪酸甲酯发生聚合,使燃料颜色明显变深。洗涤或分离不充分导致游离甘油残留,其在储存过程中可能沉降,形成黏稠层,堵塞燃油滤清器并引起燃烧问题。现行AFDC公布的ASTM D6751摘要规定:游离甘油限值为质量分数0.020%,总甘油限值为质量分数0.240%(均采用D6584),酸值限值为0.50 mg KOH/g(D664),上述限值适用于所有牌号。残余甲醇同样是一项关注点:甲醇可能大幅降低成品燃料的闪点。ASTM D6751通过以下两种方式之一对醇含量进行控制:甲醇含量最高限值为质量分数0.2%(EN14110),或闪点最低要求为130°C(D93),两项条件中须满足其中之一。
甘油相与皂的管理
皂主要在原料中的游离脂肪酸与碱性催化剂反应时生成,催化剂用量过多会加剧皂的生成。皂通过促进乳化使甘油分离更加困难,而残留于酯相中的皂则必须在洗涤过程中予以去除。皂的生成会消耗碱性物质,从而减少可用于酯交换反应的催化剂量。水还可单独促进水解,进一步增加处理难度。将原料游离脂肪酸含量控制在适合所选反应化学的范围内,并将催化剂用量降至必要最低限度,均有助于减少皂的生成。粗甘油副产品中除甘油本身外,还含有甲醇、水、催化剂盐、残余酯及未反应甘油酯,其组成随工艺条件而变化,因为其中溶解的甲醇、水和催化剂的量直接影响其密度和性状。