CN102317422A - 蜡和油混合物的高剪切加氢 - Google Patents

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Abstract

本文公开的实施方案描述了用于生产增强的蜡替代物的系统。系统包含具有至少一个入口和一个出口的反应器，以及具有至少一个入口和一个出口的至少一个高剪切混合装置。所述高剪切混合装置的至少一个出口与所述反应器的至少一个入口流体连通。高剪切混合装置可以包含反向旋转的转子。高剪切混合装置还可以包含至少一个催化表面。本文公开的实施方案还描述了增强的蜡替代物的生产方法。方法包括：(1)提供石油蜡和基础油；(2)将石油蜡和基础油与含氢气体在高剪切装置中混合，以形成进料；以及(3)对所述进料进行足够时间的加氢，以产生增强的加氢产物。

Description

蜡和油混合物的高剪切加氢
技术领域
总地来说，本发明涉及加氢方法。更具体来说，本发明涉及利用高剪切对蜡和油的多重混合物进行加氢。
背景技术
蜡和硬性油脂长期以来被用于制造蜡烛。此外，从古代起，蜡就已在金属的脱蜡铸造中用作可移除模型。从化学上说，蜡是一类包含长链烷烃、酯、聚酯以及长链伯醇与脂肪酸的羟基酯的脂类。最近也已开发了将高度加氢的甘油三酯用作蜡替代物(例如美国专利No.6,811,824、美国专利No.6,890,982和美国专利No.7,267,743)。存在不同类型的蜡：动物蜡(例如蜂蜡)，植物蜡(例如大豆蜡、米糠蜡)、矿物蜡(例如蒙旦蜡)、石油蜡(例如石蜡、微晶体蜡)和合成蜡(例如聚乙烯蜡、费-托蜡)。具体来说，石蜡是烃类，通常为链长均匀的烷烃的混合物。它们已被用于对纸和布料进行涂覆，以获得防水和抗污染功能。在食品工业中，石蜡已被用作容器的密封剂、食品的涂层(例如蛋糕、奶酪)和食品添加剂(例如口香糖)。
植物油主要从植物种子提取。除了可食用植物油之外，还存在不可食用的类型，例如亚麻籽油、桐油和蓖麻油，它们可用于润滑剂、涂料、化妆品、药品和某些工业应用中。从化学上说，植物油被认为是甘油的三酸酯，并典型地包含脂肪酸、甘油单酯、甘油二酯和甘油三酯。为了增加植物油的熔点，通常用过部分或完全加氢来转化不饱和的植物油，在所述加氢过程中碳双键被打破并加入两个氢原子。如果通过该过程消除了所有碳双键，它被称为完全加氢。随着加氢过程的发展，饱和程度增加，油的粘度和熔点也增加。加氢程度通常通过产物的碘值来度量。碘值(IV)越低，加氢程度越高，熔点也越高。
在油类加氢中的一个现象，是大多数加氢发生在末端脂肪酸上，因为甘油三酯的中心臂在一定程度上被末端脂肪酸屏蔽。这使得到的产物更脆。一个实例是从天然更加饱和的油类制造的人造黄油比从加氢大豆油制造的人造黄油更容易涂开。具有高熔点(＞48℃或120℉)的高加氢植物油、植物蜡已被用在诸如蜡烛、纸板涂层和粘合剂的应用中。然而，这些植物蜡易碎，这是由于加氢程度高，产生了硬质蜡，它们在弯折后倾向于破裂，并且不适合诸如柔性包装和粘合剂的应用。将植物蜡用于蜡烛制造一般来说是不理想的，因为蜡在固化后倾向于破裂，这从美观角度来说不理想。
为了克服低IV加氢植物蜡的缺陷，已使用添加剂对蜡进行改性，以使它们更具柔性、易碎性降低并具有更高熔点。已添加的化合物包括甘油单酯和二酯、乙烯基聚合物、石蜡和微晶体蜡、苯乙烯丁二烯聚合物、脂肪酸、α烯烃和甘油。石油中的油或蜡也可以与植物或动物蜡/油混合，以改变它们的性质。石油蜡源自于原油加工，通常是在润滑油的制造过程中。合成蜡也使用费-托方法制造，所述费-托方法可以包含较高分子量材料加氢裂化成较低分子量的蜡。加氢裂化方法对于本技术领域的专业人员来说是已知的。当存在碳-碳双键的不饱和度时，通常对石油中的油或蜡进行加氢处理，以消除双键并使油或蜡更稳定。也使用氢与油或蜡混合物中可能存在的硫和/或芳香环结构进行反应，以消除硫和/或芳香环结构。在加氢处理、加氢脱硫和加氢裂化过程中，通常使用各种催化剂，包括镍、酮、各种金属氧化物和沸石。但是，这样的改性引起的其他问题，例如(1)用于在蜡烛中赋予柔性的添加剂具有不理想的燃烧特性；(2)添加剂通常是不可再生的，引起环境担忧；以及(3)对于添加剂的添加来说需要附加的混合，这增加了制造成本和时间。因此，持续存在着对开发性质优越的蜡的经济的生产方法的需求和兴趣。
发明概述
本文公开的实施方案描述了生产增强的蜡替代物的方法。方法包括：(1)提供石油蜡和基础油；(2)将所述石油蜡和基础油与含氢气体在高剪切装置中混合以形成进料；以及(3)对所述进料进行足够时间的加氢，以产生增强的加氢产物。对进料的加氢实现了至少一种下列效果：进料的脱硫、加氢裂化、不饱和成分的还原以及进料的芳香族成分的还原。
石油蜡包括具有式CnH2n+2的烷烃，其中n＝20-40。基础油包括牛乳脂、可可脂、可可脂代用品、雾冰草脂、烛果脂、乳脂、雾冰藜脂、phulwara脂、娑罗脂、牛油树脂、婆罗洲油脂、猪油、羊毛脂、牛脂、羊脂、其他动物脂、芥花油、蓖麻油、椰子油、芫荽油、玉米油、棉籽油、榛果油、大麻籽油、亚麻籽油、芒果核油、绣线菊油、牛蹄油、橄榄油、棕榈油、棕仁油、精炼油棕油、棕榈油硬脂、精炼油棕仁油、棕仁油硬脂、花生油、菜籽油、米糠油、红花油、茶梅油、大豆油、芝麻油、葵花籽油、妥尔油、椿花油、植物油、海油及其组合。在某些情况下，基础油包含大豆油。在某些其他情况下，基础油包含棕榈油。
在某些实施方案中，基础油还包含至少一种抗氧化剂。抗氧化剂包含抗坏血酸棕榈酸酯、生育酚、受阻酚类化合物或其组合。在某些情况下，进料具有高于70的碘值。在实施方案中，进料含有1-99重量％的石油蜡和99-1重量％的基础油。在某些实施方案中，形成进料包括使蜡、油和含氢气体的混合物经历超过约20,000s-1的剪切速率。在某些情况下，形成进料包括形成包含分散在液体相中的含氢气体气泡的分散体，其中气泡具有小于的5.0μm的平均直径。在某些情况下，形成分散体包括将含氢气体与液体相在高剪切装置中接触，其中高剪切装置包含至少一个转子，并且其中至少一个转子在形成分散体的过程中以至少22.9m/s(4,500ft/min)的尖端速度旋转。在分散体形成过程中高剪切装置的能量消耗高于1000W/m3。
在某些实施方案中，生产增强的蜡替代物的方法还包括将一部分产生的加氢产物重新循环通过高剪切混合。在某些实施方案中，对进料进行加氢包括使用镍催化剂。在某些情况下，将催化剂与石油蜡、基础油和含氢气体在高剪切装置中混合。在某些其他情况下，催化剂被构建在高剪切装置的催化表面中，当所述石油蜡、基础油和含氢气体的混合物与催化表面进行接触时，加氢反应在其中发生。
在某些实施方案中，生产增强的蜡替代物的方法还包括将氢供体溶剂导入高剪切装置以形成进料。在某些情况下，通过与石油蜡进行混合来导入氢供体溶剂。在某些情况下，通过与基础油进行混合来导入氢供体溶剂。在某些其他情况下，通过与石油蜡和基础油两者进行混合来导入氢供体溶剂。氢供体溶剂包括四氢化萘和菲。在某些实施方案中，通过将石油蜡与通过本公开方法生产的增强的加氢产物进行混合，获得了混合蜡。在某些其他实施方案中，通过将酯类与通过本公开方法生产的增强的加氢产物进行混合，获得了混合蜡。
本文公开的实施方案还描述了用于生产增强的蜡替代物的系统。系统包含具有至少一个入口和一个出口的反应器和具有至少一个入口和一个出口的至少一个高剪切混合装置。所述高剪切混合装置的至少一个出口与所述反应器的至少一个入口流体连通。在某些实施方案中，系统还包含温度控制系统，其调控反应器的温度。在某些其他实施方案中，系统还包含一个或多个泵，其调控所述反应器和高剪切混合装置的压力。在某些情况下，将反应器的温度维持在室温至约200℃之间。在某些情况下，反应器的压力在约202.65kPa(2atm)至约5.6MPa-6.1MPa(55-60atm)的范围内。在某些其他情况下，反应器的压力在约202.65kPa(2atm)至约5.6MPa-6.1MPa(55-60atm)的范围内。在其他情况下，反应器的压力在约810.6kPa(8atm)至约1.5MPa(15atm)的范围内。在某些情况下，将反应器的压力维持在接近大气压(1atm)下。
在实施方案中反应器具有至少一个用于气态产物出口和至少一个用于液态或蜡状产物的出口。在实施方案中，高剪切混合装置包含至少一个转子和至少一个定子，它们相隔一定剪切间隙，其中剪切间隙是至少一个转子与至少一个定子之间的最小距离，其中高剪切混合装置的至少一个转子能够产生高于22.9m/s(4,500ft/min)的尖端速度。在某些实施方案中，高剪切混合装置包含反向旋转的转子。在某些其他实施方案中，高剪切混合装置包含至少一个催化表面。
附图说明
为了更详细地描述本发明的优选实施方案，现在将参考随附的图，其中：
图1a是示意图，概述了根据本发明的一个实施方案，对蜡和油的多重混合物进行高剪切加氢的基本概念。
图1b是工艺流程图，说明了根据本发明的一个实施方案，对蜡和油的多重混合物进行高剪切加氢的系统和方法的构造。
图2a是在系统的实施方案中使用的多级高剪切装置的纵向横截面图。
图2b是在系统的实施方案中使用的单级高剪切装置的纵向横截面图。
表示法和命名
在下面的说明书和权利要求书中使用的某些术语用于指称系统的特定部件。本文件不打算在只是名称而不是功能不同的部件之间进行区分。在下面的讨论和权利要求书中，术语“包括”和“包含”以开放方式使用，因此应该被解释为意指“包括但不限于……”。
本文中使用的术语“脂肪酸”广泛适用于在动物脂肪、植物和海油中发现的羧酸(典型为C6至C20)。脂肪酸可以以饱和、单不饱和或多不饱和的形式天然地发现。脂肪酸的天然几何构型是顺式异构体构型。顺式异构体构型非常有助于这些酸的流动性。术语“脂肪酸”是指甘油三酯中作为甘油三酯的长碳链组分的组分。
本文中使用的“饱和”、“饱和脂肪”和“饱和脂肪酸”，除非另有说明，否则是指不含不饱和度的C4至C26脂肪酸或酯。术语“不饱和的”是指在烃链中存在至少一个碳-碳双键。
“碘值”是脂肪或油中存在的不饱和双键的总数的度量。本文中使用的术语“碘值”或“IV”是指与100克脂肪样品所吸收的卤素等价的碘的克数。
词组“高不饱和脂肪”包括通过Wijs方法测定时碘值高于110的脂肪和油或其混合物。
本文中使用的术语“反式”、“反式脂肪酸”、“反式异构体”和“脂肪酸的反式异构体”是指含有通常由脂肪加氢或部分加氢产生的反式构型的双键的脂肪酸和/或酯。在低反式脂肪或油中，总脂肪酸组合物中包含的反式脂肪低于约6重量％。
本文中使用的术语“脂肪”和“油”意在包含所有可食用的脂肪酸甘油三酯，不论其来源或其在室温下是固体还是液体。因此，术语“脂肪”和术语“油”包括正常为液体和正常为固体的植物和动物脂肪和油。天然和合成的脂肪和油都被包括在这些术语中。
本文中使用的术语“可食用油”或“基础油”是指在室温下基本上为液体，并具有高于70、更优选高于100的IV。基础油可以是未加氢油或部分加氢油、改性油(例如经漂白和/或除臭的)或其混合物。
当在本文中使用时，术语“蜡”包括包含一定量油的蜡进料。例如，润滑油进料或含油蜡是含有高的油含量的这种蜡进料。这些蜡进料中包含的油有时被提取出来，以产生精制蜡。在本公开的范围内也考虑到了这种精制蜡。
本文中使用的术语“催化表面”是指装置中由催化材料(例如金属、合金等)构建的表面，使得当适合的底物与所述催化表面发生接触时所述表面表现出催化活性。在本文件中，术语“催化表面”的使用包括所有这样的表面，而不论表面的形状和尺寸、构建材料、制造方法、活性程度或使用目的。
当在本文中使用时，术语“分散体”是指包含不容易混合和溶解在一起的至少两种可区别物质(或“相”)的液化混合物。当在本文中使用时，“分散体”包含“连续”相(或“基质”)，其在其中容纳有其他相或物质的不连续的液滴、气泡和/或颗粒。因此，术语分散体可以是指包含悬浮在液体连续相中的气泡的泡沫，第一种液体的液滴整个分散在包含与第一种液体不互溶的第二种液体的连续相中的乳液，以及其中整个分布有固体颗粒的连续液体相。当在本文中使用时，术语“分散体”包含其中整个分布有气泡的连续液体相、其中整个分布有固体颗粒(例如固体催化剂)的连续液体相、其中整个分布有基本上不溶于连续相的第二种液体的液滴的第一种液体的连续相，以及其中整个分布有固体颗粒、不互溶液体液滴和气泡的任一种或组合的液体相。因此，分散体在某些情况下可以作为均相混合物(例如液体/液体相)或作为非均相混合物(例如气体/液体、固体/液体或气体/固体/液体)存在，这取决于所选的用于组合的材料的性质。
详细描述
本文公开了用高剪切促进的蜡和油的多重混合物的加氢系统和方法，用于生产增强的植物油蜡。当在本公开中使用时，加氢实现了至少一种下列效果：进料的脱硫、加氢裂化、不饱和成分的还原以及进料的芳香族成分的还原。
用于生产增强的蜡替代物的系统。图1a示意显示了蜡和油的多重混合物的高剪切加氢的基本概念。将1-99重量％的蜡(例如石蜡)和99-1重量％的油(例如植物油)在高剪切装置中与一定量氢气或含氢气体(H2)混合在一起。在进入高剪切装置之前或之后，向混合物加入用于加氢的催化剂。在高剪切加工后，混合物进入加氢阶段。不希望受到具体理论的限制，据信高剪切混合促进加氢反应，由此在该过程中不需要典型的高温和高压，这降低了分子降解——较长链被打碎形成较小分子——的可能性。这样的过程能够产生具有优选的熔点、柔性和狭窄的分子量分布的增强的蜡替代物。
图1b是根据本公开的实施方案，用于生产增强的蜡替代物的一种可能构造的工艺流程图。在图1b的实施方案中，系统100包含泵5、外部高剪切混合装置(HSD)40和加氢反应器10。如图1b中所示，高剪切装置40位于加氢反应器10的外部。每个这些部件将在下文中更详细地进一步描述。管线21表示油进料流，其可以与泵5相连，用于导入待加氢的油或脂肪。管线23标出了将要与油混合的蜡进料流。在某些实施方案中，可以在泵5之前添加储存容器，以容纳蜡-油混合物。管线13将泵5与HSD 40相连，管线18将HSD 40与反应器10相连。管线22可以与管线13相连，以导入含氢气体(例如H2)。可选地，管线22可以与HSD 40的入口相连。管线17可以与反应器10相连，用于移除未反应的氢气和/或其他反应或产物气体。经管线16提取加氢产物。在某些实施方案中，一部分或所有提取出的产物经管线20重新循环，用于多次传送加工。如果需要，其他部件或加工步骤可被整合到系统100各处中，这在阅读了下文中描述的过程描述后将变得明显的。例如，管线20可以与管线21或管线13相连，以提供通过HSD 40和反应器10的重新循环(在图1b中未显示)。
高剪切混合装置。外部高剪切混合装置(HSD)40，有时也被称为高剪切装置或高剪切混合装置，被构造成通过管线13接收包含待加氢的蜡、油和分子氢的入口料流。可选地，HSD 40可以被构造成通过独立的入口管线(未显示)接收液体和气态反应物料流。尽管在图1b中仅显示了一个高剪切装置，但应该理解，系统的某些实施方案可以具有两个或更多个以串联或并联流动方式排列的高剪切混合装置。HSD 40是利用了一个或多个含有转子/定子组合的发生器的机械装置，每个发生器在定子和转子之间具有间隙。每个发生器组的转子和定子之间的间隙可以是固定的，也可以是可调节的。在某些实施方案中，可以使用两个或更多个转子构造来增强剪切，其中内部转子和外部转子以相反方向旋转。与单一转子/定子装置类似，外部转子也面对定子。具有多个反向旋转转子的高剪切装置具有的机械复杂性和后续维护的增加，使得它们在需要极端剪切时最为有用。HSD 40被构造成能够在流过高剪切装置的反应物混合物中产生亚微米或微米尺度的气泡。高剪切装置含有机壳或机座，以便可以控制反应混合物的压力和温度。
一般来说，根据高剪切混合装置混合流体的能力，它们可被分成三种主要类型。混合是减小流体中的颗粒或非均质物质的尺寸的过程。混合的程度或充分性的一种度量，是混合装置产生的用于破裂流体颗粒的每单位体积的能量密度。类型根据投送的能量密度进行区分。三类具有足够能量密度、能够稳定地产生颗粒尺寸在亚微米到五十微米范围内的混合物或乳液的工业用混合器包括均化阀系统、胶体磨和高速混合器。在被称为均化阀系统的第一类高能装置中，待处理的流体在非常高的压力下被泵过狭缝阀，进入压力较低的环境中。跨过阀的压力梯度以及产生的湍流和空化作用发挥作用，以打破流体中的任何颗粒。这些阀系统最通常是用于牛奶均化中，可以产生亚微米至约一微米范围内的平均颗粒尺寸。
在能量密度谱的另一端是被称为低能装置的第三类装置。这些系统通常具有在被加工流体的储液器中以高速转动的桨叶或流体转子，它更常见的许多应用是食物制品。这些低能系统习惯上用于在被处理的流体中可以接受大于20微米的平均颗粒大小的情况中。
根据投送到流体的混合能量密度，介于低能装置和均化阀系统之间的是胶体磨和其他高速转子-定子装置，它们被分类为中能装置。典型的胶体磨构造包括圆锥形或圆盘状的转子，它与互补的、液体冷却的定子之间被紧密控制的转子-定子间隙隔开，该间隙通常在0.0254mm至10.16mm(0.001-0.40英寸)之间。转子通常由电动马达通过直接驱动或皮带机械驱动。当转子以高速转动时，它将流体泵到转子的外表面和定子的内表面之间，在间隙中产生的剪切力对流体进行加工。许多适当调整的胶体磨能够在被加工的流体中产生0.1-25微米的平均颗粒尺寸。这些能力使得胶体磨适合于各种不同的应用，包括胶体和油/水基乳液的加工，例如化妆品、蛋黄酱、或硅酮/银汞齐形成所需的乳液的加工，到屋面沥青的混合。
尖端速度是单位时间内转子的尖端所经过的外周距离。因此，尖端速度是转子直径和旋转频率的函数。尖端速度(单位为例如米/分钟)可以通过用转子尖端所经过的外周距离2πR、其中R是转子的半径(单位为例如米)、乘以旋转的频率次数(单位为例如转/分钟，rpm)来计算。胶体磨可以具有例如超过22.9m/s(4500ft/min)的尖端速度，并可以超过40m/s(7900ft/min)。出于本公开的目的，术语“高剪切”是指尖端速度能够超过5.1m/s(1000ft/min)、并需要外部机械驱动电力装置将能量驱动到待反应产物的料流中的机械转子定子装置(例如胶体磨或转子-定子分散器)。例如，在HSD 40中，可以获得超过22.9m/s(4500ft/min)的尖端速度，并可以超过40m/s(7900ft/min)。在某些实施方案中，HSD 40能够以至少22.9m/s(4500ft/min)的尖端速度投送至少300L/h。功率消耗可以是约1.5kW。HSD 40将高的尖端速度与非常小的剪切间隙相组合，在被加工的材料上产生了显著的剪切力。剪切力的量将依赖于流体的粘度。因此，在高剪切装置运行过程中，在转子尖端产生了压力和温度升高的局部区域。在某些情况下，局部升高的压力是约1034.2Mpa(150,000psi)。在某些情况下，局部升高的温度是约500℃。在某些情况下，这些局部的压力和温度升高可以持续数纳秒或数皮秒。
输入到流体中的能量的近似值(kW/L/min)可以通过测量马达能量(kW)和流体输出(L/min)来估算。正如上面提到的，尖端速度是与产生了施加于反应物的机械力的一个或多个旋转元件的末端有关的速度(ft/min或m/s)。在实施方案中，HSD 40的能量消耗大于1000W/m3。在实施方案中，HSD 40的能量消耗在约3000W/m3至约7500W/m3的范围内。
剪切速率是尖端速度除以剪切间隙宽度(转子和定子之间的最小间隙)。在HSD 40中产生的剪切速率可以大于20,000s-1。在某些实施方案中，剪切速率是至少40,000s-1。在某些实施方案中，剪切速率是至少100,000s-1。在某些实施方案中，剪切速率是至少500,000s-1。在某些实施方案中，剪切速率是至少1,000,000s-1。在某些实施方案中，剪切速率是至少1,600,000s-1。在实施方案中，HSD 40产生的剪切速率在20,000s-1到100,000s-1的范围内。例如，在一个应用中，转子尖端速度是约40m/s(7900ft/min)，剪切间隙宽度是0.0254mm(0.001英寸)，产生的剪切速率是1,600,000s-1。在另一个应用中，转子尖端速度是约22.9m/s(4500ft/min)，剪切间隙宽度是0.0254mm(0.001英寸)，产生的剪切速率是约901,600s-1。
HSD 40能够将氢气高度分散或运输到包含不饱和甘油三酯的主要液体相(连续相)中，所述不饱和甘油三酯正常地、在使至少一部分氢气与甘油三酯发生反应以产生包含增强的加氢产物的产物料流的条件下，与氢气不混溶。在实施方案中，不饱和加氢进料流还包含催化剂。在某些实施方案中，HSD 40包含胶体磨。适合的胶体磨由例如IKA
Figure BPA00001421869200111
Works，Inc.(Wilmington，NC)和APV North America，Inc.(Wilmington，MA)制造。在某些情况下，HSD 40包括IKA
Figure BPA00001421869200112
Works，Inc.的Dispax Reactor
Figure BPA00001421869200113
高剪切装置含有至少一个旋转元件，它产生施加于反应物的机械力。高剪切装置含有至少一个定子和至少一个定子，它们相隔一定间隙。例如，转子可以是圆锥形或圆盘形的，可以与形状互补的定子隔开。在实施方案中，转子和定子都含有多个外周相隔的齿。在某些实施方案中，定子是可调整的，以在每个发生器(转子/定子组)的转子和定子之间获得所需的剪切间隙。转子和/或定子的齿之间的沟槽，在交替的级中可以交替定向以增加湍流。每个发生器可以由任何适合的驱动系统驱动，它们被构造成能提供必需的转动。
在某些实施方案中，定子和转子之间的最小间隙(剪切间隙宽度)在约0.0254mm(0.001英寸)至约3.175mm(0.125英寸)之间。在某些实施方案中，定子和转子之间的最小间隙(剪切间隙宽度)为约1.52mm(0.060英寸)。在某些构造中，定子和转子之间的最小间隙(剪切间隙)至少为1.78mm(0.07英寸)。高剪切装置产生的剪切速率可以沿着流动途径随纵向位置而变化。在某些实施方案中，转子被设定为以与转子的直径和所需的尖端速度相称的速度旋转。在某些实施方案中，高剪切装置在定子和转子之间具有固定的间隙(剪切间隙宽度)。可选地，高剪切力装置具有可调节的间隙(剪切间隙宽度)。
在某些实施方案中，HSD 40含有单级分散室(即单一转子/定子组合，单一发生器)。在某些实施方案中，高剪切力装置40是多级直列式分散器，并含有多个发生器。在某些实施方案中，HSD 40含有至少两个发生器。在其它实施方案中，高剪切力装置40含有至少三个高剪切力发生器。在某些实施方案中，高剪切力装置40是多级混合器，因此剪切速率(正如上面提到的，它与尖端速度成正比变化，与转子/定子间隙宽度成反比变化)沿着流动途径随纵向位置而变化，正如在下文中进一步描述的。
在某些实施方案中，外部高剪切装置的每一级具有可互换的混合工具，提供了灵活性。例如IKAWorks，Inc.Wilmington，NC和APVNorth America，Inc.Wilmington，MA的DR 2000/4Dispax Reactor
Figure BPA00001421869200122
含有三级分散模块。该模块可以包含多达三个转子/定子组合(发生器)，可以为每一级选择细、中等、粗和超细。这允许产生具有所需气泡尺寸(例如氢气泡)的狭窄分布的分散体。在某些实施方案中，每一级用超细发生器操作。在某些实施方案中，至少一个发生器组具有大于约5.08mm(0.20英寸)的最小转子/定子间隙(剪切间隙宽度)。在可选实施方案中，至少一个发生器组具有大于约1.78mm(0.07英寸)的最小转子/定子间隙。
现在参考图2a，它显示了适合的高剪切装置200的纵向剖面图。图2a的高剪切装置200是含有三个级或转子-定子组合的分散装置。高剪切装置200是含有三个级或转子-定子组合220、230和240的分散装置。转子-定子组合可以被称为发生器220、230、240或级，对此没有限制。三个转子/定子组或发生器220、230和240沿着驱动轴250串联排列。转子-定子组合的数量(一个、两个、三个等)不意味着限制本公开的范围。图2b显示了单级高剪切装置，其也可以是适合于主题物质的高剪切混合装置。
第一个发生器220含有转子222和定子227。第二个发生器230含有转子223和定子228。第三个发生器240含有转子224和定子229。对于每个发生器来说，转子由输入250可旋转地驱动，并绕着轴260以箭头265指示的方向旋转。旋转的方向可以与箭头265显示的方向相反(例如绕着旋转轴260顺时针或逆时针)。定子227、228和229与高剪切装置200的壁255固定连接。
正如上文中提到的，每个发生器具有剪切间隙宽度，它是转子和定子之间的最小距离。在图2a的实施例中，第一个发生器220具有第一个剪切间隙225；第二个发生器230具有第二个剪切间隙235；第三个发生器240具有第三个剪切间隙245。在实施方案中，剪切间隙225、235、245的宽度在约0.025mm至约10.0mm的范围内。可选地，方法包括使用高剪切装置200，其中间隙225、235、245的宽度在约0.5mm至约2.5mm的范围内。在某些情况下，剪切间隙宽度被维持在约1.5mm。可选地，剪切间隙225、235、245的宽度对于发生器220、230、240来说是不同的。在某些情况下，第一个发生器220的剪切间隙225的宽度大于第二个发生器230的剪切间隙235的宽度，后者又大于第三个发生器240的剪切间隙245的宽度。正如上面提到的，每个级的发生器是可以互换的，提供了灵活性。高剪切装置200可以被构造成使得沿着物流260的方向剪切速率将纵向逐级增加。
发生器220、230和240可以具有粗、中等、细和超细的特征。转子222、223和224以及定子227、228和229可以具有带齿的设计。每个发生器可以具有两组或多组转子-定子齿。在某些实施方案中，转子222、223和224在每个转子的周缘含有10个以上周边分隔的转子齿。在实施方案中，定子227、228和229在每个定子的周缘含有10个以上周边分隔的定子齿。在实施方案中，转子的内径是约12cm。在实施方案中，转子的直径是约6cm。在实施方案中，定子的外径是约15cm。在实施方案中，定子的直径是约6.4cm。在某些实施方案中，转子的直径是60mm，定子的直径是64mm，提供了约4mm的间隙。在某些实施方案中，三级中的每一级使用超细发生器操作，含有在约0.025mm至约4mm之间的剪切间隙。对于其中固体颗粒将通过高剪切装置40进行运送的应用来说，可以选择适合的剪切间隙宽度(转子和定子之间的最小间隙)，以适合地减小颗粒尺寸并增加颗粒表面积。在实施方案中，这可能有利于通过剪切和分散颗粒来增加催化剂表面积。
在某些实施方案中，高剪切装置200在任何转子/定子级中包含至少一个催化表面。在某些情况下，催化表面被构造成作为转子的一部分。在某些情况下，催化表面被构造成作为定子的一部分。在某些情况下，催化表面被构造成作为转子和定子的一部分。当反应物混合物被导入剪切装置200时，当混合物与催化表面发生接触时诱导了催化反应。
高剪切装置200被构造成在入口205处从管线13接收反应物料流。反应混合物包含氢气作为可分散相，不饱和(或部分饱和)的加氢进料作为连续相。进料料流还可以包含颗粒状固体催化剂组分。进入入口205的进料料流被顺序泵过发生器220、230、然后是240，以便形成产物分散体。产物分散体通过出口210(以及图1b的管线18)流出高剪切装置200。每个发生器的转子222、223、224以高的速度相对于固定的定子227、228、229旋转，提供了高剪切速率。转子的旋转将流体例如进料料流泵进入口205，向外通过剪切间隙(以及，如果存在的话，通过转子齿之间的空间和定子齿之间的空间)，产生了局部高剪切条件。高剪切力作用在流体流经的剪切间隙225、235和245中(以及如果存在的话，转子齿和定子齿之间的间隙中)的流体上，加工流体并产生产物分散体。产物分散体经过高剪切出口210(以及图1b的管线18)流出高剪切装置200。
产物分散体具有在大气压下小于约5μm的平均氢气泡尺寸。在加压条件(外部施加的或剪切诱导的)下，气泡尺寸所压力增加而减小。该原理适用于后文中关于气泡尺寸的描述。除非另有指明，否则标出的是大气压下的气泡尺寸。在实施方案中，HSD 40产生平均气泡尺寸小于约1.5μm的分散体。在实施方案中，HSD 40产生平均气泡尺寸小于1μm的分散体；优选情况下，气泡的直径是亚微米级的。在某些情况下，平均气泡尺寸从约0.1μm至约1.0μm。在实施方案中，HSD 40产生平均气泡尺寸小于约400nm的分散体。在实施方案中，HSD 40产生平均气泡尺寸小于100nm的分散体。高剪切装置200产生的分散体，其中包含的气泡能够在大气压下保持分散至少约15分钟。
不受理论的限制，在乳液化学中，已知分散在液体中的亚微米颗粒或气泡，主要通过布朗运动效应进行运动。高剪切装置200所产生的产物分散体中的气泡，在通过固体催化剂颗粒的边界层时可能具有更高的运动性，从而通过增加反应物的运输促进并加速了催化反应。
在某些情况下，高剪切装置200包括IKA
Figure BPA00001421869200161
Works，Inc.Wilmington，NC和APV North America，Inc.Wilmington，MA的Dispax Reactor
Figure BPA00001421869200162
有几种型号可用，它们具有各种不同的入口/出口连接、马力、尖端速度、输出rpm和流速。高剪切装置的选择取决于通量要求，以及流出高剪切装置200的出口210的管线18(图1b)中的分散体中颗粒或气泡的所需尺寸。例如，IKA
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DR 2000/4型，含有皮带驱动、4M发生器、PTFE密封环、入口法兰25.4mm(1英寸)卫生级卡箍、出口法兰19mm(3/4英寸)卫生级卡箍，2HP功率，输出速度7900rpm，流量容力(水)约300-700L/h(取决于发生器)，尖端速度9.4-41m/s(1850ft/min至8070ft/min)。
反应器。加氢反应器10(图1b)是其中可以发生加氢反应的任何类型的容器。例如，可以串联或并联使用连续或半连续搅拌釜式反应器，或一个或多个批式反应器。在某些应用中，反应器10可以是塔式反应器，在其他应用中是管式反应器或多管式反应器。可以设想任何数量的反应器入口管线，在图1b中显示了其中一个(管线18)。在某些实施方案中，入口管线(在图1b中未显示)可用于将催化剂或催化剂浆料导入反应器10。催化剂或催化剂浆料也可以经过管线21、23或13(在图1b中未显示)添加，与蜡-油混合物在HSD 40中混合。但是需要小心以使催化剂不会由于HSD 40中的高剪切力而大范围降解，以便催化剂不失去其加氢活性。反应器10可以包含用于排出气体的排气管线17和用于加氢产物料流的出口产物管线16。在实施方案中，反应器10包含多个反应器产物管线16。
加氢反应将在适合的时间、温度和压力条件存在时发生。从这种意义上说，只要温度和压力条件适合，加氢反应就可以发生。当使用循环的浆料基催化剂时，反应更可能发生在图1b显示的反应器10外部的位点。然而，通常情况下离散的反应器/容器10是理想的，以允许增加停留时间、搅拌和加热和/或冷却。当使用反应器10时，反应器可以是固定床反应器、流化床反应器或输送床反应器，并且由于催化剂的存在及其对氢化速率的影响，可能变成发生氢化反应的主要位置。
因此，反应器10可以是可以发生加氢反应的任何类型的容器。例如，反应器10可以包含一个或多个串联或并联的釜式或管式反应器。加氢反应可以是其中作为反应混合物的另一种组分的催化剂存在于相同相中的均相催化反应，或包含固体催化剂的非均相催化反应。当使用反应器10时，反应器10可以作为浆料反应器、固定床反应器、滴流床反应器、流化床反应器、泡罩塔或本技术领域的专业人员已知的其他方法操作。
反应器10可以包含一个或多个下列部件：搅拌系统，加热和/或冷却设备，压力测量仪器，温度测量仪器，一个或多个注射点，以及液位调节器(未显示)，正如在反应容器设计领域熟知的那样。例如，搅拌系统可以包括马达驱动的混合器。加热和/或冷却装置可以包括例如热交换器。可选地，因为在某些实施方案中大部分反应物转化可以在HSD 40中发生，因此反应器10在某些情况下可能主要用作储存容器。尽管一般不太希望，但在某些应用中可以省略反应器10，特别是如果多个高剪切装置/反应器串联使用时，正如下面进一步描述的。
热交换装置。除了上面提到的反应器10的加热/冷却能力之外，在图1b中显示的实施方案的修改中，还可以考虑其它外部或内部的用于加热或冷却加工料流的热交换装置。例如，可以通过本技术领域的专业人员已知的任何方法向反应器10加入热或从中除去热。也可以考虑使用外部加热和/或冷却热交换装置。当高剪切加氢以多次传送方式操作时，一个或多个这样的热交换装置的一些适合的位置是在泵5与HSD 40之间、HSD 40与反应器10之间、以及反应器10与泵5之间。这样的热交换装置的某些非限制性的实例是壳式、管式、板式和盘管热交换器，正如本技术领域中已知的。
泵。泵5被构造成用于连续或半连续操作，并可以是任何能够提供大于202.65kPa(2atm)压力、优选大于303.975kPa(3atm)压力、以允许受控的物流通过HSD 40的适合的泵装置。例如，Roper泵公司(Commerce Georgia)的Roper 1型齿轮泵、Dayton Electric Co(Niles，IL)的Dayton压力倍增泵2P372E型，是适合的泵。优选情况下，泵的所有接触部分由不锈钢、例如316不锈钢构成。在系统的某些实施方案中，泵5能够产生高于约2026.5kPa(20atm)的压力。除了泵5之外，一个或多个其它的高压泵(未显示)可以包含在图1b显示的系统中。例如，在HSD 40与反应器10之间可以包含与泵5类似的增压泵，用于升高反应器10中的压力，或者可以将循环泵置于管线17上，用于将来自于反应器10的气体重新循环到HSD 40。作为另一个实例，可以包含与泵5类似的补料泵。
增强的蜡替代物的生产。现在将参考图1b对从蜡-油混合物生产增强的蜡替代物的方法进行描述。
可以使用在本发明中的起始材料广泛变化。出于本发明的目的，起始材料包括一种或多种精制或未精制过的、经漂白或未漂白的和/或经除臭或未除臭的脂肪和/或油类。脂肪和/或油类可以包括单一脂肪或油或多于一种的脂肪和/或油的组合。进料流中的起始甘油三酯油或脂肪(在后文中称为“基础油”)包含未加氢和/或部分加氢的油。脂肪和油类可以是饱和、单不饱和或多不饱和的，或其任何组合。基础油可以选自鱼油、动物油、植物油、合成油、遗传修饰的植物油及其衍生物和/或混合物。在实施方案中，基础油包含植物油。在某些情况下，起始材料是单不饱和或多不饱和植物油。在某些其他情况下，起始材料是多不饱和植物油。在其他情况下，起始甘油三酯基础油是经精制、漂白和除臭的(RBD)植物油。在实施方案中，基础油起始甘油三酯包含选自大豆、棕榈、油菜籽、红花、低芥酸菜子、花生、棉籽、棕榈核、橄榄、蓖麻、葵花籽、玉米、榛子、米糠、芝麻和亚麻籽油的植物油。石油蜡包括含油蜡、微晶体蜡凡士林油和石蜡。石蜡包括通式为CnH2n+2的烷烃，其中n在20-40的范围内。
正如上文中提到的，碘值是油的不饱和程度的常用度量。在实施方案中，基础油具有从约70至高于约170的IV。在实施方案中，油进料在室温下是液体。在某些实施方案中，油进料是室温下为固体的油和室温下为液体的油的混合物。在实施方案中，蜡进料在室温下是固体。在某些情况下，本发明的基础油具有高于120的碘值。在某些情况下，基础油的IV高于130。在某些其他情况下，基础油的IV高于135。在其他情况下，基础油的IV高于140。在实施方案中，基础油是碘值在约130至135范围内的粗大豆油。在实施方案中，基础油主要包含碘值高于约70的甘油三酯油。在某些实施方案中，该碘值高于约130。在其他实施方案中，碘值高于约170。基础油可以是改性的，例如通过漂白或除臭。基础油可以包含痕量游离脂肪酸。基础油的来源和用于制造基础油的方法对于本技术领域的专业人员来说是已知的。
在实施方案中，基础油源自于天然存在的液体油，例如葵花籽油、低芥酸菜子、大豆油、橄榄油、玉米油、花生油、红花油、高油酸葵花籽油、红花油、经纯化的脂肪酸甲酯的甘油酯、聚甘油酯及其组合。适合的液体油馏分还可以从例如棕榈油、猪油和动物脂获得，例如通过分馏或通过直接酯交换然后分离油。
基础油可能具有氧化倾向。在这样的情况下，可以向管线21中的基础油添加抗氧化剂。一些油含有天然抗氧化剂，其他油天然对氧化稳定。对于天然稳定的油来说，可能不需添加抗氧化剂。添加的抗氧化剂的量取决于几种因素，包括油的最终用途、油将被暴露的温度、压力和氧气量以及暴露的时间长度。在实施方案中，基础油包含的抗氧化剂在以重量计约0.1％至约0.5％的范围内。
适合使用的有各种不同的抗氧化剂，包括但不限于生育酚、丁基化羟基甲苯(BHT)、丁基化羟基苯甲醚(BHA)、叔丁基对苯二酚(TBHQ)、乙二胺四乙酸(EDTA)、没食子酸酯(即没食子酸丙酯、没食子酸丁酯、没食子酸辛酯、没食子酸十二烷基酯)、生育酚、柠檬酸、柠檬酸酯(即柠檬酸异丙酯等)、愈创树脂、去甲二氢愈创木酸(NDGA)、硫代二丙酸、抗坏血酸、抗坏血酸酯(即抗坏血酸棕榈酸酯、油酸抗坏血酸酯、硬脂酸抗坏血酸酯等)、酒石酸、卵磷脂、甲基硅氧烷、聚合的抗氧化剂(Anoxomer)、植物(或香料和草药)提取物(即迷迭香、鼠尾草、牛至、百里香、墨角兰等)机器混合物。在实施方案中，抗氧化剂是抗坏血酸棕榈酸酯。在实施方案中，抗氧化剂是抗坏血酸棕榈酸酯与生育酚的组合。其他类型的抗氧化剂包括聚合物稳定剂，例如受阻酚类化合物。受阻酚类化合物的实例是Ciba
Figure BPA00001421869200201
IRGANOX1010。供氢抗氧化剂(例如受阻酚类和芳香族仲胺)通过与有机物质竞争过氧自由基，由此终止链反应并稳定任何其他氧化反应，来抑制氧化和增加稳定性。在某些情况下，抗氧化剂例如抗坏血酸棕榈酸酯、生育酚和受阻酚类化合物可以组合使用。
取决于用户的需要，加热和加氢反应可以以分批、连续或半连续方式执行。在实施方案中，半连续和连续操作允许通过向系统100连续导入起始材料(例如基础油和/或催化剂)进行持续加工。
向加氢进料油添加石油蜡可以有益地改变加氢的植物油产物的性质。增强的加氢产物(在后文中称为EHP)可用作石油蜡和石油蜡混合物的部分或完全代用品。在实施方案中，向加氢进料油添加石油蜡引起成品植物油蜡的塑化，使其适合作为石油蜡例如凡士林油和微晶体蜡以及常规石蜡的代用品。
包含石油蜡的进料油的加氢反应可以通过本技术领域的专业人员已知的任何手段来执行。在实施方案中，加氢通过将油-蜡混合物与气态氢在高温和高压下进行反应来进行。在实施方案中，利用高剪切来增强包含石油蜡的油的加氢。在实施方案中，使用外部高剪切混合器来加速加氢反应。在这样的实施方案中，将氢、加氢进料和任选的催化剂在高剪切混合器中混合并导入到反应器10中，在反应器中随着时间控制反应条件，直到达到所需IV值。
现在将参考图1b讨论包含石油蜡的进料油的利用高剪切的加氢。通过调整进料料流21和23的流速，管线13中的加氢进料(油-蜡混合物)可以包含1重量％至99重量％的不饱和基础油和99重量％至1重量％的石油蜡。在用于加氢反应的操作中，将可分散的含氢气体料流导入管线22，并在管线13中与加氢进料合并。含氢气体可以是基本上纯的氢气或包含氢气的气体料流。
在实施方案中，含氢气体被直接进料到HSD 40中，而不是与管线13中的液体加氢进料合并。可以操作泵5泵送加氢进料，建立起压力并向HSD 40进料，以提供遍布高剪切装置(HSD)40的受控物流。在某些实施方案中，泵5将HSD入口料流的压力增加到超过202.65kPa(2atm)、优选超过约303.975kPa(3大气压)。通过这种方式，可以将高剪切与压力相组合，以增加反应物的充分混合和加氢。
在实施方案中，首先将反应物和如果存在的话、催化剂(例如水性溶液和催化剂)在反应器10中混合。反应物经例如入口管线(在图1b中未显示)进入反应器10。可以设想任何数量的反应器10入口管线。在实施方案中，反应器10装有催化剂，并且如果需要的话，将催化剂按照催化剂供应商推荐的步骤进行活化。
在泵送后，管线13中的氢气和加氢进料在HSD 40中混合，所述HSD 40用于产生含氢气体在加氢进料中的细小分散体。在HSD 40中，含氢气体和加氢进料被高度分散，导致形成了氢气的纳米气泡、亚微米尺度气泡和/或微气泡，出色溶解在溶液中并增加反应物混合。例如，IKA
Figure BPA00001421869200211
的DR 2000/4型分散器，是串联排列的配置有三个转子和定子组合的高剪切三级分散装置，可用于产生可分散含氢气体在包含加氢进料的液体相中的分散体(即“反应物”)。转子/定子组可以例如如图2a中所示进行配置。合并的反应物经线13进入高剪切装置并进入第一级转子/定子组合。第一级的转子和定子可以分别具有周边分隔的第一级转子齿和定子齿。从第一级流出的粗分散体进入第二级转子/定子。第二级的转子和定子也可以分别包含周边分隔的转子齿和定子齿。从第二级出现的气泡尺寸减小的分散体进入第三级转子/定子组合，其可以包含分别具有转子齿和定子齿的转子和定子。分散体经管线18流出高剪切装置。在某些实施方案中，剪切速率沿着流动方向260纵向逐级增加。
例如，在某些实施方案中，第一级转子/定子的剪切速率高于随后级中的剪切速率。在其他实施方案中，剪切速率沿着流动方向基本上恒定，每一级中的剪切速率基本上相同。
如果高剪切装置40包含PTFE密封件，密封件可以使用本技术领域已知的任何适合技术来冷却。例如，流入管线13或管线21的反应物料流可用于冷却密封件，并由此在进入高剪切装置40之前进行了所需的预加热。
HSD 40的转子可以被设定成以与转子的直径和所需尖端速度相称的速度旋转。正如上面描述的，高剪切装置(例如胶体磨或带有锯齿边缘的分散器)在定子和转子之间具有固定间隙，或者具有可调整的间隙。HSD 40用于将含氢气体与加氢料流充分混合。在方法的某些实施方案中，通过操作高剪切装置降低了反应物的运输阻力，使得反应速度增加了超过约5％。在方法的某些实施方案中，通过操作高剪切装置降低了反应物的运输阻力，使得反应速度增加了超过约5倍。在某些实施方案中，反应速度增加了至少10倍。在某些实施方案中，速度增加倍数在约10倍至约100倍的范围内。
在某些实施方案中，HSD 40以至少4500ft/min、并且可以超过7900ft/min(40m/s)的尖端速度投送至少300L/h。功率消耗可以是约1.5kW。尽管测量HSD 40中旋转的剪切部件或旋转元件的尖端的即时温度和压力是困难的，但据估计在空化条件下，在充分混合的反应物中观察到的局部温度超过500℃，压力超过500kg/cm2。高剪切混合导致了含氢气体分散在微米或亚微米尺度的气泡中。在某些实施方案中，得到的分散体具有小于约1.5μm的平均气泡尺寸。因此，经管线18从HSD 40出来的分散体包含微米和/或亚微米尺度的气泡。在某些实施方案中，平均气泡尺寸在约0.4μm至约1.5μm的范围内。在某些实施方案中，得到的分散体具有小于约1μm的平均氢气泡尺寸。在某些实施方案中，平均气泡尺寸小于约400nm，并且在某些情况下可以是约100nm。在许多实施方案中，微泡分散体能够在大气压下保持分散至少15分钟。
一旦分散后，获得的气体/液体或气体/液体/固体分散体(在固体催化剂在HSD 40中混合的情况下)经管线18流出HSD 40并进料到反应器10，如图b1中所示。作为反应物在进入反应器10之前充分混合的结果，显著部分的化学反应可能在存在或不存在催化剂的情况下在HSD 40中发生。因此，在某些实施方案中，反应器/反应器10可能主要用于加热以及从增强的加氢产物中分离未反应的氢气并将该氢气重新循环回到HSD的入口。可选地或此外，反应器10可以用作主要反应容器，大部分加氢反应在其中发生。例如，在实施方案中，反应器10是包含加氢催化剂固定床的固定床反应器。
加氢反应器10可以以连续或半连续流动方式操作，或者它可以以分批方式操作。可以使用加热和/或冷却设备(例如冷却盘管)和温度测量仪器将反应器10的内含物维持在指定反应温度下。可以使用适合的压力测量仪器监测容器内的压力，并可以使用液位调节器(未显示)，使用本技术领域的专业人员已知的技术控制容器中的反应物液位。内含物可以连续或半连续搅拌。
氢供体溶剂。在某些实施方案中，利用氢供体溶剂来加强增强的蜡替代物生产中的加氢反应。氢供体溶剂是由具有可转移的氢的氢化萘、例如四氢化萘和菲构成的溶剂。在大多数情况下，氢供体溶剂含有芳香基团；结果，在氢供体溶剂的增强下产生的增强的蜡替代物适合于食品之外的蜡应用。在某些实施方案中，将氢供体溶剂与蜡混合，然后导入到高剪切装置中。在某些实施方案中，将氢供体溶剂与油混合，然后导入到高剪切装置中。在某些实施方案中，将氢供体溶剂与蜡和油两者混合，然后导入到高剪切装置中。在某些其他实施方案中，将氢供体溶剂作为独立料流导入到高剪切装置中。
催化剂。如果使用催化剂来促进加氢反应，催化剂可以作为浆料或催化剂料流导入到反应器10中。可选地或此外，催化剂可以添加到别处。例如，在实施方案中，催化剂浆料可以直接注入到管线21中。在实施方案中，反应器10包含本技术领域的专业人员已知的适合用于加氢的任何催化剂。在实施方案中，使用镍加氢催化剂。
理想情况下，加氢进料反应物的主体或整体操作温度维持在低于其闪点。在某些实施方案中，高剪切加氢的操作条件包括从室温至约260℃范围内的温度。在实施方案中，温度在约100℃至230℃的范围内。在实施方案中，温度在约160℃至180℃的范围内。在某些实施方案中，反应器10中的反应温度为室温至约200℃。在某些其他实施方案中，反应器10中的反应温度为100℃至180℃。在具体实施方案中，反应器10中的反应温度具体来说在约155℃至约160℃的范围内。在某些实施方案中，反应器10中的反应压力在约202.65kPa(2atm)至约5.6MPa-6.1MPa(55-60atm)的范围内。在某些实施方案中，反应压力在约810.6kPa至约1.5MPa(8atm至约15atm)的范围内。在实施方案中，反应器10在大气压或近大气压下操作。
任选地，如果需要，管线18中的分散体可以在进入反应器10之前进行进一步加工。在反应器10中，通过与氢气反应来进行/继续进行加氢。可以对容器的内含物进行连续或半连续搅拌，可以控制(例如使用热交换器)反应物的温度，并且可以使用标准技术调控容器10内部的流体液位。根据具体应用的需要，加氢产物可以以连续、半连续或逐批方式产生。过量的未反应氢气可以经气体管线17流出反应器10。在实施方案中，对反应物和条件进行选择，以使管线17中的气体料流包含以重量计低于约6％的未反应氢气。在某些实施方案中，管线17中的反应气体料流包含以重量计约1％至约4％的氢气。可以对经管线17移除的反应气体进行进一步处理，并且如果需要，可以将未反应的氢气重新循环到例如HSD 40。
增强的加氢产物(在后文中称为EHP)通过管线16流出反应器10。EHP可以适合作为石油基蜡例如石蜡和微晶体蜡的代用品，用于各种应用中，包括粘合剂、蜡烛、纸涂层、柴火、刨花板、复合板材、沥青改性、水果涂层、石膏板、电缆填充、化妆品中作为凡士林油的代用品、在PVC中作为塑料润滑剂以及常规使用石油蜡的其他应用中。EHP的属性可以包括柔性、粘性和/或硬度改性。可以代替以重量计1％至100％的凡士林油或微晶体蜡。与常规的加氢蜡随着加氢水平的增加(随着碘值降低)倾向于变硬和变脆相反，本公开的实施方案的EHP可以克服这些缺陷。
可以调整石油蜡的量以在所需范围内改变得到的EHP的熔点。在实施方案中，EHP的熔点为约40℃至50℃(110℉至120℉)；在实施方案中，EHP的熔点为约70℃至约75℃(160℉至约165℉)。在实施方案中，EHP适合用作例如烛蜡，这是由于加氢进料中存在石油蜡而降低了脆性。
在实施方案中，将1重量％至99重量％的EHP与99重量％至1重量％的传统石油蜡相混合。向传统石油蜡添加EHP，可以用作胶粘剂/粘合剂以代替传统的胶粘剂和粘合剂例如乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)。使用EHP代替传统化学粘合剂是理想的，因为EHP是生物可降解的。此外，EHP可以是食品级的，并且蜡适合于食用目的，例如用于涂层产品盒。
在其他实施方案中，可以添加单、二、三、四或五酯，以修改或增进最终组合物的所需物理性质。
在某些实施方案中，可能需要将反应器10的内含物在第二次传送过程中通过HSD 40。在这种情况下，管线16可以如管线20所指示的与管线21相连，使得管线16的至少一部分内含物从反应器10重新循环，并由泵5泵入管线13并因此进入HSD 40。附加的含氢气体可以经管线22注入管线13，或者它可以直接添加到高剪切装置中(未显示)。在其他实施方案中，在将产物料流中的一部分未饱和液体重新循环到高剪切装置40之前，可以对管线16中的产物料流进行进一步处理(例如从其中分离饱和的产物)。
在某些实施方案中，两个或更多个类似HSD 40或构造不同的高剪切装置串联排列，用于进一步增强加氢反应。多个装置的操作可以采取分批或连续的方式。在某些需要单次传送或“一次通过”方法的情况下，使用串联的多个高剪切装置也可能是有利的。在多个高剪切装置串联操作的某些实施方案中，可以省略反应器10。例如，在实施方案中，管线18中的出口分散体可以进料到第二个高剪切装置。当多个高剪切装置40串联操作时，附加的氢气可以注入到每个装置的入口进料流中。在某些实施方案中，多个高剪切装置40并联操作，来自它们的出口分散体被导入一个或多个反应器10中。
特点。在HSD 40中增强氢气与加氢进料的混合，这种应用潜在地允许对加氢进料进行更快和/或更完全的加氢。在某些实施方案中，增强的混合使增加处理料流的通量成为可能。在某些实施方案中，将高剪切混合装置整合到已建立的工艺方法中，从而能够增加生产(即更高的通量)。与某些试图通过简单地增加反应器温度来增加加氢程度的方法相反，由外部高剪切混合所提供的优越的分散和接触，在许多情况下可以允许降低总体操作压力，同时维持或甚至增加反应速度。不希望受到具体理论的限制，据信高剪切混合的水平或程度足以增加质量传递速率，并产生局部非理想条件，能够使原本根据吉布斯自由能预测预计将不会发生的反应得以发生。局部非理想条件据信在高剪切装置内部发生，导致增加的温度和压力，其中最显著的增加据信是局部压力的增加。高剪切装置中压力和温度的增加是即时的和局部的，一旦流出高剪切装置后，快速返回到主体或平均系统条件。在某些情况下，高剪切混合装置诱导足够强度的空化作用，将一种或多种反应物解离成自由基，其可以加剧化学反应，或允许反应在与通常需要的条件相比严苛性更低的条件下发生。空化作用也可以通过产生局部湍流和液体微循环(声学流动)来增加运输过程的速率。在化学/物理处理应用中使用空化现象的概述，由Gogate等提供在“空化作用：新兴的技术”中(Cavitation：A technology on the horizon)，Current Science91(No.1)：35-46(2006))。本发明的系统和方法的某些实施方案的高剪切混合装置诱导空化作用，由此将氢气和甘油三酯解离成自由基，它们然后进行反应，产生增强的加氢产物。
在高剪切装置40内产生的管线18中的分散体酮的微米尺度和/或亚微米尺度氢气泡的增加的表面积，导致氢气与经管线13导入到加氢进料中的不饱和油的更快和/或更完全的反应。正如上文中提到的，其他的益处是在较低温度和压力下操作反应器10的能力，从而导致操作和基建成本两者的节省。在加氢反应中使用高剪切的益处包括但不限于更快的循环时间、增加的通量、由于能够设计更小的加氢反应器和/或在较低温度和/或压力下操作加氢反应器而导致的降低的操作成本和/或降低的基建费用。
外部高剪切机械装置的使用提供了氢和加氢进料在反应器/高剪切装置中的受控环境下的快速接触和混合。高剪切装置降低了加氢反应的质量传递限制并从而增加了总体反应速率，降低了未反应氢气的量，增加了加强的加氢产物中的饱和程度，和/或允许在预计可能不会发生实质性反应的总体操作条件下发生实质性加氢反应。
上面的描述可能在用于所公开的方法的实例性实施方案中使用了植物油。然而，本技术领域的专业人员将会容易地认识到，所公开的方法适用于大量各种不同的脂肪和油类，包括牛乳脂、可可脂、可可脂代用品、雾冰草脂、烛果脂、乳脂、雾冰藜脂、phulwara脂、娑罗脂、牛油树脂、婆罗洲油脂、猪油、羊毛脂、牛脂、羊脂、其他动物脂、芥花油、蓖麻油、椰子油、芫荽油、玉米油、棉籽油、榛果油、大麻籽油、亚麻籽油、芒果核油、绣线菊油、牛蹄油、橄榄油、棕榈油、棕仁油、精炼油棕油、棕榈油硬脂、精炼油棕仁油、棕仁油硬脂、花生油、菜籽油、米糠油、红花油、茶梅油、大豆油、芝麻油、葵花籽油、妥尔油、椿花油、植物油、海油及其组合。
尽管已经显示和描述了本发明的优选实施方案，但本技术领域的专业人员可以对其进行修改而不背离本发明的精神和教导。本文描述的实施方案仅仅是示例性的，不是打算进行限制。本文公开的发明的许多变化和修改是可能，并处于本发明的范围之内。当数值范围或限度被明确陈述时，这些表述的范围或限度应该被理解为包含了处于明确陈述的范围或限度内的同样量值的重叠的范围或限度(例如从约1至约10包含了2、3、4等；大于0.10包含了0.11、0.12、0.13等)。对于任何权利要求的要素来说，使用术语“可选地”，目的是指目标要素是需要的，或者是不需要的。两种选择方案都打算包含在权利要求的范围之内。较广义的术语例如包含(comprises)、包括(includes)、具有(having)等的使用，应该被理解为为较狭义的术语例如由…组成(consisting of)、基本上由…组成(consisting essentially of)、基本上由…构成(comprised substantially of)等提供了支持。
因此，保护的范围不受上面提出的描述的限制，而是仅仅受限于下面的权利要求书，其范围包括权利要求书的主题内容的所有等同方式。每个和所有的权利要求被整合在说明书中作为本发明的实施方案。因此，权利要求书是进一步的描述，是本发明的优选实施方案的补充。所有本文引用的专利、专利申请和出版物的公开内容，在它们为本文提出的内容提供示例性的、程序性的或其它详细情况的补充的程度上，在此引为参考。

Claims (20)

1.生产增强的蜡替代物的方法，所述方法包括：
a.提供石油蜡和基础油；
b.将所述石油蜡和基础油与含氢气体在高剪切装置中混合以形成进料；以及
c.对所述进料进行足够时间的加氢，以产生增强的加氢产物。
2.权利要求1的方法，其中对所述进料进行加氢实现了至少一种下列效果：进料的脱硫、加氢裂化、不饱和成分的还原以及进料的芳香族成分的还原。
3.权利要求1的方法，其中所述石油蜡包括由式CnH2n+2所示的烷烃，其中n＝20-40。
4.权利要求1的方法，其中所述基础油选自牛乳脂、可可脂、可可脂代用品、雾冰草脂、烛果脂、乳脂、雾冰藜脂、phulwara脂、娑罗脂、牛油树脂、婆罗洲油脂、猪油、羊毛脂、牛脂、羊脂、其他动物脂、芥花油、蓖麻油、椰子油、芫荽油、玉米油、棉籽油、榛果油、大麻籽油、亚麻籽油、芒果核油、绣线菊油、牛蹄油、橄榄油、棕榈油、棕仁油、精炼油棕油、棕榈油硬脂、精炼油棕仁油、棕仁油硬脂、花生油、菜籽油、米糠油、红花油、茶梅油、大豆油、芝麻油、葵花籽油、妥尔油、椿花油、植物油、海油及其组合。
5.权利要求1的方法，其中基础油还包含至少一种抗氧化剂。
6.权利要求5的方法，其中至少一种抗氧化剂包括抗坏血酸棕榈酸酯、生育酚、受阻酚类化合物或其组合。
7.权利要求1的方法，其中所述进料具有高于70的碘值。
8.权利要求1的方法，其还包括将一部分产生的加氢产物重新循环通过高剪切混合。
9.权利要求1的方法，其中对所述进料进行加氢包括使用镍催化剂。
10.权利要求9的方法，其中将所述催化剂与所述石油蜡、基础油和含氢气体在高剪切装置中混合。
11.权利要求1的方法，其还包括将氢供体溶剂导入所述高剪切装置以形成进料。
12.权利要求11的方法，其中将氢供体溶剂导入所述高剪切装置包括将所述氢供体溶剂与石油蜡或与基础油或与两者混合。
13.权利要求11的方法，其中所述氢供体溶剂包括四氢化萘和菲。
14.按照权利要求1的方法生产的增强的加氢产物。
15.混合蜡，其包含按照权利要求1的方法生产的增强的加氢产物和石油蜡。
16.混合蜡，其包含按照权利要求1的方法生产的增强的加氢产物和酯类。
17.用于生产增强的蜡替代物的系统，所述系统包含：
具有至少一个入口和一个出口的反应器，和
具有至少一个入口和一个出口的至少一个高剪切混合装置，
其中所述高剪切混合装置的至少一个出口与所述反应器的至少一个入口流体连通。
18.权利要求17的系统，其中所述反应器包含至少一个用于气态产物的出口和至少一个用于液态或蜡状产物的出口。
19.权利要求17的系统，其中所述高剪切混合装置包含至少一个转子和至少一个定子，它们相隔一定剪切间隙，其中剪切间隙是该至少一个转子与该至少一个定子之间的最小距离，其中高剪切混合装置的至少一个转子能够产生高于22.9m/s(4,500ft/min)的尖端速度。
20.权利要求17的系统，其中高剪切混合装置包含至少一个催化表面。
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