DE102007026654A1 - Preparing fatty acid alkyl esters and glycerin comprises preparing a catalyst containing a basic component and alcohol, making an activated catalyst, mixing triglycerides with the activated catalyst and contacting the reactants - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Fettsäure-Alkylestern, und Glyzerin unter Verwendung des Transesterifikationsprozesses.The The invention relates to a process for the preparation of fatty acid alkyl esters, and glycerin using the transesterification process.
Die Anwendung von Alkylestern verzeichnet auf dem Markt der Biobrennstoffe ein ständiges Wachstum. Es wird erwartet, dass bis 2010 nur in Europa der Anteil der Biokraftstoffe im Verkehr um mehr als 6% anwachst. Der erhöhte Verbrauch und die Nachfrage machen die Optimierung der derzeitigen Herstellungskapazitäten für Alkylester notwendig. Die Erfindung betrifft die Verfahren zur Herstellung von Fettsäure-Alkylestern, die als Komponenten von Dieselkraftstoffen oder als Biodieselkraftstoffe verwendet werden können. Es werden neue Erkenntnisse und Erfahrungen aus dem Bereich der Kolloidchemie angewendet mit einer neuen Blickrichtung auf den Mechanismus der Transesterifikation und der Esterifikation. Dieser Mechanismus wurde in dem Sinne erweitert, dass er nun eine neue, realisierbare Methode zur Herstellung von Alkylestern in einem breiten industriellen Anwendungsbereich bei Verfahren auf der Basis homogener und heterogener Katalysatoren bietet.The Application of alkyl esters recorded in the biofuels market a constant growth. It is expected that by 2010 only in Europe the share of biofuels in transport by more than 6% grows. The increased consumption and demand make the optimization of the current production capacities necessary for alkyl esters. The invention relates to the method for the preparation of fatty acid alkyl esters, as components diesel fuels or as biodiesel fuels can. It will be new knowledge and experience applied to the field of colloid chemistry with a new line of sight on the mechanism of transesterification and esterification. This mechanism has been expanded in the sense that it is now a new, feasible method for the production of alkyl esters in a broad industrial application in homogeneous-based processes and heterogeneous catalysts.
Reaktionen für die direkte Umwandlung (Transformation) von pflanzlichen Ölen oder tierischen Fetten in Fettsäure-Alkylestern und Glyzerol sind bereits seit mehreren Jahren bekannt. Gegenwärtig wachst vor allem das Interesse an der Herstellung von Methylestern oder Äthylestern aus pflanzlichen Ölen wie Raps-, Soja-, Sonnenblumen-, Olivenöl und weiteren pflanzlichen Ölen, ebenso aus tierischen Fetten, aus Sammelkommoditäten von verwendeten Frittierölen und -fetten, deren Qualität nicht mehr für Lebensmittelzwecke geeignet ist.reactions for the direct conversion (transformation) of vegetable oils or animal fats in fatty acid alkyl esters and glycerol have been known for several years. Currently Above all, interest in the production of methyl esters is growing or ethyl esters of vegetable oils such as rapeseed, Soy, sunflower, olive and other vegetable oils, also from animal fats, from commodities of used frying oils and fats whose quality no longer suitable for food.
Die
heute kommerziell hergestellten Fettsäure-Alkylester, welche
für die gegenwärtigen Dieselverbrennungsmotoren
verwendet werden, müssen strenge Qualitätsparameter
erfüllen. So wird z. B. in der Europäischen Standardmethode
Allgemein kann der Prozess der Transesterifikation durch die folgende stöchiometrische Reaktion von Pflanzenöl dargestellt werden: In general, the process of transesterification can be represented by the following stoichiometric reaction of vegetable oil:
Der
Prozess der Transesterifikation von Triglyzeriden in Methylester
von Fettsäuren ist in
Um einen hohen Konversionsgrad zu erreichen ist bei den Reaktionen der Transesterifikation ein hoher Überschuss an Methanol notwendig. Als konventionelle Katalysatoren werden sowohl homogene als auch oder heterogene Katalysatoren eingesetzt.Around To achieve a high degree of conversion is in the reactions the transesterification a high excess of methanol necessary. As conventional catalysts are both homogeneous as well as or heterogeneous catalysts used.
Die
basische Katalysatoren werden aus der Gruppe der Hydroxide (NaOH,
KOH), Alkoxide (Natriummethanolate, Kaliummethanolate) ausgewählt,
die z. B. in
Die Transesterifikation kann allerdings auch unter Verwendung von saueren Katalysatoren wie Salzsäure, Schwefelsäure oder Sulfonsäure stattfinden, ebenfalls unter Verwendung metallischer Basen, wie z. B. Titanalkoholaten oder Zinn-, Magnesium- oder Zinkoxiden. Diese genannten Katalysatoren werden in der homogenen Phase eingesetzt, gehen in die Reaktionsprodukte über und müssen deshalb nach dem Ablauf der Methanolyse mit Hilfe eines reinigenden Neutralisierungsschrittes wieder aus dem Reaktionsprodukt entfernt werden.The However, transesterification can also be done using acid Catalysts such as hydrochloric acid, sulfuric acid or Sulfonic acid take place, also using metallic Bases, such as As titanium alkoxides or tin, magnesium or zinc oxides. These mentioned catalysts are used in the homogeneous phase, go into the reaction products and must Therefore, after the expiration of methanolysis with the help of a purifying Neutralization step can be removed again from the reaction product.
Als homogener Katalysator wird oft Natriummethanolat und auch Kaliummethanolat verwendet. Ebenso wie aus dem Produkt (Alkylester) muss auch aus der Glyzerinphase (dem Glyzerinprodukt) nach Ablauf der Reaktion das Natrium- oder Kaliummethanolat als entstandene Natrium- oder Kaliumseifen der Fettsäuren beseitigt werden. Dies erfolgt durch Säuerung mit einer anorganischen Säure (Salzsäure oder Phosphorsäure). In diesem Fall werden die Fettsäuren und das Glyzerin, welches noch Salze wie Natriumchlorid, Natriumdiphosphat, Kaliumchlorid oder Kaliumdiphosphat enthält, voneinander getrennt. In Abhängigkeit vom Prozess kann Finalglyzerin in einer Konzentration von 70–95% gewonnen werden.Sodium methoxide and also potassium methoxide are often used as the homogeneous catalyst. As well as from the product (alkyl ester) must also from the glycerol phase (the glycerol product) after the reaction, the sodium or potassium methoxide as resulting sodium or potassium soaps of fatty acids be be sideways. This is done by acidification with an inorganic acid (hydrochloric acid or phosphoric acid). In this case, the fatty acids and the glycerin, which still contains salts such as sodium chloride, sodium diphosphate, potassium chloride or potassium diphosphate, separated from each other. Depending on the process, final glycerine can be obtained in a concentration of 70-95%.
Die Bildung von Seifen der Fettsäuren verringert nicht nur die Alkylesterausbeute um mehr als 1% der Alkylesterproduktion, sondern erschwert auch den Prozess der Trennung des Produktes von der Glyzerinphase. Der Abscheider, der nach dem Reaktor der Transesterifikation installiert ist, wird zu einer Schwachstelle, die längere Absetzzeiten oder den Einsatz eines teureren Abscheiders, z. B. einer Zentrifuge erforderlich macht, was die Gesamtkosten erhöht.The Forming soaps of fatty acids not only reduces the alkyl ester yield by more than 1% of the alkyl ester production, but also complicates the process of separation of the product from the glycerol phase. The separator, after the reactor of transesterification installed becomes a vulnerability, the longer one Settling or the use of a more expensive separator, z. B. a centrifuge, which increases the overall cost.
Bei verschiedenen Methoden der Transesterifikation ist deshalb die Qualität des Eingangsrohstoffes Triglyzerid, pflanzliches Öl, tierisches Fett nach seinem Gehalt an freien Fettsäuren mit einer Säurezahl von weniger als 1 mg KOH/g und einen Wassergehalt von weniger als 0,3% limitiert.at different methods of transesterification is therefore the quality of the input raw material triglyceride, vegetable oil, animal Fat according to its content of free fatty acids with a Acid value of less than 1 mg KOH / g and a water content limited by less than 0.3%.
Bestehende PatenteExisting patents
Das Bemühen um die Beschleunigung der Reaktionsgeschwindigkeit von Transersterifikationsreaktionen spiegelte sich in mehreren patentierten Lösungen wider.The Endeavor to accelerate the reaction speed Transesterification reactions were reflected in several patented reactions Solutions.
Patent
Das
Patent
Patent
Neue
Einblicke in die Reaktionen der Transesterifikation in einer verdünnten
Umgebung der Reaktanten gaben den Anstoß zu weiteren patentierten
Lösungen. Zum Beispiel das Patent
Patent
Im
Zusammenhang mit dem System der Transesterifikation im verdünnten
Umfeld der Reaktanten stehen auch weitere patentierte Lösungen
wie
Patent
Eine
weitere Patentlösung Pat
Die geschützte Methode im Patent ist dadurch charakterisiert, dass an der Stelle des Alkoholzusatzes die Komponenten des Reaktanten eine solche Geschwindigkeit haben, dass eine turbulente Strömung entsteht, die durch den Grenzwert der Reynolds-Zahl charakterisiert ist, mindestens rund 2100 bis 4000.The protected method in the patent is characterized that in the place of addition of alcohol components of a reactant have such a speed that a turbulent flow arises, characterized by the limit of the Reynolds number is at least around 2100 to 4000.
Diese Patentlösung nutzt nur die bereits bekannte Erkenntnis darüber, dass Transersterifikationsreaktionen beschleunigt werden können, wenn die Komponenten der Reaktanten in einem größeren gegenseitigen Kontakt stehen, wenn die Bedingungen für eine größere Turbulenz geschaffen werden (verschiedene Mischgeschwindigkeiten, größere Scherkräfte durch verschiedene Mixer und andere Einrichtungen).These Patent solution uses only the already known knowledge about accelerating transesterification reactions can be when the components of the reactants in one greater mutual contact if the Conditions for greater turbulence be created (different mixing speeds, larger Shearing forces by different mixers and other facilities).
Patent
Eine
andere Patentlösung Pat
Patent
Eine
weitere Patentlösung
Der Prozess kann auf eine oder mehrere Arten intensiviert werden:
- 1) durch die Anwendung von elektromagnetischer Mikrowellen-MW(Microwave) oder RF Radiofrequenzenergie
- 2) der Prozess wird so geleitet, dass die Reaktanten im Kontakt mit dem heterogenen Katalysator eine ausreichend hohe Bewegungsgeschwindigkeit erreichen
- 3) durch das Emulgieren der Komponenten des Reaktanten mit dem homogenen Katalysator
- 4) durch die Erhaltung der Reaktion bei dem partiellen Druck oder über dem partiellen Druck der verdampften Komponenten der Reaktanten
- 1) by the use of electromagnetic microwave MW (Microwave) or RF radio frequency energy
- 2) the process is conducted so that the reactants in contact with the heterogeneous catalyst reach a sufficiently high rate of movement
- 3) by emulsifying the components of the reactant with the homogeneous catalyst
- 4) by maintaining the reaction at the partial pressure or above the partial pressure of the vaporized components of the reactants
Durch die Anwendung eines oder mehrerer der angeführten Schritte kann die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht werden. Ebenso kann eine höhere Konversion (eine höhere Alkylesterausbeute) oder beides erreicht werden.By the application of one or more of the listed steps the reaction rate can be increased. As well may have higher conversion (higher alkyl ester yield) or both can be achieved.
Patent
Zu
den Patenten, die eine Methode zur Erhöhung der Geschwindigkeit
bei der Transesterifikation suchen, gehört auch das Patent.
Der erhöhte Verbrauch von Biokraftstoffen, die ständig wachsende Nachfrage zwingen die Hersteller von Alkylestern zur Intensivierung der Produktionsanlagen. Das kann entweder so erreicht werden, dass neue Produktionsanlagen mit größerer Kapazität gebaut werden, oder es können alle in den Patenten angeführten Anregungen zur Verbesserung des Prozesses der Transesterifikation, vor allem zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit, genutzt werden, wodurch die Menge des hergestellten Alkylesters auch in den bestehenden Produktionsanlagen erhöht werden kann.The increased consumption of biofuels, the ever-increasing demand force the manufacturers of alkyl esters to intensify the production facilities. This can either be achieved by building new production facilities of greater capacity, or all the suggestions in the patents to improve the process of transesterification, especially to increase the reaction rate, can be used, whereby the amount of alkyl ester produced can also be reduced the existing one Production equipment can be increased.
Einen solchen bedeutenden Beitrag können auch die Methoden leisten, die Gegenstand dieser Erfindung sind.a such significant contribution can be made by the methods which are the subject of this invention.
Die Mängel der bisherigen Methoden der Herstellung von Fettsäure-Alkylestern werden durch die Lösung gemäß dieser Erfindung zum größten Teil beseitigt. Die wesentliche Änderung des neuen Verfahrens beruht darauf, dass der Prozess der Esterifikation und der Transesterifikation unter Verwendung einer neuen Komponente erfolgt, die in den Ansprüchen des Patentgegenstandes definiert und präzise abgegrenzt ist, und Co-Emulgator benannt wurde.The Deficiencies of previous methods of production of fatty acid alkyl esters be through the solution according to this Invention eliminated for the most part. The main change The new process is based on the fact that the process of esterification and transesterification using a new component as defined in the claims of the subject patent and precisely demarcated, and co-emulsifier was named.
Beim Studium, bei der Forschung, und bei der Beobachtung der Kinetik, der Transformationsreaktionen zur Gewinnung von Fettsäure-Alkylestern haben wir festgestellt, dass es eine weitere Art gibt, auf die auf sehr vorteilhafte Weise die Reaktionsgeschwindigkeit dieser Systeme unter relativ vorteilhaften und einfachen Bedingungen erhöht werden kann.At the Studying, researching, and observing kinetics, the transformation reactions to obtain fatty acid alkyl esters We have found that there is another way to look at it Advantageously, the reaction rate of these systems under increased relatively advantageous and simple conditions can be.
Wenn
wir die Arbeiten von Freedman verwenden (
Abb. 3 Allgemeine Darstellung der Transesterifikationsreaktion von pflanzlichem Öl bei der Methanolyse Fig. 3 General presentation of the transesterification reaction of vegetable oil in methanolysis
Dies ist die stöchiometrische Gleichung als Enddarstellung des Ergebnisses der Transesterifikation. Der Reaktionsablauf erfolgt aber schrittweise: 1. Stufe: Abb. 4 Darstellung der Zusammensetzung der Produkte der Transesterifikationsreaktion nach der ersten Reaktionsstufe This is the stoichiometric equation as the final representation of the result of transesterification. The course of the reaction, however, is gradual: 1st stage: Fig. 4 Representation of the composition of the products of the transesterification reaction after the first reaction stage
2. Stufe: Abb. 5 Darstellung der Zusammensetzung der Produkte der Transesterifikationsreaktion nach der zweiten Reaktionsstufe 2nd stage: Fig. 5 Representation of the composition of the products of the transesterification reaction after the second reaction stage
3. Stufe: Abb. 6 Darstellung der Zusammensetzung der Reaktionsendprodukte 3rd stage: Fig. 6 Representation of the composition of the reaction end products
Dies ist die stöchiometrische Endzusammensetzung der Produkte der Transesterifikation, wenn wir die Entstehung von Nebenprodukten (nicht reagierter Alkohol, entstandene Seife usw.) nicht berücksichtigen.This is the final stoichiometric composition of the products the transesterification, if we have the formation of by-products (unreacted alcohol, resulting soap, etc.) do not take into account.
Für unsere Überlegung ist die Feststellung wichtig, dass bei der Transesterifikation schrittweise Zwischenprodukte entstehen.For our consideration is important to note that at the transesterification stepwise intermediates arise.
In der ersten Stufe entsteht Diazylglyzerid, in der zweiten Stufe Monoazylglyzerid. Erst in der dritten Stufe wird die stöchiometrische Endzusammensetzung 1 mol Glyzerid und 3 mol Methylester, also die 100%-ige Konversion erreicht.In the first stage produces diazylglyceride, in the second stage monoazylglyceride. Only in the third stage does the stoichiometric final composition become 1 mol glyceride and 3 mol methyl ester, so the 100% conversion reached.
Um die stöchiometrische Endausbeute zu erreichen, müssen solche Bedingungen geschaffen werden, dass die Reaktion in der Richtung der Entstehung der Produkte auf der rechten Seite der stöchiometrischen Gleichung abläuft.Around to reach the stoichiometric final yield such conditions are created that the reaction in the direction the origin of the products on the right side of the stoichiometric equation expires.
Es ist bekannt, dass eine höhere Konversion, nahe der stöchiometrischen, durch geeignete Reaktionsbedingungen erreicht werden kann, wie:
- • Erhöhung des Alkoholüberschusses, das stöchiometrische Verhältnis Alkohol zu Triglyzerid 3:1 steigt in kommerziellen Herstellungsanlagen auf den Wert 6:1 und auch höher
- • Erhöhung der Temperatur der Komponenten der Reaktanten auf einen Wert nahe dem Siedepunkt des Alkohols oder über den Siedepunkt des Alkohols bei Temperaturen von 70°C bei einem Druck von ca. 0.5 105 Pa bis 7·105 Pa, manchmal auch mehr in Technologien mit einem heterogenen Katalysator, in der Regel in Durchflussanlagen, in Druckreaktoren
- • Erhöhung der Mischintensität der Komponenten, die miteinander reagieren sollen, durch verschiedene Konstruktionsvorschläge für Mischanlagen, wo bei größerer Turbulenz ein besserer Kontakt der Reaktionskomponenten erreicht wird Andererseits kann aber die übermäßige Steigerung der dynamischen Turbulenz Schwierigkeiten bei der Abscheidung des Alkylesters vom Glyzerin verursachen, wenn schwer trennbare Emulsionen entstehen, wodurch ein Zustand der verschlechterten Separierung hervorgerufen wird (bis zu einigen Stunden), eventuell kann sich dieser Zustand im Beisein der entstehenden Seifen verschlechtern, wobei außerdem verschiedene Arten von Zentrifugen eingesetzt werden müssen, was wiederum sowohl die Investitionsals auch die Betriebskosten (Herstellungskosten) erhöht.
- • Increasing the excess alcohol, the stoichiometric ratio of alcohol to triglyceride 3: 1 increases in commercial production plants to the value 6: 1 and higher
- • Increasing the temperature of the components of the reactants to a value near the boiling point of the alcohol or the boiling point of the alcohol at temperatures of 70 ° C at a pressure of about 0.5 10 5 Pa to 7 · 10 5 Pa, sometimes even more in technology with a heterogeneous catalyst, usually in flow systems, in pressure reactors
- • Increasing the mixing intensity of the components that are to react with each other, through different design proposals for mixing plants, where better contact of the reaction components is achieved with greater turbulence. On the other hand, the excessive increase in dynamic turbulence can cause difficulty in depositing the alkyl ester from the glycerin, if difficult separable emulsions are formed, causing a state of deteriorated separation (up to a few hours), possibly in the presence of the resulting soaps, and in addition, various types of centrifuges must be used, which in turn reduces both investment and operating costs ( Production costs) increased.
Mit den vorstehend beschriebenen Maßnahmen wird eine höhere Konversion erwartet, es kann damit aber nicht limitiert werden, in welcher Zeit, also in welcher Reaktionszeit Daraus geht die Frage hervor, auf welche Art eine Verkürzung der Reaktionszeit erreicht werden kann, was im Endeffekt Einfluss auf die Produktionskapazität der Anlage hat.With the measures described above, a higher conversion is expected, but it can not be limited, in what time, that is, in which reaction time From this, the question arises, on wel It is possible to achieve a shortening of the reaction time, which ultimately has an effect on the production capacity of the plant.
Wenn die Reaktionszeit kurz sein wird, wenn sich eine solche Lösung findet, dann kann die Produktionskapazität der derzeit bestehenden Herstellungsanlagen gesteigert werden. Wenn sich eine solche Lösung nicht findet, werden die Hersteller von Alkylestern durch die steigende Nachfrage nach Kraftstoffen gezwungen sein, neue Produktionsanlagen mit größeren Kapazitäten zu errichten.If the reaction time will be short if such a solution finds, then the production capacity of the current existing production plants are increased. If a Such solution does not find the manufacturers of alkyl esters be forced by the rising demand for fuels new production facilities with larger capacities to build.
Die Antwort kann lauten, dass wenn eine kürzere Reaktionszeit erzielt wird, gleichzeitig auch die Geschwindigkeit der Reaktion steigt.The Answer may be that if a shorter reaction time achieved at the same time as the speed of the reaction increases.
Das Bemühen um die Erhöhung der Geschwindigkeit der Transformationsreaktionen wurde in den zitierten Patenten im vorhergehenden Teil angeführt. Dies waren:
- • Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit auf das bis zu 15-fache bei Verwendung von Co-Lösungsmitteln (zyklische Äther) oder in einem Zusatz von Alkoholüberschuss im Molverhältnis 15:1 bis 30:1 Alkohol zum Triglyzerid und mit einem weiteren Zusatz einer geringeren Menge von zyklischem Äther
- • Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit durch Verwendung eines Zusatzstoffes, welcher mit einer bis zu 30%-igen Überschussmenge bezogen auf das Finalprodukt Alkylester zu Beginn der Transesterifikations- oder der Esterifikationsreaktion eingebracht wird
- • Erhöhung des gegenseitigen Kontaktes der Reaktanten durch die Schaffung nacheinander angeordneter Reaktionszonen, Erhöhung der Turbulenzen (Reynolds-Zahl mindestens 2100 bis 4000)
- • Erhöhung der Reaktionstemperatur nicht mehr als 215°C, Erhöhung der Turbulenzen Reynolds-Zahl nicht weniger als 4000, Erhöhung des Alkoholüberschusses 8 bis 42%
- • Erhöhung des Transformationsablaufes für die Herstellung von Alkylesterm. Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit und gleichzeitige Steigerung der Konversion (eine größere Alkylesterausbeute) durch das Einwirken von Mikrowellen oder elektromagnetischer Radiofrequenzenergie oder durch das Einwirken von Ultraschallenergie unter Verwendung eines homogenen Katalysators
- Increasing the reaction rate up to 15-fold when using cosolvents (cyclic ether) or in an addition of excess alcohol in the molar ratio 15: 1 to 30: 1 alcohol to the triglyceride and with a further addition of a smaller amount of cyclic ether
- Increasing the reaction rate by using an additive which is introduced at an up to 30% excess amount based on the final product alkyl ester at the beginning of the transesterification or the esterification reaction
- • Increasing the mutual contact of the reactants by creating successively arranged reaction zones, increasing the turbulence (Reynolds number at least 2100 to 4000)
- • Increase of the reaction temperature not higher than 215 ° C, increase of the turbulence Reynolds number not less than 4000, increase of the alcohol surplus 8 to 42%
- • Increasing the transformation process for the preparation of alkyl esters. Increasing the reaction rate and simultaneously increasing the conversion (a larger alkyl ester yield) by the action of microwaves or radio frequency electromagnetic energy or by the application of ultrasonic energy using a homogeneous catalyst
Die Vorteile und auch die Mängel dieser Patentlösungen wurden im vorhergehenden Teil des Patents kommentiert.The Advantages and also the shortcomings of these patent solutions were commented in the previous part of the patent.
Die hier genannten und diskutierten Maßnahmen sollen gemäß den allgemein bekannten Erkenntnissen aus diesem Fachbereich also zur Verbesserung der Bedingungen für den Prozess der Transesterifikation und der Esterifikation zur Herstellung von Fettsäure-Alkylestern führen.The Measures referred to and discussed herein are to be adopted in accordance with well-known findings from this field so the Improve conditions for the process of transesterification and the esterification for the production of fatty acid alkyl esters to lead.
Gehen
wir noch einmal zurück zur bereits erwähnten stöchiometrischen
Gleichung
Da Monoazylglyzeride und Diazylglyzceride in einem breiten Spektrum als Emulgatoren in der Lebensmittelindustrie, in der Kosmetik und in anderen Bereichen verwendet werden, stellen wir uns die Frage, in welcher Weise sie auch die Transesterifikationsreaktion beeinflussen können.There Monoazyl glycerides and diazyl glycerides in a broad spectrum as emulsifiers in the food industry, in cosmetics and used in other areas, we ask ourselves the question in which way they also influence the transesterification reaction can.
Die
Antwort suchen wir z. B. in der nachfolgenden Tabelle.
Die Fähigkeit eines Emulgators, Emulsionen eines bestimmten Typs zu bilden ist durch seine Löslichkeit in disperser Umgebung gegeben und kann aus seinem HLB-Wert (Hydrophile-Lipophile-Balance) bestimmt werden. Er ist eine dimensionslose Zahl und Tensiden (Emulgatoren) wird der Wert 0 bis 20 zugeordnet.The ability of an emulsifier to form emulsions of a particular type is given by its solubility in disperse environment and may be from its HLB value (hydrophilic-lipophilic balance) be be true. It is a dimensionless number and surfactants (emulsifiers) are assigned the value 0 to 20.
Den Monoazylglyzeriden und Diazylglyzeriden ist der Wert HLB 4–6 zugeordnet, wir bewerten sie also als Emulgatoren, welche die Entstehung von Emulsionen des Typs V/O (Wasser in Öl) präferieren.The Monoazyl glycerides and diazyl glycerides are HLB 4-6 assigned, so we evaluate them as emulsifiers, which the emergence of emulsions of the type V / O (water in oil) prefer.
Aus dieser Sicht kann vorausgesetzt werden, dass das Vorhandensein von Diazylglyzeriden und Monoazylglyzeriden im Reaktionsgemisch der Reaktanten und Produkte der Transesterifikationsreaktion die Entstehung eines Systems präferieren wird, bei welchem im Außenumfeld Reaktionskomponenten erhalten bleiben, die oleofilen Charakter haben, und in der inneren Phase Komponenten entstehen, die hydrofilen Charakter haben.Out From this point of view, it can be assumed that the presence of Diazylglyceriden and monoazylglycerides in the reaction mixture of Reactants and products of the transesterification reaction the emergence of a system in which in the external environment Reaction components are retained which have oleofilen character, and in the inner phase components arise that have a hydrofile character to have.
In der äußeren Phase werden sich also Triglyzeride, Monoazylglyzeride, Diazylglyzeride und in der inneren Phase werden sich Alkohol und Glyzerin befinden.In the outer phase will become triglycerides, Monoazylglycerides, diazylglycerides and in the inner phase alcohol and glycerin are.
Die Reaktanten und die Produkte im geschaffenen System werden im Verlauf der Transesterifikation die Tendenz aufweisen, aus der Sicht der Stöchiometrie auf der linken Seite der stöchiometrischen Gleichung zu bleiben.The Reactants and the products in the created system are going through Transesterification show a tendency from the point of view of Stoichiometry on the left side of the stoichiometric To remain equation.
Allgemein gilt in der Chemie, dass, wenn sich die Ausbeute der Reaktionsprodukte und die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen soll, die Reaktion und ihr Verlauf in Richtung der entstehenden Produkte, also auf die rechte Seite der stöchiometrischen Gleichung verschoben werden muss.Generally applies in chemistry, that if the yield of the reaction products and to increase the reaction rate, the reaction and their course towards the emerging products, so on shifted the right side of the stoichiometric equation must become.
Wir haben festgestellt, dass eine solche Verschiebung so erfolgen kann, dass die Entstehung eines Systems vom Typ O/V (Öl in Wasser) präferiert wird. Dies kann so erreicht werden, dass der HLB-Wert des Systems, in dem die Transesterifikation stattfindet, erhöht wird, also durch den Zusatz einer Komponente mit einem höheren HLB-Wert.We have found that such a shift can be done so that the emergence of a system of the type O / V (oil in water) is preferred. This can be achieved so that the HLB value of the system in which the transesterification takes place, is increased, so by the addition of a component with a higher HLB value.
Wir haben festgestellt und durch viele Versuche experimentell bestätigt, dass sich die Reaktionsgeschwindigkeit der Transesterifikation bei der Herstellung von Fettsäure-Alkylester durch den Zusatz eines Co-Emulgators, dessen HLB-Wert größer als 9 ist beträchtlich erhöht.We have established and experimentally confirmed by many experiments that the reaction rate of transesterification at the production of fatty acid alkyl esters by the addition a co-emulsifier whose HLB value is greater than 9 is considerably increased.
Auch bei der Beobachtung, und bei der Erforschung von Esterifikationsreaktionen der Umwandlung von Karboxyl-Fettsäuren in Alkylester haben wir ähnliche Abhängigkeiten festgestellt.Also in observation, and in the study of esterification reactions the conversion of carboxyl fatty acids into alkyl esters we found similar dependencies.
Abb. 7 Allgemeine Darstellung der Esterifikationsreaktion Fig. 7 General description of the esterification reaction
Der Zusatz eines Co-Emulgators mit einem geeigneten HLB-Wert verschiebt die Reaktion in Richtung zum entstehenden Produkt, erhöht also die Reaktionsgeschwindigkeit der Esterifikation.Of the Addition of a co-emulsifier with a suitable HLB value shifts the reaction towards the resulting product increases So the reaction rate of the esterification.
Proportional zur Entstehung von Reaktionswasser sinkt die Reaktionsgeschwindigkeit, und deshalb werden Mittel zugesetzt, die das Wasser binden. Solche Mittel sind Anhydride von Säuren, Chlorate von Säuren, Metaphosphorsäure, Metalloxide und verschiedene Sorptionsmittel.Proportional the reaction rate drops to the formation of water of reaction, and therefore agents are added which bind the water. Such Means are anhydrides of acids, chlorates of acids, Metaphosphoric acid, metal oxides and various sorbents.
Wir haben festgestellt, dass auch der in diesem Patent deklarierte Co-Emulgator zu diesen Mitteln gezählt werden kann.We have found that also the co-emulsifier declared in this patent can be counted to these funds.
Die Wirkung des Co-Emulgators im Prozess der Transesterifikation von Triglyzeriden oder Karboxylsäuren kann auch unter anderen Gesichtspunkten betrachtet werden.The Effect of co-emulsifier in the process of transesterification of Triglycerides or carboxylic acids can also be found among others Viewpoints.
Im geschaffenen System der Reaktanten verursacht der Co-Emulgator bei der Transesterifikation bereits bei geringer Konzentration eine Verringerung der Spannung zwischen den Oberflächen an der Phasengrenze der Dispersion zwischen den Reaktanten. Dadurch:
- – kommen die Reaktanten auch bei mäßigeren Reaktionsbedingungen gegenseitig in Kontakt, z. B. bei niederen Temperaturen, geringerem Anspruch an intensives Mischen.
- – werden infolge dieser vorteilhaften Bedingungen die
Monoazylglyzeride und die Diazylglyzeride an der Phasengrenze die
Tendenz aufweisen, als diphile Moleküle dorthin zu streben,
wo sich der Co-Emulgator in der Lösung aus Alkohol und
homogenem Katalysator befindet, was den Verlauf der katalysierten
Reaktion bedeutend beschleunigt. Die Reaktionszeit für
die Erreichung einer hohen Konversion und die Schaffung des Finalproduktes
Alkylester mit einem Normgehalt nichtreagierter Nebenkomponenten,
wie sie zum Beispiel von der
Norm DIN EN 14214
- • machen sich auch spezifische Interaktionen von Komponenten der Dispersion der Reaktanten mit dem Co-Emulgator beim Kontakt mit dem heterogenen Katalysator positiv bemerkbar. In der technologischen Praxis werden bei Rektionen mit heterogenen Katalysatoren die Kontakte mit den aktiven Zentren des Katalysators für sehr wichtig gehalten. Wenn eine bessere Benetzung der aktiven Oberfläche des Katalysators mit Reaktanten erreicht werden kann, bedeutet dies immer einen größeren katalytischen Wirkungsgrad in der gegebenen Reaktion.
- • Sind der Co-Emulgator, sein Typ und weitere Parameter in den Patentansprüchen definiert. Außer dieser Spezifizierung muss betont werden, dass er als Produkt ausgewählt wurde, das in basischer und sauerer Umgebung stabil ist. Bei Transesterifikations- und Esterifikationsreaktionen reagiert er nicht chemisch, verbleibt im Reaktionssystem, und da er mit einem höheren HLB-Wert ausgewählt wurde, verbleibt er nach Ablauf der Reaktion vorzugsweise in einer polaren Umgebung, also in der Glyzerinphase, oder bei Esterifikationsreaktionen in der Phase Wasser-Alkohol.
- • Bleibt er nach der Regenerierung, der Verdampfung des Alkohols aus der Wasser-Alkohol-Phase, im saueren Wasser, wenn ein homogener Katalysator verwendet wurde, und kann an den Beginn der Esterifikationsreaktion zurückkehren.
- • Spielt der Rest-Co-Emulgator, der nach der Beendigung der Transesterifikationsreaktion in der Glyzerinphase verbleibt, eine sehr wichtige Rolle. Seine Wirkung wird dadurch sichtbar, dass er in bedeutendem Maße die Sedimentierung (schnelle Abscheidung) der Glyzerinphase vom Alkylester beschleunigt. Die Abscheidungswirkung wird enorm erhöht, die Phasenteilung der Produkte erfolgt in einigen Minuten, nicht in einigen Stunden (wie dies bei einigen älteren kommerziellen Technologien der Fall ist).
- - The reactants come into contact even under more moderate reaction conditions, for. B. at low temperatures, lower demand for intensive mixing.
- As a result of these advantageous conditions, the monoazyl glycerides and the diazyl glycerides on the Phase boundary tend to aspire as diphilic molecules to where the co-emulsifier is in the solution of alcohol and homogeneous catalyst, which significantly accelerates the course of the catalyzed reaction. The reaction time to achieve a high conversion and the creation of the final product alkyl esters with a standard content of unreacted secondary components, as for example from
Standard DIN EN 14214
- • Also, specific interactions of components of the dispersion of the reactants with the co-emulsifier on contact with the heterogeneous catalyst are positively noticeable. In technological practice, in reactions with heterogeneous catalysts, the contacts with the active sites of the catalyst are considered to be very important. If better wetting of the active surface of the catalyst with reactants can be achieved, this always means greater catalytic efficiency in the given reaction.
- • Are the co-emulsifier, its type and other parameters defined in the claims. Besides this specification, it must be emphasized that it has been selected as a product that is stable in basic and acidic environments. In transesterification and esterification reactions, it does not react chemically, remains in the reaction system, and since it has been selected with a higher HLB value, it preferably remains in a polar environment, ie in the glycerol phase, or in esterification reactions in the phase of water after the reaction has ended -Alcohol.
- • Remains after regeneration, evaporation of the alcohol from the water-alcohol phase, in the acidic water when a homogeneous catalyst is used, and can return to the beginning of the esterification reaction.
- • The residual co-emulsifier, which remains in the glycerol phase after completion of the transesterification reaction, plays a very important role. Its action is evident in that it significantly accelerates the sedimentation (rapid separation) of the glycerol phase from the alkyl ester. The deposition effect is enormously increased, the phase sharing of the products takes place in a few minutes, not in a few hours (as is the case with some older commercial technologies).
Die Mehrheit der Prozesse in der Natur läuft an der Phasengrenze ab und hängt mit Oberflächenerscheinungen zusammen. So werden zum Beispiel biologische Enzymprozesse in Technologien verstanden, Adsorptionsprozesse, die Bildung von Dispersionen, Benetzungsoperationen und viele andere, die nach den Gesetzmäßigkeiten ablaufen, die für Oberflächenerscheinungen gelten. Genau so können wir auch die Transesterifikationsreaktionen der Herstellung von Alkylester betrachten. Bereits zu Beginn des Prozesses muss eine Dispersion mit zwei Polaritäten unterschiedlicher und miteinander unvermischbarer Reaktanten gebildet werden (Triglyzerid – Alkohol + homogener Katalysator), damit die Reaktion anläuft. Im Verlaufe der Reaktion entstehen Zwischenprodukte (Diazylglyzeride, Monoazylglyzeride), die als typische Emulgatoren im ursprünglichen dispersen Umfeld die Entstehung einer Emulsion vom Typ V/O präferieren (polarer Reaktant + homogener Katalysator im nichtpolaren Pflanzenöl oder Tierfett). Wenn geeignete Bedingungen bestehen, entstehen im Verlaufe der Reaktion Seifen (Natrium- oder Kaliumseife, Fettsäureverbindungen), die einen hohen HLB-Wert haben und die Entstehung einer entgegengesetzten Emulsion vom Typ O/V präferieren (Triglyzeride, Monoazylglyzeride, Diazylglyzeride in polarer Umgebung, Alkohol + homogener Katalysator).The Most processes in nature are at the phase boundary and is related to surface phenomena. For example, biological enzyme processes become technologies understood, adsorption processes, the formation of dispersions, wetting operations and many others, according to the laws expire that apply to surface phenomena. That's exactly how we can do the transesterification reactions consider the production of alkyl esters. Already at the beginning of Process must have a dispersion with two polarities of different and immiscible reactants (triglyceride - alcohol + homogeneous catalyst) for the reaction to start. in the During the reaction, intermediates (diazyl glycerides, Monoazylglyceride), which are typical emulsifiers in the original disperse environment prefer the emergence of a type V / O emulsion (polar reactant + homogeneous catalyst in non-polar vegetable oil or animal fat). If suitable conditions exist, arise in Course of the reaction soaps (sodium or potassium soap, fatty acid compounds), which have a high HLB value and the emergence of an opposite Prefer O / V type emulsion (triglycerides, monoazyl glycerides, Diazyl glycerides in polar environment, alcohol + homogeneous catalyst).
Durch die Tatsache, dass im Verlaufe der Reaktion Seifen entstehen, die als Beschleuniger der Transesterifikationsreaktionen wirkten, stabilisierten sich in den Anlagen für die Herstellung von Alkylestern gewisse Standardreaktionszeiten, nach denen die Fertigungsanlagen projektiert und gebaut wurden.By the fact that in the course of the reaction soaps arise, the act as accelerators of the transesterification reactions stabilized themselves in the plants for the production of alkyl esters certain standard reaction times according to which the manufacturing equipment were designed and built.
Auf der anderen Seite ist allgemein bekannt, dass die Bildung von Seifen von Fettsäuren die Ausbeute der Fettsäure-Alkylester manchmal um mehr als 1% verringert und außerdem den Abscheidungsprozess der Glyzerinphase erschwert. Längere Abscheidungszyklen wurden meistens durch den Einbau von Zentrifugen in die Herstellungsanlagen gelöst.On the other hand, it is well known that the formation of soaps of fatty acids sometimes reduces the yield of the fatty acid alkyl esters by more than 1%, and also the deposition process of the Glycerin phase difficult. Longer deposition cycles were mostly solved by incorporating centrifuges into the manufacturing equipment.
Um größere Ausbeuten des geforderten Alkylesters zu erreichen bemühte man sich, solche Bedingungen zu schaffen, die die Bildung von Seifen verhindern. Das sind die in diesem Bereich wohl bekannten Maßnahmen, die die Qualität der Eingangsrohstoffe betreffen (begrenzter Gehalt freier Fettsäure, Wassergehalt und weitere), sowie auch technologische Maßnahmen für den Wassergehalt im homogenen Katalysator, im rezirkulierten Alkohol und weitere.Around larger yields of the required alkyl ester to try to create such conditions, prevent the formation of soaps. These are the ones in this area Well known measures that improve the quality of Input raw materials (limited content of free fatty acid, Water content and others), as well as technological measures for the water content in the homogeneous catalyst, in the recirculated Alcohol and more.
Infolge dieser Maßnahmen wurde die Verringerung der Seifenbildung und somit auch höhere Ausbeuten erreicht, aber andererseits entstanden neue Probleme bei der Qualität des erzeugten Alkylesters, wo unter den Bedingungen des üblichen stabilisierten Zyklusses ein zu hoher Gehalt an Mono- und Diglyzeriden festgestellt wurde. Diese Tatsache bedeutet, dass der Prozess der Transesterifikation nicht beendet wurde.As a result These measures involved the reduction of soap formation and thus achieved higher yields, but on the other hand Emerged new problems in the quality of the produced Alkylesters, where stabilized under the conditions of the usual Cycle too high a content of mono- and diglycerides found has been. This fact means that the process of transesterification not finished.
Infolge dieser Tatsache wurden Lösungen gesucht, wie die Reaktionsgeschwindigkeit der Transesterifikation bei hohen Ausbeuten erhöht werden kann. Viele Lösungen wurden im oben bei den genannten veröffentlichten Patenten angeführt.As a result For this fact, solutions were sought, such as the reaction rate the transesterification can be increased at high yields can. Many solutions have been published in the above mentioned ones Patents.
Bei unserer Lösung handelt es sich um Methoden für die Herstellung von Fettsäure-Alkylester gemäß dieser Erfindungen, die aber darüber hinaus die Probleme und Mangel beseitigen, die den Transesterifikationsprozess begleiten.at our solution is a method for the production of fatty acid alkyl esters according to this Inventions, but beyond the problems and shortage eliminate the transesterification process.
Die einzelnen Teile wurden auf eine solche Weise konzipiert, dass Antworten und Erklärungen der Mechanismen der Reaktionen in den Ergebnissen der Grundlagenforschung gesucht wurden. Es werden neue Erkenntnisse, Anwendungen von Erfahrungen aus der Kolloidchemie und ein neuer Blickwinkel auf den Mechanismus der Transesterifikation diskutiert. Daraus abgeleitet haben wir ein neues, realisierbares Verfahren für die Herstellung von Alkylestern in einem breiten industriellen Anwendungsbereich auf der Basis homogener und heterogener Katalysatoren entwickelt.The individual parts were designed in such a way that answers and explanations of the mechanisms of reactions in the results of basic research were sought. There will be new insights, Applications of experience in colloid chemistry and a new one Perspective on the mechanism of transesterification discussed. From this we have derived a new, feasible procedure for the production of alkyl esters in a wide range of industrial applications developed on the basis of homogeneous and heterogeneous catalysts.
Die neuen Erkenntnisse der vorteilhaften Verwendung des Co-Emulgators, die in den einzelnen Patentansprüchen aufgearbeitet wurden, sind systematisch mit den Bedingungen des erhöhten Kontaktes zwischen den Reaktanten verbunden, welche die bisher bereits bekannten Mischmethoden nutzen, die an solchen Fertigungsanlagen vorteilhaft genutzt werden können, bei denen noch eine weitere Intensivierung der Reaktionsgeschwindigkeit notwendig ist.The new knowledge of the advantageous use of the co-emulsifier, which have been worked up in the individual patent claims are systematic with the conditions of increased contact connected between the reactants, which are already known Use mixing methods that are beneficial to such manufacturing equipment can be used, where even further intensification the reaction rate is necessary.
Weitere
Erläuterungen zu der Erfindung sind den in den
R1, R2 – Reaktoren
mit dem heterogenen Katalysator.
R 1 , R 2 - reactors with the heterogeneous catalyst.
R1, R2 – Reaktoren
mit dem heterogenen Katalysator.
R 1 , R 2 - reactors with the heterogeneous catalyst.
R1 – Reaktor mit
einem sauren Katalysator
R2, Rn – Reaktoren mit einem basischen
heterogenen Katalysator.
R 1 - reactor with an acid catalyst
R 2 , R n - reactors with a basic heterogeneous catalyst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- - Norm DIN EN 14214 [0058] - Standard DIN EN 14214 [0058]
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