DE10226543A1 - Continuous process for the production of lower fatty acid alkyl esters by reaction of fatty acid glycerides with lower alcohols in a tubular reactor at a Reynolds number of less than 2300 - Google Patents
Continuous process for the production of lower fatty acid alkyl esters by reaction of fatty acid glycerides with lower alcohols in a tubular reactor at a Reynolds number of less than 2300Info
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung niedriger Fettsäurealkylester. The invention relates to a continuous process for producing lower Fatty acid alkyl esters.
Bei der Umsetzung natürlicher Fette und Öle zu Fettsäurealkylesten und Glycerin werden saure oder alkalische homogene Katalysatoren angewendet. Für den Einsatz alkalischer homogener Katalysatoren kommen entsäuerte Öle und Fette mit einem niedrigen Anteil freier Fettsäuren zum Einsatz, weil diese Katalysatoren durch freie Fettsäuren deaktiviert werden. Als alkalische Katalysatoren werden Natriumhydroxid, Natriummethylat, Kaliumhydroxid u. a. verwendet. Für natürliche Fette und Öle mit einem höheren Anteil freier Fettsäuren kommen saure homogene Katalysatoren zum Einsatz. (Freiberger Forschungshefte, A852 Ökologie, 34-61,1999) When converting natural fats and oils to fatty acid alkyl esters and glycerin acidic or alkaline homogeneous catalysts are used. For use Alkaline homogeneous catalysts come with deacidified oils and fats low proportion of free fatty acids because these catalysts are free Fatty acids can be deactivated. Sodium hydroxide, Sodium methylate, potassium hydroxide and the like. a. used. For natural fats and oils with acidic homogeneous catalysts are used for a higher proportion of free fatty acids Commitment. (Freiberg Research Books, A852 Ecology, 34-61, 1999)
Die Erzeugung von Fettsäurealkylester und Glycerin aus natürlichen Ölen und Fetten ist ein seit Jahrzehnten durchgeführter chemischer Prozess. Es existieren bereits eine große Anzahl von Verfahren. Eine grundlegende Übersicht ist in Fett/Lipid, Vol. 99, S. 418-427, von 1997 zu finden. Aus dieser Übersicht wird erkennbar, dass hauptsächlich die Verfahrensvarianten mehrstufiger Rohrreaktor oder Rührkessel, bei Temperaturen bis 100°C und Drücken bis 10 bar zum Einsatz kommen. The production of fatty acid alkyl esters and glycerin from natural oils and fats is a chemical process that has been carried out for decades. There are already one large number of procedures. A basic overview is in Fat / Lipid, Vol. 99, p. 418-427, from 1997. From this overview it can be seen that mainly the process variants of multi-stage tubular reactor or stirred tank, at temperatures up to 100 ° C and pressures up to 10 bar.
Das kontinuierliche Verfahren von Lurgi arbeitet mit kombinierten Mixer-Settler- Einheiten. Bei diesem zweistufigen Prozess werden die Reaktanten in stark durchmischten (turbulenten) Rührkesseln umgesetzt. Die Turbulenz im Reaktionsgefäß wird durch mechanische Agitationsinstrumente verursacht. Nach jeder Stufe wird Glycerin abgeschieden und der Verlust an Alkohol und Katalysator ausgeglichen. Das Verfahren arbeitet bei Temperaturen unter 100°C und im Normal- bzw. Niederdruckbereich. Lurgi's continuous process works with combined mixer-settlers Units. In this two-step process, the reactants become strong mixed (turbulent) stirred tanks. The turbulence in the reaction vessel is caused by mechanical agitation instruments. After each stage Glycerin deposited and the loss of alcohol and catalyst compensated. The Process works at temperatures below 100 ° C and in normal or Low pressure area.
Als Beispiel für die Verwendung eines Rohrreaktors stellt das Verfahren der Henkel KG auf Aktien (WO 91/05034) dar. Dabei wird die Reaktion mindestens zweistufig durchgeführt. Nach jeder Stufe erfolgt die Abtrennung von Glycerin in einem statischen Abscheider. The process from Henkel KG provides an example of the use of a tubular reactor on shares (WO 91/05034). The reaction is at least two stages carried out. After each stage, glycerin is separated in a static one Separator.
Bei diesem Verfahren werden die Reaktanten stufenweise kontaktiert, in einem ersten
Schritt wird vorgewärmtes Öl mit Alkohol vermischt und in einer zweiten Mischstufe wird
dann eine Alkohol/Katalysatorlösung zudosiert. Die durch die Abscheidung des
Glycerins dem Reaktionsgemisch entzogenen Mengen an Alkohol und Katalysator
werden vor dem Eintritt in die nächste Stufe ausgeglichen. Innerhalb der Reaktoren liegt
eine starke turbulente Durchmischung vor. Als Kennzahl für den Strömungszustand im
Rohrreaktor wird die Reynoldszahl Re verwendet. Die Berechnung erfolgt nach
folgender Gleichung:
In this process, the reactants are contacted in stages, in a first step preheated oil is mixed with alcohol and in a second mixing stage an alcohol / catalyst solution is then metered in. The amounts of alcohol and catalyst withdrawn from the reaction mixture by separating the glycerol are balanced before entering the next stage. There is strong turbulent mixing within the reactors. The Reynolds number Re is used as a key figure for the flow state in the tubular reactor. The calculation is based on the following equation:
Dabei ist ρ die Gemischdichte, η die Gemischviskosität, c die lineare Rohrgeschwindigkeit und d der Rohrdurchmesser. Überschreitet die Reynoldszahl den Wert 2300 wird die Strömung als turbulent bezeichnet, unterhalb dieser Grenze ist sie laminar. Here ρ is the mixture density, η the mixture viscosity, c the linear Pipe speed and d the pipe diameter. If the Reynolds number exceeds 2300 the flow is called turbulent, below this limit it is laminar.
Es handelt sich bei dem strömenden Medium um ein Mehrphasengemisch, dass in den
Berechnungen für die Reynoldszahl als pseudo-einphasig angenommen wird. Dabei
wird die Gemischdichte ρ wie folgt berechnet:
The flowing medium is a multi-phase mixture that is assumed to be pseudo-single phase in the calculations for the Reynolds number. The mixture density ρ is calculated as follows:
Die Größe wi beschreibt den Massenanteil und ρi die Dichte der Komponente i. Für die
Bestimmung der pseudo-einphasigen Gemischviskosität wird folgender, formaler
Zusammenhang verwendet:
The quantity w i describes the mass fraction and ρ i the density of component i. The following formal relationship is used to determine the pseudo-single-phase mixture viscosity:
Dabei ist ηi die dynamische Viskosität und xi der Molanteil der Komponente i. In dem hier beschriebenen Verfahren liegen die Reynoldszahlen im Bereich von 4.000 bis 10.000, also im turbulenten Strömungsbereich. Ab einer Mindestströmungsgeschwindigkeit stellt sich im Rohrreaktor eine turbulente Strömung ein. Dieses Verfahren wird bis 100°C und bei Drücken bis 10 bar betrieben. Η i is the dynamic viscosity and x i is the molar fraction of component i. In the process described here, the Reynolds numbers are in the range from 4,000 to 10,000, i.e. in the turbulent flow range. A turbulent flow occurs in the tubular reactor from a minimum flow velocity. This process is operated up to 100 ° C and at pressures up to 10 bar.
Die Durchmischung ist notwendig, weil sich die beiden Edukte Fettsäureglycerid und Alkohol nur schwer ineinander lösen. Nachteilig an den bisher eingesetzten Verfahren ist die starke Durchmischung innerhalb der gesamten Reaktionszone um die Raum- Zeit-Ausbeute (RZA) zu steigern. Dabei wird diese Steigerung durch einen erheblichen Energieeinsatz erkauft. Diese turbulente Strömung erschwert zusätzlich die Trennung der Glycerin/Alkylester-Phase und führt bei Rohrreaktoren für hohe Umsätze zu größeren Reaktionsvolumina. Mixing is necessary because the two starting materials fatty acid glyceride and Difficult to dissolve alcohol. A disadvantage of the methods used to date is the thorough mixing within the entire reaction zone around the space Increase time yield (RZA). This increase is due to a significant Bought energy use. This turbulent flow also makes separation difficult the glycerin / alkyl ester phase and leads to high sales in tubular reactors larger reaction volumes.
Die technische Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung niedriger Alkylester mit großer RZA zu entwickeln, das weniger Energie-, Investitions- und Instandhaltungskosten erfordert sowie einfacher und sicherer zu betreiben ist, als bisher bekannte Verfahren. The technical object of the invention is to provide a continuous process for Producing lower alkyl esters with large RZA to develop which is less energy, Investment and maintenance costs required as well as easier and safer too operate as a previously known method.
Diese Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Reaktion in einem laminar durchströmten Rohrreaktor durchgeführt wird. Eine Lösung aus Alkohol und Katalysator wird kontinuierlich in den Strom aus Fettsäureglyceriden eingeleitet. Das Problem der geringen Löslichkeit der Reaktanten ineinander wird dadurch gelöst, dass vor dem Eintritt in den Reaktor eine feine Dispersion aus Alkohol/Katalysator- Lösung in der kontinuierlichen Phase (Öl) erzeugt wird. Durch diese Maßnahme verbessert sich der Stoffübergang zwischen den beiden Phasen so stark, dass auf eine weitere Durchmischung innerhalb des Rohrreaktors vollständig verzichtet werden kann. Im Reaktor verbleibt deshalb der Wert für die eingangs beschriebene Reynoldszahl unterhalb von 2300 im laminaren Bereich. This task is solved according to the invention in that the reaction in a laminar flow tube reactor is carried out. A solution from alcohol and catalyst is continuously introduced into the stream of fatty acid glycerides. The problem of the low solubility of the reactants in one another is solved by that before entering the reactor a fine dispersion of alcohol / catalyst Solution in the continuous phase (oil) is generated. By this measure the mass transfer between the two phases improves so much that on one further mixing within the tube reactor can be completely dispensed with. The value for the Reynolds number described in the introduction therefore remains in the reactor below 2300 in the laminar range.
Die Energie, welche bei turbulenter Strömung in den Reaktor eingebracht wird, wandelt sich hauptsächlich durch innere Fluidreibung in Wärme um. Bei laminaren Strömungsverhältnissen ist dieser Anteil der Energiedissipation durch innere Reibung sehr viel geringer. Somit entfällt ein bedeutender Anteil des Energieeintrages. The energy that is introduced into the reactor during turbulent flow changes mainly turns into heat through internal fluid friction. With laminar Flow conditions is this part of the energy dissipation through internal friction much less. This means that a significant proportion of the energy input is eliminated.
Eine wichtige Kennzahl um die Effizienz einer Produktionsanlage zu quantifizieren ist
die Raum-Zeit-Ausbeute (RZA), sie wird über den Massenstrom des Zielproduktes ≙P
und das Reaktorvolumen VR definiert.
An important key figure in order to quantify the efficiency of a production plant is the space-time yield (RZA), which is defined via the mass flow of the target product ≙ P and the reactor volume V R.
Ein weiterer Vorteil einer laminaren Rohrströmung besteht in der Tatsache, dass das Reaktorvolumen zur Realisierung gleicher Verweilzeiten, im Vergleich zur turbulenten Strömung, stark verringert werden kann, weil die Strömungsgeschwindigkeit bei Reynoldszahlen Re < 2300 erheblich geringer ist als in einem Reaktor der Reynoldszahlen von 4.000-10.000 aufweist. Auf diese Weise können die Investitionskosten durch die geringere Baugröße des Reaktors reduziert werden und es wird gleichzeitig die RZA gesteigert. Mit sinkender Strömungsgeschwindigkeit verringert sich auch die Leistung der eingesetzten Pumpen, was zu einer weiteren Reduzierung des Energiebedarfs des Verfahrens beiträgt. Another advantage of laminar pipe flow is the fact that Reactor volume to achieve the same residence times compared to the turbulent one Flow, can be greatly reduced because of the flow velocity Reynolds numbers Re <2300 is considerably lower than in a reactor Reynolds numbers from 4,000-10,000. That way they can Investment costs can be reduced by the smaller size of the reactor and it the RZA is increased at the same time. Decreased with decreasing flow velocity also the performance of the pumps used, which leads to a further reduction contributes to the energy requirements of the process.
Bei der Umsetzung von Fettsäureglyceriden entstehen die Reaktionsprodukte Alkylester und Glycerin. Diese beiden Komponenten sind nur schwer ineinander löslich und bilden deshalb mit zunehmendem Reaktionsfortschritt eigenständige Phasen. Zur weiteren Verarbeitung müssen diese Phasen voneinander getrennt werden. Dies geschieht im Allgemeinen in einem der Reaktionsstufe nachgeschaltetem Abscheider. Die Abscheidedauer lässt sich bei laminarer Prozessführung ohne zusätzliche Vorrichtungen verkürzen, weil nur sehr kleine Scherkräfte auf die sich neu bildende Phase wirken und sie somit ungehindert schon während der Reaktion anwachsen kann. Bei turbulenter Reaktionsführung wird die sich neu bildende Phase durch die strömungsbedingten Scherkräfte immer wieder zerstört. The reaction products of alkyl esters are formed when fatty acid glycerides are reacted and glycerin. These two components are difficult to dissolve and form in one another therefore independent phases as the reaction progresses. For further These phases must be separated from one another during processing. This happens in the Generally in a separator downstream of the reaction stage. The With laminar process control, deposition time can be achieved without additional Shorten devices because only very small shear forces on the newly formed Phase and can therefore grow unhindered during the reaction. If the reaction is turbulent, the newly formed phase is replaced by the flow-related shear forces repeatedly destroyed.
Beispielexample
In einer Technikumsanlage wurde entsäuertes Rapsöl mit einem Volumenstrom von ca. 1 l/h bei einer Temperatur von 50°C und Umgebungsdruck in einem Rohrreaktor umgesetzt. Deacidified rapeseed oil with a volume flow of approx. 1 l / h at a temperature of 50 ° C and ambient pressure in a tubular reactor implemented.
Dabei wird dem Ölstrom eine Lösung aus Kaliumhydroxid und Methanol bei 25°C zudosiert. Das Verhältnis von Methanol (MeOH) zu Fettsäuren (FS) beträgt 1,8 molMeOH/molFS, d. h. pro 1 mol enthaltener Fettsäure werden 1,8 mol Methanol zugegeben. Für den Katalysator beträgt das Verhältnis 0,05 molKOH/molFS. Diese Methanol/Katalysator-Lösung wird nach der Einleitung mit Hilfe von fünf statischen Mischern (SMX-Mischer der Firma Sulzer ChemTech AG) auf Tropfen mit einem mittleren Durchmesser von dSV = 0,3 mm aufgeteilt und über den Reaktorquerschnitt verteilt. Die Charakterisierung des entstandenen Tropfenkollektives erfolgte hierbei über den Sauterdurchmesser (dSV), der das betrachtete Tropfenkollektiv in Tropfen gleichen Volumens aufteilt, so dass die Oberfläche dieser Tropfen genau der Oberfläche des Tropfenkollektives entspricht. Die Reynoldszahl des pseudo-einphasigen Gemisches beträgt am Reaktoreintritt ca. 160 und am Reaktoraustritt ca. 50. Bei einer Verweilzeit von 14 Minuten wurden Umsätze von ca. 95% mit Ausbeuten von ca. 93% erzielt, bei gleichzeitiger Teilabscheidung des Glycerins. A solution of potassium hydroxide and methanol is metered into the oil stream at 25 ° C. The ratio of methanol (MeOH) to fatty acids (FS) is 1.8 mol MeOH / mol FS , ie 1.8 mol methanol are added per 1 mol fatty acid contained. The ratio for the catalyst is 0.05 mol KOH / mol FS . After introduction, this methanol / catalyst solution is divided into drops with an average diameter of d SV = 0.3 mm using five static mixers (SMX mixer from Sulzer ChemTech AG) and distributed over the reactor cross section. The resulting droplet collective was characterized by the Sauter diameter (d SV ), which divides the droplet collective under consideration into droplets of the same volume, so that the surface of these droplets corresponds exactly to the surface of the droplet collective. The Reynolds number of the pseudo-single-phase mixture is approximately 160 at the reactor inlet and approximately 50 at the reactor outlet. With a residence time of 14 minutes, conversions of approximately 95% were achieved with yields of approximately 93%, with partial separation of the glycerol.
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WO2008047142A3 (en) * | 2006-10-20 | 2008-07-31 | Renewable Holdings Ltd | Biodiesel synthesis |
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2002
- 2002-06-14 DE DE2002126543 patent/DE10226543A1/en not_active Withdrawn
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