DE69306793T2

DE69306793T2 - Hydrierung in einem plattenwärmetauscher

Info

Publication number: DE69306793T2
Application number: DE69306793T
Authority: DE
Inventors: Joseph Boggs; Richard King; Vicki Weber
Original assignee: Procter and Gamble Co
Current assignee: Procter and Gamble Co
Priority date: 1992-08-07
Filing date: 1993-07-26
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2013-07-27
Also published as: EP0654074B1; CA2141333C; ES2095659T3; BR9306847A; EP0654074A1; MY108970A; ATE146520T1; WO1994003566A1; DE69306793D1; JP3939340B2; DK0654074T3; GR3022139T3; US5360920A; AU4687893A; MX9304806A; CA2141333A1; JPH07509746A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf das Hydrieren von Fettmaterialien in einem Plattenwärmetauscher. Insbesondere bezieht sie sich auf Verfahren zum schwachen Hydrieren ungesättigter Fettmaterialien, wie Fettsäuren, Fettestem usw., während gleichzeitig ein günstiges trans/cis-Isomerverhältnis aufrechterhalten wird und/oder bis auf eine sehr geringe Jodzahl hydriert wird.

Beschreibung damit zusammenhängender Gebiete der Technik

Das Hydrieren von Fettmaterialien ist gut bekannt und wurde in den US-Patenten Nrn. 3 073 380 (Palmason) ; 3 634 471 (Kehse); 3 809 708 (Minor); 4 584 139 (Gray et al.); und 4 871 485 (Rivers); der japanischen Patentanmeldung 02/261 897; und der sowjetischen Patentanmeldung 1 142 505 beschrieben. Die Verwendung eines Platten- und Rahmenwärmetauschers zum Hydrieren ist in dem US-Patent Nr. 3 809 708 offenbart.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Hydrieren ungesättigter Fettsäuren und/oder deren Ester in einem Wärmetauscher von der Art, die allgemein als ein "Platten"-Wärmetauscher bezeichnet wird, bevorzugt einem solchen, der eine feste äußere Gehäusekonstruktion besitzt, z.B. verschweißt, um ein Gefäß zu schaffen, das hohen Drücken widerstehen kann, z.B. mehr als etwa 1034250 Pa (150 psig), wobei das Gefäß eine solche innere Konfiguration hat, daß eine Vermischung durch hohe Scherung bei normalen Strömungsraten erzielt wird, und wobei das Verfahren bei einem Druck von mehr als 1034250 Pa (150 psig), bevorzugt etwa 1034250 (150) bis etwa 3447500 Pa (500 psig), noch stärker bevorzugt etwa 2068500 (300) bis etwa 2758000 (400 psig), durchgeführt wird, wobei die Kombination aus Vermischung durch hohe Scherung und hohem Druck ausreicht, eine im wesentlichen vollständige Reaktion des im Verfahren eingesetzten Wasserstoffes zu bewirken, so daß die Menge an verwendetem Wasserstoff den Grad des Hydrierens bestimmt und die Temperatur während des "Berührungsverfestigens" verringert werden kann, um die Ausbildung des trans-Isomers zu vermeiden.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die vorliegende Erfindung verbessert die Verfahren der bestehenden Technik durch Erhöhen des Druckes und/oder der Scherung, der bzw. die beim Hydrieren von Fettmaterialien (hier auch als "Fettreaktanden" und/oder "Ausgangsmaterial" bezeichnet) verwendet wird, während gleichzeitig der Vorteil der ausgezeichneten Temperatursteuerung beibehalten wird, welche ein Plattenwärmetauscher bietet. Übliche Wärmetauscher von der Art, die bei dem US-Patent Nr. 3 809 708 verwendet werden, sind für einen optimalen Einsatz nicht geeignet, weil sie auf einer Kompression und einer Reihe von Dichtungen beruhen, um den Druck aufrechtzuerhalten. Bevorzugt ist der Wärmetauscher ein solcher, der ein festes äußeres Gehäuse besitzt, z.B. ähnlich jenem, der von Packinox, Louveciennes, Frankreich, unter dem Handelsnamen Packinox und von Karbate Vicarb, Inc. unter dem Handelsnamen Compabloc vertrieben wird, wobei diese Wärmetauscher so modifiziert werden, daß sie ein Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis (S/V) von zumindest etwa 75, bevorzugt etwa 75 bis etwa 300, noch stärker bevorzugt etwa 150 bis etwa 300 haben. Der Wärmetauscher sollte in der Lage sein, kontinuierlich und sicher bei einem Druck von etwa 1034250 (150) bis etwa 3447500 Pa (500 psig), bevorzugt von etwa 2068500 (300) bis etwa 3447500 (500 psig), noch stärker bevorzugt von etwa 2068500 (300) bis etwa 2758000 Pa (400 psig), zu arbeiten. Höhere Wasserstoffdrücke werden bevorzugt, um die Menge an Wasserstoff zu maximieren, die in den Fettreaktanden gelöst wird, insbesondere unter Niedertemperaturbedingungen.
Der Plattenwärmetauscher (Hydrierreaktor) kann Einlässe für das Hydriergas an mehr als einer Stelle haben, um das Einbringen von Wasserstoffgas zu ermöglichen, während das gelöste Gas aufgebraucht wird. Dies ermöglicht das Fortsetzen der Reaktion, ohne daß überschüssiges Gas in den Anfangsstufen vorhanden sein muß, wo es als Gas vorliegen und die Wärmeübertragung unterbrechen würde. Dies ist wünschenswert, wenn man danach trachtet, ein Ausgangsmaterial vollständig zu hydrieren. Der Wärmetauscher wird jedoch hauptsächlich dazu verwendet, Wärme abzuführen, wie sie durch die Reaktion erzeugt wird, und um dadurch Zustände aufrechtzuerhalten, bei welchen ein Minimum an unerwünschten Nebenprodukten gebildet wird und/oder eine minimale Umwandlung von cis- in trans-Isomere auftritt. Die Isomerumwandlung wird durch hohe Temperatur und langsame Reaktionen erhöht.
Der Wärmetauscher sollte die Fähigkeit haben, die Reaktionswärme abzuführen, während sie auftritt, um die Temperatur im Bereich von etwa 120º bis etwa 240ºC zu halten, bevorzugt etwa 120º bis etwa 180ºC, noch stärker bevorzugt etwa 120º bis etwa 150ºC. Dieser Temperaturbereich ist für ein geringfügiges Reduzieren der Jodzahl (IV) des Fettreaktanden optimal, während er gleichzeitig die Ausbildung des trans-Isomers von ungesättigten Fettsäuren minimiert. Man stellt fest, daß, wenn die Jodzahl auf sehr geringe Werte reduziert wird, die Unsättigung sehr klein ist und daher weniger Notwendigkeit besteht, Augenmerk auf die Isomere zu legen.
Der Wärmetauscher sollte im Betrieb eine hohe Scherbeanspruchung erzeugen können, was direkt mit dem Druckabfall pro Längeneinheit des Strömungsweges in Beziehung steht. Bevorzugt beträgt der Druckabfall pro Längeneinheit etwa 4524,2782 (0,2) bis etwa 45242,782 Pa/m (2,0 psig/Fuß), noch stärker bevorzugt etwa 11310,695 (0,5) bis etwa 22621,39 Pa/m (1 psig/Fuß).
Die Kombination aus hohem Druck, hoher Scherung und/oder geringer Temperatur liefert eine schnelle Hydrierung unter schonenden Bedingungen, z.B. eine Kombination aus Zeit und Temperatur, die es gestattet, hohe Produktionsraten und/oder hydrierte Fettmaterialien zu erreichen, die eine ausgezeichnete Farbe, Hitzebeständigkeit und/oder Geruch haben, sogar bei Materialien, die vollständig oder beinahe vollständig hydriert sind.
Bevorzugte Reaktoren sind hier jene, die folgende Elemente aufweisen: ein festes äußeres Gehäuse; eine innere Struktur, welche einen Nebenschluß an den Platten vorbei minimiert; die Fähigkeit, einen Innendruck während der Reaktion von etwa 1034250 (150) bis etwa 3447500 Pa (500 psig), bevorzugt von etwa 2068500 (300) bis etwa 3447500 Pa (500 psig), aufrechtzuerhalten; ein Verhältnis von innerer Oberfläche zu innerem Volumen (S/V) von etwa 75 bis etwa 300, bevorzugt etwa 150 bis etwa 300, noch stärker bevorzugt etwa 200 bis etwa 300; und die aus einem Material gefertigt sind, das versprödungsbeständig ist, wenn es mit Wasserstoff und/oder Fettreaktanden, wie anschließend definiert, in Berührung kommt.

Fettreaktanden

Die Fettreaktanden umfassen jede beliebige, eine Unsättigung enthaltende Fettsäure. Typischerweise enthalten die Fettsäuren etwa 8 bis 26 Kohlenstoffatome, bevorzugt etwa 14 bis 22 Kohlenstoffatome, noch stärker bevorzugt etwa 16 bis etwa 18 Kohlenstoffatome. Die Fettreaktanden umfassen auch die Ester der oben genannten Fettsäuren, z.B. deren Methyl- und Ethylester, Mono-, Di- und Triglyceride, und Monohydroxyalkohole mit etwa 8 bis etwa 24, bevorzugt etwa 14 bis etwa 22 Kohlenstoffatomen. Die am stärksten bevorzugten Fettreaktanden sind die Methylester.
Die Fettsäuren, die hydriert werden können, umfassen: Sojabohnen, Palmöl, Eruca, Canola, Kokusnuß, Palmölstearine, Talg usw. Die entsprechenden Methylester sind ebenfalls wünschenswerte Reaktanden.
Zusätzliche Fettreaktanden umfassen die entsprechenden Ethylester und die entsprechenden Mono-, Di- und Triglyceride.
Die Jodzahl des Ausgangsfettmaterials ist typischerweise etwa 5, bevorzugt zumindest etwa 30, und typischerweise etwa 30 bis etwa 150, bevorzugt etwa 30 bis etwa 120. Die Jodzahl wird typischerweise um etwa 2 bis etwa 15 abgesenkt, bevorzugt etwa 5 bis etwa 10 für die "Berührungsverfestigung" und bis zu weniger als etwa 2, bevorzugt weniger als etwa 1, für das vollständige Verfestigen. Wenn das Fettmaterial berührungsverfestigt ist, sind die trans-Isomere bevorzugt um weniger als etwa 15% erhöht, noch stärker bevorzugt um weniger als etwa 5%.

Wasserstoff

Das Wasserstoffgas, das bei der Reaktion verwendet wird, sollte frei von jeglichen Kontaminationen sein, welche die Reaktion stören könnten. Im speziellen sollte der Wasserstoff frei von Feuchtigkeit sein. Es ist wünschenswert, sowenig wie möglich Wasserstoffgas zu verwenden, um die Trennung zu minimieren und die Sicherheit zu maximieren. Weil die hier vorgestellte Reaktion so effizient ist, beträgt der Überschuß an Wasserstoff gegenüber dem gewünschten Hydriergrad typischerweise nicht mehr als etwa 25%, bevorzugt nicht mehr als etwa 10%, noch stärker bevorzugt nicht mehr als etwa 5%.

Der Katalysator

Jeder beliebige normale Hydrierkatalysator kann verwendet werden. Der Katalysator kann - und typischerweise wird - in fein verteilter Form verwendet werden, bevorzugt mit einer Partikelgröße von etwa 0,5 bis etwa 20 µm, bevorzugt etwa 1 bis etwa 10 µm, noch stärker bevorzugt etwa 4 bis etwa 5 µm. Eine kleine Katalysatorgröße wird bevorzugt, weil der Katalysator im Fettreaktanden suspendiert wird und kleinere Größen stabiler suspendiert sind.
Die Katalysatoren umfassen Nickelkatalysatoren, typischerweise Raney-Nickelkatalysatoren, entweder auf Trägern oder ohne Träger. Andere Katalysatoren umfassen Platin- und Palladiumkatalysatoren, wieder entweder auf Trägern oder ohne Träger. Der Katalysator kann rezykliert werden oder nicht, je nachdem, wie das Verfahren abläuft. Bevorzugte Katalysatoren umfassen: Nikkel-, Kupfer-, Palladium-, Platin- und Kobaltkatalysatoren. Mischungen der oben genannten Katalysatoren können ebenfalls verwendet werden.
Die Menge an Katalysator kann gering gehalten werden, typischerweise etwa 0,05% bis etwa 1%, bevorzugt etwa 0,02% bis etwa 0,5%.
Bei den folgenden Beispielen und in der Beschreibung sind alle Prozentsätze, Anteile und Verhältnisse auf das Gewicht bezogen und alle Angaben sind Näherungswerte, soweit nicht anders angegeben.

BEISPIELE

Bei den folgenden Durchläufen haben die Platten- und Rahmenwärmetauscher die folgenden physikalischen Abmessungen: Platten- und Rahmenwärmetauscher
Die Fettreaktanden in den Durchläufen sind Talgfettsäuren, welche die folgenden Anfangsjodzahlen und trans-Fettsäuregehalte haben.
Die Betriebsbedingungen und Ergebnisse in den Durchläufen sind wie folgt: Betriebsbedingungen und Ergebnisse Betriebsbedingungen und Ergebnisse (Fortsetzung)
Wie aus dem Obenstehenden ersehen werden kann, können geringe Mengen an Katalysator (1 gegenüber 2 oder 3) mit im wesentlichen gleichartigen Ergebnissen verwendet werden. Auch reduziert die Verwendung niedrigerer Temperaturen und höherer Drücke (1-4 gegenüber 5-7) den trans-Fettsäuregehalt, während die Jodzahl weiterhin reduziert wird. Es ist auch ersichtlich, daß der Ausstoß erhöht werden kann, indem einfach der Reaktandendurchsatz und die Reaktorgröße erhöht werden (6 gegenüber 7), und der Grad an Hydrierung erhöht werden kann, indem einfach die Menge an Wasserstoff bezüglich des Fettreaktandens erhöht wird (3 gegenüber 4 und 7 gegenüber 8-10). Diese Ergebnisse hätten nicht im vorhinein vorausgesagt werden können.

Claims

1. Verfahren zum Hydrieren eines Fettmaterials in einem Platten- und Rahmenwärmetauscher mit einem Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis von zumindest etwa 75, bevorzugt etwa 75 bis etwa 300, noch stärker bevorzugt etwa 150 bis etwa 300, bei einem Druck von zumindest 1034250 Pa (150 psig), bevorzugt etwa 1034250 Pa (150 psig) bis etwa 3447500 Pa (500 psig), noch stärker bevorzugt etwa 2068500 Pa (300 psig) bis etwa 2758000 Pa (400 psig), wobei der Druckabfall pro Meter zumindest etwa 4524,2782 Pa, bevorzugt etwa 4524,2782 bis etwa 45242,782 Pa beträgt, und wobei bevorzugt die Temperatur in einem Bereich von etwa 120ºC bis etwa 240ºC, stärker bevorzugt von etwa 120ºC bis etwa 180ºC, und noch stärker bevorzugt von etwa 120º bis etwa 150ºC gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Druckabfall pro Meter etwa 11310,695 bis etwa 22621,39 Pa beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Fettmaterial aus der Gruppe bestehend aus:

A. Fettsäuren mit etwa 8 bis etwa 26 Kohlenstoffatomen und einer Jodzahl von mehr als etwa 5;

B. Estern der genannten Fettsäuren; und

C. Fettalkoholen mit etwa 8 bis etwa 24 Kohlenstoffatomen und einer Jodzahl von mehr als etwa 5 gewählt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem die Jodzahl um zumindest etwa 5 reduziert wird, während der Prozentsatz an Transisomeren um nicht mehr als etwa 15% des ursprünglichen Wertes erhöht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei welchem das Fettmaterial ein Methylester der genannten Fettsäuren ist.

6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei welchem das Fettmaterial eine Fettsäure ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei welcher die Jodzahl des Fettmaterials auf weniger als etwa 2 reduziert wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der Wärmetauscher ein festes Gehäuse aufweist.