EA020736B1 - Система и способ гидрирования жира или масла - Google Patents

Abstract

Гидрированное растительное масло, характеризующееся высокой термической стабильностью и уменьшенным образованием насыщенных и трансжирных кислот, получают с использованием активированного катализатора гидрирования и/или усовершенствованного способа гидрирования, включающего высокую скорость сдвига. Установлено, что применение механического устройства высокой скорости сдвига в процессе гидрирования в качестве реактора позволяет проводить реакции, которые обычно не происходят при заданной температуре и давлении реакции. Например, описанный в данном контексте способ гидрирования позволяет снизить время гидрирования и проводить гидрирование при более низких температурах по сравнению с известными способами. Полученное гидрированное растительное масло, прежде всего, можно использовать для жарки, выпечки кондитерских изделий и в других отраслях промышленности, где требуется использование продукта с низким содержанием трансжира или продукта, характеризующегося повышенной термической стабильностью. Полученное гидрированное масло содержит менее 10 мас.% трансжирных кислот и менее 5 мас.% линоленовой кислоты (C).

Description

Настоящее изобретение в основном относится к области гидрирования. Более подробно, настоящее изобретение относится к способам и катализатору гидрирования композиций ненасыщенных жирных кислот, предназначенным для получения композиций триглицеридов, характеризующихся уменьшенным образованием транс-жиров. Прежде всего, настоящее изобретение относится к катализатору для активации жирных кислот и способу с высокой скоростью сдвига, предназначенным для усовершенствования реакции гидрирования. В предлагаемом способе обеспечиваются условия, т.е. температура, давление и время контактирования, которые позволяют ускорить гидрирование по сравнению с известными в данной области техники способами.

Сведения о предшествующем уровне техники

Химические реакции, включающие жидкости, газы и твердые соединения, зависят от кинетических параметров, которые включают время, температуру и давление, определяющие скорость реакций. Если требуется взаимодействие двух неочищенных соединений в различных фазах (т.е. твердого соединения и жидкости, жидкости и газа, твердого соединения, жидкости и газа), то одним из лимитирующих факторов при контроле скорости реакции является время контактирования реагентов. В случае каталитических реакций дополнительным фактором, лимитирующим скорость, является удаление прореагировавших продуктов с поверхности катализатора, чтобы обеспечить дальнейшее взаимодействие катализатора с остальными реагентами.

С химической точки зрения жиры являются высокомолекулярными соединениями, включающими 3 остатка жирных кислот, присоединенных к короткой цепи глицерина, и внешне напоминают символ Е. Общеизвестный термин транс-жир более точно означает жир, который содержит остаток трансизомера жирной кислоты. Молекулы жирных кислот состоят из углеводородной основной цепи, в которой к каждому атому углерода присоединены атомы водорода (а также карбоксильная группа, расположенная в концевом фрагменте молекулы, которая не обсуждается в настоящем описании). Жирные кислоты классифицируют на насыщенные или ненасыщенные кислоты в зависимости от числа двойных связей в составе кислоты. Если молекула содержит максимально возможное число атомов водорода, то она является насыщенной, в противном случае молекула является ненасыщенной.

Атомы углерода являются четырехвалентными, образующими четыре ковалентные связи с другими атомами, в то время как атомы водорода образуют связь только с одним другим атомом. В насыщенных жирных кислотах каждый атом углерода соединен с двумя соседними атомами углерода, а также с двумя атомами водорода. В ненасыщенных жирных кислотах атомы углерода с недостаточным количеством атомов водорода образуют между собой двойные связи, а не простые связи, таким образом, каждый атом углерода образует четыре связи.

На практике гидрирование ненасыщенных двойных связей углерод-углерод обычно используют при переработке нефти и дальнейшей химической переработке, а также при переработке растительных масел. Основной целью гидрирования является повышение стабильности масла и/или изменение его физических свойств. Хотя настоящее изобретение в основном относится к гидрированию жирных кислот, указанный способ можно использовать для любого ненасыщенного жидкого углеводорода, включая нефтепродукты.

Г идрирование ненасыщенной жирной кислоты происходит при взаимодействии атомов водорода с кислотой, при этом двойные связи превращаются в простые связи, в результате новые атомы водорода присоединяются к атомам углерода, которые были присоединены двойной связью (т.е. образуется четырехвалентный атом углерода, содержащий 4 атома водорода). При полном гидрировании молекула содержит максимальное количество атомов водорода (другими словами, ненасыщенная жирная кислота превращается в насыщенную кислоту). При частичном гидрировании атомы водорода присоединяются к некоторым двойным связям, т.е. происходит восстановление только части двойных связей. В случае промышленного гидрирования обычно происходит частичное восстановление для повышения стабильности и/или получения более пластичного жира, который является твердым при комнатной температуре, но плавится при выпекании (или потреблении).

Масла, экстрагируемые из растительных семян и из продуктов, таких как соя, кукуруза, рапс и т.п., состоят в основном из триглицеридов, т.е. молекулы глицерина, к которой присоединены три молекулы жирных кислот. Растительные масла, полученные из различных источников, отличаются друг от друга по остатку жирной кислоты в составе триглицеридов. Жирные кислоты различаются длиной углеродной цепи и числом двойных связей в углеродной цепи. Большинство жирных кислот в составе растительных масел содержат углеродную цепь длиной от приблизительно С₈ до приблизительно С₂о.

Гидрированные растительные масла обычно получают при контактировании газообразного водорода с растительным маслом в присутствии катализатора. Гидрирование используют, например, для повышения химической стабильности триглицеридов в составе масла и/или для повышения содержания триглицеридов, которые являются твердыми при комнатной температуре в результате взаимодействия водорода с двойными связями углерод-углерод в остатках жирных кислот в составе триглицеридов.

Растительные жиры и масла на основе триглицеридов можно превращать в процессе частичного или полного гидрирования в жиры и масла с более высокой температурой плавления. Процесс гидриро- 1 020736 вания обычно включает барботаж масла водородом при высокой температуре и давлении в присутствии катализатора, обычно порошкообразного соединения никеля. По мере того как каждая двойная связь в составе триглицерида разрушается, два атома водорода присоединяются к атомам углерода, образующим двойную связь, с образованием простых связей. Удаление двойных связей при присоединении атомов водорода называют насыщением, по мере увеличения степени насыщения масло переходит в полностью гидрированное состояние. Масло гидрируют для снижения его способности быть прогорклым (окисляться) или для изменения его физических характеристик. По мере увеличения степени насыщенности вязкость и физическое состояние масла изменяются (переход из жидкого состояния в твердое).

Применение гидрированных масел в пищевых продуктах никогда не приводило к полностью удовлетворительным результатам. В связи с тем, что центральная боковая группа триглицерида в некоторой степени экранируется концевыми группами триглицерида, гидрирование в основном происходит в концевом фрагменте триглицеридов. В результате образуется более ломкий жир. Маргарин, полученный из природных более насыщенных тропических жиров, более пластичен (более легко намазывается) по сравнению с маргарином, полученным из гидрированного соевого масла. Кроме того, частичное гидрирование приводит к образованию транс-жиров, которые начиная приблизительно с 1970-х гг. считаются вредными для здоровья. В стандартных гидрированных растительных маслах в процессе гидрирования многие двойные связи превращаются из цис-конформации в транс-конформацию. В настоящее время указанные транс-жирные кислоты не рекомендуется использовать для потребления человеком в связи с тем, что транс-жирные кислоты оказывают отрицательное воздействие на организм, например вызывают гиперхолестеринемию.

В связи с повышенными требованиями органов здравоохранения к содержанию транс-жиров в пищевых продуктах в настоящее время существует необходимость в получении пищевых жиров и масел, для которых на этикетке можно указать содержание транс-жира 0%. В соответствии с существующими в настоящее время положениями, опубликованными администрацией США по контролю пищевых продуктов и лекарственных соединений (ΡΏΑ), действующими с 1 января 2006 г, маркировка содержание транс-жира 0% допускается для продуктов с содержанием транс-жира менее 0,5 г/порцию (федеральный регистр 68, 41434 (2003)). Использованный в данном контексте термин низкое содержание транс-жира означает, что содержание транс-жира позволяет квалифицировать содержащие их продукты с маркой содержание транс-жира 0% в соответствии с указанными положениями.

Продукты с низким содержанием транс-жира (например, некоторые маргарины и гидрированные растительные масла) обычно получают из смеси переэтерифицированных жиров, ненасыщенных растительных масел, насыщенных растительных масел и их смесей. Хотя указанные способы обеспечивают получение продукта с низким содержанием транс-жира, в большинстве случаев указанный продукт характеризуется высоким содержанием насыщенных жиров. Насыщенные жиры также не рекомендуются для потребления человеком в связи с отрицательным действием на организм. Описаны другие способы уменьшения образования транс-жиров, заключающиеся в сведении к минимуму образования насыщенного жира, но ни один из известных способов не позволяет получать удовлетворительные результаты. Например, содержание стеариновой кислоты (С_18:0) в гидрированном масле можно снизить за счет охлаждения и отвердения насыщенного жира с последующим физическим разделением смеси, как известно специалистам в данной области (см. справочник Ροοά 1пби51г1С5 Мапиа1, 24-е изд., СНг15ЮрНег Ο.Ι Вакег, 8ртт§ет, р. 289-291 (1997)). Опубликовано множество патентов, в которых описано гидрирование триглицеридов для контроля содержания транс-жира или содержания насыщенных жиров.

В патенте И8 № 5064670 (Нйъйогп е! а1.) описаны жир для жарки, характеризующийся сниженной концентрацией насыщенных соединений, способ жарки пищевых продуктов, а также способ выпекания кондитерских изделий, таких как пончики. Указанные жировые продукты получают при смешивании различных масел и получают продукт с требуемыми свойствами для жарки или выпекания кондитерских изделий.

В патенте И8 № 5194281 (ΙοΙιιΜοη е! а1.) описаны полиэфиры жирных кислот и полиолов, характеризующиеся сниженным содержанием двойных связей в транс-конформации, и способ их получения.

В заявке И8 № 2005/0027136 А1 (Уап Τοοτ е! а1.) описан способ гидрирования растительных масел в присутствии активированного катализатора. В способе используют давление от приблизительно 7 до приблизительно 30 бар (от приблизительно 100 до более 400 фунтов/кв.дюйм), а время реакции составляет от 100 до более 400 мин. В заявке Уап Τοοτ е! а1. отмечается, что указанное продолжительное гидрирование (460 мин) является чрезмерно дорогостоящим для обработки дешевых масел для жарки, маргаринов, жиров для хлебопекарной промышленности или аналогичных отраслей пищевой промышленности. Большинство промышленного оборудования, используемого для гидрирования, эксплуатируют при давлении от 4,1 бар (60 фунтов/кв.дюйм), время реакции составляет от 60 до 90 мин. Йодные числа гидрированных масел, получение которых описано в примерах, не приводятся, в связи с этим нельзя определить степень гидрирования. За редким исключением при температуре ниже 480°С в отсутствие металлического катализатора органические соединения не взаимодействуют с водородом. Катализатор связывается одновременно с водородом и ненасыщенным субстратом и ускоряет их взаимодействие. Металлы платиновой группы, прежде всего платина, палладий, родий и рутений, являются высокоактивными ка- 2 020736 тализаторами. Высокоактивные катализаторы действуют при более низких температурах и более низких давлениях Н₂. Катализаторы на основе неблагородных металлов, прежде всего катализаторы на основе никеля (такие как никель Ренея и никель Урушибары), были разработаны в качестве экономичных альтернативных вариантов, но в большинстве случаев они действуют медленнее и/или требуют более высоких температур. Оптимальный вариант способа выбирают в зависимости от активности (скорости реакции) и стоимости катализатора, а также стоимости оборудования, которое требуется для эксплуатации при высоких давлениях. Известны два больших семейства катализаторов: гомогенные и гетерогенные катализаторы. Гомогенные катализаторы растворяют в растворителе, который содержит ненасыщенный субстрат. Гетерогенные катализаторы являются твердыми, и их суспендируют с субстратом в одном и том же растворителе или обрабатывают в присутствии газообразного субстрата. В фармацевтической промышленности и для определенных химических процессов в некоторых случаях используют растворимый гомогенный катализатор, такой как соединение на основе родия, известное как катализатор Уилкинсона, или катализатор Крабтри на основе иридия. Активность и селективность катализаторов регулируют при изменении среды, окружающей металл, т.е. координационной сферы. Например, различные внешние поверхности кристаллического гетерогенного катализатора проявляют различную активность. Аналогичным образом, на гетерогенные катализаторы влияют их подложки, т.е. материал, к поверхности которого присоединен катализатор. На гомогенные катализаторы оказывают влияние их лиганды. Во многих случаях в высокой степени эмпирические модификации включают селективные яды. Таким образом, тщательно выбранный катализатор можно использовать для гидрирования некоторых функциональных групп, не затрагивая другие группы, например, для гидрирования алкенов, не затрагивая ароматические кольца, или селективного гидрирования алкинов до алкенов с использованием катализатора Линдлара. Для прохиральных субстратов селективность катализатора подбирают таким образом, чтобы получить только один энантиомерный продукт.

Ненасыщенные триглицериды устойчивы к гидрированию и обычно для обеспечения удовлетворительного гидрирования требуется высокая температура, высокое давление, продолжительное гидрирование или комбинация указанных параметров. Обычно ненасыщенные триглицериды гидрируют газообразным водородом в присутствии по меньшей мере от 0,2 до 0,5% никелевого катализатора гидрирования и, кроме того, в некоторых случаях при температуре равной или более 150°С при давлении от 4 бар (60 фунтов/кв.дюйм) до 7 бар (100 фунтов/кв.дюйм) и более. Требуемое время составляет по меньшей мере от 1 до 8 ч или более в зависимости от требуемой степени гидрирования. В отличие от этого, гидрирование глицеридных масел (которые обычно поддаются гидрированию) обычно завершается в течение относительно короткого периода времени при температуре приблизительно 100-260°С и давлении приблизительно от 0 бар (0 фунтов/кв.дюйм) до 7 бар (100 фунтов/кв.дюйм). Таким образом, жирные кислоты считаются устойчивыми к гидрированию по сравнению и в отличие от глицеридных масел. Гидрирование жирных кислот и глицеридных масел в общих чертах описано в книге ВаФеу'8 1пФи51па1 ОН апФ Райу РгоФисК 1и1ег8С1еисе РиЬФкйегк, Нью Йорк, 3¹'¹ ЕФ., р. 9-896 (1964), включенной в полном объеме в настоящее описание в качестве ссылки. Непрерывный способ гидрирования жирных кислот описан также в патентах И8 № 5382717 и 4847016, которые в полном объеме включены в настоящее описание в качестве ссылок.

Как следует из представленного выше обсуждения, при разработке способов гидрирования жирных кислот основное внимание уделяется усовершенствованию катализаторов гидрирования. С этой точки зрения в настоящем описании рассматриваются способы повышения эффективности массопереноса водорода в ненасыщенные жирные кислоты или способы снижения температуры реакции гидрирования.

Для повышения скорости реакций, в отличие от реакции гидрирования жирных кислот, предложено множество устройств. Например, в книге δΐιαίι е1 а1. (СауйаФои КеасФои ЕидшееФид, Ι8ΒΝ 06461412) описан способ ускорения химических реакций за счет использования гидродинамической кавитации. Гидродинамическая кавитация происходит, когда изменение давления, вызванное изменением скорости потока жидкости, приводит к фазовому переходу и быстрому увеличению температуры и давления, что, в свою очередь, приводит к ускорению химической реакции.

В стандартных реакторах в большинстве случаев время контактирования реагентов и/или катализатора контролируют при смешивании, которое обеспечивает контакт двух или более реагентов, участвующих в химической реакции. Разработаны различные усовершенствования, направленные на максимально возможное использование смешивания и смесителей для ускорения химических реакций.

Смесители с высокой скоростью сдвига и высокоэнергетические смесители являются широко известными устройствами, применение которых описано для проведения некоторых химических реакций. Например, в патенте И8 № 7138434 (НиГГ е1 а1.) описан способ превращения синтез-газа в высшие углеводороды при подаче питающего потока синтез-газа в непрерывно перемешиваемую реакторную систему, включающую корпус реактора, содержащий суспензию твердых частиц катализатора ФишераТропша, суспендированных в жидкой среде.

В патенте И8 № 6822007 (КеФеу е1 а1.) описан способ превращения синтез-газа в высшие углеводороды с использованием зоны смешивания с высокой скоростью сдвига и трубчатого реактора с циркуляцией, где зона смешивания с высокой скоростью сдвига включает в себя сопловый смеситель.

- 3 020736

В патенте И8 № 6502980 (Еккйот с1 а1.) описано применение поточного гомогенизатора с использованием роторов и статоров с кожухом для получения эмульсий, суспензий и смесей, используемых в фармацевтических, биологических, косметических, химических и пищевых композициях.

В заявке И8 № 20050130838 (Эиап. Хие с1 а1.) описано применение реактора с коллоидной мельницей для получения катализатора на основе твердых магнитных наночастиц.

В патенте И8 № 5369167 (РоШск е1 а1.) описан способ смешивания из расплава пеллетов привитого блок-сополимера кислоты или ангидрида с эпоксидной смолой. Модифицированную эпоксидной смолой блок-сополимерную смесь выдерживают при смешивании с высокой скоростью сдвига в условиях, обеспечивающих взаимодействие некоторого количества функциональных групп модифицированного гидрированного блок-сополимера с эпоксигруппами, что позволяет получать стабильную дисперсию модифицированного гидрированного блок-сополимера в эпоксидной смоле.

Термин смеситель с высокой скоростью сдвига используют для описания немеханических смесителей. В патенте И8 № 6235961 (КитиксЫ) описан способ предварительной обработки крекинг-газа перед щелочной обработкой в башне на заводах по производству этилена, который позволяет значительно повысить эффективность и емкость башни для щелочной обработки за счет использования смесителя с высокой скоростью сдвига, такого как поточный, прямоточный статический смеситель или скруббер Вентури, для обработки крекинг-газа щелочным раствором.

В связи с необходимостью обеспечения контактирования между реагентами в химических реакциях в предшествующем уровне техники при описании условий реакции в большинстве случаев используют термины, такие как смешивание, смешивание с высокой скоростью сдвига, быстрое смешивание и т.п. Указанные неколичественные параметры, которые в большинстве случаев используют для описания эффективности смешивания, практически не дают информации об их влиянии на общую скорость реакции с участием указанных реагентов.

В настоящее время в промышленности существует необходимость в усовершенствованных способах и катализаторах гидрирования композиций жирных кислот. Усовершенствованный катализатор и/или способ позволит снизить или устранить проблемы, связанные с известными в предшествующем уровне техники катализаторами и способами. Указанные проблемы включают, без ограничения перечисленным, получение продуктов без вкуса или запаха и/или неприятное ощущение в ротовой полости, продолжительное время реакции гидрирования, которое снижает производительность процесса, применение дорогостоящих катализаторов (как в случае с катализаторами на основе платины), применение избыточного давления и/или температуры реакции, образование жирных кислот, не обладающих требуемой стабильностью, которая необходима при жарке на пищевых предприятиях, и/или недостаточно низкое содержание транс-жира и насыщенного жира, которое не соответствует современным критериям для потребителей и экспертов органов здравоохранения. Указанный усовершенствованный способ гидрирования позволяет ускорить реакцию гидрирования, например, за счет повышения растворимости газообразного водорода в жидкой фазе и/или повышения активности катализатора.

Сущность изобретения

В настоящем изобретении описаны способ и системы гидрирования композиции жирных кислот, а также катализаторы гидрирования. Задачей настоящего изобретения является получение стабильного гидрированного растительного масла с низким содержанием транс-жира и насыщенного жира, которое можно использовать для множества продуктов, включая, без ограничения перечисленным, жидкие растительные масла, масло для жарки, стабилизаторы арахисового масла, косметические средства, кондитерские изделия, глазури, хлебобулочные изделия, готовые смеси для кексов и маргарин, а также для применения в промышленности, включая меловое покрытие бумаги, и в качестве заменителя нефтяного воска.

Другой задачей настоящего изобретения является получение гидрированного растительного масла, характеризующегося улучшенным внешним видом продукта, консистенцией и стабильностью, а также предлагается способ получения указанного масла. В данном контексте описан способ получения гидрированного растительного масла, характеризующегося улучшенным внешним видом продукта, консистенцией и стабильностью. Варианты осуществления настоящего изобретения включают гидрированное растительное масло, которое характеризуется сниженным содержанием транс-жирных кислот, а также низким содержанием насыщенных жиров.

В другом аспекте настоящего изобретения рассматривается контактирование водорода и масла в устройстве с высокой скоростью сдвига для увеличения площади поверхности и контактирования водорода, катализатора и масла. Без ссылки на какую-либо теорию, в устройстве с высокой скоростью сдвига создаются также локальные давление и температура, которые ускоряют реакцию гидрирования. Высокую скорость сдвига используют для повышения диспергирования и растворимости водорода в фазе триглицеридов. Указанный новый способ, используемый в отдельности или в комбинации с другими объектами настоящего изобретения, позволяет проводить гидрирование при более низкой температуре и/или давлении по сравнению со стандартными условиями гидрирования, при этом время проведения реакции остается сопоставимым со стандартным временем проведения реакции. В другом варианте гидрирование проводят в течение более короткого периода времени при стандартных температурах и/или

- 4 020736 давлениях.

В настоящем изобретении описана система гидрирования, включающая по меньшей мере одно устройство высокой скорости сдвига, содержащее по меньшей мере одно входное отверстие для потока ненасыщенного жидкого жира или масла, по меньшей мере одно входное отверстие для потока газообразного водорода и выходное отверстие для дисперсии пузырьков газообразного водорода со средним размером пузырька менее приблизительно 5 мкм.

В некоторых вариантах система, кроме того, содержит, по меньшей мере, резервуар, расположенный после по меньшей мере одного устройства с высокой скоростью сдвига, при этом входное отверстие резервуара соединено с выходным отверстием устройства с высокой скоростью сдвига для потока дисперсии. Резервуар включает, кроме того, выходное отверстие для рециркулирующего потока, при этом выходное отверстие для рециркулирующего потока соединено с входным отверстием для потока, содержащего ненасыщенные жидкие жиры, или соединено с выходным отверстием по меньшей мере одного устройства с высокой скоростью сдвига для потока смеси.

Система включает в себя также насос, который повышает давление рециркулирующего потока перед подачей по меньшей мере в одно устройство высокой скорости сдвига.

В некоторых вариантах система высокой скорости сдвига включает в себя по меньшей мере два устройства с высокой скоростью сдвига. В некоторых вариантах по меньшей мере два устройства с высокой скоростью сдвига соединены последовательно.

В настоящем изобретении описан также способ гидрирования жиров, который заключается в том, что водород и триглицериды и/или ненасыщенные жирные кислоты подвергают действию высокой скорости сдвига по меньшей мере в одном устройстве высокой скорости сдвига, где по меньшей мере одно устройство высокой скорости сдвига содержит входное отверстие для потока ненасыщенного жира или масла, по меньшей мере одно входное отверстие для потока газообразного водорода и выходное отверстие для дисперсии, и образование дисперсии, содержащей пузырьки газообразного водорода со средним размером пузырька менее приблизительно 5 мкм, при этом водород взаимодействует с ненасыщенными жирами или маслом, и происходит, по меньшей мере, частичное насыщение ненасыщенных жиров или масла. В других вариантах диаметр пузырьков составляет менее приблизительно 0,4 мкм.

Указанный способ, кроме того, заключается в том, что дисперсия контактирует с катализатором гидрирования. Катализатор могут выбирать из группы, включающей железо, рутений, осмий, кобальт, родий, иридий, никель, палладий, платину или комбинации указанных металлов. В некоторых вариантах водород взаимодействует с ненасыщенными жирами или маслом, и происходит, по меньшей мере, частичное насыщение ненасыщенных жиров или масла при температуре реакции менее приблизительно 100°С. В других вариантах водород взаимодействует с ненасыщенными жирами, и происходит, по меньшей мере, частичное насыщение ненасыщенных жиров при температуре реакции менее приблизительно 70°С. В других вариантах водород взаимодействует с ненасыщенными жирами, и происходит, по меньшей мере, частичное насыщение ненасыщенных жиров при температуре реакции менее приблизительно 35°С.

В некоторых вариантах предложенного способа при контактировании дисперсии с катализатором гидрирования получают, по меньшей мере, частично гидрированный продукт посредством введения дисперсии в реактор с неподвижным слоем катализатора.

Поток, содержащий триглицериды и/или ненасыщенные жирные кислоты, включает, кроме того, катализатор гидрирования.

Способ гидрирования заключается, кроме того, в том, что перед подачей газообразного водорода в поток, содержащий триглицериды или ненасыщенные жирные кислоты, катализатор смешивают с потоком, содержащим триглицериды и/или ненасыщенные жирные кислоты, при этом получают суспензию. Смешивание катализатора с потоком, содержащим триглицериды и/или ненасыщенные жирные кислоты, для получения суспензии производят посредством контактирования катализатора и жидкого потока в реакторе, содержащем выходное отверстие для рециркулирующего потока, соединенное текучей средой с входным отверстием для потока ненасыщенного жира или масла по меньшей мере одного устройства с высокой скоростью сдвига, выходное отверстие для газа и входное отверстие для дисперсии, при этом суспензию подают из реактора по меньшей мере через одно выходное отверстие для рециркулирующего потока по меньшей мере в одно устройство высокого сдвига, а дисперсию подают в реактор по меньшей мере из одного устройства высокого сдвига через входное отверстие для дисперсии. Реактор поддерживают при атмосферном давлении.

Водород непрерывно подают в суспензию, выходящую из реактора, и суспензия циркулирует в системе до достижения требуемой степени насыщения.

В некоторых вариантах ненасыщенные жирные кислоты выбирают из группы, включающей тетрадеценовую, пальмитолеиновую, олеиновую, линолевую, альфа-линоленовую, арахидоновую, эйкозапентаеновую, эруковую, докозагексаеновую кислоты и комбинации указанных кислот.

В других вариантах поток триглицеридов выбирают из группы, включающей растительное масло, рапсовое масло, животные жиры, кукурузное масло, масло канолы, оливковое масло, хлопковое масло, сафлоровое масло, пальмовое масло, соевое масло, подсолнечное масло, арахисовое масло, кокосовое

- 5 020736 масло и комбинации указанных масел.

В некоторых вариантах иное число триглицеридов и/или ненасыщенных жирных кислот снижается по меньшей мере на 10%.

В другом новом объекте настоящего изобретения предлагается применение в процессе гидрирования инертного газа или органического растворителя, что позволяет проводить гидрирование без высокой конверсии ненасыщенных жирных кислот из цис-конформации в транс-конформацию и контролировать степень насыщения в процессе гидрирования. Добавление инертного газа, такого как азот, и/или добавление органического растворителя позволяет изменять скорость реакции в процессе гидрирования. Без ссылки на какую-либо теорию можно предположить, что инертный газ или органический растворитель обеспечивает более равномерное термическое и физическое контактирование между катализатором, водородом и маслом.

В связи с этим поток, содержащий триглицериды и/или ненасыщенные жирные кислоты, кроме того, включает в себя органический растворитель. В некоторых вариантах органическим растворителем является гексан.

Катализатор, используемый в описанном выше способе, активируют при нагревании в активационном сосуде, содержащем катализатор, и подаче активирующего газа в катализатор под давлением выше атмосферного. Активирующий газ, кроме того, содержит газ, выбранный из группы, включающей водород, СО₂, Не, азот и комбинации указанных газов. Активация катализатора, кроме того, включает продувку газом активационного сосуда в ходе активации.

В настоящем изобретении описаны также способы активации коммерческих катализаторов гидрирования, при этом получают более эффективный катализатор для гидрирования ненасыщенных жирных кислот. Применение указанного активированного катализатора позволяет экспонировать более активные каталитические участки по сравнению с исходными неактивированными коммерческими катализаторами и снижает количество оксидов и других примесей в гидрированном масле. В других вариантах для активации катализатора используют газообразный водород. Способ активации катализатора гидрирования заключается в том, что катализатор нагревают в активационном сосуде, в сосуд подают активирующий газ для создания в сосуде давления выше атмосферного и выдерживают сосуд при повышенном давлении в течение активации, при этом в ходе активации сосуд продувают газом. В некоторых вариантах активирующий газ включает по меньшей мере один газ, выбранный из группы, содержащей водород, азот, гелий, монооксид углерода и комбинации указанных газов.

В настоящем изобретении предлагается также способ уменьшения образования транс-жиров, образующихся при гидрировании ненасыщенных жиров, который заключается в том, что используют описанную выше высокую скорость сдвига, активацию катализатора и органический растворитель. Указанный способ заключается в том, что ненасыщенные жиры и органический растворитель контактируют с водородом в присутствии катализатора гидрирования, при этом перед гидрированием катализатор гидрирования активируют при продувке активирующим газом сосуда, содержащего катализатор, для создания в сосуде давления выше атмосферного и в ходе активации сосуд продувают газом. Активирующий газ включает по меньшей мере один газ, который выбирают из группы, включающей азот, гелий, диоксид углерода и комбинации указанных газов. Органическим растворителем является гексан.

Указанное выше краткое описание признаков и технических преимуществ настоящего изобретения представлено для понимания подробного описания настоящего изобретения, которое следует ниже. Указанные и дополнительные признаки и преимущества, которые описаны в пунктах формулы настоящего изобретения, представляются очевидными для специалистов в данной области техники. Следует понимать, что специалисты в данной области техники могут использовать на практике концепцию и описанные конкретные варианты осуществления настоящего изобретения в качестве базы для модификации или разработки других систем аналогичного назначения. Специалистам в данной области техники также представляется очевидным, что указанные эквивалентные конструкции включены в объем настоящего изобретения, не выходя за пределы сущности и объема изобретения, как определено ниже в формуле изобретения.

Перечень фигур, чертежей и иных материалов

Для более подробного описания предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения прилагаются следующие фигуры.

На фиг. 1 представлена схема стандартной конструкции реактора гидрирования с мешалкой и нагревательным кожухом. Указанную конструкцию предшествующего уровня техники можно использовать в комбинации с активированным катализатором, подачей инертного газа и/или добавлением органического растворителя по настоящему изобретению.

На фиг. 2 представлена общая технологическая схема варианта системы гидрирования с высокой скоростью сдвига, включающей устройство с высокой скоростью сдвига.

На фиг. 3 представлена технологическая схема, иллюстрирующая усовершенствование системы гидрирования с высокой скоростью сдвига, где газ, поступающий из выходного отверстия устройства с высокой скоростью сдвига, повторно поступает в нижний узел откачки устройства с высокой скоростью сдвига.

- 6 020736

На фиг. 4 представлена общая технологическая схема другого варианта системы гидрирования с высокой скоростью сдвига по настоящему изобретению, при этом указанный вариант включает в себя два устройства с высокой скоростью сдвига.

На фиг. 5 представлена схема реактора, используемого в варианте осуществления настоящего изобретения для получения активированного катализатора гидрирования.

На фиг. 6 представлена микрофотография (увеличение в 20 и в 50 раз) образца масла из выходного отверстия устройства с высокой скоростью сдвига и указан размер пузырьков.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Условные обозначения и номенклатура.

Некоторые термины, использованные в описании настоящего изобретения и в пунктах формулы изобретения, относятся к особым компонентам системы. В данном контексте компоненты с различными названиями, но с одинаковой функцией, не различаются.

Использованный в данном контексте термин многофазные относится к реакциям, в которых взаимодействуют две или более различные фазы.

Использованный в данном контексте термин жир включает все триглицериды, независимо от их происхождения и физического состояния (твердого или жидкого) при комнатной температуре.

Термин жир включает, без ограничения перечисленным, растительные и животные жиры и масла, находящиеся в нормальных условиях в жидком или твердом состоянии. Использованный в данном контексте термин масло означает жиры, которые являются жидкими в неактивированном состоянии, а также продукты, содержащие ненасыщенные двойные связи углерод-углерод, такие как, без ограничения перечисленным, неочищенное масло. Указанные масла получают в процессах переработки нефти и химической обработки, а также при переработке растительных масел.

Указанные термины включают природные и синтетические жиры и масла, хотя настоящее изобретение в основном относится к пищевым жирам. Указанная группа включает жирные кислоты, которые, например, содержат длинные углеродные цепи, обычно с длиной цепи, такой как от С₆ до С₂₀.

Использованный в данном контексте термин пищевой жир или базовое масло означает масло, которое в основном является жидким при комнатной температуре и характеризуется йодным числом более 70, более предпочтительно более 90. Базовое масло является негидрированным маслом или частично гидрированным маслом, модифицированным маслом или смесью указанных масел.

Использованный в данном контексте термин насыщенные соединения, насыщенный жир и насыщенные жирные кислоты означает С₄-С₂₆-жирные кислоты или их сложные эфиры, не содержащие ненасыщенные фрагменты, если не указано иное. Как описано в разделе Примеры, композицию триглицеридов жирных кислот получают по методике американского химического общества АОС8 (Атепсап Οίΐ ΟιοιηίδΙδ' δοοίοίν) О£йе1а1 Мейюй Се 2-66, 2211 (^. Вгай1еу Ауе., СЬатра1ди, 1Ь).

Использованные в данном контексте термины транс-соединения, транс-жирные кислоты, транс-изомеры и транс-изомеры жирных кислот означают жирные кислоты и/или их сложные эфиры, содержащие двойные связи в транс-конфигурации, обычно образующиеся в результате гидрирования или частичного гидрирования жира. Как описано в разделе Примеры, определение количества транс- и цисизомеров проводят по методике, описанной АОС8 О£йс1а1 Мейюй Се 1с-89.

Использованный в данном контексте термин йодное число, или ИЧ, означает количество йода в граммах, которое эквивалентно количеству галогена, поглощенного 100 г образца жира. ИЧ является мерой ненасыщенных связей в составе жира. Например, как описано в разделе Примеры, йодное число определяют по методике АОС8 Кесоттеийей Ргасйсе Сй 1с-85.

Использованный в данном контексте термин скорость вращения насадки означает скорость вращения (футов/мин или м/с) насадки одного или более вращающихся элементов, которые создают механическую силу, прилагаемую к реагентам.

Использованный в данном контексте термин устройство с высокой скоростью сдвига относится к роторно-статорным устройствам, которые обеспечивают скорость вращения насадки более 305 м/с (1000 футов/мин).

Использованный в данном контексте термин нормальное состояние относится к газообразному соединению при температуре 20°С и давлении 1 атм.

В следующем обсуждении и в пунктах формулы настоящего изобретения термины включающий и содержащий относятся к группе терминов неограниченного состава, т.е. указанные термины можно интерпретировать как группу, включающую, без ограничения перечисленным ....

Все приведенные в данном контексте количества приведены в массовых процентах, если не указано иное.

- 7 020736

Введение

В настоящем изобретении предлагаются система и способ гидрирования с использованием по меньшей мере одного внешнего механического устройства с высокой скоростью сдвига для обеспечения быстрого контактирования и смешивания химических ингредиентов в контролируемых условиях в устройстве с высокой скоростью сдвига. Устройство с высокой скоростью сдвига снижает ограничения массопереноса в реакции и, таким образом, повышает общую скорость гидрирования. В устройстве с высокой скоростью сдвига создаются также локальное давление и температура, которые ускоряют гидрирование.

В настоящем изобретении предлагаются также способы активации катализатора гидрирования, которые позволяют усовершенствовать процесс гидрирования. Катализатор, активированный по настоящему изобретению, можно использовать в стандартных способах гидрирования или частично использовать в процессе гидрирования с высокой скоростью сдвига, описанном в данном контексте.

В настоящем изобретении предлагаются также способы гидрирования, заключающиеся в том, что в некоторых объектах для повышения степени гидрирования подают инертный газ и/или используют органический растворитель, для уменьшения образования транс-жира в частично гидрированном продукте.

В стандартных реакторах время контактирования реагентов и/или катализатора в большинстве случаев контролируется смешиванием, которое обеспечивает контактирование двух или более реагентов, принимающих участие в химической реакции. В вариантах осуществления способа по настоящему изобретению используют внешнее устройство с высокой скоростью сдвига для снижения ограничений массопереноса и, следовательно, для перехода в кинетическую область протекания процесса.

При увеличении скорости реакции снижается время пребывания в реакторе, и в связи с этим повышается производительность. В другом варианте, если суточный выход является приемлемым, то снижение требуемого времени пребывания позволяет использовать более низкие температуры и/или давления по сравнению со стандартными способами гидрирования. Кроме того, в гомогенных реакциях гидрирования (т.е. в отсутствие твердого катализатора) предложенный способ обеспечивает более равномерное распределение температуры в пределах реактора, повышая степень гидрирования.

В настоящем изобретении неожиданно было установлено, что реакторы с высокой скоростью сдвига действительно ускоряют реакции гидрирования в описанных нижеуказанных условиях (время реакции и давление), которые ранее являлись неосуществимыми.

I. Система А.

Описание стандартной системы гидрирования.

На фиг. 1 схематически показана стандартная система гидрирования 100. Система 100 включает в себя реактор 10, снабженный внутренней лопастной мешалкой 28, охлаждающим змеевиком 27 и нагревательным кожухом 30. Реактор 10 включает также газовый инжекторный клапан 29, клапан сброса давления 3, нагнетательный клапан 23, температурный датчик 25 и манометр 26. Нагревательный кожух 30 обеспечивает нагревание реактора 10.

В некоторых вариантах реактор 10 выбирают из большого количества произведенных реакторов. Хотя в приведенных ниже примерах описаны реакторы емкостью от 500 мл до 10 л, можно также использовать реакторы других размеров.

В других вариантах активированный катализатор гидрирования, добавление инертного газа и/или добавление органического растворителя можно использовать в стандартной системе гидрирования, как показано на фиг. 1, или в системе гидрирования с высокой скоростью сдвига, описание которой представлено ниже.

Б. Описание системы гидрирования с высокой скоростью сдвига.

На фиг. 2 представлена схема процесса типичной системы гидрирования с высокой скоростью сдвига 100, предназначенной для получения композиций гидрированных жирных кислот. Основными компонентами системы являются внешнее устройство с высокой скоростью сдвига 40, реактор 10 и насос 5. Пунктирные линии на фиг. 2 используются для обозначения дополнительных стадий (не показаны), которые в некоторых вариантах способа по настоящему изобретению расположены между реактором 10, внешним устройством с высокой скоростью сдвига 40 и насосом 5. Например, в некоторых вариантах дополнительно используют насос 6.

Питающий газовый поток.

Диспергируемый газовый поток 22 включает водород, который диспергируют в жидком растворе 12 в устройстве с высокой скоростью сдвига 40. Жидкий раствор 12 включает масло, предназначенное для гидрирования. В некоторых вариантах диспергируемый газовый поток 22 непрерывно поступает в жидкий раствор 12, при этом образуется питающий поток 13, поступающий в устройства с высокой скоростью сдвига. В других вариантах скорость подачи диспергируемого газового потока 22 составляет приблизительно более 50 см³/мин. В еще одном варианте скорость подачи диспергируемого газового потока 22 составляет приблизительно более 80 см³/мин. В другом варианте скорость подачи диспергируемого газового потока 22 составляет от приблизительно 0,085 м³/ч (3 футов³/ч) до приблизительно 0,14 м³/ч (5 футов³/ч).

- 8 020736

Жидкий раствор.

В некоторых вариантах жидкий раствор 12 содержит ненасыщенное базовое масло, предназначенное для гидрирования. Базовое масло содержит природные или синтетические ненасыщенные триглицериды, жирные кислоты и производные жирных кислот. В способе по настоящему изобретению можно гидрировать также нефтяные масла с некоторой степенью ненасыщенности. Примеры жирных кислот включают, без ограничения перечисленным, тетрадеценовую, пальмитолеиновую, олеиновую, линолевую, альфа-линоленовую, арахидоновую, эйкозапентаеновую, эруковую, докозагексаеновую кислоты или комбинации указанных кислот. Источниками жирных кислот служат обычно субстраты природного происхождения. Пригодные субстраты природного происхождения включают, без ограничения перечисленным, растительное масло, рапсовое масло, животные жиры, кукурузное масло, масло канолы, оливковое масло, хлопковое масло, сафлоровое масло, пальмовое масло, соевое масло, подсолнечное масло, арахисовое масло, кокосовое масло или другие масла и триглицериды природного происхождения, а также жирные кислоты и/или производные жирных кислот, полученные из жирных кислот липолизом, такие как, например, С₈-С₂₂-жирные кислоты. В табл. 1 приведены химические названия, длина углеродной цепи и число двойных связей некоторых распространенных жирных кислот.

Таблица 1

Состав и номенклатура жирных кислот

С8 Октановая кислота	С18 Стеариновая кислота
С1о Каприновая кислота	С18:1 Олеиновая кислота
С12 Лауриновая кислота	С18:2 Линолевая кислота
С14 Миристиновая кислота	Οΐ8:3 Линоленовая кислота
С15 Пентадекановая кислота	С20 Арахидоновая кислота
С15:1 Пентадеценовая кислота	С20;1 Эйкозеновая кислота
С16 Пальмитиновая кислота	С22 Бегеновая кислота
Ο16Ί Пальмитолеиновая кислота	С22;1 Эруковая кислота
С17 Гептадекановая кислота	С24 Лигноцериновая кислота
С171 10-Гептадеценовая кислота

При гидрировании двойные связи в составе алкильных групп указанных жирных кислот или триглицеридов можно постепенно полностью гидрировать с последующим отвердением, или, при необходимости, частично гидрировать с образованием продукта, который отвердевает не полностью. В некоторых вариантах исходное триглицеридное масло или жир (в данном контексте базовое масло или исходное сырье) характеризуется йодным числом в диапазоне от приблизительно 70 до приблизительно более 130 и является жидким или твердым при комнатной температуре. Базовое масло обесцвечивают и/или дезодорируют, и указанное масло обычно содержит следовые количества свободных жирных кислот. Источник указанного масла и/или способ, используемый для получения базового масла, в данном случае не имеет значения, а учитывается состояние масла, т.е. негидрированное или частично гидрированное масло.

Масла, которые можно использовать в настоящем изобретении, получают, например, из природных жидких масел, таких как подсолнечное масло, масло канолы, соевое масло, оливковое масло, кукурузное масло, арахисовое масло, сафлоровое масло, подсолнечное масло с высоким содержанием олеиновой кислоты и эфиры глицерина и очищенные метиловые эфиры жирных кислот, эфиры полиглицерина. Пригодные жидкие фракции масел получают из пальмового масла, свиного жира и твердого животного жира, например, фракционированием или прямой переэтерификацией с последующим отделением масла.

Жидкий раствор 12 включает, кроме того, органический растворитель, как обсуждается ниже в примере 5. Пример пригодного органического растворителя содержит гексан, другие пригодные растворители включают растворители с низкой температурой кипения или растворители, которые легко испаряются или удаляются перегонкой, при этом получают растворенное соединение (жирные кислоты). Органические растворители не должны вступать в химические реакции с растворенными в них соединениями.

- 9 020736

Хотя некоторые базовые масла могут окисляться, некоторые содержат природный антиоксидант, а другие по природе устойчивы к окислению. Нет необходимости добавлять антиоксидант в природные стабильные масла, но для масел, которые подвергаются окислению, содержание антиоксиданта, который следует добавлять, зависит от нескольких факторов, включая назначение масла, а также продолжительность, температуру, присутствие кислорода и парциальное давление, при которых обрабатывают масло. В некоторых вариантах концентрация добавляемого антиоксиданта обычно составляет от приблизительно 0,1 до приблизительно 0,5 мас.%.

Можно использовать множество антиоксидантов, включая, без ограничения перечисленным, токоферол, бутилированный гидрокситолуол (ВНТ), бутилированный гидроксианизол (ВНА), четвертичный бутилгидрохинон (ТВНО). этилендиаминтетрауксусную кислоту (ЭДТУ), сложные эфиры галловой кислоты (например, пропилгаллат, бутилгаллат, октилгаллат, додецилгаллат и т.п.), лимонную кислоту, сложные эфиры лимонной кислоты (например, изопропилцитрат и т.п.), гваяковую камедь, нордигидрогваяретовую кислоту (ΝΌΟΑ), тиодипропионовую кислоту, аскорбиновую кислоту, сложные эфиры аскорбиновой кислоты (например, аскорбилпальмитат, аскорбилолеат, аскорбилстеарат и т.п.), винную кислоту, лецитин, метилсиликон, полимерный антиоксидант (аноксомер), растительные экстракты или экстракты из специй и трав (например, розмарин, шалфей, орегано, тимьян, майоран и т.п.) и смеси указанных соединений. В некоторых вариантах в качестве антиоксиданта используют аскорбилпальмитат в комбинации с токоферолом. В других вариантах антиоксидант добавляют в гидрированное масло для повышения его стабильности.

Устройство с высокой скоростью сдвига.

Система гидрирования с высокой скоростью сдвига 100 содержит по меньшей мере одно устройство с высокой скоростью сдвига 40. Устройство с высокой скоростью сдвига 40 служит для создания тонкой дисперсии газообразного водорода 22 в жидком растворе 12, а также для создания локального давления и температуры, которые ускоряют гидрирование. В устройстве с высокой скоростью сдвига 40 газообразный водород и базовое масло находятся в высокодисперсном состоянии, при этом образуются нанои микропузырьки водорода, т.е. достигается высокая степень растворения водорода в растворе базового масла.

Использованный в данном контексте термин устройство с высокой скоростью сдвига 40 означает любое устройство с высокой скоростью сдвига, в котором можно диспергировать или переносить одну фазу или ингредиент (например, жидкость, твердое соединение, газ) в основную непрерывную фазу (например, в жидкость), с которой в нормальных условиях указанный ингредиент не смешивается. Предпочтительно в устройстве с высокой скоростью сдвига используется внешний двигатель с механическим приводом для подачи энергии в поток продуктов, которые вступают в реакцию. Способ по настоящему изобретению включает использование механического устройства с высокой скоростью сдвига для обеспечения быстрого контактирования и смешивания химических ингредиентов в контролируемых условиях реактора/смесителя. Механические устройства с высокой скоростью сдвига включают гомогенизаторы, а также коллоидные мельницы, как обсуждается ниже.

Внешнее устройство с высокой скоростью сдвига 40 является механическим устройством, в котором используется, например, статорно-роторная смесительная головка с фиксированным зазором между статором и ротором. Поток диспергируемого газа 22 и жидкий раствор 12 поступают в отдельности или в виде смешанного потока 13 во входное отверстие устройства с высокой скоростью сдвига 40. При смешивании с высокой скоростью сдвига происходит диспергирование водорода в виде микро- или субмикропузырьков. Таким образом, дисперсионный поток 18 из выходного отверстия устройства с высокой скоростью сдвига содержит дисперсию микро- и/или субмикропузырьков водорода, которую в некоторых вариантах подают в реактор 10 в виде потока 19 во входное отверстие реактора, или в отдельных вариантах необязательно требуется дополнительная обработка перед поступлением в реактор 10. Потоки 18, 19 и содержимое реактора 10 поддерживают при определенной температуре.

Предпочтительно устройство с высокой скоростью сдвига 40 является устройством закрытого типа, что позволяет контролировать давление и температуру реакционной смеси. В некоторых вариантах применение герметичного устройства с высокой скоростью сдвига 40 позволяет использовать реактор 10, давление в котором не контролируется. В связи с тем, что контроль давления в значительном объеме реагентов является более дорогостоящим, включение устройства с высокой скоростью сдвига 40 в систему гидрирования с высокой скоростью сдвига 10 позволит снизить эксплуатационные затраты.

В некоторых вариантах внешнее устройство с высокой скоростью сдвига 40 предназначено для интенсивного смешивания жидкого раствора 12 с потоком газообразного диспергируемого реагента 22. В других вариантах полученная дисперсия включает микропузырьки. В некоторых вариантах полученная дисперсия включает субмикропузырьки, в еще одном варианте в виде наночастиц. В коллоидной химии известно, что в дисперсии субмикрочастиц в жидкости в основном наблюдается броуновское движение. Без ссылки на какую-либо теорию, для объяснения определенных признаков или преимуществ способов по настоящему изобретению можно предположить, что субмикрочастицы газа, образующиеся в устройстве с высокой скоростью сдвига 40, характеризуются большей подвижностью, что облегчает и ускоряет фазовую реакцию газ/жидкость (и/или газ/жидкость/твердое соединение) за счет более эффективного

- 10 020736 взаимодействия реагентов.

В некоторых вариантах размер пузырька в дисперсии 18 составляет от приблизительно 0,4 до приблизительно 1,5 мкм. В других вариантах размер пузырька составляет от приблизительно 0,1 до приблизительно 1,5 мкм. В еще одном варианте полученная дисперсия характеризуется средним размером пузырьков приблизительно менее 1,5 мкм. В некоторых вариантах полученная дисперсия характеризуется средним размером пузырьков приблизительно менее 1 мкм. В других предпочтительных вариантах полученная дисперсия характеризуется средним размером пузырьков приблизительно менее 0,4 мкм. В еще одном варианте смешивание с высокой скоростью сдвига позволяет получать пузырьки водорода, способные находиться в диспергированном состоянии при атмосферном давлении в течение приблизительно 15 мин или более в зависимости от размера пузырька. В примере 9 описано получение пузырьков водорода в устройстве с высокой скоростью сдвига согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

Устройства с высокой скоростью сдвига обычно подразделяют на классы в зависимости от их способности смешивать жидкости. Смешивание означает процесс уменьшения размера частиц или негомогенных частиц в жидкости. Мерой степени или интенсивности смешивания является плотность энергии на единицу объема, которая создается в смесителе для разрушения частиц в жидкости. Классы различают в зависимости от полученной энергетической плотности. Существует три класса промышленных смесителей, в которых создается достаточная энергетическая плотность для эффективного образования смесей или эмульсий с размером частиц в диапазоне от 1 субмкм до 50 мкм.

Гомогенизационные клапанные системы обычно являются высокоэнергетическими устройствами. Обрабатываемую жидкость нагнетают при чрезвычайно высоком давлении через клапан с узким зазором в резервуар с более низким давлением. Градиенты давления вдоль клапана и образующиеся турбулентность и кавитация разрушают любые частицы в жидкости. Указанные клапанные системы наиболее часто используют в гомогенизаторах с мельницами, что позволяет получать частицы со средним размером в диапазоне 0-1 мкм.

Другим типом систем с высокой скоростью сдвига являются низкоэнергетические устройства. Указанные системы обычно снабжены лопастными или жидкостными роторами, которые вращаются с высокой скоростью в резервуаре с обрабатываемой жидкостью, которая обычно является пищевым продуктом. Указанные системы обычно используют, если для частиц в обрабатываемой жидкости допустимым средним размером является размер частиц более 20 мкм.

Между низкоэнергетическими устройствами с высокими скоростями сдвигов и гомогенизационными клапанными системами (в отношении плотности энергии смешивания, которая создается в жидкости) находятся коллоидные мельницы, которые являются устройствами с промежуточной энергией. Типичная конфигурация коллоидной мельницы содержит конический или дисковый ротор, который отделен от дополнительного статора с жидкостным охлаждением с использованием строго контролируемого роторно-статорного зазора, который обычно составляет 0,0025-1,0200 см (0,001-0,40 дюймов). Обычно роторы приводятся в действие электрическим мотором с прямым приводом или механизмом с приводным ремнем. При вращении ротора с высокой скоростью жидкость перекачивается между внешней поверхностью ротора и внутренней поверхностью статора, и в зазоре создаются силы сдвига, которые обрабатывают жидкость. Многие коллоидные мельницы при соответствующей регулировке позволяют получать в обрабатываемой жидкости частицы со средним размером 0,1-25 мкм. Указанные свойства позволяют использовать коллоидные мельницы в различных процессах, включая обработку коллоидных эмульсий на масляной/водной основе, такую как обработка, которая требуется для получения косметических средств, майонезов или составов силикон/серебряная амальгама, для смешивания кровельной мастики. Приблизительную энергию, которая потребляется жидкостью (кВт/л/мин), можно оценивать при измерении энергии мотора (кВт) и скорости выходного потока жидкости (л/мин).

Скорость вращения насадки означает скорость (футов/мин или м/с), связанную с концевым элементом одной или более вращающихся деталей, которые создают механическую силу, прилагаемую к реагентам. Комбинация в устройстве с высокой скоростью сдвига высоких скоростей вращения насадки с чрезвычайно узким сдвиговым зазором обеспечивает значительное трение частиц обрабатываемого материала. В некоторых вариантах в устройстве с высокой скоростью сдвига создается локальное давление от приблизительно 45750 м/с (150000 фунтов/кв.дюйм) и повышенные температуры в насадке смесителя. В коллоидных мельницах скорость вращения насадки обычно превышает 4500 футов/мин (23 м/с) и в некоторых случаях более 7900 футов/мин (40 м/с). В настоящем изобретении термин высокая скорость сдвига относится к механическим роторно-статорным устройствам (мельницам или смесителям), которые обеспечивают скорость вращения насадки более 305 м/с (1000 футов/мин) и для которых требуется внешний двигатель с механическим приводом для создания энергии в потоке продуктов, которые вступают в реакцию.

В некоторых вариантах внешнее устройство с высокой скоростью сдвига 40 содержит коллоидную мельницу с высокой скоростью сдвига с минимальным зазором между статором и ротором от приблизительно 0,0025 см (0,001 дюймов) до приблизительно 0,31 см (0,125 дюймов). В других вариантах способ включает применение коллоидной мельницы с высокой скоростью сдвига, в которой статор и ротор кол- 11 020736 лоидного устройства с высокой скоростью сдвига расположены с минимальным зазором между статором и ротором приблизительно 0,15 см (0,060 дюймов). В некоторых вариантах скорость вращения ротора устанавливают таким образом, чтобы она была соизмерима с диаметром ротора и требуемой скоростью вращения насадки. В некоторых вариантах в коллоидной мельнице установлен фиксированный зазор между статором и ротором. В другом варианте зазор в коллоидной мельнице регулируется.

В некоторых вариантах внешнее устройство с высокой скоростью сдвига 40 содержит мельницу с высокой скоростью сдвига. В других вариантах внешнее устройство с высокой скоростью сдвига 40 содержит коллоидную мельницу. Пригодные коллоидные мельницы выпускаются, например, фирмой ΙΚΑ® Уогкк, 1пс. ХУПттфоп, N0 апб АРУ ΝογΙΙι Атспса, 1пс. ХУПттДоп, МА. В некоторых вариантах, в которых твердый катализатор поступает через внешнее устройство с высокой скоростью сдвига 40, выбор соответствующих смешивающих устройств позволяет снизить размер частиц катализатора/увеличить площадь поверхности катализатора.

В некоторых конкретных вариантах внешнее устройство с высокой скоростью сдвига 40 содержит реактор ЭЧрах РсасЮг® фирмы ΙΚΑ® Уогкк, 1пс. УйттдЮп, N0 аиб АРУ ΝογΙΙι Атспса, 1пс. ХУПтищ1оп, МА. Некоторые модели поставляются с различными входным/выходным штуцерами, мощностью (в лошадиных силах), номинальными скоростями вращения насадки, скоростью вращения у выходного отверстия (об/мин) и номинальной скоростью потока. Выбор устройства с высокой скоростью сдвига 40 зависит от требуемой производительности и требуемого размера пузырьков в дисперсии 18, поступающей из выходного отверстия внешнего устройства с высокой скоростью сдвига 40.

В некоторых вариантах сопротивление переноса снижают за счет использования внешнего устройства с высокой скоростью сдвига 40, и, таким образом, скорость реакции повышается приблизительно в 5 раз или более, в другом варианте приблизительно в 10 раз или более. В некоторых вариантах сопротивление переноса снижают за счет использования внешнего устройства с высокой скоростью сдвига 40, и, таким образом, скорость реакции повышается приблизительно в 5-100 раз. В некоторых вариантах устройство с высокой скоростью сдвига 40 содержит одноступенчатую дисперсионную камеру. В некоторых вариантах устройство с высокой скоростью сдвига 40 содержит многоступенчатый поточный диспергатор. В предпочтительных вариантах устройством с высокой скоростью сдвига 40 является многоступенчатый смеситель, в котором сила сдвига изменяется в продольном разрезе вдоль пути потока, как описано ниже.

В вариантах устройство с высокой скоростью сдвига 40 содержит две ступени. В некоторых вариантах устройство с высокой скоростью сдвига 40 содержит три ступени. В некоторых вариантах каждая ступень внешнего устройства с высокой скоростью сдвига снабжена взаимозаменяемыми узлами смешивания, что обеспечивает эксплуатационную гибкость. Например, реактор ΌΚ 2000/4 ЭЧрах РсасЮг® фирмы 1КА® Уогкк, 1пс. УбтшдЮп, N0 апб АРУ ΝογΙΙι Атспса, 1пс. ХУПттДоп, МА содержит трехступенчатый диспергирующий модуль. Указанный модуль включает в себя до трех комбинаций ротор/статор (генераторов), которые позволяют получать на каждой ступени тонкодисперсные, средние, крупные и высокодисперсные частицы. В таком модуле можно получать дисперсии с узким распределением требуемого размера пузырьков. В некоторых вариантах каждую их трех ступеней проводят с использованием генератора высокодисперсных частиц.

Диспергатор 1КА модели ΌΚ 2000/4 является трехступенчатым диспергирующим устройством с высокой скоростью сдвига. Три ротора в комбинации со статором расположены последовательно, в которых образуется дисперсия водорода в жидкой среде, включающей базовое масло. Смешанный входной поток 13 подается в устройство с высокой скоростью сдвига через входное отверстие устройства с высокой скоростью сдвига и поступает на первую ступень комбинации ротор/статор с расположенными на одной окружности сдвиговыми зазорами первой ступени. Грубая дисперсия, полученная на первой ступени, подается на вторую ступень комбинации ротор/статор со сдвиговыми зазорами второй ступени. Дисперсия с пузырьками уменьшенного размера, полученная на второй ступени, поступает на третью ступень комбинации ротор/статор со сдвиговыми зазорами третьей ступени. Дисперсия выходит из устройства с высокой скоростью сдвига через выходное отверстие этого устройства в виде выходного потока 18. В некоторых вариантах сила сдвига ступенчато возрастает в продольном разрезе вдоль потока. Например, в некоторых вариантах сила сдвига на первой ступени комбинации ротор/статор выше силы сдвига на последующих ступенях. В других вариантах сила сдвига в основном является постоянной вдоль по направлению потока, т.е. условия на одной ступени или на всех ступенях являются одинаковыми.

Диспергатор 1КА модели ΌΚ 2000/4 включает, например, ременной привод, генератор 4М, уплотнительное кольцо из ПТФЭ, санитарно-технический зажим входного отверстия с фланцем 1, санитарнотехнический зажим выходного отверстия с фланцем 3/4, источник питания 2НР, скорость вращения у выходного отверстия 7900 об/мин, производительность (по воде) приблизительно 300-700 л/ч (в зависимости от генератора), скорость вращения насадки приблизительно 9,4-41 м/с (от (1850 до 8070 футов/мин). В смесителе 1КА модели ΌΚ 2000/4 используют ротор и статор конической формы с тремя ступенями с уменьшающимся зазором между канавками или зубцами. Обычно устанавливают тре- 12 020736 буемый зазор между ротором и статором. Для повышения турбулентности направление рифлений изменяют на каждой ступени. Внешнее устройство с высокой скоростью сдвига 40 включает кольцо из ПТФЭ, которое охлаждают по известной методике. Жидкий реагент, например жидкий раствор 12, можно использовать для охлаждения кольца, в связи с этим указанный раствор при необходимости предварительно нагревают.

В других вариантах устройства с высокой скоростью сдвига характеризуются количеством потребляемой энергии на единицу объема/массы жидкости. В некоторых вариантах устройства с высокой скоростью сдвига подают по меньшей мере 300 л/ч при потребляемой мощности 1,5 кВт при номинальной скорости вращения насадки по меньшей мере 4500 об/мин.

После диспергирования дисперсия поступает из устройства с высокой скоростью сдвига 40 в виде дисперсионного потока 18 из выходного отверстия устройства с высокой скоростью сдвига в реактор 10 в виде дисперсионного потока 19 во входное отверстие реактора. Перед подачей во входное отверстие реактора 10 в виде дисперсионного потока 19 дисперсионный поток 18 из выходного отверстия устройства с высокой скоростью сдвига можно подвергать обработке, такой как нагревание, охлаждение или прокачка. Как обсуждается ниже, так как в некоторых вариантах основной процесс гидрирования происходит между насосом 5 и выходным отверстием 18 устройства с высокой скоростью сдвига, отдельный реактор 10 не включен в систему с высокой скоростью сдвига 100.

Скорость реакции можно увеличивать за счет использования конфигурации системы, представленной на фиг. 3, где непрореагировавший газообразный водород 17 отделяется в реакторе 10 и поступает в циркуляционную систему и возвращается через входное отверстие 32 устройства с высокой скоростью сдвига с помощью насоса 7. В этом случае больший объем газообразного водорода проходит через устройство с высокой скоростью сдвига без отвода избытка водорода.

Реактор 10.

Гидрирование жидких кислот в базовом масле 12 в присутствии катализатора осуществляют в пригодных условиях (время, температура, давление). В связи с этим превращение происходит в любой точке технологической схемы, представленной на фиг. 2, где устанавливаются пригодная температура и давление. Тем не менее, в некоторых вариантах для увеличения времени пребывания, перемешивания и нагревания и/или охлаждения требуется отдельный реактор 10. Было установлено, что гидрирование происходит в основном между насосом 5 и выходным отверстием 18 устройства с высокой скоростью сдвига, и в некоторых вариантах не требуется отдельный реактор 10.

В других вариантах, включающих резервуар/реактор 10, в качестве реактора 10 используют реактор любого типа, в котором можно проводить непрерывную многофазную реакцию. Например, можно использовать реактор с мешалкой непрерывного или полунепрерывного действия, или реактор периодического действия, которые устанавливают параллельно или последовательно. В некоторых вариантах в качестве реактора 10 используют башенный реактор. В других вариантах в качестве реактора 10 используют трубчатый реактор. В некоторых вариантах в качестве реактора 10 используют многотрубчатый реактор. Температуру в реакторе 10 контролируют по известной методике. В связи с тем, что основное превращение происходит в устройстве с высокой скоростью сдвига 40, в некоторых вариантах реактор 10 служит в основном в качестве резервуара для хранения.

Реактор 10 имеет входное отверстие 14 для жидкого потока жирных кислот, входное отверстие 15 для подачи инертного газа и выходное отверстие для отвода продукта 16. В некоторых вариантах для повышения степени гидрирования и снижения уровня транс-жиров инертный газ 15 подают в реактор 10 (или в другое устройство системы гидрирования с высокой скоростью сдвига 100), как описано ниже в примерах 2 и 3. Реактор 10, кроме того, включает в себя температурный контроль (т.е. теплообменник), систему перемешивания и регулятор уровня, которые используют по известным методикам.

В некоторых вариантах в качестве реактора 10 (или реактора 110 на фиг. 4) выбирают любой реактор из множества выпускаемых в промышленности реакторов, и указанный реактор характеризуется любой пригодной емкостью. Емкость лабораторного реактора 10 составляет, например, от 500 мл до 10 л. Промышленные реакторы характеризуются емкостью до 40000 л и более.

Насос.

На фиг. 2 внешнее устройство с высокой скоростью сдвига 40 расположено между насосом 5 и реактором 10. Насос 5 используется для обеспечения контролируемого потока через устройство с высокой скоростью сдвига 40 и через систему гидрирования с высокой скоростью сдвига 100. Насос 5 создает давление и нагнетает поток, поступающий во внешнее устройство с высокой скоростью сдвига 40. В некоторых вариантах насос 5 увеличивает давление потока жирных кислот 21, поступающего в насос 5, до величины более 2 атм. В других вариантах для ускорения гидрирования используют давление приблизительно более 20 атм, при этом лимитирующим фактором является давление выбранных конкретных насоса 5 и устройства с высокой скоростью сдвига 40.

Для соответствия требованиям к качеству пищевых продуктов, предпочтительно все контактирующие детали насоса 5 изготовлены из нержавеющей стали, например из нержавеющей стали 316. Насосом 5 является любой пригодный насос, например шестеренчатый насос Корег типа 1 фирмы Корег Ритр Сотрапу (Соттегсе Сеогща) или нагнетательный насос Нау1ои модели 2Р372Е фирмы Нау1ои Е1ес1т1с

- 13 020736

Со (№1е§, 1Ь).

Как показано на фиг. 2, система гидрирования с высокой скоростью сдвига 100 включает в себя насос 6, расположенный вниз по потоку устройства с высокой скоростью сдвига 40. В указанном варианте система гидрирования с высокой скоростью сдвига 100 включает в себя насос высокого давления 6, который предназначен для повышения давления в реакторе 10 для ускорения дальнейшей реакции. Если насос 6 включен в качестве нагнетательного насоса, насос 5 можно использовать в качестве регулирующего насоса/клапана для снижения давления в устройстве с высокой скоростью сдвига 40, таким образом снижая степень его износа.

Катализатор гидрирования жирных кислот.

В некоторых вариантах система гидрирования 100 включает в себя катализатор гидрирования. Для гидрирования используют также любой катализатор, известный специалистам в данной области техники. В некоторых вариантах катализатор используют для повышения эффективности гидрирования жирных кислот. Для гидрирования ненасыщенных жирных кислот в качестве пригодных катализаторов используют любые катализаторы, обычно используемые для гидрирования ненасыщенных жиров или жирных кислот. Указанные катализаторы обычно включают один или более переходных металлов или соединений одного или более переходных металлов в форме, пригодной для гидрирования. В способе по настоящему изобретению предпочтительно используют катализаторы, включающие один или более металлов группы VIII или УШЛ Периодической таблицы элементов и/или одно или более соединений указанных металлов. Указанные катализаторы включают, без ограничения перечисленным, катализаторы гидрирования на основе меди и на основе платины. Было установлено, что прежде всего пригодны металлическое железо, рутений, осмий, кобальт, родий, иридий, никель, палладий и платина, а также соединения указанных металлов. В целях экономии, а также ввиду высокой эффективности в качестве катализаторов гидрирования жиров, жирных кислот и/или производных жирных кислот по настоящему изобретению, прежде всего, пригодны катализаторы, содержащие никель или одно или более соединений никеля.

В некоторых вариантах используемый катализатор является катализатором на основе переходного металла, нанесенным на нерастворимую подложку. Используют нерастворимую подложку любого типа, обычно применяемую при каталитическом гидрировании жиров и жирных кислот. В некоторых предпочтительных вариантах катализатор используют в виде суспензии в небольшой порции продукта реакции.

Пригодным катализатором гидрирования является, например, ΝΥδϋΡΛί’Τ® 120 фирмы ЕпдеШатб Сотротайоп, Епе. РА (компания ΒΑδΡ).

NΥδΟΡΑСΤ® 120 является катализатором на основе силиката никеля, содержащим приблизительно 22 мас.% Νΐ. Катализатор поставляют в виде твердых капель, покрытых защитным слоем гидрированного растительного масла, степень гидрирования которого обеспечивает твердое состояние указанного масла при комнатной температуре. Указанное покрытие из гидрированного масла служит в качестве защитного барьера для снижения взаимодействия катализатора с кислородом воздуха. Защитный барьер удаляют для того, чтобы обеспечить доступ к активным участкам катализатора. Удаление защитного барьера проводят при нагревании катализатора. В некоторых вариантах удаление защитного барьера проводят при нагревании катализатора с защитным слоем до температуры от приблизительно 80 до приблизительно 85°С.

В других вариантах осуществления настоящего изобретения в качестве исходного соединения используют катализатор на основе никеля, являющийся коммерческим продуктом. В настоящем изобретении можно также использовать другие катализаторы на основе никеля, являющиеся коммерческими продуктами, такие как катализатор на основе никеля и рения (описанный в патенте υδ № 4111840, который включен в настоящее описание в качестве ссылки).

Никелевые катализаторы после получения затем обычно защищают от воздействия воздуха в связи с тем, что контактирование с любой окружающей средой, содержащей окислитель, вызывает окисление некоторых или всех активных каталитических участков, и, таким образом, катализатор становится менее активным в отношении его способности гидрировать двойные связи С=С. Установлено, что катализатор на основе никеля может содержать остаточное количество оксидов, даже после хранения с соблюдением всех рекомендаций фирмы-производителя.

В предшествующем уровне техники описано, что для получения более активного никелевого катализатора используют предварительную обработку катализатора водородом, но в статье Уап Тоог е! а1. описано, что в указанных целях можно использовать более высокое давление и продолжительное время проведения реакции, по сравнению с используемыми в настоящее время в промышленности.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения предлагается обработка коммерческого никелевого катализатора, и полученный активированный катализатор характеризуется более высокой активностью. На фиг. 5 схематически представлена система для активации катализатора по настоящему изобретению. Катализатор активируют при добавлении некоторого количества катализатора в реактор 10, снабженный мешалкой 28 и нагревательным кожухом. Нагревательный кожух используют для нагревания катализатора до температуры, при которой плавится защитное покрытие катализатора. В случае

- 14 020736 катализатора ΝΥ8ΟΡΑί'.’Τ® 120 указанная температура составляет приблизительно 80°С. После плавления воскового покрытия реактор 10 герметизируют и начинают подачу потока водорода, например, через инжектор водорода 16. Второй впускной газовый вентиль 15 позволяет, например, использовать на указанной стадии другие неокисляющие газы, такие как азот или водород с целью подавления окисления катализатора.

Мешалку 28 реактора используют для перемешивания содержимого реактора при активации катализатора. Можно использовать другие пригодные смесители, как известно специалистам в данной области техники. В некоторых вариантах при активации катализатора мешалка 28 реактора вращается со скоростью приблизительно 1000 об/мин.

В других вариантах в реактор 10 непрерывно добавляют газообразный водород в течение 2 ч при температуре 150°С и давлении 1,4 бар (20 фунтов/кв.дюйм) со скоростью потока 0,085-0,14 м³/ч (3-5 станд. (футов³/ч)). При активации катализатора избыток водорода и других летучих соединений удаляют из реактора 10 с помощью вентиля 17. Выходные отверстия реактора 10 позволяют также удалять воду, которая образуется по мере взаимодействия водорода с катализатором при активации.

После активации катализатора реактор 10 охлаждают воздухом, поддерживая в реакторе давление водорода. В некоторых вариантах реактор 10 охлаждают воздухом до температуры 100°С, поддерживая в реакторе 10 давление водорода 1,4 бар (20 фунтов/кв.дюйм). В других вариантах используют другие способы охлаждения. Затем активированный катализатор переносят в герметичную сушильную камеру 44. Герметичная сушильная камера 44 продувается азотом. Активированный катализатор выдерживают в вакууме (с помощью вакуумного насоса 46), чтобы исключить контактирование активированного катализатора с любым источником кислорода или влаги, которые могут дезактивировать катализатор.

Активированный катализатор измельчают до требуемого размера в ступке с пестиком, при этом получают тонкодисперсный порошок, пригодный для использования при гидрировании. Катализатор измельчают до размера, который меньше минимального зазора между статором и ротором в устройстве с высокой скоростью сдвига. В некоторых вариантах размер катализатора составляет приблизительно 200 мкм.

В примере 1 описано получение пригодного активированного катализатора согласно указанному способу.

В примере 2 описано гидрирование растительного масла с использованием указанного активированного катализатора гидрирования и подачи азота.

В примере 3 описано гидрирование с использованием активированного катализатора без подачи инертного газа.

В примере 4 описано гидрирование, которое проводят с использованием активированного и стандартного катализатора.

В примере 5 описано гидрирование базового масла, описанного в табл. 3, в присутствии активированного катализатора и с использованием гексана в качестве растворителя.

В примере 6 описано получение активированного катализатора без продувки реактора.

Повышение активности с использованием предложенного активированного катализатора гидрирования и способа активации позволяет снизить время гидрирования и/или получить гидрированные продукты, которые содержат требуемые уровни транс-жиров и/или насыщенных жиров. Гидрированные продукты характеризуются также улучшенным вкусом. Катализатор, активированный указанным способом, можно использовать в стандартной системе гидрирования, как показано на фиг. 1, или его используют в системе гидрирования с высокой скоростью сдвига, представленной на фиг. 2. Следует отметить, что в некоторых вариантах высокие температура и давление наряду с высокой скоростью сдвига контактирующих жирных кислот в жидком растворе 21 и газообразном водороде 22 позволяют проводить гидрирование в отсутствие твердого катализатора.

Нагревание/охлаждение.

Как упомянуто выше, в некоторых вариантах осуществления указанного способа предлагается использование дополнительных внешних или внутренних нагревающих и/или охлаждающих теплообменников. Как показано на фиг. 2, внешние теплообменники можно устанавливать между реактором 10 и насосом 5, между насосом 5 и устройством с высокой скоростью сдвига 40 и/или между устройством с высокой скоростью сдвига 40 и реактором 10. Известно множество типов пригодных теплообменников. Примеры указанных теплообменников включают кожуховые и трубчатые, пластинчатые и спиральные теплообменники.

II. Способ гидрирования.

А. Стандартный способ гидрирования.

Ниже приведено описание аппарата, изображенного на фиг. 1, который в некоторых вариантах используют в способе гидрирования. На фиг. 1 описан способ гидрирования без высокой скорости сдвига с использованием активированного катализатора, подачи инертного газа и/или добавления органического растворителя согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

Некоторое количество базового масла и катализатор (и если используется органический растворитель) помещают в реактор 10. Затем в реактор 10 подают газ, такой как, например, азот или водород, и

- 15 020736 реактор продувают для удаления воздуха и/или кислорода. Затем базовое масло нагревают до указанной температуры реакции с использованием нагревательного кожуха 30.

Газообразный водород 29 поступает в реактор 10 при температуре окружающей среды, и поток газа регулируют редуктором сброса давления (не показан), расположенным между подающим коллектором (не показан) и реактором 10.

Реакцию гидрирования проводят, подавая поток водорода в реактор и поддерживая установленную температуру в течение указанного периода времени. В связи с тем, что гидрирование является экзотермической реакцией, для индукции реакции используют нагревание и затем нагревание прекращают.

В реакторах большего размера (2л и более) для поддерживания требуемой температуры система обычно включает охлаждающие змеевики 27. При завершении реакции нагревательный кожух 30 удаляют и реактор 10 охлаждают продуванием воздуха над реактором и затем отключают поток водорода. При охлаждении в резервуаре образуется вакуум из конденсатора 34, охлаждаемого водой. Указанные условия используют для экстракции органического растворителя в вариантах, в которых жидкий раствор в реакторе 10 содержит органический растворитель, для уменьшения образования транс-жира в гидрированном продукте.

Процесс охлаждения останавливают при достижении температуры реактора температуры окружающей среды (обычно приблизительно от 20 до приблизительно 25°С), затем гидрированный продукт удаляют из реактора через выходное отверстие 20 реактора и определяют состав продукта.

Б. Способ гидрирования с высокой скоростью сдвига.

Варианты системы гидрирования с высокой скоростью сдвига включают по меньшей мере одно устройство с высокой скоростью сдвига 40 для повышения растворимости газообразного водорода в жидкой фазе и для ускорения реакций газ/жидкость или газ/жидкость/твердое соединение. Описание способа гидрирования с высокой скоростью сдвига представлено на фиг. 2 в виде общей схемы системы гидрирования 100, которая включает одно внешнее устройство с высокой скоростью сдвига 40. Внешнее устройство с высокой скоростью сдвига 40 расположено между насосом 5 и реактором 10. На фиг. 2 показана система с высокой скоростью сдвига 100 закрытого типа, где дисперсия 18 из выходного отверстия устройства с высокой скоростью сдвига 40 поступает обратно в реактор 10 для регенерации потока продукта 16. Указанная конфигурация применяется, например, для многоходового процесса. Поступающий из реактора 10 продукт 16 поступает в систему регенерации продукта (не показана) для дальнейшей обработки. Пунктирными линиями на фиг. 1 обозначены дополнительные стадии, которые расположены между реактором 10, внешним устройством с высокой скоростью сдвига 40 и насосом 5, как описано ниже в способе десульфуризации с высокой скоростью сдвига.

Варианты указанного способа включают гетерогенное гидрирование любого ненасыщенного масла, включая жиры, жирные кислоты и/или производные жирных кислот, водородом в присутствии гетерогенного катализатора гидрирования, диспергированного в жидкой фазе в реакторе 10. В некоторых вариантах указанного способа можно использовать устройства с высокой скоростью сдвига 40 и подачу газообразного водорода в жирные кислоты до исходной подачи в устройство с высокой скоростью сдвига 40.

В некоторых вариантах указанный способ включает одно внешнее устройство с высокой скоростью сдвига 40. Внешнее устройство с высокой скоростью сдвига можно устанавливать между источником подачи реагентов и реактором/сборником 10. В других вариантах в реактор 10 загружают катализатор, а катализатор активируют, как описано выше в главе I, раздел Б.

В некоторых вариантах реагенты и, если присутствует, катализатор (т.е. газообразный водород, ненасыщенный жирные кислоты и катализатор) смешивают в реакторе 10. В указанных вариантах в реактор 10 загружают базовое масло и катализатор, смесь нагревают, например, в атмосфере водорода. Суспензия циркулирует в системе 100 с использованием насоса 5 и/или 6 в виде потока 20 из выходного отверстия реактора, потока 21 во входное отверстие насоса, потока 12 из выходного отверстия насоса, потока 13 во входное отверстие устройства с высокой скоростью сдвига, дисперсии 18 и потока 19 во входное отверстие реактора. В других вариантах реагенты 18, поступающие из устройства с высокой скоростью сдвига 40, поступают в реактор 42 с неподвижным слоем катализатора или с псевдоожиженным слоем катализатора для проведения катализа.

Композиция жирных кислот в составе поступающего потока жирных кислот 14 поступает в реактор высокого давления 10, который содержит внутреннюю лопастную мешалку (не показана на фиг. 2) и/или охлаждающий змеевик (не показан на фиг. 2). Реактор 10 включает также газовый редуктор, редуктор сброса давления, спускной вентиль, температурный зонд и манометр и/или нагреватель, как описано ниже. В некоторых вариантах реактор 10 включает в себя смесительный резервуар непрерывного или полунепрерывного типа, а в других вариантах гидрирование проводят в периодическом режиме.

В некоторых вариантах жидкий раствор, содержащий ненасыщенные жирные кислоты и необязательно катализатор, поступает в реактор 10 каждый в отдельности. В других вариантах жидкую среду смешивают с катализатором перед подачей в реактор 10. В некоторых вариантах жидкий раствор и катализатор вводят каждый в отдельности и смешивают в реакторе 10 мешалкой (не показана на фиг. 2). При необходимости в конкретном варианте в реактор 10 добавляют дополнительные реагенты. Реагенты поступают в реактор 10, например, в виде потоков 14 и 15. Предусмотрено использование любое число

- 16 020736 входящих потоков, на фиг. 1 показаны два потока (потоки 14 и 15). Например, в вариантах, в которых подают инертный газ, он поступает в виде входящего потока газа 15.

В некоторых вариантах используют любой катализатор, пригодный для реакции гидрирования. В других вариантах для заполнения реактора 10 и очистки его от любых следов воздуха и/или кислорода используют газ, такой как азот или водород. В некоторых вариантах в реакторе 10 используют катализатор гидрирования.

В некоторых вариантах в реактор гидрирования 10 загружают катализатор и композицию триглицеридов (например, растительное масло, подсолнечное масло) и при необходимости нагревают, для расплавления защитного покрытия катализатора. В другом варианте нагревание проводят в потоке водорода.

В некоторых вариантах нагревание проводят до 85°С. В вариантах время плавления покрытия катализатора составляет приблизительно 10 мин.

В других вариантах после плавления при 85°С с течение времени добавляют дополнительное количество масла при требуемой температуре, чтобы температура в полученном объеме масла достигала требуемой величины. Например, в некоторых вариантах после плавления при 85°С добавляют дополнительное количество масла при 50°С в течение приблизительно 1-2 мин, при этом температура в полученном объеме масла достигает приблизительно 60°С. Затем непрерывно подают водород, чтобы поддерживать требуемое давление реакции. Температуру базового масла поддерживают при определенной температуре с использованием охлаждающих змеевиков в реакторе, чтобы поддерживать температуру реакции.

После плавления с течением времени добавляют дополнительное количество масла, чтобы температура в полученном масле достигала требуемой величины, например 35°С. В настоящем изобретении неожиданно было установлено, что гидрирование триглицеридов происходит при температуре от приблизительно 30°С. В связи с тем, что гидрирование является экзотермической реакцией, реакцию инициируют нагреванием, затем источник нагревания удаляют.

Затем включают устройство с высокой скоростью сдвига 40, продолжают перемешивание в реакторе и жидкие реагенты начинают проходить через систему с высокой скоростью сдвига 100. Реагенты поступают в устройство с высокой скоростью сдвига 40 и непрерывно циркулируют в течение периода времени, достаточного для получения требуемого гидрированного продукта, например продукта с указанной степенью очистки или требуемыми свойствами, затем реакцию останавливают.

В некоторых вариантах диспергируемый газ 22 непрерывно поступает в систему с высокой скоростью сдвига 100. Поток диспергируемого газообразного водорода 22 подают во входное отверстие для газа устройства с высокой скоростью сдвига до тех пор, пока давление в реакторе 10 не достигнет требуемого диапазона. В других вариантах поток диспергируемого газа 22 подают в устройство с высокой скоростью сдвига 40 до тех пор, пока в реакторе 10 не установится давление 2 бар (30 фунтов/кв.дюйм). В некоторых вариантах поток диспергируемого газа 22 подают в устройство с высокой скоростью сдвига 40 до тех пор, пока в реакторе 10 не установится давление приблизительно 14 бар (200 фунтов/кв.дюйм).

Выходящий поток 20 из реактора поступает в насос 5. Насос 5 перекачивает входящий поток 21, т.е. выходящий поток 20 из реактора 10, который в некоторых случаях может подвергаться дальнейшей обработке перед поступлением к насосу 5, во внешнее устройство с высокой скоростью сдвига 40. Насос 5 используют для обеспечения контролируемого потока через устройство с высокой скоростью сдвига 40 и систему с высокой скоростью сдвига 100. Насос 5 создает давление и подает поток во внешнее устройство с высокой скоростью сдвига 40. В некоторых вариантах насос 5 обеспечивает скорость потока в диапазоне от приблизительно 3 л/мин до приблизительно 4 л/мин. Таким образом, в системе гидрирования с высокой скоростью сдвига 100 используются высокая скорость сдвига и высокое давление, что позволяет повысить интенсивность смешивания реагентов.

Как показано на фиг. 2 и упомянуто выше, система гидрирования с высокой скоростью сдвига 100 в некоторых случаях включает в себя насос 6, расположенный после устройства с высокой скоростью сдвига 40. В указанном варианте система гидрирования с высокой скоростью сдвига 100 включает в себя насос высокого давления 6, предназначенный для повышения давления в реакторе 10, что позволяет ускорить реакцию. Если насос 6 включен в качестве нагнетательного насоса, насос 5 используют в качестве регулирующего насоса/клапана для снижения давления в устройстве с высокой скоростью сдвига 40, таким образом снижая его износ.

В предпочтительном варианте водород непрерывно поступает в поток композиции жирных кислот 12, при этом образуется питающий поток 13, поступающий в устройство с высокой скоростью сдвига. Диспергируемый газообразный водород 22 смешивают с потоком 12 из выходного отверстия насоса при температуре окружающей среды, и поток газа регулируют клапаном сброса давления (не показан) вверх по потоку устройства с высокой скоростью сдвига 40. В некоторых вариантах диспергируемый поток реагентов 22 поступает в поток 13 и во входное отверстие устройства с высокой скоростью сдвига, который включает в себя выходящий из насоса поток 12, который необязательно подвергается дальнейшей обработке до подачи во внешнее устройство с высокой скоростью сдвига 40.

В некоторых вариантах диспергируемый газовый поток 22 смешивают с жидким раствором 21 и смешанный поток газ/жидкость (или газ/жидкость/твердое соединение) 13 поступает в устройство с вы- 17 020736 сокой скоростью сдвига 40. В других вариантах устройство с высокой скоростью сдвига 40 включает в себя входное отверстие для газа и входное отверстие для жидкости, и диспергируемый газовый поток 22 и жидкий раствор 21 из выходного отверстия насоса смешивают в устройстве с высокой скоростью сдвига, а не смешивают во внешнем устройстве. В некоторых вариантах, прежде всего в случае систем с реакторами больших размеров, требуются отдельные резервуары для плавления и смешивания, предназначенные для получения катализатора, который затем подается с помощью насоса в циркулирующий поток масла в любом участке системы, например, полученный катализатор добавляют в питающий поток 13 устройства с высокой скоростью сдвига, в выходящий из насоса поток 12 - в жидкий раствор 21, в реактор 10, в дисперсию 18 из выходного отверстия устройства с высокой скоростью сдвига и/или в рециркулирующий поток 19 у входного отверстия реактора.

В устройстве с высокой скоростью сдвига 40 получают тонкую дисперсию водорода в жидкой среде жирных кислот, что ускоряет реакцию гидрирования и позволяет проводить реакцию при более низких рабочих температуре и давлении, таким образом значительно снижая время реакции. В устройстве с высокой скоростью сдвига 40 из водорода и композиции триглицеридов получают чрезвычайно тонкую дисперсию, и полученная дисперсия 18 из устройства с высокой скоростью сдвига 40 включает нано- и микропузырьки водорода, что обеспечивает высокую степень растворения водорода 22 в жирных кислотах в составе жидкого раствора 21. Как упомянуто выше, в коллоидной химии известно, что при диспергировании частиц субмикронного размера в жидкости наблюдается, в основном, броуновское движение. В связи с этим кинетические характеристики движения пузырьков через границу раздела, например на поверхности катализатора, повышаются за счет образования в устройстве с высокой скоростью сдвига 40 пузырьков субмикронного размера.

В некоторых вариантах диспергированная смесь водорода и триглицеридов выходит из внешнего устройства с высокой скоростью сдвига 40 в виде дисперсии 18 из выходного отверстия устройства с высокой скоростью сдвига. Поток 18 необязательно поступает в реактор 42 с псевдоожиженным или неподвижным слоем катализатора вместо катализа в суспензии. Однако в некоторых вариантах с использованием катализа в суспензии поток 18 из выходного отверстия устройства с высокой скоростью сдвига напрямую подается в реактор гидрирования 10 в виде рециркулирующего потока 19 во входное отверстие реактора, где происходит реакция гидрирования.

Рециркулирующий поток 19, поступающий в реактор, представляет собой поток 18, выходящий из устройства с высокой скоростью сдвига, который необязательно подвергают дальнейшей обработке перед рециркуляцией в реактор 10.

Если в загруженной системе присутствует катализатор (в системе для суспензионной реакции), а температура и давление пригодны для индукции реакции гидрирования, гидрирование происходит за пределами реактора 10. Следует отметить, что значительная часть реакции протекает в устройстве с высокой скоростью сдвига 40. В некоторых вариантах, где система 100 эксплуатируется таким образом, что условия за пределами устройства с высокой скоростью сдвига 40 не способствуют гидрированию (например, не удовлетворяют пригодным условиям 35°С и 4 бар (60 фунтов/кв.дюйм)), более 90% реакции происходит в устройстве с высокой скоростью сдвига 40 (см., например, пример 7). В некоторых вариантах значительная часть гидрирования происходит между насосом 5 и выходным отверстием 18 устройства с высокой скоростью сдвига 40.

При достаточном времени пребывания в системе гидрирования с высокой скоростью сдвига 100, достаточном для проведения требуемой реакции, в некоторых вариантах реактор 10 не требуется. В других вариантах реактор 10 используют в основном для охлаждения жидкости в связи с тем, что основная реакция происходит во внешнем устройстве с высокой скоростью сдвига 40. Композицию триглицеридов поддерживают при определенной температуре реакции за счет отвода тепла из реактора 10 или из другого узла системы 100 известным способом.

В некоторых вариантах реакционный поток непрерывно циркулирует, и реакция продолжается в течение периода времени, достаточного для образования требуемого продукта, например гидрированного продукта 16, характеризующегося определенным йодным числом, затем реакцию останавливают, как известно специалистам в данной области техники. Реакцию гидрирования проводят в реакторе 10, поддерживая определенную температуру в течение заданного периода времени.

Процесс охлаждения останавливают при достижении в реакторе температуры окружающей среды (обычно от приблизительно 20 до приблизительно 25°С). Поток продукта 16 содержит гидрированные жирные кислоты. Газ отводят из реактора 10 в виде отводного потока 17, в то время как гидрированный продукт извлекают из системы с высокой скоростью сдвига 100 в виде потока продукта 16. В других вариантах реактор 10 включает в себя множество потоков продукта 16 из реактора. Гидрированный масляный продукт 16 фильтруют и затем напрямую подают в резервуар для транспортировки или завершают переработку в формы, такие как хлопья или другие формы, известные специалистам в данной области техники.

В некоторых вариантах при завершении реакции газ удаляют из продукта через выходное отверстие газа 17 из реактора. Газ из выходного отверстия 17 реактора содержит, например, непрореагировавший водород. Газ, удаляемый через выходное отверстие газа 17 из реактора, затем обрабатывают и/или на- 18 020736 правляют рециркулирующую систему с использованием известных методик. В некоторых вариантах, как показано на фиг. 3, непрореагировавший водород, удаляемый через выходное отверстие газа 17 из реактора, регенерируют и напрямую направляют обратно во входное отверстие устройства с высокой скоростью сдвига 40 в виде газа в составе диспергируемого газового потока 22.

При необходимости для захвата водорода в требуемой реакции можно использовать множество устройств с высокой скоростью сдвига. В некоторых вариантах два или более устройств с высокой скоростью сдвига 40 расположены последовательно и используются для дальнейшего повышения эффективности реакции. Указанные устройства эксплуатируют в периодическом или непрерывном режиме. В некоторых случаях, если требуется один проход реакционной смеси или однопроходный процесс, использование нескольких (т.е. двух или более) последовательно расположенных устройств с высокой скоростью сдвига также является целесообразным. Использование нескольких реакторов с высокой скоростью сдвига позволяет получать требуемую степень насыщения за один проход. В некоторых вариантах, где несколько устройств с высокой скоростью сдвига 40 соединены последовательно, реактор 10 не используют. В других вариантах несколько устройств с высокой скоростью сдвига 40 соединены параллельно, и дисперсии из выходных отверстий указанных устройств поступают в один или более реакторов 10.

На фиг. 4 представлен вариант осуществления системы с высокой скоростью сдвига 100, где два устройства с высокой скоростью сдвига 140 и 140А используются последовательно для дальнейшего повышения эффективности реакции. Два устройства с высокой скоростью сдвига 140 и 140А можно использовать также в комбинации с реактором(ами) с неподвижным слоем катализатора, таким как реактор 142 с неподвижным слоем катализатора, представленный на фиг. 4. Узлы на фиг. 4 обозначены номерами, аналогичными номерам узлов, представленных на фиг. 2, но с прибавлением к числу 100. Например, номер 118 используется для обозначения потока дисперсии из выходного отверстия устройства с высокой скоростью сдвига на фиг. 4, в то время как номер 18 используется для обозначения дисперсии из выходного отверстия устройства с высокой скоростью сдвига на фиг. 2.

Условия эксплуатации.

А. Температура.

Реакцию проводят при температуре и давлении, которые обычно используют в указанных каталитических реакциях гидрирования. В некоторых вариантах температура реакции составляет от 60 до 260°С. В других вариантах рабочие условия включают температуру приблизительно от 100 до приблизительно 230°С. В некоторых вариантах температура реакции составляет менее 220°С. В других вариантах температура составляет приблизительно от 160 до 180°С. В некоторых конкретных вариантах температура реакции составляет приблизительно от 155 до приблизительно 160°С. В некоторых вариантах, прежде всего, если требуется низкое содержание транс-соединений, гидрирование проводят при температуре от приблизительно 25 до приблизительно 60°С. В других вариантах гидрирование проводят при температуре от приблизительно 30 до приблизительно 40°С.

Б. Давление.

В способе по настоящему изобретению используют условия реакции, широко известные в данной области для каталитического гидрирования ненасыщенных жирных кислот, жиров и производных указанных соединений. Обычно давление водорода составляет от приблизительно 0,5 до 300 бар. В некоторых вариантах давление реакции составляет от приблизительно 2 до приблизительно 55-60 атм. В других вариантах давление реакции составляет от приблизительно 8 до приблизительно 15 атм. В некоторых вариантах давление реакции составляет менее приблизительно 70 бар (1000 фунтов/кв.дюйм). В других вариантах рабочее давление составляет менее приблизительно 35 бар (500 фунтов/кв.дюйм). В некоторых вариантах рабочее давление составляет менее приблизительно 31 бар (450 фунтов/кв.дюйм). В других вариантах рабочее давление составляет менее приблизительно 14 бар (200 фунтов/кв.дюйм). В некоторых вариантах рабочее давление составляет менее приблизительно 7 бар (100 фунтов/кв.дюйм).

В некоторых случаях требуется дополнительное повышение степени гидрирования. При повышении давления реакции увеличивается скорость реакции, но повышается также износ материалов в реакторе, из которых изготовлен трубопровод и в механические детали заводской установки, а также дополнительные устройства. Повышенная степень растворения и/или диспергирования, которую обеспечивает внешнее устройство с высокой скоростью сдвига, позволяет снизить рабочее давление, при этом можно поддерживать или даже повышать скорости реакции. При применении устройства с высокой скоростью сдвига в реакционной смеси создаются мгновенные локальные условия, в которых гидрирование жирных кислот происходит при общей температуре и давлении, при которых стандартное гидрирование не происходит.

Г идрирование жирных кислот стандартно проводят при давлении в диапазоне от 4 бар (60) до 7 бар (100 фунтов/кв.дюйм) и температуре от 100°С до 175°С в течение нескольких часов. Внешнее устройство(а) с высокой скоростью сдвига 40 является устройством закрытого типа, в котором контролируются температура и давление, таким образом, при использовании в способе устройства с высокой скоростью сдвига ускорение гидрирования происходит при более низких рабочих температурах и давлениях, в связи с этим значительно снижается время реакции. Использование внешнего устройства с высокой скоро- 19 020736 стью сдвиг 40 является более экономичным по сравнению со стандартным смесителем, расположенным в реакторе большего размера, т.к. для поддерживания температуры и давления в реакторе большего объема (снабженного встроенным/внутренним смесителем) требуются большие капиталовложения для контроля температуры и давления в большом объеме реактора. Мгновенные температура и давление, создаваемые устройством с высокой скоростью сдвига 40, позволяют также проводить гидрирование при более низких температурах, что уменьшает образование транс-жира, как показано в примере 7.

В некоторых вариантах применение по меньшей мере одного устройства с высокой скоростью сдвига 40 позволяет использовать реактор 10 приблизительно при атмосферном давлении. В некоторых вариантах способ и система по настоящему изобретению позволяют разработать установку меньшего объема и/или требующую меньшие капиталовложения, по сравнению с известными в предшествующем уровне техники способами без применения внешнего устройства с высокой скоростью сдвига 40. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления предложенного способа капитальные затраты на разработку новых систем гидрирования с высокой скоростью сдвига можно снизить по сравнению со стандартными системами гидрирования (без использования высокой скорости сдвига). В других вариантах предложенный способ снижает эксплуатационные затраты/повышает производительность по сравнению с известным способом.

В. Время реакции.

Применение предложенного способа, включающего по меньшей мере одно внешнее устройство с высокой скоростью сдвига 40, позволяет повысить эффективность гидрирования ненасыщенных жирных кислот и/или снизить количество реагентов за счет ускорения реакции гидрирования. В некоторых вариантах способ имеет включенное в основной процесс внешнее устройство с высокой скоростью сдвига 40, что позволяет повысить количество продукта (обеспечивает более высокую производительность) по сравнению с аналогичным способом, осуществляемым без применения устройства с высокой скоростью сдвига 40. В некоторых вариантах применение сдвига при гидрировании жирных кислот позволяет снизить время получения продуктов, таких как гидрированные масла, более чем в 2 раза по сравнению со временем проведения стандартной реакции получения полностью гидрированных масел.

Г. Скорость потока газа.

В некоторых вариантах скорость сквозного потока диспергирумого газа 22 составляет величину от приблизительно 1 до приблизительно 6 Н-м³/ч.

Результаты гидрирования.

Потенциальные преимущества предложенной для гидрирования жирных кислот системы, способа и активации катализатора включают, без ограничения перечисленным, более короткие периоды цикла, повышенную производительность, уменьшенное образование транс-жиров, повышенный выход гидрированных продуктов и/или сниженные эксплуатационные затраты и/или капиталовложения за счет возможности разработки реакторов меньшего объема и/или проведения гидрирования при более низкой температуре и/или давлении.

В некоторых вариантах предложенный способ с высокой скоростью сдвига заключается в том, что смешивание реагентов во внешнем устройстве с высокой скоростью сдвига 40 позволяет использовать более низкую температуру и/или давление в реакторе 10 по сравнению с условиями, описанными в предшествующем уровне техники. В некоторых вариантах способ заключается в том, что в основном процессе используют внешнее устройство с высокой скоростью сдвига 40, в связи с этим снижаются рабочие температура и/или давление реакции во внешнем устройстве с высокой скоростью сдвига 40 и/или обеспечивается повышение количества продукта (более высокая производительность) по сравнению со способом без применения устройства с высокой скоростью сдвига 40.

В некоторых вариантах предложенный способ и система позволяют разработать способ, в котором используется реактор меньшего размера и/или который является менее дорогостоящим, позволяющий выбрать реактор 10, эксплуатируют при более низкой рабочей температуре и/или давлении по сравнению с известными способами, не предусматривающими включение внешнего устройства с высокой скоростью сдвига 40. Как упомянуто выше, применение по меньшей мере одного устройства с высокой скоростью сдвига 40 в некоторых вариантах позволяет эксплуатировать реактор 10 приблизительно при атмосферном давлении.

В табл. 2 представлены типичные результаты гидрирования на промышленной установке для гидрирования с использованием соединения, который авторы называют активированным никелевым катализатором типа А с низким выходом транс-жира (статья представлена Веегк А. с1 а1., АОС8 Аппиа1 Меейпд, δΐ. Ьошк, МО, май (2006)), для сведения к минимуму содержания транс-жира, образующегося при гидрировании. В статье Веегк е1 а1. указано, что линоленовая кислота (С_18:3) является жирной кислотой, которая чувствительна к окислению, и в идеальных условиях более предпочтительным является ее гидрирование до олеиновой кислоты (С_18:1), а не до более насыщенной стеариновой кислоты (С_18:0). Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения получают гидрированные триглицериды с улучшенными свойствами с более низким общим содержанием транс-жира и/или более низким содержанием насыщенного жира (С_18:0) по сравнению со стандартными системами и способами гидрирования.

- 20 020736

Таблица 2

Типичные результаты анализа коммерческих

В некоторых вариантах диспергирование водорода в жидкой среде с использованием предложенной системы и способа, активации катализатора гидрирования, как описано в данном контексте, и/или применение подачи инертного газа снижает количество транс-жиров и/или количество ненасыщенного жира. В некоторых вариантах при гидрировании получают гидрированный продукт, характеризующийся степенью ненасыщенности, которая определяется йодным числом менее приблизительно 100. В других вариантах гидрированный продукт 16 характеризуется содержанием насыщенного жира (в виде С_18:0) менее приблизительно 11%. В некоторых вариантах гидрированный продукт 16 характеризуется содержанием насыщенного жира (в виде С_18:0) менее приблизительно 10%.

В других вариантах общее содержание транс-жиров снижено приблизительно на величину более 15%. В некоторых вариантах йодное число снижено приблизительно 15%. В других вариантах система гидрирования с высокой скоростью сдвига и способ позволяют получать продукт с маркой содержание транс-жира 0%. Полученное гидрированное масло содержит менее 10 мас.% транс-жирных кислот.

В некоторых вариантах система и способ позволяют получать гидрированное масло, характеризующееся соотношением олеиновая кислота (АД/стеариновая кислота (С_18:0) приблизительно менее 30%. Гидрированный продукт содержит менее 5 мас.% линоленовой кислоты (С_18:3). В других вариантах гидрированный продукт содержит приблизительно менее 1 мас.% линоленовой кислоты (С_18:3).

В примере 7 приведены результаты, полученные с использованием способа и системы гидрирования с высокой скоростью сдвига по настоящему изобретению, представленной на фиг. 2.

В примере 8 приведены результаты гидрирования соевого масла с использованием предложенного способа и системы гидрирования с высокой скоростью сдвига по сравнению с результатами, полученными с использованием стандартной системы гидрирования.

В примере 9 представлены результаты анализа размера пузырьков, полученных с использованием устройства с высокой скоростью сдвига.

В примере 10 представлены результаты, полученные с использованием реактора с неподвижным слоем катализатора в системе с высокой скоростью сдвига и согласно способу, представленному на фиг. 2.

Другие системы.

Предложенную систему и способ можно использовать для повышения скорости других реакций гидрирования. Например, в некоторых вариантах предложенный способ используют для гидрирования нефтяного остатка. Г идрирование можно также использовать для селективного гидрирования ацетилена

- 21 020736 до этилена, или гидрирования пропандиена до олефинов. Ацетилены и диены являются побочными продуктами, образующимися при крекинге этана, пропана и высокомолекулярных углеводородов. В настоящее время нежелательные побочные продукты удаляют из потоков продукта селективным гидрированием. При высокотемпературном крекинге нафталина образуются также ароматические соединения. Перед применением требуется гидрирование некоторых из указанных ароматических соединений. В большинстве случаев полициклические ароматические соединения гидрируют, чтобы свести к минимуму воздействия полиакрилонитрила (ПАН) на здоровье человека. Следует понимать, что описанный в данном контексте способ можно также использовать для других процессов гидрирования в отличие от гидрирования жирных кислот.

Примеры

В приведенных ниже примерах описано получение композиции триглицеридов жирных кислот по стандартной методике АОС8 Се 2-66 (АшеФсап ОФ СФеш1818' 8ос1е1у (АОС8)), 2211 ВгаФ1еу Ауе., СНашращп, 1Ь), содержание цис- и транс-изомеров определяли по методикам, установленным Американским химическим обществом АОС8 ОГйс1а1 МеШоФк Се 1с-89. Йодное число определяли по методке АОС8 СФ 1с-85.

Пример 1.

Получение активированного катализатора.

Использовали коммерческий катализатор гидрирования NΥ8ОΡАСΤ® 120 фирмы ЕпдеШагФ СогрогаФоп, ЕФе., РА. NΥ8ОΡА8Τ® 120 представляет собой катализатор на основе силиката никеля, содержащий приблизительно 22 мас.% Νΐ. Катализатор выпускается в виде твердых капель, покрытых защитным слоем гидрированного растительного масла, степень гидрирования которого соответствует твердому при КТ материалу. Указанное покрытие из гидрированного масла служит в качестве защитного слоя для снижения взаимодействия катализатора с кислородом воздуха. Перед использованием в реакции гидрирования катализатор NΥ8ОΡАСΤ® 120 активировали следующим образом. Система, использованная для активации катализатора, показана на фиг. 5. 100 г NΥ8ОΡАСΤ® 120 помещали в реактор 10 объемом 500 мл, который затем нагревали с использованием нагревательного кожуха 30. В указанных примерах использовали реактор объемом 500 мл фирмы АШос1ауе Епдшеегк, 1пс. (ЕФе, РА).

Катализатор нагревали от КТ до температуры, достаточной для плавления воскового покрытия. В случае катализатора NΥ8ОΡАСΤ® 120 указанная температура составляет 80°С. После расплавления воскового покрытия реактор 10 герметично закрывали и пропускали через него поток водорода. Второй входящий клапан 15 использовали для других неокисляющих газов, таких как азот или водород, например для использования на указанной стадии, основной целью которой являлось подавление окисления катализатора.

Затем включали мешалку реактора 28 и использовали при скорости 1000 об/мин в течение остального времени реакции. В реактор непрерывно в течение 2 ч подавали газообразный водород при 150°С и скорости потока 0,085-0,1 м³/ч (3-5 стандартных фут³/ч) при давлении 1,4 бар (20 фунт/кв.дюйм). Избыток водорода и других летучих веществ удаляли из реактора через вентиль 17. В данном варианте осуществления настоящего изобретения выходящее отверстие из реактора использовали для удаления воды, образующейся при реакции водорода с катализатором при его активации.

После инкубации реактора в течение 2 ч при 150°С реактор охлаждали на воздухе до 100°С, при этом в реакторе поддерживали давление водорода 1,4 бар (20 фунт/кв.дюйм). Затем активированный катализатор переносили в герметичную сушильную камеру для сушки 44, которую продували азотом, и сушили в вакууме (вакуумный насос 46), исключая контактирование с любым источником кислорода или влаги, которые могут деактивировать катализатор. После охлаждения до КТ активированный катализатор (САТ1) измельчали в ступке с пестиком до мелкодисперсного порошка с размером частиц менее приблизительно 200 мкм.

Пример 2.

Гидрирование растительного масла с использованием активированного катализатора и подачи азота.

В данном примере в качестве базового масла использовали негидрированное соевое масло, очищенное, но не дезодорированное или не обесцвеченное, фирмы АЭМ Согр, ОесаШг, 1Ь. Результаты анализа базового соевого масла, использованного в примере, показаны в табл. 3.

- 22 020736

Таблица 3

Данные анализа базового соевого масла на содержание жирных кислот

г неактивированного катализатора, описанного в примере 1, помещали в автоклавированный реактор объемом 500 мл (пример 1), снабженный манометром, механической мешалкой и термопарой. 200 мл базового соевого масла помещали в реактор и реактор продували.

Реактор герметично закрывали и заполняли азотом до давления 20 фунт/кв.дюйм. Затем реактор нагревали до температуры, достаточной для плавления и диспергирования всего твердого жира на катализаторе (в указанном примере температура составляла 80°С), и затем охлаждали при перемешивании до 60°С. Подавали газообразный водород и поддерживали давление 7 бар (100 фунт/кв.дюйм) в течение 120 мин.

Затем реактор охлаждали на воздухе до КТ (обычно от приблизительно 20 до приблизительно 25°С), при этом через реактор пропускали водород. Образец полученного гидрированного масла анализировали, результаты анализа приведены в табл. 4.

- 23 020736

Таблица 4

Состав гидрированного соевого масла, полученного с использованием неактивированного катализатора

Полученные результаты свидетельствуют о том, что наблюдается значительное снижение величины ИЧ, но и увеличение уровня транс-жирных кислот, который ниже по сравнению с образцами, полученными при использовании коммерческих способов, например, при использовании стандартного никелевого катализатора (5,1 % по сравнению с 6%, см. табл. 2). Как известно специалистам в данной области, йодное число (ИЧ) является мерой числа двойных связей в масле. При гидрировании водород присоединяется по двойным связям и йодное число снижается.

Пример 3.

Г идрирование с использованием активированного катализатора без подачи инертного газа.

В указанном примере использовали методику, аналогично тому, как описано в примере 2, но при замене азота на водород 7 бар (100 фунт/кв.дюйм). Результаты показаны в табл. 5.

- 24 020736

Таблица 5

Более низкое значение ИЧ для гидрированного масла в данном примере по сравнению с результатами, полученными в примере 2, свидетельствует, что в ходе начального нагревания и диспергирования катализатора при повышенной температуре происходит основная часть реакции гидрирования, в результате происходит умеренное, но нежелательное увеличение общего содержания транс-жирных кислот. Данные, полученные в примере 3, указывают на необходимость поддержания низкой температуры, которую обычно устанавливают во время гидрирования. В идеальном случае в коммерческой системе образование транс-жиров следует сводить к минимуму при нагревании масла не выше приблизительно 35°С.

Пример 4.

Сравнительное гидрирование: с использованием активированного и неактивированного катализаторов.

Для демонстрации повышенной активности катализатора, активированного, как описано в примере 1 (активированный N120, табл. 6) по сравнению с неактивированным катализатором (N120), образцы масла гидрировали в одинаковых условиях.

Использовали 100 мл базового масла. Сначала в реактор подавали СО₂ до давления 3 бар (45 фунт/кв.дюйм). Затем подавали водород до общего давления 14 бар (200 фунт/кв.дюйм). Во время реакции при необходимости добавляли водород для поддержания давления 14 бар (200 фунт/кв.дюйм), так как водород потребляется в ходе реакции. Начальное заполнение неокисляющим газом, например, таким, как СО₂ или Не, исключает эффект гидрирования при повышенной температуре (например, 80°С) при плавлении катализатора.

В табл. 6 представлены результаты, которые свидетельствуют, что в одних и тех же условиях необработанный катализатор проявляет чрезвычайно низкую активность гидрирования, что подтверждает йодное число (125,5), значение которого практически не отличается от значения ИЧ базового масла (ИЧ 129).

Использование активированного катализатора приводит к значительному снижению йодного числа (до значения ИЧ 101,6) в тех же условиях. В промышленности для гидрирования обычно используют немодифицированный катализатор при температуре от 100 до приблизительно 120°С. Активация катализатора по настоящему изобретению, таким образом, позволяет эффективно использовать катализатор при более низких рабочих температурах (в данном примере 60°С), при этом сохраняется высокая степень гидрирования.

- 25 020736

Таблица 6

Условия эксплуатации системы и данные анализа композиции масла при использовании активированного и неактивированного катализаторов

Состав жирных кислот	Неактивированный катализатор	Активированный катализатор
(-38:0	5,6	9,5
θ18:1	26,6	42,5
(^18:2	49,9	34,9
θ18:3	6,1	1,7
Транс-жиры
Транс-С18:1	0,8	4,6
Транс-С18:2	0,5	2,8
Транс-С18:3	0,5	0,3
Общее количество	1,8	7,7
транс-жиров
ИЧ	125,5	101,6
Ρ5Ι Н2	145	145
СО2	45	55
Температура (°С)	60	60
Время (ч)	0,75	1
Количество	2	2
катализатора (г)
Давление у выходного	200	200
насоса 5, фунт/кв.	(14)	(14)
дюйм, (бар)
Тип катализатора	N120	Активированный N120

Пример 5.

Гидрирование с использованием активированного катализатора и гексана в качестве растворителя. Гидрирование проводили аналогично тому, как описано в примере 2, но при добавлении к базовому маслу гексана в соотношении 10 частей масла на 4 части гексана (1000 мл базового масла и 400 мл гексана). Использовали реактор объемом 2 л фирмы Рагг, 1пс. (МоНие, 1Ь), приведенного на фиг. 1. Давление водорода составляло 4 бар (60 фунт./кв.дюйм), температура реакции 35°С. Катализатор добавляли в соотношении 1 часть катализатора на 500 частей масла. Полученные результаты приведены в табл. 7.

- 26 020736

Таблица 7

Результаты анализа состава масла, полученного при использовании активированного катализатора и гексана в качестве растворителя

В данном примере показана возможность уменьшить общее количество транс-жиров при одновременном относительно низком уровне стеариновой (С18:0) и линоленовой (С18:1) кислот. Активированный катализатор, кроме того, неожиданно проявляет высокую активность при температуре 35°С.

Пример 6.

Получение катализатора без продувки реактора.

В указанном примере оценивали эффективность активированного катализатора, чтобы определить, является ли продувка реактора во время активации катализатора важным фактором при получении катализатора гидрирования, активного даже при пониженных температурах.

Катализатор получали аналогично тому, как описано в примере 1, но реактор герметично закрывали и в ходе получения активированного катализатора газ через реактор не продували, полученный катализатор обозначен САТ2.

В приведенной ниже таблице показано действие катализатора по настоящему изобретению (активированного N120, САТ1, по сравнению с описанным выше САТ2).

- 27 020736

Таблица 8

Катализатор, полученный при продувке и без продувки реактора

Состав жирных кислот	САТ2	САТ1 (Активированный N120 )
^18:0	5,6	9,5
С18:1	26,6	42,5
^18:2	49,9	34,9
θ18:3	6,1	1,7
Транс-жиры
Транс-С18:1	0,8	4,6
Транс-С18:2	0,5	2,8
Транс-С18:3	0,5	0,3
Общее количество транс-жиров	1,8	7,7
ИЧ	125,5	101,6
Ρ5Ι Н2	145	145
СО2	45	55
ν2	0	0
Температура (°С)	60	60
Время (ч)	0,75	1
Количество катализатора (г)	2	2
Давление, фунт/кв. дюйм, (бар)	200 (14)	200 (14)

Приведенные результаты свидетельствуют о том, что при одинаковых условиях проведения реакции катализатор САТ2, полученный без продувки реактора в ходе модификации, не проявляет достаточной активности, в то время как катализатор по настоящему изобретению (САТ1) позволяет получать продукт со значительно сниженным йодным числом (до 101,6) по сравнению с базовым маслом (ИЧ 129).

Пример 7.

Действие устройства с высокой скоростью сдвига на снижение времени реакции при сохранении низкого уровня транс-жиров.

Внешний измельчитель ΙΚΑ МК 2000 (торговая марка ΙΚΑ ΑογΛ. 1пс АПттдЮп. ЫС) соединяли с реактором 10 объемом 10 л, снабженным мешалкой, как показано на фиг. 2. Реактор объемом 10 л включает в себя секцию трубы из нержавеющей стали диаметром 10 дюймов, приваренную к основанию и верхней пластине с перемешивающим стержнем и герметичной крышкой.

В реактор 10 помещали катализатор и базовое масло (см. табл. 3), нагревали до 85°С (с использованием нагревательного кожуха) до растворения защитного покрытия катализатора. Пи этом следует исключить любое контактирование катализатора с кислородом. В систему подавали газообразный водород. Реактор снабжен внешним шестереночным насосом для обеспечения циркуляции смеси мас- 28 020736 ло/катализатор через устройство ΙΚΑ с высокой скоростью сдвига и реактор. Реактор также снабжен внутренним водяным охлаждающим змеевиком для контроля температуры в ходе экзотермической реакции гидрирования.

После нагревания реактора до 85°С и полного расплавления защитного слоя на каплях катализатора температуру снижали до 35°С и продолжали непрерывную подачу водорода для поддерживания необходимого давления. Реактор охлаждали до температуры 35°С, результаты анализа полученного гидрированного масла приведены в табл. 9.

Таблица 9

Содержание жирных кислот в гидрированном при 35°С масле

Состав жирных кислот	мас.%
^18:0	7,3
^18:1	36
^18:2	42,3
θ18:3	3,2
Транс-жиры
Транс-С18:1	4,4
Транс-С18:2	1,6
Транс-С18;3	0,2
Общее количество транс-жиров	6,2
ИЧ	112,7
Ρ5Ι Н2	60
Температура (°С)	35
Время (ч)	1
Количество катализатора (г)	1/100 мл масла
Давление, фунт/кв. дюйм, (бар)	60, (4)
Тип катализатора	САТ 1

Приведенные результаты свидетельствуют о чрезвычайно низком уровне транс-жиров, низком уровне насыщенных жиров и низком уровне линоленовой кислоты, С1_8:3. Приведенные результаты получены при гидрировании в течение приблизительно 1 ч при низкой температуре (35°С). Сравнение йодного числа гидрированного масла (ИЧ 112,7) с йодным числом исходного масла (ИЧ 129, см. табл. 3) свидетельствует, что при гидрировании при низкой температуре йодное число изменяется приблизительно на 16 ед/ч.

Пример 8.

Сравнение устройства с высокой скоростью сдвига со стандартным реактором гидрирования.

Для сравнения гидрирования в стандартных условиях (т.е. способа, показанного на фиг. 1) и процесса с использованием устройства с высокой скоростью сдвига (процесс по настоящему изобретению, фиг. 2) использовали две различных экспериментальных установки, показанных на фиг. 1 и 2. В обоих случаях в качестве неочищенного базового масла использовали очищенное, обесцвеченное и дезодори- 29 020736 рованное негидрированное соевое масло фирмы Лгсйег Эаше1 ММ1аий Согр о! Эеса1иг, 1Ь. В обоих случаях использовали коммерческий катализатор гидрирования ΝΥ8ΘΡΑ0Γ®120 фирмы ЕидеШагй СогрогаОоп, Епе, РА. В приведенных ниже примерах перед использованием катализатор активировали при нагревании до 85°С. В следующем примере использовали очищенный газообразный водород, стандарт Ιδ:ΗΥ 200, класс II, чистота 99,9% фирмы Аидак Согр. В качестве остальных газов использовали газы аналогичного качества. Для проведения гидрирования использовали реактор объемом 2 л стандартной конфигурации для гидрирования соевого масла, как показано на фиг. 1. Реактор 10 представляет собой реактор объемом 2 л фирмы Рагг, 1ис. (Мойие, 1Ь). Реактор РАКК снабжен лопастной мешалкой 28, вращающейся со скоростью 1000 об/мин. Водород 16 подавали в реактор РАКК 10 напрямую при указанном давлении.

В реактор 10 помещали катализатор, 100 мл неочищенного соевого масла и нагревали до 85°С (с использованием нагревательного кожуха 30) в потоке водорода до растворения защитного покрытия катализатора. Время, необходимое для расплавления покрытия катализатора и 100 мл соевого масла, составляет приблизительно 10 мин. После плавления при 85°С в реактор добавляли еще 700 мл неочищенного соевого масла при 50°С в течение 1-2 мин, при этом температура полученных 800 мл масла снижалась до 60°С. Затем в реактор 10 непрерывно подавали водород 16 для поддержания требуемого давления. Базовое масло выдерживали при определенной температуре, используя охлаждающий змеевик в реакторе (не показан на фиг. 2), для поддерживания необходимой температуры реакции. Газообразный водород 16 подавали в реактор 10 при КТ и регулировали поток газа редуктором для сброса давления (не показан), который расположен между подающим коллектором (не показан) и реактором 10. Затем реакцию гидрирования продолжали, подавая поток водорода в реактор, и поддерживая необходимую температуру в течение указанного периода времени. Так как гидрирование представляет собой экзотермический процесс, нагревание использовали для инициации реакции, а затем источник нагревания удаляли.

Процесс охлаждения прекращали, когда температура реактора достигала КТ (обычно от приблизительно 20 до приблизительно 25°С), затем гидрированный продукт реакции удаляли из реактора и определяли его состав.

Вторая установка по настоящему изобретению, показанная на фиг. 2, включает в себя коллоидную мельницу с высокой скоростью сдвига/устройство с высокой скоростью сдвига 40 в сочетании с сосудом 10 объемом 8 л, который служит реактором/сборником 10. Внешняя мельница ΙΚΑΜΚ 2000 (устройство с высокой скоростью сдвига 40), фирмы ΙΚΑ ^огкк, 1ис ^Пттд^ои, ΝΟ, соединена с реактором объемом 8 л, снабженным мешалкой.

В данной установке внешнее устройство с высокой скоростью сдвига 40 расположено между источником водорода и реактором 10. В реактор 10 помещали катализатор, 1 л неочищенного соевого масла и нагревали до 85°С (с использованием нагревательного кожуха) до растворения покрытия катализатора. При этом следует исключить любое контактирование кислорода с катализатором. Затем в систему подавали газообразный водород и нагревали при 85°С в течение приблизительно 10 мин. После плавления при 85°С добавляли еще 7 л неочищенного соевого масла при 25°С в течение 1-2 мин, доводили температуру полученных 8 л масла до 35°С. Затем реагенты подавали в устройство с высокой скоростью сдвига 40, при этом масло непрерывно перемещалось в циркуляционной системе, и реакцию продолжали в течение периода времени, достаточного для образования гидрированного продукта, характеризующегося определенным йодным числом, затем реакцию останавливали. Реактор снабжен внешним шестеренчатым насосом 5 для обеспечения циркуляции смеси шестеренчатым насосом 5 для обеспечения циркуляции смеси масло/катализатор через систему гидрирования с высокой скоростью сдвига 100. Реактор 10 снабжен внутренним водяным змеевиком для охлаждения и для контроля температуры реакции в ходе экзотермического процесса гидрирования. Водород 22 подавали в устройство с высокой скоростью сдвига 40 через входное отверстие 13 устройства с высокой скоростью сдвига. Дисперсию 18 из устройства с высокой скоростью сдвига 40 подавали в сосуд из нержавеющей стали 10 объемом 8 л при атмосферном давлении. Скорость потока через устройство с высокой скоростью сдвига 40 контролировали при помощи шестеренчатого насоса 5, указанный поток поступает самотеком из сосуда из нержавеющей стали 10 объемом 8 л и через насос 5 во входное отверстие 12 устройства с высокой скоростью сдвига 40. Давление у входного отверстия устройства с высокой скоростью сдвига 40 составляло приблизительно 14 бар (200 фунт/кв.дюйм).

Когда температура реактора достигала 35°С, непрерывно подавали водород для поддерживания определенного давления. Реактор охлаждали и поддерживали температуру 35°С. Результаты анализа гидрированного масла, полученного с использованием и без использования внешнего устройства с высокой скоростью сдвига, а также результаты анализа базового масла приведены в табл. 10.

- 30 020736

Таблица 10

Йодное число (ИЧ) неочищенного масла (см. табл. 1) составляет 129,6. Полученные результаты свидетельствуют о том, что при использовании реактора РЛКК при давлении Н₂ 5,6 бар (80 фунт/кв.дюйм) и 60°С реакция гидрирования происходит с чрезвычайно низкой скоростью или совсем не происходит, о чем свидетельствует йодное число, в то время как при использовании устройства с высокой скоростью сдвига наблюдается значительное снижение значения ИЧ, что свидетельствует о высокой степени гидрирования.

Пример 9.

Анализ пузырьков, полученных в устройстве с высокой скоростью сдвига.

Образец масла, полученного в примере 8, отбирали из выходного отверстия коллоидной мельницы и анализировали размер пузырьков на микрофотографии с увеличением в 20 и 50 раз. Микрофотографии дисперсии газообразного водорода в соевом масле, полученной при использовании устройства с высокой скоростью сдвига, показаны на фиг. 6. Размер пузырьков составляет от менее приблизительно 0,5 мкм до приблизительно 2 мкм. Без ссылок на какую-либо теорию можно предположить, что размер пузырьков очевидно является важным фактором, определяющим способность реагентов сталкиваться и взаимодей- 31 020736 ствовать друг с другом в любой реакции газ/жидкость или газ/жидкость/твердое вещество. Согласно законам идеального газа под давлением площадь поверхности, доступная для массопереноса из пузырька, обратно пропорциональна диаметру пузырька. Таким образом, площадь массопереноса увеличивается в 200 раз при снижении размера пузырька от 1 мм до 5 мкм, и скорость увеличивается в 2000 раз при снижении размера пузырька до 0,5 мкм.

Пример 10.

Гидрирование с использованием неподвижного слоя катализатора и устройства с высокой скоростью сдвига.

Эксперимент проводили с использованием неподвижного слоя катализатора, как показано на фиг. 2, реактора 42 с неподвижным слоем катализатора. Результаты показаны в табл. 11. Реактор 42 с неподвижным слоем катализатора представляет собой титановый корзиночный (сетчатый) фильтр Тйап 81тр1ех Вакке! 81ташет (ΤίΙαη Со ЬитЪегйп, N0), модель В8 35-δδ (8Л6767 С), в который помещали 230 г катализатора 8иб Скепие ΝίδαΙ 310 К8 (8ий-СЬет1е 1пс., ЬошкуШе, ΚΥ). Сетчатый фильтр закрепляли с помощью стопорного кольца, таким образом катализатор удерживается в фиксированном положении.

Титановый сетчатый фильтр Тйап Вакке! 81гатег 42 устанавливали в систему между устройством с высокой скоростью сдвига 40 и реактором 10 с мешалкой. Вне фильтра с катализатором 42 установлен обходной трубопровод 19 для регулировки потока через катализатор при запуске и завершении реакции.

Для начальной активации неподвижного слоя катализатора 42, в реактор 10 помещали 8 л базового масла (см. табл. 3). Для удаления из системы кислорода, всю систему 100 вакуумировали, а затем систему 100 продували азотом. Процесс вакуумирования и продувки азотом затем повторяли. После второй продувки 1-дюймовые клапаны из нержавеющей стали в выходном и входном отверстиях фильтра закрывали и таким образом неподвижный слой катализатора изолировали. Систему 100 полностью вакуумировали и третий раз продували азотом. Подавали очищенный водород 22, клапаны во входном и выходном отверстиях фильтра полностью открывали, а обходной трубопровод 19 закрывали. Затем включали устройство с высокой скоростью сдвига 40, шестеренчатый насос 5 и реактор 10 с мешалкой. В системе поддерживали температуру 150°С и постоянное давление водорода 4 бар (60 фунт/кв.дюйм) в течение 4 ч. Через 4 ч реакцию останавливали и масло сливали. В данный момент катализатор полностью активирован.

Процесс гидрирования: в реактор 10 помещали 8 л свежего базового масла. Реактор 10 вакуумировали в течение 30 мин и масло нагревали до 150°С, включали насос 5 и устройство с высокой скоростью сдвига 40. Затем подавали газообразный водород 22, при этом давление в реакторе 10 достигало 100 фунт/кв.дюйм, а давление на выходном потоке 12 из нагнетательного насоса 5 достигало 16 бар (225 фунт/кв.дюйм). Поток водорода 22 контролировали для поддерживания давления в реакторе, при этом небольшой объем газа (1 -2 пузырька/с через медную трубку диаметром 1/8 дюйма) выпускали из реактора через выходное отверстие 17. Поток водорода поддерживали в течение 2 ч 20 мин, а затем поток отключали, выключали насос 5 и устройство с высокой скоростью сдвига 40, а давление в системе 100 снижали до атмосферного. Масло охлаждали до КТ и анализировали. Полученные результаты приведены в табл. 11. Полученные данные свидетельствуют о значительном снижении йодного числа, т.е. о полноте реакции гидрирования.

- 32 020736

Таблица 11

Результаты гидрирования с использованием устройства с высокой скоростью сдвига и неподвижного слоя катализатора

Соевое масло
Состав жирных кислот	Способ	РВ-О1
С8 (Каприловая кислота)	АОС5 Се1с-89
С10 (Каприновая кислота)	АОСЗ Се1с-89
С12 (Лауриновая кислота)	АОС5 Се1с-89
С15 (Пентадекановая кислота)	АОСЗ Се1с-89
С15.·, (Пентадеценовая кислота)	АОСЗ Се1с-89
С16 (Пальмитиновая кислота)	АОСЗ Се1с-89	10,7
С16.., (Пальмитолеиновая кислота)	АОСЗ Се1с-89
С17 (Гептадекановая кислота)	АОСЗ Се1с-89	0,2
Ο17Ί (10-Гептадеценовая кислота)	АОСЗ Се1с-89
С18 (Стеариновая кислота)	АОСЗ Се1с-89	48,1
С18.., (Олеиновая кислота)	АОСЗ Се1с-89	32,6
С18.2 (Ленолевая кислота)	АОСЗ Се1с-89	7,5
С18.3 (Линоленовая кислота)	АОСЗ Се!с-89	0,2

- 33 020736

Соевое масло
Состав жирных кислот	Способ	РВ-01
С20 (Арахидоновая кислота)	АОСЗ Се1с-89	0,4
Сго.! (Ейкозеновая кислота )	АОС5 Се1с-89
С22 (Бегеновая кислота)	АОСЗ Се1с-89	0,3
С22_.| (Эруковая кислота)	АОСЗ Се1с-89
С24 (Лигноцериновая кислота)	АОСЗ Се1с-89
Другие компоненты	АОСЗ Се!с-89
Транс-жиры
транс-С18:1	АОСЗ Се1с-89	12,6
транс-С18:2	АОСЗ Се1с-89	3,2
транс-С18:3	АОСЗ Се1с-89
Общее количество транс-жиров	АОСЗ Се!с-89	15,8
Йодное число	АОСЗ Сс11Ь-87	41,5

Несмотря на то что в настоящем изобретении описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, специалисту в данной области представляется очевидным, что возможны его модификации не выходя за пределы сущности и объема настоящего изобретения. Описанные в данном контексте варианты представлены только в качестве примеров и не ограничивают объем настоящего изобретения. Существует множество вариантов и модификаций настоящего изобретения, которые включены в объем настоящего изобретения. Если указаны числовые интервалы или ограничения, то такие интервалы или ограничения включают итеративные значения или значения, находящиеся в пределах указанных интервалов (например, от приблизительно 1 до приблизительно 10 включает 2, 3, 4, и т.д., более 0,10 включает 0,11, 0,12, 0,13, и т.д.). Использование термина необязательно в отношении любого элемента пункта формулы изобретения означает, что данный элемент требуется или в другом варианте не требуется. Оба варианта включены в объем настоящего изобретения. Использование более широких терминов, таких как содержит, включает, характеризуется и т.д. является основанием для использования более узких терминов, таких как состоящий из, в основном состоит из, в основном включающий и т.п.

Соответственно, объем настоящего изобретения не ограничивается приведенным выше описанием, а ограничивается только приведенной ниже формулой изобретения, и включает все эквиваленты предмета, определенного в формуле изобретения. Каждый пункт формулы изобретения включен в данное описание в качестве варианта осуществления настоящего изобретения. Таким образом, формула изобретения представляет собой дополнительное описание и является дополнением к предпочтительным вариантам осуществления настоящего изобретения. Обсуждение ссылок в разделе Предпосылки создания изобретения не влияют на приоритет настоящего изобретения, прежде всего, в случае ссылок, опубликованных после приоритетной даты. Содержание всех патентов, заявок и публикаций, цитированных в данном контексте, включено в качестве ссылок, в пределах предлагаемых в них примеров, методик или других дополнительных элементов к приведенным в данном контексте.

Claims (37)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Система гидрирования, включающая в себя по меньшей мере одно устройство с высокой скоростью сдвига, содержащее по меньшей мере одно входное отверстие для потока ненасыщенного жидкого жира или масла, по меньшей мере одно входное отверстие для потока газообразного водорода и выходное отверстие для дисперсии пузырьков газообразного водорода, отличающаяся тем, что устройство с высокой скоростью сдвига выполнено с возможностью образования дисперсии, содержащей пузырьки водорода в указанном ненасыщенном жире или масле, имеющие средний размер менее 5 мкм.
2. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что средний размер пузырька дисперсии составляет менее приблизительно 0,4 мкм.
3. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что устройство с высокой скоростью сдвига содержит по меньшей мере один вращающийся элемент, выполненный с возможностью создания механического усилия и приложения его к реагентам.
4. 4. Система по п.3, отличающаяся тем, что устройство с высокой скоростью сдвига содержит по меньшей мере один статор и по меньшей мере один ротор, установленные отделенными друг от друга посредством зазора.
5. 5. Система по п.4, отличающаяся тем, что минимальный зазор между статором и ротором составляет от приблизительно 0,0025 см до приблизительно 0,31 см.
6. 6. Система по п.5, отличающаяся тем, что минимальный зазор между статором и ротором составляет приблизительно 0,15 см.
7. 7. Система по п.5, отличающаяся тем, что устройство с высокой скоростью сдвига содержит насадку, установленную с возможностью вращения со скоростью по меньшей мере 305 м/мин.
8. 8. Система по п.1, отличающаяся тем, что устройство с высокой скоростью сдвига содержит коллоидную мельницу.
9. 9. Система по п.8, отличающаяся тем, что коллоидная мельница содержит многоступенчатый поточный диспергатор.
10. 10. Система по п.9, отличающаяся тем, что усилие сдвига, создаваемое указанным поточным диспергатором, изменяется в продольном направлении по потоку.
11. 11. Система по п.1, в которой по меньшей мере одно устройство с высокой скоростью сдвига дополнительно содержит резервуар, расположенный ниже по потоку, входное отверстие которого соединено текучей средой с выходным отверстием для дисперсии устройства с высокой скоростью сдвига.
12. 12. Система по п.11, отличающаяся тем, что резервуар дополнительно содержит выходное отверстие рециркулирующего потока, соединенное текучей средой с входным отверстием для потока ненасыщенного жидкого жира или масла.
13. 13. Система по п.12, которая дополнительно содержит насос повышения давления рециркулирующего потока перед подачей рециркулирующего потока по меньшей мере в одно устройство с высокой скоростью сдвига.
14. 14. Система по п.1, которая содержит по меньшей мере два устройства с высокой скоростью сдвига.
15. 15. Система по п.14, отличающаяся тем, что по меньшей мере два устройства с высокой скоростью сдвига соединены последовательно.
16. 16. Способ гидрирования жира или масла, включающий введение водорода и жира или масла по меньшей мере в одно устройство с высокой скоростью сдвига, снабженное по меньшей мере одним входным отверстием для потока ненасыщенного жира или масла, по меньшей мере одним входным отверстием для потока газообразного водорода и выходным отверстием для дисперсии; и образование дисперсии, содержащей пузырьки газообразного водорода в указанном ненасыщенном жире или масле со средним размером пузырька менее 5 мкм, в указанном устройстве высокой скорости сдвига, за счет чего водород взаимодействует с указанным ненасыщенным жиром или маслом, с насыщением по меньшей мере части ненасыщенного жира или масла.
17. 17. Способ по п.16, отличающийся тем, что диаметр пузырька составляет менее приблизительно 0,4 мкм.
18. 18. Способ по п.16, дополнительно включающий контактирование дисперсии с катализатором гидрирования.
19. 19. Способ по п.18, отличающийся тем, что катализатор выбирают из группы, включающей железо, рутений, осмий, кобальт, родий, иридий, никель, палладий, платину или комбинации указанных металлов.
20. 20. Способ по п.18, отличающийся тем, что взаимодействие водорода с ненасыщенным жиром или маслом осуществляют с насыщением по меньшей мере части ненасыщенного жира или масла при температуре реакции менее 100°С.
21. 21. Способ по п.20, отличающийся тем, что взаимодействие водорода с ненасыщенным жиром или маслом осуществляют с насыщением по меньшей мере части ненасыщенного жира или масла при темпе- 35 020736 ратуре реакции менее 70°С.
22. 22. Способ по п.21, отличающийся тем, что взаимодействие водорода с ненасыщенным жиром или маслом осуществляют с насыщением по меньшей мере части ненасыщенного жира или масла при температуре реакции менее 35°С.
23. 23. Способ по п.18, отличающийся тем, что при контактировании дисперсии с катализатором гидрирования получают, по меньшей мере, частично гидрированный продукт посредством введения дисперсии в реактор с неподвижным слоем катализатора.
24. 24. Способ по п.18, отличающийся тем, что в поток ненасыщенного жира или масла включают ненасыщенные углеводороды.
25. 25. Способ по п.18, отличающийся тем, что в поток ненасыщенного жира или масла включают триглицериды и/или ненасыщенные жирные кислоты, при этом используют катализатор гидрирования.
26. 26. Способ по п.25, отличающийся тем, что осуществляют подачу газообразного водорода в поток, содержащий триглицериды или ненасыщенные жирные кислоты, а перед вышеуказанной подачей газообразного водорода производят смешивание катализатора с потоком, содержащим триглицериды и/или ненасыщенные жирные кислоты, при этом получают суспензию.
27. 27. Способ по п.26, отличающийся тем, что смешивание катализатора с потоком, содержащим триглицериды и/или ненасыщенные жирные кислоты для получения суспензии, производят посредством контактирования катализатора и жидкого потока в реакторе, содержащем выходное отверстие для рециркулирующего потока, которое соединяют текучей средой с входным отверстием для потока ненасыщенного жира или масла по меньшей мере одного устройства с высокой скоростью сдвига, выходное отверстие для газа и входное отверстие для дисперсии, при этом суспензию подают из реактора по меньшей мере через одно выходное отверстие для рециркулирующего потока по меньшей мере в одно устройство высокого сдвига, а дисперсию подают в реактор по меньшей мере из одного устройства с высокой скоростью сдвига через входное отверстие для дисперсии.
28. 28. Способ по п.27, отличающийся тем, что реактор поддерживают при атмосферном давлении.
29. 29. Способ по п.27, который дополнительно включает подачу водорода в суспензию, выходящую из реактора, и циркуляцию суспензии в системе до достижения требуемой степени насыщения.
30. 30. Способ по п.25, отличающийся тем, что ненасыщенные жирные кислоты выбирают из группы, включающей тетрадеценовую, пальмитолеиновую, олеиновую, линолевую, альфа-линоленовую, арахидоновую, эйкозапентаеновую, эруковую, докозагексаеновую кислоты и комбинации указанных кислот.
31. 31. Способ по п.25, отличающийся тем, что поток триглицеридов выбирают из группы, включающей растительное масло, рапсовое масло, животные жиры, кукурузное масло, масло канолы, оливковое масло, хлопковое масло, сафлоровое масло, пальмовое масло, соевое масло, подсолнечное масло, арахисовое масло, кокосовое масло и комбинации указанных масел.
32. 32. Способ по п.25, отличающийся тем, что йодное число триглицеридов и/или ненасыщенных жирных кислот снижают по меньшей мере на 10%.
33. 33. Способ по п.25, отличающийся тем, что поток, содержащий триглицериды и/или ненасыщенные жирные кислоты, дополнительно включает органический растворитель.
34. 34. Способ по п.33, отличающийся тем, что в качестве органического растворителя используют гексан.
35. 35. Способ по п.30, дополнительно включающий активацию катализатора посредством нагревания в активационном сосуде и подачу активирующего газа в катализатор под давлением выше атмосферного.
36. 36. Способ по п.35, отличающийся тем, что активирующий газ дополнительно содержит газ, выбранный из группы, включающей водород, СО₂, Не, азот и комбинации указанных газов.
37. 37. Способ по п.35, отличающийся тем, что активация катализатора дополнительно включает продувку активационного сосуда газом в ходе активации.