JP6462701B2 - 燃料用脂肪酸エステルを生成する装置と方法 - Google Patents

Description

本発明は、油又は脂肪若しくはその両方（油脂）とメタノールのようなアルコールから脂肪酸エステルを生成する装置に関する。
本発明は、更に様々な酸化レベルを変えるステップと、脂肪酸エステル化反応とグリセド・トランスエステル化反応とを同時に行わせるステップとから開始して脂肪エステルを生成する方法に関する。
本発明は、バイオ燃料とバイオディーゼル燃料の生成にも適用可能であり、脂肪から得られたエステルを利用する化学産業と化粧品産業にも応用可能である。

ライト・アルコール・エステル（例、メタノール）を生成する現在の技術は、触媒と低酸精製油（low acid refined oil）が必要である。その理由は、この様な触媒の存在と脂肪グリセドのトランスエステル化反応（transesterification reaction of fatty glyceride）が、後で分離しなければならない酸生成ソープ(acids yield soap)（鹸化反応（saponification reaction））の存在につながるからである。

本発明のプロセスにより、脂肪酸エステル化反応とグリセリドのトランスエステル化反応が、触媒の存在なしに同時に起き、高温高圧状態を生成する。この様な温度と圧力の条件は、アルコールが超臨界（臨界超過）状態にあることを示す。

特開２００４−１８２９６６号公報 国際公開パンフレット第２００７／０２６０３２号

特許文献１は、超臨界で動作する管状の反応容器内で、脂肪と油の混合物（油脂）から脂肪酸エステルを生成する装置を開示する。この装置は、反応容器に供給される脂肪と油を予め加熱するプリヒーターと、前記アルコールの臨界温度以下の温度にアルコールを予め加熱するプリヒーターと、その結果予め加熱された油と脂肪（油脂）とアルコールの混合物の温度を、反応温度にまで高め、その後反応容器に供給する。

特許文献２は、様々な種類の脂肪と油と様々な種類のアルコールを、超臨界のアルコールに分解する化学反応容器を開示する。脂肪と油の両方がそれぞれのポンプを介して反応容器内に直接導入される。反応物（effluent）の熱交換機と脂肪と油の熱交換機とを有し、それらが化学反応容器に供給される。

本発明は前掲の特許文献に開示されたのと類似の反応容器を提案し、反応条件を改善して従来技術にはない幾つかの措置を講じて処理される脂肪酸の変換を容易にする。

前掲の特許文献に開示された従来技術によれば、従来の装置は、
（Ａ）第１ポンプ３に第１供給パイプ２を介して接続される、油又は脂肪若しくはその両方を収納する第１タンク１０と、
前記第１ポンプ３は、所定の圧力で前記油又は脂肪若しくはその両方を供給し、
（Ｂ）第２ポンプ５に第２供給パイプ４を介して接続される、ライトアルコールlight alcoholを収納する第２タンク１１と、
前記第第２ポンプ５は、前記所定の圧力で前記ライトアルコールを供給し、
（Ｃ）前記第１ポンプ３と第２ポンプ５が、前記油又は脂肪若しくはその両方とライトアルコールを供給する反応容器１２と、
前記反応容器１２は、流体が３０−４５分の間若しくはそれ以上滞留する長さの加熱手段を具備する巻回したコイル状の管状容器３０を有し、前記加熱手段は、前記第１ポンプ３と第２ポンプ５により提供される圧力１５Ｍｐａと２５Ｍｐａの間と使用されるライトアルコールを超臨界の温度２８０℃と３２５℃の間にその内部を維持し、触媒を使用せずに前記油又は脂肪若しくはその両方とライトアルコールのエステル化反応とトランスエステル化反応を生成し、
（Ｄ）媒体（affluents）を加熱し、前記反応容器（１２）からの反応物（reaction effluents）を冷却する第１熱交換機８と、
（Ｅ）前記反応容器１２の前記反応物の出口領域に接続され、減圧する為に圧力と流速を制御するバルブを具備する反応物用の減圧タンク２１と、
（Ｆ）生成されたエステルと反応副産物用の出口５０を有し、前記減圧タンク２１に関連する反応の際生成された余剰ライトアルコールを回収する手段と、
を有する。
本発明の装置は、更に（Ｇ）前記反応容器１２の前記減圧タンク２１方向への出口領域のセクターをカバーするセグメント内で、反応温度と反応圧力で反応生成物（reaction product）を撹拌する撹拌手段を有する。

本発明の一実施例によれば、前記撹拌手段は、再循環パイプ２３を介して反応圧力で反応生成物を再循環させる第３ポンプ２２を有し、前記再循環パイプ２３は、前記反応容器１２の前記後部領域（出口）近傍の管状容器の領域に入口と前記管状容器３０の前部（入口）領域に出口とを具備し、前記反応生成物の速度と動きを、前記入口と出口により区分された前記管状容器３０のセクター内で増加させる。前記第３ポンプ２２は、前記後部領域の前の前記反応容器１２のセクターをカバーする。反応容器の最終セグメント内におけるこの様な速度の向上は、前記の最終領域における反応を促進させる。その理由は、反応生成物の撹拌が反応にかなりの程度寄与するからである。

この様な構成攪拌装置により反応生成物の動きと振動が発生する。このような動きと振動を行わせるのは主に反応容器の最終（出口）領域が好ましい。その理由はこの最終領域では反応はより緩慢となり更には不完全になることもあるからである。

別の構成として前記の撹拌は、高い圧力と温度の元で動作する１つあるいは複数の撹拌装置を配備して行われる。この攪拌装置はモーターにより駆動されるロッドの端部にプロペラを有する。このプロペラとロッドの一部が反応容器内に配置される。

更に本発明は、脂肪と油（油脂）とアルコールを反応容器と混合装置に直接提供する。この混合装置は例えばスタティック・ミキサーでもよい。更に反応生成物を攪拌機のような撹拌装置を用いるダイナミックミキサーでもよい。そのミキサー装置には、第１と第２のポンプにより圧縮された圧力流体が供給される。この反応混合物は、第１パイプにより前記ミキサーから第１熱交換機に逆流するように移送され第２パイプにより戻される。第１熱交換機が反応物からの熱エネルギーを上記流体に与える。第２パイプは前記加熱された反応混合物を第２熱交換機に提供する。この第２熱交換機は、それに熱エネルギーを加えその後反応温度で前記混合物を反応容器に導入する。

反応容器内のスタート時からの反応の開始は、従来技術で記載された構成で実行される。

この反応を加速させるために、本発明の実施例に従って、必要によって、反応容器の様々なセグメントの温度変動を、温度を測定する手段と熱エネルギーを供給する手段により、制御する。

特定の油又は脂肪若しくはその両方例えばパルミチン酸（palmitic）を高濃度で含む油を処理するために、上記の反応容器に加えて、第２の管状反応容器を減圧タンクの前に配置する。この中で、異質な触媒（heterogeneus catalyst）を用いて、１５０℃のサブ臨界未満温度と２Ｍｐａのオーダーの圧力で処理するステップを実行する。

更に本発明によれば、本発明の油又は脂肪若しくはその両方とライトアルコールから燃料用脂肪酸エステルを生成する方法は、
（Ａ）管状容器３０で形成された反応容器１２内で、油と脂肪若しくはその両方とライトアルコールからなる混合物のエステル化反応とトランスエステル化反応を３０−４５分間行わせるステップと、
前記管状容器３０は、使用されるライトアルコールに関連する２８０℃と３２５℃の間の超臨界の温度と１５Ｍｐａと２５Ｍｐａの間の圧力で動作するよう巻回されたコイル形状の加熱装置を有しており、
（Ｂ）前記反応容器１２の出口５０に接続されている減圧タンク２１内の反応から得られたエステルを回収するステップと、
（Ｃ）前記反応容器１２内の前記圧力と温度条件の元で、前記反応容器１２の出口付近セグメントをカバーするセクター内で、反応混合物（reaction mixture）を撹拌するステップと、を有する。

本発明の方法は、更に、特定の油又は脂肪若しくはその両方例えばパルミチン酸を（Ｄ）異質な触媒でもって追加的な処理を行うステップを有する。前記ステップ（Ｄ）は、前記第２管状反応容器４０内で、２Ｍｐａの圧力と１５０℃の臨界未満温度で１−２時間行う。

本発の幾つかの実施例を添付した図面と共に説明する。

本発明の第一実施例による本発明の装置を表す図。 第１実施例の管状反応容器１２の拡大図で、反応容器の様々なセグメントにエネルギーを供給する手段と前記セグメント内の温度を制御する手段とを示す図。 反応生成物を撹拌する手段を含む反応容器の構造図。 接続エルボウ３２により相互に接続され断熱材料３３により包囲された１６個の管状セグメント３０を含む反応容器の拡大図。 本発明の第２実施例で、加熱流体加熱油をパイプ３６内に流すことにより反応容器のセグメント３０を保温する図。 本発明の第３実施例で、電気ヒーター３７により管状容器３０を保温する状態を表す図。 上記の反応容器１２に加えてある種の油を処理するために必要な異質の触媒で追加的ステップを実行するのに用いられる第２管状反応容器４０を示す図。

図１に示すように、以下の構成
第１ポンプ３に第１供給パイプ２を介して接続される、油又は脂肪若しくはその両方を収納する第１タンク１０と、
前記第１ポンプ３は、所定の圧力で前記油又は脂肪若しくはその両方を供給し、
第２ポンプ５に第２供給パイプ４を介して接続される、ライトアルコールlight alcoholを収納する第２タンク１１と、
前記第第２ポンプ５は、前記所定の圧力で前記ライトアルコールを供給し、
前記第１ポンプ３と第２ポンプ５が、前記油又は脂肪若しくはその両方とライトアルコールを供給する反応容器１２と、
前記反応容器１２は、流体が３０−４５分の間若しくはそれ以上滞留する長さの加熱手段を具備する巻回したコイル状の管状容器３０を有し、前記加熱手段は、前記第１ポンプ３と第２ポンプ５により提供される圧力１５Ｍｐａと２５Ｍｐａの間と使用されるライトアルコールを超臨界の温度２８０℃と３２５℃の間にその内部を維持し、触媒を使用せずに前記油又は脂肪若しくはその両方とライトアルコールのエステル化反応とトランスエステル化反応を生成し、
媒体を加熱し前記反応容器１２からの反応物を冷却する第１熱交換機８と、
前記反応容器１２の前記反応物の出口領域に接続され、減圧する為に圧力と流速を制御するバルブを具備する反応物用の減圧タンク２１と、
生成されたエステルと反応副産物用の出口５０を有し、前記減圧タンク２１に関連する反応の際生成された余剰ライトアルコールを回収する手段と、
を有する脂肪酸エステルを生成する装置は公知である。

本発明の装置は、更に、前記反応容器１２の前記減圧タンク２１方向への出口領域のセクターをカバーするセグメント内で、反応温度と反応圧力で反応生成物を撹拌する撹拌手段を有する。

図１，２に示す第１実施例によれば、本発明の撹拌手段は、再循環パイプ２３を介して反応圧力で反応生成物を再循環させる第３ポンプ２２を有し、前記再循環パイプ２３は、前記反応容器１２の前記後部領域近傍の管状容器の領域に入口と前記管状容器３０の前部領域に出口とを具備し、前記反応生成物の速度と動きを、前記入口と出口により区分された前記管状容器３０のセクター内で増加させ、前記第３ポンプ２２は、前記後部領域の前の前記反応容器１２のセクターをカバーする。

図３，７に示す第２実施例によれば、本発明の撹拌手段は、モータ２９により駆動されるロッド２７の端部にプロペラ２８を具備する撹拌装置２６を含み、前記ロッド２７の一部とプロペラ２８は、前記ロッド２７と同軸のガスケットを介して前記管状容器３０内に挿入され、前記反応容器１２の出口の前の前記管状容器３０のセグメント内に配置された少なくとも２個の撹拌装置２６を一体にする。

図１に示すように、本発明の装置は、
＊前記第１ポンプ３と第２ポンプ５により前記油又は脂肪若しくはその両方とライトアルコールを含む圧力流体が供給される混合装置６と、
＊前記混合装置６から前記第１熱交換機８に前記圧力流体を逆流させ、これにより前記反応物からの熱エネルギーを前記圧力流体に加える第１パイプ７と、
＊加熱された前記圧力流体を第２熱交換機２０に搬送する第２パイプ９と、
を更に有し、これにより、前記圧力流体に熱エネルギーを与え、前記反応温度での圧力流体を前記反応容器１２の管状容器３０内に導入する。

圧力流体が、適宜に混合した状態で反応容器１２内に入るようにさせるために、本発明の装置は、例えばモーターにより操作されるブレードあるいはプロペラを具備する撹拌装置を第２熱交換機２０の後で混合物供給パイプ２４内に搭載する。

図３に示すように、管状容器３０は、フランジ３１によりその各端部で閉鎖された第１断面積の複数の線形セグメントを有し、前記複数の線形セグメントは、前記フランジ３１を貫通するより小さな第２断面積の連結エルボウ３２により相互に接続される。攪拌装置２６は、連結エルボウ３２に沿って、フランジ３１に連結して搭載され、そのロッド２７は、十分な機械的手段により管状容器３０内に入り、圧力と温度を行き渡らせる。

前記第３ポンプ２２を撹拌装置（図２）として用いた場合には、第３ポンプ２２は、前記２つの連結エルボウ３２をリンクする再循環パイプ２３に挿入される。
図４は、連結エルボウ３２によりリンクされた複数の線形セグメントの手段により構成された管状反応容器を示す。支持構造（図示せず）により支持された管状セグメント３０は、ロックウール３３のような断熱材料で包囲されている。

図２は、反応容器の管状容器３０の１つ或いは複数のセグメントに熱エネルギーを供給する手段の詳細を示す。この手段は前記管状容器３０の温度を制御するためである。前記熱エネルギーを供給する手段は、前記管状容器３０の各セグメントを包囲する管状スリープ３５を有し、その中に温度測定手段が配置されている。管状スリープ３５は、必要によっては、所定の熱エネルギーを供給するために、温度制御された流体を前記スリープ内に選択的に導入する手段を有する。これにより、管状スリープ３５内の温度を２８０℃と３２５℃の間に維持する。

前記管状スリープ３５には前記温度制御された流体が個別に供給される、又は前記管状スリープ３５が複数ある場合には、前記複数の管状スリープ３５は、互いに連結され、前記温度制御された流体がまとめて供給される。

図５は、熱エネルギーを供給する他の手段を示す。この他の熱エネルギーを供給する手段は、前記管状容器３０に伝熱状態で接触するトレーサーパイプ３６を有する。

図６は熱エネルギーを供給する他の手段を示す。この他の熱エネルギーを供給する手段は、防炎カバーを具備するトレーサーワイヤー３７の形態の加熱要素を含む。

図７は本発明の他の態様を示す。前記反応容器１２は、前記減圧タンク２１の前に、制御バルブ３８と連通しその出口に関連する第２管状反応容器４０を有する。前記第２管状反応容器４０は、加熱手段を具備する巻回されたコイルを有し、所定の油又は脂肪若しくはその両方を、異質の触媒で２Ｍｐａの圧力と１５０℃の臨界未満温度で熱処理を行う。

以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。

２：供給パイプ
３：第１ポンプ
４：供給パイプ
５：第２ポンプ
６：混合装置
７：第１パイプ
８：第１熱交換機
９：戻りパイプ
１０：第１タンク
１１：第２タンク
１２：反応容器
２０：第２熱交換機
２１：減圧タンク
２２：第３ポンプ
２３：再循環パイプ
２４：混合物供給パイプ
２５：混合物供給パイプ
２６：撹拌装置
２７：ロッド
２８：プロペラ
２９：モータ
３０：管状容器
３１：フランジ
３２：連結エルボウ
３３：ロックウール
３５：管状スリーブ
３６：トレーサーパイプ
３７：トレーサーワイヤ
３８：制御弁
４０：第２管状反応容器
５０：出口

Claims (12)

1. 第１ポンプ（３）に第１供給パイプ（２）を介して接続される、油又は脂肪若しくはその両方（以下「油成分」と称する）を収納する第１タンク（１０）と、
   前記第１ポンプ（３）は所定の圧力で前記油成分を供給し、
   第２ポンプ（５）に第２供給パイプ（４）を介して接続される、ライトアルコール（light alcohol）を収納する第２タンク（１１）と、
   前記第２ポンプ（５）は、前記所定の圧力で前記ライトアルコールを供給し、
   前記第１ポンプ（３）と第２ポンプ（５）が、前記油成分とライトアルコールを供給する反応容器（１２）と、
   前記反応容器（１２）は、加熱手段を具備する巻回したコイル状の管状容器（３０）を有し、前記加熱手段は、前記第１ポンプ（３）と第２ポンプ（５）により提供される圧力と使用されるライトアルコールを超臨界の温度にその内部を維持し、触媒を使用せずに前記油成分とライトアルコールのエステル化反応とトランスエステル化反応を生成し、
   媒体（affluents）を加熱し、前記反応容器（１２）からの反応物（reaction effluents）を冷却する第１熱交換機（８）と、
   前記反応容器（１２）の前記反応物の出口領域に接続され、減圧する為に圧力と流速を制御するバルブを具備する反応物用の減圧タンク（２１）と、
   生成されたエステルと反応副産物用の出口（５０）を有し、前記減圧タンク（２１）に関連する反応の際生成された余剰ライトアルコールを回収する手段と、
   を有する燃料用脂肪酸エステルを生成する装置において、
   前記減圧タンク（２１）に連結された出口領域の前の反応容器のセクタをカバーする前記管状容器（３０）のセグメント内で、所定の反応温度と反応圧力で前記反応生成物（reaction product）を撹拌する撹拌手段をさらに有し、
   前記撹拌手段は、再循環パイプ（２３）を介して反応圧力で反応生成物を再循環させる第３ポンプ（２２）を有し、前記再循環パイプ（２３）は、前記反応容器（１２）の前記後部領域近傍の管状容器の領域に入口と前記管状容器（３０）の前部領域に出口とを具備し、前記反応生成物の速度と動きを、前記入口と出口により区分された前記管状容器（３０）のセクター内で増加させ、前記第３ポンプ（２２）は、前記後部領域の前の前記反応容器（１２）のセクターをカバーする
   ことを特徴とする燃料用脂肪酸エステルを生成する装置。
2. 前記撹拌手段は、モータ（２９）により駆動されるロッド（２７）の端部にプロペラ（２８）を具備する撹拌装置（２６）を含み、前記ロッド（２７）の一部とプロペラ（２８）は、前記ロッド（２７）と同軸のガスケットを介して前記管状容器（３０）内に挿入され、前記反応容器（１２）の出口の前の前記管状容器（３０）のセグメント内に配置された少なくとも２個の撹拌装置（２６）を一体にする
   ことを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記反応容器（１２）は、フランジ（３１）によりその各端部で閉鎖された第１断面積の複数の線形セグメントを有し、前記複数の線形セグメントは、前記フランジ（３１）を貫通するより小さな第２断面積の連結エルボウ（３２）により相互に接続され、
   前記撹拌装置は、前記連結エルボウ（３２）に沿って前記フランジ（３１）にリンクされ、前記プロペラ（２８）を支持するロッド（２７）は、前記フランジ（３１）の開口部を介して前記管状容器（３０）の線形セグメント内に入る
   ことを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 前記反応容器（１２）は、フランジ（３１）によりその各端部で閉鎖された第１断面積の複数の線形セグメントを有し、前記複数の線形セグメントは、前記フランジ（３１）を貫通するより小さな第２断面積の連結エルボウ（３２）により相互に接続され、
   前記第３ポンプ（２２）は、前記２つの連結エルボウ（３２）をリンクする前記再循環パイプ（２３）に挿入される
   ことを特徴とする請求項１記載の装置。
5. （Ｈ）前記第１ポンプ（３）と第２ポンプ（５）により前記油成分とライトアルコールを含む圧力流体が供給される混合装置（６）と、
   （Ｉ）前記混合装置（６）から前記第１熱交換機（８）に前記圧力流体を逆流させ、これにより前記反応物からの熱エネルギーを前記圧力流体に加える第１パイプ（７）と、
   （Ｊ）加熱された前記圧力流体を第２熱交換機（２０）に搬送する第２パイプ（９）と、
   を更に有し、これにより、前記圧力流体に熱エネルギーを与え、前記反応温度での圧力流体を前記反応容器（１２）の管状容器（３０）内に導入する、
   ことを特徴とする請求項２又は４のいずれかに記載の装置。
6. 前記反応容器（１２）の管状容器（３０）内に導入する前に、前記加熱された反応流体を撹拌するダイナミックミキサー装置を、前記第２熱交換機（２０）の後に配置された混合物供給パイプ（２４）に挿入する
   ことを特徴とする請求項５記載の装置。
7. 前記管状容器（３０）は、複数の前記セグメント内に、前記管状容器（３０）の温度を制御するために、
   前記セグメントに熱エネルギーを供給する手段と、前記反応容器（１２）の温度を測定する手段とを有する
   ことを特徴とする請求項１記載の装置。
8. 前記熱エネルギーを供給する手段は、
   温度が測定される前記管状容器（３０）の各セグメントを包囲する管状スリープ（３５）と、
   所定の熱エネルギーを供給するために、温度制御された流体を前記スリープ内に選択的に導入する手段と
   を有する
   ことを特徴とする請求項７記載の装置。
9. 前記管状スリープ（３５）には前記温度制御された流体が個別に供給される、又は
   前記管状スリープ（３５）が複数ある場合には、前記複数の管状スリープ（３５）は、互いに連結され、前記温度制御された流体がまとめて供給される
   ことを特徴とする請求項８記載の装置。
10. 前記熱エネルギーを供給する手段は、防炎カバーを具備するトレーサーワイヤー（３７）の形態の加熱要素を含む
    ことを特徴とする請求項７記載の装置。
11. 前記熱エネルギーを供給する手段は、前記管状容器（３０）に伝熱状態で接触するトレーサーパイプ（３６）を有する
    ことを特徴とする請求項７記載の装置。
12. 前記反応容器（１２）は、前記減圧タンク（２１）の前に、第２管状反応容器（４０）を有し、
    前記第２管状反応容器（４０）は、加熱手段を具備する巻回されたコイルを有し、所定の油成分を、異質の触媒（heterogeneous catalyst）で２Ｍｐａの圧力と１５０℃の臨界未満温度で熱処理を行う
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置。

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