專利名稱：連續式醇解法制備中高碳脂肪酸酯的設備和方法
技術領域：
本發明涉及一種制備脂肪酸酯的設備和方法，具體涉及一種制備中高碳脂肪酸 甲酯或者中高碳脂肪酸乙酯的設備和方法。
背景技術：
本發明所稱的中高碳脂肪酸酯是指碳鏈上的碳原子數為6至18個的脂肪酸酯，中 高碳脂肪酸酯一般可由中高碳脂肪酸與醇發生酯化反應而制得。目前，中高碳脂肪酸的酯 化反應的典型方法為間斷式的制備方法，該方法所用的設備見圖1。圖1中的反應釜a帶有 攪拌器b，該反應釜a的上部裝有回流冷凝器C。制備中高碳脂肪酸酯時，將中高碳脂肪酸 與醇精確配比后投入反應釜a中，在反應釜a的夾套d中通入蒸汽并在一定的溫度下使得 物料體系進行回流而發生生成中高碳脂肪酸酯的反應，反應過程中必須邊回流邊攪拌，使 得大量的過量的醇通過回流冷凝器c不斷地回流到反應釜a中。該方法的缺點在于(1) 由于醇的沸點較低(甲醇為64. 5°C，乙醇為78. 4 °C),因此回流反應溫度較低，導致反應時 間較長，一般需要6h 8h才能反應完全。(2)反應轉化率不高，在90% 95%之間。(3) 需要用大量的醇來保證酯化反應完全，而大量回流的醇不斷流入反應釜a中會降低反應釜 a中的溫度，從而必須不斷加熱保持反應溫度，能耗較高。(4)反應過程中生成的水難以去 除。
發明內容
本發明的目的是克服上述問題，提供一種連續式醇解法制備中高碳脂肪酸酯的設 備和方法，該方法時間短、轉化率高、能耗低。實現本發明目的之一的技術方案是一種連續式醇解法制備中高碳脂肪酸酯的設 備，包括熱交換器。還包括氣膜式反應裝置；氣膜式反應裝置為塔式反應器；該塔式反應器 包括圓柱殼狀的塔主體和自下而上分別設置在塔主體上的酯排放口、醇入口、脂肪酸入口 以及蒸汽出口 ；酯排放口位于塔主體的底部，醇入口位于塔主體側部下方，脂肪酸入口位于 塔主體側部上方，蒸汽出口位于塔主體的頂部；塔主體的底部為液體存放部。塔式反應器還 包括固定在塔主體中的格柵；所述格柵設置在醇入口與脂肪酸入口之間；格柵上設有密集 堆置的填料所形成的填料層。塔式反應器還包括固定在塔主體中的盤形霧化分布器和盤管 加熱器；盤管加熱器位于塔主體的醇入口下方；盤形霧化分布器為在管壁上開有常規數量 和大小的霧化噴孔的盤管；盤形霧化分布器位于塔主體的上部，且其進料口與塔式反應器 的脂肪酸入口密閉相連。熱交換器由其物料出口及相應的管路與塔式反應器的脂肪酸入口 密閉相連。填料為陶瓷鮑爾環或者是由不銹鋼絲網卷繞而成的圓筒形網狀物。格柵有3至10層，每層格柵上均設有密集堆置的填料所形成的填料層。所述塔式反應器的高度為15 30m，直徑為0. 5 3m ；所述脂肪酸入口至圓柱狀 塔式反應器的塔主體頂部的距離為0. 5 1. 5m ；所述醇入口至圓柱狀塔式反應器的塔主體底部的距離為5 IOm ；所述格柵中的最下一層位于所述醇入口上方0. 5 Im ；所述蒸汽出 口的管口直徑為0. 1 0. 5m ；所述填料層的裝填高度為1 5m ；上一層格柵的下端與下一 層格柵上的物料的上端之間的距離為20 35cm。實現本發明另一目的的技術方案是一種連續式醇解法制備中高碳脂肪酸酯的方 法，具有如下步驟①連續將液態醇儲罐中的溶解有堿金屬催化劑的過量的液態醇通過第 一計量泵從醇入口泵入氣膜式反應裝置的塔主體中的下部；所述的醇為甲醇或者乙醇；所 述堿金屬催化劑為KOH或者NaOH ；堿金屬催化劑的重量占堿金屬催化劑和液態醇總重量 的0. 1 0. 5% ；②在進行步驟①的同時，連續將保溫儲罐中的液態油脂以油脂與液態醇的 摩爾比為15 17的比例通過第二計量泵泵入運行中的熱交換器中使之被加熱至 120°C 150°C，在第二計量泵泵壓下，油脂由熱交換器的物料出口、相應的管路以及氣膜 式反應裝置的脂肪酸入口進入盤形霧化分布器中；所述油脂是中高碳脂肪酸甘油酯，其中 中高碳脂肪酸根的碳鏈的碳原子數為6至18 ；③在第二計量泵泵壓下，液態油脂經過盤形 霧化分布器后則成為霧狀液滴噴出而進入塔主體的上部空腔內，在重力作用下，下落至填 料上后繼而沿著填料的表面進行總趨勢向下的流動再逐層落至下層的填料上，并在流動中 在所經過的填料表面形成均勻的液膜；④由步驟①進入塔主體的液態醇在盤管加熱器所發 出的熱量的作用下被汽化為醇蒸汽并由下向上連續經過填料層，從而該醇蒸汽在各填料層 中與填料上的處于液膜狀態的油脂在堿金屬催化劑的作用下發生生成中高碳脂肪酸酯和 甘油的催化醇解反應；⑤由步驟④的催化醇解反應生成的中高碳脂肪酸酯和甘油在重力的 作用下，下落至氣膜式反應裝置的塔主體的底部的液體存放部，再經過控制閥門由物料泵 送入精制分離釜中靜置，在重力作用下沉降分離成上下兩層，甘油在下，中高碳脂肪酸酯在 上；從下部分出甘油，剩下的中高碳脂肪酸酯送入粗品儲罐；催化醇解反應后，過量的醇蒸 汽在氣膜式反應裝置的塔主體中由下向上運動，經過盤形霧化分布器時，則從其盤管的相 鄰管體之間的空隙中穿過，然后上升至頂部而從蒸汽出口連續流出氣膜式反應裝置的塔主 體。還具有下述步驟⑥將步驟⑤得到的中高碳脂肪酸酯粗品進行精制將中高碳脂 肪酸酯粗品送入蒸餾塔中進行減壓蒸餾，控制蒸餾塔中的殘壓為10 20mm汞柱、溫度為 250°C 280°C，使得中高碳脂肪酸酯粗品通過蒸餾而成為成品；將步驟⑤中在氣膜式反應 裝置的頂部連續流出的醇蒸汽流通過相應的管路進入醇蒸汽處理系統中，由冷凍水作為冷 卻介質將醇蒸汽流冷卻成為液態醇，該液態醇可循環使用。步驟①中的堿金屬催化劑為Κ0Η。步驟②中的油脂與液態醇的摩爾比為1 6。本發明具有積極的效果(1)本發明的方法將過量的液態甲醇或乙醇與溶解在液 態醇中的堿金屬催化劑一起加入到氣膜式反應裝置中，液態醇汽化為醇蒸汽而與液態油脂 在對流的同時主要在填料表面進行催化醇解反應，這樣一方面大大增加了反應物之間的接 觸面積，另一方面由于醇蒸汽的溫度較高從而使得反應在較高溫度下進行，不僅可以快速 大量補充反應所需要的熱量，而且大大加快了反應速度，從而縮短了反應時間，將原來的6 至8小時的醇解反應時間縮短到在10分種之內。(2)本發明的方法使得反應過程中產生 的脂肪酸酯和甘油則在重力作用下下落至塔主體的底部而不停留在填料或者催化劑表面， 從而大大提高了轉化率，轉化率可達98%以上。(3)本發明的方法能耗低，只有傳統工藝的1/10 1/20。(4)本發明的方法實現了連續化生產，產量可達傳統工藝的數十倍甚至數百 倍，適用于大規模生產。(5)本發明的方法制備的脂肪酸酯經過精制后純度可達99. 5%以 上。
圖1為傳統工藝制備脂肪酸酯采用的裝置的示意圖。圖2為本發明的設備的示意圖。上述附圖中的標號如下
反應釜a，攪拌器b，回流冷凝器c，夾套d，
塔式反應器(氣膜式反應裝置)1，塔主體10，酯排放口 11，醇入口 12，脂肪酸入口 13，蒸 汽出口 14，液體存放部15，格柵16，盤形霧化分布器17，盤管加熱器18， 填料層21，
液態醇儲罐31，第一計量泵33， 保溫儲罐41，第二計量泵42，熱交換器43， 物料泵51，
醇蒸汽處理系統6，第二熱交換器61，液態醇緩沖回收罐62。
具體實施例方式(實施例1)
本實施例采用的連續式醇解法制備中高碳脂肪酸酯的設備見圖2，該設備包括氣膜式 反應裝置1、液態醇儲罐31、第一計量泵33、保溫儲罐41、第二計量泵42、熱交換器43、物料 泵51和醇蒸汽處理系統6。氣膜式反應裝置1為塔式反應器，其高度為27m，直徑為3m，其材質為316L不銹 鋼。該塔式反應器1包括圓柱殼狀的塔主體10和自下而上分別設置在塔主體10上的酯排 放口 11、醇入口 12、脂肪酸入口 13以及蒸汽出口 14。酯排放口 11、醇入口 12、脂肪酸入口 13以及蒸汽出口 14上分別設有控制閥門。酯排放口 11位于塔主體10的底部。醇入口 12位于塔主體10側部下方，且醇入 口 12至塔主體10底部的距離為6m。脂肪酸入口 13位于塔主體10側部上方，且脂肪酸入 口 13至塔主體10頂部的距離為lm，從而醇入口 12至脂肪酸入口 13之間的距離為20m。蒸 汽出口 14位于塔主體10的頂部，且蒸汽出口 14的管口直徑為0.3m。塔主體10的底部為 存放液態中高碳脂肪酸酯和甘油的液體存放部15。塔式反應器1還包括固定在塔主體10中的盤形霧化分布器17和盤管加熱器18。 盤管加熱器18位于塔主體10的醇入口 12下方，盤管加熱器18中通入作為介質的溫度為 100°C的水蒸氣。盤形霧化分布器17為在管壁上開有常規數量和大小的霧化噴孔的盤管， 也即霧化分布器的結構是管體上的下部每隔1 5cm就開有直徑為0. 5 1. 5mm的小孔的 盤形管，所述的小孔也即霧化噴孔。盤形霧化分布器17位于塔主體10的上部，且其進料口 與塔式反應器1的脂肪酸入口 13密閉相連。
塔式反應器1還包括固定在塔主體10中且按照上下次序依次設置的3至10層格 柵16 (本實施例為5層)，格柵16設置在醇入口 12與脂肪酸入口 13之間，其材質為316L 不銹鋼。各層格柵16上密集堆置有填料而形成填料層21，填料層21的裝填高度為3m。上 一層格柵16的下端與下一層格柵16上的物料的上端之間的距離為25cm。填料層21中的填料為陶瓷鮑爾環或者是由不銹鋼絲網卷繞而成的圓筒形網狀 物。所述不銹鋼絲網的材質為316L不銹鋼。醇蒸汽處理系統6包括第二熱交換器61和液態醇緩沖回收罐62。第二熱交換器 61的物料出口通過外部管路與液態醇緩沖回收罐62的物料進口密閉相連。液態醇儲罐31通過外部管路與第一計量泵33的物料進口密閉相連，第一計量泵 33的物料出口通過外部管路與塔式反應器1的醇入口 12密閉相連。保溫儲罐41的出料口通過外部管路與第二計量泵42的物料進口密閉相連，第一 計量泵33的物料進口還通過相應的外部管路與液態醇緩沖回收罐62的物料出口密閉相 連；第二計量泵42的物料出口通過外部管路與熱交換器43的物料入口密閉相連，熱交換器 43的物料出口通過外部管路與塔式反應器1的脂肪酸入口 13密閉相連。塔式反應器1的蒸汽出口 14通過外部管路與混合蒸汽處理系統6的第二熱交換 器61物料進口密閉相連。仍見圖2，本實施例的連續式醇解法制備中高碳脂肪酸酯的方法具有如下步驟 ①連續將液態醇儲罐31中的溶解有堿金屬催化劑KOH的過量的液態甲醇通過第一計
量泵33泵入運行中的氣膜式反應裝置1的塔主體10中的下部。本實施例所用的液態甲醇 是將KOH溶解至純度彡99. 5%的無水甲醇中得到，其中，KOH的重量占KOH和液態甲醇總重 量的0. 3%ο②在進行步驟①的同時，連續將保溫儲罐41中的液態油脂(即中高碳脂肪酸甘油 酯，其中中高碳脂肪酸根的碳鏈的碳原子數為6至18個，在不同的實施例中分別選擇椰子 油或者碳棕櫚油，油脂溫度為80°C)以油脂與液態醇的摩爾比為1 6的比例通過第二計 量泵42泵入運行中的熱交換器43中使之被加熱至120°C 150°C，在第二計量泵42泵壓 下，液態油脂由熱交換器43的物料出口、相應的管路以及氣膜式反應裝置1的脂肪酸入口 13進入盤形霧化分布器17中。所述的椰子油為經過精制去除雜質和氫化飽和后的椰子油，所含中高碳脂肪酸甘 油酯為95wt% 98 wt%,中高碳脂肪酸甘油酯中，6 10碳的脂肪酸甘油酯占15wt%，12、14 碳的脂肪酸甘油酯占70 wt%, 16、18碳的脂肪酸甘油酯占15wt%。所述棕櫚油也是經過精制去除雜質和氫化飽和后的棕櫚油，所含中高碳脂肪酸甘 油酯為98. 5wt%，全部為16、18碳的脂肪酸甘油酯。③在第二計量泵42泵壓下，液態油脂經過盤形霧化分布器17后則成為霧狀液滴 噴出而進入塔主體10的上部空腔內，在重力作用下，先下落至最上方的第一層格柵的填料 層21的填料上，繼而沿著各填料的表面進行總趨勢向下的流動再落至第二層格柵的填料 層21的填料上，再在重力作用下逐層向下運動，并在流動中在所經過的填料表面形成均勻 的液膜。④由步驟①進入塔主體10的液態甲醇在盤管加熱器18所發出的熱量的作用下被 汽化為甲醇蒸汽并由下向上連續經過填料層21，從而該甲醇蒸汽在各填料層21中與填料
7上的處于液膜狀態的油脂在KOH的作用下發生生成中高碳脂肪酸甲酯和甘油的催化醇解 反應(故此醇解反應稱為汽膜式醇解反應或氣膜式醇解反應)。油脂在填料上表面停留的時 間為3 9min(該停留時間可以通過調整填料層21的裝填高度而改變，本實施例為5 min)， 因催化醇解反應的完全反應時間約為3min，所以本實施例將中高碳脂肪酸甘油酯在填料層 21中的停留時間設置為5 min，確保醇解反應的完全進行。催化醇解反應所需的反應熱由 作為原料的中高碳脂肪酸甘油酯所帶入的熱量提供。⑤由步驟④的催化醇解反應生成的中高碳脂肪酸甲酯和甘油在重力的作用下，下 落至氣膜式反應裝置1的塔主體10的底部的液體存放部15，再經過控制閥門由物料泵51 送入精制分離釜中靜置，在重力作用下沉降分離成上下兩層，甘油在下，中高碳脂肪酸甲酯 在上。從下部分出甘油，剩下的中高碳脂肪酸甲酯送入粗品儲罐。催化醇解反應后的過量的甲醇蒸汽在氣膜式反應裝置1的塔主體10中由下向上 運動，經過盤形霧化分布器17時，則從其盤管的相鄰管體之間的空隙中穿過，然后上升至 頂部而從蒸汽出口 14連續流出氣膜式反應裝置1的塔主體10。⑥將步驟⑤得到的中高碳脂肪酸甲酯從粗品儲罐送入蒸餾塔中進行減壓蒸餾，控 制蒸餾塔中的殘壓為10 20mm汞柱、溫度為250°C 280°C，使得中高碳脂肪酸甲酯粗品 通過蒸餾而成為成品。將步驟⑤中在氣膜式反應裝置1的頂部連續流出的甲醇蒸汽流通過 相應的管路進入醇蒸汽處理系統6中。甲醇蒸汽先在第二熱交換器61中由作為冷卻介質 的冷凍水(7°C 12°C的水)冷卻成為液態甲醇，該液態甲醇在重力作用下流入液態醇緩沖 回收罐62再經過第一計量泵33泵入運行中的塔式反應器1中而循環使用。(實施例2)
本實施例的其余部分與實施例1基本相同，不同之處在于本實施例中所述的醇均為 乙醇而不是甲醇，所用的原料醇是純度> 99. 5%的無水乙醇，在塔式反應器1中與油脂反應 生成的則是甘油和中高碳脂肪酸乙酯，在氣膜式反應裝置1的頂部連續流出的醇蒸汽是乙 醇蒸汽，液態醇緩沖回收罐68中的用于循環使用的醇為乙醇。
權利要求
一種連續式醇解法制備中高碳脂肪酸酯的設備，包括熱交換器(43)；其特征在于還包括氣膜式反應裝置(1)；氣膜式反應裝置(1)為塔式反應器；該塔式反應器(1)包括圓柱殼狀的塔主體(10)和自下而上分別設置在塔主體(10)上的酯排放口(11)、醇入口(12)、脂肪酸入口(13)以及蒸汽出口(14)；酯排放口(11)位于塔主體(10)的底部，醇入口(12)位于塔主體(10)側部下方，脂肪酸入口(13)位于塔主體(10)側部上方，蒸汽出口(14)位于塔主體(10)的頂部；塔主體(10)的底部為液體存放部(15)；塔式反應器(1)還包括固定在塔主體(10)中的格柵(16)；所述格柵(16)設置在醇入口(12)與脂肪酸入口(13)之間；格柵(16)上設有密集堆置的填料所形成的填料層(21)；塔式反應器(1)還包括固定在塔主體(10)中的盤形霧化分布器(17)和盤管加熱器(18)；盤管加熱器(18)位于塔主體(10)的醇入口(12)下方；盤形霧化分布器(17)為在管壁上開有常規數量和大小的霧化噴孔的盤管；盤形霧化分布器(17)位于塔主體(10)的上部，且其進料口與塔式反應器(1)的脂肪酸入口(13)密閉相連；熱交換器(43)由其物料出口及相應的管路與塔式反應器(1)的脂肪酸入口(13)密閉相連。
2.根據權利要求1所述的連續式醇解法制備中高碳脂肪酸酯的設備，其特征在于填 料(21)為陶瓷鮑爾環或者是由不銹鋼絲網卷繞而成的圓筒形網狀物。
3.根據權利要求2所述的連續式醇解法制備中高碳脂肪酸酯的設備，其特征在于格 柵(16)有3至10層，每層格柵(16)上均設有密集堆置的填料所形成的填料層(21)。
4.根據權利要求3所述的連續式醇解法制備中高碳脂肪酸酯的設備，其特征在于所 述塔式反應器(1)的高度為15 30m，直徑為0. 5 3m ；所述脂肪酸入口(13)至圓柱狀塔 式反應器(1)的塔主體(10)頂部的距離為0. 5 1. 5m ；所述醇入口(12)至圓柱狀塔式反 應器(1)的塔主體(10)底部的距離為5 IOm ；所述格柵(16)中的最下一層位于所述醇入 口(12)上方0. 5 Im ；所述蒸汽出口( 14)的管口直徑為0. 1 0. 5m ；所述填料層(21)的 裝填高度為1 5m ；上一層格柵(16)的下端與下一層格柵(16)上的物料的上端之間的距 離為20 35cm。
5. 一種由權利要求3或4所述的設備連續式醇解法制備中高碳脂肪酸酯的方法，其特 征在于具有如下步驟①連續將液態醇儲罐(31)中的溶解有堿金屬催化劑的過量的液態醇通過第一計量泵 (33)從醇入口(12)泵入氣膜式反應裝置(1)的塔主體(10)中的下部；所述的醇為甲醇或 者乙醇；所述堿金屬催化劑為KOH或者NaOH ；堿金屬催化劑的重量占堿金屬催化劑和液態 醇總重量的0. 1 0. 5% ；②在進行步驟①的同時，連續將保溫儲罐(41)中的液態油脂以油脂與液態醇的摩爾比 為1 5 1 7的比例通過第二計量泵(42)泵入運行中的熱交換器(43)中使之被加熱 至120°C 150°C，在第二計量泵(42)泵壓下，油脂由熱交換器(43)的物料出口、相應的管 路以及氣膜式反應裝置(1)的脂肪酸入口( 13)進入盤形霧化分布器(17)中；所述油脂是中 高碳脂肪酸甘油酯，其中中高碳脂肪酸根的碳鏈的碳原子數為6至18 ；③在第二計量泵(42)泵壓下，液態油脂經過盤形霧化分布器(17)后則成為霧狀液滴 噴出而進入塔主體(10)的上部空腔內，在重力作用下，下落至填料上后繼而沿著填料的表 面進行總趨勢向下的流動再逐層落至下層的填料上，并在流動中在所經過的填料表面形成均勻的液膜；④由步驟①進入塔主體(10)的液態醇在盤管加熱器(18)所發出的熱量的作用下被汽 化為醇蒸汽并由下向上連續經過填料層(21)，從而該醇蒸汽在各填料層(21)中與填料上 的處于液膜狀態的油脂在堿金屬催化劑的作用下發生生成中高碳脂肪酸酯和甘油的催化 醇解反應；⑤由步驟④的催化醇解反應生成的中高碳脂肪酸酯和甘油在重力的作用下，下落至氣 膜式反應裝置(1)的塔主體(10)的底部的液體存放部(15)，再經過控制閥門由物料泵(51) 送入精制分離釜中靜置，在重力作用下沉降分離成上下兩層，甘油在下，中高碳脂肪酸酯在 上；從下部分出甘油，剩下的中高碳脂肪酸酯送入粗品儲罐；催化醇解反應后，過量的醇蒸 汽在氣膜式反應裝置(1)的塔主體(10)中由下向上運動，經過盤形霧化分布器(17)時，則 從其盤管的相鄰管體之間的空隙中穿過，然后上升至頂部而從蒸汽出口(14)連續流出氣膜 式反應裝置(1)的塔主體(10)。
6.根據權利要求5所述的連續式醇解法制備中高碳脂肪酸酯的方法，其特征在于還 具有下述步驟⑥將步驟⑤得到的中高碳脂肪酸酯粗品進行精制將中高碳脂肪酸酯粗品送入蒸餾塔 中進行減壓蒸餾，控制蒸餾塔中的殘壓為10 20mm汞柱、溫度為250°C 280°C，使得中高 碳脂肪酸酯粗品通過蒸餾而成為成品；將步驟⑤中在氣膜式反應裝置(1)的頂部連續流出 的醇蒸汽流通過相應的管路進入醇蒸汽處理系統(6)中，由冷凍水作為冷卻介質將醇蒸汽 流冷卻成為液態醇，該液態醇可循環使用。
7.根據權利要求5所述的連續式醇解法制備中高碳脂肪酸酯的方法，其特征在于步 驟①中的堿金屬催化劑為Κ0Η。
8.根據權利要求5所述的連續式醇解法制備中高碳脂肪酸酯的方法，其特征在于步 驟②中的油脂與液態醇的摩爾比為1 6。
全文摘要
本發明公開了一種連續式醇解法制備中高碳脂肪酸酯的設備和方法。該設備包括塔式反應器；該塔式反應器包括酯排放口、醇入口、脂肪酸入口以及蒸汽出口；塔式反應器還包括格柵，格柵上設有密集堆置的填料所形成的填料層；塔式反應器還包括盤形霧化分布器和盤管加熱器。該方法具有①將溶解有堿金屬催化劑的液態醇泵入塔式反應器；②同時將液態油脂泵入熱交換器加熱并進入塔式反應器中；③液態油脂在填料表面形成均勻的液膜；④液態醇與處于液膜狀態的油脂在堿金屬催化劑的作用下進行催化醇解反應。該方法時間短、轉化率高、能耗低。
文檔編號B01J8/04GK101948383SQ20101050697
公開日2011年1月19日 申請日期2010年10月14日 優先權日2010年10月14日
發明者謝仁華, 謝曉晨 申請人:謝仁華