СПОСОБ ПЕРЕЭТЕРИФИКАЦИИ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ ПУТЕМ АЛКОГОЛИЗА
PROCEDURE FOR RE-ETHERIFICATION OF VEGETABLE OIL BY ALCOHOLYSIS

Изобретение относится к способу получения метиловых эфиров высших алифатических кислот из растительных масел по реакции переэтерификации (точнее, алкоголиза) триацилглицеринов растительных масел и может быть использовано для получения компонентов жидкого биодизельного топлива, синтезируемого из возобновляемого сырья растительного происхождения.
Известный способ проведения реакции алкоголиза состоит в смешении подогретого (до 50-80°С) растительного масла и раствора щелочи (катализатор) в спирте. Реакционную массу перемешивают в течение некоторого времени, затем отстаивают до полного расслоения эфирной и глицериновой фаз. Отделяют верхний эфирный слой, нейтрализуют раствором неорганической кислоты, промывают водой (Стопский Н.А. Химия жиров и продуктов переработки жирового сырья: Учеб. / Н.А.Стопский. - М.: Колос, 1992. - 285 с.). Продолжительность реакции и выход целевого продукта алкоголиза зависят от наличия примесей в исходном растительном масле, типа спирта и катализатора, температуры реакционной массы, продолжительности перемешивания. Длительность протекания процесса алкоголиза связана с тем, что компоненты реакционной массы - растительное масло и спирт - представляют собой несмешивающиеся реагенты реакции. На начальной стадии реакционная масса состоит из двух фаз (спиртовой и липидной). Гетерогенные реакции протекают не во всем объеме системы, а только в объеме одной из фаз (в данном случае - липидной) в результате диффузии в нее компонента из другой фазы (спиртовой). Следовательно, кинетику процесса в начале реакции контролирует массопередача реагентов путем диффузии. Сложные эфиры высших алифатических кислот и одноатомных спиртов растворимы как в растительном масле, так и в спирте. При появлении их в реакционной массе они действуют как сорастворитель, поэтому через некоторое время после начала реакции система становится гомогенной и кинетику процесса контролирует химическая реакция (реакция переходит из диффузионной области в кинетическую). Способы усовершенствования реакции алкоголиза могут отличаться типом катализатора (RU 2263660 С2, C07С, 67/03, 69/24, 69/52, C11C 3/10, 19.10.2000), наличием дополнительной стадии промывки реакционной массы глицерином (RU 2127251 С1, C07C 67/03, 69/24, 69/52, 19.01.1994) или дополнительной стадии этерификации свободных жирных кислот (RU 2287519 С2, C07C 67/03, 69/24, 69/52, C11C 3/10, 05.10.2001). Известен способ переэтерификации, согласно которому снижение продолжительности реакции достигается путем введения сложного эфира спирта и высшей алифатической (жирной) кислоты в таком количестве, что в результате образуется однофазная реакционная масса (заявка на изобретение RU 2003128074 А, C11C 3/04, 02.07.2002).
Существенными недостатками известных способов являются: длительное время реакции (от 1 ч и более), сложность исполнения, большие энергозатраты (например, в патенте RU 2263660 предлагается нагревать реакционную массу до 135°С, поддерживая давление на уровне 5 бар, при этом степень превращения триацилглицеринов растительных масел не превышает 70%), невозможность осуществления непрерывного процесса. Из-за низкой скорости реакции при проведении реакции алкоголиза используют избыток спирта (до 35% от массы масла или около 9 моль спирта на 1 моль триацилглицеринов масла вместо 3 моль) или довольно значительное количество катализатора (2% и более от массы масла). В настоящее время реакция алкоголиза (чаще с применением метилового спирта - метанолиза) приобретает все большее значение, т.к. метиловые эфиры высших алифатических кислот применяют в качестве альтернативного биодизельного топлива, имеющего лучшие экологические характеристики по сравнению с нефтяным топливом. Производство биодизельного топлива возрастает с каждым годом, поиск путей интенсификации реакции, обуславливающей возможность проведения непрерывного технологического процесса его получения при высоком качестве и меньших затратах реагентов, является актуальной задачей.
Задачей настоящего изобретения является интенсификация процесса переэтерификации растительных масел по реакции алкоголиза, приводящая к уменьшению времени алкоголиза на порядок и значительному снижению ресурсов на процесс синтеза.
-1
Решение поставленной задачи достигается тем, что алкоголиз проводят при наложении вращающегося электромагнитного поля, создающего вихревой слой ферромагнитных частиц. Присутствие в реакционной массе ферромагнитных частиц в количестве 1/5 части объема реактора, интенсивно движущихся во вращающемся электромагнитном поле и образующих вихревой слой ферромагнитных частиц со скоростью 15-50 с и величиной магнитной индукции 0,12-0,15 тесла, приводит к увеличению дисперсности двухфазной липидно-спиртовой системы и, как следствие, к увеличению площади соприкосновения спиртовой и липидной фаз. Кроме того, при интенсификации перемешивания под действием сил трения уменьшается толщина пограничного слоя, что приводит к увеличению численных значений коэффициента диффузии. После возникновения метиловых эфиров, играющих роль сорастворителя, реакционная масса становится гомогенной и реакция переходит из диффузионной области в кинетическую. Воздействие электромагнитного поля приводит к увеличению энергии реагирующих частиц, что снижает энергию активации реакции алкоголиза и увеличивает его скорость.
Интенсификация реакции, обуславливающая снижение энергии активации, позволяет снизить количество используемых для синтеза спирта (до 20% от массы масла) и катализатора (до 1,4% от массы масла).
Способ осуществляется следующим образом.
В реактор с ферромагнитными частицами вводят реагирующие вещества: растительное масло и раствор гидроксида калия (катализатора) в метиловом спирте. Реакционную массу подвергают воздействию вращающегося электромагнитного поля. Продолжительность воздействия - 10 секунд.
-1
Использован индуктор с тремя обмотками (имевшими одинаковое число витков), оси которых были взаимно сдвинуты на угол 120°. По обмоткам пропускали равные по значениям амплитуд, но сдвинутые на четверть периода (90°) синусоидальные токи, которые возбуждали в обмотках переменное электромагнитное поле. За время одного периода электромагнитное поле индуктора поворачивалось на 360°: происходило непрерывное и равномерное изменение направления магнитного поля во времени. Скорость вращения магнитного поля варьировалась от 15 до 50 с, величина магнитной индукции изменялась в пределах от 0,12 до 0,15 тесла. В качестве ферромагнитных частиц использованы стальные цилиндры диаметром 1 мм и длиной от 10 до 15 мм. Ферромагнитные частицы заполняли 1/5 часть объема рабочей камеры.
Сущность предлагаемого способа с наилучшими полученными результатами изложена в следующем примере.
Пример
-1
В реактор вводят 100 г рапсового масла, нагретого до температуры 60°С, добавляют раствор 1,4 г гидроксида калия в 20 г метилового спирта; затем реакционную массу подвергают воздействию вращающегося электромагнитного поля (угловая скорость вращения магнитного поля 30 с, величина магнитной индукции 0,13 тесла) в течение 10 с. Реакционную массу отстаивают, отделяют верхний эфирный слой, нейтрализуют раствором фосфорной кислоты, промывают водой. Получают смесь компонентов биодизельного топлива (метиловых эфиров высших алифатических кислот) с выходом 99%.
Использование предлагаемого способа переэтерификации растительных масел позволяет интенсифицировать реакцию алкоголиза и создавать экономичные непрерывные технологии получения компонентов биодизельного топлива.