CN103184107A - 连续式酯交换反应设备及应用该设备的酯类连续生产方法 - Google Patents

Abstract

一种连续式酯交换反应设备，包含一个容置醇类与油脂类的反应物储存装置，及多数酯交换反应分离装置，每一酯交换反应分离装置包括维持其中的醇类原料成超临界状态且具有入口、出口的反应器，及与该反应器的出口连通且能以机械力分离性质不同流体的分离器，被分离的流体则由分离器上分隔设置的第一、二开口流出，其中的一个反应器的入口与反应物储存装置连接，其余反应器的入口则与另一个分离器的第一开口相连接而使得所述酯交换反应分离装置以串联的方式彼此连接，而于反应中连续地移除生成的副产物以进一步提升转酯化效率，有效提高酯类生产效率。

Description

连续式酯交换反应设备及应用该设备的酯类连续生产方法

技术领域

本发明涉及一种酯交换反应设备，特别是涉及一种不需触媒而利用超临界状态进行反应的连续式酯交换反应设备。

背景技术

生质柴油(Biodiesel)是一种不含石化成分、无毒、生物可分解性的燃料，而成为现今符合环保诉求的绿色能源。生质柴油原料一般以植物油、废食用油为油脂类原料配合醇类原料，例如甲醇(methanol)、乙醇(ethanol)，再利用酸或碱触媒进行酯交换反应(Transesterificationreaction)来制备得到；但是，以酸、碱触媒帮助的酯交换反应在生成脂肪酸烷基酯(Fatty esters，即生质柴油)后，需要再进行例如酸碱中和、水洗等处理步骤以去除触媒或其它杂质，而造成后段产品纯化、回收及酸碱废液处理的制程成本问题；此外，再加上醇类与油脂类的相溶性不佳、酯交换反应时间较长，因此大多为需要庞大体积设备的批次式生产制程。所以，上述以触媒辅助的生质柴油原料制备不但制程工序复杂，同时生产设备成本也较高。

为改善上述问题，例如中国台湾专利公告第466271号、美国专利第7524982号等提出不需触媒而令醇类原料以超临界流体(Super CriticalFluid，SCF)状态与油脂类原料进行酯交换反应的技术。但是，就算此类技术不再需要使用触媒而改善了后续触媒分离、酸碱废液处理的问题，然而，此类技术仍受限于酯交换反应是可逆反应，因此伴随着产物、副产物的增加，正向生成产物与逆向分解已生成的产物的反应速率将趋近相同，并使得正、逆反应的物质浓度达平衡后不再有巨观的变化，也就是说，在反应一段时间后，即无法继续有效地提升产物的生成量，所以仍存在有产物生成率无法有效提升的制程效率问题，因此如何改善产物生成率、提升制程效率便成为本发明人亟欲解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种借由连续移除酯交换反应过程中产生的副产物，从而提升产物生成转化率的连续式酯交换反应设备。

此外，本发明的另一个目的是提供一种不受限于酯交换反应是可逆反应，而能连续、高效率生成所需产物的酯类连续生产方法。

本发明连续式酯交换反应设备，包含一个用于容置醇类原料与油脂类原料的反应物储存装置，及多个酯交换反应分离装置。

每一个酯交换反应分离装置包括一个维持其中的醇类原料成超临界状态且具有一个入口与一个出口的反应器，及一个与该反应器的出口连通且利用机械力分离性质不同的流体的分离器，该分离器具有分隔设置并供流体排出的一个第一开口与一个第二开口。

而该反应物储存装置与其中的一个酯交换反应分离装置的反应器的入口相连接，其余的每一个酯交换反应分离装置的反应器入口则是与另一酯交换反应分离装置的分离器的第一开口相连接，而使得所述酯交换反应分离装置以串联的方式彼此连接。

本发明连续式酯交换反应设备的目的及解决背景技术问题还能采用以下技术手段进一步实现。

优选的，每一个分离器还具有一个与该反应器的出口相连接且能带动流体旋转流动的分离槽。

优选的，每一个分离器还具有一个与该反应器的出口相连接的分离槽，及一个转动地设置于该分离槽中而用于带动槽中流体旋转流动的旋转件。

优选的，每一个酯交换反应分离装置的反应器具有一个使醇类原料维持成超临界状态的反应槽，且该分离槽是以套设于该反应槽中的方式设置。

优选的，该连续式酯交换反应设备还包含一个产物收集装置，该产物收集装置与所述彼此串联的酯交换反应分离装置的最后一个分离器的第一开口连接以收集反应所得产物。

优选的，该连续式酯交换反应设备还包含一个具有一个入口与一个出口且维持其中的醇类原料成超临界状态的的第二反应器，及一个产物收集装置，该第二反应器的入口与所述彼此串联的酯交换反应分离装置的最后一个分离器的第一开口连接，而该第二反应器的出口则与该产物收集装置相连接而将最终产物收集至该产物收集装置中。

还有，本发明还提供另一种连续式酯交换反应设备，包含一个用于容置醇类原料与油脂类原料的反应物储存装置、一个酯交换反应分离装置、一个第二反应器，及一个收集最终产物的产物收集槽。

该酯交换反应分离装置包括一个具有一个入口与一个出口且维持其中的醇类原料成超临界状态的反应器，及一个与该反应器的出口连通并借由机械力分离性质不同的流体的分离器，且该分离器具有分隔设置并供流体排出的一个第一开口与一个第二开口，而该反应器的入口与该反应物储存装置连接；该第二反应器的入口与该酯交换反应分离装置中分离器的第一开口相连接且能维持其中的醇类原料成超临界状态而进行酯交换反应，而该第二反应器的出口与该产物收集槽连接将最终反应生成的产物收集至该产物收集槽中。

本发明所提供的另一种连续式酯交换反应设备的目的及解决背景技术问题还能采用以下技术手段进一步实现。

优选的，该分离器还具有一个与该反应器的出口相连接且能带动流体旋转流动的分离槽。

优选的，该分离器还具有一个与该反应器的出口相连接的分离槽，及一个转动地设置于该分离槽中而能搅拌带动槽中流体旋转流动的旋转件。

优选的，该酯交换反应分离装置的反应器具有一个使醇类原料维持成超临界状态的反应槽，且该分离槽是以套设于该反应槽中的方式设置。

另外，本发明酯类连续生产方法包含步骤(A)、步骤(B)，及步骤(C)。

步骤(A)是先连续地将醇类原料与油脂类原料输送进入一个反应器中，并使醇类原料维持于超临界状态而与油脂类原料进行酯交换反应而生成产物与副产物。

步骤(B)是在酯交换反应生成产物与副产物的反应过程中，借由一个与该反应器串接的分离器将反应生成的副产物从产物、尚未反应的醇类原料及尚未反应的油脂类原料分离并排出；

步骤(C)则同步将反应生成的产物、尚未反应的醇类原料及尚未反应的油脂类原料由该分离器送入与该分离器串接的另一个反应器中，使尚未反应的醇类原料维持于超临界状态且继续与尚未反应的油脂类原料进行酯交换反应而生成产物与副产物。

本发明所述酯类连续生产方法的目的及解决背景技术问题还能采用以下技术手段进一步实现。

优选的，步骤(C)中于该反应器继续进行的酯交换反应过程后，再进入另一个与该反应器串接的分离器并借由该分离器将反应生成的副产物从产物、尚未反应的醇类原料及尚未反应的油脂类原料分离并排出。

优选的，所述分离器是借由机械力将密度不同的副产物与产物、反应物分离。

本发明的有益效果在于：提出一种包括有彼此串联、用以进行酯交换反应的反应器、和/或有第二反应器的连续式酯交换反应设备，且在超临界状态、不需触媒的使用下施行酯交换反应，并在反应过程中同步地利用与每一反应器彼此串联的分离器连续移除酯交换反应所生成的副产物、降低酯交换反应的可逆反应速率，而使得反应物原料能持续生成产物，有效提升产物生成效率。

附图说明

图1是一装置示意图，说明本发明连续式酯交换反应设备的第一优选实施例；

图2是一装置示意图，说明本发明连续式酯交换反应设备的第二优选实施例；

图3是一装置示意图，说明本发明连续式酯交换反应设备的第三优选实施例；

图4是一装置示意图，说明本发明连续式酯交换反应设备的第四优选实施例。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：

参阅图1，本发明连续式酯交换反应设备的第一优选实施例包含一个反应物储存装置1、多个酯交换反应分离装置2，及一个产物收集装置3，用于连续地以醇类原料和油脂类原料反应进行酯交换反应，特别适用于生产生质柴油(Biodiesel)，此外为说明方便，在图示中绘示两个酯交换反应分离装置2作说明。

该反应物储存装置1包括两个分别存放醇类原料和油脂类原料的储槽11，及两个分别与所述储槽11连接并加压输送醇类原料和油脂类原料的加压泵12。

每一酯交换反应分离装置2包括一个反应器21，及一个分离器22，该反应器21具有一个入口211与一个出口212，并借由控制该反应器21中的温度、压力使注入其中的醇类原料维持成超临界流体状态；与该反应器21连接的分离器22具有一个分离槽223，以及分别形成在分离槽223上的一个第一开口221和一个第二开口222，该第一开口221、第二开口222的配置具有一定的位置以供不同性质(如密度)的流体排出，最特别的是，该分离器22的分离槽223入口与该反应器21的出口212相连通且带动由该反应器21进入该分离槽223中的混合流体进行旋转流动，借此，密度不同的流体因所受旋转离心力(也就是机械力)影响而分别经由该第一开口221、第二开口222流出，在本例中，该分离槽223是一能带动其内流体旋转流动的旋液分离器。

所述酯交换反应分离装置2的其中的一个是以其反应器21的入口211与该反应物储存装置1连结，而能通过所述加压泵12将分别储放于所述储槽11中的醇类原料和油脂类原料由该入口211输送进入该反应器21中；其余的酯交换反应分离装置2的每一反应器21的入口211则是分别与另一酯交换反应分离装置2的分离器22的第一开口221相连通，而使得所述酯交换反应分离装置2以串联的方式彼此连接；最末端的酯交换反应分离装置2的分离器22的第一开口221则与该产物收集装置3连接。

特别要说明的是，所述酯交换反应分离装置2的每一反应器21还另设有一个加热器213，最末端的酯交换反应分离装置2的反应器21出口212与分离器22的分离槽223入口间则设有压力调整阀900，借由所述加热器213及该压力调整阀900，控制反应器21中的醇类原料维持成超临界流体状态。

以上述本发明连续式酯交换反应设备的第一优选实施例配合以甲醇(Methanol)作为醇类原料和以三酸甘油酯(Triglyceride)作为油脂类原料使得甲醇与三酸甘油酯反应生成产物-脂肪酸甲酯(Fatty acid methylester，FAME)及副产物-甘油(Glycerol)时，是先将甲醇和三酸甘油酯分别容储于反应物储存装置1的两个储槽11中，并分别将容储的甲醇与三酸甘油酯以所述加压泵12输送进入与该反应物储存装置1连接的酯交换反应分离装置2的反应器21中，此时，位于该反应器21中的甲醇是成超临界流体状态(在本例中所述反应器的较佳温度范围是240～400℃，压力是9～40Mpa)而使得反应物原料反应活性提高，同时也使得三酸甘油酯于甲醇中的溶解度大幅提高，进而让甲醇和三酸甘油酯混合的更加均匀，而能在不需酸碱触媒的条件下克服活化能的瓶颈，使得酯交换反应发生并以高反应速率生成脂肪酸甲酯(也就是产物)与甘油(也就是副产物)。

同时，混合有尚未反应的甲醇、尚未反应的三酸甘油酯、生成的脂肪酸甲酯与甘油的混合流体连续地由该反应器21出口212流入到与其连接的分离器22的分离槽223中而被该分离槽223带动旋转且流动，并因为甘油的密度大于甲醇、三酸甘油酯以及脂肪酸甲酯，所以密度大的甘油将被分离至旋转流体的***而自该第二开口222流出排除；尚未反应的甲醇和三酸甘油酯，以及脂肪酸甲酯则自第一开口221流进入到下一个酯交换反应分离装置2的反应器21。

类似地，流入下一个酯交换反应分离装置2的反应器21中未反应的甲醇在该反应器21中形成超临界流体状态而和未反应的三酸甘油酯继续反应再生成脂肪酸甲酯和甘油，产生的甘油自该分离器22的第二开口222流出，尚未反应的甲醇和三酸甘油酯，以及生成的脂肪酸甲酯再次地由该分离器22的第一开口221流进入下一个酯交换反应分离装置2，如此依酯交换反应分离装置2的串联数目反复进行反应、分离，而最后由该产物收集装置3收集得到高纯度且大量的脂肪酸甲酯。

由上述说明可知，本发明连续式酯交换反应设备在每一个反应器21中反应后，借由与该反应器21相连通的分离器22阶段性地移除副产物甘油，使得逆反应发生的机率降低，也就是令甲醇和三酸甘油酯能持续地朝不断生成脂肪酸甲酯、甘油的方向进行反应，因此，能大幅提高整体生产的产物生成率，而改善例如先前技术所提及的中国台湾专利公告第466271号、美国专利第7524982号等技术受限于酯交换反应是可逆反应，而产生的产物转化率低、反应制程时间长，整体制程效率无法提升的问题。

参阅图2，本发明连续式酯交换反应设备的第二优选实施例，与该第一优选实施例相似，其不同的地方在于每一个酯交换反应分离装置2的分离器22’。

本第二优选实施例中的分离器22’具有该分离槽223’、分别形成在该分离槽223’上以供不同性质流体排出的该第一开口221’、第二开口222’，及一转动地设置于该分离槽223’中而带动流体旋转流动的旋转件224，而以旋转件224的转动带动由该反应器21进入该分离槽223’中的混合流体成旋转流动，借此，密度不同的流体，如生成的甘油、脂肪酸甲酯，以及尚未反应的甲醇和三酸甘油酯，即因转动的离心力影响而被分离，并令甘油经由该第二开口222’流出，尚未反应的甲醇和三酸甘油酯，以及生成的脂肪酸甲酯则由该第一开口221’流出。

另外，值得一提的是，无论是如该第一优选实施例中以流体自旋的分离槽223，或是如该第二优选实施例中搭配有旋转件224的分离槽223’，由于超临界状态的反应过程是高温高压的特殊制程，所以，需采用无轴封的槽体设计以避免传统轴封处的损耗而导致的内容物泄漏、甚或引发意外的问题发生，优选地，驱动该旋转件224的方式是以例如内置式液压马达，或是磁力连轴器连结外部动力源等设计来达成无轴封的目的，由于此等槽体设计并非本发明的设计重点所在，所以在此不再详加赘述。

参阅图3，本发明连续式酯交换反应设备的第三优选实施例与上述该第一、二优选实施例相似，其不同的地方在于每一个酯交换反应分离装置5。

该第三优选实施例的每一酯交换反应分离装置5包括一个反应器51，及一个分离器52，该反应器51具有一个形成有一个入口511与一个出口512的反应槽510，以及一个对该反应槽510控温的加热器513，该反应槽510能使由该反应物储存装置1输送、经该入口511注入槽中的醇类原料维持成超临界状态，而该分离器52具有一个分离槽523，及转动地设置于该分离槽523中而带动流体旋转流动的旋转件524，且该分离槽523包括分隔设置的一个第一开口521与一个第二开口522；特别的是，该分离器52的分离槽523是套设于该反应器51的反应槽510中，而使得每一酯交换反应分离装置5的体积、占地面积得以缩减、在空间的利用上也更好安排。

参阅图4，本发明连续式酯交换反应设备的第四优选实施例与上述该第一、二优选实施例相似，其不同的地方在于本第四优选实施例只包含一个酯交换反应分离装置2，及一个安装于该酯交换反应分离装置2与该产物收集装置3间的第二反应器4。

但要补充说明的是，该酯交换反应分离装置2的数目是如本第四优选实施例中所示的一个，或是如同上述该第一、二优选实施例所述以串联方式结合多个酯交换反应分离装置2，而该第二反应器4则安装于最后一个酯交换反应分离装置2与该产物收集装置3间。

该第二反应器4在本例中与该酯交换反应分离装置2中的反应器21相似，包括一个与该分离器22的第一出口221连接的入口41、一个与该产物收集装置3连接的出口42，及一个用于控温加热的加热器43，使得由该酯交换反应分离装置2的分离器22的第一出口221流出的未反应醇类原料、未反应油脂类原料，及生成的脂肪酸烷基酯续而进入到该第二反应器4中。

借由该第二反应器4的加热器43与设置于该第二反应器4及产物收集装置3间的压力调整阀900控制，使注入其中的醇类原料维持成超临界流体状态而能在该第二反应器4中继续进行酯交换反应。

特别值得说明的是，本第四实施例中由反应物储存装置1输送进入该酯交换反应分离装置2中进行反应的醇类原料(甲醇)与油脂类原料(三酸甘油酯)在先经过该酯交换反应分离装置2进行酯交换反应并分离出不需要的副产物(甘油)后，再将未反应的醇类、油脂类原料，及所需产物(脂肪酸甲基酯)注入到该第二反应器4中，并通过再一次的酯交换反应，进一步的提升所需产物的最终生成量，而能在该产物收集装置3中收集得到高产出率的所需产物。

综上所述，本发明主要是提出一种连续式酯交换反应设备，而在酯交换反应过程中持续地分离、移除密度不同的副产物，使得整体反应保持往产物生成方向进行、减低逆反应速率而提高所需产物的生成量；另外，本发明还利用反应物中醇类的超临界状态增加其与油脂类的混合性、反应活性，而在不需触媒的反应条件即能进行酯交换反应生成脂肪酸烷基酯(生质柴油)，并减少后续的酸碱中和、水洗、纯化等等繁复的步骤，大幅减少制程成本；还有，本发明连续式酯交换反应设备的分离器借由机械力分离副产物，所以能保持原料、生成产物、副产物的活性与纯度，并进一步地采用无轴封槽体设计，避免超临界状态的高温高压环境下旋转轴封的高度磨耗而易产生内容物泄漏的问题发生、提升整体设备的安全性。

Claims (13)

1.一种连续式酯交换反应设备，包含一个用于容置醇类原料与油脂类原料的反应物储存装置，其特征在于：所述连续式酯交换反应设备还包含多个酯交换反应分离装置，每一个酯交换反应分离装置包括一个维持其中的醇类原料成超临界状态且具有一个入口与一个出口的反应器，及一个与所述反应器的出口连通且利用机械力分离性质不同的流体的分离器，所述分离器具有分隔设置并供流体排出的一个第一开口与一个第二开口，所述酯交换反应分离装置的其中一个是以所述反应器的入口与所述反应物储存装置连接，其余的每一个酯交换反应分离装置的反应器入口则是与另一酯交换反应分离装置的分离器的第一开口相连接，而使得所述酯交换反应分离装置以串联的方式彼此连接。

2.根据权利要求1所述的连续式酯交换反应设备，其特征在于：每一个分离器还具有一个与所述反应器的出口相连接且能带动流体旋转流动的分离槽。

3.根据权利要求1所述的连续式酯交换反应设备，其特征在于：每一个分离器还具有一个与所述反应器的出口相连接的分离槽，及一个转动地设置于所述分离槽中而用于带动槽中流体旋转流动的旋转件。

4.根据权利要求第2或第3所述的连续式酯交换反应设备，其特征在于：每一个酯交换反应分离装置的反应器具有一个使醇类原料维持成超临界状态的反应槽，且所述分离槽是以套设于所述反应槽中的方式设置。

5.根据权利要求4所述的连续式酯交换反应设备，其特征在于：所述连续式酯交换反应设备还包含一个产物收集装置，所述产物收集装置与所述彼此串联的酯交换反应分离装置的最后一个分离器的第一开口连接以收集反应所得产物。

6.根据权利要求1所述的连续式酯交换反应设备，其特征在于：所述连续式酯交换反应设备还包含一个具有一个入口与一个出口且维持其中的醇类原料成超临界状态的的第二反应器，及一个产物收集装置，所述第二反应器的入口与所述彼此串联的酯交换反应分离装置的最后一个分离器的第一开口连接，而所述第二反应器的出口则与所述产物收集装置相连接而将最终产物收集至所述产物收集装置中。

7.一种连续式酯交换反应设备，包含一个用于容置醇类原料与油脂类原料的反应物储存装置，及一个用于收集最终产物的产物收集槽，其特征在于：所述连续式酯交换反应设备还包含一个酯交换反应分离装置，及一个具有一个入口与一个出口的第二反应器，所述酯交换反应分离装置包括一个具有一个入口与一个出口且维持其中的醇类原料成超临界状态的反应器，及一个与所述反应器的出口连通且借由机械力分离性质不同的流体的分离器，而所述分离器具有分隔设置并供流体排出的一个第一开口与一个第二开口，且所述反应器的入口与所述反应物储存装置连接，所述第二反应器能维持其中的醇类原料成超临界状态而进行酯交换反应，且所述第二反应器的入口与所述酯交换反应分离装置中分离器的第一开口相连接，而所述第二反应器的出口与所述产物收集槽连接将最终反应生成的产物收集至所述产物收集槽中。

8.根据权利要求7所述的连续式酯交换反应设备，其特征在于：所述分离器还具有一个与所述反应器的出口相连接且能带动流体旋转流动的分离槽。

9.根据权利要求7所述的连续式酯交换反应设备，其特征在于：所述分离器还具有一个与所述反应器的出口相连接的分离槽，及一个转动地设置于所述分离槽中而能搅拌带动槽中流体旋转流动的旋转件。

10.根据权利要求第8或第9所述的连续式酯交换反应设备，其特征在于：所述酯交换反应分离装置的反应器具有一个使醇类原料维持成超临界状态的反应槽，且所述分离槽是以套设于所述反应槽中的方式设置。

11.一种酯类连续生产方法，其特征在于：所述酯类连续生产方法是包含以下步骤，

步骤(A)先连续地将醇类原料与油脂类原料输送进入一个反应器中，并使醇类原料维持于超临界状态而与油脂类原料进行酯交换反应而生成产物与副产物；

步骤(B)在酯交换反应生成产物与副产物的反应过程中，借由一个与所述反应器串接的分离器将反应生成的副产物从产物、尚未反应的醇类原料，及尚未反应的油脂类原料分离并排出；

步骤(C)同步将反应生成的产物、尚未反应的醇类原料，及尚未反应的油脂类原料由所述分离器送入与所述分离器串接的另一个反应器中，使尚未反应的醇类原料维持于超临界状态且继续与尚未反应的油脂类原料进行酯交换反应而生成产物与副产物。

12.根据权利要求11所述的酯类连续生产方法，其特征在于：步骤(C)中于所述反应器继续进行的酯交换反应过程后，再进入另一个与所述反应器串接的分离器并借由所述分离器将反应生成的副产物从产物、尚未反应的醇类原料，及尚未反应的油脂类原料分离并排出。

13.根据权利要求11所述的酯类连续生产方法，其特征在于：所述分离器是借由机械力将密度不同的副产物与产物、反应物分离。

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