DE19843798C2 - Verfahren zur Herstellung von Fettalkoholen - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung befindet sich auf dem Gebiet der Hydrierung von Fettstoffen und betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Fettalkoholen unter Einsatz der Schachtreaktor-Technologie.

Stand der Technik

Bei der Herstellung von Fettalkoholen durch Hydrierung von Fettsäuren oder Fettsäureestern, vorzugs­ weise Methylestern, findet die eigentliche Hydrierreaktion in einem oder mehreren hintereinanderge­ schalteten Festbettreaktoren bei Temperaturen von 200 bis 250°C und einem Wasserstoffdruck von 50 bis 300, vorzugsweise 200 bis 300 bar statt. Dazu wird beispielsweise der Methylester mit Preßpumpen in die Anlagen gedrückt, wo er mit komprimiertem Wasserstoff vermischt, gemeinsam mit diesem auf Reaktionstemperatur erhitzt und dann auf den Reaktor aufgegeben wird. Nach Durchlaufen des Reak­ tors bzw. der Reaktoren wird das Reaktionsgemisch abgekühlt und in einem Abscheider in die Flüssig­ phase und die Gasphase aufgetrennt. Die Flüssigphase wird entspannt und zur Methanolabtrennung geleitet, während die hauptsächlich aus Wasserstoff bestehende Gasphase über einen Kompressor im Kreis geführt wird. In der als Verdampferanlage ausgelegten Methanolabtrennung wird der Fettalkohol vom Methanol befreit und kann dann ohne weitere Reinigung seiner Verwendung zugeführt werden. Verfahren zur Hydrierung von Fettsäureestern in Rohrbündelreaktoren sind beispielsweise in den beiden Deutschen Patentanmeldungen DE-A1 39 13 387 und DE-A1 42 42 466 (Henkel) beschrieben; aus der Druckschrift DE-A1 434 21 837 (Henkel) ist zudem die Parallelfahrweise in zwei Reaktoren be­ kannt.

Zu hohe Temperaturen während der Hydrierung führen zur Bildung unerwünschter Nebenprodukte, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe, und vermindern die Standzeit des Katalysators. Bei der kataly­ tischen Hydrierung von Fetten, Ölen und Fettderivaten zu Fettalkoholen im Festbettreaktor (Tricklebed- Fahrweise) ist insbesondere bei adiabatischer Reaktionsführung ein hoher, 10 bis 100fach über dem stöchiometrischen Bedarf liegender Wasserstoffüberschuß erforderlich. Im Falle von Rohrbündelreaktoren ist das geschilderte Problem beherrschbar, da ein Großteil der Wärme über eine intensive Mantel­ kühlung der einzelnen Rohre abgeführt werden kann. Die Menge an im Kreis geführtem Wasserstoff dient daher nur noch sekundär zur Kühlung; vielmehr wird man den Wasserstoffüberschuß so wählen, daß eine optimale Steigerung der Hydrierleistung erzielt wird. Von Nachteil ist jedoch, daß Rohrreak­ toren in der Anschaffung ausgesprochen teuer sind. Die Mantelkühlung mit Thermalöl ist zudem tech­ nisch sehr aufwendig.

Eine deutlich kostengünstigere Alternative stellen Schachtreaktoren dar, die den Sonderfall eines Rohr­ bündelreaktors mit einem Rohr darstellen. Wegen des weitaus größeren Querschnittes können Schachtreaktoren über den Mantel nicht ausreichend gekühlt werden. Hier muß also die Kühlung über eine im Vergleich zum Rohrbündelreaktor deutlich größere Menge Kreisgas bewirkt werden. Große Kreisgasmengen erzeugen jedoch hohe Gasströmungsgeschwindigkeiten, die ab einer bestimmten Größenordnung von der flüssigen Rieselphase Tröpfchen abspalten, welche mit der Gasphase be­ schleunigt und durch das Katalysatorbett gefördert werden. Der Umsatz zum Fettalkohol findet in den Tröpfchen im Vergleich zur Rieselphase nur unvollständig statt; die Verseifungszahl des Endproduktes steigt, während die Liquid Hour Space Velocity (Ihsv) deutlich absinkt.

In diesem Zusammenhang sei auch auf die Deutsche Patentanmeldung DE-A1 40 05 629 (Henkel) ver­ wiesen, in der vorgeschlagen wird, den Wasserstoff durch mindestens zwei hintereinander geschaltete Festbettreaktoren zu führen, ohne daß das aus den Reaktoren austretende und in die nachfolgenden Reaktoren eintretende Gas abgekühlt wird, und das Fett, Öl oder Fettderivat parallel in die Reaktoren eingespeist wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung hat folglich darin bestanden, den geschilderten Problemen abzuhelfen und ein Verfahren zur Hydrierung von Fettstoffen in Schachtreaktoren zur Verfügung zu stellen, bei dem man die Kreisgasmenge vermindern kann, ohne daß der Durchsatz verringert und die Verseifungszahl der resultierenden Alkohole erhöht wird.

Beschreibung der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Fettalkoholen, bei dem man Fettsäuren oder Fettsäureester zusammen mit überschüssigem Wasserstoff bei Drücken von 50 bis 350 bar auf Temperaturen von 200 bis 250°C erhitzt, das Fettstoff/Wasserstoff-Gemisch über ein Katalysator­ festbett leitet, die resultierende Mischung aus Fettalkohol, Methanol und nicht umgesetztem Wasser­ stoff abkühlt, in einem Separator in eine Flüssig- und eine Gasphase trennt, die flüssige, den Fett­ alkohol und das Methanol enthaltende Phase entspannt, ausschleust und getrennt aufarbeitet, wäh­ rend man den nicht umgesetzten Wasserstoff zusammen mit Frischwasserstoff über eine Gasumlaufpumpe erneut auf den Reaktionsdruck verdichtet und in die Hydrierung zurückführt, welches sich dadurch auszeichnet, daß man den Schachtreaktor mit mindestens einem Teilstrom des nicht aufgeheizten Wasserstoffs begast und dadurch kühlt.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß durch Kühlung des Schachtreaktors mit nicht aufgeheiztem Wasserstoff (ca. 50 bis 60°C) die Kreisgasmenge deutlich vermindert und der Durchsatz entsprechend gesteigert werden kann. Die resultierenden Fettalkohole weisen eine niedrigere Verseifungs- und Carbonylzahl auf. Weitere Vorteile des Verfahrens bestehen darin, daß man den Energieverbrauch im Spitzenerhitzer bzw. Wärmetauscher reduzieren kann, sich die Menge an Kühlwasser vermindert und die benötigte Leistung der Gasumlaufpumpe geringer wird.

Hydrierung

Die Hydrierung der Ausgangsstoffe, also Fettsäuren sowie deren Ester mit Glycerin, Alkoholen und vorzugsweise Methanol, kann in an sich bekannter Weise bei Temperaturen im Bereich von 200 bis 250°C und Drücken von 50 bis 150 (Niederdruck-Verfahren) sowie 150 bis 350 bar (Hochdruck-Ver­ fahren) erfolgen. Als Katalysatoren kommen die bekannten Adkins-Kontakte auf Basis von Cupfer- Chrom-Spinellen oder Cupfer/Zink- bzw. Cupfer/Aluminiumoxiden in Frage. Das weitere Prinzip der Hy­ drierung wurde bereits oben erläutert und kann detailliert in den zitierten Schriften sowie beispielsweise der Monographie "Fettalkohole" nachgelesen werden.

Quenchgaskühlung

Das Prinzip der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Teil des im Kreislauf gefahrenen, nicht auf­ geheizten Wasserstoffs zu nutzen, um die Wärmeabfuhr im Schachtreaktor im Sinne eines Wärme­ austausches zu regeln. Hierzu wird im einfachsten Fall ein Teilstrom des Quench-Wasserstoffs seitlich in den Schachtreaktor eingeblasen. Zu diesem Zweck empfiehlt es sich, daß die Reaktoren mit entsprechenden Vorrichtungen zur Gaszufuhr (z. B. Lanzen) ausgestattet sind. Vorzugsweise wird man die Quenchung nicht nur an einer Stelle des Reaktors vornehmen, sondern eine kontinuierliche Kühlung sicherstellen. Hierzu empfiehlt es sich, den Schachtreaktor über seine ganze Länge mit 2 bis 10, vorzugsweise 3 bis 4 Teilströmen zu begasen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung führt man die Hydrierung in zwei hintereinander geschalteten Schachtreaktoren durch, wobei im ersten Reaktor ein Umsatz von 80 bis 90% der Theorie erreicht wird und man das resultierende Hydrier­ produkt, bestehend aus Fettalkohol, Methanol sowie nicht umgesetztem Fettstoff und Wasserstoff dann dem zweiten Reaktor zuführt und vollständig umsetzt. In diesem Fall hat es sich als vorteilhaft erwie­ sen, einen weiteren Teilstrom des Quench-Wasserstoffes mit dem Austrittsprodukt des ersten Reaktors vor Einspeisung in den zweiten Reaktor zu vermischen. In Summe bevorzugt ist es, die Kreislaufmenge des Wasserstoffs auf 1500 bis 2500, insbesondere 1800 bis 2200 m³/h zu begrenzen.

Beispiele Vergleichsbeispiel V1

Kokosfettsäuremethylester wurde in einer Anlage gemäß Abb. 1 konti­ nuierlich in Kokosfettalkohol überführt. Hierzu wurde der Ester zunächst über eine Preßpumpe (1) mit einer Leistung von 6 t/h auf einen Druck von 300 bar verdichtet und mit Wasserstoff (Frisch-Was­ serstoff und Kreislauf-Wasserstoff) zunächst in einem Wärmetauscher (2) und dann in einem Spitzen­ erhitzer (3) auf die Reaktionstemperatur von 250°C gebracht. Die Mischung wurde am Kopf des Schachtreaktors (4) aufgegeben, der mit einem Festbett eines Cupfer-Zink-Katalysators gefüllt war. Das primäre Hydrierprodukt (Umsatz ca. 90%) wurde auf den Kopf des zweiten Schachtreaktors (5) gegeben und dort vollständig zu Fettalkohol und Methanol umgesetzt. Das Gemisch wurde zusammen mit dem überschüssigen Wasserstoff (Kreisgas-Wasserstoff) über den Wärmetauscher (2) und den Kühler (6) in einen Separator (7) geführt und dort in eine flüssige und eine gasförmige Phase getrennt. Die flüssige Phase wurde entspannt und in die Methanolabtrennung (8) überführt. Der Kreislauf- Wasserstoff wurde über die Gasumlaufpumpe (9) geleitet und dort zusammen mit Frischwasserstoff wieder auf den Reaktionsdruck verdichtet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.

Beispiel 1

Beispiel V1 wurde wiederholt, jedoch ein Teilstrom des Wasserstoffs nach Durchlaufen der Gasumlaufpumpe mit einer Temperatur von 60°C seitlich in den Schachtreaktor (4) eingeblasen. Ein weiterer Teilstrom wurde mit der den Schachtreaktor (4) verlassenden Reaktionsmischung aus Ester, Fettalkohol, Methanol und aufgeheiztem Wasserstoff noch vor der Aufgabe auf Reaktor (5) vermischt (vgl. Abb. 2). Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.

Beispiele 2 und 3

Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch Teilströme des Wasserstoffs über die Länge des Schachtreaktors verteilt an zwei bzw. drei Stellen (vgl. Abb. 2) eingeblasen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.

Tabelle 1

Hydrierung im Schachtreaktor mit und ohne Quenchgaskühlung

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von Fettalkoholen, bei dem man Fettsäuren oder Fettsäureester zusammen mit überschüssigem Wasserstoff bei Drücken von 50 bis 350 bar auf Temperaturen von 200 bis 250°C erhitzt, das Fettstoff/Wasserstoff-Gemisch über ein Katalysatorfestbett leitet, die resultierende Mischung aus Fettalkohol, Methanol und nicht umgesetztem Wasserstoff abkühlt, in einem Separator in eine Flüssig- und eine Gasphase trennt, die flüssige, den Fettalkohol und das Methanol enthaltende Phase entspannt, ausschleust und getrennt aufarbeitet, während man den nicht umgesetzten Wasserstoff zusammen mit Frischwasserstoff über eine Gasumlaufpumpe erneut auf den Reaktionsdruck verdichtet und in die Hydrierung zurückführt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man den Schachtreaktor mit mindestens einem Teilstrom des nicht aufgeheizten Wasserstoffs (Quench-Wasserstoff) begast und dadurch kühlt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Schachtreaktor über seine Länge mit 2 bis 10 Teilströmen Quench-Wasserstoff kühlt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Hydrierung in zwei hintereinander geschalteten Schachtreaktoren durchführt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man einen weiteren Teilstrom des Quench-Wasserstoffes mit dem Austrittsprodukt des ersten Reaktors vor Einspeisung in den zwei­ ten Reaktor vermischt.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kreislaufmenge des Wasserstoffs auf 1500 bis 2500 m³/h begrenzt.