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Verfahren und Vorrichtung zur Spaltung von Fettstoffen Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zum Hy drolysieren von Fetten und Ölen der Art, für
die Abfallfett, Talg, Palmöl, Kokosöl und andere tierische Fette und pflanzliche
Öle oder Mischungen derselben Beispiele sind. Das Verfahren kann unter Verwendung
von Wasser als alleinigem Spaltmittel durchgeführt werden, obwohl auch tekannte
und gebräuchliche Seifen und Spaltmittel verwendet werden können.
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Gemäß der Erfindung besteht das Verfahren darin, daß das Fett mit
Wasser im Gegenstrom bei Temperaturen, die unter den Spaltungstemperaturen liegen,
in Berührung gebracht wird und daß die Temperatur des Fettes und des Wassers zwischen
den Zonen der anfänglichen Berührung auf Spaltungstemperatur erhöht wird. Bei einer
Durchführungsform .der Erfindung besteht :das Verfahren darin, daß Fett und Wasser
im Gegenstrom in einem Turm in Berührung zebr acht werden, in dem das Fett in der
Nähe des Bodens des Turmes und das Wasser in der Nähe des Kopfes des Turmes eingeführt
wird, wobei dem zwischen den Enden liegenden Teil des Turmes Wärme zugeführt wird,,
so daß ein Wärmeaustausch zwischen dem Fett und dem Wasser in der Nähe jedes Endes
des Turmes stattfindet.
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Gemäß dem Verfahren der Erfindung wird feinverteiltes Wasser durch
eine aufsteigende Fettsäule bei einer Temperatur von zäo° C oder höher hindurchgetropft,
wobei die obere Temperaturgrenze diejenige ist, bei der die Wärme nachteilig auf
das Fett oder das Öl sich auswirkt und bei der die
beiden getrennten
Phasen verschwinden. Diese Temperatur liegt für viele Fette bei etwa 29o° C. Der
Druck muß so groß sein, daß das Wasser bei der ausgesuchten Temperatur in flüssigem.
-Zustande verbleibt.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, Öl und Wasser auf die Spalttemperatur
zu erwärmen und auf den erforderlichen Druck zu bringen, ehe sie im Gegenstrom in
Berührung miteinander gebracht werden.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, das Wasser auf Arbeitstemperatur
durch direkte Berührung mit der heißen Fettsäule zu bringen, die von der Hydrolyse
herrührt, und umgekehrt das Fett auf Arbeitstemperatur mittels des heißen Glycerinwassers
zu bringen, das von der Hydrolyse herstammt. Wenn also das Fett . und- -das Wasser
in einem Verhältnis eingeführt werden, das im wesentlichen der spezifischen Wärme
der beiden Körper .entspricht, dann braucht, nachdem die Vorrichtung erst einmal
auf Arbeitstemperatur gebracht worden ist, weiterhin sehr wenig Wärme zugeführt
zu werden. Wasser hat eine spezifische Wärme von i und Fett von ungefähr o,6. Wenn
also io Teile Fett zu 6 Teilen Wasser in d-ie Vorrichtung eingegeben werden, so
genügt die Wärme des Wassers, um das kalte Fett auf die gewünschte Temperatur zu
erwärmen, 'und umgekehrt. Dieses Verhältnis ist also geeignet, die chemische Umsetzung
im wesentlichen zu beenden und zu gleicher Zeit ein relativ konzentriertes Glycerinwasser
zu erhalten.
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Dieses Arbeitsverfahren ist aus einer Anzahl Gründen sehr erwünscht.
In erster Linie wird die Hydrolyse eingeleitet, während das Fett durch das heiße
Glycerinwass-er erwärmt wird, so daß das Fett zu einem wesentlichen Betrage aufgespalten
wird, ehe es in die Zone .der höchsten Wärme gelangt. Dies ist sehr erwünscht, weil,
wie gefunden worden ist, ein Gemisch von Fett und Fettsäure sich wesentlich verschieden
mit Bezug auf sein Vermischen mit Wasser von Neutralfett verhält. Das Gemisch absorbiert
Feuchtigkeit viel leichter und bei niedrigeren Temperaturen. Durch diese Betriebsanlage
kann. also das Fett bei einer bestimmten Temperatur auf einen bestimmten Grad gespalten:
werden, oder es kann auf einen bestimmten Grad. in einer bestimmten Zeit bei einer
niedrigen Temperatur aufgespalten werden.
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Bei diesen Durchführungsverfahren werden sowohl das Glycerinwasser
als auch das Fett in verhältnismäßig kühlem Zustande erhalten, was den praktischen
Vorteil hat, daß das Glycerinwasser weniger absorbiertes; Fett oder - Fettsäuren
enthält als in heißem Zustande und daß eine relativ kühle Fettsäure weniger Feuchtigkeit
enthält, als wenn sie heiß wäre. Auf diese Weise wird das ganze in die Vorrichtung
eingeführte Wasser am Boden des Turmes wiedergewonnen, anstatt daß ein Teil des
Wassers mit der heißen Fettsäure aus dem Kopf des Turmes abgeht.
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Da es erforderlich ist, sowohl das Öl als auch das Wasser auf die
gewünschte höchste Arbeitstemperatur zu erwärmen und jeden Stoff nach der Behundlung
durch irgendein Mittel zu kühlen, und da die Hydrolyse bei Temperaturen, die unter
dem Höchstwert liegen, wenn auch weniger schnell, -weitergeht, ist ein . Ziel- der
Erfindung, die Erwärmungsperioden zum Spalten zu verwenden. Dadurch wird nicht nur
das Verfahren beschleunigt und wirksamer gestaltet, sondern es wird auch das Ausmaß
der erforderlichen Hochtemperaturerwärmung auf einen Mindestbetrag herabgesetzt.
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Das Wasser und das Fett können bei jeder zweckentsprechenden Pumptemperatur,
beispielsweise von Raumtemperatur bis ioo° C für Wasser und vom Schmelzpunkt bis
ioo° C für Fett, eingeführt werden. Dies ist erwünscht, um die Luft aus dem Wasser
zu entfernen und auch das Fett vollständig flüssig zu machen. Wenn ein flüssiges
Fett, :d. h. Öl, behandelt werden soll, ist es unnötig, bis zu diesem Grad vor Beginn
der Behandlung zu erwärmen.
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Theoretisch würde der Betrieb keine zusätzliche Wärme mehr erfordern,
nachdem die Arbeitstemperatur erreicht worden. ist; praktisch ist es jedoch notwendig,
die durch Strahlung entstehenden Verluste; die für die Hydrolyse erforderliche Wärme
und auch diejenigen Verluste zu ersetzen, die daher rühren, daß die Temperatur der
ausströmenden Bestandteile etwas höher ist als die Temperatur der Bestandteile,,
die in den Turm eingeführt werden. Diese Wärmedifferenz muß zugeführt werden.
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Ein weiteres Kennzeichen der vorliegenden Erfindung ist die Wiedereinführung
von Fettsäure in den Umlauf, um Spaltfett in die Masse aus ungespaltenem Fett einzubringen.
Wenn es auch scheinen könnte, als ob diese Wiedereinführung von aufgespaltenem Fett
die Leistung der Anlage verkleinern würde, so -wurde doch gefunden, daß das Einbringen
von Spaltfett die Hydrolyse so beschleunigt, daß als schließliches Ergebnis tatsächlich
ein Ausbeutegewinn sich ergibt und daß das Arbeiten der Anlage als Ganzes eher schneller
als langsamer vor sich geht.
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Andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden
ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung erkenntlich.
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In der Zeichnung ist Fig. i eine senkrechte Schnittansicht der Vorrichtung
und Fig. z eine mehr ins einzelne gehende Schnittansicht der in Fig. i dargestellten
Vorrichtung. Der Turm i besteht aus rostfreiem Stahl oder einem anderen geeigneten
Material, das der Korrosion der Fettsäuren widersteht und -die gewünschten Temperaturen
und Drücke auszuhalten vermag. Eine Pumpe a fördert Wasser in den hopf des Turmes
i durch die Leitung 3. Das bei 4. dargestellte Glycerinwasser wird vom Boden des
Turmes durch eine Leitung 3 abgezogen, in der ein Ventil 6 eingebaut ist, um die
Abflußmenge zu regeln. Das Fett oder das Öl wird in den Unt#,rteil des Turmes mittels
einer in Leitung 8 liegenden Pumpe 7 eingedrückt.
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Spaltfettsäure wird aus dem Kopf des Turmes
durch I@;-ittrri- c; abgehit@t, die in Leitung 8 an |
einer Stelle mündet, die neben der Einführstelle der |
Leitung 8 in dein Unterteil- des Turmes liegt. |
Diese Leitung 9 enthält ein Ventil io und eine |
Pumpe i i, um die Wiedereinführung der gespal- |
tenen Fettsäure ztt regeln. Leitung 12, in der ein |
Regelventil 13 liegt, führt von Leitung g ab, um aus |
der Anlage die gespaltene Fettsäure zu entfernen, |
die nicht wieder in den Umlauf zurückgeführt wird. |
Nahe dein Fuß des Turmes i und oberhalb des |
Spiegels des Glycerinwassers d. liegt eine mit direk- |
tem Dampf beheizte Schlange 1d., die die gewünschte |
Temperatur in der -Mitte des Turmes aufrechtzu- |
erhalten vermag. Eine ähnliche mit direktem |
Dampf beheizte Schlange 15 liegt in dein obren |
Teil des Turmes. Andere Vorrichtungen als die mit |
direktem Dampf beheizten Dampfschlangen zur Zu- |
führung von Wärme, um die Temperatur der -Mitte- |
des Turmes auf die gewünschte Höchsttemperatur |
zu bringen, z. B. Außenmäntel von geschlossenen |
Heizschlangen, können auch verwendet werden, und |
zwar an Stelle der innenliegenden Dampfschlangen |
oder zusätzlich dazu. |
Ein Schauglas 16 ist vorzugsweise am Fuße des |
Turmes etwa in Höhe des Spiegels des Glycerin- |
wassers .1 vorgesehen, um den genauen Stand des |
Glycerinwassers zu bestimmen, so daß mit dein- |
der Glycerinwasgerabfluß geregelt werden |
kann. |
Eine Reihe von Auffangschalen oder Prall- |
platten 17 liegt im oberen Teil des Turmes, um den |
Wirkungsgrad des Wärmeaustausches zwischen der |
Fettsäure und dem einströmenden Kiililieass,°r zu |
verbessern. Wenn auch die Verwendung dieser |
Auffangschalen und Praliplatten nicht Wesentlich |
ist. empfiehlt sich doch deren Gebrauch. Da die |
Fettsäure in der oberen '\@'ärrneatrstauschzone in |
Richtung aufwärts gekühlt wird, entsteht ein Zu- |
stand, in, welchem die kühlere Fettsäure von |
größerer Dichte ist als die darunterliegende heiße |
Fettsäure. Ohne die Prallplatten würde dieser |
Zustand Strudel oder große Umlaufstörungen zur |
Folge haben. Der auf diese Weise erlialteneWärme- |
austausch würde kleiner sein als der möglich"- und |
erstrebte Austausch. |
Aus diesem Grund -wird eine Reihe von Auffang- |
schalen oder Prallplatten 17 verwendet, über welche |
das eintretende Wasser strömt. Jede Schale ist mit |
einem rohrförmigen Stutzen 18, über welchen die |
Fettsäure nach aufwärts fließenkann, und mit einem |
rohrförmigen Überlauf ig versehen, dessen oberes |
Ende oberhalb der Auffangschale liegt und die |
Tiefe des Wassers auf der Schale bestimmt. Das |
untere Ende des Überlaufes icy erstrecket sich nach |
abwärts bis in die Nähe der nächsten Auffang- |
schale. Infolge dieser Anordnung fließt die teil- |
weis.e oder vollständig aufgespaltene Fettsäure |
nach aufwärts durch die Rohrstutzen 18 und das |
Wasser nach abwärts von Auffangschale zu Auf- |
fangschale durch die Überiaufrohre i9 hindurch. |
Unterhalb der untersten Auffangschale liegt eine |
durchlochte Verteilungsplatte 2o, durch welche hin- |
durch das Wasser in die mittlere Spaltzone des |
Turmes fließt. An dieser Platte sitzt ein Rohr 21, |
durch welches die Fettsäure oder Fett und Fett- |
säure nach aufwärts zu den Auffangplatten fließen. |
Oberhalb dieser durchlochten Platte 20 ist eine |
kreisringförmige Schale 22 vorgesehen, in welcher |
die offene Heizschlange 15 liegt. Die Überlauf- |
rohre der unmittelbar darüberliegenden Auffang- |
schale führen Wasser in diese ringförmige Schale |
22 oder in diesen ringförmigen Trog ein, in |
welchem das Wasser durch die Heizschlange erhitzt |
wird: und dann auf den 'Mittelteil der Verteiler- |
platte 20 strömt. Infolge dieser Anordnung ist die |
offene Heizschlange immer mit Wasser bedeckt, |
ganz gleich, wie hoch das Wasser oberhalb der |
durchlochten Platte entsprechend den jeweiligen, |
gerade zu dieser Zeit verwendeten Arbeitsbedin- |
gungen sich einstellt. |
In der Zeichnung ist eine mit einem Ventil 25 |
versehene Leitung 2.1 zwischen dem Glycerin- |
wasserauslaß am Fuße des Turmes und, dem Ein- |
laßwasserspiegel dargestellt. Diese Leitung kann |
verwendet ---erden, um das Wasser oder das |
Glycerinwass°r wieder in den Umlauf zurück- |
zuführen, um dazu beizutragen. den Turm auf Be- |
triehstemperatur zu bringen, sofern der Turm von |
neuem in Betrieb genommen wird, oder die Lei- |
tung kann verwendet -werden, um das Glycerin- |
wasser wieder einzuführen, wenn der Turm für |
Spaltung einer Einzelbeschickung benutzt wird. Ein |
Vorteil des dargelegten Turinaufbaues besteht |
darin, daß er für Einzelbeschickungen verw"en@l°t |
werden bann, wenn eine hl; -ne '-,Jene ;,-e Fett oder |
ein besonderes Fett gespalten werden soll, dessen |
zur Verfügung stehende '.Menge nicht genügt, um |
ein ununterbrochenes Arbeiten im Gegenstrom |
durchzuführen. |
Die vorliegende Anordnung erwärmt ständig aas |
Wasser, bewirkt die Spaltung und kühlt das al)g.e- |
spaltene Fett, so daß die Fettsäure auf eine ver- |
hältnismäßig niedrige Temperatur herabgesetzt |
wird, bei der sie leicht gehandhabt werden kann, |
während das Wasser auf annähernd Arbeitstempe- |
ratur erwärmt wird. Die Hydrolyse wird, wenn |
sie 7u Beginn dieser Kühlstufe unvollständig war, |
fortgesetzt, so daß sie trotz der abnebrnenden |
Temperatur, wenn auch mit geringerer Geschwin- |
digkeit, weitergeht, bis das Wasser aus der Fett- |
säure durch den Temperaturabfall ausgestoßen |
wird. Auf diese VG'eise geht im wesentlichen das |
gesamte zugeführte Wasser, mit Ausnahme des |
Teiles, der in der chemischen Umsetzung gebunden |
wird, vollständig durch den Turm hindurch, d. h. |
es tritt am Kopf des Turmes ein und wird am Fuß |
des Turmes abgelassen, anstatt mit der _heißen Fett- |
säure entfernt zu werden. |
Während ein neutrales Fett in Gegenwart von |
flüssigem Wasser bei einer Temperatur von i8o° C |
hydrolysiert, zeigt ein teilgespaltencs Fett oder ein |
Gemisch aus Neutralfett mit Fettsäure die Neigung, |
leichter und bei niedrigeren Temperaturen zu |
hydrolysieren als das Neutralfett. Deshalb wird |
die Wassererwärmungszone am Kopf des Turmes |
dazu verwendet, die Spaltung einzuleiten, selbst |
wenn die in dieser Zone aufrechterhaltenen Temperaturen unter den
Temperaturen liegen, die als erwünscht zur Erzielung der höchsten Spaltungsgeschwindigkeit
angesehen werden.
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Viele im Handel erhältlichen Fette, z. B. Abfallfette, enthalten einen
wesentlichen Prozentsatz von freier Fettsäure, die durch die Verschlechterung während
des Transportes oder der Lagerung entstanden ist und .deren Menge genügt, um eine
Spaltung in der unteren. Wärmeaustauschzone einzuleiten.. Wird jedoch ein, Neutralfett
oder ein im wesentlichen neutrales Fett verwendet, so empfiehlt es sich, die gespaltene
oder teilweise gespaltene Fettsäure wieder in den Umlauf einzuführen, um einen Anfangssäuregehalt
zwischen 5'/o und 2,5'10 oder vorzugsweise zwischen ioQ/o und 2o°/o zu haben, so
daß das Glycerinwasser .das zu hydrolysierende Fett in Gegenwart von: genügend Fettsäure
oder Teilglyceriden oder beiden berührt, um eine wesentliche Spalturig während der
Wärmeaustauschzeit durchzuführen. Die Erwärmung des freie Fettsäure enthaltenden
Fettes durch das Glycerinwasser schließt die Möglichkeit einer völligen oder teil--weisen
Fettsäurerückwandlung in Neutralfett aus.
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Bei den in Frage stehenden. Drücken kann das spezifische Gewicht von
relativ kaltem Fett größer sein als das spezifische Gewicht von relativheißem Glycerinwasser.
Daher können die Teilchen von heißem Wasser nicht durch die Lage von kühlem Fett
sickern, ohne wenigstens so viel Wärme dem Fett abzugeben, daß das Fett leichter
als das Wasser wird. Aus diesem Grunde kann die untere Wärmeaustauschzone relativ
kurz sein..
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Der Turm oder die Kolonne gemäß der Erfindung weist drei Zonen auf,
nämlich i. die obere Wärmeaustauschzone, in der die Auffangschalen liegen und in
der das relativ kalte Wasser durch ,die relativ heiße Fettsäure auf eine Temperatur
erwärmt wird, die in der Nähe der gewünschten Betriebstemperatur liegt, 2. die untere
Wärmeaustauschzone, in der das relativ kalte Fett oder Fett und Säuregemisch durch
das relativ heiße Glycerinwasser auf eine Temperatur erwärmt werden, die in der
N ähe der gewünschten höchsten Betriebstemperatur liegt, und 3. eine Mittelzone,
in der die höchste Betriebstemperatur, z. B. -4o bis 25o° C, mittels der zugeführten
Wärme aufrechterhalten wird. Vorzugsweise werden alle drei Zonen zur Spaltung herangezogen,
indem das Fett in solchem Ausmaß zugeführt wird, daß die Hydrolyse nicht aufhört,
bis das Fett in die obere Wärmeaustauschzone eingetreten ist. Da in der unteren
Wärmeaustauschzone mit der Spaltung begonnen und in der oberen Wärmeaustauschzone
die Spaltung beendet wird, braucht der Mittelteil des Turmes nicht so hoch! zu sein,
wie dies sonst notwendig wäre, oder bei einer gegebenen Höhe des Turmes kann die
Leistung größer sein.
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Obwohl der Turm zur Spaltung von vollständig neutralem Fett verwendet
werden kann, ist das Vorhandensein von freier Fettsäure in der unteren Wärmeaustauschzone
erwünscht, da hierdurch scheinbar die Spaltung beschleunigt wird, die bei der Temperatur
stattfindet, die in der unteren Wärmeaustauschzone aufrec'hterhalte'n wird.
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Bei der Vorrichtung und dem Verfahren werden die in Umsetzung tretenden
Komponenten in verhältnismäßig kaltem Zustande eingeführt und abgeleitet, und weder
die Fettsäure noch das Glycerinwasser halten genügend Wärme gespeichert, um z. B.
zur Vorwärmung weiter verwendet zu werden. Dennoch ist die Verwendung der Anlage
vorteilhaft, da das Arbeiten mit einem Mindestaufwand an hoher Wärme vor sich geht
und die Ausrüstung sehr einfach sein kann, denn weder die Fettsäuren noch das Glycerinwasser
brauchen bei hoher Temperatur gehandhabt zu werden. Wie dargelegt, wird das Verhältnis
von dem in die Anlage eingeführten Wasser zu der Menge des in: die Anlage eingeführten
Fettes mit Bezug auf die spezifische Wärme der beiden Körper geregelt, d. h. das.
Verhältnis beträgt etwa 1o Teile Fett zu 6 Teilen Wasser, obgleich die Konzentration
des Glycer inwassers gewünschtenfalls durch Verminderung der Wassermenge und .durch
Einführung einer größeren Wärmemenge in den Mittelteil des Turmes etwas erhöht werden
kann.
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Wenn die offenen Heizschlangen im wesentlichen in den dargestellten
Stellungen verwendet werden, wird das Heizwasser unter solchem Druck eingeführt,
daß es in den Inhalt des Turmes hinein als flüssiges Wasser austritt. Da die erforderliche
Menge an Wasser wegen der Leistungsfähigkeit der oberen und unteren Wärmeaustauschzonen
nicht groß ist, wird das Glycerinwasser nicht wesentlich verdünnt. Wird eine größere
Konzentration des Glycerinwassers gewünscht, dann wird die Menge des in den Kopf
des Turmes oberhalb der oberen Wärmeaustauschzone eingeführten Wassers etwas vermindert.
Dies stört die Wirksamkeit der chemischen Umsetzung nicht, und zwar aus dem Grunde,
weil .diese Umsetzung in dieser Zone beendigt ist oder beendigt wird, und tatsächlich
fällt mehr Wasser aus der Fettsäure aus, als daß es von ihr absorbiert wird.
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Zusatzwasser wird an dem oberen Abschnitt der mittleren Wärmezone
gelegentlich zugegeben, um die Wärme des oberhalb der Verteilerplatte angesammelten
Wassers auf die gewünschte höchste Betriebstemperatur zu bringen. Das Wasser, welches
durch die Verteilerplatte hindurchströmt, sickert nach abwärts durch die aufsteigende
Säule von Fett, um die gewünschte chemische Umsetzung zu bewirken und das Glycerinwasser
auszuwaschen.
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Das Wasser, welches durch die untere Heizschlange austritt, um die
aufsteigende Fettsäule bei ihrem Eintritt in die mittlere Spaltungszone zu erwärm-en,
wird vermutlich von der aufsteigenden Fettsäule absorbiert, die, was den Wassergehalt
anbetrifft, noch nicht gesättigt ist, und steigt vermutlich mit der Fettsäule, bis
ein Temperaturausgleich erreicht und das Fett mit Wasser gesättigt ist.
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Die durch diese untere Heizschlange eingeführte Wassermenge braucht
verhältnismäßig gering zu sein, und zwar wegen der Leistungsfähigkeit der
unteren
Wärmeaustauschzone, in welcher Wassertröpfchen ständig durch die aufsteigende Fettsäule
hin.durchsinken, so d'aß auf diese Weise eine große direkte Kontaktfläche zwischen
den beiden Komponenten besteht.
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Zum Betrieb der Anlage bei höchster Kapazität kann. es von Vorteil
sein, in der oberen Wärmeaustauschzone etwas weniger Wasser zu verwenden als erforderlich
sein würde, den höchsten Wirkungsgrad an Wärmeübertragung für die Vorrichtunals
Ganzes zu erzielen, etwas Zusatzwasser an dein oberen Abschnitt der mittleren Spaltungszone
zuzugeben und noch etwas Zusatzwasser von höherer Temperatur, als die Temperatur
der aufsteigenden Fettsäule beträgt, am Unterende der mittleren Spaltungszone einzuführen.
Auf ,diese Weise werden sowohl die Wärmezustände als auch die Wasserkonzentration
geregelt, um eine größte Spaltung in kürzester Zeit zu erhalten, und zwar mit einem
Gesamtwirkungsgrad mit Bezug auf den Wärmeverbrauch, der sich dem theoretischen
Wirkungsgrad nähert.