PROCEDIMIENTO DE PRODUCCIÓN DE ÉSTERES ALQUÍLICOS A PARTIR DE ACEITE VEGETAL O ANIMAL Y DE UN MONOALCOHOL ALIFÁTICO CON INTEGRACIÓN TÉRMICA.

Procedimiento de producción de ésteres alquílicos a partir de aceite vegetal o animal y de un monoalcohol alifático con integración térmica.

La presente invención describe un procedimiento de fabricación de ésteres alquílicos de ácidos grasos y de glicerina que emplea en una sección de reacción al menos una reacción de transesterificación entre un aceite vegetal o animal y un monoalcohol alifático, y que utiliza un catalizador sólido heterogéneo, en el que el balance energético se mejora mediante integración térmica de la energía liberada durante la etapa de condensación del monoalcohol.

Procedimiento de producción de ésteres alquílicos a partir de aceite vegetal o animal y de un monoalcohol alifático con integración térmica

Campo de la invención

La invención se refiere a un procedimiento de fabricación de ésteres alquílicos a partir de aceites vegetales o animales y de un monoalcohol alifático.

Estudio de la técnica anterior

En vista de su utilización como biocarburante, los ésteres alquílicos de aceites vegetales se producen a partir de aceites vegetales obtenidos por ejemplo de colza, de girasol, de soja o incluso de palma. Mal adaptados a la alimentación directa de los motores diesel modernos de los vehículos particulares, los aceites vegetales constituidos esencialmente por triglicéridos pueden transformarse, por ejemplo, mediante una reacción de transesterificación con un alcohol monoalifático, por ejemplo metanol o etanol, introducido en exceso para producir ésteres metílicos de aceites vegetales (EMAV) y de glicerina.

El procedimiento Esterfip-HTM descrito particularmente en la solicitud de patente EP-A1-1 352 893 es un procedimiento que emplea un conjunto de reacciones de transesterificación entre un aceite vegetal o animal y metanol, utilizando un catalizador heterogéneo. Este procedimiento comprende algunas etapas que consumen energía. En efecto, el empleo del catalizador heterogéneo se realiza a alta temperatura, comprendida entre 170 y 210ºC, a alta presión, comprendida entre 3 y 8 MPa para permanecer en fase líquida y necesita un exceso de metanol (proporción en masa de metanol/aceite comprendida entre 0, 5 y 2) para desplazar el equilibrio termodinámico para forzar la conversión del aceite hacia la producción del éster. Debido al desplazamiento de este equilibrio termodinámico, este procedimiento se realiza en dos etapas de reacción con extracción intermedia de una parte de la glicerina co-producida. Esta operación de separación se realiza mediante decantación, a una temperatura comprendida entre 50 y 70ºC, en presencia de una cantidad reducida de metanol. En efecto, este último desempeña el papel de co-disolvente entre las fases éster y glicerina. Esto implica una etapa de separación del metanol contenido en el efluente procedente del primer reactor de transesterificación. Por otro lado, para responder a la especificación de 2.000 ppm máximo de metanol en el éster final impuesta por la norma europea de biocarburantes EN 14 214, es necesario realizar también una separación del exceso de alcohol presente a la salida del segundo reactor de transesterificación.

Esta separación del metanol se obtiene mediante vaporización durante la expansión de los efluentes calientes que salen de los primer y segundo reactores. Para obtener una presión estable en los reactores a pesar de las fluctuaciones inherentes al procedimiento, la sección de paso del flujo debe ser variable y estar regulada por una válvula de regulación de la presión. Esta expansión viene acompañada por una vaporización, principalmente del metanol. En efecto, la temperatura de ebullición del metanol es muy baja en comparación con las de los otros cuerpos contenidos en el efluente que sale del reactor. Esto se ilustra mediante la siguiente tabla en la que se presentan las masas molares, densidades y puntos de ebullición, en condiciones normales, de los principales compuestos considerados:

Durante esta etapa, una parte del calor sensible del efluente se convierte en calor latente necesario para el cambio de estado del metanol (paso de la fase líquida a la fase de vapor) . De ello resulta una reducción de la temperatura del efluente. Cuanto más reducidas es la presión alcanzada durante la expansión mayor es la cantidad de metanol vaporizada y, por consiguiente, menor será la temperatura después de la expansión.

De este modo, para una composición y una temperatura dadas del efluente que sale del reactor, a una presión tal que estará enteramente en forma líquida, a una presión después de la expansión dada, las composiciones de las fracciones líquida y de vapor así como la temperatura del sistema se fijan y pueden predecirse por medio de cálculos (modelo termodinámico y método de determinación de la composición de gases en el equilibrio líquido/vapor) bien conocidos por el especialista en la técnica.

Al concluir la etapa de expansión, El efluente procedente del reactor está constituido por una fracción de vapor y por una fracción líquida que se separan en lo que el especialista en la técnica llama un tambor de evaporación que es un recipiente que asegura el desacoplamiento por gravedad de las gotas de líquido del flujo de vapor ascendente.

En el esquema de procedimiento actual tal como se describe en la solicitud de patente EP-A1-1 352 893, los efluentes de los primer y segundo reactores se expanden a una presión muy reducida, respectivamente 0, 25 y 0, 15 MPa absolutos, para maximizar la cantidad de metanol vaporizada. Este metanol en forma de vapor, para reciclarlo a los reactores que trabajan en fase líquida debe condensarse obligatoriamente. Ahora bien, es bien sabido por el especialista en la técnica que la temperatura de cambio de estado de un cuerpo depende de la presión a la que se realiza esta operación. Cuanto menor sea la presión, a menor temperatura se realizará la condensación. De este modo, a 0, 2 MPa absolutos, la temperatura de condensación del metanol puro es de 83ºC. Al contrario que la vaporización, la condensación permitirá intercambiar una cantidad de energía correspondiente a la entalpía de paso del estado de vapor al estado líquido del metanol. Esta energía es transferida a un fluido llamado frío, generalmente agua de refrigeración, en un intercambiador de calor.

Durante esta etapa, el calor latente necesario para el cambio de estado del metanol se convierte en calor sensible del fluido frío. De ello resulta un aumento de la temperatura del agua de refrigeración que es, a su vez refrigerada en un sistema dedicado. La energía transmitida a este fluido se considera, por lo tanto, como perdida por el procedimiento.

La sucesión de las etapas de reacción con un gran exceso de metanol a niveles de temperaturas elevadas y de las etapas de vaporización del metanol en exceso que a continuación debe condensarse para reciclarlo mediante un tambor acumulador de reciclado consume bastante energía, y es, por lo tanto, perjudicial para la rentabilidad del procedimiento.

Parece interesante modificar el esquema de procedimiento actual para limitar las pérdidas de energía y mejorar el balance energético global, particularmente utilizando esta cantidad de calor disponible vinculada al cambio de estado del metanol para calentar un flujo del procedimiento al tiempo que se mejora el esquema de circulación de agua que interviene en el procedimiento.

Resumen de la invención

La presente invención propone un procedimiento de fabricación de ésteres metílicos a partir de aceites vegetales o animales y de metanol en el que las etapas de expansión del efluente procedente del o de los reactor (es) se realizan de forma escalonada en al menos dos fases sucesivas, con al menos dos niveles de presión diferentes.

Descripción de los dibujos

La figura 1 da una representación esquemática de una parte del procedimiento Esterfip-HTM tal como se describe en la solicitud de patente EP-A-1 352 893.

La figura 2 da una representación esquemática del procedimiento de acuerdo con una realización de la presente invención que comprende la integración térmica, en el que la energía se utiliza para el precalentamiento del aceite antes de su mezcla con metanol

Descripción detallada de la invención.

El procedimiento de acuerdo con la presente invención es un procedimiento de producción de ésteres metílicos de ácido graso y de glicerina de alta pureza, que emplea al menos una reacción de transesterificación entre un aceite vegetal o animal y metanol, en presencia de un catalizador sólido heterogéneo, que comprende sucesivamente

1. Procedimiento de producción de ésteres metílicos de ácido graso y de glicerina de alta pureza, que emplea al menos una reacción de transesterificación entre un aceite vegetal o animal y metanol, en presencia de un catalizador sólido heterogéneo, que comprende sucesivamente

- al menos una etapa de transesterificación durante la cual se mezcla el aceite vegetal o animal con un exceso de metanol en un reactor que contiene un lecho fijo del catalizador,

- al menos una etapa de expansión del efluente procedente del reactor, seguida de una etapa de separación, al concluir la cual se obtiene una fase rica en metanol y una fase pobre en metanol,

- al menos una etapa de concentración del metanol contenido en la fase rica,

- al menos una etapa de decantación de la fase pobre en metanol para separar la glicerina de la fase superior rica en éster metílico,

estando dicho procedimiento caracterizado por que dicha etapa de expansión y de separación del metanol es escalonada y se realiza en al menos dos fases:

a) una primera fase de expansión del efluente obtenido a la salida del reactor que se realiza a un nivel de presión de al menos 0, 5 MPa, que permite obtener una primera fracción de metanol en forma de vapor y una fracción líquida que contiene metanol no evaporado, ésteres metílicos, glicerol y triglicéridos parcialmente convertidos, estando dicha primera fase de expansión y separación seguida por una etapa de condensación de dicha fracción de metanol en forma de vapor a una fracción de metanol líquido a una temperatura de al menos 111ºC, que libera una cantidad de energía Q, siendo la fracción de metanol líquido obtenido enviada directamente a un tambor acumulador de reciclado, utilizándose dicha cantidad Q para calentar al menos uno de los flujos del procedimiento,

b) una segunda fase de expansión con un nivel de presión inferior al de la etapa a) de la fracción líquida que contiene el metanol no evaporado, ésteres metílicos, glicerol y triglicéridos parcialmente convertidos, que permite obtener una segunda fracción de metanol en forma de vapor, siendo al menos una parte de esta segunda fracción enviada al tambor acumulador de reciclado después de haberse sometido a una etapa de condensación, siendo la otra parte de dicha segunda fracción enviada a la etapa de concentración del metanol.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la primera fracción de metanol en forma de vapor obtenida después de la primera fase de expansión contiene menos de 1000 ppm de agua.

3. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que dicha segunda fracción obtenida en la etapa b) y enviada a la etapa de concentración del metanol se somete a una etapa de condensación al concluir la cual se obtiene una fracción líquida que comprende una mezcla de metanol y de agua, antes de enviarla a la etapa de concentración del metanol.

4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 3, en el que las dos etapas de condensación realizadas en la etapa b) , respectivamente de la fracción a enviar al tambor acumulador de reciclado y de la fracción a enviar a la etapa de concentración del metanol pueden realizarse juntas o por separado.

5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, en el que las etapas de condensación realizadas en las dos partes de la segunda fracción se realizan juntas, sometiéndose la totalidad de la fracción del metanol en forma de vapor obtenida después de la segunda fase de expansión de la etapa b) a una etapa de condensación, antes de separarla en dos fracciones, siendo una enviada al tambor acumulador de reciclado y la otra a la etapa de concentración del metanol.

6. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que dicha cantidad de energía correspondiente a la entalpía de paso del estado de vapor al estado líquido de la condensación que sigue a la primera fase de expansión del efluente procedente del reactor de transesterificación se utiliza para precalentar el flujo de aceite previamente a la mezcla con el metanol antes de la entrada en el reactor de transesterificación.

7. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que dicha cantidad de energía Q se utiliza para precalentar el flujo de metanol de reciclado antes de que éste se mezcle con el aceite pretratado aguas arriba de la entrada del reactor de transesterificación.

8. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que dicha cantidad de energía Q se utiliza para calentar el flujo constituido por la mezcla de aceite y de metanol que entra en el reactor de transesterificación.

9. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que se emplean dos etapas de

reacción sucesivas, mezclándose la fase rica en ésteres metílicos obtenida después de la etapa de decantación con metanol antes de enviarla a un segundo reactor de transesterificación.

10. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9, en el que la cantidad de energía procedente de la

condensación del metanol a la salida del primer y/o del segundo reactor se utiliza para precalentar uno de los efluentes 5 que entra en el primer y/o el segundo reactor.

11. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 9 ó 10, en el que dicha cantidad de energía procedente de la condensación del metanol a la salida del primer y/o del segundo reactor se utiliza para precalentar el flujo de metanol antes de que se mezcle con la fase éster aguas arriba de la entrada del segundo reactor.

12. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 9 ó 10, en el que la cantidad de energía procedente

de la condensación del metanol a la salida del primer y/o del segundo reactor se utiliza para precalentar la fase éster aguas arriba de la entrada del segundo reactor, previamente a la introducción de metanol.

13. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 9 ó 10, en el que dicha cantidad de energía procedente de la condensación del metanol a la salida del primer y/o del segundo reactor se utiliza para precalentar directamente el flujo constituido por la mezcla de la fase éster y de metanol que entra en el segundo reactor de

transesterificación.

14. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que la reacción de transesterificación tiene lugar a una temperatura comprendida entre 140 y 230ºC, una presión comprendida entre 2 y 7 MPa y una velocidad volúmica horaria comprendida entre 0, 5 y 1, 5 h-1.