DE102008048009A1

DE102008048009A1 - Vorrichtung zur dezentralen Aufbereitung nativer Öle und Fette zur Nutzung als Kraftstoff oder als Rohstoff für die Biodieselherstellung

Info

Publication number: DE102008048009A1
Application number: DE200810048009
Authority: DE
Inventors: Oliver Dr. Falk
Original assignee: RMENERGY UMWELTVERFAHRENSTECHN; RMENERGY UMWELTVERFAHRENSTECHNIK GmbH
Current assignee: RMENERGY UMWELTVERFAHRENSTECHN; RMENERGY UMWELTVERFAHRENSTECHNIK GmbH
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2010-03-25

Abstract

Vorrichtung zur dezentralen Aufbereitung nativer Öle und Fette zur Nutzung als Kraftstoff oder als Rohstoff für die Biodieselherstellung, umfassend:
– Drei (Reaktions-) Behälter, C1, C2 und C3
– Drei Reaktionsausgangsstoff-Eingabeanordnungen zur Eingabe von Reaktionsausgangsstoffen in die Behälter C1 und C2 von Unten und wasserhaltigen Reaktionsendstoff in den Behälter C3 von Oben.
– Zwei Reaktionshilfsstoff-Eingabeanordnungen zur Zugabe von Reaktionshilfsstoffen (Säure, Lauge, Wasser) in die Behälter C1 und C2.
– Zwei Reaktionszwischenerzeugnis-Entnahmeanordnungen zur Entnahme von Reaktionszwischenerzeugnissen aus den Behältern C1 und C2
wobei die Reaktionszwischenerzeugnis-Entnahmeanordnungen auch der Reaktionsausgangsstoff-Eingabeanordnungen entsprechen können.
– Eine Reaktionsenderzeugnis-Entnahmeanordnung zur Entnahme von aufbereiteten Öl/Fett am Ende eines Reaktionszyklus.
– Zwei Heizanordnungen zum Erwärmen von in den Reaktionsbehältern C1 und C3 enthaltenen Substanzen,
– Eine Unterdruckerzeugungsanordnung zur Erzeugung eines Unterdrucks in dem Behälter C3,
wobei zur Entnahme von wässrigen Reaktionsnebenstoffen durch Abdampfen die zweite Heizanordnung (für Behälter C3) und die...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dezentralen Aufbereitung nativer Öle und Fette, beispielsweise Raps- oder Sonnenblumenöl zur Nutzung als Kraftstoff oder als Rohstoff für die Biodieselherstellung.
Biokraftstoffe gewinnen deutschland-, europa- und auch weltweit immer mehr an Bedeutung. So wurden zum Beispiel 2006 in Deutschland bereits 6,3% des gesamten Kraftstoffaufkommens durch Biokraftstoffe gedeckt. Den größten Anteil hat hierbei Biodiesel (61,6%) und Pflanzenöl als Kraftstoff (26,6%).
Bei Biodiesel wird natives Öl/Fett durch den chemischen Prozess der Umesterung zu Fettsäuremethylester umgewandelt. Die Kraftstoffeigenschaften werden dabei derart modifiziert, dass ein Einsatz im Dieselmotor möglich wird. Wenn man Pflanzenöl direkt als Kraftstoff einsetzen will, müssen umfangreiche Umbaumaßnahmen am Motor durchgeführt werden. Bei beiden Varianten ist die Einhaltung der jeweiligen Kraftstoffnorm (DIN EN 14214 für Biodiesel, E DIN 51606 für Rapsöl als Kraftstoff) zwingend notwendig, um überhaupt als Biokraftstoff eingestuft zu werden (vgl. §50 Abs. 4 Energiesteuergesetz) und um Probleme beim motorischen Betrieb zu vermeiden.
Für die Herstellung von Biodiesel steht prinzipiell eine große Vielfalt an Pflanzenölen, tierischen Fetten oder Altspeisefetten als Rohstoff zur Verfügung. Gerade in den günstigeren Ölqualitäten finden sich allerdings oft Störstoffe, die durch chemische Nebenreaktionen das Ergebnis der Umesterung signifikant verschlechtern. So führt das Vorhandensein von freien Fettsäuren und Wasser zur Bildung von Seifen mit den eingesetzten Katalysatoren, die Trennprozesse während der Biodieselherstellung durch Emulsionsbildung behindern und so zu schlechteren Gesamtausbeuten, schlechteren Umesterungsgraden und erhöhten Natrium- bzw. Kaliumgehalten im fertigen Biodiesel führen. Ab einem Gehalt an freien Fettsäuren von ca. 2,5–3% bzw. einem Wassergehalt von 0,2% ist die Umesterungsreaktion technisch und wirtschaftlich sinnvoll nicht mehr durchführbar. Erhöhte Phosphorgehalte (z. B. Lecithine) im Öl wirken sich durch ihre emulgierende Wirkung ebenfalls störend auf die Trennprozesse während der Biodieselherstellung aus und führen zu ähnlichen Problemen. Störungen können bereits ab Phosphorgehalten > 30 mg/kg auftreten. Erhöhte Calcium- und Magnesiumwerte im Öl wirken sich zwar nicht störend auf den Herstel lungsprozess aus, werden aber in annähernd gleicher Konzentration im fertigen Biodiesel gefunden, falls nicht zusätzliche teure Reinigungsverfahren angewendet werden. Da in der Biodieselnorm diese Ionen limitiert sind, drohen Grenzwertverletzungen mit den bekannten Folgen (Motorprobleme, keine Einstufung als Biokraftstoff).
Falls Rapsöl direkt als Kraftstoff nach E DIN 51606 verwendet werden soll, müssen u. a. strenge Grenzwerte für Phosphor, Calcium, Magnesium, Säurezahl und Wassergehalt eingehalten werde. Gerade bei dezentral in kleineren Ölmühlen produzierten Ölen, hat die Praxis gezeigt, dass sehr oft mindestens einer der Grenzwerte überschritten wird. Die entsprechende Ölcharge kann dann nicht mehr als Biokraftstoff vermarktet werden.
Insbesondere bei dezentralen (Produktionskapazitäten bis 25 tSaat/d bei regionaler Herkunft der Saat) Ölmühlen oder Biodieselanlage gab es bis jetzt keine Möglichkeit zur Verbesserung der oben genannten Parameter. Mit der Erfindung wird erstmals ein Verfahren beschrieben, mit dem im dezentralen Bereich wirtschaftlich sinnvoll Öl/Fett gleichzeitig in den Parametern Phosphor, Calcium, Magnesium, Säurezahl und Wassergehalt auf die geforderten Qualitäten aufbereitet werden kann.
Stand der Technik:
Aus der Fettchemie sind verschiedene Verfahren zur Reduzierung des Phosphor- und damit parallel des Calcium/Magnesiumgehaltes (Entschleimung) und des Gehaltes an freien Fettsäuren (Entsäuerung) bekannt.
Entschleimung:
Es werden Verfahren bzw. Vorrichtungen beschrieben, die durch Zugabe und Mischen von Wasser in das Öl/Fett bei höheren Temperaturen (35–90°C) die wasserlöslichen Phospholipide auswaschen (vgl. EP0473985B1 , EP0507363A1 , EP0269277A2 ). Die Phospholipide liegen dann gelöst in einer schwereren Wasserphase vor und können über Schwerkraft/Zentrifugen abgetrennt werden. Auch die Entfernung von wasserunlöslichen Phospholipiden wird beschrieben. Hierbei werden durch Zugabe und Mischen von einer wässrigen organischen oder anorganischen Säure (meist Zitronensäure oder Phosphorsäure) die Phospholipide dahingehend verändert, dass sie wasserlöslich und somit über Schwerkraft/Zentrifugen abtrennbar werden. Bei dieser sauren Entschleimung wird auch von signifikanter Reduzierung der Gehalte an Calcium und Magnesium berichtet. Zur Entfernung/Neutralisierung der zugegebenen Säure wird teilweise vor der Abtrennung eine äquivalente (stöchiometrische oder leicht überstöchiometrische) Menge an wässriger Lauge zugegeben. Nach erfolgter Abtrennung der Schleimstoffe wird bei verschiedenen Verfahren bzw. Vorrichtungen mit Wasser gewaschen um das Öl von Resten an Schleim, Säure, Lauge oder Salzen zu reinigen. Das Waschwasser wird wiederum mittels Schwerkraftabscheidung/Zentrifugen abgetrennt. In allen beschrieben Verfahren bzw. Vorrichtungen wird die Abtrennung der Schleimstoffe und des Waschwassers in jeweils einem eigenen Schwerkraftabscheider/Zentrifuge durchgeführt.
Entsäuerung:
Es werden Verfahren bzw. Vorrichtungen beschrieben, die durch Zugabe und Mischen von wässriger Lauge (meist Natronlauge) in das Öl/Fett bei höheren Temperaturen (35–90°C) die freien Fettsäuren neutralisieren. Die entstehenden Seifen (Salze aus Lauge und Fettsäure) werden über Schwerkraft/Zentrifugen abgetrennt. Nach erfolgter Abtrennung der Seifen und des Wassers („Soapstock”) wird bei verschiedenen Verfahren bzw. Vorrichtungen mit Wasser gewaschen um das Öl von Resten an Seife zu reinigen. Das Waschwasser wird wiederum mittels Schwerkraftabscheidung/Zentrifugen abgetrennt. In allen beschrieben Verfahren bzw. Vorrichtungen wird die Abtrennung des Soapstocks und des Waschwassers in jeweils einem eigenen Schwerkraftabscheider/Zentrifuge durchgeführt.
Kombinierte Verfahren bzw. Vorrichtungen zur Entschleimung und Entsäuerung:
Soll ein Öl entschleimt und entsäuert werden, so werden in der Regel die oben beschriebenen Verfahren bzw. Vorrichtungen hintereinander kombiniert. D. h. es werden normalerweise drei, mindestens jedoch zwei Separatoren benötigt. Ein Verfahren beschreibt eine Entschleimung mit direkt angeschlossener Entsäuerung ohne vorhergehende Abtrennung der Schleimstoffe. Doch auch bei diesem Verfahren werden zwei Separatoren eingesetzt (Abtrennung Soapstock, Abtrennung Waschwasser).
Nachteile der bestehenden Verfahren bzw. Vorrichtungen:
Bei den bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen handelt es sich entweder um kontinuierlich oder semikontinuierlich mit mindestens zwei Separatoren arbeitende Systeme. Im kontinuierlichen Betrieb wird (auf Grund der minimalen Baugröße von Separatoren) ein für dezentrale Bedürfnisse viel zu hoher Durchsatz (min. 60 Tonnen pro Tag) vorgegeben. Hohe An- und Abfahrverluste machen einen Betrieb solcher Anlagen in Teillast nicht wirtschaftlich.
Bedingt durch die hohen Investitionskosten in die (2–3) Separatoren (+ Steuerung und Peripherie) können solche Verfahren bzw. Vorrichtungen nur mit einer Kostenstruktur angeboten werden, die für eine Anwendung im dezentralen Bereich (Ölmühlen, Biodieselanlagen mit Kapazitäten bis zu 20 Tonnen pro Tag) uninteressant ist.
Problemlösung durch die Erfindung:
Ziel der Erfindung einer Vorrichtung zur dezentralen Aufbereitung nativer Öle und Fette war es, dezentral arbeitenden Ölmühlen oder Biodieselanlagen erstmals die Möglichkeit zu geben, wirtschaftlich sinnvoll eine Teilraffination durchzuführen, um die geforderten Qualitäten zu erreichen.
Dazu wurde durch intelligentes Prozessdesign von Anfang an auf die Reduzierung benötigter Anlagenteile unter Optimierung der Kapazitäten auf dezentrale Größenordnungen gesetzt.
Durch Zusammenlegung der Reaktionsschritte Entschleimung und Entsäuerung in ein Reaktionsgefäß ohne zwischenzeitliche Abtrennung der Schleimstoffe, kann ein Reaktor eingespart werden, ohne Abstriche in der Leistungsfähigkeit solch einer Anlage hinnehmen zu müssen (gilt bis zu einem Gehalt an freien Fettsäuren von 5%). Zur Abtrennung des Soapstocks und des Waschwassers wird derselbe Separator im Chargenbetrieb verwendet. Bei der Waschwasserabtrennung kann dabei die gleiche Trennleistung unter nur unwesentlich höheren Produktverlusten (< 0,5%) erzielt werden. Durch diese Maßnahmen können die kalkulierten Herstellungskosten um fast 50% gesenkt werden.
1 zeigt ein Verfahrensschema der Erfindung.
In den Reaktor C1 wird eine definierte, über Wärmetauscher auf definierte Temperatur (beispielsweise 70–95°C) gebrachte Menge Rohöl (beispielsweise 1000–4000 kg) vorgelegt. Mittels Dosierpumpe wird eine definierte Menge (beispielsweise 3–5 %) wässriger Säure (beispielsweise 10%ige Citronensäure) zudosiert und für 0,5–1,0 h turbulent mit dem Öl vermischt.
Im Anschluss wird mittels Dosierpumpe eine äquivalente Menge Lauge (beispielsweise wässrige Natronlauge bzw. Kalilauge) dem Öl in den Reaktor C1 oder in die Leitung zum Separator S1 vor der Pumpe P4 zugegeben und kurz (beispielsweise 30 Minuten) eingemischt. Die Menge der Lauge errechnet sich aus der stöchiometrisch zur Neutralisation der vorher eingesetzten Säuremenge benötigten Lauge und der stöchiometrisch zur Neutralisation der ursprünglich im Öl enthaltenen Menge freier Fettsäuren benötigten Lauge. Auf die Summe der Laugenmenge wird ferner ein Aufschlag von beispielsweise 5–10% kalkuliert, um eine vollständige Entsäuerung in kurzer Zeit zu erreichen.
Das dermaßen behandelte Öl wird in einen geeigneten Separator gefördert, der eine kontinuierliche Abtrennung der in der wässrigen Phase gelösten und suspendierten Schleimstoffe sowie des Soapstocks vornimmt und gleichzeitig die leichte Phase – gereinigtes Öl – in den Reaktor C2 pumpt.
Zur Entfernung von Schleimstoff- und Seifenresten wird das vorgereinigte Öl im Reaktor C2 gewaschen, indem es turbulent über einen Zeitraum von beispielsweise 10–60 Minuten mit 3–6% Wasser gemischt wird.
Das so behandelte Öl wir zum selben Separator gefördert, der eine kontinuierliche Abtrennung der wässrigen Phase (gelöste Schleimstoff- und Soapstock-Reste) vornimmt und gleichzeitig die leichte Phase gereinigtes Öl über einen Wärmetauscher in den Reaktor C3 pumpt.
Im Reaktor C3 wird mittels Vakuumdestillation bei Temperaturen von beispielsweise 80–110°C und Drücken von beispielsweise 70–300 mbar_abs Restwasser aus dem entschleimten und entsäuerten Öl entfernt.
Das gereinigte Öl kann nunmehr im Gegenstrom zum Rohöl (Befüllung C1) über einen Wärmetauscher in den Vorratstank gepumpt werden.
Durch intelligente Steuerung können die Prozesse in den Reaktoren C1–C3 parallel laufen. So wird die Gesamtkapazität mehr als verdoppelt. Die Reaktoren und sonstigen Komponenten des Verfahrens können so ausgelegt werden, dass die gesamte Vorrichtung beispielsweise in einen 40 ft. Container Platz findet. Somit ist eine Vormontage im Werk möglich und die Inbetriebnahmezeiten beim Kunden reduzieren sich auf ein Minimum.

In Versuchen konnte gezeigt werden, dass durch das beschrieben Verfahren Öle mit Phosphorgehalten bis 200 mg/kg, Erdalkaligehalten (Calcium und Magnesium) bis 61,9 mg/kg und Säurezahlen bis zu 8,8 mgKOH/g (entspricht 4,4% freie Fettsäuren bezogen auf Ölsäure) auf Werte innerhalb der Rapsölkraftstoffnorm E DIN 51605 aufgereinigt werden können. Versuchsergebnisse Ölaufbereitung:

Prüfparameter Öl	Erfindung RMEnergy
Prüfparameter Öl	Vor Behandlung	Nach Behandlung	Grenzwert DIN 51605
Saürezahl	9 mgKOH/g	< 0,5 mgKOH/g	2,0 mgKOH/g
Phosphorgehalt	bis 200 mg/kg	< 11 mg/kg	12 mg/kg
Erdalkaligehalt [Ca + Mg]	bis 61,9 mg/kg	< 7 mg/kg	20 mg/kg
Wassergehalt	> 750 mg/kg	< 500 mg/kg	750 mg/kg

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 0473985 B1 [0008]
- EP 0507363 A1 [0008]
- EP 0269277 A2 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN EN 14214 [0003]
- E DIN 51606 [0003]
- E DIN 51606 [0005]
- E DIN 51605 [0025]
- DIN 51605 [0025]

Claims

Vorrichtung zur dezentralen Aufbereitung nativer Öle und Fette zur Nutzung als Kraftstoff oder als Rohstoff für die Biodieselherstellung, umfassend: – Drei (Reaktions-) Behälter, C1, C2 und C3 – Drei Reaktionsausgangsstoff-Eingabeanordnungen zur Eingabe von Reaktionsausgangsstoffen in die Behälter C1 und C2 von Unten und wasserhaltigen Reaktionsendstoff in den Behälter C3 von Oben. – Zwei Reaktionshilfsstoff-Eingabeanordnungen zur Zugabe von Reaktionshilfsstoffen (Säure, Lauge, Wasser) in die Behälter C1 und C2. – Zwei Reaktionszwischenerzeugnis-Entnahmeanordnungen zur Entnahme von Reaktionszwischenerzeugnissen aus den Behältern C1 und C2 wobei die Reaktionszwischenerzeugnis-Entnahmeanordnungen auch der Reaktionsausgangsstoff-Eingabeanordnungen entsprechen können. – Eine Reaktionsenderzeugnis-Entnahmeanordnung zur Entnahme von aufbereiteten Öl/Fett am Ende eines Reaktionszyklus. – Zwei Heizanordnungen zum Erwärmen von in den Reaktionsbehältern C1 und C3 enthaltenen Substanzen, – Eine Unterdruckerzeugungsanordnung zur Erzeugung eines Unterdrucks in dem Behälter C3, wobei zur Entnahme von wässrigen Reaktionsnebenstoffen durch Abdampfen die zweite Heizanordnung (für Behälter C3) und die Unterdruckerzeugungsanordnung zumindest phasenweise gleichzeitig in Betreib gesetzt sind. – Eine Tellerzentrifuge (Separator) S1.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass je eine Vorrichtung zum Mischen von in den Reaktionsbehältern C1 und C2 enthaltenen Substanzen vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungen zum Mischen von in den Reaktionsbehältern C1 und C2 enthaltenen Substanzen als externe statische Mischer oder als behälterinterne Rühreinrichtungen ausgebildet sein können.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizanordnungen alternativ als externe Durchlauferhitzer oder als Behältermantelheizung ausgeführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsbehälter C1, C2 und C3 in ihrem unteren Bereich durch Ventilanordnungen verschließbare Eingabe/Entnahme-Öffnungsanordnungen aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Ventilanordnung am Reaktionsbehälter C1 die Eingabe/Entnahme-Öffnungsanordnung wahlweise mit einem Speicherbehälter für Öl/Fett oder/und einer Pumpe zum externen Umwälzen oder/und der Zentrifuge S1 in Verbindung bringbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Ventilanordnung am Reaktionsbehälter C2 die Eingabe/Entnahme-Öffnungsanordnung wahlweise mit einer Pumpe zum externen Umwälzen oder/und der Zentrifuge S1 in Verbindung bringbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Ventilanordnung am Reaktionsbehälter C3 die Eingabe/Entnahme-Öffnungsanordnung mit einer Pumpe und somit mit einem Speicherbehälter für gereinigtes Öl/Fett in Verbindung bringbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen Speicherbehälter für Säure, von welchen über eine Pumpe und eine zweite Ventilanordnung, Säure in den Reaktionsbehälter C1 oder/und in die Leitung vor der Pumpe P4 einleitbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen Speicherbehälter für Lauge, von welchen über eine Pumpe und eine dritte Ventilanordnung, Lauge in den Reaktionsbehälter C1 oder/und in die Leitung vor der Pumpe P4 einleitbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Speicherbehälter für Wasser oder einen Wasserversorgungsanschluss Wasser über eine dritte Ventilanordnung in den Reaktionsbehälter C2 oder/und in die Leitung vor der Pumpe P9 einleitbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kondensatoranordnung vorgesehen ist zum Anscheiden von bei Unterdruckerzeugung aus dem Behälter C3 abgezogenen Substanzen, vorzugsweise Wasser.