專(zhuān)利名稱：纖維素類(lèi)生物質(zhì)連續(xù)水解的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到生物質(zhì)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種纖維素類(lèi)生物質(zhì)連續(xù)水解的方 法以及裝置。
背景技術(shù)：
隨著大量化石燃料能源的不斷消耗帶來(lái)的能源危機(jī)和環(huán)境壓力，開(kāi)發(fā)可再 生能源已經(jīng)日益受到人們的重視。在眾多新能源中，生物質(zhì)能研究已經(jīng)成為可 再生能源研究的熱點(diǎn)。生物質(zhì)是一種可再生清潔能源資源，通過(guò)木質(zhì)纖維素類(lèi) 生物質(zhì)水解來(lái)制取燃料乙醇來(lái)代替部分化石燃料，緩解石油危機(jī)的有效方法之
木質(zhì)纖維素類(lèi)生物質(zhì)作為最有前景的燃料乙醇生產(chǎn)原料，其生產(chǎn)工藝包括 水解生成可發(fā)酵糖，糖發(fā)酵為乙醇以及乙醇的脫水提純。其中的難點(diǎn)在于水解 生產(chǎn)可發(fā)酵糖，木質(zhì)纖維素類(lèi)生物質(zhì)水解的方法有酸水解和酶水解法，其中的 超低酸水解方法日益受到重視。
酸水解反應(yīng)器的研究對(duì)于酸水解技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用具有重要推動(dòng)作用。
1932年德國(guó)開(kāi)發(fā)出稀酸浸濾工藝，即Scholler process,該裝置很簡(jiǎn)單，只是 將稀酸溶液泵入木片床；二戰(zhàn)中，美國(guó)林產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室(FPL)改進(jìn)了 Scholler process, 產(chǎn)生Madison wood sugar process工藝，生產(chǎn)能力大巾邑度提高，后 經(jīng)過(guò)TVA等的多次改進(jìn)，1952年出臺(tái)T稀酸水解滲濾床反應(yīng)器(percolation reactor),目前仍是生物質(zhì)糖化最簡(jiǎn)單的方法之一，且成為發(fā)明新方法的基準(zhǔn)。 20世紀(jì)70年代后期至80年代前期，有關(guān)稀酸水解系統(tǒng)的模型和實(shí)驗(yàn)研究 成為熱點(diǎn)，通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型研究及工藝設(shè)計(jì)實(shí)踐，研究者認(rèn)識(shí)到高的固體濃度， 固液的逆向流動(dòng)以及短的停留時(shí)間是提高糖得率的關(guān)鍵；1983年由Stmson提 出二階段稀酸水解工藝，其原理是依據(jù)半纖維素和纖維素的水解條件不同，以 不同的反應(yīng)條件分開(kāi)水解；近十年來(lái)研究熱點(diǎn)在于開(kāi)發(fā)新的反應(yīng)器及其理論模 型以提高稀酸水解產(chǎn)率；尋求新的水解工藝，如超低濃度酸的水解，有機(jī)酸水 解等；對(duì)影響因素及水解機(jī)理更加深入的研究。新型反應(yīng)器主要有逆流水解，
收縮床水解，交叉流水解及其組合等。
國(guó)內(nèi)有關(guān)纖維素類(lèi)生物質(zhì)水解反應(yīng)器研究的專(zhuān)利主要有CN1624076A生物 質(zhì)超低酸水解制取液體燃料裝置，ZL200720054772. 9纖維素類(lèi)生物質(zhì)水解裝置， CN1927874A生物質(zhì)連續(xù)稀酸催化水解制取單糖的方法及其裝置。前兩個(gè)專(zhuān)利是 超低酸水解間歇反應(yīng)器及壓縮滲濾裝置，只能實(shí)現(xiàn)間歇的反應(yīng)和半連續(xù)反應(yīng)， 效率低，很難用于工程應(yīng)用；第三個(gè)專(zhuān)利實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)一步法的連續(xù)稀酸催化 水解，因生物質(zhì)的酸水解，是連串反應(yīng)，糖類(lèi)是中間產(chǎn)物，采用一步法水解， 很難控制糖類(lèi)產(chǎn)物的進(jìn)一步降解，影響水解的效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以實(shí)現(xiàn)纖維素類(lèi)生物質(zhì)的兩步連續(xù)水解的方 法及其裝置，以提高反應(yīng)糖得率，并有利于產(chǎn)物的分別收集利用，為其工業(yè)化 實(shí)施作鋪墊。
為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采取了以下的技術(shù)方案纖維素類(lèi)生物質(zhì)連續(xù)水 解的方法，包括如下步驟
(1) 將混有水分的固體生物質(zhì)物料輸送到內(nèi)設(shè)有變螺距螺旋推動(dòng)桿的臥式 平推流反應(yīng)器中；
(2) 同時(shí)將超低酸或高溫液態(tài)水的反應(yīng)液輸入到臥式平推流反應(yīng)器中，固 體生物質(zhì)物料與反應(yīng)液的混合物在變螺距螺旋推動(dòng)桿的推動(dòng)下前進(jìn)；
(3) 上述混合物在臥式平推流反應(yīng)器中在180-22(TC， 3.0-4. 0MPa的條件下
發(fā)生反應(yīng)，然后通過(guò)變螺距壓榨實(shí)現(xiàn)固液分離；
(4) 固體殘?jiān)斎氲酱怪蹦媪鞔?，通過(guò)垂直逆流反應(yīng)器內(nèi)的等螺距立式螺 旋推動(dòng)桿向上輸送，同時(shí)從垂直逆流反應(yīng)器的上方輸入超低酸反應(yīng)液，實(shí)現(xiàn) 逆流反應(yīng)；
(5) 最后在垂直逆流反應(yīng)器的上部收集固體殘?jiān)?，下部收集纖維素水解液。 該固休生物質(zhì)物料為半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的混合物。 包括有連續(xù)進(jìn)料氣鎖系統(tǒng)、臥式平推流反應(yīng)器、垂直逆流反應(yīng)器，所述臥
式平推流反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有變螺距螺旋推動(dòng)桿，其包括進(jìn)料段、主反應(yīng)段和壓榨段， 該進(jìn)料段與所述連續(xù)進(jìn)料氣鎖系統(tǒng)連通，在壓榨段后的臥式平推流反應(yīng)器的一 端上連接有殘?jiān)斔脱b置，該殘?jiān)斔脱b置另一端與所述垂直逆流反應(yīng)器連通。 所述垂直逆流反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有等螺距立式螺旋推動(dòng)桿，在該反應(yīng)器頂部設(shè)有
反應(yīng)液噴頭。
所述連續(xù)進(jìn)料氣鎖系統(tǒng)和臥式平推流反應(yīng)器之間通過(guò)原料預(yù)混裝置連通， 還包括有與所述壓搾段連接的液體產(chǎn)物收集器。液體產(chǎn)物收集器用于將反應(yīng)后 的液體產(chǎn)物收集，使得固體殘?jiān)芨奖?、更充分地進(jìn)入到后續(xù)裝置中。
在所述壓榨段和液體產(chǎn)物收集器之間連接有冷卻裝置。冷卻裝置的設(shè)置可 用于迅速降溫，終止反應(yīng)。
所述垂直逆流反應(yīng)器上端設(shè)有反應(yīng)殘?jiān)占骷芭c其連通的殘?jiān)隽涎b 置。殘?jiān)隽涎b置用于將最后反應(yīng)階段的反應(yīng)殘?jiān)锸占?br> 在所述臥式平推流反應(yīng)器和垂直逆流反應(yīng)器外層設(shè)有保溫層。保溫層的設(shè) 置能保證反應(yīng)器的恒定反應(yīng)溫度。
所述殘?jiān)斔脱b置、殘?jiān)隽涎b置的螺旋葉片采用鋸齒葉片。鋸齒葉片有
很好的攪拌和松散作用，利于物料在反應(yīng)器中反應(yīng)的均勻性。
纖維素類(lèi)生物質(zhì)連續(xù)水解方法通過(guò)把生物質(zhì)屮的半纖維素和纖維素在不同
條件下分別連續(xù)水解來(lái)提高反應(yīng)的糖得率。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)
1、 采用兩歩水解法，把生物質(zhì)中的半纖維素和纖維素在不同條件下分別連 續(xù)水解，避免了水解產(chǎn)物的進(jìn) -步降解，提卨了水解效果。
2、 采用平推流反應(yīng)器水解半纖維素，其水解過(guò)程及結(jié)果均優(yōu)于傳統(tǒng)的罐式 攪拌反應(yīng)器。纖維素在垂直逆流反應(yīng)器中水解，處理效果好于并流反應(yīng)器。
3、 整個(gè)纖維素類(lèi)生物質(zhì)連續(xù)水解裝置包括了給料系統(tǒng)、生物質(zhì)水解反應(yīng)系 統(tǒng)和產(chǎn)物收集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了真正的連續(xù)操作。


圖1為纖維素類(lèi)生物質(zhì)連續(xù)水解裝置示意圖； 圖2變螺距螺旋推動(dòng)桿示意附圖標(biāo)記說(shuō)明1、連續(xù)進(jìn)料氣鎖系統(tǒng)，2、臥式平推流反應(yīng)器，3、垂直逆 流反應(yīng)器，4、液體產(chǎn)物收集器，5、反應(yīng)殘?jiān)占鳎?、殘?jiān)斔脱b置，7、 反應(yīng)液噴頭，8、原料預(yù)混裝置，9、保溫層，10、冷卻裝置，11、等螺距立式 螺旋推動(dòng)桿，12、殘?jiān)隽涎b置，13、變螺距螺旋推動(dòng)桿，14、纖維素水解液收集器。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施例
如圖1所示，本實(shí)施例裝置包括連續(xù)水解裝置由給料系統(tǒng)、生物質(zhì)水解反 應(yīng)系統(tǒng)和產(chǎn)物收集系統(tǒng)組成，其中給料系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)球形氣鎖裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)向高
溫高壓進(jìn)料；反應(yīng)系統(tǒng)包括半纖維素水解的平推流反應(yīng)器和纖維素水解的垂直 逆流反應(yīng)器；產(chǎn)物收集系統(tǒng)包括液體產(chǎn)物和固體殘?jiān)氖占?br> 具體包括有，連續(xù)進(jìn)料氣鎖系統(tǒng)l、臥式平推流反應(yīng)器2、垂直逆流反應(yīng)器
3。臥式平推流反應(yīng)器2內(nèi)為變螺距螺旋推動(dòng)桿13，包括進(jìn)料段A、主反應(yīng)段B 和壓榨段C。在進(jìn)料段A設(shè)有反應(yīng)物進(jìn)料口，與連續(xù)進(jìn)料氣鎖系統(tǒng)1連通，壓榨 段C設(shè)有產(chǎn)物出料口，并連接有殘?jiān)斔脱b置6。
連續(xù)進(jìn)料氣鎖系統(tǒng)1和臥式平推流反應(yīng)器2之間通過(guò)原料預(yù)混裝置8連通， 還包括有與所述壓榨段C連接的液體產(chǎn)物收集器4，并在壓榨段C和液體產(chǎn)物收 集器4之間連接有冷卻裝置10
垂直逆流反應(yīng)器3內(nèi)為等螺距立式螺旋推動(dòng)桿11，在反應(yīng)器頂部設(shè)有反應(yīng) 液噴頭7。同時(shí)頂部設(shè)有殘?jiān)隽涎b置12和反應(yīng)殘?jiān)占?，在底部設(shè)有纖 維素水解液收集器14 (包含有冷卻裝置IO，該冷卻裝置中可充入高壓氮?dú)庖员?證低溫效果)。其中殘?jiān)斔脱b置6和殘?jiān)隽涎b置12采用小段螺旋輸送方式， 螺旋轉(zhuǎn)速采用調(diào)頻變速器來(lái)調(diào)節(jié)，螺旋葉片采用鋸齒葉片；而反應(yīng)殘?jiān)占? 上可連接冷卻水以保證收集器內(nèi)的低溫。
以稻草為水解原料為例，將粉碎的稻草通過(guò)球型的連續(xù)進(jìn)料氣鎖系統(tǒng)1送 入到原料預(yù)混裝置8，與流入的高溫液態(tài)水的反應(yīng)液混合，然后壓入臥式平推流 反應(yīng)器2反應(yīng)，經(jīng)壓榨段C壓榨，反應(yīng)后的半纖維素水解液進(jìn)入液體產(chǎn)物收集 器4，同時(shí)經(jīng)其冷卻裝置10冷卻，而反應(yīng)殘?jiān)煌迫霘堅(jiān)斔脱b置6，最后送 入到垂直逆流反應(yīng)器3，被等螺距立式螺旋推動(dòng)桿11螺旋推動(dòng)上升，在殘?jiān)?上輸送的過(guò)程中同時(shí)有反應(yīng)液從垂直逆流反應(yīng)器3的頂部反應(yīng)液噴頭7噴出從 而實(shí)現(xiàn)垂直逆流反應(yīng)器3的逆流反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后殘?jiān)ㄟ^(guò)反應(yīng)器3頂部的殘 渣出料裝置12推出到反應(yīng)殘?jiān)占?，同時(shí)噴下冷水冷卻，而水解反應(yīng)液經(jīng) 垂直逆流反應(yīng)器3下部的纖維素水解液收集器14收集，同時(shí)經(jīng)其冷卻裝置冷卻。
本發(fā)明中采用的為木質(zhì)纖維素類(lèi)生物質(zhì)，包括木材、木屑、農(nóng)作物秸稈等
農(nóng)林廢棄物、草類(lèi)以及回收的紙張等纖維類(lèi)物質(zhì)。在該變螺距螺旋推動(dòng)桿的首 端設(shè)置有法蘭固定，并通過(guò)推力軸承和電機(jī)帶動(dòng)該推動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng)。
上列詳細(xì)說(shuō)明是針對(duì)本發(fā)明可行實(shí)施例的具體說(shuō)明，該實(shí)施例并非用以限 制本發(fā)明的專(zhuān)利范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實(shí)施或變更，均應(yīng)包含于本 案的專(zhuān)利范圍中。
權(quán)利要求
1、纖維素類(lèi)生物質(zhì)連續(xù)水解的方法，其特征在于，包括如下步驟(1)將混有水分的固體生物質(zhì)物料輸送到內(nèi)設(shè)有變螺距螺旋推動(dòng)桿的臥式平推流反應(yīng)器中；(2)同時(shí)將超低酸或高溫液態(tài)水的反應(yīng)液輸入到臥式平推流反應(yīng)器中，固體生物質(zhì)物料與反應(yīng)液的混合物在變螺距螺旋推動(dòng)桿的推動(dòng)下前進(jìn)；(3)上述混合物在臥式平推流反應(yīng)器中在180-220℃，3.0-4.0MPa的條件下發(fā)生反應(yīng)，然后通過(guò)變螺距壓榨實(shí)現(xiàn)固液分離；(4)固體殘?jiān)斎氲酱怪蹦媪鞔玻ㄟ^(guò)垂直逆流反應(yīng)器內(nèi)的等螺距立式螺旋推動(dòng)桿向上輸送，同時(shí)從垂直逆流反應(yīng)器的上方輸入超低酸反應(yīng)液，實(shí)現(xiàn)逆流反應(yīng)；(5)最后在垂直逆流反應(yīng)器的上部收集固體殘?jiān)虏渴占w維素水解液。
2、 如權(quán)利要求l所述的纖維素類(lèi)生物質(zhì)連續(xù)水解的方法，其特征在于所述固 體生物質(zhì)物料為半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的混合物。
3、 纖維素類(lèi)生物質(zhì)連續(xù)水解裝置，其特征在于包括有連續(xù)進(jìn)料氣鎖系統(tǒng)(1)、 臥式平推流反應(yīng)器(2)、垂直逆流反應(yīng)器(3)，所述臥式平推流反應(yīng)器(2) 內(nèi)設(shè)有變螺距螺旋推動(dòng)桿(13)，其包括進(jìn)料段(A)、主反應(yīng)段(B)和壓榨 段(C)，該進(jìn)料段(A)與所述連續(xù)進(jìn)料氣鎖系統(tǒng)〔1)連通，在壓榨段(C) 后的臥式平推流反應(yīng)器(2)的一端上連接有殘?jiān)斔脱b置(6)，該殘?jiān)?送裝置(6)另一端與所述垂直逆流反應(yīng)器(3)連通。
4、 如權(quán)利要求3所述的纖維素類(lèi)生物質(zhì)連續(xù)水解裝置，其特征在于所述垂直 逆流反應(yīng)器(3)內(nèi)設(shè)有等螺距立式螺旋推動(dòng)桿(11)，在該反應(yīng)器(3)頂 部設(shè)有反應(yīng)液噴頭(7)。
5、 如權(quán)利要求4所述的纖維素類(lèi)生物質(zhì)連續(xù)水解裝置，其特征在于所述連續(xù) 進(jìn)料氣鎖系統(tǒng)(1)和臥式平推流反應(yīng)器(2)之間通過(guò)原料預(yù)混裝置(8) 連通，還包括有與所述壓搾段(C)連接的液體產(chǎn)物收集器(4)。
6、 如權(quán)利要求5所述的纖維素類(lèi)生物質(zhì)連續(xù)水解裝置，其特征在于在所述壓 搾段(C)和液體產(chǎn)物收集器(4)之間連接有冷卻裝置(10)。
7、 如權(quán)利要求6所述的纖維素類(lèi)生物質(zhì)連續(xù)水解裝置，其特征在于所述垂直 逆流反應(yīng)器(3)上端設(shè)有反應(yīng)殘?jiān)占?5)及與其連通的殘?jiān)隽涎b置(12)。
8、 如權(quán)利要求7所述的纖維素類(lèi)生物質(zhì)連續(xù)水解裝置，其特征在于在所述臥 式平推流反應(yīng)器(2)和垂直逆流反應(yīng)器(3)外層設(shè)有保溫層(9)。
9、 如權(quán)利要求8所述的纖維素類(lèi)生物質(zhì)連續(xù)水解裝置，其特征在于所述殘?jiān)斔脱b置(6)、殘?jiān)隽涎b置(12)的螺旋葉片采用鋸齒葉片。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了纖維素類(lèi)生物質(zhì)連續(xù)水解的方法，將混有水分的固體生物質(zhì)物料進(jìn)料輸送到內(nèi)設(shè)有變螺距螺旋推動(dòng)桿的臥式平推流反應(yīng)器中，同時(shí)將反應(yīng)液輸入反應(yīng)器中，混合物在變螺距螺旋推動(dòng)桿的推動(dòng)下前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)固液分離，固體殘?jiān)斎氲酱怪蹦媪鞔?，通過(guò)等螺距立式螺旋推動(dòng)桿向上輸送，同時(shí)從垂直逆流反應(yīng)器的上方輸入反應(yīng)液，最后在垂直逆流反應(yīng)器的上部收集固體殘?jiān)?，下部收集纖維素水解液。還包括實(shí)現(xiàn)該方法的裝置，具有連續(xù)進(jìn)料氣鎖系統(tǒng)、臥式平推流反應(yīng)器、垂直逆流反應(yīng)器，所述臥式平推流反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有變螺距螺旋推動(dòng)桿，其包括進(jìn)料段、主反應(yīng)段和壓榨段，該進(jìn)料段與連續(xù)進(jìn)料氣鎖系統(tǒng)連通，臥式平推流反應(yīng)器通過(guò)殘?jiān)斔脱b置與垂直逆流反應(yīng)器連通。
文檔編號(hào)C07H1/00GK101343292SQ200810030280
公開(kāi)日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2008年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月20日
發(fā)明者強(qiáng) 余, 呂鵬梅, 孫永明, 莊新姝, 徐明忠, 朱順妮, 王忠明, 袁振宏, 許敬亮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所