CN103667365A - 一种农作物秸秆制备二元醇的方法 - Google Patents

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王晓飞
陆启明
李锦�
王念祥
史昊
闫锁
袁淏
张兵团
巴向阳
陈世鑫
罗文杰
王禄明
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Abstract

本发明公开一种以农作物秸秆为原料进行稀酸浸渍，经短时高温预处理，再经纤维素酶水解，脱色过滤，离子交换，高效浓缩等精制处理制得秸秆糖，秸秆糖在专用的镍合金催化剂作用下，经连续高压氢化裂解得到二元醇和多元醇的混合物，裂解产物再经减压精馏分离得到乙二醇、丙二醇等产品。本方法的优点在于：生产工艺独特新颖，技术水平先进，原料为非粮生物质资源，彻底规避了粮食风险，又可替代石油或煤炭等不可再生资源，对发展循环经济具有重要意义。

Description

一种农作物秸秆制备二元醇的方法
技术领域
本发明涉及一种农作物秸秆制备二元醇的方法。
背景技术
乙二醇、丙二醇与各种丁二醇都是化工生产上不可缺少的基础原料，被广泛应用于化工、医药、纺织、高分子材料等领域，市场应用量大，2011年全年我国乙二醇进口量大约在680万吨左右，丙二醇年需求量约36万吨，国内市场缺口都很大。
目前工业上二元醇生产主要用石油原料，以乙烯或丙烯为原料，通过环氧化，生成乙二醇与丙二醇。但随着石油能源危机的加剧，近年来国际市场上二元醇的价格飞速上涨，已经严重影响到后续产品的生产。基于目前石油短缺，价格上涨等因素，人们都在寻找一种可再生资源来代替石油原料生产二元醇。采用农作物秸秆为原料生产二元醇，是一条利用可再生资源代替日益枯竭的石油资源的重要途径，对提高农业废弃物利用率，避免田间秸秆焚烧导致环境污染，改善农村环境，增加农民收入，缓解石油、煤炭等不可再生资源紧缺局面，发展循环经济具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种以农作物秸秆为原料进行稀酸浸渍，经短时高温预处理，再经纤维素酶水解，脱色过滤，离子交换，高效浓缩等精制处理制得秸秆糖，秸秆糖在专用的镍合金催化剂作用下，经连续高压氢化裂解得到二元醇和多元醇的混合物，裂解产物再经减压精馏分离得到乙二醇、丙二醇等产品的生产工艺。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种农作物秸秆制备二元醇的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：
a.稀酸浸渍：将农作物秸秆粉碎至5-10mm大小，经过筛分、旋风分离除去沙土等杂质；将粉碎原料按一定的固液比加入2.5-5％的稀硫酸溶液，在浸渍罐中搅拌混匀后，预浸12-16小时待用；
b.短时高温预处理：将预先浸渍后的物料，装入于预处理反应器中，拧紧法兰，确定反应器完全密闭后，缓慢通入压力为2-3MPa的高温水蒸汽，当到达反应温度后，根据压力表及热电偶的读数控制进气阀，使得反应体系在目标温度下维持3-5min。反应结束后，打开排气阀泄压，30秒内将反应器内压力降至大气压；
c.纤维素酶水解：将预处理好的原料加入酶解反应器中，并加水调配至固含量10-20％，开启搅拌调pH值，控制温度，转速150rpm，纤维素酶用量为12-30Kg/T秸秆，酶解时间48-72小时；
d.脱色过滤、离子交换、浓缩，进行秸秆糖精制：纤维素酶水解结束后利用板框压滤机进行除渣过滤，滤渣经过成型、晾干用于热力车间锅炉燃料；滤液中加入占干固物质量1％左右的活性炭加热至80-90℃，脱色30分钟后进行板框过滤，将滤液泵入离子交换装置进行离子交换处理，除去色素、硫酸根、醛、酸，然后利用高效蒸发器将离交液浓缩至30-40％制得秸秆糖备用；
e.连续高压氢化裂解：反应釜经过试压、试漏后，加入一定量的催化剂同时开启搅拌，并通氮气置换，置换安全后通入氢气，开启夹套高压蒸汽加热，向反应釜连续泵入脱盐水并连续出水，进行清洗和再生催化剂；待催化剂清洗合格，温度、压力升到反应条件时，将秸秆糖泵入溶糖罐中开启搅拌，加入适量的脱盐水，调浓度为30-35％，然后泵入加氢前贮罐，通过高压泵泵入反应釜，同时利用高压碱泵加入8-10％的液碱调秸秆糖液pH值11-13，液碱和秸秆糖通过在线混合器混合后进入反应釜，物料连续泵入反应釜并连续出料；反应液通过换热器进行冷却降温，温度降至100℃以下时，进入精馏工序；
f.精馏分离：秸秆糖裂解产物先经进料泵连续泵入4个脱水塔，脱出的水、甲乙醇轻组分从塔顶经冷凝器冷却后进入甲乙醇塔精制出甲乙混合醇，剩余水分在10％-15％的物料连续进入脱重1号、2号塔，脱除的重组分丙三醇、盐等从塔釜出料进入调配罐调配后包装，脱重后的物料则从塔顶经冷凝器冷凝后进入预分塔进行再脱水，再脱水后的物料水分含量0.5％以下，先后进入乙二醇塔，2，3-丁二醇塔，1，2-丙二醇塔，1，2-丁二醇塔，1，4-丁二醇塔，使各个组分逐步分离出来。
在所述步骤a中，农作物秸秆为玉米秸秆或小麦秸秆，所述的秸秆稀酸浸渍，固液比为1∶1～2∶1，优选为1∶1。
在所述步骤b中，所述的预处理，反应温度为190-200℃。
在所述步骤c中，调pH值4.8～5.0，控制温度为48～50℃。
在所述步骤d中，离子交换树脂为D001MB和D301-F，经过精制处理秸秆糖组分为60-70％重量百分比葡萄糖、20-30％重量百分比本糖、阿拉伯糖、乳糖等。
在所述步骤e中，所述的连续高压氢化裂解为反应物料在釜内连续加入与出料，而催化剂保持在釜内；催化剂组分为镍-铝-钼-铁/锡/铜/锌/锑，反应温度200～230℃，压力10-12MPa，秸秆糖裂解产物组分为按重量百分比20-30％乙二醇，40-60％丙二醇，3-6％丙三醇，5-10％丁二醇异构体，3-10％剩余物质；在所述剩余物质中，甲乙醇各占0.5-1％，六碳糖醇或五碳糖醇占3-6％，有机酸盐2-3％，其它物质1-4％；所述的丁二醇异构体为1，2-丁二醇，1，4-丁二醇，2，3-丁二醇。
在所述步骤a中，加入5％的稀硫酸溶液。
在所述步骤d中，脱色过滤温度为80-90℃。
在所述步骤d中，所述的离子交换温度为45-55℃，浓缩至干固物为30-40％。
本发明二元醇的生产工艺，工艺独特新颖，生产成本低，可完全代替石油资源同时生产多种二元醇产品。
具体实施方式
实施例1
本发明所述的催化剂为镍-铝-钼-铁/锡/铜/锌/锑，氢气为水煤气经过变压吸附提纯后制得的含量为99.99％氢气。
本发明所述的一种农作物秸秆制备二元醇的方法包括如下步骤：
(1)秸秆预处理
将一定量玉米秸秆粉碎至5-10mm大小，烘干后经过筛分、旋风分离除去沙土等杂质，称取21Kg除尘粉碎后的秸秆(水分10％)，按固液比1∶1加入5％的稀硫酸溶液，在浸渍罐中搅拌混匀后，预浸12-16小时待用。将预浸后的物料，装入于预处理反应器中，拧紧法兰，确定反应器完全密闭后，缓慢通入高温水蒸汽(2-3MPa)，当到达反应温度190℃后，根据压力表及热电偶的读数控制进气阀，使得反应体系在目标温度下维持3min。反应结束后，打开排气阀泄压，30秒内将反应器内压力降至大气压。
(2)纤维素酶水解
将预处理好的原料加入酶解反应器中，并加水调配至固含量20％，开启搅拌调pH值4.8-5.0，控制温度48-49℃，转速150rpm，纤维素酶用量20-25Kg/T秸秆，酶解时间48-72h。
(3)秸秆糖精制
糖化结束后利用鼓膜板框压滤机(压力0.8Mpa)进行除渣过滤，得到干固物10％的滤液76Kg，干固物40％的滤渣(木质素)7.8Kg经过成型、晾干用于燃料；将滤液泵入脱色罐加入76g活性炭加热至85℃，脱色30分钟后进行板框过滤(压力0.3Mpa)，将滤液泵入离子交换装置进行离子交换处理(交换顺序为阳-阴-阳-阴)，然后利用高效蒸发器将离交液浓缩至干固物为40％的秸秆糖液17.5Kg备用。
(4)连续氢化裂解
反应釜经过试压、试漏后，加入一定量的催化剂同时开启搅拌，并通氮气置换，置换安全后通入氢气，开启夹套高压蒸汽加热，向反应釜连续泵入脱盐水并连续出水，进行清洗和再生催化剂；待催化剂清洗合格，温度升到210℃、压力升到11Mpa时，将秸秆糖泵入溶糖罐中开启搅拌，加入适量的脱盐水，调浓度为30％，然后泵入加氢前贮罐，通过高压泵泵入反应釜，同时利用高压碱泵加入8％的液碱调秸秆糖液pH值12，液碱和秸秆糖通过在线混合器混合后进入反应釜，物料连续泵入反应釜并连续出料，并使反应物料在反应釜内保持120分钟；反应液通过换热器进行冷却降温降至100℃以下，共得到干固物为28％的秸秆糖裂解产物22Kg，进入精馏工序。
(5)二元醇精馏分离
秸秆糖裂解产物先经进料泵连续泵入4个脱水塔，脱出的水、甲乙醇轻组分从塔顶经冷凝器冷却后进入甲乙醇塔精制出甲乙混合醇，剩余水分在10％-15％的物料连续进入脱重1#、2#塔，脱除的重组分丙三醇、盐等从塔釜出料进入调配罐调配后包装，脱重后的物料则从塔顶经冷凝器冷凝后进入预分塔进行再脱水，再脱水后的物料水分含量0.5％以下，先后进入乙二醇塔，2，3-丁二醇塔，1，2-丙二醇塔，1，2-丁二醇，1，4-丁二醇塔等使各个组分逐步分离出来。
实施例2
本发明所述的催化剂为镍-铝-钼-铁/锡/铜/锌/锑，氢气为水煤气经过变压吸附提纯后制得的含量为99.99％氢气。
本发明所述的一种农作物秸秆制备二元醇的方法包括如下步骤：
(1)秸秆预处理
将一定量玉米秸秆粉碎至5-10mm大小，烘干后经过筛分、旋风分离除去沙土等杂质，称取120Kg除尘粉碎后的秸秆(水分10％)，按固液比1∶1加入3％的稀硫酸溶液，在浸渍罐中搅拌混匀后，预浸12-16小时待用。将预浸后的物料，装入于预处理反应器中，拧紧法兰，确定反应器完全密闭后，缓慢通入高温水蒸汽(2-3MPa)，当到达反应温度200℃后，根据压力表及热电偶的读数控制进气阀，使得反应体系在目标温度下维持5min。反应结束后，打开排气阀泄压，30秒内将反应器内压力降至大气压。
(2)纤维素酶水解
将预处理好的原料加入酶解反应器中，并加水调配至固含量15％，开启搅拌调pH值4.8-5.0，控制温度48-49℃，转速150rpm，纤维素酶用量15-20Kg/T秸秆，酶解时间48-60h。
(3)秸秆糖精制
糖化结束后利用鼓膜板框压滤机(压力0.8Mpa)进行除渣过滤，得到干固物7％的滤液614Kg，干固物40％的滤渣(木质素)45Kg经过成型、晾干用于燃料；将滤液泵入脱色罐加入450g活性炭加热至90℃，脱色30分钟后进行板框过滤(压力0.3Mpa)，将滤液泵入离子交换装置进行离子交换处理(交换顺序为阳-阴-阳-阴)，然后利用高效蒸发器将离交液浓缩至干固物为40％的秸秆糖液98.8Kg备用。
(4)连续氢化裂解
反应釜经过试压、试漏后，加入一定量的催化剂同时开启搅拌，并通氮气置换，置换安全后通入氢气，开启夹套高压蒸汽加热，向反应釜连续泵入脱盐水并连续出水，进行清洗和再生催化剂；待催化剂清洗合格，温度升到220℃、压力升到12Mpa时，将秸秆糖泵入溶糖罐中开启搅拌，加入适量的脱盐水，调浓度为35％，然后泵入加氢前贮罐，通过高压泵泵入反应釜，同时利用高压碱泵加入8％的液碱调秸秆糖液pH值12，液碱和秸秆糖通过在线混合器混合后进入反应釜，物料连续泵入反应釜并连续出料，并使反应物料在反应釜内保持120分钟；反应液通过换热器进行冷却降温降至100℃以下，共得到干固物为32％的秸秆糖裂解产物106Kg，进入精馏工序。
(5)二元醇精馏分离
秸秆糖裂解产物先经进料泵连续泵入4个脱水塔，脱出的水、甲乙醇轻组分从塔顶经冷凝器冷却后进入甲乙醇塔精制出甲乙混合醇，剩余水分在10％-15％的物料连续进入脱重1#、2#塔，脱除的重组分丙三醇、盐等从塔釜出料进入调配罐调配后包装，脱重后的物料则从塔顶经冷凝器冷凝后进入预分塔进行再脱水，再脱水后的物料水分含量0.5％以下，先后进入乙二醇塔，2，3-丁二醇塔，1，2-丙二醇塔，1，2-丁二醇，1，4-丁二醇塔等使各个组分逐步分离出来。

Claims (9)

1.一种农作物秸秆制备二元醇的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：
a.稀酸浸渍：将农作物秸秆粉碎至5-10mm大小，经过筛分、旋风分离除去沙土等杂质；将粉碎原料按一定的固液比加入2.5-5％的稀硫酸溶液，在浸渍罐中搅拌混匀后，预浸12-16小时待用；
b.短时高温预处理：将预先浸渍后的物料，装入于预处理反应器中，拧紧法兰，确定反应器完全密闭后，缓慢通入压力为2-3MPa的高温水蒸汽，当到达反应温度后，根据压力表及热电偶的读数控制进气阀，使得反应体系在目标温度下维持3-5min。反应结束后，打开排气阀泄压，30秒内将反应器内压力降至大气压；
c.纤维素酶水解：将预处理好的原料加入酶解反应器中，并加水调配至固含量10-20％，开启搅拌调pH值，控制温度，转速150rpm，纤维素酶用量为12-30Kg/T秸秆，酶解时间48-72小时；
d.脱色过滤、离子交换、浓缩，进行秸秆糖精制：纤维素酶水解结束后利用板框压滤机进行除渣过滤，滤渣经过成型、晾干用于热力车间锅炉燃料；滤液中加入占干固物质量1％左右的活性炭加热至80-90℃，脱色30分钟后进行板框过滤，将滤液泵入离子交换装置进行离子交换处理，除去色素、硫酸根、醛、酸，然后利用高效蒸发器将离交液浓缩至30-40％制得秸秆糖备用；
e.连续高压氢化裂解：反应釜经过试压、试漏后，加入一定量的催化剂同时开启搅拌，并通氮气置换，置换安全后通入氢气，开启夹套高压蒸汽加热，向反应釜连续泵入脱盐水并连续出水，进行清洗和再生催化剂；待催化剂清洗合格，温度、压力升到反应条件时，将秸秆糖泵入溶糖罐中开启搅拌，加入适量的脱盐水，调浓度为30-35％，然后泵入加氢前贮罐，通过高压泵泵入反应釜，同时利用高压碱泵加入8-10％的液碱调秸秆糖液pH值11-13，液碱和秸秆糖通过在线混合器混合后进入反应釜，物料连续泵入反应釜并连续出料；反应液通过换热器进行冷却降温，温度降至100℃以下时，进入精馏工序；
f.精馏分离：秸秆糖裂解产物先经进料泵连续泵入4个脱水塔，脱出的水、甲乙醇轻组分从塔顶经冷凝器冷却后进入甲乙醇塔精制出甲乙混合醇，剩余水分在10％-15％的物料连续进入脱重1号、2号塔，脱除的重组分丙三醇、盐等从塔釜出料进入调配罐调配后包装，脱重后的物料则从塔顶经冷凝器冷凝后进入预分塔进行再脱水，再脱水后的物料水分含量0.5％以下，先后进入乙二醇塔，2，3-丁二醇塔，1，2-丙二醇塔，1，2-丁二醇塔，1，4-丁二醇塔，使各个组分逐步分离出来。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤a中，农作物秸秆为玉米秸秆或小麦秸秆，所述的秸秆稀酸浸渍，固液比为1∶1～2∶1。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b中，所述的预处理，反应温度为190-200℃。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤c中，调pH值4.8～5.0，控制温度为48～50℃。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤d中，离子交换树脂为D001MB和D301-F，经过精制处理秸秆糖组分为60-70％重量百分比葡萄糖、20-30％重量百分比木糖、阿拉伯糖、乳糖等。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤e中，所述的连续高压氢化裂解为反应物料在釜内连续加入与出料，而催化剂保持在釜内；催化剂组分为镍-铝-钼-铁/锡/铜/锌/锑，反应温度200～230℃，压力10～12MPa，秸秆糖裂解产物组分为按重量百分比20-30％乙二醇，40-60％丙二醇，3-6％丙三醇，5-10％丁二醇异构体，3-10％剩余物质；在所述剩余物质中，甲、乙醇各占0.5-1％，六碳糖醇或五碳糖醇占3-6％，有机酸盐2-3％，其它物质1-4％；所述的丁二醇异构体为1，2-丁二醇，1，4-丁二醇，2，3-丁二醇。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a中，加入5％的稀硫酸溶液。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤d中，脱色过滤温度为80-90℃。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤d中，所述的离子交换的温度为45-55℃，浓缩至干固物为30-40％。
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