CN210122574U

CN210122574U - 一种纤维素连续催化水解装置

Info

Publication number: CN210122574U
Application number: CN201920892519.3U
Authority: CN
Inventors: 许家兴; 李丹; 张伟; 高文华; 贺爱永; 胡磊; 刘晓燕
Original assignee: Huaiyin Normal University
Current assignee: Huaiyin Normal University
Priority date: 2019-06-14
Filing date: 2019-06-14
Publication date: 2020-03-03
Anticipated expiration: 2029-06-14

Abstract

本实用新型涉及一种纤维素连续催化水解装置，属于生物质能源技术领域。包括：反应釜，用于对纤维素进行水解反应；在反应釜上连接有催化剂储罐和盐酸储罐，分别用于向反应釜中加入催化剂和盐酸；催化剂储罐和盐酸储罐还连接于压缩气体瓶；在反应釜上连接有进水管；陶瓷膜，设置于反应釜的外部；陶瓷膜的料液进口连接于反应釜，截留侧的料液出口连接于反应釜；陶瓷膜的渗透侧连接于葡萄糖反应液储罐；葡萄糖反应液储罐连接于第一纳滤膜，第一纳滤膜的渗透侧连接于第二纳滤膜，第一纳滤膜用于分离葡萄糖反应液中的二价盐离子，第二纳滤膜用于对第一纳滤膜的渗透液当中的葡萄糖进行浓缩，第二纳滤膜的截留侧连接于结晶装置。

Description

一种纤维素连续催化水解装置

技术领域

本实用新型涉及一种纤维素连续催化水解装置，属于生物质能源技术领域。

背景技术

纤维素（cellulose）是由不等长度的分子链组成的高聚物，平均聚合度n=10000，其结构是由D-葡萄糖以β-1，4糖苷键组成的大分子多糖，化学组成中含C 44.44%、H 6.17%、O 49.39%。常温下很稳定，这是因为纤维素分子之间存在氢键的缘故。在加热和强酸性条件下，纤维素结构中的氧桥断裂，同时水分子加入，纤维素由长链分子变成短链分子，直至氧桥全部断裂，变成葡萄糖。反应过程如下式所示：

纤维素水解主要是糖苷键的断裂，酸与糖苷键的作用机理是：第1步质子化糖苷键中的氧，第2步形成碳正离子或氧正离子，第3步碳正离子或氧正离子与水发生反应得到水解产物。由于糖苷键氧原子的弱碱性，纤维素与浓硫酸的反应使得糖苷键质子化更加容易。

但是由于采用浓硫酸进行水解的过程当中，对设备的腐蚀性相对较高，限制了其工业化使用。如果采用稀酸进行水解时，由于酸浓度较低，因此其对于反应条件的要求较高，并且很难通过连续化生产，导致了其生产效率较低。

发明内容

本实用新型的目的是：提供了一种应用于纤维素水解的连续催化水解装置，使用本装置具有生产连续性高、能耗较低、产物纯化同时进行的优点。技术方案如下：

一种纤维素连续催化水解装置，包括：

反应釜，用于对纤维素进行水解反应；在反应釜上连接有催化剂储罐和盐酸储罐，分别用于向反应釜中加入催化剂和盐酸；催化剂储罐和盐酸储罐还连接于压缩气体瓶；在反应釜上连接有进水管；

陶瓷膜，设置于反应釜的外部；陶瓷膜的料液进口连接于反应釜，截留侧的料液出口连接于反应釜；陶瓷膜的渗透侧连接于葡萄糖反应液储罐；

葡萄糖反应液储罐连接于第一纳滤膜，第一纳滤膜的渗透侧连接于第二纳滤膜，第一纳滤膜用于分离葡萄糖反应液中的二价盐离子，第二纳滤膜用于对第一纳滤膜的渗透液当中的葡萄糖进行浓缩，第二纳滤膜的截留侧连接于结晶装置。

在一个实施方式中，催化剂是氯化铁。

在一个实施方式中，陶瓷膜的平均孔径是50-500nm。

在一个实施方式中，陶瓷膜的料液进口通过泵连接于反应釜。

在一个实施方式中，第一纳滤膜的截留分子量是500-800Da。

在一个实施方式中，第二纳滤膜的截留分子量是200-400 Da。

在一个实施方式中，在反应釜中设置有冷凝器，在葡萄糖反应液储罐中设置有蒸发器，冷凝器、压缩机、蒸发器、膨胀阀依次串联并构成闭合回路。

在一个实施方式中，闭合回路中装有热泵工质。

有益效果

本装置具有生产连续性高、能耗较低、产物纯化同时进行的优点。

附图说明

图1是本实用新型提供的连续催化水解装置结构图

其中，1、压缩气体瓶；2、催化剂储罐；3、盐酸储罐；4、反应釜；5、陶瓷膜；6、葡萄糖反应液储罐；7、泵；8、蒸发器；9、压缩机；10、冷凝器；11、膨胀阀；12、第一纳滤膜；13、第二纳滤膜；14、结晶装置；15、进水管。

具体实施方式

本实用新型所需要处理的纤维素，可以是指先通过物理法、化学法、生物法等预处理之后所得到的纤维素。这里所用的物理方法可以是机械破碎法、超声破碎法、微波处理法或者辐射处理法等；这里所用的化学法可以是酸法、碱法、有机溶剂法或者臭氧法等；生物法可以是通过利用可以降解木质素的细菌或者微生物来降解木质素，从而提高水解效果。以下实施例当中所采用的纤维素是指经过了化学酸法处理之后得到的纤维素。

本实用新型所采用的装置结构如图1所示。

包括：

反应釜4，用于对纤维素进行水解反应；在反应釜4上连接有催化剂储罐2和盐酸储罐3，分别用于向反应釜4中加入催化剂和盐酸；催化剂储罐2和盐酸储罐3还连接于压缩气体瓶1；在反应釜4上连接有进水管5；本实用新型当中所采用的催化剂可以是氯化铁，采用的盐酸浓度可以是0.5-2wt%，进行水解反应的过程温度可以控制在155-165℃。由于本实用新型所采用的是连续化催化水解，在反应的过程当中可以打开压缩气体瓶1，气体瓶当中可以是采用了氮气，通过气压的作用，连续性的向反应釜当中压入催化剂和盐酸，保持反应过程当中反应釜当中的物料平衡。

在装置中还包括陶瓷膜5，设置于反应釜4的外部；陶瓷膜5的料液进口连接于反应釜4，截留侧的料液出口连接于反应釜4；陶瓷膜5的渗透侧连接于葡萄糖反应液储罐6；在反应连续进行时，将反应液移出至陶瓷膜5，陶瓷膜5可以将反应液当中纤维素截留，并将截留液返回至反应釜4当中，陶瓷膜5的渗透测主要含有反应当中所生成的葡萄糖，将葡萄糖液连续性的从反应釜4当中移除，实现了生产过程的连续性，陶瓷膜5的料液进口通过泵7连接于反应釜4，在陶瓷膜5的操作过程当中，主要是通过泵7将反应釜当中的料液压入至陶瓷膜5中，陶瓷膜5的平均孔径是50-500nm。陶瓷膜5的渗透液不断积累于葡萄糖反应液储罐6。

由于陶瓷膜渗透液当中除了葡萄糖之外，还含有溶解的氯化铁以及盐酸，以及其它的剩余木质素等杂质，需要通过后续的连续性装置对其进行纯化处理。在本实用新型的装置中，葡萄糖反应液储罐6连接于第一纳滤膜12，第一纳滤膜12的渗透侧连接于第二纳滤膜13，第一纳滤膜12用于分离葡萄糖反应液中的二价盐离子，第一纳滤膜12的截留分子量是500-800Da，采用这个截留分子量的纳滤膜可以有效的将生成的葡萄糖排除至渗透侧，而其中的二价盐离子会通过电荷作用被纳滤膜所截留，实现了盐离子与葡萄糖的分离；第二纳滤膜13用于对第一纳滤膜12的渗透液当中的葡萄糖进行浓缩，第二纳滤膜13的截留分子量是200-400 Da，第二纳滤膜13的截留侧连接于结晶装置14，通过结晶装置14的冷却结晶作用，可以将浓缩的葡萄糖液进行结晶，得到葡萄糖产品。

另外，在反应釜4中设置有冷凝器10，在葡萄糖反应液储罐6中设置有蒸发器8，冷凝器10、压缩机9、蒸发器8、膨胀阀11依次串联并构成闭合回路，闭合回路中装有热泵工质。由于在反应釜4当中所所需要的料液温度较高，而纳滤膜通常不需要较高的温度就可以实现过滤，蒸发器19、压缩机9、冷凝器8、膨胀阀11相互之间构成的闭合回路形成了一个热泵系统，蒸发器19能够获取葡萄糖反应液储罐6中的热量，并通过膨胀阀11和压缩机9的工作将吸收到的热量转移至反应釜4中，节约反应釜4中所需要的热能。其中，蒸发器19、冷凝器8等的结构可以参照现有的热泵机组中的蒸发器、冷凝器、膨胀阀和压缩机的结构和原理进行选择，本实用新型没有特别的限定，例如：可以参照工具书陈东和谢继红编著的《热泵技术手册》（2012）、陈东编著的《热泵技术及其应用》（2008）等，其中所使用的热泵工质可以是R22、410a、R290、R417a‎等，蒸发器可以采用的具体结构是翅片管，热泵工质走管程；冷凝器8可以采用的具体结构也是翅片管，热泵工质走管程。

用碘量法测定其中的总还原糖含量。

实施例1

采用经过酸预处理之后所得到的纤维素，将其装入反应釜4中，同时开启进水管15，使反应釜当中的固液比为1：10，然后打开压缩气体瓶1加入催化剂和盐酸，使催化剂和盐酸在反应液中的浓度分别为1.5wt%和2wt%，将反应釜升温至160℃，进行反应30min之后，打开泵7，使反应液压入陶瓷膜5当中；在陶瓷膜5工作的过程当中，保持催化剂储罐2、盐酸储罐3和进水管15持续的向反应釜中补充原料，维持水解反应的原料配比；陶瓷膜5将反应液当中的固体杂质截留，并返回至反应釜4当中，陶瓷膜5的平均孔径是500nm，陶瓷膜5的膜面流速是4m/s，陶瓷膜5渗透液收集于葡萄糖反应液储罐6中，其中还原糖的含量是3.43g/100ml，通过热泵系统将葡萄糖反应液储罐6中的热量降温至50-55℃，再将葡萄糖反应液压入截留分子量是800Da的第一纳滤膜12中，将第一纳滤膜12的渗透液压入截留分子量是300Da的第二纳滤膜13中，是葡萄糖被截留浓缩，并将第二纳滤膜13的浓缩液压入至结晶装置13进行冷却结晶，得到葡萄糖产品纯度97.5wt%。

实施例2

采用经过酸预处理之后所得到的纤维素，将其装入反应釜4中，同时开启进水管15，使反应釜当中的固液比为1：11，然后打开压缩气体瓶1加入催化剂和盐酸，使催化剂和盐酸在反应液中的浓度分别为1.8wt%和1.5wt%，将反应釜升温至150℃，进行反应25min之后，打开泵7，使反应液压入陶瓷膜5当中；在陶瓷膜5工作的过程当中，保持催化剂储罐2、盐酸储罐3和进水管15持续的向反应釜中补充原料，维持水解反应的原料配比；陶瓷膜5将反应液当中的固体杂质截留，并返回至反应釜4当中，陶瓷膜5的平均孔径是200nm，陶瓷膜5的膜面流速是3m/s，陶瓷膜5渗透液收集于葡萄糖反应液储罐6中，其中还原糖的含量是3.15g/100ml，通过热泵系统将葡萄糖反应液储罐6中的热量降温至50-55℃，再将葡萄糖反应液压入截留分子量是600Da的第一纳滤膜12中，将第一纳滤膜12的渗透液压入截留分子量是200Da的第二纳滤膜13中，是葡萄糖被截留浓缩，并将第二纳滤膜13的浓缩液压入至结晶装置13进行冷却结晶，得到葡萄糖产品纯度97.2wt%。

实施例3

采用经过酸预处理之后所得到的纤维素，将其装入反应釜4中，同时开启进水管15，使反应釜当中的固液比为1：9，然后打开压缩气体瓶1加入催化剂和盐酸，使催化剂和盐酸在反应液中的浓度分别为1.0 wt%和1.2wt%，将反应釜升温至165℃，进行反应40min之后，打开泵7，使反应液压入陶瓷膜5当中；在陶瓷膜5工作的过程当中，保持催化剂储罐2、盐酸储罐3和进水管15持续的向反应釜中补充原料，维持水解反应的原料配比；陶瓷膜5将反应液当中的固体杂质截留，并返回至反应釜4当中，陶瓷膜5的平均孔径是50nm，陶瓷膜5的膜面流速是3m/s，陶瓷膜5渗透液收集于葡萄糖反应液储罐6中，其中还原糖的含量是3.22g/100ml，通过热泵系统将葡萄糖反应液储罐6中的热量降温至50-55℃，再将葡萄糖反应液压入截留分子量是500Da的第一纳滤膜12中，将第一纳滤膜12的渗透液压入截留分子量是400Da的第二纳滤膜13中，是葡萄糖被截留浓缩，并将第二纳滤膜13的浓缩液压入至结晶装置13进行冷却结晶，得到葡萄糖产品纯度97.9wt%。

Claims

1.一种纤维素连续催化水解装置，其特征在于，包括：

反应釜（4），用于对纤维素进行水解反应；在反应釜（4）上连接有催化剂储罐（2）和盐酸储罐（3），分别用于向反应釜（4）中加入催化剂和盐酸；催化剂储罐（2）和盐酸储罐（3）还连接于压缩气体瓶（1）；在反应釜（4）上连接有进水管（15）；

陶瓷膜（5），设置于反应釜（4）的外部；陶瓷膜（5）的料液进口连接于反应釜（4），截留侧的料液出口连接于反应釜（4）；陶瓷膜（5）的渗透侧连接于葡萄糖反应液储罐（6）；

葡萄糖反应液储罐（6）连接于第一纳滤膜（12），第一纳滤膜（12）的渗透侧连接于第二纳滤膜（13），第一纳滤膜（12）用于分离葡萄糖反应液中的二价盐离子，第二纳滤膜（13）用于对第一纳滤膜（12）的渗透液当中的葡萄糖进行浓缩，第二纳滤膜（13）的截留侧连接于结晶装置（14）。

2.根据权利要求1所述的纤维素连续催化水解装置，其特征在于，催化剂是氯化铁。

3.根据权利要求1所述的纤维素连续催化水解装置，其特征在于，陶瓷膜（5）的平均孔径是50-500nm。

4.根据权利要求1所述的纤维素连续催化水解装置，其特征在于，陶瓷膜（5）的料液进口通过泵（7）连接于反应釜（4）。

5.根据权利要求1所述的纤维素连续催化水解装置，其特征在于，第一纳滤膜（12）的截留分子量是500-800Da。

6.根据权利要求1所述的纤维素连续催化水解装置，其特征在于，第二纳滤膜（13）的截留分子量是200-400 Da。

7.根据权利要求1所述的纤维素连续催化水解装置，其特征在于，在反应釜（4）中设置有冷凝器（10），在葡萄糖反应液储罐（6）中设置有蒸发器（8），冷凝器（10）、压缩机（9）、蒸发器（8）、膨胀阀（11）依次串联并构成闭合回路。

8.根据权利要求7所述的纤维素连续催化水解装置，其特征在于，闭合回路中装有热泵工质。