DE3729428A1 - Verfahren und vorrichtung zur hydrolytischen spaltung von cellulose - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Im Zuge der energiewirtschaftlichen Gesamtentwicklung gewinnt Alkohol als Treibstoff bzw. als Treibstoffzusatz zunehmend an Bedeutung. Alkohol für derartige Zwecke kann aus Cellulose bzw. cellulosehaltiger Biomasse in zwei Stufen hergestellt werden, indem man zunächst Cellulose zu Zucker hydrolysiert und diesen dann zu Äthanol vergärt. Während die Fermentation von Zucker zu Äthanol technisch gut beherrscht wird, bleibt die Hydrolyse der Cellulose der kritische Verfahrensschritt, der über die Gesamtwirtschaftlichkeit des Verfahrens entscheidet.

Bei den bekannten, im wesentlichen auf Bergius und Scholler (DE-C-5 77 850) beruhenden Verfahren der säurekatalysierten Hydrolyse von Cellulose liegen Unzulänglichkeiten vor allem darin, daß der Energieinhalt des erzeugten Alkohols häufig niedriger ist als die zum Betrieb der Gesamtanlage erforderliche Energie, die vor allem in Form von Heizdampf und elektrischem Strom zur Verfügung gestellt werden muß.

So sind z. B. aus den DE-A-15 67 350 und 15 67 335 Perkolator-Festbettreaktoren für eine halbkontinuierliche Hydrolyse bekannt, wobei schubweise verdünnte Schwefelsäure über ein Festbett aus Holzschnitzeln rieselt, und wobei bei einer Hydrolysetemperatur von 120 bis 145°C und einer Verweilzeit von 15 bis 60 Minuten Cellulose zu Glukose mit einer Ausbeute von ca. 50% umgesetzt wird. Neben der relativ ungünstigen Glukoseausbeute ist hierbei ein hoher spezifischer Energieeinsatz erforderlich.

Ein wesentlicher theoretischer Ansatz zu Verbesserungen resultiert aus der Veröffentlichung von Hans E. Grethlein in der Zeitschrift "Biotechnology and Bioengineering", Vol. II (1978), Seiten 503 bis 525 "Comparison of the Economics of Acid and Enzymatic Hydrolysis of Newsprint". Dort wurde postuliert, daß eine hohe Ausbeute an Glukose bezogen auf die eingesetzte ALPHA- Cellulose erreicht wird, wenn die Hydrolysetemperaturen über 250°C bis auf 300°C bei Drücken von 40 bis 90 bar gesteigert werden, und wenn verdünnte Schwefelsäure mit einer Konzentration bis zu 2,0% eingesetzt und die Hydrolysezeit extrem kurz bemessen wird.

Hiervon ausgehend ist aus der EP-PS 00 81 678 ein Verfahren der gattungsgemäßen Art bekanntgeworden, bei dem hohe Ausbeuten an vergärbarem Zucker bezogen auf das eingesetzte cellulosehaltige Substrat bei niedrigem Energieeinsatz erreicht werden sollten. Bei diesem Verfahren wurde der bei der Druckentspannung dem Reaktor entnommene Dampf in Druckspeichern unterschiedlichen Druckniveaus gespeichert und zu einem teilweisen Druckaufbau bei einem nachfolgenden Hydrolysezyklus wieder eingesetzt. Obwohl die Art der Energierückgewinnung vom Ansatz her vorteilhaft ist, war der Fremdenergieeinsatz und die Ausbeute noch nicht befriedigend.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art und eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, bei dem jeweils mit geringem Energieeinsatz eine hohe Ausbeute erreicht wird.

Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der gattungsgemäßen Art durch die Merkmale im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 gelöst. Durch die direkte Überleitung des Dampfes bei der Druckentspannung aus einem Reaktor am Ende eines Hydrolyse-Zyklus in mehreren Stufen in mehrere andere Reaktoren wird erreicht, daß keine Energieverluste durch Zwischenspeicherung in Druckspeichern auftreten. Dadurch daß der Dampf jeweils unmittelbar aus einem Prozeß in einen nachfolgenden Prozeß überführt wird, wird Schwefelsäure mittransportiert, die zu einer Verbesserung des Hydrolyse-Ergebnisses beiträgt. Durch die Maßnahmen nach Anspruch 2 wird ein ganz besonders intensiver Kontakt zwischen Wasserdampf und zerfasertem Cellulose-Substrat erreicht, was zu einer besonders intensiven Führung des Hydrolyseprozesses führt, da das für die Hochdruck-Spaltung schädliche Zusammenbacken des Substrats unterbleibt. Die hydrolytische Spaltung der Cellulose findet also in einem Hochdruckwirbelbett statt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Anspruch 3 zeichnet sich dadurch aus, daß mehrere durch Leitungen direkt miteinander verbundene Reaktoren vorgesehen sind, die derart miteinander verbindbar sind, daß jeder Reaktor nacheinander mit allen anderen Reaktoren verbindbar ist, wobei nacheinander die Druckentspannung im erstgenannten Reaktor so erfolgt, daß in allen anderen Reaktoren nacheinander eine nächstniedrigere Druckstufe aufgebaut wird. Der Abbau der niedrigsten Druckstufe im erstgenannten Reaktor ist Abdampf. Die jeweils höchste Druckstufe muß durch Frischdampf aufgebaut werden.

Durch die Maßnahmen nach Anspruch 4 wird eine starke Intensivierung des Hydrolyseprozesses in einem Hochdruckwirbelbett erreicht. Um die außerordentlich kurzen Zykluszeiten durch das Vorsehen mehrerer miteinander verbindbarer Reaktoren realisieren zu können, sind die Maßnahmen nach Anspruch 5 vorgesehen.

Die Ansprüche 6 bis 8 geben die Einzelheiten zur Erzeugung des Substrat-Wirbelbettes in dem jeweils in einem Reaktor befindlichen Hydrolysebehälter an.

Die weiteren Ausgestaltungen nach den Ansprüchen 9 bis 11 ermöglichen optimale Be- und Entladezeiten für die einzelnen Hydrolysebehälter und Reaktoren.

Die Weiterbildung nach Anspruch 12 ermöglicht einen besonders einfachen Aufbau der Vorrichtung bei besonders kurzen Be- und Entladezeiten.

Die weitere Ausgestaltung nach den Ansprüchen 13 und 14 optimieren zum einen die Prozeßführung und zum anderen eine konstruktiv einfache Ausgestaltung der Vorrichtung. Insbesondere wird durch die Maßnahmen nach Anspruch 13 erreicht, daß die einzelnen Rohrleitungen zwischen den Reaktoren sehr kurz und etwa gleich lang sind, so daß keine Speichereffekte und insbesondere keine unterschiedlichen Speichereffekte auftreten.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in Draufsicht,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Vorrichtung in teilweise geschnittener Darstellung,

Fig. 3 einen vertikalen Querschnitt durch die Beschickungsvorrichtung,

Fig. 4 einen vertikalen Längsschnitt durch einen Reaktor,

Fig. 5 einen Vertikalschnitt durch den Reaktor gemäß der Schnittlinie V-V in Fig. 4,

Fig. 6 die Leitungs-Verbindungen zwischen vier Reaktoren und

Fig. 7 vier Diagramme betreffend den Druckaufbau bzw. -abbau in den einzelnen Reaktoren und deren Verbindung untereinander.

Die in der Zeichnung dargestellte Anlage weist vier Reaktoren 1, 2, 3, 4 auf, die paarweise nebeneinander und einander gegenüberliegend angeordnet sind, wie aus Fig. 1 hervorgeht. Es ist nur ein Paar von Reaktoren 1, 3 zusammen mit den zugehörigen Einrichtungen dargestellt, während das stirnseitig gegenüberliegende Paar von Reaktoren 2, 4 nur angedeutet ist. Es ist identisch ausgebildet und spiegelsymmetrisch zu dem Paar von Reaktoren 1, 3 angeordnet. Im Bereich der einander zugeordneten Stirnseiten 5 der Reaktoren 1 bis 4 sind Verteilerblöcke 6 für eine weiter unten noch genauer zu beschreibende Verrohrung angeordnet. Auf den den Stirnseiten 5 entgegengesetzten Seiten ist jeweils eine Beschickungsvorrichtung 7 für zwei paarweise nebeneinanderliegende Reaktoren 1, 3 bzw. 2, 4 vorgesehen.

Jede Beschickungsvorrichtung 7 weist einen Schlitten 8 auf, der in der durch die Mittel-Längs-Achsen 9 der Reaktoren 1 bis 4 aufgespannten Ebene, in der Regel also horizontal, verfahrbar ist. Alle Achsen 9 verlaufen horizontal. Die Achsen 9 zweier benachbarter Reaktoren 1, 3 bzw. 2, 4 verlaufen parallel zueinander. Der Schlitten 8 ist auf zwei gegenüber dem Boden 10 abgestützten Rollenbahnen 11 quer zu den Achsen 9 der Reaktoren 1, 3 verfahrbar. Hierzu weist er Rollen 8 a auf, von denen mindestens eine Rolle 8 a mittels eines Motors 8 b antreibbar ist.

Jeder Schlitten 8 besitzt zwei Be- und Entladevorrichtungen 12, 13, die identisch ausgebildet sind. Für jede Be- und Entladevorrichtung 12, 13 sind in zwei einander gegenüberstehenden, parallel zu den Rollenbahnen 11 verlaufenden Seitenwänden 14, 15 der Schlitten 8 einander gegenüberliegende Drehkränze 16, 17 angeordnet, die mit zwei Führungsstangen 18, 19 miteinander verbunden sind, wobei diese beiden Führungsstangen 18, 19 in einer gemeinsamen Ebene liegen, die der durch die beiden Achsen 9 einer Reaktorgruppe 1, 3 bzw. 2, 4 parallel ist bzw. hiermit zusammenfällt. Der den Reaktoren 1, 3 abgewandte Drehkranz 16 ist mittels eines Drehantriebs 20 um 180° drehbar. Auf den Führungsstangen 18, 19 sind Halte- und Kupplungseinrichtungen 21 mittels jeweils eines an der Seitenwand 14 des Schlittens 8 angebrachten Hubantriebs 22 etwa über die volle Länge der Führungsstangen 18, 19 verschiebbar. Der jeweilige Hubantrieb 22 besteht in üblicher Weise aus einem hydraulisch beaufschlagbaren Kolben-Zylinder- Antrieb, dessen Zylinder 23 an der der Reaktorgruppe 1, 3 abgewandten Seitenwand 14 angebracht ist, während seine Kolbenstange 24 an der Halte- und Kupplungseinrichtung 21 befestigt ist. Die Mittel-Längs-Achse 25 des Hubantriebs 22 und der Halte- und Kupplungseinrichtung 21 fluchtet mit der jeweiligen Achse 9.

An jeder Halte- und Kupplungseinrichtung 21 ist ein Hydrolysebehälter 26 anbringbar, mittels dessen ein zu hydrolysierendes Substrat in die Reaktoren 1, 3 bzw. 2, 4 bringbar ist. Jeder Reaktorgruppe 1, 3 bzw. 2, 4 sind insgesamt drei solcher Hydrolysebehälter 26 zugeordnet. Der Abstand a der Achse 9 der beiden Reaktoren 1, 3 einer Reaktorgruppe entspricht dem doppelten Abstand b der beiden Achsen 25 der Hubantriebe 22 mit Halte- und Kupplungseinrichtung 21. Jeweils im Abstand b seitlich von den Reaktoren 1, 3 sind Auffangbehälter 27, 28 für ein Hydrolysat angeordnet, wobei der Auffangbehälter 27 dem Reaktor 1 und der Auffangbehälter 28 dem Reaktor 3 zugeordnet ist.

Der Schlitten 8 ist über ein Weg s verfahrbar, für den nach den vorhergehenden Erläuterungen gilt s = 4 × b. In der einen äußersten Stellung des Schlittens 8 befindet sich die Be- und Entladevorrichtung 12 über dem Auffangbehälter 27. In der anderen äußersten Stellung befindet sich die Be- und Entladevorrichtung 13 über dem Auffangbehälter 28. In den beiden dazwischen befindlichen Stellungen befindet sich jeweils eine Be- und Entladevorrichtung 12 oder 13 unterhalb einer Füllvorrichtung 29. Für die Be- und Entladevorrichtung 13 ist dies in Fig. 2 dargestellt.

Eine solche Füllvorrichtung 29 weist einen Zerfaserer 30 auf, der in einem Gestell 31 oberhalb des Schlittens 8 angeordnet ist. Er wird über einen Antriebsmotor 32 über ein Getriebe 33 angetrieben. Dem Zerfaserer 30 wird von oben mittels einer Fördereinrichtung 34 cellulosehaltiges Material, beispielsweise Altpapier, Flachs od. dgl. zugeführt. Außerdem wird ihm über eine Abdampfleitung 35 Abdampf und über eine Säureleitung 36 Schwefelsäure (H₂SO₄) zugeführt. An der Unterseite ist der Zerfaserer 30 mit einem Füllschacht 37 versehen, durch den die Hydrolysebehälter 26 mit Substrat beschickt werden. Das Beschicken eines solchen Hydrolysebehälters 26 erfolgt in der in Fig. 1 dargestellten Stellung der Be- und Entladevorrichtung 13, wobei sich zu Beginn der an der Halte- und Kupplungseinrichtung 21 befestigte Hydrolysebehälter 26 durch den Drehkranz 17 bis in den Bereich zwischen den beiden Reaktoren 1, 3 erstreckt. Während des Beschickens wird der Hydrolysebehälter 26 durch entsprechende Beaufschlagung des Hubantriebes 22 in Richtung zur Seitenwand 14 verfahren, wodurch er gleichmäßig beladen wird. Am Ende des Füllvorganges ist der Hydrolysebehälter 26 wieder vollkommen innerhalb des Schlittens 8 aufgenommen, so daß letzterer quer verfahren werden kann.

Wie sich insbesondere aus den Fig. 4 und 5 ergibt, weist jeder Reaktor 1, 2, 3, 4 einen im wesentlichen zylindrischen Druckbehälter 38 auf, in dessen geschlossene Stirnseite 5 eine Druckleitung 39 mündet, die mit dem zugeordneten Verteilerblock 6 verbunden ist. Auf der der Stirnseite 5 abgewandten, dem Schlitten 8 zugewandten Seite ist ein Schieber-Verschluß 40 zum Verschließen des im Druckbehälter 38 befindlichen Druckraums 41 vorgesehen. Dieser weist im wesentlichen eine die zugeordnete Öffnung 42 des Druckraums 41 verschließende bzw. freigebende Verschlußplatte 43 auf, die mittels eines Linearantriebs 44 verschiebbar ist.

Ein Hydrolysebehälter 26 weist im Bereich seiner Unterseite Rollen 45 auf, mittels derer er in dem Druckbehälter 38 verfahrbar ist. Außerdem weist er an seiner der Stirnseite 5 des Druckbehälters 38 zugewandten Stirnwand 46 eine Rohr-Steck-Kupplung 47 auf, die beim Einfahren des Hydrolysebehälters 26 in den Druckraum 41 des entsprechenden Reaktors an die dort einmündende Druckleitung 39 angekuppelt wird. An diese Kupplung 47 schließt sich ein im Bereich des Bodens 48 des im wesentlichen zylindrischen Hydrolysebehälters 26 geführte Bedampfungsleitung 49 an.

An die Kupplung 47 schließen sich weiterhin im oberen Bereich des Hydrolysebehälters angeordnete und sich ebenfalls im wesentlichen über dessen Länge erstreckende Entspannungsleitungen 50 an. Zwischen den beiden Leitungen 49, 50 einerseits und der Kupplung andererseits sind zwei Rückschlagventile 51, 52 angeordnet, von denen das Rückschlagventil 51 die Druckleitung 39 mit der Bedampfungsleitung 49 verbindet, wenn der Druck in der Druckleitung 39 größer ist als in den Leitungen 49, 50. Das Rückschlagventil 52 wird in diesem Fall geschlossen. Es wird also Dampf aus der Druckleitung 39 in die Bedampfungsleitung 49 gedrückt. Wenn dagegen der Druck im Hydrolysebehälter 26 höher als in der Druckleitung 39 ist, dann schließt das Rückschlagventil 51, während das Rückschlagventil 52 öffnet und die Entspannungsleitungen 50 mit der Druckleitung 39 verbindet, so daß Dampf aus dem Hydrolysebehälter durch die Druckleitung 39 abströmen kann. In der im Bereich des Bodens 48 angeordneten Bedampfungsleitung 49 sind über deren Länge verteilt zahlreiche Dampf-Austrittsöffnungen 53 ausgebildet, durch die Dampf austritt und durch das im Hydrolysebehälter 26 befindliche Substrat 54 nach oben strömt, wodurch ein Wirbelbetteffekt eintritt. In den oberen Entspannungsleitungen 50 sind - ebenfalls über deren Länge verteilt - Dampf-Eintrittsöffnungen 55 angeordnet, durch die Dampf in diese Leitungen 50 eintreten kann.

Die Hydrolysebehälter 26 sind als nichtdruckfeste zylindrische Kartuschen, beispielsweise aus Blech, ausgebildet. Sie sind mittels der an ihrer Unterseite paarweise angeordneten Rollen 45 im zylindrischen Druckbehälter 38 den jeweiligen Reaktors 1 bis 4 und auf einer Führungs- und Haltebahn 57 jeder Be- und Entladevorrichtung 12 bzw. 13 verfahrbar. Diese Führungs- und Haltebahn 57 besteht im wesentlichen aus einem zylinderringabschnittsförmigen Blech, das an den Drehkränzen 16 und 17 jeder Be- und Entladevorrichtung 12, 13 angebracht ist. An jedem Hydrolysebehälter 26 ist zwischen den Rollen 45 eine Schiebe-Kupplung 58 nach Art eines auf dem Kopf stehenden T-Stücks angebracht, die in eine als Gegenkupplung 59 dienende Kupplungs-Schiene einschiebbar ist, die wiederum an der Führungs- und Haltebahn angebracht ist. Wenn der Hydrolysebehälter aus einem Reaktor 1 bis 4 auf die Führungs- und Haltebahn 57 der entsprechenden Be- und Entladevorrichtung 12 oder 13 gezogen wird, greift die Schiebe-Kupplung 58 in die schienenartige Gegenkupplung 59 ein, so daß der Hydrolysebehälter 26 senkrecht zur Achse 25 auf der Führungs- und Haltebahn 57 gehalten wird. Auf der den Rollen 45 gegenüberliegenden Seite weist der Hydrolysebehälter 26 einen sich über seine volle Länge erstreckenden zylindermantelabschnittsförmigen, mit Scharnieren 60 angelenkten, zweiteiligen Deckel 61 auf. Zum Befüllen wird dieser Deckel geöffnet. Zum Entleeren eines Hydrolysebehälters 26 über einen Auffangbehälter 27 oder 28 wird die entsprechende Be- und Entladevorrichtung durch entsprechenden Antrieb des Drehantriebs 20 um 180° gedreht, so daß der Hydrolysebehälter 26 an der entsprechenden Führungs- und Haltebahn 57 hängt. Der Deckel 61 öffnet sich unter seiner Schwerkraft und der Inhalt des Hydrolysebehälters fällt heraus.

Über die vier Verteilerblöcke 6 jedes Reaktors 1, 2, 3, 4 sind diese vier Reaktoren über Rohrleitungen L miteinander verbunden, wobei dem jeweiligen L jeweils als Index die Nummern der beiden Reaktoren - verbunden durch einen Bindestrich - angefügt sind, die über die jeweilige Rohrleitung L miteinander verbunden sind. Die Reaktoren 1 und 3 sind demnach über die Rohrleitung L _1-3 miteinander verbunden. Zusätzlich ist jeder Verteilerblock 6 und damit jeder Reaktor 1, 2, 3, 4 an eine Frischdampfleitung 62 angeschlossen, wobei der Bezugsziffer 62 jeweils als Index die Nummer des jeweiligen Reaktors angefügt ist, zu der die entsprechende Frischdampfleitung 62 führt. Zum Reaktor 4 führt also die Frischdampfleitung 62₄.

Schließlich führt von jedem Verteilerblock 6 eine Abdampfleitung 63 weg, wobei wiederum an die Bezugsziffer 63 die Nummer des zugeordneten Reaktors 1 bis 4 als Index angefügt ist. Vom Reaktor 2 führt also die Abdampfleitung 63₂ ab.

In jede Leitung L, 62 und 63 ist ein, beispielsweise als Magnetventil ausgestaltetes Ventil 64 geschaltet, so daß jede einzelne Leitung geöffnet oder geschlossen werden kann.

Nachfolgend wird das Verfahren zur Hydrolysierung von cellulosehaltigem Material, beispielsweise Altpapier, beschrieben.

In dem Zerfaserer 30 der Füllvorrichtung 39 wird das cellulosehaltige Material zerfasert und hierbei gleichzeitig mit Abdampf von 100°C bei Normaldruck besprüht, der durch die Abdampfleitung 35 zugeführt wird. Diese ist an die Abdampfleitungen 63 angeschlossen. Dabei vermischen sich die Materialfasern, beispielsweise also Altpapierfasern, einerseits mit der 2- bis 4%igen Schwefelsäurelösung, die über die Säureleitung 36 zugeführt und auf die Fasern aufgesprüht wird. Außerdem werden die Fasern durch den Dampf auf 100°C aufgeheizt und befeuchtet. Immer wenn von Dampf gesprochen wird, ist Wasserdampf gemeint. Der Abdampf enthält - wie sich aus der noch folgenden Beschreibung ergeben wird - Schwefelsäure, die auf dem mit Wasser und Schwefelsäure zu imprägnierenden Material, das nachfolgend als Substrat bezeichnet wird, kondensiert. Dieses Substrat wird aus der Füllvorrichtung 29 über den Füllschacht 37 in einen Hydrolysebehälter 26 eingekippt, der - wie oben bereits beschrieben wurde - während des Füllvorganges unter dem Füllschacht 37 hindurchgezogen wird.

In Fig. 7 sind vier Diagramme a, b, c, d übereinander dargestellt, die den Druckverlauf in den Reaktoren 1, 2, 3, 4 wiedergeben, und zwar während derselben Zeit. Da die Prozesse jeweils bei Sattdampftemperatur ablaufen, sind den Drücken vorgegebene Temperaturen zugeordnet. Der nachfolgenden Tabelle sind die einzelnen Druck- und Temperaturwerte zu entnehmen. Jeweils zwei benachbarte Drücke begrenzen eine Druckstufe, d. h. die Drücke p₀ und p₁ begrenzen die unterste Druckstufe. Entsprechendes gilt für die Temperaturen.

Tabelle 1

Gemäß Diagramm a in Fig. 7 wird während der Be- und Entladezeit t _C dem Reaktor 1 ein Hydrolysebehälter 26 mit hydrolysiertem Substrat entnommen und ein neuer Hydrolysebehälter 26 mit frischem bereits imprägniertem Substrat eingegeben. Im Anschluß daran wird während einer Ventilschaltzeit t _V durch Öffnen des Ventils 64 in der Leitung L _1-2 aus dem Reaktor 2 Dampf übergeleitet, der im Reaktor 2 vom Druck p₂ auf den Druck p₁ entspannt wird, wodurch wiederum im Reaktor 1 ein Druckaufbau von p₀ auf p₁ stattfindet. In beiden Reaktoren 1 und 2 ist also anschließend der gleiche Druck p₁. Die Ventilschaltzeit t _V ist also die Zeit, die für das Zusammenschalten, den Druckausgleich und das Trennen von je zwei Reaktoren notwendig ist.

Nach einer durch die Gesamtprozeßführung bedingten Zwischenzeit wird während einer weiteren Ventilschaltzeit t _V durch Öffnen des Ventils 64 in der Leitung L _1-3 im Reaktor 1 ein Druckaufbau von dem Druck p₁ auf den Druck p₂ durchgeführt, wobei gleichzeitig im Reaktor 3 der Druck von p₃ auf den Druck p₂ abfällt.

Nach einer weiteren prozeßbedingten Zwischenzeit wird der Reaktor 1 mit dem Reaktor 4 durch Öffnen des Ventils 64 in der Leitung L _1-4 verbunden, wodurch in letzterem ein Druckabfall von dem Höchstdruck p₄ auf den Druck p₃ erfolgt, während im Reaktor 1 hierdurch der Druck von p₂ auf p₃ erhöht wird.

Nach einer kurzen Zwischenzeit wird die Frischdampfleitung 62₁ durch Öffnen des in ihr befindlichen Ventils 64 auf den Reaktor 1 geschaltet, wodurch dort der Druck von p₃ auf p₄ erhöht wird. Während der anschließenden Hydrolysezeit t _H erfolgt die Hydrolysierung des Substrats. Nach Durchführung der Hydrolyse wird der Druck im Reaktor 1 in vier Teilschritten, d. h. in jeweils vier Ventilschaltzeiten t _V abgebaut. In den Diagrammen a bis d ist jeweils für die Ventilschaltzeiten t _V, bei denen also entweder der Druck erhöht oder der Druck erniedrigt wird, durch die entsprechende Bezugsziffer 1 bis 4 jedes Reaktors 1 bis 4 angegeben, mit welchem Reaktor der Reaktor verbunden ist, für den das jeweilige Diagramm gilt. Hieraus ergibt sich, daß beim Druckabbau des Reaktors 1 dieser zuerst beim Druckabbau vom Druck p₄ auf den Druck p₃ mit dem Reaktor 2, anschließend beim Druckabbau vom Druck p₃ auf den Druck p₂ mit dem Reaktor 3 und danach beim Druckabbau vom Druck p₂ auf den Druck p₁ mit dem Reaktor 4 verbunden ist. Der Druckabbau vom Druck p₁ auf den Druck p₀ erfolgt jeweils in die Füllvorrichtung 29.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich auch, daß die für alle vier Reaktoren 1 bis 4 gleichen Zykluszeiten t _Z für die einzelnen Reaktoren jeweils um 0,25 t _Z gegeneinander versetzt sind.

Aus der nachfolgenden Tabelle 2 ergibt sich die Berechnung der Zykluszeiten t _Z für unterschiedliche Hydrolysezeiten t _H und unterschiedliche Be-/Entladezeiten t _C.

Die Berechnungsformel für die Zykluszeit lautet bei vier Druckstufen und vier Reaktoren

t _Z = t _H + 3 · t _C + 9 · t _V

Tabelle 2

Die Hydrolyse findet im wesentlichen bei Temperaturen im Bereich von etwa 280°C statt. Es handelt sich um eine sogenannte Kurzzeithydrolyse. Während der einzelnen Druckaufbaustufen findet aber bereits auch eine Hydrolyse statt, die aber wesentlich langsamer abläuft als bei der höchsten Temperatur von etwa 280°C und somit keinen beachtlichen Umfang besitzt.

Der Hydrolysebehälter 26 wird im jeweiligen Reaktor 1 bis 4 als Hochdruckwirbelbett betrieben, in dem das zerfaserte und imprägnierte Substrat sowohl durch den einströmenden Dampf als auch durch den abströmenden Dampf aufgewirbelt wird. Der einströmende Dampf tritt in der Druckaufbauphase (Bespannungsphase) - wie bereits geschildert - durch die untenliegende Bedampfungsleitung 49 ein und aus deren Dampfaustrittsöffnungen 53 aus. Der abströmende Dampf tritt während der Entspannungsphase durch die obenliegenden Entspannungsleitungen 50 aus. Durch diese Hydrolyse im Hochdruckwirbelbett ist der Kontakt zwischen der als Katalysator wirkenden Schwefelsäure und den einzelnen Fasern außerordentlich intensiv. Die Hydrolyse wird noch dadurch intensiviert, daß bei der Entspannung eines Reaktors mit dem aus ihm abströmenden Dampf Schwefelsäure abtransportiert und den anderen Reaktoren zugeführt wird.

Das Beladen und Entladen eines Hydrolysebehälters 26 ist in den Zyklus nach Fig. 7 eingepaßt. Wie aus dem Diagramm a in Fig. 7 hervorgeht, ist der Reaktor 1 am Ende einer Zykluszeit t _Z drucklos. Dann wird die Verschlußplatte 43 durch Betätigen des Linearantriebs 44 angehoben und damit der Druckraum 41 des Reaktors 1 geöffnet. Mittels des Hubantriebs 22 wird die Halte- und Kupplungseinrichtung 21, die - wie in Fig. 1 oben dargestellt ist - bereits vor dem Reaktor 1 in Wartestellung ist, in den Druckraum 41 hineingeschoben und an den dort befindlichen Hydrolysebehälter 26 angekuppelt. Anschließend wird der Hydrolysebehälter 26 hinausgezogen, wobei seine Schiebe-Kupplung 58 in die Gegenkupplung 59 der Führungs- und Haltebahn 57 der Be- und Entladevorrichtung 12 eingreift. Der Schlitten 8 wird in die eine - in Fig. 1 oben befindliche - äußerste Stellung verfahren. Durch Betätigung des Drehantriebes 20 wird die Be- und Entladevorrichtung 12 gedreht, so daß das hydrolysierte Substrat in den Auffangbehälter 27 fällt. Zugleich zu diesem geschilderten Vorgang ist beim Verfahren des Schlittens 8 ein in der Be- und Entladevorrichtung 13 befindlicher, bereits unter der Füllvorrichtung 29 gefüllter Hydrolysebehälter 26 vor den Reaktor 1 gebracht und in diesen eingeschoben worden. Anschließend wird die Öffnung 42 des Druckraums 41 durch Absenken der Verschlußplatte 43 wieder geschlossen. Damit ist die Be- und Entladezeit t _C abgeschlossen.

Im Anschluß daran wird der Schlitten um zwei Wegabschnitte b verfahren, so daß der soeben entleerte, in der Be- und Entladevorrichtung 12 befindliche Hydrolysebehälter unter die Füllvorrichtung 29 kommt, wo er, nachdem er zuvor wieder in seine Normalstellung zurückgedreht worden ist, gefüllt wird. In der anderen Be- und Entladevorrichtung 13 befindet sich kein Hydrolysebehälter, so daß hiermit als nächstes der im Reaktor 3 befindliche Hydrolysebehälter nach Abschluß des dortigen Hydrolysevorgangs entnommen werden kann.

Claims (17)

1. Verfahren zur hydrolytischen Spaltung von cellulosehaltigem Substrat mit einer Säurebehandlung und anschließender Wasserdampfbehandlung des Substrats in einem Reaktor, wobei bei der Wasserdampfbehandlung in einem Hydrolyse-Zyklus eine Wasserdampfbeaufschlagung in mehreren in zeitlichem Abstand aufeinanderfolgenden diskreten Druckstufen mit jeweils zunehmenden Druck- und Temperaturwerten und anschließend eine Druckentspannung im Reaktor in unmittelbar aufeinanderfolgenden dem Druckaufbau entsprechenden Druckstufen erfolgt und wobei der Dampf einer Druckstufe der Druckentspannung zum Druckaufbau einer nächstniederen Druckstufe eines anderen zeitlich nachfolgenden Hydrolyse-Zyklus eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf bei der Druckentspannung aus dem Reaktor in Druckstufen mit abnehmenden Druckwerten mehreren zeitlich gegeneinander versetzten Hydrolyse-Zyklen in jeweils gesonderten Reaktoren unmittelbar zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Dampf mindestens beim Druckaufbau das Substrat in ein Wirbelbett versetzt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Reaktor (1 bis 4), der an Leitungen (L, 62, 63) zur Zuführung und Abführung von Dampf unterschiedlicher Druckstufen anschließbar ist, wobei eine Frischdampfleitung (62) für die höchste Druckstufe vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Reaktoren (1 bis 4) vorgesehen sind, deren Zahl der Zahl der gewählten Druckstufen entspricht und daß jeder Reaktor (1 bis 4) mit jedem anderen Reaktor (4 bis 1) über jeweils eine Leitung (L) direkt verbindbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Reaktor (1 bis 4) Einrichtungen zur Erzeugung eines Substrat-Wirbelbettes vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuführung des Substrats in jeden Reaktor (1 bis 4) Hydrolysebehälter (26) und für deren Handhabung mindestens eine Be- und Entladevorrichtung (12, 13) vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Erzeugung eines Substrat-Wirbelbettes in den Hydrolysebehältern (26) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Hydrolysebehälter (26) mindestens eine Bedampfungsleitung (49) und mindestens eine Entspannungsleitung (50) vorgesehen sind, die an die Leitungen (L, 62, 63) anschließbar sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Bedampfungsleitung (49) im unteren Bereich und die mindestens eine Entspannungsleitung (50) im oberen Bereich jedes Hydrolysebehälters (26) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Be- und Entladevorrichtungen (12, 13) der Zahl der Reaktoren (1 bis 4) entspricht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede Be- und Entladevorrichtung (12, 13) in eine Stellung vor einem Reaktor (1 bis 4), in eine Stellung an einer Füllvorrichtung (29) und in eine Entleerungsstellung für den Hydrolysebehälter (26) verfahrbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede Be- und Entladevorrichtung (12, 13) in eine Stellung vor zwei benachbarten Reaktoren (1, 3 bzw. 2, 4) verfahrbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei benachbarten Reaktoren eine gemeinsame Füllvorrichtung vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß vier Reaktoren (1 bis 4) vorgesehen sind, von denen jeweils zwei nebeneinander und die beiden Paare spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (L, 62, 63) die einander zugewandten Stirnseiten (5) der Reaktoren (1 bis 4) verbinden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 9 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Be- und Entladevorrichtungen (12, 13) auf einem gemeinsamen Schlitten (8) angeordnet sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Hydrolysebehälter (26) eine Kupplung (58) und jede Be- und Entladevorrichtung eine Gegenkupplung (59) zur festen aber lösbaren Verbindung aufweisen.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß jede Be- und Entladevorrichtung (12) in eine Entleerungsstellung der Hydrolysebehälter (26) drehbar ist.