LV12110B - Reaktors autohidrolīzes procesa realizēšanai ar tvaika sprādzienu - Google Patents

Description

Reaktors tvaika sprādzienā autohidrolīzes procesa realizēšanai

Izgudrojums attiecas uz celulozi, hemicelulozes un ligrimu saturošas augu biomasas (turpmāk lignocelulozes), kā ari cita veida polisaharidus (piemēram, cieti) saturošas augu biomasas pārstrādes rūpniecībā, tai skaitā celulozes, papīra, šķiedru plākšņu, mikrobioloģiskajā, farmakoloģiskajā, pārtikas un lopbarības rūpniecībā, izmantoto aparatūru un konkrēti - uz tvaika sprādziena autohidrolīzes reaktoriem.

Tvaika sprādziena autohidrolīzē (turpmāk TSAH) augu biomasu apstrādā ar augsttemperatūras (tipiski 180-250 °C) piesātinātu tvaiku laikā no desmit sekundēm līdz desmit minūtēm [Grāvītis, J. A. Theoretical and applied aspects of the steam explosion plant biomass autohydrolysis method: Review. - Khimiya Drevesiny (Wood Chemistry), 1987, N 5, p. 3-21; Steam Explosion Techniques: Fundamentāls and Industrial Applications. Ed. by Focher, B., Marzetti, A., Crescenzi, V. Gordon and Breach, Amsterdam, 1991, 412 p.]. Tvaika apstrādes laikā no augu biomasas tiek atšķeltas skābes, kas autokatalītiski nodrošina nepieciešamo ķīmisko procesu norisi - polisahaiīdu hidrolīzi un ligriīna režģa sašķelšanu. Vienlaicīgi ar ķīmiskiem procesiem notiek augstmolekulāro komponentu fizikāla mīksttapšana un to nodalīšanās atsevišķos fāzu rajonos (ligriīna “pilieni” uz polisahaiīdu virsmas) [Kallavus U., Grāvītis J. A Comparative Investigation of the Ultrastructure of Steam Exploded Wood with Light, Scanning and Transmission Electron-Microscopy - Holzforschung, 1995, Vol. 49, N 2, p. 182-188.]. Tvaika apstrādes beigās momentāna reaktora dekompresija līdz atmosfēras spiedienam nodrošina materiāla sašķiedrošanos un nodalīto fāzu iesaldēšanu. Šis izkraušanas process notiek sprādzienveidīgi un tādēļ to sauc par tvaika sprādziena autohidrolīzes metodi. Iegūtais produkts var tikt tālāk izmantots iepriekš minētajās rūpniecības nozarēs. TSAH procesa priekšrocības ir iespēja panākt biomasas struktūras un Īpašību izmaiņas īsā laikā posmā bez papildus ķīmisko reaģentu izmantošanas.

Zināmie periodiskas darbības TSAH reaktori, kuri ir aprakstīti ASV patentos 1 578 609 (1926), 1 655 618 (1928), 1 824 221 (1931) (prototips), 3 817 786 (1974), 5 114 540 (1992) un Lielbritānijas patenta pieteikumā 2 000 822 A (1979), sastāv no korpusa, ūdens tvaika ievadīšanas sistēmas, izejmateriāla iekraušanas ierices, hidrolizētā materiāla izkraušanas ierices,

I

I kondensāta aizvadīšanas sistēmas, tvaika - gāzu nopūšanas sistēmas un ligzdām mērinstrumentu pievienošanai. Ūdens tvaika ievadīšana reaktorā notiek pa 2 vai 3 urbumiem reaktora korpusā. Tvaiks, ieplūdis reaktorā, tālāk izplatās izejmateriālā pa mazākās pretestības ceļu. Daļa tvaika kondensējas, satek reaktora apakšdaļā un sakrājas kondensāta savācējā. Kondensētā tvaika vietā reaktorā ieplūst svaigs tvaiks. Šis uzsildīšanas process turpinās no 10 līdz 45 sekundēm, kamēr izejmateriālā katras atsevišķas daļiņas ārējā un iekšējā temperatūra kļūst vienāda ar ieplūstošā tvaika temperatūru. Tādēļ tās izejmateriāla daļiņas, kuras atrodas tvaika ieplūdes cauruma tuvumā un tvaika plūsmas mazākas pretestības ceļā, sasniedz darba temperatūru ātrāk nekā tās, kuras atrodas tālāk no tvaika ieplūdes caurumiem un kurām tvaika piekļūšana ir apgrūtināta. Rezultātā notiek nevienmērīga izejmateriāla sasilšana un sākas nevēlams process - sāk pirolizēties tās izejmateriāla daļiņas, kuras atrodas tvaika ieplūdes caurumu tuvumā un tvaika izplatīšanās mazākas pretestības ceļā. Nevienmērīga izejmateriāla sasilšana savukārt ir par iemeslu tam, ka TSAH procesa izsaukto fizikālo un ķīmisko izmaiņu dziļums nav vienāds visā apstrādātā materiāla masā. Tas rada grūtības iegūtā materiāla tālākā izmantošanā un, lai to novērstu, ir nepieciešams veikt papildus procesu, tas ir, sadalīt iegūto materiālu atkarībā no TSAH procesa izsaukto izmaiņu apjoma. Kanādas patentā 1 141 376 A (1983) un Eiropas patentā 434 851 Bl (1994) uzsvērts, ka pirolīzes rezultātā samazinās gatavā produkta iznākums un pasliktinās tā kvalitatīvās īpašības. Pirolīzes rezultātā no ligriīna un hemiceluložu sastāvdaļas - ksilāna izdalās toksiski monomēri, kuri padara gatavo produktu grūti pielietojamu fermentatīvajai pārstrādei un atgremotājdzīvmeku barošanai, kā ari palielina kaitīgo izmešu daudzumu.

Tātad zināmo reaktoru galvenais trūkums ir tas, ka uzsilšanas laikā netiek nodrošināta ātra un ί

vienmēriga reaktorā esošā neviendabīgā izejmateriāla uzsilšana līdz darba temperatūrai visā reaktora tilpumā un temperatūras izlīdzināšanās uz katra izejmateriāla gabaliņa virsmas un tā iekšienē.

Izgudrojuma mērķis ir konstruēt tādu ūdens tvaika ievadīšanas sistēmu TSAH reaktorā, kas nodrošinātu pēc iespējas īsākā laikā uzsildīt izejmateriālu reaktorā līdz darba temperatūrai un pēc iespējas vienmērīgāk sadalīt ieplūstošo ūdens tvaiku pa reaktora tilpumu tā, lai tvaika iedarbības ilgums uz katru atsevišķo neviendabīga granulometriskā sastāva izejmateriāla daļiņu būtu vienāds visā reaktora tilpumā.

Mērķa sasniegšanai ir izveidots TSAH reaktors periodiska procesa realizēšanai, kurš sastāv no korpusa, ūdens tvaika pievades sistēmas, izejmateriāla iekraušanas ierīces, hidrolizētā materiāla izkraušanas ierīces, kondensāta aizvadīšanas sistēmas, tvaika - gāzu nopūšanas sistēmas, ligzdām mērinstrumentu pievienošanai. Ūdens tvaika pievades sistēma sastāv no reaktora korpusu no ārpuses aptverošas gredzenveida ķemmes, kas savienots ar ūdens tvaika padeves maģistrāles cauruli, un caur korpusa sienu ķemmei pievienotām vismaz trim korpusa iekšienē izvietotām caurulēm, pie kam katra caurule satur daudzus urbumus, pa kuriem tvaiks zem spiediena ieplūst reaktorā ievietotajā hidrolizējamajā masā. Urbumus cauruļu sienās vislabāk ir izvietot slīpus, veidojot platu leņķi ar hidrolizētā materiāla izkraušanas virzienu. Šāda ūdens tvaika pievadsistēma palielina izejmateriāla termiskās apstrādes vienmērīgumu, samazina tā termisko destrukciju un tās rezultātā radušos kaitīgo izmešu daudzumu atgāzēs un toksisko savienojumu koncentrāciju gatavajā produktā.

Piedāvātais TSAH reaktora šķērsgriezums shematiski ir parādīts 1. zīmējumā, kas ir šī izgudrojuma iemiesošanas variants saskaņā ar izgudrojuma formulas 1. un 2. punktu.

TSAH periodiska procesa realizēšanai izmantojamais reaktors sastāv no reaktora korpusa 1, izejmateriāla iekraušanas ierīces 2, apstrādātā materiāla izkraušanas ierīces 3, kondensāta aizvadīšanas caurules 4, tvaika - gāzu nopūšanas caurules 5, manometra pievienošanas ligzdas 6, termopāra pievienošanas ligzdas 7 un ūdens tvaika padeves sistēmas. Ūdens tvaika padeves sistēma sastāv no ūdens tvaika padeves maģistrāles caurules 8, reaktora korpusu no ārpuses aptveroša ūdens tvaika sadales ķemmes 9, kurš ir pievienots ūdens tvaika maģistrāles padeves caurulei un kuram caur reaktora korpusa sienu ir pievienotas vismaz trīs korpusa iekšienē visā reaktora cilindriskās daļas augstumā simetriski izvietotas caurules 10, pie kam katra caurule satur daudzus urbumus 11, pa kuriem tvaiks zem spiediena ieplūst reaktorā ievietotajā hidrolizējamajā masā. Cauruļu skaits (3 un vairāk) ir atkarīgs no reaktora darba tilpuma. Jo tas ir lielāks, jo nepieciešams vairāk cauruļu, lai panāktu vienmērīgu tvaika ieplūdes sadalījumu reaktora tilpumā. Horizontālajā plaknē tvaika izplūdes urbumi ir izvietoti grupās pa trim. Šāds izvietojums vēl vairāk palielina tvaika ieplūdes sadalījuma vienmērīgumu, jo katrā horizontālajā urbumu izvietojumu plaknē tvaiks vienlaicīgi ieplūst savstarpēji perpendikulāros virzienos. Urbumi ir vērsti slīpi uz leju, veidojot platu leņķi ar hidrolizētā materiāla izkraušanas virzienu.

I

I

Urbumu slīpums ir nepieciešams, lai, reaktoru piepildot un iztukšojot izejmateriāla daļiņas neiekļūtu tvaika pievadīšanas caurulēs un neaizsprostotu tās.

TSAH reaktors periodiska procesa realizēšanai darbojas sekojoši. Reaktora korpusu 1 uzsilda līdz darba temperatūrai, kas parasti ir robežās no 180 Ēdz 250 °C, un caur iekraušanas ierīci 2 piepilda ar kādu no lignocelulozi saturošiem materiāliem - šķeldu, zāģa skaidām, salmiem utt. Aizver iekraušanas ierīci 2 un reaktorā zem spiediena ievada piesātinātu ūdens tvaiku caur ūdens tvaika padeves sistēmu. Ūdens tvaiks no maģistrāles caurules 8 caur ķemmi 9 sadalās pa tvaika pievadīšanas caurulēm 10 un caur lielu skaitu urbumu 11 ieplūst reaktorā ievietotajā hidrolizējamajā masā. Lai izejmateriālu ātrāk uzsildītu, ūdens tvaiku ievada ar temperatūru, kas ir par 10 -s- 25 °C augstāka nekā darba temperatūra. Laiku, kurā izejmateriāls uzsilst līdz darba temperatūrai, sauc par uzsilšanas laiku. Tas parasti ir no 10 līdz 60 sekundēm. Uzsilšanas laikā daļa ūdens tvaika kondensējas un tiek savākta kondensāta savākšanas mezglā 4. Kad izejmateriāls reaktorā ir uzsilis līdz darba temperatūrai, tvaika padevi pārtrauc un sākas izturēšanas laiks, kas parasti ir no 0 līdz 600 sekundēm. Procesa kontrolei tiek izmantoti mērinstrumenti: manometrs, kas ir nostiprināts ligzdā 6, un termopāris, kas ir nostiprināts ligzdā 7. Vajadzības gadījumā var tikt izmantota tvaika - gāzu nopūšanas caurule 5, lai izvadītu gaisu vai tvaiku no reaktora. Jo augstāka ir darba temperatūra, jo īsāks ir izturēšanas laiks un otrādi. Izturēšanas laika ilgums ir atkarīgs arī no tā, cik dziļas izmaiņas vēlas panākt izejmateriālā autohidrolīzes procesā. Kad izturēšanas laiks ir beidzies, ātri atver izkraušanas mezglu 3. Atvēršanas laiks parasti ir mazāks par 500 milisekundēm. Reaktorā esošais tvaika gāzu maisījums, kura spiediens atkarībā no darba temperatūras ir no 1.0 -s- 4.0 MPa, strauji izplešas un izgrūž apstrādāto materiālu no reaktora materiāla uztvērējā.

Apstrādes laikā notiek lignocelulozes komponentu autohidrolīze, kuru katalīzē no hemicelulozēm atšķeltā etiķskābe. Bez tam šajā temperatūru intervālā lignocelulozes komponenti kļūst plastiski un samazinās to strukturālā režģa stiprība. Izšaušanas bridi šūnu tukšumos esošais ūdens tvaiks strauji izplešas, tā tilpums atkarībā no darba temperatūras palielinās apmēram 8 līdz 28 reizes. Tas mehāniski sašķiedro materiālu un daļēji sagrauj ari šūnu apvalkus, padarot iegūto materiālu viegli fermentējamu un izmantojamu tālākai pārstrādei celulozes, papīra, šķiedru plākšņu, mikrobioloģiskajā, farmakoloģiskajā, pārtikas un lopbarības rūpniecībā. Iegūtā irdenā, sašķiedrotā masa ar ekstrakcijas palīdzību var tikt viegli sadalīta sastāvdaļās - ligiūnā, celulozē un hemicelulozēs, kā an to depolimerizācijas produktos: mono un oligocukuros, mazmolekulārajos fenolos. Tā kā šajā procesā neizmanto ķīmiskos reaģentus, tas ir ekoloģiski tīrs un nepiesārņo apkārtējo vidi.

Claims (2)

1. Reaktors tvaika sprādziena autohidrolīzes periodiska procesa realizēšanai, kurš sastāv no korpusa, ūdens tvaika pievades sistēmas, izejmateriāla iekraušanas ierīces, hidrolizētā materiāla izkraušanas ierīces, kondensāta aizvadīšanas sistēmas, tvaika - gāzu nopūšanas sistēmas, ligzdām mērinstrumentu pievienošanai, atšķiras ar to, ka ūdens tvaika pievades sistēma izveidota kā cauruļu ķemme, kas aptver reaktora korpusu no ārpuses un savienota ar ūdens tvaika padeves maģistrāles cauruli, pie kam caur korpusa sienu ķemmei pievienotas vismaz trīs korpusa iekšienē izvietotas caurules, kas katra satur daudzus urbumus, pa kuriem tvaiks zem spiediena ieplūst reaktorā ievietotajā hidrolizējamajā masā.

2. Reaktors saskaņā ar 1. punktu, kas atšķiras ar to, ka minētie urbumi minēto cauruļu sienās ir izvietoti slīpi, veidojot platu leņķi ar hidrolizētā materiāla izkraušanas virzienu.