專利名稱：對木質(zhì)纖維素材料快速酸水解的方法和水解反應(yīng)器的改進的制作方法
對木質(zhì)纖維素材料快速酸水解的方法 和水解反應(yīng)器的改進發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及對木質(zhì)纖維素材料(例如木材、甘蔗渣、植物秸稈等)的酸水解方法所引入的改進，用以得到糖和木質(zhì)素；以及對用來實施 所提到的方法的反應(yīng)器所引入的改進。特別地，本發(fā)明涉及對巴西專 利PI9600672-2所詳細說明的反應(yīng)器水解方法和所引入的改進。 現(xiàn)有技術(shù)出于水解的效果，木質(zhì)纖維素材料可以被描述為是纖維素、半纖 維素和木質(zhì)素的復(fù)合物，還含有低級有機組分例如單寧(taninnes )、 蠟、油等和所述"提取物"和礦物質(zhì)(二氧化硅、鈣、鉀、鈉等，灰 分)。纖維素(或glicane,質(zhì)量百分比為36-40%)是以兩種形式存 在的葡萄糖聚合物-無定性(較大的部分)和微晶。半纖維素(34%) 是含有g(shù)licane (8%)、木膠(xylane) (22%) 、 arabi訓(xùn)e和膠質(zhì) (galactane)(總共4%)的復(fù)雜的無定形聚合物。已知半纖維素幾 乎立即水解，微晶纖維素非常耐酸的攻擊，而無定性纖維素介于中間。 木質(zhì)素(由含有活性苯酚官能團的苯丙烯所衍生的聚合物)不能溶于 全部的酸介質(zhì)，但可溶于某些有機溶劑?；曳萦晌⑷苡谒夥椒ǖ亩?氧化硅和鋁和鐵的氧化物、和溶于酸的鉀、鈉的氧化物等組成。這些特點要求水解裝置和工藝具有所希望的條件。木質(zhì)纖維素材料的酸水解工藝產(chǎn)生，例如己糖(具有6碳原子的糖)，例如葡萄糖、半乳糖和甘露糖；戊糖(具有5碳原子的糖)， 例如木糖和阿戊糖；木質(zhì)素；糠醛；5-hydroximethil糠醛；乙酸； 和甲醇；根據(jù)所處理的原材料，它們的比例有所變化。為了木質(zhì)纖維素材料的連續(xù)且快速的酸水解，使用稀酸以降低設(shè) 備投資，且由于高水平的糖濃度和木質(zhì)素回收率，可以達到工業(yè)上接受的收率，而且不需要脫木質(zhì)素步驟。來自相同發(fā)明人的專利PI9600672-2中提出一種方法，根據(jù)該方法，將預(yù)熱的和粉碎的木質(zhì) 纖維素材料的連續(xù)流在加壓反應(yīng)器的頂部進料，以在反應(yīng)器不同水平層與數(shù)個水解溶劑流接觸，該水解溶劑包含較大部分的木質(zhì)素有機溶 劑、水和較小部分的極稀的強無機酸溶液，產(chǎn)生以水解提取物形成存 在的液相和固相，所述以水解提取物形成存在的液相包含纖維素的反 應(yīng)產(chǎn)物和木質(zhì)素溶液，所述固相包含沉積在反應(yīng)器底部的未反應(yīng)的和 未溶解的材料。在該現(xiàn)有工藝方法中，在反應(yīng)器不同水平層中得到的水解提取物 的受控流，在適當調(diào)節(jié)的溫度下，被再循環(huán)并另到相應(yīng)的水解溶劑流 中，由此在反應(yīng)器的所述水平層提供有機溶劑和強無機酸的溫度和濃 度，所述溫度和濃度足以使纖維素材料發(fā)生反應(yīng)并足以溶解存在于反 應(yīng)器的各個水平層中的木質(zhì)素。根據(jù)以上所提到的相同發(fā)明人的方法，液相(水解提取物)的剩 余部分從反應(yīng)器的不同水平層取出并突然降溫，避免纖維素部分的反 應(yīng)產(chǎn)物的分解反應(yīng)，并通過溶劑蒸發(fā)得到纖維素部分的反應(yīng)產(chǎn)物的濃 縮物和木質(zhì)素的濃縮物。根據(jù)在反應(yīng)器不同水平層上所控制的有機溶劑和試劑(強無機酸) 的溫度和濃度參數(shù)，以上提到的方法實現(xiàn)了如下目標同時進行脫木 質(zhì)素作用和糖化作用，并使木質(zhì)素溶解和糖的最大轉(zhuǎn)化，而不發(fā)生熱盡管得到的結(jié)果明顯優(yōu)于迄今已知的方法，使用更低成本的較少 設(shè)備就能得到更高的產(chǎn)率水平，專利PI9600672 - 2的方法目標是對有 機溶劑和強無機酸(即水解溶劑體系)的溫度進行控制，通過加熱再 循環(huán)到反應(yīng)器不同水平層的水解提取物的受控流來實現(xiàn)，要求熱交換 器帶有附件，因此投資更多，且失敗可能性更大，和由腐蝕和侵蝕所 導(dǎo)致的機械磨損更大。除了用于控制水解溶劑體系的溫度的系統(tǒng)之外，以上提到的方法 提供了水解提取物收集罐(captation)，用于通過反應(yīng)器每個區(qū)域的各自的循環(huán)泵的排放處所引出的相應(yīng)的管路將提取物再循環(huán)和用于將 回收的糖和木質(zhì)素送入后續(xù)步驟，通過適當?shù)牧鲃涌刂蒲b置例如控制 閥實施對相應(yīng)流的控制。在現(xiàn)有解決方案中，待被再循環(huán)的水解提取 物和待被送入后續(xù)工藝步驟的水解提取物，都來自反應(yīng)器上所提供的 同一收集罐，以不接收顆粒材料，而僅接收過濾后的水解提取物。現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中，待被再循環(huán)的水解提取物流的流速受到過濾后的水 解提取物的可得性的限制，其中所述過濾后的水解提取物被部分送到 后續(xù)工藝步驟和部分再循環(huán)到反應(yīng)器內(nèi)部。發(fā)明概述鑒于反應(yīng)器不同水平層中水解溶劑流中的溶劑和試劑的溫度和濃 度參數(shù)控制方面的缺陷，為了實際上更精確地控制所述參數(shù)并因此優(yōu) 化糖和木質(zhì)素的回收工藝的產(chǎn)率，本發(fā)明的目標是在木質(zhì)纖維素材料的快速酸水解方法(這是專利PI9600672-2的目標)中提供改進。 本發(fā)明另 一 目標是對所述快速酸水解方法提供改進，該改進不在待再循環(huán)的水解提取物流上施加有關(guān)的限制。本發(fā)明的又一個目標是提供反應(yīng)器，該反應(yīng)器允許實施所述酸水解方法，并實際上更精確地控制水解溶劑流中溶劑和試劑的溫度和濃度參數(shù)。 一、、 ，、， ，，-質(zhì)素部分的木質(zhì)纖維素材料的快速酸水解方法來實現(xiàn)的，該方法包括 如下步驟(a) 在加壓反應(yīng)器頂部以均勻流量連續(xù)進料木質(zhì)纖維素材料，該材料被粉碎至水解上可接受的顆粒尺寸；(b ) 使所述木質(zhì)纖維素材料在反應(yīng)器不同水平層上與數(shù)個水 解溶劑體系流相接觸，該水解溶劑體系包含較大部分的木質(zhì)素有機溶 劑和水，以及較小部分的強無機酸的極稀溶液，以便同時溶解木質(zhì)素 和使纖維素材料發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生水解提取物和固相，該水解提取物包 含纖維素部分的反應(yīng)產(chǎn)物和木質(zhì)素溶液，該固相包含未反應(yīng)的和未溶解的材料；和(C ) 以將所述固相沉積在反應(yīng)器底部的方式保留所述固相； 根據(jù)本發(fā)明，木質(zhì)纖維素材料的快速酸水解的改進方法還包括如下步驟(d) 在反應(yīng)器不同的水平層注入受控的蒸汽流，調(diào)節(jié)其溫度至 合意值，并將由該蒸汽得到的冷凝物與水解溶劑流混合，以在所述反 應(yīng)器的所述水平層上提供有機溶劑和強無機酸的溫度，該溫度足以溶解木質(zhì)素并使存在于所述反應(yīng)器各個水平層上的纖維素材料與水反應(yīng) (水解)，生成所希望的產(chǎn)物(糖)。(e) 將在步驟(b)得到的液相受控流在反應(yīng)器的不同水平層 上進行再循環(huán)，并將其混入相應(yīng)的水解溶劑流，以在所述反應(yīng)器的所 述水平層上提供有機溶劑和強無機酸的濃度，該濃度足以使所述纖維 素材料反應(yīng)并足以溶解存在于所述反應(yīng)器各個水平層上的木質(zhì)素；(f) 直接從反應(yīng)器的所述水平層上取出所述液相的剩余部分， 使其在所述反應(yīng)器的出口處突然降溫，以避免纖維素部分的所迷反應(yīng)產(chǎn)物的分解反應(yīng)，并通過蒸發(fā)溶劑得到纖維素部分的反應(yīng)產(chǎn)物的濃縮 物和木質(zhì)素的濃縮物；(g) 通過傾析分離所述木質(zhì)素；和(h) 將所述纖維素部分的反應(yīng)產(chǎn)物的濃縮物轉(zhuǎn)移到后續(xù)工藝步驟。第二方面，本發(fā)明涉及用于實施以上所迷的木質(zhì)纖維素材料快速 酸水解方法的水解反應(yīng)器，所述水解反應(yīng)器包括在不同水平層配有數(shù) 個水解提取物收集罐的垂直筒狀塔身；木質(zhì)纖維素材料頂部進料口 ； 數(shù)個水解溶劑進料管，每個進料管進料到反應(yīng)器的確定的水平層；數(shù)個水解提取物再循環(huán)回路，每個回路將至少一個水解提取物收集罐與 各自的水解溶劑進料管連接起來；和水解提取物出口管，其連接到至 少一個水解提取物收集罐，以將水解提取物的受控的部分引導(dǎo)至后續(xù)工藝步驟。根據(jù)本發(fā)明的這個第二方面，該反應(yīng)器配有數(shù)個限定流量的加熱 蒸汽入口，每個入口被安置在反應(yīng)器10的所述水平層之一上，使得能夠在反應(yīng)器的不同水平層上非常精確地調(diào)節(jié)試劑的溫度。實際上，與以上已經(jīng)評論的以上方法的優(yōu)勢相比，木質(zhì)纖維素材料的酸水解方法的優(yōu)勢是如下事實-通過反應(yīng)器不同水平層上的數(shù)個加熱蒸汽入口進行溫度控制，使 加熱的反應(yīng)介質(zhì)和混合物迅速出現(xiàn)并將對反應(yīng)的影響限定在反應(yīng)器的 中心；在出口水平層，降低反應(yīng)產(chǎn)物在高溫區(qū)域的持久性(停留時間) 以降低由不希望的副反應(yīng)引起的產(chǎn)物分解；蒸汽直接注入導(dǎo)致更高的 反應(yīng)速率，糖的產(chǎn)率也高于現(xiàn)有工藝所得到的產(chǎn)率。-通過再循環(huán)出口控制水解提取物，其濃縮物與水解提取物再循環(huán) 回路連接，每個回路由再循環(huán)泵的吸入管形成，再循環(huán)泵將部分水解 提取物輸送到水解溶劑進料管。通過使用反應(yīng)器外部的裝置，水解提 取物再循環(huán)的這種安排允許提供對反應(yīng)介質(zhì)的可控攪拌，具有高機械 效率、易于維修；而使用內(nèi)部攪拌器則需要配制沉重且復(fù)雜的設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明所作的改進，提供了反應(yīng)器不同水平層的水解提取物 流出物的部分再循環(huán)，以及將加熱蒸汽直接注入反應(yīng)器的所述水平層； 通過簡單調(diào)節(jié)蒸汽和的再循環(huán)流的流量，能夠極其精確地調(diào)節(jié)進料到 反應(yīng)器每個水平層的試劑的濃度和溫度，所述再循環(huán)流不含有試劑， 它作為合并到所述水解溶劑中的給定的新試劑進料的稀釋劑。附圖筒述本發(fā)明參考附圖進行描述，給出了本發(fā)明的構(gòu)造的實例，其中 圖l展示了可能的反應(yīng)器構(gòu)造的垂直截面示意圖，該反應(yīng)器構(gòu)造 是為了實施本發(fā)明的酸水解方法這一 目標而開發(fā)的。圖2展示了反應(yīng)器的局部放大細節(jié)，描述了水解提取物收集罐； 圖3展示了反應(yīng)器的局部放大細節(jié)，描述了加熱蒸汽入口；和 圖4展示了本發(fā)明的工藝流程圖。 發(fā)明詳述盡管待處理的木質(zhì)纖維素材料的纖維素組分本身包含半纖維素部 分和纖維素部分，但為了簡化如下公開內(nèi)容，表達"纖維素部分"被 用于指上述兩個部分。一旦所提出的工藝是連續(xù)工藝，木質(zhì)纖維素和水解溶劑的進料必 須是恒定和均勻的。同樣地，也為了確保水解溶劑和木質(zhì)纖維素材料 之間良好的接觸表面，并進一步避免材料在反應(yīng)器入口處堵塞，粉碎 所述材料直到達到水解上可接受的顆粒尺寸。接下來，木質(zhì)纖維素材料的進料被預(yù)熱到80-180'C，和優(yōu)選高達 100-150'C，以軟化植物纖維、排除封閉于其中的氣泡，因此便于水解 溶劑的浸透并因此將木質(zhì)素溶于反應(yīng)器10內(nèi)，釋放出纖維素組分以進 行快速有效的酸攻擊。為了起到以上描述的作用，所述水解溶劑體系包括40-90體積％ 并優(yōu)選50-80體積％的溶解木質(zhì)素的有機溶劑，該有機溶劑選自具有 l-4個碳原子的醇、2-6個碳原子的酮以及它們的混合物，優(yōu)選甲醇、 乙醇、丙酮等，或它們的混合物，且更優(yōu)選乙醇；10-60體積％,并優(yōu) 選20-50體積％的水；和強無4幾酸，該強無才幾酸選自石危酸、氯酸、磷 酸等，或它們的混合物，且優(yōu)選硫酸，強無機酸的量提供所述酸在所 述水解溶劑體系中的濃度為0. 01-0.1N，并優(yōu)選0. 02-0. 05N。木質(zhì)纖維素材料的脫木質(zhì)素和糖化步驟在反應(yīng)器10的每個水平 層上以截然不同的方式進行?；钚运嵩谠牧虾退馊軇╅g應(yīng)該具有 不同的濃度，且反應(yīng)器的每個水平層具有不同的反應(yīng)溫度，這些參數(shù) 的調(diào)節(jié)通過如下步驟來執(zhí)行，該步驟是所提出的方法的基本特征，就 是對反應(yīng)器10的水解提取物流出物的一部分進行再循環(huán)，因此，不含 有反應(yīng)酸；既然所引入的新的水解溶劑具有恒定的溫度和濃度，簡單 地調(diào)節(jié)再循環(huán)的提取物和它們的流量和新的水解溶劑，就能保證酸的 濃度嚴格符合要求，以使其與反應(yīng)器10的木質(zhì)纖維素進料的纖維素部 分反應(yīng)。根據(jù)這里所提出的改進，對反應(yīng)器10的水解提取物流出物的一部 分進行再循環(huán)是在水解提取物出口管18的各自獨立的再循環(huán)回路中 進行的，該再循環(huán)回路負責(zé)輸送部分水解提取物進入后續(xù)工藝步驟用 以分離糖和木質(zhì)素。這里所提出的改進的另一個特征涉及用于在反應(yīng)器10不同水平層上控制試劑溫度的加熱。改進方法的溫度控制是通過數(shù)個加熱蒸汽入口 17來實施的，該入口設(shè)計為呈現(xiàn)預(yù)先確定的規(guī)定的流量，每個加 熱蒸汽入口 17被安裝在反應(yīng)器10的所述水平層之一上。一般情況下，脫木質(zhì)素和糖化步驟是在反應(yīng)器10內(nèi)在160-250。C 下進行，優(yōu)選180-190'C下進行，有利地在20-40巴下進行，優(yōu)選在 20-30巴下進行。水解溶劑和木質(zhì)纖維素材料的進料以如下比例來均 勻分配每噸待處理的水解纖維素材料對應(yīng)2-18、并優(yōu)選3-10 M3水 解溶劑的水解溶劑徑向流。在此條件下，兩個流體相互緊密接觸，得 到前面提到的液相和固相。為了防止所生成的糖發(fā)生更大量降解，所 述液相或提取物被立即輸送到快速溶劑蒸發(fā)器(閃蒸蒸發(fā)器)，進行 突然降溫。在脫木質(zhì)素和糖化步驟所得到的提取物，在冷卻后，優(yōu)選在過濾 之后，被輸送到蒸餾塔中，在那里通過提取出較大量的溶劑而將其濃 縮，溶劑被再循環(huán)到工藝過程中。這樣得到的濃縮提取物進入第一傾 析器，在那里它分離成包含木質(zhì)素的下層和定義為濃縮物或含糖液體 的上層；取決于開始的木質(zhì)纖維素材料、糖化反應(yīng)所導(dǎo)致的剩余產(chǎn)物 和移除溶劑后不溶的木質(zhì)素沉淀，濃縮物濃度據(jù)化驗可達35wt%。回收，至少部分脫水或千燥所傾析出的木質(zhì)素，它可用于多種應(yīng) 用，因為當它千燥后具有較低發(fā)熱功率(PCI) (2t4MJ/KG)、低灰份 (0. 30 %)和硫份(0. 14 %)，它可以作為燃料，甚至由于其高的化 學(xué)反應(yīng)性，它也可以作為制造酚醛樹脂的原材料(替代苯酚)。液體經(jīng)過后續(xù)操作后用于回收剩余產(chǎn)物。在液相濃縮前的步驟中，非常重要的是調(diào)節(jié)溶劑提取操作以使 得較小部分的所迷溶劑保留在溶液中，以使木質(zhì)素進入到蒸餾步驟， 這樣就避免了木質(zhì)素在設(shè)備內(nèi)部結(jié)垢，該結(jié)垢現(xiàn)象通常發(fā)生在大多數(shù) 已知工藝中。盡管本方法可在常規(guī)設(shè)備中實施，但是最終經(jīng)過稍微地修改，產(chǎn) 率水平超過現(xiàn)有工藝已知的產(chǎn)率水平，使用專門為實施本方法而開發(fā) 的反應(yīng)器IO，得到了最好的結(jié)果。根據(jù)

圖1，水解反應(yīng)器10包含垂直的圓筒狀管狀塔身，其由合適 的金屬材料例如不銹鋼構(gòu)成；在所述反應(yīng)器10的相應(yīng)水平層內(nèi)部裝有 數(shù)個(優(yōu)選6個)水解提取物收集罐11，每個收集罐被限定兩個過濾 支撐環(huán)12之間，優(yōu)選由與所述反應(yīng)器IO相同的材料構(gòu)成，并通過焊 接結(jié)合在塔內(nèi)壁上，所述環(huán)12基本上是水平的并間隔放置。由合適材 料例如不銹鋼所構(gòu)成的圓筒形的過濾網(wǎng)13例如通過螺栓固定在所述 環(huán)12內(nèi)部邊緣，且其泰勒標準篩目數(shù)為16-200，優(yōu)選100。在反應(yīng)器 IO壁上有孔(沒有顯示)，該孔相對于所述過濾網(wǎng)13徑向布置，用 以限定位于每兩個相鄰的環(huán)12之間的盛有反應(yīng)器10內(nèi)部過濾后的水 解提取物的收集罐。木質(zhì)纖維素材料優(yōu)選從反應(yīng)器10頂部的木質(zhì)纖維素材料進料口 14進料，水解溶劑通過多個、優(yōu)選3個水解溶劑進料管15a、 15b、 15c 進料，這些管路與所述進料口 14同心并在其內(nèi)部，從外到內(nèi)長度逐漸 增加，并且其自由端密閉；每個進料管帶有數(shù)個側(cè)噴口 16，以將水解 溶劑徑向噴到所述反應(yīng)器10內(nèi)部不同水平層上的木質(zhì)纖維素材料上，使它們彼此緊密接觸。在反應(yīng)器10外部，在由各自的且相鄰的水解提取物收集罐11的 下部和每對過濾支撐環(huán)12的外部所限定的每兩個區(qū)域中，配有再循環(huán) 收集罐lla，其與水解提取物再循環(huán)回路連接，每個再循環(huán)回路由再 循環(huán)泵20的吸入管21形成；循環(huán)泵的排放管22分別輸送部分水解提 取物進入各自的水解溶劑進料管15a、 15b、 15c。這樣的構(gòu)造避免了 對再循環(huán)的提取物進行過濾，且再循環(huán)的提取物可以含有顆粒和仍未 水解的木質(zhì)纖維素材料，且不必受到由圓筒狀過濾網(wǎng)13所施加的流量 限制。另一方面，每兩個收集罐11連接出口管18，出口管18帶有流量 控制設(shè)備19例如控制閥。水解反應(yīng)器IO還配有數(shù)個加熱蒸汽入口 17， 17布置在反應(yīng)器10 不同的水平層上，將蒸汽直接注入反應(yīng)器10內(nèi)部，注入位于兩個相鄰 的環(huán)12之間和過濾網(wǎng)13與所述反應(yīng)器IO外壁之間的空間。上面描述的水解反應(yīng)器10溢流操作，液體介質(zhì)至少要淹沒最上部的收集罐ll，這樣的液位保持恒定， 一旦水解過程連續(xù)進行，進入反應(yīng)器10的木質(zhì)纖維素材料和水解溶劑的總進料基本上等于從出口管 18取出的產(chǎn)物的體積。根據(jù)以上所公開的結(jié)構(gòu)，反應(yīng)器10必須從進行初始溢流，水解溶 劑進料到反應(yīng)器中直到達到理想的液位。隨后，分別通過進料口 14 和進料管15a、15b和15c將木質(zhì)纖維素材料和水解溶劑進料到反應(yīng)器 10，由此開始本工藝。蒸汽通過加熱蒸汽入口 17直接注入反應(yīng)器內(nèi)部，在較低水平層允 許減少醇的含量，但不是必須的，因為所有的木質(zhì)素(使用醇的原因) 已經(jīng)被溶解并從纖維中提取出來，且將水和酸的含量進一步增加到更 有利于纖維素水解的值，該組分在這些水平層上被濃縮。隨著木質(zhì)纖維素材料在反應(yīng)器10內(nèi)部向下運動，它受到由噴淋口 16噴出的水解溶劑的洗滌，纖維素部分水解形成糖，而木質(zhì)素被溶解， 得到的液體共混物被定義為水解提取物，它通過數(shù)個收集罐11和管路 18被輸送到反應(yīng)器10外，這樣得到的是過濾后的水解提取物流體， 換句話說就是基本上不含有固體材料； 一旦固體材料，包括受到半攻 擊的材料，被過濾網(wǎng)13所保留，它由于水解溶劑液體流的攪動驅(qū)使而 離開過濾網(wǎng)，返回到反應(yīng)介質(zhì)中。植物的礦物質(zhì)組成成分隨著植物被 溶解而分離并沉積在反應(yīng)器10的底部。如以上所述，將在反應(yīng)器10的特定水平層上得到的水解提取物通 過相應(yīng)的管路18導(dǎo)到反應(yīng)器外部，并將部分在反應(yīng)器其他水平層上取 出的水解提取物通過相應(yīng)的吸入導(dǎo)管21、循環(huán)泵20和排放管22進行 再循環(huán)，并分別通過水解溶劑進料管15a、 15b、 15c再次進入反應(yīng)器 10。這樣，不含反應(yīng)酸的水解提取物稀釋了新的水解溶劑，將其酸濃 度調(diào)節(jié)至與在反應(yīng)器10的對應(yīng)水平層上進料的原材料的纖維素部分發(fā)生反應(yīng)所嚴格需要的濃度。水解提取物的未循環(huán)部分通過相應(yīng)的出口管18取出，以經(jīng)過突然 降溫并隨后通過蒸發(fā)溶劑而濃縮，這樣濃縮的水解提取物被導(dǎo)入到后續(xù)工藝。為反應(yīng)器10所提出的構(gòu)造是優(yōu)選的，因為它贏在制造和安裝費用 低但操作性能高；且由于其規(guī)格通常為終端產(chǎn)品所接受，它通常用于 木質(zhì)纖維素原材料的處理。然而，由于原材料或最終產(chǎn)物的具體要求，水解反應(yīng)器可以進行 幾種改動，例凟口-降低或增加水解提取物收集罐的數(shù)目；-每個水解提取物收集罐可以配有數(shù)個反應(yīng)器出口 ，這些出口通過 相應(yīng)的收集器與液相回路連接；-每個水解提取物收集罐上部的過濾支撐環(huán)的直徑可以更大，以使 相應(yīng)的過濾網(wǎng)向下傾斜，以便于二氧化硅落下；-每個水解提取物收集罐可以與單獨的流體回路連接，因此配有水 解溶劑進料管和單獨的反應(yīng)器出口管；和-每個液相回路可以連接3個或更多的水解提取物收集罐。為了允許零星地取出沉積在反應(yīng)器10底部的二氧化硅和其它不 溶的固體，在反應(yīng)器10的內(nèi)部配有排放口 3.雖然用于本文所提出的方法的水解反應(yīng)器10可以由例如不銹鋼 316 L制成，但由于反應(yīng)器使用非常稀的硫酸，如果需要，其結(jié)構(gòu)材 料可以是涂覆有保護性金屬例如鈮、鈦或鋯的碳鋼。
權(quán)利要求
1.用于木質(zhì)纖維素材料快速酸水解方法的改進，所述材料存在纖維素部分和木質(zhì)素部分，所述方法包括以下步驟(a)預(yù)加熱的和粉碎的木質(zhì)纖維素材料的均勻流在反應(yīng)器頂部連續(xù)進料到加壓反應(yīng)器(10)；(b)使所述木質(zhì)纖維素材料在反應(yīng)器(10)的不同水平層與數(shù)個水解溶劑(hydrossolvent)體系流接觸，該水解溶劑體系包含較大部分的木質(zhì)素有機溶劑和水，以及較小部分的非常稀的強無機酸溶液，以同時溶解木質(zhì)素并與纖維素材料反應(yīng)，得到水解提取物形式的液相和固相，其中所述水解提取物形式的液相包含纖維素部分的反應(yīng)產(chǎn)物和木質(zhì)素溶液，所述固相包含未反應(yīng)和未溶解的材料；(c)以將所述固相沉積在反應(yīng)器(10)底部的方式保留所述固相；所述方法的特征在于它還包括如下附加步驟(d)在反應(yīng)器不同的水平層注入受控的蒸汽流，調(diào)節(jié)其溫度至合意值，并將由該蒸汽得到的冷凝物與水解溶劑流混合，以在所述反應(yīng)器的所述水平層上提供有機溶劑和強無機酸的溫度，該溫度足以溶解木質(zhì)素并使存在于所述反應(yīng)器各個水平層上的纖維素材料與水反應(yīng)(水解)，生成所希望的產(chǎn)物(糖)；(e)將在步驟(b)得到的液相的受控流在反應(yīng)器(10)的不同水平層進行再循環(huán)，并混入所述水解溶劑流，以在所述反應(yīng)器的所述水平層上提供有機溶劑和強無機酸的濃度，該濃度足以使所述纖維素材料反應(yīng)并足以溶解存在于所述反應(yīng)器各個水平層上的木質(zhì)素；(f)直接從反應(yīng)器(10)的所述水平層上取出所述液相的剩余部分，使其在反應(yīng)器(10)的出口突然降溫，以這樣的方式避免纖維素部分的所述反應(yīng)產(chǎn)物的分解反應(yīng)，并通過蒸發(fā)溶劑得到纖維素部分的反應(yīng)產(chǎn)物的濃縮物和木質(zhì)素的濃縮物；(g)通過傾析轉(zhuǎn)移所述木質(zhì)素；和(h)將所述纖維素部分的反應(yīng)產(chǎn)物的濃縮物轉(zhuǎn)移到后續(xù)工藝步驟。
2. 如權(quán)利要求1所述的改進，其特征在于混入所述液相再循環(huán)流 的水解溶劑體系以徑向流與所述木質(zhì)纖維素材料接觸。
3. 如權(quán)利要求1所述的改進，其特征在于所述水解溶劑體系包 含40-90體積％的有機溶劑，該有機溶劑選自1-4個碳原子的醇、 2-6個碳原子的酮等、或它們的混合物；10-60體積％的水；和強酸， 該強酸選自硫酸、氯酸、磷酸等、或它們的混合物，所迷酸的量使所 述水解溶劑體系中所述酸的濃度為0.01-0.1 N。
4. 如權(quán)利要求1所述的改進，其特征在于所迷水解溶劑體系包 含50-80體積％的有機溶劑，該有機溶劑選自甲醇、乙醇、丙酮等、 或它們的混合物；20-50體積％的水；和硫酸，其量使所迷水解溶劑 中所述酸的濃度為0.01-0.05 N。
5. 如權(quán)利要求1所述的改進，其特征在于所述有機溶劑包括乙醇。
6. 如權(quán)利要求1所述的改進，其特征在于反應(yīng)器(10)的壓力是 20-40bar,并優(yōu)選20-30bar。
7. 如權(quán)利要求1所述的改進，其特征在于所述木質(zhì)纖維素材料的 進料在80-180。C下，并優(yōu)選在100-150t:下進行。
8. 如權(quán)利要求1所述的改進，其特征在于反應(yīng)器(10)的數(shù)個水 平層的溫度是160-250 X:，并優(yōu)選180-190°C。
9. 水解反應(yīng)器的改進，所述反應(yīng)器用以進行權(quán)利要求1-8中任一項所定義的水解方法中的脫木質(zhì)素作用和糖化作用，所述反應(yīng)器包括 在不同水平層配有數(shù)個水解提取物收集罐(captations ) (11、 lla)的垂直筒狀塔身；上部的木質(zhì)纖維素材料進料口 14;數(shù)個水解溶劑進 料管15a、 15b、 15c，每個進料管進料到反應(yīng)器(10)的確定的水平 層；數(shù)個水解提取物再循環(huán)回路(20， 21， 22),每個回路將至少一 個水解提取物收集罐(lla)與各自的水解溶劑進料管(15a、 15b、 Ik) 連接；和水解提取物出口管(18)，其連接到至少一個水解提取物收集罐(ll)，以將所述水解提取物的受控的部分引導(dǎo)至后續(xù)工藝步驟,其特征在于所述反應(yīng)具有數(shù)個確定流量的加熱蒸汽入口 (17)，每個 被安置在反應(yīng)器10的所述水平層之一上。
10. 如權(quán)利要求9所述的改進，其特征在于每個水解提取物收集 罐(11)被限定在兩個基本上水平的過濾器支撐環(huán)(12)之間，這兩 個環(huán)(12)被平行地間隔地固定在反應(yīng)器(10)的內(nèi)壁，并支撐固定 于其內(nèi)部邊緣的圓筒狀過濾網(wǎng)(13)，每個收集罐(11)被所述反應(yīng) 器(10)壁上徑向的孔所限定。
11. 如權(quán)利要求IO所述的改進，其特征在于在反應(yīng)器(10)的不 同水平層的每個水平層中，所述加熱蒸汽入口 (U)位于每兩個相鄰 的過濾器支撐環(huán)(12)之間。
12. 如權(quán)利要求9所述的改進，其特征在于每個水解提取物再循 環(huán)回路(2D， 21， 22)包舍將各個水解提取物收集罐(lla)連接至再 循環(huán)泵(20)的吸入管(21)和將再循環(huán)泵(20)連接至各個水解溶 劑進料管U5a、 15b、 15c)的排放管(22)。
13. 如權(quán)利要求12所述的改進，其特征在于所述水解提取物再循 環(huán)收集罐(lla )位于相應(yīng)的且相鄰的水解提取物收集罐(n)的下方， 并位于每對過濾器支撐環(huán)(12)的外側(cè)。
全文摘要
對木質(zhì)纖維素材料快速酸水解的方法和水解反應(yīng)器的改進，所述木質(zhì)纖維素材料在反應(yīng)器(10)的不同水平層進料，并與木質(zhì)素有機溶劑、水和極稀的強無機酸溶液接觸，以得到液相的水解提取物和固相的未反應(yīng)和未溶解的材料。將受控的蒸汽流體注入反應(yīng)器(10)的不同的水平層，以提供有機溶劑和強無機酸的足夠的溫度，并生成所希望的產(chǎn)物(糖)。液相流在反應(yīng)器(10)不同的水平層上再循環(huán)，其剩余部分從反應(yīng)器(10)取出，經(jīng)溶劑蒸發(fā)而突然冷卻以得到濃縮物。通過傾析轉(zhuǎn)移木質(zhì)素，而濃縮物被轉(zhuǎn)移到后續(xù)工藝步驟。
文檔編號C13K1/02GK101223288SQ200680026130
公開日2008年7月16日 申請日期2006年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月1日
發(fā)明者A·G·P·希爾斯特 申請人:德迪尼基礎(chǔ)工業(yè)公司