超声微波耦合超重力及木质素降解的反应系统、方法技术方案

本申请提供一种超声微波耦合超重力及木质素降解的反应系统、方法，该超声微波耦合超重力反应系统，包括：超重力反应装置以及循环罐，所述超重力反应装置包括：具有容纳腔的壳体、超重力单元和微波馈入单元；所述微波馈入单元可向所述容纳腔内馈入微波，所述超重力单元可将液体剪切为微纳尺度的液体微元；所述循环罐上设置超声馈入单元，所述超声馈入单元可向所述循环罐馈入超声。本申请通过超重力、微波和超声之间的协同作用，能够大幅提高降解速率和降解效率，并且操作工艺简单，反应条件温和，能量利用率高，无需使用有机溶剂，而且可以通过离心循环利用催化剂，具有经济和环保双重效应。

Reaction System and Method of Ultrasound-Microwave Coupled High Gravity and Lignin Degradation

The application provides a reaction system and method of ultrasound-microwave coupled hypergravity and lignin degradation, which includes a hypergravity reaction device and a circulating tank. The hypergravity reaction device includes a shell with a cavity, a hypergravity unit and a microwave feeding unit. The microwave feeding unit can feed microwave into the cavity. The supergravity unit can shear the liquid into micro- and nano-scale liquid micro-elements; an ultrasonic feeding unit is arranged on the circulating tank, and the ultrasonic feeding unit can feed the ultrasound into the circulating tank. Through the synergistic effect of high gravity, microwave and ultrasound, the application can greatly improve the degradation rate and efficiency, and has the advantages of simple operation, mild reaction conditions, high energy utilization, no need to use organic solvents, and the catalyst can be recycled through centrifugation, which has the dual effects of economy and environmental protection.

【技术实现步骤摘要】
超声微波耦合超重力及木质素降解的反应系统、方法
本申请涉及反应器
更具体地，涉及一种超声微波耦合超重力及木质素降解的反应系统、方法。
技术介绍
木质素是一种由苯丙烷单元通过醚键和碳碳键连接的复杂的非结晶性三维网状的高聚物，是自然界中唯一能提供可再生芳基化合物的非石油资源。木质素每年都以600亿吨的速度再生，因而是极具潜力的可再生资源。木质素的降解方法有很多种，如酸解、醇解、氢解、热解、氧化降解及酶解等，但研究最多的还是氢解、热裂解、氧化断裂。但是由于木质素分子内部致密的网状芳环结构、复杂的化学键合方式以及氢键的作用，使得用搅拌反应釜进行木质素解聚存在温度高、反应条件苛刻、时间长、传热传质不畅、催化剂与木质素接触面小、能量利用率低等问题，最终导致木质素解聚效率低、产物收率低、易结焦等不足。申请内容为了解决目前木质素降解体系中存在的诸多不足，本申请提供一种超声微波耦合超重力反应系统、超声微波耦合超重力的木质素降解反应系统及方法，该反应系统在常规超重力反应器的基础上，通过设置作用于容纳腔的微波馈入单元使得超重力与微波协调作用，超重力单元具有极高的传质和分散效果，能够将液体切割为微纳尺度的液滴，在容纳腔中的微波一方面能够使分子通过吸收微波直接加热，加热的分子动能提高，分子振动速率加快，配合超重力单元的分散效果，使雾化为微纳尺度的液滴进行分子级别的混合和碰撞，进一步提高整个装置的分散混合效果，使得反应装置具有极高的分散和混合效果，经过超重力和微波耦合后的气体以微纳级别的气泡存在于液体中，另一方面微波具有穿透性和选择性及瞬间加热作用，它不会使吸附者的有机层明显升温，而却可直接与催化剂表面的点位作用，控制微波脉冲的占空比可以控制所要达到的温度，并使产物脱附和减少不想要的副反应发生；通过在循环罐上设置超声馈入单元可以强化固液或气液的分散，配合超重力单元和微波馈入单元，由于气体在液体中分散性好，气体气泡达到微纳级别，进而被超声的机械振动溢出液体的难度提高，弥补了超声导致的气体在液体中停留时间短的缺点，此外本申请中的木质素降解反应系统及方法，通过上述超重力、微波和超声之间的协同作用，能够大幅提高降解速率和降解效率，并且操作工艺简单，反应条件温和，能量利用率高，无需使用有机溶剂，而且可以通过离心循环利用催化剂，具有经济和环保双重效应。本申请第一方面实施例提供一种超声微波耦合超重力反应系统，包括：超重力反应装置以及循环罐，其中，所述超重力反应装置的进口与循环罐的出口连通，出口与循环罐的进口连通，进而与循环罐共同形成循环体系；其中，所述超重力反应装置包括：具有容纳腔的壳体、超重力单元和微波馈入单元；所述微波馈入单元可向所述容纳腔内馈入微波，所述超重力单元可将液体剪切为微纳尺度的液体微元；所述循环罐上设置超声馈入单元，所述超声馈入单元可向所述循环罐馈入超声。在一些优选实施例中，所述超重力单元包括：转轴，通过电机带动旋转；转子外壳，其中心与所述转轴置于所述容纳腔的端部结合固定；填料，置于所述转子外壳内的容腔中，所述填料的中心具有空腔；以及液体分布器，插入所述填料中心的空腔中，并与所述循环罐连通设置；或者，所述超重力单元包括：转轴，通过电机带动旋转；嵌套在一起的动转子和定转子，所述动转子与所述转轴置于所述容纳腔的端部结合固定；其中，所述动转子和定转子的中央具有空腔，并且具有相互配合的立柱；以及液体分布器，插入所述动转子和定转子的空腔中，并与所述循环罐连通设置。在一些优选实施例中，所述微波馈入单元包括：若干微波馈入探头，固定在对应所述壳体侧壁上；和/或，所述超声馈入单元包括：若干超声馈入探头，固定在所述循环罐的罐体侧壁上。本申请第二方面提供一种超声微波耦合超重力的木质素降解反应系统，包括：反应气源、超重力反应装置及循环罐；所述超重力反应装置的气体进口与所述反应气源连通，液体进口与循环罐的出口连通，液体出口与循环罐的进口连通，进而与循环罐共同形成循环体系；所述循环罐中包括有木质素、微纳尺度的催化剂颗粒以及碱液混合形成的混合反应物；其中，所述超重力反应装置包括：具有容纳腔的壳体、超重力单元和微波馈入单元；所述微波馈入单元可向所述容纳腔内馈入微波，所述超重力单元可将液体剪切为微纳尺度的液体微元；所述循环罐上设置超声馈入单元，所述超声馈入单元可向所述循环罐馈入超声。在一些优选实施例中，所述超重力单元包括：转轴，通过电机带动旋转；转子外壳，其中心与所述转轴置于所述容纳腔的端部结合固定；填料，置于所述转子外壳内的容腔中，所述填料的中心具有空腔；以及液体分布器，插入所述填料中心的空腔中，并与所述循环罐连通设置；或者，所述超重力单元包括：转轴，通过电机带动旋转；嵌套在一起的动转子和定转子，所述动转子与所述转轴置于所述容纳腔的端部结合固定；其中，所述动转子和定转子的中央具有空腔，并且具有相互配合的立柱；以及液体分布器，插入所述动转子和定转子的空腔中，并与所述循环罐连通设置。在一些优选实施例中，所述微波馈入单元包括：若干微波馈入探头，固定在对应所述壳体侧壁上；和/或，所述超声馈入单元包括：若干超声馈入探头，固定在所述循环罐的罐体侧壁上。在一些优选实施例中，所述反应气源为氧气或者氢气，所述木质素通过氧化反应或者加氢裂解反应降解。本申请第三方面实施例提供一种超声微波耦合超重力的木质素降解反应方法，包括：向循环罐中加入木质素、微纳尺度的催化剂颗粒以及碱液共同形成混合反应物，并启动设置在该循环罐侧壁上的超声探头；将反应气体持续通入开启的超重力反应装置，并启动设置在所述超重力反应装置的壳体侧壁上的微波探头；将循环罐中的混合反应物泵入开启的所述超重力反应装置，并与该超重力反应装置共同形成循环体系；其中，所述混合反应物经过氧化或者加氢裂解生成芳香族化合物产品；反应设定时长后，获得所述芳香族化合物粗产品，所述芳香族化合物粗产品中包括有芳香族化合物纯净产物。在一些优选实施例中，所述反应气体为氧气，所述混合反应物经过氧化反应生成所述芳香族化合物粗产品；或者，所述反应气体为氢气，所述混合反应物通过加氢裂解反应生成所述芳香族化合物粗产品。在一些优选实施例中，所述方法还包括：反应设定时长后，调节所述芳香族化合物粗产品的酸碱度为1-3；通过离心获得上清液；对所述上清液进行萃取处理和旋蒸处理，获得所述芳香族化合物纯净产物。本申请的有益效果如下：本申请提供一种超声微波耦合超重力反应系统、超声微波耦合超重力的木质素降解反应系统及方法，该反应系统在常规超重力反应器的基础上，通过设置作用于容纳腔的微波馈入单元使得超重力与微波协调作用，一方面超重力单元具有极高的传质和分散效果，能够将液体切割为微纳尺度的液滴，在容纳腔中的微波一方面能够使分子通过吸收微波直接加热，加热的分子动能提高，分子振动速率加快，配合超重力单元的分散效果，使雾化为微纳尺度的液滴进行分子级别的混合和碰撞，进一步提高整个装置的分散混合效果，使得反应装置具有极高的分散和混合效果，经过超重力和微波耦合后的气体以微纳级别的气泡存在于液体中，另一方面微波具有穿透性和选择性及瞬间加热作用，它不会使吸附者的有机层明显升温，而却可直接与催化剂表面的点位作用，控制微波脉冲的占空比可以控制所要达到的温度，并使产物脱附和减本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声微波耦合超重力反应系统，其特征在于，包括：超重力反应装置以及循环罐，其中，所述超重力反应装置的进口与循环罐的出口连通，出口与循环罐的进口连通，进而与循环罐共同形成循环体系；其中，所述超重力反应装置包括：具有容纳腔的壳体、超重力单元和微波馈入单元；所述微波馈入单元可向所述容纳腔内馈入微波，所述超重力单元可将液体剪切为微纳尺度的液体微元；所述循环罐上设置超声馈入单元，所述超声馈入单元可向所述循环罐馈入超声。

【技术特征摘要】
1.一种超声微波耦合超重力反应系统，其特征在于，包括：超重力反应装置以及循环罐，其中，所述超重力反应装置的进口与循环罐的出口连通，出口与循环罐的进口连通，进而与循环罐共同形成循环体系；其中，所述超重力反应装置包括：具有容纳腔的壳体、超重力单元和微波馈入单元；所述微波馈入单元可向所述容纳腔内馈入微波，所述超重力单元可将液体剪切为微纳尺度的液体微元；所述循环罐上设置超声馈入单元，所述超声馈入单元可向所述循环罐馈入超声。2.根据权利要求1所述的超声微波耦合超重力反应系统，其特征在于，所述超重力单元包括：转轴，通过电机带动旋转；转子外壳，其中心与所述转轴置于所述容纳腔的端部结合固定；填料，置于所述转子外壳内的容腔中，所述填料的中心具有空腔；以及液体分布器，插入所述填料中心的空腔中，并与所述循环罐连通设置；或者，所述超重力单元包括：转轴，通过电机带动旋转；嵌套在一起的动转子和定转子，所述动转子与所述转轴置于所述容纳腔的端部结合固定；其中，所述动转子和定转子的中央具有空腔，并且具有相互配合的立柱；以及液体分布器，插入所述动转子和定转子的空腔中，并与所述循环罐连通设置。3.根据权利要求1所述的超声微波耦合超重力反应系统，其特征在于，所述微波馈入单元包括：若干微波馈入探头，固定在对应所述壳体侧壁上；和/或，所述超声馈入单元包括：若干超声馈入探头，固定在所述循环罐的罐体侧壁上。4.一种超声微波耦合超重力的木质素降解反应系统，其特征在于，包括：反应气源、超重力反应装置及循环罐；所述超重力反应装置的气体进口与所述反应气源连通，液体进口与循环罐的出口连通，液体出口与循环罐的进口连通，进而与循环罐共同形成循环体系；所述循环罐中包括有木质素、微纳尺度的催化剂颗粒以及碱液混合形成的混合反应物；其中，所述超重力反应装置包括：具有容纳腔的壳体、超重力单元和微波馈入单元；所述微波馈入单元可向所述容纳腔内馈入微波，所述超重力单元可将液体剪切为微纳尺度的液体微元；所述循环罐上设置超声馈入单元，所述超声馈入单元可向所述循环罐馈入超声。5.根据权利要求4所述的木质素降解反应系统，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙宝昌，钟舒琦，初广文，罗勇，邹海魁，张亮亮，陈建峰，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11