一种利用碳基固体酸催化剂两步水解生物质的反应系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种利用碳基固体酸催化剂两步水解生物质的反应系统，包括第一储水罐、第二储水罐、固液预混罐、水解反应器、导热油罐、五碳糖储罐和六碳糖储罐，利用碳基固体酸为催化剂，通过两步反应实现生物质物料完全水解得到木糖/木聚糖和葡萄糖/葡萄糖的反应系统。该系统的使用，可以在减少反应过程中的操作强度的情况下实现生物质物料的两步水解，而且对反应装置不造成腐蚀，后续废液无需进行中和处理，减少了操作费用；反应后对水解液的热量进行回收，减少了系统总热量的投入。

【技术实现步骤摘要】
一种利用碳基固体酸催化剂两步水解生物质的反应系统
本技术涉及催化生物质原料水解装置的
，具体涉及一种利用碳基固体酸催化剂两步水解生物质的反应系统。
技术介绍
木质纤维素类生物质是地球上唯一一种可转化为气、液、固三相燃料的含碳可再生资源，也是人类社会最早利用的燃料资源。如何实现其高效转化以制备燃料，是有效替代当今社会中化石燃料利用的关键所在，因此，其转化利用技术受到了世界各国的广泛关注。将木质纤维素类生物质原料中的半纤维素和纤维素转化为糖，是将其转化为燃料乙醇、燃料丁醇以及平台化合物的第一步，其转化效率的高低关乎到后续产品的品质、投入产出比以及整个过程的能耗。液态酸水解是开发使用最早的水解糖化方法，适用于该方法的反应装置主要可以分为：间歇式反应器、错流床反应器、活塞流式反应器、连续式反应器等。随着制作技艺技术的不断提高，反应器的构造越来越复杂，操作越来越简便。但是，液态酸本身的腐蚀性是反应器设计制作的重要障碍，反应器的材质必须要满足耐酸腐蚀的要求。随着生物技术的不断发展，酶水解技术也得到了相应地提高。但是，酶水解反应过程相对简单，其反应装置以间歇式反应器为主。碱对生物质物料中的木质素成分具有很好的溶解作用，通过碱液对生物质物料进行水解处理，不仅可以有效的去除其中的木质素成分，而且对物料的结构可以实现破坏，以提高后续酶水解的水解效率。碳基固体酸催化剂在生物质水解中应用的新型催化剂，具有与液态酸相仿的催化效果，但其反应中不仅不对反应器造成腐蚀，而且反应之后还可以回收利用，受到了人们的关注。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种碳基固体酸催化剂两步水解生物质的反应系统，本技术中通过该系统可以在不转移物料的情况下对生物质物料实现两步水解并且对反应后的水解液进行热量回收。本技术是通过以下技术方案予以实现的：本技术提出一种利用碳基固体酸催化剂两步水解生物质的反应系统，包括第一储水罐、第二储水罐、固液预混罐、水解反应器、导热油罐、五碳糖储罐和六碳糖储罐，所述第一储水罐顶部设置有第一进水口，底部设置有第一出水口，所述第二储水罐顶部设置有第二进水口，底部设置有第二出水口，所述第二储水罐的第二出水口与所述第一储水罐的第一进水口连通，所述第一出水口与所述固液预混罐顶部设置的第三进水口连通；所述固液预混罐顶部设置有用于加入碳基固体酸催化剂的第一物料进口和用于加入生物质物料的第二物料进口，底部设置有物料出口，所述物料出口与所述水解反应器顶部的物料入口连通，所述水解反应器顶部设置有蒸汽入口；所述水解反应器外部设置有盘管加热层，所述导热油罐与所述盘管加热层连通，所述第一储水罐内部设置有第一螺旋盘管，所述第二储水罐内部设置有第二螺旋盘管，所述水解反应器底部设置有固液分离装置，所述固液分离装置的液体出口与所述第一螺旋盘管连通，所述第一螺旋盘管与所述第二螺旋盘管连通，所述第二螺旋盘管与所述五碳糖储罐和所述六碳糖储罐分别连通。本申请中，所述第一储水罐和所述第二储水罐为相同的结构的两个储罐，其主体为圆柱体结构，上下为球形封头，上部球形封头设有放空阀，内部有螺旋盘管，外部有保温层。反应之后的水解液经由第一储水罐到第二储水罐，水解液在第一储水罐和第二储水罐内部的螺旋盘管中流动，反应所需的水在壳层中与水解液进行热量交换。在本申请中，水解反应器为实现固体酸催化剂催化生物质物料进行水解反应的反应器，其主体为圆柱体结构，上下为球形封头。在水解反应器上部球形封头上设有浆料(生物质物料、固体酸催化剂和水的混合浆料)加料口，与螺杆泵链接、蒸汽加料口、放空口以及压力表；在其中轴线设置搅拌器，用于固体和液体物料均匀混合；外部设有导热油盘管加热层，用于反应时对反应器内反应物料进行加热；盘管加热层外包裹保温层，以减少反应过程中的热量损失；在水解反应器下部的球形封头上设有固液分离器，用于反应后对反应器中的液体物料分离后排出反应器，其末端与管道泵连接；固液分离器的末端与水解反应器排放阀连接，用于反应后将固体物料排出装置。优选地，所述固液分离装置底部设置有水解反应器排放阀，所述水解反应器排放阀与用于分离反应后的生物质物料及碳基固体酸催化剂的固固分离器连接，通过所述固固分离器，回收碳基固体酸催化剂。固固分离器的设置用于催化剂的回收利用。优选地，所述导热油罐设置有用于提供热源的电加热器和测定所述水解反应器温度的导热油罐测温点。导热油罐为向水解反应器提供热量的主要供应源，内部设置电加热器，用于导热油的加热；末端与管道泵链接，用于向水解反应器导热油盘管加热层输送热导热油；上部设置有导热油回收口，导热油为循环使用。优选地，所述水解反应器内部还设置有内衬，所述水解反应器为不锈钢材质，所述内衬为四氟乙烯材质。水解反应器是以316L型号的不锈钢为材质制造的耐压圆柱形反应器。优选地，所述水解反应器内部设置有用于搅拌固液物料的搅拌器，所述搅拌器顶部设置有用于驱动所述搅拌器的水解反应器搅拌电机。优选地，所述水解反应器顶部设置有用于测定所述水解反应器内部压力的压力表。优选地，所述固液分离装置与所述水解反应器可拆卸连接。在本申请中，固液分离装置为固液分离器。优选地，所述水解反应器外部设置有若干个测温点。优选地，该反应系统还包括用于控制反应系统电控装置的控制系统，用于控制系统中的管道阀门、泵、电机、加热器等所有可以通过电控的装置以及链接热电偶对温度监测和设定，对于连接在水解反应器中的热电偶，只起到温度监测的作用。本技术的有益效果在于：(1)本技术利用了生物质中半纤维素和纤维素成分水解难易程度的不同，第一步是在较为温和的反应条件下，利用碳基固体酸对生物质物料中的半纤维素成分进行较为充分的水解；排除第一步水解液后，重新加入水作为反应液体，提高反应强度，对物料中的纤维素成分进行充分水解，通过两步水解反应，分别得到富含木糖和葡萄糖的水解液；使用该方法对生物质物料进行水解，只需添加一次固体物料，可以有效减少操作步骤，另外，第一步处理后的物料，其已经破坏的结构没有因放置或干燥一段时间而重新闭合，对第二步水解反应具有较好的推动作用；(2)本技术使用碳基固体酸作为催化剂，不仅对不锈钢设备的腐蚀性小，而且所产生的废液酸度低，可以有效减少后续废液的处理压力，属于环境友好的化工过程。附图说明图1是本技术实施例1～5利用碳基固体酸催化剂两步水解生物质的反应系统结构示意图；附图标记：1.第二储水罐，2.第一储水罐、3.固液预混罐、4.水解反应器、5.导热油罐、6.五碳糖储罐、7.六碳糖储罐、8.固固分离器、9.螺杆泵、10.第一管道泵、11.第二管道泵、12.预混罐搅拌电机、13.水解反应器搅拌电机、14.压力表、15.第一管道阀门、16.放空阀、17.第二管道阀门、18.第三管道阀门、19.第四管道阀门、20.第五管道阀门、21.第六管道阀门、22.混合液排放阀、23.水解反应器排放阀、24.测温点、25.固液分离器、26.电加热器、27.盘管加热层、28.第一保温层、29.第二保温层、30.过滤器、31.单向阀、32.搅拌器、33.控制系统、34.排液阀、35.蒸汽流量计。具体实施方式以下是对本技术的进一步说明，而不是对本技术的限制。除特别说明，本技术使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用碳基固体酸催化剂两步水解生物质的反应系统，其特征在于，包括第一储水罐、第二储水罐、固液预混罐、水解反应器、导热油罐、五碳糖储罐和六碳糖储罐，所述第一储水罐顶部设置有第一进水口，底部设置有第一出水口，所述第二储水罐顶部设置有第二进水口，底部设置有第二出水口，所述第二储水罐的第二出水口与所述第一储水罐的第一进水口连通，所述第一出水口与所述固液预混罐顶部设置的第三进水口连通；所述固液预混罐顶部设置有用于加入碳基固体酸催化剂的第一物料进口和用于加入生物质物料的第二物料进口，底部设置有物料出口，所述物料出口与所述水解反应器顶部的物料入口连通，所述水解反应器顶部设置有蒸汽入口；所述水解反应器外部设置有盘管加热层，所述导热油罐与所述盘管加热层连通，所述第一储水罐内部设置有第一螺旋盘管，所述第二储水罐内部设置有第二螺旋盘管，所述水解反应器底部设置有固液分离装置，所述固液分离装置的液体出口与所述第一螺旋盘管连通，所述第一螺旋盘管与所述第二螺旋盘管连通，所述第二螺旋盘管与所述五碳糖储罐和所述六碳糖储罐分别连通。

【技术特征摘要】
1.一种利用碳基固体酸催化剂两步水解生物质的反应系统，其特征在于，包括第一储水罐、第二储水罐、固液预混罐、水解反应器、导热油罐、五碳糖储罐和六碳糖储罐，所述第一储水罐顶部设置有第一进水口，底部设置有第一出水口，所述第二储水罐顶部设置有第二进水口，底部设置有第二出水口，所述第二储水罐的第二出水口与所述第一储水罐的第一进水口连通，所述第一出水口与所述固液预混罐顶部设置的第三进水口连通；所述固液预混罐顶部设置有用于加入碳基固体酸催化剂的第一物料进口和用于加入生物质物料的第二物料进口，底部设置有物料出口，所述物料出口与所述水解反应器顶部的物料入口连通，所述水解反应器顶部设置有蒸汽入口；所述水解反应器外部设置有盘管加热层，所述导热油罐与所述盘管加热层连通，所述第一储水罐内部设置有第一螺旋盘管，所述第二储水罐内部设置有第二螺旋盘管，所述水解反应器底部设置有固液分离装置，所述固液分离装置的液体出口与所述第一螺旋盘管连通，所述第一螺旋盘管与所述第二螺旋盘管连通，所述第二螺旋盘管与所述五碳糖储罐和所述六碳糖储罐分别连通。2.根据权利要求1所述利用碳基固体酸催化剂两步水解生物质的反应系统，其特征在于：所述固液分离装置底部设置有水解反应器排放阀，所述水解反应器排放阀与用于分离反应后的生物质物料及碳基固...

【专利技术属性】
技术研发人员：亓伟，张续成，王琼，谭雪松，王闻，余强，庄新姝，袁振宏，王忠铭，
申请(专利权)人：中国科学院广州能源研究所，
类型：新型
国别省市：广东,44