用于制取糠醛的两段式反应器及方法技术

本发明专利技术公开用于制取糠醛的两段式反应器及方法，所述反应器本体中设有隔板，所述隔板将反应器本体上下分为第一段反应腔室和第二段反应腔室；第一段反应腔室用于实现五碳糖类和六碳糖类的水解；第二段反应腔室用于将第一段反应腔室中的料液转化为糠醛；反应器本体的形状为柱状，第一段反应腔室的高度为第二段反应腔室高度的0.1～0.5倍；反应器本体在第一段反应腔室的下部设有进料口，进料口处设有进料泵，反应器本体在第二段反应腔室的上部设有出料口，隔板上设有将第一段反应腔室和第二段反应腔室连通的通孔。本发明专利技术能够实现六碳糖类和五碳糖类同步向糠醛转化，从而提高单位质量五碳糖、六碳糖混合原料制取糠醛的收率。

Two stage reactor and method for furfural production

【技术实现步骤摘要】
用于制取糠醛的两段式反应器及方法
本专利技术涉及糠醛的制备
，具体涉及用于制取糠醛的两段式反应器及方法。
技术介绍
由木质纤维素生物质制取糠醛是使木质纤维素生物质实现资源化利用的有效方式。但是，工业上，现有的糠醛生产工艺收率低，能耗大，污染高。这些都是影响糠醛行业可持续发展的不利因素。国内外约有70％的糠醛企业采用QuakerOats技术，以批处理的方式进行生产，理论上，五碳糖类脱水生成糠醛的产率可以达到100％，但工业上糠醛最终收率只有理论值的40％左右，所消耗的过热蒸汽量却是糠醛产量的30～50倍，且反应时间相对较长。此外，现有的糠醛生产工艺所采用的反应体系中极易发生副反应，强酸性反应环境、水相介质、高温、较长的反应时间、反应体系中产物种类复杂、与氧气接触等条件都会使糠醛发生聚合、缩合、裂化、树脂化等一系列退化反应。这些副反应会导致糠醛的选择性降低，进而导致糠醛收率降低。常见的用于制取糠醛的原料是玉米芯、燕麦壳等木质纤维素生物质。然而，传统的糠醛制取技术只能利用这类原料中的半纤维素衍生的五碳糖类。事实上，当采用木质纤维素生物质为制取糠醛的原料时，无论是否采用预处理，也无论采用何种预处理方法，得到仅含有五碳糖类的原料是较困难的。半纤维素组分中也含有六碳糖类，即使在预处理过程中纤维素的结构不被破坏，所得到的原料中也混合存在五碳糖类和六碳糖类。因此，如果原料中的六碳糖组分也能向糠醛转化，将会大大提高原料的利用率和单位重量原料的糠醛产率。这一目标的实现需要催化剂和反应介质的革新，使五碳糖类和六碳糖类向糠醛同步转化，以达到较高的糠醛收率，而反应器的设计及反应过程的优化控制也需要探索。此外，如何选用或开发溶剂体系，减缓糠醛分子自身的裂化反应，糠醛分子之间的树脂化反应以及糠醛与反应相中其它有机物之间的聚合反应或缩合反应等副反应，也是提高糠醛收率和选择性需考虑的重要因素。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的在于提供用于制取糠醛的两段式反应器及方法，本专利技术能够实现六碳糖类和五碳糖类同步向糠醛转化，从而提高单位质量五碳糖、六碳糖混合原料制取糠醛的收率。本专利技术采用的技术方案如下：用于制取糠醛的两段式反应器，包括反应器本体，所述反应器本体中设有隔板，所述隔板将反应器本体上下分为第一段反应腔室和第二段反应腔室；第一段反应腔室用于实现五碳糖类和六碳糖类的水解；第二段反应腔室用于将第一段反应腔室中的料液转化为糠醛；反应器本体的形状为柱状，第一段反应腔室的高度为第二段反应腔室高度的0.1～0.5倍；反应器本体在第一段反应腔室的下部设有进料口，进料口处设有进料泵，反应器本体在第二段反应腔室的上部设有出料口，隔板上设有将第一段反应腔室和第二段反应腔室连通的通孔。第一段反应腔室和第二段反应腔室中均装填有填料，所述填料为陶瓷填料、玻璃填料或石英填料中的一种或几种。所述填料的形状为球形或柱状，第一段反应腔室中填料的堆积高度是第一段反应腔室高度的1/4～3/4，第二段反应腔室中填料的堆积高度是第二段反应腔室高度的1/3～4/5；当填料为球形时，球形的填料的直径为2mm-5mm；当填料为圆柱状时，第一段反应腔室中填料的直径为4mm-7mm，高度为6mm-10.5mm；第二段反应腔室中填料的直径为4.5mm-8.5mm，高度为6.5mm-12mm；当填料为棱柱状时，第一段反应腔室中填料的底边长度为4mm-7mm，高度为6mm-10.5mm；第二段反应腔室中填料的底边长度为4.5mm-8.5mm，高度为6.5mm-12mm。反应器本体在第二段反应腔室处设置有背压调节器，背压调节器用于调控反应器本体内的压力；第一段反应腔室和第二段反应腔室均设置有加热和温控装置。基于所述用于制取糠醛的两段式反应器制取糠醛的方法，包括如下过程：对同时含有五碳糖类和六碳糖类的浆液进行离心分离，去除固体不溶物质，所述五碳糖类包括五碳聚糖及五碳单糖，六碳糖类包括六碳聚糖及六碳单糖；然调节浆液中五碳糖类和六碳糖类达到预设浓度，调节浆液为pH中性，得到制取糠醛所需的原料液；向第一段反应腔室和第二段反应腔室中注入惰性气体，将第一段反应腔室和第二段反应腔室预热至设定温度；在原料液中加入催化剂，再将原料液和有机溶剂同时注入第一段反应腔室，在第一段反应腔室中，五碳低聚糖和六碳低聚糖进行水解，五碳低聚糖水解产物为五碳糖单体以及聚合度更低的五碳低聚糖(即水解使得五碳低聚糖的聚合度降低)，六碳低聚糖水解产物为六碳糖单体以及聚合度更低的六碳低聚糖(即水解使得六碳低聚糖的聚合度降低)；第一段反应腔室的混合液进入第二段反应腔室，在第二段反应腔室中，混合液中的五碳低聚糖水解产物、六碳低聚糖水解产物以及原料液中原有的五碳糖单体以及六碳糖单体转化为糠醛。同时含有五碳糖类和六碳糖类的浆液包括木质纤维素生物质水热预处理后的浆液、造纸制浆工业的半纤维素水解废液和/或纤维素乙醇工业的半纤维素水解废液。木质纤维素生物质包括秸秆、玉米芯和燕麦壳中的至少一种。所述有机溶剂为戊内酯、丁内酯、己内酯、壬内酯、辛内酯、十一内酯和十二内酯中的一种或几种；所述有机溶剂与原料液的体积比为(10∶1)～(4∶1)。所述催化剂采用催化剂本身或催化剂的水合物，所述催化剂包括FeCl3、AlBr3、CuSO4、AlCl3、H2SO4、HCl、Al2(SO4)3和Fe2(SO4)3中的一种或几种，当催化剂采用FeCl3、AlBr3、CuSO4、AlCl3、Al2(SO4)3和Fe2(SO4)3中的一种或几种时，催化剂的金属离子浓度为0.01-0.5mol/L；当催化剂采用H2SO4和/或HCl时，催化剂的H+浓度为0.01-0.5mol/L。第一段反应腔室的反应温度为80-110℃，第二段反应腔室的反应温度为160-220℃，将原料液、催化剂和有机溶剂的混合液注入第一段反应腔室后，该混合液自下而上依次流经第一段反应腔室及第二段反应腔室，该混合液流速为1.4-3/h，该流速为混合液线性流速除以第二段反应腔室的高度。浆液中五碳糖类和六碳糖类的总质量为混合液质量的2％-12％。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术用于制取糠醛的两段式反应器将反应器本体通过隔板上下分为第一段反应腔室和第二段反应腔室，反应器本体在第一段反应腔室的下部设有进料口，反应器本体在第二段反应腔室的上部设有出料口，进料口设有泵，该结构的两段式反应器适用于连续式运行，避免了批次反应的繁琐操作。同时，进料口设置在反应器本体的下部，出料口设置在反应器本体的上部，有利于料液在反应器中充分反应，提高糠醛收率。根据制备原料的体积以及原料在第一段反应腔室和第二段反应腔室的反应停留时间，将第一段反应腔室的高度设为第二段反应腔室高度的0.1～0.5倍；第一段反应腔室用于实现五碳糖类和六碳糖类的水解，第二段反应腔室用于将第一段反应腔室中的料液转化为糠醛，因此本专利技术的两段式反应器能够实现六碳糖类和五碳糖类同步向糠醛转化，从而提高单位本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于制取糠醛的两段式反应器，其特征在于，包括反应器本体，所述反应器本体中设有隔板，所述隔板将反应器本体上下分为第一段反应腔室和第二段反应腔室；第一段反应腔室用于实现五碳糖类和六碳糖类的水解；第二段反应腔室用于将第一段反应腔室中的料液转化为糠醛；反应器本体的形状为柱状，第一段反应腔室的高度为第二段反应腔室高度的0.1～0.5倍；反应器本体在第一段反应腔室的下部设有进料口，进料口处设有进料泵，反应器本体在第二段反应腔室的上部设有出料口，隔板上设有将第一段反应腔室和第二段反应腔室连通的通孔。/n

【技术特征摘要】
1.用于制取糠醛的两段式反应器，其特征在于，包括反应器本体，所述反应器本体中设有隔板，所述隔板将反应器本体上下分为第一段反应腔室和第二段反应腔室；第一段反应腔室用于实现五碳糖类和六碳糖类的水解；第二段反应腔室用于将第一段反应腔室中的料液转化为糠醛；反应器本体的形状为柱状，第一段反应腔室的高度为第二段反应腔室高度的0.1～0.5倍；反应器本体在第一段反应腔室的下部设有进料口，进料口处设有进料泵，反应器本体在第二段反应腔室的上部设有出料口，隔板上设有将第一段反应腔室和第二段反应腔室连通的通孔。


2.根据权利要求1所述的用于制取糠醛的两段式反应器，其特征在于，第一段反应腔室和第二段反应腔室中均装填有填料，所述填料为陶瓷填料、玻璃填料或石英填料中的一种或几种。


3.根据权利要求2所述的用于制取糠醛的两段式反应器，其特征在于，所述填料的形状为球形或柱状，第一段反应腔室中填料的堆积高度是第一段反应腔室高度的1/4～3/4，第二段反应腔室中填料的堆积高度是第二段反应腔室高度的1/3～4/5；
当填料为球形时，球形的填料的直径为2mm-5mm；
当填料为圆柱状时，第一段反应腔室中填料的直径为4mm-7mm，高度为6mm-10.5mm；第二段反应腔室中填料的直径为4.5mm-8.5mm，高度为6.5mm-12mm；
当填料为棱柱状时，第一段反应腔室中填料的底边长度为4mm-7mm，高度为6mm-10.5mm；第二段反应腔室中填料的底边长度为4.5mm-8.5mm，高度为6.5mm-12mm。


4.根据权利要求1所述的用于制取糠醛的两段式反应器，其特征在于，反应器本体在第二段反应腔室处设置有背压调节器，背压调节器用于调控反应器本体内的压力；第一段反应腔室和第二段反应腔室均设置有加热和温控装置。


5.基于权利要求1-4任意一项所述用于制取糠醛的两段式反应器制取糠醛的方法，其特征在于，包括如下过程：
对同时含有五碳糖类和六碳糖类的浆液进行离心分离，去除固体不溶物质，所述五碳糖类包括五碳聚糖及五碳单糖，六碳糖类包括六碳聚糖及六碳单糖；然调节浆液中五碳糖类和六碳糖类达到预设浓度，调节浆液为pH中性，得到制取糠醛所需的原料液；
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【专利技术属性】
技术研发人员：张璐鑫，刘玉婷，易思敏，孙睿君，田璐，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61