一种生物质连续水热转化制备乙酰丙酸的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种生物质连续水热转化制备乙酰丙酸的装置及方法，属于生物质化工领域。

背景技术

随着经济和社会的快速发展，人类对能源及化学品的需求数量将越来越多，因此也加大了煤炭、石油等一次能源的需求，由于这些能源为不可再生能源，其过度使用会对环境造成污染，能源危机与环境污染已经成为人类目前所面临的重要问题之一，迫使人类去寻找新型的可再生能源代替煤炭、石油等不可再生能源。

木质素纤维素资源，在组成上含有大量的碳元素与氢元素，同时由于资源量大、成本低廉、可再生，目前受到人类越来越多的关注，在未来，被认为是取代石化资源生产燃料和化学品的重要替代品之一。通过生物质炼制获得能源和化学品的众多方式中，纤维素平台化学品转化炼制被认为是一种最有前景的方式之一，即先将生物质转化为平台化合物乙酰丙酸，再利用两种化学品转化为其他的化学品。乙酰丙酸是一种同时含羰基、α－氢和羧基的多官能团化合物，是合成各种轻化工产品的基本原料，在有机合成和工农业、医药行业中具有广泛的使用价值。

生物质的高值化学品平台转化是一种热化学转化过程，但是转化温度要比热裂解温度低很多，一般在150-260℃以水为溶剂的条件下进行，利用各类酸催化剂将生物质转化为高值化学品乙酰丙酸。水热转化过程中，纤维素首先在酸催化剂的作用下水解成己糖单糖；吡喃葡萄糖经过异构化形成呋喃果糖；呋喃果糖进一步脱水形成5-羟甲基糠醛；5-羟甲基糠醛分子在酸催化剂的作用下水解成甲酸和乙酰丙酸。

专利CN 211412011 U公布了一种乙酰丙酸生产用的反应装置，专利CN 111440134A公开了一种生物质分级水解联产糠醛和乙酰丙酸的方法和装置，但这两种装置都是批次反应，未实现连续进料与出料。专利202110931869.8公布了一种生物质连续水热转化工艺方法，但该装置对进料压力要求较高，采用列管换热器的方式易造成反应器堵塞。美国Biofine公司发展了一种利用纤维素原料制备乙酰丙酸的连续生产工艺(US05608105A。首先，原料与稀硫酸水溶液混合进入第一个管式反应器，在210-230℃条件下反应13-25s，从而将纤维素水解成单糖，再脱水生成HMF。含有HMF的反应液继续进入第二个反应器，在195-215℃下反应15-30min，最终生成乙酰丙酸。该方法采用两步法生产乙酰丙酸，工艺复杂；并且以稀硫酸为催化剂会腐蚀反应器，后续的废酸液也会对环境造成污染。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种转化装置和对应的方法，以实现简单、连续地将生物质转化为乙酰丙酸。

本发明提供了一种生物质自动连续水热转化制备乙酰丙酸的装置和对应的方法。

其中装置包括：进料系统、反应系统、产物收集提纯系统。

所述进料系统包括储料罐、预热进料泵、预加热罐和水解进料泵，其中，储料罐带有搅拌桨，预加热罐带有搅拌、液位、温度和压力显示，信号可以远传，配有蒸汽入口和出口。

所述反应系统主要包括第一水解罐、第二水解罐和蒸汽发生器，水解罐带有液位、温度和压力显示，信号可以远传，配有防爆阀、蒸汽入口和出口。

所述产物收集提纯系统包括产物接收罐、固液分离罐、固体收集罐和液体蒸馏塔，产物接收罐带有液位、温度和压力显示，信号可以远传，配有防爆阀、蒸汽出口。

作为优选方案，还包括监控系统，用以远程监测和控制罐体和蒸汽发生器的温度、阀门、蒸汽流量、搅拌转速等。

本发明一种生物质自动连续水热转化制备乙酰丙酸的方法，包括如下步骤：

装置运行前在储料罐加上生物质和催化剂，并开启搅拌；

a)开启预热进料泵将物料打入预加热罐，之后关闭预热进料泵；开启蒸汽发生器和预加热罐的搅拌，将预加热罐加热到一定温度后停止加热；开启水解进料泵，将物料分别打入第一水解罐和第二水解罐，之后关闭水解进料泵；预加热罐中的物料少于一定量时，预热进料泵重新开启进行加料。

b)开启蒸汽发生器，将第一水解罐加热到一定温度后停止加热，并保温一段时间；开启蒸汽发生器，将第二水解罐加热到一定温度后停止加热，并保温一段时间；将第一水解罐中的产物排入产物接收罐后，产物接收罐中的蒸汽排入预加热罐，之后将产物接收罐中的产物排入固液分离罐，开启水解进料泵，将物料打入第一水解罐，开启蒸汽发生器，将第一水解罐加热到一定温度后停止加热，并保温一段时间；将第二水解罐中的产物排入产物接收罐后，产物接收罐中的蒸汽排入预加热罐，之后将产物接收罐中的产物排入固液分离罐，开启水解进料泵，将物料打入第二水解罐，开启蒸汽发生器，将第二水解罐加热到一定温度后停止加热，并保温一段时间；如此循环往复，错开第一水解罐和第二水解罐的进料和保温时间。

c)产物在固液分离罐中进行固液分离，固体进入固体收集罐，液体进入液体蒸馏塔，液体通过蒸馏后分离得到乙酰丙酸。

作为优选方案，所用的物料为含碳化水化合物较多的生物质，如秸秆、锯末、废纸浆、淀粉渣等，碳水化合物的含量基于生物质干基计算不低于50％，生物质含水率为75-99％。

作为优选方案，所用的催化剂为非均相固体酸催化剂，如金属氧化物、分子筛、碳基固体酸等。

作为优选方案，预加热罐的温度为50-180℃。

作为优选方案，水解罐的反应温度为190-260℃，保温时间为10-240min。

作为优选方案，水解罐的数量可大于等于2个。

本发明的技术方案的优点如下：本发明的装置和方法可以实现一步法将生物质转化为乙酰丙酸，采用固体酸催化剂，可以减少对反应器的腐蚀。蒸汽加热的方式可起到搅拌物料的作用并有利于反应余热的回收；装置配有控制模块，最后可以实现生物质自动连续水热转化制备乙酰丙酸。

附图说明

图1为本发明实施例的装置结构示意图。

其中包括：

1、储料罐；2、预热进料泵；3、预加热罐；4、水解进料泵；5、第一水解罐；6、产物接收罐；7、固液分离罐；8、液体蒸馏塔；9、第二水解罐；10蒸汽发生器；11固体收集罐。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种生物质自动连续水热转化制备乙酰丙酸的装置，包括进料系统、反应系统、产物收集提纯系统和监控系统，其中，

进料系统包括储料罐1、预热进料泵2、预加热罐3和水解进料泵4。其中储料罐带有搅拌桨，预加热罐带有搅拌、液位、温度和压力显示，信号可以远传，配有蒸汽入口和出口。储料罐和预加热罐为圆柱体，高径比为5:2。

反应系统主要包括水解罐5、水解罐9和蒸汽发生器10。水解罐带有液位、温度和压力显示，信号可以远传，配有防爆阀、蒸汽入口和出口。水解罐为圆柱体，高径比为3:1。

产物收集提纯系统包括产物接收罐6、固液分离罐7、固体收集罐11和液体蒸馏塔8。产物接收罐6带有液位、温度和压力显示，信号可以远传，配有防爆阀、蒸汽出口。

生物质自动连续水热转化制备乙酰丙酸方法包括如下步骤：

装置运行前在储料罐1加上生物质和催化剂，并开启搅拌。

a)开启预热进料泵2将物料打入预加热罐3，之后关闭预热进料泵2；开启蒸汽发生器10和预加热罐的搅拌，将预加热罐3加热到一定温度后停止加热；开启水解进料泵4，将物料分别打入水解罐5和水解罐9，之后关闭水解进料泵4；预加热罐中的物料少于一定量时，预热进料泵2重新开启进行加料。

b)开启蒸汽发生器10，将水解罐5加热到一定温度后停止加热，并保温一段时间；开启蒸汽发生器10，将水解罐9加热到一定温度后停止加热，并保温一段时间；将水解罐5中的产物排入产物接收罐6后，产物接收罐6中的蒸汽排入预加热罐3，之后将产物接收罐6中的产物排入固液分离罐7，开启水解进料泵4，将物料分别打入水解罐5，开启蒸汽发生器10，将水解罐5加热到一定温度后停止加热，并保温一段时间；将水解罐9中的产物排入产物接收罐6后，产物接收罐6中的蒸汽排入预加热罐3，之后将产物接收罐6中的产物排入固液分离罐7，开启水解进料泵4，将物料分别打入水解罐9，开启蒸汽发生器10，将水解罐9加热到一定温度后停止加热，并保温一段时间；如此循环往复，错开水解罐5和水解罐9的进料和保温时间。

c)产物在固液分离罐7中进行固液分离，固体进入固体收集罐11，液体进入液体蒸馏塔8，液体通过蒸馏后分离得到乙酰丙酸。

采用本发明的生物质连续水热转化制备乙酰丙酸的装置对秸秆进行转化。其中，秸秆的含水率为99％，采用ZrO

实施例2

实施例2的装置和方法与实施例1基本相同，其区别在于，采用本发明的生物质连续水热转化制备乙酰丙酸的装置对废纸浆进行转化。其中，废纸浆的含水率为90％，采用HY沸石分子筛为催化剂，预加热罐的温度为100℃，水解罐温度为190℃，保温时间240min，基于原料干基计算，所得乙酰丙酸产率为15％。

实施例3

实施例3的装置和方法与实施例1基本相同，其区别在于，采用本发明的生物质连续水热转化制备乙酰丙酸的装置对淀粉渣进行转化。其中，淀粉渣的含水率为75％，采用磺化碳为催化剂，预加热罐的温度为180℃，水解罐温度为230℃，保温时间60min，基于原料干基计算，所得乙酰丙酸产率为18％。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，如简单增加或减少水解罐的数量，简单改变罐体的形状和尺寸，简单改变反应物料和反应条件，简单改变检测装置等，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。