[发明专利]一种新型生物质超/亚临界水解反应器

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型生物质超/亚临界水解反应器，特别适用于农作物秸杆、木粉等生物质的超/亚临界水解，属于生物质能源处理及利用技术领域。 

背景技术

生物质水解工艺是化工行业的一个难点。传统上使用强质子酸(如硫酸)作水解催化剂。这种工艺费时费力，催化效果较差，且会对环境产生严重的污染。有人采用纤维素酶技术来催化水解，效果较好，但条件比较苛刻，时间也较长。超临界水在一定压力和温度下，离子积会比常温常压下更大，且随压力和温度的变化可表现出一定的酸或碱的性质，而纤维素在超临界水中的溶解度又大大增加。超临界水的这种特殊性质促进了纤维素无催化剂水解新工艺的研究。20世纪90年代初有一些学者发现纤维素在热水(190～225℃)中在较低的压力和酸浓度下水解的效果较好。此后又有人发现在近临界水和超临界水中酯类物质可快速水解，从而引发了对纤维素在超临界水中水解反应的研究。日本学者对纤维素在亚临界水和超临界水中的水解进行了系统的研究，并将2种水解的效果进行了对比。根据他们的研究，纤维素的水解在亚临界条件下需10min才能达到水解完全，产物主要是葡萄糖等的水解产物，这可能与此条件下糖类的水解速度大于纤维素的水解速度有关。在超临界条件下，水解反应只需0.05s即可完成，产物主要是纤维素的水解产物，这与在超临界水中，纤维素的溶解度大大增加，从而使纤维素的水解速度超过了糖类的水解速度有关。以纤维素二聚糖这种水解产物为目标产物，水解反应基本上是一级反应,在200～400℃之间直线下降，在临界点附近只有微小的偏离。超临界是物质的一种特殊状态，当环境温度、压力达到物质的临界点时，气液两相的相界面消失，成为均相体系。当温度压力进一步提高，即超过临界点时，气液两相流体就处于超临界状态，成为超临界流体。超临界水是一种重要超临界流体，在超临界状态下，水具有类似于气体的良好流动性，又具有远高于气体的密度。超临界水是一种很好的反应介质，具有独特的理化性质，例如扩散系数高、传质速率高、粘度低、混合性好、介电常数低、与有机物、气体组分完全互溶；对有机物溶解度高，利于固体分离，反应性高、分解力高；超临界水本身可参与自由基和离子反应等等。 

农作物秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素三个部分组成，其质量占到植物纤维原料干重的80%～95%，是构成植物纤维原料的主要化学成分。把按比例混合好的秸秆水浆料输送到超/亚临界水解高压反应器中，可反应为如生物柴油或醇类燃料，最终产物甚至可深加工为 化工原料。这种工业化水解反应生产的关键设备就是超/亚临界水解反应容器。 

发明专利号为200910088895.8的生物质超临界亚临界组合连续式预处理与水解设备及方法专利中，采用传统加热方式，能耗较大，反应腔体比较短，不能满足工业化生产。 

发明内容

本发明提供一种新型生物质超/亚临界水解反应器，采用高频电磁加热方式。 

一种新型生物质超/亚临界水解反应器，由耐700度高温云母扰包玻璃纤维编制电线(9)、盘管(11)、保温层（6）、壳体（10）等部件构成，其特征是：所述设备反应器内盘管采用双螺旋电磁加热，在盘管(11)和壳体（10）之间内装珠光砂（8）、充满氮气，进料管口(5)固定于前端压板(3)上，出料管口(14)固定于后端压板(12)上，前端压板(3)、后端压板(12)与壳体(10)通过固定螺栓连接，出料管口(14)与后端压板(12)、后端压板(12)与盘管(11)固定处采用高压金属密封圈(13)。 

本发明新型生物质超/亚临界水解反应器与现有技术相比，由于采用了电磁加热方式，在加热过程中使生物质混合液能够快速受热。高频电磁场对盘管内部生物质混合液产生交变的涡流，涡流使混合液生物质原子和水分子做高速无规则运动，互相碰撞、摩擦而产生大量热能，能使生物质混合液快速达到超/亚临界状态。因而本发明在满足生物质水解条件的同时，有较高的热利用率。本发明特别适用于农作物秸杆、木粉等生物质的超/亚临界水解。 

附图说明

图1为新型生物质能源的超/亚临界水解反应器的剖视图，图1A为盘管局部剖视图。 

图1中：1—螺栓组件；2—充氮气口；3—前端压板；4—电线接头A；5—进料管口；6—保温层；7—密封垫；8—珠光砂；9—耐700度高温云母扰包玻璃纤维编制电线；10—壳体；11—盘管；12—后端压板；13—金属密封圈；14—出料管口；15—电线接头B；16—排气口；17—压力表；18—温度表。 

图1A中：9—耐700度高温云母扰包玻璃纤维编制电线；11—盘管。 

具体实施方式

将本发明新型生物质能源的超/亚临界水解反应器加工成成整体外径300mm、长度500mm反应器，具体为由耐700度高温云母扰包玻璃纤维编制电线(9)缠绕盘管(11)，盘管采用高频电磁加热，在盘管(11)和壳体（10）之间内装珠光砂（8）、充满氮气，进料管口(5)固定于前端压板(3)上，出料管口(14)固定于后端压板(12)上，前端压板(3)、后端压板(12)与壳体 (10)通过固定螺栓连接，出料管口(14)与后端压板(12)、后端压板(12)与盘管(11)固定处采用高压金属密封圈(13)。将小型反应超/亚临界水解反应器连接到试验装置上，电线接头A与B分别接上220V高频震荡电源，电磁振荡频率为30-50MHZ。将温度为50-70度、压力10-15MPA为纤维素浑浊液从进料口注入，待所述反应器内流量、温度和压力均达到设定值并稳定后，连续收集生物质最终产物。连续生产物为黑色粘稠液体，经分离后得到乙烯丙酸、糖醛、甲酸等化工产品。