Способ гидролитического разложения целлюлозосодержащего сырья
Изобретение относится к гидролизной промышленности и может быть использовано для проведения процессов гидролитического разложения различных видов целлюлозосодержащего сырья. Цель изобретения - повышение выхода и качества получаемого сахара. Сырье, предназначенное для гидролизной обработки, измельчается, пропитывается разбавленной серной кислотой или другим раствором кислоты с концентрацией 0,5 - 10%, затем обезвоживается механическим путем до влажности 10 - 80% и вновь измельчается. /V i СО С 4 СО со см
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (5)4 С 13 К 1/02
/ °
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К flATEHTV
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3511352/30-13 (22) 04. 11. 82 (31) P 3149587 ° 7 (32) 15.12.81 ,(33) DE (46) 30.12.88. Бюл. В 48 (71) Вернер унд Пфлейдерер (DE) (72) Клаус-Юрген Хингер (ц.) (53) 663 5-4(088 8) (56) Авторское свидетельство СССР
У 1164262, кл. С 13 К 1/02, 1981.
Hems Е. Grethlein Compragion of
the economics of acid and enzymatic
hydrolysis of newsprint, — "Biotechnology and Bioengineerng, v. II
1978, р.seiten 503-525.
„„SU „„1449013 A 3 (54) СПОСОБ ПЩРОЛИТИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ (57) Изобретение относится к гидролизной промышленности и может быть использовано для проведения процессов гидролитического разложения различных видов целлюлозосодержащего сырья. Цель изобретения — повышение выхода и качества получаемого сахара °
Сырье, предназначенное для гидролизной обработки, измельчается, пропитывается разбавленной серной кислотой или другим раствором кислоты с концентрацией 0,5 — 10X, затем обезвоживается механическим путем до влажности 10 — 807 и вновь измельчается.
1449013
В рыхлом виде сырье засыпается в камеру 2 предварительного нагрева реактора 1, где производится его нагрев до 100 С. После этого материал направляется в реактор 1. На первой стадии гидролиэа сырья в реакторе 1 при 175 С и давлении 0,9 МПа в течение 40 с ..ребразуется до 4Х целлюо лозы. На второй стадии при 225 С и давлении 2,6 МПа за время 4,5 с степень превращения целлюлозы повышается от 4 до 307 и, наконец, на третьей стадии при 260 С и давлении о
4,8 МПа при времени пребывания 1,3 с степень превращения повышается с 30 до 80Х. После третьей стадии гидролиэа в реакторе быстро снижают темпераИзобретение относится к гидролиэной промышленности и может быть использовано для проведения процессов гидролитического разложения различных видов целлюлозосодержащего сырья. 5
Цель изобретения — повышение выхода и качества получаемого сахара.
На фиг. 1 схематично изображено устройство для осуществления способа гицролитического разложения целлюлоэо- 10 содержащего сырья; на фиг. 2 — диаграмма режимов отдельных ступеней реакции; на фиг. 3 — экспериментальные зависимости селективности, степени преобразования целлюлозы и выхода сахара от времени реакции; на фиг.4 график зависимости селективности к сахару от степени преобразования целлюлозы; на Фиг. 5 — зависимость удельного паропотребления от числа гидролизных ступеней или паросборников. устройство для гидролитического . разложения целлюлозосодержащего сырья содержит вогнутый реакционный сосуд 1, выполненный в виде реактора высокого давления. На внутренних стенках сосуда 1 имеется кислотоупорное теплопроводное вещество, например керамика.
В сосуде 1 также предусмотрена теплоизоляция (не изображена), Над реакци- 30 онным сосудом размещена камера 2 предварительного нагрева. Камера 2 соединена с реактором 1 при помощи впусктуру и давление путем расширения пара. Понижение температуры и давления в реакционном объеме реактора 1 осуществляют также в три стадии соответственно до 225 С и 2,6 МПа, до 175 C и 0,9 МПа и до 100 0 и 0,1 МПа в течение 2,5 — 5 с. Одновременно со всех стадий отбирают пар, сохраняют его u используют на стадиях гидролиза, а пар, отбираемый с последней стадии понижения температуры и давления, используют на стадии нагрева измельченной массы сырья. Способ гидролитического разложения целлюлозосодержащего сырья обеспечивает возможность повышения выхода и качества получаемого сахара. 5 ил. ного отверстия 3. Отверстие 3 может закрываться замыкающей частью перемещающегося клапана 4 (на фиг.1 в позиции открыто она показана пунктиром). Замыкающая часть клапана 4 со штоком 5 и гидравлическим или пневматическим исполнительным механизмом 6 образуют входной клапан 7.
Вокруг штока 5 предусмотрены очищающие устройства 8 для очистки его от остатков прилипшего обрабатываемого материала, которые приводятся в действие гидравлическим или пневматическим приводным устройством 9.
В нижней части реакционного сосуда 1 имеется выходное отверстие 10 которое закрывается замыкающей частью клапана 11, (в положении "открыто" на фиг.1 показана пунктиром). Замыкающая часть 11 штоком 12 управления связана с гидравлическим или пневматическим исполнительным устройством 13.
Шток 12 управления проходит через ка" нал 14 для выгрузки продукта, присоединенный к выходному отверстию 10. 3амыкающая часть 11, шток 12 управления и исполнительный механизм 13 вместе образуют выходной клапан 14 °
В камере 2 предварительного нагрева сбоку имеется загрузочное отверстие 15, к которому примыкает горизонтальный канал 16 с толкателем 17, движущимся в горизонтальном направлении.
I 449013
В канап 16 врезается сверху воронкообразная нижняя часть 18 загрузочного бункера 19 для материала.
В реакционном сосуде 1 ниже замы5 кающей части 4 входного клапана 7 расположен кольцевой сопловой канал
20 с большим количеством нагнетательных паровых сопел 21. Кольцевой сопловой канал 20 соединен с выходным па-10 ровым отверстием 22 и выпускным паропроводом 23. От выпускного паропровода 23 идет трубопровод 24 через запорное устройство 25 к камере 2 предварительного нагрева, в то время как с другой стороны выпускной паропровод
23 соединен с паросборниками 26 и 27.
Паросборникам 26 и 27 принадлежат запорные устройства 28 и 29.
Второй кольцевой сопловой канал 30 2О находится в реакционном сосуде 1 выше замыкающей части 11 выходного клапана 14 и связан с входным отверстием
31 для пара и подающим паропрово" дом 32. Подающий паропровод 32 с од- 25 ной стороны через запорное устройство
33, 34 или 35 соединен с источником свежего пагч, не показанным на фиг.1, а с другой стороны — с паросборниками
26 и 27. 30
Устройство работает следующим образом.
Загрузочный бункер 19 заполняется уже пропитанным обезвоженным и размельченным материалом, содержащим цел35 люлозу. Воронкообразная нижняя часть
18 и канал 16 действуют вместе как дозированная ванна, которая справа ограничивается толкателем 17, показанным на фиг. 1 в исходной позиции. При про- О дольном движении толкателя 17 материал подается в камеру 2 предварительного нагрева, при этом входной клапан 7 закрыт. В конечном положении толкатель 17 запирает загрузочное отверс- 45 тие 15. К плотности этого узла не предъявляются никакие особые требования.
Теперь в камеру 2 предварительного нагрева при открытии запорного устройства 25 по трубопроводу 24 поступает пар из последней ступени расширения. Тепло конденсации отходящего пара передается материалу, который нагревао ется до 100 С. После этого открывает55 ся входной клапан 7 и материал из камеры 2 предварительного нагрева в рыхлом виде попадает в реакционный сосуд
1.при закрытом выходном клапане 14.
Благодаря работе очистительного устройства 8 удаляются остатки материала.
При запирании входного клапана 7 уплотнительная поверхность может очищаться струей пара ° Очистительные приспособления 8 и толкатель 17 таким образом возвращаются в исходное положение и после этого готовы к повторению процесса загрузки.
В реакционном сосуде начинается ступенчатый процесс гидролитического разложения целлюлозосодержащего сырья.
В процессе гидролиза сырья пар из паросборников 26 и 27 подводится в одну ступень за другой через подающий трубопровод 32, а свежий пар через открытое запорное устройство 33. Поступающий пар проходит через кольцевой сопловой канал 30 для того, чтобы материал, подвергаемый гидролизу,. находился в псевдоожиженном слое.
После прохождения ступеней реактора при ступенчатом расширении пар отводится через верхний кольцевой сопловой канал 20 и трубопровод 23 в паросборники 26 и 27. Отработавший пар иэ последней ступени расширения через запорное устройство 25 подводится в камеру 2 предварительного нагрева.
Следовательно, устройство опять готово к проведению нового цикла в ква с эинепрерывном режиме.
Способ гидролитического разложения целлюлозосодержащего сырья осуществляется на данном устройстве сле -; дующим образом.
Материал, предназначенный для гидролиэной обработки, например старая бумага, деревянные отбросы, солома и т.п., сначала измельчается, потом пропитывается разбавленной серной кислотой или другим пригодным раствором кислоты с концентрацией от 0 5 до 107, затем механическим путем обезвоживается до влажности от 10 до 807 и далее измельчается вновь и в рыхлом виде засыпается в камеру 2 предварительного нагрева реактора 1. Здесь производится нагрев поступающего материала до 100 С при помощи отработавшего пара, прошедшего реакционные ступени, при его конденсации. После этого материал направляется в реактор 1.
На первой стадии I гидролиза сырья в реакторе 1 при 175 С и давлео нии 0,9 MIIa, в течение 40 с преобразуется до 47 целлюлозы. На следующей г <) Р> 1 < путем ра .:.;,. 7 -;<я
По1н<гт, В PЕаК<гтг<7>:i, ществ.<яю
ВЕтетв<г <1 175 С и :1 г B T P I < . 7 l f « НО < <7 г г проц« .:" ния бол< - к . . разном и.- в г< 260 С. о,. г изменя< г Б.п ": 1 < .. г, г <и 7>P< кает с — Jl,< - 1;. Ра г грена риал пр; до со< СЫР< Я Да В.<1Е<г." 7 П В Етт г 1 г; после р» тоя.<ив реактор» 1 из паргр P C I- Р Е T I I! че«ный т ПЕРЕХ >;1 1) <1 р г 17 > для и и Е 1 П ВтОррй < т ;1;7 1 f 1 1 г 1 > нии 2, 6 111- H tl ° < г п превращения !Ic.тпюл< . и 7,1<1 -.I <>т 4 ДО ЗОБ If ffан<нг дИИ 111 < Г <11 г On., и 1 "Г<7...,а П.„НИИ >8 К11а 1<1 <,: .:-:.1 71> 1 3 C C < . 7 jr <, !Пг >, > >г "< <<>p >1ã г г <г, - 7 < Э с 30 до н11.- f ò: г, < г;«т,)<-тг;; -, и-«: ДаЛ1>НЕ IT>f< г. Г Г Кг;.< : „ I, >т< .; ., а привести .,: <,г ся сахар». ют даппе7<и: и; ПОСЛЕ тр . .,: ", г Г.--,, 11 храня<от: гидр ели - след11е<г < т,< 1<;, B P< УП <,гг НОВлЕНО ° г г" г: Пара та1",1 г; р выхогц<.>м;>о< ; г .j и«",", треблени .. г,: ":-,7>.г . 1 > наро>з< 1 < в кажд< и, ".! бодном выборе 7;гггг> <<т. гг-1>г <1 НОМ СЛ >гlаг ; . 1 . 17<, г,) >ãò <г 7< :.<>,1 «, po „необходимьн> для на >;1 >ll: <а нрн переходе из сосни;, Ь р состояние с и для дости, г<<1; 1,<а>1 7< ния в реакторе РЗ равен ству 11,1р;<, которое освобожда<<е л«ра< lffftppIIIIR 17pH переходе тг>7!I<я <1 н состояние с. Таким пторой паросборник может а:<лятт, перегреть и пар с параметр > . рт!у < -нньн1 I :l< бход<ьмый д 1я перехода от к <1 11 пля повышения давле,гр 1 1 .т-;тжЕН ПОСтуиатЬ От Параг<>1>;1 VI О gat<7fef-Ifte дОЛжНО бЫтЬ :.. 1<и : „нат<р<1><ег> 10 МПа, ЧтОбЫ ВрЕМя 7<а < т ур- 1<ня с до урсвня d было продолжи > <О; -",-;1;НИИ. 11ГР,, нт «7177<1<: И С ПоСЛЕДНЕй Расши. Лт-. «и т>7г.г;Ш ПОСЛЕ ИЗМЕНЕНИЯ c". ;III,II< у, овня Ъ до уровня а ис,. уется 7 камере 2 предварительагре а для нагрева материала, г,:г.;п<ганног<7 кислотой. После послеа, ".77t.l;7:< П1 РЕаКЦИОННЫй ПРОЦЕСС. фи < . ",; . едует, что удельный д пара 1, требуемый на последи . ад и нагрева, при увеличении <тад,< или паросборников и при ,1 " н III I7ïà,1<117ñòè вводимого для об«,и, llрог и ганного целлюлозосодер>р<ц го материала, снижается. 11<,<1К СЛ дуст ИЗ фИГ.3, ЗаВИСИМОСтЬ <ь<х ц» сбражинаемого сахара а, т.е. "o.:f;:÷< còtIà сахара, получаемого из об» р;<батьп<аемой целлюлозы, от времени реак11ии Il;lес-т максимум, который с пот«нем гемпературы становится вьппе :,>1 х >д<г< <.я на период более корот<гремг;:,; реагирования. На фиг.3 трех г .<нературных областей по. "<ни "р« оогветствующие максимумы :и;гх. Сте<тень превращения целлюлозы :<11 ЕтСя 11О Эт:СПОНЕНтЕ От OX npu 7 во" I 7 ;1>И; УЛЕВОМ ЗНаЧЕНИИ СТЕПЕНИ 7 14490 превращения селективность около 100% и что далее по мере увеличения степени превращения она быстро падает. При 225 С при степени превращения OX селективноств. составляет 95Х. и при 5 с О 260 С вЂ” 90K и ее уменьшение с увеличением степени превращения происходит медленнее. Эти явления можно объяснить существованием конкурирующих ре- 10 акций при повышенных температурах. На этих экспериментальных выводах базируется основная идея изобретения, которая заключается в том, что максимальный выход сахара может быть полу- 15 чен при тактовом изменении температурного режима. На основе опытных данных, представленных на фиг.3, можно сделать вывод о предпочтительном стадийном осуществлении способа, 2р как это показано на фиг. 2. Способ гидролитического разложения целлюлозосодержащего сырья обеспечивает возможность повышения выхода и качества получаемого сахара. 25 Формула изобретения Способ гидролитического разложения целлюлозосодержащего сырья, предусматривающий кислотную обработку измельченной массы сырья 0,5-10Х-ным 13 8 раствором кислоты, обезвоживание ее и последующий гидролиз водяным паром в несколько стадий с повьппением давления и температуры в реакционном объеме на каждой стадии, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения выхода и качества получаемого сахара, измельченную массу сырья обезвоживают на 10-80Х, после обез о воживания нагревают до 100 С, число стадий гидролиэа прнимают равным трем, а повышение температуры и давления на каждой стадии осуществляют О соответственно до 175 С давления 0,9 MIIa в течение 40 с, до 225 С, давления 2,6 ИПа в течение 4,5 с, до 260 С, давления 4,8 MIIa в течение о 1,3 с, при этом после третьей стадии гидролиэа осуществляют трехстадийное понижение температуры и давления в реакционном объеме соответственно до 225 С и 26 MIIa, до 175 С и 0 9 MIIa, до 100 С и 0,1 МПа в течение от 2,5 до 5 с, с одновременным отбором пара со всех стадий, сохранением его u использованием на стадиях гидролиэа, а пара, отбираемого на последней стадии понижения температуры и давления — на стадии нагрева измельченной массы сырья. 1449013 т=225 T= f75 4 1 Л 0 Спцпени еидролиза I E г Я 4 5 10 20 504050 Юо 200300 597 бремя реакции, с Фиг,D 1449013 Йс 2 наюдо, у 44ЮУулще 0 1 2 3 4 5 б Кцлицеааф параакумулаааааф ! t I Составитель В.Кочергин Редактор А.Долинич Техред Л.Олийнык Корректор А.Обручар Заказ 6857/58 Тираж 308 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д,. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 Ч Ъ L+ Ч % ñ 07 03 2 3 9 5 б 7 Кояичесабо ступеней аидра иза Фиг.5
