專利名稱：用水熱反應將甘油連續(xù)轉化為乳酸的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用水熱反應將甘油連續(xù)轉化為乳酸的裝置，具體是釆用 水熱反應將生物柴油副產(chǎn)物粗甘油作為原料，水熱轉化為乳酸的連續(xù)裝置，屬 化工設備和廢物資源化技術領域。
背景技術：
目前，在化石能源的趨于枯竭和環(huán)境污染問題日益嚴峻的情況下，生物柴 油作為一種可持續(xù)、碳中性的新型能源越來越受到世界各國的關注，絕大多數(shù) 國家都制定了大幅提高生物柴油使用比例的計劃。隨生物柴油大規(guī)模生產(chǎn)，主 要副產(chǎn)物甘油也大量積累。粗甘油價值不高，傳統(tǒng)利用方案是生產(chǎn)硝化甘油和 肥皂，但已經(jīng)不能解決當前如此的產(chǎn)能過剩；粗甘油也可用于燃燒產(chǎn)熱和發(fā)電， 但因溫度需超過l，OO(TC而不易推廣使用；目前一些其它的利用方案也正在研究， 如制乙醇、制甲醇、制氫和丙二醇等，主要都是生物過程，轉化速度慢、生產(chǎn) 效率低而難于實現(xiàn)工業(yè)化，且這些技術也都不成熟。
水熱反應方法是近二三十年來興起并迅速成為應用化學的熱點之一，它充
分利用高溫水(包括溫度、壓強高于臨界點374.15'C、 10MPa的超臨界水和溫度 高于20(TC但低于374.15。C的液態(tài)水)的特性，如較低的介電常數(shù)(類似于常溫 下的有機溶劑，從而對有機物和氣體有較大的溶解度甚至互溶)，單個分子的強 極性(促進極性/離子反應)和可改變的離子積(可高于常態(tài)下2-3個數(shù)量級， 促進酸堿催化的反應而無需另外添加酸堿)，以及較高傳質效率，實現(xiàn)物質的快 速、高效、清潔的轉化，特別在生物質化學和能源方面應用廣泛。利用水熱方 法，金放鳴和KishidaH.等快速、高效地將甘油轉化為乳酸，并根據(jù)產(chǎn)物分析提 出了該反應的機理，后者還基于此反應機理對該反應的動力學進行了探討，并 推求了反應參數(shù)，得出了動力學模擬結果與序批式實驗數(shù)據(jù)基本一致的結論。 眾所周知，乳酸是一種工業(yè)價值較高、在生產(chǎn)中需求越來越大的化工產(chǎn)品；更 重要的是，乳酸是一種碳中性、易于生物降解的植物性塑料的原料，這種塑料 在當前全球溫室效應日益嚴重的情況下而備受關注，因此，甘油轉化為乳酸過程有廣闊的應用前景。
目前，水熱轉化甘油為乳酸仍停留在實驗室階段，轉化過程主要通過間歇 式反應來實現(xiàn)。間歇反應過程通常如下操作將一定量的甘油與堿的水溶液注 入間歇式反應管，然后需用惰性氣體來吹掃反應管中剩余的空間，擰緊反應管 后放入預熱的鹽浴中，震蕩混合反應物，預期反應時間后，將反應管放入冷水 浴中迅速冷卻來平息反應，然后打開反應管取樣。該過程操作繁瑣，且由于反 應條件的限制，單個反應管體積有限，無法實現(xiàn)批量生產(chǎn)；整個過程消耗較多 的人力，且由于人為因素，乳酸產(chǎn)率不穩(wěn)定。因此，批量的生產(chǎn)是難以實現(xiàn)的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是公開一種將甘油快速轉化為乳酸的連續(xù)裝置，以期為甘油 水熱生成乳酸小批量生產(chǎn)和對該反應的連續(xù)化研究提供設備，進而為該反應的 工業(yè)化提供支撐。
為了達到上述目的，基于金放鳴等的序批式實驗結果和所取得的理論成果 而設計、開發(fā)了本連續(xù)水熱反應裝置，并利用其實現(xiàn)乳酸小批量生產(chǎn)和連續(xù)化 生產(chǎn)研究，探討大型連續(xù)設備的工藝設計和運行參數(shù)。
本發(fā)明包括固定架、與固定架的平臺固結的高壓計量泵、穩(wěn)壓系統(tǒng)、水熱 反應系統(tǒng)、通過冷卻器固定桿與固定架的頂板固結的冷卻器、以及放空閥、管 式過濾器、背壓閥；穩(wěn)壓系統(tǒng)包括進水閥，阻尼器，穩(wěn)壓系統(tǒng)壓力表和冷卻缸； 水熱反應系統(tǒng)由鹽浴缸，鹽浴缸內的反應管、加熱棒、熱電偶和攪拌機組成；
高壓計量泵的進口與進樣容器連接，高壓計量泵的出口通過進樣閥與穩(wěn)壓 三通進口連接，穩(wěn)壓三通的兩個出口中一個與水熱反應系統(tǒng)的反應管連接，反 應管與冷卻器的冷卻管連接，冷卻管分別與反應系統(tǒng)壓力表和放空三通連接， 放空三通一端與放空閥連接，另一端與管式過濾器連接，管式過濾器與背壓閥 進口相連，背壓閥出口通過一段不銹鋼管連接到生成物容器；穩(wěn)壓三通的另一 個與穩(wěn)壓系統(tǒng)的冷卻缸內的冷卻盤管連接，冷卻盤管出口與阻尼器和進水閥連 接；
上述冷卻缸放置在固定架的平臺上，冷卻缸中的冷卻盤管用冷卻管固定架 固定；冷卻盤管固定架由上下兩個水平圓環(huán)鐵片和固定這兩個圓環(huán)鐵片的8根 直立連接桿組成，8根直立連接桿依次分布在不同直徑的圓上，4根在大圓周上，
54根在小圓周上，每根直立連接桿兩頭分別通過螺帽與圓環(huán)鐵片固定；冷卻盤管 盤繞在8根直立連接桿固定在大小圓周之間；冷卻管固定架完全浸入冷卻缸中 盛放的足量冷水中。
上述水熱反應系統(tǒng)的鹽浴缸放置在固定架平臺上，鹽浴缸中的反應管被固 定在反應管固定架，完全浸沒在混合鹽中，類似于冷卻盤管固定架，反應管固 定架也由上下兩個水平圓環(huán)鐵片和固定這兩個圓環(huán)鐵片的8根直立連接桿組成， 8根直立連接桿依次分布在不同直徑的圓上，4根在大圓周上，4根在小圓周上， 每根直立連接桿兩頭分別通過螺帽與圓環(huán)鐵片固定；反應管盤繞在8根直立連 接桿固定在大小圓周之間，反應管固定架完全浸沒在混合鹽中。鹽浴缸內盛放 重量比為l: 1的硝酸鉀與硝酸鈉混合鹽，鹽浴缸中心設有與攪拌機的轉軸固結 的槳葉，攪拌機的轉軸穿過固定架頂板預留的圓孔與攪拌機的電動機相連，攪 拌機通過連接桿與支架固結，支架與固定架的頂板固結。
上述固定架由4根直立和4根水平的角鋼焊接而成長方體，為避免其上放 置的高溫鹽浴缸燙壞地面，固定架底部離開地面50公分處再用4根水平角鋼在 與原有的4根直立的角鋼焊接制作成一個平臺；出于安全考慮，固定架頂端面
和前端面用鐵皮封閉。
本發(fā)明具體優(yōu)點體現(xiàn)在以下幾個方面
1. 由于本發(fā)明的裝置設有高壓計量泵，以及背壓閥和穩(wěn)壓系統(tǒng)，使得水熱
反應系統(tǒng)中的壓強穩(wěn)定在6-20MPa之間任意壓強值，幾乎能完全消除由高壓計 量泵形成的壓力波動，利用該裝置形成30(TC、 lOMPa的堿性水熱條件，反應物 被連續(xù)地輸入該裝置的反應管中反應，在裝置的末端乳酸連續(xù)生成，實現(xiàn)了連 續(xù)轉化甘油生成乳酸的目的。
2. 由于本發(fā)明的裝置能穩(wěn)定地實現(xiàn)轉化甘油生成乳酸，因此，可最大限度 地避免氣體的溶入，反應管內沒有氣體，大大減少甚至消除了氣體對該反應的 影響；而間歇式裝置需要向反應管中添加反應物，容易帶入空氣，而填充率之 外的部分需要其它氣體來填充(比如，N2)。
3. 由于本發(fā)明的裝置整個過程借助機械操作，避免了一些造成乳酸生成率 不穩(wěn)定的人為因素，如借助計量泵來精確定量反應物的添加量、用流態(tài)混合反
應物取代人工震蕩混合等，因而，乳酸的生成率是穩(wěn)定的。4. 本發(fā)明用高壓計量泵取代了人工進料，產(chǎn)物能直接流入生成物容器，省 去了逐個取樣的過程，大大節(jié)省了人力；另外使用現(xiàn)有的間歇式裝置時，每個 反應管完成一次反應就需要一次組裝和拆卸以完成進料和出料，如此頻繁的操 作導致密封性變差， 一個反應管只能使用幾次就報廢，而本發(fā)明使用的是一根 長的反應管，運行穩(wěn)定不需要頻繁的組裝和拆卸，因而避免這樣的損耗。
5. 該裝置使用便捷，且可實現(xiàn)穩(wěn)定、廣泛的水熱條件。只需要調節(jié)溫控器 即可實現(xiàn)250—350'C之間任意一個溫度；借助阻尼器，通過調節(jié)背壓閥可實現(xiàn)
6—20MPa之間任意一個壓強值，背壓閥和氣囊式阻尼器的配合使用，幾乎完全 地消除了反應管中的壓力波動，這是間歇式設備無法做到的；此外，通過調節(jié)
高壓計量泵流量，可實現(xiàn)反應時間從數(shù)分鐘至數(shù)小時的變化。


圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
圖2為本發(fā)明的俯視圖。
圖3為本發(fā)明的A-A剖視圖。
圖4為使用本發(fā)明將甘油水熱轉化為乳酸的乳酸生成率曲線圖。 圖中部件依次為l一進樣容器，2—高壓計量泵，3—進樣閥，4—穩(wěn)壓 三通，5 —進水閥，6—阻尼器，7—穩(wěn)壓系統(tǒng)壓力表，8—冷卻缸，9—鹽 浴缸，10—反應管，11—加熱棒，12—熱電偶，13—攪拌機，14一冷卻器， 15—反應系統(tǒng)壓力表，16—放空三通，17—放空閥，18—管式過濾器，19 一背壓閥，20—生成物容器，21_固定架，22—冷卻器固定桿；23—冷卻盤 管固定架，24—反應管固定架。
具體實施例方式
請參閱圖1-4。
本發(fā)明是將生物柴油副產(chǎn)物粗甘油轉化為乳酸的連續(xù)水熱轉化裝置，其目 的就是實現(xiàn)生物柴油主要副產(chǎn)物——粗甘油的轉化與利用。甘油來自上海某生 物柴油公司，生物柴油由微生物發(fā)酵生產(chǎn)，甘油是主要副產(chǎn)物。粗甘油在掠去 浮渣、濾去雜質后經(jīng)酸堿中和調節(jié)成甘油含量約10mg/L的甘油溶液，接著添加 NaOH固體至濃度16.47mg/L，制得混合液后置入本發(fā)明的連續(xù)水熱反應裝置的進樣容器1中，進樣容器1通過一條聚四氟乙烯管接到高壓計量泵2的進口， 高壓計量泵2固定安裝在固定架21的平臺上。高壓計量泵2出口通過不銹鋼管 依次與進樣閥3、穩(wěn)壓三通4連接，穩(wěn)壓三通4的兩個出口中的一個與水熱反應 系統(tǒng)的反應管10連接，反應管10與冷卻器14的冷卻管連接，冷卻器14兩頭 連接流動的冷卻水，冷卻管分別與反應系統(tǒng)壓力表15和放空三通16連接，放 空三通16—端與放空閥17連接，另一端與管式過濾器18連接，管式過濾器18 與背壓閥19進口相連，背壓fr蜀19出口通過一段不銹鋼管連接到生成物容器20。
本發(fā)明裝置通過穩(wěn)壓三通4將穩(wěn)壓系統(tǒng)連入，具體連接是穩(wěn)壓三通4 的另一個出口與穩(wěn)壓系統(tǒng)的冷卻缸8內的冷卻盤管連接，冷卻盤管出口與阻尼 器6和進水閥5連接，連接方式主要采用卡套和螺紋，穩(wěn)壓系統(tǒng)的核心部件是 阻尼器6，阻尼器6采用市售的氣囊式阻尼器。冷卻缸8內盛放足量冷水，冷卻 盤管盤繞固定在完全浸沒在7令7jC中的在冷卻盤管固定架23上，壓力由穩(wěn)壓系統(tǒng) 壓力表7顯示。冷卻缸8固定安裝在固定架21的平臺上。
水熱反應系統(tǒng)由鹽浴缸9、反應管10、加熱棒11、熱電偶12及攪拌機13 組成，鹽浴缸9內盛放硝酸鉀與硝酸鈉混合鹽(物質的量比約為l: 1)，反應管 10被盤繞固定完全浸沒在混合鹽中的反應管固定架24上，混合鹽被加熱棒加熱 到250。C時呈現(xiàn)熔融狀。放空閥17通過不銹鋼管連接到放空三通16。鹽浴缸9 固定在固定架21的平臺上，攬拌機13的槳葉置于鹽浴缸(9)中心，與攪拌機 13的轉軸固結，攪拌機的轉車由穿過固定架21頂板預留的圓孔與攪拌機的電動機 相連，攪拌機通過連接桿與支架固結，支架與固定架的頂板固結。
冷卻器14的兩端用冷卻器固定桿22固定在固定架21的頂板上。
整個管路系統(tǒng)除了泵連接管和過濾器外管采用英制3/8"外，管路系統(tǒng)中管、 閥均是英制1/8"，管閥之間的連接都采用卡套式接頭。與反應流體接觸的不銹鋼 管、閥材質均為SUS316 (購自美國Swagelok公司)。
工作原理
盛放在進樣容器1的甘油與堿的水溶液，由高壓計量泵2輸入到反應器10， 在反應器10中轉^f七成乳酸。鹽浴缸9中的混合鹽可由加熱棒11加熱至融融狀態(tài)， 反應溫度由熱電偶12控制，攬拌機13則使得 融鹽溫度分布一致，可為浸入 鹽浴中的反應管IO提供穩(wěn)定的溫度，本裝置可實現(xiàn)250—35(TC之間任意一個溫度值。反應產(chǎn)物經(jīng)過冷卻器14降至室溫，經(jīng)過管式濾器濾18去雜質之后再流 經(jīng)背壓閥19，最后流入生成物容器20。
背壓閥19的主要功能是在管路內形成反應預期的背壓，通過調節(jié)背壓閥19 可在反應管10內實現(xiàn)最大20MPa壓強。由于常溫水和近臨界水的可壓縮性差， 往復式高壓計量泵2會導致的管路系統(tǒng)出現(xiàn)巨大的壓力波動，但借助穩(wěn)壓系統(tǒng)， 這種波動幾乎完全得以消除。穩(wěn)壓系統(tǒng)的核心部件是氣囊式阻尼器，利用其內 的氣囊充入的高壓氣體的可壓縮性來吸收管路系統(tǒng)內的壓力波動，最終可為反 應管提供6—20MPa之間以穩(wěn)定的壓強。阻尼器6與穩(wěn)壓三通4之間的管段固定 在盛放足量冷水的冷卻缸中是為了防止倒流的熱液損壞阻尼器6。放空閥17主 要是為了能在管式過濾器18堵塞造成壓力異常情況出現(xiàn)時，或管路清洗需要時 放空管路，管式過濾器18則在背壓閥19之前濾去大顆粒雜質，防止背壓閥19 堵塞。進樣閥3和進水閥5的安裝便于分別從這兩條管線向管路系統(tǒng)中注入反 應物和去離子水。
本裝置的使用流程如下-
首先，關閉進樣閥3，開啟進水閥5和放空閥17，用高壓計量泵2從進水 閥3向穩(wěn)壓系統(tǒng)管路注入去離子水，直至放空閥17有去離子水流出。之后，關 閉進水閥5，開啟進樣閥3，用高壓計量泵2由進樣管路向系統(tǒng)注入去離子水， 沖洗整個管路，直至放空閥n流出的去離子水中不含雜質，然后關閉放空閥17， 同時調節(jié)背壓閥19，使管路系統(tǒng)壓力上升至預定值。最后，打開冷卻器14的冷 卻水，開啟加熱棒11加熱混合鹽至熔融態(tài)，通過熱電偶12和控制器將鹽浴穩(wěn)定 在指定的溫度。
待系統(tǒng)壓力、溫度、流量達到指定的條件，將去離子水逐漸替換成指定比 例脫過氣的甘油和NaOH混合溶液，系統(tǒng)穩(wěn)定運行一段時間之后(長于反應時 間30分鐘以上)，在背壓闊19之后即可獲得含乳酸(乳酸根離子)的溶液。
關閉該裝置的過程如下首先停止對鹽浴加熱，再次向管路系統(tǒng)注入去離 子水，待鹽浴溫度降至常溫，之后關閉冷卻水，開啟放空閥17放空，并同時加 大高壓計量泵2的流量沖洗管路，直至反應物濃度足夠低，最后關閉高壓計量 泵2。
對某濃度的甘油， 一旦轉化過程穩(wěn)定之后，該裝置可以實現(xiàn)長時間連續(xù)運行。正常情況下，不需要頻繁得拆卸、清洗。過長時間運行、改變反應物濃度 及當壓力出現(xiàn)偏高等異常等情況，需要拆卸管閥進行清洗時，通常，必須在該 裝置關閉的狀態(tài)下完成。
權利要求
1.用水熱反應將甘油連續(xù)轉化為乳酸的裝置，其特征是包括固定架(21)、與固定架(21)的平臺固結的高壓計量泵(2)、穩(wěn)壓系統(tǒng)、水熱反應系統(tǒng)和通過冷卻器固定桿(22)與固定架(21)的頂板固結的冷卻器(14)、以及放空閥(17)、管式過濾器(18)、背壓閥(19)；穩(wěn)壓系統(tǒng)包括進水閥(5)，阻尼器(6)，穩(wěn)壓系統(tǒng)壓力表(7)和冷卻缸(8)；水熱反應系統(tǒng)由鹽浴缸(9)，鹽浴缸(9)內的反應管(10)、加熱棒(11)、熱電偶(12)和攪拌機(13)組成；高壓計量泵(2)的進口與進樣容器(1)連接，高壓計量泵(2)的出口通過進樣閥(3)與穩(wěn)壓三通(4)進口連接，穩(wěn)壓三通(4)的兩個出口中一個與水熱反應系統(tǒng)的反應管(10)連接，反應管(10)與冷卻器(14)的冷卻管連接，冷卻管分別與反應系統(tǒng)壓力表(15)和放空三通(16)連接，放空三通(16)一端與放空閥(17)連接，另一端與管式過濾器(18)連接，管式過濾器(18)與背壓閥(19)進口相連，背壓閥(19)出口通過一段不銹鋼管連接到生成物容器(20)；穩(wěn)壓三通(4)的另一個與穩(wěn)壓系統(tǒng)的冷卻缸(8)內的冷卻盤管連接，冷卻盤管出口與阻尼器(6)和進水閥(5)連接；上述冷卻缸(8)放置在固定架(21)平臺上，固定架由4根直立和4根水平的角鋼焊接而成長方體，為避免其上放置的高溫鹽浴缸燙壞地面，固定架底部離開地面50公分處再用4根水平角鋼在與原有的4根直立的角鋼焊接制作成一個平臺；出于安全考慮，固定架頂端面和前端面用鐵皮封閉；冷卻缸(8)中的冷卻盤管用冷卻盤管固定架(23)固定，冷卻盤管固定架(23)由上下兩個水平圓環(huán)鐵片和固定這兩個圓環(huán)鐵片的8根直立連接桿組成，8根直立連接桿依次分布在不同直徑的圓上，4根在大圓周上，4根在小圓周上，每根直立連接桿兩頭分別通過螺帽與圓環(huán)鐵片固定，8根直立連接桿形成大小兩個圓周，冷卻盤管盤繞在這兩個圓周之間，冷卻盤管固定架(23)完全浸入冷卻缸(8)內盛放的足量冷水中；上述水熱反應系統(tǒng)的鹽浴缸(9)放置在固定架(21)平臺上，鹽浴缸(9)中的反應管(10)被固定在反應管固定架(24)上，反應管固定架(24)結構與冷卻盤管固定架(23)類似，反應管(10)固定在反應管固定架(24)上的方式與冷卻盤管固定在冷卻盤管固定架(23)的方式相同，在反應管固定架(24)上并完全浸沒在混合鹽中，鹽浴缸(9)內盛放重量比為1∶1的硝酸鉀與硝酸鈉混合鹽，鹽浴缸(9)中心設有與攪拌機(13)的轉軸固結的槳葉，攪拌機的轉軸穿過固定架頂板預留的圓孔與攪拌機的電動機相連，攪拌機通過連接桿與支架固結，支架與固定架的頂板固結。
全文摘要
用水熱反應將甘油連續(xù)轉化為乳酸的裝置，涉及一種在堿性條件下利用水熱反應將甘油轉化為乳酸的裝置。由高壓計量泵(2)、穩(wěn)壓系統(tǒng)、水熱反應系統(tǒng)、冷卻器(14)、管式過濾器(18)和背壓閥(19)組成。通過高壓計量泵(2)將0.33mol/L甘油與1.25mol/L堿的混合液輸入水熱反應系統(tǒng)，在水熱反應系統(tǒng)和穩(wěn)壓系統(tǒng)及背壓閥協(xié)同作用下保持300℃、10MPa的水熱條件，60min可穩(wěn)定地獲得83％的甘油連續(xù)轉化率和高于60％的乳酸連續(xù)生成率。與用反應釜相比，本發(fā)明實現(xiàn)了甘油向乳酸的連續(xù)轉化反應且設計合理，操作簡易，配合通過酸中和、分離處理實現(xiàn)乳酸的回收。可廣泛用于將生物柴油產(chǎn)業(yè)價值較低的副產(chǎn)物-甘油生產(chǎn)為工業(yè)價值較高的乳酸，以實現(xiàn)廢棄物的利用及生物柴油產(chǎn)業(yè)鏈的拓展。
文檔編號C07C59/08GK101628871SQ200910056559
公開日2010年1月20日 申請日期2009年8月18日 優(yōu)先權日2009年8月18日
發(fā)明者冰 吳, 張光義, 曹江林, 旭 曾, 金放鳴, 鵬 閆, 振 魏 申請人:同濟大學