農(nóng)林生物質(zhì)化學(xué)組分的流式分離裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開了一種農(nóng)林生物質(zhì)化學(xué)組分的流式分離裝置和方法，屬于生物質(zhì)煉制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]農(nóng)林生物質(zhì)主指農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)過程中除糧食、果實(shí)以外的秸桿、樹木等木質(zhì)纖維素、農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)下腳料和農(nóng)林廢棄物等物質(zhì)，具有可再生性，低污染性和廣泛分布性。從化學(xué)組成來講，生物質(zhì)含有除了含有纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三大組分外，還含有一定量的樹月旨、脂肪、錯(cuò)等脂溶性物質(zhì)。
[0003]生物質(zhì)煉制是指通過開發(fā)新的化學(xué)、生物和機(jī)械手段，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為為各種化學(xué)品、燃料和生物基材料的技術(shù)和設(shè)備的集合。生物質(zhì)組分的有效分離使生物質(zhì)煉制的基礎(chǔ)，能夠?yàn)楹罄m(xù)轉(zhuǎn)化提供合適的原料，因此成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界研宄的熱點(diǎn)。
[0004]近年來，在農(nóng)林生物質(zhì)化學(xué)組分分離方面涌現(xiàn)出大量專利。中國專利文件CN102561082A(申請(qǐng)?zhí)?201210051748.5)公開了一種從木質(zhì)纖維原料提取半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的方法，在靜態(tài)的反應(yīng)釜內(nèi)利用熱水抽提生物質(zhì)中的半纖維素組分，然后利用堿性有機(jī)溶劑(含有氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣的甲醇或乙醇溶液)抽提木質(zhì)素組分，最終實(shí)現(xiàn)半纖維素、木質(zhì)素和纖維素的分離。中國專利文件CN102101915A(申請(qǐng)?zhí)?201010542903.4)公開一種農(nóng)林生物質(zhì)組分的分離方法，利用離子液體將農(nóng)林生物質(zhì)粉末全部溶解為生物質(zhì)溶液，然后利用丙酮、水、堿和乙醇的組合，構(gòu)成特定的溶劑，將生物質(zhì)溶液中的半纖維素、纖維素和木素分別分離出來。中國專利文件CN101790611A(申請(qǐng)?zhí)?200880102063.0)公開了一種將生物質(zhì)組分分離成諸如纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等單個(gè)組分的方法和系統(tǒng)，在反應(yīng)器內(nèi)利用10%?30%的氨及其衍生物將木質(zhì)素溶出，然后利用0.25% -2%的無機(jī)酸將半纖維素溶出，類似的專利還有中國專利文件CN1779070A(申請(qǐng)?zhí)?200510036416.X)和中國專利文件 CN103924468A(申請(qǐng)?zhí)?201310688644.X)。
[0005]但是，上述專利文件所述的分離方法均在反應(yīng)器以靜態(tài)的方式實(shí)現(xiàn)，效率較低；并且氫氧化鈉、氫氧化鉀、硫酸、鹽酸、過氧化氫等腐蝕性和氧化性較強(qiáng)的溶劑，在靜態(tài)的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行提取，時(shí)間較長，碳水化合物降解嚴(yán)重，生成大量的糠醛和有機(jī)酸等雜質(zhì)，為后來的組分純化帶來困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種農(nóng)林生物質(zhì)化學(xué)組分的流式分離裝置和方法，利用該裝置和方法，可實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)中脂溶性物質(zhì)、半纖維素、木質(zhì)素和纖維素等化學(xué)組分的快速分離。通過流式抽提分離，生物質(zhì)組分在溶出的同時(shí)流出反應(yīng)器，避免了組分的降解，極大的提高了抽提組分的純度。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]一種農(nóng)林生物質(zhì)化學(xué)組分的流式分離裝置，包括常溫溶劑儲(chǔ)存罐、溫度調(diào)節(jié)單元、熱溶劑儲(chǔ)存罐、抽提管和收集罐，所述的常溫溶劑儲(chǔ)存罐通過高壓泵與溫度調(diào)節(jié)單元連接，所述的溫度調(diào)節(jié)單元與熱溶劑儲(chǔ)存罐連接，所述的熱溶劑儲(chǔ)存罐通過單向閥與抽提管連接，所述的抽提管通過恒壓閥門與溫度調(diào)節(jié)單元連接，所述的溫度調(diào)節(jié)單元還與收集罐連接。
[0009]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述的溫度調(diào)節(jié)單元包括并聯(lián)連接的加熱器和冷卻器，所述的加熱器分別與高壓泵和熱溶劑儲(chǔ)存罐連接，所述的冷卻器分別與恒壓閥門和收集罐連接。
[0010]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述的恒壓閥門與抽提管之間還設(shè)置有壓力表。
[0011]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述的抽提管內(nèi)部設(shè)置有螺旋給料裝置，抽提管的進(jìn)料口和出料口設(shè)置有濾網(wǎng)。濾網(wǎng)用于防止農(nóng)林生物質(zhì)物料的流失。
[0012]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述的高壓泵為多元梯度高壓泵，能夠?qū)崿F(xiàn)2?4種溶劑的任意體積混合，能夠提供I?40MPa的恒定壓力；
[0013]優(yōu)選的，所述的溫度調(diào)節(jié)單元的溫度調(diào)節(jié)范圍在10?400°C ;
[0014]優(yōu)選的，所述的恒壓閥門可將壓力在I?40MPa之間調(diào)節(jié)。
[0015]根據(jù)本發(fā)明，一種農(nóng)林生物質(zhì)化學(xué)組分的流式分離方法，包括使用上述裝置，包括步驟如下；
[0016](I)將農(nóng)林生物質(zhì)原料粉碎后裝入抽提管中，將溶劑裝入常溫溶劑儲(chǔ)存罐中，通過高壓泵將溶劑泵入溫度調(diào)節(jié)單元中，溫度調(diào)節(jié)單元中的加熱器將溶劑加熱后輸送到熱溶劑儲(chǔ)存罐中，調(diào)節(jié)單向閥和恒壓閥門控制溶劑的流速進(jìn)而控制溶劑在抽提管的停留時(shí)間，溶劑對(duì)農(nóng)林生物質(zhì)化學(xué)組分進(jìn)行提??；
[0017]高壓泵調(diào)節(jié)提取過程中的壓力為I?40MPa ；
[0018](2)提取結(jié)束后，提取化學(xué)組分后的溶劑進(jìn)入溫度調(diào)節(jié)單元中，溫度調(diào)節(jié)單元中的冷凝器對(duì)溶劑冷凝至常溫后輸送到收集罐中，將溶劑蒸發(fā)去除即得農(nóng)林生物質(zhì)化學(xué)組分。
[0019]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，步驟(I)中，當(dāng)分離農(nóng)林生物質(zhì)中的脂溶性物質(zhì)時(shí)，所述的溶劑為苯、甲苯、甲醇、乙醇、超臨界二氧化碳或/和甲基叔丁基醚，溶劑加熱后的溫度為40-210°C，壓力0.5-25MPa，溶劑在抽提管的停留時(shí)間為5_120min ;進(jìn)一步優(yōu)選的，所述的脂溶性物質(zhì)包含但不限于樹脂、植物單寧、脂肪酸、植物留醇；更優(yōu)選的，溶劑加熱后的溫度為100-120°C，壓力6-8MPa，溶劑在抽提管的停留時(shí)間為20_40min ；
[0020]當(dāng)分離農(nóng)林生物質(zhì)中的半纖維素時(shí)，所述的溶劑為水、0.2-10wt %濃度的稀酸溶液，溶劑加熱后的溫度為100-190 °C，壓力2.5-10MPa，溶劑在抽提管的停留時(shí)間為
2-60min ;進(jìn)一步優(yōu)選的，所述的稀酸溶液為硫酸、鹽酸、硝酸、磷酸或碳酸；更優(yōu)選的，所述的溶劑為水、0.1_2被％濃度的稀酸溶液，溶劑加熱后的溫度為160-180°C，壓力6-8MPa，溶劑在抽提管的停留時(shí)間為10-30min ；
[0021]當(dāng)分離農(nóng)林生物質(zhì)中的木質(zhì)素時(shí)，所述的溶劑為l_20wt%濃度的稀堿溶液、
0.l_2wt%濃度的無機(jī)鹽溶液、四氫呋喃、二氧六環(huán)、二甲基甲酰胺、二甲基亞砜或/和液氨，溶劑加熱后的溫度為80-180 °C，壓力0.5-25MPa，溶劑在抽提管的停留時(shí)間為10-90min ;進(jìn)一步優(yōu)選的，所述的稀堿溶液為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化媽，所述的無機(jī)鹽為碳酸鹽或亞硫酸鹽；更優(yōu)選的，所述的溶劑為6-8wt%濃度的稀堿溶液、0.1-0.5被％濃度的無機(jī)鹽溶液、四氫呋喃、二氧六環(huán)、二甲基甲酰胺、二甲基亞砜或/和液氨，溶劑加熱后的溫度為80-140°C，壓力6-15MPa，溶劑在抽提管的停留時(shí)間為10_30min ；
[0022]優(yōu)選的，高壓泵調(diào)節(jié)提取過程中的壓力為8?30MPa ;
[0023]優(yōu)選的，所述的溶劑與農(nóng)林生物質(zhì)原料的質(zhì)量比為3-15:1。
[0024]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述的農(nóng)林生物質(zhì)原料為楊木。
[0025]根據(jù)本發(fā)明，將農(nóng)林生物質(zhì)原料裝入抽提管中，利用高壓泵使溶劑在抽提管中流動(dòng)，通過控制溶劑的種類、比例、溫度、壓力和流速，將農(nóng)林生物質(zhì)原料中的脂溶性物質(zhì)、半纖維素、木質(zhì)素組分依次抽提至溶劑中，農(nóng)林生物質(zhì)中纖維素組分最終以固態(tài)的形式存在于抽提管中，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)化學(xué)組分的分離。
[0026]本發(fā)明的有益效果:
[0027]1、本發(fā)明分離裝置結(jié)構(gòu)簡單，使用輕便，分離效果好。
[0028]2、本發(fā)明分離方法是在溶劑流動(dòng)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)林生物質(zhì)化學(xué)成分的分離，具有分離快速高效、溶劑使用量低、組分無降解的特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明農(nóng)林生物質(zhì)化學(xué)組分的流式分離裝置的主體結(jié)構(gòu)示意圖；其中:1、常溫溶劑儲(chǔ)存罐，2、高壓泵，3、溫度調(diào)節(jié)單元，4、熱溶劑儲(chǔ)存罐，5、單向閥，6、抽提管，7、壓力表，8、恒壓閥門，9、收集罐。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不限于此。
[0031]實(shí)施例1:
[0032]一種農(nóng)林生物質(zhì)化學(xué)組分的流式分離裝置，包括常溫溶劑儲(chǔ)存罐1、溫度調(diào)節(jié)單元3、熱溶劑儲(chǔ)存罐4、抽提管6和收集罐9，所述的常溫溶劑儲(chǔ)存罐I通過高壓泵2與溫度調(diào)節(jié)單元3連接，所述的溫度調(diào)節(jié)單元3與熱溶劑儲(chǔ)存罐4連接，所述的熱溶劑儲(chǔ)存罐4通過單向閥5與抽提管6連接，所述的抽提管6通過恒壓閥門8與溫度調(diào)節(jié)單元3連接，所述的溫度調(diào)節(jié)單元3還與收集罐9連接；
[0033]所述的溫度調(diào)節(jié)單元3包括并聯(lián)連接的加熱器和冷卻器，所述的加熱器分別與高壓泵2和熱溶劑儲(chǔ)存罐4連接，所述的冷卻器分別與恒壓閥門8和收集罐9連接；
[0034]所述的恒壓閥門8與抽提管6之間還設(shè)置有壓力表7 ;
[0035]所述的抽提管6內(nèi)部設(shè)置有螺旋給料裝置，抽提管6的進(jìn)料口和出料口設(shè)置有濾網(wǎng)；
[0036]所述的高壓泵2為多元梯度高壓泵，能夠?qū)崿F(xiàn)2?4種溶劑的任意體積混合，能夠提供I?40MPa的恒定壓力；
[0037]所述的溫度調(diào)節(jié)單元3的溫度調(diào)節(jié)范圍在10?400°C ；
[0038]所述的恒壓閥門8可將壓力在I?40MPa之間調(diào)節(jié)。
[0039]實(shí)施例2:
[0040]一種利用實(shí)施例1所述裝置對(duì)楊木化學(xué)組分的流式分離方法，包括步驟如下；
[0041](I)將楊木原料粉碎后裝入抽提管6中，將溶劑裝入常溫溶劑儲(chǔ)存罐I中，通過高壓泵2將溶劑泵入溫度調(diào)節(jié)單元3中，溫度調(diào)節(jié)單元3中的加熱器將溶劑加熱后輸送到熱溶劑儲(chǔ)存罐4中，調(diào)節(jié)單向閥5和恒壓閥門8控制溶劑的流速進(jìn)而控制溶劑在抽提管6的停留時(shí)間，溶劑對(duì)農(nóng)林生物質(zhì)化學(xué)組分進(jìn)行提取；
[0042]使用不同溶劑實(shí)現(xiàn)不同化學(xué)組分的分離，具體如下:
[0043]A、溶劑為甲基叔丁基醚，溫度調(diào)節(jié)單元3加熱溶劑溫度至100-110°C，調(diào)節(jié)流速使溶劑在抽提管6中的停留時(shí)間30min，持續(xù)泵送60min，使用溶劑質(zhì)量為楊木原料質(zhì)量的4倍，得到含有脂溶性物質(zhì)(樹脂、植物單寧、脂肪酸和植物留醇)的甲基叔丁基醚溶液；
[0044]B、溶劑為水，溫度調(diào)節(jié)單元3加熱溶劑溫度至175_185°C，調(diào)節(jié)流速使溶劑在抽提管6中的停留時(shí)間20min，持續(xù)泵送40min，使用溶劑質(zhì)量為楊木原料質(zhì)量的4倍，得到含有半纖維素的水溶液；
[0045]C、溶劑為四氫呋喃溶液，溫度調(diào)節(jié)單元3加熱溶劑溫度至120_135°C，調(diào)節(jié)流速使溶劑在抽提管6中的停留時(shí)間20min，持續(xù)泵送60min，使用溶劑質(zhì)量為楊木原料質(zhì)量的4倍，得到含有木質(zhì)素的四氫呋喃溶液；