本實用新型涉及催化生物質原料水解裝置的技術領域，具體涉及一種利用碳基固體酸催化劑兩步水解生物質的反應系統(tǒng)。

背景技術：

木質纖維素類生物質是地球上唯一一種可轉化為氣、液、固三相燃料的含碳可再生資源，也是人類社會最早利用的燃料資源。如何實現其高效轉化以制備燃料，是有效替代當今社會中化石燃料利用的關鍵所在，因此，其轉化利用技術受到了世界各國的廣泛關注。

將木質纖維素類生物質原料中的半纖維素和纖維素轉化為糖，是將其轉化為燃料乙醇、燃料丁醇以及平臺化合物的第一步，其轉化效率的高低關乎到后續(xù)產品的品質、投入產出比以及整個過程的能耗。

液態(tài)酸水解是開發(fā)使用最早的水解糖化方法，適用于該方法的反應裝置主要可以分為：間歇式反應器、錯流床反應器、活塞流式反應器、連續(xù)式反應器等。隨著制作技藝技術的不斷提高，反應器的構造越來越復雜，操作越來越簡便。但是，液態(tài)酸本身的腐蝕性是反應器設計制作的重要障礙，反應器的材質必須要滿足耐酸腐蝕的要求。隨著生物技術的不斷發(fā)展，酶水解技術也得到了相應地提高。但是，酶水解反應過程相對簡單，其反應裝置以間歇式反應器為主。堿對生物質物料中的木質素成分具有很好的溶解作用，通過堿液對生物質物料進行水解處理，不僅可以有效的去除其中的木質素成分，而且對物料的結構可以實現破壞，以提高后續(xù)酶水解的水解效率。

碳基固體酸催化劑在生物質水解中應用的新型催化劑，具有與液態(tài)酸相仿的催化效果，但其反應中不僅不對反應器造成腐蝕，而且反應之后還可以回收利用，受到了人們的關注。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種碳基固體酸催化劑兩步水解生物質的反應系統(tǒng)，本實用新型中通過該系統(tǒng)可以在不轉移物料的情況下對生物質物料實現兩步水解并且對反應后的水解液進行熱量回收。

本實用新型是通過以下技術方案予以實現的：

本實用新型提出一種利用碳基固體酸催化劑兩步水解生物質的反應系統(tǒng)，包括第一儲水罐、第二儲水罐、固液預混罐、水解反應器、導熱油罐、五碳糖儲罐和六碳糖儲罐，所述第一儲水罐頂部設置有第一進水口，底部設置有第一出水口，所述第二儲水罐頂部設置有第二進水口，底部設置有第二出水口，所述第二儲水罐的第二出水口與所述第一儲水罐的第一進水口連通，所述第一出水口與所述固液預混罐頂部設置的第三進水口連通；所述固液預混罐頂部設置有用于加入碳基固體酸催化劑的第一物料進口和用于加入生物質物料的第二物料進口，底部設置有物料出口，所述物料出口與所述水解反應器頂部的物料入口連通，所述水解反應器頂部設置有蒸汽入口；所述水解反應器外部設置有盤管加熱層，所述導熱油罐與所述盤管加熱層連通，所述第一儲水罐內部設置有第一螺旋盤管，所述第二儲水罐內部設置有第二螺旋盤管，所述水解反應器底部設置有固液分離裝置，所述固液分離裝置的液體出口與所述第一螺旋盤管連通，所述第一螺旋盤管與所述第二螺旋盤管連通，所述第二螺旋盤管與所述五碳糖儲罐和所述六碳糖儲罐分別連通。

本申請中，所述第一儲水罐和所述第二儲水罐為相同的結構的兩個儲罐，其主體為圓柱體結構，上下為球形封頭，上部球形封頭設有放空閥，內部有螺旋盤管，外部有保溫層。反應之后的水解液經由第一儲水罐到第二儲水罐，水解液在第一儲水罐和第二儲水罐內部的螺旋盤管中流動，反應所需的水在殼層中與水解液進行熱量交換。

在本申請中，水解反應器為實現固體酸催化劑催化生物質物料進行水解反應的反應器，其主體為圓柱體結構，上下為球形封頭。在水解反應器上部球形封頭上設有漿料(生物質物料、固體酸催化劑和水的混合漿料)加料口，與螺桿泵鏈接、蒸汽加料口、放空口以及壓力表；在其中軸線設置攪拌器，用于固體和液體物料均勻混合；外部設有導熱油盤管加熱層，用于反應時對反應器內反應物料進行加熱；盤管加熱層外包裹保溫層，以減少反應過程中的熱量損失；在水解反應器下部的球形封頭上設有固液分離器，用于反應后對反應器中的液體物料分離后排出反應器，其末端與管道泵連接；固液分離器的末端與水解反應器排放閥連接，用于反應后將固體物料排出裝置。

優(yōu)選地，所述固液分離裝置底部設置有水解反應器排放閥，所述水解反應器排放閥與用于分離反應后的生物質物料及碳基固體酸催化劑的固固分離器連接，通過所述固固分離器，回收碳基固體酸催化劑。固固分離器的設置用于催化劑的回收利用。

優(yōu)選地，所述導熱油罐設置有用于提供熱源的電加熱器和測定所述水解反應器溫度的導熱油罐測溫點。導熱油罐為向水解反應器提供熱量的主要供應源，內部設置電加熱器，用于導熱油的加熱；末端與管道泵鏈接，用于向水解反應器導熱油盤管加熱層輸送熱導熱油；上部設置有導熱油回收口，導熱油為循環(huán)使用。

優(yōu)選地，所述水解反應器內部還設置有內襯，所述水解反應器為不銹鋼材質，所述內襯為四氟乙烯材質。水解反應器是以316L型號的不銹鋼為材質制造的耐壓圓柱形反應器。

優(yōu)選地，所述水解反應器內部設置有用于攪拌固液物料的攪拌器，所述攪拌器頂部設置有用于驅動所述攪拌器的水解反應器攪拌電機。

優(yōu)選地，所述水解反應器頂部設置有用于測定所述水解反應器內部壓力的壓力表。

優(yōu)選地，所述固液分離裝置與所述水解反應器可拆卸連接。在本申請中，固液分離裝置為固液分離器。

優(yōu)選地，所述水解反應器外部設置有若干個測溫點。

優(yōu)選地，該反應系統(tǒng)還包括用于控制反應系統(tǒng)電控裝置的控制系統(tǒng)，用于控制系統(tǒng)中的管道閥門、泵、電機、加熱器等所有可以通過電控的裝置以及鏈接熱電偶對溫度監(jiān)測和設定，對于連接在水解反應器中的熱電偶，只起到溫度監(jiān)測的作用。

本實用新型的有益效果在于：

(1)本實用新型利用了生物質中半纖維素和纖維素成分水解難易程度的不同，第一步是在較為溫和的反應條件下，利用碳基固體酸對生物質物料中的半纖維素成分進行較為充分的水解；排除第一步水解液后，重新加入水作為反應液體，提高反應強度，對物料中的纖維素成分進行充分水解，通過兩步水解反應，分別得到富含木糖和葡萄糖的水解液；使用該方法對生物質物料進行水解，只需添加一次固體物料，可以有效減少操作步驟，另外，第一步處理后的物料，其已經破壞的結構沒有因放置或干燥一段時間而重新閉合，對第二步水解反應具有較好的推動作用；

(2)本實用新型使用碳基固體酸作為催化劑，不僅對不銹鋼設備的腐蝕性小，而且所產生的廢液酸度低，可以有效減少后續(xù)廢液的處理壓力，屬于環(huán)境友好的化工過程。

附圖說明

圖1是本實用新型實施例1～5利用碳基固體酸催化劑兩步水解生物質的反應系統(tǒng)結構示意圖；

附圖標記：1.第二儲水罐，2.第一儲水罐、3.固液預混罐、4.水解反應器、5.導熱油罐、6.五碳糖儲罐、7.六碳糖儲罐、8.固固分離器、9.螺桿泵、10.第一管道泵、11.第二管道泵、12.預混罐攪拌電機、13.水解反應器攪拌電機、14.壓力表、15.第一管道閥門、16.放空閥、17.第二管道閥門、18.第三管道閥門、19.第四管道閥門、20.第五管道閥門、21.第六管道閥門、22.混合液排放閥、23.水解反應器排放閥、24.測溫點、25.固液分離器、26.電加熱器、27.盤管加熱層、28.第一保溫層、29.第二保溫層、30.過濾器、31.單向閥、32.攪拌器、33.控制系統(tǒng)、34.排液閥、35.蒸汽流量計。

具體實施方式

以下是對本實用新型的進一步說明，而不是對本實用新型的限制。

除特別說明，本實用新型使用的設備和原料為本技術領域常規(guī)市購產品。

一種利用碳基固體酸催化劑兩步水解生物質的反應系統(tǒng)，包括第一儲水罐2、第二儲水罐1、固液預混罐3、水解反應器4、導熱油罐5、五碳糖儲罐6和六碳糖儲罐7，第一儲水罐2頂部設置有第一進水口，底部設置有第一出水口，第二儲水罐1頂部設置有第二進水口，底部設置有第二出水口，第二儲水罐1的第二出水口與第一儲水罐2的第一進水口連通，第一出水口與固液預混罐3頂部設置的第三進水口連通；物料出口將混合均勻的物料通過物料入口輸送至水解反應器4內進行反應，水解反應器4頂部設置有蒸汽入口；水解反應器4外部設置有盤管加熱層27，導熱油罐5與盤管加熱層27連通，第一儲水罐2內部設置有第一螺旋盤管，第二儲水罐內部設置有第二螺旋盤管，水解反應器4底部設置有固液分離器25，固液分離器25的液體出口與第一螺旋盤管連通，第一螺旋盤管與第二螺旋盤管連通，第二螺旋盤管與五碳糖儲罐6和六碳糖儲罐7分別連通，經水解反應器4水解反應后的水解液經固液分離器25分離后，先后經第一儲水罐2中的第一螺旋盤管和第二儲水罐1中的第二螺旋盤管，進入五碳糖儲罐6或者六碳糖儲罐7儲存。本申請中，第一儲水罐2和第二儲水罐1為相同的結構的兩個儲罐，其主體為圓柱體結構，上下為球形封頭，上部球形封頭設有放空閥，內部有螺旋盤管，外部有保溫層。反應之后的水解液經由第一儲水罐2到第二儲水罐1，水解液在第一儲水罐2和第二儲水罐1內部的第一螺旋盤管和第二螺旋盤管中流動，反應所需的水在殼層中與水解液進行熱量交換。

在本申請中，水解反應器4為實現固體酸催化劑催化生物質物料進行水解反應的反應器，其主體為圓柱體結構，上下為球形封頭。在水解反應器4上部球形封頭上設有漿料(生物質物料、固體酸催化劑和水的混合漿料)加料口，與螺桿泵連接、蒸汽加料口、放空口以及壓力表；在其中軸線設置攪拌器，用于固體和液體物料均勻混合；外部設有導熱油盤管加熱層27，用于反應時對水解反應器內反應物料進行加熱；盤管加熱層27外包裹第一保溫層28，以減少反應過程中的熱量損失；在水解反應器4下部的球形封頭上設有固液分離器25，用于反應后對水解反應器4中的液體物料分離后排出水解反應器，其末端與管道泵連接；固液分離器25的末端與水解反應器排放閥23連接，用于反應后將固體物料排出裝置。固液預混罐3外部還設置有第二保溫層29，以減少反應過程中的熱量損失。

固液分離器25底部設置有水解反應器排放閥23，水解反應器排放閥23與用于分離反應后的生物質物料及碳基固體酸催化劑的固固分離器8連接，通過固固分離器8，回收碳基固體酸催化劑。固固分離器8的設置用于碳基固體酸催化劑的回收利用。

導熱油罐5設置有用于提供熱源的電加熱器26和測定水解反應器4溫度的導熱油罐測溫點。導熱油罐5為向水解反應器4提供熱量的主要供應源，內部設置電加熱器26，用于導熱油的加熱；末端與管道泵連接，用于向水解反應器4導熱油盤管加熱層27輸送熱導熱油；上部設置有導熱油回收口，導熱油為循環(huán)使用。

水解反應器4內部設置有用于攪拌固液物料的攪拌器，攪拌器頂部設置有用于驅動攪拌器的水解反應器攪拌電機13。水解反應器4內部還設置有內襯，水解反應器4為不銹鋼材質，內襯為四氟乙烯材質。水解反應器4是以316L型號的不銹鋼為材質制造的耐壓圓柱形反應器。

水解反應器4頂部設置有用于測定水解反應器4內部壓力的壓力表。固液分離器25與水解反應器4可拆卸連接。水解反應器4外部設置有6個測溫點24。在本實施例中測溫點為6個，可根據實際需要增減測溫點的個數。水解反應器4內部設置有用于攪拌固液物料的攪拌器32，攪拌器32頂部設置有用于驅動攪拌器32的水解反應器攪拌電機13。

該反應系統(tǒng)還包括用于控制反應系統(tǒng)電控裝置的控制系統(tǒng)33，用于控制系統(tǒng)中的管道閥門、泵、電機、加熱器等所有可以通過電控的裝置以及鏈接熱電偶對溫度監(jiān)測和設定，對于連接在水解反應器中的熱電偶，只起到溫度監(jiān)測的作用。

參閱圖1所示，利用該反應系統(tǒng)碳基固體酸催化劑兩步水解生物質的反應的工藝步驟為：

(1)打開水管道中的第二管道閥門17和第三管道閥門18，分別向第二儲水罐1和第一儲水罐2中加入水，并檢查整套系統(tǒng)的氣密性及閥門；

(2)向固液預混罐3中加入質量比為2～5:1的碳基固體酸催化劑和生物質物料，以及水，打開預混罐攪拌電機12并在控制系統(tǒng)33中設定轉速，以及打開第一管道閥門15，以便將固液預混罐3中的固液物料混合均勻，固液預混罐3外部還設置有第二保溫層29；

(3)開啟導熱油罐5中電加熱器26，并通過控制系統(tǒng)33設定加熱溫度120～150℃；

(4)打開混合液排液閥22以及水解反應器4中的放空閥16，并開啟螺桿泵9向水解反應器4中加混合均勻的固液物料，加料完成后關閉螺桿泵9、固液預混罐3中的攪拌裝置、混合液排液閥22以及放空閥16；

(5)打開蒸汽管道的單向閥31，向水解反應器4中通入蒸汽，打開水解反應器攪拌電機13并在控制系統(tǒng)33中設定轉速，并可在反應器頂部的壓力表14上觀察水解反應器4內部的壓力，打開第二管道泵11開啟導熱油的循環(huán)系統(tǒng)；

(6)打開固液分離器25、第四管道閥門19、第一管道泵10和排液閥34，將水解反應器4中的水排出水解反應器4，并對水進行回收用于下次反應；

(7)待排液閥34中有斷斷續(xù)續(xù)的氣體(水蒸氣)排出時，關閉固液分離器25以及排水管路中的閥門和泵；

(8)繼續(xù)向水解反應器4中通水蒸氣，待水量達到反應生物質物料與水的質量比為1:10～40所需量后，關閉單向閥31，觀察設置于水解反應器外部的測溫點24，待到達反應溫度120～150℃后，開始計時，在120～150℃的溫度下混合后的物料反應2～3小時；

(9)反應完成后打開第四管道閥門19、第一管道泵10和第六管道閥門21，排出反應后所產生的水解液經第一管道泵10和過濾器30過濾后，先后經第一儲水罐2和第二儲水罐1內部的螺旋盤管中流動后，并于五碳糖儲罐6中進行儲存，富含五碳糖的水解液排除后關閉第四管道閥門19、第一管道泵10和第六管道閥門21；

(10)排放過程中，在控制系統(tǒng)33中重新設定導熱油罐5中的溫度為160～200℃，以達到滿足第二步水解的需要；

(11)打開蒸汽管道的單向閥31，向水解反應器4中再次通入水蒸氣，并通過管道中的蒸汽流量計35來統(tǒng)計通入的水蒸氣量(以初始生物質物料為基準，生物質物料與水的質量比為1:10～40)，待滿足第二步水解的需求后關閉蒸汽通路；

(12)通過水解反應器4中的測溫點24監(jiān)測水解反應器4中的溫度，待達到反應溫度160～200℃后開始計時反應2～4小時；

(13)反應完成后打開第四管道閥門19、第一管道泵10和第五管道閥門20，排出反應后所產生的水解液經第一管道泵10和過濾器30過濾后，先后經第一儲水罐2和第二儲水罐1內部的螺旋盤管中流動后，并于六碳糖儲罐7中進行儲存，富含六碳糖的水解液排出后關閉第四管道閥門19、第一管道泵10和第五管道閥門20；

(14)打開水解反應器排放閥23，利用水解反應器4中的壓力以及固體物料自身的重力，將剩余的生物質殘渣和碳基固體酸催化劑排入固固分離器8中，生物質廢渣進行儲存，固體酸催化劑回收并用于后續(xù)反應。在本申請中，固液分離裝置為固液分離器。

在本申請中，在步驟(2)中加入水，使碳基固體酸催化劑和生物質物料體系的固含量為10％，步驟(5)中通入蒸汽的作用是排出反應體系中的水分，同時給反應體系加熱，用蒸汽加熱，其加熱速度快，同時防止生物質物料被碳化。

實施例1

利用碳基固體酸催化劑兩步水解生物質的反應的步驟為：

(1)打開水管道中的第二管道閥門17和第三管道閥門18，分別向第二儲水罐1和第一儲水罐2中加入水，并檢查整套系統(tǒng)的氣密性及閥門；

(2)向固液預混罐3中加入質量比為2:1的碳基固體酸催化劑和生物質物料(生物質物料為粒徑為0.2-5mm的玉米芯)以及水，打開預混罐攪拌電機12并在控制系統(tǒng)33中設定轉速，以及打開第一管道閥門15，以便將固液預混罐3中的固液物料混合均勻；

(3)開啟導熱油罐5中電加熱器26，并通過控制系統(tǒng)33設定加熱溫度120℃；

(4)打開混合液排液閥22以及水解反應器4中的放空閥16，并開啟螺桿泵9向水解反應器4中加混合均勻的固液物料，加料完成后關閉螺桿泵9、固液預混罐3中的攪拌裝置、混合液排液閥22以及放空閥16；

(5)打開蒸汽管道的單向閥31，向水解反應器4中通入水蒸氣，打開水解反應器攪拌電機13并在控制系統(tǒng)33中設定轉速，并可在反應器頂部的壓力表14上觀察水解反應器4內部的壓力，并打開第二管道泵11開啟導熱油的循環(huán)系統(tǒng)；

(6)打開固液分離器25、第四管道閥門19、第一管道泵10和排液閥34，將水解反應器4中的水排出水解反應器4，并對水進行回收用于下次反應；

(7)待排液閥34中有斷斷續(xù)續(xù)的氣體(水蒸氣)排出時，關閉固液分離器25以及排水管路中的閥門和泵；

(8)繼續(xù)向水解反應器4中通水蒸氣，待水量達到反應生物質物料與水的質量比為1:10所需量后關閉單向閥31，觀察設置于水解反應外部的測溫點24，待到達反應溫度120℃后，開始計時，在120℃的溫度下混合后的物料反應2小時；

(9)反應完成后打開第四管道閥門19、第一管道泵10和第六管道閥門21，排出反應后所產生的水解液經第一管道泵10和過濾器30過濾后，先后經第一儲水罐2和第二儲水罐1內部的螺旋盤管中流動后，并于五碳糖儲罐6中進行儲存，富含五碳糖的水解液排除后關閉第四管道閥門19、第一管道泵10和第六管道閥門21；

(10)排放過程中，在控制系統(tǒng)33中重新設定導熱油罐5中的溫度為160℃，以達到滿足第二步水解的需要；

(11)打開蒸汽管道的單向閥31，向水解反應器4中通入水蒸氣，并通過管道中的蒸汽流量計35來統(tǒng)計通入的水蒸氣量(以初始生物質物料為基準，生物質物料與水的質量比為1:10)，待滿足第二步水解的需求后關閉蒸汽通路；

(12)通過水解反應器4中的測溫點24監(jiān)測水解反應器4中的溫度，待達到反應溫度140℃后開始計時反應2小時；

(13)反應完成后打開第四管道閥門19、第一管道泵10和第五管道閥門20，排出反應后所產生的水解液經第一管道泵10和過濾器30過濾后，先后經第一儲水罐2和第二儲水罐1內部的螺旋盤管中流動后，并于六碳糖儲罐7中進行儲存，富含六碳糖的水解液排出后關閉第四管道閥門19、第一管道泵10和第五管道閥門20；

(14)打開水解反應器排放閥23，利用水解反應器4中的壓力以及固體物料自身的重力，將剩余的生物質殘渣和碳基固體酸催化劑排入固固分離器8中，生物質廢渣進行儲存，固體酸催化劑回收并用于后續(xù)反應。

對兩步所得的水解液進行分析，五碳糖收率為70％，其中木聚糖占80％；六碳糖收率為60％，其中葡聚糖占90％。

實施例2

反應步驟與實施例1相同，不同之處在于：

選取粒徑為0.2-5mm的玉米芯為生物質物料，將碳基固體酸催化劑與玉米芯按照質量比為5:1的比例放入反應器中，玉米芯與水按照質量比為1:40的比例向水解反應器中加入水；開啟水解反應器的加熱裝置，待水解反應器內溫度達到140℃后開始計時，反應2小時后將水解液排出留存；重新設置水解反應器加熱裝置的溫度，以初始玉米芯質量為基準，并按照初始玉米芯與水的質量比為1:40的比例向水解反應器中加水，待水解反應器內溫度達到170℃后開始計時，反應3小時后將水解液排出留存。

對兩步所得的水解液進行分析，五碳糖收率為95％，其中木聚糖占12％；六碳糖收率為93％，其中葡聚糖占23％。

實施例3

反應步驟與實施例1相同，不同之處在于：

選取粒徑為0.2-5mm的玉米芯為生物質物料，將碳基固體酸催化劑與玉米芯按照質量比為6:1的比例放入水解反應器中，玉米芯與水按照質量比為1:40的比例向水解反應器中加入水；開啟反應器的加熱裝置，待水解反應器內溫度達到140℃后開始計時，反應2小時后將水解液排出留存；重新設置水解反應器加熱裝置的溫度，以初始玉米芯質量為基準，并按照初始玉米芯與水按照質量比為1:40的比例向水解反應器中加水，待水解反應器內溫度達到180℃后開始計時，反應3小時后將水解液排出留存。

對兩步所得的水解液進行分析，五碳糖收率為95％，其中木聚糖占12％；六碳糖收率為86％，其中葡聚糖占5％。

實施例4

反應步驟與實施例1相同，不同之處在于：

選取粒徑為0.2-5mm的桉木木屑為生物質物料，將碳基固體酸催化劑與桉木木屑按照質量比為6:1的比例放入水解反應器中，桉木木屑與水按照質量比為1:40的比例向水解反應器中加入水；開啟水解反應器的加熱裝置，待水解反應器內溫度達到150℃后開始計時，反應2小時后將水解液排出留存；重新設置水解反應器加熱裝置的溫度，并以初始桉木木屑為基準，按照桉木木屑與水質量比為1:40的比例向水解反應器中加水，待水解反應器內溫度達到180℃后開始計時，反應3小時后將水解液排出留存。

對兩步所得的水解液進行分析，五碳糖收率為89％，其中木聚糖占27％；六碳糖收率為91％，其中葡聚糖占26％。

實施例5

反應步驟與實施例1相同，不同之處在于：

選取粒徑為0.2-5mm的柳枝稷為生物質物料，將碳基固體酸催化劑與柳枝稷按照質量比為4:1的比例放入水解反應器中，柳枝稷與水按照質量比為1:30的比例向水解反應器中加入水；開啟水解反應器的加熱裝置，待水解反應器內溫度達到120℃后開始計時，反應2小時后將水解液排出留存；重新設置水解反應器加熱裝置的溫度，以初始柳枝稷質量為基準，并按照柳枝稷與水質量比為1:30的比例向水解反應器中加水，待水解反應器內溫度達到140℃后開始計時，反應2小時后將水解液排出留存。

對兩步所得的水解液進行分析，五碳糖收率為90％，其中木聚糖占17％；六碳糖收率為87％，其中葡聚糖占19％。

利用本申請?zhí)岢龅姆磻到y(tǒng)進行碳基固體酸催化劑兩部水解生物質，實現兩步水解并且對反應后的水解液進行熱量回收，得到的五碳糖和六碳糖的收率也很高。

上列詳細說明是針對本實用新型可行實施例的具體說明，該實施例并非用以限制本實用新型的專利范圍，凡未脫離本實用新型所為的等效實施或變更，均應包含于本案的專利保護范圍中。