[发明专利]植物材料制备糠醛并联产木质素和纤维乙醇的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种以植物材料（植物秸秆、玉米芯、树皮、竹子等生物基材料）为原料二步法制备糠醛并联产木质素和纤维乙醇的方法。

背景技术

糠醛是一种广泛应用于石油工业、化学工业、医药、食品及合成橡胶、合成树脂等行业的重要有机化工原料和化学溶剂。糠醛又名呋喃甲醛，常温下是无色透明的液体，且有苦杏仁味，工业品略显淡黄色。在空气中容易变黑。分子量96.09，比重1.16，熔点-36.67℃。沸点161.67℃，相对密度1.1596（20℃），燃点393℃，临界压力5.5MPa。

目前世界上生产糠醛的方法有硫酸法、醋酸法、盐酸法、无机盐法。中国糠醛生产厂95%以上采用一步催化法。糠醛的生产是以含有多缩戊糖的纤维为原料，先经水解得到戊糖再由戊糖脱水环化制得。以植物为原料，经酸性水解制糠醛是目前唯一的工业化生产方法。糠醛的主要原料是玉米芯、棉籽壳、甘蔗渣、糠麸皮或农作物秸秆等生物质。

一步法因其设备投资少，操作简单，在糠醛工业中得到了广泛的应用。经过近几十年的发展，糠醛的生产工艺和技术都有了很大程度的提高，从最初的单锅蒸煮，发展到了多锅串联以及连续生产工艺。在所报道过的工艺中，应用较广的有Quaker Oats工艺、Agrifuran工艺、Petrole-chimie工艺、Escher Wyss工艺、Rosenlew工艺、RRL-J工艺等，但这些工艺都采用气提的方法从体系中移出糠醛，蒸汽消耗量大，能耗高，此外糠醛在高温下会发生热分解。一步法生产工艺的另一不足之处还在于：生产糠醛过程中副产大量的废渣，主要由未被水解的木质素、纤维素及过程中产生的一些有机酸等组成。据估计，每生产1吨糠醛，在水解工段中就要排出10～12吨废渣，废渣经过糠醛高温处理，其中木质素与纤维素破坏严重，再次利用价值低。不仅严重地危害生态环境，还造成了原料的浪费。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供了一种以植物材料为原料制备糠醛并联产木质素和纤维乙醇的方法，是一种低能耗、低污染的清洁生产方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种以植物材料为原料制备糠醛并联产木质素和纤维乙醇的方法，包括以下步骤：

（1）半纤维素水解制备戊糖：植物材料（植物秸秆、玉米芯、树皮、竹子、玉米芯、棉籽壳、甘蔗渣、糠麸皮等生物基材料）与酸水按质量比1:5～30的比例在戊糖水解罐中进行配料，升温至90℃～130℃并保温0.5～3小时，使半纤维（也称为戊聚糖）水解，水解后进行渣液分离（利用箱式压滤机或离心机或罐内筛网），得到糖渣和戊糖液，糖渣用于制备木质素和纤维素乙醇，戊糖液用于制备糠醛；所述酸水中酸的质量浓度为0.2%～6.0%；

（2）戊糖液预热：将上述得到的戊糖液升温至98℃～110℃，称为预热液，备用，准备喷射升温；

（3）喷射升温：上述预热液与饱和蒸汽或过热蒸汽混合（根据温度适当调整混合比例，控制温度在150℃～190℃之间），经高压喷射器喷射加热至150℃～190℃，得高温戊糖液，进入承压柱；

（4）脱水环化：承压柱内的高温戊糖液在酸催化下脱水环化生成糠醛，承压柱内温度控制在155℃～185℃，承压时间0.1～1小时，压力小于1兆帕，得到醛汽，醛汽中糠醛的纯度可达93%（质量百分数）以上；

（5）醛汽闪蒸释压：上述得到的醛汽释压进入原液罐，或：作为步骤（6）蒸馏塔或步骤（1）戊糖水解罐或步骤（2）戊糖液升温的热源进行热交换，热交换后释压进入原液罐，醛汽释压后成为醛液，然后进入蒸馏塔（根据蒸馏塔处理量实时调整流速）；

（6）蒸馏：在蒸馏塔内，控制塔顶温度为95℃～110℃，在此条件下，醛水形成共沸物，从塔顶馏出的醛水混合气体进入釜顶分醛冷凝器冷凝成醛液，废酸水从蒸馏塔底排出；醛液进入分醛罐静置分层，得上层液和下层液，下层液为毛醛，毛醛中糠醛含量在90%（质量百分数）以上，放入毛醛罐中，上层液回流到蒸馏塔中再进行分离，或用于中和木质素，或作为步骤（1）中的原料；

（7）精馏：上述得到的毛醛在真空下精馏，控制温度在98℃～120℃，得到主馏分糠醛，同时收集头馏分甲醇、乙酸和尾馏分乙酰基呋喃等高沸物；所得到的乙酸可作为步骤（1）中的酸水用于戊糖的水解，或用于中和木质素；