[发明专利]生物质水解耦合渗透汽化分离生产糠醛的方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于生物质水解过程的水解产物分离技术领域，涉及一种生物质水解耦合渗透汽化分离生产糠醛的装置以及采用该装置进行生物质水解耦合渗透汽化分离生产糠醛的方法。

背景技术

糠醛，又称作呋喃甲醛，是一种重要的生物质平台化合物，以其为原料可以直接或间接进行生产的化工产品达1600余种，广泛应用于石油、日化、纺织、制药等行业。

目前，尚未发现可以用于生产糠醛的有效化学合成方法，只能通过水解生物质原料中的半纤维素物质得到。其中，最常用的生物质原料主要是来源广泛且富含半纤维素类的物质，如玉米芯、甘蔗渣、稻壳等。此外，在利用玉米秸秆、油茶壳、花生壳、扁桃壳、麦秆、稻草等生物质进行糠醛生产方面也做了广泛的研究。

在高温、高压条件下，半纤维素类物质在催化剂的作用下水解生成戊糖，戊糖继而脱水环化生成糠醛。在酸性环境下，体系内生成的糠醛会发生多种副反应，如降解反应、缩合反应、酯化反应等，且副反应的强度随着体系内糠醛浓度的增加而增大。副反应的存在严重影响了糠醛的实际得率（通常只能达到理论得率的40%～60%）。因此，为了提高糠醛的实际得率，及时移除体系中生成的糠醛就显得十分有必要，同时也被证明是有效、可行的。

气体提取，是目前工业生产中使用最多的一种方法，它是通过向水解反应釜中连续通入水蒸气将糠醛转移到气相并带出反应釜，从而达到降低水解液中糠醛浓度、减少副反应发生的目的。这种方法具有设备要求简单、易于操作的优点，但是需要源源不断地提供大量的热蒸汽（20吨蒸汽/吨糠醛），增加了过程的能耗，同时，蒸汽冷凝后会产生大量含有低浓度糠醛的废水（24吨废水/吨糠醛），严重污染环境，增加了企业的生产成本。

液液萃取，是利用糠醛在有机相和水相中分配系数的不同将糠醛转移到有机相中，从而达到降低水相中糠醛浓度、抑制副反应发生的目的。用于糠醛液液萃取分离的萃取剂主要是卤代烃类，如氯仿、三氯乙烯、1,1-二氯乙烷、1,2-二氯乙烷等。这种方法具有收率高，能耗低的优点，不过萃取剂成本高、用量大、回收工艺复杂也是这种方法需要亟待解决的问题。

此外，在应用吸附技术、超临界流体萃取技术分离糠醛方面也有一些研究。但吸附法存在吸附剂选择性差、收率低、吸附能力有限、操作繁琐等缺点；而超临界萃取技术则存在设备投资大、成本高等缺点，目前仅限于实验室研究。

渗透汽化是一种新兴的膜分离技术，它是在膜两侧蒸汽分压差的推动下，利用待分离组分在膜内溶解扩散的差异实现组分的分离，具有选择性高、能耗低、操作简单、无污染等特点。这项技术主要应用于3个方面：有机物中少量水的脱除、水中脱除少量的有机物以及有机物-有机物的分离。其中，在有机物中少量水的脱除方面（如乙醇、异丙醇脱水）研究、应用最为成熟。目前，在生物质水解耦合渗透汽化分离生产糠醛方面尚未有报道。

通常，在应用渗透汽化膜技术分离水中少量的有机物时，渗透汽化膜对有机组分的分离选择性随着料液温度和料液中有机组分质量分数的增加而减小。因此，为了提高渗透汽化膜的分离选择性，渗透汽化分离过程通常是在较低的料液质量分数（0.1wt%～1.0wt%）和温度（25～65℃）下进行。而生物质水解生产糠醛的过程中，水解液的温度（85～100℃）和糠醛的质量分数（2.0wt%～6.5wt%）均较高，因而，对含糠醛的水解液进行高效原位渗透汽化分离尚存在很大的难度。

因此，目前存在的问题是需要研究开发一种分离效率及糠醛收率高、能耗低的生物质水解与渗透汽化耦合分离生产糠醛的工艺技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种生物质水解耦合渗透汽化分离生产糠醛的装置。该装置通过过滤单元将生物质水解单元与渗透汽化膜分离单元耦合，用于高效原位分离水解装置中产生的含糠醛水解液中的糠醛，从而获得较高浓度的糠醛浓缩液。

本发明还提供了一种生物质水解耦合渗透汽化分离生产糠醛的方法。该方法可以在超过85℃的条件下，对于生物质水解过程中糠醛浓度大于2.0wt%的含糠醛水解液进行高效原位渗透汽化分离浓缩，获得较高浓度的糠醛浓缩液。

为此，本发明提供了一种生物质水解耦合渗透汽化分离生产糠醛的装置，其包括水解单元，其中，在水解单元的下游按物料流动方向依次由管路连接有过滤单元和渗透汽化膜分离单元。