水解制浆的方法及其装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及造纸制浆领域，特别涉及一种水解制浆的方法及其装置。
【背景技术】
[0002]纸和纸板是以纸浆为主造成的，而制浆方法可分为:化学法和机械法以及处于两者之间的化学机械法、半化学法。全世界纸浆产量中，化学浆占72.4%，机械浆占16.6%，其余约占11.0%。化学法制浆分为碱法和酸法，碱法包含石灰法和烧碱法。化学法制浆的主要目的是，尽可能多地脱除植物纤维原料中使纤维粘合在一起的胞间木素使之成为纸浆，制浆过程主要包含蒸煮、洗涤和漂白等工序。蒸煮工序是植物原料在烧碱或硫酸盐或亚硫酸盐存在下高温蒸煮，从而使植物纤维细胞壁中的木质素降解。植物纤维原料经蒸煮后得到大约50%的纸浆，另外50%左右的物质溶解在蒸煮液中而形成大量高浓度废液，对碱法制浆，这种废液叫黑液；对酸法制浆，这种废液称为红液。中国目前大部分造纸厂采用碱法制浆，其所排放的黑液是制浆过程中污染物浓度最高，色度最深的废水，其中含有大量的木质素和半纤维素等降解产物、色素、戊糖类、残碱和其它溶出物，大约每生产I吨纸浆要排放10吨黑液，不仅造成植物资源的浪费还导致严重的环境污染问题，是造纸工业最棘手的难题和研宄热点。
[0003]公开于该【背景技术】部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种水解制浆的方法，以超/亚临界0)2溶解于水中作为质子酸替代烧碱或硫酸盐或亚硫酸盐进行化学法制浆，减少了重污染废水的排放。
[0005]本发明的另一目的在于提供一种水解制浆的装置。
[0006]为实现上述目的，本发明提供了一种水解制浆的方法，包括以下步骤:
[0007](I)准备原料，将水与木片或草片按质量比2:1?200:1相互混合，然后预热；
[0008](2)水解反应，将步骤(I)制得的混合物放入反应器内，往反应器内充入CO2，反应器内的温度为80?500 °C，压力为0.5?50MPa ;应器内的温度为80?500 °C，反应压力为0.5?50.0MPa，使通入的CO2气体处于超临界状态或亚临界状态；
[0009](3)取出反应器中反应后的混合气体；
[0010](4)反应I?6h后，经减压后物料从反应器中放出反应制得的浆料和还原糖。
[0011]优选地，上述技术方案中，所述步骤(3)混合气体中含有CO2、水蒸汽、糠醛和乙酸，从反应器中取出混合气体的流量为O?12000m3/h，将气体通过膨胀机，经膨胀机膨胀降压为O?1.0MPa,降温为5°C?80°C，膨胀机与透平压缩机连接，往透平压缩机内补充0)2气体，再将混合气体通入反应器内。气体流量为O时，没有气体流出。
[0012]优选地，上述技术方案中，所述步骤(3)中流出的气体经过膨胀机后，进入气液分离器进行分离，剩下的气体为CO2，将CO2再通入透平压缩机。
[0013]优选地，上述技术方案中，气液分离器的温度为5?40°C，压力为0.0?1.0MPa,气液分离器液体流量为O?100m3/h，气体流量为O?10000m3/h。当液体流出量和气体流出量为O时，即没有液体或气体流出。
[0014]优选地，上述技术方案中，所述步骤⑵往反应器内分I?10个阶段充入C02。
[0015]优选地，上述技术方案中，所述的木片或草片为甘蔗渣、单竹、稻草或马尾松中的一种。
[0016]一种用于水解制浆的装置，包括:反应器，其包括:多个加热管，设于反应器内部；以及气体分布器，其包括进气口和多个用于排气的喷头；膨胀机，其与所述反应器连接；以及透平压缩机，其与所述膨胀机连接，并通过所述膨胀机驱动所述透平压缩机工作，所述透平压缩机的出气口与所述反应器连接。
[0017]优选地，上述技术方案中，所述气体分布器呈“L”型，其底端为圆环管状，在该圆环管上均匀设有多个用于排气的喷头，所述喷头倾斜设置。
[0018]优选地，上述技术方案中，所述加热管为多个，呈平行均布在所述反应器内部；所述气体分布器有多个，所述多个气体分布器相互连通，所述每个气体分布器设在所述加热管之间。
[0019]优选地，上述技术方案中，所述用于水解制浆的装置，还包括:预处理器，其与所述反应器连接，用于生产所需的原料进行预处理；气液分离器，其与所述膨胀机连接；以及喷放器，其于所述反应器连接，用于喷放出浆料和还原糖。
[0020]上述反应的机理如下:
[0021]往反应器内充入0)2混合气体，CO2气体在反应器内不断地循环和鼓泡流动，在高温高压条件下，CO2处于超临界或亚临界状态。利用超/亚临界CO 2溶解于水中形成质子酸对植物纤维中的木质素、戊糖类和半纤维等进行水解降解生成还原糖、糠醛和乙酸等，而且生成的糠醛与乙酸等挥发性产物、水蒸气被循环0)2夹带不断地从反应器流出并使膨胀机做功驱动透平压缩机4，以达到膨胀一压缩自循环。
[0022]从反应器中采取出的气相通过膨胀机，流出的混合气体包括糠醛、乙酸、水蒸气和CO2O膨胀机与透平压缩机链接，由于反应器内的CO2处于超临界或亚临界状态，当气相被采取出进入膨胀机后，0)2从超临界状态或亚临界状态跃迀为低温低压常态，从超/亚临界状态跃迀为低温低压常态即称为跨临界状态。混合气体气体膨胀推动膨胀机做功，膨胀机与透平压缩机连接，膨胀机驱动压缩机工作。气相物料从膨胀机流经气液分离器进行冷凝和气液分离，所得液体为糠醛与乙酸的水溶液；气体主要是作为循环使用的co2，该循环0)2与新补充的CO2经透平压缩机加压后流回反应器。由于从反应器流出的气相含有CO2、水蒸汽、糠醛和乙酸等，而加压循环的气体仅为不凝气体CO2，这是因为经膨胀机降压降温后，水、糠醛和乙酸蒸汽冷凝为液体从气液分离器分离出来，而用于循环的气体仅剩下不凝气体CO2的缘故，可见驱动膨胀机的气体流量大于透平压缩机加压循环气体的流量，亦即是说膨胀机做出的功大于透平压缩机所需的功，系统所需增加的能量是由反应器内加热盘管供给水的蒸发热能，因而本系统可实现膨胀-压缩自循环。
[0023]由于植物纤维水解生成的糠醛和乙酸不断地流离反应器，从而消除了产物累积而引起的反馈抑制作用，打破了植物纤维中木质素、戊糖和半纤维素水解降解的化学平衡，使反应不断地朝着水解降解的方向进行，从而提高了水解降解反应速度和平衡转化率，实现水解降解反应-分离的耦合。又由于CO2在反应器中不断地循环流动，强化了植物纤维物料的鼓泡搅拌和热质传递，而且CO2还产生“超空泡”效应，最大限度地减少了物料、水和气之间的流动阻力，大大地提高了反应器的传热传质效果。况且，CO2还可以产生“同分子”效应，抑制浆料纤维素降解生成0)2的副反应，提高了木片或草片制浆的纸浆得率。
[0024]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果:
[0025](I)以超/亚临界0)2溶解于水中作为质子酸替代烧碱或硫酸盐或亚硫酸盐进行化学法制浆，减少了重污染废水的排放，特别是中国大部分造纸厂是采用碱法制浆，每生产I吨纸浆要排放10吨黑液，而本发明的制浆方法无黑液也无废气排放，是一种绿色环保的制浆方法。
[0026](2)本发明水解制浆的方法，采用跨临界CO2水解降解反应-分离耦合进行制浆，不仅生产纸浆还同时副产了糠醛、乙酸和还原糖，充分利用了木片或草片原料中含有的木质素、戊糖类和半纤维等资源制造出大宗有价值的化工产品，吃干榨尽可再生资源的有效成分，实现了 “原子经济”的零排放目标，大大地提高了生物质资源的利用率。
[0027](3)本发明水解制浆的装置，采用跨临界0)2膨胀-压缩自循环的方式，使从跨临界反应器流出的高压0)2和水蒸汽经膨胀机膨胀直接推动透平压缩机加压不凝气体