在由木质素原位产生的酚溶剂存在下消化纤维素类生物质固体的方法_5

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烷基、芳基或它们的组合。可以由缩合反应产生的多C 5环烷烃和多C 5环烯 烃的例子可以包括但不限于环戊烷、环戊烯、环己烷、环己烯、甲基环戊烷、甲基环戊烯、乙 基环戊烷、乙基环戊烯、乙基环己烷、乙基环己烯和它们的异构体。
[0079] 缩合产物的中等馏分如(:7_(:14可以分离作为喷气燃料,而较重馏分(例如C 12_C24) 可以分离作为柴油使用。最重馏分可以用作润滑剂或经裂化以生成附加的汽油和/或柴油 馏分。多(: 4化合物还可以用作工业化学品,无论是作为中间体还是最终产物。例如,芳基 化合物甲苯、二甲苯、乙苯、对二甲苯、间二甲苯和邻二甲苯可以用作生产塑料和其它产品 的化学中间体。同时,发现C 9芳族化合物和稠合芳基化合物如萘、蒽、四氢化萘和十氢化萘 可以在工业过程中用作溶剂或添加剂。
[0080] 在一些实施方案中,单个催化剂可以促进醇组分转化为适合于经历缩合反应的形 式以及促进缩合反应本身。在其它实施方案中,第一催化剂可以用于促进醇组分转化为适 合于经历缩合反应的形式,和第二催化剂可以用于促进缩合反应。除非另外规定,要理解本 文提及的缩合反应和缩合催化剂指的是任何类型的缩合过程。适合的缩合催化剂的进一步 公开内容如下。
[0081 ] 在一些实施方案中,单个催化剂可以用于通过缩合反应形成更高分子量化合物。 不受限于任何理论和机理,据信这种催化剂可以促进醇组分的初始脱氢,之后为脱氢醇组 分的缩合反应。沸石催化剂为适合于以这种方式直接转化醇为缩合产物的一种类型催化 剂。就此而言,特别适合的沸石催化剂可以为ZSM-5,尽管其它沸石催化剂也可能是适合的。
[0082] 在一些实施方案中,两种催化剂可以用于通过缩合反应形成更高分子量化合物。 不受限于任何理论和机理,据信第一催化剂可以促进醇组分的初始脱氢,和第二催化剂可 以促进脱氢醇组分的缩合反应。类似于前面所讨论的单个催化剂实施方案,在一些实施方 案中,沸石催化剂可以用作第一催化剂或第二催化剂。同样地,就此而言,特别适合的沸石 催化剂可以为ZSM-5,尽管其它沸石催化剂也可能是适合的。
[0083] 各种催化过程可以用于通过缩合反应形成更高分子量化合物。在一些实施方案 中,用于促进缩合反应的催化剂可以包括碱性位点、或酸性位点和碱性位点两者。包括酸性 位点和碱性位点两者的催化剂在本文指的是多功能催化剂。在一些或其它实施方案中,用 于促进缩合反应的催化剂可以包含一种或多种金属原子。任何缩合催化剂都可以任选地置 于固体载体上,如果希望的话。
[0084] 在一些实施方案中,缩合催化剂可以包括碱性催化剂,其包含Li、Na、K、Cs、B、Rb、 Mg、Ca、Sr、Si、Ba、Al、Zn、Ce、La、Y、Sc、Y、Zr、Ti、水滑石、锌-铝酸盐、磷酸盐、碱处理的 硅铝酸盐沸石、碱性树脂、碱性氮化物、它们的合金或任意组合。在一些实施方案中,碱性催 化剂还可以包括 Ti、Zr、V、Nb、Ta、Mo、Cr、W、Mn、Re、Al、Ga、In、Co、Ni、Si、Cu、Zn、Sn、Cd、 Mg、P、Fe或它们的任意组合的氧化物。在一些实施方案中,碱性催化剂可以包括混合氧化 物的碱性催化剂。适合的混合氧化物的碱性催化剂可以包括例如Si-Mg-0、Mg-Ti-0、 Y-Mg-0、Y-Zr-0、Ti -Zr-0、Ce-Zr-0、Ce -Mg-0、Ca-Zr-0、La-Zr-0、B-Zr-0、 La-Ti-0、B--Ti--O和它们的任意组合。在一些实施方案中,缩合催化剂可以进一步包括 金属或包含金属的合金,如 Cu、Ag、Au、Pt、Ni、Fe、Co、Ru、Zn、Cd、Ga、In、Rh、Pd、Ir、Re、Μη、 Cr、Mo、W、Sn、Bi、Pb、Os、它们的合金及组合。当脱氢反应与缩合反应一起进行时,在缩合催 化剂中使用金属可能是希望的。碱性树脂可以包括带有碱性官能度的树脂。碱性催化剂可 以自负载或结合至包含载体的材料如碳、二氧化硅、氧化铝、氧化锆、二氧化钛、氧化钒、二 氧化铈、氮化物、硼氮化物、杂多酸、它们的合金及混合物。
[0085] 在一些实施方案中,缩合催化剂可以包括源自MgO和Al2O3的组合的水滑石材料。 在一些实施方案中,缩合催化剂可以包括由ZnO和Al 2O3的组合形成的锌铝酸盐尖晶石。在 又一些其它实施方案中,缩合催化剂可以包括ZnO、Al 2O3和CuO的组合。这些材料中每一种 还可以包含额外的金属或合金,其包括上文对于碱性缩合催化剂更通常引述的那些。在更 特定的实施方案中,额外的金属或合金可以包括第10族金属如Pd、Pt或它们的任意组合。
[0086] 在一些实施方案中,缩合催化剂可以包括碱性催化剂,其包括含如Cu、Ni、Zn、V、Zr 或它们的任何混合物的金属氧化物。在一些或其它实施方案中,缩合催化剂可以包括含如 Pt、Pd、Cu、Ni或它们的任何混合物的锌铝酸盐。
[0087] 在一些实施方案中,缩合催化剂可以包括具有酸性官能度和碱性官能度两者的多 功能催化剂。这种缩合催化剂可以包括水滑石、锌-铝酸盐、磷酸盐、Li、Na、K、Cs、B、Rb、 Mg、Si、Ca、Sr、Ba、Al、Ce、La、Sc、Y、Zr、Ti、Zn、Cr或它们的任意组合。在进一步的实施方 案中,多功能催化剂还可以包括源自Ti、Zr、V、Nb、Ta、Mo、Cr、W、Mn、Re、Al、Ga、In、Fe、Co、 Ir、Ni、Si、Cu、Zn、Sn、Cd、P和它们的任意组合的一种或多种氧化物。在一些实施方案中, 多功能催化剂可以包括金属如 Cu、Ag、Au、Pt、Ni、Fe、Co、Ru、Zn、Cd、Ga、In、Rh、Pd、Ir、Re、 Mn、Cr、Mo、W、Sn、Os、它们的合金或组合。碱性催化剂可以自负载或结合至包含载体的材料 如碳、二氧化硅、氧化铝、氧化锆、二氧化钛、氧化钒、二氧化铈、氮化物、硼氮化物、杂多酸、 它们的合金及混合物。
[0088] 在一些实施方案中,缩合催化剂可以包括含Pd、Pt、Cu或Ni的金属氧化物。在又 一些其它实施方案中,缩合催化剂可以包括含Mg和Cu、Pt、Pd或Ni的铝酸盐或锆金属氧化 物。在又一些其它实施方案中,多功能催化剂可以包括与上述一种或多种金属组合的羟基 磷灰石(HAP)。
[0089] 在一些实施方案中,缩合催化剂还可以包括包含第IA族化合物如Li、Na、K、Cs和 Rb的沸石和其它微孔载体。优选地,第IA族材料可以以小于中和载体的酸性所需要的量存 在。金属功能还可以通过加入第VIIIB族金属、或Cu、Ga、In、Zn或Sn来提供。在一些实 施方案中,缩合催化剂可以源自MgO和Al 2O3的组合以形成水滑石材料。另一缩合催化剂可 以包括MgO和ZrO2的组合、或ZnO和Al 203的组合。这些材料中每一种可以还包含通过铜 或第VIIIB族金属如Ni、Pd、Pt或它们的组合来提供的额外金属功能。
[0090] 通过缩合催化剂促进的缩合反应可以在适合设计的任何反应器中进行,包括连续 流、间歇、半间歇或多系统反应器,不限于设计、尺寸、几何形状、流量等。反应器系统还可以 使用流化催化床系统、摇床系统、固定床系统、移动床系统或上述的组合。在一些实施方案 中,两相(如液-液)和三相(如液-液-固)反应器可以用于进行缩合反应。
[0091] 在一些实施方案中,酸催化剂可以用于任选地使至少一部分反应产物脱水。用于 脱水反应的适合的酸催化剂可以包括但不限于无机酸(如HCUH 2SO4)、固体酸(如沸石、离 子交换树脂)和酸性盐(如LaCl3)。额外的酸催化剂可以包括但不限于沸石、碳化物、氮化 物、氧化锆、氧化铝、二氧化硅、硅铝酸盐、磷酸盐、氧化钛、氧化锌、氧化钒、氧化镧、氧化钇、 氧化钪、氧化镁、氧化铈、氧化钡、氧化钙、氢氧化物、杂多酸、无机酸、酸改性树脂、碱改性树 脂和它们的任意组合。在一些实施方案中,脱水催化剂也可以包括改性剂。适合的改性剂 可以包括如La、Y、Sc、P、B、Bi、Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba和它们的任意组合。改性 剂可能尤其适用于进行与脱水反应协同的加氢/脱氢反应。在一些实施方案中,脱水催化 剂还可以包括金属。适合的金属可以包括如Cu、Ag、Au、Pt、Ni、Fe、Co、Ru、Zn、Cd、Ga、In、 Rh、Pd、Ir、Re、Mn、Cr、Mo、W、Sn、Os、它们的合金和任意组合。脱水催化剂可以自负载、负载 在惰性载体或树脂上,或者它可以溶于流体中。
[0092] 现在将参考附图描述本文所述的实施方案。图1的示意图是示例性的生物质转化 系统,其中木质素可以从纤维素类生物质固体释放和进一步转化为返回至纤维素类生物质 固体的酚溶剂。在图1中,生物质转化系统1包括消化装置2,纤维素类生物质固体可以通 过固体引入机构4加入其中。固体引入机构4可以包括装载机构6和压力过渡区8,其可以 将纤维素类生物质固体由大气压提高至接近消化装置2的操作压力的压力,由此允许连续 或半连续地引入纤维素类生物质固体而不用使消化装置2完全泄压。阀门7和7'可以在 压力过渡区8中提供压力隔离。适合的装载机理和压力过渡区在下文更详细描述。
[0093] 消化装置2包含纤维素类生物质固体、包含水和有机溶剂的消化介质和浆液催化 剂。为了清楚起见,浆液催化剂和纤维素类生物质固体没有描述在附图中。当开始消化时, 有机溶剂可以包含酚溶剂,或消化过程可以利用不同的有机溶剂开始,和之后加入酚溶剂。 在纤维素类生物质固体的消化进行一段时间后,消化介质和酚液相可以彼此分开。如图1 中所描述的,消化介质和其中的醇组分可以占据消化装置2的区域10,和酚液相可以占据 消化装置2的区域12。方向向上的气体流如方向向上的分子氢流可以经管线22供应。
[0094] 酚液相和其中的浆液催化剂可以经管线14从消化装置2除去和输送至木质素处 理装置16。在木质素处理装置16中,可以将酚液相中的至少一部分木质素转化为酚溶剂。 之后,酚溶剂和浆液催化剂可以作为方向向上的流体流经管线18和20返回至消化装置2。 如图1中所描述的,管线20代表由纤维素类生物质固体产生的酚溶剂和醇组分的组合的 再循环流,但要认识到这些物质可以通过单独的流体循环流再引入消化装置2,如果希望的 话。从消化装置2除去酚液相可以连续或不连续地进行,这取决于例如酚液相的量及其粘 度。
[0095] 消化介质中的醇组分可以经管线24从消化装置2除去。然后可以将醇组分进一 步处理为燃料混合物或其它物质。任选地,醇组分可以在反应器26中经历进一步催化还原 反应。进一步催化还原反应可以进一步将可溶性碳水化合物转化为醇组分和/或降低在消 化装置中2已经形成的醇组分的氧化程度。
[0096] 任选地,一部分醇组分可以经管线28和20返回至消化装置2。如上所述,醇组分 的返回流可以与作为方向向上的流体流返回至消化装置2的酚溶剂组合,或可以保持醇组 分和酚溶剂的单独物流。
[0097] 未返回至消化装置2的醇组分可以继续进行进一步处理。任选地,醇组分可以输 送至分离机构30,其中可以从至少一部分消化介质分离醇组分。可以在分离机构30中发生 的分离技术包括溶剂提取、蒸馏等。废物可以经管线32离开分离机构30用于处置或其它 处理步骤。
[0098] 分离或富集的醇组分可以经管线34进入缩合反应器36。缩合反应器36中产生 的缩合反应产物可以经管线38除去用于随后处理为燃料混合物或类似物质。尽管在图1 中仅描述了一个缩合反应器,将要理解任何数量的缩合反应器均可以存在和用于重整醇组 分。此外,除了缩合反应器以外,可以存在额外的重整反应器。可以进行的额外重整反应可 以包括以下的任意组合:进一步催化还原反应(如加氢反应、氢解反应、加氢处理反应等)、 进一步缩合反应、异构化反应、脱硫反应、脱水反应、低聚反应、烷基化反应等。这些转化可 以用于将初始产生的可溶性碳水化合物转化为燃料混合物或其它物质。这些燃料混合物可 以包括例如汽油烃、柴油燃料、喷气燃料等。如本文所用的,术语"汽油烃"指的是主要包 含C 5-C9烃和沸点为32 °C -约204°C的物质。更通常地,满足ASTM D2887要求的任何燃料 混合物均可以分类为汽油烃。适合的汽油烃可以包括例如直馏汽油、石脑油、流化或热催化 裂化的汽油、VB汽油和焦化汽油。如本文所用的,术语"柴油燃料"指的是包含链烷烃和 沸点为约187°C-约417°C的物质,它适合用于压缩点火发动机。更通常地,满足ASTM D975 要求的任何燃料混合物还可以被定义为柴油燃料。如本文所用的,术语"喷气燃料"指的 是满足ASTM D1655要求的物质。
[0099] 为有助于更好地理解本发明,下面给出优选或代表性实施方案的实施例。绝不应 当将下列实施例解读为对本发明范围的限制或限定。
[0100] 实施例
[0101] 应用60mX0. 32mm ID DB-5色谱柱(1 μπι厚、50:1的分流比、2ml/min的氦流量) 进行气相色谱过程,和柱子炉保持在40°C下8分钟,随后以KTC /min升温至285°C和保持 时间为53. 5分钟。注射器温度设为250°C,和检测器温度设为300°C。
[0102] 实施例1 :利用水消化介质的多循环反应。
[0103] 75mL Parr5000反应器进料有20g的去离子水、0. 3g的碳酸钠缓冲液和0. 504g的 硫化的氧化镍促进的钼酸钴催化剂(DC-2534,Criterion Catalyst&Technologies
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