本发明属于废弃物资源化和木糖生产技术领域，具体涉及一种从黏胶纤维废料中提取木糖的方法和装置。
背景技术：
木糖是一种还原性糖类，分子式为c5h10o5。木糖甜度为蔗糖的72％，与葡萄糖甜度接近，能改善甜食的风味和口感，抑制异味。木糖在催化剂的存在下能够被氢化还原生成木糖醇，可用作木糖醇的原料，木糖具有良好的食物配伍性，可与氨基酸混合加热过程中容易产生美拉德反应，起到增香的效果。木糖还具有良好的保健功能性，能活化人体肠道内的双歧杆菌并促进生长，改善人体的微生态环境，提高机体的免疫能力。木糖是一种重要的化工原料，工业用来生产木糖醇、饲料酵母、以及在视频、医药、化工、皮革、燃料等领域都有着广泛的用途。
每年农林业生产都会产生大量含半纤维素的废料，利用半纤维素水解得到的木糖，不仅具有良好的经济效益，还有重要的环保意义。在以化学浆(木浆、棉桨、草浆等植物纤维素)为原料生产黏胶纤维过程中，采用碱液对纤维素进行处理是制造黏胶纤维的第一步。半纤维素浓度高，对黏胶纤维生产工艺和成本质量产生极其不利的影响，因此必须在浸渍工艺中用碱液将半纤维素溶出，才能获得高强度的纤维素，所以在上述过程中会产生大量的富含半纤维素的高浓度碱压榨液。碱压榨液中的主要成分为氢氧化钠和半纤维素。现在企业针对该废碱液，将废碱液中的有效成分碱分和盐分回收后，将剩余的物质干燥，卖给下游企业处理。
201210104647.x，名称为“一种利用黏胶纤维生产过程中压榨废碱液制备木糖的方法”中公开的技术方案，该方案直接针对黏胶纤维生产中产生废碱液，通过膜过滤制备半纤维素溶液、半纤维素的提取、半纤维素的水解、中和脱酸、预浓缩、脱色、离子交换以及常规结晶、分离、干燥工序得到木糖产品。该方法直接的原料为含有碱及半纤维素的压榨废碱液，且在木质素的处理过程中所加的原料为98.5％的浓硫酸，95％的工业乙醇，整个过程中成本非常高，导致该技术无法推广利用。
在现有技术中201410622101.2中公开了一种以黏胶纤维压榨液为原料生产木糖醇的膜浓缩工艺，该方案直接针对黏胶纤维生产中产生废碱液，在半纤维素液体原料中，含有大量的废碱、盐，需要用大量的酸中和，在水解半纤维素时，ph控制在0，水解酸度较高，后续处理和过滤过程对设备的耐腐蚀强度要求高，且产生的废酸液较多，得到的木糖醇的纯度也较低，原料投入和设备投入大，综合成本高，经济效益较低。
技术实现要素：
针对上述现有技术存在的不足之处，本发明的目的就在于提供一种从黏胶纤维废料中提取木糖的方法和装置，该方案针对原料是将黏胶纤维的废碱液经回收碱分和盐分且干燥后的固态黏胶纤维废料。该固态黏胶纤维废料中灰分低，主要成分是半纤维素，经过本发明所提供的一种从黏胶纤维废料中提取木糖的方法，工艺简单、条件温和、对设备要求低、木糖回收率高、产生的废水量少，具有广泛的推广价值。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种从黏胶纤维废料中提取木糖的方法，包括如下步骤：
步骤(1)调浆
在调浆罐(1)中加入稀硫酸，然后将固态黏胶纤维废料缓慢加入调浆罐中，不断搅拌使其与稀硫酸混合均匀，调浆罐中固体废料：硫酸：水的质量比为15:3:82；
步骤(2)水解
将步骤获得的浆液经循环泵注入水解锅中，水解锅中不断通入蒸汽加热升温，水解锅中温度控制在110±5℃，水解锅中压力控制在0.08mpa，水解时间控制在2小时，在水解过程中启动循环泵使浆液循环的从水解锅中抽出和送入；
步骤(3)中和
将步骤(2)水解后的料液经过滤后送入中和罐中，并向中和罐中加入轻质碳酸钙，中和罐中的ph控制在3-5，在中和罐内，加料结束后持续搅拌30分钟，停止搅拌后静置直至料液中硫酸钙充分沉淀，静置时间控制在≥30分钟，静置后过滤，滤液去步骤(4)；
步骤(4)一次脱色
将步骤(3)中和后的料液经过滤后送入脱色罐中脱色，脱色剂为活性炭，活性炭的加入量为40±10kg/10m3中和液，脱色温度控制在大于60℃，脱色时间不小于30分钟；脱色后经板框过滤机过滤，过滤后滤液的透光度大于45％；
步骤(5)阳、阴离子交换
将步骤(4)脱色过滤后的滤液先后经过一级阳离子交换柱、一级阴离子交换柱、二级阳离子交换柱、二级阴离子交换柱，阳、阴离子交换后滤液的透光度大于90％，滤液的ph值≥3.5；
步骤(6)一次蒸发浓缩
将步骤(5)阳、阴离子交换后的滤液进行第一次真空蒸发浓缩，浓缩后浓缩液的折光值控制在45-55％；
步骤(7)二次脱色
将步骤(6)所得的浓缩液进行脱色，脱色后浓缩液的透光度＞80％，ph≥5；脱色剂为颗粒碳；
步骤(8)二次蒸发浓缩
将步骤(7)所得的脱色后的浓缩液进行第二次真空蒸发浓缩，第二次蒸发浓缩后，浓缩液的折光值控制在78～85％；二次蒸发浓缩的蒸汽压力控制在0.02-0.15mpa，进料量控制在2.0～4.5m3，真空度≥0.07mpa，蒸发温度控制在80-95℃；
步骤(9)结晶、离心分离
将步骤(8)所得物料进行结晶操作，结晶的初始温度控制在60℃，每小时降温1℃，直至室温放料，将结晶后的物料离心分离所得固相为木糖。
优选地，上述的一种从黏胶纤维废料中提取木糖的方法，步骤(3)中，在过滤过程中加入助滤剂珍珠岩。
优选地，上述的一种从黏胶纤维废料中提取木糖的方法，步骤(5)中，一级阳离子交换：交换后，溶液中无机酸含量＞0.1-1％，溶液的透光值＞60％；一级阴离子交换：交换后，溶液的ph控制在3.0-6，溶液的透光值＞70％；二级阳离子交换：交换后，溶液中无机酸含量＞0.01-0.1％，溶液的透光值＞80％；二级阴离子交换：交换液的电导率≤200us/cm，交换后，溶液的ph控制在3-6，溶液的透光值＞90％。
优选地，上述的一种从黏胶纤维废料中提取木糖的方法，步骤(2)中，水解后半纤维含量大于或等于150g/l。
优选地，上述的一种从黏胶纤维废料中提取木糖的方法，步骤(2)中，水解时控制水解锅(2)中的硫酸含量为3％。
一种木糖醇的制备方法，由上述的木糖加氢还原，即制得木糖醇。
本发明还公开了一种从黏胶纤维废料中提取木糖的装置，该装置包括依次连接的调浆罐、水解锅、中和罐、脱色罐、一级阳离子交换柱、一级阴离子交换柱、二级阳离子交换柱、二级阴离子交换柱、一次浓缩蒸发器、脱色柱、二次浓缩蒸发器、结晶罐和离心机；在调浆罐上开设有黏胶纤维生产废料进口和稀酸水进口，在水解锅上连接有蒸汽进入管道，在中和罐上开设有轻质碳酸钙进口，在脱色罐上开设有活性炭进口，一次浓缩蒸发器和二次浓缩蒸发器均为真空蒸发器；各部分的连接关系是，调浆罐的出口通过管道与水解锅的进口相连，水解锅内物料经过滤机过滤后通过管道与中和罐的进口相连，中和罐内物料经过滤机过滤后通过管道与脱色罐的进口相连，脱色罐内物料经过滤机过滤后通过管道与一级阳离子交换柱的进口相连，一级阳离子交换柱的出口通过管道与一级阴离子交换柱的进口相连，一级阴离子交换柱的出口通过管道与二级阳离子交换柱的进口相连，二级阳离子交换柱的出口通过管道与二级阴离子交换柱的进口相连，二级阴离子交换柱的出口通过管道与一次浓缩蒸发器的进口相连，一次浓缩蒸发器的出口通过管道与脱色柱进口相连，脱色柱的出口通过管道与二次浓缩蒸发器的进口相连，二次浓缩蒸发器的出口通过管道与结晶罐的进口相连，结晶罐的出口与离心机的进口相连。
优选地，上述的一种从黏胶纤维废料中提取木糖的装置，所述的调浆罐、中和罐和脱色罐均设置有搅拌桨和搅拌电机。
优选地，上述的一种从黏胶纤维废料中提取木糖的装置，在水解锅外连接有循环泵，循环泵使物料循环的从水解锅中抽出和送入。
优选地，上述的一种从黏胶纤维废料中提取木糖的装置，所述的水解锅的顶部开设有蒸汽出口，该蒸汽出口通过管道与一次浓缩蒸发器和/或二次浓缩蒸发器的蒸汽进口相连。
与现有技术相比较，本发明所述的一种从黏胶纤维废料中提取木糖的方法和装置，具有如下创新点：
(1)该方案针对原料是将黏胶纤维的废碱液经回收碱分和盐分且干燥后的固态黏胶纤维废料。该固态黏胶纤维废料中碱份和盐分已经经过膜分离回收利用，灰分十分低，这种废料以前的处理方式是作为燃料燃烧，作为能源利用，产生的经济价值较少，本申请的发明人将该固态废料经稀酸调浆、水解、中和、脱色、四级阳阴离子交换、浓缩、二次脱色、二次浓缩蒸发、结晶和离心最终得到纯度≥98.5％的木糖，该木糖中灰分＜0.2％，由该木糖加氢还原(木糖加氢还原制备木糖醇，是本领域的公知常识)制备所得的木糖醇的电导率小于10μs/cm，灰分小于0.1％，木糖醇的产品符合gb1886.234。该木糖的制备工艺简单、条件温和、对设备要求低、木糖回收率高、产生的废水量少，具有广泛的推广价值。
(2)在水解工段中，启动循环泵使浆液循环的从水解锅中抽出和送入；这种外置循环的方式，使水解锅中的物料混合均匀，能够有效解决水解锅中的搅拌死角和/或蒸汽加热死角的问题，使固态黏胶纤维废料在水解锅中完全水解。
(3)水解锅中的操作温度在110±5℃，在该温度下，从水解锅排出的二次蒸汽的温度相对较高，将此二次蒸汽输送至一次浓缩蒸发器和/或二次浓缩蒸发器作为热源使用，能够有效减少系统中的蒸汽损耗，也避免了过热蒸汽进入一次浓缩蒸发器和/或二次浓缩蒸发器时需要调压调温的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的一种从黏胶纤维废料中提取木糖醇装置的工艺流程图；
图2为本发明所述的图1的a部分的工艺流程图；
图3为本发明所述的图1的b部分的工艺流程图；
图4为本发明所述的图1的c部分的工艺流程图；
图5为本发明所述的图1的d部分的工艺流程图。
其中，图中各标号分别表示：1.调浆罐，2、水解锅，3.过滤机，4.中和罐，6.脱色罐，9.一级阳离子交换柱，10.一级阴离子交换柱，11.二级阳离子交换柱，12.二级阴离子交换柱，13.一次浓缩蒸发器，14.脱色柱，15.二次浓缩蒸发器，16.结晶罐，17.离心机，18.循环泵。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
如图1-5所示，一种从黏胶纤维废料中提取木糖的方法，包括如下步骤：
步骤(1)调浆
在调浆罐1中加入稀硫酸，然后将固态黏胶纤维废料缓慢加入调浆罐1中，不断搅拌使其与稀硫酸混合均匀，调浆罐1中固体废料：硫酸：水的质量比为15:3:82；
步骤(2)水解
将步骤(1)获得的浆液经循环泵18注入水解锅2中，水解锅2中不断通入蒸汽加热升温，水解锅2中温度控制在110±5℃，水解锅2中压力控制在0.08mpa，水解时间控制在2小时，在水解过程中启动循环泵18使浆液循环的从水解锅2中抽出和进入；
步骤(3)中和
将步骤(2)水解后的料液经过滤后送入中和罐4中，并向中和罐4中加入轻质碳酸钙，中和罐4中的ph控制在3-5，在中和罐4内，加料结束后持续搅拌30分钟，停止搅拌后静置直至料液中硫酸钙充分沉淀，静置时间控制在≥30分钟，静置后过滤，滤液去步骤(4)；
步骤(4)一次脱色
将步骤(3)中和后的料液经过滤后送入脱色罐6中脱色，脱色剂为活性炭，活性炭的加入量为40±10kg/10m3中和液，脱色温度控制在大于60℃，脱色时间不小于30分钟；脱色后经板框过滤机过滤，过滤后滤液的透光度大于45％；
步骤(5)阳、阴离子交换
将步骤(4)脱色过滤后的滤液先后经过一级阳离子交换柱9、一级阴离子交换柱10、二级阳离子交换柱11、二级阴离子交换柱12，阳、阴离子交换后滤液的透光度大于90％，滤液的ph值≥3.5；
步骤(6)一次蒸发浓缩
将步骤(5)阳、阴离子交换后的滤液进行第一次真空蒸发浓缩，浓缩后浓缩液的折光值控制在45-55％；
步骤(7)二次脱色
将步骤(6)所得的浓缩液进行脱色，脱色后浓缩液的透光度＞80％，ph≥5；脱色剂为颗粒碳；
步骤(8)二次蒸发浓缩
将步骤(7)所得的脱色后的浓缩液进行第二次真空蒸发浓缩，第二次蒸发浓缩后，浓缩液的折光值控制在78～85％；二次蒸发浓缩的蒸汽压力控制在0.02-0.15mpa，进料量控制在2.0～4.5m3，真空度≥0.07mpa，蒸发温度控制在80-95℃；
步骤(9)结晶、离心分离
将步骤(8)所得物料进行结晶操作，结晶的初始温度控制在60℃，每小时降温1℃，直至室温放料，将结晶后的物料离心分离所得固相为木糖。
具体地，上述的一种从黏胶纤维废料中提取木糖的方法，步骤(3)中，在过滤过程中加入助滤剂珍珠岩。
具体地，上述的一种从黏胶纤维废料中提取木糖的方法，步骤(5)中，一级阳离子交换：交换后，溶液中无机酸含量＞0.1-1％，溶液的透光值＞60％；一级阴离子交换：交换后，溶液的ph控制在3.0-6，溶液的透光值＞70％；二级阳离子交换：交换后，溶液中无机酸含量＞0.01-0.1％，溶液的透光值＞80％；二级阴离子交换：交换液的电导率≤200us/cm，交换后，溶液的ph控制在3-6，溶液的透光值＞90％。(在离子交换过程中，一级阳离子交换和二级阳离子交换过程是将溶液中的钙、镁等离子等被树脂吸附，导致溶液中酸度升高，0.1％-1％的酸度ph计无法准确测出，为此本发明的技术人员测试其交换后溶液中无机酸的含量，一级阴离子交换和二级阴离子交换时，溶液中的h-被树脂吸附，导致溶液中酸度降低，此时采用ph计能够测试出溶液的酸碱度。)
具体地，上述的一种从黏胶纤维废料中提取木糖的方法，步骤(2)中，水解后半纤维含量大于或等于150g/l。
具体地，上述的一种从黏胶纤维废料中提取木糖的方法，步骤(2)中，水解时控制水解锅(2)中的硫酸含量为3％。
由上述方法制备的木糖加h还原后可制得木糖醇，由于该木糖的纯度大于98.5％，灰分小于0.2％，制备的木糖醇的电导率小于10μs/cm，灰分小于0.1％，木糖醇的产品符合gb1886.234。
本发明还公开了一种从黏胶纤维废料中提取木糖的装置，该装置包括依次连接的调浆罐1、水解锅2、中和罐4、脱色罐6、一级阳离子交换柱9、一级阴离子交换柱10、二级阳离子交换柱11、二级阴离子交换柱12、一次浓缩蒸发器13、脱色柱14、二次浓缩蒸发器15、结晶罐16和离心机17；在调浆罐1上开设有黏胶纤维生产废料进口和稀酸水进口，在水解锅2上连接有蒸汽进入管道，在中和罐4上开设有轻质碳酸钙进口，在脱色罐6上开设有活性炭进口，一次浓缩蒸发器13和二次浓缩蒸发器15均为真空蒸发器；各部分的连接关系是，调浆罐1的出口通过管道与水解锅2的进口相连，水解锅2内物料经过滤机3过滤后通过管道与中和罐4的进口相连，中和罐4内物料经过滤机3过滤后通过管道与脱色罐6的进口相连，脱色罐6内物料经过滤机3过滤后通过管道与一级阳离子交换柱9的进口相连，一级阳离子交换柱9的出口通过管道与一级阴离子交换柱10的进口相连，一级阴离子交换柱10的出口通过管道与二级阳离子交换柱11的进口相连，二级阳离子交换柱11的出口通过管道与二级阴离子交换柱12的进口相连，二级阴离子交换柱12的出口通过管道与一次浓缩蒸发器13的进口相连，一次浓缩蒸发器13的出口通过管道与脱色柱14进口相连，脱色柱14的出口通过管道与二次浓缩蒸发器15的进口相连，二次浓缩蒸发器15的出口通过管道与结晶罐16的进口相连，结晶罐16的出口与离心机17的进口相连。
具体地，上述的一种从黏胶纤维废料中提取木糖的装置，所述的调浆罐1、中和罐4和脱色罐6均设置有搅拌桨和搅拌电机。
具体地，上述的一种从黏胶纤维废料中提取木糖的装置，在水解锅2外连接有循环泵18，循环泵18使物料循环的从水解锅2中抽出和送入。在水解工段中，启动循环泵使浆液循环的从水解锅中抽出和送入；这种外置循环的方式，使水解锅中的物料混合均匀，能够有效解决水解锅中的搅拌死角和/或蒸汽加热死角的问题，使固态黏胶纤维废料在水解锅中完全水解。
具体地，上述的一种从黏胶纤维废料中提取木糖的装置，所述的水解锅2的顶部开设有蒸汽出口，该蒸汽出口通过管道与一次浓缩蒸发器13和/或二次浓缩蒸发器15的蒸汽进口相连。水解锅中的操作温度在110±5℃，在该温度下，从水解锅排出的二次蒸汽的温度相对较高，将此二次蒸汽输送至一次浓缩蒸发器和/或二次浓缩蒸发器作为热源使用，能够有效减少系统中的蒸汽损耗，也避免了过热蒸汽进入一次浓缩蒸发器和/或二次浓缩蒸发器时需要调压调温的问题。
本发明所述的一种从黏胶纤维废料中提取木糖的方法和装置的工作原理是：固态黏胶纤维废料和稀硫酸输送至调浆罐1中，在调浆罐1中固态黏胶纤维废料和稀硫酸混合均匀，制成浆料，将浆料经泵输送至水解锅2中，并不断地向水解锅2中充满蒸汽，水解锅2外连接有循环泵18，循环泵18循环地将水解锅2中的浆料泵入和泵出，这种外置循环的水解方式，能够有效避免水解锅2内的循环死角和蒸汽死角，使水解锅2内的浆料完全水解，水解后的浆料经泵输送至过滤机3，经过滤后，滤液进入中和罐4中，向中和罐4中投入轻质碳酸钙，用于中和滤液中的酸，在中和罐4中发生caco3+h2so4＝caso4(沉淀)+h2o+co2(挥发)的反应，中和罐4内的反应用于去除滤液中的硫酸根，中和完成后，将中和罐4内的物料经泵输送至过滤机3，经过滤后，固相为硫酸钙，固相经烘干后，得到产品干燥的硫酸钙，在中和罐4中中和操作时不断有二氧化碳产生，得到的硫酸钙的孔隙率较高，应用前景较好；中和过滤后的液相进入脱色罐6中，在脱色罐6中完成脱色后，经过滤机3过滤，滤液经四级阴阳离子交换柱，分别完成两次阴离子交换和阳离子交换，将滤液中的杂质去除，去除滤液中杂质后，将滤液送入一级浓缩蒸发器13，完成木糖的一级浓缩，为了进一步去除木糖内的杂质，将浓缩后的木糖经脱色柱14进行二次脱色后进入二次浓缩蒸发器进行二次浓缩，二次浓缩后的木糖溶液经结晶罐16结晶后，得到结晶的木糖，该木糖的纯度≥98.5％，灰分＜0.2％。
以上对本发明所提供的设计方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。