本实用新型涉及一种利用木质纤维素类原料连续水解制糖的装置，属于半纤维素和/或纤维素水解制糖技术领域。
背景技术：
植物秸秆、棉籽壳、甘蔗渣及其他植物的禾杆和皮壳中由半纤维素、纤维素和木质素构成，其中的半纤维和纤维素，含有大量的多缩聚糖，由上述原料水解即得低聚糖或单糖，其反应式如下：
半纤维素水解：多缩聚戊糖→低缩聚戊糖或戊糖
纤维素水解：多缩聚己糖→己糖
目前在国内或国际上，利用木质纤维素类原料制糖的工艺通常采用稀酸水解的方法。通常以玉米芯作为原料进行制糖，第一代酸水解反应器为固定床反应器，将玉米芯与酸液以一定比例混合，然后送入反应器进行蒸煮水解，这种反应器结构简单，缺点是生成的产物不能被及时分离，因而会导致其进一步降解；第二代为渗滤式反应器，生产时不断将酸液喷洒到反应器中的玉米芯层，酸液穿过玉米芯层与玉米芯充分接触进行水解反应，这种反应器水解效率高，并且能有效的缩短糖液在反应器内的停留时间。
第一代和第二代酸水解装置均是间歇式反应器，其劳动强度大、生产效率低、占地面积大、污染严重。另外，由于现有反应器存在的酸液仅附在物料表面、物料和酸液的混合不均匀、水蒸气加热不均匀等问题，导致水解糖分解严重、副产物多、糖收率小、糖浓度低，从而影响了木质纤维素类原料在能源及化工行业的应用。
因此，研究利用木质纤维素类原料连续水解制糖的装置，对于解决现有技术中的上述技术问题具有积极的意义。
技术实现要素：
考虑到上述问题而提出了本实用新型。本实用新型提供了一种利用木质纤维素类原料连续水解制糖的装置，其至少解决了现有反应器无法连续反应导致的劳动强度大、生产效率低、糖收率低、糖浓度低等问题，能够有效地提高劳动生产率，降低劳动强度，减小设备尺寸，提高糖收率及糖浓度，并减少污染；还能有效地利用循环酸液的热量。
根据本实用新型的一方面，提供了一种利用木质纤维素类原料连续水解制糖的装置，该装置包括：酸液输出单元，用于分别输出第一酸液和第二酸液；原料混合单元，与所述酸液输出单元相连，用于将所述原料与第一酸液混合以形成混合物并连续输送所述混合物；进料单元，与所述原料混合单元相连，用于接收所述混合物、对所述混合物进行压缩并向外输送所述混合物；主体反应单元，与所述进料单元和所述酸液输出单元相连，用于分别接收所述混合物和第二酸液，并在高于常压的压力下充分搅拌和混合所述混合物和第二酸液以使其反应；和出料单元，与所述主体反应单元相连，用于对反应得到的生成物进行固液分离，并输出产物。
该连续水解制糖的装置是真正意义上的连续水解反应装置，在时间上实现了连续进料、连续反应、连续出料，降低了劳动强度、提高了生产效率；本实用新型的装置不仅能够水解半纤维素，还能够通过调整反应条件来水解纤维素，例如通过提高反应温度等；水解反应仅在主体反应单元中发生，减少了副产物的生成，反应得到的糖能够及时排出，提高了糖收率及糖浓度。
在本实用新型的一个优选实施方案中，原料混合单元可以包括螺旋混合器，其用于将原料和第一酸液在螺旋搅拌作用下混合均匀而形成混合物，并向进料单元提供连续进料。
木质纤维素类原料需在酸性环境下水解，当酸液与固体原料的比例不太大时，液体不能完全浸没固体原料，需将固液混合均匀以避免影响水解效果。采用螺旋混合器能够使原料和酸液混合得更加均匀，确保后续水解反应顺利进行。
在本实用新型的一个优选实施方案中，进料单元可以包括带压缩功能的螺旋进料器，其用于对所述混合物进行压缩并将所述混合物输送到所述主体反应单元。
在本实用新型的一个优选实施方案中，螺旋进料器可以包括压缩段，且压缩段内径和螺距沿进料方向逐渐变小。
在本实用新型的一个优选实施方案中，螺旋进料器还可以包括料塞段，料塞段位于压缩段之后且内径和螺距保持不变。
主体反应单元中的水解反应在高于常压的条件下进行，进料单元的螺旋进料器能够确保主体反应单元中的物料不会反蹿回进料单元，能够维持主体反应单元内压力稳定，保证主体反应单元中的水解反应在稳定的压力下进行；此外，通过使用螺旋进料器，还能提供连续稳定地进料，不会出现堵塞现象。
在本实用新型的一个优选实施方案中，进料单元还可以包括分别与原料混合单元和螺旋进料器连接的第一锥形下料管，用于接收来自原料混合单元的混合物，并输送给螺旋进料器。
在进料单元使用第一锥形下料管来接收并输送混合物，能够确保混合物顺利地进入螺旋进料器，从而可避免因为从原料混合单元输出的混合均匀的混合物流动性较差而导致的堵塞或输送不畅。
在本实用新型的一个优选实施方案中，主体反应单元可以包括螺旋反应器，该螺旋反应器为平推流式并且无压缩功能。
混合物在主体反应单元的螺旋反应器中发生水解反应，螺旋反应器设置为平推流时，可以使反应完全以及提高反应效率，使得反应器中的混合物在任意反应阶段固液混合比一致，提高了水解反应的效率。
在本实用新型的一个优选实施方案中，主体反应单元还可以包括与进料单元连接、用于接收混合物的第二锥形下料管，该第二锥形下料管的顶部还设置有与酸液输出单元连接的酸液添加装置，用于添加第二酸液。
在主体反应单元使用第二锥形下料管来接收并输送混合物能够确保混合物顺利地进入螺旋反应器，避免从进料单元输出的固液混合物流动性较差导致的堵塞或输送不畅；在第二锥形下料管的顶部设置的酸液添加装置进一步补充反应所需的酸液以达到设定的固液比，使得水解反应能够高效进行。
在本实用新型的一个优选实施方案中，酸液添加装置可以通过喷淋添加第二酸液。采用喷淋的方式能够更均匀地将第二酸液喷洒至来自进料单元的混合物，还有助于第二酸液和混合物的均匀混合。
在本实用新型的一个优选实施方案中，主体反应单元还可以包括蒸汽输入口，其用于接收高温蒸汽。该蒸汽输入能够维持主体反应单元的反应温度在合适的范围，避免温度下降而引起的反应速率降低。
在本实用新型的一个优选实施方案中，主体反应单元还可以包括放空阀，以排出反应过程中产生的不凝气。这样，能够保证主体反应单元内的压力在合适的范围内，从而使得水解反应稳定进行。
在本实用新型的一个优选实施方案中，出料单元可以包括带压缩功能的螺旋出料器，螺旋出料器用于对生成物进行挤压过滤和固液分离。
在本实用新型的一个优选实施方案中，螺旋出料器包括压缩段，压缩段内径和螺距沿出料方向逐渐变小。
在本实用新型的一个优选实施方案中，螺旋出料器还包括料塞段，料塞段位于压缩段之后且内径和螺距保持不变。
在本实用新型的一个优选实施方案中，螺旋出料器器壁处有筛网，螺旋出料器通过筛网排出液体；螺旋出料器末端有固体排料口用于排出固体。
出料单元的螺旋出料器能够确保输出生成物的过程中不会发生喷料，能够维持主体反应单元内压力稳定；此外还能够提供连续稳定地出料，不会出现堵塞现象。
在本实用新型的一个优选实施方案中，第一酸液的温度可以为40-95℃；第二酸液的温度可以为110-200℃。
任何能够实现木质纤维素水解的酸浓度均适用于本实用新型。在一个优选实施方案中，第一酸液和/或第二酸液的酸浓度可以为0.1wt％-10wt％。
在本实用新型的一个优选实施方案中，主体反应单元40的温度和压力可通过例如调整进料的温度和压力、控制放空阀等方式来进行调节和设置，主体反应单元可以被设置成温度为100-200℃，压力为0.1-1.8MPa；优选地，温度为100-160℃，压力为0.1-0.8MPa。
在本实用新型的一个优选实施方案中，原料混合单元20内和进料单元30内的温度和压力均可通过例如调整进料的温度和压力等方式来进行调节和设置，原料混合单元可以被设置成温度为40-90℃，压力为常压；进料单元可以被设置成温度为40-90℃。
在本实用新型的一个优选实施方案中，第一酸液和/或第二酸液可以为循环酸液。
本实用新型的上述方案在时间上实现了连续进料、连续反应、连续出料，能够有效地提高劳动生产率，降低劳动强度，减小设备尺寸，提高糖收率及糖浓度，并减少污染。
附图说明
本实用新型的下列附图在此作为本实用新型的一部分用于理解本实用新型。附图中示出了本实用新型的实施例及其描述，用来解释本实用新型的原理。
图1是根据本实用新型的一个实施方案所述的一种利用木质纤维素类原料连续水解制糖的装置的示意图。
图2是根据本实用新型的另一个实施方案所述的一种利用木质纤维素类原料连续水解制糖的装置的示意图。
具体实施方式
以下将对本实用新型的具体实施方式进行描述。
图1示意性示出了根据本实用新型的一个实施方案。
如图1所示，其为一种利用木质纤维素类原料连续水解制糖的装置，包括酸液输出单元1，原料混合单元2，进料单元3，主体反应单元4，出料单元5。
该装置可以以下述工艺进行连续水解制糖。
木质纤维素类原料在原料混合单元2中与酸液输出单元1输出的第一酸液以一定比例混合均匀形成混合物。混合物被连续送入进料单元3，进料单元3对混合物进行压缩并向外输送混合物。混合物连续稳定地进入主体反应单元4，并且在高于常压的压力下与酸液输出单元1输出的第二酸液混合达到设定的固液比以使其反应。反应完成后的生成物被连续稳定地输送至出料单元5，生成物在出料单元5中进行固液分离，输出产物。该实施方案在时间上实现了的连续进料、连续反应、连续出料，是真正意义上的连续水解制糖，降低了劳动强度、提高了生产效率；水解反应仅在主体反应单元4中发生，减少了副产物的生成，反应得到的糖能够及时排出，提高了糖收率和糖浓度。
在一个优选的实施方案中，原料混合单元2可以包括螺旋混合器，其用于将原料和第一酸液在螺旋搅拌作用下混合均匀而形成混合物，并向进料单元3提供连续进料。采用螺旋混合器能够使原料和酸液混合得更加均匀，确保后续水解反应顺利进行。
在一个优选的实施方案中，进料单元3可以包括带压缩功能的螺旋进料器，优选螺旋进料器包括压缩段，压缩段内径和螺距沿进料方向逐渐变小，更优选螺旋进料器包括料塞段，料塞段位于压缩段之后且内径和螺距保持不变。螺旋进料器，用于对所述混合物进行压缩并将所述混合物输送到所述主体反应单元4。主体反应单元4中的水解反应在高于常压的条件下进行，进料单元3的螺旋进料器能够确保主体反应单元4中的物料不会反蹿回进料单元3，并且维持主体反应单元4内压力稳定，保证主体反应单元4中的水解反应在稳定的压力下进行；此外，通过使用螺旋进料器，还能提供连续稳定地进料，不会出现堵塞现象。
在一个优选的实施方案中，进料单元3还可以包括分别与原料混合单元2和螺旋进料器连接的第一锥形下料管，用于接收来自原料混合单元2的混合物，并输送给螺旋进料器。在进料单元3使用第一锥形下料管来接收并输送混合物，能够确保混合物顺利地进入螺旋进料器，从而可避免因为从原料混合单元2输出的混合均匀的混合物流动性较差而导致的堵塞或输送不畅。
在一个优选的实施方案中，主体反应单元4可以包括螺旋反应器，该螺旋反应器为平推流式并且无压缩功能。混合物在主体反应单元4的螺旋反应器中发生水解反应，螺旋反应器设置为平推流时，可以使反应完全以及提高反应效率，使得反应器中的混合物在任意反应阶段固液混合比一致，提高了水解反应的效率。
在一个优选的实施方案中，主体反应单元4还可以包括与进料单元3连接、用于接收混合物的第二锥形下料管，该第二锥形下料管的顶部还设置有与酸液输出单元1连接的酸液添加装置，用于添加第二酸液。在主体反应单元4使用第二锥形下料管来接收并输送混合物能够确保混合物顺利地进入螺旋反应器，避免从进料单元3输出的固液混合物流动性较差导致的堵塞或输送不畅；在第二锥形下料管的顶部设置的酸液添加装置进一步补充反应所需的酸液以达到设定的固液比，使得水解反应能够高效进行。
在一个优选的实施方案中，酸液添加装置可以通过喷淋添加第二酸液。采用喷淋的方式能够更均匀地将第二酸液喷洒至来自进料单元3的混合物，还有助于第二酸液和混合物的均匀混合。
在一个优选的实施方案中，主体反应单元4还可以包括蒸汽输入口，其用于接收高温蒸汽。该蒸汽输入能够维持主体反应单元4的反应温度在合适的范围，避免温度下降而引起的反应速率降低。
在一个优选的实施方案中，主体反应单元4还可以包括放空阀，以排出反应过程中产生的不凝气。这样，能够保证主体反应单元4内的压力在合适的范围内，从而使得水解反应稳定进行。
在一个优选的实施方案中，主体反应单元4的温度和压力可通过例如调整进料的温度和压力、控制放空阀等方式来进行调节和设置，主体反应单元4能够被设置成温度为100-200℃，压力为0.1-1.8MPa；优选地，温度为100-160℃，压力为0.1-0.8MPa；更优选地，温度为115-125℃，压力为0.15-0.25MPa；最优选地，温度为120℃，压力为0.2MPa。
在一个优选的实施方案中，出料单元5可以包括带压缩功能的螺旋出料器，螺旋出料器用于对生成物进行挤压过滤和固液分离。优选螺旋出料器包括压缩段，压缩段内径和螺距沿出料方向逐渐变小；更优选螺旋出料器还包括料塞段，料塞段位于压缩段之后且内径和螺距保持不变；更优选螺旋出料器器壁处有筛网，螺旋出料器通过筛网排出液体；螺旋出料器末端有固体排料口用于排出固体。出料单元5的螺旋出料器能够确保输出生成物的过程中不会发生喷料，能够维持主体反应单元4内压力稳定；此外还能够提供连续稳定地出料，不会出现堵塞现象。
在一个优选的实施方案中，第一酸液的温度优选为40-95℃，更优选为55-65℃，最优选为60℃；第二酸液的温度优选为110-200℃，更优选为125-135℃，最优选为130℃。任何能够实现木质纤维素水解的酸浓度均在本实用新型的考虑范围内，在一个优选实施方案中，第一酸液和/或第二酸液的酸浓度可以为0.1wt％-10wt％。
在一个优选的实施方案中，加入到主体反应单元4的第二酸液还能够使固液混合物达到设定的固液质量比，优选固液质量比为1:3-1:8。
在一个优选的实施方案中，原料混合单元2内和进料单元3内的温度和压力均可通过例如调整进料的温度和压力等方式来进行调节和设置，原料混合单元2可以设置成温度为40-90℃，压力为常压；进料单元3可以设置成温度为40-90℃。
在一个优选的实施方案中，第一酸液和/或第二酸液可以为循环酸液。例如，如果后续的糖处理工艺中不中和酸，则能够回收酸液循环使用。
图2示出了本实用新型的一个优选的实施方案，其中，提供了一种利用木质纤维素类原料连续水解制糖的装置，包括酸液输出单元10、原料混合单元20、螺旋混合器21、进料单元30、螺旋进料器31、第一锥形下料管32、主体反应单元40、螺旋反应器41、第二锥形下料管42、酸液添加装置43、蒸汽输入口44、放空阀45、出料单元50、螺旋出料器51、糖液收集罐52、渣罐53。
该装置可以以下述工艺进行连续水解制糖。
木质纤维素类原料被连续送入原料混合单元20，其中该原料混合单元20包括螺旋混合器21，原料在螺旋混合器21中与来自酸液输出单元10的第一酸液(如箭头F所示)以一定比例混合均匀，以形成混合物并连续输出混合物。
混合均匀的固液混合物进入进料单元30，其包括螺旋进料器31和第一锥形下料管32；该混合物经过第一锥形下料管32连续进入螺旋进料器31，螺旋进料器31带压缩功能，其包括压缩段和料塞段，压缩段内径和螺距沿进料方向逐渐变小，料塞段位于压缩段之后且内径和螺距保持不变。螺旋进料器可对固液混合物进行压缩并向外输出至主体反应单元40。
主体反应单元40包括螺旋反应器41、第二锥形下料管42、酸液添加装置43、蒸汽输入口44和放空阀45。来自螺旋进料器31的混合物被送入第二锥形下料管42。混合物在第二锥形下料管42中与来自酸液输出单元10、并由设置在第二锥形下料管42的顶部的酸液添加装置43进行添加(优选通过喷淋添加)的第二酸液(如箭头S所示)继续混合达到设定的固液比，然后进入螺旋反应器41，在高于常压的压力下充分搅拌和混合，以进行反应。螺旋反应器41优选为平推流式并且无压缩功能。第二酸液的高温能够提供反应所需的热量。
蒸汽输入口44可以向螺旋反应器41输入蒸汽来弥补热量损失。反应过程中，可根据螺旋反应器41内的压力变化适时开启放空阀45，释放不凝气，确保系统压力稳定。
反应完成后的生成物进入出料单元50。该出料单元50包括带压缩功能的螺旋出料器51、糖液收集罐52、渣罐53，螺旋出料器51包括压缩段和料塞段，压缩段沿出料方向内径和螺距逐渐变小，料塞段位于压缩段之后且内径和螺距保持不变。其中，生成物在螺旋出料器51的挤压作用下进行固液分离。螺旋出料器器壁处有筛网，螺旋出料器通过筛网排出液体，该液体进入糖液收集罐52；螺旋出料器末端有固体排料口用于排出固体，该固体进入渣罐53。
在一个优选的实施方案中，主体反应单元40的温度和压力可通过例如调整进料的温度和压力、控制放空阀等方式来进行调节和设置，优选地，主体反应单元40能够被设置成温度为100-180℃，压力为0.1-1.8MPa；更优选地，温度为115-125℃，压力为0.15-0.25MPa；最优选地，温度为120℃，压力为0.2MPa。
在一个优选的实施方案中，原料混合单元20内和进料单元30内的温度和压力均可通过例如调整进料的温度和压力等方式来进行调节和设置，原料混合单元20能够被设置成温度为40-90℃，压力为常压；进料单元30能够被设置成温度为40-90℃。
在一个优选的实施方案中，第一酸液的温度优选为50-70℃，更优选为55-65℃，最优选为60℃；第二酸液的温度优选为120-140℃，更优选为125-135℃，最优选为130℃。
在一个优选的实施方案中，第一酸液和/或第二酸液可以为循环酸液。例如，如果后续的糖处理工艺中不中和酸，则能够回收酸液循环使用。
本实用新型的上述方案在时间上实现了连续进料、连续反应、连续出料，能够有效地提高劳动生产率，降低劳动强度，减小设备尺寸，提高糖收率及糖浓度，并减少污染。其生产效率为现有装置的3-8倍。以玉米芯为例，传统工艺糖收率为33％，糖浓度为5％，本实用新型的装置能够将糖收率提高10％-15％，糖浓度提高10％以上。
本实用新型已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本实用新型限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本实用新型并不局限于上述实施例，根据本实用新型的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本实用新型所要求保护的范围以内。本实用新型的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。