一种木糖液制备糠醛的压力反应萃取装置的制作方法

本实用新型属于化工设备技术领域，在常压涡轮萃取塔的基础上进行改进的技术，具体为一种木糖液制备糠醛的压力反应萃取装置。

背景技术：

糠醛是一种目前尚不能通过化学方法合成的重要的基础有机化工原料，是从糖类化合物中所获得的唯一一种不饱和大比容有机化学品，其化学性质十分活泼，糠醛及其衍生物都是应用广泛的有机化工中间体。此外，糠醛还可通过与甲醛的羟甲基化作用生成5－羟甲基糠醛，也可作为原料制备汽油、柴油和航空煤油，由糠醛通过加氢作用生成的甲基四氢呋喃可直接作为汽油的基料。随着世界范围内能源危机和环境问题的日益严峻，各化工领域对糠醛的需求量将会持续增长。但是，现有的糠醛生产工艺能耗巨大，环境污染极其严重，生产成本偏高且收率低下，以上诸多不利因素使欧盟和美国在过去数十年中已严令禁止在本国范围内生产糠醛。中国是糠醛生产和出口大国，占世界糠醛总产量70％左右。鉴于糠醛在有机化工及能源领域中的重要作用，现有的糠醛生产工艺亟待改进。

工业上，糠醛由木质纤维素生物质中的半纤维素在稀酸，最常采用的催化剂是h2so4。目前，糠醛的工业生产采用批处理反应器使原料与稀酸水溶液在水解锅内混合，并采用高压蒸汽提供反应所需要的热量，同时，蒸汽的另一个重要作用是将糠醛从反应体系中及时移除，减小因二次反应而造成的糠醛产率降低，常用的工艺条件是在高温(140～185℃)高压(5～10mpa)下反应6～10h，h2so4用量为3％，固液比在(2～3)∶1，受多种条件限制，工业生产上最大糠醛收率只能达到理论值的45％～55％。反应器出口蒸汽中糠醛的质量分数约为3％，糠醛和水的混合物(即粗醛)通过汽提塔进行浓缩，形成富含糠醛的蒸汽。由于糠醛在水中的溶解能力有限(20℃，8.3％)，相分离现象非常明显，下层富含糠醛相进一步通过连续的精馏塔进行精制和提纯，从而得到糠醛成品，上层含水相则回流至汽提塔。在分离过程中，甲醇和乙酸是有价值副产物。水解后的废渣(主要成分是纤维素和木质素)作为锅炉燃料生产蒸汽。

现有的糠醛生产工艺存在诸多弊端：首先是收率问题，目前世界范围内约70％的糠醛生产企业采用批处理反应器，糠醛收率只有理论值的50％左右，但是消耗蒸汽量却是糠醛产量的30～50倍，且反应时间较长。现有的催化体系副反应较多，水相、强酸、高温、与氧气接触、较长的反应时间等都会导致糠醛的缩合和树脂化，同时，糠醛与木糖及反应中间产物之间也会发生交互聚合反应，糠醛还会进一步降解生成丙酮醛、甲醛、甘油醛、乙醇醛等，这些副反应会降低戊糖生成糠醛的选择性。其次，稀酸易腐蚀设备，且其分离和循环使用非常困难，而稀酸水解法还会导致大量酸性糠醛废水产生，治理难度极大。再次，使用蒸汽作为热源和萃取剂耗能巨大。因此有人希望解决上述问题，专利cn102391218a中公开了一种固定床催化木糖脱水制备糠醛的方法：反应釜中进入－3mol/l的酸催化剂溶液，再加助催化剂nacl至饱和，升温至回流，搅拌形成一个固定体积和浓度的催化剂层的旋转液面，再将经稀酸催化水解秸秆得到的10－20％的木糖按一定速度喷加到反应釜中，进行木糖脱水反应，糠醛溶液经精馏得到纯度达到99％以上的糠醛，收率达到50～70wt％。以上方法均未给出反应时间，同时收率仍较低。专利号01105995.8公开了从甘蔗渣制取糠醛的方法：(1)甘蔗渣与稀硫酸(4－10％)按重量比1：3混合后装入水解锅中，直接蒸汽加热，并带出生成的糠醛；(2)含糠醛3－6％的蒸汽冷凝后，送初馏塔蒸馏，冷凝液中含糠醛30－35％，冷却到40－50℃分层；(3)上层送低沸物蒸馏塔，除去低沸点物后返回初馏塔回收糠醛；(4)下层粗糠醛送脱水塔和精制塔加工，分别除去水分、低沸物和甲基糠醛高沸物，得产品糠醛。

从上述专利可以看出，该技术仍存在糠醛收率低、废水和废气排放量大与环境污染严重等问题；生产成本较高。另外，糠醛水解法中多级精馏能耗以及大量废水问题已成为制约行业发展的重要因素，寻求清洁生产工艺解决糠醛生产中环保、节能与节水等问题，成为该行业发展当务之急。

技术实现要素：

本实用新型正是基于以上技术问题，提供一种木糖液制备糠醛的压力反应萃取装置。该装置设计结构合理、工作效率高、可较好的实现连续操作。

为了实现以上发明目的，本实用新型的具体技术方案为：

一种木糖液制备糠醛的压力反应萃取装置，该装置包括反应萃取塔、离心萃取器、溶剂相离心分离机、分馏塔和糠醛精馏塔；其中，带有木糖液计量泵的木糖液输送管道和带有醋酸计量泵的醋酸输送管道连接后的总管道与混合泵连接，混合泵与预热器连接后再与管状反应器连接，管状反应器与反应萃取塔的上部连接；反应萃取塔底部管道依次与减压阀和热交换器连接，热交换器与离心萃取器连接，在此将水溶液中少量糠醛进一步萃取，萃取后的溶剂相与溶剂泵打来的溶剂经加压泵加压后进入反应萃取塔的下部。反应萃取塔顶部的管道依次与限压阀和溶剂相热交换器连接后再与离心机连接，即将反应萃取塔顶部出来的溶剂相经减压后，再进行换热冷却后进入离心机将微量水分分离。离心机与进料泵连接后再与分馏塔的中部连通，分馏塔的塔顶和糠醛精馏塔的中部连接；分馏塔的底部依次通过溶剂槽和溶剂泵后分为三支管，一支管与离心萃取器连接，一支管与热交换器连接，另外一支管与物料混合泵连接；从热交换器出去的管道与从离心萃取器出去的管道合并后再与加压泵连接，加压泵与反应萃取塔的下部连通；即把离心萃取器分离出的溶剂相与另一路管道的溶剂合并与进料泵连接，再将换热器热交换后进入反应萃取塔的下部。

木糖液计量泵与木糖储槽连接以提供木糖液；醋酸计量泵与醋酸储槽连接以提供醋酸；在混合泵进料口的管道上设置阻聚剂添加装置，阻聚剂添加装置包括阻聚剂计量器和阻聚剂储槽，阻聚剂计量器与阻聚剂储槽连接，方便阻聚剂按量添加。

糠醛精馏塔的顶部与糠醛冷凝器连接，糠醛冷凝器与糠醛储罐连接。

所述的热交换器分别与离心萃取器和溶剂泵连接。

所述的反应萃取塔为涡轮搅拌式反应萃取塔，该反应萃取塔包括中间部分的耐压圆筒和设置在耐压圆筒两端的上封头和下封头，在上封头处设置有磁性液体密封装置；耐压圆筒部分分为四段，最上面的一段是溶剂相与水相分离澄清段，溶剂相与水相分离澄清段的下面是进料段，进料段的下面是反应萃取段，最底部一段为水相澄清段。

在该反应萃取塔顶部设置了搅拌器，与搅拌器与连接的搅拌轴伸入反应萃取塔内的反应萃取段，在搅拌轴上设置有涡轮搅拌桨，搅拌器方便对反应萃取塔内的物料进行搅拌，使其反应充分。

在溶剂相与水相分离澄清段的上端设置设有溶剂相出口，在反应萃取段的上端进料段设有反应液进料管；在水相分离澄清段的上部与反应萃取段下部交界处的上筛板下面设置有溶剂进料管，在反应萃取塔的底部设有水相出口。

反应液进料管在塔内呈圆形分布，管上开有成60°的两排圆形向下小孔，在反应液进料管的上方装有上筛板；溶剂进料管在塔内呈圆形分布，管上开有成60°的两排圆形向上小孔。

所述进料段和反应萃取段的耐压圆筒外部焊有加热夹套，加热夹套与反应萃取塔保温热油炉连接。

在反应萃取段内设置了挡板；在反应萃取段与水相澄清段之间设置了下筛板。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

(一)、该装置可使生产过程连续化，缩短了反应时间。

(二)、采用该装置，使溶剂和反应液水相在反应塔中逆流反应，增加了接触面积，促使反应加快进行。

(三)、反应时间的缩短，减少了副反应的发生，有利于提高产品的收率。

(四)、采用该装置，使生产中无废水排放，解决了传统工艺中大量废水污染环境的问题。

(五)、糠醛生产过程中，减少了蒸汽消耗，节约了能源。

附图说明

图1为本实用新型中所述木糖液制备糠醛的反应萃取装置中各结构的连接关系示意图。

其中，1为木糖液储槽，2为木糖液计量泵、3为醋酸储槽、4为醋酸计量泵、5为阻聚剂计量器、6为混合泵、7为预热器、8为管状反应器、9为反应萃取塔、10为限压阀、11为溶剂相热交换器、12为离心机、13为减压阀、14为热交换器、15为离心萃取器、16进料泵、17为分馏塔、18为糠醛精馏塔、19为糠醛冷凝器、20为糠醛储罐、21为溶剂储罐、22为溶剂泵、23为加压泵。

图2为本实用新型中所述反应萃取塔的结构示意图。

其中，9－1为溶剂进料管、9－2为水相澄清段、9－3反应萃取段、9－4为进料段、9－5为溶剂相与水相分离澄清段、9－6为磁性液体密封装置、9－7为搅拌器、9－8为溶剂相出料管、9－9为上筛板、9－10反应液进料管、9－11为搅拌轴、9－12为挡板、9－13为涡轮搅拌桨、9－14为加热夹套、9－15为下筛板、9－16为水相出料口。

图3为本实用新型中反应液进料管与筛板的位置关系示意图。

图4为本实用新型中溶剂进料管上小孔的分布示意图。

图5为本实用新型中反应液进料管上小孔的分布示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的内容更加便于理解，下面将结合附图和具体实施方式对本实用新型中所述的工艺做进一步的阐述。但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于下述实施例。

实施例1：

一种木糖液制备糠醛的反应萃取装置，该装置包括反应萃取塔9、离心萃取器15、溶剂相离心分离机12、分馏塔17和糠醛精馏塔18。其中木糖液储槽1的底部出口连接到木糖液计量泵2的入口，木糖液计量泵2的出口连接到混合泵6的入口；醋酸储槽3下部出口连接到醋酸计量泵4的入口，醋酸计量泵4的出口与阻剂剂计量器5的出口同时连接到混合泵6的入口，在此进行混合之后进入到预热器7，预热后的物料进入反应萃取塔9上部，与萃取塔9下部流上来的溶剂接触，反应生成的糠醛为溶剂相；向上流动至反应萃取塔的上部沉降分离，溶剂相经减压后进入热交换器11冷却后，进入溶剂相离心分离机12，溶剂相离心分离机12分出的溶剂相经进料泵16进入分馏塔17；分馏塔17塔底出来的溶剂进入溶剂储槽21备用；溶剂经溶剂泵22计量后进行分流，一部分进入热交换器14，另外一部分进入离心萃取器15，还有一部分进入混合泵6，离心萃取器15出来的溶剂相和热交换器出来的溶剂，通过加压泵23泵入反应萃取塔9，分馏塔17中的糠醛蒸汽由塔顶排出后直接进入精馏塔18的中部，精馏塔18产生的糠醛经糠醛冷凝器冷凝后进入糠醛储罐存储备用。

反应萃取塔为涡轮搅拌式，涡轮反应萃取塔分为四段(图上虚线划分)，最上一段是溶剂相与水相分离澄清段9－5，溶剂由水相澄清段9－2的下部的溶剂进料管9－1进入，中间是反应萃取段9－3，是由一系列涡轮搅拌桨9－13及分隔于涡轮搅拌桨9－13的环形塔板9－12所组成；两相依靠密度差以逆流形式连续通过反应萃取段9－3，溶剂为连续相，水相为分散相。在此，木糖脱水生成糠醛的反应不断进行，生成的糠醛进入溶剂相。涡轮搅拌桨9－13提供必要的径向混合和相分散作用，并防止反应液与溶剂分层；环形塔板9－12可减少流体的轴向返混，同时得到最佳的分散相滞留率而持留分散相的液滴。反应萃取段9－3上面是进料段9－4，进料段9－4上面是溶剂相与水相分离澄清段9－5；与水分离后的溶剂相由溶剂相出料管9－8排出；反应萃取塔最下端是水相澄清段9－2，在此水相与溶剂相分离。

反应萃取塔的反应液进料管9－10的进料口在塔内呈圆形水相分布管，管上开有成60°两排圆形小孔，分布管上方装有筛板9－9，可防止物料返混。溶剂进料管9－1的进料口处于水相澄清段9－2上部；反应液进料管9－10的入口处于溶剂相澄清段的下部。进料段9－4和反应萃取段9－3塔筒外部焊有加热夹套9－14，由反应萃取塔保温热油炉供给热载体保温。

反应萃取塔9底部出来的水相与进入塔内的溶剂在热交换器－14中进行热交换；反应萃取塔9上部澄清段出来的溶剂相经减压后进入热交换器11冷却后进入离心机。

反应液、溶剂的温度、流量、反应萃取塔内的温度、压力的控制均为pid调节。

利用该装置进行糠醛制备的工艺步骤为：取30wt％的木糖混合液与催化剂和阻聚剂按重量比1：0.05：0.001的比例连续进入液－液混合机进行混合，所述的催化剂为有机酸醋酸；所用的溶剂为s1000，物料与溶剂重量比为1：3。阻聚剂为三苯基磷。反应液用泵打入预热器，在预热器用蒸汽加热至180℃后进入管状反应器8，使反应物料进行初期脱水反应；反应物在管式反应器中停留时间为10分钟进入反应萃取塔继续反应，反应温度维持180℃，塔内停留时间20min，反应混合物与下部流上来的溶剂相接触后，溶剂相流向塔上部移动至沉降段，经减压，热交换器器冷却至40℃，进入离心分离机，将溶剂相中少量水分出，溶剂相进入分馏塔，塔顶得到的粗糠醛再通过精馏得到成品糠醛，糠醛收率82％；塔底得到溶剂返回配料使用；进入反应萃取塔的反应液中水相向塔下部移动被塔底加入向上移动的溶剂萃取，水相继续向下移动，由塔底出口排出进入离心萃取器，在此被新加入的溶剂进一步萃取分离后，溶剂相打回塔内，水相与塔顶离心机分出的水相混合一起进行处理。糠醛收率达84％。

虽然本实用新型已经通过具体实施方式对其进行了详细阐述，但是，本专业普通技术人员应该明白，在此基础上所做出的未超出权利要求保护范围的任何形式和细节的变化，均属于本实用新型的保护范围。