专利名称：将木质纤维素材料转化为有用的化学品的方法
技术领域：
本发明涉及热化学处理木质纤维素材料以使其转化为挥发性有机化合物、水和木炭的混合物的方法。
背景技术：
在本说明书中，在提及或论述文献、法案或知识条款的情况下，该提及或论述并非许可文献、法案或知识条款或其任何组合为在优先日期的(i) 一部分普通常识；或(ii)已知与解决本说明书所考虑的任何问题的努力有关。包括聚合物、医药、除草剂、杀虫剂、染料、颜料和液体运输燃料的大多数合成有机化学品都来源于来自化石来源的原油。原油的储量有限且大多数位于世界上政治不安定的区域。此外，已经显示石油加工燃料在内燃发动机中燃烧是进入大气的人为气态排放物 (所谓的“温室气体”)的主要贡献者，已经证实这是全球性气候改变的主因。政府间气候变化专门委员会(IPCC)已经推荐所有国家努力尽可能地减少温室气体的排放。减少温室气体排放的推荐方法之一是用来源于诸如种植园林业、农业和水产业的可再生资源的有机化合物完全或部分替代诸如运输燃料的石油加工有机化合物。该替代将具有降低有限的剩余化石石油储量的使用率的另外优势且使其利用限于不能由可再生资源成本有效地进行的合成有机化学品的生产。除了每年有限供应的植物油和脂肪以外，可以成本有效的方式收获的大量可再生有机材料通常为非挥发性固体。绝大多数现有内燃发动机需要其燃料在环境压力和温度下为挥发性有机液体或在适度增加的压力下冷凝成液体的气体，诸如丙烷和丁烷。全世界正积极开发使用热化学处理、生物化学处理和/或生物处理使可再生的固态有机材料转化为有机液体、特别是挥发性能量密集型有机液体的许多方法。现有方法通常具有显著的缺点，特别是关于与现有内燃发动机相容的有用液体燃料的生产的缺点。这些缺点包括使用昂贵的酶、需要在高压下处理、需要使用具有与在大收集区域上运输大量可再生有机材料相关的相关高成本的大型处理设施、低净能值产出、化学复杂性和液体产物的不稳定性及另外需要常常稀缺的淡水资源。因此，需要开发能够在不使用高压处理且不需要大量淡水的情况下使更充足、可容易收集的可再生有机材料(即，所谓的“木质纤维素材料”)选择性地转化为有机液体的方法。这类有机液体可以直接用作燃料或可以使用现有技术经受进一步处理成可再生的液体燃料、聚合物和其他有机化学品。在本说明书中使用的术语“木质纤维素材料”和术语“木质纤维素材料”的各形式是指任何植物性物质、木材或木制品、纸张、纸板或纸板、纱线、纺织物或具有大于30%的组合纤维素和半纤维素含量的纺织产品，它们可以充当本文所述的本发明用的原料，且包括但不限于纤维素纤维或纤维素粉、木屑、锯末、细枝、树皮、树叶、籽皮和其他森林地被层、谷物和草秸秆及干草、油籽秆、甘蔗渣、香蕉假茎废物、油椰子废物、一般花园废物、来源于水产业的藻类“饼”及其他植物性物质。
发明说明本发明一方面提供将微粒木质纤维素材料转化以产生挥发性有机化合物和木炭的方法，其包含形成所述微粒木质纤维素材料与含有极性有机液体和酸的催化剂组合物的混合物，在搅拌所述混合物的同时，将所述混合物加热到足够高的温度且历时足够长的时间以便将所述混合物的所有剩余固相的主要部分转化为木炭，和将所述挥发性有机化合物和催化剂组合物作为气相与所述固相分离。合适地，所述混合物在低于常压下反应。所述压力可小于900毫巴。其可在 0. 1-900毫巴范围内。该压力可合适地在50-150毫巴范围内。在将固相转化为木炭期间，可将混合物的温度升高到足以蒸发催化剂组合物的水平。合适地，将混合物加热到在190°C -500°C范围内的温度。该温度可在加热混合物期间改变。当混合物在诸如旋转螺杆反应器的不断进料的反应器中反应时，可沿反应器的长度控制温度以使得温度从紧靠反应器入口的较低温度升高到紧靠出口的较高温度。合适地，所述酸占所述催化剂组合物的0. 1-10重量％。在所述混合物中所述催化剂组合物的重量可构成所述混合物中微粒木质纤维素材料重量的1-10倍。在反应之前，混合物中的木质纤维素材料可通过机械碎木机、机械或热机机械制浆机、单或双螺杆挤压机、辊磨机、碾磨机、碎磨机和锤磨机中的任一种或多种进行剪切和压缩。根据本发明的一种特定方式，提供将诸如纤维质漂白木浆的木质纤维素材料转化为挥发性有机液体(is)-6，8-二氧杂双环[3. 2. 1]辛-2-烯-4-酮((_)-左旋葡萄糖酮)、 2-呋喃醛(糠醛)和4-戊酮酸(乙酰丙酸)的混合物的方法，其通过以下方式进行，(a)将漂白木浆悬浮引起木质纤维素溶胀的0. 1-90重量％的水和0. 1-10重量％ 的强酸的极性有机液体的混合物中；(b)在装置中在减压下加热漂白木浆在所述液体混合物中的悬浮液，使得悬浮液的温度能够以高度受控的方式从环境温度逐渐升高到极性有机液体的沸点以上，该沸点在 190-400°C的范围内；(c)提供保持所述液体蒸气为气相的手段以使得它们能容易并有效地与在b)中形成的任何固态碳质木炭分离；(d)提供收集并储存所述碳质木炭的设备；(e)提供冷却液体蒸气以使其冷凝成液相的设备；(f)提供收集并储存冷凝液的设备；和(g)提供分离并储存左旋葡萄糖酮、糠醛、乙酰丙酸、水和极性有机液体的设备，和(h)提供使回收的极性有机液体和水再循环并将其与强酸混合以处理另外量的漂白木浆或其他木质纤维素材料的设备。优选但并非必须地，步骤(a)在步骤(b)之前，步骤(b)在步骤(C)之前，步骤(C)在步骤(d)之前，步骤(d)在步骤(e)之前，步骤(e)在步骤⑴之前，步骤⑴在步骤(g) 之前，步骤(g)在步骤(h)之前。另一方面，本发明提供将木质纤维素材料转化为挥发性有机液体和木炭的设备， 其包括粉碎并混合站，用于粉碎所述木质纤维素材料并将木质纤维素材料与催化剂组合物混合，反应器，布置用于经入口从粉碎站接收混合物并从位于入口下游的出口排出木炭，真空泵，布置用于降低所述反应器中的压力，进料组件，布置用于将混合物从入口移动到出口以便从出口排出木炭，加热组件，用于加热反应器中的混合物到当其穿过反应器时发生混合物的热解的温度，和挥发物冷凝组件，用于从反应器中回收挥发物。所述挥发物可包含挥发性有机液体，其包括转化反应的化学产物、水和催化剂。合适地，所述反应器具有长管状段且所述进料组件在该管状段内包含螺杆进料
ο蒸汽组件可以布置用于将蒸汽在入口下游的至少一个位置注入反应器中。气-固分离系统和分馏系统也可以位于出口的下游。现将参考说明实施本发明的具体方法和设备的以下实施例进一步解释本发明。实施例1在此给出的实施例1通常涉及纤维质漂白木浆的处理，但如本领域技术人员将显而易见的，大部分方法同样适用于其他木质纤维素材料，诸如纤维素纤维、纤维素粉、废纸、 木屑、锯末、细枝、树皮、树叶及其他森林地被物、谷物和草秸秆及干草、油籽秆、甘蔗渣、香蕉假茎废物、油椰子废物、花园废物、来源于水产业的藻类"饼"或具有显著含量的纤维素和/或半纤维素的其他植物性物质。使纤维质漂白木浆穿过将该木浆粉碎成厚度不大于1cm、但优选在3_6mm范围内的长条或碎片的撕碎机或一些其它设备。该粉碎的木浆被喷以高沸点极性有机液体和强酸的混合物。所述有机液体可选自使纤维素溶胀且在300°C的温度下热且化学稳定且理想地无毒或低毒的任何极性有机液体。所述有机液体可选自极性有机液体，诸如具有通式AxMy 的室温离子液体，其中A为有机阳离子，诸如二烷基咪唑鐺或烷基吡啶鐺且M为得自典型卤化物的阴离子或硫酸根阴离子或有机阴离子，诸如甲酸根、乙酸根、三氟甲烷磺酸根(“三氟甲磺酸根”)或双(三氟甲烷)磺酰亚胺(“二(三氟甲基)磺酰亚胺”)且其中χ和y为整数，使得该式的总电子电荷为零，或双极性疏质子液体，诸如二烷基甲酰胺、N-烷基吗啉氧化物、二烷基亚砜或具有一种化学通式R1-SO2-R2的二烷基砜，其中R1和R2为含有1-10 个碳原子的烷基，包括环砜，其中R1和R2形成环状聚亚甲基环的一部分。优选地，该有机液体为四亚甲基砜(“环丁砜”)且与其混合的强酸为正磷酸，该正磷酸的加入量为环丁砜重量的0. 1-10%、但优选为2-3%。在喷到木浆上以加速纤维素的渗透和溶胀之前，将环丁砜和酸的混合物加热到50-200°C的温度，但优选150-170°C的温度。还可使用其他酸，诸如硫酸、甲烷磺酸、三氟甲烷磺酸(“三氟甲磺酸”)、氢卤酸、硝酸和甲酸，但如果将碳质木炭用作农业或园艺肥料和碳螯合剂，则优选正磷酸。作为第二步骤，可将温度为50-100°C、但优选90-100°C的热水以环丁砜使用速率的0. 1-5倍速率、但优选以环丁砜使用速率的0. 5-1 倍速率喷到木浆上。将与强酸混合的有机液体和水(“溶胀催化剂”)以所加工纸浆质量的 100-1000%的倍率、但优选以纸浆质量的150-350%的倍率喷到漂白木浆上。对于其他木质纤维素材料，应该调节溶胀催化剂的使用比例以使得加入足够量以使所存在的大部分纤维素和半纤维素溶胀，以使得酸可以迅速渗透该材料。接着使木浆和溶胀催化剂的混合物穿过施加强剪切力和压缩力的设备以帮助确保溶胀催化剂尽可能遍及木质纤维素材料均勻分布。这样的设备包括机械碎木机、机械或热机械制浆机、单或双螺杆挤压机、辊磨机、碾磨机、碎磨机和锤磨机，但优选碾磨机，诸如用于粉碎甘蔗的碾磨机。随后纸浆和溶胀催化剂的粉碎混合物经螺塞进料到螺旋反应器的入口中，其中可以使用单螺杆或双螺杆，但优选反转双螺杆。螺旋反应器的出口装有在减压下将分离气态反应产物与固态反应产物分离的设备，诸如一系列加热旋风分离器，其又连接到有效分馏塔。螺旋反应器的出口、旋风分离器和分馏塔连接到施加0. 1-500毫巴、但优选50-150毫巴的减压的设备。该螺旋反应器装备有以受控制的方式对螺杆的机筒加热的设备以便在入口端将溶胀催化剂与木浆的混合物迅速加热到180°C的温度且随后随着其在螺杆作用下沿反应器的长度移动而以受控的方式加热到220-500°C、但优选380-450°C的温度。混合物在螺旋反应器中的停留时间可在1-60分钟范围内，但优选在1-5分钟范围内。在处于螺旋反应器中期间，热和酸对溶胀木浆的作用导致构成所存在的纤维素和半纤维素的脱水己糖和脱水戊糖残余物脱水，导致以10-40%的摩尔产率形成作为主要挥发性产物的左旋葡萄糖酮，以及少量水、糠醛、乙酰丙酸、5-羟甲基糠醛、乙酸和甲酸。大量的非挥发性碳质木炭也通过纸浆中存在的木质素脱水以及据推测通过一些挥发性产物的进一步反应和热分解而形成。停留时间和加热速率必须保持在谨慎控制之下以使经后一机理的挥发性产物的不希望的损失最小化。在螺旋反应器中的减压下，水、环丁砜、左旋葡萄糖酮、糠醛及其他挥发性产物迅速沸腾且这些蒸气的压力有助于搅拌未反应的纸浆且载运碳质木炭穿过螺旋反应器的出口。由沸水、环丁砜和挥发性脱水产物产生的压差引起蒸气沿螺旋反应器迅速传送，经过出口并进入旋风分离器。如果旋风分离器的壁保持在 200-250°C的温度下在减压下，则所有挥发性产物都保留在蒸气相中且与固态碳质木炭的分离有效且完全。可优选使碳质木炭下落到载运溶胀催化剂到喷雾中的换热器的表面上， 以使得漂白木浆被喷以热溶胀催化剂。在冷却之后，可将碳质木炭传送到储存容器，在那里它的一部分可进料到气化器中以提供可用以加热并保持螺旋反应器的机筒的温度的燃料气体。碳质木炭的未使用部分可用作可再生的燃料，或可用作农业或园艺肥料，在该用途中，其还充当将碳封存在土壤中的设备。水、环丁砜和挥发性化学脱水产物的蒸气穿过旋风分离器且进入保持在1-300毫巴范围内、但优选在90-110毫巴范围内的减压下的装有有效分馏塔的蒸馏容器的底部。在这些条件下，蒸馏容器的渐进性受控加热和冷却提供水、甲酸、乙酸、糠醛、左旋葡萄糖酮和环丁砜的有效分离，其纯度可大于90%。收集并泵送水、甲酸、乙酸、糠醛和左旋葡萄糖酮到单独的储罐以便销售和分销。如果寻求可再生的液体燃料，则可使用本领域已知的方法使左旋葡萄糖酮和糠醛二者转化为乙酰丙酸乙酯、2-甲基四氢呋喃(MTHF)及其他挥发性液体燃料。包括乙酰丙酸和羟甲基糠醛的少量挥发性产物与回收的环丁砜组合。包括通常称为“腐黑物”的腐殖质和焦油物质的残渣(bottoms)与进料到气化器的木炭的一部分混合。实施例2在此给出的实施例2说明设备和方法的多样性在于其与以上实施例1非常类似， 只是在催化剂中不含正磷酸，但代替它的硫酸的加入量介于0. 1-5%之间，但优选在2-4% 范围内。在这种情况下，如果木浆或其他纤维素或木质纤维素材料与如实施例1中所述的催化剂混合且如实施例1中所述处理该混合物，则主要的挥发性有机产物为5-戊酮酸(乙酰丙酸)，还有少量左旋葡萄糖酮，其可使用分级真空蒸馏分离。现将参考附图描述实施本发明的设备和操作所述设备的特定条件的各个方面，其中
图1为根据本发明的设备的热解部分的示意图；图2为结合图1的设备使用的分离/蒸馏系统的示意图；且图3显示根据本发明的反应途径的简化方程式。附图中由数字识别的各种元件列于以下整数列表。整数列表1热解设备2过程控制计算机3进料槽5固体/催化剂混合物7进料螺杆9发动机11进料罐13连接到正推力螺杆的搅拌器15发动机17流体塞19 阀门21螺杆反应器22进料螺杆23发动机25加热器27 检查口29照相机31透明盖板33蒸汽源35蒸汽吹扫线路37蒸汽吹扫线路39蒸汽吹扫线路41蒸汽吹扫线路
43 阀门45 阀门47 阀门49 阀门51 栅栏53 栅栏55驱动轴57发动机58变速箱59 刮板61 刮板62 出口壁63 木炭65木炭容器67 阀门69真空源71压丸机73发动机74 丸粒75丸粒容器77 氮源79 阀门81 阀门83 阀门85气动流体源87 阀门89 出口91挥发物出口管道100分离/蒸馏联合体101旋风分离器102 出口103旋风分离器104 阀门105压木炭机107发动机109丸粒料斗110 出口111气动源113 阀门
115真空分馏塔117分岔点118储存容器119分接点120储存容器121分岔点122储存容器124真空源126 阀门128 阀门130 阀门132 阀门134 阀门136 阀门138 阀门附图的图1和图2的详细说明参照附图的图1，显示通常命名为1的热解设备，其通过过程控制计算机2控制。所述设备具有布置用于传送固体/催化剂混合物5到进料螺杆7的进料槽3。配置由发动机9驱动的进料螺杆7以直接进料到进料罐11中。在该进料罐中提供连接到由发动机15驱动的正推力螺杆的搅拌器13以便混合进料。进料在进料罐底部形成流体塞17。通过过程控制计算机2操作的阀门19控制混合物到螺杆反应器21的传送。该螺杆反应器的进料螺杆22由发动机23驱动。该反应器的管状壁由绕螺杆反应器环形配置的一系列电热器25围绕。所述加热器也可由过程控制计算机2控制。检查口 27位于沿螺杆反应器21的长度的中间位置。其包括在其上可安装照相机 29的透明盖板31。在沿螺杆反应器的长度的各种位置处提供由蒸汽源33供应的蒸汽吹扫线路35、 37,39和41。配置也由过程控制2控制的阀门43、44、47和49以控制蒸汽经吹扫线路到螺杆反应器的传送。在使用含有单螺杆的反应器的情况下，为了清晰可见，在反应器内的各点处提供栅栏51和53。螺杆反应器的末端提供有由出口壁62限定的出口，木炭63经该出口 62下落。提供有刮板59和61的棒55贯穿管状出口且由经变速箱58起作用的发动机57 驱动。木炭容器65与出口连通且布置用于接收下落到出口中的木炭。提供由阀门67调节的真空源69以保证木炭容器和螺杆反应器21保持在减压下。 应注意，木炭容器65和出口壁62也提供有保持温度在所需范围内的加热器25。配置由发动机73驱动的压丸机71以压缩填充在木炭容器中的木炭且使丸粒74落入丸粒容器75中。木炭容器65和丸粒容器75两者分别由阀门81和79控制与氮源77连通。类似地，所述出口的出口壁62也经阀门83与氮源77连通。合适地，阀门83和79 由过程控制计算机2控制，而阀门67和81可以手动操作。在出口 89处终止的丸粒容器的底部经可手动操作的阀门87与气动流体源85连
ο挥发物出口管道91与现参考图2描述的分离/蒸馏联合体100连通。管路91与旋风分离器101连通，旋风分离器101又与旋风分离器103串联连通。旋风分离器101和103两者共同具有由旋风分离器分离的固体材料的出口 102。可使用由过程控制计算机2操作的阀门104调节进入由发动机107驱动的压木炭机105的粉末的流量。丸粒料斗109配置用于从所述压木炭机接收丸粒且所述丸粒料斗的出口 110提供有由可手动操作的阀门113控制的气动源111。旋风分离器103与真空分馏塔115连通。旋风分离器101和旋风分离器103两者以及真空分馏塔提供有由过程控制计算机2控制的加热器25。分馏塔具有分别通向储存容器118、120和122的分岔点117、119和121。储存容器122经阀门126与真空源124连通。类似地，可使用阀门128和130调节进入储存容器的挥发物的流量以及组件中的压力。提供在储存容器的出口处的阀门132、134和136以及提供在分馏塔的出口处的阀门138允许调节冷凝挥发物从塔和储存容器的去除。方法概述图3概要显示使用参考图1和图2所述的设备操作本发明的方法中涉及的一些化学方程式。该反应可以连续方式进行，反应产物迅速形成并使用固体/蒸气/液体系列分离步骤提取。从图1的设备开始，允许固态木质纤维素材料和液体催化剂的混合物，“所述混合物”，下落到第一旋转进料螺杆的进料开口 3中。如果需要，则将固态木质纤维素材料在进料开口上游的粉碎站合适地减小到微粒形式。配置螺杆7使得混合物5进料到进料罐11的入口中。螺杆本身可用以将固态木质纤维素材料粉碎成较小微粒形式。进料罐11装备有搅拌设备和正推力螺杆13以使得混合物由来自螺杆的正压力推动以在进料罐内部形成流体塞。混合物的流体塞由空气压力和来自螺杆的推力的组合推动以经开口阀门19进入旋转螺杆反应器21的入口中。正推力螺杆经变速箱58由发动机15驱动，这也使得在阀门 19需要靠近加工操作的开始或结尾时推力螺杆能够不时升高到阀门19以上。所述螺杆反应器可为单螺杆型或双螺杆型。其由通过计算机2控制的变速电动机 23驱动，以使得其将混合物从反应器的入口移动到开始有加热器25的加热区的开始处。反应器的加热区的开始处合适地保持在10°C范围内的温度下，这取决于所使用的特定液体催化剂的蒸气压。当催化剂包含正磷酸、水和四亚甲基砜(环丁砜)的混合物时， 平均温度可在0-250°C范围内，但优选在170-180°C范围内。
反应器的内部经在反应器的出口下游与图2中的真空泵连接而保持在0. 1-900毫巴范围内的绝对压力下。当催化剂包含正磷酸、水和四亚甲基砜(环丁砜)的混合物时，反应器内部的压力更优选在80-120毫巴范围内。反应器内部的压力和温度通过过程控制计算机2控制或手动控制，以使得催化剂一旦到达加热区则迅速开始沸腾，产生蒸气，该蒸气通过由沸腾催化剂产生的压差而以高速提取到出口管道91。蒸气物流的动能使剩余的混合物分裂成粒度范围为0. I-IOmm的粒子。它们在围绕反应器21的螺杆的沟槽的主要螺旋路径中高速运载。因为粒子与反应器的壁和螺杆梯级彼此碰撞，它们分裂成越来越小的碎片。在使用反转双螺杆时，该方法更有效，因为粒子变得捕获在螺杆之间的辊隙中并且粒度更迅速地变小。同时，蒸气从粒子表面沸腾，导致剩余的木质纤维素的内聚性变得越来越小，且允许粒子进一步破碎，使得到粒子的热传递非常迅速且有效。使用加热器25控制沿螺杆反应器21的温度分布。所述加热器具有环形几何形状且围绕反应器。因此，到达沿反应器在检查口 27附近的位置的试剂主要包含粒度在 0. l-3mm的迅速移动的木质纤维素固体粒子和高速蒸气物流的混合物，该木质纤维素固体粒子含有残留正磷酸和一些四亚甲基砜，该高速蒸气物流主要包含水、四亚甲基砜和包括左旋葡萄糖酮的挥发性化学脱水产物。允许视觉或自动核实试剂组成的密封检查口 27理想地装备有蒸汽吹扫，该蒸汽吹扫能够保持玻璃盖板31和孔口的轴不含会遮蔽固体粒子和蒸气的移动物流的观察的固体材料。在检查口 27的下游提供围绕反应器的外周安装的环形几何形状的第二系列加热器25。这些通过过程控制计算机或通过手动方式控制，使得温度范围在300°C 士 10°C开始，沿反应器管的出口方向进一步升到440°C 士 10°C。在使用单螺杆反应器的情况下，在各点之间的螺杆梯级的外周之间提供一系列金属栅栏51和53。配置所述栅栏以使得蒸气物流必须穿过的间隙的宽度从约3mm减小到约1mm，由此防止粒度大于Imm的木质纤维素和催化剂的粒子离开加热区。当恰当调节温度、压力和螺杆的旋转速度和催化剂组成的条件时，发现木质纤维素粒子的外表面热解成脆性木炭与加入蒸气物流中并在通常0. 1-1秒的停留时间下离开加热区的挥发性气态产物的简单混合物的混合物。此外，发现，在适当条件下，具有夹带木炭粒子的迅速移动的蒸气物流和放出的挥发性产物的组合引起木炭的表面层从木质纤维素粒子连续剥落，暴露出新鲜的木质纤维素且减小粒子的粒度，以使得它们可穿过越来越小的间隙。在这些剥落条件下，基本所有的木质纤维素粒子的粒度可降低到 Imm以下且在加热区中行进且更致密的粒子在重力下落到受热木炭收集容器65中。因为一些热解产物使得一些木炭附着到螺杆的表面上，提供栅栏51、53(如果存在的话)和反应器的壁、可在计算机控制或手动控制下的蒸汽吹扫35、37、39和41以在反应器的操作期间从表面定期清除积聚的木炭。蒸汽吹扫的操作频率和持续时间可视所进料的木质纤维素材料的形式而改变且本领域的专业技术人员将能够确定这些参数，以使得反应器的连续操作可以持续许多天。通过连接到经变速箱58由发动机57驱动而旋转并上下往复的棒55的一系列刮板59、61提供积聚的木炭从反应器的出口的壁62的进一步清除。
经围绕出口 62的壁、木炭容器65和挥发性管路91的加热器25加热以控制温度， 使得催化剂的蒸气、蒸气相中的所要化学脱水产物和水蒸气不冷凝成液相。通常保持温度在200-250°C范围内。可将下落到收集容器65中的木炭细粒收集、传输并直接用作可再生的固体燃料或碳封存剂和作为农业和园艺土壤中的肥料。任选可使木炭细粒经受又一螺杆挤压过程以将其转化为木炭丸粒，以便收集在容器75中。理想地，当木炭处于细粒形式时，应该保持在惰性气体的气氛下，诸如来自氮源77的氮气或者二氧化碳下，以避免木炭自燃和粉尘爆炸的危险。在上述条件下，包括水、四亚甲基砜和木质纤维素材料热解的气态产物的蒸气以及一些夹带的极细固体木炭粒子的物流经挥发物出口管道91以高速流出反应器并进入图 2中所示的气_固分离系统100。由真空源124提供的压差导致蒸气和固态木炭的混合物进入包含串联示出的两个旋风分离器101和103的气-固分离系统。旋风分离器的壁通过加热器25保持在 150-300°C范围内、但优选在260-270°C范围内的温度下，以避免物流中的任何蒸气冷凝。在这些条件下，通常超过99%的固态木炭细粒由重力运载到在旋风分离器的底部的收集管102中，它们在自动料位控制下进料到由发动机107驱动的压丸机105中。木炭丸粒收集在丸粒料斗100中且可与在丸粒容器75中储存的木炭丸粒合并。不含木炭的剩余蒸气离开第二旋风分离器103的顶部且进入有效真空分馏塔115 的下部区域。所述分馏塔可间歇操作，或优选以连续模式操作。蒸馏塔的外表面通过加热器25加热且通过换热器冷却，以便在塔长度上保持并监测精细控制的温度梯度，从塔底部的220-240°C到塔顶部的80-90°C。换热器的位置没有示出且其对于任何本领域技术人员来说都将显而易见。分岔点117和119分别保持在195-200°C和180_185°C，在该温度下可从分岔点 117收集含50-60%左旋葡萄糖酮的馏分。可从分岔点119收集含有约98%四亚甲基砜和小于2%左旋葡萄糖酮的馏分并将其储存在容器120中，该馏分可从容器120中泵送至四亚甲基砜储存容器中。在分岔点121处从塔顶离开的蒸气包含> 97%的水。这些在容器122处冷凝并收集，从那里其一部分可被再循环到催化剂制备，其一部分用于冷却水(在图中没有示出冷却水管路，因为其放置对于本领域的技术人员将显而易见)且可将余量调节到中性PH并出售用于作物灌溉并进入非饮用水的其他市场中。称为粗LGN的含有50-60%左旋葡萄糖酮和40_50%四亚甲基砜的浓溶液收集在容器118中，可将其从容器118中泵送并进一步纯化。虽然以上描述包括本发明的优选实施方案，但应理解可在不脱离本发明的基本特征或精神或范围的情况下将许多变化、改变、修改和/或添加引入先前描述的部件的构造和配置中。还应理解，在本说明书中使用词语“包含(comprise) ”和诸如“包括(comprises)，， 和“包括(comprising)，，的变体的情况下，除非上下文另外需要，否则这样使用的目的在于暗含包括所陈述的特征，但不应将其视为排除存在其他特征。在本说明书中提到的任何现有技术不是且不应视为所述现有技术形成澳大利亚的普通常识的一部分的认可或任何形式的建议。
权利要求
1.使微粒木质纤维素材料转化以生产挥发性有机化合物和木炭的方法，其包含形成所述微粒木质纤维素材料与含有极性有机液体和酸的催化剂组合物的混合物，在搅拌所述混合物的同时，将所述混合物加热到足够高的温度且历时足够长的时间以便将所述混合物的所有剩余固相的主要部分转化为木炭，和将所述挥发性有机化合物和催化剂组合物作为气相与所述固相分离。
2.权利要求1的方法，其中在将所述固相转化为木炭期间，可使所述温度升高到足以蒸发所述催化剂组合物的水平。
3.权利要求1或权利要求2的方法，其中所述混合物在低于常压下反应。
4.权利要求3的方法，其中所述混合物在小于900毫巴的压力下反应。
5.前述权利要求中任一项的方法，其中所述极性有机液体选自双极性疏质子液体或具有通式AxMy的室温离子液体，其中A为有机阳离子，M为从卤化物、硫酸盐得到阴离子或有机阴离子，且χ和y为整数。
6.权利要求5的方法，其中A为二烷基咪唑鐺或烷基吡啶鐺且M为卤离子、硫酸根、甲酸根、乙酸根、三氟甲烷磺酸根或双(三氟甲烷)磺酰亚胺。
7.权利要求5的方法，其中所述双极性疏质子液体包含二烷基甲酰胺、N-烷基吗啉氧化物、二烷基亚砜或具有化学通式R1-SO2-R2的二烷基砜，其中R1和R2为含有1-10个碳原子的烷基，包括环砜，其中R1和R2形成环状聚亚甲基环的一部分。
8.前述权利要求中任一项的方法，其中所述极性有机液体包含四亚甲基砜。
9.前述权利要求中任一项的方法，其中所述酸选自正磷酸、硫酸、甲磺酸、三氟甲烷磺酸、氢卤酸、硝酸和甲酸。
10.前述权利要求中任一项的方法，其中所述酸占所述催化剂组合物的0.-10重量％。
11.前述权利要求中任一项的方法，其中在所述混合物中所述催化剂组合物的重量为所述微粒木质纤维素材料的重量的1-10倍。
12.前述权利要求中任一项的方法，其中所述混合物通过单或双螺杆挤压机、辊磨机、 碾磨机、碎磨机和锤磨机中的任一种或多种进行剪切和压缩。
13.前述权利要求中任一项的方法，其中将所述混合物加热到在190°C-500°C范围内的温度。
14.权利要求14的方法，其中所述混合物的加热在具有所述混合物的入口和木炭的出口的旋转螺杆反应器中进行，其中所述压力保持在50-150毫巴的范围内，在所述反应器中的温度沿反应器的长度控制，使得所述反应器的温度从紧靠所述入口的较低温度升高到紧靠所述出口的较高温度。
15.使木质纤维素材料转化为挥发性有机液体和木炭的设备，其包含混合并粉碎站，其用于混合所述木质纤维素材料与催化剂组合物并粉碎所述木质纤维素材料，反应器，布置用于经入口从所述混合并粉碎站接收混合物并从位于所述入口下游的出口排出木炭，真空泵，布置用于降低所述反应器中的压力，进料组件，布置用于将所述混合物从所述入口移动到所述出口以便从所述出口排出木炭，加热组件，用于加热所述反应器中的所述混合物到当其穿过所述反应器时发生所述混合物的热解的温度，和挥发物冷凝组件，用于从所述反应器中回收催化剂并分离挥发性化学产物。
16.权利要求15的设备，其中所述反应器具有长管状段且所述进料组件在所述管状段内包含螺杆进料器。
17.权利要求15或权利要求16的设备，其包含蒸汽组件，该蒸汽组件布置用于将蒸汽在所述入口下游的至少一个位置处注入所述反应器中。
18.权利要求15-17中任一项的设备，其包含气_固分离系统和分馏系统。
全文摘要
本发明提供使微粒木质纤维素材料转化以生产挥发性有机化合物和木炭的方法，其包含在存在或缺乏所加入的水的情况下形成所述微粒木质纤维素材料与含有极性有机液体和酸的催化剂组合物的混合物，在搅拌所述混合物的同时，将所述混合物加热到足够高的温度且历时足够长的时间以便将所述混合物的所有剩余固相的主要部分转化为木炭，和将所述挥发性有机化合物和催化剂组合物作为气相与所述固相分离。
文档编号C10G1/02GK102471694SQ201080033232
公开日2012年5月23日 申请日期2010年6月29日 优先权日2009年7月1日
发明者A·J·邓肯, C·H·劳伦斯, G·R·考特, W·D·拉沃提 申请人:西尔卡集团私人有限公司