FI76547B - Foerfarande och anordning foer framstaellning av etanol. - Google Patents

Description

1 76547

Menetelmä ja laitteisto etanolin valmistamiseksi Tämän keksinnön kohteena on menetelmä ja laitteisto etanolin saamiseksi nestemäisenä polttoaineena jatkuvalla 5 happamalla hydrolyysillä selluloosa-aineksista, kuten puusta, metsänhakkuujätteistä, maanviljelysjätteistä, kaupunki-jätteistä ja sen tapaisista jätteistä, siten tehden mahdolliseksi mainittujen selluloosa-ainesten teollisen hyväksikäytön korkealla saannolla ja tuottavuudella sekä pienin 10 pääoman sijoituksin, jolloin viimeksi mainitut jätteet ovat erityisesti todellisia maanviljelysjätteitä, etanolin, yk-sisoluproteiinin, ligniinikoksin, furfuraalin, metanolin ja etikkahapon valmistamiseksi.

Selluloosa-ainesten hapanta hydrolyysiä ja myöhempää 15 hydrolysaatin käymistä etanolin saamiseksi on pidetty merkityksellisenä vaihtoehtona etanolin valmistamiseksi suuressa mittakaavassa päämäärien saavuttamiseksi, jotka kuuluvat karburoidun alkoholin valmistukselle sokeriruo'osta. Tällainen vaihtoehto luo hyväksi käyttäville maille, jotka 20 ovat vähemmän sopivia sokeriruo'on tuotannolle, mahdollisuuden, johtuen tuloksena olevista sivutuotteista ja myöskin muista tarpeista, esimerkiksi saada hyvälaatuista koksia ligniinistä ja yksisoluisia proteiineja eläinten rehu-aineteollisuutta varten pentoosikäymisestä. Myöskin furfu-25 raali, metanoli ja etikkahappo ovat tärkeitä tuotteita kotimaisilla ja kansainvälisillä markkinoilla. Alkoholin tuotanto happaman hydrolyysin avulla maanviljelysjätteistä, mikä myöskin luo toisen vaihtoehdon alkoholin tuotannolle ja siten välttää liiallisen riippuvuuden sokeriruo*osta, 30 voi laajentaa maanviljelystä ja suurentaa karjaa, kohottaen vaikutuksia, joilla ylläpidetään täydentävää yhteyttä. Esimerkiksi ligniiniä voidaan käyttää maanlaadun parantamiseksi, ottaen huomioon, että se on humuksen tärkeä aineosa ja sillä on hyvä kyky pidättää kosteutta sekä mikro-orga-35 nismien hajottamisen kestävyyden lisäksi sillä on laatu, joka antaa pidennetyn vaikutuksen. Myöskin tärkeä on sen huomattava kyky absorboida neutraaleja suoloja, mikä sallii 2 · 76547 lannoitteiden pidätyksen ja niiden myöhemmän asteittaisen vapautumisen. Toinen mahdollisuus johtuu hydrolysoidun tuotteen aerobisesta käymisestä yksisoluisen proteiinin tuottamiseksi, mikä voi olla täydentävää lisääntyvän pape-5 rimassateollisuuden tarpeiden tyydyttämiseksi. Myöskin on tärkeää huomauttaa, että emäksisiä ravinteita, joita on käsitellyssä jäännöksessä, voidaan saada takaisin ja palauttaa maahan.

Perinnäinen raaka-aine käyvien sokereiden valmistami-10 seksi hydrolyysin avulla on ollut puu. Kuitenkin johtuen sen erityisistä ominaisuuksista selvien taloudellisten etujen lisäksi, maanviljelysjätteet voivat näytellä hyvin tärkeää osaa sokeroimisen alalla. Eräänä rajoittavana tekijänä sokeroimisprosessissa on sokeriliuoksen pieni diffuusio-15 nopeus puun läpi, mutta maanviljelysjätteiden huokoinen ominaisuus eliminoi tämän tekijän. Niinpä happaman hydrolyysin jatkuvalla menetelmällä tulee olemaan suurempi menestys, kun käytetään maanviljelysjätteitä.

Tässä yhteydessä etanoli on eittämättä päätuote happa-20 masta hydrolyysistä. Sitä saadaan saattamalla hydrolysoitu tuote käymään.

Kuitenkin muita tuotteita voidaan sallia erilaisilla käymistavoilla. Niihin kuuluvat seuraavat: etikkahappo, voihappo, maitohappo ja sitruunahappo, asetoni, buteenigly-25 köli sekä glyseroli.

Kun hydrolyysin kestoaikaa pidennetään, pentoosit voivat muuttua furfuraaliksi ja heksoosit levuliinihapoksi. Hydrolysoidun tuotteen toinen eniten ennustettu käyttö on sen muuntaminen käyttämällä karjanrehuksi. Riippuen käymi-30 sen tyypistä ja olosuhteista tällaiset rehut voivat sisältää runsaasti hiilihydraatteja, vitamiineja tai jopa 50 % proteiinia. Esimerkiksi käyttäen "Torula utilis" :iä on mahdollista saada 1000 kg:sta jätettä 250 kg rehua, joka sisältää 45-50 % proteiinia, 5-8 % hiilihydraatteja sekä 35 suuren pitoisuuden B ryhmän vitamiineja.

Eräs tärkeä hydrolyysin sivutuote on ligniini, joka sisältää 20-30 paino-% kuivaa raaka-ainetta. Johtuen sen suu- 3 76547 resta hiilipitoisuudesta (65 %) sillä on suuri lämpöarvo (58OO Kcal/kg kuivaa ligniiniä) ja sitä voidaan käyttää prosessin energiantarpeen osan hankkimiseksi.

Toisaalta ligniini erilaisilla kemiallisilla muuntami-5 silla (hapetus, hydraus, alkalisulatus jne) voi olla useiden orgaanisten yhdisteiden lähteenä.

Selluloosa-ainesten panoshydrolyysimenetelmät ryhmitetään kahdeksi luokaksi: hydrolyysi väkevöidyn hapon kanssa (kloorivety-, rikki-, fluorivety- ja fosforihappo) tai lai-10 mean hapon kanssa (rikkihappo, rikkihapoke, kloorivetyhappo jne.).

Niiden prosessien, joissa käytetään väkevöityä happoa, eräänä epäkohtana on substraattien, joiden kosteus on pienempi kuin 1 %> käyttö hapon laimenemisen estämiseksi. Tämä 15 seikka yhdessä korroosio-ongelmien kanssa, jotka edellyttävät kalliita materiaaleja hapon takaisin saamiseksi, tukee laimean happoprosessin valintaa.

Vaikka menetelmissä, joissa käytetään laimeata happoa, ei esiinny mitään edellä mainittua epäkohtaa, ne eivät ole 20 yhtä hyviä energian tehokkuuden tai tuottavuuden puolesta, kun otetaan huomioon laitteiston kallis välttämätön rakenne.

Lyhyesti sanoen, panoshydrolyysimenetelmät ovat sinänsä kannattamattomia.

Seurauksena sokeroimisen kinetiikan paremmasta tunte-25 muksesta jonkin aikaa sitten on aloitettu tutkimukset happaman hydrolyysin jatkuvan menetelmän kehittämiseksi. Verrattuna kirjallisuudessa tavallisesti esitettyihin panos-hydrolyysimenetelmiin, jatkuva menetelmä vaatii reaktorissa ainoastaan muutaman minuutin reaktioajan tuntien sijasta.

30 Muina etuina ovat: toimintamuuttujien parempi ohjaus sallii täydellisen automaation, pienemmän energian kulutuksen ja sen vuoksi pienemmät käyttökustannukset ja mikä tärkeintä, pienemmän pääoman sijoituksen. Toisaalta jatkuva menetelmä helpottaa selluloosa-aineksen erotusta sen periaatteelli-35 siksi komponenteiksi, nimittäin ligniini, hemiselluloosa ja selluloosa. Tämä erotus perustuu eroavaisuuteen hydrolyy-sinopeudessa hemiselluloosan ja selluloosan välillä. Käytän- 4 76547 nössä esihydrolyysi verraten lievissä olosuhteissa tulee muuttamaan hemiselluloosan sokereiksi, jotka säilyttävät rakenteensa ja jotka sitten poistetaan suodattamalla ja pesemällä. Sitten tehokas hydrolyysi korkeassa lämpötilassa 5 tulee muuttamaan selluloosan glukoosiksi, joka samalla tavalla poistetaan ligniinijäännöksestä.

Vaikka tunnetuilla jatkuvilla happamilla hydrolyysime-netelmillä on edellä mainitut edut panoksellisiin happamiin hydrolyysimenetelmiin nähden, niillä on eräitä ominaisuuk-10 siä, jotka pyrkivät lisäämään vastaavien laitteisto-, rakenne- ja käyttökustannuksia. Tällaiset jatkuvat happamat hydrolyysimenetelmät vaativat tavallisesti reaktorin monimutkaisen ja kalliin rakenteen, johon sen oman reaktio-alueen lisäksi kuuluu alueet kuumennusta ja paineen alai-15 seksi saattamista tai hydrolysoitavan aineksen pumppausta varten. Vieläpä niissä tapauksissa, joissa paineen alaiseksi saattaminen tai pumppaus tapahtuu ennen reaktoria höyryn suihkutuksella, on vaikeaa ohjata lämpötilaa ja seoksessa olevien kiinteiden aineiden pitoisuutta ja yhä : 20 vieläkään ei ole olemassa mitään toimenpidettä reaktio- . alueen pituuden vaihtelua varten. Lyhyesti voidaan sanoa, että tunnetut jatkuvat happamat hydrolyysimenetelmät vaativat laitteistoja, joissa esiintyy vakavia rajoituksia, mikäli tarkoitetaan energian kulutusta tai varusteiden inves- 25 tointia tai käyttömuuttujien ohjausta.

Sen vuoksi tämän keksinnön tarkoituksena on parantaa menetelmää ja laitteistoa etanolin valmistamiseksi jatkuvalla happamalla hydrolyysillä selluloosa-aineksista.

Keksinnön mukainen menetelmä ja laite on määritelty pa-30 tenttivaatimuksissa.

Tämän keksinnön mukaisen menetelmän mukaan tietty määrä selluloosa-ainesta ennakolta saatetaan hienoksi jauhatuksen alaiseksi sopivan raekoon saavuttamiseksi ja homogenoidaan vedellä selluloosa-aineksen vedessä suspension tai sulpun 35 muodostamiseksi niissä tapauksissa, joissa tarvitaan veden lisäystä. Jos raaka-aineena jo on homogenoitu selluloosa-ainessulppu, on selvää, että homogenoimisvaihe ennen hapanta hydrolyysiä tulee olemaan tarpeeton.

ί 5 76547 Tällainen ennalta homogenoiminen on välttämätön hydro-lyysin tarkoitettujen tulosten saavuttamiseksi, kun sellu-loosasulppu tai suspensio valmistetaan lisäämällä vettä kuivaan jauhettuun selluloosa-ainekseen. Kiinteiden aineiden 5 haluttu pitoisuus seoksessa riippuu aineksen tyypistä ja sen rakeisuudesta, ollen rajoissa 3-30 paino-/?. Sitten homogenoitua selluloosasulppua pumpataan jatkuvasti paineessa p 10-40 kg/cm pääasiallisesti jatkuvana virtana, ollen kuumennettu lämpötilaan 160-250 °C ja syötetään putkimai-10 seen reaktoriin, jossa se viipyy lyhyen ajan väkevöidyn ha pon (sopivimmin rikkihapon) tietyn annoksen lisäyksen vastaanottamiseksi, joka seosta koskettaessaan laimenee veden läsnäollessa lopullisen pitoisuuden noin 0,1-3 % saavuttamiseksi .

15 Reaktorin poistojohtoon on aikaansaatu "säätöjärjestel- - mä", jossa raoitus- tai paisuntaventtiili ylläpitää reakto- : rin muuttumattoman sisäisen paineen.

Kulkiessaan paisuntaventtiilin läpi seos kulkee äkillisesti reaktiopaineesta ilmakehän paineeseen, jolloin se 20 jäähtyy oman haihtumisensa vaikutuksesta menetelmässä, si- ten täydentäen hydrolyysireaktion. Saatu liuos, nimitetty tässä hydrolysoiduksi tuotteeksi, sisältää nestemäisessä osassa sokereita (glukoosia, ksyloosia, mannoosia ja arabi-noosia) veden ja rikkihapon lisäksi.

25 Kaasumainen osa sisältää vesihöyryn lisäksi metanolia, furfuraalia ja etikkahappoa, jotka voidaan saada takaisin. Liuoksen kiinteä osa, joka saadaan, koostuu pääasiallisesti ' . ligniinistä.

: Tämän keksinnön mukaisen uuden jatkuvan happaman hydro- 30 lyysimenetelmän mukaan reaktioalue on erotettu seoksen kuu mennus- ja pumppauslaitteista, mikä ominaisuus tuottaa seu-raavia etuja: minään aikana laimennettu happo ei tule kosketukseen j 6 76547 menetelmän vaatiman minkään koneen tai liikkuvan osan kanssa, siten taaten sen, että reaktori ja ainoastaan reaktori on alttiina hydrolyysin vakavimmille tiloille; koska reaktori on erittäin yksinkertainen rakenteeltaan 5 kahden yksikön käyttö laitteistoa kohti aikaansaadaan siten, että minä aikana tahansa tulee olemaan mahdollista vaihtaa tämä osa nopeasti aiheuttamatta menetelmän keskeytystä; reaktorin rakenteen yksinkertaisuus, jonka reaktorin, johtuen joutumisesta vaikeisiin olosuhteisiin, täytyy olla 10 rakennettu erikoismetalliseoksesta; seoksen pumppauslaitteiden yksinkertaisuus, jotka laitteet eivät ole alttiina vaikeille olosuhteille ja ainoastaan reaktorin täytyy olla rakennettu erikoisseoksesta.

15 Edellä mainittujen ominaisuuksien lisäksi tämä keksintö aikaansaa hapon ruiskutusjärjestelmän, joka sallii kohdan, jossa se tulee kosketukseen seoksen kanssa, olevan vaihdettavissa, siten sallien alueen pituuden tai reaktioajan täs-mäsäädön, joka reaktioaika riippuen aineksesta ja hydrolyy- 20 siolosuhteista voi vaihdella rajoissa 20-300 s.

Kysymyksessä olevan menetelmän eräänä etuna on se, että reaktiolämpötilan entistä vakaampi ohjaus johtuu siitä seikasta, että seoksen kuumennus aikaansaadaan erillisessä vaiheessa ennen reaktoria.

25 Tämän keksinnön kohteena olevaa menetelmää selitetään nyt sen sovellutusmuodon mahdollisen laitteiston yhteydessä, viitaten oheisen piirustuksen yhteen ainoaan kuvioon, joka esittää laitteiston, jossa raaka-aineena käytetään maanviljelysjätteitä, yksinkertaistettua juoksukaaviota.

30 Edellä esitetyn selityksen mukaan tietty määrä sellu loosa-ainesta syötetään mitä tahansa tyyppiä olevaan jau-hinlaitteeseen 1, joka pystyy tavallisella vaikutuksella jauhamaan hienoksi hydrolysoitavan aineksen, jonka täytyy saavuttaa sopiva rakeisuus tarkoitusta varten.

35 Selluloosa-aines kuljetetaan jauhinlaitteesta 1 sekoi tus- ja homogenoimislaitteeseen, jona esitetyssä esimerkissä on kaksi homogenoimissäiliötä 2, joissa vettä lisäämällä 7 76547 ja tuloksena olevaa seosta kierrättämällä pumpulla 3> aikaansaadaan homogeeninen selluloosa-ainessulppu, jonka kiinteäainepitoisuus vaihtelee välillä 3-30 paino-ί selluloosa-aineksen laadun ja rakeisuuden funktiona. Säiliöt 2 5 toimivat vuorotellen selluloosa-aineksen jatkuvan virran aikaansaamiseksi. Kuitenkin täytyy käsittää, että tällaiset säiliöt ja jauhinlaite voidaan jättää pois, jos laitteistoon syötetty raaka-aine jo on homogeenisen selluloosa-aineksen muodossa.

10 Pumppu 3 kuljettaa seoksen paineilmapumppuun 4, jota käyttää nopeussäätöinen laite 5· Tällainen pumppu 4 voi olla tyypiltään moino-, ruuvi-, mäntä-, kalvo- ja kehrä-pumppu tai jopa suulakepuristin.

Paineilmapumppu 4 sallii seoksen pumppauksen paineessa 15 10-40 kg/cm ja virtauksen ollessa pääasiallisesti vakio, kuljettaen seoksen kuumennuslaitteen 6 kautta putkimaiseen reaktoriin 7> jossa aikaansaadaan hapan hydrolyysi. Kuu-mennuslaitetta käyttää välittömästi höyrysuihku tai sinä voi olla lämmönvaihdin, jota käytetään sähköisesti, höyryl-20 lä, paineen alaisella kuumalla vedellä, öljyllä tai jollakin muulla aineella, joka pystyy kohottamaan seoksen lämpötilaan 160-250°C.

Reaktori 7 valmistetaan erikoismetalliseosta, esimerkiksi seosta Hastelloy B, olevasta lieriömäisestä putkesta, 25 jonka toisena päätylaippana on seoksen tulolaippa, joka on varustettu laitteella sallimaan rikkihapon kulun ja rikkihapon ruiskutusputken 8 kannatuksen.

Väkevöityä rikkihappoa syötetään pumpulla 9 säiliöstä 10.

30 Putken 8 ulottuvuus reaktorin 7 sisään on aseteltavissa reaktorin reaktioajan vaihtelemiseksi, mikä sallii mainitun ajan täsmäsäädön erilaisia prosessitilanteita varten. On selvää, että ruiskutusputken 8 rakenne voi noudattaa mitä tahansa tätä tyyppiä varten tarkoitetun teknillisen ongel-35 man tunnettujen järjestelmien erilaista lukumäärää.

Säätöjärjestelmän li, joka pitää muuttuman paineen reaktorissa, on kytketty reaktorin poistopään laippaan. Tällainen 8 76547 säätöjärjestelmä käsittää pääasiallisesti rajoitus- tai paineensäätöventtiilin, jossa on käsi- tai automaattisäätö, joka tekee mahdolliseksi ylläpitää haluttu reaktorin sisäinen paine.

5 Kulkiessaan säätöjärjestelmän 11 läpi seoksen paine saate taan äkillisesti laskemaan ilmakehän paineeseen ja seuraa-van jäähdytyksen alaiseksi, mikä sallii hydrolyysireaktion päättymisen.

Esitetyssä laitteistossa hydrolysoitu tuote kulkee hyd-10 rosyklonin 12 läpi, joka erottaa kiinteät osaset, jotka poistetaan kohdan 13 kautta, nesteosat, jotka poistetaan kohdassa 14 ja kaasumaiset osat, jotka kohoavat ylös täytteellä varustetun kolonnin 15 läpi, kulkevat lauhduttimen 16 kautta ja poistuvat nestemäisessä muodossa kohdasta 17.

15 Hydrosykloni 12 voidaan korvata syklonilla, missä tapauksessa nestemäinen osa poistuu yhdessä kiinteän osan kanssa kohdassa 13 ja pumpataan suodattimeen 18, joka aikaansaa kiinteän osan erotuksen kohdassa 19 ja nestemäisen osan erotuksen kohdassa 20. Valitaan mikä liuos tahansa, tii-20 vistynyt kaasumainen osa kulkee metanolin, furfuraalin ja etikkahapon takaisinsaantijärjestelmään.

Kiinteää osaa, joka koostuu etupäässä ligniinistä, voidaan käyttää luonnollisessa muodossa tai muuttaa koksiksi.

Nestemäinen osa, joka sisältää sokereiden liuosta, 25 täytyy saattaa neutraloinnin alaiseksi, mitä seuraa anaerobinen käyminen etanolin valmistamiseksi tai aerobinen käyminen, joka antaa yksisoluista proteniinia.

Claims (3)

9 76547

1. Menetelmä etanolin valmistamiseksi, jossa menetelmässä - valmistetaan 3-30 paino-% kiintoaineita sisältävää 5 selluloosa-ainessulppua, kuumennetaan selluloosa-ainessulppu lämpötilaan 160-250 °C, pumpataan selluloosa-aines pääasiallisesti jatkuvalla tavalla putkireaktorin tulopäähän, jonka reakto-10 rin poistopäätä kuristetaan 10-40 kg/cm2 paineen yl läpitämiseksi reaktorissa, lisätään selluloosa-ainekseen pääasiallisesti jatkuvalla tavalla happoa hydrolyysireaktion aikaansaamiseksi reaktorissa, 15. poistetaan hydrolysoitunutta selluloosa-ainesta pää asiallisesti jatkuvalla tavalla reaktorin poisto-päästä , saatetaan hydrolysoitu selluloosa-aines äkillisen paineen alenemisen alaiseksi ja jäähdytetään se vä-20 littömästi sen jälkeen, kun se poistuu reaktorista, - neutraloidaan saatu vesipitoinen liuos ja käytetään se etanolin saamiseksi, otetaan talteen haihtuvat komponentit, joita ovat me-tanoli, furfuraali ja etikkahappo, ja 25 - otetaan talteen ligniini fysikaalisilla erotusmene telmillä, tunnettu siitä, että selluloosa-ainekseen lisätään väkevöityä happoa siten, että saavutetaan pitoisuus 0,1-3 %, ja että 30 - happoa lisätään reaktoriin siten, että sen lisäys- kohta on säädettävissä pituussuunnassa reaktorin tulopäästä.

2. Laitteisto etanolin valmistamiseksi, johon laitteistoon kuuluu 35. sekoitus- ja homogenoimislaitteisto (2; 3) 3-30 pai- no-% kiintoaineita sisältävän selluloosa-ainessulpun valmistamiseksi, sekoitus- ja homogenoimislaitteistoon yhdistetty 10 76547 pumppuyksikkö (4) sulpun pumppaamiseksi, kuumennuslaite (6) pumppuyksiköllä kuljetetun sulpun kuumentamiseksi lämpötilaan 160-250 °C, - putkireaktori (7), jonka tulopää on yhteydessä pump- 5 puyksikön kanssa, - kuristus- tai säätölaite (11) sulpun pääasiallisesti jatkuvan virran ja vakioahtopaineen 10-40 kg/cm2 ylläpitämiseksi reaktorin sisällä, laite hapon lisäämiseksi sulppuun pääasiallisesti 10 jatkuvasti, - laitteisto hydrolysoidun sulpun poistamiseksi reaktorista pääasiallisesti jatkuvalla tavalla, laitteisto reaktorista poistetun sulpun saattamiseksi äkillisen paineen alenemisen alaiseksi ja sen jääh- 15 dyttämiseksi välittömästi reaktorista poistamisen jälkeen, - laitteisto saadun vesipitoisen liuoksen neutraloimi-seksi ja etanoliksi käyttämiseksi, - laitteisto haihtuvien komponenttien metanoli, furfu- 20 raali ja etikkahappo talteenottamiseksi, ja - laitteisto ligniinin talteenottamiseksi fysikaali silla erotusmenetelmillä, tunnettu siitä, että laite hapon lisäämiseksi sulppuun on 25. ruiskutuslaite (8) väkevän hapon lisäämiseksi siten, että saavutetaan pitoisuus 0,1-3 % joka - ruiskutuslaite ulottuu aksiaalisesti reaktoriin ja jonka tunkeutumisulottuvuutta reaktoriin voidaan jatkuvas-30 ti säätää.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että hapon ruiskutuslaite on putkijohto, joka on kiinnitetty pitkittäin reaktorin tulopään määrittävän laipan välityksellä, jolloin mainittu putkijohto (8) on 35 ulkopuolisesti kytketty säiliöön (10) ja annostuspumppuun (9). 76547