阅读说明：本技术 一种木糖水解液中和方法及其装置 (Xylose hydrolysate neutralizing method and device ) 是由 罗希韬 黄涛 朱有权 王磊 刘敬涛 李毅 马宗亮 岳志江 于 2019-09-06 设计创作，主要内容包括：一种木糖水解液中和方法及其装置,中和方法包括中和剂配制、调节pH值、保温养晶和卸料步骤,所述木糖水解液中和方法的装置的中和剂配制罐的筒体内安装有中和剂搅拌器,筒体下接中和剂输送泵及输送管路,输送管路末端接中和剂喷嘴,中和剂喷嘴浸入水解液中和罐主体内液面以下,水解液中和罐主体内部设有中和罐搅拌器,中和剂喷嘴位于中和罐搅拌器最顶端桨叶上部,水解液中和罐主体外壁设置控温夹套,温度计和pH计伸入水解液中和罐主体内,水解液中和罐主体底端设有硫酸钙沉淀排放口和中和液出料口。采用本发明能够控温,控制水解液酸碱度,实现木糖水解液的高效混合。(A neutralization method of xylose hydrolysate comprises the steps of neutralizer preparation, pH value adjustment, heat preservation crystal growth and discharging, wherein a neutralizer stirrer is installed in a neutralizer preparation tank of the device of the xylose hydrolysate neutralization method, a neutralizer delivery pump and a delivery pipeline are connected to the lower portion of a cylinder body of a neutralizer preparation tank, the tail end of the delivery pipeline is connected with a neutralizer nozzle, the neutralizer nozzle is immersed below the liquid level in a hydrolysate neutralization tank main body, a neutralization tank stirrer is arranged in the hydrolysate neutralization tank main body, the neutralizer nozzle is located on the upper portion of a top paddle of the neutralizer stirrer, a temperature control jacket is arranged on the outer wall of the hydrolysate neutralization tank main body, a thermometer and a pH meter extend into the hydrolysate neutralization tank main body, and a calcium sulfate precipitation discharge port and a neutralization liquid discharge port are formed in the bottom end of the hydrolysate neutralization tank main body. The invention can control the temperature, control the pH value of the hydrolysate and realize the high-efficiency mixing of the xylose hydrolysate.)

一种木糖水解液中和方法及其装置

技术领域

本发明涉及木糖生产技术领域，具体是一种木糖水解液中和方法及其装置。

背景技术

木糖是一种应用十分广泛的高附加值化学品，广泛应用于食品、医药等领域，主要用于生产木糖醇。木糖主要通过稀酸水解含聚戊糖的半纤维素植物原料获得，目前常用的催化剂为质量分数0.5-2％的稀硫酸。中国是木糖、木糖醇的生产和出口大国。目前，比较成熟的木糖生产工艺为：稀酸水解-中和-脱色-净化-浓缩-结晶-成品。其中中和工序的原理是加入氢氧化钙或碳酸钙等中和掉水解液中的硫酸，生成非离子状态的水或二氧化碳，同时形成微溶于水的硫酸钙，绝大多数硫酸根和钙离子以硫酸钙沉淀的形式从水解液中析出。这样，水解液中离子数目大量减少，显著减小后续的离子交换工序压力。水解液中的硫酸根以硫酸钙固体的形式离开系统，而没有以离子形式进入污水系统，将有效增加污水处理系统厌氧反应的处理能力。但是，中和工序因操作条件较为苛刻，且难以掌握。如果操作不当，不但不能减少水解液中硫酸根等离子的数目，还会引入钙离子等新杂质，或者引起水解液中木糖发生副反应，影响产品的收率和质量。这与该工序的设置目的适得其反。所以很多厂家在无法掌握这样的技术的情况下不得已放弃这一步骤。从而使离子交换工序工作压力和经济成本明显增加，同时大量的硫酸根在离子交换工序进入污水处理系统，影响其厌氧发酵工序的处理能力，增加污水处理成本，甚至造成出水不达标等问题。木糖作为一种还原性单糖，在碱性环境中不稳定，易发生异构化和分解反应，也由于与铵态氮类物质发生“美拉德”反应，从而加剧副反应发生，造成木糖收率降低。有报道采用稀盐酸水解制备木糖，然后用稀氢氧化钠溶液中和，中国专利CN 201610843912.4公开了一种木糖生产工艺，介绍了采用0.2-0.2％稀盐酸低温水解，然后用氢氧化钠中和。目前木糖水解反应器的耐盐酸腐蚀兼具耐磨损尚不成熟。相同摩尔浓度的稀氢氧化钠的氢氧根离子浓度较碳酸钙、碳酸氢钙高出2个数量级以上，因此，极易造成中和过程水解液局部碱度过高，从而造成木糖的损失，并加剧副反应的发生。因此选择恰当的中和剂，选择最优的过程工艺参数，避免反应过程局部过碱，最大程度减少游离Ca²⁺、SO₄ ^2-溶解度才是木糖水解液中和工艺的关键。

根据质量守恒定律，酸碱中和反应中所需消耗的中和剂物质量相同，而相同摩尔浓度的氢氧化钙、碳酸钙、碳酸氢钙相比，碳酸氢钙的溶解度最高，碱度最小，氢氧化钙和碳酸钙属于难溶物质，以悬浊液的形式进入水解液，反应过程传质传热速率低，极易造成反应区域碱度过高。而碳酸氢钙常温溶解度达到16g/100g水，从而可以以真溶液的形容参加化学反应，配合合理的搅拌装置，可以极大的降低传质传热阻力，避免局部碱度过高区域的产生。

发明内容

本发明的目的是提供一种木糖水解液中和方法及其装置，能够控温，控制水解液酸碱度，实现高效混合木糖水解液。

本发明通过以下技术方案实现上述目的：一种木糖水解液中和方法，具体操作步骤如下：

(1)中和剂配制

中和剂配制罐内加入指定质量的碳酸氢钙和水，开启搅拌器混合均匀，备用。

(2)调节pH值：

木糖水解液经水解-固液分离后由水解液进料管进入水解液中和罐，控制液面在水解液中和罐上沿以下10-20cm，确保液面完全浸没中和剂喷嘴4，开启中和罐搅拌器6，在常温条件下通入中和剂，控制中和剂添加速度10-300L/min，使水解液温度不超过80℃，精确控制pH范围为pH3.5-5.0pH，到达指定值后停止添加中和剂；

(3)保温养晶：继续搅拌至不再产生气体，同时开启控温夹套，精确控制养晶温度温在75-85℃，停止搅拌，开始静置养晶20-40min，等待硫酸钙晶体沉淀完全；

(4)卸料：待硫酸钙晶体沉淀完全后将料液经中和液出料口11排出，通过目镜观察硫酸钙沉淀装置内沉淀数量，在沉淀积满沉淀装置的情况下，关闭沉淀排放阀，开启沉淀出料阀清空沉淀装置，然后关闭沉淀出料阀，开启沉淀排放阀。

所述的中和剂为碳酸氢钙。

所述的中和剂碳酸氢钙配制浓度为0.005-0.018(摩尔分数)，最优的，碳酸氢钙浓度为0.0177(摩尔分数),折合质量分数为14.0％。

一种适用于木糖水解液中和方法的装置，包括中和剂配制罐及中和剂输送装置和水解液中和罐及沉淀收集装置。所述中和剂配制罐的筒体内安装有中和剂搅拌器，筒体下接中和剂输送泵及输送管路，输送管路末端接中和剂喷嘴，中和剂喷嘴浸入水解液中和罐主体内液面以下，水解液中和罐主体内部设有中和罐搅拌器，中和剂喷嘴位于中和罐搅拌器最顶端桨叶上部，两者最近端距离为5-20cm，目的是最大程度实现中和剂在水解液中的混合，避免碱度过高区域的产生。水解液中和罐主体外壁设置控温夹套，温度计和pH计伸入水解液中和罐主体内，水解液中和罐主体底端设有硫酸钙沉淀排放口和中和液出料口，沉淀排放口设有沉淀排放阀门，沉淀排放阀门与硫酸钙沉淀收集装置相连，硫酸钙沉淀收集装置上方设有目镜，硫酸钙沉淀收集装置下方设有沉淀出料口。

所述中和剂配制罐用于调制中和剂与水的混合浆料或溶液。

所述中和剂输送泵采用的泵包括但不限于高扬程低流量离心泵和柱塞泵。

所述中和剂输送泵为高扬程低流量泵。

所述中和剂喷嘴包括但不限于扇形喷嘴和螺旋喷嘴。

所述中和剂喷嘴为扇形喷嘴。

所述中和罐搅拌器包括但不限于旋桨式、平直叶桨式、折叶桨式、框式、螺带式搅拌器。

所述中和罐搅拌器由底端的旋桨式和中部的折叶桨式组成。

所述的中和罐中中和剂喷嘴的底端与搅拌器折叶桨上沿距离为5-20cm。

所述水解液中和罐主体下端外侧设有支撑腿。

本发明所述装置的安装位置在整个木糖生产工艺中水解工序之后、活性炭脱色工序之前的位置。即整个工艺为：水解-固液分离-中和-活性炭脱色-分离提纯精制-浓缩-结晶-离心分离-木糖纯品。

本发明仅适用于硫酸为催化剂的木糖生产工艺，不适用于盐酸等其他与Ca²⁺不能形成沉淀的酸催化剂生产工艺。

本发明的突出优点在于：

1、能够通过精确控制物料pH来确定加入中和剂进料量，从而控制中和反应终点。

2、能够通过控制料液温度，使料液中硫酸钙溶解度达到最小，实现硫酸钙沉淀量最大化，为下游分离提纯工序降低负荷。

3、通过直接浸入水解液的喷嘴设计配合搅拌器可以更好地实现中和剂的快速分散，避免过碱区产生，减少副反应发生，降低木糖损失。

4、操作简单，成本低，混合效果好，工艺关键指标可严格控制，能够起到反应物料控温准确，反应终点pH控制准确，混合效果理想高效的作用。

附图说明

图1是本发明所述的中和剂配制罐的结构示意图。

图2是本发明所述的木糖水解液中和装置的中和罐与沉淀收集装置结构示意图。

图中标记为：中和剂配制罐筒体1、中和剂搅拌器2、中和剂输送泵3、中和剂喷嘴4、水解液中和罐主体5、中和罐搅拌器6、控温夹套7、温度计8、pH计9，沉淀排放口10、中和液出料口11、硫酸钙沉淀收集装置12、沉淀排放阀门13、目镜14、沉淀出料口15、支撑腿16、水解液进料管17、水解液进料阀18、控温夹套热源进口19、控温夹套热源出口20。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1

本实施例是本发明所述的木糖水解液中和方法的一个实例，具体操作步骤如下：

(1)中和剂配制

中和剂配制罐内加入指定质量的碳酸氢钙和水，开启搅拌器混合均匀，备用。

(2)调节pH值：

木糖水解液经水解-固液分离后由水解液进料管进入水解液中和罐，控制液面在水解液中和罐上沿以下10-20cm，确保液面完全浸没中和剂喷嘴4，开启中和罐搅拌器6，在常温条件下通入中和剂，控制中和剂添加速度10-300L/min，使水解液温度不超过80℃，精确控制pH到达4.0±0.1范围后停止添加中和剂；

(3)保温养晶：继续搅拌至不再产生气体，同时开启控温夹套，控温在75-85℃，停止搅拌，开始静置养晶20-40min，等待硫酸钙晶体沉淀完全；

(4)卸料：待硫酸钙晶体沉淀完全后将料液经中和液出料口11排出，通过目镜14观察硫酸钙沉淀装置12内沉淀数量，在沉淀积满沉淀装置的情况下，关闭沉淀排放阀13，开启沉淀出料阀15清空沉淀装置12，然后关闭沉淀出料阀15，开启沉淀排放阀13。

所述的中和剂为碳酸氢钙。

所述的中和剂碳酸氢钙配制摩尔分数浓度为0.005-0.018，最优的，碳酸氢钙摩尔分数浓度为0.0177,折合质量分数为14.0％。

实施例2

本发明所述的木糖水解液中和方法的一个对比实例，具体包括如下步骤：

分别取分析纯氢氧化钙、碳酸钙、碳酸氢钙配制成摩尔分数0.0177的混合液，即分别取氢氧化钙74g、碳酸钙100g、碳酸氢钙162g，分别加入1000g水，搅拌均匀。氢氧化钙和碳酸钙仅有部分溶解，混合物为悬浊液、碳酸氢钙全部溶解，混合物为溶液。取3只2L烧杯，依次放置1L相同的水解液，烧杯置于60℃恒温水浴，开启搅拌器设置相同搅拌速度。三只烧杯依次分别匀速滴加氢氧化钙、碳酸钙、碳酸氢钙混合液，精确控制pH在4.0，停止滴加。水浴锅升温至80℃，停止搅拌，静置60min。取上清液利用分光光度计检测通光率，利用HPLC检测木糖纯度。数据对比如下:

对比数据可知，碳酸氢钙作为中和剂，透光率和木糖纯度都最佳，说明该中和剂造成的副反应最少。

实施例3

本发明所述的木糖水解液中和方法的另一个实例，具体包括如下步骤：

向中和装置添加木糖水解液至液面低于中和罐上沿10cm，开启中和罐搅拌器，在常温条件下通入摩尔分数0.0177，折合质量分数为14.0％的碳酸氢钙溶液，控制中和剂添加速度不高于300L/min，使水解液温度不超过80℃，控制pH到达4.0后停止添加中和剂。继续搅拌至不再产生气体，同时开启控温夹套，控温在80±1℃，停止搅拌，开始养晶，静置30min等待硫酸钙晶体沉淀完全。然后将料液经中和液出料口排出。收集沉淀装置中硫酸钙沉淀，烘干后称重得90.3kg。取上清液利用电导率仪检测中和液电导率，利用分光光度计检测通光率，利用HPLC检测木糖纯度。中和液电导为8.3mS/cm，透光率为10.9％，木糖纯度为53.4％。

实施例4

本发明所述的木糖水解液中和方法的再一个实例，具体包括如下步骤：

向中和装置添加木糖水解液至液面低于中和罐上沿10cm，开启中和罐搅拌器，在常温条件下通入摩尔分数0.0177(折合质量分数14.0％)的碳酸氢钙溶液，控制中和剂添加速度不高于300L/min，使水解液温度不超过75℃，控制pH到达3.5后停止添加中和剂。继续搅拌至不再产生气体，同时开启控温夹套，控温在75±1℃，停止搅拌，开始养晶，静置30min等待硫酸钙晶体沉淀完全。然后将料液经中和液出料口排出。收集沉淀装置中硫酸钙沉淀，烘干后称重得85.4kg。取上清液利用电导率仪检测中和液电导率，利用分光光度计检测通光率，利用HPLC检测木糖纯度。中和液电导为13.4mS/cm，透光率为11.5％，木糖纯度为51.6％。

实施例5

本发明所述的木糖水解液中和方法的又一个实例，具体包括如下步骤：

向中和装置添加木糖水解液至液面低于中和罐上沿10cm，开启中和罐搅拌器，在常温条件下通入摩尔分数0.0177，折合质量分数为14.0％的碳酸氢钙溶液，控制中和剂添加速度不高于300L/min，使水解液温度不超过85℃，控制pH到达4.5后停止添加中和剂。继续搅拌至不再产生气体，同时开启控温夹套，控温在85±1℃，停止搅拌，开始养晶，静置30min等待硫酸钙晶体沉淀完全。然后将料液经中和液出料口排出。收集沉淀装置中硫酸钙沉淀，烘干后称重得88.3kg。取上清液利用电导率仪检测中和液电导率，利用分光光度计检测通光率，利用HPLC检测木糖纯度。中和液电导为7.8mS/cm，透光率为8.9％，木糖纯度为52.4％。

	水解液	实施例3	实施例4	实施例5
					温度	/	80	75	85
pH	/	4.0	3.5	4.5
					电导率mS·cm-1	18.5	8.3	13.4	7.8
透光率/％	25.0	10.9	11.5	8.9
					木糖纯度/％	54.3	53.4	51.6	52.4

对比分析实施例3、4、5实验数据可得：最佳中和工艺为养晶温度80℃，中和反应终点pH4.0，该工艺条件下木糖纯度最高，电导率最低，硫酸钙溶解度最低，木糖纯度最高。

实施例6

首先需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1至2所示，本实施例为适合本发明所述的木糖水解液中和方法的装置，是由一套集成中和装置构成，包括中和剂配制罐及输送系统、水解液中和罐和硫酸钙沉淀收集装置构成，所述中和剂配制罐由中和剂配制筒体1和中和剂搅拌器2构成，中和剂配制筒体1内安装有搅拌器2，筒体1下端连接中和剂输送泵3及输送管路，输送管路末端连接中和剂喷嘴4，中和剂喷嘴4浸入水解液中和罐主体5内液面以下，水解液中和罐主体5内部设有中和罐搅拌器6，中和剂喷嘴4位于中和罐搅拌器6最顶端桨叶上部，两者最近端距离为5-20cm，水解液中和罐主体5外壁设置控温夹套7，温度计8和pH计9伸入水解液中和罐主体5内，水解液中和罐主体5底端设有沉淀排放口10和中和液出料口11，沉淀排放口10设有沉淀排放阀门13，沉淀排放阀门13与硫酸钙沉淀收集装置12相连、硫酸钙沉淀收集装置12上方设有目镜14，硫酸钙沉淀收集装置12下方设有沉淀出料口15，水解液中和罐主体5主体下端外侧设有支撑腿16，水解液中和罐主体5顶端设有水解液进料管17和水解液进料阀18，控温夹套设有热源进口19和热源出口20。

所述中和剂配制罐用于调制中和剂与水的混合浆料或溶液。

所述中和剂输送泵3采用的泵包括但不限于高扬程低流量离心泵和柱塞泵。

所述中和剂输送泵3为高扬程低流量泵。

所述中和剂喷嘴4包括但不限于扇形喷嘴和螺旋喷嘴。

所述中和剂喷嘴4为扇形喷嘴。

所述中和罐搅拌装置6包括但不限于旋桨式、平直叶桨式、折叶桨式、框式、螺带式搅拌器。

所述中和罐搅拌装置6由底端的旋桨式和中部的折叶桨式组成。

所述的中和罐中中和剂喷嘴的底端与搅拌器折叶桨上沿距离为5-20cm。