一种高效率工业尾气发酵制醇装置的制作方法

1.本实用新型属于能源技术领域，特别涉及一种高效率工业尾气发酵制醇装置。


背景技术：

2.随着全球化石燃料的日趋紧张和环境污染日益严重，能源和环境危机已成为21世纪人类社会可持续发展的主要障碍。乙醇不仅是一种很好的溶剂，而且还可以作为制取多种化工产品的原料，由于粮食乙醇严重依赖于农业粮食作物，而发展“不与民争粮，不与民争地”的政策是我国乃至世界发展燃料乙醇的方向，因此，发展非粮乙醇和生物质乙醇是未来乙醇制造的发展趋势。目前，非粮乙醇和生物质乙醇生产成本一直居高不下，主要成本在于原料。
3.生物质乙醇是以工业尾气中的一氧化碳为碳源，经微生物发酵制醇。工业尾气来源广泛，有效成分为工业尾气中的一氧化碳，根据气体来源不同，一氧化碳的含量差别较大，且存在一定的波动性，这对发酵制醇系统的反应效率、稳定性带来影响。原料气中一氧化碳浓度越低，发酵反应所需的气量越大，进气管道、反应器的设计规模也就越大，投资费用及运行费用均会增加。


技术实现要素：

4.为了解决工业尾气中一氧化碳含量波动的技术问题，本实用新型提供了一种高效率工业尾气发酵制醇装置，该装置能够将工业尾气中一氧化碳浓度提升至目标范围，实现一氧化碳浓度稳定控制，从而有效提高发酵反应效率、降低能耗和成本、提高反应体系运行稳定性。
5.本实用新型通过以下技术方案实现：
6.本技术提供一种高效率工业尾气发酵制醇装置，包括气体压缩装置、膜分离装置和发酵制醇单元，所述膜分离装置内设气体分离膜，所述气体分离膜将所述膜分离装置的内腔分割为提浓侧和渗透侧，所述提浓侧一端通过管道一与所述气体压缩装置相连通，另一端通过管道二与所述发酵制醇单元相连通，所述气体分离膜的孔径为0.33～0.35nm，所述气体压缩装置的入口与工业尾气管相连。
7.可选的，所述工业尾气管用于输送工业尾气，在所述工业尾气管上设有流量计。
8.可选的，所述膜分离装置的渗透侧通过管道三与氧化炉相连通。
9.可选的，所述管道三中部设置有抽真空装置。
10.可选的，所述管道三上安装有调节阀组、压力检测装置和成分检测装置。
11.可选的，所述气体分离膜包括有机高分子聚合物膜、无机高分子聚合物膜、无机膜、高分子-无机复合膜和高分子-无机杂化膜中的任意一种。
12.可选的，所述气体分离膜包括橡胶态膜和玻璃态膜。
13.可选的，所述管道一安装有压力检测装置和成分检测装置。
14.可选的，所述管道二安装有压力检测装置、成分检测装置和流量计。
15.可选的，所述发酵制醇单元为微生物发酵罐，所述微生物发酵罐顶部设有排气管。
16.本实用新型中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
17.本实用新型一种高效率工业尾气发酵制醇装置，通过气体压缩装置将工业尾气加压，提升气体分离膜的气体分离速率，工业尾气通过气体分离膜进行一氧化碳提浓，气体分离膜的孔径为0.33～0.35nm，介于co2(0.33nm)与co(0.369nm)分子直径之间，利用尺寸筛分效应，使工业尾气中尺寸较小的co2和h2选择性透过，而尺寸较大的co、n2等被截留在反应气中，从而提高反应气中co浓度，本实用新型可将工业尾气中一氧化碳浓度提升至目标范围，实现一氧化碳浓度稳定控制，从而有效提高发酵反应效率、降低能耗和成本、提高反应体系运行稳定性。
18.上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本实用新型的具体实施方式。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
20.图1是本实用新型一种高效率工业尾气发酵制醇装置的结构示意图。
21.图中，100-气体压缩装置，200-膜分离装置，210-气体分离膜，220-提浓侧，230-渗透侧，300-发酵制醇单元，310-排气管，400-管道一，500-管道二，600-工业尾气管，700-管道三，710-抽真空装置，720-调节阀组，800-流量计，900-压力检测装置，1000-成分检测装置。
具体实施方式
22.下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本实用新型，本实用新型的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本实用新型，而非限制本实用新型。
23.在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
24.除非另有特别说明，本实用新型中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
25.还需要说明的是，本实用新型中的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
26.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之
间存在任何这种实际的关系或者顺序。
27.本技术提供的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
28.根据本实用新型一种典型的实施方式，提供一种高效率工业尾气发酵制醇装置，包括气体压缩装置、膜分离装置和发酵制醇单元，所述膜分离装置内设气体分离膜，所述气体分离膜将所述膜分离装置的内腔分割为提浓侧和渗透侧，所述提浓侧一端通过管道一与所述气体压缩装置相连通，另一端通过管道二与所述发酵制醇单元相连通，所述气体分离膜的孔径为0.33～0.35nm，所述气体压缩装置的入口与工业尾气管相连。
29.本实用新型中，通过气体压缩装置将工业尾气加压，提升气体分离膜的气体分离速率，工业尾气通过气体分离膜进行一氧化碳提浓，气体分离膜的孔径为0.33～0.35nm，介于co2(0.33nm)与c0(0.369nm)分子直径之间，利用尺寸筛分效应，使工业尾气中尺寸较小的co2和h2选择性透过，而尺寸较大的co、n2等被截留在反应气中，从而提高反应气中co浓度，本实用新型可将工业尾气中一氧化碳浓度提升至目标范围，实现一氧化碳浓度稳定控制，从而有效提高发酵反应效率、降低能耗和成本、提高反应体系运行稳定性。
30.作为一种可选的实施方式，所述工业尾气管用于输送工业尾气，在所述工业尾气管上设有流量计。
31.本实用新型中，工业尾气管上的流量计用于控制进入气体压缩装置的工业尾气流量。
32.作为一种可选的实施方式，所述膜分离装置的渗透侧通过管道三与氧化炉相连通。
33.作为一种可选的实施方式，所述管道三中部设置有抽真空装置。
34.作为一种可选的实施方式，所述管道三上安装有调节阀组、压力检测装置和成分检测装置。
35.本实用新型中，抽真空装置能够将渗透侧的气体压强控制在常压或负压状态，从而增大气体分离膜两侧的气压差，进而促进co2和h2滤除的快速进行。通过在线成分检测设备、压力监测，使用调节阀进行流量调整，保证渗透侧气体内的一氧化碳浓度不超过规定值，这是由于渗透侧为废气，一氧化碳浓度越高，损失的就越多，保证渗透侧气体浓度不超规定值主要是为了保证损失率限值，通过抽真空装置控制渗透侧压力。
36.作为一种可选的实施方式，所述气体分离膜包括有机高分子聚合物膜、无机高分子聚合物膜、无机膜、高分子-无机复合膜和高分子-无机杂化膜中的任意一种。
37.作为一种可选的实施方式，所述气体分离膜包括橡胶态膜和玻璃态膜。
38.本实用新型中，橡胶态膜和玻璃态膜分三层结构，包括无纺布支撑层、多孔膜支撑层及选择分离膜层；无机膜是由无机材料、无机高分子材料制成的半透膜，包括al2o3、zro2、tio2、sio2、c、sic及其无机复合膜，硅酸盐材料及沸石材料等，也可采用高分子-陶瓷复合膜，以耐高温高分子材料为分离层，陶瓷膜作为支撑层。
39.上述气体分离膜均为已知材料，其成分和微观组织结构在此不再进一步描述。
40.作为一种可选的实施方式，所述管道一安装有压力检测装置和成分检测装置。
41.作为一种可选的实施方式，所述管道二安装有压力检测装置、成分检测装置和流量计。
42.作为一种可选的实施方式，所述发酵制醇单元为微生物发酵罐，所述微生物发酵
罐顶部设有排气管。
43.下面将结合实施例对本技术一种高效率工业尾气发酵制醇装置进行详细说明。
44.实施例1
45.如图1所示，一种高效率工业尾气发酵制醇装置，包括气体压缩装置100、膜分离装置200和发酵制醇单元300，所述气体压缩装置200内设气体分离膜210，所述气体分离膜210将所述气体压缩装置200的内腔分割为提浓侧220和渗透侧230，所述提浓侧220一端通过管道一400与所述气体压缩装置100相连通，另一端通过管道二500与所述发酵制醇单元300相连通，所述气体分离膜210的孔径为0.33～0.35nm，所述气体压缩装置100的入口与工业尾气管600相连。
46.可选的，所述工业尾气管600用于输送工业尾气，在所述工业尾气管600上设有流量计800。
47.可选的，所述气体压缩装置200的渗透侧230通过管道三700与氧化炉相连通。
48.可选的，所述管道三700中部设置有抽真空装置710。
49.可选的，所述管道三700上安装有调节阀组720、压力检测装置900和成分检测装置1000。
50.可选的，所述气体分离膜210包括有机高分子聚合物膜、无机高分子聚合物膜、无机膜、高分子-无机复合膜和高分子-无机杂化膜中的任意一种。
51.可选的，所述气体分离膜210包括橡胶态膜和玻璃态膜。
52.可选的，所述管道一400安装有压力检测装置900和成分检测装置1000。
53.可选的，所述管道二500安装有压力检测装置900、成分检测装置1000和流量计800。
54.可选的，所述发酵制醇单元300为微生物发酵罐，所述微生物发酵罐顶部设有排气管310。
55.可选的，所述气体压缩装置100为空气压缩机，所述抽真空装置710为真空泵。
56.相关试验：
57.本实用新型通过一种高效率工业尾气发酵制醇工艺验证其效果，包括：
58.(1)通过气体压缩装置100将工业尾气加压至0.5～0.6mpa。
59.(2)加压后的所述工业尾气通过孔径0.33～0.35nm的气体分离膜210进行一氧化碳提浓，获得反应气，所述气体分离膜一侧为提浓侧220，另一侧为渗透侧230，所述提浓侧220分为进气侧和反应气侧，所述工业尾气从所述进气侧进入所述提浓侧220，所述反应气聚集在所述反应气侧，控制所述渗透侧230的气体压强≤101kpa。
60.气体分离膜210材质为聚二甲基硅氧烷，所述反应气中一氧化碳摩尔浓度为50％，温度为37℃。
61.(3)将所述反应气以流量600nm3/min通入微生物发酵罐进行发酵制醇，获得含醇醪液。
62.基于上述工艺，本实用新型提供2个典型实施方案，并提供一个对比方案，对比方案与实施方案的区别在于：
63.工业尾气不经气体压缩装置100和气体压缩装置200处理，直接以相同流量直接通入微生物发酵罐进行发酵制醇，获得含醇醪液。
64.其中，采用的工业尾气种类均为钢厂转炉煤气，其主要化学成分如表1所示：
65.表1工业尾气主要化学成分及浓度
[0066][0067][0068]
本技术中，实施方案1、2和对比方案的工艺参数如表2所示。
[0069]
表2实施方案1、2和对比方案的工艺参数
[0070][0071]
表2中，-50kpa表示负压50kpa。
[0072]
实施方案1、2和对比方案1的co提浓效果及制醇效率如表3所示。
[0073]
表3实施方案1、2和对比方案1的提浓效果及制醇效率
[0074][0075]
由表1-3可知，本实用新型实施方案1、2通过孔径0.33～0.35nm的气体分离膜，能够有效将工业尾气中一氧化碳摩尔浓度提升至67％以上，相比对比方案直接将工业尾气用于发酵制醇而言，实施方案1、2在相同反应时间内，微生物发酵罐中发酵生成的醇类物质浓度更高，即制醇反应效率更高，有利于降低生物质乙醇制造的能耗和成本、提高反应体系运行稳定性。
[0076]
本技术中的一个或多个技术方案，至少还具有如下技术效果或优点：
[0077]
本技术一种高效率工业尾气发酵制醇装置，通过气体压缩装置将工业尾气加压，提升气体分离膜的气体分离速率，工业尾气通过气体分离膜进行一氧化碳提浓，气体分离膜的孔径为0.33～0.35nm，介于co2(0.33nm)与c0(0.369nm)分子直径之间，利用尺寸筛分效应，使工业尾气中尺寸较小的co2和h2选择性透过，而尺寸较大的co、n2等被截留在反应气中，从而提高反应气中co浓度，本实用新型可将工业尾气中一氧化碳浓度提升至目标范围，实现一氧化碳浓度稳定控制，从而有效提高发酵反应效率、降低能耗和成本、提高反应体系
运行稳定性。
[0078]
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0079]
尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。
[0080]
显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。