【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于電催化和生物發(fā)酵轉(zhuǎn)化，具體涉及一種利用二氧化碳經(jīng)電-生物耦合制備丙烯酸的系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
1、全球的丙烯酸年需求量約為620萬噸，預(yù)計2020年至2025年年增長率約為3.7％。高純度丙烯酸主要用于生產(chǎn)吸水性能強的聚合物、陰離子聚電解質(zhì)和洗滌劑助劑，可應(yīng)用于一次性尿布、女性衛(wèi)生用品、水處理等領(lǐng)域。丙烯酸還用于生產(chǎn)丙烯酸酯，主要用于生產(chǎn)聚合物，用作涂料(裝飾、磚石和工業(yè)涂料)、粘合劑和粘結(jié)劑(用于紙張、皮革和紡織品)。雖然目前丙烯酸可以丙烯(源自原油)為原料進(jìn)行制造，但是市場售價隨丙烯價格波動而波動，對化石基原料的依賴性較強，實現(xiàn)低成本、綠色低碳可持續(xù)的丙烯酸生產(chǎn)面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，探索實際高效的丙烯酸制造工藝具有重要的現(xiàn)實意義。
2、現(xiàn)有的丙烯酸依賴于化石基原料丙烯氧化生產(chǎn)。例如，中國專利申請cn109876543a公開了一種用于丙烯酸生產(chǎn)的改進(jìn)氧化催化劑及其應(yīng)用方法。該專利申請?zhí)岢隽艘环N基于鈷-錳-鉬復(fù)合催化劑，通過優(yōu)化催化劑的組成比例和制備工藝，能夠在較低溫度和壓力條件下提高丙烯的氧化選擇性，從而提升丙烯酸的產(chǎn)率。雖然該專利申請通過改進(jìn)催化劑在一定程度上提升了丙烯酸的產(chǎn)率，但其原料仍為拜托傳統(tǒng)的化石基、催化劑的穩(wěn)定性、回收利用以及反應(yīng)條件仍舊復(fù)雜。這些問題在一定程度上限制了該方法的廣泛應(yīng)用和經(jīng)濟效益。
3、二氧化碳是溫室氣體的主要來源，其排放對氣候變化有顯著影響。通過將其轉(zhuǎn)化為有用的高附加值產(chǎn)品，不僅可以減少大氣中的二氧化碳含量，有效緩解全球變暖問題，還能作為廉價且可再生的資源，取代傳統(tǒng)
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本專利技術(shù)的目的在于提供一種利用二氧化碳經(jīng)電-生物耦合制備丙烯酸的系統(tǒng)，基于二氧化碳電催化及甲醇生物發(fā)酵耦合的方式，開發(fā)出新的耦合制備丙烯酸的系統(tǒng)，解決現(xiàn)有丙烯酸制備方法存在的化石基原料依賴度高的問題。
2、為了達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：
3、一種利用二氧化碳經(jīng)電-生物耦合制備丙烯酸的系統(tǒng)，包括依次連接的電催化生產(chǎn)甲醇單元、生物發(fā)酵產(chǎn)3-羥基丙酸單元、3-羥基丙酸提純單元和丙烯酸生產(chǎn)單元；
4、所述電催化生產(chǎn)甲醇單元，用于將水經(jīng)太陽能電解生產(chǎn)的氫氣與直接空氣捕獲的二氧化碳在zno-zro2催化劑作用下進(jìn)行電催化，得到甲醇；
5、所述生物發(fā)酵產(chǎn)3-羥基丙酸單元，用于將電催化單元得到的甲醇為底物進(jìn)行生物發(fā)酵，發(fā)酵產(chǎn)物進(jìn)行氣液分離，得到含3-羥基丙酸的發(fā)酵液；
6、所述3-羥基丙酸提純單元，用于將得到的3-羥基丙酸的發(fā)酵液進(jìn)行固液分離，萃取后得到3-羥基丙酸；
7、所述丙烯酸生產(chǎn)單元，用于將提純得到的3-羥基丙酸經(jīng)脫水反應(yīng)，得到丙烯酸。
8、所述電催化生產(chǎn)甲醇單元具體包括將氣相進(jìn)出口依次連接的第一壓縮機1、第一混合器4、第二壓縮機5、第一換熱器6和甲醇合成反應(yīng)器7，甲醇合成反應(yīng)器7的液相出口連接生物發(fā)酵產(chǎn)3-羥基丙酸單元的第二泵8液相入口；第一混合器4的氣相入口連接電解反應(yīng)槽3出口，電解反應(yīng)槽3液相入口連接第一泵2液相出口。
9、所述生物發(fā)酵產(chǎn)3-羥基丙酸單元具體包括將液相進(jìn)出口依次連接的第二泵8、第二換熱器9、發(fā)酵罐10和第一閃蒸罐13，發(fā)酵罐10的液相端通過第三泵12與第一貯料槽11液相端口連接，發(fā)酵罐10內(nèi)接種有畢赤酵母，第一貯料槽11用于為發(fā)酵罐10提供生物反應(yīng)所需的緩沖液和營養(yǎng)物質(zhì)，第一閃蒸罐13液相端口連接3-羥基丙酸提純單元的第二貯料槽14入口。
10、所述3-羥基丙酸提純單元具體包括將液相進(jìn)出口依次連接的第二貯料槽14、第四泵15、溶氣氣浮反應(yīng)器16、萃取精餾塔20、分離器21、第一真空精餾塔22、第五泵23和第四換熱器24，溶氣氣浮反應(yīng)器16的氣相端口依次連通儲氣器19、第三換熱器18和第三壓縮機17，第四換熱器24的液相端口連接丙烯酸生產(chǎn)單元的脫水反應(yīng)器25的液相端口。
11、所述丙烯酸生產(chǎn)單元包括將液相進(jìn)出口依次連接的脫水反應(yīng)器25、第二真空精餾塔26和第三真空精餾塔27。
12、本專利技術(shù)還包括熱電聯(lián)產(chǎn)單元，熱電聯(lián)產(chǎn)單元分別連接生物發(fā)酵產(chǎn)3-羥基丙酸單元、3-羥基丙酸提純單元和丙烯酸生產(chǎn)單元，熱電聯(lián)產(chǎn)單元用于將廢棄物轉(zhuǎn)化為電能、熱能和含氮污泥。
13、所述熱電聯(lián)產(chǎn)單元包括將液相進(jìn)出口依次連接的第二混合器28、厭氧發(fā)酵罐29、第二閃蒸罐30、第三混合器31、燃燒室32、燃?xì)廨啓C34、第五換熱器35，燃燒室32的氣相端連接第四壓縮機33氣相端口；第二閃蒸罐30的液相端口連接離心機36液相端，熱電聯(lián)產(chǎn)單元的第二混合器28液相端口分別連接3-羥基丙酸提純單元的溶氣氣浮反應(yīng)器16的固相端口、3-羥基丙酸提純單元的分離器21的液相端口和丙烯酸生產(chǎn)單元的第三真空精餾塔27的塔頂。
14、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有以下有益效果：
15、(1)本專利技術(shù)設(shè)計的電催化生產(chǎn)甲醇單元中電解水和甲醇合成的連接，實現(xiàn)了將水經(jīng)太陽能電解生產(chǎn)的氫氣與直接空氣捕獲的二氧化碳在zno-zro2催化劑作用下進(jìn)行電催化，得到甲醇；
16、(2)本專利技術(shù)將電催化生產(chǎn)甲醇單元和生物發(fā)酵產(chǎn)3-羥基丙酸單元、3-羥基丙酸提純單元以及丙烯酸生產(chǎn)單元的耦合設(shè)計，實現(xiàn)了以二氧化碳為原料，以甲醇為中間體，進(jìn)行生物發(fā)酵和產(chǎn)物提純，得到3-羥基丙酸，再以3-羥基丙酸為原料經(jīng)脫水得到丙烯酸，從而資源化利用二氧化碳生物轉(zhuǎn)化得到丙烯酸。在該系統(tǒng)中，由于電催化生產(chǎn)甲醇單元和生物發(fā)酵產(chǎn)3-羥基丙酸單元的耦合設(shè)計可以實現(xiàn)以二氧化碳為原料制備丙烯酸，這樣的設(shè)計可以實現(xiàn)減少溫室氣體排放的同時資源化利用碳源的有益效果，從而實現(xiàn)碳資源到高附加值丙烯酸的成功制備，可替代現(xiàn)有化石基原料制備丙烯酸的方法；其次，由電催化和生物發(fā)酵耦合制備丙烯酸的方法將現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行集合，通過串聯(lián)不同領(lǐng)域技術(shù)，實現(xiàn)丙烯酸的成功制備。因此，該系統(tǒng)能夠解決現(xiàn)有丙烯酸制備方法存在的化石基原料依賴度高的問題。
17、(3)本專利技術(shù)還可拓展設(shè)置的熱電聯(lián)產(chǎn)單元，熱電聯(lián)產(chǎn)單元能夠?qū)⑷鞒坍a(chǎn)生的污廢水與油脂提取單元產(chǎn)生的副產(chǎn)物固體生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，將沼氣和未反應(yīng)的廢氣燃燒并用于發(fā)電，產(chǎn)生的電能和熱能為本專利技術(shù)的系統(tǒng)供電和供熱，從而實現(xiàn)能量的高效回收利用。將全流程產(chǎn)生的污廢水與油脂提取單元產(chǎn)生的副產(chǎn)物固體生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)生含氮污泥，將含氮污泥脫水后作為氮肥副產(chǎn)品出售，從而提升工藝的經(jīng)濟性。
18、綜上所述，本專利技術(shù)將電催化生產(chǎn)甲醇單元、生物發(fā)酵產(chǎn)3-羥基丙酸單元、3-羥基丙酸提純單元和丙烯酸生產(chǎn)單元耦合設(shè)計；開發(fā)出了制備丙烯酸的耦合系統(tǒng)，解決現(xiàn)有丙烯酸制備方法存在的化石基原料依賴度高的問題。
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1.一種利用二氧化碳經(jīng)電-生物耦合制備丙烯酸的系統(tǒng)，其特征在于，包括依次連接的電催化生產(chǎn)甲醇單元、生物發(fā)酵產(chǎn)3-羥基丙酸單元、3-羥基丙酸提純單元和丙烯酸生產(chǎn)單元；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用二氧化碳經(jīng)電-生物耦合制備丙烯酸的系統(tǒng)，其特征在于，所述電催化生產(chǎn)甲醇單元具體包括將氣相進(jìn)出口依次連接的第一壓縮機(1)、第一混合器(4)、第二壓縮機(5)、第一換熱器(6)和甲醇合成反應(yīng)器(7)，甲醇合成反應(yīng)器(7)的液相出口連接生物發(fā)酵產(chǎn)3-羥基丙酸單元的第二泵(8)液相入口；第一混合器(4)的氣相入口連接電解反應(yīng)槽(3)出口，電解反應(yīng)槽(3)液相入口連接第一泵(2)液相出口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用二氧化碳經(jīng)電-生物耦合制備丙烯酸的系統(tǒng)，其特征在于，所述生物發(fā)酵產(chǎn)3-羥基丙酸單元具體包括將液相進(jìn)出口依次連接的第二泵(8)、第二換熱器(9)、發(fā)酵罐(10)和第一閃蒸罐(13)，發(fā)酵罐(10)的液相端通過第三泵(12)與第一貯料槽(11)液相端口連接，發(fā)酵罐(10)內(nèi)接種有畢赤酵母，第一貯料槽(11)用于為發(fā)酵罐(10)提供生物反應(yīng)所需的緩沖液和營養(yǎng)
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用二氧化碳經(jīng)電-生物耦合制備丙烯酸的系統(tǒng)，其特征在于，所述3-羥基丙酸提純單元具體包括將液相進(jìn)出口依次連接的第二貯料槽(14)、第四泵(15)、溶氣氣浮反應(yīng)器(16)、萃取精餾塔(20)、分離器(21)、第一真空精餾塔(22)、第五泵(23)和第四換熱器(24)，溶氣氣浮反應(yīng)器(16)的氣相端口依次連通儲氣器(19)、第三換熱器(18)和第三壓縮機(17)，第四換熱器(24)的液相端口連接丙烯酸生產(chǎn)單元的脫水反應(yīng)器(25)的液相端口。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用二氧化碳經(jīng)電-生物耦合制備丙烯酸的系統(tǒng)，其特征在于，所述丙烯酸生產(chǎn)單元包括將液相進(jìn)出口依次連接的脫水反應(yīng)器(25)、第二真空精餾塔(26)和第三真空精餾塔(27)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用二氧化碳經(jīng)電-生物耦合制備丙烯酸的系統(tǒng)，其特征在于，還包括熱電聯(lián)產(chǎn)單元，熱電聯(lián)產(chǎn)單元分別連接生物發(fā)酵產(chǎn)3-羥基丙酸單元、3-羥基丙酸提純單元和丙烯酸生產(chǎn)單元，熱電聯(lián)產(chǎn)單元用于將廢棄物轉(zhuǎn)化為電能、熱能和含氮污泥。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種利用二氧化碳經(jīng)電-生物耦合制備丙烯酸的系統(tǒng)，其特征在于，所述熱電聯(lián)產(chǎn)單元包括將液相進(jìn)出口依次連接的第二混合器(28)、厭氧發(fā)酵罐(29)、第二閃蒸罐(30)、第三混合器(31)、燃燒室(32)、燃?xì)廨啓C(34)、第五換熱器(35)，燃燒室(32)的氣相端連接第四壓縮機(33)氣相端口；第二閃蒸罐(30)的液相端口連接離心機(36)液相端，熱電聯(lián)產(chǎn)單元的第二混合器(28)液相端口分別連接3-羥基丙酸提純單元的溶氣氣浮反應(yīng)器(16)的固相端口、3-羥基丙酸提純單元的分離器(21)的液相端口和丙烯酸生產(chǎn)單元的第三真空精餾塔(27)的塔頂。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種利用二氧化碳經(jīng)電-生物耦合制備丙烯酸的系統(tǒng)，其特征在于，包括依次連接的電催化生產(chǎn)甲醇單元、生物發(fā)酵產(chǎn)3-羥基丙酸單元、3-羥基丙酸提純單元和丙烯酸生產(chǎn)單元；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用二氧化碳經(jīng)電-生物耦合制備丙烯酸的系統(tǒng)，其特征在于，所述電催化生產(chǎn)甲醇單元具體包括將氣相進(jìn)出口依次連接的第一壓縮機(1)、第一混合器(4)、第二壓縮機(5)、第一換熱器(6)和甲醇合成反應(yīng)器(7)，甲醇合成反應(yīng)器(7)的液相出口連接生物發(fā)酵產(chǎn)3-羥基丙酸單元的第二泵(8)液相入口；第一混合器(4)的氣相入口連接電解反應(yīng)槽(3)出口，電解反應(yīng)槽(3)液相入口連接第一泵(2)液相出口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用二氧化碳經(jīng)電-生物耦合制備丙烯酸的系統(tǒng)，其特征在于，所述生物發(fā)酵產(chǎn)3-羥基丙酸單元具體包括將液相進(jìn)出口依次連接的第二泵(8)、第二換熱器(9)、發(fā)酵罐(10)和第一閃蒸罐(13)，發(fā)酵罐(10)的液相端通過第三泵(12)與第一貯料槽(11)液相端口連接，發(fā)酵罐(10)內(nèi)接種有畢赤酵母，第一貯料槽(11)用于為發(fā)酵罐(10)提供生物反應(yīng)所需的緩沖液和營養(yǎng)物質(zhì)，第一閃蒸罐(13)液相端口連接3-羥基丙酸提純單元的第二貯料槽(14)入口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用二氧化碳經(jīng)電-生物耦合制備丙烯酸的系統(tǒng)，其特征在于，所述3-羥基丙酸提純單元具體包括將液相進(jìn)出口依次連接的第二貯料槽(14)、第四泵(15)、溶氣氣浮反應(yīng)器(16)、萃取精餾塔(2...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：費強，張晨悅，康麗霞，傅容湛，
申請(專利權(quán))人：西安交通大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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