173913. lajstromszámú szabadalom • Eljárás furfurol folyamatos előállítására pentózantartalmú szilárd hulladékanyagokból
3 173913 4 katalizátort és 24 tonna 10 atm nyomású vízgőzt használnak fel. A szakaszos eljárások hátrányait (nagy a fajlagos, beépített reaktortérfogat, a reaktorok töltése, felfűtése, lehűtése és ürítése időkiesést okoz és többletenergia felhasználást igényel) igyekeznek kiküszöbölni a folytonos eljárások, például az úgynevezett Sávö-eljárás (lásd Dr. Motoyoshi Oshima említett könyvének 92. oldalán), ahol mellékreakcióban képződő ecetsav katalikus hatását használják ki, így külön katalizátor hozzáadása nem szükséges. 180—220°C hőmérsékleten 10-12 atm nyomáson végzik a hidrolízist, 1 tonna furfurol előállításához 22 tonna, itt említett nyomású vízgőzt használnak fel, és így 30%-os kihozatalt érnek el. A S'ávö-eljárás gyakorlati megvalósításánál számos részben még ma is megoldatlan gépészeti probléma van, így például a szilárd nyersanyag folyamatos beadagolása atmoszférikus körülményekről 10—12 atm nyomású savas térbe. Az eddig ismert legmagasabb kihozatalt (50%) a Natta-eljárással (2 689 250 számú amerikai egyesült államokbeli szabadalmi leírás) érték el, 40% töménységű sósavgáz katalizátor, valamint 260°C atmoszférikus nyomású, túlhevített vízgőz alkalmazásával. Az eljárást azonban korróziós okok miatt csak különleges gumibélésű berendezésben lehet végrehajtani. A magas hőfokon végzett hidrolízis hátránya még, hogy a gyártás maradékanyaga (amely cellulózt és lignint tartalmaz) oly értékben károsodik (gyantásodik, bomlik), hogy gyakorlatilag csak eltüzeléssel hasznosítható (lásd. Dr. Motoyoshi Oshima említett könyvének 94-95. oldalán). Eljárásunk lényege az a felismerés, hogy a furfurolképződés egyes különálló, de egymás mellett lejátszódó reakciólépéseit először is külön két műveleti egységben hajtjuk végre, másodszor is ezen két műveleti egységben szigorúan egyenáramot biztosítunk, folytonos üzemmódban, továbbá a második műveleti lépésben inertgázos kihajtást alkalmazunk. így az első műveleti egységben a pentozánokat egyenáramban, alulról felfelé haladó vizes közegben pentózzá alakítjuk, majd a második műveleti egységben a vízben oldott pentózt szintén alulról felfelé haladó egyenáramban furfuroliá alakítjuk vízgőz és inert gáz felhasználásával (mégpedig 10 tonna vízgőzt használunk 1 tonna furfurol előállításához). Eljárásunk tehát a furfurolgyártás gazdaságosságát nagymértékben növeli. Eljárásunk szerint a pentozántartalmú nyersanyagot 0,1 —10 mm, előnyösen 1-2 mm szemcsenagyságúra felaprítjuk és 1 : 3—1 : 5 térfogattartományban vízzel felzagyoljuk. Katalizátorként hozzákeverjük célszerűen tömény, nem illő savat, előnyösen kénsavat olyan mennyiségben, hogy a jól összekevert zagyban a sav töménysége legfeljebb 2,5 súly%, előnyösen 2 súly% legyen. Eljárhatunk azonban úgy is, hogy a zagyolás előtt a savat hozzáadjuk a zagyoláshoz alkalmazott vízhez, sőt az utóbbi változatot előnyösebbnek tartjuk. Az így összekevert és állandó keverésben tartott zagyot szivattyúval egyenletes ütemben alulról beadagoljuk az első műveleti egységbe, amely keverővei ellátott reaktor lehet. Ebbe a reaktorba — szintén alul — 110—140°C-os, előnyösen 125-135°C-os vízgőzt vezetünk be. 0,5—1,0 előnyösen 0,5—0,8 órás tartózkodási idő alatt 2-5 atm nyomás mellett végbemegy a pentozánok hidrolízise pentózokká (azaz ötszénatomos cukrokká). Ilyen körülmények között a nyersanyag pentozántartalmának átlagosan 85%-a alakul át pentózzá és megy oldatba. A pentózzá való gyorsabb átalakulást a reaktorba beépített mechanikus keverőszerkezet még jobban elősegíti. így a gőz hatására bekövetkező és a mechanikus keverés együttes hatásának köszönhető az átlagosan 85%-os pentóz-kihozatal. Az ehhez a művelethez célszerűen használt függőleges tengelyű reaktor hossz-átmérő-aránya 10-15:1 — 1,5 m és a tengelye maga egy mechanikus keverő. Az ennek a reaktornak a tetején kilépő zagyot önmagában ismert módon (például centrifugával vagy vákuum-douszűrővel) két fázisra, mégpedig egy folyékony (ez tartalmazza az ötszénatomos cukrokat) és egy szilárd fázisra választjuk szét. Célszerű, ha a szilárd fázisból vízzel kioldjuk a még benne levő ötszénatomos cukrokat és ezt az oldatot egy vákuum-bepárlóban bepároljuk, majd egyesítjük a például centrifugálással kapott pentózoldattal. A folyamatot úgy is végrehajthatjuk, hogy a két oldatot egyesítjük és ezután pároljuk be együttesen őket a vákuum-bepárlóban. Az így egyesített pentózoldatokat (tehát csak folyadékot, amit bármilyen nyomás ellenében könnyen be lehet adagolni) szivattyúval 10-22 atm, előnyösen 16-18 atm nyomáson alulról beadagoljuk a második — immár csak folyadékot és gőzt tartalmazó - reaktorba. A reaktorba ugyancsak alulról beadagoljuk a furfurol képződéséhez szükséges mennyiségű (előnyösen 10 tonna/1 tonna furfurol) 150—200°C-os és 10-22 atm nyomású vízgőzt. Az ilyen nyomású vízgőz átalakítja az ötszénatomos cukrokat furfurollá. Abból a célból, hogy a képződött furfurol minél kevesebb ideig tartózkodjék ebben a második reaktorban (és ne bomoljék el), ugyanebbe a reaktorba a furfurol kihajtását elősegítő inert gázt, előnyösen széndioxidot vezetünk be, mégpedig a reaktorba betáplált oldatban levő pentóz 1 kg-jára vonatkoztatva 1-1,5 Nm3 mennyiségben, legfeljebb 220°C-ra előmelegítve. A reaktor célszerűen olyan függőleges tengelyű edény, amelynél 20—25 :1 — 1,5 értékű a hossz átmérő viszony, továbbá amely reakciózónák kialakulását és a reakcióelegy kiterjedését lehetővé tevő tereket képező elválasztó és/vagy szűkítő elemeket tartalmaz. Azért, hogy a második reaktor tetején elvezetett gőzök furfurolban minél töményebbek legyenek, a furfurol-elvétel helyétől lefel 1-1,5 m-re megcsapoljuk a második reaktort és furfurollal szennyezett vízgőzt veszünk el belőle, amely a fejen elvett tömény furfuroltartalmú vízgőzhöz viszonyítva csak 9%-nyi furfurolt tartalmaz (fejen célszerűen 0,59 kgló furfurol-elvétel, 1,5 m-rel lejjebb célszerűen 0,055 kg /ó furfurol). 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
