【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电催化和生物发酵转化，具体涉及一种利用二氧化碳经电-生物耦合制备丙烯酸的系统。
技术介绍
1、全球的丙烯酸年需求量约为620万吨，预计2020年至2025年年增长率约为3.7％。高纯度丙烯酸主要用于生产吸水性能强的聚合物、阴离子聚电解质和洗涤剂助剂，可应用于一次性尿布、女性卫生用品、水处理等领域。丙烯酸还用于生产丙烯酸酯，主要用于生产聚合物，用作涂料(装饰、砖石和工业涂料)、粘合剂和粘结剂(用于纸张、皮革和纺织品)。虽然目前丙烯酸可以丙烯(源自原油)为原料进行制造，但是市场售价随丙烯价格波动而波动，对化石基原料的依赖性较强，实现低成本、绿色低碳可持续的丙烯酸生产面临巨大挑战。因此，探索实际高效的丙烯酸制造工艺具有重要的现实意义。
2、现有的丙烯酸依赖于化石基原料丙烯氧化生产。例如，中国专利申请cn109876543a公开了一种用于丙烯酸生产的改进氧化催化剂及其应用方法。该专利申请提出了一种基于钴-锰-钼复合催化剂，通过优化催化剂的组成比例和制备工艺，能够在较低温度和压力条件下提高丙烯的氧化选择性，从而提升丙烯酸的产率。虽然该专利申请通过改进催化剂在一定程度上提升了丙烯酸的产率，但其原料仍为拜托传统的化石基、催化剂的稳定性、回收利用以及反应条件仍旧复杂。这些问题在一定程度上限制了该方法的广泛应用和经济效益。
3、二氧化碳是温室气体的主要来源，其排放对气候变化有显著影响。通过将其转化为有用的高附加值产品，不仅可以减少大气中的二氧化碳含量，有效缓解全球变暖问题，还能作为廉价且可再生的资源，取代传统
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种利用二氧化碳经电-生物耦合制备丙烯酸的系统，基于二氧化碳电催化及甲醇生物发酵耦合的方式，开发出新的耦合制备丙烯酸的系统，解决现有丙烯酸制备方法存在的化石基原料依赖度高的问题。
2、为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
3、一种利用二氧化碳经电-生物耦合制备丙烯酸的系统，包括依次连接的电催化生产甲醇单元、生物发酵产3-羟基丙酸单元、3-羟基丙酸提纯单元和丙烯酸生产单元；
4、所述电催化生产甲醇单元，用于将水经太阳能电解生产的氢气与直接空气捕获的二氧化碳在zno-zro2催化剂作用下进行电催化，得到甲醇；
5、所述生物发酵产3-羟基丙酸单元，用于将电催化单元得到的甲醇为底物进行生物发酵，发酵产物进行气液分离，得到含3-羟基丙酸的发酵液；
6、所述3-羟基丙酸提纯单元，用于将得到的3-羟基丙酸的发酵液进行固液分离，萃取后得到3-羟基丙酸；
7、所述丙烯酸生产单元，用于将提纯得到的3-羟基丙酸经脱水反应，得到丙烯酸。
8、所述电催化生产甲醇单元具体包括将气相进出口依次连接的第一压缩机1、第一混合器4、第二压缩机5、第一换热器6和甲醇合成反应器7，甲醇合成反应器7的液相出口连接生物发酵产3-羟基丙酸单元的第二泵8液相入口；第一混合器4的气相入口连接电解反应槽3出口，电解反应槽3液相入口连接第一泵2液相出口。
9、所述生物发酵产3-羟基丙酸单元具体包括将液相进出口依次连接的第二泵8、第二换热器9、发酵罐10和第一闪蒸罐13，发酵罐10的液相端通过第三泵12与第一贮料槽11液相端口连接，发酵罐10内接种有毕赤酵母，第一贮料槽11用于为发酵罐10提供生物反应所需的缓冲液和营养物质，第一闪蒸罐13液相端口连接3-羟基丙酸提纯单元的第二贮料槽14入口。
10、所述3-羟基丙酸提纯单元具体包括将液相进出口依次连接的第二贮料槽14、第四泵15、溶气气浮反应器16、萃取精馏塔20、分离器21、第一真空精馏塔22、第五泵23和第四换热器24，溶气气浮反应器16的气相端口依次连通储气器19、第三换热器18和第三压缩机17，第四换热器24的液相端口连接丙烯酸生产单元的脱水反应器25的液相端口。
11、所述丙烯酸生产单元包括将液相进出口依次连接的脱水反应器25、第二真空精馏塔26和第三真空精馏塔27。
12、本专利技术还包括热电联产单元，热电联产单元分别连接生物发酵产3-羟基丙酸单元、3-羟基丙酸提纯单元和丙烯酸生产单元，热电联产单元用于将废弃物转化为电能、热能和含氮污泥。
13、所述热电联产单元包括将液相进出口依次连接的第二混合器28、厌氧发酵罐29、第二闪蒸罐30、第三混合器31、燃烧室32、燃气轮机34、第五换热器35，燃烧室32的气相端连接第四压缩机33气相端口；第二闪蒸罐30的液相端口连接离心机36液相端，热电联产单元的第二混合器28液相端口分别连接3-羟基丙酸提纯单元的溶气气浮反应器16的固相端口、3-羟基丙酸提纯单元的分离器21的液相端口和丙烯酸生产单元的第三真空精馏塔27的塔顶。
14、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
15、(1)本专利技术设计的电催化生产甲醇单元中电解水和甲醇合成的连接，实现了将水经太阳能电解生产的氢气与直接空气捕获的二氧化碳在zno-zro2催化剂作用下进行电催化，得到甲醇；
16、(2)本专利技术将电催化生产甲醇单元和生物发酵产3-羟基丙酸单元、3-羟基丙酸提纯单元以及丙烯酸生产单元的耦合设计，实现了以二氧化碳为原料，以甲醇为中间体，进行生物发酵和产物提纯，得到3-羟基丙酸，再以3-羟基丙酸为原料经脱水得到丙烯酸，从而资源化利用二氧化碳生物转化得到丙烯酸。在该系统中，由于电催化生产甲醇单元和生物发酵产3-羟基丙酸单元的耦合设计可以实现以二氧化碳为原料制备丙烯酸，这样的设计可以实现减少温室气体排放的同时资源化利用碳源的有益效果，从而实现碳资源到高附加值丙烯酸的成功制备，可替代现有化石基原料制备丙烯酸的方法；其次，由电催化和生物发酵耦合制备丙烯酸的方法将现有技术进行集合，通过串联不同领域技术，实现丙烯酸的成功制备。因此，该系统能够解决现有丙烯酸制备方法存在的化石基原料依赖度高的问题。
17、(3)本专利技术还可拓展设置的热电联产单元，热电联产单元能够将全流程产生的污废水与油脂提取单元产生的副产物固体生物质发酵产生沼气，将沼气和未反应的废气燃烧并用于发电，产生的电能和热能为本专利技术的系统供电和供热，从而实现能量的高效回收利用。将全流程产生的污废水与油脂提取单元产生的副产物固体生物质发酵产生含氮污泥，将含氮污泥脱水后作为氮肥副产品出售，从而提升工艺的经济性。
18、综上所述，本专利技术将电催化生产甲醇单元、生物发酵产3-羟基丙酸单元、3-羟基丙酸提纯单元和丙烯酸生产单元耦合设计；开发出了制备丙烯酸的耦合系统，解决现有丙烯酸制备方法存在的化石基原料依赖度高的问题。
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1.一种利用二氧化碳经电-生物耦合制备丙烯酸的系统，其特征在于，包括依次连接的电催化生产甲醇单元、生物发酵产3-羟基丙酸单元、3-羟基丙酸提纯单元和丙烯酸生产单元；
2.根据权利要求1所述的一种利用二氧化碳经电-生物耦合制备丙烯酸的系统，其特征在于，所述电催化生产甲醇单元具体包括将气相进出口依次连接的第一压缩机(1)、第一混合器(4)、第二压缩机(5)、第一换热器(6)和甲醇合成反应器(7)，甲醇合成反应器(7)的液相出口连接生物发酵产3-羟基丙酸单元的第二泵(8)液相入口；第一混合器(4)的气相入口连接电解反应槽(3)出口，电解反应槽(3)液相入口连接第一泵(2)液相出口。
3.根据权利要求1所述的一种利用二氧化碳经电-生物耦合制备丙烯酸的系统，其特征在于，所述生物发酵产3-羟基丙酸单元具体包括将液相进出口依次连接的第二泵(8)、第二换热器(9)、发酵罐(10)和第一闪蒸罐(13)，发酵罐(10)的液相端通过第三泵(12)与第一贮料槽(11)液相端口连接，发酵罐(10)内接种有毕赤酵母，第一贮料槽(11)用于为发酵罐(10)提供生物反应所需的缓冲液和营养
4.根据权利要求1所述的一种利用二氧化碳经电-生物耦合制备丙烯酸的系统，其特征在于，所述3-羟基丙酸提纯单元具体包括将液相进出口依次连接的第二贮料槽(14)、第四泵(15)、溶气气浮反应器(16)、萃取精馏塔(20)、分离器(21)、第一真空精馏塔(22)、第五泵(23)和第四换热器(24)，溶气气浮反应器(16)的气相端口依次连通储气器(19)、第三换热器(18)和第三压缩机(17)，第四换热器(24)的液相端口连接丙烯酸生产单元的脱水反应器(25)的液相端口。
5.根据权利要求1所述的一种利用二氧化碳经电-生物耦合制备丙烯酸的系统，其特征在于，所述丙烯酸生产单元包括将液相进出口依次连接的脱水反应器(25)、第二真空精馏塔(26)和第三真空精馏塔(27)。
6.根据权利要求1所述的一种利用二氧化碳经电-生物耦合制备丙烯酸的系统，其特征在于，还包括热电联产单元，热电联产单元分别连接生物发酵产3-羟基丙酸单元、3-羟基丙酸提纯单元和丙烯酸生产单元，热电联产单元用于将废弃物转化为电能、热能和含氮污泥。
7.根据权利要求6所述的一种利用二氧化碳经电-生物耦合制备丙烯酸的系统，其特征在于，所述热电联产单元包括将液相进出口依次连接的第二混合器(28)、厌氧发酵罐(29)、第二闪蒸罐(30)、第三混合器(31)、燃烧室(32)、燃气轮机(34)、第五换热器(35)，燃烧室(32)的气相端连接第四压缩机(33)气相端口；第二闪蒸罐(30)的液相端口连接离心机(36)液相端，热电联产单元的第二混合器(28)液相端口分别连接3-羟基丙酸提纯单元的溶气气浮反应器(16)的固相端口、3-羟基丙酸提纯单元的分离器(21)的液相端口和丙烯酸生产单元的第三真空精馏塔(27)的塔顶。
...【技术特征摘要】
1.一种利用二氧化碳经电-生物耦合制备丙烯酸的系统，其特征在于，包括依次连接的电催化生产甲醇单元、生物发酵产3-羟基丙酸单元、3-羟基丙酸提纯单元和丙烯酸生产单元；
2.根据权利要求1所述的一种利用二氧化碳经电-生物耦合制备丙烯酸的系统，其特征在于，所述电催化生产甲醇单元具体包括将气相进出口依次连接的第一压缩机(1)、第一混合器(4)、第二压缩机(5)、第一换热器(6)和甲醇合成反应器(7)，甲醇合成反应器(7)的液相出口连接生物发酵产3-羟基丙酸单元的第二泵(8)液相入口；第一混合器(4)的气相入口连接电解反应槽(3)出口，电解反应槽(3)液相入口连接第一泵(2)液相出口。
3.根据权利要求1所述的一种利用二氧化碳经电-生物耦合制备丙烯酸的系统，其特征在于，所述生物发酵产3-羟基丙酸单元具体包括将液相进出口依次连接的第二泵(8)、第二换热器(9)、发酵罐(10)和第一闪蒸罐(13)，发酵罐(10)的液相端通过第三泵(12)与第一贮料槽(11)液相端口连接，发酵罐(10)内接种有毕赤酵母，第一贮料槽(11)用于为发酵罐(10)提供生物反应所需的缓冲液和营养物质，第一闪蒸罐(13)液相端口连接3-羟基丙酸提纯单元的第二贮料槽(14)入口。
4.根据权利要求1所述的一种利用二氧化碳经电-生物耦合制备丙烯酸的系统，其特征在于，所述3-羟基丙酸提纯单元具体包括将液相进出口依次连接的第二贮料槽(14)、第四泵(15)、溶气气浮反应器(16)、萃取精馏塔(2...
【专利技术属性】
技术研发人员：费强，张晨悦，康丽霞，傅容湛，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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