Устройство для сепарации твердых частиц/текучей среды и способ обработки биомассы, включающий сепарацию твердых частиц/текучей среды
Изобретение относится к устройству и способу обработки биомассы, включающему сепарацию твердых частиц/текучей среды. Сепарационный модуль содержит сборную камеру и фильтрующий узел для отделения текучей среды от массы, находящейся под давлением. Фильтрующий узел образует центральное отверстие, герметично изолированное от сборной камеры, и содержит фильтровальный пакет. Фильтровальный пакет состоит из фильтровальной и опорной пластин. Фильтровальная пластина содержит сквозную прорезь фильтра, выполненную вдоль всей толщины пластины и проходящую от центрального отверстия в фильтровальную пластину для направления текучей среды от центрального отверстия. Опорная пластина служит для направления текучей среды, собранной в прорези фильтра, в сборную камеру. Изобретение позволяет осуществлять предварительную обработку биомассы при высокой температуре и давлении с возможностью изменения продолжительности пребывания и обработки. 4 н. и 22 з.п. ф-лы, 13 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Настоящее изобретение относится к устройству для сепарации твердых частиц/текучей среды и способу обработки биомассы, включающему сепарацию твердых частиц/текучей среды, в частности, предварительной обработки лигноцеллюлозной биомассы в процессе биохимического преобразования.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Предварительная обработка лигноцеллюлозной биомассы для преобразования в химические элементы требует значительной продолжительности пребывания, высокого давления и высокой температуры. В данных условиях нужно отделить жидкости от обработанной биомассы для достижения высокого выхода продукта и эффективности процесса. В настоящее время множество единиц оборудования требуется для достижения данной цели, что является затратным в отношении денежных средств и эксплуатационных расходов. Кроме этого, эффективность процесса является минимальной.
[0003] Ключевым компонентом эффективности процесса при предварительной обработке лигноцеллюлозной биомассы является способность промывать и отжимать гидролизованные гемицеллюлозные сахара, токсины, ингибиторы и/или другие экстрактивные вещества из твердой фракции биомассы/целлюлозы. Сложно осуществлять эффективное отделение твердых частиц от жидкости при высокой температуре и давлении, необходимых для предварительной обработки целлюлозы.
[0004] При сепарации твердых частиц/текучей среды, количество жидкости, оставшейся в твердой фракции, зависит от величины примененного давления сепарации, толщины осадка твердых частиц и пористости фильтра. Пористость фильтра зависит от количества и размеров пор фильтра. Снижение давления, увеличение толщины осадка или снижение пористости фильтра приводят к уменьшению степени сепарации жидкости/твердых частиц и итоговой степени сухости твердой фракции.
[0005] Для определенной толщины осадка твердых частиц и пористости фильтра максимальной сепарации достигают при наивысшем возможном давлении. Для определенной толщины осадка твердых частиц и давления сепарации максимальная сепарация зависит исключительно от размера пор фильтра.
[0006] К сожалению, высокие давления сепарации требуют прочного фильтрующего материала, который способен противостоять давлению сепарации, тем самым усложняя процесс и делая необходимое оборудование очень дорогостоящим. Когда необходимы высокие давления сепарации, толщину фильтрующего материала необходимо увеличить для того, чтобы противостоять указанному давлению. Тем не менее, для поддержания такой же общей пористости, что и у фильтра с более тонким фильтрующим материалом, более толстому фильтрующему материалу необходим более крупный размер пор. Это может стать причиной проблемы, в зависимости от твердых частиц, которые необходимо удерживать, поскольку допустимый размер пор фильтра ограничен размером волокон и частиц в твердой фракции, при этом прозрачность жидкой фракции ограничена исключительно размером пор фильтрующего материала. Слишком крупные поры позволяют значительному количеству взвешенных частиц собираться в жидкой фракции, тем самым снижая эффективность сепарации жидкости/твердых частиц.
[0007] Со временем фильтрующий материал имеет свойство засоряться взвешенными твердыми частицами, снижая его производительность, особенно при высоких давлениях, необходимых для предварительной обработки целлюлозы. Таким образом, обычно необходим обратный поток жидкости для прочистки засора и восстановления производительности. Когда фильтр засорен, необходимо высокое давление для промывки фильтрующего материала обратным потоком. Это особенно проблематично при работе с фильтрующим материалом, который эксплуатируют при манометрических давлениях свыше 1000 фунтов/кв. дюйм в процессе, который должен быть непрерывным для того, чтобы максимизировать производительность и получить высокую эффективность процесса предварительной обработки целлюлозы. Современное оборудование, необходимое для эффективного выполнения предварительной обработки целлюлозы, является как сложным, так и дорогостоящим, поскольку не существует известного оборудования, доступного для одновременного выполнения нескольких этапов предварительной обработки лигноцеллюлозной биомассы в одной установке.
[0008] Обычные одинарные, двойные или тройные шнековые экструдеры не обладают необходимой продолжительностью пребывания для предварительной обработки биомассы с низким расходом энергии, а также не содержат практичные и эффективные устройства для сепарации твердых частиц/текучей среды для предварительной обработки биомассы. Патент США № US 7347140 раскрывает шнековый пресс с перфорированным кожухом. Рабочие давления подобного шнекового пресса являются низкими из-за низкой прочности перфорированного кожуха. Патент США № US 5515776 раскрывает червячный пресс и сливные отверстия в оболочке пресса, площадь поперечного сечения которых увеличивается в направлении потока сливаемой жидкости. Патент США № US 7357074 относится к шнековому прессу с коническим осушающим корпусом, содержащим множество отверстий для слива воды из совокупности твердых частиц, сжатых в прессе. Как и ранее используется перфорированный кожух или оболочка. Как очевидно, чем выше количество отверстий в корпусе, тем ниже сопротивление давлению корпуса. Кроме этого, сверление отверстий в корпусе или обшивке пресса связано со значительными трудностями, если необходимы очень малые отверстия для отделения мелких твердых частиц. Таким образом, существует потребность в улучшенном осушающем модуле для шнекового пресса.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] Цель настоящего изобретения заключается в устранении или уменьшении по меньшей мере одного недостатка предыдущих процессов и устройств для сепарации твердых частиц и жидкостей.
[0010] Дополнительная цель заключается в предоставлении улучшенного способа предварительной обработки лигноцеллюлозной биомассы перед гидролизом и ферментацией биомассы в целлюлозный этанол и модуля сепарации жидкости/твердых частиц для улучшенной производительности сепарации при повышенных давлениях сепарации.
[0011] Для улучшения сепарации твердых частиц/текучей среды изобретение предоставляет сепарационный модуль для сепарации твердых частиц/текучей среды для шнекового пресса, при этом модуль сепарирует текучую среду от жидкости, содержащую массу твердых частиц, сжатых шнековым прессом, при манометрических давлениях свыше 1000 фунтов/кв. дюйм. Сепарационный модуль содержит фильтрующий узел, обладающий пористостью от 5% до 40% (отношение общей площади поверхность пор к общей площади фильтрующей поверхности). Предпочтительно модуль выдерживает рабочие манометрические давления, равные 3000 фунтов/кв. дюйм при пористости фильтра от 5 до 40%, более предпочтительно от 11 до 40%. Фильтрующий узел предпочтительно содержит множество пор фильтра размером от 0,00005 до 0,005 квадратного дюйма.
[0012] В предпочтительном варианте осуществления фильтрующий узел содержит поры фильтра размером 0,00005 квадратного дюйма для отделения мелких твердых частиц, а также обладает пористостью 5,7% и сопротивлением манометрическому давлению 2500 фунтов/кв. дюйм. В другом варианте осуществления фильтрующий узел содержит поры размером 0,005 квадратного дюйма, а также обладает пористостью 20% и сопротивлением манометрическому давлению 5000 фунтов/кв. дюйм. В дополнительном предпочтительном варианте осуществления фильтрующий узел содержит поры размером 0,00005 квадратного дюйма и обладает пористостью 11,4%. В еще одном предпочтительном варианте осуществления фильтрующий узел содержит поры размером 0,005 квадратного дюйма и обладает пористостью 40%. В еще одном варианте осуществления фильтрующий узел содержит поры размером 0,00003 квадратного дюйма.
[0013] Для достижения максимальной эффективности сепарации твердых частиц/текучей среды желательно минимизировать размер пор фильтра и одновременно максимизировать пористость фильтра и работать при повышенных давлениях сепарации. Минимизация размера пор в обычных шнековых прессах является сложной задачей из-за необходимости вырезания цилиндрических каналов в обшивке фильтра. Авторы данного изобретения рассматривают данную проблему. В фильтрующем узле согласно настоящему изобретению поры фильтра выполнены простым вырезанием сквозных прорезей в фильтровальной пластине, что может быть достигнуто намного более легким способом, чем путем высверливания отверстий в герметизированной обшивке. Применение прорезей также позволяет создавать значительно меньшие поры фильтра путем применения очень тонких фильтровальных пластин и узких прорезей. Например, путем применения фильтровальной пластины толщиной 0,005 дюйма и вырезания прорези шириной 0,01 дюйма в фильтровальной пластине можно добиться размера пор лишь 0,00005 квадратного дюйма. Еще меньших размеров пор можно достичь путем применения более тонких фильтровальных пластин, например пластины толщиной 0,003 дюйма. Кроме этого, для того, чтобы предоставить относительно высокую пористость при повышенных рабочих давлениях, предоставлен сепарационный модуль для герметичного соединения с источником массы жидкости, содержащей твердые частицы и находящейся под давлением, например шнековый пресс.
[0014] В одном аспекте сепарационный модуль содержит сборную выдерживающую давление камеру, и фильтрующий узел для герметичного приема массы, находящейся под давлением. Фильтрующий узел имеет предопределенный размер пор фильтра и предопределенную пористость.
Фильтрующий узел содержит по меньшей мере одну фильтровальную пластину, содержащую противоположные переднюю и заднюю поверхности, покровную пластину, сцепленную с передней поверхностью фильтровальной пластины, и опорную пластину, сцепленную с задней поверхностью фильтровальной пластины. Впускная, выпускная, фильтровальная, покровная и опорная пластины определяют сквозное центральное отверстие, герметично изолированное от сборной камеры для сообщения с цилиндром экструдера и блоком экструдера и для приема массы, находящейся под давлением. Фильтровальная пластина содержит по меньшей мере одну сквозную прорезь фильтра, проходящую от центрального отверстия в фильтровальную пластину, при этом прорезь фильтра герметично закрыта у передней и задней поверхностей покровной и опорной пластинами для образования канала фильтра, обладающего предопределенным размером пор фильтра. Прорезь фильтра ограничивает площадь отверстия, соответствующего предопределенному размеру пор. Каждый фильтровальный пакет имеет пористость, вычисленную из общей поверхности центрального отверстия, предопределенного размера пор и количества прорезей фильтра, при этом фильтрующий узел содержит количество фильтровальных пакетов, равное по меньшей мере предопределенной пористости/пористости фильтровального пакета. Опорная пластина содержит углубление для образования, совместно с задней поверхностью, сливного канала, который сообщается по текучей среде со сборной камерой и каналом фильтра. Для повышенной пористости фильтровальная пластина предпочтительно содержит множество отдельных прорезей фильтра для повышения пористости фильтрующего узла, и сливной канал сообщается по текучей среде со всеми прорезями фильтра. Для еще большего повышения пористости фильтрующего узла фильтрующий узел предпочтительно содержит несколько пар фильтровальных и опорных пластин, расположенных за покровной пластиной в виде набора чередующихся фильтровальных и покровных пластин, при этом каждая опорная пластина, размещенная между двумя фильтровальными пластинами, выполняет функцию опорной пластины для одной фильтровальной пластины и функцию покровной пластины для другой фильтровальной пластины. Путем чередования фильтровальных и опорных пластин повышают предельно допустимое давление сепарации фильтрующего узла. Путем применения опорных пластин, которые толще фильтровальных пластин, можно еще более повысить предельно допустимое давление фильтрующего узла. Подобным образом путем применения опорных и фильтровальных пластин большего диаметра можно повысить предельно допустимое давление фильтрующего узла.
[0015] В одном варианте осуществления сепарационный модуль прикреплен к цилиндру шнекового пресса, и размер центрального отверстия выбран таким образом, чтобы плотно размещать часть шнека экструдера пресса. Сепарационная выдерживающая давление камера присоединена впускным концом к цилиндру экструдера и выпускным концом к блоку экструдера. Вращающийся шнек экструдера плотно размещен в цилиндре экструдера и предпочтительно имеет малое допустимое отклонение от центрального отверстия фильтровального блока для непрерывного соскабливания сжатого материала с фильтрующей поверхности, одновременно создавая значительное давление сепарации. В случае если небольшое количество волокон застрянет на поверхности фильтра, они будут разрезаны элементами экструдера на меньшие куски и в результате пройдут через фильтр и наружу с потоком жидкости в виде очень мелких частиц. Это предоставляет устройство для сепарации твердых частиц/текучей среды, которое позволяет осуществлять сепарацию твердых и жидких частей материала в условиях высокого давления и температуры.
[0016] В другом аспекте сепарационный модуль для отделения жидкостей или газов от массы жидкости, содержащей твердые частицы и находящейся под давлением, содержит герметично закрывающийся корпус, содержащий герметизированную обшивку, образующую сборную камеру для жидкостей и газов; выпускное отверстие для жидкостей и выпускное отверстие в обшивке для соответствующего выпуска жидкостей и газов из сборной камеры; пластину впускного конца, прикрепленную с возможностью съема к впускному концу обшивки; пластину выпускного конца, прикрепленную с возможностью съема к выпускному концу обшивки, и по меньшей мере один фильтровальный пакет, содержащий фильтровальную пластину и опорную пластину, при этом фильтровальный пакет расположен между пластинами впускного и выпускного конца; при этом фильтровальная и опорная пластины содержат выровненное центральное отверстие, герметично изолированное от сборной камеры для размещения массы, находящейся под давлением, где фильтровальная пластина содержит по меньшей мере одну сквозную прорезь фильтра, проходящую от центрального отверстия в фильтровальную пластину и опорную пластину, образующую канал, который сообщается по текучей среде с прорезью фильтра и сборной камерой.
[0017] Предпочтительно герметично закрывающийся корпус содержит две или более пар фильтровальных и опорных пластин.
[0018] Предпочтительно фильтровальная пластина содержит множество прорезей фильтра.
[0019] Предпочтительно каждая опорная пластина содержит кольцевую канавку, которая сообщается по текучей среде со всеми прорезями фильтра смежной фильтровальной пластины.
[0020] Предпочтительно каждая из фильтровальных и опорных пластин содержит пару противоположных установочных ушек для выравнивания и взаимного соединения пластин. Каждое установочное ушко может содержать отверстие для размещения крепежного болта, для выравнивания и сжимания вместе набора фильтровальных и опорных пластин в непрерывный фильтровальный блок. В качестве альтернативы, отверстие для крепежного болта исключают из конструкции, и герметизированная обшивка содержит выступы на внутренней поверхности для выравнивания ушек и предотвращения вращения фильтровальных и опорных пластин относительно центрального отверстия.
[0021] В дополнительном аспекте настоящее раскрытие описывает применение сепарационного модуля для сепарации твердых частиц/текучей среды, как описано для обработки материала, содержащего твердую часть, жидкую часть и газовую часть, для отделения твердой части от жидкой и газовой частей.
[0022] В дополнительном аспекте настоящее изобретение относится к процессу предварительной обработки биомассы, в частности лигноцеллюлозной биомассы, перед гидролизом и ферментацией биомассы в целлюлозный этанол.
[0023] Другие аспекты и признаки настоящего изобретения станут очевидными специалисту в данной области при рассмотрении следующего описания определенных вариантов осуществления в сочетании с сопроводительными фигурами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0024] Для лучшего понимания вариантов осуществления, описанных в настоящей заявке, и для более понятной демонстрации способов их реализации далее будут приведены ссылки, исключительно в качестве примеров, на сопроводительные графические материалы, на которых изображены примеры вариантов осуществления, на которых:
[0025] на фиг. 1 изображен схематический вид установки для предварительной обработки целлюлозы, содержащей двойной шнековый экструдер с сепарационным модулем для сепарации твердых частиц и жидкости.
[0026] На фиг. 2 схематически изображен вариант осуществления сепарационного модуля двойного шнекового экструдера для разделения твердых частиц/текучей среды в разобранном состоянии;
[0027] на фиг. 3 изображен в разобранном состоянии сепарационный модуль для сепарации твердых частиц/текучей среды, изображенный на фиг. 2;
[0028] на фиг. 4 изображена фильтровальная (пальцевая) пластина сепарационного модуля, содержащая узкие прорези фильтра в качестве сливных каналов;
[0029] на фиг. 5 изображен увеличенный местный вид фильтровальной (пальцевой) пластины по фиг. 4;
[0030] на фиг. 6 изображена фильтровальная (пальцевая) пластина сепарационного модуля, содержащая более широкие прорези фильтра, чем в варианте осуществления по фиг. 4 и 5;
[0031] на фиг. 7 изображена правосторонняя опорная пластина согласно варианту осуществления по фиг. 3;
[0032] на фиг. 8 изображен вид в поперечном сечении опорной пластины по фиг. 7, выполненном вдоль линии В-В;
[0033] на фиг. 9 изображен вид в поперечном сечении опорной пластины по фиг. 7, выполненном вдоль линии А-А;
[0034] на фиг. 10 изображена левосторонняя опорная пластина согласно варианту осуществления по фиг. 3;
[0035] на фиг. 11 изображен вид в изометрии пары фильтровальных и опорных пластин согласно фиг. 6 и 7;
[0036] на фиг. 12 изображен вид в поперечном сечении пары фильтровальных и опорных пластин по фиг. 11, выполненном вдоль линии С-С; и
[0037] на фиг. 13 изображено распределение размера частиц, обнаруженных в фильтрате, полученном при помощи одного варианта осуществления сепарационного модуля.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0038] Следует понимать, что для простоты и ясности изображения номера ссылок могут повторяться на разных фигурах, где это уместно, для того, чтобы обозначить соответствующие или аналогичные элементы или этапы. Помимо этого изложены многочисленные характерные детали для того, чтобы обеспечить полное понимание примеров вариантов осуществления, описанных в настоящей заявке. Тем не менее, специалисту в данной области будет очевидно, что варианты осуществления, описанные в настоящей заявке, могут быть реализованы на практике без данных характерных деталей. В других случаях хорошо известные способы, процедуры и компоненты не были подробно описаны с тем, чтобы не уменьшать ясность описания вариантов осуществления, изложенных здесь. Кроме этого, данное описание не должно расцениваться как ограничивающее каким-либо образом объем вариантов осуществления, описанных в настоящей заявке, но как лишь описывающие реализацию различных вариантов осуществления, описанных в настоящей заявке.
[0039] Как изображено на фиг. 1, простая система 2 непрерывной предварительной обработки целлюлозного этанола согласно настоящему изобретению состоит лишь из трех машин. Первый экструдер 4 применяют в качестве непрерывного высокого подающего устройства/смесителя высокого давления, создающего уплотнение, для биомассы. Экструдер 4 подает биомассу в вертикальный реактор 6 и обеспечивает герметичную заглушку для реактора 6. Вертикальный реактор 6 способен обеспечивать длительную продолжительность пребывания. Вертикальный реактор 6 подает биомассу во второй экструдер 8, предпочтительно двойной шнековый экструдер. Процесс предварительной обработки включает протекание биомассы через первый экструдер 4, вертикальный реактор 6 и второй экструдер 8.
[0040] Экструдер 4, который также может представлять собой двойной шнековый экструдер, применяют для предоставления непрерывной подачи в вертикальный реактор 6, находящийся под давлением. Смешивание различных химических веществ в экструдере 4 является возможным в зависимости от типа сырьевого материала. Процесс предварительной обработки включает смешивание в первом экструдере 4 биомассы с водой или технологическими химическими веществами для получения увлажненной биомассы, находящейся под давлением. Экструдер 4 содержит автоматический клапан, который закрывается при снижении подачи для того, чтобы предотвратить снижение давления в случае потери сырьевого материала.
[0041] Вертикальный реактор 6 способен работать с различными химическими веществами при манометрических давлениях до 350 фунтов/кв. дюйм и температурах до 425°F (220°С) в зависимости от биомассы. Продолжительность пребывания в вертикальном реакторе 6 может колебаться от нескольких минут до многих часов в зависимости от биомассы. Процесс предварительной обработки включает обработку увлажненной биомассы в реакторе 6 технологическими химическими веществами и паром для создания биомассы, прошедшей частичную предварительную обработку.
[0042] Частично обработанную биомассу выпускают из вертикального реактора 6 во второй экструдер 8 в зоне 10 подачи под давлением. Во втором экструдере 8 большая часть твердой биомассы перемещается к выпускному концу (правая сторона на фиг. 1), и небольшую часть направляют обратно для создания герметичного уплотнения на приводных валах. Во втором экструдере 8 создают более высокие давления, чем в первом реакторе, как того требуют различные биомассы, и процесс предварительной обработки завершают двумя, тремя или более отдельными процессами в зависимости от биомассы.
[0043] Промывочная жидкость (вода, аммиак или другая) перемещается против направления или по направлению потока биомассы, содержащей твердые частицы (влево на фиг. 1), так что биомасса промывается наиболее чистой жидкостью в конце экструдера перед этапом удаления экстрактивных веществ. Система 2 содержит приспособление для впрыска промывочной жидкости по меньшей мере в одну ступень второго экструдера 8 и вверх по потоку относительно сепарационного модуля, расположенного рядом с выпускным концом второго экструдера 8. Процесс включает повторяющиеся этапы промывки перед этапом удаления экстрактивных веществ, при этом второй экструдер 8 содержит несколько сепарационных модулей и приспособлений для впрыска промывочной жидкости для обеспечения последовательных промывочных секций. Газы или сверхкритические текучие среды, такие как диоксид углерода, могут быть впрыснуты в выпускной конец для улучшения взрывной силы, как необходимо в зависимости от обрабатываемой биомассы, для создания расширенной, или вспученной, биомассы. На выпускном конце могут быть использованы различные шнеки экструдера и/или другой реакционный резервуар, и/или регулирующий клапан, и/или вращающееся сопло для создания динамического уплотнения и взрывной силы, необходимой для различных типов биомассы при различных давлениях и содержании сухого вещества. При взрывном расширении биомассы от одного из данных устройств, расположенных на выпускном конце, циклон или другое отделительное устройство используют для сбора выбрасываемых твердых частиц, а также любых газов. Процесс также включает разделение вспученной биомассы на твердые частицы и газы.
[0044] При попадании во второй экструдер 8 большую часть биомассы переносят вперед, в то время, как небольшую часть переносят назад для создания динамического герметичного уплотнения для предотвращения утечки из вертикального реактора 6. Второй экструдер 8 содержит несколько ступеней, при этом по меньшей мере одна ступень содержит сепарационный модуль согласно данному изобретению. Биомасса входит в стадию 1 обработки, как изображено на фиг. 1, и подвергается воздействию зоны начальной противоточной фильтрации при повышенном давлении и повышенной температуре с помощью первого устройства 12 для сепарации твердых частиц/текучей среды, как будет описано подробнее со ссылками на фиг. 2-13. На данной стадии некоторой биомассе необходим лишь отжим экстрактивных веществ и гемицеллюлозного сиропа и может не требоваться вода для промывки. В устройстве для сепарации твердых частиц/текучей среды жидкий гемицеллюлозный сироп и/или экстрактивные вещества удаляют с регулируемой толщиной осадка путем использования различных элементов шнека. Проницаемость, размер пор, площадь фильтра и номинальное давление регулируют путем применения разных конструкций фильтровальных пластин в зависимости от типа обрабатываемой биомассы. Давление и мгновенное испарение жидкости регулируют путем применения испарительного резервуара 16, управляемого давлением.
[0045] После выхода из первого устройства 12 для сепарации твердых частиц/текучей среды биомассу перемещают вперед (вправо на фиг. 1) и нагревают с помощью пара / воды под высоким давлением из передней области и создают давление посредством сжатия / перемещение посредством различных элементов шнека. На стадии 2 процесса, изображенной на фиг. 1, биомассу подвергают смешиванию / растиранию под высоким давлением с переменной энергией сдвига для различных биомасс для того, чтобы улучшить предварительную обработку, при помощи растирающей и перемешивающей конструкций второго экструдера 8. Конечную противоточную фильтрацию при повышенном давлении и повышенной температуре (может быть выполнен лишь отжим частичного гемицеллюлозного сиропа и экстрактивных веществ, но не противоточная промывка, как того требуют некоторые типы биомассы) жидкой гемицеллюлозы осуществляют с регулируемой толщиной осадка путем использования различных элементов шнека. Проницаемость, размер пор, площадь фильтра и номинальное давление регулируют путем выбора фильтровальных пластин соответствующей конструкции во втором устройстве 14 для сепарации твердых частиц/текучей среды в зависимости от типа обрабатываемой биомассы. Давление и мгновенное испарение жидкости регулируют путем использования испарительного резервуара 16, управляемого давлением.
[0046] На стадии 3 процесса биомассу подвергают воздействию тепла и давления посредством сжатия/перемещения с помощью различных элементов шнека экструдера. Энергию сдвига сообщают биомассе для улучшения доступности для ферментов, что необходимо для улучшения предварительной обработки различных биомасс. Смешивание / растирание биомассы под высоким давлением с переменной энергией сдвига для различных биомасс используют для улучшения предварительной обработки. Средний цикл с высоким давлением и высокой температурой (или заключительный цикл, в зависимости от биомассы) может быть применен с помощью прямоточной или противоточной фильтрации жидкого гемицеллюлозного сиропа с регулируемой толщиной осадка путем использования различных элементов шнека. Проницаемость, размер пор, площадь фильтра и номинальное давление регулируют путем выбора соответствующих фильтровальных пластин в третьем сепараторе 18 для сепарации твердых частиц/текучей среды, подходящих свойствам биомассы. Давление и мгновенное испарение жидкости регулируют путем использования испарительного резервуара 16, управляемого давлением.
[0047] На стадии 4 процесса, изображенной на фиг. 1, биомассу подвергают воздействию тепла и давления посредством сжатия/перемещения с помощью различных элементов шнека экструдера. Смешивание / растирание биомассы под высоким давлением с переменной энергией сдвига может быть выбрано для различных биомасс. На стадии 4 процесса биомассу смешивают с водой или другими текучими средами/растворами под высоким давлением для стадии заключительной промывки. Другие текучие среды могут содержать молекулы, которые представляют собой газ при комнатной температуре, такой как жидкий СО2 под высоким давлением, которые становятся сверхкритическими внутри экструдера из-за повышенной температуры, или аммиака, который будет представлять собой газ высокого давления.
[0048] Твердую волокнистую биомассу затем перемещают под наивысшим давлением системы через второй экструдер 8 и одно из альтернативных динамических уплотнений и выходит при управляемой взрывной декомпрессии сжатых газов, таких как пар, аммиак или сверхкритические текучие среды, внутри волокон у выпускного конца двойного шнекового экструдера в устройство для сепарации твердых частиц / газа (циклон или др.). При использовании жидкого CO2 под высоким давлением сверхкритическая природа данной текучей среды при ее нагреве биомассой проникает во внутренние компоненты твердых волокон, подобно газу, и приводит к частичному течению текучей среды вверх по потоку противоположно эпюре давления твердых частиц, так же, как это делает газ. Данная сверхкритическая текучая среда внутри волокна прикладывает взрывную силу изнутри большинства волокон, намного большую, чем стандартный газ при выходе из экструдера через динамическое уплотнение, модифицируя твердые частицы целлюлозы и тем самым увеличивая доступность для ферментов. Также на выпуске двойного шнека расположен автоматический регулирующий клапан, который применяют для поддержания в системе некоторого давления при снижении подачи или потере мощности.
[0049] Один вариант осуществления безмембранного сепарационного модуля 100 для сепарации твердых частиц/текучей среды согласно изобретению изображен на фиг. 2 и 3, при этом данный модуль способен выдерживать очень высокие усилия внутреннего манометрического давления (до 5000 фунтов/кв. дюйм). Данный сепарационный модуль для сепарации твердых частиц/текучей среды может быть использован в процессе и в установке по фиг. 1 и одновременно может обладать способностью регулировать проницаемость/пористость (фильтрационную способность) с помощью различных конфигураций фильтровальных пластин и различной толщины пластин, как этого требует тип обрабатываемой биомассы/обрабатываемых твердых частиц.
[0050] В одном варианте осуществления, как изображено на фиг. 2, сепарационный модуль 100 для сепарации твердых частиц/текучей среды применяют совместно со шнековым прессом и устанавливают его между цилиндром 500 двойного шнекового экструдера и блоком 520 экструдера шнекового пресса. Модуль 100 отделяет текучие среды (жидкость и/или газ) от жидкости, содержащей массу твердых частиц, сжатых шнековым прессом, предпочтительно до манометрических давлений свыше 100 фунтов/кв. дюйм. Сепарационный модуль 100 содержит сборную камеру 200 и фильтрующий узел 300, обладающий пористостью от 5% до 40% (отношение общей площади поверхность пор к общей площади фильтрующей поверхности). Предпочтительно модуль 100 выдерживает рабочие манометрические давления до 5000 фунтов/кв. дюйм при пористости фильтра от 5 до 40%, более предпочтительно от 11 до 40%. Фильтрующий узел 300 предпочтительно содержит множество пор фильтра размером пор от 0,00003 до 0,005 квадратного дюйма.
[0051] В предпочтительном варианте осуществления фильтрующий узел 300 содержит поры фильтра размером 0,00005 квадратного дюйма для отделения мелких твердых частиц, а также обладает пористостью 5,7% и сопротивлением манометрическому давлению 2500 фунтов/кв. дюйм. В другом варианте осуществления фильтрующий узел 300 содержит поры фильтра размером 0,005 квадратного дюйма, а также обладает пористостью 20% и сопротивлением манометрическому давлению 5000 фунтов/кв. дюйм. В дополнительном предпочтительном варианте осуществления фильтрующий узел 300 содержит поры размером 0,00005 квадратного дюйма и обладает пористостью 11,4%. В еще одном предпочтительном варианте осуществления фильтрующий узел 300 содержит поры размером 0,005 квадратного дюйма и обладает пористостью 40%.
[0052] Основная конструкция сепарационного модуля 100 изображена на фиг. 2 и 3. Сборную камеру 200, которая способна выдерживать наивысшее давление любого компонента, используют для сепарации отфильтрованных текучих среда на газы и жидкость. Сборная камера образована герметизированной обшивкой или корпусом 220 и пластинами 230 и 240 впускного и выпускного конца. Жидкость можно слить из сборной камеры 200 через канал 221 для отвода жидкости, предпочтительно расположенный в самой нижней точке герметизированной обшивки 220. Герметизированная обшивка 220 также содержит множество выравнивающих выступов 223, проходящих параллельно продольной оси обшивки на внутренней стороне обшивки, для выравнивания фильтровальных и опорных пластин внутри сборной камеры 200. Газ, скопившийся в сборной камере 200, можно выпустить из камеры через канал 222 для отвода газа, предпочтительно расположенный в самой верхней точке герметизированной обшивки 220. Сборная камера 200 высокого давления герметизирована с помощью кольцевых уплотнений 250, расположенных между осевыми концами герметизированной обшивки 220 и концевыми пластинами 230, 240. Данные возможности, связанные с высоким давлением / высокой температурой, позволяют промывать биомассу текучими средами, такими как аммиак, СО2 и вода, которые обычно находятся в газообразном состоянии, при рабочих температурах процесса от 50 до 250°С и давлениях. Сепарационный модуль скреплен сборочными болтами 225, расположенными снаружи герметизированной обшивки 220 для того, чтобы прижать друг к другу концевые пластины 230, 240 и зажать между ними герметизированную обшивку 220 и кольцевые уплотнения 250. Зажимные болты 129 фильтрующего узла (см. фиг. 2) также могут быть использованы для того, чтобы сжимать вместе фильтровальные пакеты 321, 322 в фильтрующем узле 300, расположенные в ряд вплотную друг к другу. В предпочтительном варианте осуществления зажимные болты фильтрующего узла проходят через концевые пластины 230, 240 и обеспечивают дополнительное сжимание сепарационного модуля 200. Зажимные болты 129 фильтрующего узла также могут проходить через блок 520 экструдера для присоединения блока экструдера к сепарационному модулю. Тем не менее, для минимизации количества точек проникновения в сепарационном модуле 200, который должен быть надежно герметизирован для поддержания давления в сборной камере 200, крепежные болты 129 фильтрующего узла исключены из конструкции и все сжимание деталей сепарационного узла достигают с помощью крепежных структур, таких как болты 225, расположенных снаружи герметизированной обшивки. В зависимости от используемых давлений некоторые газы могут быть отделены сразу в сборной камере 200, или при некоторых обстоятельствах (как изображено на фиг. 1) может быть использован отдельный резервуар для мгновенного испарения для оптимизации общей эффективности процесса.
[0053] Фильтрующий узел 300 содержит несколько блоков 320 пластин, собранных из набора основных фильтровальных пакетов 321, 322 согласно изобретению, комбинацию фильтровальной пластины 120, помещенной напротив опорной пластины 160, 180, которые далее описаны более подробно со ссылками на фиг. 4-12. Имеются правосторонние фильтровальные пакеты 321, содержащие фильтровальную пластину 120 и правостороннюю опорную пластину 160, и левосторонние фильтровальные пакеты 322, содержащие фильтровальную пластину 120 и левостороннюю опорную пластину 180.
[0054] В одном аспекте сепарационный модуль содержит сборную выдерживающую давление камеру 200 и фильтрующий узел 300 для герметичного размещения массы, находящейся под давлением (не изображен). Фильтрующий узел 300 имеет предопределенный размер пор фильтра и предопределенную пористость. Фильтрующий узел 300 содержит по меньшей мере одну фильтровальную пластину 120, содержащую противоположные переднюю и заднюю поверхности 121, 123, покровную пластину 230, сцепленную с передней поверхностью 121 фильтровальной пластины 120, и опорную пластину 160, 180, сцепленную с задней поверхностью 123 фильтровальной пластины 120. Фильтровальная, покровная и опорная пластины (120, 230, 160/180) определяют сквозное центральное отверстие 128, герметично изолированное от сборной камеры 200 для приема массы, находящейся под давлением (не изображена). Фильтровальная пластина 120 содержит по меньшей мере одну сквозную прорезь 132 фильтра, проходящую от центрального отверстия 128 в фильтровальную пластину, при этом прорезь 132 фильтра герметично закрыта у передней и задней поверхностей 121, 123 покровной и опорной пластинами 230, 160/180 для образования канала фильтра, обладающего предопределенным размером пор фильтра. Опорная пластина 160/180 содержит углубление 164 для образования, совместно с задней поверхностью 123, сливного канала, который сообщается по текучей среде со сборной камерой 200 и прорезью 132 фильтра (см. фиг. 11 и 12). Для повышенной пористости фильтровальная пластина 120 предпочтительно содержит множество отдельных прорезей 132 фильтра, и сливной канал 164 сообщается по текучей среде со всеми прорезями 132 фильтра. Для еще большего повышения пористости фильтрующего узла фильтрующий узел предпочтительно содержит несколько пар фильтровальных и опорных пластин (120, 160/180), расположенных за покровной пластиной 230 в виде набора чередующихся фильтровальных и покровных пластин, при этом каждая опорная пластина 160/180, размещенная между двумя фильтровальными пластинами 120, выполняет функцию опорной пластины для одной фильтровальной пластины и функцию покровной пластины для другой фильтровальной пластины. Путем чередования фильтровальных и опорных пластин (120, 160/180) повышают предельно допустимое давление сепарации фильтрующего узла 300. Путем использования опорных пластин 160/180, которые толще фильтровальных пластин 120, можно еще более повысить предельно допустимое давление фильтрующего узла 300.
[0055] В варианте осуществления по фиг. 2 сепарационный модуль 100 прикреплен к цилиндру 500 шнекового пресса, и размер центрального отверстия 128 выбран таким образом, чтобы плотно размещать часть шнека пресса (не изображен). Шнек шнекового пресса обычно имеет очень малое допустимое отклонение от центрального отверстия 128 фильтровального блока 300 и непрерывно соскабливает сжатый материал с фильтрующей поверхности, одновременно создавая значительные давления сепарации. В случае если небольшое количество волокон застрянет на поверхности фильтра, они будут разрезаны шнеками экструдера на меньшие куски и в результате пройдут через фильтр и наружу с потоком жидкости в виде очень мелких частиц. Это предоставляет устройство для сепарации твердых частиц/текучей среды, которое позволяет осуществлять сепарацию твердых и жидких частей материала в условиях высокого давления и температуры.
[0056] Благодаря тому, что шнек экструдера трется о поры 134 фильтра по касательной, устройство для сепарации менее подвержено забиванию. Благодаря повышенной пористости и сопротивлению давления сепарационного модуля 100 согласно изобретению, содержание сухого вещества в сухой части продукта может составлять до 90%, и одновременно добиваются относительно чистой жидкой части благодаря малому размеру пор с содержанием взвешенных твердых частиц, не превышающим 1%. Очевидно, что сепарационный модуль для сепарации твердых частиц/текучей среды согласно изобретению может быть использован во многих различных вариантах применения для сепарации твердых частиц/текучей среды материала.
[0057] В пробном испытании на непрерывной основе 100 г единиц биомассы, содержащей 40 г твердых частиц и 60 г воды, промыли 40 г воды и затем жидкость выжали из фильтра с применением внутреннего усилия, равного 600 фунтов/кв. дюйм, при температуре 100С для получения сухого продукта биомассы (твердой части биомассы, содержащей твердые частицы и жидкость), содержащего 39 г взвешенных твердых частиц и 5 г воды. Фильтрат, содержащий 95 г воды, был относительно чистым и содержал лишь 1 г взвешенных твердых частиц со средним размером частиц, равным 5 микрон, и распределением частиц, как показано на фиг. 13.
[0058] Кроме этого, так как устройство для сепарации твердых частиц/текучей среды настоящего изобретения меньше подвержено засорению, снижается потребность в техническом обслуживании, которое периодически требуется известным устройствам для сепарации. Таким образом, устройство для сепарации твердых частиц/текучей среды может быть применено в процессе с меньшим простоем и меньшим техническим обслуживанием, что приводит к увеличению производительной способности и снижению затрат.
[0059] На фиг. 4 изображена фильтровальная пластина 120 тонкой очистки, содержащая круговую среднюю секцию 122, присоединенную к первому опорному ушку 124 и второму опорному ушку 126. Круговая средняя секция 122 содержит центральное отверстие 128 в форме цифры восемь для плотного расположения шнеков двойного шнекового пресса. Фильтровальная пластина 120 содержит переднюю поверхность 121 и заднюю поверхность 123. Центральное отверстие 128 окружено множеством тонких пальцев 130 и промежуточными прорезями 132 фильтра. Для достижения максимальной эффективности сепарации твердых частиц/текучей среды желательно минимизировать размер пор фильтра и одновременно максимизировать фильтр. Минимизация размера пор в обычных шнековых прессах является сложной задачей из-за необходимости вырезания цилиндрических каналов в обшивке фильтра. Данную проблему решают с помощью фильтрующего узла согласно изобретению, где поры фильтра выполнены простым вырезанием прорези 132 в тонкой фильтровальной пластине 120. Прорезь 132 фильтра выполняют вдоль всей толщины пластины 120, и таким образом в настоящем описании она обозначена термином «сквозная прорезь». Очень малых пор фильтра можно добиться с помощью фильтровальных пластин 120 согласно изобретению путем использования очень тонких фильтровальных пластин 120 и очень тонких прорезей 132, как изображено на фиг. 4 и 5. Например, путем использования фильтровальной пластины толщиной 0,005 дюйма и вырезания прорези шириной 0,01 дюйма в фильтровальной пластине можно добиться размера пор лишь 0,00005 квадратного дюйма. Для еще более тонкой фильтрации используют фильтровальную пластину толщиной 0,003 дюйма с прорезью фильтра шириной 0,01 дюйма, в результате чего размер пор составляет лишь 0,00003 квадратного дюйма.
[0060] Как изображено на фиг. 5, форма и расположение очень тонких прорезей 132 и промежуточных тонких пальцев 130 выбраны таким образом, чтобы они предоставляли прорези фильтра, проходящие от центрального отверстия 128 в фильтровальную пластину 120 и к внешней части средней секции 122. Предпочтительно все концы прорезей 132 фильтра расположены по кругу, концентрично с внешним краем круговой средней секции 122 и удаленном от него. Для улучшения протекания жидкости через сливные каналы тонкой очистки каналы являются суженными у своего внутреннего конца 134, ведущего в центральное отверстие 128 и расширяются раструбом наружу к их внешнему концу 136.
[0061] Фильтровальная пластина 120 расположена напротив опорной пластины, как изображено на фиг. 11 и 12. Это будет более подробно описано ниже. Имеется два типа опорных пластин: левосторонние опорные пластины 160, как изображено на фиг. 7, и правосторонние опорные пластины 180, как изображено на фиг. 10. Левосторонние и правосторонние опорные пластины 160, 180 обладают одинаковой принципиальной конструкцией и содержат круговую центральную часть 162, 182 с центральным отверстием 128 и установочными ушками 190, 192, проходящими из центральной части 162, 182. Единственное различие между левосторонними и правосторонними опорными пластинами заключается в ориентации установочных ушек 190, 192 относительно центрального отверстия 128, при этом ушки проходят под углом 45 градусов вправо относительно поперечной оси центрального отверстия 128 в правосторонней опорной пластине 160 и под углом 45 градусов влево в левосторонней опорной пластине 180. Таким образом, левосторонние и правосторонние опорные пластины применяют для создания смещения на 90 градусов в схеме крепления пластин и для предоставления средства для слива жидкости в нижнюю часть сборной камеры, и течения газов в верхнюю часть сборной камеры, если определенная биомасса требует отделения жидкости/газа на данной стадии. Количество нескольких последовательных правосторонних пластин (или наоборот, левосторонних пластин) с промежуточными фильтровальными пластинами обычно соответствует толщине по меньшей мере 0,25 дюйма, но может достигать 1 дюйма, в зависимости от общего количества пластин.
[0062] Форма установочных ушек 124, 126 фильтровальных пластин и установочных ушек 190, 192 опорных пластин позволяет плотно размещать их между парами выравнивающих выступов 223, установленных на внутренней стенке герметизированной обшивки 220. Каждый тип опорной пластины содержит периферическую канавку 164, выполненную посредством машинной обработки, на центральной части 162, 182, как видно на фиг. 7-9 и 10, при этом поперечные сечения левосторонней опорной пластины 180 идентичны поперечным сечениям правосторонней опорной пластины 180, изображенной на фиг. 8 и 9. Периферическая канавка 164 расположена таким образом, чтобы соответствовать внешним краям 136 прорезей 132 фильтра в фильтровальной пластине 120 (см. фиг. 4-6), когда фильтровальная пластина 120 и опорная пластина 160, 180, расположены вплотную друг к другу, при этом центральное отверстие 128 выровнено, как изображено на фиг. 11 и 12.
[0063] На фиг. 11 и 12 изображен наиболее простой фильтровальный пакет согласно изобретению, при этом фильтровальная пластина 120 и опорная пластина 160 сцеплены с задней поверхностью 123 фильтровальной пластины. Текучие среды (жидкость и/или газ), заключенные в массе, находящейся под давлением (не изображена) и подаваемой через центральное отверстие 128, принудительно направляют посредством давления сепарации через прорези 132 фильтра (см. стрелки). В конце 136 прорези фильтра текучую среду перенаправляют в периферическую канавку 164 в опорной пластине 160 и из периферической канавки 164 в сборную камеру (см. фиг. 11, 12 и 3). Таким образом, фильтровальная пластина 120 тонкой очистки может отфильтровывать жидкость и очень малые частицы, которые проходят через прорези 132 фильтра в направлении, поперечном потоку биомассы через центральное отверстие 128 в форме цифры восемь.
[0064] Противоположно конфигурации пластины с более крупными порами, такой как изображена на фиг. 6, которая подходит для более крупных частиц / волокон целлюлозной биомассы, фактором, ограничивающим пористость, является толщина фильтровальной пластины. Относительно целлюлозной биомассы было обнаружено, что данная конфигурация фильтровальной пластины для более грубой очистки предоставляет хорошую сепарацию твердых частиц и жидкости и одновременно минимизирует площадь поверхности и количество пластин, необходимое для достижения такой же сепарации жидкости при таком же внутреннем давлении, что и с фильтровальной пластиной для тонкой очистки по фиг. 4.
[0065] Как изображено на фиг. 6, фильтровальная пластина 140 для грубой очистки, содержащая более крупные поры, содержит круговую среднюю секцию 142 фильтра, присоединенную к первому опорному ушку 144 и второму опорному ушку 146. Круговая средняя секция 142 фильтра содержит центральное отверстие 128 в форме цифры восемь, образованное множеством более крупных пальцев 130 между прорезями 132 фильтра, выполненными через фильтровальную пластину 140. Как изображено на фиг. 6, более крупные пальцы 130 расположены между сливными каналами 132 грубой очистки.
[0066] Фильтровальная пластина 140 для грубой очистки может быть расположена напротив опорной пластины, такой как левосторонняя опорная пластина 160, изображенная на фиг. 7, для получения фильтровального пакета, как изображено на фиг. 11 и 12.
[0067] В целом, при более высоком предельно допустимом давлении можно выжать больше жидкости из твердых частиц или, для такой же сухости материала можно достичь более высокой производительности на единицу площади фильтрации.
[0068] Качество фильтрации (улавливания твердых частиц) можно регулировать в зависимости от конфигураций и толщины пластин. Фильтрация / номинальное давление / капитальные затраты могут быть оптимизированы в зависимости от требований к фильтрации определенной биомассы. Конфигурации пластин могут быть установлены в экструдер (одинарный, двойной или тройной шнек) для создания высокого давления, высокой пропускной способности и непрерывной сепарации. Сепарационный модуль для сепарации твердых частиц/текучей среды является самоочищающимся (для двойных и тройных шнеков) благодаря счищающему свойству шнеков и поперечному характеру движения потока. Площадь фильтрации является изменяемой в зависимости от требований процесса, поскольку длина пакета пластин может быть легко отрегулирована в соответствии с определенными требованиями. Модуль может быть использован для промывки твердых частиц в прямоточной или противоточной конфигурации на одной или нескольких ступенях в одной установке, что снижает капитальные затраты и потребность в энергии. При необходимости давление жидкого фильтрата можно регулировать от состояния вакуума до давления, превышающего внутреннее манометрическое давление фильтровального блока (от 2000 до 3000 фунтов/кв. дюйм). Это предоставляет значительную эксплуатационную гибкость для выполнения дальнейших сепараций в потоке жидкости (например, потоке сверхкритического CO2 под высоким давлением, жидкого аммиака, используемого для промывки под высоким давлением, или выброса летучих органических соединений и аммиачных газов в камере жидкого фильтрата с помощью вакуума). Высокое предельно допустимое обратное давление (выше внутреннего давления фильтровального блока) может быть использовано для обратной промывки фильтра при эксплуатации в ходе засорения или образования накипи в фильтре, минимизируя время простоя.
Пористость фильтра тонкой очистки
[0069] Размер пор для тонкой очистки равен толщине пластины для тонкой очистки, умноженной на ширину прорези в ее устье. В фильтровальной пластине по фиг. 4 размер пор равен 0,005″ (толщина пластины) × 0,010″ (ширина прорези в ее устье) = 0,00005 квадратного дюйма на каждую пору. На каждой пластине расположены 144 поры, что дает общую площадь пор, равную 0,0072 квадратного дюйма площади живого сечения на одну пластину.
[0070] В экспериментальной установке, использующей небольшой двойной шнековый экструдер диаметром 1 дюйм, данная пальцевая пластина была спарена с одной опорной пластиной толщиной 0,020″, что дает в результате общую площадь фильтра, равную 0,1256 квадратного дюйма. Следовательно, общую площадь живого сечения данного одного комплекта экспериментальных пластин (фильтровальный пакет) вычисляют как 0,0072/0,1256=5,7%. При данной пористости пара экспериментальных пластин (опорные пластины толщиной 0,020″) была способна выдерживать манометрическое давление сепарации 2500 фунтов/кв. дюйм. Пакет экспериментальных пластин толщиной 1 дюйм содержал 40 фильтровальных пластин × 0,0072 квадратного дюйма = 0,288 квадратного дюйма площади живого сечения. Это равняется трубе диаметром более 0,5″ что достижимо в пределах отрезка длины экструдера, равного лишь 1 дюйм в примененном экструдере небольшого диаметра, равного 1″.
Пористость фильтра грубой очистки
[0071] В примененной экспериментальной фильтровальной пластине грубой очистки, как изображено на фиг. 6, относительно фильтровальной способности и пути течения жидкости, ширина прорезей фильтра была по существу такой же, что и толщина фильтровальной пластины, что дает в результате последовательность осевых канавок. Общая площадь живого сечения одного комплекта пластин (фильтровальная пластина грубой очистки + опорная пластина) представляет собой соотношение толщины пластины, которое в данном случае = 0,005/0,025=20% или примерно в 4 раза больше площади живого сечения системы фильтровальных пластин тонкой очистки. Используя пластины грубой очистки в пакете пластин толщиной 1″, общим количеством 40 пальцевых пластин, была получена площадь живого сечения 40×0,0209 квадратного дюйма на одну пластину = 0,837 квадратного дюйма площади живого сечения. Это больше трубы диаметром 1″ дюйма, что достижимо в пределах отрезка длины экструдера, равного 1 дюйм в примененном экструдере небольшого диаметра, равного 1″.
[0072] Для обоих типов пластин пористость можно значительно увеличить, уменьшая толщину опорных пластин одновременно сохраняя такую же толщину фильтровальной пластины. Уменьшение толщины опорной пластины на 50% удвоит пористость фильтрующего узла. Одновременно прочность фильтрующего узла будет уменьшаться при уменьшении толщины опорной пластины, но этому можно противодействовать путем увеличения общего диаметра опорных пластин, что слегка увеличит путь течения жидкости, но сохранит такую же площадь живого сечения.
[0073] Применение фильтровальных пластин 120 для изготовления фильтровального модуля способствует экономичному изготовлению фильтра, поскольку могут быть применены экономичные способы производства. Пластины могут подвергаться лазерной резке, или пластины для более грубой фильтрации могут быть штампованными. Общие затраты на оборудование для предварительной обработки биомассы также снижены благодаря возможности осуществления нескольких этапов процесса в одной установке. Сепарационный модуль для сепарации твердых частиц/текучей среды может одновременно выполнять трехфазную сепарацию.
[0074] Тип материала, используемого для изготовления фильтрующего узла, может быть приспособлен для различных условий процесса. Например, в условиях низкого рН/коррозии могут быть использованы такие материалы, как титан и сплавы с высоким содержанием никеля и молибдена.
[0075] В частности, авторы изобретения разработали устройство для сепарации твердых частиц/текучей среды, которое разделяет твердую и жидкую часть материала и менее подвержено засорению по сравнению с известными устройствами для сепарации твердых частиц/текучей среды. Предусмотрено, что устройство для сепарации твердых частиц/текучей среды может быть использовано во многих различных вариантах применения для сепарации твердых частиц/текучей среды материала. Кроме этого, так как устройство для сепарации твердых частиц/текучей среды настоящего изобретения меньше подвержено засорению, снижается потребность в техническом обслуживании, включая обратную промывку, которое периодически требуется известным устройствам. Таким образом, устройство для сепарации твердых частиц и текучей среды может быть применено в процессе с меньшим временем простоя и меньшим техническим обслуживанием, что приводит к увеличению производительной способности и снижению затрат.
[0076] В описанном устройстве для сепарации твердых частиц/текучей среды элементы шнека, которые перемещают материал внутри устройства для сепарации, имеют очень малое допустимое отклонение от внутренней поверхности фильтровального блока и непрерывно соскабливают материал с фильтрующей поверхности. В случае если небольшое количество волокон застрянет на поверхности фильтра, они будут разрезаны элементами экструдера на меньшие куски и в результате пройдут через фильтр и наружу с потоком жидкости.
[0077] Общее количество пар пластин (пальцевых и опорных пластин) может изменяться в зависимости от биомассы и регулировать общую площадь фильтра. При одинаковых условиях сепарации жидкости для меньших пор необходимо больше пластин/большая площадь поверхности Размер пор регулирует количество твердых частиц, проходящих в жидкую часть. Каждой биомассе нужен определенный размер пор для получения определенного улавливания твердых частиц (количества взвешенных твердых частиц в жидком фильтрате).
[0078] Хотя в данной заявке были описаны и изображены определенные варианты осуществления, следует также понимать, что описанные система, установка и способ не ограничиваются данными определенными вариантами осуществления. Вместо этого следует понимать, что все варианты осуществления, которые представляют собой функциональные или механические эквиваленты определенных вариантов осуществления и признаков, описанных и изображенных в настоящей заявке, включены в настоящее изобретение.
[0079] Следует понимать, что, хотя различные признаки были описаны в отношении одного или иного варианта осуществления, различные признаки и вариант осуществления могут быть скомбинированы или использованы в сочетании с другими признаками и вариантами осуществления, описанными и изображенными в настоящей заявке.
1. Сепарационный модуль для сепарации твердых частиц/текучей среды для сепарации массы текучей среды, находящейся под давлением и содержащей твердые частицы, содержащий:
сборную выдерживающую давление камеру и по меньшей мере один фильтрующий узел для отделения текучей среды от массы, находящейся под давлением, и направления текучей среды в сборную камеру;
фильтрующий узел, образующий центральное отверстие, герметично изолированное от сборной камеры, для размещения массы, находящейся под давлением, и содержащий фильтровальный пакет, состоящий из фильтровальной пластины, содержащей сквозную прорезь фильтра, выполненную вдоль всей толщины пластины и проходящую от центрального отверстия в фильтровальную пластину для направления текучей среды от центрального отверстия, и опорную пластину для направления текучей среды, собранной в прорези фильтра, в сборную камеру.
2. Сепарационный модуль по п. 1, отличающийся тем, что фильтровальная пластина содержит множество прорезей фильтра.
3. Сепарационный модуль по п. 1, отличающийся тем, что фильтрующий узел содержит множество фильтровальных пакетов, расположенных в ряд вплотную друг к другу и образующих фильтровальный блок, содержащий набор чередующихся фильтровальных и опорных пластин и образующий центральное отверстие.
4. Сепарационный модуль по п. 1, отличающийся тем, что фильтрующий узел имеет предопределенный размер пор фильтра и прорезь фильтра ограничивает площадь отверстия, соответствующую предопределенному размеру пор.
5. Сепарационный модуль по п. 3, отличающийся тем, что фильтрующий узел имеет предопределенный размер пор фильтра и предопределенную пористость, при этом каждая прорезь фильтра ограничивает площадь отверстия, соответствующую предопределенному размеру пор, и каждый фильтровальный пакет имеет пористость, вычисленную из общей поверхности центрального отверстия, предопределенного размера пор и количества прорезей фильтра, при этом фильтрующий узел содержит количество фильтровальных пакетов, равное по меньшей мере предопределенной пористости/пористости фильтровального пакета.
6. Сепарационный модуль по п. 1, отличающийся тем, что прорезь фильтра расширяется в направлении от центрального отверстия.
7. Сепарационный модуль по п. 1, отличающийся тем, что сборная камера содержит герметизированную обшивку для размещения фильтрующего узла и герметично закрыта на впускном конце пластиной впускного конца и на выпускном конце пластиной выпускного конца, при этом фильтровальный пакет помещен между пластинами впускного и выпускного конца.
8. Сепарационный модуль по п. 7, отличающийся тем, что герметизированная обшивка содержит отдельные сливные каналы для жидкостей и газов.
9. Сепарационный модуль по п. 6, отличающийся тем, что фильтрующий узел содержит множество фильтровальных пакетов, расположенных в ряд вплотную друг к другу и образующих фильтровальный блок, содержащий набор чередующихся фильтровальных и опорных пластин, помещенных между пластинами впускного и выпускного конца.
10. Сепарационный модуль по п. 9, отличающийся тем, что каждая фильтровальная пластина содержит множество прорезей фильтра.
11. Сепарационный модуль по п. 10, отличающийся тем, что опорная пластина содержит углубление для образования совместно с задней поверхностью фильтровальной пластины сливного канала, сообщающегося по текучей среде со сборной камерой и прорезью фильтра.
12. Сепарационный модуль для сепарации твердых частиц/текучей среды для применения со шнековым экструдером, содержащим цилиндр экструдера, блок экструдера и вращающийся шнек экструдера, плотно размещенный в цилиндре экструдера, при этом сепарационный модуль содержит:
a. сборную выдерживающую давление камеру, присоединяемую впускным концом к цилиндру экструдера и выпускным концом к блоку экструдера; и
b. по меньшей мере один фильтровальный пакет в сборной камере, образующий центральное отверстие, герметично изолированное от сборной камеры, для сообщения с цилиндром экструдера и блоком экструдера, при этом фильтровальный пакет содержит по меньшей мере одну фильтровальную пластину, содержащую сквозную прорезь фильтра, выполненную вдоль всей толщины пластины и проходящую от центрального отверстия в фильтровальную пластину, для направления текучей среды от центрального отверстия и по меньшей мере одну опорную пластину для направления текучих сред, собранных в прорези фильтра, в сборную камеру.
13. Сепарационный модуль по п. 12, отличающийся тем, что впускная, выпускная, фильтровальная и опорная пластины образуют центральное отверстие, герметично изолированное от сборной камеры, для сообщения с цилиндром экструдера, при этом фильтровальная пластина содержит по меньшей мере один фильтрующий канал, сообщающийся с центральным отверстием и проходящий от него, при этом опорная пластина содержит углубление для направления жидкости, находящейся в канале фильтра, в сборную камеру и сборная камера содержит выпускной канал для слива жидкостей, отделенных фильтровальным пакетом.
14. Сепарационный модуль по п. 1, отличающийся тем, что фильтрующий узел содержит множество прорезей фильтра с размером пор от 0,00003 до 0,005 квадратного дюйма.
15. Сепарационный модуль по п. 1, отличающийся тем, что фильтрующий узел имеет пористость от 5% до 40%, измеренную как отношение общей площади поверхности пор к общей площади фильтрующей поверхности.
16. Сепарационный модуль по п. 14 или 15, отличающийся тем, что фильтрующий узел сконструирован для эксплуатации при манометрическом давлении от 100 до 5000 фунтов/кв. дюйм.
17. Сепарационный модуль по п. 16, отличающийся тем, что фильтрующий узел сконструирован для эксплуатации при манометрическом давлении от 2500 до 3000 фунтов/кв. дюйм.
18. Способ непрерывной предварительной обработки лигноцеллюлозной биомассы перед гидролизом и ферментацией биомассы в целлюлозный этанол, включающий следующие этапы:
смешивание в первом экструдере биомассы с водой или технологическими химическими веществами для получения увлажненной биомассы, находящейся под давлением;
перемещение увлажненной биомассы, находящейся под давлением, от первого экструдера под давлением во второй вертикальный реактор, находящийся под давлением, для обработки в вертикальном реакторе технологическими химическими веществами и паром для создания биомассы, прошедшей частичную предварительную обработку;
перемещение биомассы, прошедшей частичную предварительную обработку и находящейся под давлением в реакторе, во второй экструдер и обработка биомассы, прошедшей частичную предварительную обработку давлением, превышающим давление в реакторе;
удаление экстрактивных веществ из частично обработанной биомассы во втором экструдере, в котором используют сепарационный модуль по любому из пп. 1-17, необязательно, с помощью промывочной жидкости для создания экстрагированной биомассы;
взрывное расширение экстрагированной биомассы в выпускном конце второго экструдера для создания расширенной биомассы; и
разделение вспученной биомассы на твердые частицы и газы.
19. Способ по п. 18, включающий этап промывки перед этапом удаления экстрактивных веществ, при этом этап промывки включает добавление промывочной жидкости во второй экструдер для промывки биомассы, прошедшей частичную предварительную обработку, а также предоставление промытой биомассы и перемещение промывочной жидкости относительно потока частично обработанной биомассы для промывки частично обработанной биомассы чистой промывочной жидкостью в конце этапа промывки.
20. Способ по п. 19, включающий дополнительный этап впрыска газов или сверхкритических текучих сред в промытую биомассу перед взрывным расширением для улучшения воздействия взрывной силы на биомассу в ходе взрывного расширения.
21. Способ по п. 19, включающий повторяющиеся этапы промывки и удаления экстрактивных веществ.
22. Способ по п. 18, дополнительно включающий по меньшей мере один этап повышения давления и перемешивания, где биомассу, прошедшую частичную предварительную обработку, во втором экструдере подвергают воздействию пара при повышенных температурах и давлениях, а затем растирают и перемешивают с помощью растирающих и перемешивающих элементов во втором экструдере.
23. Система для непрерывной предварительной обработки лигноцеллюлозной биомассы перед гидролизом и ферментацией биомассы в целлюлозный этанол, при этом система содержит:
первый экструдер для обеспечения непрерывной подачи биомассы под высоким давлением;
вертикальный реактор, находящийся под давлением, для размещения подаваемой биомассы под высоким давлением от первого экструдера и выполнения частичной предварительной обработки биомассы для получения биомассы, прошедшей частичную предварительную обработку, при этом первый экструдер обеспечивает герметичную заглушку для реактора и в реакторе поддерживается манометрическое давление до 350 фунтов/кв. дюйм и температура до 425°F (220°С);
второй экструдер для размещения биомассы, прошедшей частичную предварительную обработку, из реактора под давлением реактора и воздействия на частично обработанную биомассу более высоким давлением, чем давление реактора, при этом второй экструдер содержит несколько ступеней, при этом по меньшей мере одна ступень содержит сепарационный модуль по любому из пп. 1-17 для сепарации твердых частиц/текучей среды для удаления текучих сред из биомассы во втором экструдере;
динамическое уплотнение на выпускном конце второго экструдера для обеспечения взрывного расширения промытой биомассы, выходящей из второго экструдера через уплотнение; и
сепаратор, соединенный со вторым экструдером, для размещения расширенной биомассы и разделения расширенной биомассы на твердые частицы и газы.
24. Система по п. 21, отличающаяся тем, что дополнительно содержит приспособление для впрыска промывочной жидкости по меньшей мере в одну ступень второго экструдера и вверх по потоку относительно сепарационного модуля, расположенного рядом с выпускным концом второго экструдера.
25. Система по п. 22, отличающаяся тем, что второй экструдер содержит несколько сепарационных модулей и приспособлений для впрыска промывочной жидкости для обеспечения последовательных промывочных секций.
26. Система по п. 23, отличающаяся тем, что экструдер дополнительно содержит растирающую и перемешивающую конструкции для растирания и смешивания биомассы, прошедшей частичную предварительную обработку и проходящую через экструдер.
