固体/流体分离器件和包括固体/流体分离的用于处理生物质的方法

xiaoxiao2020-6-24  9

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专利名称:固体/流体分离器件和包括固体/流体分离的用于处理生物质的方法
技术领域
本发明涉及一种固体/流体分离器件;和一种用于处理生物质的方法,其中包括固体/流体分离,更具体地说,是包括在生物化学转化工艺中对木质纤维素生物质的预处理。
背景技术
木质纤维素生物质的预处理过程用于转化为化学物,该过程需要较长的滞留时间、高压以及高温。从所处理的生物质中分离出液体的过程必须在以上条件下进行,才能实现高产量和工艺效率。当前,需要多件设备才能达成这一效果,这在资金和操作成本方面成本较高。此外,工艺效率很低。木质纤维素生物质的预处理过程中工艺效率的关键组成部分是从固体生物质/纤维素部分中洗涤和压榨出水解的半纤维素糖、毒素、抑制剂和/或其他提取物的能力。在纤维素预处理所需的高热和压力下,难以将固体与液体有效地分离。在固体/流体分离期间,残留于固体部分中的液体的量取决于所施加的分离压力的量、固体滤饼的厚度以及过滤器的孔隙率。过滤器的孔隙率取决于过滤器孔隙的数目和尺寸。压力降低、滤饼厚度增加或过 滤器的孔隙率降低都将导致液体/固体分离程度和固体部分的最终干燥程度的降低。对于特定的固体滤饼厚度和过滤器孔隙率来说,最大分离是在尽可能最高的分离压力下实现的。对于特定的固体滤饼厚度和分离压力来说,最大分离仅仅取决于过滤器的孔隙尺寸。高分离压力不幸地需要能够经受该分离压力的强过滤介质,从而使得工艺困难并且所需要的设备成本非常高。当需要高分离压力时,过滤介质的厚度需要增加以经受那些压力。然而,为了维持与具有更薄过滤介质的过滤器相同的总孔隙率,更厚的过滤介质需要更大的孔隙尺寸。这会产生一个问题,取决于待截留的固体,因为过滤器的可接受的孔隙尺寸受固体部分中的纤维和颗粒的尺寸限制,所以液体部分的澄清度仅仅受过滤介质的孔隙尺寸限制。太大的孔隙使得大量悬浮的颗粒可在液体部分中聚集,从而降低液体/固体分离效率。随时间进展,过滤介质倾向于被悬浮的固体堵塞,从而降低其生产率,尤其在纤维素预处理所需的高压下更是如此。因此,通常需要液体的回洗流来清除堵塞并且恢复生产率。一旦过滤器变得堵塞,则需要高压来回洗这些介质。在为了最大化生产率并获得高纤维素预处理工艺效率而连续生产的工艺中,在高于IOOOpsig的压力下使用过滤介质来工作时,上述过滤器堵塞现象尤其是一个问题。有效地执行纤维素预处理所需的当前设备是复杂并且昂贵的,这是由于不存在任何一种已知设备可以在一个单一装置中同时进行多个木质纤维素生物质预处理步骤。常规单螺杆、双螺杆或三螺杆挤出机不具有低能量预处理生物质所必需的滞留时间,并且也不具有用于预处理生物质的适用且有效率的固体/流体分离器件。美国专利US7, 347,140披露了一种螺杆压力机,该螺杆压力机具有一个穿孔的壳体。这种螺杆压力机的工作压力由于穿孔的壳体的低强度而较低。美国专利US5,515,776披露了一种蜗轮压力机和压力机夹套中的排流穿孔,这些穿孔增加了排出的液体的流动方向上的截面积。美国专利US7,357,074涉及一种螺杆压力机,该螺杆压力机具有一个圆锥形脱水外壳,该外壳具有多个开孔以用于从压力机中压缩的大块固体中排出水。同样,使用一个穿孔的壳体或夹套。如将容易理解,外壳中的穿孔数目越高,外壳的压力耐受性越低。此外,当微细固体的分离需要非常小的孔时,在一个外壳或压力机夹套中穿孔会涉及到一些严重的挑战。因此,需要一种用于螺杆压力机的改进的脱水模块。
发明概述本发明的一个目的是消除或减轻现有固体液体分离器件和工艺的至少一个缺陷。另一个目的是提供一种用于预处理木质纤维素生物质的改进方法;和一种用于在升高的分离压力下获得改进的分离性能的液体/固体分离模块。为了改进固体/流体分离,本发明提供了一种用于螺杆压力机的固体/流体分离模块,该模块从含有固体物质的液体中分离流体,该液体被螺杆压力机压缩到高于IOOpsig的压力。该分离模块包括一个过滤器单元,该过滤器单元具有5%到40% (相对于总过滤器面积的总孔隙面积)的孔隙率。优选地,该模块在5%到40%、更优选地11%到40%的过滤器孔隙率下经受3000psig的操作压力。该过滤器单元优选地包括多个过滤器孔隙,该多个过滤器孔隙具有0.00005平方英寸到0.005平方英寸的孔隙尺寸。在一个优选实施例中,该过滤器单元包括过滤器孔隙,其中这些过滤器孔隙具有0.00005平方英寸的孔隙尺寸(用于微细固体的分离)、5.7%的孔隙率以及2,500psig的压力耐受性。在另一个实施例中,该过滤器单元包括孔隙,其中这些孔隙具有0.005平方英寸的孔隙尺寸和20%的孔隙率以及5,OOOpsig的压力耐受性。在另一个优选实施例中,该过滤器单元包括孔隙,其中这些孔隙 具有0.00005平方英寸的孔隙尺寸和11.4%的孔隙率。在再另一个优选实施例中,该过滤器单元包括孔隙,其中这些孔隙具有0.005平方英寸的孔隙尺寸和40%的孔隙率。在再另一个实施例中,该过滤器单元包括具有0.00003平方英寸的孔隙尺寸的孔隙。为了实现最大固体/流体分离效率,希望最小化过滤器孔隙尺寸,同时最大化过滤器孔隙率,并且在升高的分离压力下操作。在常规螺杆压力机中,由于需要将圆柱形通道切削以使其进入到过滤器夹套中,最小化孔隙尺寸是一个挑战。这个问题现今已经由诸位发明人解决了。在本发明的过滤器单元中,过滤器孔隙通过仅仅切削出穿过过滤器板的狭槽来形成,与在压力夹套中钻孔相比,这种方式实现起来更加容易。使用狭槽还允许通过使用非常薄的过滤器板和狭窄的狭槽来形成小得多的过滤器孔隙。举例来说,通过使用具有
0.005英寸厚度的过滤器板并且切割出穿过该过滤器板的具有0.01英寸宽度的狭槽,可以实现仅有0.00005平方英寸的孔隙尺寸。可以通过使用更薄的过滤器板、例如具有0.003英寸厚度的板,来实现甚至更小的孔径尺寸。此外,为了在升高的操作压力下提供相对较高的孔隙率,提供一种分离模块,该分离模块用于与含有固体的加压液体物质源(例如螺杆压力机)的密封连接。在一个方面,该分离模块包括一个可加压收集室和一个过滤器单元来用于密封地接收加压的物质。该过滤器单元具有预选的过滤器孔隙尺寸和预选的孔隙率。该过滤器单元包括具有相对的正面和背面的至少一个过滤器板、接合过滤器板正面的一个盖板以及接合过滤器板背面的一个垫板。该过滤器板、盖板以及垫板限定了一个贯穿核心开口,该贯穿核心开口相对于收集室密封,并且用于接收加压的物质。该过滤器板具有至少一个贯穿过滤器狭槽,该至少一个贯穿过滤器狭槽从该核心开口向外延伸到该过滤器板中,该过滤器狭槽通过盖板和垫板在其正面和背面被密封,以便形成具有预选的过滤器孔隙尺寸的过滤器通道。该垫板具有一个沟槽,该沟槽与该背面一起限定一个排流通道,该排流通道与该收集室和该过滤器通道流体连通。为了使孔隙率增加,该过滤器板优选地包括多个分开的过滤器狭槽以便增加该过滤器单元的孔隙率,并且该排流通道与所有这些过滤器狭槽流体连通。为了更进一步增加过滤器单元的孔隙率,该过滤器单元优选地包括安排在该盖板后面的多对过滤器板和垫板,该多对过滤器板和垫板形成由交替的过滤器板和盖板构成的堆叠,由此,夹插在两个过滤器板之间的每一个垫板,既用作其中一个过滤器板的垫板,也用作另一个过滤器板的盖板。通过使过滤器板和垫板交替安排,过滤器单元的分离压力容量增加。通过使用比过滤器板更厚的垫板,过滤器单元的压力容量可以得到进一步改进。类似地,通过使用直径更大的垫板和过滤器板,过滤器单元的压力容量可以增加。在一个实施例中,该分离模块可以安装到螺杆压力机的机筒上,并且该核心开口的尺寸被配置为匹配地收纳压力机的挤出机螺杆的一部分。该挤出机螺杆优选地具有相对于过滤块的核心开口的小公差,以便不断地从过滤器表面向外刮削被压缩的物质而同时产生显著分离压力。在少量纤维变得截留在过滤器表面上的情况下,它们将由挤出机元件剪切为更小的部分,并且最终与液流一起以非常微细的颗粒形式通过过滤器而出。这就提供了一种固体/流体分离器件,它允许在高压高温环境中分离物质中的固体和液体部分。
在另一个方面,用于从含有固体的液体加压物质中分离液体或气体的分离模块包括:一个可密封外壳,该可密封外壳具有一个压力夹套,该压力夹套限定液体和气体的一个收集室;夹套上的一个液体出口和一个气体出口,该液体出口和该气体出口用于对应地从收集室排出液体和气体;一个入口端板,该入口端板以可移除的方式可固定到夹套的一个入口端;一个出口端板,该出口端板以可移除的方式可固定到夹套的一个出口端;以及至少一个过滤器组合件,该至少一个过滤器组合件包括一个过滤器板和一个垫板,该过滤器组合件夹插在该入口端板与该出口端板之间;这些过滤器板和垫板具有用于接收加压物质的一个对准的核心开口,该核心开口相对于该收集室密封,其中该过滤器板包括至少一个贯穿过滤器狭槽,该至少一个贯穿过滤器狭槽从该核心开口延伸到该过滤器板和该垫板中,从而限定与该过滤器狭槽和该收集室流体连通的一个通道。优选地,该可密封外壳具有两对或更多对过滤器板与垫板。优选地,该过滤器板包括多个过滤器狭槽。优选地,每一个垫板包括一个圆形沟槽,该圆形沟槽与一个相邻过滤器板的所有过滤器狭槽流体连通。优选地,这些过滤器板和垫板中的每一者都具有用于在板之间进行对准和互连的一对相对的安装突出片。每一个安装突出片可以具有用于收纳紧固螺栓的一个孔,该紧固螺栓用于在一个连续过滤块中将过滤器板和垫板的堆叠对准并夹持在一起。替代地,省略用于该紧固螺栓的孔,并且该压力夹套在一个内表面上包括隆起,这些隆起用于将这些突出片对准并且防止这些过滤器板和垫板相对于该核心开口旋转。
在另一个方面,本发明提供了上述固体/流体分离模块的用途,用于具有固体部分、液体部分和气体部分的物质的处理,来将固体部分与液体和气体部分分离。在另一个方面,本发明在于一种用于预处理生物质、具体来说是木质纤维素生物质的方法。对于本领域的普通技术人员来说,在结合附图阅读完具体实施例的以下描述之后,本发明的其他方面和特征将变得显而易见。
附图简要说明为了更好地理解本文所描述的实施例并且为了更清楚地示出它们可以如何来实现,现在将参考示出示例性实施例的附图(仅举例来说),在这些附图中:

图1示出了纤维素预处理装置的示意图,其中并入了含固液分离模块的双螺杆挤出机。

图2以分解图形式示意地示出了双螺杆挤出机固体/流体分离模块的实施例;图3示出了图2中所示的固体/流体分离模块的分解图;图4示出了具有狭窄过滤器狭槽作为排流通道的分离模块的一个过滤器(指)板;图5示出了图4的过滤器(指)板的放大细部图;图6示出了具有比图4和图5的实施例更宽的过滤器狭槽的分离模块的一个过滤器(指)板;图7示出了图3的实施例的一个右手垫板;图8是图7的垫板沿线B-B截取的截面图;图9是图7的垫板沿线A-A截取的截面图;图10示出了图3的实施例的一个左手垫板;图11是根据图6和图7的一对过滤器板与垫板的等角视图;图12是图11的该对过滤器板与垫板沿线C-C截取的截面图;以及图13示出了由分离模块的一个实施例得到的滤液中所存在的颗粒的粒度分布。
本发明的实施方式的详细描述应了解,为了说明的简明和清楚起见,可能会在认为适当时在图中重复参考数字以指示相对应或类似的元件或步骤。另外,列举众多具体细节,以便提供对在本文中所描述的示例性实施例的彻底的了解。然而,本领域的普通技术人员应了解,可以在无这些具体细节的情况下实践本文中所描述的实施例。在其他例子中,并未详细描述熟知方法、程序以及组件以免妨碍对本文中所描述的实施例的理解。此外,该描述不应视为以任何方式限制本文中所描述的实施例的范围,而实际上仅仅描述本文中所描述的不同实施例的实现方式。如图1中所示,本发明的一个简单连续纤维素乙醇预处理系统2仅由三个机器组成。第一挤出机4被用作生物质的连续高压柱塞进料器/混合器。挤出机4将生物质进给到竖直反应器6中。竖直反应器6能够具有长的滞留时间。竖直反应器6将生物质进给到第二挤出机8中,第二挤出机8优选地是一个双螺杆挤出机。预处理工艺包括使生物质流动穿过第一挤出机4、竖直反应器6以及第二挤出机8。挤出机4 (也可以是一个双螺杆挤出机)被用来将连续的进料提供到加压的竖直反应器6中。视给料的类型而定,挤出机4中不同化学物的混合是可能的。挤出机4具有一个自动阀门,该自动阀门在发生给料损失时关闭以防止在给料损失的情况下的压力损失。
视生物质而定,竖直反应器6能够在高达350psig的压力和高达425° F(220° C)的温度下使用不同的化学物来工作。竖直反应器6中的滞留时间可以视生物质而定,从若干分钟到许多小时来变化。被部分处理的生物质在加压的给料区10处从竖直反应器6排放到第二挤出机8中。在第二挤出机8中,大部分固体生物质移动到一个输出端(图1中的右侧),并且其中一小部分被向后输送以在驱动轴上产生压力密封。在第二挤出机8中,会按照不同生物质的需要而产生比第一反应器中更高的压力,并且预处理工艺视生物质而定由两个、三个或更多个分离过程完成。洗涤液(水、氨或其他洗涤液)与固体生物质流(图1中的左边)逆流或同流地移动,以使得在挤出机末端用最清洁的液体洗涤生物质。视所处理的生物质而定,可以在输出端处注入诸如二氧化碳的气体或超临界流体,以按照需要改进爆炸力。在输出端处,在不同压力和干物质含量下可以使用各种挤出机螺杆和/或另一种反应器容器,和/或控制阀门和/或旋转孔口以产生不同类型的生物质所需要的动态密封和爆炸力。在输出处,从这些器件中之一中发生生物质爆炸性膨胀后,使用旋风器或其他分离器件来收集喷射出的固体和任何气体。在进入第二挤出机8后,大部分生物质被向前输送,而少量被向后输送以产生动态压力密封以防止从竖直反应器6中渗漏。生物质进入如图1上所示的处理阶段1,并且使用第一固体/流体分离器件12来经受一个更高压力、高温初始逆流过滤区,该第一固体/流体分离器件如下文参见图2到图13更详细描述。在此时,一些生物质仅需要对提取物和半纤维素糖浆进行压榨,并且可以不需要洗涤水。在固体/流体分离器件中,通过使用各种螺杆元件在滤饼厚度受控的前提下移出液体半纤维素糖浆和/或提取物。视所处理的生物质类型而定,通过使用不同过滤器板设计来控制渗透性、孔隙尺寸、过滤面积以及压力等级。通过使用压控闪蒸罐16来控制液体压力和闪蒸。在从第一固体/流体分离器件12排出后,生物质被向前输送(图1中向右)并且借助于来自前方区域的蒸汽/高压水进行加热,并且通过各种螺杆元件进行压缩/输送来施加压力。在图1中所示的处理阶段2中,生物质会经受针对不同生物质的剪切能量可变的高压混合/捏合以改进预处理。液体半纤维素的高压高温最终逆流过滤(如某些类型的生物质所需要,可以仅压榨出部分半纤维素糖浆和提取物并且不进行逆流洗涤)通过使用各种螺杆元件在滤饼厚度受控的前提下进行。视所处理的生物质类型而定,通过在第二固体/流体分离器件14中选择适当设计的过滤器板来控制渗透性、孔隙尺寸、过滤面积以及压力等级。通过使用压控闪蒸罐16来控制液体压力和闪蒸。在处理阶段3中,通过各种不同的挤出机螺杆元件进行压缩/输送,生物质经受热和压力。为改进不同生物质的预处理,需要向生物质赋予剪切能量以改进的酶可及性。使用针对不同生物质来说剪切能量可变的生物质的高压混合/捏合来改进预处理。可以通过使用各种螺杆元件在滤饼厚度受控的前提下对液体半纤维素糖浆进行逆流或同流过滤,赋予高压高温中间循环(或最终循环,视生物质而定)。通过在第三固体/流体分离器18中选择适当过滤器板以符合生物质性质来控制渗透性、孔隙尺寸、过滤面积以及压力等级。通过使用压控闪蒸罐16来控制液体压力和闪蒸。
在图1中所示的处理阶段4中,通过使用各种挤出机螺杆元件来进行压缩/输送,生物质经受热和压力。对于不同生物质来说可选择剪切能量可变的生物质的高压混合/捏合。在处理阶段4中,生物质与高压水或其他流体/溶液混合以进行最终洗涤阶段。其他流体可以包括分子,它们在室温下是气体,如在挤出机内由于更高温度将变得超临界的高压液体CO2 ;或高压气体的氨。固体纤维生物质然后在系统的最高压力下输送通过第二挤出机8和动态密封替代物中的一者,并且在双螺杆挤出机的出口处,在纤维内压缩的气体(如蒸汽、氨或超临界流体)的受控爆炸性膨胀下排出到一个固体/气体分离器件(旋风器或其他器件)中。在使用高压液体CO2时,当此流体被生物质加热时,超临界性质的此流体会像气体一样渗透到固体纤维的内部,并且造成就像气体一样对抗着固体压力分布的该流体上游的一个部分流。纤维内的这种超临界流体在通过动态密封件排出挤出机时会从大多数纤维内部产生一个爆炸力,该爆炸力比标准气体大许多倍,改变固体纤维素颗粒并且从而增加酶可及性。在双螺杆挤出机排放处还有一个自动控制阀门,该自动控制阀门被用来在如果发生给料或功率损失的情况下在一定程度上维持系统压力。根据本发明的一种无膜固体/流体分离器模块100的一个实施例在图2和图3中示出,该模块能够承受非常高的内部压力(高达5000psig)。这种固体/流体分离器模块可以结合图1中所示的工艺和装置使用,同时能够按照所处理的生物质/固体的类型的需要,通过不同的过滤器板配置和板厚度来控制渗透性/孔隙率(过滤能力)。在一个实施例中,如图2中所展示,固体/流体分离模块100与一个螺杆压力机结合使用,并且被安装在螺杆压力机的双螺杆挤出机机筒500与挤出机块520之间。模块100从含有固体物质的液体中分离流体(液体和/或气体),该含有固体物质的液体被螺杆压力机压缩,优选地压缩到高于IOOpsig的压力。分离模块100包括收集室200和过滤器单元300,过滤器单元300具有5%到40%的孔隙率(相对于总过滤器面积的总孔隙面积)。优选地,模块100在5%到40%、更优选地11%到40%的过滤器孔隙率下承受高达5000psig的操作压力。过滤器单元300优选地包括多个过滤器孔隙,该多个过滤器孔隙具有0.00003到
0.005平方英寸的孔隙尺寸。在一个优选实施例中,过滤器单元300包括过滤器孔隙,其中这些过滤器孔隙具有0.00005平方英寸的孔隙尺寸(用于微细固体的分离)、5.7%的孔隙率以及2,500psig的压力耐受性。在另一个实施例中,过滤器单元300包括过滤器孔隙,其中这些过滤器孔隙具有0.005平方英寸的孔隙尺寸和20%的孔隙率以及5,OOOpsig的压力耐受性。在另一个优选实施例中,过滤器单元300包括过滤器孔隙,其中这些过滤器孔隙具有0.00005平方英寸的孔隙尺寸和11.4%的孔隙率。在再另一个优选实施例中,过滤器单元300包括过滤器孔隙,其中这些过滤器孔隙具有0.005平方英寸的孔隙尺寸和40%的孔隙率。分离模块100的基本结构在图2和图3中示出。收集室200能够承受任何组件的最高压力,用来将过滤出的流体分离为气体和液体。收集室由压力夹套或外壳220和输入和输出端板230和240界定。液体可以从收集室200通过一个液体排流口 221排出,该排流口优选地位于压力夹套220上的最低点处。压力夹套220进一步在夹套内侧上包括多个对准隆起223,该多个对准隆起与夹套的纵轴平行地延伸,用于将收集室200内的过滤器板与垫板对准。收集室200中聚集的气体可以从该室通过一个气体排流口 222排出,该排流口优选地位于压力夹套220 上的最高点处。高压收集室200通过圆形密封件250密封,这些密封件安置在压力夹套220的两个轴向末端与端板230、240之间。这种高压/高温能力允许用在50° C到250° C的工艺操作温度压力下通常呈气态的流体(如氨、CO2以及水)来洗涤生物质。分离模块通过组装螺栓225紧固在一起,这些组装螺栓位于压力夹套220外部,用于将端板230、240拉在一起并且将压力夹套220和圆形密封件250夹持于两个端板间。过滤器单元夹持螺栓129 (参见图2)也可以用来将过滤器单元300中的过滤器组合件321、322夹持在一起。在一个优选实施例中,过滤器单元夹持螺栓延伸通过端板230、240并且用于附加地将分离模块200夹持在一起。过滤器单元夹持螺栓129还可以延伸通过挤出机块520以用于将挤出机块与分离模块紧固。然而,分离模块200中的渗透点需要被可靠地密封以便维持收集室200中的压力,为了最小化这些渗透点的数目,过滤器单元紧固螺栓129被省略,并且通过位于压力夹套外部的紧固结构(如螺栓225)来实现将分离单元的多个部分夹持在一起。视所用的压力而定,可以直接在收集室200中分离一些气体,或在一些情况下(如图1中所示),可以利用一个分离的闪蒸器来优化总工艺效率。过滤器单元300包括用本发明的基本过滤器组合件321、322堆叠组装的若干板块320,过滤器板120的组合抵着垫板160、180来放置,这些过滤器板在下文参见图4到图12更详细描述。存在右手过滤器组合件321,该右手过滤器组合件包括一个过滤器板120和一个右手垫板160,以及左手过滤器组合件322,该左手过滤器组合件包括一个过滤器板120和一个左手垫板180。在一个方面,该分离模块包括一个可加压收集室200和一个过滤器单元300,用于密封地接收加压的物质(未图示)。过滤器单元300具有预选的过滤器孔隙尺寸和预选的孔隙率。过滤器单元300包括具有相对的正面和背面121、123的至少一个过滤器板120、接合过滤器板120的正面121的一个盖板230以及接合过滤器板120的背面123的一个垫板160、180。过滤器板、盖板以及垫板(120、230、160/180)界定了相对于收集室200密封的贯穿核心开口 128,该贯穿核心开口用于接收加压的物质(未图示)。过滤器板120具有至少一个贯穿过滤器狭槽132,该至少一个贯穿过滤器狭槽从核心开口 128向外延伸到过滤器板中,该过滤器狭槽13 2通过盖板和垫板230、160/180在正面和背面121、123处密封,以便形成具有预选的过滤器孔隙尺寸的过滤器通道。垫板160/180具有一个沟槽164,该沟槽用于与背面123 —起界定一个排流通道,该排流通道与收集室200和过滤器狭槽132流体连通(参见图11和12)。为使孔隙率增加,过滤器板120优选地包括了多个分离的过滤器狭槽132,并且排流通道164与所有过滤器狭槽132流体连通。为了更进一步增加过滤器单元的孔隙率,过滤器单元优选地包括安排在盖板230后面的多对过滤器板和盖板(120、160/180),该多对过滤器板和盖板形成由交替的过滤器板和盖板构成的堆叠,夹插在两个过滤器板120之间的每一垫板160/180,既用作其中一个过滤器板的垫板,也用作另一个过滤器板的盖板。通过使过滤器板和垫板(120、160/180)交替,过滤器单元300的分离压力容量增加。通过使用比过滤器板120更厚的垫板160/180,过滤器单元300的压力容量可以得到进一步改进。在图2的实施例中,分离模块100安装到螺杆压力机的机筒500上,并且核心开口128的尺寸被配置为匹配地收纳压力机螺杆的一部分(未图示)。螺杆压力机的压力机螺杆通常具有相对于过滤块300的核心开口 128的非常小的公差,并且不断地从过滤器表面向外刮削压缩的物质而同时产生显著的分离压力。在少量纤维变得截留在过滤器表面上的情况下,它们将由挤出机螺杆剪切为更小的部分,并且最终与液流一起以非常微细的颗粒形式通过过滤器而出。这就提供了一种固体/流体分离器件,它允许在高压高温环境中分离物质的固体和液体部分。通过使挤出机螺杆切向地刮擦过滤器孔隙134,分离器件较不易于阻塞。由于根据本发明的分离模块100的升高的孔隙率和压力耐受性,干燥部分排放物中高达90%的干物质含量是可能的,而同时由于小孔隙尺寸而获得一个相对澄清的液体部分,其中悬浮的固体低到1%。应容易了解,根据本发明的固体/流体分离模块可以用于许多不同应用中来分离物质的固体/流体部分。在连续试行性测试中,用40g水洗涤包含40g固体和60g水的IOOg生物质单元,并且然后在100° C的温度下使用600psig内力将液体挤出过滤器,获得包含39g悬浮固体和5g水的干燥生物质排放物(液体/固体生物质的固体部分)。包含95g水的滤液相对澄清,包含仅Ig悬浮的固体,这些悬浮的固体具有5微米的平均粒度和根据图13的粒度分布。此外,由于本发明的固体/流体分离器件不太易于阻塞,因此不太需要像已知的分离器件那样要求进行定期维护。因此,该固体/流体分离器件可以用于所需停机时间更少和维护更少的工艺中,从而导致增加的生产能力和更低的成本。图4示出了一个微细过滤器板120,该微细过滤器板具有圆形中间段122,该圆形中间段附接到第一支撑突出片124和第二支撑突出片126。圆形中间段122具有一个8字形的核心开口 128,用于匹配地收纳双螺杆压力机的压力机螺杆。过滤器板120具有正面121和背面123。核心开口 128由多个微细指状物130和中间过滤器狭槽132围绕。为了实现最大固体/流体分离效率,需要最小化过滤器孔隙尺寸,同时最大化过滤器。在常规螺杆压力机中,由于需要切削圆柱形通道以使其进入到过滤器夹套中,最小化孔隙尺寸是一个问题。这个问题由根据本发明的过滤器单元解决,其中过滤器孔隙通过仅仅在薄过滤器板120中切削出狭槽132来形成。过 滤器狭槽132被切削成穿过板120的整个厚度,并且因此在本文中被称为贯穿狭槽。如图4和图5中所示,可以通过使用非常薄的过滤器板120和非常微细的狭槽132来用根据本发明的过滤器板120获得非常小的过滤器孔隙。举例来说,通过使用具有0.005英寸厚度的过滤器板并且在过滤器板中切削出具有0.01英寸宽度的狭槽,可以实现仅有0.00005平方英寸的孔隙尺寸。为达成更微细过滤,使用具有0.003英寸厚度的过滤器板与0.01英寸的过滤器狭槽宽度,从而产生仅有0.00003平方英寸的孔隙尺寸。如图5中所示,非常微细的狭槽132和中间微细指状物130被成形和安置,以使得它们提供了从核心开口 128向过滤器板120中并且朝中间段122的外部延伸的过滤器狭槽。优选地,过滤器狭槽132的末端都位于与圆形中间段122的外缘同心并且从其向内间隔的一个圆上。为了改进穿过微细排流通道的液体流动,通道在其内端134处变窄,到达核心开口 128中,并且朝其外端136向外张开。过滤器板120被安置成抵着如图11和图12中所示的垫板。这将在下文进一步更详细论述。存在两种类型的垫板,如图7中所示的左手垫板160和如图10中所示的右手垫板180。左手和右手垫板160、180具有相同原理构造,并且包括具有核心开口 128的圆形中心部分162、182,以及从中心部分162、182延伸出的安装突出片190、192。左手与右手垫板之间的唯一差异是安装突出片190、192相对于核心开口 128的取向,突出片在右手垫板160中相对于核心开口 128的横轴以45度角向右延伸,并且在左手垫板180中以45度角向左延伸。当在这个阶段具体生物质需要液体/气体分离时,从而使用左手和右手垫板以在板的固持模式中产生一个90度变换,并且提供使液体排流到收集室底部并且使气体流动到收集室顶部的装置。具有中间过滤器板的连续右手板(或相反地左手板)的数目通常是等于至少0.25"厚的,但视板的总数目而定,可以是多到I"厚的。过滤器板安装突出片124、126和垫板安装突出片190、192都被成形为被匹配地收纳在安装在压力夹套220的内壁上的对准隆起223对之间。如从图7到图9以及图10显而易见,每一类型的垫板在中心部分162、182上具有一个机械加工的外周沟槽164,穿过左手垫板180的截面与图8和图9中所示的右手垫板180的截面相同。如图11和图12中所示,当过滤器板120和垫板160、180被定位成与对准的核心开口 128背靠背时,外周沟槽164被定位成与过滤器板120中的过滤器狭槽132的外端136相对应(参见图4至图6)。图11和图12图示了根据本发明的最基本过滤器组合件,一个过滤器板120和接合过滤器板的背面123的一个垫板160。进给通过核心开口 128的加压的物质(未图示)中夹带的流体(液体和/或气体),在所提供的分离压力的作用之下,被推动着流动到过滤器狭槽132中(参见箭头)。 在过滤器狭槽的末端136处,流体被重定向以流动到垫板160中的外周沟槽164中,并且从外周沟槽164排出到收集室中(参见图11、图12以及图3)。因此,微细过滤器板120可以过滤出液体和非常小的颗粒,这些液体和颗粒在相对于穿过8字形核心开口 128的生物质流的横向方向上穿过过滤器狭槽132。与适用于更大颗粒/纤维素生物质纤维的一个更大孔隙板配置(如图6中所示的那个)相反,对孔隙率的限制因素是过滤器板的板厚度。已经发现,在纤维素生物质的情况下,这种更粗的过滤器板配置提供了良好固液分离,而同时最小化了所需的板的面积和数目来达成在相同内部压力下用图4中的微细过滤器板所达成的相同的液体分离。如图6中所示,一个更大孔隙的粗过滤器板140具有圆形中间过滤器段142,该圆形中间过滤器段附接到第一支撑突出片144和第二支撑突出片146。圆形中间过滤器段142具有一个8字形的核心开口 128,该核心开口由被切削成穿过滤器板140的过滤器狭槽132之间的多个更大指状物130界定。如图6中所示,更大指状物130定位在粗排流通道132之间。粗过滤器板140可定位成抵着一个垫板(如图7中所示的左手垫板160)以获得如图11和图12中所示的过滤器组合件。总之,在更高压力容量的情况下,可以从固体压榨更多液体,或对于相同的物质干燥度来说,可以获得一个更高的每单位过滤面积生产率。可以根据板配置和厚度来控制过滤品质(固体捕获)。可以根据具体生物质的过滤需求来最优化过滤/压力等级/资本成本。板配置可以安装在一个挤出机(单螺杆、双螺杆或三螺杆)中以产生高压高产量的连续分离。由于螺杆的擦拭性质和交叉轴向流动模式,固体/流体分离模块是自动清洗的(对于双螺杆和三螺杆来说)。过滤面积取决于工艺需求而可变通,如板组合件的长度可以容易地定制以适合于具体需求。模块可以被用以在一个机器中在单个或多个阶段中以一种同流或逆流配置洗涤固体,从而降低资本成本和能量需求。如果需要,可以从真空条件到甚至高于过滤块内部压力(2,OOOpsig到3,OOOpsig)的范围来控制液体滤液的压力。这提供了对于液流中的其他分离来说的巨大工艺灵活性(实例,高压下的超临界CO2,用以在高压下洗涤的氨液体,或使用真空的液体滤液室中VOC和氨气的释放)。高背压容量(高于内部过滤块压力)可以用以在操作期间在过滤器堵塞或生垢的情况下回洗过滤器,从而最小化停机时间。
微细过滤器孔隙率微细孔隙的尺寸是微细板的厚度X开口处狭槽的宽度。在图4的过滤器板中,孔隙尺寸是0.005〃(板的厚度)X0.010〃(开口处狭槽的宽度)=每一孔隙0.00005平方英寸。对于=每一板0.0072平方英寸开口面积的总孔隙面积来说,每一板存在144个孔隙。在使用一个I英寸直径的小双螺杆挤出机的实验装备中,这个指板与一个0.020"厚的垫板成对,从而产生0.1256平方英寸的总过滤面积。因此,这一组实验板(过滤器组合件)的总开口面积被计算为0.0072/0.1256=5.7%。在这个孔隙率下,该对实验板(0.020〃厚的垫板)能够承受2,500psig的分离压力。1〃厚的实验板组合件包括了总计40个过滤器板X0.0072平方英寸=0.288平方英寸开口面积。那相当于超过一个0.5〃直径的管道,在所用的I"直径的小挤出机中在仅I英寸挤出机长度的距离内均可实现。
粗过滤器孔隙率在如图6中所示的所用的实验粗过滤器板中,在过滤容量和液体流动路径方面,过滤器狭槽的宽度基本上与过滤器板的厚度相同,从而产生一系列轴向沟槽。一组板(粗过滤器板+垫板)的总开口面积是板厚度的一个比率,在这种情况下=0.005/0.025=20%或约4倍于微细过滤器板系统的开口面积。在一个I"厚的板组合件中以总计40个指板使用粗板,我们最后得到40 X每一板0.0209平方英寸开口面积=0.837平方英寸开口面积。这大于一个I"直径的管道,在所用的I"直径的小挤出机都在I英寸挤出机长度的距离内均可实现。对于两种类型的板来说,都`可以通过减小垫板的厚度同时保持过滤器板在相同厚度来显著增加孔隙率。减小垫板厚度50%将使过滤器单元的孔隙率加倍。同时,每当垫板厚度减小时,过滤器单元的强度会降低,但这可以通过增加垫板的总直径来抵消,从而使得液体流动路径稍长但保持开口面积相同。因为可以使用低成本制造方法,使用过滤器板120来制造过滤模块使得过滤器的低成本制造变得可能。板可以被激光切割,或对于粗过滤来说,板可以被冲压。用于生物质预处理的总设备成本还由于使多个处理步骤在一个单个机器中进行的能力而更低。固体/流体分离模块可以同时进行三相分离。用以制造过滤器单元的材料的类型可以适配于不同处理条件。举例来说,在低pH/腐蚀性应用中,可以使用如钛、高镍和钥合金的材料。具体地说,诸位发明人已经开发一种固体/流体分离器件,该固体/流体分离器件分离物质的固体和液体部分并且相较于已知固体/流体分离器件较不易于阻塞。预期该固体/流体分离器件可以用于许多不同应用中以分离物质的固体/流体部分。此外,由于本发明的固体/流体分离器件较不易于阻塞,因此不太需要像已知器件那样要求定期维护,包括回洗。因此,该固体/流体分离器件可以用于停机时间更少和维护更少的工艺中,从而导致增加的生产能力和更低的成本。在所描述的固体/流体分离器件中,在分离器件中内部地转移物质的螺杆元件具有相对于过滤器块的内表面的非常小的公差并且不断地从过滤器表面刮削掉物质。在少量纤维变得截留在过滤器表面上的情况下,它们将由挤出机元件剪切为更小的部分并且最终与液流一起通过过滤器而出。板对(指板与垫板)的总数目可以取决于生物质而不同并且控制着总过滤面积。在相同液体分离条件下,对于更小孔隙来说,需要更多板/更多表面积。孔隙尺寸控制着进入到液体部分的固体的量。每种生物质均需要特定的孔隙尺寸以获得特定的固体捕获(液体滤液中悬浮的固体的量)。尽管本披露已经描述并且展示了某些实施例,但还要了解,所描述的系统、装置以及方法不局限于这些具体实施例。实际上,应了解,包括在本文中已经描述并且展示的具体实施例和特征的功能或机械等效物的所有实施例。应了解,尽管已经针对一个或另一个实施例描述了不同的特征,但不同特征和实施例可以被组合或与如在本·文中描述并且展示的其他特征和实施例结合使用。
权利要求
1.一种用于分离含有固体的加压流体物质的固体/流体分离模块,包括: 一个可加压收集室;和至少一个过滤器单元,该至少一个过滤器单元用于从该加压物质中分离流体并且将该流体弓I导到该收集室中; 该过滤器单元限定相对于该收集室密封的、用于接收该加压物质的一个核心开口,并且该过滤器单元包括由一个过滤器板和一个垫板组成的一个过滤器组合件,该过滤器板具有从该核心开口向外延伸到该过滤器板中的一个贯穿过滤器狭槽,该贯穿过滤器狭槽用于从该核心开口向外引导流体,该垫板用于将该过滤器狭槽中聚集的流体引导到该收集室中。
2.如权利要求1所述的分离模块,其中该过滤器板包括多个过滤器狭槽。
3.如权利要求1所述的分离模块,其中该过滤器单元具有背靠背堆叠的多个过滤器组合件以形成一个过滤器块,该过滤器块包括由交替的过滤器板和垫板构成的堆叠并且限定该核心开口。
4.如权利要求1所述的分离模块,其中该过滤器单元具有预选的过滤器孔隙尺寸,并且该过滤器狭槽限定对应于该预选的孔隙尺寸的开口面积。
5.如权利要求3所述的分离模块,其中该过滤器单元具有预选的过滤器孔隙尺寸和预选的孔隙率,每一个过滤器狭槽限定对应于该预选的孔隙尺寸的开口面积,并且每一个过滤器组合件具有由该核心开口的总面积、该预选的孔隙尺寸以及过滤器狭槽的数目计算出的一个孔隙率,该过滤 器单元包括至少等于预选的孔隙率/过滤器组合件孔隙率的过滤器组合件的数量。
6.如权利要求1所述的分离模块,其中该过滤器狭槽在远离该核心开口的方向上变宽。
7.如权利要求1所述的分离模块,其中该收集室具有用于容纳该过滤器单元的一个压力夹套,并且该压力夹套在一个输入端处由一个输入端板可密封地封闭并且在一个出口端处由一个出口端板可密封地封闭,该过滤器组合件夹在这些输入与输出端板之间。
8.如权利要求7所述的分离模块,其中该压力夹套包括分别用于液体和气体的分开的排流口。
9.如权利要求6所述的分离模块,其中该过滤器单元具有背靠背堆叠的多个过滤器组合件以形成一个过滤器块,该过滤器块包括由交替的过滤器板和垫板构成的堆叠,该堆叠夹插在这些输入与输入端板之间。
10.如权利要求9所述的分离模块,其中每一个过滤器板包括多个过滤器狭槽。
11.如权利要求10所述的分离模块,其中该垫板具有一个沟槽,该沟槽与该过滤器板的背面一起限定一个排流通道,该排流通道与该收集室和该过滤器狭槽流体连通。
12.—种结合螺杆挤出机使用的固体/流体分离模块,该螺杆挤出机具有一个挤出机筒、一个挤出机块以及在该挤出机机筒中匹配地收纳的一个可旋转的挤出机螺杆,该分离模块包括: a.一个可加压分离室,该分离室在一个输入端处可连接到该挤出机机筒并且在一个出口端处可连接到该挤出机块;和 b.该分离室中的至少一个过滤器组合件,该至少一个过滤器组合件限定用于与该挤出机机筒和挤出机块连通的、相对于该收集室密封的一个核心开口,该过滤器组合件包括至少一个过滤器板和至少一个垫板,该至少一个过滤器板具有从该核心开口延伸到该过滤器板中的一个贯穿过滤器狭槽,该贯穿过滤器狭槽用于从该核心开口向外引导流体,该至少一个垫板用于将该过滤器狭槽中聚集的流体引导到该分离室中。
13.如权利要求12所述的分离模块,其中所述入口板、出口板、过滤器板以及垫板限定用于与该挤出机机筒连通的、相对于该收集室密封的一个核心开口,该过滤器板具有与该核心开口连通并且从其向外延伸的至少一个过滤通道,该垫板具有用于将该过滤通道中的液体引导到该分离室中的一个沟槽,并且该分离室具有用于排出由该过滤器组合件分离出的液体的一个排流出口。
14.如权利要求1所述的分离模块,其中该过滤器单元包括具有0.00003到0.005平方英寸的孔隙尺寸的多个过滤器狭槽。
15.如权利要求1所述的分离模块,其中该过滤器单元具有5%到40%的孔隙率,该孔隙率被测量为相对于总过滤器面积的总孔隙面积。
16.如权利要求14或15所述的分离模块,其中该过滤器单元被构造用于在100到5OOOpsig的压力下工作。
17.如权利要求16所述的分离模块,其中该过滤器单元被构造用于在2500到3OOOpsig的压力下工作。
18.一种用于在木质纤维素生物质水解和发酵为纤维素乙醇之前连续预处理该生物质的方法,该方法包括以下步骤: 在一个第一挤出机中将该生物质与水或工艺化学物混合,以提供一种加湿的加压的生物质; 在压力下使该加湿的加压的生物质从该第一挤出机传递到一个加压的竖直反应器中,以便暴露于该竖直反应器中的工艺化学物和蒸汽中,以产生一种部分预处理的生物质; 在该压力下使该反应器中的该部分预处理的生物质传到一个第二挤出机中,并且使该部分预处理的生物质暴露于高于该反应器中的压力的一个压力下; 从该第二挤出机中的该部分处理的生物质移出提取物; 任选地借助于一种洗涤液产生一种被提取的生物质; 使该提取的生物质在该第二挤出机的输出端处爆炸性地膨胀,以产生一种膨胀的生物质;以及 将该膨胀的生物质分离为固体和气体。
19.如权利要求18所述的方法,在移出提取物的步骤之前包括一个洗涤步骤,该洗涤步骤包括在该第二挤出机中加入一种洗涤液,以便洗涤该部分预处理的生物质,并且提供一种洗涤的生物质,并且使该洗涤液相对于该部分处理的生物质流移动,以便在该洗涤步骤结束时用清洁的洗涤液来洗涤该部分处理的生物质。
20.如权利要求19所述的方法,包括以下另一步骤:在爆炸性膨胀之前注入气体或超临界流体到该洗涤的生物质中以便改进该生物质在爆炸性膨胀期间的爆炸力。
21.如权利要求19所述的方法,包括重复的洗涤和移出提取物的步骤。
22.如权利要求18所述的方法,进一步包括至少一个加压和捏合步骤,其中该部分预处理的生物质在该第二挤出机中在升高的温度和压力下经受蒸汽,并且通过在该第二挤出机中的捏合与混合元件来进行捏合并且混合。
23.一种用于在木质纤维素生物质水解和发酵为纤维素乙醇之前连续预处理该生物质的系统,该系统包括: 一个第一挤出机,该第一挤出机用于提供一个连续高压生物质给料; 一个加压的竖直反应器,该反应器用于从该第一挤出机接收该高压生物质给料,并且使该生物质经受一个部分预处理,以产生一种部分预处理的生物质,该第一挤出机提供用于该反应器的一个高压柱塞,并且该反应器保持在高达350psig的压力下和在高达425° F(220° C)的温度下; 一个第二挤出机,该第二挤出机用于在该反应器压力下从该反应器接收该部分预处理的生物质,并且使该部分处理的生物质经受比该反应器压力更高的一个压力,该第二挤出机包括多个级,至少一个级包括一个固体/流体分离模块,以便从该第二挤出机中的该生物质移出流体; 该第二挤出机的该输出端处的一个动态密封件,该动态密封件用于提供经由该密封件从该第二挤出机排出的洗涤的生物质的爆炸性膨胀;以及 与该第二挤出机连接的一个分离器,该分离器用于接收膨胀的生物质并且将该膨胀的生物质分离为固体和气体。
24.如权利要求21所述的系统,进一步包括一个洗涤液注入安排,该洗涤液注入安排用于将洗涤液注入到该第二挤出机的至少一个级和该分离模块的与该第二挤出机的一个输出端相邻的上游中。
25.如权利要求22所述的系统,其中该第二挤出机包括多个分离模块和洗涤液注入安排以用于提供连续的洗涤段。
26.如权利要求23所述的系统,其中该挤出机进一步包括了捏合以及混合结构,这些结构用于捏合并且混合通过该挤出机的该部分预处理的生物质。
27.一种用于处理生物质的方法,该方法如在本文中参照图1所描述并且包括所描述的方法步骤中的一个或 多个。
全文摘要
一种固体/流体分离模块和预处理装置和方法使得能够在高的温度和压力下预处理生物质,具有改变滞留时间和处理时间的能力。
文档编号C12P7/10GK103237834SQ201180058532
公开日2013年8月7日 申请日期2011年11月9日 优先权日2010年11月9日
发明者理查德·罗密欧·勒乌, 克里斯多佛·布鲁斯·布拉特 申请人:绿源乙醇公司

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