固體/流體分離器件和包括固體/流體分離的用於處理生物質的方法

2023-09-17 10:14:25

專利名稱：固體/流體分離器件和包括固體/流體分離的用於處理生物質的方法
技術領域：
本發明涉及一種固體/流體分離器件；和一種用於處理生物質的方法，其中包括固體/流體分離，更具體地說，是包括在生物化學轉化工藝中對木質纖維素生物質的預處理。
背景技術：
木質纖維素生物質的預處理過程用於轉化為化學物，該過程需要較長的滯留時間、高壓以及高溫。從所處理的生物質中分離出液體的過程必須在以上條件下進行，才能實現高產量和工藝效率。當前，需要多件設備才能達成這一效果，這在資金和操作成本方面成本較高。此外，工藝效率很低。木質纖維素生物質的預處理過程中工藝效率的關鍵組成部分是從固體生物質/纖維素部分中洗滌和壓榨出水解的半纖維素糖、毒素、抑制劑和/或其他提取物的能力。在纖維素預處理所需的高熱和壓力下，難以將固體與液體有效地分離。在固體/流體分離期間，殘留於固體部分中的液體的量取決於所施加的分離壓力的量、固體濾餅的厚度以及過濾器的孔隙率。過濾器的孔隙率取決於過濾器孔隙的數目和尺寸。壓力降低、濾餅厚度增加或過 濾器的孔隙率降低都將導致液體/固體分離程度和固體部分的最終乾燥程度的降低。對於特定的固體濾餅厚度和過濾器孔隙率來說，最大分離是在儘可能最高的分離壓力下實現的。對於特定的固體濾餅厚度和分離壓力來說，最大分離僅僅取決於過濾器的孔隙尺寸。高分離壓力不幸地需要能夠經受該分離壓力的強過濾介質，從而使得工藝困難並且所需要的設備成本非常高。當需要高分離壓力時，過濾介質的厚度需要增加以經受那些壓力。然而，為了維持與具有更薄過濾介質的過濾器相同的總孔隙率，更厚的過濾介質需要更大的孔隙尺寸。這會產生一個問題，取決於待截留的固體，因為過濾器的可接受的孔隙尺寸受固體部分中的纖維和顆粒的尺寸限制，所以液體部分的澄清度僅僅受過濾介質的孔隙尺寸限制。太大的孔隙使得大量懸浮的顆粒可在液體部分中聚集，從而降低液體/固體分離效率。隨時間進展，過濾介質傾向於被懸浮的固體堵塞，從而降低其生產率，尤其在纖維素預處理所需的高壓下更是如此。因此，通常需要液體的回洗流來清除堵塞並且恢復生產率。一旦過濾器變得堵塞，則需要高壓來回洗這些介質。在為了最大化生產率並獲得高纖維素預處理工藝效率而連續生產的工藝中，在高於IOOOpsig的壓力下使用過濾介質來工作時，上述過濾器堵塞現象尤其是一個問題。有效地執行纖維素預處理所需的當前設備是複雜並且昂貴的，這是由於不存在任何一種已知設備可以在一個單一裝置中同時進行多個木質纖維素生物質預處理步驟。常規單螺杆、雙螺杆或三螺杆擠出機不具有低能量預處理生物質所必需的滯留時間，並且也不具有用於預處理生物質的適用且有效率的固體/流體分離器件。美國專利US7, 347，140披露了一種螺杆壓力機，該螺杆壓力機具有一個穿孔的殼體。這種螺杆壓力機的工作壓力由於穿孔的殼體的低強度而較低。美國專利US5，515，776披露了一種蝸輪壓力機和壓力機夾套中的排流穿孔，這些穿孔增加了排出的液體的流動方向上的截面積。美國專利US7，357，074涉及一種螺杆壓力機，該螺杆壓力機具有一個圓錐形脫水外殼，該外殼具有多個開孔以用於從壓力機中壓縮的大塊固體中排出水。同樣，使用一個穿孔的殼體或夾套。如將容易理解，外殼中的穿孔數目越高，外殼的壓力耐受性越低。此外，當微細固體的分離需要非常小的孔時，在一個外殼或壓力機夾套中穿孔會涉及到一些嚴重的挑戰。因此，需要一種用於螺杆壓力機的改進的脫水模塊。
發明概述本發明的一個目的是消除或減輕現有固體液體分離器件和工藝的至少一個缺陷。另一個目的是提供一種用於預處理木質纖維素生物質的改進方法；和一種用於在升高的分離壓力下獲得改進的分離性能的液體/固體分離模塊。為了改進固體/流體分離，本發明提供了一種用於螺杆壓力機的固體/流體分離模塊，該模塊從含有固體物質的液體中分離流體，該液體被螺杆壓力機壓縮到高於IOOpsig的壓力。該分離模塊包括一個過濾器單元，該過濾器單元具有5%到40% (相對於總過濾器面積的總孔隙面積)的孔隙率。優選地，該模塊在5%到40%、更優選地11%到40%的過濾器孔隙率下經受3000psig的操作壓力。該過濾器單元優選地包括多個過濾器孔隙，該多個過濾器孔隙具有0.00005平方英寸到0.005平方英寸的孔隙尺寸。在一個優選實施例中，該過濾器單元包括過濾器孔隙，其中這些過濾器孔隙具有0.00005平方英寸的孔隙尺寸(用於微細固體的分離)、5.7%的孔隙率以及2，500psig的壓力耐受性。在另一個實施例中，該過濾器單元包括孔隙，其中這些孔隙具有0.005平方英寸的孔隙尺寸和20%的孔隙率以及5，OOOpsig的壓力耐受性。在另一個優選實施例中，該過濾器單元包括孔隙，其中這些孔隙 具有0.00005平方英寸的孔隙尺寸和11.4%的孔隙率。在再另一個優選實施例中，該過濾器單元包括孔隙，其中這些孔隙具有0.005平方英寸的孔隙尺寸和40%的孔隙率。在再另一個實施例中，該過濾器單元包括具有0.00003平方英寸的孔隙尺寸的孔隙。為了實現最大固體/流體分離效率，希望最小化過濾器孔隙尺寸，同時最大化過濾器孔隙率，並且在升高的分離壓力下操作。在常規螺杆壓力機中，由於需要將圓柱形通道切削以使其進入到過濾器夾套中，最小化孔隙尺寸是一個挑戰。這個問題現今已經由諸位發明人解決了。在本發明的過濾器單元中，過濾器孔隙通過僅僅切削出穿過過濾器板的狹槽來形成，與在壓力夾套中鑽孔相比，這種方式實現起來更加容易。使用狹槽還允許通過使用非常薄的過濾器板和狹窄的狹槽來形成小得多的過濾器孔隙。舉例來說，通過使用具有
0.005英寸厚度的過濾器板並且切割出穿過該過濾器板的具有0.01英寸寬度的狹槽，可以實現僅有0.00005平方英寸的孔隙尺寸。可以通過使用更薄的過濾器板、例如具有0.003英寸厚度的板，來實現甚至更小的孔徑尺寸。此外，為了在升高的操作壓力下提供相對較高的孔隙率，提供一種分離模塊，該分離模塊用於與含有固體的加壓液體物質源(例如螺杆壓力機)的密封連接。在一個方面，該分離模塊包括一個可加壓收集室和一個過濾器單元來用於密封地接收加壓的物質。該過濾器單元具有預選的過濾器孔隙尺寸和預選的孔隙率。該過濾器單元包括具有相對的正面和背面的至少一個過濾器板、接合過濾器板正面的一個蓋板以及接合過濾器板背面的一個墊板。該過濾器板、蓋板以及墊板限定了一個貫穿核心開口，該貫穿核心開口相對於收集室密封，並且用於接收加壓的物質。該過濾器板具有至少一個貫穿過濾器狹槽，該至少一個貫穿過濾器狹槽從該核心開口向外延伸到該過濾器板中，該過濾器狹槽通過蓋板和墊板在其正面和背面被密封，以便形成具有預選的過濾器孔隙尺寸的過濾器通道。該墊板具有一個溝槽，該溝槽與該背面一起限定一個排流通道，該排流通道與該收集室和該過濾器通道流體連通。為了使孔隙率增加，該過濾器板優選地包括多個分開的過濾器狹槽以便增加該過濾器單元的孔隙率，並且該排流通道與所有這些過濾器狹槽流體連通。為了更進一步增加過濾器單元的孔隙率，該過濾器單元優選地包括安排在該蓋板後面的多對過濾器板和墊板，該多對過濾器板和墊板形成由交替的過濾器板和蓋板構成的堆疊，由此，夾插在兩個過濾器板之間的每一個墊板，既用作其中一個過濾器板的墊板，也用作另一個過濾器板的蓋板。通過使過濾器板和墊板交替安排，過濾器單元的分離壓力容量增加。通過使用比過濾器板更厚的墊板，過濾器單元的壓力容量可以得到進一步改進。類似地，通過使用直徑更大的墊板和過濾器板，過濾器單元的壓力容量可以增加。在一個實施例中，該分離模塊可以安裝到螺杆壓力機的機筒上，並且該核心開口的尺寸被配置為匹配地收納壓力機的擠出機螺杆的一部分。該擠出機螺杆優選地具有相對於過濾塊的核心開口的小公差，以便不斷地從過濾器表面向外刮削被壓縮的物質而同時產生顯著分離壓力。在少量纖維變得截留在過濾器表面上的情況下，它們將由擠出機元件剪切為更小的部分，並且最終與液流一起以非常微細的顆粒形式通過過濾器而出。這就提供了一種固體/流體分離器件，它允許在高壓高溫環境中分離物質中的固體和液體部分。
在另一個方面，用於從含有固體的液體加壓物質中分離液體或氣體的分離模塊包括:一個可密封外殼，該可密封外殼具有一個壓力夾套，該壓力夾套限定液體和氣體的一個收集室；夾套上的一個液體出口和一個氣體出口，該液體出口和該氣體出口用於對應地從收集室排出液體和氣體；一個入口端板，該入口端板以可移除的方式可固定到夾套的一個入口端；一個出口端板，該出口端板以可移除的方式可固定到夾套的一個出口端；以及至少一個過濾器組合件，該至少一個過濾器組合件包括一個過濾器板和一個墊板，該過濾器組合件夾插在該入口端板與該出口端板之間；這些過濾器板和墊板具有用於接收加壓物質的一個對準的核心開口，該核心開口相對於該收集室密封，其中該過濾器板包括至少一個貫穿過濾器狹槽，該至少一個貫穿過濾器狹槽從該核心開口延伸到該過濾器板和該墊板中，從而限定與該過濾器狹槽和該收集室流體連通的一個通道。優選地，該可密封外殼具有兩對或更多對過濾器板與墊板。優選地，該過濾器板包括多個過濾器狹槽。優選地，每一個墊板包括一個圓形溝槽，該圓形溝槽與一個相鄰過濾器板的所有過濾器狹槽流體連通。優選地，這些過濾器板和墊板中的每一者都具有用於在板之間進行對準和互連的一對相對的安裝突出片。每一個安裝突出片可以具有用於收納緊固螺栓的一個孔，該緊固螺栓用於在一個連續過濾塊中將過濾器板和墊板的堆疊對準並夾持在一起。替代地，省略用於該緊固螺栓的孔，並且該壓力夾套在一個內表面上包括隆起，這些隆起用於將這些突出片對準並且防止這些過濾器板和墊板相對於該核心開口旋轉。
在另一個方面，本發明提供了上述固體/流體分離模塊的用途，用於具有固體部分、液體部分和氣體部分的物質的處理，來將固體部分與液體和氣體部分分離。在另一個方面，本發明在於一種用於預處理生物質、具體來說是木質纖維素生物質的方法。對於本領域的普通技術人員來說，在結合附圖閱讀完具體實施例的以下描述之後，本發明的其他方面和特徵將變得顯而易見。
附圖簡要說明為了更好地理解本文所描述的實施例並且為了更清楚地示出它們可以如何來實現，現在將參考示出示例性實施例的附圖(僅舉例來說)，在這些附圖中:

圖1示出了纖維素預處理裝置的示意圖，其中併入了含固液分離模塊的雙螺杆擠出機。

圖2以分解圖形式示意地示出了雙螺杆擠出機固體/流體分離模塊的實施例；圖3示出了圖2中所示的固體/流體分離模塊的分解圖；圖4示出了具有狹窄過濾器狹槽作為排流通道的分離模塊的一個過濾器(指)板；圖5示出了圖4的過濾器(指)板的放大細部圖；圖6示出了具有比圖4和圖5的實施例更寬的過濾器狹槽的分離模塊的一個過濾器(指)板；圖7示出了圖3的實施例的一個右手墊板；圖8是圖7的墊板沿線B-B截取的截面圖；圖9是圖7的墊板沿線A-A截取的截面圖；圖10示出了圖3的實施例的一個左手墊板；圖11是根據圖6和圖7的一對過濾器板與墊板的等角視圖；圖12是圖11的該對過濾器板與墊板沿線C-C截取的截面圖；以及圖13示出了由分離模塊的一個實施例得到的濾液中所存在的顆粒的粒度分布。
本發明的實施方式的詳細描述應了解，為了說明的簡明和清楚起見，可能會在認為適當時在圖中重複參考數字以指示相對應或類似的元件或步驟。另外，列舉眾多具體細節，以便提供對在本文中所描述的示例性實施例的徹底的了解。然而，本領域的普通技術人員應了解，可以在無這些具體細節的情況下實踐本文中所描述的實施例。在其他例子中，並未詳細描述熟知方法、程序以及組件以免妨礙對本文中所描述的實施例的理解。此外，該描述不應視為以任何方式限制本文中所描述的實施例的範圍，而實際上僅僅描述本文中所描述的不同實施例的實現方式。如圖1中所示，本發明的一個簡單連續纖維素乙醇預處理系統2僅由三個機器組成。第一擠出機4被用作生物質的連續高壓柱塞進料器/混合器。擠出機4將生物質進給到豎直反應器6中。豎直反應器6能夠具有長的滯留時間。豎直反應器6將生物質進給到第二擠出機8中，第二擠出機8優選地是一個雙螺杆擠出機。預處理工藝包括使生物質流動穿過第一擠出機4、豎直反應器6以及第二擠出機8。擠出機4 (也可以是一個雙螺杆擠出機)被用來將連續的進料提供到加壓的豎直反應器6中。視給料的類型而定，擠出機4中不同化學物的混合是可能的。擠出機4具有一個自動閥門，該自動閥門在發生給料損失時關閉以防止在給料損失的情況下的壓力損失。
視生物質而定，豎直反應器6能夠在高達350psig的壓力和高達425° F(220° C)的溫度下使用不同的化學物來工作。豎直反應器6中的滯留時間可以視生物質而定，從若干分鐘到許多小時來變化。被部分處理的生物質在加壓的給料區10處從豎直反應器6排放到第二擠出機8中。在第二擠出機8中，大部分固體生物質移動到一個輸出端(圖1中的右側)，並且其中一小部分被向後輸送以在驅動軸上產生壓力密封。在第二擠出機8中，會按照不同生物質的需要而產生比第一反應器中更高的壓力，並且預處理工藝視生物質而定由兩個、三個或更多個分離過程完成。洗滌液(水、氨或其他洗滌液)與固體生物質流(圖1中的左邊)逆流或同流地移動，以使得在擠出機末端用最清潔的液體洗滌生物質。視所處理的生物質而定，可以在輸出端處注入諸如二氧化碳的氣體或超臨界流體，以按照需要改進爆炸力。在輸出端處，在不同壓力和乾物質含量下可以使用各種擠出機螺杆和/或另一種反應器容器，和/或控制閥門和/或旋轉孔口以產生不同類型的生物質所需要的動態密封和爆炸力。在輸出處，從這些器件中之一中發生生物質爆炸性膨脹後，使用旋風器或其他分離器件來收集噴射出的固體和任何氣體。在進入第二擠出機8後，大部分生物質被向前輸送，而少量被向後輸送以產生動態壓力密封以防止從豎直反應器6中滲漏。生物質進入如圖1上所示的處理階段1，並且使用第一固體/流體分離器件12來經受一個更高壓力、高溫初始逆流過濾區，該第一固體/流體分離器件如下文參見圖2到圖13更詳細描述。在此時，一些生物質僅需要對提取物和半纖維素糖漿進行壓榨，並且可以不需要洗滌水。在固體/流體分離器件中，通過使用各種螺杆元件在濾餅厚度受控的前提下移出液體半纖維素糖漿和/或提取物。視所處理的生物質類型而定，通過使用不同過濾器板設計來控制滲透性、孔隙尺寸、過濾面積以及壓力等級。通過使用壓控閃蒸罐16來控制液體壓力和閃蒸。在從第一固體/流體分離器件12排出後，生物質被向前輸送(圖1中向右)並且藉助於來自前方區域的蒸汽/高壓水進行加熱，並且通過各種螺杆元件進行壓縮/輸送來施加壓力。在圖1中所示的處理階段2中，生物質會經受針對不同生物質的剪切能量可變的高壓混合/捏合以改進預處理。液體半纖維素的高壓高溫最終逆流過濾(如某些類型的生物質所需要，可以僅壓榨出部分半纖維素糖漿和提取物並且不進行逆流洗滌)通過使用各種螺杆元件在濾餅厚度受控的前提下進行。視所處理的生物質類型而定，通過在第二固體/流體分離器件14中選擇適當設計的過濾器板來控制滲透性、孔隙尺寸、過濾面積以及壓力等級。通過使用壓控閃蒸罐16來控制液體壓力和閃蒸。在處理階段3中，通過各種不同的擠出機螺杆元件進行壓縮/輸送，生物質經受熱和壓力。為改進不同生物質的預處理，需要向生物質賦予剪切能量以改進的酶可及性。使用針對不同生物質來說剪切能量可變的生物質的高壓混合/捏合來改進預處理。可以通過使用各種螺杆元件在濾餅厚度受控的前提下對液體半纖維素糖漿進行逆流或同流過濾，賦予高壓高溫中間循環(或最終循環，視生物質而定)。通過在第三固體/流體分離器18中選擇適當過濾器板以符合生物質性質來控制滲透性、孔隙尺寸、過濾面積以及壓力等級。通過使用壓控閃蒸罐16來控制液體壓力和閃蒸。
在圖1中所示的處理階段4中，通過使用各種擠出機螺杆元件來進行壓縮/輸送，生物質經受熱和壓力。對於不同生物質來說可選擇剪切能量可變的生物質的高壓混合/捏合。在處理階段4中，生物質與高壓水或其他流體/溶液混合以進行最終洗滌階段。其他流體可以包括分子，它們在室溫下是氣體，如在擠出機內由於更高溫度將變得超臨界的高壓液體CO2 ;或高壓氣體的氨。固體纖維生物質然後在系統的最高壓力下輸送通過第二擠出機8和動態密封替代物中的一者，並且在雙螺杆擠出機的出口處，在纖維內壓縮的氣體(如蒸汽、氨或超臨界流體)的受控爆炸性膨脹下排出到一個固體/氣體分離器件(旋風器或其他器件)中。在使用高壓液體CO2時，當此流體被生物質加熱時，超臨界性質的此流體會像氣體一樣滲透到固體纖維的內部，並且造成就像氣體一樣對抗著固體壓力分布的該流體上遊的一個部分流。纖維內的這種超臨界流體在通過動態密封件排出擠出機時會從大多數纖維內部產生一個爆炸力，該爆炸力比標準氣體大許多倍，改變固體纖維素顆粒並且從而增加酶可及性。在雙螺杆擠出機排放處還有一個自動控制閥門，該自動控制閥門被用來在如果發生給料或功率損失的情況下在一定程度上維持系統壓力。根據本發明的一種無膜固體/流體分離器模塊100的一個實施例在圖2和圖3中示出，該模塊能夠承受非常高的內部壓力(高達5000psig)。這種固體/流體分離器模塊可以結合圖1中所示的工藝和裝置使用，同時能夠按照所處理的生物質/固體的類型的需要，通過不同的過濾器板配置和板厚度來控制滲透性/孔隙率(過濾能力)。在一個實施例中，如圖2中所展示，固體/流體分離模塊100與一個螺杆壓力機結合使用，並且被安裝在螺杆壓力機的雙螺杆擠出機機筒500與擠出機塊520之間。模塊100從含有固體物質的液體中分離流體(液體和/或氣體),該含有固體物質的液體被螺杆壓力機壓縮，優選地壓縮到高於IOOpsig的壓力。分離模塊100包括收集室200和過濾器單元300，過濾器單元300具有5%到40%的孔隙率(相對於總過濾器面積的總孔隙面積)。優選地，模塊100在5%到40%、更優選地11%到40%的過濾器孔隙率下承受高達5000psig的操作壓力。過濾器單元300優選地包括多個過濾器孔隙，該多個過濾器孔隙具有0.00003到
0.005平方英寸的孔隙尺寸。在一個優選實施例中，過濾器單元300包括過濾器孔隙，其中這些過濾器孔隙具有0.00005平方英寸的孔隙尺寸(用於微細固體的分離)、5.7%的孔隙率以及2，500psig的壓力耐受性。在另一個實施例中，過濾器單元300包括過濾器孔隙，其中這些過濾器孔隙具有0.005平方英寸的孔隙尺寸和20%的孔隙率以及5，OOOpsig的壓力耐受性。在另一個優選實施例中，過濾器單元300包括過濾器孔隙，其中這些過濾器孔隙具有0.00005平方英寸的孔隙尺寸和11.4%的孔隙率。在再另一個優選實施例中，過濾器單元300包括過濾器孔隙，其中這些過濾器孔隙具有0.005平方英寸的孔隙尺寸和40%的孔隙率。分離模塊100的基本結構在圖2和圖3中示出。收集室200能夠承受任何組件的最高壓力，用來將過濾出的流體分離為氣體和液體。收集室由壓力夾套或外殼220和輸入和輸出端板230和240界定。液體可以從收集室200通過一個液體排流口 221排出，該排流口優選地位於壓力夾套220上的最低點處。壓力夾套220進一步在夾套內側上包括多個對準隆起223，該多個對準隆起與夾套的縱軸平行地延伸，用於將收集室200內的過濾器板與墊板對準。收集室200中聚集的氣體可以從該室通過一個氣體排流口 222排出，該排流口優選地位於壓力夾套220 上的最高點處。高壓收集室200通過圓形密封件250密封，這些密封件安置在壓力夾套220的兩個軸向末端與端板230、240之間。這種高壓/高溫能力允許用在50° C到250° C的工藝操作溫度壓力下通常呈氣態的流體(如氨、CO2以及水)來洗滌生物質。分離模塊通過組裝螺栓225緊固在一起，這些組裝螺栓位於壓力夾套220外部，用於將端板230、240拉在一起並且將壓力夾套220和圓形密封件250夾持於兩個端板間。過濾器單元夾持螺栓129 (參見圖2)也可以用來將過濾器單元300中的過濾器組合件321、322夾持在一起。在一個優選實施例中，過濾器單元夾持螺栓延伸通過端板230、240並且用於附加地將分離模塊200夾持在一起。過濾器單元夾持螺栓129還可以延伸通過擠出機塊520以用於將擠出機塊與分離模塊緊固。然而，分離模塊200中的滲透點需要被可靠地密封以便維持收集室200中的壓力，為了最小化這些滲透點的數目，過濾器單元緊固螺栓129被省略，並且通過位於壓力夾套外部的緊固結構(如螺栓225)來實現將分離單元的多個部分夾持在一起。視所用的壓力而定，可以直接在收集室200中分離一些氣體，或在一些情況下(如圖1中所示)，可以利用一個分離的閃蒸器來優化總工藝效率。過濾器單元300包括用本發明的基本過濾器組合件321、322堆疊組裝的若干板塊320，過濾器板120的組合抵著墊板160、180來放置，這些過濾器板在下文參見圖4到圖12更詳細描述。存在右手過濾器組合件321，該右手過濾器組合件包括一個過濾器板120和一個右手墊板160，以及左手過濾器組合件322，該左手過濾器組合件包括一個過濾器板120和一個左手墊板180。在一個方面，該分離模塊包括一個可加壓收集室200和一個過濾器單元300，用於密封地接收加壓的物質(未圖示)。過濾器單元300具有預選的過濾器孔隙尺寸和預選的孔隙率。過濾器單元300包括具有相對的正面和背面121、123的至少一個過濾器板120、接合過濾器板120的正面121的一個蓋板230以及接合過濾器板120的背面123的一個墊板160、180。過濾器板、蓋板以及墊板(120、230、160/180)界定了相對於收集室200密封的貫穿核心開口 128，該貫穿核心開口用於接收加壓的物質(未圖示)。過濾器板120具有至少一個貫穿過濾器狹槽132，該至少一個貫穿過濾器狹槽從核心開口 128向外延伸到過濾器板中，該過濾器狹槽13 2通過蓋板和墊板230、160/180在正面和背面121、123處密封，以便形成具有預選的過濾器孔隙尺寸的過濾器通道。墊板160/180具有一個溝槽164，該溝槽用於與背面123 —起界定一個排流通道，該排流通道與收集室200和過濾器狹槽132流體連通(參見圖11和12)。為使孔隙率增加，過濾器板120優選地包括了多個分離的過濾器狹槽132，並且排流通道164與所有過濾器狹槽132流體連通。為了更進一步增加過濾器單元的孔隙率，過濾器單元優選地包括安排在蓋板230後面的多對過濾器板和蓋板(120、160/180)，該多對過濾器板和蓋板形成由交替的過濾器板和蓋板構成的堆疊，夾插在兩個過濾器板120之間的每一墊板160/180，既用作其中一個過濾器板的墊板，也用作另一個過濾器板的蓋板。通過使過濾器板和墊板(120、160/180)交替，過濾器單元300的分離壓力容量增加。通過使用比過濾器板120更厚的墊板160/180，過濾器單元300的壓力容量可以得到進一步改進。在圖2的實施例中，分離模塊100安裝到螺杆壓力機的機筒500上，並且核心開口128的尺寸被配置為匹配地收納壓力機螺杆的一部分(未圖示)。螺杆壓力機的壓力機螺杆通常具有相對於過濾塊300的核心開口 128的非常小的公差，並且不斷地從過濾器表面向外刮削壓縮的物質而同時產生顯著的分離壓力。在少量纖維變得截留在過濾器表面上的情況下，它們將由擠出機螺杆剪切為更小的部分，並且最終與液流一起以非常微細的顆粒形式通過過濾器而出。這就提供了一種固體/流體分離器件，它允許在高壓高溫環境中分離物質的固體和液體部分。通過使擠出機螺杆切向地刮擦過濾器孔隙134，分離器件較不易於阻塞。由於根據本發明的分離模塊100的升高的孔隙率和壓力耐受性，乾燥部分排放物中高達90%的乾物質含量是可能的，而同時由於小孔隙尺寸而獲得一個相對澄清的液體部分，其中懸浮的固體低到1%。應容易了解，根據本發明的固體/流體分離模塊可以用於許多不同應用中來分離物質的固體/流體部分。在連續試行性測試中，用40g水洗滌包含40g固體和60g水的IOOg生物質單元，並且然後在100° C的溫度下使用600psig內力將液體擠出過濾器，獲得包含39g懸浮固體和5g水的乾燥生物質排放物(液體/固體生物質的固體部分)。包含95g水的濾液相對澄清，包含僅Ig懸浮的固體，這些懸浮的固體具有5微米的平均粒度和根據圖13的粒度分布。此外，由於本發明的固體/流體分離器件不太易於阻塞，因此不太需要像已知的分離器件那樣要求進行定期維護。因此，該固體/流體分離器件可以用於所需停機時間更少和維護更少的工藝中，從而導致增加的生產能力和更低的成本。圖4示出了一個微細過濾器板120，該微細過濾器板具有圓形中間段122，該圓形中間段附接到第一支撐突出片124和第二支撐突出片126。圓形中間段122具有一個8字形的核心開口 128，用於匹配地收納雙螺杆壓力機的壓力機螺杆。過濾器板120具有正面121和背面123。核心開口 128由多個微細指狀物130和中間過濾器狹槽132圍繞。為了實現最大固體/流體分離效率，需要最小化過濾器孔隙尺寸，同時最大化過濾器。在常規螺杆壓力機中，由於需要切削圓柱形通道以使其進入到過濾器夾套中，最小化孔隙尺寸是一個問題。這個問題由根據本發明的過濾器單元解決，其中過濾器孔隙通過僅僅在薄過濾器板120中切削出狹槽132來形成。過 濾器狹槽132被切削成穿過板120的整個厚度，並且因此在本文中被稱為貫穿狹槽。如圖4和圖5中所示，可以通過使用非常薄的過濾器板120和非常微細的狹槽132來用根據本發明的過濾器板120獲得非常小的過濾器孔隙。舉例來說，通過使用具有0.005英寸厚度的過濾器板並且在過濾器板中切削出具有0.01英寸寬度的狹槽，可以實現僅有0.00005平方英寸的孔隙尺寸。為達成更微細過濾，使用具有0.003英寸厚度的過濾器板與0.01英寸的過濾器狹槽寬度，從而產生僅有0.00003平方英寸的孔隙尺寸。如圖5中所示，非常微細的狹槽132和中間微細指狀物130被成形和安置，以使得它們提供了從核心開口 128向過濾器板120中並且朝中間段122的外部延伸的過濾器狹槽。優選地，過濾器狹槽132的末端都位於與圓形中間段122的外緣同心並且從其向內間隔的一個圓上。為了改進穿過微細排流通道的液體流動，通道在其內端134處變窄，到達核心開口 128中，並且朝其外端136向外張開。過濾器板120被安置成抵著如圖11和圖12中所示的墊板。這將在下文進一步更詳細論述。存在兩種類型的墊板，如圖7中所示的左手墊板160和如圖10中所示的右手墊板180。左手和右手墊板160、180具有相同原理構造，並且包括具有核心開口 128的圓形中心部分162、182，以及從中心部分162、182延伸出的安裝突出片190、192。左手與右手墊板之間的唯一差異是安裝突出片190、192相對於核心開口 128的取向，突出片在右手墊板160中相對於核心開口 128的橫軸以45度角向右延伸，並且在左手墊板180中以45度角向左延伸。當在這個階段具體生物質需要液體/氣體分離時，從而使用左手和右手墊板以在板的固持模式中產生一個90度變換，並且提供使液體排流到收集室底部並且使氣體流動到收集室頂部的裝置。具有中間過濾器板的連續右手板(或相反地左手板)的數目通常是等於至少0.25"厚的，但視板的總數目而定，可以是多到I"厚的。過濾器板安裝突出片124、126和墊板安裝突出片190、192都被成形為被匹配地收納在安裝在壓力夾套220的內壁上的對準隆起223對之間。如從圖7到圖9以及圖10顯而易見，每一類型的墊板在中心部分162、182上具有一個機械加工的外周溝槽164，穿過左手墊板180的截面與圖8和圖9中所示的右手墊板180的截面相同。如圖11和圖12中所示，當過濾器板120和墊板160、180被定位成與對準的核心開口 128背靠背時，外周溝槽164被定位成與過濾器板120中的過濾器狹槽132的外端136相對應(參見圖4至圖6)。圖11和圖12圖示了根據本發明的最基本過濾器組合件，一個過濾器板120和接合過濾器板的背面123的一個墊板160。進給通過核心開口 128的加壓的物質(未圖示)中夾帶的流體(液體和/或氣體)，在所提供的分離壓力的作用之下，被推動著流動到過濾器狹槽132中(參見箭頭)。 在過濾器狹槽的末端136處，流體被重定向以流動到墊板160中的外周溝槽164中，並且從外周溝槽164排出到收集室中(參見圖11、圖12以及圖3)。因此，微細過濾器板120可以過濾出液體和非常小的顆粒，這些液體和顆粒在相對於穿過8字形核心開口 128的生物質流的橫向方向上穿過過濾器狹槽132。與適用於更大顆粒/纖維素生物質纖維的一個更大孔隙板配置(如圖6中所示的那個)相反，對孔隙率的限制因素是過濾器板的板厚度。已經發現，在纖維素生物質的情況下，這種更粗的過濾器板配置提供了良好固液分離，而同時最小化了所需的板的面積和數目來達成在相同內部壓力下用圖4中的微細過濾器板所達成的相同的液體分離。如圖6中所示，一個更大孔隙的粗過濾器板140具有圓形中間過濾器段142，該圓形中間過濾器段附接到第一支撐突出片144和第二支撐突出片146。圓形中間過濾器段142具有一個8字形的核心開口 128，該核心開口由被切削成穿過濾器板140的過濾器狹槽132之間的多個更大指狀物130界定。如圖6中所示，更大指狀物130定位在粗排流通道132之間。粗過濾器板140可定位成抵著一個墊板(如圖7中所示的左手墊板160)以獲得如圖11和圖12中所示的過濾器組合件。總之，在更高壓力容量的情況下，可以從固體壓榨更多液體，或對於相同的物質乾燥度來說，可以獲得一個更高的每單位過濾面積生產率。可以根據板配置和厚度來控制過濾品質(固體捕獲)。可以根據具體生物質的過濾需求來最優化過濾/壓力等級/資本成本。板配置可以安裝在一個擠出機(單螺杆、雙螺杆或三螺杆)中以產生高壓高產量的連續分離。由於螺杆的擦拭性質和交叉軸向流動模式，固體/流體分離模塊是自動清洗的(對於雙螺杆和三螺杆來說)。過濾面積取決於工藝需求而可變通，如板組合件的長度可以容易地定製以適合於具體需求。模塊可以被用以在一個機器中在單個或多個階段中以一種同流或逆流配置洗滌固體，從而降低資本成本和能量需求。如果需要，可以從真空條件到甚至高於過濾塊內部壓力(2，OOOpsig到3，OOOpsig)的範圍來控制液體濾液的壓力。這提供了對於液流中的其他分離來說的巨大工藝靈活性(實例，高壓下的超臨界CO2，用以在高壓下洗滌的氨液體，或使用真空的液體濾液室中VOC和氨氣的釋放)。高背壓容量(高於內部過濾塊壓力)可以用以在操作期間在過濾器堵塞或生垢的情況下回洗過濾器，從而最小化停機時間。
微細過濾器孔隙率微細孔隙的尺寸是微細板的厚度X開口處狹槽的寬度。在圖4的過濾器板中，孔隙尺寸是0.005〃(板的厚度)X0.010〃(開口處狹槽的寬度)=每一孔隙0.00005平方英寸。對於=每一板0.0072平方英寸開口面積的總孔隙面積來說，每一板存在144個孔隙。在使用一個I英寸直徑的小雙螺杆擠出機的實驗裝備中，這個指板與一個0.020"厚的墊板成對，從而產生0.1256平方英寸的總過濾面積。因此，這一組實驗板(過濾器組合件)的總開口面積被計算為0.0072/0.1256=5.7%。在這個孔隙率下，該對實驗板(0.020〃厚的墊板)能夠承受2，500psig的分離壓力。1〃厚的實驗板組合件包括了總計40個過濾器板X0.0072平方英寸=0.288平方英寸開口面積。那相當於超過一個0.5〃直徑的管道，在所用的I"直徑的小擠出機中在僅I英寸擠出機長度的距離內均可實現。
粗過濾器孔隙率在如圖6中所示的所用的實驗粗過濾器板中，在過濾容量和液體流動路徑方面，過濾器狹槽的寬度基本上與過濾器板的厚度相同，從而產生一系列軸向溝槽。一組板(粗過濾器板+墊板)的總開口面積是板厚度的一個比率，在這種情況下=0.005/0.025=20%或約4倍於微細過濾器板系統的開口面積。在一個I"厚的板組合件中以總計40個指板使用粗板，我們最後得到40 X每一板0.0209平方英寸開口面積=0.837平方英寸開口面積。這大於一個I"直徑的管道，在所用的I"直徑的小擠出機都在I英寸擠出機長度的距離內均可實現。對於兩種類型的板來說，都`可以通過減小墊板的厚度同時保持過濾器板在相同厚度來顯著增加孔隙率。減小墊板厚度50%將使過濾器單元的孔隙率加倍。同時，每當墊板厚度減小時，過濾器單元的強度會降低，但這可以通過增加墊板的總直徑來抵消，從而使得液體流動路徑稍長但保持開口面積相同。因為可以使用低成本製造方法，使用過濾器板120來製造過濾模塊使得過濾器的低成本製造變得可能。板可以被雷射切割，或對於粗過濾來說，板可以被衝壓。用於生物質預處理的總設備成本還由於使多個處理步驟在一個單個機器中進行的能力而更低。固體/流體分離模塊可以同時進行三相分離。用以製造過濾器單元的材料的類型可以適配於不同處理條件。舉例來說，在低pH/腐蝕性應用中，可以使用如鈦、高鎳和鑰合金的材料。具體地說，諸位發明人已經開發一種固體/流體分離器件，該固體/流體分離器件分離物質的固體和液體部分並且相較於已知固體/流體分離器件較不易於阻塞。預期該固體/流體分離器件可以用於許多不同應用中以分離物質的固體/流體部分。此外，由於本發明的固體/流體分離器件較不易於阻塞，因此不太需要像已知器件那樣要求定期維護，包括回洗。因此，該固體/流體分離器件可以用於停機時間更少和維護更少的工藝中，從而導致增加的生產能力和更低的成本。在所描述的固體/流體分離器件中，在分離器件中內部地轉移物質的螺杆元件具有相對於過濾器塊的內表面的非常小的公差並且不斷地從過濾器表面刮削掉物質。在少量纖維變得截留在過濾器表面上的情況下，它們將由擠出機元件剪切為更小的部分並且最終與液流一起通過過濾器而出。板對(指板與墊板)的總數目可以取決於生物質而不同並且控制著總過濾面積。在相同液體分離條件下，對於更小孔隙來說，需要更多板/更多表面積。孔隙尺寸控制著進入到液體部分的固體的量。每種生物質均需要特定的孔隙尺寸以獲得特定的固體捕獲(液體濾液中懸浮的固體的量)。儘管本披露已經描述並且展示了某些實施例，但還要了解，所描述的系統、裝置以及方法不局限於這些具體實施例。實際上，應了解，包括在本文中已經描述並且展示的具體實施例和特徵的功能或機械等效物的所有實施例。應了解，儘管已經針對一個或另一個實施例描述了不同的特徵，但不同特徵和實施例可以被組合或與如在本·文中描述並且展示的其他特徵和實施例結合使用。
權利要求
1.一種用於分離含有固體的加壓流體物質的固體/流體分離模塊，包括: 一個可加壓收集室；和至少一個過濾器單元，該至少一個過濾器單元用於從該加壓物質中分離流體並且將該流體弓I導到該收集室中； 該過濾器單元限定相對於該收集室密封的、用於接收該加壓物質的一個核心開口，並且該過濾器單元包括由一個過濾器板和一個墊板組成的一個過濾器組合件，該過濾器板具有從該核心開口向外延伸到該過濾器板中的一個貫穿過濾器狹槽，該貫穿過濾器狹槽用於從該核心開口向外引導流體，該墊板用於將該過濾器狹槽中聚集的流體引導到該收集室中。
2.如權利要求1所述的分離模塊，其中該過濾器板包括多個過濾器狹槽。
3.如權利要求1所述的分離模塊，其中該過濾器單元具有背靠背堆疊的多個過濾器組合件以形成一個過濾器塊，該過濾器塊包括由交替的過濾器板和墊板構成的堆疊並且限定該核心開口。
4.如權利要求1所述的分離模塊，其中該過濾器單元具有預選的過濾器孔隙尺寸，並且該過濾器狹槽限定對應於該預選的孔隙尺寸的開口面積。
5.如權利要求3所述的分離模塊，其中該過濾器單元具有預選的過濾器孔隙尺寸和預選的孔隙率，每一個過濾器狹槽限定對應於該預選的孔隙尺寸的開口面積，並且每一個過濾器組合件具有由該核心開口的總面積、該預選的孔隙尺寸以及過濾器狹槽的數目計算出的一個孔隙率，該過濾 器單元包括至少等於預選的孔隙率/過濾器組合件孔隙率的過濾器組合件的數量。
6.如權利要求1所述的分離模塊，其中該過濾器狹槽在遠離該核心開口的方向上變寬。
7.如權利要求1所述的分離模塊，其中該收集室具有用於容納該過濾器單元的一個壓力夾套，並且該壓力夾套在一個輸入端處由一個輸入端板可密封地封閉並且在一個出口端處由一個出口端板可密封地封閉，該過濾器組合件夾在這些輸入與輸出端板之間。
8.如權利要求7所述的分離模塊，其中該壓力夾套包括分別用於液體和氣體的分開的排流口。
9.如權利要求6所述的分離模塊，其中該過濾器單元具有背靠背堆疊的多個過濾器組合件以形成一個過濾器塊，該過濾器塊包括由交替的過濾器板和墊板構成的堆疊，該堆疊夾插在這些輸入與輸入端板之間。
10.如權利要求9所述的分離模塊，其中每一個過濾器板包括多個過濾器狹槽。
11.如權利要求10所述的分離模塊，其中該墊板具有一個溝槽，該溝槽與該過濾器板的背面一起限定一個排流通道，該排流通道與該收集室和該過濾器狹槽流體連通。
12.—種結合螺杆擠出機使用的固體/流體分離模塊，該螺杆擠出機具有一個擠出機筒、一個擠出機塊以及在該擠出機機筒中匹配地收納的一個可旋轉的擠出機螺杆，該分離模塊包括: a.一個可加壓分離室，該分離室在一個輸入端處可連接到該擠出機機筒並且在一個出口端處可連接到該擠出機塊；和 b.該分離室中的至少一個過濾器組合件，該至少一個過濾器組合件限定用於與該擠出機機筒和擠出機塊連通的、相對於該收集室密封的一個核心開口，該過濾器組合件包括至少一個過濾器板和至少一個墊板，該至少一個過濾器板具有從該核心開口延伸到該過濾器板中的一個貫穿過濾器狹槽，該貫穿過濾器狹槽用於從該核心開口向外引導流體，該至少一個墊板用於將該過濾器狹槽中聚集的流體引導到該分離室中。
13.如權利要求12所述的分離模塊，其中所述入口板、出口板、過濾器板以及墊板限定用於與該擠出機機筒連通的、相對於該收集室密封的一個核心開口，該過濾器板具有與該核心開口連通並且從其向外延伸的至少一個過濾通道，該墊板具有用於將該過濾通道中的液體引導到該分離室中的一個溝槽，並且該分離室具有用於排出由該過濾器組合件分離出的液體的一個排流出口。
14.如權利要求1所述的分離模塊，其中該過濾器單元包括具有0.00003到0.005平方英寸的孔隙尺寸的多個過濾器狹槽。
15.如權利要求1所述的分離模塊，其中該過濾器單元具有5%到40%的孔隙率，該孔隙率被測量為相對於總過濾器面積的總孔隙面積。
16.如權利要求14或15所述的分離模塊，其中該過濾器單元被構造用於在100到5OOOpsig的壓力下工作。
17.如權利要求16所述的分離模塊，其中該過濾器單元被構造用於在2500到3OOOpsig的壓力下工作。
18.一種用於在木質纖維素生物質水解和發酵為纖維素乙醇之前連續預處理該生物質的方法，該方法包括以下步驟: 在一個第一擠出機中將該生物質與水或工藝化學物混合，以提供一種加溼的加壓的生物質； 在壓力下使該加溼的加壓的生物質從該第一擠出機傳遞到一個加壓的豎直反應器中，以便暴露於該豎直反應器中的工藝化學物和蒸汽中，以產生一種部分預處理的生物質； 在該壓力下使該反應器中的該部分預處理的生物質傳到一個第二擠出機中，並且使該部分預處理的生物質暴露於高於該反應器中的壓力的一個壓力下； 從該第二擠出機中的該部分處理的生物質移出提取物； 任選地藉助於一種洗滌液產生一種被提取的生物質； 使該提取的生物質在該第二擠出機的輸出端處爆炸性地膨脹，以產生一種膨脹的生物質；以及 將該膨脹的生物質分離為固體和氣體。
19.如權利要求18所述的方法，在移出提取物的步驟之前包括一個洗滌步驟，該洗滌步驟包括在該第二擠出機中加入一種洗滌液，以便洗滌該部分預處理的生物質，並且提供一種洗滌的生物質，並且使該洗滌液相對於該部分處理的生物質流移動，以便在該洗滌步驟結束時用清潔的洗滌液來洗滌該部分處理的生物質。
20.如權利要求19所述的方法，包括以下另一步驟:在爆炸性膨脹之前注入氣體或超臨界流體到該洗滌的生物質中以便改進該生物質在爆炸性膨脹期間的爆炸力。
21.如權利要求19所述的方法，包括重複的洗滌和移出提取物的步驟。
22.如權利要求18所述的方法，進一步包括至少一個加壓和捏合步驟，其中該部分預處理的生物質在該第二擠出機中在升高的溫度和壓力下經受蒸汽，並且通過在該第二擠出機中的捏合與混合元件來進行捏合併且混合。
23.一種用於在木質纖維素生物質水解和發酵為纖維素乙醇之前連續預處理該生物質的系統，該系統包括: 一個第一擠出機，該第一擠出機用於提供一個連續高壓生物質給料； 一個加壓的豎直反應器，該反應器用於從該第一擠出機接收該高壓生物質給料，並且使該生物質經受一個部分預處理，以產生一種部分預處理的生物質，該第一擠出機提供用於該反應器的一個高壓柱塞，並且該反應器保持在高達350psig的壓力下和在高達425° F(220° C)的溫度下； 一個第二擠出機，該第二擠出機用於在該反應器壓力下從該反應器接收該部分預處理的生物質，並且使該部分處理的生物質經受比該反應器壓力更高的一個壓力，該第二擠出機包括多個級，至少一個級包括一個固體/流體分離模塊，以便從該第二擠出機中的該生物質移出流體； 該第二擠出機的該輸出端處的一個動態密封件，該動態密封件用於提供經由該密封件從該第二擠出機排出的洗滌的生物質的爆炸性膨脹；以及 與該第二擠出機連接的一個分離器，該分離器用於接收膨脹的生物質並且將該膨脹的生物質分離為固體和氣體。
24.如權利要求21所述的系統，進一步包括一個洗滌液注入安排，該洗滌液注入安排用於將洗滌液注入到該第二擠出機的至少一個級和該分離模塊的與該第二擠出機的一個輸出端相鄰的上遊中。
25.如權利要求22所述的系統，其中該第二擠出機包括多個分離模塊和洗滌液注入安排以用於提供連續的洗滌段。
26.如權利要求23所述的系統，其中該擠出機進一步包括了捏合以及混合結構，這些結構用於捏合併且混合通過該擠出機的該部分預處理的生物質。
27.一種用於處理生物質的方法，該方法如在本文中參照圖1所描述並且包括所描述的方法步驟中的一個或 多個。
全文摘要
一種固體/流體分離模塊和預處理裝置和方法使得能夠在高的溫度和壓力下預處理生物質，具有改變滯留時間和處理時間的能力。
文檔編號C12P7/10GK103237834SQ201180058532
公開日2013年8月7日 申請日期2011年11月9日 優先權日2010年11月9日
發明者理察·羅密歐·勒烏, 克裡斯多佛·布魯斯·布拉特 申請人:綠源乙醇公司