專利名稱：用于固體生物質(zhì)的分離和處理的設(shè)備的制作方法
用于固體生物質(zhì)的分離和處理的設(shè)備
相關(guān)申請的交叉引用
本申請涉及在2002年7月16日授予Wingerson并且名稱為"處理木質(zhì) 素纖維素生物質(zhì)以制備纖維素的方法(Method of Treating Lignocellulosic Biomass to Produce Cellulose)"的美國專利6,419,788，并且還涉及在2003 年9月16日授予Wingerson并且名稱為"由木質(zhì)素纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)纖維 (Cellulose Production from Lignocellulosic Biomass)"的美國專利6,620,292， 對于所有目的，將兩個(gè)專利的全部內(nèi)容通過引用而結(jié)合在此。
背景技術(shù)：
天然纖維素原料典型地稱為"生物質(zhì)"。己經(jīng)將許多類型的生物質(zhì)，包 括木材、紙張、農(nóng)業(yè)殘余物、草本作物和源自作物的市政和工業(yè)固體廢物， 認(rèn)作用于寬范圍的物品的制造的原料。這些生物質(zhì)材料主要由與少量的提 出物、果膠、蛋白質(zhì)和灰分一起結(jié)合在復(fù)雜凝膠結(jié)構(gòu)中的纖維素、半纖維 素和木質(zhì)素組成。由于生物質(zhì)材料的復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)，在沒有在預(yù)先處理 的情況下，微生物和酶不能有效地攻擊纖維素，因?yàn)槔w維素對于酶或細(xì)菌
是高度難以接近的。此難以接近性可以由以下所示例牛盡管可以消化來
自例如草的材料，但是它們不能消化木材，原因在于其高的木質(zhì)素含量。
生物質(zhì)作為化學(xué)原料的成功商業(yè)使用取決于纖維素與其它成分的分離。
從纖維素生產(chǎn)糖和其它產(chǎn)物的可能性已經(jīng)引起了大量的關(guān)注。此關(guān)注
是由于大量的纖維素原料的可用性；使廢棄纖維素材料的燃燒或填埋最
小化的需要；和糖和纖維素作為取代油基產(chǎn)品的原料的有用性。其它的生
物質(zhì)成分也具有潛在的市場價(jià)值。
纖維素與其它生物質(zhì)成分的分離是困難的，部分地是因?yàn)槟举|(zhì)素纖維
素生物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)是如此復(fù)雜的。例如參見，1989年由G. W. Glasser 和S. Sarkanen編輯、美國化學(xué)會(huì)出版的ACS專題系列397，"木質(zhì)素性質(zhì)和材料(Lignin Properties and Materials)",其包括這樣的陳述"木材的真胞 間層中的木質(zhì)素是包含以不同方式連接在一起的苯基丙烷單體的無規(guī)三 維網(wǎng)狀聚合物。在次生壁中的木質(zhì)素是非無規(guī)兩維網(wǎng)狀聚合物。構(gòu)成這些 網(wǎng)絡(luò)的單體和鍵的化學(xué)結(jié)構(gòu)在不同的形貌區(qū)域(胞間層對次生壁)、不同類 型的細(xì)胞(導(dǎo)管對纖維)和不同類型的木材(軟木對硬木)方面不同。當(dāng)使木材 脫木質(zhì)素時(shí)，使得可溶的大分子的性質(zhì)反映了從網(wǎng)絡(luò)得到大分子的網(wǎng)絡(luò)的 性質(zhì)"。纖維素與其它生物質(zhì)成分的分離進(jìn)一步由以下事實(shí)所復(fù)雜化木 質(zhì)素是以不同的方式與作為糖的聚合物的纖維素和半纖維素糾纏和連接 的。因而需要將固體生物質(zhì)(例如木質(zhì)素纖維素生物質(zhì))分離為它的構(gòu)成組 分并且處理該組分從而制得有用產(chǎn)物的系統(tǒng)和方法。這些和其它的需要由 本發(fā)明所解決。
發(fā)明概述
本發(fā)明的實(shí)施方案包括一種用于分離固體生物質(zhì)的組分的設(shè)備。該設(shè) 備包括由機(jī)筒單元容納的螺紋軸，其中所述螺紋軸沿該軸的長度具有許多 通過動(dòng)態(tài)活塞段(dynamic plug segment)相互分離的反應(yīng)區(qū)段(zone segments)。軸的螺紋可以在反應(yīng)區(qū)段中具有第一螺距，而在動(dòng)態(tài)活塞段中 具有小于第一螺距的第二螺距。該設(shè)備還可以包括連接到螺紋軸的第一末 端的用于旋轉(zhuǎn)該軸的電動(dòng)機(jī)，以及連接在與第一末端相對的軸的第二末端 的出口，其中當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)軸時(shí)，固體原料在從軸的第一末端至第二末端 的方向上移動(dòng)。固體原料的一種或多種組分通過出口離開該設(shè)備。該設(shè)備 還可以進(jìn)一步具有用于對螺紋軸供給固體原料的進(jìn)料器，其中來自進(jìn)料 器的固體原料首先在最接近軸的第一末端的第一反應(yīng)區(qū)段接觸螺紋軸；和 用于對螺紋軸提供漂洗流體的泵，其中該漂洗流體在固體原料的相反方向 上沿軸流動(dòng)。
本發(fā)明的實(shí)施方案還可以包括一種用于處理固體原料的設(shè)備。該設(shè)備 可以包括具有第一末端和與第一末端相反的第二末端的螺紋軸，其中將電 動(dòng)機(jī)連接到第一末端以旋轉(zhuǎn)該軸，并且將出口連接到第二末端，以及當(dāng)電 動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)該軸時(shí)，固體原料在從軸的第一末端至第二末端的方向上移動(dòng)。
固體原料的一種或多種組分通過出口離開該設(shè)備。該設(shè)備還可以包括用于對螺紋軸供給固體原料的入口、用于對螺紋軸提供漂洗流體的泵，其中 該漂洗流體在固體原料的相反方向上沿軸流動(dòng)。該設(shè)備可以進(jìn)一步包括動(dòng) 態(tài)過濾器，以捕獲來自離開軸的部分漂洗流體的顆粒，并且將該顆粒返回 螺紋軸。
本發(fā)明的實(shí)施方案還可以進(jìn)一步包括用于處理固體原料的系統(tǒng)。該系 統(tǒng)可以包括許多螺紋軸，所述螺紋軸包括第一軸和連接到出口的最后軸， 所述的第一軸連接到用于旋轉(zhuǎn)該軸的電動(dòng)機(jī)，其中固體原料在從第一軸到 最后軸的方向上移動(dòng)，其中固體原料的一種或多種組分通過出口離開該設(shè) 備。該系統(tǒng)還可以包括用于對第一軸供給固體原料的進(jìn)料器和用于對許多 螺紋軸的一個(gè)或多個(gè)提供漂洗流體的泵，其中該漂洗流體在固體原料的相 反方向上沿軸流動(dòng)。
另外的實(shí)施方案和特征將部分地在隨后的說明中闡明，并且部分對于 本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言通過驗(yàn)證本說明書變得顯而易見或通過實(shí)施本發(fā) 明而可以認(rèn)識到。依靠本說明中所述的實(shí)施方案、組合和方法，可以實(shí)現(xiàn) 和達(dá)到本發(fā)明的特征和益處。
附圖簡述


圖1是示例根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，在從木質(zhì)素纖維素生物質(zhì)生
產(chǎn)纖維素中，結(jié)合了本發(fā)明特征的連續(xù)、逆流系統(tǒng)的示意圖2是詳述根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，用于形成動(dòng)態(tài)活塞擠出機(jī)的
優(yōu)選螺桿構(gòu)造的示意圖3A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，用于排放產(chǎn)物液體的雙螺桿、
自清潔過濾器的示意圖3B顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的真空裝填器組件；
圖4是示例根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，用于將加壓的漿液釋放至大
氣壓的雙閥系統(tǒng)的示意圖5是示例根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，使用兩個(gè)擠出機(jī)以克服對于
長反應(yīng)時(shí)間可能需要的長擠出機(jī)的轉(zhuǎn)矩限制的示意圖6是示例根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，使用多個(gè)擠出機(jī)以克服對于
長反應(yīng)時(shí)間可能需要長擠出機(jī)的轉(zhuǎn)矩限制的示意圖；和圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，可以在兩個(gè)擠出機(jī)之間確實(shí) 傳遞材料的一種途徑。
發(fā)明詳述
描述的改進(jìn)設(shè)備用于材料的逆流提取，包括但不限于纖維素纖維與例 如在樹木、草、灌木、農(nóng)業(yè)廢物和用于造紙中的廢紙中發(fā)現(xiàn)的木質(zhì)素纖維 素生物質(zhì)的其它成分、塑料、醇和其它化學(xué)品的分離。此設(shè)備集成了連續(xù)、 多個(gè)處理步驟，所述多個(gè)處理步驟可以包括通過在升高的溫度和/或壓力 下的混合的化學(xué)反應(yīng)；在升高的溫度和/或壓力下的過濾；液體和固體產(chǎn)物 的可控排放；蒸汽噴發(fā)；和能量回收。
根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的實(shí)施方案可以包括一個(gè)或多個(gè)用作物化反應(yīng)器的 雙螺桿擠出機(jī)，用于處理固體原料例如固體有機(jī)生物質(zhì)。安置了用于將原 料供給到擠出機(jī)中的裝置。該設(shè)備的實(shí)施方案包括通過連鎖螺桿形成的模 腔的雙螺桿擠出機(jī)，并且這些模腔由它們帶著原料前進(jìn)通過擠出機(jī)機(jī)筒。 反應(yīng)/停留時(shí)間可以由機(jī)筒中螺桿的螺距、螺桿的旋轉(zhuǎn)速率和螺桿的長度決 定。
可以將螺桿配置用于在反應(yīng)器的不同部分中的不同功能。具有松散填 充的模腔的長螺距螺桿用于在反應(yīng)發(fā)生的同時(shí)輸送原料。如果跨越幾個(gè)螺 桿直徑的距離逐漸減小螺桿螺距，則模腔中的原料將被壓縮，從而在此短 螺距位置產(chǎn)生緊密的動(dòng)態(tài)活塞(dynamicplug)。超過該活塞位置，長螺距的
螺桿將再次使它們的模腔被松散地填充。隨著新鮮原料被推動(dòng)著連續(xù)地進(jìn) 入到活塞區(qū)域中，并且壓縮的活塞材料在前進(jìn)到隨后的長螺距區(qū)域時(shí)被連 續(xù)破碎，活塞將處于動(dòng)態(tài)?；钊纬砂朔纸饫w維原料的大剪切力，從 而減少了用于原料制備所需的能量，并且使得它更易進(jìn)行化學(xué)處理。
在沿?cái)D出機(jī)長度的不同位置可以形成兩個(gè)活塞，以在它們之間產(chǎn)生反 應(yīng)區(qū)?？梢詫⒒钊频米銐蚓o密，以含有最大約1000psi以上的壓力，條 件是所需要的物化處理應(yīng)當(dāng)需要這樣的條件。該設(shè)備可以包括許多的活塞 (例如，兩個(gè)或更多個(gè)活塞)。可以形成另外的活塞，從而使得原料前進(jìn)通 過處理步驟序列。當(dāng)原料通過活塞時(shí)，活塞可以容易地將含濕量減少至 50%。因而，活塞不僅起著反應(yīng)器之間的分離器的作用，而且它們還在處
8理步驟之間將固體與液體分離時(shí)補(bǔ)充對于由過濾器扮演的角色進(jìn)行補(bǔ)充 (或代替)。
優(yōu)質(zhì)雙螺桿擠出機(jī)可以具有小的尺寸公差，從而允許了液體反應(yīng)物相 對于原料固體的運(yùn)動(dòng)方向的連續(xù)逆流。在逆流操作中，大于尺寸公差的原 料組分顆粒被攜帶于螺桿模腔中，而液體在相反的方向上流動(dòng)通過裂縫。 通在液體中提供適宜的試劑，逆流提供了可與化學(xué)反應(yīng)組合的高效率提取 模式。在一些實(shí)施方案中，"反應(yīng)區(qū)"可以是逆流水清洗，以去除來自在前 面的物化反應(yīng)區(qū)的殘余化學(xué)物。在另外的實(shí)施方案中，可以通過安置液體
進(jìn)口和排放口，反應(yīng)區(qū)可以采用協(xié)流(co-flow)或活塞流(plugflow)。 一些進(jìn)
料材料在輸送區(qū)可以不需要連續(xù)的螺桿。沿機(jī)筒的在有螺桿和沒有螺桿之 間的許多交替將允許對材料的可控壓實(shí)，從而通過僅適度地增加逆流壓降 而增加了停留時(shí)間，并且降低了單位生產(chǎn)量的投資費(fèi)。
在連續(xù)的逆流反應(yīng)區(qū)中，必須排放液體，而將固體保留在反應(yīng)器中。 這可能成為一個(gè)問題，因?yàn)槟媪鞯囊后w本身可以攜帶小于螺桿/機(jī)筒系統(tǒng)的 尺寸公差的任意顆粒。這些小顆粒與更大顆粒在液體排放的位置結(jié)合可能 堵塞靜態(tài)過濾器系統(tǒng)。對此問題的解決方法是包含微型、雙螺桿擠出機(jī)的 自清潔、動(dòng)態(tài)過濾器系統(tǒng)，所述擠出機(jī)迫使固體返回到主反應(yīng)區(qū)中，同時(shí) 允許逆流中的液體(連同它負(fù)載的細(xì)粒)的排放。通過動(dòng)態(tài)活塞的"脫水"作 用和排放液體的動(dòng)態(tài)過濾的組合提供了與常規(guī)過濾相等的原位固體/液體 分離。
本發(fā)明的應(yīng)用包括在升高的溫度和/或壓力下的操作。在一些這樣的應(yīng) 用中，在部分排放材料閃蒸為蒸氣時(shí)，液體和固體都沒有在沒有擾亂
(upsetting)反應(yīng)區(qū)或活塞的情況下被直接排放至大氣壓。當(dāng)排放材料時(shí)，可 以維持和控制壓力，但是通常用于此目的的彈簧加壓裝置可能會(huì)被在兩相 漿液排放物中的粒子堵塞。在本發(fā)明中，可以通過各種技術(shù)解決該堵塞問題。
在一項(xiàng)技術(shù)中，可以依靠在液壓蓄能器(hydrolyic accumulator)之后的
兩閥系統(tǒng)將材料在爆發(fā)中排放。在此系統(tǒng)中，伴隨壓力的增加而累積排放 材料。當(dāng)壓力到達(dá)設(shè)定點(diǎn)時(shí)，短暫地打開第一閥，以填充閥之間的空間。 然后在使用壓縮空氣的情況下將第二闊短暫地打開，以將材料從閥之間空
9間中吹出。閥的動(dòng)作導(dǎo)致蓄能器中壓力下降，所述的壓力下降是由蓄能器 中的相對自由容積和閥之間的空間中的容積決定。排放材料再次增加蓄能 器中的壓力，并且循環(huán)重復(fù)。當(dāng)作為全部生物質(zhì)處理的特征而需要或要求 排放材料的閃蒸時(shí)，此排放體系是特別有用的。
在另一項(xiàng)技術(shù)中，可以通過使用與由反應(yīng)區(qū)中的壓力調(diào)節(jié)的速度相反 運(yùn)行的正位移泵來連續(xù)和可控地排放材料?；钊谩X輪泵和螺桿泵
(progressing cavity pump)都可以用于本發(fā)明的系統(tǒng)和設(shè)備。可以首先通過 例如熱交換和/或用冷液流稀釋來冷卻排放材料。
雙螺桿擠出機(jī)可以包括具有多個(gè)反應(yīng)時(shí)間的多個(gè)反應(yīng)區(qū)。如果單一的 擠出機(jī)長得足以經(jīng)歷在轉(zhuǎn)矩下的彎曲和扭曲，則可以通過連接在一起的兩 個(gè)或更多個(gè)分離的擠出機(jī)來容納相同數(shù)目和長度的反應(yīng)區(qū)。這限制了任一 擠出機(jī)的螺桿長度，同時(shí)保留了具有多個(gè)、相互連接的反應(yīng)區(qū)的單一加壓 容器的益處。
本發(fā)明的另一個(gè)益處在于，逆流反應(yīng)區(qū)中的溫度不必均勻。當(dāng)例如使 用該設(shè)備或系統(tǒng)從生物質(zhì)提取半纖維素時(shí)，這是可以使用的。半纖維素是 通過天然半纖維素聚合物的水解而活動(dòng)化的。形成的可溶的糖單體和低聚 物進(jìn)行進(jìn)一步分解成不需要的產(chǎn)物，這是間歇或活塞流動(dòng)處理中的嚴(yán)重局 限性。在本發(fā)明的設(shè)備中，可以建立溫度梯度，使得正在處理的固體連續(xù) 地前進(jìn)到更苛刻的條件中，而攜帶在逆流中活動(dòng)化的糖進(jìn)入到連續(xù)更不苛 刻的條件中，從而使得進(jìn)一步的降解最小化。
本發(fā)明涉及具有多種特征的設(shè)備，所述設(shè)備對于處理生物質(zhì)或其它材 料以生產(chǎn)中間產(chǎn)物是便利和/或必需的，所述中間產(chǎn)物在成品的生產(chǎn)中作為 原料具有多種應(yīng)用?？梢砸远喾N的構(gòu)造和組合來使用各種特征，以滿足具 體處理的需要。為了示例本發(fā)明的方面，將描述根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一個(gè) 實(shí)施方案，其被稱為過程開發(fā)單元(process development unit)(PDU)。
PDU的簡化示意圖顯示于
圖1中。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的(l)雙螺桿擠出機(jī)由動(dòng) 態(tài)活塞(6)、 (7)和(8)分隔成為4個(gè)反應(yīng)區(qū)(2)、 (3)、 (4)和(5)。在一些實(shí)施方 案中，在螺桿擠出機(jī)中使用的螺紋軸可以通過改進(jìn)商購組件制成，所述的 商購組件例如由恩特克公司(Entek Corporaticm)制造的用于塑料和食品擠 出的擠出機(jī)，所述擠出機(jī)具有27mm的螺桿直徑、1330mm的螺桿長度、
10在50rpm下旋轉(zhuǎn)。
圖2是詳述用于在27 mm擠出機(jī)中形成動(dòng)態(tài)活塞的螺紋軸構(gòu)造的示意 圖。正在處理的固體從左向右前進(jìn)。(45)和(51)表示螺桿螺距為45 mm的 部分輸送螺桿。(46)、 (47)和(48)表示每一螺桿元件為30mm長的壓縮區(qū)。 (46)具有30 mm的螺距；(47)具有20 mm的螺距；和(48)具有15 mm的螺 距。(49)和(50)表示活塞區(qū)，并且是平滑的機(jī)筒(49)為直徑20mmx長15 mm，而(50)為直徑23mmx長15mm。在此壓縮區(qū)之后，是30mm長的平 滑(無螺紋)軸，以在45mm螺距的重新開始以前形成密封。螺桿驅(qū)動(dòng)的填 塞/進(jìn)料器(9)用于迫使原料進(jìn)入到擠出機(jī)中。該填塞/進(jìn)料器又由Acrison 失重進(jìn)料器(未示出)給料。
再次參考
圖1，對于第一反應(yīng)區(qū)(2)，可以通過加熱器(10)將逆流漂洗 流體(例如，水和水溶液等)維持在90。C的溫度，所述逆流漂洗流體還可以 用于濕潤從填塞/進(jìn)料器引入的固體原料，以及用于清洗來自此原料的細(xì) 粒。此區(qū)在大氣壓下工作，并且將漂洗流體作為溢流排放，以維持恒定的 液位。此流體排放物(ll)可以含有來自原料的可溶性組分(在木質(zhì)素纖維素 生物質(zhì)的情況下，例如，解聚的半纖維素、木質(zhì)素和提取物)以及不溶性粒 子和細(xì)粒。
在此實(shí)例中，第二反應(yīng)區(qū)(3)在壓力下，在最高23(TC的溫度工作。通 過高壓活塞泵(12)使逆流用水通過熱交換器(13)和加熱器(14)來給料。逆流 水受到由正在處理的材料形成的動(dòng)態(tài)活塞(6)和(7)的限制，并且通過動(dòng)態(tài)過 濾器(15)、熱交換器(13)以及反相運(yùn)行的螺桿泵(16)而排放。將此水溶液在 第一反應(yīng)區(qū)(2)中用作潤濕/清洗劑，以避免將由使用新鮮水而會(huì)產(chǎn)生的產(chǎn) 物稀釋。正像任意的過濾器一樣，反應(yīng)區(qū)之間的活塞攜帶了一些液體。在 一些應(yīng)用中，原料可以是足夠地自然濕潤的，從而不需要來自泵(16)的另 外的濕潤。熱交換器(13)不僅起著冷卻液體輸出物(output)以防止閃蒸的作 用，還起著為了能源節(jié)約而將熱量循環(huán)到液體原料的作用。
第三(4)和第四(5)反應(yīng)區(qū)在壓力下，在最高235。C的溫度工作，并且示 例了其中不必由動(dòng)態(tài)活塞將兩個(gè)反應(yīng)區(qū)分開的情況。通過高壓活塞泵(17) 使逆流用新鮮水通過熱交換器(18)和加熱器(19)來給料。此水在產(chǎn)物排放通 過動(dòng)態(tài)活塞(8)之前漂洗該產(chǎn)物?？梢酝ㄟ^泵(20)以適當(dāng)?shù)乃俾蕦鈮A溶液通過加熱器(21)進(jìn)料，以將該堿溶液與來自第四反應(yīng)區(qū)(5)的逆流水漂洗液
混合。然后此混合物(mix)對第三反應(yīng)區(qū)(4)提供了液體原料(liquid feed), 在所述第三反應(yīng)區(qū)中，可能發(fā)生堿輔助或催化的反應(yīng)(例如，木質(zhì)素和殘余 的半纖維素的解聚)。采用漂洗水的此方法在沒有用于加熱和泵送的另外成 本下，保留了化學(xué)物，并且使得廢物處置問題最小化。以與第二反應(yīng)區(qū)(3) 中相同的方式，將來自第三反應(yīng)區(qū)(4)的逆流溶液通過動(dòng)態(tài)過濾器(22)、熱 交換器(18)以及螺桿泵(23)而排放。此堿排放物(24)可以含有堿反應(yīng)產(chǎn)物(例 如，解聚的木質(zhì)素和半纖維素)以及粒子和細(xì)粒。
小于特定尺寸的粒子可以被攜帶于漂洗流體的流中，并且不具有更大 的固體顆粒。應(yīng)當(dāng)將這些小的顆粒隨液體排放，使得它們不積聚和堵塞過 濾器系統(tǒng)。本發(fā)明的實(shí)施方案包括動(dòng)態(tài)過濾器，所述動(dòng)態(tài)過濾器可以通過 改進(jìn)由恩特克制造工廠(Entek Manufacturing)制造的稱為"真空裝填器"的 單元來生產(chǎn)。該真空裝填器單元包括在精密公差條件下制造的雙螺桿擠出 機(jī)。
圖3A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，用于排放產(chǎn)物液體的雙螺桿、 自清潔過濾器的示意圖。此單元由具有速度控制的電動(dòng)機(jī)(52)、齒輪減速 器(53)和同向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿"擠出機(jī)"(54)組成，所述的擠出機(jī)(54)具有22 mm的螺桿直徑、20mm的螺桿螺距和220 mm的螺桿長度。過濾器螺桿 垂直穿入主擠出機(jī)機(jī)筒至處理螺桿的2 mm內(nèi)。將液體產(chǎn)物在(62)排放。 在螺桿和機(jī)筒壁之間允許液體和細(xì)粒與螺桿動(dòng)作的方向相反地流動(dòng)的空 間發(fā)生了過濾作用。螺桿可以具有串聯(lián)的許多回轉(zhuǎn)(tums)，其中每一回轉(zhuǎn) 起著另外的過濾器的作用，以捕獲可能通過任一回轉(zhuǎn)而偶然漏出的更大顆 粒。然后螺桿動(dòng)作將這些更大的顆粒返回到主擠出機(jī)，從而不需要清洗過 濾器。在所述的實(shí)例中，真空裝填器具有在約10至約30rpm下旋轉(zhuǎn)、直 徑為22 mm并且長度為220 mm的螺桿。
圖3B顯示了圖3A中的真空裝填器組件的另外細(xì)節(jié)。變速電動(dòng)機(jī)(52) 驅(qū)動(dòng)齒輪減速器(53)，所述齒輪減速器又驅(qū)動(dòng)齒輪單元(56)，以對用于雙過 濾器螺桿(54)的雙驅(qū)動(dòng)軸提供功率。安置了隔離物(57)，以將齒輪單元(56) 從正在排放的高溫液體隔離。雙驅(qū)動(dòng)軸通過了水冷卻的運(yùn)動(dòng)板(59)，所述 水冷卻的運(yùn)動(dòng)板含有用于保持液體排放物的壓力的軸封。運(yùn)動(dòng)板(59)的水冷卻(55)保護(hù)了軸封。雙螺桿動(dòng)態(tài)過濾器(60)的機(jī)筒連接到主擠出機(jī)設(shè)備的 機(jī)筒(58)，其中過濾器螺桿(54)穿入主擠出機(jī)螺桿(61)的2 mm內(nèi)。
對于固體的排放，已經(jīng)開發(fā)了兩種方法如果離開最后一個(gè)動(dòng)態(tài)活塞 的固體太干以致不能處理，則可以將水加入到擠出機(jī)的混合區(qū)(25)中，以 生成漿液。然后可以將此漿液注射到反相運(yùn)行的螺桿泵中，以將壓力降低 至與前述液體排除物(23)具有的壓力差不多。加入的水可以是冷的，以在 得到的漿液進(jìn)入泵時(shí)，保持漿液的蒸氣壓低于大氣壓。
在一些應(yīng)用中，可能需要原料組分的進(jìn)一步破裂。本發(fā)明的實(shí)施方案 提供了通過蒸汽噴發(fā)的原料的另外破裂。在此情形下，將漿液水(25)熱(例 如，高于13(TC)加入，并且將例如圖4中所示的加壓排放單元的組件用于 噴發(fā)性減壓。在此實(shí)例中，將液壓蓄能器(27)預(yù)加壓到150psi，并且注射 水(25)，以得到操作壓力。作為固體(26)排放物，它們流向(31)蓄能器，并 且同時(shí)增大了蓄能器壓力。在可以取決于操作溫度的預(yù)設(shè)壓力下，觸發(fā)閥 序列。在該序列開始時(shí)，閥(28)和(29)都是關(guān)閉的。打開閥(28),并且闊之 間的室(32)充滿漿液，同時(shí)蓄能器壓力降至設(shè)定點(diǎn)以下。然后將閥(28)關(guān)閉， 而將閥(29)打開。壓力的突然釋放引起漿液中的部分水在將剩余的材料排 放到閃蒸罐中的噴發(fā)中閃蒸為蒸汽。然后將閥(29)關(guān)閉，以等候蓄能器壓 力的另一次升高以及另一閥序列的開始。在當(dāng)溫度對于蒸汽噴發(fā)來說過低 時(shí)的啟動(dòng)期間，可以通過閥(29)的開啟同時(shí)地觸發(fā)由單向閥保護(hù)的空氣供 給(33)，以將材料從室(32)噴出。
如上所述，本發(fā)明的實(shí)施方案還包括具有連接在一起的兩個(gè)或更多個(gè) 分離的擠出機(jī)的系統(tǒng)和設(shè)備。圖5是使用兩個(gè)擠出機(jī)以克服對于長反應(yīng)時(shí) 間可能需要的長擠出機(jī)的轉(zhuǎn)矩限制的示意圖。法蘭(56)將兩個(gè)擠出機(jī)機(jī)筒 連接，并且存在第二驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(57)。
圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的另一實(shí)施方案，其中可以將多個(gè)擠出 機(jī)單元連接在一起，以制成更大型的系統(tǒng)。這里顯示的系統(tǒng)包括5個(gè)螺紋 軸擠出機(jī)，其中該擠出機(jī)的每一都與
圖1中所示的擠出機(jī)類似。
圖6包括電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的擠出機(jī)(l)。主要輔助單元是螺桿驅(qū)動(dòng)的填塞/ 進(jìn)料器(9)、用于潤濕引入的原料的加熱液體(IO)、第一動(dòng)態(tài)活塞(6)和第一 動(dòng)態(tài)過濾器(15)。這些組件的工作可以與
圖1的設(shè)備所述的工作相類似，并且當(dāng)不包括要求長停留時(shí)間的反應(yīng)區(qū)時(shí)，該系統(tǒng)可以是在比較高的速度 下運(yùn)行的相對小的擠出機(jī)。對于小直徑的擠出機(jī)，可以形成更小的動(dòng)態(tài)活 塞，所述更小的動(dòng)態(tài)活塞在螺紋軸上需要較小的轉(zhuǎn)矩，并且對于設(shè)備產(chǎn)生 較小的磨耗。
在圖6中，第二反應(yīng)區(qū)(3)是作為分離的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)擠出機(jī)(35)實(shí)施的。 此擠出機(jī)可以更大，以獲得由具體應(yīng)用所需的停留時(shí)間，但是由于用于混 合和輸送固體所需的轉(zhuǎn)矩較小，因此用于該擠出機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與用于常規(guī) 的大擠出機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比可以更輕以及更便宜。
擠出機(jī)(l)和(35)在機(jī)筒十字管(cross)(39)中連接，其中兩組螺桿如圖7 所示重疊，圖7顯示了可以在兩個(gè)擠出機(jī)之間確實(shí)傳遞材料的一種途徑。 兩個(gè)擠出機(jī)的螺桿與它們之間除去的機(jī)筒金屬緊密接觸，使得可以迫使正 在處理的材料從一個(gè)擠出機(jī)進(jìn)入到另一個(gè)擠出機(jī)中。備選地， 一個(gè)擠出機(jī) 可以以"T"布置供給到另一擠出機(jī)的側(cè)面，其中第一擠出機(jī)的第一螺紋軸 與第二擠出機(jī)的第二螺紋軸以對于該第一和該第二軸的機(jī)筒單元的垂直 布置而垂直連接，并且其中所述第一軸迫使材料進(jìn)入到所述第二軸中。如 此，可以將固體從一個(gè)擠出機(jī)供給到下一個(gè)擠出機(jī)中。
圖6中的下一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的擠出機(jī)(36)維持了動(dòng)態(tài)活塞(7)和它的相
關(guān)的液體輸入和排放。此擠出機(jī)也可以是小的高速類型，并且由機(jī)筒十字 管(40)供料。圖6中的由機(jī)筒十字管(41)供料的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的擠出機(jī)(37)也 是大的擠出機(jī)(與(35)類似)，所述擠出機(jī)作為連同濃堿原料(21)—起的兩個(gè) 反應(yīng)區(qū)(4)和(5)的功能得到了優(yōu)化。此擠出機(jī)又供料通過機(jī)筒十字管(42)到 達(dá)最后的、小的、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的擠出機(jī)，所述擠出機(jī)(38)維持了第三動(dòng)態(tài) 活塞(8)以及輸入和輸出特征。
此擠出機(jī)可以在操作方面不同于
圖1的設(shè)備除在最終活塞(8)之前的 單一的熱漂洗水輸入(19)以外，安置了延長的機(jī)筒部分(43)以冷卻排放前的 固體。冷地輸入部分需要的漂洗水(34)。如此，可以將活塞(8)的溫度降低 至低于沸點(diǎn)，并且將漂洗過的固體在含濕量小于50%的情況下直接排放。 在一些應(yīng)用中，這通過消除對分開的液體/固體的分離步驟的需要而導(dǎo)致了 顯著的成本降低。此外，逆流的冷漂洗水從排放的固體中回收熱量，從而 改善了系統(tǒng)操作的能效。
14已經(jīng)描述了幾個(gè)實(shí)施方案，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，在不背離 本發(fā)明的精神的情況下，可以使用各種更改、備選的構(gòu)造和等同物。此外， 沒有描述許多眾所周知的方法和元件，以避免不必要地使本發(fā)明不明確。 因此，不應(yīng)將以上描述作為是對本發(fā)明范圍的限制。
在提供了數(shù)值范圍的情況下，理解的是，除非上下文另外清楚地規(guī)定， 也具體公開了此范圍的上限和下限之間相對于下限單位的十分之一的每 一中間值。包括了在所述范圍內(nèi)的任意所述的值或中間值和在該所述范圍 內(nèi)的任意其它所述的值或中間值之間的每一更小范圍。這些更小范圍的上 限和下限可以獨(dú)立地被包括于或被排除于該范圍內(nèi)，并且在該更小范圍內(nèi) 包括任一、兩個(gè)都不包括或包括兩個(gè)限值的每一范圍也包含于本發(fā)明之 內(nèi)，服從于在所述范圍內(nèi)的任意具體包括的限值。在所述范圍包括一個(gè)或 兩個(gè)限值的情況下，還包括將這些包括的限值中的一個(gè)或兩個(gè)排除在外的 范圍。
如本文以及在后附權(quán)利要求中所使用的，除非上下文另外清楚地規(guī)定，
單數(shù)形式 一個(gè)、 一種、該和所述("(a)"、 "(an)"和"(the)")包括復(fù)數(shù)的指示 物。因而，例如，對"一種方法(aprocess)"的引用包括對許多這樣的方法的 引用，而對"所述電極(the electrode)"的引用包括對一種或多種電極及本領(lǐng) 域的技術(shù)人員已知的其等同物等的引用。
同樣，表述包含和包括("(comprise)"、 "(comprising)"、 "(include)"、 "(including)"和"(includes)")在用于此說明書中以及隨后的權(quán)利要求中時(shí)意 欲規(guī)定所述的特征、整數(shù)、組件或步驟的存在，但是它們并不排除一種或 更多種其它的特征、整數(shù)、組件、步驟、動(dòng)作或組的存在或增加。
權(quán)利要求
1.一種用于分離固體原料的組分的設(shè)備，所述設(shè)備包含螺紋軸，所述螺紋軸沿所述軸的長度包含許多通過動(dòng)態(tài)活塞段相互分離的反應(yīng)區(qū)段，其中所述軸的螺紋在反應(yīng)區(qū)段中具有第一螺距，而在動(dòng)態(tài)活塞段中具有小于第一螺距的第二螺距；連接到所述螺紋軸的第一末端的用于旋轉(zhuǎn)所述軸的電動(dòng)機(jī)，以及連接在與第一末端相對的軸的第二末端的出口，其中當(dāng)所述電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)軸時(shí)，所述固體原料在從所述軸的第一末端至第二末端的方向上移動(dòng)，并且所述固體原料的一種或多種組分通過出口離開所述設(shè)備；用于容納螺紋軸的機(jī)筒單元；用于將所述固體原料供給到所述螺紋軸的進(jìn)料器，其中來自所述進(jìn)料器的固體原料首先在最接近所述軸的第一末端的第一反應(yīng)區(qū)段接觸所述螺紋軸；和用于對螺紋軸提供漂洗流體的泵，其中所述漂洗流體在固體原料的相反方向上沿軸流動(dòng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備進(jìn)一步包含動(dòng)態(tài)過濾器， 以捕獲來自離開所述軸的部分所述漂洗流體的顆粒，并且將所述顆粒返回 所述螺紋軸。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述動(dòng)態(tài)過濾器被連接到排放單 元，所述排放單元接收來自所述動(dòng)態(tài)過濾器的所述漂洗流體，并且通過可 控減壓排放含有更小顆粒的流體混合物。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備包含連接到所述設(shè)備的 出口的加壓排放單元，其中排放單元包含通過可控減壓來排放固體產(chǎn)物組 分的反向運(yùn)行的螺桿泵。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備包含連接到所述設(shè)備的 出口的加壓排放單元，其中排放單元包含與第一和第二閥流體相通的可加 壓液壓蓄能器，所述第一和第二閥控制所述固體組分向閃蒸罐中的引入。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備包含加熱器，所述加熱器用于加熱提供到所述螺紋軸的漂洗流體。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備包含連接到所述泵和所 述動(dòng)態(tài)過濾器的熱交換器，所述熱交換器用于將來自離開所述軸的漂洗流 體的部分熱傳遞到由泵提供到軸的新的漂洗流體。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述固體原料包含木質(zhì)素纖維素 生物質(zhì)，而所述漂洗流體包含水。
9. 一種用于處理固體原料的設(shè)備，所述設(shè)備包含-螺紋軸，所述螺紋軸具有第一末端和與第一末端相反的第二末端，其 中將電動(dòng)機(jī)連接到第一末端以旋轉(zhuǎn)軸，并且將出口連接到第二末端，以及 當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)軸時(shí)，固體原料在從軸的第一末端至第二末端的方向上移動(dòng)，并且固體原料的一種或多種組分通過出口離開該設(shè)備； 用于包含螺紋軸的機(jī)筒單元；用于將所述固體原料供給到所述螺紋軸的進(jìn)料器，其中來自所述進(jìn)料 器的固體原料首先在最接近所述軸的第一末端的第一反應(yīng)區(qū)段接觸所述 螺紋軸；和用于對螺紋軸提供漂洗流體的泵，其中所述漂洗流體在固體原料的相 反方向上沿軸流動(dòng)；和動(dòng)態(tài)過濾器，所述動(dòng)態(tài)過濾器用于捕獲來自離開軸的部分漂洗流體的 顆粒，并且將所述顆粒返回所述螺紋軸。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述動(dòng)態(tài)過濾器包含具有一對 共線螺紋螺桿的真空裝填器，其中所述螺桿的旋轉(zhuǎn)將所述漂洗流體中的更 大顆粒傳遞回所述螺紋軸。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述動(dòng)態(tài)過濾器被連接到可以 反向運(yùn)行操作的螺桿泵，以接收來自所述動(dòng)態(tài)過濾器的所述漂洗流體，并 且通過可控減壓排放含有更小顆粒的流體混合物。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述動(dòng)態(tài)過濾器被連接到排放 單元，所述排放單元包含與第一和第二閥流體相通的可加壓液壓蓄能器， 所述第一和第二閥通過可控減壓控制含有更小顆粒的流體混合物的排放。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述螺紋軸沿所述軸的長度包 含許多通過動(dòng)態(tài)活塞段相互分離的反應(yīng)區(qū)段，其中所述軸的螺紋在反應(yīng)區(qū)段中具有第一螺距，而在動(dòng)態(tài)活塞段中具有小于第一螺距的第二螺距。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備包含被連接到所述設(shè) 備的出口的加壓排放單元，其中通過可控減壓將固體產(chǎn)物漿液排放到閃蒸 罐中。
15. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備包含加熱器，以加熱 提供到所述螺紋軸的漂洗流體。
16. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備包含連接到所述泵和 所述動(dòng)態(tài)過濾器的熱交換器，所述熱交換器用于將來自離開所述軸的漂洗 流體的部分熱傳遞到由泵提供到軸的新漂洗流體。
17. —種用于處理固體原料的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含許多螺紋軸，所述螺紋軸包括具有固體進(jìn)料器的第一軸和連接到出口 的最后軸，其中固體原料在從第一軸到最后軸的方向上移動(dòng)，其中固體原 料的一種或多種組分通過出口離開該設(shè)備；并且其中所述許多個(gè)螺紋軸中 的至少一個(gè)沿所述軸的長度具有一個(gè)或多個(gè)由動(dòng)態(tài)活塞段限定的反應(yīng)區(qū) 段，其中所述軸的螺紋在反應(yīng)區(qū)段中具有第一螺距，而在動(dòng)態(tài)活塞段中具 有小于第一螺距的第二螺距；連接到許多螺紋軸中的每一個(gè)的用于旋轉(zhuǎn)該軸的電動(dòng)機(jī)；用于容納螺紋軸的機(jī)筒單元；用于將所述固體原料供給到所述第一軸的進(jìn)料器；和 用于對許多螺紋軸中的一個(gè)或多個(gè)提供漂洗流體的泵，其中所述漂洗 流體在固體原料的相反方向上沿軸流動(dòng)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中通過機(jī)筒十字管將所述第一軸 與第二螺紋軸連接，其中所述第一和第二軸的末端重疊，以允許所述固體 原料從所述第一軸至所述第二軸的移動(dòng)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中通過對于所述第一和第二軸的 機(jī)筒單元的垂直布置而將所述第一螺紋軸與第二螺紋軸垂直連接，其中所 述第一軸迫使材料進(jìn)入到所述第二軸中。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包含連接到所述液體 和固體出口的排放單元，以提供產(chǎn)物的移除，同時(shí)將系統(tǒng)壓力維持在可接 受的限度內(nèi)。
全文摘要
描述了一種用于分離固體原料的組分的設(shè)備。所述設(shè)備可以包括螺紋軸，所述螺紋軸沿該軸的長度具有許多通過動(dòng)態(tài)活塞段相互分離的反應(yīng)區(qū)段。軸的螺紋在反應(yīng)區(qū)段中具有第一螺距，而在動(dòng)態(tài)活塞段中具有第二螺距。所述設(shè)備還可以包括用于旋轉(zhuǎn)該軸的電動(dòng)機(jī)，以及連接在軸的第二末端的出口，其中固體原料的一種或多種固體組分通過出口離開所述設(shè)備。該設(shè)備還可以進(jìn)一步包括用于對螺紋軸供給固體原料的進(jìn)料器；和用于對螺紋軸提供漂洗流體的泵，其中該漂洗流體在固體原料的相反方向上沿軸流動(dòng)。
文檔編號B02C19/22GK101588871SQ200680030462
公開日2009年11月25日 申請日期2006年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月21日
發(fā)明者理查德·C·溫格森 申請人:普爾威森科技公司