Способ и процесс сухой выгрузки в реакторе предварительной обработки под давлением

Способ и процесс сухой выгрузки в реакторе предварительной обработки под давлением

Реферат

Настоящая заявка имеет приоритет заявки США Сер. № 61/288520, от 21 декабря 2009 года, описание которой включено сюда путем ссылки в полном объеме.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к получению сахаров из биомассы.

При термохимической обработке биомассы подавляющая часть реакционных процессов включает стадию предварительной обработки влажной средой. Стадия предварительной обработки биомассы, как правило, включает кислотный гидролиз или автогидролиз, при котором кислоту или воду добавляют в биомассу в реакторе под давлением.

В типичном реакторе материал погружают и замачивают в жидкости и нагревают до заданной температуры и давления паром и/или другим газообразным материалом. Прошедший предварительную обработку материал затем выгружают через дно емкости реактора. Кислые условия в емкости реактора и устройство для выгрузки требуют использования дорогих материалов для конструкции для выгрузки из реактора.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном аспекте настоящее изобретение относится к реактору для обработки лигноцеллюлозного материала. Реактор может включать емкость с верхней частью и нижней частью. Верхняя часть (i) может быть выполнена с возможностью приема биомассы и приложения давления и нагревания биомассы газом под давлением и (ii) образована по меньшей мере одной верхней стенкой, включающей углеродистую сталь. Нижняя часть (i) может быть выполнена с возможностью приема биомассы под давлением и для содействия гидролизу или автогидролизу биомассы без избыточной или свободной жидкости, (ii) может включать по меньшей мере одну нижнюю стенку, изготовленную из стойкого к коррозии материала, и (iii) может быть выполнена с возможностью транспортировки биомассы без транспортирующей жидкости. Дополнительно, реактор может включать зону давления, образованную между внешней стенкой емкости и стенкой нижней части. Верхняя часть емкости и зона давления могут быть оперативно связаны нагнетающим трубопроводом, так что давление в зоне давления и давление в верхней части может быть выровнено.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1A и 1B схематично представлен реакторный резервуар согласно варианту выполнения настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

В одном аспекте настоящего изобретения в процессах и реакторе(ах) по настоящему изобретению может быть использована любая биомасса. Например, биомасса может содержать один или более тип древесины, траву(ы) и/или материал, содержащий лигноцеллюлозу.

Для того чтобы преодолеть недостатки предшествующего уровня техники (например, применение погружения или замачивания), необходимо улучшить эффективность экстракции сахара при снижении ниже по технологической линии потребности в сушке и выпаривании за счет снижения количество жидкости в реакторе для предварительной обработки биомассы. Такое снижение количества жидкой среды может быть достигнуто при использовании сухих условий с небольшим количеством жидкости или без жидкости. Но отсутствие жидкости может вызвать специфические трудности. В одном аспекте настоящего изобретения конструкция позволяет избежать этих трудностей.

В реакторе для сухой обработки емкость реактора, как правило, состоит из двух частей: верхней и нижней части. Верхняя часть емкости представляет собой секцию под давлением, куда подают биомассу и нагревают ее при использовании пара или другого газообразного продукта (такого как аммиак). Стенка(и) верхней части может быть изготовлена из углеродистой стали или нержавеющей стали или иного подходящего материала.

Предельное давление в емкости зависит от нагревающей среды. В случае использования пара, давление емкости при заданной температуре будет составлять от около 5 до 25 бар, но если в качестве нагревающей среды используют аммиак, рабочее давление в емкости может составлять до 60 бар при заданной рабочей температуре.

В конкретных вариантах выполнения настоящего изобретения возможно использование комбинаций пара и аммиака и/или другой нагревающей сред(ы).

Нижняя часть емкости может представлять секцию для донной выгрузки, где внутреннее давление, прилагаемое к материалу биомассы, отличается от внешнего давления полости, в которой расположено устройство для выгрузки.

Для облегчения выгрузки под действием силы тяжести, устройство для выгрузки из реактора может быть по форме подобно форме Diamondback® бункера для стружки, как описано в патенте США №5500083 (введенном здесь ссылкой), или с другим рельефом боковой поверхности, приводящим к схождению в одной точке, или даже с другими геометрическими формами, позволяющими свободную выгрузку материала биомассы без необходимости в вибрационном или ротационном устройстве для выгрузки. В одном аспекте настоящее изобретение обуславливается геометрией емкости, а не внешними усилиями (например, вибрация и/или вращение) для продвижения биомассы.

Геометрия выгрузки может иметь важное значение для нормального функционирования емкости, так чтобы предотвратить деформацию стенок устройства для выгрузки. Деформация может быть предотвращена, как за счет конструкции части для выгрузки из очень тяжелого материала, так и за счет обеспечения выравнивая давления внутри и снаружи области выгрузки из емкости. Для выравнивания давления может использоваться зона давления вокруг области устройства для выгрузки из емкости, уменьшая, таким образом, деформацию материала устройства для выгрузки. Зона давления может минимизировать разницу давления между наружной частью и внутренней частью устройства для выгрузки.

Зона давления позволяет иметь максимально тонкие стенки устройства для выгрузки (которые могут быть из стойкого к коррозии материала), поскольку стенки зоны под давлением (изготовленные из недорого материала, такого как углеродистая сталь) могут выдерживать давление в реакторе. Стойкий к коррозии материал может представлять нержавеющую сталь, титан, цирконий и/или любой другой стойкий к коррозии материал.

При отсутствии зоны под давлением, пластины или детали из металла, используемые в конструкции устройства для выгрузки, с трудом придают форму и сохраняют ее, что в результате удорожает устройство, в частности, поскольку необходимо предотвращать деформацию и повреждение устройства для выгрузки. В одном аспекте настоящего изобретения емкость реактора с зоной давления, таким образом, преимущественно снижает требуемое количество дорогостоящего материала.

Для нагревания и приложения давления к биомассе в верхней секции емкости (то есть там, где в первую очередь происходят термохимические реакции) может быть использован газ (возможно пар). Для выравнивания давления между емкостью реактора и зоной, окружающей устройство для выгрузки, две секции могут быть соединены трубопроводом для выравнивания давления. Газ заполняет верхнюю секцию емкости реактора, и затем давление прилагается к зоне, окружающей устройство для выгрузки, выравнивая, таким образом, давление внутри и снаружи устройства для выгрузки.

При приблизительном выравнивании, газ в емкости реактора и полости, окружающей устройство для выгрузки, может иметь приблизительно одинаковое давление, но выполняет не одинаковую функцию. Газ для полости, окружающей устройство для выгрузки, требуется не для нагревания биомассы в устройстве для выгрузки, а для поддержания давления. Газ в верхней части емкости реактора используют для нагревания биомассы наряду с поддержанием давления в емкости.

В случае сбора конденсата нагревающей среды в зоне давления, может возникнуть перепад гидростатического давления между давлением внутри устройства для выгрузки и полостью (снаружи устройства для выгрузки). Для предотвращения такого избыточного перепада гидростатического давления в области устройства для выгрузки, можно расположить устройство для слива излишка в полости для поддержания уровня жидкости на поверхности в полости устройства для выгрузки.

Дополнительно, для выравнивания давления внутри и снаружи секции для выгрузки, полость - поскольку в ней может быть температура, как в верхней секции реактора или близка к таковой в верхней секции реактора - может снабжать теплом содержимое реактора в случае нарушения условий, таких как потеря газа в верхней секции реактора. В таком случае тепло поверхности полости может стать временным источником тепла, позволяющим безопасно и контролируемо отключить реактор. Например, поддержание уровня жидкости конденсата в зоне давления (например, полость) также может обеспечить источник тепла в случае временной потери нагревающей среды.

Постепенное отключение реактора позволяет избежать быстрой и опасной потери тепла, минимизируя, таким образом, опасность для операторов и устройства.

На фигурах 1A и 1B приведена схематическая иллюстрация реактора по настоящему изобретению. На фигурах 1A и 1B приведены различные виды одной и той же емкости с цифрами, определяющими части. Емкость100 по существу определена внешними стенками 190, создающими полость, которая может быть разделена на верхнюю часть 110 и нижнюю часть 120.

Материал биомассы (например, лигноцеллюлозный материал) подают в верхнюю часть 102 емкости 100. Биомасса может быть подана под действием силы тяжести и/или механически, например, при использовании шнекового конвейера и/или конвейерной ленты. Материал биомассы подают в емкость 100 через верхнюю часть 110, где аммиак и/или пар создает давление в реакторе без добавления избыточного количества жидкости. Предпочтительно, чтобы получение суспензии происходило без добавления жидкости. Химические реагенты для технологической обработки (например, кислоты, которые могут способствовать реакциям гидролиза) могут быть добавлены в биомассу перед ее подачей в емкость. Примеры таких кислот могут включать серную, хлористоводородную и/или фосфорную кислоту. Также могут быть использованы органические кислоты, такие как уксусная кислота, муравьиная кислота.

Форсунки ввода 140 также позволяют добавлять химические реагенты для технологической обработки (например, кислоты, которые могут способствовать реакциям гидролиза). Примеры таких кислот могут включать серную, хлористоводородную и/или фосфорную кислоту. В одном аспекте настоящего изобретения обработка в емкости реактора может проходить при малом количестве жидкости или без жидкости. Таким образом, биомасса может иметь малое количество или не иметь избыточной жидкости, поскольку жидкость может абсорбироваться целлюлозным материалом.

Нижняя часть 120 может иметь форму, способствующую перемещению биомассы без внешнего перемешивания или вращения, например, в форме Diamondback® бункера для стружки, как описано в патенте США №5500083. Нижняя часть 120 может быть изготовлена из стойкого к коррозии материала (например, нержавеющая сталь, титан, цирконий, керамическое покрытие (такое как облицовка кирпичом), облицовка политетрафторэтиленом или их комбинации и тому подобное), и зона давления 130 образована между нижней частью 120 и стенкой 190. Как показано, зона давления 130 образована между стенкой 122 нижней части 120 и стенкой 132 емкости 100. Биомасса выходит из емкости 100 через донную часть 104.

Для облегчения выгрузки и снижения риска возникновения затора, обеспечены форсунки 150, 160 и 170. Дополнительно, трубопровод для выравнивания давления 180 позволяет выравнивать давление между верхней частью 110 (через соединение 182) и зоной давления 130 (через соединение 184). Для облегчения контроля давления в верхней части 110 и/или в зоне давления 130 обеспечены форсунки 180, нагнетающие давление. В одном аспекте настоящего изобретения зона давления 130 позволяет использовать меньше материала (например, стойкого к коррозии материала или другого подходящего материала) для изготовления стенок нижней части 120.

Хотя в описании настоящей патентной заявки приведен и описан непрерывный способ, емкость реактора также может быть использована для периодического способа.

Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на наиболее практичный и предпочтительный вариант выполнения настоящего изобретения, следует понимать, что он не ограничивает настоящее изобретение, а напротив, различные модификации и эквивалентные устройства входят в объем притязаний настоящего изобретения, изложенный в приложенной формуле изобретения.

1. Реактор для обработки биомассы, включающий:емкость с верхней частью и нижней частью,причем верхняя часть (i) выполнена с возможностью приема биомассы и приложения давления и нагревания биомассы газом под давлением и (ii) содержит по меньшей мере одну верхнюю стенку,нижняя часть (i) выполнена с возможностью приема биомассы под давлением и содействия гидролизу или автогидролизу биомассы без избыточной или свободной жидкости, (ii) включает по меньшей мере одну нижнюю стенку, включающую стойкий к коррозии материал, и (iii) выполнена с возможностью транспортировки биомассы без транспортирующей жидкости,емкость дополнительно содержит зону давления, которая образована между внешней стенкой емкости и указанной по меньшей мере одной нижней стенкой, причем по меньшей мере одна нижняя стенка находится внутри емкости, ипричем верхняя часть емкости и зона давления оперативно связаны нагнетающим трубопроводом, так что давление в зоне давления и давление в верхней части могут быть выровнены.

2. Реактор по п.1, в котором нижняя часть выполнена с возможностью перемещения биомассы без внешнего перемешивания или вращения.

3. Реактор по п.1, в котором стойкий к коррозии материал включает нержавеющую сталь, титан, цирконий, стойкий к коррозии сплав, керамическое покрытие, облицовку политетрафторэтиленом или их комбинации.

4. Реактор по п.1, в котором верхняя часть выполнена с возможностью приложения давления к биомассе от около 5 до 25 бар, причем создающий давление газ представляет собой пар.

5. Реактор по п.1, в котором верхняя часть выполнена с возможностью приложения давления к биомассе до 60 бар, причем создающий давление газ представляет собой аммиак.

6. Способ гидролиза материала биомассы, включающий стадии:подачи материала биомассы в емкость с верхней частью, нижней частью и зоной давления, образованной между внешней стенкой емкости и по меньшей мере одной нижней стенкой нижней части, причем по меньшей мере одна нижняя стенка нижней части находится внутри емкости;приложения давления к биомассе в верхней части при использовании создающего давление агента;перемещения биомассы под давлением в нижнюю часть, в которой происходит реакция гидролиза или автогидролиза без избыточной или свободной жидкости; иперемещения гидролизованной биомассы из нижней части без введения транспортирующей жидкости; ивыравнивания давления в зоне давления и верхней части при использовании трубопровода для выравнивания давления, который соединяет зону давления и верхнюю часть емкости.

7. Способ по п.6, в котором стадию подачи материала биомассы проводят непрерывно.

8. Способ по п.6, в котором стадию подачи материала биомассы проводят периодически.

9. Способ по п.6, в котором создающий давление агент включает аммиак, причем давление на стадии приложения давления к биомассе в верхней части составляет до около 60 бар.

10. Способ по п.6, в котором создающий давление агент включает пар, причем давление на стадии приложения давления к биомассе в верхней части составляет от около 5 до 25 бар.

11. Способ по п.6, в котором стадию перемещения гидролизованной биомассы из нижней части проводят без внешнего перемешивания или вращения.

12. Способ по п.6, в котором реакцию гидролиза проводят добавлением серной, соляной, фтористоводородной, фосфорной кислоты или их комбинации.

13. Способ по п.6, в котором реакцию гидролиза проводят добавлением уксусной кислоты, муравьиной кислоты или их комбинации.

14. Способ по п.6, в котором реакцию гидролиза проводят добавлением серной кислоты.

15. Способ по п.6, в котором биомасса включает древесину, траву или их комбинацию.

16. Способ по п.6, дополнительно включающий стадию подачи биомассы в емкость под действием силы тяжести.

17. Способ по п.6, дополнительно включающий стадию подачи биомассы в емкость при использовании шнекового и/или ленточного конвейера.

18. Способ по п.6, дополнительно включающий поддержание уровня конденсата в зоне давления, так чтобы обеспечить источник тепла.

19. Реактор по п.1, в котором верхняя часть содержит углеродистую сталь.