JP2016500006A - Tangential shear homogenization and flash combined device with rotor / stator gap dimensions including uniform and non-uniform regions - Google Patents
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Abstract
前処理されたバイオマスの構造を破壊する接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置は、加圧された前処理されたバイオマスの供給源に接続可能なハウジングと、ハウジング内に取り付けられたステータおよびロータとを備える。対面して配置され、かつ軸方向間隙によって間隔を空けて配置されているステータおよびロータ。均一寸法を有する半径方向外側領域と不均一寸法を示す少なくとも1つの部分を有する半径方向内側領域としての間隙。半径方向外側領域は弁を画定する。使用時、ステータに対するロータの回転移動が、ある体積の前処理されたバイオマスに接線方向せん断を加える。接線方向せん断は上記体積の前処理されたバイオマスをホモジナイズし、その間、圧力差が、ホモジナイズされたバイオマスの気相および液相への部分的相分離をもたらし、それにより、前処理されたバイオマスが、総体積が少なくとも3倍増大し、気体が少なくとも1パーセント(%)になるまで重量が遷移する。A tangential shear homogenization and flash compounding device that destroys the structure of the pretreated biomass comprises a housing connectable to a source of pressurized pretreated biomass, and a stator and rotor mounted within the housing. Prepare. A stator and a rotor arranged facing each other and spaced apart by an axial gap. A gap as a radially inner region having a radially outer region having a uniform dimension and at least one portion exhibiting a non-uniform dimension. The radially outer region defines a valve. In use, rotational movement of the rotor relative to the stator adds tangential shear to a volume of pretreated biomass. Tangential shear homogenizes the volume of pretreated biomass, while a pressure differential results in partial phase separation of the homogenized biomass into the gas phase and liquid phase, thereby pretreating the pretreated biomass. , The total volume increases at least 3 times and the weight transitions until the gas is at least 1 percent (%).
Description
本発明は、フラッシュ操作を受けているバイオマスに同時に接線方向せん断を加えることにより、セルロース系またはリグノセルロース系バイオマスをホモジナイズする装置、より詳細には、ロータ/ステータ間隙が均一間隙寸法の部分および不均一間隙寸法の部分を有する、接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for homogenizing cellulosic or lignocellulosic biomass by simultaneously applying tangential shear to the biomass undergoing a flash operation, and more particularly, the rotor / stator gap has a uniform gap dimension and non-uniformity. It relates to a tangential shear homogenizing and flash compounding device having a part of uniform gap size.
優先権の主張
本出願は、各々が参照により本明細書に組み込まれる以下の米国仮特許出願の各々に対する優先権を主張する。
(I)2012年11月9日に出願された、「Combined Tangential Shear Homogenizing and Flashing Apparatus Having A Uniform Rotor/Stator Gap Dimension」と題する、米国特許出願第61/724,581号明細書、
(II)2012年11月9日に出願された、「Combined Tangential Shear Homogenizing and Flashing Apparatus Having A Non−Uniform Rotor/Stator Gap Dimension」と題する、米国特許出願第61/724,587号明細書、
(III)2012年11月9日に出願された、「Combined Tangential Shear Homogenizing and Flashing Apparatus Having Rotor/Stator Gap Dimension With Uniform and Non−Uniform Regions」と題する、米国特許出願第61/724,590号明細書、
(IV)2012年11月9日に出願された、「Combined Tangential Shear Homogenizing and Flashing Apparatus Having A Parameter Responsive Variable Rotor/Stator Gap Dimension」と題する、米国特許出願第61/724,594号明細書、
(V)2012年11月9日に出願された、「Method For Flash Treating Biomass While Simultaneously Undergoing Tangential Shear Homogenization」と題する、米国特許出願第61/724,598号明細書、
(VI)2012年11月9日に出願された、「Combined Tangential Shear Homogenizing and Flashing Apparatus Having A Housing With A Single Effluent Outlet」と題する、米国特許出願第61/724,602号明細書、
(VII)2012年11月9日に出願された、「Combined Tangential Shear Homogenizing and Flashing Apparatus Having A Housing With Dual Effluent Outlets」と題する、米国特許出願第61/724,612号明細書、
(VIII)2012年11月9日に出願された、「System For Destructuring Biomass Including A Combined Tangential Shear Homogenizing and Flashing Apparatus」と題する、米国特許出願第61/724,620号明細書。
This application claims priority to each of the following US provisional patent applications, each of which is incorporated herein by reference.
(I) No. 4, US Patent Application No. 61 / No. 61 / No. 58, entitled “Combined Tangential Shear Homogenizing and Flashing Aperforming Having A Uniform Rotor / Stator Gap Dimension”, filed on November 9, 2012.
(II) No. 4, US Patent No. 7, entitled “Combined Tangential Shear Homogenizing and Flashing Apparatus A Non-Uniform Rotor / Stator Gap Dimension”, No. 72 / US Pat. No. 7, filed on Nov. 9, 2012, No. 7, US Pat.
(III) "Combined Tangential Shear Homogenizing and Flashing Apparatus Having Rotor / Stator Gap Dimension With Uniform No. 72, filed on November 9, 2012, No. 5 and United States." book,
(IV) “Combined Tangential Shear Homogenizing and Flashing Apparel Having A Parameter Responsible Variable Rotor / Stator Gap, No. 4, No. 4, No. 4, filed on November 9, 2012”
(V) US Patent Application No. 61 / 724,98, filed November 9, 2012, entitled “Method For Flash Treating Biomass Whilst Stimulatively Underground Tangential Shear Homogenization”.
(VI) U.S. Patent Application No. 61/72, filed November 9, 2012 entitled "Combined Tangential Shear Homogenizing and Flashing Apparatus Having A Housing With A Single Effect Outlet";
(VII) U.S. Patent Application No. 61/72, filed November 9, 2012 entitled "Combined Tangential Shear Homogenizing and Flashing Apparatus Having A Housing With This Dual Efficient Outlets".
(VIII) No. 6, U.S. Patent No. 6, No. 6, No. 4, No. 6, No. 4, No. 6, No. 6, No. 6, entitled “System For Destructuring Biomass Including A Combined Tangential Shear Homogenizing and Flashing Apparatus”.
関連出願の相互参照
本明細書に開示する主題は、以下の同時係属出願に開示されており、それら出願はすべて、本出願と同時に出願され、すべて、本発明の譲受人に譲渡されている。
2013年3月8日に出願された、「Combined Tangential Shear Homogenizing and Flashing Apparatus Having A Uniform Rotor/Stator Gap Dimension」と題する、米国特許出願第13/790,189号明細書、
2013年3月8日に出願された、「Combined Tangential Shear Homogenizing and Flashing Apparatus Having A Non−Uniform Rotor/Stator Gap Dimension and A Parameter Responsive To A Variable Rotor/Stator Gap Dimension」と題する、米国特許出願第13/790,223号明細書、
2013年3月8日に出願された、「Combined Tangential Shear Homogenizing and Flashing Apparatus Having Rotor/Stator Gap Dimension With Uniform and Non−Uniform Regions」と題する、米国特許出願第13/790,170号明細書、
2013年3月8日に出願された、「System Including A Combined Tangential Shear Homogenizing and Flashing Apparatus Having Single Or Dual Effluent Outlet(s) and Method For Flash Treating Biomass Utilizing The Same」と題する、米国特許出願第13/790,208号明細書。
Cross-reference to related applications The subject matter disclosed herein is disclosed in the following co-pending applications, all of which are filed concurrently with this application and all assigned to the assignee of the present invention.
US patent application Ser. No. 13/7, filed Mar. 8, 2013, entitled “Combined Tangential Shear Homogenizing and Flashing Aperforming Having A Uniform Rotor / Stator Gap Dimension”
Filed on March 8, 2013, "Combined Tangential Shear Homogenizing and Flashing Apparel and Riders in the United States of America and the United States." / 790,223 specification,
“Combined Tangential Shear Homogenizing and Flashing Apparel Having Rotor / Stator Gap Dimension With Uniform 7”, filed March 8, 2013.
Filed on March 8, 2013, entitled “System Inclusion A Combined Tangential Shearing Homogenizing and Flashing Apparel and BioFrequency in the United States.” 790,208 specification.
世界の原油の供給が減少するに従い、バイオマスを燃料および化学薬品に変換することに対する関心が高まっている。バイオマスは、(太陽からのエネルギーを使用する)光合成を通して生成され、そこでは、二酸化炭素が還元され水と結合されて広範囲の有機高分子構造を形成する。バイオマスは、水生植物でも陸生植物でもあり得る。具体的なバイオマス源としては、大型藻類(ケルプ)、小型藻類、エネルギー作物(たとえば、草、木)、作物残渣(コーンストーバー(トウモロコシの茎、葉)、森林副産物)、バイオマス処理副産物(たとえば、バガス、おがくず)とともに、水生植物または陸生植物由来の使用済み製品(たとえば、事務用紙、小売廃棄物および自治体固形廃棄物)が挙げられる。 As the world's crude oil supply declines, there is a growing interest in converting biomass into fuels and chemicals. Biomass is generated through photosynthesis (using energy from the sun), where carbon dioxide is reduced and combined with water to form a wide range of organic polymer structures. Biomass can be an aquatic plant or a terrestrial plant. Specific biomass sources include macroalgae (kelp), microalgae, energy crops (eg, grass, trees), crop residues (corn stover (corn stalks, leaves), forest byproducts), biomass processing byproducts (eg, Along with bagasse, sawdust), used products from aquatic or terrestrial plants (eg office paper, retail waste and municipal solid waste).
さらなる生物学的変換または化学的変換に有用であるために、バイオマスの高分子的特性の構造を破壊しなければならない。構造破壊の第1ステップは、一般に前処理と呼ばれる。最短時間、最小投資および最低エネルギーで効率的にバイオマスの構造を破壊することが普遍的に必要とされている。 In order to be useful for further biological or chemical transformations, the structure of the macromolecular properties of the biomass must be destroyed. The first step of structural destruction is generally called pretreatment. There is a universal need to efficiently destroy the structure of biomass with minimum time, minimum investment and minimum energy.
広範囲にわたる研究が、前処理の改善に対して的を絞ってきた。脱重合を促進するように溶剤、水、酵素、リサイクルされた構造破壊反応生成物、および化学あるいは生物学的薬剤あるいは触媒を導入する、酸または塩基による処理を含む、さまざまな化学的前処理方法が知られている。 Extensive research has focused on improving pretreatment. Various chemical pretreatment methods, including treatment with acids or bases, that introduce solvents, water, enzymes, recycled structural disruption reaction products, and chemical or biological agents or catalysts to facilitate depolymerization It has been known.
こうした化学的前処理方法を、バイオマスに対して物理的変形を与える機械的前処理技法と組み合わせて使用することができる。これらの機械的前処理技法は、高温および高圧のバイオマスに、混合、摩砕および/または粉砕等の操作を施す装置の使用を含む。これらの作用により、バイオマスのサイズ低減および/または構造破壊が促進される。これらの前処理条件下で、バイオマスの状態を、バイオマスの一部が溶解し、液化しかつ/または溶融する程度まで変化させることができる。前処理されたバイオマスの状態は、固体から圧縮性固体まで、溶融材料および液体またはその混合物まで広がる。 Such chemical pretreatment methods can be used in combination with mechanical pretreatment techniques that impart physical deformation to the biomass. These mechanical pretreatment techniques involve the use of equipment that performs operations such as mixing, grinding and / or grinding on high temperature and high pressure biomass. These actions promote biomass size reduction and / or structural destruction. Under these pretreatment conditions, the state of the biomass can be changed to the extent that a portion of the biomass is dissolved, liquefied and / or melted. The pretreated biomass state extends from solids to compressible solids, to molten materials and liquids or mixtures thereof.
改善された構造破壊を、バイオマスをより低い圧力まで高速で遷移させ、フラッシュされた成分の気化の潜熱のために結果としてバイオマスのフラッシュおよび冷却が得られるようにすることによって達成することができることが理解されている。この状態の変化を、フラッシュまたは蒸気爆砕と呼ぶことができる。このプロセスを、ジェットクッカーにおいてさらなる蒸気で補うことができる。高速二相流における増大するせん断により、バイオマス構造の幾分かを破壊する勾配が導入される。一般に、せん断場は流れ方向であるが、乱流が存在する場合がある。せん断の大きさは、前処理された材料の流れ特性と装置に対する状態(すなわち、温度および圧力)の変化との組合せによって決まる。したがって、せん断は、バイオマス流体特性と無関係に制御することが困難である。 Improved structural destruction can be achieved by allowing the biomass to transition at a high speed to lower pressures, resulting in a flash and cooling of the biomass due to the latent heat of vaporization of the flashed components. Understood. This change in state can be referred to as a flash or steam explosion. This process can be supplemented with additional steam in a jet cooker. Increasing shear in the high-speed two-phase flow introduces a gradient that destroys some of the biomass structure. In general, the shear field is the flow direction, but turbulence may exist. The amount of shear is determined by a combination of the flow characteristics of the pretreated material and the changes in conditions (i.e. temperature and pressure) for the device. Thus, shear is difficult to control regardless of biomass fluid properties.
フラッシュ装置の断面を変化させてフラッシュ操作を調整することが試みられてきた。残念なことに、フラッシュ操作は、前処理されたバイオマスの流れ特性の品質および粒径の変動によって損なわれる可能性があり、それにより、フラッシュ装置の不規則な性能または詰まり(pluggage)がもたらされる。前処理されたバイオマスの品質は、バイオマス供給材料(バイオマスの固有の遺伝的性質、農業的(agronometry)条件、収穫および保管条件)のばらつきと、バイオマスの変化する構造および組成が前処理作用によっていかに変換されるかとによって決まる。 Attempts have been made to adjust the flash operation by changing the cross-section of the flash apparatus. Unfortunately, flash operations can be compromised by quality and particle size variations in the flow characteristics of the pretreated biomass, which results in irregular performance or pluggage of the flash unit. . The quality of pretreated biomass depends on variations in biomass feedstock (inherent genetic properties of biomass, agronomic conditions, harvesting and storage conditions) and how the changing structure and composition of biomass depends on pretreatment effects. It depends on whether it is converted.
この前処理されたバイオマス材料を1つの容器から処理のために別の容器に移動させ、またはその材料にフラッシュ操作を施す際、粘度、固体含有量および粒径のばらつきが、典型的なタイプの弁、ノズルおよび計量装置の適切な動作を妨げる可能性があり、不規則な性能、不安定性または詰まりをもたらす可能性がある。 When this pretreated biomass material is transferred from one vessel to another for processing or subjected to a flash operation, variations in viscosity, solid content and particle size are typical types. It can interfere with the proper operation of valves, nozzles and metering devices and can lead to irregular performance, instability or clogging.
たとえば、米国特許出願公開第2008/0277082号明細書は、弁を横切るフラッシュを備えたシステムを開示している。弁を通って流れる前処理された材料が可変の流れ特性を有する場合、その弁は詰まる可能性がある。同様に、米国特許出願公開第2010/0317053号明細書では、弁に関連するプランジャは、前処理されたバイオマスの品質のばらつきおよび/または固体の存在のために適切に封止しない可能性がある。 For example, US Patent Application Publication No. 2008/0277082 discloses a system with a flush across a valve. If the pretreated material flowing through the valve has variable flow characteristics, the valve can become clogged. Similarly, in US 2010/0317053, the plunger associated with the valve may not seal properly due to quality variations in the pretreated biomass and / or the presence of solids. .
上述したことを鑑みて、最小限の詰まりと、前処理されたバイオマスの流れ特性とは無関係に、フラッシュするバイオマスにせん断力をかけることができることとにより、フラッシュ操作を、安定した操作を維持しながら達成するように、前処理されたバイオマスが通過することができる、装置、方法およびシステムが依然として必要とされていると考えられる。 In view of the above, the flushing operation can be maintained in a stable manner, with minimal clogging and the ability to apply shear to the flashing biomass regardless of the flow characteristics of the pretreated biomass. However, it is believed that there remains a need for devices, methods and systems through which pretreated biomass can pass through.
本発明は、周囲圧力を超えかつ高温の前処理されたバイオマスに対し、ステータおよび相対的に移動可能なロータを含む接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置のハウジング内に画定された減圧ゾーン内に放出することにより、構造を破壊する(フラッシュ操作)方法、装置およびシステムに関する。材料がフラッシュを受けている間、相対的に移動するロータおよびステータの作用により、材料に対して接線方向せん断力がかけられる。フラッシュ操作中に回転装置に独立した接線方向せん断を導入することにより、ある体積の前処理されたバイオマスがホモジナイズされる。本装置は、回転により、有り得る粒子蓄積物を装置のフラッシュゾーンから離れるように系統的に押し流しながら、粒子をより許容可能なサイズにせん断することができるため、本質的により安定した性能を提供する。 The present invention releases preheated biomass above ambient pressure into a evacuated zone defined in the housing of a tangential shear homogenizing and flashing complex including a stator and a relatively movable rotor. The present invention relates to a method, apparatus and system for destroying a structure (flash operation). While the material is being flushed, a tangential shear force is applied to the material by the action of the relatively moving rotor and stator. By introducing independent tangential shear to the rotator during the flash operation, a volume of pretreated biomass is homogenized. The device provides inherently more stable performance because the rotation can shear the particles to a more acceptable size while systematically flushing possible particle deposits away from the flash zone of the device. .
他の態様では、本発明は、ロータとステータとの間に種々の軸方向寸法が画定されるようにする、ロータおよびステータのさまざまな構成を有する、接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置に関する。 In another aspect, the present invention relates to a tangential shear homogenization and flash combination device having various rotor and stator configurations, such that various axial dimensions are defined between the rotor and the stator.
さらに別の態様では、ロータとステータとの間に画定された間隙および/またはロータの回転速度が、圧力、温度、粒径および/または材料組成等、前処理されたバイオマスの測定されたパラメータに従って変更される。 In yet another aspect, the gap defined between the rotor and the stator and / or the rotational speed of the rotor is in accordance with measured parameters of the pretreated biomass, such as pressure, temperature, particle size and / or material composition. Be changed.
さらに他の態様では、接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置のハウジングに、下流のプロセスユーティリティ(process utility)と直接連通する1つまたは複数の出口ポートが設けられている。 In yet another aspect, the tangential shear homogenization and flash combined device housing is provided with one or more outlet ports in direct communication with downstream process utilities.
本発明は、本出願の一部を形成する添付図面に関連して、以下の詳細な説明からより完全に理解されるであろう。 The invention will be more fully understood from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings, which form a part of this application.
以下の詳細な説明を通して、同様の参照文字は図面のすべての図において同様の要素を指す。 Throughout the following detailed description, like reference characters refer to like elements in all figures of the drawings.
図1は、ともに本発明のさまざまな態様による、バイオマスの構造を破壊する方法を実施する、全体として参照文字10によって示すシステムの高度に図式化された概略図である。
FIG. 1 is a highly schematic diagram of a system, indicated generally by the
システム10は、構造破壊および他のさらなる操作に備えて、水、溶剤、相溶化(compatabolizing)剤、酸、塩基および/または触媒等の処理助剤によって、生セルロース系供給原料の1つまたは複数の流れ14を前処理するように動作可能な前処理装置12を含む。前処理装置12内では、たとえば、バイオマスを撹拌し、洗浄し、加圧し、かつ/または所定の高温まで加熱する等、バイオマスに対するあらゆる好適な前処理操作を行うことができる。供給源12からの前処理された材料は、供給ライン16を通して、同様に本発明による接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置20に送られる。
The
接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置20自体は、入口ポートおよび流路20Iならびに少なくとも第1流出物排出ポート20E1を有するハウジング20Hを備えている。しかしながら、ハウジング20Hに対して別個の第2排出ポート20E2を設けることは本発明の企図の範囲内にある。ハウジング20H内に、ステータ20Fおよびロータ20Rが、互いに対して対面した向きで配置されている。図1に示す構成では、ロータおよびステータは、互いに平行であり、軸20Aに対して実質的に垂直に向けられている。
Tangential shear homogenization and flash
ステータ20Fは、ハウジング内で任意の好都合な位置において固定配置で取り付けられている。ロータ20Rは、ステータに対して相対的に回転するようにシャフト20Sに取り付けられている。ロータ20Rに対する原動力は、シャフト20Sに接続された駆動モータ20Mによって提供される。シャフト20Sは、装置20の軸20Aと整列している。
ステータ20Sおよびロータ20Rは、協働してそれらの間に混合ゾーン20Zを画定している。入口流路20Iは、供給ライン16に接続可能であり、加圧されたバイオマス材料を前処理装置12から、軸20Aの付近に位置する混合ゾーン20Zの入口領域20N内に送る役割を果たす。混合ゾーン20Zの出口20Tは、ロータ20Rの半径方向外縁に配置されており、ハウジング20Hの内部と、したがって、第1流出物排出ポート20E1および存在する場合は第2排出ポート20E2と連通している。
The
図1に示すような典型的な配置では、ロータおよびステータは、各々、実質的にディスク状部材である。しかしながら、ロータおよびステータは、あらゆる好都合な3次元形態、周縁形状およびサイズを有することができることが理解されるべきである。ロータおよびステータの表面を、平滑にするかまたは粒径の低減を容易にするように溝あるいは隆起部分でパターニングすることができる。装置20のさまざまな構造的要素を、あらゆる好適な材料の構造から製造することができる。ロータ、ステータ、ハウジングを、好ましくはステンレス鋼から作製することができる。ここで、ロータ20Rおよびステータ20Sのさまざまな代替的な構造形態と混合ゾーン20Zの構成に対する結果としての変更について考察する。
In a typical arrangement as shown in FIG. 1, the rotor and stator are each substantially disk-shaped members. However, it should be understood that the rotor and stator can have any convenient three-dimensional configuration, peripheral shape and size. The surface of the rotor and stator can be patterned with grooves or ridges to smooth or facilitate particle size reduction. The various structural elements of the
説明するように、装置20は、前処理されたバイオマスをホモジナイズすると同時に、ホモジナイズされたバイオマスの気相および液相への部分的相分離をもたらすことにより、構造破壊プロセスに役立つ。そのように生成された別個の液相および気相を、装置20の下流に配置された処理ユーティリティ28に個々にまたは合わせて直接送ることができる。単一の流出物排出ポート20E1のみが設けられている場合、バイオマスのホモジナイズおよびフラッシュからもたらされる液相および気相はともに、第1導管22を通してユーティリティ28に輸送される。ハウジング20Hに第2排出ポート20E2が設けられている場合、気相は、導管24を介してユーティリティ28に搬送され、液相は、第1導管22を通して別個にユーティリティ28に送られる。ユーティリティ28に使用することができるさまざまな処理装置の代表的なものとしては、さらなる構造破壊のための撹拌容器が挙げられる。
As will be described, the
しかしながら、第2出口ポート20E2からハウジングを出るバイオマスのフラッシュされた気体には、異なる処理が必要である場合があることが理解されるべきである。したがって、導管24を、代替的な処理ユーティリティ28Aに接続することができ、そこでは、気相を、リサイクルおよび再使用のために隔離し、またはさまざまな用途に対して精製することができる。
However, it should be understood that the biomass flushed gas exiting the housing from the second outlet port 20E 2 may require different treatment. Thus, the
本発明によるシステムでは、導管22、24は、それぞれの出口ポート20E1、20E2とそれらが接続されている特定のユーティリティ28、28Aとの間に直接の連続的な流体連通を提供する。本出願で用いる「直接の」、「直接に」という用語(または同様の用語)は、混合ゾーン20Zからの流出物(複数可)が、流体連通に対していかなる妨げもなく、かつ(別個のフラッシュまたは計量装置等)別個の中間装置を通過する必要もなく、それらのそれぞれの宛先に送られることを意味する。
In the system according to the invention, the
混合ゾーン20Zの寸法を、軸20Aに対して平行な方向に測定することができ、その寸法は、ロータ20Rとステータ20Fとの間の軸方向間隙20Gの大きさによって決まる。図1では、ロータおよびステータは、互いに平行に配置され、軸20Aに対して実質的に垂直に位置しているため、間隙20G、したがって混合ゾーンの軸方向寸法は、混合ゾーン20Zの軸方向広がり全体を横切って均一である。本発明のあらゆる実施形態のロータおよび/またはステータの対面する面が、ホモジナイズを促進するために溝および/または隆起部分でパターニングされている場合、ロータとステータとの間の間隙の軸方向寸法は、溝および隆起部分が除かれた場合に下にある面として定義されることが留意されるべきである。
The dimension of the
間隙20Gの寸法を、ステータに対してロータを再配置することによって調整することができる。運転の前に間隙の軸方向寸法を手動で調整する好適な手段としては、シム、ねじ切りシャフト部品および液圧式位置決め装置が挙げられる。しかしながら、好ましい場合では、間隙の寸法は、運転中に、後述する間隙調整制御システム34によって自動的に調整される。
The size of the gap 20G can be adjusted by repositioning the rotor relative to the stator. Suitable means for manually adjusting the axial dimension of the gap prior to operation include shims, threaded shaft components and hydraulic positioning devices. However, in the preferred case, the gap size is automatically adjusted during operation by the gap
間隙の軸方向寸法は、最初に、構造破壊されるべきバイオマスの特定の圧力、温度および特質に基づいて所定値にサイズが決められる。間隙のこの初期サイズ決めにより、混合ゾーン20Zの所定の適切な初期軸方向寸法が設定される。所定圧力および温度を有する所定体積のバイオマスが、入口ポート20Iから混合ゾーン20Z内に投入される。
The axial dimension of the gap is initially sized to a predetermined value based on the specific pressure, temperature and characteristics of the biomass to be structurally destroyed. This initial sizing of the gap sets a predetermined appropriate initial axial dimension of the
運転中、混合ゾーン20Zの入口20Nに流れ込む前処理されたバイオマスのさまざまな特性は、全体として参照数字30によって示すセンサ網によってモニタリングされる。センサ30は、前処理された流れ込むバイオマスの圧力、温度、粒径および/または組成(たとえば、特質)等のパラメータをモニタリングするように動作可能な1つまたは複数の検知装置を含むことができる。
During operation, various properties of the pretreated biomass flowing into the
混合ゾーン20Zを通る実質的に半径方向外側方向の前処理されたバイオマスの流れは、入口20Nと出口20Tとの圧力差によって制御される。前処理されたバイオマスは、混合ゾーン20Zを通って半径方向外側に流れる際、圧力降下を受ける。混合ゾーンを通しての圧力の変化を示す圧力勾配ベクトルが、図面においてベクトルPによって示されている。
The flow of pretreated biomass in the substantially radially outward direction through the
混合ゾーン20Zを通る前処理されたバイオマスの流れと同時に、モータ20Mは、ステータ20Fに対してロータ20Rを回転させる。ロータとステータとの間の相対的な回転移動により、混合ゾーン20Z内に円周方向に向けられたせん断場が発生する。せん断場は、混合ゾーン20Zを通して流れる前処理された上記体積のバイオマスに対して接線方向せん断力を加える。接線方向せん断力の方向は、図面においてベクトルSによって示されている。接線方向せん断力は、前処理されたバイオマスをホモジナイズし、その間、混合ゾーンの前後の圧力差により、ホモジナイズされたバイオマスの気相および液相への部分的相分離がもたらされる。ロータおよびステータの特定の構造に応じて、相分離は、混合ゾーンの半径方向の広がりの範囲内で、または混合ゾーンの出口20Tから所定の近接距離の範囲内で発生する可能性がある。図1に示す場合では、部分的相分離は混合ゾーン内で発生する。
Simultaneously with the pretreated biomass flow through the
本発明によれば、バイオマスの圧力差および温度と結合された間隙20Gの所定初期サイズの選択により、ホモジナイズされた前処理されたバイオマスの気相および液相への部分的相分離がもたらされ、それにより、バイオマスは、総体積が少なくとも3倍増大し、気体の状態が少なくとも1%になるまで重量が遷移する。 According to the present invention, the selection of a predetermined initial size of the gap 20G coupled with the pressure difference and temperature of the biomass results in partial phase separation of the homogenized pretreated biomass into the gas phase and liquid phase. , Thereby the biomass transitions in weight until the total volume is increased at least 3 times and the gas state is at least 1%.
フラッシュ操作中に回転装置に独立した接線方向せん断力Sを導入することにより、回転によって、粒子をより許容可能なサイズにホモジナイズするとともに、あり得る粒子蓄積物を装置のフラッシュゾーンから離れるように系統的に押し流すことができるため、本質的により安定した性能が提供される。 By introducing an independent tangential shear force S to the rotator during the flash operation, the rotation will homogenize the particles to a more acceptable size and systematically move possible particle deposits away from the flash zone of the device. Inherently more stable performance is provided.
バイオマスの組成の固有の不整合性とさまざまな前処理操作がこれらの不整合性に影響を与える様態とにより、流れライン16における結果としての前処理されたバイオマスは、流体特性とともに個別の粒子の径の著しいばらつきを含む可能性がある。
Due to the inherent inconsistencies in the composition of the biomass and the manner in which the various pretreatment operations affect these inconsistencies, the resulting pretreated biomass in the
したがって、本発明のさらなる態様として、間隙調整制御システム34により、装置20とそれを組み込んだシステム10とが、ロータとステータとの間の間隙20Gを調整し、前処理されたバイオマスの組成、流れ特性および粒径のこうしたばらつきを補償するように自動的に適応することができる。このように間隙20Gを変化させることができることにより、装置20はまた、計量装置として機能することも可能である。
Thus, as a further aspect of the present invention, the gap
センサ30に加えて、間隙調整制御システム34はプログラム可能コントローラデバイス34Cを含み、それは、センサ網30からの信号に応答して、流れ込む前処理されたバイオマスのさまざまな検知されたパラメータのうちの1つまたは複数に従って、間隙寸法20G、従って混合ゾーン20Zの軸方向寸法を変化させる。間隙調整制御システム34はアクチュエータ36をさらに含むことができ、それは、モータ20Mに動作可能に接続されて、間隙寸法に対する調整を物理的に行う。アクチュエータ36は、ライン34Aに支持された制御システム34からの制御信号に応答して、モータとそれに接続されたロータとを単体としてステータに向かってかつステータから離れるように移動させ、それにより、流れ込む前処理されたバイオマスのさまざまな測定されたパラメータに基づいて、混合ゾーンの間隙寸法を変化させる。したがって、たとえば、混合ゾーン20Zを通るバイオマス供給材料の圧力を、あらゆる所定の方法で一定に維持するかまたは変化させることができる。さらにまたは別法として、たとえば、間隙寸法を、問題となる粒子を追い出すように時間制御された方法で変化させることができる。間隙寸法の変更を行うためにさまざまな他の手段を使用することができ、こうした他の手段は、本発明の企図の範囲内にあるものと解釈されるべきであることが理解されるべきである。たとえば、間隙寸法を、ハウジング内でロータに対してステータを変位させることによって変更することができる。
In addition to the
別法としてまたはさらに、ライン34Bに支持されている制御システム34からの信号を、モータ制御信号として印加して、ロータ20Mの回転速度を変化させることができる。ロータの回転速度を変更することにより、粒径の低減が促進される。
Alternatively or additionally, a signal from the
上述したように、図1に示す構成では、ロータおよびステータは、各々実質的にディスク状部材であり、それらは、互いに平行にかつ軸20Aに対して実質的に垂直に取り付けられ、それにより、間隙20Gは、混合ゾーン20Zの半径方向の広がり全体を横切って均一である。図2は、混合ゾーンを横切って均一な軸方向寸法を有しているが、材料の流れを促進するように、ロータおよびステータが切頭円錐形の(frustoconically)形状である、装置20の代替実施態様を示す。図1の状況と同様に、図2に示す構成では、フラッシュは、混合ゾーンの半径方向の広がりの範囲内で発生する。
As described above, in the configuration shown in FIG. 1, the rotor and stator are each substantially disk-like members that are mounted parallel to each other and substantially perpendicular to the
フラッシュの位置を、ロータおよび/またはステータの幾何学的形状の適切な調整によって調整することができる。図3および図4は、装置20の代替実施形態の2つの形態を示し、そこでは、ロータとステータとの間の間隙20Gによって画定される混合ゾーン20Zは、不均一な寸法を有している。これらの図において、間隙、従って混合ゾーンの最大軸方向寸法20GLは、入口20Nの付近に位置している。
The position of the flash can be adjusted by appropriate adjustment of the rotor and / or stator geometry. FIGS. 3 and 4 show two forms of an alternative embodiment of the
図3に示す構造では、ロータおよび/またはステータの一方(または両方)が、切頭円錐形の形状の部材であり、それら部材は、軸20Aから半径方向外側の位置で互いに向かって均一に先細りになるように、軸20Aに対して傾斜している。この構造の結果として、最小軸方向間隙寸法20GSは、混合ゾーン20Zの半径方向外縁において出口20Tの近くで生じる。最小軸方向間隙寸法20GSは、バイオマスの実質的に半径方向外側の流れに対する絞り部をもたらす。本発明のこの形態では、部分的相分離は、半径方向外縁を超えてすぐに発生する。
In the structure shown in FIG. 3, one (or both) of the rotor and / or stator is a frustoconical shaped member that tapers uniformly toward each other at a position radially outward from the
図4に示す構成は、最小軸方向間隙寸法20GS、したがってバイオマス流に対する絞り部が、混合ゾーン20Zの出口20Tから半径方向内側の選択された位置で生じる構造を示す。図4に示す構成では、流量絞り部は、混合ゾーンの出口から内側に混合ゾーンの半径方向距離の1/3を超えるべきではない。図4において、絞り部は、ステータ20Fに形成される狭窄機構20Kによって画定されている。部分的相分離は、混合ゾーン内の機構20Kの付近で発生する。別法としてまたはさらに、ロータ20Rに類似の機構を設けることができることが理解されるべきである。
The configuration shown in FIG. 4 shows a structure in which the minimum axial gap dimension 20G S , and thus the constriction for the biomass flow, occurs at a selected position radially inward from the
図5は、装置20の別の代替実施形態を示す。この実施形態では、ロータおよびステータは、種々の間隙形態を有する混成構造を提示するように構成されている。半径方向内側領域20GIは、それぞれ均一な軸方向寸法20GUを有する部分20GUおよび不均一な軸方向寸法20GNを有する部分20GNを含む。望ましい場合、半径方向内側領域20GIにおける寸法が均一な部分20GUを省略することができる。別法として、望ましい場合、半径方向内側領域20GIに、あらゆる好都合な数の追加の均一領域および不均一領域を設けることができる。
FIG. 5 shows another alternative embodiment of the
半径方向外側領域20GMは、均一な軸方向間隙寸法を有し、間隙の最小軸方向寸法20GSを画定している。この領域20GVにおけるロータおよびステータの対面する面は、協働して、計量装置として機能する。これらの面によって提供される計量作用により、出口圧力が調節され、最小軸方向寸法20GSが点接点である図4の構造と比較した場合に、圧力安定性が向上する。 The radially outer region 20G M has a uniform axial gap dimension and defines a minimum axial dimension 20G S of the gap. The facing surfaces of the rotor and stator in this region 20G V cooperate to function as a metering device. The metering effect provided by these surfaces is regulated outlet pressure, the minimum axial dimension 20G S is when compared with the structure of FIG. 4 is a point contact, thereby improving the pressure stability.
図6および図7は、図1から図5に示すロータ/ステータ構成のうちのいずれとも使用することができる2つの追加の構造的詳細を示す。 FIGS. 6 and 7 show two additional structural details that can be used with any of the rotor / stator configurations shown in FIGS.
図6において、ロータ20Rとステータ20Fとの間の混合ゾーンの入口20Nの近くの所定位置に、分流器20Lが配置されている。分流器20Lは、流れ込む流れを円滑化し、停滞する材料のポケットに至る可能性があるデッドゾーンまたは急峻な方向転換を回避する役割を果たす。分流器20Lを、ロータまたはステータのいずれかのあらゆる好都合な位置に取り付けることができる。
In FIG. 6, a
図7は、装置に、混合ゾーン20Zの入口20Nの上流に配置された粉砕装置が設けられている構成を示す。ステータ20Fには、所定の軸方向寸法を有する実質的に円筒状部分20Cが形成されている。それに応じて、ロータ20Rに取り付けられた実質的に円筒状のバレル20B。バレル20Bは、所定の軸方向寸法を有している。バレル20Bは、ロータ20Rから軸方向に延在して、ステータの円筒状部分20Cと同心の入れ子関係になっている。
FIG. 7 shows a configuration in which the apparatus is provided with a crushing device arranged upstream of the
バレルおよびステータの円筒状部分は、協働して、ロータとステータとの間に配置された軸方向に延在する粉砕ゾーン38を画定している。粉砕ゾーン38の軸方向寸法は、バレル20Bと円筒状部分20Cとの間の軸方向の重なりの程度によって画定される。
The cylindrical portions of the barrel and the stator cooperate to define an axially extending grinding zone 38 disposed between the rotor and the stator. The axial dimension of the grinding zone 38 is defined by the degree of axial overlap between the barrel 20B and the
種々の混合促進部(enhancer)38Eのうちの任意のものを、バレル20Bおよび/または円筒20Cの壁に組み込むことができる。図7において、混合促進部38Eは、ピンの形態で示されている。しかしながら、直線Maddock、先細りMaddock、パイナップルまたは歯車等、他の好適な形態の混合促進部を使用することができることが理解される。こうした混合促進部の図面は、Perry’s Chemical Engineering Handbook,Seventh Editionの図18〜図48に示されている。
Any of a variety of mixing enhancers 38E can be incorporated into the wall of barrel 20B and / or
さらに、望ましい場合、分流器20Lを、バレル20Bの上流端に取り付けることができる。
Further, if desired, a
本発明の教示の利益を有する当業者は、本発明に対して変更を加えることができる。こうした変更形態は、添付の特許請求の範囲によって定義されるような、本発明の範囲内にあるものとして解釈されるべきである。 Those skilled in the art having the benefit of the teachings of the invention may make modifications to the invention. Such modifications are to be construed as being within the scope of the invention, as defined by the appended claims.
Claims (8)
入口および少なくとも1つの出口を有するハウジングであって、軸が貫通しており、前記入口が加圧された前処理されたバイオマスの供給源に接続可能であり、前記出口が下流のユーティリティに直接流体連通して接続可能である、ハウジングと、
対面して配置され、かつ間隙により間隔を空けて配置され、それにより前記入口および前記出口と連通する混合ゾーンを画定するステータおよびロータであって、前記ロータおよび前記ステータの配置が、それらの間の前記間隙が、均一寸法を有する前記混合ゾーンの半径方向外側領域と、不均一寸法を示す少なくとも1つの部分を有する前記混合ゾーンの半径方向内側領域とを画定するようなものであり、前記半径方向外側領域が弁を画定する、ステータおよびロータと、
を具備し、
前記ロータが、前記ロータを前記ステータに対して回転させるように動作可能なモータに接続可能であり、それにより、使用時、前記入口と前記出口との間で所定圧力差が画定されて、前記ステータに対する前記ロータの回転移動が、所定圧力および所定温度で前記混合ゾーンに投入される所定体積の前処理されたバイオマスに対して接線方向せん断を与え、その間、前記バイオマスが前記混合ゾーンを通って前記圧力差の方向に移動しており、
前記接線方向せん断が、前記体積の前処理されたバイオマスをホモジナイズすることができ、前記圧力差が、前記ホモジナイズされたバイオマスの気相および液相への部分的相分離をもたらすことができ、それにより、前記前処理されたバイオマスが、総体積が少なくとも3倍増大する、接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置。 A tangential shear homogenizing and flash compounding device that destroys the structure of the pretreated biomass,
A housing having an inlet and at least one outlet, the shaft extending therethrough, the inlet being connectable to a source of pressurized pretreated biomass, the outlet being directly fluid to a downstream utility A housing that can be connected in communication;
A stator and a rotor arranged facing each other and spaced apart by a gap, thereby defining a mixing zone in communication with the inlet and the outlet, wherein the arrangement of the rotor and the stator is between them Wherein the gap defines a radially outer region of the mixing zone having a uniform dimension and a radially inner region of the mixing zone having at least one portion exhibiting a non-uniform dimension, A stator and a rotor, the directional outer region defining a valve;
Comprising
The rotor is connectable to a motor operable to rotate the rotor relative to the stator, thereby defining a predetermined pressure difference between the inlet and the outlet in use; The rotational movement of the rotor relative to the stator imparts a tangential shear to a predetermined volume of pretreated biomass that is introduced into the mixing zone at a predetermined pressure and temperature, while the biomass passes through the mixing zone. Moving in the direction of the pressure difference,
The tangential shear can homogenize the volume of pretreated biomass, and the pressure differential can result in partial phase separation of the homogenized biomass into a gas phase and a liquid phase; The tangential shear homogenization and flash combined device wherein the pretreated biomass increases the total volume by at least 3 times.
をさらに具備する、請求項1または2に記載の接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置。 3. A tangential shear homogenization and flash combined device according to claim 1 or 2, further comprising a shunt attached between the rotor and the stator for delivering the biomass into the mixing zone.
前記ロータに取り付けられた実質的円筒状バレルであって、所定の軸方向寸法を有し、前記ロータから軸方向に延在して前記ロータの前記円筒状部分と入れ子関係になるバレル
をさらに具備し、
前記バレルと前記ハウジングの前記円筒状部分とが、協働して、それらの間に軸方向に延在する粉砕ゾーンを画定している、請求項1または2に記載の接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置。 The stator is formed with a substantially cylindrical portion, the cylindrical portion has a predetermined axial dimension, and the device includes:
A substantially cylindrical barrel attached to the rotor, further comprising a barrel having a predetermined axial dimension and extending axially from the rotor and nested within the cylindrical portion of the rotor. And
A tangential shear homogenization and flush according to claim 1 or 2, wherein the barrel and the cylindrical portion of the housing cooperate to define a grinding zone extending axially therebetween. Compound device.
分流器が、前記バレルの前記軸方向上流端に取り付けられている、請求項6に記載の接線方向せん断ホモジナイズおよびフラッシュ複合装置。 The barrel has an axial upstream end thereon;
The tangential shear homogenization and flash combination device of claim 6, wherein a shunt is attached to the axial upstream end of the barrel.
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