СИСТЕМА И СПОСОБ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ЭКСТРАГИРОВАНИЯ ГЕМИЦЕЛЛЮЛОЗЫ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО ПРЕДГИДРОЛИЗА И ПРОЦЕССА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ПАРОВЫМ ВЗРЫВОМ Российский патент 2016 года по МПК D21C1/02 

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Настоящая заявка испрашивает приоритет Предварительной заявки на патент США № 61/032115, зарегистрированной 28 февраля 2008 г., и заявки на патент США № 12/389020, зарегистрированной 19 Февраля 2009 г., которые включены в полном объеме в настоящую заявку путем ссылки.

Предпосылки к созданию изобретения

Настоящее изобретение относится к предварительной обработке перерабатываемого сырья в виде целлюлозной биомассы, например сельскохозяйственных отходов (включая стебли, резаную солому и кожуру), соломы и травы, отходов лесного хозяйства и лесопилок (включая древесную щепу и опилки). В частности, изобретение относится к предгидролизу и предварительной обработке паровым взрывом для экстрагирования углеродных сахаров из перерабатываемого сырья в виде биомассы.

В процессах предварительной обработки обычным является использование высоких давлений и/или высоких температур для получения спиртов, например этанола, из целлюлозных сырьевых материалов. В этих обычных процессах предварительной обработки некоторые 5-углеродные сахара преобразуют в компоненты, которые замедляют ферментацию спирта 6-углеродных сахаров на стадии ферментации, следующей за предварительной обработкой. Удаление этих замедляющих компонентов, например: альдегидов (например гидроксиметилфурфурола, фурфураля и формальдегида), мономерных фенолов (например ванилина и кониферилового альдегида), кислот (например муравьиной кислоты) и других замедлителей, должно привести к увеличению выхода спирта на стадии ферментации 6-углеродных сахаров, следующей за предварительной обработкой.

Краткое описание изобретения

Была создана система для предварительной обработки перерабатываемого сырья в виде целлюлозной биомассы, содержащая: первый реактор, действующий под давлением, в который подают перерабатываемое сырье, которое подвергают гидролизу в первом реакторе, действующем под давлением; герметизирующее устройство, содержащее первое соединение, действующее под давлением, соединенное с выпускным отверстием для перерабатываемого сырья первого реактора, действующего под давлением; и второе соединение, действующее под давлением, соединенное со вторым реактором, действующим под давлением; слив для слива жидкости, содержащей растворенную гемицеллюлозу, экстрагированную из перерабатываемого сырья, по меньшей мере, в одном из устройств: первом реакторе, действующем под давлением, и герметизирующем устройстве; второй реакторный узел, действующий под давлением, в который подают перерабатываемое сырье под давлением из герметизирующего устройства под давлением, значительно более высоким, чем давление в первом реакторе, действующем под давлением; и расширительное устройство, расположенное ниже по потоку от второго реакторного узла, действующее под давлением, где с помощью расширительного устройства быстро сбрасывают давление перерабатываемого сырья, выпускаемого из второго реактора, действующего под давлением, таким образом, что перерабатываемое сырье подвергают воздействию парового взрыва, где каждый первый реактор и второй реактор содержит паровую фазу, в которую непосредственно подают пар, нагревающий и реагирующий с перерабатываемым сырьем или нагревающий перерабатываемое сырье.

В другом варианте осуществления система для предварительной обработки перерабатываемого сырья в виде целлюлозной биомассы может содержать: первый реактор, действующий под давлением, в который подают перерабатываемое сырье, которое подвергают гидролизу в первом реакторе при избыточном давлении от 1,5 до 6,0 бар избыточного давления или выше и при температуре, по меньшей мере, 110°С; герметизирующее и экстрагирующее устройство, содержащее первое соединение, действующее под давлением, соединенное с выпускным отверстием для выпуска перерабатываемого сырья первого реактора, действующего под давлением; и второе соединение, действующее под давлением, соединенное со вторым реактором, действующим под давлением; стадию промывки, где вводят моющую жидкость (в перерабатываемое сырье), по меньшей мере, в одно из устройств: первый реактор, действующий под давлением, и герметизирующее, экстрагирующее устройство; слив для удаления жидкости, содержащей растворенную гемицеллюлозу, экстрагированную из перерабатываемого сырья, по меньшей мере, в одном из устройств: первом реакторе, действующем под давлением, и герметизирующем, экстрагирующем устройстве; второй реакторный узел, действующий под давлением, в который подают перерабатываемое сырье под давлением из герметизирующего и экстрагирующего устройства и вводят пар и водяной пар в перерабатываемое сырье во втором реакторе, действующем под давлением, где в агрегате, содержащем реактор, создают избыточное давление, воздействующее на перерабатываемое сырье, от 8,0 до 25,5 бар избыточного давления; где второй реакторный узел, действующий под давлением, снабжен выпуском, действующим под давлением, соединенным с выпускным трубопроводом; и расширительное устройство, расположенное ниже по потоку от второго реакторного узла, действующее под давлением, где с помощью расширительного устройства быстро сбрасывают давление перерабатываемого сырья, выпускаемого из второго реактора, действующего под давлением, таким образом, что перерабатываемое сырье подвергают воздействию парового взрыва.

Создан способ предварительной обработки перерабатываемого сырья в виде целлюлозной биомассы, включающий: предварительную обработку перерабатываемого сырья в первом реакторе, действующем под давлением, в котором перерабатываемое сырье подвергают гидролизу; выпуск перерабатываемого сырья из первого реактора, действующего под давлением, в герметизирующее устройство, действующее под давлением, содержащее первое соединение, действующее под давлением, соединенное с выпускным отверстием для выпуска перерабатываемого сырья первого реактора, действующего под давлением; поддержание паровой фазы в первом реакторе, действующем под давлением, путем инжектирования пара в первый реактор, действующий под давлением, где посредством инжектируемого пара сообщают тепловую энергию перерабатываемому сырью в первом реакторе, действующем под давлением; промывку перерабатываемого сырья в расположенной ниже по потоку области первого реактора, действующего под давлением, или в герметизирующем устройстве, действующем под давлением; слив жидкости, содержащей растворенную гемицеллюлозу, экстрагированную из перерабатываемого сырья, по меньшей мере, из одного из устройств: из первого реактора, действующего под давлением, и из герметизирующего устройства, действующего под давлением; выпуск перерабатываемого сырья из герметизирующего устройства, действующего под давлением, через второе соединение, действующее под давлением, во второй реактор, действующий под давлением, где перерабатываемое сырье подвергают воздействию более высокого давления во втором реакторе, действующем под давлением, чем в первом реакторе, действующем под давлением; введение в клетки перерабатываемого сырья во втором реакторе, действующем под давлением, пара или водяного пара путем инжектирования пара или водяного пара во второй реактор, действующий под давлением; и быстрое сбрасывание давления, приложенного к перерабатываемому сырью, для побуждения расширения пара в клетках перерабатываемого сырья, в результате чего перерабатываемое сырье может быть измельчено.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображена блок-схема технологического процесса, в котором используют два реактора для предварительной обработки перерабатываемого сырья в виде целлюлозной биомассы;

на фиг. 2 - реакторная система с наклонным первым реактором с впуском, расположенным ниже выпуска, и горизонтальным вторым реактором;

на фиг. 3 - реакторная система с наклонным первым реактором с впуском, расположенным выше выпуска, и горизонтальным вторым реактором;

на фиг. 4 - реакторная система с коническим вторым реактором;

на фиг. 5 - реакторная система с множеством циклонных сепараторов;

на фиг. 6 - реакторная система с питателем с запорным винтом;

на фиг. 7 - реакторная система вертикальным первым реактором;

на фиг. 8 - альтернативная компоновка реакторной системы с коническим вторым реактором.

Подробное описание изобретения

На фиг. 1 показана блок-схема технологического процесса 10 предварительной обработки перерабатываемого сырья в виде целлюлозной биомассы, содержащего: первый реактор 12, действующий под давлением, для гидролиза и растворения гемицеллюлозы перерабатываемого сырья 14. Гемицеллюлозу растворяют в жидкости для экстракции 5-углеродных сахаров до подачи перерабатываемого сырья во второй реактор 16, действующий под давлением, для варки целлюлозы, оставшейся в перерабатываемом сырье. С помощью герметизирующего устройства 18, действующего под давлением, обеспечивают возможность непрерывной подачи потока перерабатываемого сырья под давлением непосредственно из первого реактора 12 во второй реактор 16.

Перерабатываемое сырье 14 может быть целлюлозной биомассой, например сельскохозяйственными отходами (например стеблями, резаной соломой и кожурой), соломой и травой, отходами лесного хозяйства и лесопилок (например древесной щепой и опилками). Перерабатываемое сырье 14 подают в накопительный бункер 20, где сырье содержат, по меньшей мере, временно, при атмосферном давлении. В накопительном бункере можно производить предварительное пропаривание для нагрева перерабатываемого сырья. Из накопительного бункера 20 перерабатываемое сырье транспортируют конвейером 22 в герметизирующее устройство 24, например поворотный клапан, питатель с запорным винтом или устройство MSD Impressafiner®, поставляемое компанией Andritz Inc. (г. Гленс Фоллс, шт. Нью-Йорк, США). Герметизирующее устройство 24 служит впускным порталом для ввода перерабатываемого сырья в первый реактор 12, действующий под давлением.

В первом реакторе 12, действующем под давлением, перерабатываемое сырье в виде целлюлозной биомассы предварительно обрабатывают, используя процесс гидролиза, например предгидролиз или автогидролиз, для экстракции углеродных сахаров, предпочтительно 5-углеродных сахаров, из перерабатываемого сырья до обработки сырья во втором реакторе 16, действующем под давлением. Первый реактор, действующий под давлением, может быть горизонтальным, наклонным или вертикальным. Гидролизная варка в первом реакторе 12 может быть непрерывным процессом, при котором перерабатываемое сырье непрерывно подают, пропускают через реактор и выпускают из реактора 12 в герметизирующее устройство 18, действующее под давлением, и пропускают через второй реактор 16.

В первом реакторе 12, действующем под давлением, гемицеллюлозу, которая в основном представляет собой 5-углеродные сахара (обозначенные в настоящем описании как «С5-сахара»), растворяют и гидролизуют. Гемицеллюлозу выводят в составе жидкости из первого реактора 12, действующего под давлением, по трубопроводу 26, идущему от реактора 12 к продувочному резервуару или барабану 28.

Гемицеллюлоза в мягкой древесине является главным образом глюкоманнаном, который растворяется и гидролизуется в процессах предгидролиза и автогидролиза в первом реакторе 12. Гемицеллюлоза, имеющаяся, например в твердой древесине, соломе злаков и в травах, может быть растворена и гидролизована в кислом растворе в первом реакторе 12 (необязательно в присутствии катализатора (катализаторов)) до 5-углеродных сахаров с малой молекулярной массой, например до ксилозы и арабинозы, и в определенной степени до аморфных 6-углеродных сахаров. 5-Углеродные сахара с малой молекулярной массой и аморфные 6-углеродные сахара растворяются в реакторе 12, и их сливают в виде раствора (жидкости) из реактора 12 по трубопроводу 26. Примерами побочных продуктов в виде 5-углеродных сахаров, которые предпочтительно удаляют в виде раствора из перерабатываемого сырья в первом реакторе 12, могут служить: альдегиды (гидроксиметилфурфурол, фурфураль и формальдегид), мономерные фенолы (ванилин и конифериловый альдегид) и кислоты (например уксусная кислота и муравьиная кислота). Удаление этих побочных продуктов в виде 5-углеродных сахаров является желательным, так как они или их побочные продукты, получающиеся в результате их взаимодействия, могут вызывать замедление ферментации 6-углеродных сахаров, если их не отделить от перерабатываемого сырья в первом реакторе 12.

В первом сосуде реактора 12, действующем под давлением, перерабатываемое сырье можно обрабатывать в кислом растворе, который способствует выполнению процессов предгидролиза или автогидролиза благодаря растворению и гидролизу гемицеллюлозы в перерабатываемом сырье до 5-углеродных сахаров с малой молекулярной массой и аморфных 6-углеродных сахаров. Реактор 12 может быть не заполнен перерабатываемым сырьем для обеспечения возможности поддержания паровой фазы в реакторе. Паровая фаза обеспечивает тепловую энергию перерабатываемому сырью и способствуют выполнению реакции гидролиза в перерабатываемом сырье, которая может проходить либо в паровой, либо в жидкой фазе, либо в обеих фазах в реакторе. Пар в реактор 12 можно подавать от источника 13 пара, от которого пар инжектируют непосредственно в реактор в одно или большее число мест реактора 12, а предпочтительно вблизи впуска перерабатываемого сырья в реактор. Пар можно также инжектировать в конвейеры 22, 24, с помощью которых транспортируют перерабатываемое сырье, расположенные непосредственно перед впуском реактора 12. Инжектированием пара выше по потоку от впуска реактора 12 способствуют смешиванию пара и перерабатываемого сырья до подачи смеси в реактор.

Гидролиз, а особенно предгидролиз и автогидролиз, обычно называемые варкой, перерабатываемого сырья в виде целлюлозной биомассы производят при температурах, например, от 110 до 160°C или от 110 до 175°C, при избыточном давлении от 1,5 до 6,0 бар (от 150 до 600 кПа) или от 1,5 до 10,0 бар (от 150 до 1000 кПа), в течение приблизительно от 10 до 60 мин, а предпочтительно от 20 до 30 мин. Для способствования гидролизу и создания давления, в первый реактор 12, действующий под давлением, можно подавать потоки одного или большего числа веществ: слабых кислот, сернистого газа (SO₂), кислорода, сжатого воздуха, аммиака, воды, водяного пара, пара (для нагрева и поддержания температуры) и катализаторов от источников 30, 13 каждого из этих веществ. Поток (потоки), подаваемый от источников 30, 13, можно вводить в первый реактор 12, действующий под давлением, в место, расположенное ближе к месту подачи перерабатываемого сырья в реактор и отдаленное от места выпуска перерабатываемого сырья из первого сосуда, действующего под давлением. В качестве альтернативы добавлению кислот, в первом реакторе 12 можно использовать условия автогидролиза, например путем использования древесных кислот, выделяющихся из перерабатываемого сырья в условиях автогидролиза.

Перерабатываемое сырье можно выгружать в мокром или сухом состоянии из первого реактора 12. Воду для разбавления или раствор 32 можно, необязательно, добавлять в первый реактор 12 или в герметизирующее и экстрагирующее устройство 18. Добавлением воды для разбавления способствуют удалению любого растворенного вещества из герметизирующего и экстрагирующего устройства 18 и увеличивают количество извлеченных сахаров, транспортируемых в потоках, протекающих по трубопроводам 26 и 48.

Кроме того, стадия промывки 15 может быть включена в технологический процесс или может выполняться непосредственно после первого реактора 12 и перед вторым реактором 16, а предпочтительно выше по потоку от герметизирующего и экстрагирующего устройства 18, для промывки перерабатываемого сырья водой для разбавления, например для обеспечения условий для прекращения процесса гидролиза. Например, стадию промывки можно осуществлять вблизи выпуска первого реактора 12 или в герметизирующем и экстрагирующем устройстве 18. На стадии промывки 15 подают чистую воду, например, из источника 32 воды для разбавления в перерабатываемое сырье в зоне промывки (см. фиг. 7) вблизи выпуска первого реактора или в герметизирующее и экстрагирующее устройство 18. Промывочная вода из источника 32 может иметь температуру не выше 160, не выше 140 или не выше 110°С. Температура промывочной воды ниже температуры в первом реакторе 12 для подавления процесса гидролиза в зоне промывки. В зоне промывки экстрагируют фильтрат 17 из перерабатываемого сырья, например отводя его через сливной трубопровод 48.

Стадию промывки следует выполнять выше по потоку от места выполнения процесса парового взрыва, например выше по потоку от клапана 34. Экономически более целесообразно и эффективно выполнение промывки перерабатываемого сырья выше по потоку от места выполнения процесса парового взрыва, чем выполнение промывки перерабатываемого сырья после процесса парового взрыва. В процессе парового взрыва уменьшаются размеры частиц перерабатываемого сырья, и таким образом увеличивается удельная поверхность перерабатываемого сырья. Из-за меньшего размера частиц и получающейся в результате большой удельной поверхности усложняется процесс обезвоживания и промывки перерабатываемого сырья. Путем промывки выше по потоку от места выполнения процесса парового взрыва исключают это усложнение, так как до выполнения процесса парового взрыва частицы перерабатываемого сырья являются относительно крупными и имеют меньшую удельную поверхность.

Так как промывка перерабатываемого сырья, содержащего более крупные частицы, является более эффективной в сравнении с промывкой частиц меньшего размера, то промывочное оборудование, например промывочные зоны, инжекторы для воды, сита для фильтрата и экстрагирующие устройства, могут быть менее громоздкими и менее дорогими, чем промывочное оборудование, требующееся для промывки, расположенное ниже по потоку от процесса парового взрыва. Аналогичным образом, затраты, связанные с промывкой, например затраты, связанные с обеспечением моющей жидкости и экстрагированием фильтрата, меньше, если стадию промывки выполняют до процесса парового взрыва, чем если стадию промывки выполняют после этого процесса.

В продувочном резервуаре 28 собирают растворенные компоненты, например 5-углеродные сахара из гемицеллюлозы, экстрагированной из перерабатываемого сырья в первом реакторе 12 и герметизирующем и экстрагирующем устройстве 18, направляемые по трубопроводам 26 и 48. Жидкий раствор растворенной гемицеллюлозы, например 5-углеродных сахаров, экстрагированных из реактора 12, может быть выведен из-под действия давления, путем пропуска через редукционный клапан 49 в трубопроводе 48 к продувочному резервуару или на выпуске продувочного резервуара 28. 5-Углеродные сахара в гемицеллюлозе, отделенные от перерабатываемого сырья и сохраняемые в резервуаре 28, могут быть преобразованы посредством обычных процессов в ксилозу для использования ее в качестве пищевых добавок, в биогаз посредством аэробной и анаэробной ферментации, в метил-фуран посредством высокооктанового окисления и в водный сахар для преобразования его в спирты, например этанол. Для преобразования 5-углеродных сахаров можно использовать специальные микроорганизмы, например энзимы, для способствования протеканию реакции преобразования.

Для любого из реакторных комплексов, описанных в данной заявке, необязательный промывочный аппарат может быть расположен между первым и вторым реакторами для промывки перерабатываемого сырья. Промывочный аппарат может содержать впуск для растворителя (например кислых растворов, используемых в первом реакторе, воды, пара или их сочетаний), подлежащего смешиванию с перерабатываемым сырьем до или после удаления растворенной гемицеллюлозы. Растворитель может дополнительно растворять гемицеллюлозу, связанную с перерабатываемым сырьем, которая не была удалена после первого процесса удаления растворенных компонентов. Растворитель можно вводить при температуре или давлении, которые ниже температуры или давления в первом реакторе. Так как температура, или давление, или оба параметра ниже параметров, имеющих место в первом реакторе, то применение растворителя имеет дополнительное положительное значение, заключающееся в приостановке химической реакции (реакций), побужденной в перерабатываемом сырье в первом реакторе. Выпускаемый из промывочного аппарата состав, содержащий растворитель с дополнительной гемицеллюлозой, можно обрабатывать отдельно или можно соединять с ранее экстрагированным растворенным компонентом в продувочном резервуаре 28. Промывочный аппарат может дополнительно содержать дополнительные отверстия для пара и впуски для поддержания температуры и давления выполняемого процесса. Промывочный аппарат может быть встроен в первый реактор 12 или в герметизирующее, экстрагирующее устройство 18, чтобы не требовалось использование дополнительного оборудования для осуществления стадии промывки. Например, первый реактор или герметизирующее, экстрагирующее устройство могут содержать впускное отверстие для дополнительного растворителя для дополнительной промывки перерабатываемого сырья. Растворитель можно удалять путем использования отверстий реакторного комплекса для регулярного удаления растворителя, например трубопровода 26 или 48.

После удаления растворенной гемицеллюлозы остальную часть перерабатываемого сырья направляют из первого реактора 12 в герметизирующее и экстрагирующее устройство 18. Перерабатываемое сырье остается под давлением и течет из первого реактора в герметизирующее и экстрагирующее устройство 18. С помощью герметизирующего и экстрагирующего устройства 18 транспортируют перерабатываемое сырье из первого реактора 12 ко второму реактору 16. В герметизирующем и экстрагирующем устройстве 18 можно повысить давление, прикладываемое к перерабатываемому сырью, до уровня, выше давления в первом реакторе 12, и до уровня, пригодного для парового взрыва, который производят за вторым реактором 16. Второй реактор 16, действующий под давлением, может содержать горизонтальный или конический сосуд реактора.

Герметизирующее и экстрагирующее устройство 18, действующее под давлением, может быть устройством (MSD) Impressafiner®, экструдероподобным шнековым устройством, или питателем с запорным винтом, или подобным устройством, в котором отжимают предварительно обработанное перерабатываемое сырье для экстрагирования растворенных компонентов (в основном - гемицеллюлозы), которые выпускают по трубопроводу 48 в продувочный резервуар 28 или подобное устройство. В герметизирующем и экстрагирующем устройстве можно повысить давление, действующее на перерабатываемое сырье, с избыточного давления, например, составляющего от 1,5 до 10,0 бар на выпуске первого реактора, до избыточного давления во втором реакторе 16, составляющего от 8 до свыше 25 бар.

Перерабатываемое сырье под давлением может протекать из первого реактора 12 в герметизирующее и экстрагирующее устройство 18 под действием силы тяжести в виде непрерывного потока перерабатываемого сырья в реакторе (как это показано на фиг. 2-6), или под воздействием выпускного скрепера, или выпускного шнека 51, как это показано на фиг. 7. С помощью экстрагирующего устройства 18 обеспечивают герметизацию под давлением между первым 12 и вторым 16 реакторами, действующими под давлением. Так как перерабатываемое сырье выпускают из первого реактора 12 под давлением, то герметизирующее и экстрагирующее устройство 18 предпочтительно содержит впуск, выполненный таким образом, чтобы в него можно было подавать перерабатываемое сырье под давлением. Например впуск герметизирующего и экстрагирующего устройства 18 герметически присоединен к выпуску первого реактора 12, и не происходит падения давления, действующего на перерабатываемое сырье, вводимое в устройство 18.

Второй реактор 16 может быть, например, вертикальным, горизонтальным или коническим реактором. Вертикальные реакторы показаны на фиг. 7 и 8, и они могут содержать нижнюю секцию для способствования направлению вниз потока перерабатываемого сырья, например ромбовидную секцию, раскрытую в патентах США № 5617975 и № 5628873, которые включены в данное описание путем ссылки. Пригодные сосуды для второго реактора 16 являются обычными и их обычно используют в процессах измельчения (получения целлюлозной массы) паровым взрывом.

Второй реактор предпочтительно действует при более высоком давлении, чем первый реактор. Из второго реакторного узла (который может содержать второй реактор 16 или второй реактор 16 и выпускное устройство 36 реактора) перерабатываемое сырье выпускают под высоким избыточным давлением, например, от 8,0 до 25,5 бар. Второй реакторный узел может содержать выпускное устройство 52, например выпускной шнековый питатель, с помощью которого перемещают перерабатываемое сырье в выпускное устройство 36 реактора. В процессе 10 поддерживают достаточно высокое избыточное давление, действующее на перерабатываемое сырье, например составляющее свыше 1,5 бар, на участках, включающих первый реактор 12, герметизирующее, экстрагирующее устройство 18, второй реактор 16, выпускное устройство 36 реактора и до продувочного клапана 34.

Во втором реакторе 16 перерабатываемое сырье в виде целлюлозной биомассы обрабатывают при температурах, например, от 170 до 230°C приблизительно в течение от 2 до 5 мин (или дольше) и при избыточном давлении от 8 до 25,5 бар (от 800 до 2550 кПа). Во втором реакторе 16 может быть паровая фаза, где пар инжектируют непосредственно в реактор для сообщения тепловой энергии перерабатываемому сырью. Во втором реакторе 16 можно рассеивать одно или более из пара, водяного пара и воды в жидкой фазе от источников 53, 32 во внутренней структуре лигноцеллюлозного материала перерабатываемого сырья. Кроме того, от источников 53, 32 пара, водяного пара или воды в жидкой фазе можно подавать другие жидкости, например жидкий источник катализиров, подлежащих инжектированию во второй реактор 16, действующий под давлением.

Воду 32 можно непосредственно инжектировать во второй реактор 16 или в герметизирующее и экстрагирующее устройство 18, чтобы вода для разбавления вводилась в перерабатываемое сырье. Воду 32 для разбавления и источники 53 пара, водяного пара и катализаторов можно инжектировать во второй реактор 16 в точке (точках) вблизи места подачи перерабатываемого сырья в реактор.

Пар или водяной пар вводят в перерабатываемое сырье во втором реакторе 16. Пар и водяной пар частично конденсируется в воду в капиллярообразной микропористой внутренней структуре лигноцеллюлозного материала, обрабатываемого во втором реакторе.

Давление перерабатываемого сырья резко снижают, пропуская через продувочный клапан 34, расположенный ниже по потоку от второго реакторного узла. Падение давления на продувочном клапане 34 предпочтительно составляет, по меньшей мере, 10 бар. Давление, под которым находится перерабатываемое сырье, может быть снижено с помощью продувочного клапана 34 до 1-2 бар избыточного давления, где нулевое (0 бар) избыточное давление является, по существу, атмосферным давлением воздуха. Сильное падение давления на клапане 34 пригодно для измельчения (получения целлюлозной массы) посредством парового взрыва. Быстрое, например «мгновенное», падение давления вызывает переход воды, сконденсировавшейся в клетках лигноцеллюлозного материала перерабатываемого сырья, из жидкой фазы в пар. Преобразование воды в пар в клетках перерабатываемого сырья вызывает массовый разрыв, например «взрыв», клеток в перерабатываемом сырье в виде целлюлозной биомассы. Разрыв происходит потому, что объем, занимаемый паром, на много больше объема, занимаемого водой в клетках. Массовый разрыв включает взрыв отдельных клеток перерабатываемого сырья и разрыв волокон вдоль аморфной целлюлозы, например, между цилиндрическими трубками и волокнами целлюлозной структуры перерабатываемого сырья.

Давление, действующее на перерабатываемое сырье, на выпуске второго реактора 16 может быть достаточным для превращения перерабатываемого сырья в целлюлозную массу посредством парового взрыва, как это показано на фиг. 8. Альтернативно выпускное устройство 36 может быть включено во второй реакторный узел для повышения давления, действующего на перерабатываемое сырье, выше давления во втором реакторе. В выпускном устройстве 36 реактора можно дополнительно увеличить давление, действующее на перерабатываемое сырье, до давления, пригодного для превращения перерабатываемого сырья в целлюлозную массу посредством парового взрыва, например с 8 до 25 бар избыточного давления.

Из второго реактора 16, действующего под давлением, можно выпускать перерабатываемое сырье под высоким давлением в выпускное устройство 36 реактора, расположенное между вторым реактором и продувочным клапаном 34. Агрегат, содержащий второй реактор 16, действующий под давлением, может содержать реактор 16 с выпускным устройством 36 реактора или без него. Выпускное устройство 36 реактора может представлять собой, например одно (или большее число) из устройств: скрепер, или механический скребок, расположенный около выпускного отверстия для выпуска перерабатываемого сырья из второго реактора; дисковый дробильный рафинер; дисковый рафинер для переработки древесно-волокнистых плит средней плотности; дисковый компрессор высокого давления или питатель с запорным выпуском. Вариантом осуществления выпускного устройства 36 реактора может быть, например, однодисковый рафинер, работающий с частотой вращения от 1200 до 3000 об/мин, приводимый в действие электродвигателем мощностью 150 л.с. (110 кВт). В варианте осуществления выпускного устройства 36 реактора с дисковым рафинером можно также частично измельчать перерабатываемое сырье под давлением до того, как перерабатываемое сырье будет подвержено паровому взрыву, измельчая его путем пропуска через продувочный клапан 34.

Во время парового взрыва частицы обработанного сырья отделяются от целлюлозной сетки перерабатываемого сырья. Циклонный сепаратор или продувочный резервуар 38 содержит нижний выпуск 39 для частиц и верхний выпуск 41 для водяного пара, неконденсирующихся газов (NCG), сжимаемых газов и других химических паров 40. Эти пары 40, которые могут включать летучие органические соединения (VOCs), могут быть восстановлены, например путем пропуска паров через теплообменник для отбора тепловой энергии пара.

Отделенные частицы обработанного сырья, выпущенного из нижнего выпускного отверстия 39 циклона или продувочного резервуара 38, могут быть охлаждены в охлаждающем устройстве 42, которое может содержать ленточный или шнековый конвейер. Обработанное сырье можно обрабатывать в последующем реакторе (последующих реакторах) 44, в которых можно использовать обработку перерабатываемого сырья кислотами или энзимами. Обработанное сырье окончательно выгружают в виде предварительно обработанного сырья 46.

Технологический процесс 10, представленный на фиг. 1, можно осуществлять, используя различные конфигурации реакторов и других устройств. Некоторые варианты осуществления таких конфигураций реакторов и других устройств представлены на фиг. 2-8. Ссылочные позиции на фиг. 2-8, одинаковые с указанными на фиг. 1, относятся к устройствам, выполняющим те же функции, что и устройства, обозначенные теми же ссылочными позициями на фиг. 1.

Как показано на фиг. 2-8, первый реактор 12, например предгидролизный реактор, может быть наклонным, как показано на фиг. 2-8; расположенным вертикально, как показано на фиг. 9, или расположенным, по существу, горизонтально, как показано на фиг. 10.

Первый реактор 12, действующий под давлением, может быть обычным реактором, например реактором пандиагонального типа, содержащим внутренний шнек или винт для перемещения перерабатываемого сырья через реактор. Перерабатываемое сырье можно вводить в первый реактор 12 через герметизирующее устройство 24, действующее под давлением (см. фиг. 1), которое может быть поворотным клапаном 60 (например показанным на фиг. 2, 4, 5, 7 и 8), питателем 62 с запорным винтом, например MSD Impressafiner® (например показанным на фиг. 3 и 6), или другим питающим устройством, с помощью которого вводят перерабатываемое сырье, находящееся в атмосферных условиях, в реактор, действующий под давлением.

Растворенную гемицеллюлозу, выпускаемую из реактора 12, можно сливать в трубопровод 26 (как показано на фиг. 2, 4, 6 и 7) или сливать полностью в герметизирующее и экстрагирующее устройство 18, действующее под давлением (как показано на фиг. 3 и 5). Как показано на фиг. 2, 3, 4 и 5, из наклонных первых реакторов 12 с нижним концом 50, противоположным верхнему концу 54, из которого выгружают перерабатываемое сырье, сливают большую часть или всю растворенную гемицеллюлозу, например 5-углеродные сахара, в виде жидкости из нижнего конца 50 реактора. Верхний конец 54 этих наклонных первых реакторов снабжен соединением, обеспечивающим поддержание давления, которым он соединен с герметизирующим устройством 18, действующим под давлением, в качестве которого можно использовать питатель с запорным винтом. Дополнительный раствор, содержащий растворенную гемицеллюлозу, можно экстрагировать из герметизирующего устройства 18 и направлять по трубопроводам 48 и 26 к редукционному клапану 49 и к продувочному резервуару или барабану 28. Как показано на фиг. 3, первый реактор 12 может быть наклонен таким образом, чтобы нижний конец 56 сосуда реактора был снабжен соединением, обеспечивающим поддержание давления, которым он соединен с герметизирующим устройством, действующим под давлением. Из нижнего конца 56 реактора 12, показанного на фиг. 3, выпускают перерабатываемое сырье и всю гемицеллюлозу в жидком состоянии в герметизирующее устройство 18, действующее под давлением. По трубопроводу 48 сливают гемицеллюлозу в жидком состоянии из герметизирующего и экстрагирующего устройства 18, действующего под давлением, и направляют жидкость к редукционному клапану 49 и резервуару или барабану 28.

На фиг. 4-6 показано, что перерабатываемое сырье после пропуска через продувочный клапан 34 и обработанное посредством парового взрыва, может быть разделено на различные потоки, в каждом из которых имеется другой циклонный сепаратор 382, 384 и 386 и имеются различные выпускные устройства и дополнительные реакторы 422, 424, 426. Например, часть целлюлозы из перерабатываемого сырья можно удерживать, чтобы ее отделять и обрабатывать отдельно для использования в виде волокнистой массы (для бумаги) или для специальных применений в химической промышленности.

Наклонный первый реактор 12, действующий под давлением, показанный на фиг. 8, содержит нижний конец 56, соединенный с герметизирующим устройством 18, действующим под давлением. Верхний конец 58 реактора может содержать необязательный сливной трубопровод 26, по которому обеспечивают возможность стекания гемицеллюлозы в жидком состоянии из реактора к редукционному клапану 49 и резервуару 28.

Вертикальный первый реактор 12, действующий под давлением, показанный на фиг. 7, содержит механический скребок и конвейер 51 для выгрузки перерабатываемого сырья, с помощью которых выгружают перерабатываемое сырье из сосуда реактора и сливают гемицеллюлозу в жидком состоянии по трубопроводу 26, с помощью которого направляют жидкость через редукционный клапан 49 и к продувочному резервуару или барабану.

Преимущество варианта осуществления предварительного процесса 10 переработки сырья в виде целлюлозной биомассы заключается в том, что сосуды реакторов имеют предпочтительно постоянное или расширяющееся поперечное сечение для обеспечения возможности увеличения расхода перерабатываемого сырья без опасения того, что в результате изменения загрузки поперечного сечения может произойти уплотнение или закупоривание сосудов реакторов. Например каждый из сосудов реакторов 12, 16 может быть расположен вертикально, наклонно и горизонтально. Аналогичным образом, поток перерабатываемого сырья, пропускаемый через каждый из реакторов, может быть направлен вниз, вверх или горизонтально в зависимости от ориентации сосуда реактора.

Хотя изобретение описано со ссылками на варианты осуществления, считающиеся в настоящее время наиболее практичными и предпочтительными, следует понимать, что изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления, а наоборот, предназначено для охвата различных модификаций и эквивалентных компоновок, соответствующих сущности и объему прилагаемой формулы изобретения.

Создан комплекс оборудования для предварительной обработки перерабатываемого сырья в виде целлюлозной биомассы, содержащий: первый реактор, действующий под давлением, в который подают перерабатываемое сырье и в котором перерабатываемое сырье подвергают гидролизу; герметизирующее устройство, содержащее первое соединение, действующее под давлением, соединенное с выпускным отверстием для выпуска перерабатываемого сырья первого реактора, действующего под давлением, и второе соединение, действующее под давлением, соединенное со вторым реактором, действующим под давлением; слив для слива жидкости, содержащей растворенную гемицеллюлозу, экстрагированную из перерабатываемого сырья, по меньшей мере, в одном из устройств: первом реакторе, действующем под давлением, и герметизирующем устройстве; агрегат, содержащий второй реактор, действующий под давлением, в который подают перерабатываемое сырье, находящееся под давлением, из герметизирующего устройства под давлением, значительно более высоким, чем давление в первом реакторе, действующем под давлением; в котором в клетки перерабатываемого сырья вводят воду во втором реакторе, действующем под давлением; и расширительное устройство, расположенное ниже по потоку от агрегата, содержащего второй реактор, действующий под давлением, в котором (в расширительном устройстве) быстро сбрасывают давление, под которым находилось перерабатываемое сырье, выпускаемое из второго реактора, действующего под давлением, таким образом, чтобы перерабатываемое сырье подвергалось паровому взрыву. 11 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ предварительной обработки перерабатываемого сырья в виде целлюлозной биомассы, включающий этапы на которых:
- проводят предварительную обработку перерабатываемого сырья в первом реакторе, действующем под давлением, причем перерабатываемое сырье подвергается гидролизу в первом реакторе, действующем под давлением;
- выпускают перерабатываемое сырье из первого реактора, действующего под давлением, в герметизирующее устройство, действующее под давлением, содержащее первое соединение, действующее под давлением, соединенное с выпускным отверстием для перерабатываемого сырья первого реактора, действующего под давлением;
- поддерживают паровую фазу в первом реакторе, действующем под давлением, посредством инжектирования пара в первый реактор, действующий под давлением, причем инжектируемый пар обеспечивает тепловую энергию перерабатываемому сырью в первом реакторе, действующем под давлением;
- промывают перерабатываемое сырье в области, расположенной ниже по потоку от первого реактора, действующего под давлением, или герметизирующего устройства, действующего под давлением;
- сливают жидкость, содержащую растворенный гемицеллюлозный материал, экстрагированную из перерабатываемого сырья из, по меньшей мере, одного из устройств: первого реактора, действующего под давлением, и герметизирующего устройства, действующего под давлением;
- выпускают перерабатываемое сырье из герметизирующего устройства, действующего под давлением, через второе соединение, действующее под давлением, во второй реактор, действующий под давлением, причем перерабатываемое сырье поддерживают при более высоком давлении во втором реакторе, действующем под давлением, чем в первом реакторе, действующем под давлением;
- вводят в клетки перерабатываемого сырья, находящегося во втором реакторе, действующем под давлением, пар или водяной пар путем инжектирования пара или водяного пара во второй реактор, действующий под давлением; и
- быстро сбрасывают давление, приложенное к перерабатываемому сырью, в которое ввели воду, для вызывания расширения пара в клетках перерабатываемого сырья и измельчения перерабатываемого сырья.

2. Способ по п. 1, дополнительно включающий введение, по меньшей мере, одного из веществ: слабой кислоты, сернистого газа (SO₂), кислорода, сжатого воздуха, пара, воды и катализаторов, в перерабатываемое сырье в, по меньшей мере, одном из реакторов: первом реакторе, действующем под давлением, и втором реакторе, действующем под давлением.

3. Способ по п. 1, в котором стадию предварительной обработки перерабатываемого сырья выполняют в первом реакторе, действующем под давлением и имеющем внутреннюю температуру от 110 до 160°С, давление от 150 до 600 кПа, и причем перерабатываемое сырье находится в течение периода времени от 10 до 60 мин в первом реакторе, работающем под давлением.

4. Способ по п. 1, в котором стадию предварительной обработки перерабатываемого сырья выполняют в первом реакторе, действующем под давлением и имеющем внутреннюю температуру от 110 до 175°С, давление от 150 до 1000 кПа, и причем перерабатываемое сырье находится в течение периода времени от 10 до 60 мин в первом реакторе, действующем под давлением.

5. Способ по п. 1, в котором перерабатываемое сырье пропускают в виде непрерывного потока через первый реактор, действующий под давлением, герметизирующее устройство, действующее под давлением, второй реактор, действующий под давлением, и до быстрого сброса давления ниже по потоку от второго реактора, действующего под давлением.

6. Способ по п. 1, причем быстрый сброс давления снижает давление перерабатываемого сырья на, по меньшей мере, 10 бар.

7. Способ по п. 1, в котором стадию промывки выполняют между упомянутой стадией выпуска и стадией слива и вымывают растворенный гемицеллюлозный материал из упомянутого перерабатываемого сырья между упомянутым первым реактором, действующим под давлением, и упомянутым вторым реактором, действующим под давлением.

8. Способ по п. 7, в котором упомянутую стадию промывки выполняют при температуре ниже 160°C.

9. Способ по п. 1, в котором упомянутую стадию промывки выполняют при температуре ниже 140°C.

10. Способ по п. 1, в котором процесс является непрерывным процессом.

11. Способ по п. 1, в котором поток перерабатываемого сырья протекает через упомянутый первый и упомянутый второй реакторы, действующие под давлением, как непрерывный поток.

12. Способ по п. 1, в котором инжектированием пара или водяного пара во второй реактор создают паровую фазу во втором реакторе, действующем под давлением.