BRPI0909856B1 - "previously treated high pressure biomass dispensing device for lower and higher pressure biomass discharge method for lowest" - Google Patents
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Description
DISPOSITIVO DE DESCARREGAMENTO DE BIOMASSA PREVIAMENTE TRATADA DE PRESSÃO MAIS ALTA PARA MAIS BAIXA E MÉTODO DE DESCARREGAMENTO DE BIOMASSA DE PRESSÃO MAIS ALTA PARA MAIS BAIXA
CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se a meios e métodos de descarregamento de biomassa que foi submetida a tratamentos pressurizados em regiões de pressão atmosférica ou mais baixa.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
Surgiu um intenso interesse na fermentação e gasificação de biomassa rica em carboidratos para fornecer alternativas para fontes petroquímicas de combustíveis, alimentos para animais e precursores químicos orgânicos._ . Comprovou-se· - que “ bÍoma"ssas lignocelulósicas, incluindo resíduos industriais e agrícolas, são particularmente interessantes como fontes de carboidratos. Para biomassas lignocelulósicas, normalmente é necessário tratamento prévio para separar lignina e hemicelulose de fibras de celulose e, portanto, aumentar o acesso cataliticamente eficaz de enzimas hidrolíticas. Foram relatados diversos processos de tratamento prévio, muitos dos quais dependem de tratamento sob alta temperatura e altas pressões. Para análise, vide Ref. 1 e 2. 0 descarregamento de biomassas previamente tratadas de regiões de alta pressão para processamento subseqüente sob pressão atmosférica ou mais baixa apresenta um problema técnico que anteriormente foi solucionado por duas abordagens gerais. Foram desenvolvidas bombas de partículas apropriadas para o processamento semicontínuo que fornecem transferência vedada à pressão de biomassa de regiões com pressão diferente. Vide, por exemplo, WO 03/013714, que é integralmente incorporada ao presente como referência.
Alternativamente, em processamento de bateladas, foi atingido o descarregamento de biomassa previamente tratada de regiões de alta pressão utilizando "explosão de vapor", em que a biomassa é literalmente explodida de um dispositivo de tratamento sob pressão para um tanque de sopro. Vide, por exemplo, US 6.506.282. Soluções anteriores do problema de "descarga" geralmente não são apropriadas para o processamento contínuo de biomassa. Em escala de produção, o processamento contínuo é vantajoso com relação ao processamento em bateladas ou semicontínuo pelo fato de que o tamanho do equipamento pode ser consideravelmente reduzido, por exemplo, em um fator de 2 a 5. Perdas de energia podem também ser minimizadas e pulsos de energia problemáticos são evitados por meio de processamento contínuo. ~ - * - Melhorias1· do' processamento de tratamento prévio de biomassa lignocelulósica são vantajosas porque reduzem custos, particularmente custos de energia, ou facilitam de outra forma o escalonamento para uso em escala de produção.
Descrevemos no presente dispositivos e métodos de descarregamento de biomassa previamente tratada de regiões de pressão mais alta a mais baixa que são apropriados para uso no processamento contínuo de biomassa. Realizações preferidas fornecem perda reduzida de vapor de regiões de tratamento prévio pressurizado, redução do consumo de energia e construção simplificada, com relação aos métodos e dispositivos conhecidos no estado da técnica.
RESUMO DA INVENÇÃO São fornecidos dispositivos e métodos de descarregamento de biomassa previamente tratada de regiões com pressão mais alta para mais baixa. Biomassa quente previamente tratada é adicionada sob alta pressão no topo do recipiente de descarga, que é parcialmente cheio com água ou solução aquosa. 0 recipiente compreende uma série de jatos de água situados nos seus lados através dos quais se injeta água ou solução aquosa, a fim de estabelecer uma forte turbulência na parte inferior do recipiente. Esta turbulência, preferencialmente uma turbulência por turbilhonamento, ou "hidrociclone", mistura biomassa e água e desintegra qualquer bloco de material antes da sua ejeção sob alta velocidade na forma de calda através de um orifício ou válvula no fundo do recipiente. Estabelece-se estratificação sob temperatura estável no interior do recipiente de descarga, por meio do quê a água quente permanece no topo do recipiente, reduzindo a perda de calor e vapor do reator de tratamento prévio.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS A Figura IA exibe uma vista lateral e 1B, uma vista superior de uma realização de um dispositivo, de acordo com a presente- invenção.- - As Figuras 2A, 2B e 2C exibem vistas laterais e 2D, uma vista superior de realizações alternativas de dispositivos, de acordo com a presente invenção.
As Figuras 3A, 3B, 3C e 3D exibem vistas laterais e 3E, 3F e 3G, vistas superiores de dispositivos, de acordo com a presente invenção que possuem meios mecânicos para manter limpo o orifício de saída.
DESCRIÇÃO DETALHADA DAS REALIZAÇÕES PREFERIDAS
Em algumas realizações, a presente invenção fornece dispositivos de descarregamento de biomassa previamente tratada de pressão mais alta ou mais baixa, que compreendem: recipiente de descarga substancialmente cilíndrico ou cônico que contém uma abertura para uma região de alta pressão no topo; uma série de bocais ou jatos situados ao longo dos lados do recipiente em uma distância a partir do fundo correspondente a zero a duas vezes o diâmetro do recipiente, através do qual se pode adicionar água ou líquido; e um orifício ou válvula no fundo do recipiente, através do qual biomassa previamente tratada pode ser ejetada, opcionalmente para uma tubulação.
Em outras realizações, a presente invenção fornece dispositivos de descarregamento de biomassa previamente tratada de pressão mais alta para mais baixa, que compreende: um recipiente de descarga substancialmente cilíndrico ou cônico que possui uma abertura para uma região de alta pressão no topo; pelo menos um bocal ou jato situado ao longo dos lados do recipiente em uma distância a partir do fundo correspondente a zero a duas vezes o diâmetro do recipiente, através do qual se pode adicionar água ou _líquido,· - e - um orifício ou válvula no fundo do recipiente, através do qual biomassa previamente tratada pode ser ejetada, opcionalmente para uma tubulação; em que o recipiente de descarga é cheio com uma quantidade de água ou solução aquosa que compreende de M a 4/5 do seu volume interno total.
Em ainda outras realizações, a presente invenção fornece dispositivos de descarregamento de biomassa previamente tratada de pressão mais alta para mais baixa, que compreende: um recipiente de descarregamento substancialmente cilíndrico ou cônico que possui uma abertura para uma região de alta pressão no topo; pelo menos um bocal ou jato situado ao longo dos lados do recipiente em uma distância a partir do fundo correspondente a zero a duas vezes o diâmetro do recipiente, através do qual se pode adicionar água ou líquido; e um orifício ou válvula no fundo do recipiente através do qual se pode ejetar biomassa previamente tratada, opcionalmente para uma tubulação; em que é estabelecido um gradiente de temperatura no interior do recipiente de descarregamento, de tal forma que a água quente permaneça no topo do recipiente.
Em ainda outras realizações, a presente invenção fornece métodos de descarregamento de biomassa de pressão mais alta para mais baixa, que compreende o descarregamento de biomassa através de um dispositivo, de acordo com a presente invenção. A Figura IA exibe uma vista lateral e 1B, uma vista superior de uma realização preferida de um dispositivo, de acordo com a presente invenção., de acordo com exibido, _o , .dispositivo compreende um'recipiente de descarga cilíndrico (1) e possui uma abertura (2) para uma região de alta pressão no topo, através da qual adiciona-se biomassa previamente tratada. Durante o uso, o recipiente é parcialmente cheio com água ou solução aquosa e é equipado com seis bocais (3) . A introdução de água ou solução aquosa através dos bocais (3) estabelece turbulência (4) em volta do orifício de saída (5). 0 orifício de saída (5) encontra-se em comunicação com uma tubulação (6) através da qual a biomassa previamente tratada ejetada pode ser transportada.
Em algumas realizações, o recipiente de descarga é fixado com vedação pressurizada diretamente a um dispositivo de tratamento prévio de biomassa pressurizado. Alternativamente, um dispositivo de tratamento prévio de biomassa pressurizado pode comunicar-se com o recipiente de descarga por meio de canos ou outros meios de condução.
Preferencialmente, o próprio recipiente é substancialmente cilíndrico ou cônico e pode possuir qualquer tamanho apropriado ao volume de uso necessário. Da forma utilizada no presente, a expressão "substancialmente cilíndrico ou cônico" inclui qualquer combinação de partes cilíndricas e cônicas. Um recipiente de descarga que é cilíndrico na parte superior e cônico na parte inferior, por exemplo, é substancialmente cilíndrico ou cônico, de acordo com utilizado no presente. A expressão "diâmetro do recipiente", da forma utilizada no presente, designa o diâmetro mais largo. Em realizações preferidas, o recipiente de descarga é apropriado para uso no tratamento prévio de biomassa em escala de produção e possui um volume de pelo menos quinhentos litros, pelo menos setecentos litros ou pelo menos 2000 litros. Da forma utilizada no presente, o "topo" do recipiente de descarga é a extremidade conectada a um dispositivo de tratamento prévio de biomassa pressurizado, em que o "fundo""e"a extremidade da qual a biomassa é ejetada. O orifício ou válvula através da qual a biomassa é ejetada pode ser uma única abertura ou diversas aberturas reunidas em uma área geral. Em algumas realizações, pode-se utilizar mais de uma válvula ou orifício de saída. 0 recipiente de descarga é cheio com uma quantidade de água ou solução aquosa, preferencialmente que compreende de cerca de H a cerca de 2/3 do seu volume interno total. Em algumas realizações, o recipiente de descarga pode ser cheio até 4/5 do seu volume interno total. Adiciona-se biomassa no topo do recipiente sob alta temperatura, tipicamente de 160 a 210 °C, e sob alta pressão, tipicamente de 5 a 25 atmosferas. Idealmente, a biomassa previamente tratada deverá possuir densidade suficiente e/ou outras propriedades para que possa mergulha na água ou solução aquosa no interior do recipiente de descarga. Em alguns casos, pode ser conveniente ajustar o tamanho de partículas muito longas, tais como gramas ou palhas, a fim de atingir rápida sedimentação.
Em realizações preferidas, diversos bocais ou jatos de água são situados sobre os lados do recipiente de descarga, preferencialmente em uma distância a partir do fundo do recipiente correspondente a cerca de zero a duas vezes o maior diâmetro do recipiente. Esses bocais ou jatos atendem a pelo menos dois propósitos - estabelecer uma turbulência poderosa, preferencialmente turbilhonamento, na parte inferior do recipiente e para evitar a obstrução da válvula ou orifício de descarga. Em realizações preferidas, um ou mais bocais ou jatos são dirigidos na saída de descarga no fundo do recipiente e atendem ao propósito de evitar a obstrução da saída. Em realizações preferidas, dois ou mais bocais ou jatos são projetados para o centro do recipiente, preferencialmente em um ângulo para baixo de cerca de 20 a 60 graus. Da forma utilizada no presente, o termo projetado designa o ângulo em que a água ou o líquido é introduzido por bocais ou jatos. Água ou outro líquido é injetado através desses bocais ou jatos, de forma a estabelecer turbulência poderosa, preferencialmente turbilhonamento, na parte inferior do recipiente. Em realizações preferidas, a água ou o líquido injetado através desses bocais ou jatos é levemente mais baixo que a ebulição, preferencialmente cerca de 95 °C. Alternativamente, uma série de bocais ou jatos dirigidos para baixo, para o centro do recipiente, pode simultaneamente atender ao estabelecimento de turbilhonamento de turbulência e evitar a obstrução. Esta turbulência desintegra blocos de material e mistura completamente a biomassa com água. Em ainda outras realizações, pode-se utilizar um único bocal ou jato.
Em realizações preferidas, o recipiente de descarga é orientado de forma substancialmente vertical e a biomassa afunda no líquido até o fundo do recipiente. Realizações alternativas podem compreender uma orientação mais horizontal do recipiente de descarga. Pelo menos uma válvula ou orifício de saída no fundo do recipiente retém uma queda de pressão à medida que a mistura de água e biomassa é ejetada em alta velocidade, preferencialmente em uma tubulação que conduz a mistura para etapas de processamento adicionais. A queda de pressão isoladamente é suficiente para dirigir a mistura de água e biomassa através de uma tubulação. Como a água na região pressurizada encontra-se sob uma temperatura acima da ebulição, em comparação com a pressão em outras partes do sistema, uma mistura de biomassa e água ejetada do recipiente de descarga contém bolhas de vapor finas que ajudam a garantir que o transporte de biomassa através de uma tubulação não enfrente bloqueio. A mistura de água e biomassa que deixa o recipiente tipicamente libera algum vapor devido à evaporação por flash - ou entrada em uiá‘zòna de pressão mais baixa. Em realizações preferidas, após o transporte através de uma tubulação para etapas de processamento subsequentes, a biomassa é filtrada da água. A biomassa pode, consequentemente, ser previamente tratada com alto teor de matéria seca, diluída em uma calda durante o descarregamento e filtrada novamente em seguida até um teor de matéria seca apropriado para processamento adicional. A água filtrada da calda pode, por sua vez, ser recuperada e novamente recirculada no recipiente de descarga. 0 líquido no topo do recipiente de descarga é muito quente quando o calor é introduzido pela biomassa em ebulição. No fundo do recipiente, entretanto, o líquido é comparativamente fresco. Algum calor é transportado para baixo através do líquido à medida que a biomassa é ejetada. Água quente, entretanto, flutua sobre a água resfriada e é estabelecida uma estratificação sob temperatura estável, de tal forma que a maior parte do calor introduzido pela biomassa adicionada permaneça no topo do recipiente. Este gradiente de temperatura, por sua vez, reduz a perda de calor do reator de tratamento prévio e, consequentemente, reduz o consumo de energia no processamento de biomassa em escala de produção.
As realizações preferidas são adicionalmente ' vantajosas pelo fato de que o projeto e a construção são simples, necessitam de relativamente poucas peças mecânicas e, consequentemente, possuem longa vida útil na produção. Realizações preferidas evitam ainda a necessidade de agitação mecânica que tipicamente é encontrada com sistemas de explosão a vapor.
Em alguns casos, blocos de biomassa ou variações da qualidade da biomassa, particularmente com fibras ou chumaços muito longos, podem acumular-se de forma a bloquear a válvula ou orifício de saída no fundo do recipiente. Isso pode ser solucionado por_ meio de contrapulso bom "água e/ou uso de um dispositivo mecânico simples para raspar, cortar ou limpar de outra forma em volta do orifício ou válvula. Em realizações preferidas, um dispositivo, de acordo com a presente invenção pode ser equipado com retropulso e/ou meios mecânicos para manter limpo o orifício ou válvula.
No uso típico de realizações preferidas, o nível de água ou solução aquosa no interior do recipiente de descarga flutua. Flutuações de nível podem ser controladas em algumas realizações por meio de ajuste da abertura da válvula ou orifício de saída e/ou da velocidade de fluxo introduzido através de bocais ou jatos. Em algumas realizações, pode ser mantido um nível em estado estável por uma válvula contínua que ajusta o orifício de saída.
Em realizações preferidas, pode-se utilizar um dispositivo, de acordo com a presente invenção no processamento contínuo de biomassa. Da forma utilizada no presente, a expressão "processamento contínuo" designa um fluxo não pulsante e relativamente constante de estoque de alimentação ao longo de etapas de processamento.
As Figuras 2A, 2B e 2C exibem vistas laterais e 2D, uma vista superior de realizações alternativas de dispositivos, de acordo com a presente invenção. O dispositivo exibido na Fig. 2A compreende um recipiente de descarga que possui uma parte cilíndrica com amplo diâmetro (7) , uma parte cônica (8) e uma parte cilíndrica com diâmetro estreito (9). O dispositivo exibido na Fig. 2B compreende um recipiente de descarga que possui uma parte cilíndrica com amplo diâmetro (7) , uma parte substancialmente cônica e curva (10) e uma parte cilíndrica com diâmetro estreito (9) . O dispositivo exibido na Fig. 2C compreende um recipiente de descarga que possui uma parte cilíndrica com amplo diâmetro (7) , uma parte curva e substancialmente cônica (10) e uma parte cilíndrica com, diâmetro -■estreito’ (9) ., de acordo com exibido na vista superior da Fig. 2D, bocais (3) estão situados ao longo dos lados do recipiente de descarga em partes cilíndricas com diâmetro largo (7) e estreito(9). Os dispositivos são adicionalmente equipados com meios mecânicos de raspagem (11) para manter limpo o orifício de saída (5) que se comunica com uma tubulação (6).
As Figuras 3A, 3B, 3C e 3D exibem vistas laterais e 3E, 3F e 3G, vistas superiores de dispositivos, de acordo com a presente invenção que possuem meios mecânicos alternativos para manter limpo o orifício de saída. O dispositivo exibido na Fig. 3A compreende meios de raspagem (11) que cortam através do orifício de saída (5) de forma giratória,, de acordo com ilustrado na vista superior da Fig. 3E. Os dispositivos exibidos na Fig. 3B e na Fig. 3C compreendem meios de raspagem (12) que cortam através do orifício de saída com movimento horizontal, , de acordo com ilustrado nas vistas superiores da Fig. 3F e da Fig. 3G. O dispositivo exibido na Fig. 3D compreende um meio de movimentação (13) que se eleva através do orifício de saída (5) . Compreender-se-á facilmente que meios mecânicos para manter limpo o orifício de saída podem, por si próprios, agir como válvulas que podem abrir ou fechar o orifício.
EXEMPLO
Um dispositivo, de acordo com a presente invenção foi testado em uma instalação piloto da INBICON em Skaerbaek, Dinamarca. 0 dispositivo compreendeu um recipiente de descarga substancialmente cilíndrico com cerca de 2,0 metros de altura e 0,5 metros de diâmetro. O recipiente possuía um volume de 390 1 e foi montado sobre um reator com tratamento prévio de biomassa pressurizado que possui capacidade de processamento de 1000 kg de palha de trigo por hora sob temperaturas de até 22 0 °C. O dispositivo foi testado jutilizando três-tipos· di*ferérites~ de estoque de alimentação de biomassa: palha de trigo, forragem de milho e silagem de milho. Em todos os casos, a biomassa foi cortada em tamanhos com dimensão mais longa de 1 a 10 cm e tratada a vapor a 185 até 195 °C. Em todos os casos, o dispositivo foi operado com um nível de água de cerca de 290 1 no recipiente de descarga. 0 nível de água no recipiente foi controlado por uma válvula que agiu para abrir e fechar a saída de descarga e que foi regulada por um sensor de nível de água programado para ligar em nível de 1,3 metros e desligar em nível de 1,5 metros. A saída de descarga apresentou diâmetro de 25 a 3 0 cm. Injetou-se' água a 25 °C à velocidade de 3,6 m3/hora para o interior do recipiente por meio de três jatos que possuem diâmetro de 4,2 mm. Esses jatos foram colocados em posição equidistante em volta da circunferência do recipiente em uma altura de 0,25 m, orientados em um ângulo para baixo para o centro do recipiente de 45°. Com todos os três tipos de estoque de alimentação testados, a biomassa previamente tratada pôde ser descarregada do reator pressurizado à pressão atmosférica sem nenhum problema. Em todos os casos, foi estabelecido um gradiente de temperatura estável. No topo da coluna de água (1,5 metros), a temperatura foi equilibrada com o reator de tratamento prévio pressurizado em 195 °C. No fundo da coluna de água, perto da saída de descarga, a temperatura foi de 35 °C.
Os exemplos e realizações preferidas descritos no presente são apenas representativos e não pretendem, de nenhuma forma, limitar o escopo da presente invenção, de acordo com definido pelas reivindicações do presente.
REFERÊNCIAS 1. Y. Sun e J. Cheng, Hydrolysis of Lignocellulosic Materials for Ethanol Production: A Review, Bioresource Technology (2002) 83:1. .2 . = - Felby, C., Klinké,* H.~ B., Õlsen, H. S. et al, Ethanol from Wheat Straw Cellulose by Wet Oxidation Pretreatment and Simultaneous Saccharification and Fermentation, Applications of Enzymes to Lignocellulosics, Volume 855, págs. 157-174, publicado em 2003.
REIVINDICAÇÕES
Claims (14)
1. DISPOSITIVO DE DESCARREGAMENTO DE BIOMASSA PREVIAMENTE TRATADA DE PRESSÃO MAIS ALTA PARA MAIS BAIXA, caracterizado pelo fato de que compreende: um recipiente cilíndrico ou cônico que possui uma abertura para uma região sob alta pressão no topo; uma série de bocais ou jatos situados ao longo dos lados do recipiente em uma distância a partir do fundo correspondente a 0,5 até 2 vezes o diâmetro do recipiente, através da qual pode-se adicionar água ou líquido; e um orifício ou válvula no fundo do recipiente através do qual se pode ejetar biomassa previamente tratada, opcionalmente para uma tubulação, em que dito dispositivo é adaptado para estabelecer turbulência de turbilhonamento na parte do fundo do recipiente.
2. DISPOSITIVO DE DESCARREGAMENTO DE BIOMASSA PREVI AMENTE TRATADA DE PRESSÃO MAIS ALTA PARA MAIS BAIXA, caracterizado pelo fato de que compreende: um recipiente cilíndrico ou cônico que possui uma abertura para uma região de alta pressão no topo; pelo menos um bocal ou jato situado ao longo dos lados do recipiente em uma distância a partir do fundo que corresponde a zero a duas vezes o diâmetro do recipiente, através do qual se pode adicionar água ou líquido; e um orifício ou válvula no fundo do recipiente através do qual se pode ejetar biomassa previamente tratada, opcionalmente para uma tubulação; em que o recipiente de descarga é cheio com uma quantidade de água ou solução aquosa que compreende de 1/2 a 4/5 do seu volume interno total, em que dito dispositivo é adaptado para estabelecer turbulência de turbilhonamento na parte do fundo do recipiente.
3. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que é adaptado para estabelecer um gradiente de temperatura no interior do recipiente de descarga, de tal forma que a água quente permaneça no topo do recipiente.
4. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que compreende um volume interno de pelo menos quinhentos litros.
5. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que compreende dois ou mais bocais ou jatos projetados para o centro do recipiente em um ângulo para baixo de 20 a 60 graus.
6. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que é orientado de forma vertical.
7. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que compreende uma válvula que abre e fecha a saida de descarga em resposta a um sensor do nivel de água.
8. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que compreende um dispositivo mecânico para cortar, rasgar ou limpar de outra forma em volta do orifício ou válvula.
9. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que compreende seis bocais ou jatos.
10. MÉTODO DE DESCARREGAMENTO DE BIOMASSA DE PRESSÃO MAIS ALTA PARA MAIS BAIXA, caracterizado pelo fato de que compreende o descarregamento de biomassa por meio do dispositivo, tal como definido em qualquer uma das reivindicações de 1 a 9.
11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o dispositivo é utilizado para processamento continuo de biomassa.
12. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a biomassa previamente tratada é ejetada para uma tubulação e dirigida por queda de pressão para etapas de processamento adicionais.
13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a biomassa previamente tratada é ejetada na forma de calda que é prensada em seguida para recuperar água que é subsequentemente reciclada.
14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que é adicionada água ou liquido através dos bocais ou jatos sob temperatura de 95°C.
Applications Claiming Priority (5)
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DKPA200800771 | 2008-06-04 | ||
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