CN102271792B - 快速混合介质的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种装置，其可以是用于燃料生产的工厂的预处理系统的一部分，所述燃料例如是生物乙醇，来源于植物生物质，例如第一代农作物如谷物、甘蔗和玉米，或第二代农作物如木质纤维生物质。本发明涉及一种用于处理例如疏松和混合至少两种介质，如固体例如生物质，与液体例如蒸汽，以使第一介质易于有效接收通过第二介质的局部释放而提供的能量和/或质量的装置。虽然本发明的描述集中于生物质，但是预计本发明总体上可用于控制至少两种介质的混合，其中通过在分散它们中的至少一种介质的同时交叉它们的流。

Description

快速混合介质的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种用于处理(加工，processing)，如疏松和混合，至少两种介质如固体例如生物质(biomass)，与液体例如蒸汽，以使第一介质易于有效接收通过第二介质的局部释放而提供的能量和/或质量的方法和装置(设备，apparatus)。
虽然本发明的描述集中于生物质，但是预计本发明总体上可用于控制至少两种介质的混合，其中通过在分散它们中的至少一种介质的同时交叉(交错，crossing)它们的流(stream)而。
背景技术
在来源于植物生物质的燃料中，作为石油衍生产物的潜在替代物或补充，乙醇已受到特别关注。由生物质生产乙醇通常通过富含糖或淀粉的生物原材料如谷物、甘蔗或玉米等的发酵工艺获得，该乙醇也称为第一代生物乙醇。
为了最小化生产成本并提高由生物质生产生物乙醇的潜力，使用来自园艺、农业、林业、木材等的低成本副产物形式的木质纤维生物质(lignocellulosic biomass)；由此例如，诸如稻草、玉米秆、林业废料、锯屑和木屑的材料，是至关重要的。由该类生物质生产的乙醇也称为第二代生物乙醇。
木质纤维生物质包含半纤维素和纤维素形式的糖聚合物。在这些糖能够被发酵成乙醇之前，这些糖聚合物必须被分解成其糖单体。分解聚合物的常用方法是利用酶法水解。为了提高生物质对酶的可利用性，木质纤维生物质通常经过热/化学预处理。在热化学方法之后，这样的工艺通常要求生物物质(biological matter)的温度升高至高于其中包含该生物物质的液体的沸点温度的温度。因此，人们经常遇到这样的问题，即对包含生物物质的浆液或浆料加压，以使在保持流体为液体状态的同时温度能够上升至高于液体沸点温度的温度。当在制备用于发酵的生物质范围内考虑这个问题时，包含生物物质的浆液或浆料的温度需要为约140-200℃，以便实施制备工艺，并且这也是在材料中产生足够活化能的问题。
与生物质尤其相关的另一问题是包含生物物质的浆液或浆料的温度的变化率。已经发现，温度的变化率应尽可能高以缩短处于高温的时间，从而减少不希望的化学副反应的量。最理想的是，处于高温的时间应缩短至仅为在期望温度下发生期望反应所花的时间。
要解决的一个尤其相关的问题是避免包含生物物质的浆液或浆料过热(overheating)。这样的过热是指浆液或浆料被加热至高于作为目的的期望温度。这样的过热会导致不希望的副反应发生，使得所制备的浆液或浆料的质量降低。通常过热是通过例如被加热至高于期望反应温度的温度的加热表面而局部地向浆液或浆料施加热量，以便基于温度梯度向浆液或浆料产生热传导的结果。在另一种趋于限制过热问题的情况下，通常使用蒸汽来加热浆液或浆料并作为蒸汽引入到反应器中，且蒸汽的冷凝趋于限制热传递和过热。
然而，这样的蒸汽引入要求较长的加热时间，因为通常要加热的颗粒易于结块(agglomeration)，并因此如果发生这样的结块，则结块颗粒的总体积增加小于结块颗粒的总表面积，即体积与表面积的比值由于结块而减小。
此外，热传输到颗粒中受颗粒表面处的温度梯度控制，并因此一个目的是使该梯度尽可能陡。
由于质量扩散原则上通过相同的措施控制，所以以上考虑对于质量扩散到颗粒中也是相关的。
另一个尤其相关的问题是在许多已知的工艺中，粉碎/碾碎为原材料的颗粒是通过其中所消耗的能量从原材料耗散至周围环境的工艺进行的。这是由于粉碎/碾碎为原材料的颗粒一般在引起处理能量的相关损失的加热工艺的上游进行。
US5590961描述了一种将第一流体注入第二流体中以提供第二流体的快速升温，避免第二流体的功能特性破坏的方法。
US4303470公开了一种用于混合化学品与木浆的方法和装置。在一个实施例中，化学品是通过管道被输送至混合器的转子的氧。反过来，径向通道通过转动体的中心通道将氧输送至外部总管以及浆料。由于没有切割元件、铣削(磨碎)元件和研磨元件，所以该装置的用途仅限于混合化学品与木浆。
US 2006/120212A1公开了一种具有引入管的搅拌和混合装置，包括粉末引入口、设置在该粉末引入口附近下方的至少一个液体引入口、传送粉末及粉末和液体的混合物的进料器、以及以振荡方式转动进料器的振荡转动驱动源。
EP0370181A1公开了一种用于润湿固体物质，尤其是用粘结剂润湿纤维状材料的管式混合器，设置多个切割装置，在润湿区和后续二次混合区的下游以及出口的上游，在相对于轴杆的径向平面内，用于丛簇体的可靠分离。
EP 1847621A1公开了一种用于从纤维素材料开始生产单糖的方法，包括以下步骤：将纤维素材料或由纤维素材料和水构成的混合物的连续流股进料至涡流反应器，其包括水平轴圆筒形管状体，设置有用于引入纤维素材料或反应剂混合物的至少一个开口、处理后的材料的至少一个排放口以及装有叶片的转子，在其处于转动的情况下旋转支撑在圆筒形管状体中，以便以纤维素材料颗粒的流股分散所述纤维素材料或其混合物的连续流股。
WO 2008/080366A1公开了一种材料处理设备，包括第一构件和相对于该第一构件可转动且至少部分地接收在该第一构件内的第二构件。该第一构件和第二构件在其间形成基本为圆环形的处理通道。
也就是说，要解决的一个总体问题是减少在生产时原材料变成分离颗粒的粘附结构(相干结构，coherent structure)，以及颗粒与介质间的密切接触，以便有效地交换能量和/或质量。
通常目标温度高于在环境压力下引入的介质的沸点温度，因此压力需要升高到高于环境压力(大气压，atmospheric pressure)。相应地，要解决的一个总体问题是在压力下在装置中从非均质材料产生均匀粒径，同时在生产的颗粒和介质之间产生密切接触，以允许进行化学反应、温度上升或它们的组合。
因此，到目前为止都还没有有效解决有效混合两种介质，减少在生产时第一介质变成分离颗粒的粘附结构，以及颗粒和第二介质之间的密切接触，以便有效地交换能量和/或质量的问题，而本发明试图至少减轻与此相关的问题一部分。
发明内容
因此，本发明优选试图单独地或以任意组合的方式来减轻、缓解或消除上述缺点中的一个或多个。尤其，可被看作是本发明的一个目的是提供一种用于处理，如疏松(抖松，fluffing)和混合，至少两种介质的装置，其同时具有以下功能：i)使第一介质易于(susceptible to)有效接收能量和/或质量以及ii)通过将第二介质局部释放到第一介质中而提供这样的能量或质量。
本发明的另一目的是通过提供一种处理装置而对现有技术提供有利的替换方案，在该处理装置中疏松和混合在高于环境压力的压力下进行。
所描述的装置可以是用于燃料生产的工厂的预处理系统的一部分。该装置可接收之前通过预处理系统碾碎(ruduce)成浆液或浆料的生物质，该预处理系统包括用于粉碎(comminute)、浸泡生物质，即生产浆料的单元(装置，means)。粉碎在本文中用来表示碾碎成碎片或颗粒的过程。在进料到装置之前，可对所述生物质进行脱水以减少其水含量，并因此获得更有效的处理。这种脱水工艺可在高于或等于装置内部压力的压力下进行，以便产生柱塞流(plug flow)条件，并避免反闪(back flash)问题，即受压材料，如极热蒸汽、氨气、或一般化学品以及其他气体混合物从生物乙醇工厂的装置上游出来。
因此，所述装置可以在高于或等于装置内部压力的压力下接收生物质的连续进料。
虽然本发明的描述集中于生物质，但是预计本发明总体上可用于控制至少两种介质的处理，其中通过在分散(疏散，disperse)它们中的至少一种介质的同时交叉它们的流。
在本发明的第一方面，这个目的以及其他几个目的通过提供一种用于处理至少两种介质的装置而实现，所述处理包括疏松和混合，所述装置包括：i)具有至少一个用于第一介质的进口的壳体(casing)；ii)在该壳体内的旋转单元(转动装置，rotating means)，所述旋转单元包括突起部(protrusion)，并且在旋转的同时产生混合区(mixing zone)；iii)至少一个用于将第二介质进料到所述混合区的进口；iv)至少一个用于与所述第二介质混合后的所述第一介质的出口，其中用于所述第一介质的所述进口适于在与旋转单元的半径平行或基本上平行的方向上将第一介质朝向该旋转单元推进。
本文中混合区定义为在旋转单元与壳体内壁之间的区域。
在与旋转单元的半径平行或基本上平行的方向上将第一介质朝向旋转单元推进提供了有利的粉碎效果(击碎效果，shredding effect)，因为它导致产生介质更好且更有效的粉碎、疏松和分散。
将第一介质朝向旋转单元推进在液体密封状态下进行，这同样获得提供反应器下游且更有效的隔热的另一优点。
旋转单元的实例是转子(rotor)、转盘(rotating disk)、具有突起部如切割刀片的旋转柱(rotating cylinder)。
如指出的，可以引入两种以上的介质。例如三种介质如生物质、热气体如蒸汽和氧化剂如氧气或臭氧可以引入到所述装置中。在这种情况下，这些介质可以组合单个、同时或依次地引入。
在一个实施方式中，氧气的引入与蒸汽的引入分开，例如氧化在单独的小室中在下游进行，该小室通过盖子与引入蒸汽的小室隔开。这个实施方式具有的优点在于，允许蒸汽和生物质之间的热传递，避免由于下列氧化过程引起的任何影响。所述盖子具有允许在所述小室之间进料，避免热传递和氧化两个过程之间的干扰的功能。在一个实施方式中，根据本发明第一方面的装置适于利用干固体含量为0-100％的材料作为第一介质进行操作。
由所述装置接收的生物质可以具有浆料、淤浆、浆液、或脱水固定如脱水生物质的稠度。浆料在本文中用来表示在液体介质(通常是水)中的生物质的混合物。浆液用来表示通常在水中的不溶生物质颗粒的悬液。干固体含量取决于先前的脱水过程的效率以及所引入生物质的性质、粉碎、数量、粒径及分布。
在另一实施方式中，根据本发明的装置进一步包括用于对所述第一介质加压以使所述第一介质在用于所述第一介质的进口内部时被加压的加压单元(pressurization means)。因此，所述装置可以接收加压生物质的进料，其提供该装置的液体密封。
在另一实施方式中，在根据本发明的装置中，加压单元在用于所述第一介质的进口内部提供高于或至少等于壳体内部压力的压力。在高于或等于装置内部压力的压力下将加压生物质进料到装置中获得若干优点。尤其是它提供针对由反闪问题(即受压材料，如极热蒸汽、氨气、或一般化学品以及其他气体混合物从生物乙醇工厂的装置上游出来)引起的对系统损坏的安全性。
在另一实施方式中，在根据本发明的装置中，加压单元是或包括螺旋压榨机。
在这种情况下，生物质在通过例如螺旋压榨机引入到装置中之前，同时进行传送(输送，transporting)、脱水以及压实(compact)。螺旋进料构造成使浆液形式的生物质在其朝第一介质的进口传送期间被脱水并压实，目的是产生用于实现装置的液体密封的塞子。因此，第一介质以压实浆料形式进入所述装置。材料的压实和脱水也是有利的，因为材料中的热交换效率高度取决于其含水量。
在一个优选实施方式中，根据本发明的装置进一步包括用于在壳体内部提供高于环境压力的压力的加压单元。
壳体内的压力能够通过一个或多个泵提供。例如，压力可以由泵，如空气压缩机提供，其将壳体内的压力保持在期望值以处理生物质，该值通常高于环境压力。
在另一实施方式中，根据本发明的装置适于利用加热气体如蒸汽作为第二介质进行操作。
蒸汽用来表示作为水的气体相的水蒸汽。
蒸汽当与粉碎的、疏松的和分散的生物质接触时的立即冷凝促进蒸汽和生物质之间的有效且快速的热交换。
快速加热尤其有利于减少不希望的化学副反应的量。环境温度与包含生物物质的浆液或浆料的期望温度之间的温度变化率需要尽可能高以便缩短处于高温的时间。最理想的是，处于高温的时间应减少质仅为在期望温度下发生期望反应所花的时间。
高温(elevated temperature)用来表示高于某一基线温度的温度，其中生物物质不是活性的，即不经受化学/物理过程如在生物乙醇生产厂中被认为是降解过程的那些过程。
蒸汽的使用也解决了与材料和介质之间的有效热交换相关的问题。热传输高度取决于材料的水含量，意思是高水含量趋于有助于材料中内部的热量快速传导，而低水含量趋于限制材料中内部的热量快速传导。在另一方面，高水含量将产生无效热传递，因为大多数热量将用来升高材料中包含的水的温度。通过对具有低水含量的颗粒材料使用蒸汽，能够实现有效的热传递。
在一个实施方式中，根据本发明第一方面的装置适于利用化学试剂作为第二介质进行操作。
化学试剂可以例如是液体或气体形式的氨水或酸，其可被引入，以在第一介质如生物质材料的新活化表面上诱导反应。
因此，所述装置可作为化学反应器进行操作(运行，operate)，其中产生第一介质的新活化表面，即通过疏松、粉碎以及分散，以及第二介质例如化学试剂被引入，将介质处理转为高效的反应过程。
在另一实施方式中，根据本发明第一方面的装置适于利用氧化剂作为第二介质进行操作。氧化剂可以是氧气，其被引入装置中，产生第一介质如生物质材料的氧化。
所提及的第二介质也可以组合单个地、同时地或依次递引入以与第一介质混合。
在另一实施方式中，根据本发明第一方面的装置进一步包括用于将所述第二介质定量给料到所述混合区中的定量给料单元(配料单元，dosingmeans)。
第二介质释放能够通过定量给料单元例如泵进行控制，以便优化第二介质释放的量和正确时间。
在一个实施方式中，根据本发明第一方面的装置进一步包括位于所述旋转单元内用于将所述第二介质定量给料/注入到所述混合区内的通道(channel)。
该装置具有这样的优点，通过疏松、粉碎以及分散而产生第一介质的新活化表面，并因此在活化表面的时间以及地点通过位于旋转单元内的这些通道引入第二介质具有的优点：提高处理效率。这些通道可以具有不同的形状和尺寸，并且可以是或包括处于基本相互等距离位置的多个管状通道。
当加热气体如蒸汽用作第二介质时，注入混合区与第一介质密切接触可以有利于解决第一介质过热的问题。通常过热是在高于期望温度的温度下局部加热第一介质的表面以补偿沿第一介质形成的温度梯度的结果。通过局部冷凝蒸汽而加热包含具有大表面及小体积的颗粒的颗粒状第一介质提供该介质的均匀加热，避免了表面的过热。
在一些实施方式中，旋转单元包括适于提供引入到混合区中的第二介质的压降，如适于提供闪蒸汽条件(flash steam condition)的元件。
当在处理元件如切割元件、铣削元件和研磨元件等周围冷凝之后发生压降时，释放“闪蒸汽”。
在其他实施方式中，根据一个实施方式的装置的通道适于在靠近所述旋转单元中心的所述突起部的端部处定量给料/注入所述第二介质。
旋转单元可以是或包括圆盘形元件。
该圆盘形元件可以叠置以便提供作为旋转单元的旋转柱。
在根据本发明第一方面的装置的另一实施方式中，所述旋转单元是或包括旋转柱。
通过控制旋转单元的转速及突起部的数量以及将所述第一介质朝向旋转单元推进的速度，能够限定第一介质的切割深度，并因此能够将第一介质的碎片和粒径调整至期望值。
在一个实施方式中，在根据本发明第一方面的装置中，所述旋转单元是或包括一系列叠置的圆盘和垫片(隔离物，spacer)。
在根据前述实施方式的一些其他实施方式中，所述圆盘和垫片进一步包括内置径向通道(built in radial channel)。
在根据本发明第一方面的装置的另一实施方式中，所述旋转单元包括产生介质的不稳定脉动速度分布，如涡流主导流(涡流控制流，vortexdominated flow)的多个突起部。
由恰当设计的旋转盘突起部产生的湍流，可以通过增加第一介质如浆料以及第二介质如液体试剂之间的混合而提高介质的处理效率。
涡流在本文中用来表示流体/气体的自旋湍流。一般情况下，流体的运动绕中心快速形成漩涡。流体的旋转速度和速率在中心处最大，并随着距中心的距离增大而逐渐减小。
在其他实施方式中，旋转元件的突起部包括处理元件切割元件、铣削元件和研磨元件。
在一个实施方式中，根据本发明的装置适于提供所述旋转单元每转动一周(revolution)将所述进口中的所述第一介质推进10nm-30mm。
第一介质的推进，也称为径向进料，可以以预定速率进行，以便优化该过程的总体速度。
在根据本发明第一方面的装置的另一实施方式中，所述旋转单元是或包括传送单元(transporting means)。
旋转单元也可以提供从第一介质的进口至处理后的材料的出口，穿过所述装置输送第一介质或第一和第二介质的混合物。
在本发明的第二方面，本发明的目的以及其他几个目的通过提供一种用于从生物质生产生物产品的系统而实现，该系统包括：i)用于将材料收集、传送、碾碎成浆料，粉碎并运送至处理装置的预处理子系统；ii)根据本发明的第一方面的处理装置；iii)用于改变所述材料的化学和/或物理结构的反应室。
在一个实施方式中，本发明的目的以及其他几个目的通过提供一种根据本发明第二方面的生产生物乙醇的系统来实现。
本发明在第三方面涉及一种方法，其适于利用根据本发明的第一和第二方面的处理装置而能够处理至少两种介质。
本发明进一步涉及一种利用根据本发明的第一和第二方面的处理装置来处理至少两种介质的方法，其中所述装置的操作包括在粉碎所述第一介质的同时将所述第二介质注入/定量给料到所述混合区中。
本发明进一步涉及一种利用根据本发明的第一方面的处理装置的方法，其中，当所述用于处理的装置适于利用加热气体如蒸汽作为第二介质进行操作时，所述装置的操作在所述加热气体和所述第一介质之间产生热传递。蒸汽和第一介质如生物质浆料之间的热扩散导致第一介质快速升温。
本发明还涉及一种借助于将至少一种介质局部注入到第二介质中同时处理所述第二介质以实现这些介质之间的密切接触而混合至少两种介质的方法。
这种方法的一个优点在于可以避免能量损失，因为在对第一介质如生物质进行机械处理的同时，注入第二介质如蒸汽。以这种方式，在无加热损失的情况下增加的机械能保持并包括在处理中，以及能够减少潜在的第二次加热。在一些实施方式中，不必进行第二次加热，并且可以引入生物质的冷却步骤。
本发明还涉及一种用于开放(opening)有机材料如木质纤维类材料的结构的方法。
本发明的第一以及第二方面可以分别与任何其他方面结合。参照下文描述的实施方式，本发明的这些以及其他方面将是明显的和明白的。
在本文内容中，多个术语以对技术人员熟知的方式使用。然而，为了详细说明一些术语所包含的特征，关于一些术语的一般定义在以下提供。
附图说明
现在参照附图对根据本发明的装置进行更详细的描述。附图示出了实现本发明的一种方式，但并不解释为限制落入所附权利要求的范围内的其他可能实施方式。
图1示出了包括根据本发明的装置的设备(装置，device)的轴向剖视图的示意图，该设备包括位于装置外侧的电机、齿轮及轴承。
图2示出了根据本发明的装置的优选实施方式的部分放大剖视图，其中基于主导传送过程识别(确定，identify)了4个区域，包括正常流主导区、湍流主导区、涡流主导区及重力主导区。
图3示出了沿图2的线I-I截取的本发明的优选实施方式的轴向剖视图。
图4示出了沿图2的线I-I截取的本发明的优选实施方式的部分放大剖视图。
图5示出了在本发明的具体实施方式中，圆盘和垫片元件的前视图(图5a)以及旋转圆盘和垫片元件的透视图(图5b)的示意图。
图6示出了根据本发明的一个实施方式的圆盘的部分放大剖视图。
具体实施方式
虽然已经结合具体的实施方式描述了本发明，但是不应该以任何方式解释为局限于所提供的实施例。本发明的范围通过所附权利要求提出。在权利要求的上下文中，术语“包括”或“包含”不排除其他可能的元件或步骤。同样，所提到的如“一个”或“一种”等不应解释为排除多个。在权利要求书中使用的关于附图中所示元件的标号也不应解释为限制本发明的范围。此外，不同权利要求中所提及的单个特征可以可能地被适当组合，并且在不同权利要求中提到这些特征不排除这些特征的组合是不可能的且是有利的。
图1示出了一种用于处理两种介质，例如固体如浆料，和液体如水，或气体如蒸汽的设备100的轴向剖视图的示意图。该设备包括外壳101，例如包括本发明装置的圆柱形容器，这里称为第一反应室102和第二反应室103。该两个室借助于盖子104连接。
设备100的定向如图1所示垂直于重力作用。在另一实施方式中，该设备能够定向为平行于重力作用。在后一种情况下，重力作用对介质运动的影响进一步增强。
所述设备可以在压力下，优点是允许使用蒸汽。然而，在压力下的设备中可以使用其他气体或液体。所述设备还可以使用过热蒸汽有利地进行操作。过热蒸汽在此定义为处于高于其饱和温度，即沸点的温度下的蒸汽。饱和温度是对应于液体沸腾变成其汽相的饱和压力的温度。为了使蒸汽的温度升高至高于其环境压力下的饱和温度，将设备中的压力升高至高于环境压力的值。该蒸汽随后被描述为被加热高于饱和温度很多度的过热。
图1还示出了包括齿轮106、轴承107及旋转单元111的外部变速电机108。
第一反应室102包括壳体108、用于待处理材料的进口109、一系列旋转元件110以及盖子104。第一反应室壳体108具有顶点朝向电机而底部朝向第二室103的圆锥形形状。圆锥形形状有利于处理后的材料如浆料借助于重力流向第二室103。圆锥形壳体的底部是第一反应室102的盖子104，其允许材料在第一和第二反应室103之间流动。该盖子允许连续向第二反应室103进料并提供对进入到第二反应室103中的试剂回流的阻挡。因此，盖子104界定第一反应室102的区域，并避免第一反应室环境与来自可能在第二反应室103中发生的后续反应过程的排放物之间的混合物。
经由旋转单元111与变速电机105连接的旋转元件110具有以下功能：i)提供通过进口109引入的材料的粉碎、分散和疏松，以及ii)将所述材料暴露于介质以允许该材料与介质快速相互作用，如混合/反应。这样的暴露能够在粉碎、分散和疏松时，或在引入的材料和旋转元件之间的机械相互作用后进行。在与旋转元件的机械相互作用期间或之后，该材料可以同时或依次暴露于一种或多种介质。
第二反应室103允许材料如浆料进行进一步的化学或物理处理，例如通过氧化环境，例如通过存在氧气引起的氧化。
图2的剖视图示出了根据本发明的装置，即反应室102，与图1的第一反应室102相对应，包括壳体108、平行或基本上平行于旋转单元111的半径的用于待处理材料的进口(未示出)、一系列旋转元件110以及盖子104。反应室壳体108具有顶点朝向电机(未示出)且底部由盖子104形成的圆锥形形状。圆锥形形状有利于材料(在这个实施方式中将被称为浆料)借助于重力流向盖子104。盖子104允许浆料通过机械开口201流出该反应室。
在所示的实施方式中，旋转元件110是紧固到旋转单元如驱动轴上的旋转圆盘，并与位于壳体108外侧的电机(未示出)连接。
旋转圆盘设计成提供粉碎、分散和疏松所引入的浆料，并将所述材料暴露于介质，即气体或液体，从而产生快速相互作用。旋转圆盘设计成优化在粉碎、分散和疏松的时刻的介质释放。
介质通过进口202进入反应室102并经由导管203通过出口204注入到反应室中。
可以在旋转单元111的端部207增加功能元件以提供进一步的功能。在所示的实施方式中，元件205以及206产生引起浆料混合并使浆料朝向盖子104输送的涡流。可替换地，螺旋输送机可以使用，且位于旋转单元的端部207。
靠近反应室102的底部，定位温度传感器208，允许控制在出口209处浆料的温度。可选地，气体出口可以沿着反应室的侧壁定位。
在反应室102中，基于引入材料的不同主导传送过程能够识别四个区域：正常流主导区1、湍流主导区2、涡流主导区3以及重力主导区4。
在区域1中，浆料暴露于机械处理，如由旋转圆盘110提供的粉碎、分散和疏松。
在该区域1中，浆料的输送由浆料暴露的机械处理引起。
通过位于旋转圆盘110中的导管204注入介质在这个区域是有利的，因为在新粉碎、分散和疏松的浆料与介质之间产生密切接触的区域中提供注入。
在区域2中，至少部分粉碎、分散和疏松的浆料进一步暴露于与通过旋转圆盘110释放的介质接触，导致介质与浆料之间的进一步相互作用，并且与介质混合的浆料的传送由湍流型主导。
在区域2中，可以进一步注入与先前在区域1中引入的介质不同的介质。这允许浆料可以连续处理，例如浆料可以利用区域1中的蒸汽以及导致最佳氧化的区域2中的化学品如氧过氧化物进行处理。
在这个具体实施方式中，存在沿着壳体(未示出)的壁定位的额外导管以允许介质的局部释放。
浆料的连续处理也能够通过释放在旋转圆盘110的起始部和旋转圆盘110的末端部之间的不同介质而获得。旋转圆盘110的起始部定义为更靠近用于待处理材料的进口的部分，而末端部定义为更靠近处理后材料的出口209。
在涡流主导区3中，引入的浆料经历旋转、湍动，并绕旋转圆盘的轴向方向快速涡动。旋转的速度和速率在中心最大，并且随着朝向盖子104传送材料而距中心的距离增大而逐渐减小。在该区域中，浆料与介质之间的比例大约为1∶9。
在重力主导区4中，涡流对浆料运动的影响慢慢减小，且浆料借助于重力朝向盖子104以及反应室开口209移动。这里，随涡流运动影响的减小，温度探针208的头部与落在其上的浆料的表面接触。温度探针208提供关于通过反应室浆料温度上升的信息。
图3示出了沿图2的线I-I截取的本发明的优选实施方式的轴向剖视图。在图3中，示出了旋转圆盘110与驱动轴杆111之间的连接，包括旋转结构301、轴承302以及静态支撑结构303。旋转圆盘110通过位于螺栓孔304内的螺栓连接在一起。
旋转圆盘的转速可以根据浆料的稠度、干物质含量、类型、粉碎、数量、粒径及分布以及所注入的介质而变化。
浆料通过管道109被引入，而介质通过轴向进口305引入旋转圆盘中并通过圆盘110的旋转驱动，通过圆盘结构中存在的管状导管306注入反应室中。
作为转子几何形状的结果，旋转圆盘在旋转并因此提供粉碎、分散和疏松细小纤维的浆料时，允许将介质注入浆料中。
由于旋转圆盘的径向位移效应、粉碎以及分散效应，可以实现瞬间将所注入的介质包含在浆料中。
在一个优选实施方式中，介质是蒸汽，使得通过管状导管306注入旋转圆盘110中并与浆料接触，导致通过蒸汽冷凝引起的几乎瞬时有效的热传递。这允许浆料的温度瞬时上升，避免变性或燃烧。这种快速温度升高主要结合由于旋转圆盘的分散效应和通过存在的管状导管局部且立即的蒸汽释放到圆盘中而获得。在另一实施方式中，介质是通过管状导管306注入的化学试剂，而浆料通过旋转圆盘粉碎、分散和疏松浆料。这允许新分散并粉碎的浆料和化学试剂之间的局部且直接接触，导致二者之间的快速有效反应。因此缩短了反应时间，因为化学试剂处于与浆料密切接触，最小化了通过浆料的扩散时间。
图4详细示出了旋转圆盘的结构，包括轴向气体进口305、管状气体导管306以及旋转圆盘的圆盘形突起部401。
介质和浆料之间的有效混合也可以由湍流获得。可以设计盘状突起部401以提供湍流，从而提高浆料和介质之间的反应性。本文中称为湍流区的空间形成在圆盘的周边和突起部401之间。这就是最强湍流活动发生的地方。然而，应理解的是，湍流可以在不同于这个空间的区域中，例如在圆盘周边和反应器侧壁之间的区域402中以较低强度发生。因此，湍流区在本文中用来指其中最强湍流发生的区域，且不应解释为在反应器的其他区域中不能发生一定程度的湍流。
图5示出了在本发明一个具体实施方式中，圆盘和垫片元件的前视图(图5a)以及旋转圆盘和垫片元件的透视图(图5b)的示意图。
图5a示出了包括多个径向延伸切口502的垫片501。垫片501的切口502起始于内缘503，延伸朝向(但不到达)外缘504。类似地，圆盘505包括相同数量的起始于径向位置507且远离圆盘505的内缘508并到达外缘509的径向延伸切口506。
在图5b中，垫片如501与圆盘如505交错叠置，一个垫片一个圆盘，以此类推。此外，垫片501与圆盘505叠置成垫片501的切口502的端部位于圆盘505的切口506的开头下方。由此，形成通道，其从垫片501的内缘503延伸至圆盘505的外缘509。这些通道用来引入上文所公开的一种或多种介质。
在图5b中还示出了对准元件(aligning element)510。
在一些实施方式中，连接叠置的垫片和圆盘的螺栓的数量可能是质数。
图6示出了根据本发明的实施方式之一的圆盘的部分放大剖视图。圆盘601包括多个径向延伸切口602，其起始于径向位置603且远离圆盘601的内缘604并到达外缘605。当组装使用时，圆盘如601及图5a中的垫片如501交错叠置，一个垫片一个圆盘，以此类推，与图5b类似。
一旦叠置垫片/圆盘组件旋转，按照箭头606，如上文公开的一种或多种介质被引入并通过图4所示的通道到达位置603。在通过旋转圆盘601粉碎、分散并疏松浆料时，按照箭头607将介质从位置603注入装置中。这允许新粉碎的浆料和介质之间进行局部且直接的接触，引起浆料和介质之间的快速有效反应。在这个实施方式中，圆盘601设计成从径向位置603至外缘605提供微射流作用(microject effect)。此外，存在切削边缘608允许浆料更有效的粉碎，使得在新切割表面上发生浆料暴露于介质，提供介质和浆料之间的快速有效的密切接触。因此，减少了反应时间，因为介质与浆料处于密切接触，最小化了通过浆料的扩散时间。

Claims (13)

1.一种用于处理至少两种介质的处理装置，所述处理包括疏松和混合，所述处理装置包括：
具有至少一个用于第一介质的进口(109)的壳体(108)；
在所述壳体(108)内的旋转单元(111)，所述旋转单元包括突起部(401)，其中所述突起部包括处理元件，并且所述旋转单元(111)在旋转的同时产生混合区；
至少一个用于将第二介质进料到所述混合区的进口(202)；
用于将所述第二介质注入到所述混合区的位于所述旋转单元(111)中的通道(306)，
至少一个用于与所述第二介质混合后的所述第一介质的出口(209)，
其中，用于所述第一介质的所述进口(109)适于在与所述旋转单元(111)的半径平行或基本平行的方向上将第一介质朝向所述旋转单元(111)推进，
其特征在于，
所述旋转单元(111)包括一系列交替叠置的圆盘(505)和垫片(501)，
每个垫片(501)包括多个径向延伸切口(502)，所述切口(502)起始于内缘(503)并且朝向外缘(504)延伸但不到达外缘(504)，
每个圆盘(505)包括多个径向延伸切口(506)，所述切口(506)的数量与每个垫片(501)的径向延伸切口(502)的数量相同，所述切口(506)起始于径向位置(507)且远离所述圆盘505的内缘(508)并到达外缘(509)，以及
所述垫片(501)和圆盘(505)叠置成所述垫片(501)的切口(502)的端部位于所述圆盘(505)的切口(506)的开头下方，以便形成从所述垫片(501)的内缘(503)延伸至所述圆盘(505)的外缘(509)的通道(306)。
2.根据权利要求1所述的处理装置，进一步包括用于对所述第一介质加压以使所述第一介质在用于所述第一介质的所述进口(109)内时被加压的加压单元。
3.根据权利要求2所述的处理装置，其中，所述加压单元在用于所述第一介质的进口(109)内提供的压力高于或至少等于所述壳体(108)内的压力。
4.根据权利要求2或3所述的处理装置，其中，所述加压单元是或包括螺旋压榨机。
5.根据权利要求1或2所述的处理装置，进一步包括用于在所述壳体内提供高于环境压力的压力的加压单元。
6.根据权利要求1或2所述的处理装置，进一步包括用于将所述第二介质定量给料到所述混合区中的定量给料单元。
7.根据权利要求1或2所述的处理装置，其中，所述通道(306)是或包括位于基本上相互等距离位置的多个管状通道。
8.根据权利要求1或2所述的处理装置，其中，所述通道(306)适于在靠近所述旋转单元中心的所述突起部的端部处注入所述第二介质。
9.根据权利要求1或2所述的处理装置，适于所述旋转单元每转动一周将所述第一介质的所述进口(109)中的所述第一介质推进10nm-300mm。
10.根据权利要求1或2所述的处理装置，其中，所述旋转单元是或包括传送单元。
11.一种用于从生物质生产生物产品的系统，所述系统包括：
i)用于将材料收集、传送、碾碎成浆料、粉碎并运送至处理装置的预处理子系统；
ii)根据前述权利要求中任一项所述的处理装置；
iii)用于改变所述材料的化学和/或物理结构的反应室。
12.根据权利要求11所述的系统，所述系统是用于生产生物乙醇的系统。
13.一种利用根据前述权利要求中任一项所述的处理装置来处理至少两种介质的方法。
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