CN102282312B - 有机材料的诸如切割、浸泡和/或清洗的处理 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过切割、浸泡和/或清洗材料来处理材料的设备，其中，该设备包括收容器(10)、带有涡流生成器的排放构件(20)和泵送装置(22)，布置用于从收容器(10)朝向涡流生成器泵送流体和材料，其中，涡流生成器和泵送装置(22)的组合适于在流体中生成延伸至收容器内的锥形螺旋涡流。

Description

有机材料的诸如切割、浸泡和/或清洗的处理

技术领域

本发明涉及一种处理材料的设备和方法，该处理包括：如切割、浸泡(soaking，浸湿)、清洗材料，并且如有要求，可进行化学和热处理。待处理材料为颗粒型有机材料，优选地为包括可发酵部分的有机材料，根据本发明的处理尤其涉及至少形成使材料易于在生物乙醇生产设备中进行进一步加工的过程的一部分，该进一步加工通常可以包括分解，如分解禾杆以提取木质素。

背景技术

在适用于生产生物乙醇的发酵过程中，通常，发酵之前要求对有机材料进行初步加工。通常，这类加工都有着不同的目标，比如，有机材料的浸泡(例如，为了脱除硅酸盐、盐和诸如石块、砂砾、沙子和粘土等的矿物元素和/或为了增加水含量)、切割、氧化、脱水，并且以上处理步骤依次进行。因此，从总参考框架来看，必须使有机材料易于发酵。

关于使有机材料易于发酵的特别重要的方面为有机材料的浸泡、切割和/或清洗。此外，其他方面涉及到对材料进行化学和/或酶化处理的有机材料处理。这些方面当然可以和浸泡、切割和/或清洗等结合。

在本文中，优选地，浸泡表示，通常认为是干燥(参照所需液体含量)的有机材料需要浸透流体，优选地流体为水，如自来水。浸泡也可以用来释放和/或溶解污染物质。在某些情况中，干燥材料也可表示未浸泡材料。

在本文中，优选地，切割表示将有机材料切分成块，诸如，切成比其原有尺寸(切割前)更小的块。

在本文中，优选地，清洗表示将污染物质从有机材料中分离出来，通常，首先是通过在液体中释放和/或溶解，然后是将污染物质与液体分离开来。该污染物质可能是石块、砂砾、金属粒、硅酸盐类、盐分、普通矿物元素、沙、粘土或其混合物。通常污染物质为颗粒物，且通常处于物体表面上。

US 2008/0054108披露了一种碎浆机(pulper，成浆机)，其具有一个用于接收待切碎材料的箱。转子固定至驱动的旋转输出，且该转子包括一个环形可旋转轮毂和总体上从轮毂轴向突出的多个叶片。叶片具有面向轴向方向的侧缘，以及设在叶片的侧缘上的多个齿，以便以降低的能量需求快速地切碎材料。

US 6,234,415披露了一种碎浆机，其包括安装在有孔筛板附近的管内的转子。该转子包括螺旋叶片，其直径朝着该转子的外端减小。在筛板附近，转子叶片承载径向且向外突出的肩状件。该肩状件形成了一个压力生成和子压力生成装置(pressure-generating and sub-generating device)，当转子旋动时，该装置对浆状物产生交替效应，以此防止筛板中的孔的阻塞。

这两种装置都存在这样一个问题，箱内的流动包括箱中存在的液体的循环，这使得待成浆材料的滞留时间变得不可控制。在成浆操作中，不可控制的滞留时间并不是主要顾虑，其中切碎浆状物的粒度分布才是重要参数。因此，上述文件也公开了碎浆机，其中采用循环以确保所有离开成浆腔室的浆状物小于过滤器限定的尺寸，并且其中采用循环以避免过滤器的阻塞。

US 3,990,643披露了容纳废纸悬浮液的收容器以及位于收容器壁的一个部分附近的转子。在转子的区域内在所述壁中设置第一出口，以便通 过转子切碎废纸所产生的纸浆能从收容器排放。在第一出口内插入过滤器(strainer)，并且将第二出口设置在所述壁的相对部分中且布置成从收容器排放具有低比重的物质。

所公开的碎浆机对于实现制浆目的可能是可实行的，其流型(flow pattern)包括内部循环，因此材料会或者不会与转子发生多次接触，由此，包含在碎浆机中的液体中的材料具有多种粒度分布，这可能导致沉淀，并随之可能导致(例如)阻塞。此外，至少由于循环的原因，液体中材料的滞留时间被认为不可控制。

另一个关于这种循环的问题是液体中材料的滞留时间可能会变的不可知且不可控制。例如，由于控制浸泡过程的其中一个参数是滞留时间，如果目的是要浸泡到一定程度(材料中的水含量)，这可能会成为一个问题。特别是目的是要溶解诸如盐这样的矿物时，这可能成为一个问题。

一个特别的问题是关于将待处理的材料消解于液体中。通常，待处理的材料都有显著低于液体密度的密度，这种情况下，该材料易于像“盖子”一样浮在液体的上表面上，使得浸泡这种材料变得困难。特别是当处理非常疏水的材料时，例如谷物杆、玉米废料、锯末、稻谷废料、木条、能源甘蔗(energy cane)、高粱、芒草、柳枝稷等。

再一个问题是关于，污染颗粒(诸如石块和金属块)的破坏性特征可能存在于切割边缘上。

因此，本发明的一个目的就是提供一种设备和方法，其至少减轻关于已知设备和方法的一些或更多问题。

在很多实例中，本发明另一个重要目的是使那些原本干燥的材料变得可用泵抽吸，由此该材料可以朝着下游处理系统泵送且用作其中的液压密封。

发明内容

因此，旨在通过提供一种材料处理设备在本发明的第一方面中实现上述目标和其他几个目标，所述处理包括(但不限于)材料的切割、浸泡和或清洗，所述设备包括：

-收容器(receptacle，接收器)，包括限定适于容纳流体和待处理材料的容器的壁构件，

-排放构件，在上游与收容器的内部流体连通，在下游与流体连接件流体连通，该排放构件包括：

-涡流生成器，

-泵送装置，布置成用于将带有材料的流体从收容器朝向涡流生成器泵送并送入下游流体连接件内，

其中

-涡流生成器和泵送装置结合，适于在流体中生成锥形螺旋(conic helix)涡流，该涡流延伸至收容器内。

因此，通过本发明已提供的设备，其中涡流用于控制流体中材料的同化(assimilate)，优选地所述流体为液体，诸如水，由此至少能够平稳地控制收容器中的材料的滞留时间。

从材料在流体中同化的意义上，可以说从设备流出的材料被流态化了。由于材料已经流态化，因此能够对其增压并朝着下游处理系统泵送(例如，通过泵送装置和/或进一步的加压装置)。此外，流态化使得带有液体的材料能够提供一种液封，这是由于，如果，气态或液态流体将不会容易 地(或完全不能)像材料为其最初的较干燥状态的情况下其本来能够的那样经过带有液体的材料。

一个与本发明相关的具体可获得特征为锥形螺旋形式涡流的生成。在本文中，优选地，锥形螺旋意味着涡流，其中流体成分的轨迹是阿基米德螺线和螺旋线的叠加。需要提出的是，虽然阿基米德螺线和螺旋线的数学原理严格规定了圆锥螺旋的演变，本发明中的圆锥螺旋可以偏离这种数学描述，但是目的是这样的流型。然而，“圆锥螺旋”已经被用于组成至少像圆锥螺旋的流动路径，在该流动路径中，流体成分沿着朝向螺旋运动的中心轴线以及沿着该中心轴线运动的路径行进。

生成的涡流通常包括，与涡流的旋转轴线相关的在轴向方向和径向方向上变化的角速率。尤其是，这通常是基于流体内的粘性耦合和阻尼、边界条件和涡流生成器而获得。

此外，通常可以避免生成次涡流，次涡流优选地为这样的涡流，其并非占据收容器内大多数空间且由涡流生成器和泵送装置结合而生成的主锥形螺旋。有利的是，通过控制泵送装置，即可以控制涡流的轴向流动成分。在很多实际情况中，泵送装置可以被看作是沿朝着涡流生成器的方向的“在涡流中拖拽”的装置。

本文使用了各种技术用语。对本行业技术人员而言，尽管这些用语以对于技术人员普通的含义使用，但以下将对其中一些用语做简要解释。

优选地，“涡流生成器”意为一种在流体中生成涡流的构件。此处考虑的涡流生成器的典型实例为，包括沿径向方向延伸的转子臂(rotor arm)的可旋转构件。

优选地，“回流(back flow)”用于指示一种流动模式(flow regime)，其中存在沿着与主流动方向(优选限定为从入口到出口)相反的方向行进 的流动。从这种意义上来说，优选地，回流可以看作是次流型，诸如次涡流，其中主流型是锥形螺旋。

优选地，设备中的未浸泡材料可以通过涡流中的适用装置来布置，诸如，从浸没在收容器内的流体中的管道排放。

当例如涉及本发明的具体实施方式时，这种适于在涡流中布置未浸泡材料的装置将在下文中作出更详细的描述。例如，适于布置未浸泡材料的装置可以包括，例如，提供以下所披露的流体喷射的流体供给(flow feed)。

优选地，泵送装置可以位于涡流生成器的下游。

在许多优选实施方式中，优选地，排放构件包括从收容器延伸出来的流道。在这种实施方式中，从流道入口看去，涡流生成器优选地位于流道的下游位置。有利地且优选地，排放构件的流道可以为朝着涡流生成器逐渐变细的漏斗形。可替换地，排放构件的流道可以优选地有恒定横截面积。

优选地，该设备包括分离器，用于分离包含已经通过排放构件的材料的一股流体和基本不包含经处理材料的一股剩余流体。该分离器可以优选地位于在排放构件的下游，优选地为泵送装置的下游。

优选地，该分离器可以包括脱水装置，例如一个或多个离心机或用于沉积已处理材料的装置。

该设备的优选实施方式可以包括将从收容器中抽取的流体供给至收容器的循环流线。优选地，该流体循环流线可以以剩余流体循环至收容器的方式连接到分离器。

优选地，至少构成收容器底部的壁构件可具有圆形内轮廓，例如，形状如同圆柱体的纵向切割物。此外，构成收容器侧部的壁构件可以是扁平 构件。然而，也可以采用其他形状的壁构件，例如，圆的，以便它们可以协助将保持收容器内的涡流。

优选地且有利地，该收容器内可以包括一个或多个可旋转部件和/或限定容量(containing)的一个或多个壁构件是可旋转的。从而，可控制收容器中的流动的边界条件，以例如强化涡流。

该设备的优选实施方式可以包括单个排放构件。可替换地，该设备优选地可以包括多于一个的排放构件。在包括多于一个排放构件的实施方式中，优选地，排放构件可以在相同的壁构件中彼此相邻地定位。可替换地或与其相互结合，排放组件优选地可以彼此相对地定位在相对的壁构件中。

优选地且有利地，该设备可适于提供经处理材料的增压流。

优选地，涡流生成器可以包括可旋转切割构件，并且该切割构件优选地可适于切割在流向切割件的流体中流动的材料。优选地，该切割构件可以包括多个径向延伸的臂，所述臂具有沿旋转方向指向的刃口。

如上所披露，本发明的优选实施方式可以包括适于在涡流中布置未浸泡材料的装置。相应地，本设备的优选实施方式可以包括适于产生流体流动的流体供给，所述流体流动优选为喷射流(jet)，在设备操作过程中流至容纳在容器中的流体中。优选地，该流体供给的出口可以设置在流体表面的下方。有利的是，流体供给可以优选地形成循环流线的一部分。优选地，该流体供给可以适用于沿基本上平行于传送流体时收容器中涡流的速度的方向传送流体。

优选地，构成收容器底部的壁构件相对于水平方向倾斜，并且额外地且优选地，在底部的最低内部位置区处提供物料出口。

优选地，该设备可以包括或进一步包括进给装置(infeed device)，用于将待处理材料供入容纳在收容器中的流体内。优选地，该进给装置可以包括输送装置，用于将待处理材料输送至容纳在收容器内的流体内，该输送装置优选地处于在流体表面下面的位置处。这种输送装置可以包括输送带或螺旋输送机。

优选地，该进给装置可以适于沿基本上平行于传送时收容器中涡流的速度的方向传送流体。此外，优选地，该进给装置可适用于以这样的速度传送材料，该速度为收容器中材料传送位置处的流体速度的至少50％，优选地为基本上相同的速度。

优选地，该进给装置可以适于或进一步适于当流体存在于收容器中时在流体表面下面传送材料。典型地且优选地，该进给装置可适于或进一步适于当流体存在于收容器中时在流体表面下面至少100mm处传送材料。

优选地，该设备还可以进一步包括测量装置，用于测量(优选地以连续的方式)材料质量和/或供入收容器的材料的水含量。优选地，该测量装置可以布置在进给装置内。

优选地且有利地，根据本发明的设备适于处理从由禾杆、草、玉米芯、木材等或它们的混合物构成的组中选取的材料。优选地，材料的处理可以是一种处理或多种处理的结合，其至少要有助于使材料易于发酵。

另一方面，本发明涉及一种操作根据该发明第一方面的设备的方法。此类方法优选地包括控制泵和涡流生成器以便在收容器中生成锥形螺旋形式的涡流。

优选地，该方法可包括向收容器中添加流体，优选地为添加在存在于收容器中的流体的表面之下。优选地，向收容器添加流体可以以在存在于收容器中的流体的表面之下延伸的喷射流的形式。

优选且有利的是，该方法可以包括调整收容器中的液位(fluid level)，以使在所述表面下方添加流体，或者以使流体的喷射流(优选地为添加入收容器中的流体)在存在于收容器中的流体的表面下方延伸。

优选地，该方法可以包括循环通过排放构件从收容器中抽取的流体的至少一部分。当流体存在于收容器中时，流体的循环部分优选地从存在于流体中的材料脱离。

此外，该方法优选地可包括确定流出收容器的材料的水含量，基于至少探测收容器中的液位、供入收容器的水、供给至收容器的材料的质量以及材料的水含量。

本发明的第一和第二方面可以各自与任何其他方面相结合。本发明的这些方面和其他方面将参照后文所述实施方式进行阐释，从而将变得显而易见。

本发明特别优选的实施方式涉及将材料浸泡在含酸的水中。

尽管本发明已经表明关于除了使有机物易于发酵的其他情况下的材料处理是有用，但这里的描述还是旨在使有机物易于发酵。这不应将本发明的范围限制于仅用于生产生物乙醇的应用和方法。

附图说明

现在将结合附图描述本发明及其具体的优选实施方式，在附图中：

图1示出了根据本发明的第一实施方式，

图2示出了根据本发明的排放构件的横截面图，

图3示出了涡流生成器的实施方式，

图4示出了根据本发明的其中采用了进给装置的设备的实施方式，

图5a示出了根据本发明的其中采用了替换的进给装置的设备的实施方式。

图5b示出了图5a所示的根据本发明的其中采用了替换的进给装置的设备的实施方式。

附图示出了实施本发明的方式，并且不应解释为限制落入所附权利要求的范围内的其他可行实施方式。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的用于处理材料的设备的第一实施方式。图1a示出了该设备的端投影图，图1b示出了其侧投影图，以及图1c示出了其顶投影图。该设备包括收容器10，其形状为带有开口上端和弯曲的底部14的容器。该收容器的侧壁16以及端壁18均为扁平构件，多个壁和底部焊接在一起形成一个流体密封且上端开口的容器。

优选地，待处理材料为选自由禾杆、玉米芯、草、木材等构成的组的一种或多种材料，但至少从原则上说，每种颗粒有机物均可加以考虑。也可以考虑对各种材料的混合物。材料通常为颗粒物质，其理想地应切成更小的块。本文中采用的流体优选地为水，但是也可以根据设备的具体用途使用和选择其他流体。

在其中一个端壁18(显示为在图1的右侧)处设置排放构件20。如图1所指示，排放构件20适于在收容器中生成涡流流型，并同时将流向排放构件20的材料切割成更小的块。在一种可替代配置中(将在下文中说明)，未发生切割，且排放构件进行的排放不涉及切割。如下文将进一步详细披露的，例如，切割可以由旋转切割件提供，该旋转切割件包括带 有刃口的径向延伸臂。当这种切割构件旋转时，材料将被切割，并且流体中生成涡流。因此，切割动作和涡流生成特征可以合并成单一构件，但是这并不是必需的，因此可以采用两个独立的装置，例如切割机和涡流生成器。

如图1a中明显示出的，底部14是弯曲的，并且在本实施方式中示出为弯曲以便形成如圆柱体纵向切块那样的形状。该轮廓是有利的，因为其反射并帮助涡流中的旋转流动，从而流动产生次涡流仅存在有限的可能性。虽然侧构件16弯曲以进一步避免次涡流的产生可能是有益的(从流动的观点来看)，但它们已经形成为扁平构件，以便易于将待处理材料引入收容器内。

在排放构件20的下游位置设置了泵22，其通过排放构件20朝向分离器24泵送带有切割材料的流体，该分离器将包括基本所有切割材料的一股流体与流体分离开来。此外该泵还通过排放构件20在收容器10中产生抽吸。基本不包括切割材料的流体(称为剩余流，类似地从分离器24中分离出来)通过循环流线26被送回至收容器中。在优化的分离过程中，剩余流不含有任何材料。然而，在众多实际实施方式中，分离达不到理想效果，且剩余流中的材料量取决于分离器的效率。因此，实际上，关于这一点，这优选地用于表示反映分离器效率的情况。

泵22提供了转移并加压作为流体的介质的可能性，在所述流体中材料已经被同化以便用于进一步的处理24。进一步的处理可能是(例如)分离过程，其中将材料从流体中分离出来，且流体例如返回到容器中。

如果进一步处理为分离，则其可以采用螺旋压力机、过滤器或离心机或用于沉淀处理物的装置的形式来体现。

因此，分离器24中的分离提供了一股带有切割材料的流体，其中，每总体积量中切割材料的含量增加。这股向上集中的切割材料被供给至进一步处理，以使其准备发酵。

收容器10中产生的涡流流型应当优选为，特征在于，收容器内部没有循环产生。因此，流体成分将会在其路途上从循环流线26的出口不停断跟随围绕水平轴线的螺旋运动而行进(没有循环)，使流体成分朝着排放构件20前进并使其通过排放构件20。这种流型被认为是锥形螺旋。通过这种流型，被涡流“捕获”的材料必然会在排放构件中仅一次性地结束，并且在排放构件进行材料的切割时，材料将仅一次性地切割。

由此，锥形螺旋是三维涡流，该涡流中沿水平轴线方向(或者大体上朝向排放构件)的速度可以通过控制泵来控制。相较于通过泵的低通流(lower through flow)而言，通过泵的高通流(high through flow)会朝着排放构件产生相对更高的速度。应该说明的是，当壁部分是固定的时，靠近壁部分的速度趋向于零。

这允许高度可控的切割过程，其中材料被切割成的尺寸是可控制的，因为朝向排放构件20推进材料的速率可以通过控制泵以及排放构件20的切割构件的切割速率(通过设置切割边缘的速率)来控制。

在具体实施方式中，要处理的材料在被引入收容器之前进行切割，而且材料可以选择从涡流中心抽取出。

图2示意性示出了图1所示实施方式的排放构件20的横截面图。排放构件包括漏斗30形式的流道，其从收容器10中延伸出来，并且其宽端32附接到端壁18，由此排放构件20与收容器10的内部流体相通。漏斗30朝向切割构件36逐渐变细，以便漏斗30的窄端34布置成以距离δ从收容器收回，如图2所示。切割构件36在窄端34处安装在连接到电动机(未显示)的轴38上。

切割构件36布置在朝泵22延伸的流体连接件40的前面。流体连接件40通常是管的形式。切割构件36形成为臂的形状，所述臂从与轴38的旋转轴线重合的中心径向延伸且具有有指向旋转方向的切割边缘。

在切割构件旋转时，将会产生延伸到收容器内以及流体连接件40内的涡流。因此，切割构件也包含涡流生成器。泵产生从收容器流向切割构件36的流体流动。从而，流型可以看作是通过将由泵22产生的朝向切割部件的非旋转流动和由切割构件36产生的涡流重叠定位(super-position)来形成。因此，包含在收容器中的流体内的材料会被运送到切割构件36，被切割构件切割，通过通道40朝着分离器构件24传送。

通过使用漏斗30，排放构件中的(且一般在收容器中的)回流减少到最小，且通常可以完全避免。从而，可以在很大程度上保证要切割的材料仅一次性地通过切割构件，因为被切割的材料不会被送回到收容器中。后者通常会导致切割材料沉淀在收容器中和/或材料被切成不可控制的尺寸。

图3特别显示了用来切割材料并产生涡流的切割构件。把漏斗30螺栓连接至法兰58。流体和切割材料经过流向泵22(未显示)的开口，如参照图1所披露的。切割构件布置在从电动机62延伸的轴上。

现在返回去参考图1，将披露在该设备中进行的污染物的分离。在负面意义上，污染物一般被认为是会干扰有机材料的进一步处理和/或发酵、并且包括比如石子、沙粒、金属微粒等的物质。如图1所示，尤其是在图1b中，收容器的底部14远离排放构件20向下倾斜(相对于水平方向)。

污染物通常特征在于，微粒的密度基本上不同于流体和待切割材料这两者的密度。相应地，并且由于在收容器中存在涡流，污染物(如微粒形式)将由于重力而直接落向底部14，或着通过离心力以及重力作用的结合而被推向底部，所述离心力产生自颗粒且至少在某种程度上跟随涡流的螺 旋运动。材料出口42布置在斜坡底部的最低位置部分处；在图1显示的实施方式中，这是如图1b所示的收容器的左角。

一旦污染物位于斜坡底部的表面上，重力将朝向材料出口42推动污染物或者至少协助推动它。基于如何将该物质从收容器提取出，一些流体可能和该物质一起离开容器。然而，和该物质一起从收容器撤出的流体的量一般选择成很小，以便其不会破坏收容器内的涡流流型。

从上述显而易见的是，根据本发明，材料的切割和浸泡都发生在所述设备中。另一方面，该设备适于在略去切割特征时进行浸泡。这个方面通过如下方式来体现：包括上述披露的相同构件，但是旋转切割构件用包括带钝边缘的转子臂的转子取代，以使得转子臂与材料之间的接触不会引起材料的切割。应说明的是，通过旋转转子臂，一些类型的扯、撕或类似的动作会在材料上进行。然而，应当将这些动作减到最少，而且不应认为其是切割动作，因为这种切割动作需要某种类型的切割边缘。

收容器内的由转子或旋转切割构件产生的涡流，可通过许多不同的方式加强。比如，与排放构件20相对的端壁18(或临近端壁18在内部定位的单独壁构件)可以制成为能沿与涡流的旋转相同的方向旋转。这会将涡流在端壁处的边界条件从零速度改变到不同于零的速度，从而增强涡流。类似地或与其结合，排放构件20处的端壁(或单独的壁构件)可以制成为能旋转。

另一个加强涡流的例子是采用多于一个排放构件，比如两个、三个、四个或更多个排放构件。例如，彼此临近地位于相同壁构件中的两个排放构件会在延伸到收容器中的漏斗中各自产生涡流。来自漏斗的涡流会在收容器中合并成单个涡流。如果排放构件彼此相对地布置在收容器的相对端壁上，也会获得类似的结果，但是该配置要求切割构件或转子臂以相同的方向旋转(当从一个方向看时)，以便产生的涡流以相同的方向旋转；否则，涡流会互相破坏。因此，优选的配置包括在两个相对端壁18上的排 放构件或只位于其中一个端壁18中的排放构件。需要强调的是，这些配置能进行组合，并且可应用于关于如清洗、浸泡、切割等或其组合的实施方式中。

本发明的一个特征是关于材料的浸泡。通常，待浸泡材料的初始密度使其在收容器内的流体的表面上流动。已经发现，与本发明相关的，一旦这种材料被涡流捕获，旋流流动将朝向涡流的核心输送材料。浸泡了材料的流体量尤其与材料在流体中的滞留时间有关，并且由于材料移向涡流核心且沿着朝向排放装置的方向的流速能由泵22控制，所以材料的滞留时间也可以控制。

有利地且优选地，材料的供给(如果未采取其他措施材料通常将会在流体的表面上流动)可以通过使材料加速来提供，并且在涡流中以这样的程度传送被加速的材料：使得涡流作用在材料上的粘性力超过浮力。材料的加速经常这样进行，使得材料的引入才不会减缓涡流的速率。这会导致在很多情况下，在相同径向位置处，材料随着涡流的运动被拖拽。在此运动中，材料会逐渐吸入液体，造成材料的浮力性能发生改变，进而导致材料流向涡流中心。在很多实际实施方式中，涡流包括沿着朝向涡流中心的方向的径向速度分量，且该径向速度分量会至少帮助迫使材料流向涡流中心。

有利地且优选地，通过利用由流体供给52(图4a)添加到收容器的循环流体的流动来执行把材料供送到涡流中。流体供给52优选地定位成使得循环流体在存在于收容器中的流体的自由表面下方被引入，优选地，采用上面所述喷射流的形式。在图1所示实施方式中，流体供给52是循环流线26的端部且延伸到收容器中的流体内。将流体引入的位置和方向选择成使得，该方向基本上平行于传送时位于收容器中的涡流的旋转运动的速度，如上文所述的。在图1所示的实施方式中，其位于收容器的角部 区域中表面的下方。以这样的方式将要被浸泡、切割、和/或清洗的材料引入自由表面下方：循环流体的喷射流至少帮助将材料引入到涡流内。

优选地，把材料引入循环流体的喷射流通过材料入口进行，该材料入口包括适当的输送装置，比如输送带、螺旋输送机等。参照图4，披露了进给装置的一个实施方式。该进给装置包括输传器，且输送器速率优选地设置成与涡流的旋转速度相匹配，以使引入涡流的材料在速率上基本上没有区别。

更进一步，由于供给制收容器内的流体的量、从收容器排放的流体量以及引入收容器的材料量可以确定，因此可以确定浸泡后材料中的流体含量的至少一估计值。该估计值可以基于连续性原则，包括进入和离开收容器10的各种量的测量。相应地，可以通过控制通过流体供给52供给至收容器的流体的量来调节收容器中的液位。

在其他实施方式中，根据本发明的设备用于清洗没有进行切割的材料。在这一点上，清洗优选地表示将污染物从材料上分离或至少为从中释放出来。在这种情况下，浸泡问题可以被认为是不相关的，且滞留时间没有调节成满足既定流体含量。在这种情况下调节滞留时间以允许足够的时间来(例如)释放污染物的缠绕(tangle out)等。相反地，控制通过设备的流动以及涡流的特性，以便提供所需的清洗处理。

因此，本发明不仅适合浸泡已切割的材料，也适合浸泡和切割材料，以及还可以作为单独动作或者与浸泡和/或切割相结合地清洗材料。

本发明还适合与浸泡、清洗和/或切割结合，以使材料中的化学成分能够沉淀(比如，材料整个深度内酸含量的均匀沉淀)，以促进热水解。

如上所示，排放构件20优选地包括流道30。然而，可以构想省去流道，且涡流生成器布置在收容器内。

图4显示了根据本发明的设备的实施方式。图4中的部件与图1、图2中的那些对应，并具有相同的标号。仅仅为了清楚的原因，省略了多个构件(如分离器24和循环流线26)。图4a显示了朝向类似于图1b的端壁18所看到的实施方式，图4b在类似于图1b的侧视图中显示了该实施方式。

图4中所示的实施方式包括进给装置62，材料48通过该进给装置被送入容纳在收容器中的流体内。进给装置包括输送带44和46。输送带的速率基本上等于在流体表面下方100毫米位置处的涡流的速度。此外，进给装置布置成使得材料在涡流速度指向下的位置处传送。

该装置优选地还包括测量装置，其优选地结合在进给装置内。该测量装置优选地以连续的方式测量材料的质量和/或材料中的水含量。基于收容器中的水位以及供应给收容器的水的这种测量和探测，可以确定离开收容器的材料中的水含量(从连续性原则规定，要规定在收容器中没有质量的积聚，进入和离开收容器的质量必须相等)。

进给装置62，尤其是运送待处理材料的输送带44，在流体的表面50下方的位置处将材料引入流体中。循环流体52在与材料相同的位置处(如上述披露的)沿与运送时的涡流54的速度基本平行方向被引入收容器10中。通过这种方式引入循环流体，该引入可以促进涡流的流动。类似地，横供给装置62沿着与运送时的涡流54的速度基本平行的方向运送材料。因此涡流54、输送带44和循环流体52的结合将把材料捕获到涡流内，以便材料跟随涡流流向排放构件，如虚线56示意性地示出。应提到的是，在上述实施方式中，循环流体可以由新鲜的流体替代。

图5a显示了根据本发明的设备的一个实施方式，其中替换的横供给装置62应用于收容器10。该横供给装置适合于将材料布置到涡流内，并且该横供给装置适合于沿与运料时涡流的速度基本平行的方向传送材料。在本实施方式中，进给装置62是螺旋输送机，其尤其利于运输干燥材料。 通过使用螺旋输送机将未浸泡的材料48引入涡流54，可以获得未浸泡材料的适当速率和方向，不管要引入的材料是否可泵送。

图5b显示了图5a的根据本发明的设备的实施方式，其中应用了替换的进给装置62。图5b显示的是垂直于设备纵向方向通过进给装置62的横截面图。

应该指出的是，根据图5的该装置可以用于收容器10内的流体表面，或者如图5b所示的那样充满流体，以使流体表面50将会在收容器10的上表面上方。

在上述披露的实施方式中，收容器在很多情况下披露为其中存在自由表面的容器，然而，该发明也可以以例如圆形容器体现，例如采用如图5中显示的圆柱体。

如上面指出的，本发明可包括浸泡和/或不同于切割的其他处理。比如，材料可通过一种或多种酶和/或一次或多次化学反应(比如涉及一种或多种酸的反应)来处理。这种处理可以通过向存在于收容器中的流体添加入酶和/或化学制品来实现。酶比如为阿魏酸酯酶(feruloyl esterase)、葡聚糖酶、淀粉酶、葡糖淀粉酶、β葡聚糖酶、木聚糖酶等。化学制品比如为硫酸或氢氧化钠。

本文件中提到的浸泡(尤其在本发明背景部分中提及的)优选地表示通过或好像通过材料中的气孔或空隙在材料中吸收流体的作用。因此，浸泡是在未浸泡的材料接触到流体的时间到未浸泡的材料完全以流体浸泡(即，流体饱和)的时间之间发生过程。因此，浸泡动态地改变作为时间的函数的未浸泡材料的流体静力学特性。浸泡率可以通过增加能量来增大，能量比如为机械功(如清洗机中的旋转)或热传递(如锅炉内的加热)。应该指出的是，本发明不局限于完全浸泡材料。

当试图用最有效的办式浸泡疏水性材料时，一个重要的控制参数就是滞留时间，即从未浸泡材料进入收容器的时间到材料离开收容器的时间。通过根据本发明的设备，可以高准确度的控制滞留时间，因为收容器内基本上没有循环发生。因此，通过收容器的接近恒定的流动保证了所有未浸泡材料都将经历相同的滞留时间。与传统碎浆机相比，大块浆状物经历长的滞留时间，而小块浆状物经历短的滞留时间。在比如生材料降解的应用中，滞留时间是关键性参数，因为它控制着结合有酶和/或化学制品的流体的渗透深度，从而控制了降解机制。如果不能控制滞留时间，材料的不同部分将会有非常不同的渗透深度。

为了优化收容器中涡流流动的条件，可以安排不同的能量输入，这旨在通过使周围表面的损失减到最小来稳定涡流。在优选实施方式中，可以通过旋转与涡流生成器相对的壁，从而减少摩擦损失来实现。另外地或可单独使用，从其中可放置涡流生成器的收容器延伸出的流道可以旋转，以使流道与涡流生成器一起围绕一个共同的轴线旋转，从而使靠近流道内表面的边界层中的流体摩擦减到最小。

通过引入收容器内的其他装置来向收容器内的涡流输入更多能量，比如中心螺旋涡流内的旋转圆柱体能用来将能量添加至涡流。

也可以如上述的通过未浸泡的材料来实现将能量输入给收容器内的涡流，这通过在给定位置、以给定的位置和速率以及方向将材料引入收容器来进行。适合将未浸泡的材料布置于涡流内的其他装置也完全可以构造成具有引入额外能量到涡流的能力，比如，有滑轮或无滑轮的添加能量到涡流输送带(比如，参考图4的传送带)。优选地，通过引入未浸泡的材料或通过适合将未浸泡的材料布置到涡流内的装置来优化涡流的状况基本平行于运送时涡流的速度来进行。

当涡流生成器安放在收容器外部(比如在流道内)时，收容器中的流体通过收容器中的流体与流道中的流体之间的流体耦合被迫流入涡流，在 定义由流体耦合(即两个容积之间的表面)连接的这两个流体容积时，流体连接可以定义为收容器内的涡流生成器。

尽管已经结合具体实施方式描述了本发明，但不能认为其以任何方式局限于提出的例子。本发明的范围由所附权利要求书确定。在权利要求书的内容中，术语“包括了”或者“包括”不排除其他可能的构件和步骤。同样，所提及的诸如“一”或“一个”等的参考，不应被认为排除复数。权利要求书中使用的关于构件的在附图中指出的参考标号不应认为是限制本发明的范围。进一步，有利地且优选地，不同权利要求中提到的单独的特征可能结合，且不同权利要求中提到的这些特征不排除可能和有益的特征结合。

Claims (38)

1.一种处理材料的设备，所述处理包括所述材料的切割、浸泡和/或清洗，所述设备包括：

-收容器，包括限定了适于容纳流体和待处理材料的容器的壁构件，

-进给装置，用于将待处理材料供给至容纳在所述收容器的流体内，

-排放构件，在上游与所述收容器的内部流体连通且在下游与流体连接件流体连通，所述排放构件包括

-涡流生成器，

-泵布置在所述涡流生成器的下游，以便从所述收容器朝向所述涡流生成器泵送带有材料的流体并将其泵送至下游的流体连接件内，

以及，

-所述涡流生成器和泵相结合而适于在所述流体内生成锥形螺旋形式的涡流，以使所述涡流延伸至所述收容器内，

-以及，能通过所述泵控制沿着朝向所述排放构件的方向的流速，以使得可以通过控制所述泵来控制所述材料在所述收容器内的滞留时间。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述排放构件包括从所述收容器延伸出的流道，从所述流道的入口看，所述涡流生成器在所述流道内位于下游。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述排放构件的流道为朝着所述涡流生成器逐渐变细的漏斗形状。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备包括用于分离包含已经通过所述排放构件的材料的流体流和基本不包含经处理材料的剩余流体流的分离器，所述分离器位于排放构件下游。

5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述分离器位于所述泵的下游。

6.根据权利要求4所述的设备，其中，所述分离器包括脱水装置。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述脱水装置为离心机或用于沉淀所述经处理的材料的装置。

8.根据权利要求4所述的设备，其中，所述设备包括将从所述收容器中抽取的流体供给至所述收容器的循环流线。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述循环流线以所述剩余流体流循环至所述收容器的方式连接至所述分离器。

10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述收容器在内部包括一个或多个可旋转构件和/或限定所述容器的所述壁构件中的一个或多个是能旋转的。

11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备包括多于一个排放构件。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述排放构件在相同的壁构件上彼此相邻地定位。

13.根据权利要求11所述的设备，其中，所述排放构件在相对的壁构件上彼此相对地定位。

14.根据权利要求1所述的设备，其中，所述涡流生成器包括可旋转切割构件，所述切割构件适于切割在流体中流向所述切割构件的材料。

15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述切割构件包括具有沿所述旋转方向的切割边缘的多个径向延伸臂。

16.根据权利要求8所述的设备，还包括适于产生流体流动的流体供给，所述流体流动在所述设备的操作过程中流至容纳在所述容器中的流体内。

17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述流体流动为喷射流。

18.根据权利要求16所述的设备，其中，所述流体供给的出口布置在所述流体的表面下方。

19.根据权利要求16所述的设备，其中，所述流体供给形成所述循环流线的一部分。

20.根据权利要求16所述的设备，其中，所述流体供给适于沿着与运送时所述收容器中的涡流的速度基本平行的方向传送所述流体。

21.根据权利要求1所述的设备，其中，构成所述收容器的底部的壁构件相对于水平方向倾斜。

22.根据权利要求21所述的设备，其中，一物质出口设置在一位置处，所述底部在该位置处具有其最低内部位置部分。

23.根据权利要求1所述的设备，其中，所述进给装置包括用于将待处理材料输送至容纳在所述收容器中的流体内的输送装置。

24.根据权利要求23所述的设备，其中，所述输送装置在所述流体的表面下方的位置处。

25.根据权利要求1所述的设备，其中，所述进给装置适于沿着与运送时所述收容器中的涡流的速度基本平行的方向运送待处理的材料。

26.根据权利要求25所述的设备，其中，所述进给装置适于以这样的速度运送所述材料，该速度为所述收容器中所述材料的运送位置处所述流体的速度的至少50％。

27.根据权利要求26所述的设备，其中，所述进给装置适于以这样的速度运送所述材料，该速度与所述收容器中所述材料的运送位置处所述流体的速度相同。

28.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备包括测量装置，用于测量被供给至所述收容器内的所述材料的质量和/或材料中的水含量。

29.根据权利要求28所述的设备，其中，所述测量装置以连续的方式来测量被供给至所述收容器内的所述材料的质量和/或材料中的水含量。

30.根据权利要求28所述的设备，其中，所述测量装置布置在所述进给装置中。

31.操作根据权利要求1所述的设备的方法，所述方法包括：

-将待处理材料供给至容纳在所述收容器中的流体内，

-控制所述泵和所述涡流生成器，以便在所述收容器中产生锥形形螺旋形式的涡流，并且以便在所述收容器内部基本没有循环产生，

-控制所述泵以便带有材料的流体从所述收容器朝向所述涡流生成器被泵送并且进入到下游的流体连接件。

32.根据权利要求31所述的方法，所述方法包括将流体添加至到所述收容器。

33.根据权利要求32所述的方法，所述方法包括将流体在存在于所述收容器中的流体的表面下方添加至到所述收容器。

34.根据权利要求31所述的方法，所述方法包括以喷射流将流体添加至所述收容器，所述喷射流在存在于所述收容器中的流体的表面下方延伸。

35.根据权利要求31所述的方法，所述方法包括调整所述收容器中的液位，以便所述流体在存在于所述收容器中的流体的表面下方添加，或者以便流体的喷射流在存在于所述收容器中的流体的表面下方延伸，所述流体的喷射流即添加至所述收容器的所述流体。

36.根据权利要求31所述的方法，所述方法包括使通过所述排放构件从所述收容器抽取的流体的至少一部分循环。

37.根据权利要求36所述的方法，其中，当所述流体在所述收容器中时，流体的循环的所述一部分与存在于所述流体中的材料分离。

38.根据权利要求31所述的方法，包括：基于至少检测所述收容器中的水位、供给至所述收容器的水、供给至所述收容器的材料的质量以及所述材料的水含量，来确定离开所述收容器的材料的水含量。