CN108779604A - 用于分离固体/流体混合物的装置和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于从固体/流体混合物中分离至少一种固体的装置，所述装置包括分离室和缓冲室。分离室包括顶端、底端、至少一个壁和用于引入固体/流体混合物的入口端口，所述入口端口具有入口端口矢量。缓冲室包括至少一个边界壁，并且其适于在当分离室和缓冲室在入口端口矢量和至少一个壁的交叉处通过连通端口连接时，在入口端口矢量和缓冲室的交叉处保持固体/流体混合物的缓冲。连通端口的区域至少是固体/流体混合物在至少一个壁上的冲击区域的大小。连通端口可以由分离室的至少一个壁的腐蚀形成，该腐蚀由冲击区域处的固体/流体混合物引起。还公开了一种分离固体/流体混合物的方法，其中固体/流体混合物通过分离室的入口端口引入并与先前引入的固体/流体混合物的缓冲物接触，固体/流体混合物允许与先前引入的固体/流体混合物的缓冲物相互作用。通过分离室中的密度差将至少一种固体与流体分离。优选地，固体/流体混合物是蒸汽处理的木质纤维素生物质，其以高速插入在所公开的装置中。

Description

用于分离固体/流体混合物的装置和方法

背景

在制浆技术中，木材原料用已知为白色或绿色液体的化学试剂进行蒸煮处理工艺，以除去木质素和半纤维素，从而产生纤维素纸浆。由于化学试剂的高反应性，蒸煮处理通常在中等温度和压力下在加压的蒸煮反应器中进行，其中加压蒸汽主要用作加热手段。在蒸煮处理之后，将纤维素纸浆(其为固体纤维素纤维的高稠度悬浮液)在吹气罐中闪蒸以将压力降低至约大气压。

Fardim,Pedro所著“化学制浆第1部分，纤维化学与技术”，第二版，造纸科学与技术，2011，第288-289页(“Fardim”)”，报告了传统的成批量牛皮纸蒸煮系统中的时间和工艺条件的示例。图92显示了温度和压力时间曲线。在约2小时内将处理温度升至约175℃，然后在约8巴的蒸煮压力下蒸煮45分钟。通过高达12巴压力的蒸汽进行加热，并且在蒸煮阶段停止加热。在蒸煮步骤之后，将纸浆在吹气罐中吹下。在吹气管中的吹气期间以及在吹气罐的进口上通过由湍流和蒸汽闪蒸引起的剪切作用，碎屑分解成纤维。Fardim的图93中提供了吹气罐的示例。吹气罐配备有旋风分离器，使无纤维蒸汽流入闪蒸蒸汽冷凝系统。吹气罐是大容器，其标准容积范围为100至900立方米，以考虑吹气期间的蒸汽膨胀。吹气罐具有圆形形状，在底端具有用于排出纸浆的出口，以及在顶端具有用于闪蒸气体的出口。纸浆通过水平位于吹气罐上部的吹气入口进料。

吹气罐(也称为吹气旋风器或压力旋风器)的工作原理可以在Lonnberg，Bruno所著“机械制浆”，第二版，造纸科学与技术，2009，第200页(“Lonnberg”)中找到。Lonnberg中的图23显示了大直径旋风器的结构。压力旋风器由带有蒸汽/纸浆入口和蒸汽出口的旋风器、夹套刮板、塞式螺旋进料器和底部的反压装置组成。来自精炼机的剩余蒸汽将纸浆吹到压力旋风器的顶部，在压力下向压力旋风器的切向上进料。纸浆和蒸汽通过离心力和重力的组合作用分离。蒸汽在旋风器的中心向上流动并出至热回收系统。刮板防止纸浆卡在夹套的内侧。在旋风器的底部，卸料螺杆将浆送入潜伏罐。浆塞和反压装置密封旋风器中的蒸汽压力。

WO2010/001097公开了一种用于从气体和颗粒的混合物中分离颗粒的旋风分离器，所述旋风分离器包括：分离室，其中颗粒从气体中分离出来；入口，其构造成将颗粒和气体的混合物提供给分离室；反向流动气体出口，其定位成从分离室接收已经从中分离出颗粒的一部分气体，该部分气体的方向在分离室中被反转；以及单向流动气体出口，其被定位成从分离室中接收颗粒已分离出来的另一部分气体，该部分气体的方向未在分离室中反转。

蒸汽爆破是木质纤维素原料的已知预处理工艺，其中木质纤维素原料首先在高温高压蒸汽存在下进行水热处理，然后快速释放施加于原料的压力以产生木质纤维素结构的爆破性破坏。由此，将原料插入加压反应器中，其中通常通过在约200℃的温度下将蒸汽插入反应器中获得压力。蒸汽反应器压力可高达20巴，从而远远超过化学制浆过程中施加到木材原料上的压力。木质纤维素原料和包含液相或汽相的水的流体的混合物通过原料出口从加压反应器中除去，并通过吹气线路在约大气压下引入吹气旋风器中。由于施加到原料上的压力变化，陷入原料细胞中的水快速膨胀，导致原料细胞膨胀，直到在某些情况下达到细胞自身爆破。因此，在蒸汽爆破过程中，通过适当地设计吹气线路的构造，尽可能快地释放施加到原料的压力。

因此，通过加压反应器和吹气旋风器之间的压力差使固体/流体混合物通过吹气线路加速，并且在吹气旋风器的入口处，可以获得接近声速的速度。固体/流体混合物的速度远远超过制浆工艺中吹气旋风器的入口处纸浆所达到的速度。

固体/流体混合物通常切向或几乎切向地引入吹气旋风器中，这意味着其在吹气旋风器入口处的速度方向与吹气旋风器壁上的撞击点或区域形成小角度。与制浆工艺不同，在蒸汽爆破过程中，吹气旋风器中的固体就像撞击吹气旋风器壁的子弹一样。

当在蒸汽爆破过程中使用时，设计用于制浆工艺的吹气旋风器由于在短的操作时间内旋风器壁的穿孔因此而受到磨蚀并失效，该短的操作时间可以是几天的量级。除了维修成本之外，频繁的停机周期对工艺性能和成本产生了严重影响，特别是在连续运行的工厂中。

因此需要一种吹气旋风器，当固体/流体混合物以高速引入时，该吹气旋风器可以不失效并且不被破坏。

概述

本申请公开了一种用于从固体/流体混合物中分离至少一种固体的装置，所述装置包括分离室和缓冲室，其中所述分离室包括顶端、底端、至少一个壁和用于将固体/流体混合物引入分离室的入口端口，所述入口端口具有入口端口矢量，该入口端口矢量是固体/流体混合物进入分离室的方向，其中缓冲室包括至少一个边界壁，并且在当分离室和缓冲室在入口端口矢量和分离室的至少一个壁的交叉处通过连通端口连接时，所述缓冲室适于在入口端口矢量和缓冲室的交叉处保持固体/流体混合物的缓冲。

还公开了所述连通端口的区域可以至少是在没有连通端口的情况下，固体/流体混合物在分离室的至少一个壁上的冲击区域的大小。

还公开了连通端口的至少一部分可能是由固体/流体混合物引起的至少一个壁的侵蚀而产生的。

还公开了连通端口可以具有矩形形状。

还公开了入口端口矢量可以具有与至少一个壁的入射角，该入射角的范围可选自由从大于0°至小于45°和从大于0°至小于30°构成的组。

还公开了缓冲室可以呈盒子形状，包括平面边界壁。

还公开了缓冲室可以具有至少一个弯曲的边界壁。

还公开了固体/流体混合物可以是蒸汽处理的木质纤维素生物质。

还公开了固体/流体混合物可包含液相或汽相的水。

本申请还公开了一种从固体/流体混合物中分离至少一种固体的方法，包括：以平均线速度引入固体/流体混合物，所述平均线速度具有通过分离室的入口端口的平均线速度矢量，所述分离室包括至少一个壁，其中，所述分离室通过位于平均线速度矢量和分离室的至少一个壁的交叉处的连通端口连接到缓冲室，缓冲室包含先前引入的固体/流体混合物的缓冲物，其中入口端口矢量是固体/流体混合物进入分离室的方向；使固体/流体混合物与先前引入的固体/流体混合物的缓冲物接触；通过密度差将至少一部分流体从分离室中的固体/流体混合物分离。

在所公开的方法中，所述连通端口的区域可以至少为在没有所述连通端口的情况下，所述分离室的所述至少一个壁上的所述固体/流体混合物的冲击区域的大小。

在所公开的方法中，连通端口还可以具有矩形形状。

在所公开的方法中，所述平均线速度矢量还可以具有与所述分离室的入射角，所述入射角的范围选自由大于0°至小于45°以及大于0°至小于30°组成的组。

在所公开的方法中，缓冲室还可以呈盒子形状，包括平面边界壁。

在所公开的方法中，缓冲室还可以具有至少一个弯曲的边界壁。

还公开了平均线速度可以大于100m/s。

还公开了固体/流体混合物可以以连续模式引入。

还公开了固体/流体混合物可以以大于1Hz频率的脉冲模式引入。

还公开了固体/流体混合物可以是蒸汽处理的木质纤维素生物质。

还公开了固体/流体混合物可以包含液相或汽相的水。

还公开了入口端口可以在上游连接到加压反应器，并且加压反应器中的压力可以比分离室中的压力大至少8bar。

还公开了分离室中的压力可以在0.5bar至4bar的范围内。

还公开了所公开的方法还可包括蒸汽爆破蒸汽处理的木质纤维素生物质。

还公开了入口端口可以连接到分离室上游的加压反应器，并且加压反应器中的压力比分离室中的压力大至少8bar。

附图简述

图1是现有技术中发现的典型分离室的横截面顶视图。

图2是现有技术中发现的典型分离室的横截面顶视图的放大图，示出了进入的混合物膨胀成羽流并撞击分离室的相对壁。

图3显示了从正常观察分离室内壁的视角看，在现有技术中发现的典型分离室中由羽流形成的冲击区域。

图4是现有技术的分离室在壁已经在冲击区域磨蚀掉之后的横截面顶视图的放大图。

图5是包含本发明实施方案的分离室的横截面顶视图。

图6是本发明一个实施例的横截面顶视图的放大图。

图7是本发明一个实施例的横截面顶视图的放大图，其中分离室与缓冲室连通。

图8是在操作期间本发明的一个实施例的横截面顶视图的放大图，其中分离室与缓冲室连通。

图9是从正常观察分离室内壁的视角看本发明实施例的视图。

详述

本申请公开的装置和方法用于分离固体/流体混合物的固体和流体。虽然设备和方法被设想用于从固体/流体混合物中分离蒸汽爆破的固体木质纤维素原料和蒸汽，分离发生在加压反应器的下游，但已发现该装置和方法也可应用于分离更普通的固体/流体混合物，包括例如采矿或建筑工业中加压的气体(即可压缩流体)和固体颗粒的混合物。

木质纤维素原料的详细描述可以在WO2015028156A1的第11-14页中找到，其全部内容通过引用并入本文。优选的木质纤维素原料选自农业残余物，特别是秸秆，例如麦秆、稻草或蔗渣，例如甘蔗渣。硬木和软木也受益于这一过程。

本申请公开的装置和方法源于使用设计用于纸浆加工的纸浆吹气旋风器的长期失败，特别是当纸浆吹气旋风器用于从高速插入在纸浆吹气旋风分离器中的固体/流体混合物中分离固体蒸汽爆破的原料和蒸汽时。在本说明书中，如在纸浆领域的标准术语中反复出现的，术语“吹气罐”，“吹气罐分离器”，“纸浆吹气罐”，“纸浆吹气罐分离器”和“吹气旋风器”是同义术语。图1显示了现有技术的纸浆吹气旋风分离器的示意图，其未能与以高速插入的固体/流体混合物一起工作。图1示意性地展示了纸浆吹气旋风分离器(90)的横截面，其包括具有圆柱形壁(110)的分离室(100)，所述分离室壁具有用于固体/流体混合物(120)的入口端口。与入口端口相关联或包括在入口端口中的是圆柱形吹管(130)，用于沿优先方向引入固体/流体混合物。在失败的实验和工作实例中，吹管的直径约为5.1厘米(2英寸)。固体/流体混合物进入分离室的方向称为入口端口矢量(140)。因此，入口端口限定入口端口矢量，在图1中考虑的示例性情况下，入口端口矢量对应于圆柱形吹管的轴线。吹管可以通过入口端口插入分离室中，并且它可以在分离室中延伸直到接近分离室的内壁。分离室壁上的固体/流体混合物的入射角α定义为对应于圆柱形吹管(130)的中心的入口端口矢量(140)与平面(190)之间的角度，其中平面(190)是指在入口端口矢量和分离室内壁的交叉点处与分离室的内壁相切的平面。切平面垂直于图1中所示的分离室的截面，并且由此由直线表示。如图1所示，在称为切向的典型构造中，本说明书中定义的入射角(α)约为15°。

图2显示了图1的纸浆吹气旋风分离器的放大图，以显示现有技术的分离方法的工作原理。固体/流体混合物在入口端口矢量(140)的方向上通过圆柱形吹管(130)进入分离室(100)并行进通过分离室，最终从入口端口矢量稍微扩展以形成由扩展线160和170界定的羽流(300)，直到在包括入口端口矢量(140)和内壁的交叉点的冲击区域(150)处到达分离室的内壁。冲击区域(150)是分离室内壁的一部分，在固体/流体混合物离开圆柱形吹管后被其撞击。

在低入射角下，即使在没有羽流膨胀的情况下，冲击区域(150)呈现细长形状。

图3显示了在操作条件下分离室(100)的垂直内部横截面的细节，显示了由固体/流体混合物在其沿入口端口矢量(140)的方向离开圆柱形吹管(130)时，在分离室(100)的壁(110)的内侧上形成的细长冲击区域(150)。冲击区域(150)由虚线表示。通过撞击分离室的内壁，固体/流体混合物从内壁反弹，呈现螺旋运动，同时固体和流体由于重力密度分离，固体朝向分离室的底端移动而流体(即蒸汽)从分离室的顶端回收。如果固体比流体轻，则固体将从分离室的顶端而流体从分离室的底端回收。在制浆过程的典型操作条件下，在冲击区域位置处不会发生分离室的灾难性磨蚀，并且该装置可以在长时间的连续运行中适当地运转。

发明人观察到在纸浆吹气旋风分离器的分离室中高速插入或注入固体/流体混合物，其中固体/流体混合物通过典型地比在蒸汽爆破过程中通常发生的压力高约10巴左右的压力差加速，导致在分离室内壁的冲击区域位置处快速的磨蚀，从而在分离室壁上形成细长孔，进而导致材料泄漏到外部环境。孔的水平尺寸约为20厘米，垂直尺寸约为12厘米。如图2和图3所示，纸浆吹气旋风分离器在几天的总时间内正常工作，而图4显示了失效情况，其中材料的泄漏穿过位于冲击区域(150)的孔、由从吹气线路(130)扩展的虚线区域表示。发明人首先尝试通过焊接厚的硬质金属牺牲板来密封孔以修复纸浆吹气旋风分离器。由于厚板在总共几天的操作时间之后也被侵蚀，所以该解决方案失效。形成孔之前的总操作时间明显取决于固体/流体混合物的速度以及牺牲板的硬度和厚度。然而，发明人所进行的所有测试都在冲击区域的位置处实现了孔的形成。

然后，发明人将缓冲室添加到分离室的外壁，缓冲室包围分离室壁中的小孔。由于附接到分离室的缓冲室，纸浆吹气旋风分离器连续操作至少一个月的总操作时间而不在缓冲室壁中形成孔，该孔将分离室暴露于大气压并允许材料泄漏到外部环境。当打开分离室进行研究时，发现磨蚀一直持续到壁中的原始孔达到接近内壁处的冲击区域的尺寸并且在外壁上稍微大以表示羽流膨胀。假设墙壁仅10毫米厚，这种差异非常小。此时，未观察到进一步的磨蚀。在工作实例中，缓冲室包围分离室壁的包围区域，该区域大于分离室壁中的孔的尺寸。包围区域在壁中围绕孔在每个方向上延伸几厘米的长度。

图5和6显示了所公开的装置的细节，图6示出了缓冲室(200)的示例性设计，其解决了腐蚀问题。示例性缓冲室(200)包括五个边界壁，其中三个(210a，210b，220)在图中示出，边界壁形成具有开口侧的盒子，开口侧位于包围分离室壁中的孔的位置处。如图所示，缓冲室的被包围区域围绕孔在每个方向上延伸几厘米的长度。因此，至少具有冲击区域尺寸的分离室壁中的侵蚀孔用作分离室(100)和缓冲室(200)之间的连通端口(180)，连通端口位于入口端口矢量(140)与分离室的圆柱形壁(110)的交叉处。在示例性缓冲室中，边界壁具有矩形形状，与连通端口相对的边界壁(220)为62cm×18cm，第一侧边界壁(210a)为47cm×18cm，第二侧边界壁(210b)为23cm×18cm，侧向边界壁实现与圆柱形分离室的连接。

图7显示了每次试验结束时分离装置的一部分。发明人观察到，在位于冲击区域外的缓冲室的横向区域处存在固体蒸汽爆破的生物质(310)的紧密沉积物，而包围入口端口矢量并且大致沿着入口端口矢量的方向定向的缓冲室的中心体积完全没有材料，空隙中心体积延伸到边界壁。因此，发现包围入口端口矢量且直接面对进入羽流的边界壁(220和210b)的一部分没有任何积聚的材料，并且没有任何磨蚀的迹象。

不受任何理论或解释的限制，发明人认为通过由分离室壁的磨蚀形成的连通端口进入缓冲室的固体/流体混合物接触缓冲室中先前引入的固体/流体混合物，从而使至少一部分固体在这种相互作用中失去一部分动能，其中至少一部分固体(330)随后浸入分离室而不损坏缓冲室的边界壁。发明人认为，如图8所示，在缓冲室(200)中形成了一种先前引入的固体/流体混合物的缓冲物(320)。先前引入的固体/流体混合物与进入的固体/流体混合物的羽流(300)的接触和相互作用的流体动力学描述可能是非常困难的并且在任何情况下都是近似的。发明人认为缓冲物(320)至少部分是由先前引入的固体/流体混合物在缓冲室中的旋转运动引起的动态缓冲，其中固体/流体混合物的流体的膨胀也可能起到重要的作用。另一方面，缓冲物可以至少部分是静态缓冲物，因为固体/流体混合物的固体连续地累积在缓冲室的边界壁上并且通过进入的固体/流体混合物被连续地移除，而永久性的固体的积聚发生在不直接暴露于或不太暴露于进入的固体/流体混合物的缓冲室的区域中。

与所涉及的流体动力学机制无关，固体/流体混合物的缓冲物(320)至少位于入口端口矢量(140)和缓冲室(200)的交叉处的缓冲室(200)中，并且通过在操作运行之后检查缓冲室，可以容易地验证其在操作期间在缓冲室中的存在。缓冲室中阻拦入口端口矢量的空隙体积的存在，表明在操作条件下固体/流体混合物的缓冲物。取决于操作条件和缓冲室的几何构造，空隙体积可以延伸直到到达缓冲室的一个或多个边界壁，或者可选地，沉积的固体层可以存在于整个边界壁上。一旦发现缓冲效果，发明人还发现，即使当缓冲室的形状和尺寸在示例性设计的盒子形状的基础上有很大程度的变化时，先前引入的固体/流体混合物的缓冲物可以保持在入口端口矢量和缓冲室的交叉处。缓冲室的形状也可以是非常不规则的，因为固体最终会积聚在死区中，并且缓冲区域将在阻拦入口端口矢量的缓冲室的容积中自行形成，缓冲室的剩余部分填充有固体/流体混合物的累积固体。因此，在一个实施例中，缓冲室可包括至少一个弯曲边界壁，例如球体的一部分或圆柱体的一部分。据说，当分离室和缓冲室通过入口端口矢量和至少一个壁的交叉处的连通端口连接时，缓冲室适于或设计成在入口端口矢量和缓冲室的交叉处保持固体/流体混合物的缓冲。所述连通端口具有一个区域，该区域的尺寸至少为在没有连通端口的情况下、至少一个壁上的固体/流体混合物的冲击区域的尺寸。

当分离室和缓冲室通过入口端口矢量和至少一个壁的交叉处的连通端口连接时，从入口端口向量的交叉处到缓冲室壁的长度(图6中的230)是调整或设计缓冲室以在入口端口向量和缓冲室的交叉处保持固体/流体混合物的缓冲的主要参数。所述连通端口具有一个区域，该区域的尺寸至少为在没有连通端口的情况下、至少一个壁上的固体/流体混合物的冲击区域的尺寸。如图6中的(230)所示，该长度是从入口端口矢量(140)与分离室(110)的圆柱形壁的交叉点到入口端口矢量(140)与缓冲室(200)的交叉点的距离。发明人已经发现，该长度没有上限，因为固体最终会积聚在缓冲室的面向入口端口矢量的边界壁上，形成静态的固体缓冲。入口端口矢量与缓冲室的交叉处的长度的上限将由缓冲室实际展开的标准确定，并且优选地小于2m，更优选地小于1m，并且最优选地小于50厘米。发明人还发现，通过减小入口端口矢量与缓冲室的交叉处的长度，阻拦缓冲室中固体/流体混合物的进入羽流(300)的先前引入的固体/流体混合物(320)的缓冲深度将不足以确保有效的缓冲效果，并且边界壁将开始发生一定程度的侵蚀。换句话说，入口端口矢量与缓冲室(230)的交叉处的长度存在下限，该限制取决于固体/流体混合物的性质、其速度和可接受的侵蚀速率，以及用于实现缓冲室的材料。在一些情况下，从入口端口向量的交叉处到缓冲室壁的长度可以大于2.5cm，优选大于5cm，最优选大于10cm。

在一个优选实施例中，缓冲室以这样的方式适配，使得入口端口矢量以如图5所示的冲击角θ与缓冲室的边界壁相交，冲击角θ在45°至90°的范围内，并且优选为50°至70°。即，在高冲击角度下，防止或显著减少边界壁的最终侵蚀。在另一个实施例中，缓冲室的边界壁上的冲击角大于分离室壁上的入射角。

应当理解，基于发明人发现的关于缓冲效果的公开信息，本领域技术人员可以容易地选择或限定缓冲室的一组合适的形状和尺寸，缓冲室适于仅通过常规地测试不同缓冲室，或通过使用具有可变形状和尺寸的测试室，以在入口端口矢量和缓冲室的交叉处保持固体/流体混合物的缓冲。例如，如图5的示例性设计，盒形缓冲室可以设置与连通端口相对的内壁，该内壁可以固定在距连通端口可变距离处，从而限定从入口端口矢量的交叉处到缓冲室壁具有不同长度的一组缓冲室。每个缓冲室可以在操作条件下测试足够长的测试时间，以通过可视地检查缓冲室的内壁来突出腐蚀。

缓冲室以将缓冲物和分离室的氛围与外部环境隔离的方式连接到分离室的外壁。换句话说，分离室和缓冲室之间的连接使得连接是“气密的”或不能使特定所需压力下的气体通过连接泄漏。该特定压力将取决于性能参数，连接应使得气体不会在分离室和分离室周围的外部环境之间至少0.5巴的压差下通过。产生这种连接的方法在本领域中是公知的，并且可以通过例如将缓冲室的一些边界壁焊接到分离室的外壁或将缓冲物的边界壁螺栓连接到分离室的外壁来实现，优选地，在缓冲室的边界壁和分离室之间的使用密封垫圈或垫圈材料。

因此，根据本发明的另一方面，公开了一种修复用于从固体/流体混合物中分离至少一部分流体的装置的方法。该装置最初包括分离室，该分离室包括入口端口，该入口端口用于沿由入口端口的入口端口矢量限定的方向引入固体/流体混合物，其中在分离室的壁中形成泄漏孔。这种装置的一个例子是纸浆吹气旋风分离器。优选地，固体/流体混合物以高速引入，从而在分离室壁上的固体/流体混合物的冲击区域处引起分离室的磨蚀。该方法包括将缓冲室连接到分离室的步骤，其中缓冲室包围泄漏孔，缓冲室适于在入口端口矢量和缓冲室的交叉处保持固体/流体混合物的缓冲。优选地，缓冲室包围固体/流体混合物在分离室壁上的冲击区域，以包围泄漏孔的最大尺寸，该最大尺寸是由在冲击区域位置处的长时间磨蚀产生的。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种适应或改进用于从固体/流体混合物中分离至少一部分流体的装置的方法，该装置基本上包括分离室，该分离室包括用于在由入口端口的入口端口矢量限定的方向上引入固体/流体混合物的入口端口。这种装置的一个例子是纸浆吹气旋风分离器，其被改进以在分离室壁上的固体/流体混合物的冲击区域处产生在分离室的壁中的泄漏孔之前，与在分离室中以高速引入的固体/流体混合物一起工作。该方法包括将缓冲室添加到分离室的步骤，其中缓冲室包围分离室上的、至少具有固体/流体混合物在分离室壁上的冲击区域尺寸的区域，以便包围在冲击区域位置长时间磨蚀所产生的最大孔。缓冲室适于在入口端口矢量和缓冲室的交叉处保持固体/流体混合物的缓冲。

本发明的另一个实施方案是一种用于从固体/流体混合物中分离至少一部分流体的装置，包括分离室和缓冲室。分离室包括至少一个壁、底端和顶端。所述至少一个壁优选地具有圆柱体的几何形状，此处说明实际形状可以局部地偏离圆柱体，例如通过引入与圆柱体的尺寸相比较小的修改。应注意，所述至少一个壁可替代地具有其他几何形状，例如椭圆柱形、圆锥形、截头锥形和球形，或其他更复杂的几何形状，优选地具有旋转对称轴。作为另一替代方案，分离室可以是具有中心对称轴的几何形状。

为清楚起见，平行六面体、立方体、金字塔、截头金字塔是具有中心对称轴的示例性几何形状。分离室的尺寸可以非常大，在很宽的尺寸范围内变化，这取决于每小时引入的固体/流体混合物的量。例如，分离室的尺寸可根据Fardim,Pedro所著“化学制浆第1部分，纤维化学与技术”，第二版，造纸科学与技术，2011，第289页，显示具有圆柱形壁的吹气旋风器，体积为100至900立方米。分离室和缓冲室可以由能够支持与外部环境至少0.5巴的压力差的金属材料制成，优选地是钢，更优选地是不锈钢，并且最优选地是诸如本领域已知的那样的耐腐蚀不锈钢。分离室的内壁可涂覆有硬化材料层，例如陶瓷。分离室还可包括用于移除流体的流体出口端口以及用于移除固体的固体出口端口。当固体比流体更密集时，流体出口端口优选地位于分离室的顶端处或附近。当固体比流体更致密时，固体出口端口优选位于分离室底端或靠近分离室底端。用于移除流体的流体出口端口优选地位于分离室的底端处或附近。而当固体没有流体那么密集时，用于移除固体的固体出口端口优选地位于分离室的顶端处或靠近分离室的顶端处。用于促进固体去除的附加机械装置，例如旋转刮板，可包括在分离室中。

分离室还包括固体/流体混合物的入口端口，所述入口端口具有或限定入口端口矢量，该入口端口矢量是固体/流体混合物在分离室中引入的方向。入口端口可以看作分离室上的开口，优选地具有圆形形状，并且入口端口矢量可以具有与入口端口的轴线不同的方向。即，用于将固体/流体混合物引入分离室的入口管或导管可以与入口端口相关联或包括在入口端口中，并且入口端口矢量对应于入口管端部处的管道的轴线。这是固体/流体混合物的脱离点。最后，入口管可以通过入口端口插入分离室中，并且它可以在分离室中延伸直到接近分离室的内壁。入口端口矢量与分离室的至少一个壁相交，形成一系列入射角(α)，其在入口端口上变化。入射角优选为低入射角，从大于0°到小于45°，更优选从大于0°到小于30°，最优选在5°到30°的范围内。在可以识别入口端口的中心的情况下，入口端口矢量被认为应用于入口端口的中心。在入口管的示例性实施例中，入口端口矢量被认为在分离点处施加到入口管的轴线。或者，在入口端口具有无中心的不规则形状的情况下，分离室壁上的固体/流体混合物的入射角α被定义为固体/流体混合物在分离室壁上的最小和最大入射角之间的算术平均值。

固体/流体混合物通过入口端口以平均线速度引入分离室，该平均线速度具有沿入口端口矢量方向的平均线速度矢量，然后行进通过分离室，最终在入口端口矢量周围略微扩展形成羽流，直到在包括入口端口矢量和内壁的交叉点的冲击区域(150)处到达分离室的内壁。因此，冲击区域是直接被固体/流体混合物击中的、分离室的至少一个壁的一部分。在低入射角下，由于三角投影，即使在没有羽流膨胀的情况下，冲击区域也呈细长形状。分离室的壁将被击打在冲击区域位置处的壁上的固体/流体混合物逐渐磨蚀。因此，验证冲击区域的存在和位置的一种方法是使分离室运行足够长的时间以侵蚀分离室的至少一个壁，以形成不会因进一步侵蚀而增加的开口。另一种非破坏性的方法是在分离室的至少一个壁的内表面上沉积薄涂层，例如通过使用涂料，并操作分离室足够的时间以去除涂层。冲击区域将清楚地对应于内表面的一部分，其中涂层已被除去。

分离室和缓冲室在分离室的位置处连接，使得由缓冲室包围的分离室的部分包括可以通过在冲击区域处的磨蚀来产生的任何孔。因此，优选地，由缓冲室包围的分离室的部分至少具有冲击区域的尺寸，并且本领域技术人员知道如何考虑合适的设计余量以适应缓冲室所包围的区域，从而保持先前引入的固体/流体混合物的缓冲。例如，由缓冲室包围的分离室的部分可以围绕冲击区域延伸，以确保缓冲室包围可能被侵蚀的最大尺寸的孔。在每个方向上的这种延伸可以是不同的长度，其优选地比冲击区域描述的形状大超过1cm，更优选地大超过2cm，并且最优选地大超过5cm。发明人认为延伸长度没有上限，但出于避免浪费材料的原因，从连通端口边缘到缓冲室的边界壁在给定点的延伸长度是从连通端口的外部点沿着切线来测量的，如图6中的400所示，其与入口端口矢量相交并且在连通端口的边缘处与外壁相切。图6中410所示的延伸长度最好在0.1cm至500cm的范围内，优选在1cm至500cm的范围内，更优选的范围是2cm至500cm，最优选的是5cm至500cm。应注意，延伸长度不必在连通端口的周长周围是均匀的。在一个实施例中，由缓冲室包围的分离室的部分最初不具有任何开口，并且分离室和缓冲室不是流体连通的。因此，固体/流体混合物最初不会进入缓冲室。这种情况发生在所公开的装置制造有分离室的情况下，该分离室在与入口端口矢量的交叉处具有平壁。然后，在入口端口矢量和分离室的至少一个壁的交叉处形成分离室和缓冲室之间的连通端口。由于通过操作所公开的设备自动实现连通端口，因此它将对应于固体/流体混合物在至少一个壁上的冲击区域。值得注意的是，在分离室的壁被固体/流体混合物侵蚀之前，缓冲室作为改装件被添加到现有的用于分离固体/流体混合物的装置的情况下也会发生这种情况。分离装置最初包括没有缓冲室的分离室。

在另一个实施例中，分离室和缓冲室之间的连通端口包围冲击区域，并且其尺寸大于冲击区域。这通常对应于连通端口形成于入口端口矢量和分离室的交叉处而不是由侵蚀产生的情况下。图9显示了分离室的内部视图，其中连通端口(180)具有在分离室的壁(110)上形成的矩形形状，连通端口(180)包围冲击区域(150)并沿相同方向伸长。该图还显示了压实的生物质(310)和由固体/流体混合物(300)形成的羽流。在该图中，为清楚起见，还示出了缓冲室(200)。应注意，缓冲室的边界壁(210)延伸超出连通端口，也就是说，缓冲室的宽度和高度大于所示实施例中的连通端口的宽度和高度。通常设计连通端口时，考虑到分离室的构造和入口端口矢量。连通端口将具有允许的最大尺寸，这取决于其形状，并规定缓冲室适于在入口端口矢量和缓冲室的交叉处保持固体/流体混合物的缓冲。即，从对应于冲击区域的连通室开始并逐渐扩大连通端口的尺寸，先前引入的固体/流体混合物将逐渐被允许从包括在连通室的冲击区域和边界之间的连通端口的区域中由缓冲室中逃逸。

如在缓冲室的情况下，基于先前公开的缓冲室的工作原理，本领域技术人员可以例行地测试具有不同形状和尺寸的连通端口，以识别对应于特定构造的连通端口的最佳工作形状和尺寸，以及连通端口的最大允许尺寸。

优选地，连通端口以冲击区域为中心并且具有类似于冲击区域形状的形状。连通端口可以具有矩形形状，在冲击区域的相同方向上伸长。

在一些实施例中，连通端口的线性尺寸小于冲击区域的最大尺寸的3倍，更优选地小于冲击区域的线性尺寸的2倍，并且最优选地小于冲击区域的线性尺寸的1.5倍，并且包围冲击区域。连通端口的线性尺寸是连通端口周边任意两点之间的最大线性距离。相应地，冲击区域的线性尺寸是冲击区域周边的任意两点之间的最大线性距离。

在一些实施例中，连通端口具有的区域大于冲击区域并且小于冲击区域的5倍，优选地小于冲击区域的3倍，并且最优选地小于冲击区域的2倍并且包围冲击区域。

在另一个实施例中，通过固体/流体混合物对分离室壁的侵蚀来部分地形成和部分地产生连通端口。该实施例对应于形成的连通端口小于冲击区域，或者仅部分地阻拦冲击区域的情况。

在所公开的装置中，分离室和缓冲室之间的连通端口可以在或者可以不在入口端口矢量和分离室的交叉处形成，假如连通端口将在稍后阶段实现，连通端口优选地通过在冲击区域位置处的长时间侵蚀而获得。

根据本发明的另一个实施方案，公开了一种从固体/流体混合物中分离至少一种固体的方法，其中分离方法通过本说明书中公开的装置和方法进行。因此，在所公开的方法中，可以使用先前公开装置的任何实施例。

在所公开的分离方法中，固体/流体混合物以平均线速度通过分离室的入口端口引入分离装置中。固体/流体混合物可以通过入口管引入，该入口管与入口端口相关或包括在入口端口中。分离室中的固体/流体混合物可能略微发散，形成一种羽流，因此作为矢量的固体/流体混合物的局部速度也可能略微发散。进入分离室后固体/流体混合物整体的速度由平均速度矢量表示，该平均速度矢量优选平行于入口端口矢量。应该注意的是，平均速度矢量和入口端口矢量在固体/流体混合物离开入口端口并进入分离室并且自由形成羽流的点处，处于精确的路径上。尽管所公开的分离方法可以以中等速度分离固体/流体混合物，例如纸浆固体/流体混合物，但平均速度优选大于100m/s，更优选大于150m/s，最优选大于200m/s。平均速度优选小于分离室中的声速。

在进入分离室之后，固体/流体混合物将通过分离室行进到与缓冲室的连通端口，其中先前在缓冲室中引入的固体/流体混合物的缓冲物保持在入口端口矢量和缓冲室的交叉处。因此，引入的固体/流体混合物与先前引入的固体/流体混合物的缓冲物接触。应注意，接触可发生在缓冲室中，在缓冲室和分离室之间的连通端口处，或位于连通端口附近的分离室的区域中。因此，允许进入的固体/流体混合物和先前引入的固体/流体混合物的缓冲物相互作用。不受任何理论的限制，相信这种相互作用是先前引入的固体/流体混合物的湍流，例如涡流，其可以在缓冲室中或在连通端口处建立，从而提供固体/流体混合物的动态缓冲和/或固体/流体混合物的静态缓冲。其中，动态缓冲起到屏蔽作用，静态缓冲在缓冲室中连续形成并由进入的固体/流体混合物除去。

作为接触的结果，固体/流体混合物的速度大大降低，并且至少一部分流体将通过密度与固体/流体混合物分离。同样不受任何解释的限制，发明人认为固体/流体混合物的固体将以降低的速度进入分离室中，这可通过分离室内壁上不存在腐蚀来证明。通过固体/流体混合物的固体与流体之间密度差异的一般原理进行分离，并且可能涉及不同的机理。在一个实施方案中，分离在重力的作用下发生，其中较稠密的固体积聚在分离室的底端，其中它们可以通过任意固体出口端口从分离室中除去。可以通过分离室的任意流体出口端口移除至少一部分流体。如果流体是蒸汽，并且固体比蒸汽密集，则蒸汽逃逸到顶部。

在一个优选的实施方案中，固体/流体混合物以连续模式引入分离装置中，其中固体/流体混合物的流动不需要是时间常数，并且可以随时间变化。在该操作模式中，相信固体/流体混合物的连续缓冲保持在入口端口矢量和缓冲室的交叉处。

在另一个实施方案中，固体/流体混合物以脉冲模式引入分离装置中，并且存在不引入固体/流体混合物的瞬间。脉冲模式的特殊情况是循环模式，其中引入固体/流体混合物有一段时间间隔，该时间间隔是停止间隔的交替时间。在该操作模式中，相信固体/流体混合物的缓冲物在入口端口矢量和缓冲室的交叉处保持一定时间，之后将失去效力。因此，脉冲模式优选地以大于1Hz的频率操作。

优选的固体/流体混合物是木质纤维素生物质，其已经在分离装置上游的加压反应器中进行水热处理。优选的预处理包括在加压反应器中用蒸汽相的水热处理木质纤维素原料，并通过快速释放施加到原料上的压力使蒸汽爆破水热处理的原料。任选地，也可以在处理期间使用或添加化学催化剂。化学催化剂的实例是例如硫酸的无机酸或氨水。水热处理优选在130℃至230℃的温度下进行1分钟至1小时，优选1分钟至20分钟。加压反应器优选通过蒸汽在至少15巴的压力下加压，以获得原料的有效分解。加压反应器包括通过至少一个吹气管或导管连接到所公开的分离装置的出口，该吹气管或导管的端部优选地连接到入口端口，或者与入口端口相关联或包括在入口端口中。分离室中的压力小于加压反应器中的压力，使得固体/流体混合物可以在压力差的作用下从加压反应器流到分离装置。分离室中的压力优选为0.5巴至4巴，最优选为1巴至2巴。

在优选的实施方案中，加压反应器中的压力优选比分离室中的压力大至少8巴，并且施加到原料的压力突然释放，导致原料细胞快速膨胀或爆破以产生蒸汽爆破的固体/流体混合物。经蒸汽处理的木质纤维素生物质可在分离室的入口处或沿连接加压反应器和入口端口的吹气线路蒸汽爆破。

因此，固体/流体混合物的流体可包括液相或气相的水。可存在于固体/流体混合物中的其他流体可以是不可压缩流体(液体)、不可冷凝气体、可压缩气体和可包括挥发性有机化合物的其他化学蒸汽。

Claims (23)

1.一种用于从固体/流体混合物中分离至少一种固体的装置，所述装置包括分离室和缓冲室，其中所述分离室包括顶端、底端、至少一个壁和用于将固体/流体混合物引入分离室的入口端口，所述入口端口具有入口端口矢量，该入口端口矢量是固体/流体混合物进入分离室的方向，

其中缓冲室包括至少一个边界壁，并且在当分离室和缓冲室在入口端口矢量和分离室的至少一个壁的交叉处通过连通端口连接时，所述缓冲室适于在入口端口矢量和缓冲室的交叉处保持固体/流体混合物的缓冲。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述连通端口的区域至少是在没有连通端口的情况下，固体/流体混合物在分离室的至少一个壁上的冲击区域的大小。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的装置，其中，所述连通端口的至少一部分是通过由所述固体/流体混合物引起的所述至少一个壁的侵蚀而产生的。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，所述连通端口具有矩形形状。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中，所述入口端口矢量具有与所述至少一个壁的入射角，所述入射角的范围选自由从大于0°且小于45°和大于0°至小于30°构成的组。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其中，所述缓冲室呈盒子形状，包括平面边界壁。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的装置，其中，所述缓冲室具有至少一个弯曲的边界壁。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的装置，其中，固体/流体混合物是蒸汽处理的木质纤维素生物质。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述固体/流体混合物包含液相或汽相的水。

10.一种从固体/流体混合物中分离至少一种固体的方法，包括：

a.以平均线速度引入固体/流体混合物，所述平均线速度具有通过分离室的入口端口的平均线速度矢量，所述分离室包括至少一个壁，其中，所述分离室通过位于平均线速度矢量和分离室的至少一个壁的交叉处的连通端口连接到缓冲室，缓冲室包含先前引入的固体/流体混合物的缓冲物，其中入口端口矢量是固体/流体混合物进入分离室的方向；

b.使固体/流体混合物与先前引入的固体/流体混合物的缓冲物接触；

c.通过密度差将至少一部分流体从分离室中的固体/流体混合物分离。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述连通端口的区域至少为在没有所述连通端口的情况下，所述分离室的所述至少一个壁上的所述固体/流体混合物的冲击区域的大小。

12.根据权利要求10-11中任一项所述的方法，其中，所述连通端口具有矩形形状。

13.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，其中，所述平均线速度矢量具有与所述分离室的入射角，所述入射角的范围选自由大于0°至小于45°以及大于0°至小于30°组成的组。

14.根据权利要求10-13中任一项所述的方法，其中，所述缓冲室呈盒子形状，包括平面边界壁。

15.根据权利要求10-13中任一项所述的方法，其中，所述缓冲室具有至少一个弯曲的边界壁。

16.根据权利要求10-15中任一项所述的方法，其中，固体/流体混合物的平均线速度大于100m/s。

17.根据权利要求10-16中任一项所述的方法，其中，固体/流体混合物以连续模式引入。

18.根据权利要求10-16中任一项所述的方法，其中，固体/流体混合物以大于1Hz频率的脉冲模式引入。

19.根据权利要求10-18中任一项所述的方法，其中，固体/流体混合物是蒸汽处理的木质纤维素生物质。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述固体/流体混合物包含液相或汽相的水。

21.根据权利要求19-20中任一项所述的方法，还包括蒸汽爆破所述蒸汽处理的木质纤维素生物质。

22.根据权利要求10-21中任一项所述的方法，其中，所述入口端口连接到所述分离室上游的加压反应器，并且所述加压反应器中的压力比所述分离室中的压力大至少8bar。

23.根据权利要求10-22中任一项所述的方法，其中，分离室中的压力在0.5bar至4bar的范围内。