CN113366110A - 二乘二罐工艺及系统 - Google Patents

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Abstract

一种热水解液体衬底的方法和设备，所述液体衬底的干固体的含量在2‑30％之间。所述液体衬底用于厌氧发酵、分解或用于生产或提取甲烷或其它有用物质的其它工艺。所述方法和设备依赖于使用真空和多个碎浆机及一个或多个串联的闪蒸罐，以逐步分别预热和减压。

Description

二乘二罐工艺及系统
技术领域
本发明涉及采用热水解工艺(Thermal Hydrolysis Processes，THP)的方法和设备。该工艺分别利用碎浆机和闪蒸罐进行预热和减压。本发明还涉及使用热水解工艺(THP)改造现有设备的方法。
背景技术
热水解工艺(THP)是指在高温下处理湿或潮湿材料的过程，高温通常是指在140℃到220℃之间。在THP之后，可通过快速降低蒸汽分压实现蒸汽爆炸。
THP及其之后的蒸汽爆炸过程通常用于厌氧分解前的生物固体的预处理。然而，其他材料可以用同样的方式进行预处理，随后，可以通过其他多种下游工艺进行进一步加工。
热水解工艺(THP)可以设计为批量模式或连续模式。本发明的方法和设备与批量模式的THP和连续模式的THP均相关。此外，本发明的方法可用于新设备或者通过改造实施到已有的设备。该改造设计涉及安装相关的附加设备和进行相关的修改。
在THP中处理的材料称为“衬底”。用所需的蒸汽分压对衬底进行处理。在批量处理过程中，衬底在反应器中保持在所需条件下的时间称为“保留时间”。对于连续过程，平均反应器停留时间是一个根据整个过程的总吞吐量计算得出的值。
当衬底通过喷嘴从THP反应器排放到闪蒸罐时，衬底将经历快速的降压和蒸汽爆炸。这样可以打开细胞壁，分解有机材料，降低衬底的颗粒大小和黏性。蒸汽爆炸产生的闪蒸可用于在压力容器中对衬底进行预热，该压力容器可称为碎浆机。在反应器处理之前利用闪蒸对衬底进行预热，对实现高能源效率和低蒸汽消耗是重要的。
WO/1996/009882(US5888307)公开了有机材料的水解方法。其工艺既不涉及使用真空、低于常压的闪蒸也不涉及使用直接注入蒸汽来预热进料的工艺得到的闪蒸蒸汽。
WO/2011/006854公开了利用THP和蒸汽爆炸水解有机材料的方法，其中通过闪蒸得到的蒸汽返回到预热槽。该公开中的过程是使用高压下的液体或蒸汽在喷射器中产生动力流，使得在常压或者高压下，将进入吸入侧的蒸汽混合到排入容器的主流中。
本发明公开的工艺的不同之处在于，产生真空的系统对蒸汽不起效果，而是只针对非冷凝气体。如此，和WO/2011/006854公开的工艺相比，本发明中的产生真空的系统可以在低压、低温、低体积流率和低质量流率下工作。这样，和WO/2011/006854公开的工艺相比，本发明中公开的系统的更加节能，更耐用且更易于操作。
WO/2014/123426公开了利用THP和蒸汽爆炸进一步水解有机材料的方法。和WO/1996/009882(US5888307)类似，该工艺既不涉及使用真空、低于常压的闪蒸也不涉及使用直接注入蒸汽来预热进料的工艺得到的闪蒸蒸汽。
US2003121851公开了加入KOH和THP之后的脱水步骤来水解有机材料的方法。其中的闪蒸回收和WO/1996/009882中的类似，因此既不涉及使用真空、低于常压的闪蒸也不涉及使用直接注入蒸汽来预热进料的工艺得到的闪蒸蒸汽。
US6281300公开了水解有机材料的方法。其工艺不涉及真空的使用。另外，该工艺是为生产聚合物专门设计的，生产聚合物并不是本发明的目的。在本发明中，聚合物可以是被处理的衬底的一部分。另外，会发生一些聚合反应。然而，本发明的主要目的在于在下游工艺之前水解和蒸汽爆炸。下游处理的示例包括但不限于：脱水、酶处理、厌氧分解和发酵。
US2014120594公开了水解有机材料的方法，其重点是对木质原材料的预处理，用于生产发酵成“酒精”的糖类。该工艺可多达8个闪蒸阶段，并且闪蒸工艺可用于预热处理。即使提到了真空和低于常压的压力，这与试图浓缩被处理材料中的蒸发器有关。因此该真空和低于常压的压力不是用于直接蒸汽注入以预热进料。
US2018201517公开了水解有机材料的方法，并提及了被水解的衬底可以通过废热锅炉产生蒸汽。并未提及真空的使用，且其公开的工艺因为传热差、黏性水解衬底的结垢和污垢问题，需要大的受热表面。另外，该工艺不能在低于常压下生产蒸汽。相比之下，本发明通过使用直接蒸汽注入克服(或者说绕过)了上述传热、结垢污垢的问题。并且本发明使得在低于常压下利用蒸汽来预热衬底。
US2009032464公开了水解有机材料的方法，并提到了在真空条件下可以发生闪蒸。然而，在该工艺中闪蒸进入热交换器，该热交换器可起到冷凝冷却器的作用。其也公开了带有循环冷却/加热介质的闭环，用于预热衬底和干燥目的的热回收。与此不同的是，本发明是考虑利用闪蒸通过直接蒸汽注入来预热进料。
CA2992657公开了一个利用至少三个同步的THP反应器进行热水解衬底的过程。该公开未提及真空的使用，并且该工艺不涉及闪蒸蒸汽的使用，该闪蒸蒸汽是从在碎浆机中利用直接注入蒸汽来预热进料的工艺中得到的。
WO2013163998(A1)公开了一种在厌氧分解之前在高压下连续处理生物材料的方法，其中该生物材料通过压力差或者重力从进料装置转移到反应器。其未公开真空的使用，并且该工艺不涉及闪蒸蒸汽的使用，该闪蒸蒸汽是从在碎浆机中利用直接注入蒸汽来预热进料的工艺中得到的。
从上述现有技术中的相关方法和设备可以看出，它们大多数有一个预热步骤和一个闪蒸步骤，并且进工艺中的衬底的温度是在10-30℃，最常见的约为15℃。另外，现有技术中提及了多个闪蒸罐、真空和低于常压的压力，它们是和冷凝冷却器或者蒸发器相关的。该蒸发器用于试图浓缩处理的材料，因而它们并不是为了在保持低压的预热器中通过直接蒸汽注入来预热进料。因此，现有技术未公开一个涉及在低于常压下闪蒸的的方法，也未公开及闪蒸蒸汽的使用，该闪蒸蒸汽在保持低压以促进闪蒸蒸汽传递的预热器中通过直接蒸汽注入来预热进料得到的。
与现有技术相比，本发明依赖于利用真空系统、串联的至少两个碎浆机和两个闪蒸罐逐步分别预热和减压来去除非冷凝气体，并通过在两个碎浆机中均低于液位注入闪蒸蒸汽，从而将部分系统维持在低于常压下。可选的，如果在将液体排放到闪蒸罐之前，通过将闪蒸蒸汽从反应器的顶部空间转移到在更高温度工作的碎浆机中，直到各个容器实现平衡来使得反应器能够减压，这种情况下该系统适用于闪蒸罐的数量比碎浆机少一个的情况，但是至少是两个碎浆机和一个闪蒸罐。因此和现有技术相比，比如WO/2011/006854，本发明能够通过实现较低的蒸汽消耗来满足日益增长的能源消耗需求。
发明内容
如上所述，现有技术中的THP设备大多包括一个预热容器和一个闪蒸罐。除了利用预热系统将进料预热到高达50℃的情况，送入THP中的衬底温度大约为5-30℃，最常见的是15℃。因此，闪蒸罐内的蒸汽爆炸产生的闪蒸蒸汽通常会将碎浆机加热到85-100℃左右，最常见的是90℃左右。
另外，碎浆机通常维持在常压，因此进料温度比23-25℃左右稍高，该特定的温度取决于特定过程的比热损失，将导致碎浆机的沸腾和热能损失。可选地，碎浆机和闪蒸罐都保持在高于常压的状态，以防止碎浆机内的沸腾，但这也会导致热能损失，因为从THP排出的经过处理的衬底的温度较高。在极少数情况下，当大量的低温热量不被浪费而是可用时，在THP中处理之前，使用热水稀释生物废物，如食物垃圾，是有益的。这使得能受益于较低的衬底粘度，这是由于在THP处理之前能有较高的衬底温度，同时能够防止碎浆机沸腾。
相比之下，本发明使用串联的至少两个预热容器和两个串联的闪蒸罐分别逐步进行预热和减压。这些容器中的最佳温度和最佳压力取决于给THP中进料的温度。因此，当进料温度低于50℃、反应器中为165℃、一定的保持压力、在碎浆器容器中浸没大约3米的闪蒸蒸汽喷枪的条件下时，第二闪蒸罐和第一碎浆机中的压力均能通过使用和第一碎浆机链接的真空系统来维持低于常压。然而，本发明也考虑了第一预热容器中的压力低于常压，而第二预热容器中的压力高于常压的过程。例如，第二预热容器的压力为1.1barA压力，而第一预热容器的压力为0.8barA压力。这种情形可以在保持良好使用本发明的过程下，允许进料温度略高于50℃。因此本发明中的真空系统的方法及设备对于利用两个串联的预热容器和两个串联的闪蒸罐来降低蒸汽消耗是至关重要的。当衬底在正常温度范围(10-30℃)内，第一预热容器很好地保持在低于常压下以使得低温蒸汽从第二闪蒸罐转移到第一预热容器，同时，控制两个预热容器中的压力以阻止沸腾。
闪蒸通常是在两个预热容器中均以低于液位的水平注入。这可以确保蒸汽在液体中冷凝，而其他非冷凝的气体通过液体进入顶部空间。通过精心设计的注入点来注入闪蒸有助于在预热过程中混合衬底。然而，其它蒸汽注入的方法，比如机械混合也是可以的。这些方法，比如依赖于向管道中注入蒸汽，然后用机械混合来确保所有蒸汽完全冷凝。然而，由于硫化氢(H2S)和硫醇的存在，后者的系统易于泄露和磨损。温度压力变送器用于计算蒸汽和其他非冷凝气体在预热容器顶部空间内的分压。来自这些仪器的输入被用于控制从容器中释放气体的阀门。来自第二(热)预热容器中的气体在第一(冷)预热容器中被派到液位以下。这样可以保证与工艺气体一起携带的蒸汽用于第一容器的预热，第一预热容器内非冷凝气体的分压会被保持在期望的水平。第一预热容器顶部空间中非凝气体的期望分压取决于所使用的特定衬底和进料温度。由于预热容器中的总压较低，更多的闪蒸从与预热容器连接的闪蒸罐中回收，而由于蒸汽和非冷凝气体之间的比例增加，更多的热量损失给了真空系统。对不同原料在THP处理过程中释放的非冷凝气体量的测量表明，在大多数情况下非冷凝气体的最佳体积百分比在10～35％之间。在这个最佳状态下，对于真空系统的热损失和从闪蒸罐中回收的能量的函数的导数为零。模拟工艺的模型和在适用的设备中处理实时数据可以用来不断调整工艺设定值，以确保最佳的设备性能。
因此，本发明的目的在于提供工艺和设备，在涉及THP和蒸汽爆炸的工艺中，能够通过比现有技术的工艺更低的蒸汽消耗来优化蒸汽消耗。
本发明的另一个目的在于提供工艺和设备，在涉及THP和蒸汽爆炸的工艺中，能够通过比现有技术的工艺更低的蒸汽消耗来优化蒸汽消耗。该工艺通过改造可以简单容易的整合到现有的污水处理设备中。
最后，本发明的目的在于利用本发明的方法作为一种附加物，通过用冷进料和热排出液体来改造任意热水解过程。因此，本发明的方法可以与WO/2011/006854和WO/2014/123426等类似的热水解工艺相结合，以提高热回收，降低总能耗。
本发明解决了这些目标和其它目标。
因此，本发明的第一方面提供了一种水解液体衬底的方法。该衬底的干固体的含量在2-30％之间，优选地，在14-20％之间。该衬底的温度在10-30℃之间。液体衬底是用于厌氧发酵、分解或用于生产或提取甲烷或其它有用物质的其它工艺。该方法的特征在于：
a)将所述液体衬底传输至第一碎浆机，通过从下游闪蒸罐注入闪蒸蒸汽，在所述第一碎浆机中预热和混合所述液体衬底，所述第一碎浆机在40-90℃的温度和0.2-0.9barA压力下运行；
b)所述第一碎浆机(P1(a))的运行压力0.2-0.9barA，由真空系统(V(c))维持，以最大限度地冷凝所有可冷凝的蒸汽，所述所有可冷凝的蒸汽在通过所述第一碎浆机中的所述液体衬底时未冷凝；
c)所述蒸汽系统还能够最大限度地压缩所有剩余的非冷凝的蒸汽，所述真空系统与注入单元连接，所述注入单元能够向下游的厌氧分解、发酵和其它任何的工艺气体处理系统中注入所述非冷凝的蒸汽；
d)将预热后的所述液体衬底从所述第一碎浆机传输至第二碎浆机，所述第二碎浆机在90-135℃的温度和0.7-3.3barA的压力下运行，其中，通过从下游闪蒸罐注入闪蒸蒸汽来进一步混合和预热所述液体衬底；
e)将经过进一步预热的所述液体衬底从所述第二碎浆机传输至并行或串联工作的一个或多个反应器中，其中，在3.6-10barA的压力下，将所述液体衬底加热至140-180℃；
f)将所述液体衬底从并行或串联工作的所述一个或多个反应器传输至所述第一闪蒸罐，所述第一闪蒸罐在100-140℃的温度和1-3.6barA的压力下运行，由此发生减压，并由此将所述减压产生的闪蒸蒸汽传输至所述第二碎浆机，所述第二碎浆机在90-135℃的温度和0.7-3.3barA的压力下运行；
g)将所述液体衬底从所述第一闪蒸罐传输至第二闪蒸罐，所述第二闪蒸罐在70-100℃的温度和0.35-1barA的压力下运行；由此发生进一步减压，并由此，将所述第二闪蒸罐中的进一步减压产生的闪蒸蒸汽传输至所述第一碎浆机，所述第一碎浆机通过所述真空系统在40-90℃的温度和0.2-0.9barA的压力下运行。
和现有技术的工艺相比，上述方法通过实现低蒸汽消耗来增强和/或优化了蒸汽消耗。对于上述a)、b)、d)、e)及f)中设定的温度和压力，本领域技术人员很容易理解，在理想情况下，蒸汽的分压在温度为40℃、90℃、140℃时分别为0.07barA、0.7barA、3.6barA。同样地，在理想情况下，蒸汽的分压在温度为137℃，而不是135℃时，为3.3barA。就是说，设定的温度和压力并不遵循蒸汽的饱和线。然而，本发明的多个实施例的过程和方法将涉及到其它非冷凝气体的存在。为了考虑其它非冷凝气体可能存在，在一定程度上a)、b)、d)、e)及f)中设定的温度和压力可以有浮动。
在本发明第一方面的实施例中，上述方法的特征还在于，一个互联的蒸汽冷却器用于去除在低于所述第一碎浆机工作温度下可冷凝的任何蒸汽，并且所述真空系统用于最大限度冷凝所有可冷凝的蒸汽，这些可冷凝的蒸汽既未在经过所述第一碎浆机中的所述液体衬底时冷凝也未在所述互联的蒸汽冷却器中冷凝。
和现有技术的工艺相比，该实施例也通过实现低蒸汽消耗来增强和/或优化了蒸汽消耗。
在本发明的第二方面，提供了一种水解液体衬底的设备。该衬底的干固体的含量在2-30％之间，优选的，在14-20％之间。该衬底的温度在10-30℃之间。液体衬底是用于厌氧发酵、分解或用于生产或提取甲烷或其它有用物质的其它工艺。所述设备包括：
a)第一碎浆机，通过下游闪蒸罐注入闪蒸蒸汽，将所述液体衬底传输至所述第一碎浆机，预热并混合所述液体衬底，所述第一碎浆机在40-90℃的温度和0.2-0.9barA的压力下运行；
b)真空系统，用于维持所述第一碎浆机的运行压力为0.2-0.9barA，所述真空系统用于：
-最大限度冷凝所有可冷凝的蒸汽，所述所有可冷凝的蒸汽在通过所述第一碎浆机中的所述液体衬底时未冷凝；
-最大限度地压缩所有剩余的非冷凝的蒸汽和剩余的冷凝的蒸汽；
c)注入单元，用于向下游的厌氧分解或其它任何的工艺气体处理系统中注入所述非冷凝的蒸汽，所述工艺气体处理系统和所述真空系统相连；
d)第二碎浆机，将预热后的所述液体衬底从所述第一碎浆机传输至第二碎浆机，所述第二碎浆机在90-135℃的温度和0.7-3.3barA的压力下运行，其中，通过从下游闪蒸罐注入闪蒸蒸汽来进一步混合和预热所述液体衬底；
e)一个或多个反应器，所述反应器并行或串联工作，将经过进一步预热的液体衬底从所述第二碎浆机中传输至所述反应器，其中，在3.6-10barA的压力下将所述液体衬底加热至140-180℃；
f)第一闪蒸罐，将所述液体衬底从并行或串联工作的所述一个或多个反应器传输至所述第一闪蒸罐，所述第一闪蒸罐在100-140℃的温度和1-3.6barA的压力下运行；由此发生减压，并由此，所述减压产生的闪蒸蒸汽被传输至所述第二碎浆机，所述第二碎浆机在90-135℃的温度和0.7-3.3barA的压力下运行；
g)第二闪蒸罐，将所述液体衬底从所述第一闪蒸罐传输至所述第二闪蒸罐，所述第二闪蒸罐在70-100℃的温度和0.3-1barA的压力下运行；由此发生进一步减压，并由此，所述第二闪蒸罐的进一步减压产生的闪蒸蒸汽被传输至所述第一碎浆机，所述第一碎浆机通过所述真空系统，在40-90℃的温度和0.2-0.9barA的压力下运行。
和现有技术的工艺相比，上述设备通过实现低蒸汽消耗来增强和/或优化了蒸汽消耗。对于上述a)、b)、d)、e)及f)中设定的温度和压力，本领域技术人员很容易理解，在理想情况下，蒸汽的分压在温度为40℃、90℃、140℃时分别为0.07barA、0.7barA、3.6barA。同样地，在理想情况下，蒸汽的分压在温度为137℃，而不是135℃时，为3.3barA。就是说，设定的温度和压力并不遵循蒸汽的饱和线。然而，本发明的多个实施例的过程和方法将涉及到其它非冷凝气体的存在。为了考虑其它非冷凝气体可能存在，在一定程度上a)、b)、d)、e)及f)中设定的温度和压力可以有浮动。
在本发明第二方面的实施例中，上述设备还包括一个互联的蒸汽冷却器，用于去除在低于所述第一碎浆机的工作温度时可冷凝的所有蒸汽，其中，所述真空系统用于：
-最大限度冷凝所有可冷凝的蒸汽，这些可冷凝的蒸汽在经过所述第一碎浆机中的所述液体衬底时或者在所述互联的蒸汽冷却器中未冷凝，所述蒸汽冷却器用于去除在低于所述第一碎浆机的工作温度时可冷凝的所有蒸汽；
-最大限度压缩所有剩余的非冷凝的蒸汽。
和现有技术的工艺相比，本实施例通过实现低蒸汽消耗来增强和/或优化了蒸汽消耗。
本发明第一方面的任一实施例可以与第二方面的任一实施例组合。
本发明第三方面提供了一种用于更新现有热水解液体衬底的设备的方法。该衬底的干固体的含量在2-30％之间，优选地，在14-20％之间。该衬底的温度在10-30℃之间。液体衬底是用于厌氧发酵、分解或用于生产或提取甲烷或其它有用物质的其它工艺。该更新方法需要所述设备包括如下：
a)第一碎浆机，通过下游闪蒸罐注入闪蒸蒸汽，将所述液体衬底传输至所述第一碎浆机，混合和预热所述液体衬底，所述第一碎浆机在40-90℃的温度和0.2-0.9barA的压力运行；
b)真空系统，用于维持所述第一碎浆机的运行压力为0.2-0.9barA，所述真空系统用于：
-最大限度冷凝所有可冷凝的蒸汽，所述所有可冷凝的蒸汽在通过所述第一碎浆机中的所述液体衬底时未冷凝；
-最大限度压缩所有剩余的非冷凝的蒸汽；
c)注入单元，用于向下游的厌氧分解或其它任何的工艺气体处理系统中注入所述非冷凝的蒸汽，所述工艺气体处理系统和所述真空系统相连；
d)第二碎浆机，将预热后的所述液体衬底从所述第一碎浆机传输至第二碎浆机，所述第二碎浆机在90-135℃的温度和0.7-3.3barA的压力下运行，其中，通过从下游闪蒸罐注入闪蒸蒸汽来进一步混合和预热所述液体衬底；
e)一个或多个反应器，所述反应器并行或串联工作，将经过进一步预热的液体衬底从所述第二碎浆机中传输至所述反应器，其中，在3.6-10barA的压力下将所述液体衬底加热至140-180℃；
f)第一闪蒸罐，将所述液体衬底从并行或串联工作的所述一个或多个反应器传输至所述第一闪蒸罐，所述第一闪蒸罐在100-140℃的温度和1-3.6barA的压力运行；由此发生减压，并由此，所述减压产生的闪蒸蒸汽被传输至所述第二碎浆机，所述第二碎浆机在90-135℃的温度和0.7-3.3barA的压力下运行；
g)第二闪蒸罐，将所述液体衬底从所述第一闪蒸罐传输至所述第二闪蒸罐，所述第二闪蒸罐在70-100℃的温度和0.3-1barA的压力下运行；由此发生进一步减压，并由此，所述第二闪蒸罐中的进一步减压产生的闪蒸蒸汽被传输至所述第一碎浆机，所述第一碎浆机通过所述真空系统，在40-90℃的温度和0.2-0.9barA的压力下运行。
和现有技术的工艺相比，上述更新方法通过实现低蒸汽消耗来增强和/或优化了蒸汽消耗。对于上述a)、b)、d)、e)及f)中设定的温度和压力，本领域技术人员很容易理解，在理想情况下，蒸汽的分压在温度为40℃、90℃、140℃时分别为0.07barA、0.7barA、3.6barA。同样地，在理想情况下，蒸汽的分压在温度为137℃，而不是135℃时，为3.3barA。就是说，设定的温度和压力并不遵循蒸汽的饱和线。然而，本发明的多个实施例的过程和方法将涉及到其它非冷凝气体的存在。为了考虑其它非冷凝气体可能存在，在一定程度上a)、b)、d)、e)及f)中设定的温度和压力可以有浮动。
在本发明第三方面的实施例中，该更新方法还包括确保所述设备包括一个互联的蒸汽冷却器，用于去除在低于所述第一碎浆机的工作温度时可冷凝的所有蒸汽，所述真空系统用于：
-最大限度冷凝所有可冷凝的蒸汽，这些可冷凝的蒸汽在经过所述第一碎浆机中的所述液体衬底时或者在所述互联的蒸汽冷却器中未被冷凝，以去除在低于所述第一碎浆机的工作温度时可冷凝的所有蒸汽；
-最大限度压缩所有剩余的非冷凝的蒸汽。
和现有技术的工艺相比，该更新方法还可以通过实现低蒸汽消耗来增强和/或优化了蒸汽消耗。
本发明第一方面的任一实施例和第二方面的任一实施例可以和第三方面的任一实施例组合。
附图说明
图1-图2为根据本发明实施方法的设备的两个不同实施例。
图3-图4为利用气压泵根据本发明实施方法的设备的两个不同的特别优选的实施例。
具体实施方式
下面将根据附图1-4中使用的术语进一步详细描述本发明。
本发明涉及采用热水解工艺(Thermal Hydrolysis Processes，THP)和蒸汽爆炸的方法和设备。该方法和设备分别利用碎浆机和闪蒸罐进行预热和减压。本发明还涉及使用热水解工艺(THP)改造现有设备的方法。
如前所述，本发明利用真空，及串联的至少两个碎浆机和两个闪蒸罐分别用于逐步预热和减压。
在本发明的方法或设备中，单个容器的最佳温度和最佳压力取决于给THP中进料的温度。当进料温度低于50℃时，通过和第一碎浆机相连的真空系统，第二闪蒸罐和第一碎浆机中的压力能够保持低于常压。通常，向THP送料的温度大约为15℃，正常的范围在10-30℃之间，比如15-25℃。真空系统对于利用两个碎浆机和两个闪蒸罐来降低蒸汽消耗是至关重要的。当衬底在正常温度范围内时，第一碎浆机很好地保持在低于常压下以使得低温蒸汽从第二闪蒸罐转移到第一碎浆机。同时，控制两个预热容器中的压力以阻止沸腾。
闪蒸通常是在两个碎浆机中均以低于液位的水平注入。可以确保蒸汽在液体中冷凝，而其他非冷凝的气体通过液体进入顶部空间。温度压力变送器用于计算蒸汽和其他非冷凝气体在顶部空间内的分压。来自这些仪器的输入被用于控制从容器中释放气体的阀门。来自第二(较热)碎浆机中的气体在第一(较冷)碎浆机中被派到液位以下。这样可以保证与工艺气体一起的蒸汽用于第一碎浆机的预热，第一碎浆机内非冷凝气体的分压会被保持在期望的水平。第一碎浆机顶部空间中非冷凝气体的期望分压取决于所使用的特定衬底。
通常，在本发明中的方法或设备中，送至第一碎浆机的第一液体衬底的温度在10-30℃之间，如15-25℃，如20-25℃。根据环境温度和原料的不同，在第二碎浆机的下游的并行或串联的一个或多个的处理器中，水解温度在140-180℃之间，比如155-165℃，例如160℃左右。
从上文可明显看出，本发明的优选实施例提供了依赖于含有两个碎浆机和两个闪蒸罐的系统的方法和设备(新的或翻新的)。其中，第一碎浆机和真空系统相连。然而，本领域的技术人员很容易理解，具有相同技术特征的其它某些实施例，可以容易地通过对本发明的优选方法和设备(新的或翻新的)进行微小的改变而获得。即，依赖于含有两个碎浆机和两个闪蒸罐的系统的方法和设备，其中第一碎浆机和真空系统相连。这些附加实施例也属于本发明的范围内，下文将做进一步详细描述。
第一附加实施例是一个系统，包括两个碎浆机但只有一个闪蒸罐，和前文优选实施例中依赖于包括两个碎浆机和两个闪蒸罐且第一碎浆机和真空系统相连的系统相比，第一附加实施例中的系统能实现相同的低蒸汽消耗。这要求第一碎浆机与真空系统相连，并且需要连接反应器顶部空间与第二碎浆机的管道用于对反应器减压，直到在将液体衬底从反应器传输至闪蒸罐之前，反应器和第二碎浆机达到平衡。在这样的系统中，闪蒸罐的数量可以比碎浆机的数量少一个，因为与碎浆机和闪蒸罐数量为偶数的系统相比，该系统中的反应器起到了类似的作用，液体衬底以最大压力从反应器中转移出来。在这样的系统中，当蒸汽从反应器传输至碎浆机中的预热衬底时，反应器中的液体衬底会沸腾。因此，为了防止蒸汽进入闪蒸系统，该系统中的反应器顶部空间的容积较大，蒸汽传递速率较低是很重要的。所需的较大的顶部空间容积可导致可用反应器容积较低的使用效率，低的蒸汽传输速率可以提高每个反应器的循环时间，这些均能降低系统的容量。因此，使用偶数数量的碎浆机和闪蒸罐、将衬底以最大压力从反应器中排出是更加有效的。
增加闪蒸阶段的数量会降低整体蒸汽消耗。在工艺中若：a)进料为15℃且干燥固体含量为16.5％；b)所有闪蒸蒸汽注入点浸没于液位2米以下；c)反应器温度为165℃；d)非冷凝气体在第一碎浆机中贡献了0.1bar部分；c)周围无热量损失，则在使用3个闪蒸阶段的情况下，总的蒸汽消耗大约为530kg/每吨处理的干固体。相比而言，具有两个闪蒸阶段或者一个闪蒸阶段的工艺，在14barA压力下处理每吨干固体时，将分别消耗640和900kg的饱和蒸汽。对于上述条件的类似的工艺中，如果使用三个闪蒸阶段，第一碎浆机中的温度大概为43℃，如果使用两个闪蒸阶段，则温度为大约64℃。
大多数液体衬底的粘度随温度的升高而降低，随干燥固体含量的增加而增加。例如，对于污水处理设备中的污泥等衬底，将其从环境温度加热至约60℃，粘度通常会大大降低。当加热到更高的温度时，粘度会持续降低，但是降低的程度会变小。由于第一个碎浆机的温度较低，因此有必要以较低的干燥固体含量来操作该过程已将粘度维持在一个可维持的水平。和上述工艺类似的工艺条件下，当进料中干燥固体含量分别为13.8％和16.5％时，两个或三个闪蒸阶段的每吨处理的干燥固体的蒸汽消耗量相等。因此，如果需要降低进料中干燥固体的含量以保持粘度在可维持的水平，使用三个闪蒸阶段的益处将会丧失。
另外，本领域技术人员可知，可以使用热水稀释、热交换器等来对传入的液体衬底进行预热。如果进到第一碎浆机中的液体衬底的温度、应用到在第二碎浆机下游的一个或多个并行或串联工作的反应器的温度均较高时，第一碎浆机的温度通常会高于1barA。其中一个例子是，液体衬底被预热到40℃，含有少量非冷凝性气体，水解温度为220℃(23.2barA)。在这种情况下，第一碎浆机将在115℃和1.8barA左右运行。同样，在依赖于这样的操作条件的实施例中，本领域技术人员明显可知，本发明的至少某些有点仍然能够获得。因此，本发明也与依赖于串联的两个碎浆机和两个闪蒸罐的方法和/或设备有关，并且进料温度要足够高，以使第一碎浆机在在高于常压下运行。这种方法和/或装置的另一个示例是，该方法/装置依赖于温度约为65-70℃的进料、保留压力约为7barA的反应器。另外，和两个相比，使用串联的三个碎浆机和三个闪蒸罐是有益的。因为在这种情况下，也可以利用低于常压的蒸汽对任何传入的液体衬底进行预热。本发明和任何这类的方法和/或设备相关。
然而，根据本发明的方法或设备，在大多数情况下，由于液体衬底的温度和水解的温度分别低于40℃和180℃，使用串联的多于两个的碎浆机和多于两个的闪蒸罐并不适用。
在现有技术的工艺中，常规的真空冷却器能够利用真空压缩机在冷凝冷却器的下游制造真空。然后，冷凝器冷却器将然后除去可冷凝的蒸汽，因此真空压缩机能够在剩余的气体，即非冷凝气体上运行。在本发明的方法或设备中，真空压缩机不必处理所有的蒸汽，而只对非冷凝气体工作，因此只需执行很少的操作。根据本发明的方法或设备使用的冷凝冷却器可以采用不同的方式设计，例如板式热交换器、立式或卧式管式热交换器、降膜或冷凝器技术中众所周知的其他解决方案，如真空蒸发器。这些解决方案中常见的为，冷却剂需要冷却热表面，以间接冷却和冷凝的蒸汽。因此，本发明通过使用一个或多个额外的碎浆机，使冷的衬底和可冷凝蒸汽之间能够直接接触，在很大程度上避免了冷凝冷却器的需求。通过在碎浆机中的直接接触冷凝，冷基板预热，没有容易结垢的任何热的表面。本发明还避免了由于热交换器中结垢而导致热传导减少的问题。此外，由于没有热表面，热传导的问题被最小化。另外，在发酵过程，如厌氧分解生产甲烷之前，本发明最大限度地降低了对在热水解衬底上的传统冷却器的需求。
本发明的一个重要方面在于，与现有的THP设备运行的条件相比，是在较低的温度下回收热量。至关重要的是，被带回预热容器的所有蒸汽在待预热的衬底中冷凝。因为随着温度降低粘度升高，这在最低温度运行的第一碎浆机中更加具有挑战。然而，通过保证预热容器内衬底的有效混合，可以避免所谓的蒸汽隧道效应，即蒸汽从注入点通过液体表面流动。蒸汽密度随着压力的减小而减小。因此在大多数情况下，传输至第一预热容器的蒸汽体积是很大的。通过在精心设计的注入点注入蒸汽，这种效果可以被利用并用于在预热容器中混合衬底。尽管与现有的热水解工艺相比温度较低，这使得处理高粘性、高干燥固体含量，例如超过10％，的衬底成为可能。有效的混合不仅能保证将所有返回至预热容器的蒸汽冷凝，并且在下一步工艺之前对均质化衬底也很重要。因此，在反应器中的处理之前，均质化衬底也保证了更完整的水解。H2O蒸汽在冷衬底中的冷凝会导致由向内爆破引起的剧烈震动。向内爆破的严重程度是汽相中的压力、温度，气泡的尺寸，衬底中的温度的结果。较大的温度差异和压力差异能够引发最剧烈的震动。正常的降低蒸汽和液体之间的温差和压差的方法是利用减压机制来降低蒸汽中的压力。减压机制比如减压阀门，控制阀门或者其它任意类型的能导致蒸汽进料管压力下降的限制方法。在这些限制方法中，在闪蒸罐中经过闪蒸的蒸汽不会是干净的水蒸汽，会包含已知能导致结垢和阻塞的成分。与此不同的是，本发明的方法和设备在通过直接和冷的衬底接触，冷凝和碎浆机中注入，来去除H2O蒸汽和上述污染物之后，利用真空压缩机来降低压力和创建真空。该冷衬底的pH范围为3.5-8.5。因此，本发明的方法或设备没有采用上述减压机制来实现了减压，并做到了这样一个程度，即碎浆机可以在较低的温度下运行，达到最少的震动和保证较大程度的热回收。该温度一般为40-85℃，更通常的为50-70℃，进一步通常的为58-68℃。本发明的方法或设备的一个特定有用实施例的示例为，对pH值在7.0-8.5范围内的碱性衬底的处理。本发明的方法或设备的又一个特定有用实施例的示例为，对pH值在3.5-7.0范围内的衬底的处理。
对于大多数衬底，粘度随干燥固体浓度的增加而增加，随温度的升高而降低。原衬底如污泥的粘度通常在从室温加热到60-65℃时大幅降低。加热到更高温度时会导致粘度的进一步降低。本发明可以在高干燥固体浓度下操作。本领域技术人员可知，高的干燥固体浓度本身有助于蒸汽消耗在大概10-30％的幅度范围内的降低，该范围取决于衬底的特征。另外，和现有的THP技术相比，其本发明中的方法或设备中两个碎浆机和两个闪蒸罐降低了25-40％的总蒸汽消耗，该范围依赖于THP的进料温度。
本发明的另一个优选的实施例为，碎浆机包括蒸汽引入系统，该系统通过在真空条件下使用大量的蒸汽来实现高强度混合。这将引入本发明的另一个好处，因为第二个碎浆机会接收温度在大约50-80℃，更准确的说60-70℃的预热好的进料，这将降低混合的要求，并且与传统THP系统中碎浆机相比，设计体积减少。另外，这样机械混合的需求会降低。在某一实施例中无论使用哪种混合方式，都可以通过优化喷枪的方向和通过额外的泵送来增强混合。在特定的情况下，第一碎浆机通常接收温度为15℃的进料，该进料被加热到65℃。然后第二碎浆机接收温度为65℃的进料，然后该进料被加热至超过100℃。
本发明的方法或设备的又一个优选的实施例包括，利用压力差来将液体衬底转到第一碎浆机中和在不同的下游容器之间转移，即气压泵送。在一些实施例中，气压泵送被用于液体衬底转到第一碎浆机中和在不同的下游容器之间转移的所有步骤中。在其它实施例中，气压泵送仅被用于液体衬底转到第一碎浆机中和/或在不同的下游容器之间转移的某些步骤中。在后一种情况中，液体衬底的转移因此也能部分通过普通的泵(离心泵或螺杆泵)实现。
图3和图4为本发明中利用气压泵送的系统的优选实施例。
在本发明中的方法或设备中，气压泵送可以被认为是通过压力差来泵送衬底的加压的第一容器。该第一容器充满了待泵送的衬底，随后利用气体被加压。如果管道与压力低于第一容器的第二容器相连，则会导致衬底通过容器底部的管道被压出第一容器。
气压泵送的泵送一般优点包括：
a.无需机械能。
b.无活动部件与衬底接触，从而降低磨损，且降低通过密封等泄漏的风险。
c.较容易获得相对较高的压力(高于5barA)，可产生高的流速。
不论THP的配置如何，气压泵送的其它优点包括：
a.在分批次的THP中，衬底在受压容器之间不连续地移动。因此，气压泵送通常不能产生恒定的流量，这并不是什么缺点。
b.用于气压泵送的压力容器的体积等于所需的反应器的填充体积，因此给反应器的是已知的体积。这取代了THP仪器，以确保正确的反应器填充体积。
c.用于给气压泵送的加压容器加压的蒸汽取代了下游反应器中的蒸汽，结果就是下游反应器上游的气压泵送不影响THP过程的总蒸汽消耗。
d.较大的碎浆机体积有利于平衡温度波动。用于气压泵送的加压容器的体积可以被认为是碎浆机体积的一部分。较大的纸浆的优点是，温度更稳定，脉冲停留时间增加。衬底如污泥的粘度随着在碎浆机中的停留时间的增加而降低。
e.THP设备的容量增加，因为反应器可以比现有THP工艺中使用的机械泵更快地被填满。
f.通过气压泵送可以实现更高的流速，这可以使碎浆机内更好地混合。有了气压蛋，可以实现强劲的脉冲搅拌，脉冲搅拌能提供有效的混合和调匀碎浆机的温度
g.THP过程是利用接近沸点的液体操作的。因此，泵吸入侧的气穴现象是一个挑战。气压泵送不会像机械泵一样，面临气穴现象的挑战。
h.将用于气压泵送的加压容器简单地连接到真空系统上，加压容器会填充得更快。
专门用于具有两个碎浆机和两个闪蒸罐的THP过程的气压泵送的优点如下：
a.对于在沸点中心以低于或高于常压交替运行的泵来说，在旋转轴周围寻找垫片是一项挑战。与机械泵送相比，气压泵送对密封质量的要求较低，因此具有挑战性的操作条件也不会对系统的总体成本产生类似程度的影响。
b.使用两台碎浆机时，第一台碎浆机的温度较低。由于温度较低(第一个碎浆机中)，粘度较高，采用气压泵送的溶液更适合泵送高粘度衬底，比如污泥。
c.使用双碎浆机的系统，和常规系统相比，温度更高。找到能够承受第二碎浆机高温(110-130℃)的弹性体(用于容积式泵)是一项挑战。若使用气压泵送，这就不是一项挑战。这将带来进一步的好处，降低对反应器进料泵的需求。
因此，本发明提供了一种分别采用注入闪蒸和促进蒸汽闪蒸的逐步预热和冷却的连续或分批次水解材料的方法。此外，至少一个预热容器和至少一个降温容器通过互连管道被维持在常压以下。这使得在温度低于100℃时闪蒸蒸汽转移到预热槽中预热进料。在本发明的方法或设备的特别优选实施例中，液体衬底的转移通过气压泵送实现。
简而言之，本发明方法可描述如下：
a)液体衬底传输至碎浆机，通过注入闪蒸蒸汽预热，利用真空系统将碎浆机维持在低于常压。
b)真空系统包括任意类型的真空压缩机或者真空泵，作用于当经过预热碎浆机中的液体时没有冷凝的蒸汽，还包括蒸汽冷却器，用于去除低于碎浆机温度的蒸汽。
c)真空系统还压缩非冷凝蒸汽，真空系统一单元连接，该单元将非冷凝气体注入至下游的厌氧分解或其它生物处理过程中。
d)将衬底传输至第二预热碎浆机，该碎浆机维持在常压以下。
e)一个或多个反应器，衬底在反应器中以温度在140-220℃的范围被处理。在处于批量处理模式的设备中，通过将反应器连接至维持在低于常压的预热碎浆机的管道，反应器可间歇地置于真空状态下。第二预热碎浆机的工作压力高于常压。较高的压力可使碎浆机内部温度升高，从而降低粘度。由此产生的压力差可以在可接受的粘度下用于将液体材料传输到反应器而无需使用泵。然而，在底物粘度过高的情况下，使用泵来克服管道摩擦损失是可行的。和机械泵不同，气压泵被优选地用于碎浆机循环和将衬底转移到反应器。
f)在反应器中处理之后，衬底被传输至两个降压闪蒸罐中的第一个中。由于减压产生的闪蒸蒸汽被传输至两个预热碎浆机中的第二个，第二个碎浆机被维持在常压或高于常压。
g)第一降压闪蒸罐中的衬底被传输至第二降压闪蒸罐，第二降压闪蒸罐被维持在常压以下。在第二闪蒸罐中因减压产生的闪蒸蒸汽被传输至第一预热碎浆机，第一预热碎浆机通过创建真空的设备被维持在低于常压。
在热水解过程中，传统设备可用于在非冷凝气体和蒸汽上产生真空，以便于在低于常压的情况下将闪蒸蒸汽转移到预热的碎浆机中。
低压预热碎浆机上的真空系统可以和一单元相连，该单元将非冷凝气体注入到厌氧分解或者其它工艺气体的处理中。
在本发明方法或设备的又一优选实施例中，大量的低压蒸汽气泡低于大气压，尺寸减小为小尺寸的气泡，其尺寸为1-50mm，优选的，低于25mm，更优选的，低于10mm，以减少震动，最大限度的热回收和混合。
在本发明方法或设备的又一优选实施例中，两个预热碎浆机均可配备泵或搅拌器，以便在特别高粘度的情况下进一步混合。
在本发明方法或设备的又一优选实施例中，两个预热碎浆机均可配备衬底出口，其高于从第一或第二减压闪蒸罐回收闪蒸的注入点的水平。
在本发明方法或设备的进一步的优选实施例中，预热的碎浆机进料要么被引入至预热碎浆机的底部，或者与衬底尺寸减小、增加了冷衬底比表面积的分配系统结合，被引入至预热碎浆机液面上方；或者与衬底尺寸减小、增加了冷衬底比表面积的分配系统结合，被引入至预热碎浆机液面下方。
在本发明方法或设备的进一步的优选实施例中，通过控制系统监测温度、压力，并在计算出“错误压力”，即压力偏离了饱和线时打开阀门，来控制碎浆机内惰性气体的含量。
在本发明方法或设备的进一步的优选实施例中，热混合和传输单元用于将衬底在两个碎浆机，碎浆机a和碎浆机b之间传输，也可用于将衬底从碎浆机e传输至下游的反应器。
在本发明方法或设备的优选实施例中，该热混合和传输单元包括：
A)具有填充体积的容器，用于将衬底传输和填充到反应器中；
B)增加到容器顶部的蒸汽，用于增加压力；
C)阀门，用于关闭来自碎浆机的进料；
D)阀门，用于向下一个容器分配排放；
E)阀门，用于向碎浆机的底部分配排放，以使碎浆机中混合；
F)不使用泵，将热的衬底从碎浆机较高的填充水平，即高于50％，更优选的高于60％，及更优选的高于70％，带到碎浆机底部的较冷的衬底，以混合衬底的方法。
本发明方法或设备中的反应器可以串联或者并联。
在本发明特别优选的实施例中，在所有可冷凝的气体首先在用于预热衬底的高温碎浆机中被冷凝，随后在较低温度的碎浆机中预热较低温度的衬底和(可选地)蒸汽气体冷却器，之后在非冷凝气体上产生真空，以减小体积以产生真空并压缩非冷凝气体。
示例1
根据本发明的优选实施例的设备包括两个真空容器，一个在THP上游(碎浆机1(a))，一个在THP下游(闪蒸罐2(b))。这两个容器通过一个管道相连，该管道自闪蒸罐2(b))穿过分布在碎浆机1(a)中的喷枪。与碎浆机1(a)顶部空间相连的真空压缩机(c)，如液环压缩机在碎浆机的顶部空间产生真空。该真空压缩机产生的功作用于碎浆机1(a)和后续冷凝冷却器(d)中未冷凝的气体。来自闪蒸罐2(b)中的闪蒸蒸汽会被拉到碎浆机1(a)，并且在通过闪蒸蒸汽喷枪进入碎浆机1(a)的液相时冷凝。碎浆机1的蒸汽分压在0.2bar左右，意味着沸点在60℃左右，同时由于其它非冷凝气体的存在，总压会较高。一些蒸汽会跟随非冷凝气体，离开碎浆机1(a)，并在真空压缩机(c)上游的小冷凝冷却器中冷凝。这将减少真空压缩机(c)所需做的功，因为其仅作用于非冷凝气体。
虽然不是绝对必要，上述两个容器(碎浆机1和闪蒸罐2)可以互相叠加在一起，以得到紧凑和成本高效的解决方案。另外，通过彼此之间的叠加，可以实现重要的工艺优点，如：
-在上的闪蒸罐2，在位于最低水平时，能在分解进料泵的进口提供更高的压力；
-或者，在上的碎浆机1，在泵系统的入口提供更高的压力，以便将衬底从碎浆机1传输至碎浆机2；
-在连接的管道工程中缩短了距离，减小了压降。
图1和图2为随着热水解工艺的不同整合程度的两个不同技术方案。图2中使用真空以将衬底在不同容器直接传送，因此没有用泵。如果没有泵，则需对压力差进行彻底控制。另外，蒸汽喷枪需要优化，以达到良好的混合碎浆机容器。这均适用于碎浆机1(a)和碎浆机2(e)。也可以不使用反应器进料泵(n)。如果反应器的顶部空间和真空压缩泵(c)通过阀门(t)相连，也可不填充反应器，以在衬底填充时间内减小反应器中的压力。
衬底流变受衬底温度的影响。基本上，粘度随着温度的升高而降低。根据本发明操作设备的一个后果是，高温材料被送入碎浆机2(e)。碎浆机2的进料温度提高会导致操作过程中碎浆机2(e)内的温度升高。在较高温度时，流体更易于在容器之间移动，且反应器进料时间会更短。由于反应器进料时间是THP总循环时间的重要组成部分，总的THP容量将等量增加。在高温下操作的另一个好处是碎浆机2(e)更易于混合。
在给反应器(g)进料时，碎浆机2(e)是一个连续进料，间断排出的容器。间断的排出使得在一个循环中碎浆机2(e)的水平有必要发生一些变化。
闪蒸罐1(j)将在略高于碎浆机2(e)的温度下运行。基本上，压力差由碎浆机2(e)中闪蒸蒸汽喷枪(q)的高度，闪蒸蒸汽管道(ac)和闪蒸蒸汽喷枪(q)中的压降决定。
闪蒸罐2(b)将在略高于碎浆机1(a)的温度下运行。基本上，压力差由碎浆机1(a)中闪蒸蒸汽喷枪(s)的高度，闪蒸蒸汽管道(ab)和闪蒸蒸汽喷枪(s)中的压降决定。
示例2
在本示例中，本发明方法或设备中所需额外的碎浆机和闪蒸罐分别被称为碎浆机a和闪蒸罐b。本发明的THP设备还包括碎浆机e和闪蒸罐j，它们与现有THP设备中的容器类似。主要工艺流程图如下所示。
图1和图2显示了本发明系统的两个不同实施例。
碎浆机a
用于将非冷凝气体从碎浆机e中排出的所有通风管道将降至碎浆机a中的液位以下。碎浆机a会被配备真空泵，并处于系统中的最低压力。测量碎浆机a中顶部空间的温度和压力，来计算蒸汽和其它气体的分压。目的是为了控制碎浆机a中的总压，以阻止衬底沸腾，同时将非冷凝气体维持在一个低的水平。会有一条管道自闪蒸罐b的顶部空间到碎浆机a的液位以下。这是为了传输闪蒸蒸汽以预热碎浆机a中的衬底。在正常操作过程中，碎浆机的进料温度低于50℃，碎浆机a和闪蒸罐b均被维持在低于常压。预热的衬底将从碎浆机a转移到碎浆机e。对于低粘度材料，可以使用泵。然而，气穴现象的风险时显著的，泵的高度很关键。对于高粘度的衬底来说，这个问题变得非常重要。本发明包括一个热传输和混合单元，将取代泵。然而，可使用任意将衬底从碎浆机a传输至碎浆机e的方法，而不会对整个工艺产生任何负面影响。
热传输和混合单元是一个从碎浆机a接收热衬底的容器。由于冷衬底的比密度比热衬底高，所以最热的衬底会位于碎浆机的顶部部分。因此，碎浆机a通往热传输和混合单元的出口处于略低于最高液位的较高的水平。热的衬底会流向热传输和混合单元。一旦该热传输和混合单元被充满，其会关闭，且将蒸汽加到顶部加压。一旦加压，热的衬底会被传输到选定的容器。也可回收热的衬底至碎浆机中，用于碎浆机的混合。
热传输和混合单元自较低的碎浆机液位具有第二入口，以便在碎浆机未被填满时进行填充，并且为了在不将热传输和混合单元填满到最大液位时，在较低的液位时混合。
热传输和混合单元的体积已知，可用于通过配料进入反应器对反应器填充时的流量控制。
碎浆机e
用于将非冷凝气体从反应器中排出的通风管道将降至碎浆机e的液位以下。碎浆机e从碎浆机a接收衬底，从闪蒸罐j接收闪蒸蒸汽。在碎浆机e中预热的衬底会被送至反应器中。测量碎浆机e顶部空间的温度和压力来计算蒸汽和其它气体的分压。安装了管道将气体从碎浆机e的顶部空间排风至碎浆机a的液位以下。其目的是为了控制碎浆机e中的总压，以在维持其它气体浓度在较低水平时防止沸腾。碎浆机e中的温度和压力取决于给碎浆机a的进料温度和选定的反应器的温度。然而，在正常操作中，温度会远高于100℃，总压会远高于常压。
在批量处理过程中，在接收来自碎浆机e的衬底之前，反应器的总压会降至常压以下。这是通过自反应器顶部空间至碎浆机a的液位以下的通风管道来完成的。由此，碎浆机和反应器之间的压力差可用于在不使用泵的情况下将液体衬底传输至反应器。如果需要，且反应器的循环次数允许，可以用蒸汽对碎浆机e的顶部空间加压，以增大碎浆机e与接受衬底的反应器之间的压力差，便于反应器填充。如果需要，泵可用于反应堆填充，且对其余过程没有负面影响。不同于普通的泵，气压蛋可用于碎浆机的循环和反应器进料，例如，每个碎浆机安装一个气压蛋。在这种情况下，阀门会控制气压蛋给反应器进料或者将衬底循环至碎浆机混合。在填充气压蛋时，其顶部空间可和真空系统相连，以加快填充速度。气压蛋会被蒸汽加压，以便将其填充物排放到反应器或者循环回碎浆机进行混合。填充气压蛋，混合碎浆机，和给反应器进料的顺序是一个循序渐进的过程。
在开始或其他不寻常的情况，可能需要对碎浆机e内的液体衬底进行预热，或对容器的顶部空间加压，以便将衬底传输到反应器中。因此，在液面以下和液面以上配制实时蒸汽注入的碎浆机是有益的。
反应器f,g,h,i
反应器配备有蒸汽喷枪，用于将实时蒸汽注入至液体衬底中。另外，这些反应器还配备有阀门和用于将气体从顶部空间通风至碎浆机a的管道。同样的管道可用于在反应器填充之前，将反应器置于低于常压的状态。
总体性能
实际的蒸汽消耗、温度和压力依赖于多个因素。其中有些是进料的温度和组分，选定反应器的温度和压力，碎浆机蒸汽喷枪之上的液位，管道中的压力损失，周围环境的热量损失及动态效应。然而，可计算得出足够精确的总体性能。
在下方的表格中，一般容器的温度和压力用近似值表示。作为计算的基础，假定进料中的干燥固体含量为16.5％，进料温度为5、15、40℃，反应器温度为140、165、220℃。
计算中包含了一般的管道压力损失、非冷凝气体的影响和蒸汽注入点的液压。当损失较低时，碎浆机1和2中的温度和压力略高，而闪蒸罐1和2中的温度和压力略低。当损失较高时，碎浆机1和2中的温度和压力略低，而闪蒸罐1和2中的温度和压力略高。另外，如果需要的话，将蒸汽从碎浆机2中释放到碎浆机1中，以将碎浆机1加热到更高的温度。这会影响其它容器中的温度和压力。下方列出的数字是当设备在稳定运行时的实际平均温度和压力的例子。应注意，所示压力包括了非冷凝气体，温度四舍五入到最接近的整数，压力四舍五入至只包含一位小数。
Figure BDA0003188597280000241
Figure BDA0003188597280000251
Figure BDA0003188597280000261
Figure BDA0003188597280000271
在最典型的条件下，即进料温度15℃，反应器温度165℃，总蒸汽消耗大约分别为640kg/tDS或100kg/m3进料。这要比其它现有的为了实现热传递利用实时蒸汽注入的蒸汽爆炸热水解工艺的消耗低。利用低于常压的闪蒸蒸汽来预热使得低的蒸汽消耗成为可能。另外，利用压力差或者气压蛋来代替泵，给反应器填充能缩短填充时间。另外，预热至更高的温度能降低反应器中的蒸汽注入时间。和现有的THP设备相比，这两个因素有助于提到每个反应器体积的容量。
示例3
在世界上大多数的管辖区，需要定期检查含有压力容器的设备或系统，例如，每年检查一次。作为对包括压力容器的工业设施(如，本发明的设备或系统)进行认证的一部分。国家或地方法规可规定所需的具体检查频率。由于这种检查需要时间，本发明如示例1和2所述的设备将经历一定的停机时间，导致处理液体衬底的能力下降。在这种情况下，上述示例1或2中的设备或系统的稳定操作可这样实现：a)实施额外的元素/功能将一个或多个碎浆机和/或闪蒸罐单元的每一个安全隔离，以此操作模式简化，允许在安全条件下独立检查各个碎浆机和/或闪蒸罐单元；b)引入额外的旁路路线，如通过管道将每个单独的碎浆机和/或闪蒸罐单元排除在操作之外。上述额外的元素/功能和额外的旁路路线，如通过管道来保证上述示例1或2中的设备连续运行以防一个或多个碎浆机和/或闪蒸罐的失效或按计划停止，一个可能的实施包括如下：
-管道，允许将所述液体衬底直接传输到所述至少两个碎浆机P1(a)和P2(e)中的任一个，所述液体衬底的干固体含量在2-30％之间，温度低于50℃，所述管道配备有一个或多个关闭阀门，使得能够将具有2-30％的干固体含量和低于50℃的温度的所述液体衬底选择传输至所述至少两个碎浆机P1(a)和P2(e)中的一个；
-通过管道的连接，使得所述液体衬底从所述至少两个碎浆机(P1(a)and P2(e))中的一个传输至所述一个或多个反应器(R(f-i))中的任一个中；
-通过管道的连接，使得从所述一个或多个反应器(R(f-i))中的任一个到所述至少两个碎浆机(P1(a)and P2(e))中的任一个能够通风；
-通过管道的连接，使得所述液体衬底从所述一个或多个反应器(R(f-i))中的任一个传输至所述一个或多个闪蒸罐的任一个；
-通过管道的连接，使得所述真空系统(V(c))能够旁路。
当本发明的设备或系统在上述的简化的运行模式下运行时，设备的性能(对于一个系统或者具有2个碎浆机的设备)和传统的一个碎浆机-一个闪蒸罐系统的设备性能完全一致。
上述简化的运行模式的另一个选择是，任何单个反应器都可能被排除在运行之外，这将使设备在降低容量的情况下继续运行。无论如何，操作原理仍然与示例1和2中描述的相似。

Claims (19)

1.一种热水解液体衬底的方法，所述液体衬底的干固体的含量在2-30％之间，优选的，在14-20％之间；所述液体衬底的温度低于50℃，优选的，在10-30℃之间；所述液体衬底后续用于厌氧发酵、分解或用于在一个或多个反应器(R(f-i))中生产或提取甲烷或其它有用物质的其它工艺中；所述方法的特征在于：使用相同数量的闪蒸罐和碎浆机；串联的至少两个碎浆机(P1(a)和P2(e))和串联的至少两个闪蒸罐(F1(j)和F2(b))分别用于逐步预热和减压，所述方法的特征还在于：
a)将所述液体衬底传输至第一碎浆机(P1(a))，通过从下游闪蒸罐(F2(b))注入闪蒸蒸汽，在所述第一碎浆机(P1(a))中预热和混合所述液体衬底，所述第一碎浆机(P1(a))在40-90℃的温度和0.2-0.9barA压力下运行，所述下游闪蒸罐，在比所述第一碎浆机(P1(a))更高的压力下运行；
b)所述第一碎浆机(P1(a))的运行压力0.2-0.9barA，由真空系统(V(c))维持；
c)将预热后的所述液体衬底从所述第一碎浆机(P1(a))传输至第二碎浆机(P2(e))，所述第二碎浆机(P2(e))在90-135℃的温度和0.7-3.3barA的压力下运行，其中，通过从下游闪蒸罐(F1(j))注入闪蒸蒸汽来进一步混合和预热所述液体衬底，所述下游闪蒸罐，可在比所述第二碎浆机(P2(e))更高的压力下运行；
d)将经过进一步预热的所述液体衬底从所述第二碎浆机(P2(e))传输至并行或串联工作的一个或多个反应器(R(f-i))中，其中，在3.6-10barA的压力下，将所述液体衬底加热至140-220℃，优选的，140-180℃；
e)将所述液体衬底从并行或串联工作的所述一个或多个反应器(R(f-i))传输至第一闪蒸罐(F1(j))，所述第一闪蒸罐(F1(j))在100-140℃的温度和1-3.6barA的压力下运行，由此发生减压，并由此将所述减压产生的闪蒸蒸汽传输至所述第二碎浆机(P2(e))，所述第二碎浆机(P2(e))在90-135℃的温度和0.7-3.3barA的压力下运行；
f)将所述液体衬底从所述第一闪蒸罐(F1(j))传输至第二闪蒸罐(F2(b))，所述第二闪蒸罐(F2(b))在70-100℃的温度和0.35-1barA的压力下运行；由此发生进一步减压，并由此，将所述第二闪蒸罐(F2(b))中的进一步减压产生的闪蒸蒸汽传输至所述第一碎浆机(P1(a))，所述第一碎浆机(P1(a))通过所述真空系统在40-90℃的温度和0.2-0.9barA的压力下运行。
2.一种热水解液体衬底的方法，所述液体衬底的干固体的含量在2-30％之间，优选的，在14-20％之间；所述液体衬底的温度低于50℃，优选的，在10-30℃之间，所述液体衬底后续用于厌氧发酵、分解或用于在一个或多个反应器(R(f-i))中生产或提取甲烷或其它有用物质的其它工艺中，所述方法的特征在于：使用的闪蒸罐的数量比使用的碎浆机的数量少一个；串联的至少两个碎浆机(P1(a)和P2(e))和至少一个闪蒸罐(F)分别用于逐步预热和减压；所述方法的特征还在于：
a)将所述液体衬底传输至第一碎浆机(P1(a))，通过从下游闪蒸罐(F)注入闪蒸蒸汽，在所述第一碎浆机(P1(a))中预热和混合所述液体衬底，所述第一碎浆机(P1(a))在40-90℃的温度和0.2-0.9barA的压力下运行，所述下游闪蒸罐(F)在比所述第一碎浆机(P1(a))更高的压力下运行；
b)所述第一碎浆机(P1(a))的运行压力0.2-0.9barA由真空系统(V(c))维持；
c)将预热后的液体衬底从所述第一碎浆机(P1(a))传输至第二碎浆机(P2(e))，所述第二碎浆机(P2(e))在90-135℃的温度和0.7-3.3barA的压力下运行，其中，通过从下游的一个或多个反应器(R(f-i))注入闪蒸蒸汽进一步混合和预热所述液体衬底，下游的所述一个或多个反应器(R(f-i))在比所述第二碎浆机(P2(e))更高的压力下运行；
d)将经过进一步预热的液体衬底从所述第二碎浆机(P2(e))传输至并行或串联工作的一个或多个反应器(R(f-i))，其中，在3.6-10barA的压力下将所述液体衬底加热至140-220℃，优选的140-180℃；
e)通过将蒸汽从反应器顶部空间转移到所述第二碎浆机(P2(e))，直到并行或串联工作的所述一个或多个反应器(R(f-i))和所述第二碎浆机(P2(e))接近平衡，来对并行或串联工作的所述一个或多个反应器(R(f-i)减压，随后，将所述液体衬底从并行或串联工作的所述一个或多个反应器(R(f-i))传输至所述下游闪蒸罐(F)。
3.根据权利要求1或2中任一种所述的方法，其特征在于，在所述第一碎浆机(P1(a))和所述真空系统(V(c))之间互联的蒸汽冷却器(VC(d))，用于在低于所述第一碎浆机(P1(a))的运行温度下冷凝和去除可冷凝的所有蒸汽。
4.根据权利要求1至3中任一种所述的方法，其特征在于，所述方法包括对所述第一碎浆机(P1(a))的顶部空间中的剩余非冷凝气体进行压缩的步骤，所述非冷凝气体在所述第一碎浆机(P1(a))和互联的所述蒸汽冷却器(VC(d))中均未冷凝，所述方法还包括将压缩后的所述非冷凝气体注入厌氧分解或其它任何的气体处理方法中的步骤。
5.根据权利要求1至4中任一种所述的方法，其特征在于，所述液体衬底在碎浆机、反应器、闪蒸罐等之间的传输，至少部分是通过气压泵送来实现的。
6.一种热水解液体衬底的设备，其特征在于，所述液体衬底的干固体的含量在2-30％之间，优选的，在14-20％之间，所述液体衬底的温度低于50℃，优选的，在10-30℃之间，所述液体衬底后续用于厌氧发酵、分解或用于生产或提取甲烷或其它有用物质的其它工艺中，所述设备包括相同数量的闪蒸罐和碎浆机，并且包括：
-直接或间接串联互联的至少两个碎浆机(P1(a)和P2(e))，
-真空系统(V(c))，通过管道互联到至少两个碎浆机中的一个碎浆机(P1(a))，
-并行或串联工作的一个或多个反应器(R(f-i))，通过管道互联到至少两个碎浆机中的一个碎浆机(P2(e))，所述碎浆机(P2(e))未互联到所述真空系统(V(c))；
-至少两个闪蒸罐(F1(j))和F2(b))：
-直接或间接串联互联；
-其中的第一闪蒸罐(F1(j))通过管道互联到并行或串联工作的所述一个或多个反应器(R(f-i))；
-其中的每个闪蒸罐和所述至少两个碎浆机(P1(a)和P2(e))中的一个通过管道独立互联；
-其中的每个闪蒸罐都能独立地在高于至少所述至少两个碎浆机(P1(a)和P2(e))中的一个碎浆机的压力下工作；
并且其中：
a)通过与所述第一碎浆机(P1(a))单独互联的下游的所述至少两个闪蒸罐中的一个闪蒸罐(F2(b))注入闪蒸蒸汽，可使所述第一碎浆机(P1(a))在40-90℃的温度和0.2-0.9barA的压力下运行；
b)所述真空系统可将所述第一碎浆机(P1(a))维持在0.2-0.9barA下运行；
c)通过单独互联的下游的所述至少两个闪蒸罐中的一个闪蒸罐(F1(j))注入闪蒸蒸汽，可使所述第二碎浆机(P2(e))在90-135℃的温度和0.7-3.3barA的压力下运行；
d)并行或串联工作的所述一个或多个反应器(R(f-i))可在140-180℃的温度和3.6-10barA的压力下运行；
e)所述液体衬底可从并行或串联工作的所述一个或多个反应器(R(f-i))传输至所述第一闪蒸罐(F1(j))，所述第一闪蒸罐(F1(j))在100-140℃的温度和1-3.6barA的压力下运行，由此发生减压，并由此，所述减压产生的闪蒸蒸汽可被传输至所述第二碎浆机(P2(e))，所述第二碎浆机(P2(e))在90-135℃的温度和0.7-3.3barA的压力下运行；
f)所述液体衬底可从所述第一闪蒸罐(F1(j))传输至所述第二闪蒸罐(F2(b))，所述第二闪蒸罐(F2(b))在70-100℃的温度和0.35-1barA的压力下运行，由此发生进一步减压，并由此所述第二闪蒸罐(F2(b))中的进一步减压产生的闪蒸汽可被传输至所述第一碎浆机，所述第一碎浆机通过所述真空系统在40-90℃的温度和0.2-0.9barA的压力下运行。
7.一种热水解液体衬底的设备，其特征在于，所述液体衬底的干固体的含量在2-30％之间，优选的，在14-20％之间，所述液体衬底的温度低于50℃，优选的，在10-30℃之间，所述液体衬底用于厌氧发酵、分解或用于生产或提取甲烷或其它有用物质的其它工艺中，所述设备中的碎浆机的数量比闪蒸罐的数量多一个，并且包括：
-直接或间接串联互联的至少两个碎浆机(P1(a)和P2(e))；
-真空系统(V(c))，通过管道互联到所述至少两个碎浆机中的一个碎浆机(P1(a))；
-并行或串联工作的一个或多个反应器(R(f-i))，通过管道互联到所述至少两个碎浆机中的一个碎浆机(P2(e))，所述碎浆机(P2(e))未互联到所述真空系统(V(c))；
-至少一个闪蒸罐(F)：
-通过管道互联到并行或串联工作的所述一个或多个反应器(R(f-i))；
-通过管道互联到至少两个碎浆机中的一个碎浆机(P1(a))；
-能在高于与之通过管道单独互联的至少两个碎浆机中的一个碎浆机(P1(a))的压力下运行；
并且其中：
a)通过从与所述第一碎浆机(P1(a))互联的下游的所述闪蒸罐(F)，注入闪蒸蒸汽，可使所述第一碎浆机(P1(a))在40-90℃的温度和0.2-0.9barA的压力下运行；
b)所述真空系统可将所述第一碎浆机(P1(a))维持在0.2-0.9barA的压力下运行；
c)所述第二碎浆机(P2(e))可在温度为90-135℃，压力为0.7-3.3barA下运行；
e)并行或串联工作的所述一个或多个反应器(R(f-i))可在140-220℃的温度，优选的，140-180℃的温度下，3.6-10barA的压力下运行；
f)通过将蒸汽从反应器顶部空间传输到所述第二碎浆机(P2(e))，直到并行或串联工作的所述一个或多个反应器(R(f-i))和所述第二碎浆机(P2(e))接近平衡，来对并行或串联工作的所述一个或多个反应器(R(f-i))减压，随后，将所述液体衬底从并行或串联工作的所述一个或多个反应器(R(f-i))传输至所述下游闪蒸罐(F)。
8.根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于，还包括一个蒸汽冷却器(VC(d))，在所述第一碎浆机(P1(a))和所述真空系统(V(c))之间互联，所述蒸汽冷却器(VC(d))可在低于所述第一碎浆机(P1(a))的工作温度下运行，从而能够去除在所述第一碎浆机(P1(a))中未冷凝的冷凝蒸汽。
9.根据权利要求6至8中任一种所述的设备，其特征在于，包括在所述第一碎浆机(P1(a))顶部空间压缩剩余非冷凝气体的装置，所述剩余非冷凝气体在所述第一碎浆机(P1(a))和互联的所述蒸汽冷却器(VC(d))中均未被冷凝，所述水解液体衬底的设备还包括将压缩后的非冷凝气体注入厌氧分解或其它任何气体处理方法的装置。
10.根据权利要求6至9中任一种所述的设备，还包括用于通过气压泵送至少部分传输所述液体衬底的容器。
11.根据权利要求6至10中任一种所述的设备，其特征在于，还包括：
-管道，允许将所述液体衬底直接传输到所述至少两个碎浆机(P1(a)和P2(e))中的任一个，所述液体衬底的干固体含量在2-30％之间，温度低于50℃，所述管道配备有一个或多个关闭阀门，使得能够将具有2-30％的干固体含量和低于50℃的温度的所述液体衬底选择传输至所述至少两个碎浆机(P1(a)和P2(e))中的一个；
-通过管道的连接，使得所述液体衬底从所述至少两个碎浆机(P1(a)和P2(e))中的任一个传输至所述一个或多个反应器(R(f-i))中的任一个中；
-通过管道的连接，使得从所述一个或多个反应器(R(f-i))中的任一个到所述至少两个碎浆机(P1(a)和P2(e))中的任一个能够通风；
-通过管道的连接，使得所述液体衬底从所述一个或多个反应器(R(f-i))中的任一个传输至所述一个或多个闪蒸罐的任一个；
-通过管道的连接，使得所述真空系统(V(c))能够旁路。
12.一种翻新现有热水解液体衬底的设备的方法，其特征在于，所述液体衬底的干固体的含量在2-30％之间，优选地，在14-20％之间，所述液体衬底的温度低于50℃，优选地，在10-30℃之间，所述液体衬底是用于厌氧发酵、分解或用于生产或提取甲烷或其它有用物质的其它工艺，所述翻新方法确保所述设备包括根据权利要求6所述的设备的至少一个特征。
13.一种翻新现有热水解液体衬底的设备的方法，其特征在于，所述液体衬底的干固体的含量在2-30％之间，优选地，在14-20％之间，所述液体衬底的温度低于50℃，优选地，在10-30℃之间，所述液体衬底是用于厌氧发酵、分解或用于生产或提取甲烷或其它有用物质的其它工艺，所述翻新方法确保所述设备包括权利要求所述的设备的至少一个特征。
14.根据权利要求12或13的翻新方法，其特征在于，所述方法还包括确保所述设备包括，在所述第一碎浆机(P1(a))和所述真空系统(V(c))之间互联的蒸汽冷却器(VC(d))，所述蒸汽冷却器(VC(d))在低于所述第一碎浆机(P1(a))的工作温度下运行，从而能够去除在所述第一碎浆机(P1(a))中未冷凝的冷凝蒸汽。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的翻新方法，其特征在于，还包括确保所述设备包括，对所述第一碎浆机(P1(a))的顶部空间中的剩余非冷凝气体进行压缩的步骤，所述非冷凝气体在所述第一碎浆机(P1(a))和所述互联的蒸汽冷却器(VC(d))中均未冷凝；所述方法还包括将压缩后的非冷凝气体注入厌氧分解或其它任何的气体处理方法中的步骤。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的翻新方法，其特征在于，所述液体衬底的传输是至少部分通过气压泵送利用热传输和混合单元来实现的，所述热传输和混合单元连接到对所述单元的容器加压的实时蒸汽系统，并可能连接到与产生真空的系统以提高所述单元的的所述容器的填充速度，并且其中，所述单元的所述容器配置为将所述液体衬底排放到反应器或者将所述液体衬底返回到预热容器。
17.根据权利要求16所述的翻新方法，其特征在于，所述热传输与混合单元的体积等于期望的反应器的填充体积。
18.根据权利要求17所述的翻新方法，其特征在于，所述热传输与混合单元用于测量反应器填充。
19.根据权利要求12至14中任一项所述的翻新方法，其特征在于，还包括确保所述设备包括：
-管道，允许将所述液体衬底直接传输到所述至少两个碎浆机(P1(a)和P2(e))中的任一个，所述液体衬底干固体含量在2-30％之间，温度低于50℃，所述管道配备有一个或多个关闭阀门，使得能够将具有2-30％的干固体含量和低于50℃的温度的所述液体衬底选择传输至所述至少两个碎浆机(P1(a)和P2(e))中的一个；
-通过所述管道的连接，使得所述液体衬底从所述至少两个碎浆机(P1(a)和P2(e))中的一个传输至所述一个或多个反应器(R(f-i))中的任一个中；
-通过所述管道的连接，使得从所述一个或多个反应器(R(f-i))中的任一个到所述至少两个碎浆机(P1(a)和P2(e))中的任一个能够通风；
-通过所述管道的连接，使得所述液体衬底从所述一个或多个反应器(R(f-i))中的任一个传输至所述一个或多个闪蒸罐的任一个；
-通过所述管道的连接，使得所述真空系统(V(c))能够旁路。
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