ES2403504T3 - Aparato y método para el mezclado rápido de medios - Google Patents

Abstract

Un aparato para procesar al menos dos medios, comprendiendo el procesamiento un ahuecamiento y mezclado,comprendiendo el aparato: * una envuelta (108) que tiene al menos una entrada (109) para un primer medio, * unos medios giratorios (111) dentro de la envuelta (108), comprendiendo dichos medios giratorios unossalientes (401), en donde dichos salientes comprenden elementos de procesamiento, y generando dichosmedios giratorios (111) unas zonas de mezclado mientras giran, * al menos una entrada (202) para alimentar un segundo medio a dichas zonas de mezclado, * unos canales (306) que están situados en dichos medios giratorios (111) para dosificar/inyectar dichosegundo medio dentro de dichas zonas de mezclado, * al menos una entrada (209) para dicho primer medio después de ser mezclado con dicho segundo medio,en donde dicha entrada (109) para dicho primer medio está adaptada para hacer avanzar el primer medio hacia losmedios giratorios (111) en una dirección que es paralela, o sustancialmente paralela, a un radio de los mediosgiratorios (111), caracterizado porque * dichos medios giratorios (111) comprenden una serie de discos (505) y separadores (501) apiladosalternadamente, * porque cada separador (501) comprende un cierto número de escotaduras (502) que se extiendenradialmente y que se inician en un reborde interior (503) y se extienden hacia, pero no hasta, un rebordeexterior (504), * porque cada disco (505) comprende un cierto número de escotaduras (506) que se extienden radialmente,siendo dicho número igual al número de escotaduras (502) que se extienden radialmente en cada separador(501), iniciándose en una posición radial (507) y extendiéndose hacia fuera del reborde interior (508) y haciael reborde exterior (509) de los discos (505), * y porque los separadores (501) y los discos (505) están apilados de modo que el extremo de lasescotaduras (502) de los separadores (501) esté situado por debajo del comienzo de las escotaduras (506)de los discos (505), con lo que se forman los canales (306) extendiéndose desde el reborde interior (503) delos separadores (501) hasta el reborde exterior (509) de los discos (505).

Description

Aparato y método para el mezclado rápido de medios.

CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un procesamiento y un aparato para procesar, tal como ahuecar y mezclar, al menos dos medios, tales como un sólido, por ejemplo biomasa, y un fluido, por ejemplo vapor, con el fin de hacer al primer medio susceptible de recibir eficientemente la energía y/o masa que se proporciona por la liberación localizada del segundo medio.

Aunque la descripción de la presente invención se enfoca en la biomasa, se contempla que la invención sea generalmente aplicable para controlar el mezclado de al menos dos medios cruzando sus corrientes, al tiempo que se dispersa al menos uno de ellos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN De entre los combustibles derivados de la biomasa vegetal, el etanol ha recibido una atención particular como reemplazo o suplemento sustancial de productos derivados del petróleo. La producción de etanol a partir de biomasa se obtiene normalmente a través del proceso de fermentación de materia prima biológica rica en azúcar o almidón, tal como cereales, caña de azúcar o maíz, también denominada bioetanol de primera generación.

Para minimizar el coste de producción y aumentar el potencial de bioetanol producido a partir de biomasa, es crucial usar biomasa lignocelulósica en forma de subproductos de bajo coste procedentes de la jardinería, agricultura, silvicultura, desechos forestales, industria de la madera y similares; así, por ejemplo, materiales tales como pajas, espigas de maíz, serrín y virutas de madera. El etanol producido a partir de este tipo de biomasa también se denomina bioetanol de segunda generación.

La biomasa lignocelulósica contiene polímeros de azúcar en forma de hemicelulosas y celulosa. Antes de que estos azúcares puedan ser fermentados como etanol, se han de descomponer los polímeros de azúcar en sus monómeros de azúcar. Una manera común de descomponer polímeros es usar hidrólisis enzimática. Para aumentar la disponibilidad de la biomasa frente a las enzimas, la biomasa lignocelulósica experimenta a menudo un tratamiento previo termoquímico. Siguiendo un enfoque termoquímico, semejante proceso requiere a menudo que la temperatura de la materia biológica se eleve hasta una temperatura por encima de la temperatura de ebullición del líquido en el que está contenida la materia biológica. Por tanto, a menudo se tiene el problema de presurizar una papilla o pasta que contiene la material biológica de modo que pueda aumentarse la temperatura hasta temperaturas por encima de la temperatura de ebullición del líquido, manteniendo al mismo tiempo el fluido en un estado líquido. Cuando se toma en consideración este problema dentro de la preparación de la fermentación de biomasa, la temperatura de la papilla o pasta que contiene la material biológica necesita estar a alrededor de 140-200ºC con el fin de que se pueda realizar el proceso de preparación, y esta es la cuestión de producir suficiente energía de activación dentro del material.

Otro problema, que es particularmente relevante en biomasa, es la tasa de cambio de la temperatura de la papilla o pasta que contiene la materia biológica. Se ha encontrado que la tasa de cambio de la temperatura deberá ser tan alta como sea posible para reducir el tiempo a una temperatura elevada con el fin de disminuir la cantidad dereacciones químicas colaterales no deseadas. Óptimamente, deberá reducirse el tiempo a una temperatura elevada hasta sólo el tiempo necesario para que tengan lugar las reacciones deseadas a la temperatura deseada.

Un problema relevante particular que se ha de solucionar es evitar un sobrecalentamiento de la papilla o pasta que contiene la materia biológica. Tal sobrecalentamiento significa que la papilla o pasta es calentada hasta una temperatura por encima de la temperatura deseada que se persigue. Tal sobrecalentamiento da como resultado que puedan ocurrir reacciones colaterales no deseadas que rebajen la calidad de la papilla o pasta preparada. A menudo, el sobrecalentamiento es el resultado de aplicar localmente calor a la papilla o pasta mediante, por ejemplo una superficie de calentamiento que se calienta hasta una temperatura por encima de la temperación de reacción deseada con el fin de producir conducción de calor a través de la papilla o pasta basándose en un gradiente de temperatura. En otra situación, que tiende a limitar el asunto del sobrecalentamiento, se usa a menudo vapor para calentar la papilla o pasta y se introduce éste como vapor dentro de un reactor, y la condensación del vapor tiende a limitar la transferencia de calor y el sobrecalentamiento.

Sin embargo, tal introducción de vapor requiere un tiempo de calentamiento largo, dado que, a menudo, las partículas que se han de calentar tienden a aglomerarse y, por ello, si ocurre tal aglomeración el volumen total de las partículas aglomeradas aumenta menos que la superficie total de las partículas aglomeradas, es decir, se reduce la relación volumen a superficie debido a la aglomeración.

Además, el transporte del calor dentro de las partículas está gobernado por el gradiente de temperatura en la superficie de las partículas y es, por ello, un objetivo hacer este gradiente tan pronunciado como sea posible.

Dado que, en principio, una difusión de masa es gobernada por las mismas medidas, las consideraciones anteriores también son relevantes para la difusión de masa en partículas.

Otro problema, particularmente relevante es que en muchos de los procesos conocidos se realiza un trituración/reducción a partículas de la materia prima mediante un proceso en el que la energía consumida se disipa desde la materia prima hacia las proximidades. Esto es debido al hecho de que generalmente el trituración/reducción a partículas de la materia prima se realiza aguas arriba del proceso de calentamiento provocando una pérdida relevante de energía de procesamiento.

El documento US 5.590.961 describe un método de inyectar un primer fluido dentro de un segundo fluido para proporcionar un aumento rápido de temperatura del segundo fluido evitando la destrucción de propiedades funcionales del segundo fluido.

El documento US 4.303.470 describe un procesamiento y un aparato según el preámbulo de la reivindicación 1 para mezclar un producto químico con una pasta de madera. En un ejemplo, el producto químico es oxígeno que es llevado hasta los rotores de un mezclador a través de tuberías. A su vez, unos pasadizos radiales llevan el oxígeno hasta el colector exterior y la pasta a través de un pasadizo central del cuerpo del rotor. El uso del aparato está limitado al mezclado de productos químicos y pasta de madera, dado que no están presentes elementos de corte, trituración, y pulverización.

El documento US 2006/120212 A1 describe un dispositivos de agitación y mezclado que tiene una tubería de introducción que comprende una lumbrera de introducción de polvo, al menos una lumbrera de introducción de líquido que está dispuesta por debajo de las proximidades de la lumbrera de introducción de polvo, un alimentador que transporta polvo y una mezcla de polvo y líquido, y una fuente de accionamiento de rotación oscilatoria que hace girar el alimentador de una manera oscilatoria.

El documento EP 0 370 181 A1 describe un mezclador anular para el humedecimiento de materia sólida, en particular para el humedecimiento de material fibroso con un agente aglutinante, en el que está dispuesta una serie de dispositivos de corte, aguas abajo de una zona de humedecimiento y una zona de mezclado secundario subsiguiente y aguas arriba de una salida, en un plano radial con respecto al eje, para la separación fiable de terrones.

El documento EP 1 847 621 A1 describe un procesamiento para la producción de azúcares sencillos a partir de un material de celulosa, que comprende los pasos de alimentar un flujo continuo del material de celulosa, o una mezcla compuesta por el material de celulosa y agua, a un turborreactor que comprende un cuerpo tubular cilíndrico de eje horizontal, provisto de al menos una abertura para introducir el material de celulosa o la mezcla y reactivos, al menos un abertura de descarga del material tratado y un rotor empaletado, soportado giratoriamente en el cuerpo tubular cilíndrico, en donde es puesto en rotación, con la finalidad de dispersar dicho flujo continuo de material de celulosa o su mezcla en un flujo de partículas de material de celulosa.

El documento WO 2008/080366 A1 describe un aparato de procesamiento de material que incluye un primer miembro y un segundo miembro giratorio con respecto al primer miembro y al menos parcialmente recibido dentro del primer miembro. Los miembros primero y segundo forman entre ellos un pasadizo de procesamiento sustancialmente anular.

Dicho esto, un asunto global que se ha de solucionar es el de reducir una estructura coherente de materia prima a partículas separadas, mientras se produce al mismo tiempo un contacto íntimo entre las partículas y un medio con el fin de intercambiar eficientemente energía y/o masa.

A menudo la temperatura perseguida está por encima de la temperatura de ebullición del medio introducido a presión atmosférica y, por tanto, la presión necesita ser elevada por encima de la presión atmosférica. En consecuencia, un asunto global que se ha de solucionar es el de producir un tamaño de partícula uniforme a partir de un material no homogéneo en un aparato bajo presión, mientras que al mismo tiempo se produce un contacto íntimo entre las partículas producidas y el medio para permitir una reacción química, un aumento de temperatura o una combinación de los mismos.

Por tanto, hasta ahora no se ha superado aún efectivamente el problema de mezclar eficientemente dos medios reduciendo una estructura coherente de un primer medio a partículas separadas mientras se produce al mismo tiempo un contacto íntimo entre las partículas y un segundo medio con el fin de intercambiar eficientemente energía y/o masa, y la presente invención busca mitigar al menos algunos de los problemas relacionados con ellos.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN En consecuencia, la invención busca preferiblemente mitigar, aliviar o eliminar una o más de las desventajas antes mencionadas en solitario, o en cualquier combinación. En particular, puede verse como un objeto de la presente invención proporcionar un aparato para procesar, tal como ahuecar y mezclar, al menos dos medios, que tiene simultáneamente la función de i) hacer susceptible al primer medio de recibir eficientemente energía y/o masa y ii) proporcionar tal energía o masa por liberación localizada de un segundo medio dentro del primer medio.

Es un objeto adicional de la presente invención proporcionar una alternativa ventajosa a la técnica anterior proporcionando un aparato de procesamiento en el que el ahuecamiento y mezclado se realicen a una presión mayor que la presión atmosférica.

El aparato descrito puede ser parte de un sistema de tratamiento previo en una planta para la producción de bioetanol. El aparato puede recibir biomasa previamente reducida a pasta o papilla por un sistema de procesamiento previo que incluye medios para triturar y remojar biomasa, es decir, producir una pasta. La trituración se usa aquí para denotar el proceso de reducir a pequeños trozos o partículas. Antes de ser alimentada al aparato dicha biomasa puede desecarse para reducir su contenido de agua y, por tanto, obtener un procesamiento más eficiente. Este proceso de desecado puede realizarse a una presión mayor o igual que la presión dentro del aparato, para crear un estado de flujo tapón y evitar un problema de contrarráfagas, es decir, material forzado como vapor muy caliente, amoniaco o, en general, productos químicos y otras mezclas gaseosas, proyectado fuera del aparato aguas arriba en la planta de bioetanol.

Por tanto, el aparato puede recibir una alimentación continua de biomasa a una presión que sea mayor o igual que la presión dentro del aparato.

Aunque la descripción de la presente invención se enfoca en la biomasa, se contempla que la invención sea aplicable generalmente al control del procesamiento de al menos dos medios cruzando sus corrientes, al tiempo que se dispersa al menos uno de ellos.

Este objeto y otros varios objetos se logran proporcionando, en un primer aspecto de la invención, un aparato según la reivindicación 1 para procesar al menos dos medios, comprendiendo el procesamiento ahuecamiento y mezclado, comprendiendo el aparato: i) una envuelta que tiene al menos una entrada para un primer medio, ii) medios giratorios dentro de la envuelta, comprendiendo dichos medios giratorios unos salientes y generando zonas de mezclado mientras giran, iii) al menos una entrada para alimentar un segundo medio a dichas zonas de mezclado y iv) al menos una salida para dicho primer medio después de ser mezclado con dicho segundo medio; en donde dicha entrada para dicho primer medio esta adaptada para hacer avanzar el primer medio hacia los medios giratorios en una dirección que es paralela o sustancialmente paralela a un radio de los medios giratorios. La zona de mezclado se define en el presente documento como el área entre los medios giratorios y la pared interna de la envuelta.

El avance del primer medio hacia los medios giratorios en una dirección que es paralela o sustancialmente paralela a su radio proporciona un efecto de trituración que es ventajoso, dado que conlleva una trituración, un ahuecamiento y una dispersión mejores y más eficientes del medio.

El avance del primer medio hacia los medios giratorios se realiza en un estado estanco a fluidos que ofrecen también la ventaja adicional de proporcionar un aislamiento térmico aguas abajo y más eficiente del reactor.

Ejemplos de medios giratorios son rotores, un disco giratorio y cilindros giratorios con salientes como cuchillas.

Según se indicó, pueden introducirse más de dos medios. Por ejemplo, tres medios como biomasa, gas caliente, tal como vapor, y un agente oxidante tal como oxígeno gaseoso u ozono pueden introducirse en el aparato. En este caso, los medios pueden introducirse combinados de manera singular, simultánea o secuencial.

En una realización, la introducción de oxígeno se separada de la introducción de vapor; por ejemplo, la oxidación se realiza aguas abajo en una cámara separada, que está aislada por una tapa de la cámara en la que se introduce el vapor. Esta realización puede tener la ventaja de permitir la transferencia de calor entre el vapor y la biomasa evitando cualquier influencia debida al proceso de oxidación subsiguiente. La tapa tiene la función de permitir la alimentación entre las cámaras evitando la interferencia entre los dos procesos de transferencia de calor y oxidación.

En una realización, el aparato según un primer aspecto de la invención está adaptado para operar con un material con un contenido de sólidos secos de entre 0 y 100 por ciento como primer medio.

La biomasa recibida por el aparato puede tener la consistencia de una pasta, fango, papilla o sólido desecado, tal como una biomasa desecada.

El término pasta se usa en el presente documento para denotar una mezcla de biomasa en un medio líquido, usualmente agua. La papilla se usa para denotar una suspensión de partículas insolubles de biomasa usualmente en agua. El contenido de sólidos secos depende de la eficiencia del proceso de desecado previo y de la naturaleza, trituración, cantidad y tamaño de partículas y distribución de la biomasa introducida.

En una realización adicional, el aparato según la invención comprende además medios de presurización para presurizar dicho primer medio de modo que se presurice dicho primer medio cuando esté dentro de dicha entrada para dicho primer medio. Por tanto, el aparato puede recibir una alimentación de biomasa presurizada que proporcione un sellado estanco a fluidos al aparato.

En otra realización del aparato según la invención, los medios de presurización proporcionan una presión dentro de la entrada para dicho primer medio mayor o igual que la presión dentro de la envuelta.

La alimentación dentro del aparato de una biomasa presurizada a una presión que es mayor o igual que la presión dentro del aparato ofrece varias ventajas.

En particular, proporciona seguridad frente a daños al sistema provocados por un problema de contrarráfagas, es decir, material forzado como vapor muy caliente, amoniaco o, en general, productos químicos y otras mezclas gaseosas, proyectados fuera del aparato y aguas arriba en el sistema.

En otra realización del aparato según la invención los medios de presurización son, o comprende, una prensa de tornillo.

En este caso el transporte, desecado y compactado de la biomasa se realiza al mismo tiempo antes de la introducción dentro del aparato mediante, por ejemplo, una prensa de tornillo. La alimentación por tornillo se construye de modo que la biomasa en forma de pasta sea desecada y compactada durante su transporte hacia la entrada del primer medio con el objeto de producir un tapón con el que se pretende obtener una junta estanca a fluidos para el aparato. Por tanto, el primer medio entra en el aparato en forma de una pasta compactada. El compactado y desecado del material también es ventajoso, dado que la eficiencia del intercambio de calor en el material depende en gran medida de su contenido en agua.

En una realización preferida, el aparato según la invención comprende además medios de presurización para proporcionar una presión dentro de la envuelta por encima de la presión atmosférica.

La presión dentro de la envuelta puede proporcionarse por una o más bombas. Por ejemplo, la presión puede proporcionarse por una bomba, tal como un compresor de aire, que mantenga la presión dentro de la envuelta en un valor deseado con el fin de realizar el procesamiento de la biomasa, cuyo valor normalmente está por encima de la presión atmosférica.

En una realización adicional, el aparato según la invención esté adaptado para operar con gas calentado, tal como vapor, como segundo medio.

Se usa vapor para denotar el vapor de agua como la fase gaseosa del agua. La condensación inmediata del vapor cuando está en contacto con la biomasa triturada, ahuecada y dispersada promueve un intercambio de calor eficiente y rápido entre el vapor y la biomasa.

El calentamiento rápido es particularmente ventajoso para reducir la cantidad de reacciones químicas colaterales no deseadas. La tasa de cambio de la temperatura entre la temperatura ambiente y la temperatura deseada de una papilla o pasta que contiene materia biológica necesita ser tan alta como sea posible para reducir el tiempo a una temperatura elevada. Óptimamente, el tiempo a una temperatura elevada deberá reducirse a sólo el tiempo necesario para que tengan lugar las reacciones deseadas a la temperatura deseada.

Se usa temperatura elevada para denotar una temperatura por encima de una cierta temperatura base a la que la materia biológica no está activa, es decir, no es sometida a procesos químicos/físicos, tales como procesos considerados como procesos de degradación en una planta de producción de bioetanol.

El uso de vapor también soluciona el problema relacionado con un intercambio de calor eficiente entre el material y el medio. El transporte de calor depende en gran medida del contenido en agua del material, lo que significa que un alto contenido en agua tiende a favorecer una rápida conducción de calor internamente dentro del material, mientras que un bajo contenido en agua tiende a limitar la conducción de calor internamente dentro del material. Por otro lado, un alto contenido en agua producir una transferencia de calor ineficiente, dado que la mayor parte del calor se usará para elevar la temperatura del agua contenida en el material. Usando vapor sobre el material en partículas con una bajo contenido de agua puede lograrse una eficiente transferencia de valor.

En una realización, el aparato según el primer aspecto de la invención está adaptado para operar con un agente químico como segundo medio.

Un agente químico puede ser, por ejemplo, amoniaco o ácido en forma de líquido o vapor, el cual puede introducirse para inducir una reacción sobre superficies activadas recientemente del primer medio, tal como material de biomasa.

Por tanto, el aparato puede operar como una reactor químico en el que se producen superficies activadas recientemente de un primer medio, es decir, por ahuecamiento, trituración o dispersión, y se introduce un segundo medio, por ejemplo un reactivo químico, convirtiendo el procesamiento del medio en un proceso de reacción altamente eficiente.

En otra realización, el aparato según el primer aspecto de la invención está adaptado para funcionar con un agente oxidante como segundo medio.

Un agente oxidante puede ser oxígeno gaseoso que, introducido dentro del aparato, produce la oxidación del primer medio, tal como material de biomasa.

El segundo medio mencionado también puede introducirse combinado de manera singular, simultánea o secuencial con el fin de ser mezclado con el primer medio.

En otra realización, el aparato según el primer aspecto de la invención comprende además medios de dosificación para dosificar dicho segundo medio dentro de dichas zonas de mezclado.

La liberación del segundo medio puede controlarse por los medios de dosificación, tal como una bomba, con el fin de optimizar la cantidad y el tiempo correcto de liberación del segundo medio.

En una realización, el aparato según el primer aspecto de la invención comprende además unos canales situados dentro de dichos medios giratorios para dosificar/inyectar dicho segundo medio dentro de dichas zonas de mezclado.

El aparato tiene la ventaja de producir superficies activadas recientemente de un primer medio por ahuecamiento, trituración y dispersión, y, por tanto, la introducción de un segundo medio a través de estos canales situados dentro de los medios giratorios en el momento justo de la activación de las superficies tiene la ventaja de mejorar la eficiencia de procesamiento. Estos canales pueden tener una forma y tamaño diferentes y pueden ser o comprender una serie de canales tubulares en posiciones sustancialmente equidistantes una de otra.

Cuando se usa como segundo medio un gas calentado, tal como vapor, la inyección dentro de la zona de mezclado en contacto íntimo con el primer medio puede ser ventajosa para solucionar el problema de sobrecalentamiento del primer medio. A menudo, el sobrecalentamiento es el resultado de calentar localmente la superficie del primer medio a una temperatura por encima de la temperatura deseada para compensar el gradiente de temperatura que se desarrollará a lo largo del primer medio. El calentamiento del primer medio en partículas, el cual contiene partículas de gran superficie y bajo volumen, mediante la condensación localizada de vapor, proporciona un calentamiento homogéneo del medio evitando el sobrecalentamiento de las superficies.

En algunas realizaciones, los medios giratorios comprenden elementos adaptados para proporcionar una caída de presión del segundo medio introducido dentro de las zonas de mezclado, tal como para proporcionar unas condiciones de vapor súbito.

Se libera “vapor súbito” cuando, después de una condensación alrededor de los elementos de procesamiento, tales como elementos de corte, trituración y pulverización, tiene lugar una caída de presión.

En otras realizaciones, unos canales del aparato según la invención están adaptados para dosificar/inyectar dicho segundo medio en el extremo de dichos salientes más próximo al centro de dichos medios giratorios.

Los medios giratorios pueden ser, o comprender, elementos con forma de disco.

Los elementos con forma de disco pueden apilarse con el fin de proporcionar un cilindro giratorio como medios giratorios.

En otra realización del aparato según el primer aspecto de la invención, dichos medios giratorios son, o comprenden, un cilindro giratorio.

Mediante el control de la velocidad de giro y el número de salientes de los medios giratorios y la velocidad de avance del primer medio hacia los medios giratorios puede definirse la profundidad de corte del primer medio y, por tanto, el tamaño de virutas y partículas del primer medio puede ajustarse a un valor deseado.

En una realización del aparato según el primer aspecto de la invención, dichos medios giratorios son, o comprende, una serie de discos y separadores apilados.

En algunas otras realizaciones según esta realización previa, dichos discos y separadores comprenden además canales radiales incorporados.

En una realización adicional del aparato según el primer aspecto de la invención, dichos medios giratorios comprenden una pluralidad de salientes que generan una distribución de velocidad fluctuante inestable, tal como un flujo dominado por un vórtice del medio.

Un flujo turbulento generado por salientes de discos giratorios diseñados adecuadamente puede mejorar la eficiencia de procesamiento del medio aumentando el mezclado entre el primer medio, tal como pasta, y el segundo medo, tal como, un agente líquido.

Se usa el término vórtice en el presente documento para denotar un flujo giratorio turbulento de fluido/gas. Generalmente, el movimiento del fluido se arremolina alrededor de un centro. La velocidad y la tasa de giro del flujo son mayores en el centro, y disminuyen progresivamente con la distancia desde el centro.

En otras realizaciones, los salientes de los elementos giratorios comprenden elementos de procesamiento, tales como elementos de corte, molienda y pulverización.

En una realización, el aparato según la invención está adaptado para proporcionar un avance de dicho primer medio en dicha entrada de entre 10 nm y 30 mm por revolución de los medios giratorios.

El avance del primer medio, también denominado alimentación radial, puede realizarse a una tasa determinada con el fin de optimizar la velocidad global del proceso.

En otra realización del aparato según un primer aspecto de la invención dichos medios giratorios son, o comprenden, medios de transporte.

Los medios giratorios también pueden proporcionar transporte del primer medio, o de la mezcla del primer medio y del segundo medio, a través del aparato desde la entrada del primera medio hasta la salida del material procesado.

Se pretende obtener el objeto de la invención y otros varios objetos en un segundo aspecto de la invención proporcionando un sistema para producir bioproductos a partir de biomasa, comprendiendo el sistema: i) un subsistema de procesamiento previo para recoger, transportar y reducir a pasta, triturar y entregar el material a un aparato de procesamiento, ii) un aparato de procesamiento según el primer aspecto de la invención y iii) una cámara de reactor para cambiar la estructura química y/o física de dicho material.

En una realización, se pretende obtener el objeto de la invención y otros varios objetos proporcionando un sistema para producir bioetanol según el segundo aspecto de la invención.

La invención se refiere en un tercer aspecto a un método que adaptado para permitir el procesamiento de al menos dos medios utilizando un aparato de procesamiento según el primer y segundo aspecto de la invención.

La invención se refiere además a un método para procesar al menos dos medios utilizando un aparato de procesamiento según el primer y segundo aspecto de la invención, en el que el funcionamiento de dicho aparato comprende la inyección/dosificación de dicho segundo medio dentro de dicha zona de mezclado, mientras dicho primer medio está siendo triturado.

La invención se refiere además a un método que utiliza un aparato de procesamiento según el primer aspecto de la invención, en el que, cuando dicho aparato para procesar está adaptado para operar con gas calentado, por ejemplo vapor, como segundo medio, el funcionamiento de dicho aparato produce una transferencia de calor entre dicho gas calentado y dicho primer medio.

La difusión de calor entre vapor y el primer medio, tal como pasta de biomasa, produce un rápido aumentado de temperatura en el primer medio.

La invención también se refiere a un método para mezclar al menos dos medios por medio de una inyección localizada de al menos un medio dentro de un segundo medio, mientras dicho segundo medio está siendo procesado, para lograr un contacto íntimo entre los medios.

Una ventaja de este método puede ser la posibilidad de evitar pérdidas de energía cuando la inyección de un segundo medio, tal como vapor, tiene lugar al tiempo que está teniendo lugar el procesamiento mecánico del primer medio, tal como biomasa. De esta manera, la energía mecánica añadida se preserva y se incluye en el procesamiento sin pérdidas de calentamiento y puede reducirse un posible segundo calentamiento. En algunas realizaciones, tal segundo calentamiento no es necesario y puede introducirse un paso de enfriamiento de la biomasa.

La invención también se refiere a un método para abrir estructuras de materiales orgánicos, tales como materiales basados en lignocelulosa.

Cada uno de los aspectos primero y segundo de la presente invención puede combinarse con cualquiera de los otros aspectos. Estos y otros aspectos de la invención serán evidentes y se clarificarán con referencia a las realizaciones descritas a continuación.

En el presente contexto, se usan una serie de términos de una manera ordinaria para una persona experta. Sin embargo, con el fin de especificar características comprendidas en algunos de los términos se presenta más adelante una definición general de los términos.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS El aparato según la invención se describirá ahora con más detalles con respecto a las figuras anexas. Las figuras muestran una manera de implementar la presente invención que no se ha de considerar como limitativa frente a otras realizaciones posibles que caigan dentro del alcance del conjunto de reivindicaciones anexas.

La figura 1 muestra una representación esquemática de una vista en sección transversal axial de un dispositivo que comprende el aparato según la invención incluyendo un motor, un engranaje y unos cojinetes situados fuera del aparato. La figura 2 muestra una vista en sección transversal parcial agrandada de la realización preferida del aparato según la invención, en donde se identifican 4 zonas sobre la base de los procesos de transporte dominantes, incluyendo una zona dominada por flujo regular, una zona dominada por flujo turbulento, un zona dominada por un vórtice y una zona dominada por gravedad. La figura 3 muestra una vista en sección transversal axial de la realización preferida de la invención a lo largo de la línea I-I de la figura 2. La figura 4 muestra una vista en sección transversal parcial agrandada de la realización preferida a lo largo de la línea I-I de la figura 2. La figura 5 muestra una representación esquemática de una vista frontal de un disco y de un elemento de separador (Figura 5a) y una vista en perspectiva (Figura 5B) de las pilas de discos giratorios y elementos separadores en una realización específica de la invención. La figura 6 muestra una vista en sección transversal parcial agrandada de un disco según una realización de la invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE UNA REALIZACIÓN Aunque la presente invención se ha descrito con relación a las realizaciones especificadas, no deberá considerarse de ninguna manera como limitada a los ejemplos presentados. El alcance de la presente invención se expone por el conjunto de reivindicaciones anexas. En el contexto de las reivindicaciones, los términos “comprendiendo” o “comprende” no excluyen otros elementos o pasos posibles. Asimismo, la mención de referencias tales como “un”, etc. no deberá considerarse como excluyente de una pluralidad. El uso de signos de referencia en las reivindicaciones con respecto a elementos indicados en las figuras no deberá considerarse tampoco como limitativo del alcance de la invención. Además, características individuales mencionadas en reivindicaciones diferentes pueden combinarse posiblemente de manera ventajosa, y la mención de estas características en reivindicaciones diferentes no excluye que una combinación de características sea posible y ventajosa.

La figura 1 muestra una representación esquemática de una vista en sección transversal axial de un dispositivo 100 para procesar dos medios, por ejemplo un sólido, tal como una pasta, y un líquido, tal como agua, o un gas, tal como vapor. El dispositivo comprende un alojamiento 101, tal como una vasija cilíndrica que comprende el aparato según la invención, referenciado en el presente documento como primera cámara de reacción 102 y una segunda cámara de reacción 103. Las dos cámaras están conectadas por medio de una tapa 104.

La orientación del dispositivo 100 se muestra en la figura 1 como perpendicular a la acción de la gravedad. En otra realización, el dispositivo puede orientarse para que sea paralelo a la acción de la gravedad. En este último caso, se aumenta aún más la influencia de la acción de la gravedad sobre el movimiento del medio.

El dispositivo puede estar bajo presión con la ventaja de permitir el uso de vapor. Sin embargo, pueden usarse otros gases o fluidos en el dispositivo bajo presión. El dispositivo también puede operar ventajosamente usando valor recalentado.

El vapor recalentado se define en el presente documento como vapor a una temperatura más alta que su temperatura de saturación, es decir, el punto de ebullición. La temperatura de saturación es la temperatura para una presión de saturación correspondiente a la cual un líquido hierve en su fase de vapor. Para aumentar la temperatura del vapor más allá de su temperatura de saturación a presión atmosférica, la presión en el dispositivo se eleva a valores mayores que la presión atmosférica. El vapor se describe entonces como recalentado por el número de grados de temperatura en los que ha sido calentado por encima de su temperatura de saturación.

Asimismo, se muestra en la figura 1 un motor externo 105 de velocidad variable que incluye un engranaje 106 y unos cojinetes 107 y unos medios giratorios 111.

La primera cámara de reacción 102 comprende una envuelta 108, una entrada 109 para el material que se ha de procesar, una serie de elementos giratorios 110 y una tapa 105. La envuelta 108 de la primera cámara de reacción tiene una forma cónica con el vértice hacia el motor y la base hacia la segunda cámara 103. La forma cónica facilita el flujo de los materiales procesados, tales como pasta, hacia la segunda cámara de reacción 103 por medio de la gravedad. La base de la envuelta cónica es la tapa 104 de la primera cámara de reacción 102, que permite un flujo de materiales entre la primera y la segunda cámara de reacción 103. La tapa permite una alimentación continua a la segunda cámara de reacción 103 y proporciona una barrera a la contracorriente de reactivos presentes hasta dentro de la segunda cámara de reacción 103. Por tanto, la tapa 104 delimita el área de la primera cámara de reacción 102 y evita la mezcla entre el ambiente de la primera cámara de reacción y la emisión procedente de los procesos de reacción subsiguientes que pudieran tener lugar en la segunda cámara de reacción 103.

Los elementos giratorios 110, que están conectados a través de unos medios giratorios 111 al motor 105 de velocidad variable tienen las funciones de i) proporcionar trituración, dispersión y ahuecamiento del material introducido a través de la entrada 109 y ii) exponer dicho material a un medio para permitir una interacción rápida, tal como mezclado/reacción, entre el material y el medio. Tal exposición puede realizarse en el momento de la trituración, dispersión y ahuecamiento o a continuación de la interacción mecánica entre el material introducido y los elementos giratorios. El material, durante o después de la interacción mecánica con los elementos giratorios, puede exponerse simultánea o secuencialmente a uno o más medios.

La segunda cámara de reacción 103 permite un tratamiento químico o físico adicional del material, tal como pasta, por ejemplo una oxidación inducida por un ambiente oxidante, por ejemplo por la presencia de oxígeno gaseoso.

La vista en sección transversal de la figura 2 muestra el aparato según la invención, es decir, la cámara de reacción 102, correspondiente a la primera cámara de reacción 102 de la figura 1, que comprende una envuelta 108, una entrada (no mostrada) para el material que se ha de procesar, paralela o sustancialmente paralela a un radio de los medios giratorios 111, una serie de elementos giratorios 110 y una tapa 104. La envuelta 108 de cámara de reacción tiene una forma cónica con el vértice dirigido hacia el motor (no mostrado) y la base formada por la tapa 104. La forma cónica facilita el flujo de los materiales, los cuales en esta realización serán denominados pasta, hacia la tapa 104 por medio de la gravedad. La tapa 104 permite el flujo de pasta hacia fuera de la cámara del reactor por la abertura mecánica 201.

En la realización mostrada, los elementos giratorios 110 son discos giratorios sujetos sobre unos medios giratorios, tal como un eje de accionamiento, y que están conectados a un motor (no mostrado) situado fuera de la envuelta

108.

Los discos giratorios están diseñados para proporcionar una trituración, dispersión y ahuecamiento de la pasta introducida y una exposición de dicho material a un medio, es decir, un gas o líquido, para producir una interacción rápida. Los discos giratorios están diseñados para optimizar la liberación del medio en el momento de la trituración, dispersión y ahuecamiento.

El medio entra en la cámara de reacción 102 a través de una entrada 202 y a través de un conducto 203 es inyectado por una salida 204 dentro de la cámara de reacción.

En el extremo 207 de los medios giratorios 111 pueden añadirse unos elementos funcionales que proporcionen una funcionalidad adicional. En la realización mostrada, los elementos 205 y 206 generan un vórtice que induce la mezcla y transporte de la pasta hacia la tapa 104. Alternativamente, puede usarse un transportador de tornillo situado en el extremo 207 de los medios giratorios.

Cerca de la base de la cámara de reacción 102 se sitúa un transmisor 208 de temperatura que permite el control de la temperatura de la pasta en la salida 209. Opcionalmente, puede situarse una salida de gas a lo largo de las paredes laterales de la cámara de reacción.

En la cámara de reacción 102 pueden identificarse cuatro zonas basándose en los diferentes procesos de transporte dominantes del material introducido: una zona 1 dominada por flujo regular, una zona 2 dominada por flujo turbulento, una zona 3 dominada por vórtice y una zona 4 dominada por la gravedad.

En la zona 1, la pasta se expone a un tratamiento mecánico tal como una trituración, dispersión y ahuecamiento proporcionado por los discos giratorios 110.

En esta zona 1, el transporte de la pasta es inducido por el tratamiento mecánico al cual está expuesta la pasta.

La inyección del medio a través del conducto 204 situado en los discos giratorios 110 es ventajosa en esta zona, ya que se proporciona inyección en una zona en la que se produce un contacto íntimo entre pasta recientemente triturada, dispersada y ahuecada y el medio.

En la zona 2, la pasta triturada, dispersada y ahuecada al menos parcialmente es expuesta adicionalmente al contacto con el medio liberado a través de los discos giratorios 110, lo que conduce a una interacción adicional entre el medio y la pasta, y el transporte de la pasta mezclada con el medio está dominado por el régimen de flujo de turbulencia.

En la zona 2 puede inyectarse además un medio diferente del introducido previamente en la zona 1. Esto permite un tratamiento secuencial de la pasta; por ejemplo, la pasta puede ser tratada con vapor en la zona 1 y con un producto químico, tal como peróxido de oxígeno, en la zona 2, lo cual provoca una oxidación óptima.

En esta realización específica está presenta un conducto extra situado a lo largo de la pared de la envuelta (no mostrado) para permitir la liberación localizada de un medio.

El tratamiento secuencia de la pasta también puede obtenerse por la liberación de medios diferentes entre la parte inicial de los discos giratorios 110 y la parte terminal de los discos giratorios 110. La parte inicial de los discos giratorios 110 se define como la parte que está más cerca de la entrada del material que se ha de procesar, mientras que la parte terminal se define como la más cercana a la salida 209 del material procesado.

En la zona 3 dominada por un vórtice, la pasta introducida experimenta un movimiento giratorio turbulento que se arremolina rápidamente alrededor de la dirección axial de los discos giratorios. La velocidad y tasa de rotación son mayores en el centro, y disminuyen progresivamente con la distancia al centro transportando el material hacia la tapa 104. En esta zona, la relación entre pasta y medio es del orden de 1:9.

En la zona 4 dominada por la gravedad, la influencia del vórtice en el movimiento de la pasta disminuye lentamente y la pasta se mueve por medio de la gravedad hacia la tapa 104 y la abertura 209 de la cámara del reactor. Aquí el cabezal de la sonda 208 de temperatura está en contacto con la superficie de la pasta que cae sobre ella a medida que disminuye la influencia del movimiento del vórtice. La sonda 208 de temperatura proporciona información acerca de la elevación de la temperatura de la pasta en la cámara de reacción.

La figura 3 muestra una vista en sección transversal axial de la realización preferida de la invención a lo largo de la línea I-I de la figura 2. En la figura 3 se muestra la conexión entre los discos giratorios 110 y el eje de accionamiento 111, incluyendo una estructura giratoria 301, unos cojinetes 302 y una estructura de soporte estática 303. Los discos giratorios 110 están conectados conjuntamente mediante pernos situados en los agujeros 304 de perno.

La velocidad de giro del disco giratorio puede variar dependiendo de la consistencia, contenido de materia seca, tipo, trituración, cantidad, tamaño de partículas y distribución de la pasta y del medio inyectado.

La pasta se introduce a través del conducto 109, mientras que el medio se introduce en los discos giratorios a través de la entrada axial 305 y, arrastrado por la rotación de los discos 110, es inyectado dentro de la cámara de reacción a través del conducto tubular 306 presente dentro de la estructura de los discos.

Como resultado de la geometría del rotor, los discos giratorios, mientras giran y, por tanto, proporcionan trituración, dispersión y ahuecamiento de la pasta en pequeñas fibras, permiten la inyección del medio dentro de la pasta.

Debido al efecto del desplazamiento radial, a la trituración y al efecto de dispersión de los discos giratorios se logra una inclusión instantánea del medio inyectado en la pasta.

En una realización preferida, el medio es vapor, de modo que la inyección a través de los conductos tubulares 306 de los discos giratorios 110 y el contacto con la pasta conducen a una transferencia de calor casi instantánea y efectiva inducida por la condensación del vapor. Esto permite un aumento de temperatura instantáneo de la pasta evitando su desnaturalización o quemado. Este rápido aumento de la temperatura se obtiene principalmente combinando el efecto de dispersión debido al disco giratorio y la liberación de vapor localizada e inmediata a través de los conductos tubulares presentes dentro de los discos.

En otra realización el medio es un reactivo químico que se inyecta a través de los conductos tubulares 306, mientras se tritura, dispersa y ahueca la pasta por los discos giratorios. Esto permite un contacto localizado e inmediato entre la pasta recientemente dispersa y triturada y el reactivo químico, lo que provoca una reacción rápida y eficiente entre los dos. Por tanto, se reduce el tiempo de reacción, dado que el reactivo químico en puesto en contacto íntimo con la pasta, minimizando el tiempo de difusión a través de la pasta.

La figura 4 muestra con detalle la estructura de los discos giratorios que incluye una entrada de gas radial 305, el conducto de gas tubular 306 y los salientes 401 de los discos giratorios.

Un mezclado eficiente entre el medio y la pasta también puede obtenerse gracias al flujo turbulento. Los salientes 401 de los discos pueda diseñarse para proporcionar turbulencia y aumentar la reactividad entre la pasta y el medio.

Se forma un espacio, denominado en el presente documento zona de turbulencia, entre la periferia del disco y los salientes 401. Aquí es donde tiene lugar la actividad de turbulencia más intensa. Deberá comprenderse, sin embargo, que puede producirse turbulencia tener lugar con menos intensidad en regiones distintas de este espacio, tal como, por ejemplo, en las regiones 402 entre la periferia de los discos y las paredes laterales del reactor. Por tanto, zona de turbulencia se usa en el presente documento para referirse a la región en la que tiene lugar la turbulencia más intensa, y no deberá interpretarse como que una turbulencia no puede ocurrir en cierto grado en otras regiones del reactor.

La figura 5 muestra una representación esquemática de un vista frontal de un disco y un elemento separador (figura 5a) y una vista en perspectiva (5b) de las pilas de discos giratorios y elementos separadores en una realización específica de la invención.

La figura 5a muestra un separador 501 que comprende una serie de escotaduras 502 que se extienden radialmente. Las escotaduras 502 del separador 501 se inician desde el reborde interior 503 hacia –pero no hasta – el reborde exterior 504. Análogamente los discos 505 comprenden un número igual de escotaduras 506 que se extienden radialmente y que se inician desde una posición radial 507 que se aleja del reborde interior 508 y se aproxima al reborde exterior 509 de los discos 505.

En la figura 5b, unos separadores, tal como 501, y unos discos, tal como 505, están apilados alternando un separador con un disco, y así sucesivamente. Además, los separadores 501 y los discos 505 están apilados de modo que los extremos de las escotaduras 502 del separador 501 están situados por debajo del comienzo de las escotaduras 506 de los discos 505. En consecuencia, se forman unos canales que se extienden desde el reborde interior 503 del separador 501 hasta el reborde exterior 509 de los discos 505. Estos canales se usan para introducir uno o más medios en el sentido antes descrito.

En la figura 5b también se muestra la alineación de los elementos 510.

En algunas realizaciones el número de pernos que enlazan los separadores y los discos apilados puede ser un número primo.

La figura 6 muestra una vista en sección transversal parcial agrandada de un disco según una de las realizaciones de la invención. El disco 601 comprende una serie de escotaduras 602 que se extienden radialmente y que arrancan desde una posición radial 603 que se aleja del reborde interior 604 y se aproxima al reborde exterior 605 de los discos 601. Cuando se ensamblan para su uso, los discos, tal como 601, y el separador, tal como 501 en la figura 5, se apilan alternándose un separador con un disco, y así sucesivamente, de manera análoga a la figura 5b.

Después de la rotación del conjunto de separadores/discos apilados, siguiendo la flecha 606, se introducen el uno o unos medios antes descritos y, a través de los canales mostrados en la figura 4, alcanzan la posición 603. Desde la posición 603 se inyectan los medios, siguiendo la flecha 607, dentro del aparato mientras se tritura, dispersa y ahueca la pasta por los discos giratorios 601. Esto permite un contacto localizado e inmediato entre la pasta recientemente triturada y los medios provocando una reacción rápida y eficiente entre la pasta y los medios. En esta realización, el disco 601 está diseñado para proporcionar un efecto de microchorro desde la posición radial 603 hasta el reborde exterior 605. Además, la presencia de un filo 608 permite una trituración más eficiente de la pasta, de modo que la exposición de la pasta a los medios tiene lugar sobre una superficie recientemente cortada, lo que proporciona un contacto íntimo y eficiente entre los medios y la pasta. Por tanto, se reduce el tiempo de reacción, dado que los medios se ponen en contacto íntimo con la pasta minimizando el tiempo de difusión a través de la pasta.

Claims (13)

1. REIVINDICACIONES

   1. Un aparato para procesar al menos dos medios, comprendiendo el procesamiento un ahuecamiento y mezclado, comprendiendo el aparato:

   •

   una envuelta (108) que tiene al menos una entrada (109) para un primer medio,

   •

   unos medios giratorios (111) dentro de la envuelta (108), comprendiendo dichos medios giratorios unos salientes (401), en donde dichos salientes comprenden elementos de procesamiento, y generando dichos medios giratorios (111) unas zonas de mezclado mientras giran,

   •

   al menos una entrada (202) para alimentar un segundo medio a dichas zonas de mezclado,

   •

   unos canales (306) que están situados en dichos medios giratorios (111) para dosificar/inyectar dicho segundo medio dentro de dichas zonas de mezclado,

   •

   al menos una entrada (209) para dicho primer medio después de ser mezclado con dicho segundo medio,

   en donde dicha entrada (109) para dicho primer medio está adaptada para hacer avanzar el primer medio hacia los medios giratorios (111) en una dirección que es paralela, o sustancialmente paralela, a un radio de los medios giratorios (111),

   caracterizado porque

   •

   dichos medios giratorios (111) comprenden una serie de discos (505) y separadores (501) apilados alternadamente,

   •

   porque cada separador (501) comprende un cierto número de escotaduras (502) que se extienden radialmente y que se inician en un reborde interior (503) y se extienden hacia, pero no hasta, un reborde exterior (504),

   •

   porque cada disco (505) comprende un cierto número de escotaduras (506) que se extienden radialmente, siendo dicho número igual al número de escotaduras (502) que se extienden radialmente en cada separador (501), iniciándose en una posición radial (507) y extendiéndose hacia fuera del reborde interior (508) y hacia el reborde exterior (509) de los discos (505),

   •

   y porque los separadores (501) y los discos (505) están apilados de modo que el extremo de las escotaduras (502) de los separadores (501) esté situado por debajo del comienzo de las escotaduras (506) de los discos (505), con lo que se forman los canales (306) extendiéndose desde el reborde interior (503) de los separadores (501) hasta el reborde exterior (509) de los discos (505).

2. 2.

   Un aparato según la reivindicación 1, que además comprende unos medios de presurización para presurizar dicho primer medio de modo que se presurice dicho primer medio cuando esté dentro de dicha entrada (109) para dicho primer medio.

3. 3.

   Un aparato según la reivindicación 2, en el que dichos medios de presurización proporcionan una presión dentro de la entrada (109) para dicho medio más alta o al menos igual que la presión del interior de la envuelta (108).

4. 4.

   Un aparato según las reivindicaciones 2 ó 3, en el que dichos medios de presurización son, o comprenden, una prensa de tornillo.

5. 5.

   Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que además comprende unos medios de presurización para proporcionar una presión dentro de la envuelta por encima de la presión atmosférica.

6. 6.

   Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que además comprende unos medios de dosificación para dosificar dicho segundo medio dentro de dichas zonas de mezclado.

7. 7.

   Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dichos canales (306) son, o comprenden, un cierto número de canales tubulares en una posición de sustancialmente equidistantes entre ellos.

8. 8.

   Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dichos canales (306) están adaptador para dosificar/inyectar dicho segundo medio en el extremo de dichos salientes más próximos al centro de dichos medios giratorios.

9. 9.

   Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, adaptado para proporcionar un avance de dicho primer material en dicha entrada (109) entre 10 nm y 30 nm por revolución de los medios giratorios.

10. 10.

    Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dichos medios giratorios son, o comprenden, unos medios de transporte.

11. 11.

    Un sistema para obtener bioproductos a partir de biomasa, comprendiendo el sistema:

    i) un subsistema de preprocesamiento para recoger, transportar, reducir a pasta, triturar y entregar el material a un aparato de procesamiento, ii) un aparato de procesamiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, iii) una cámara de reactor para cambiar la estructura química y/o física de dichos materiales.

12. 12.

    Un sistema para producir bioetanol según la reivindicación 11.

13. 13.

    Un método para procesar al menos dos medios utilizando un aparato de procesamiento según cualquiera de las

    reivindicaciones precedentes. 10