JP2017516646A - 固体／流体分離装置および方法 - Google Patents

Abstract

固体／流体分離モジュールおよび機器は、５０％を超える固体含有率を有するろ過された塊を生成する固体／流体混合物の処理を可能にする。積層フィルタプレートと、各フィルタプレートの面に凹設されるフィルタ流路とを有するフィルタユニットが提供される。【選択図】図４Ａ

Description

本開示は、固体／流体分離機器、およびさまざまな種類の固体／流体混合物の分離のための方法に広く関連するものである。さらに、本開示は、ロータリープレス装置、特に、さまざまな濃度、固体含有率、ならびに固体および流体または液体の形態の多種多様な固体／流体混合物およびスラリーの分離に使用できる改良スクリュープレス装置に関するものである。

固体／流体分離による固体／流体混合物の処理のためのさまざまなプロセスが知られている。それらは一般に、かなりの滞留時間および高圧、ときには高温を必要とする。従来の固体／流体分離設備は、高い固体／流体分離率の達成、および液体含有率の低い分離された固体に関して満足のいくものではない。

圧力下での液体スラリーの洗浄およびそれに続く濃縮を含むプロセスは、目詰まりなしに圧力下で運転可能な固体／液体分離設備を必要とする。たとえば、リグノセルロース系バイオマスの前処理におけるプロセス効率の主要な構成要素は、加水分解ヘミセルロース糖、毒素、阻害物質、および／またはその他の抽出物を洗浄して、固体バイオマス／セルロース画分から搾り取る機能である。セルロースの前処理に必要な高温および高圧下で固体を液体から効率的に分離することは、従来の設備では困難である。

多くのバイオマス対エタノールプロセスは湿潤繊維スラリーを生成し、それから溶解された成分、気体、および液体をさまざまなプロセスステップで分離し、固体繊維部を隔離しなければならない。固体／流体分離は一般にろ過によって、およびバッチ作業でフィルタプレスによって、または連続的にスクリュープレスなどの回転プレスによって行われる。

固体／流体または固体／液体分離は、食品加工（油抽出）、湿潤抽出プロセスにおける廃棄ストリーム量の低減、脱水プロセス、または懸濁固体除去など、多くの他の商業的プロセスにおいても必要である。

市販のスクリュープレスを使用して固体／液体スラリーから水分を除去することができる。従来のプレスで実現可能な脱液化固体ケーキは一般にわずか４０〜５０％の固体を含み、残った水分は大部分が水である。この分離レベルは、ろ過ステップの後に別の希釈または処理ステップが続く場合は満足できるが、スラリーの最大脱水を望む場合は満足できない。この満足できない低い固体含有率は、従来のスクリュープレスが扱うことができる比較的低い最大圧力のためであり、それは一般に約１００〜１５０ｐｓｉｇ以下の分離圧力である。排水スクリューと組み合わせた商業的モジュラースクリュー装置（ＭＳＤ）を使用することができ、これは最大３００ｐｓｉのより高い圧力で動作可能である。しかしながら、それらの欠点は固有の費用、複雑さ、および５０％以下の固体含有率の連続されるフィルタケーキ制限である。

固体／流体分離の間、固体画分中に残留する液体の量は、適用される分離圧力の量、固体ケーキの厚さ、およびフィルタの空隙率に依存する。フィルタの空隙率は、フィルタ孔の数および寸法に依存する。圧力低下、ケーキ厚の増加、またはフィルタ空隙率の低減はすべて、結果として、液体／固体分離度の低減、および固体画分の最終乾燥度低減をもたらす。

特定の固体ケーキ厚さおよびフィルタ空隙率に対し、最大分離は可能な最も高い分離圧力で達成される。さらに、特定の固体ケーキ厚さおよび分離圧力に対し、最大分離はもっぱらフィルタの孔径に依存する。

高い分離圧力は、プレス内でその分離圧力に耐えることができる強力なフィルタ媒体をあいにく必要とし、ろ過プロセスの制御を困難にし、必要な設備を非常に高価なものにする。ＭＳＤのフィルタ媒体は一般に、穴の開いた圧力ジャケットの形態である。使用される分離圧力が高いほど、フィルタ媒体（圧力ジャケット）は、それらの圧力に耐えるためにより強力である（より厚い）必要がある。圧力ジャケットが厚いほど、排水孔はより長く、孔を通る流れ抵抗はより大きくなる。したがって、低圧ジャケット（薄いジャケット）と同じフィルタ貫流能力を高圧ジャケット（厚いジャケット）で実現するために、孔の数を増やさなければならない。しかしながら、孔の数を増やすことにより圧力ジャケットは脆弱化し、フィルタユニットの圧力収容能力を再度減少させる。より長い孔によるより大きい流れ抵抗を克服する別のアプローチは、孔の直径を大きくすることである。しかしながら、これは小さい固体を保持するためにフィルタの収容能力を制限し、すなわち、目詰まり問題の増加につながることがある。したがって、フィルタの許容可能な孔径は、固体画分の繊維および粒子の寸法によって制限される。液体画分の明瞭さは、もっぱらフィルタ媒体の孔径によって制限され、大きすぎる孔は、液体／固体分離効率を低下させ、場合によっては、下流側設備の目詰まりにつながる。

時間が経つにつれて、フィルタ媒体は懸濁固体で目詰まりする傾向があり、それらの生産速度を低下させる。これは特に、セルロース前処理に必要な高圧の場合にあてはまる。したがって、詰まりを一掃し、生産速度を回復するために、逆洗の液体流れが一般に必要とされる。フィルタが詰まると、媒体を逆洗するために高圧を必要とする。たとえば、生産速度を最大化して、高いセルロース前処理プロセス効率を得るための連続的なプロセスでの、１０００ｐｓｉｇを超える圧力で動作するフィルタ媒体を用いた運転の場合、これは特に問題である。

従来のシングル、ツイン、またはトリプルスクリュー押出し機は、バイオマスの低いエネルギーの前処理に必要な滞留時間を有さず、バイオマスの前処理に有用かつ効果的な固体／流体分離装置も有しない。米国特許第３，２３０，８６５号明細書および米国特許第７，３４７，１４０号明細書は、穴の開いたケースを有するスクリュープレスを開示している。そのようなスクリュープレスの動作圧力は、穴の開いたケースの低強度のために低い。米国特許第５，５１５，７７６号明細書は、プレスジャケットに排水孔を有するウォームプレスを開示し、これにより排出される液体の流れ方向の断面積が増大する。米国特許第７，３５７，０７４号明細書は、プレス内で圧縮されるバルク固体から水を排出するための複数の孔を有する円錐状脱水ハウジングを有するスクリュープレスを対象とする。ここでも、穴の開いたケースまたはジャケットが使用される。容易に理解されるように、ハウジングの孔の数が増えるほど、ハウジングの圧力抵抗は低くなる。さらに、ハウジングまたはプレスジャケットに孔を開けることは、微細な固体の分離のため非常に小さい開口が望まれるときの深刻な課題に関連する。

米国特許出願公開第２０１２／０１１８５１７号明細書は、高圧での固体／流体分離のために高い内部圧力のプレス装置で使用するための高い空隙率を有する固体／流体分離モジュールを開示している。フィルタモジュールは、排水システムを作成するプレートの対からそれぞれ作られるフィルタパックを含む。切り通しの溝穴を有するフィルタプレートは、除去される液体のための流路を作成し、裏地プレートは、流路の液体のための排流路を作成する。さらに、裏地プレートは、絞り作用の間、プレスにおける固体の内部圧力を含むための構造的支持を提供する。フィルタ孔径は、フィルタプレートの厚さおよび／またはフィルタプレートの溝穴の開口幅によって調整される。しかしながら、材料強度および製造プロセスは、実用限界を孔径範囲の下端に設定している。孔径を最小化するために、フィルタプレート厚さおよび排水溝穴幅を最小化しなければならない。しかしながら、フィルタプレートを通して、裏地プレートの厚さ上に溝穴を切り込むために使用されるプロセスの実用限界は、流路のために、孔径範囲の下端を過度に制限する。フィルタプレートが薄いほど、設置または使用中にフィルタプレートが変形する可能性は高くなる。さらに、２個の異なるプレートを使用することは、製造および組立コストを増加させ、組立エラーの危険性を増加させる。最後に、フィルタパックの構造的完全性、特に圧力耐性のための、フィルタパックに裏地プレートを含める必要性は、裏地プレートがフィルタ空隙率に貢献しないために、フィルタパックの単位長さあたりに実現可能な最大開口面積またはフィルタ空隙率を大幅に制限する。これは、この種類のフィルタユニットの処理能力を大幅に制限する。したがって、改良された固体／流体分離装置が望まれている。

先行する固体／液体分離装置およびプロセスの少なくとも１つの欠点を取り除くまたは軽減することが本発明の目的である。

固体／流体分離を改善するために、本発明は、固体／流体混合物から流体を分離するための固体／流体分離モジュールを提供する。好ましくは、モジュールは、１００ｐｓｉｇを超える、好ましくは３００ｐｓｉｇを超える圧力で塊を圧縮するために使用されるスクリュープレスで使用するためのものである。

最大固体／流体分離効率を実現するために、フィルタ孔径を最小化する一方でフィルタ空隙率を最大化すること、および高い分離圧力で運転することが望ましい。孔径を最小化することは、固体フィルタジャケットに通じる円筒流路を切り込む、またはフィルタプレートにフィルタ溝穴を切り込む必要があるために、従来のスクリュープレスでは課題である。これらの問題は、本発明の分離モジュールにおいて、本発明者らによって今や対処された。分離モジュールはフィルタユニットを含み、ここで、圧力ジャケットは、圧力ジャケットの実現のために軸方向に積み重ねられて圧縮される複数の薄いフィルタプレート、または上昇する動作圧力のために必要な構造的完全性を有するバレルからなる。フィルタ孔は、フィルタプレートの表面にフィルタ流路を単に凹設することによって形成される。フィルタ流路は、コア開口のフィルタプレートの内縁から、収集チャンバのフィルタプレートの外縁まで延び、コア開口から収集チャンバに直接延びる流体通路を提供する。これは、圧力ジャケットに孔を開ける、またはフィルタプレートを通してフィルタ溝穴を切ることよりはるかに簡単に達成することができる。たとえば、フィルタ流路は、フィルタプレート表面に流路をエッチングすることによって生成することができる。フィルタプレートの表面にフィルタ流路を凹設することのみでは、フィルタプレートの全体的な完全性は、切り込まれたフィルタ溝穴を有するフィルタプレートほどは影響を受けない。この完全性の増加により、フィルタブロックへの組立中また使用中の、フィルタプレートのそりまたは座屈の可能性は大幅に減少する。さらに、フィルタ流路がフィルタプレートの内縁から外縁まで延びるとしても、フィルタプレートの表面にのみフィルタ流路を形成することによって、構造的支持を提供する任意の裏地プレートの必要性は、完全に除去される。凹設された流路の使用は、非常に細く浅い流路のみを切り込むことによって、はるかにより小さいフィルタ孔を形成することも可能にする。たとえば、フィルタプレートに０．０１インチの幅および０．００１インチの深さのフィルタ流路を切り込むことによって、わずか０．００００１平方インチの孔径を達成することができる（流路の最も小さい深さ×流路の最も小さい幅として計算される）。

加圧された固体／流体混合物を分離するための本説明の固体／流体分離モジュールは、加圧可能な流体収集チャンバを画定するハウジングと、圧力下で加圧された塊を含むための軸方向のコア開口を画定するバレル部とを含む。バレル部はハウジングに取り付けられて、フィルタブロックを含み、それは少なくともバレルの軸方向部分を形成する。フィルタブロックは複数の積層バレルプレートを含み、複数の積層バレルプレートのそれぞれは、平坦な前面と、平坦な後面と、コア開口を画定し、かつ前面から後面まで延びる内縁と、収集チャンバと接触し、かつ前面から後面まで延びる外縁とを有する。バレルプレートは、隣接するバレルプレートの前面および後面の係合を密閉するためにフィルタユニットに積み重ねられて、フィルタブロックを形成し、流体収集チャンバからコア開口を密閉する。バレルプレートの少なくとも１つは、前面に凹設されるフィルタ流路を有するフィルタプレートとして構成され、フィルタ流路は、コア開口から収集チャンバまで加圧された固体／流体混合物の流体を排出するために内縁から外縁まで延びる。

好ましい実施形態では、少なくとも２つの隣接するバレルプレートは、それぞれフィルタプレートとして構成される。好ましくは、フィルタブロックは、バレル部全体を形成する。別の好ましい実施形態では、複数のバレルプレートはフィルタプレートとして構成される。最も好ましくは、各バレルプレートは、フィルタプレートとして構成される。さらに、各フィルタプレートは好ましくは多数の、最も好ましくは複数のフィルタ流路を含む。

各フィルタ流路は、フィルタプレートの前面および後面のうちの１つにおける凹部として形成される。フィルタ流路はフィルタプレートの各面に設けることができるが、製造および組立の容易さのために、フィルタプレートの一方の面のみにフィルタ流路を設けることが好ましい。さらに、フィルタブロックの最大空隙率は、フィルタ流路の数を増やすことだけでなく、フィルタプレート厚さを最小化することによっても達成されるため、フィルタプレートの両側にフィルタ流路を設けることは、フィルタプレートの構造的完全性を容認できないほど弱めることがある。さらに、両面にフィルタ流路を有するフィルタプレートは、対向して設置されるフィルタ流路の間のクロスフローを防止するために、平坦な裏地プレートによって分離する必要があり得る。これは、分離モジュールの単位長さあたりのフィルタプレートの最大数を減少させ、組立てをより困難にする。

フィルタ流路の凹部は、たとえば、前面のレーザ切断またはエッチングによって生成することができる。フィルタ流路を作成する１つの方法は、よく知られているフォトリソグラフィプロセスを使用することによる前面の酸エッチングである。酸エッチングによって作成されるフィルタ流路の表面粗さは、電解研磨によって、または減摩コーティングを適用することによって低減させてもよい。フィルタ流路は、コア開口に対して略半径方向に、内縁から外縁まで直線的に延びる凹部または溝の形態でもよい。フィルタ流路は、内縁から外縁へと広くなってもよい。

繊維状固体を含む塊からの液体の分離は、フィルタ構成に特定の課題を生じさせ、それは、繊維がフィルタ流路に入って、並列に並ぶことがあり、液体の流路を減少または妨害するだけでなく、逆洗による除去を不可能でないとしても非常に困難にすることがある密栓を流路に生じさせるためである。この問題に対処するために、フィルタ流路は、その長さに沿ったあらゆる点で十分な方向性ゆがみも含み、流路内の任意の直線経路をブロックしてもよい。これは、たとえば、流路の長手方向の広がりにおけるＳ字形もしくはＺ字形のカーブによって、またはフォークもしくは分岐、たとえば、Ｔ字形、Ｉ字形、Ｙ字形、もしくはＵ字形の分岐を流路に含むことによって、達成されてもよい。直線状繊維の流路を妨げることが、この方向性ゆがみの目的である。フィルタ流路の幅より短い長さを有する短繊維は、ゆがみを通過できてもよいが、流路に蓄積して、流路をブロックすることはほとんどない。他方で、流路の幅より大きい長さを有する長繊維は、ゆがみでほとんどが詰まるであろう。長繊維の全長に応じて、長繊維はゆがみの異なる深さおよび角度で詰まるであろう。これは、川の急な方向転換におけるランダムな丸太の渋滞と同様の非平行で略ランダムな向きの繊維の詰まりとなる。この非平行の向きは、ゆがみにおける流路の完全な閉塞を防止する。同時に、繊維詰まりが追加のフィルタ層を作成し、通常はフィルタ流路を通過する非常にきめ細かい固体の保持を支援してもよい。

分離モジュールは好ましくは、５％〜２０％の空隙率を有するフィルタユニットを含み、空隙率は、合計フィルタ表面（フィルタユニットのすべてのバレルプレートの内縁によって画定される面積）に対する合計孔面積（フィルタプレートのすべての孔の面積の合計）の比を意味する。好ましくは、このモジュールは、５〜２０％、より好ましくは１１〜２０％のフィルタ空隙率で、３００ｐｓｉｇ〜１０，０００ｐｓｉｇの動作圧力に耐える。各フィルタプレートは好ましくは、０．０００５〜０．００００１平方インチの孔径を有する複数のフィルタ流路を含む。

１つの例示的な実施形態では、フィルタユニットは、微細な固体の分離用の０．００００１平方インチの孔径を有する流路を有するフィルタ頭と、５．７％の空隙率と、２，５００ｐｓｉｇの圧力耐性とを含む。別の実施形態では、フィルタユニットは、０．０００５平方インチの孔径を有する孔と、２０％の空隙率と、５，０００ｐｓｉｇの圧力抵抗とを含む。さらなる例示的な実施形態では、フィルタユニットは、０．００００５平方インチの孔径の孔と、１１．４％の空隙率とを含む。さらに別の例示的な実施形態では、フィルタユニットは、０．００００１平方インチの孔径を有する孔と、２０％の空隙率とを含む。

孔径は、フィルタ流路の幅、フィルタ流路の深さ、またはその両方を変えることによって制御することができる。フィルタプレート完全性を最大限維持するために、フィルタ流路の深さは好ましくは、特に、非常に薄いフィルタプレートのために、できるだけ小さくなるように選択され、孔径は好ましくは、フィルタ流路の幅を変えることによって制御される。フィルタ流路の幅は、０．１インチ〜０．０１インチで変化してもよく、フィルタ流路の深さは、０．００１インチ〜０．００５インチで変化してもよい。フィルタプレートのフィルタ流路はすべて同じ孔径を有してもよく、またはたとえば、各フィルタ流路のコア開口端部（内側端部）で運転中に予想される圧力に応じて、異なる孔径を有してもよい。

１つの実施形態では、分離モジュールは、スクリュー押出し機プレスのバレルに取り付け可能に組み込まれ、フィルタブロックのコア開口は、プレスの押出し機スクリューの一部をぴったり受け入れるように寸法決めされる。押出し機スクリューは好ましくは、圧縮された固体／流体混合物をバレルプレートの内縁で形成されるフィルタ表面から連続的に掻き取る一方で、同時に混合物にかなりの分離圧力を発生させるように、フィルタブロックのコア開口と近い公差を有する。少量の繊維がフィルタ表面に捕捉された場合、近い公差のために、捕捉された繊維が押出し機要素によってより小さい片にせん断され、最終的にフィルタを通過し、非常に微細な粒子として液体ストリームと一緒に排出される可能性が改善されるであろう。これは、高圧および高温環境において、固体／流体混合物の流体／液体部分からの固体の分離を可能にする固体／流体分離装置を提供する。

別の実施形態では、分離モジュールは、ツインスクリュー押出し機プレスのバレルに取り付け可能であり、コア開口は、かみ合う押出し機スクリューの一部をぴったり受け入れるように寸法決めされる。ツインスクリュー押出し機のバレルで使用されるフィルタブロックの変形形態では、フィルタブロックのプレートの孔寸法は好ましくは、バレル内および／またはツインスクリューのまわりの圧力変動によって変化する。ツインスクリュー押出し機の運転中、バレル圧力はバレルの断面にわたって変化する。圧力は噛合ゾーンの近くで最も高い。したがって、ツインスクリュー押出し機で使用されるフィルタプレートは、噛合ゾーンの近くで孔径を小さくしたフィルタ流路を有することができる。分離モジュールは、一定またはテーパ状断面のツインスクリューで使用することができる。

別の態様では、収集チャンバは、収集チャンバからの液体および気体を別々に排出するための液体出口および気体出口を有する。

１つの実施形態では、バレルプレートのそれぞれは、積層構成のプレートの位置合わせおよび相互接続のための反対側の取付けタブの対を有する。各取付けタブは、バレルのフィルタブロック部分へのバレルプレートのスタックの位置合わせおよび締め付けために、締付ボルトを受け入れるための孔または溝穴の形態の開口を有してもよい。あるいは、締結ボルト用の開口は省略されて、ハウジングが、タブを位置合わせするために、およびバレルプレートのコア開口に対する回転を防止するために、内向きに突出する隆起部を含み、バレルプレートのスタックの締め付けは、その実施形態において、フィルタプレートまたはハウジングの外部のボルトで締め付けられる端部プレートの対によって達成される。

本開示の他の態様および特徴は、特定の例示的な実施形態の以下の記載を添付図面と併せて再考察すると、当業者に明らかになるであろう。

本明細書に記載の例示的な実施形態をよりよく理解するために、およびどのようにそれらを実行できるかをより明確に示すために、次に例示的実施形態を示す添付図面を単に例として参照する。

図１は、本発明による分離モジュールを含む例示的な固体／流体分離機器の部分的概略側面図である。 図２は、図１に示される例示的機器の垂直断面図であるが、簡単にするために概略的に示される固体／液体分離モジュールを１つのみを含む。 図３は、固体／流体分離モジュールの実施形態を分解図で概略的に示す。 図４Ａは、分離モジュールのバレルプレートおよび右仕様フィルタプレートの概略図を示し、フィルタプレートは複数の半径方向に延びるフィルタ流路を有する。 図４Ｂは、分離モジュールのバレルプレートおよび左仕様フィルタプレートの概略図を示し、フィルタプレートは複数の半径方向に延びるフィルタ流路を有する。 図５は、前後に積み重ねられた、図４Ａによるフィルタプレートの対の等角図である。 図６は、線６−６に沿ってとられた、図５の積層フィルタプレートの対の断面図である。 図７は、図４Ａの一方に類似のフィルタプレートの概略図であるが、比較的小さい孔径のより多くのフィルタ流路を有する。 図８は、図７のフィルタプレートの拡大された詳細図を示す。 図９は、図４Ａの一方に類似のフィルタプレートの概略図を示すが、異なる孔径のフィルタ流路を有する。 図１０は、各フィルタ流路に方向性ゆがみを含む変形フィルタプレートの概略図を示し、ゆがみはフィルタプレートの内縁に隣接するフィルタ流路のＵ字形の分岐の形態である。 図１１は、図１０のフィルタプレートの図１１で示される部分の拡大図を示す。 図１２は、図１１のゆがみにおける繊維のランダムな丸太の渋滞型の配置を概略的に示す。 図１３Ａから１３Ｅは、異なる例示的な方向性ゆがみ形状を概略的に示す。

当然のことながら、説明を簡略かつ明確にするために、適切と考えられる場合、参照番号は、対応または類似する要素またはステップを示すために、図面を通して繰り返される場合がある。さらに、本明細書に記載した例示的実施形態の完全な理解を実現するために、多数の特定の詳細が記載される。しかしながら、当業者であれば、本明細書に記載される実施形態は、これら特定の詳細なしに実行できることを認識するであろう。他の例では、周知の方法、手順および構成要素は、本明細書に記載の実施形態を曖昧にしないように、詳細に記載されていない。さらに、本記載は、本明細書に記載の実施形態の範囲を限定しているとは決してみなされず、むしろ本明細書に記載のさまざまな例示的な実施形態の実行を単に記載しているとみなされる。

本発明の示される例示的な押出し機ユニットは、平行または非平行スクリューを有するツインスクリュー組立体を含み、ここでスクリューのねじ山が、少なくとも押出し機のバレルの長さの一部に沿って介在またはかみ合わされ、スクリューの間、およびスクリューとバレルとの間に密接な隙間を画定している。３つ以上の押出し機スクリューを備えたスクリュー押出し機を使用することもできる。円筒状またはテーパされた（円錐状）スクリューを使用することができる。密接な隙間により、増大したせん断応力を有する領域が形成される。これらの領域により、バレル内部に高圧ゾーンが作成され、高圧ゾーンにより固体／流体混合物は混練かつせん断されながら、前方に押される。特定の流体分離ユニットも設けられ、それにより、押し出される混合物から流体を効果的に抽出することが可能になる。

本発明者らは、ツインスクリュー押出し機などのスクリュープレスコンベヤで使用するための固体／流体分離装置を開発した。この装置は、高い圧力（最大２０，０００ｐｓｉｇ）に対処可能であり、驚くべきことに、ツインスクリュー押出し機プレスと組み合わせたとき、商業的に入手できるまたは研究室の装置の固体レベルを５０〜９０％上回る固体レベルを達成することができた。さらに、装置の比較的非常に小さい孔径により、本発明の分離装置で抽出された液体部分は、懸濁された固体をほとんど含まず、これによりさらなる利点が提供される。高圧固体／流体分離ユニットとツインスクリュー押出し機プレスとの組合せが、任意の乾燥ステップなしに以前はまったく得ることができなかった実質的に乾燥したケーキを生成できる固体／流体分離装置をもたらした。ツインスクリュー押出し機を、３００ｐｓｉをはるかに超える圧力で薄い層の混合物を処理するために使用することができる一方、捕捉されかつ拘束された液体および水に、固体からおよび本開示の新しい固体／流体分離装置を介して機器から移動するための経路を同時に与えることができる。

本発明による分離モジュールを組み込むツインスクリュー押出し機を含む本発明による装置によって、液体を含む流体および繊維状固体を含む固体を含有する混合物にかなりのせん断力／応力を適用することができ、その力は、非常に微細なろ過フィルタユニット（最大２０，０００ｐｓｉのろ過ユニットの強度、孔径は最大５００℃の温度で２５ミクロンに至る）を有する構造的に非常に強力な固体／流体分離モジュール内で薄いケーキ内に適用される。これは同時に、液体を完全に自由にし、微細なろ過フィルタユニットを介して外部へ移動することを可能にする。したがって、ツインスクリュー押出し機プレス内で使用されるとき、このフィルタユニットは、５０％を超える固体含有率で固体／流体分離を必要とする任意のプロセスに利点を提供することが予測される。

次に図を参照すると、図１は本発明による例示的な固体／流体分離機器２００を概略的に示している。機器は、バレルモジュール２３２、２３４、２３６と分離モジュール２１４とを有するツインスクリュー押出し機２１０を含み、押出し機２１０は、中間ギヤボックス駆動装置２２４を介してモータ２２６によって駆動され、モータおよびギヤボックスの両方は従来型の構成要素である。

単一の分離モジュール２１４のみを含む、図１に示される機器の簡略化された例示的な実施形態の垂直断面が図２に示される。例示的な機器２００は、入口２１８および出口２１９２１９を呈する区画化されたバレル２１６を広く含み、従来のツインスクリュー組立体２２２がバレル２１６内にある。組立体２２２はギヤボックス駆動装置２２４を介してモータ２２６に接続される。バレル２１６は、ここで示される簡略化された例示的な実施形態では、端部同士が接続された２つの管状バレルモジュール２２８、２３０と、分離モジュール２１４とから構成される。各バレルモジュールには、外部ジャケット２３４、２３６が設けられる。分離モジュール２１４は、外部ハウジング２３８を含む。第１のモジュール２２８が入口２２９を含み、分離モジュール２１４がダイ２４０に取り付けられることが観察される。ダイは中央開口を含み、その幅は、バレル２１６および分離モジュール２１４内の所望の背圧を生じさせるように選択される。バレル２１６および分離モジュール２１４内の圧力は、スクリュー２５０、２５２とバレル２１６との密着度、およびモータ２２６（図１参照）の、したがってスクリュー２５０、２５２の回転速度によっても制御することができる。各バレルユニットは、内側スリーブ２４２、２４４も含み、そのスリーブは、テーパされた連続スクリュー組立体受入コア開口１２８をバレル内で協働して画定する。このコア開口１２８は、スクリュー組立体２２２を収容するために概ね「８の字」型を有する。示されるように、コア開口１２８はモジュール２２８の後端部で最も広く、バレル２１６の出口２１９の機器の端部まで漸進的かつ均一にテーパする。

示されるスクリュー組立体２２２は、第１および第２の細長いスクリュー２５０、２５２を含み、それらは横並びの関係であり、それぞれ、細長い中央シャフト２５４、２５６ならびに外側に延びるらせん状ねじ山２５８、２６０を含む。例示されるスクリューでは、シャフト２５４、２５６はそれぞれ、入口２２９から隣接する出口２１９まで第１のテーパ角度で漸進的かつ均一にテーパする外面を有する。ねじ山２５８、２６０は、シャフト２５２、２５４の全長に実質的に延び、入口２２９に隣接する後端部から連続して出口２１９の前端部まで進む。それぞれのスクリュー２５０、２５２のねじ山２５８、２６０は介在されるか、またはかみ合わされ、スクリュー２５０、２５２の間で複数の密接な隙間の混練ゾーン２７８を作成する。スクリューのまわりすべてで連続的な混練を達成し、押し出された混合物の逆流のための制限された通路２８０のみを作成するために、ねじ山２５８、２６０のスクリュー受入開口２４８の壁からの間隔は、混練ゾーンのスクリュー２５０、２５２のそれぞれの間隔に類似であるように選択されてもよい。

運転中、分離される押出し可能な固体／流体混合物が、押出し機バレル２１６の中に送られ、その中を通過する。スクリュー組立体２２２は、一般に約２０〜１，２００ｒｐｍの速度で、スクリュー２５０、２５２を同時に（一般に同方向に）回転させるように回転する。押出し機内の圧力は一般に、出口２２０のすぐ隣で最大であり、約１００〜２０，０００ｐｓｉｇ、または約３００〜１０，０００ｐｓｉｇの範囲でもよい。一般に、スクリュー２５０、２５２の回転速度が高いほど、押出し機内で発生する圧力は高くなる。押出し機内の温度は、約４０〜５００℃の範囲でもよい。押出し状態は、押出し機バレルから現れる生成物が、押出し機に供給される押出し可能な混合物より高い固体含有率を有するように、装置２００内で確立される。押出し可能な混合物がバレル２１６を通過する間、スクリュー組立体２２２は、分離のための所望の圧力を最外ダイ２４０（または他の背圧生成構造）とともに生成するように混合物に作用する。上に記載したようなスクリュー２５０、２５２の特定の構成により、従来のスクリュープレスではこれまで見出せなかった分離状態が発生する。すなわち、押出し可能な混合物を同時回転スクリュー２５０、２５２の長さに沿って前進させると、混合物は、材料を前方に押す、すなわち「圧送」する役割を果たす比較的高い局所圧力を生成する混練ゾーン２７８に連続的に直面する。同時に、押出し可能な混合物はスクリューが回転すると混練ゾーン２７８内で混練される。材料の逆流が流路２８０を通して許容されてもよく、または流路２８０の寸法は、１つまたは複数の混練ゾーンも生成するように調整されてもよい。結果は、バレル２１６内の強力な混合／せん断、および場合によってはクッキング作用である。さらに以下のことが見出されている。すなわち、幅広いさまざまな押出し可能な固体／流体混合物を、単にスクリュー組立体２２２の回転速度を変えることによって、および必要であれば、バレル内の温度条件を変えることによって、すなわち単に機器の動作特性を変えることによって、本発明の設備を用いて分離することができる。この融通性および多用途性の程度は、ろ過技術ではまれである。

本発明の分離モジュール２１４の基本構成が図３に示される。図２の機器の分離モジュール２１４は、収集チャンバ２００を画定するハウジングまたは圧力ジャケット２２０と、軸方向のコア開口１２８を画定するバレル２４８とを含み、多数の積層バレルプレート１２０から作製されるフィルタユニット１００を含む。バレルプレートの少なくとも１つは、フィルタプレート１６０、１８０として構成される。圧力ジャケットまたはハウジング２２０と、取込および出力端部プレート２３０および２４０とによって画定される収集チャンバ２００は、あらゆる成分の最大圧力に耐えることが可能であり、ろ過された流体を気体および液体に分離するために使用される。液体は、好ましくは圧力ジャケット２２０の最下地点に配置される液体ドレン２２１を介して収集チャンバ２００から排出することができる。圧力ジャケット２２０はさらに、ジャケットの内側でジャケットの長手軸と平行に延びる複数の位置合わせ隆起部２２３を含み、以下でさらに詳細に論じられるように、バレルおよび／またはフィルタプレートを収集チャンバ２００内で位置合わせする。収集チャンバ２００内に蓄積された気体は、好ましくは圧力ジャケット２２０の最高地点に配置される気体ドレン２２２を介して収集チャンバから排出することができる。高圧収集チャンバ２００は、圧力ジャケット２２０の軸方向端部２２０ａ、２２０ｂと、端部プレート２３０、２４０との間に配置された環状シール２５０によって密閉される。この高圧／高温能力により、押出し可能な混合物、たとえば、リグノセルロース系バイオマスなどのバイオマスを洗浄することが可能になる。押出し可能な混合物は、５０〜２５０℃のプロセス動作温度で通常は気体の状態にあるアンモニア、ＣＯ２、および水などの流体で洗浄されてもよい。分離モジュール２１４は、端部プレート２３０、２４０を相互に引きつけ、それらの間で圧力ジャケット２２０および環状シール２５０を締め付けるように、圧力ジャケット２２０の外側に配置されるアセンブリボルト２２５によって一緒に保持される。さらなるフィルタユニット締付ボルト（図示せず）も、ハウジング２２０に収容されるバレルプレート１２０およびフィルタプレート１６０、１８０を一緒に締め付けるために使用することができ、締付ボルトはそれぞれ端部プレート２３０、２４０の穴２３１、２４１を貫通して延び、分離モジュール２００のさらなる相互締め付けを提供する。収集チャンバ２００内の圧力を維持するために確実に密閉する必要がある分離モジュール２００中の貫通点の数を最小化するために、フィルタユニット締付ボルトは省略され、分離モジュール２００の部品のすべての相互締め付けは、圧力ジャケット２２０の外に配置される組立ボルト２２５などの外部締結構造物によって達成することができる。使用される圧力に応じて、いくつかの種類の気体を収集チャンバ２００内で正確に分離することができ、または分離フラッシュ室を使用して、プロセスの全体効率を最適化することができる。

示される例示的な実施形態のフィルタユニット１００は、バレルプレート１２０およびフィルタプレート１６０、１８０から組み立てられるいくつかのプレートスタックを含み、それは以下でさらに詳細に論じられる。フィルタユニットは、平坦な前面および後面を有する交互に配置されたバレルプレート１２０と、前面にろ過流路（図４〜１３参照）を有するフィルタプレート１６０、１８０とを含むことができる。フィルタユニットは、他方の後ろに直接積み重ねられるフィルタプレート１６０、１８０の１つまたは複数の対を含むこともできる。１つの好ましい実施形態では、フィルタユニットのすべてのバレルプレートは、フィルタユニットの空隙率およびろ過能力を最大化するために、積層フィルタプレート１６０、１８０が端部プレート２３０、２４０の間の間隔を完全に満たすようなフィルタプレート１６０、１８０として構成される。フィルタおよびバレルプレート（１６０、１８０および１２０）ならびに端部プレート２３０、２４０のすべてが、バレル２４８を画定し、加圧された押出し可能な混合物（図示せず）を受け入れるために、貫通コア開口１２８を有する。コア開口１２８は、締め付けられたプレート１２０、１６０、１８０によって、収集チャンバ２００から密閉される。コア開口１２８は、図２に示されるスクリュー組立体受入バレル２４８と、寸法および形状が同一である。分離モジュール２１４は、バレル２１６の部分を置き換え、積層バレルプレート１２０および／またはフィルタプレート１６０、１８０は固体フィルタブロックを形成し、端部プレート２３０、２４０の間で締め付けられるとき、フィルタブロックはバレルの一部を形成する。空隙率を最大にするために、フィルタユニットは好ましくは、フィルタプレート１６０、１８０として構成されるバレルプレートのみを含み、フィルタプレートはフィルタプレートのスタックでカバープレート２３０の後ろに配置され、それにより、各フィルタプレート１６０、１８０の後面１６３は、それぞれ後ろに積み重ねられるフィルタプレート１６０、１８０の前面１６１のカバーとして機能する。中間の平坦なバレルプレート１２０のないフィルタプレート１６０、１８０のみを使用することによって、フィルタユニット１００のフィルタ能力を最大化することができる。

継続的な試験において、１インチの長さの３つのプレートスタックを含み、それぞれが０．００５インチの厚さおよび０．８６４平方インチの全体開口面積の２００個の積層フィルタプレート１６０、１８０を含む、１インチの二重スクリュー押出し機および分離モジュールを使用して、７２％の乾燥塊含量が、約６００ｐｓｉｇのバレル圧力で達成された。継続的に、４０ｇの固体と６０ｇの水を含有する１００ｇのバイオマス（穂軸、ポプラ材）を、１００℃の温度において６００ｐｓｉｇの内力を用いて分離モジュール１００から搾り出し、３９ｇの懸濁された固体と１５ｇの水とを含有する乾燥バイオマス排出物（液体／固体バイオマスの固体部）を得た。得られたろ液は、約９５ｇの水を含有した。ろ液は、少量（約１ｇ）のフィルタ流路の孔径と等しい平均粒度を有する懸濁された固体のみを含有し、比較的清浄であった。

図４は、バレルプレート１２０を概略的に示し、円形中間部分１２２が第１支持タブ１２４および第２支持タブ１２６に取り付けられている。円形中間部分１２２は、ツインスクリュー押出し機プレスのプレススクリューをぴったり受け入れるための８の字型のコア開口１２８を有する。バレルプレート１２０は、前面１２１および後面１２３と、前面１２１と後面１２３との間で延び、かつコア開口１２８を画定する内縁１２５と、収集チャンバ２００と接触する外縁１２７とを有する。複数のバレルプレート１２０が積み重ねられ、隣接するプレート１２０の前面１２１および後面１２３の係合を密閉するために一緒に締め付けられるとき、円形中間部分１２２はバレル部を形成する。

バレルプレート１２０のうちの１つまたは複数は、図４Ａに示される右仕様フィルタプレート１６０または図４Ｂに示される左仕様フィルタプレート１８０を形成するように修正されてもよい。フィルタプレート１６０、１８０の基本構成は、バレルプレートの基本構成と同じであり、バレルプレート１２０およびフィルタプレート１６０、１８０は、第１支持タブ１６４および第２支持タブ１６６に取り付けられている円形中間部分１６２を有する。円形中間部分１６２は、ツインスクリュープレスのプレススクリューをぴったり受け入れるための８の字型コア開口１２８を有する。バレルプレート１２０およびフィルタプレート１６０、１８０は、前面１６１および後面１６３と、前面１６１と後面１６３との間で延び、かつコア開口１２８を画定する内縁１６５と、収集チャンバ２００と接触する外縁１６７とを有する。しかしながら、フィルタプレート１６０、１８０では、前面１６１は、少なくとも１つのフィルタ流路１３０を含む。図４Ａおよび４Ｂに示される実施形態では、コア開口１２８は、前面１６１において複数のフィルタ流路１３０によって囲まれている。フィルタプレート１６０を右仕様の向きで使用し、フィルタプレート１８０を左仕様の向きで使用することを可能にする構造的特徴は、取付けタブ１６４、１６６の向きである。前面１６１から見ると、取付けタブ１６４、１６６は、コア開口１２８の横軸に対して４５度の角度で延びる。したがって、右仕様フィルタプレート１６０の取付けタブ１６４、１６６の向きは、左仕様フィルタプレート１８０の取付けタブ１６４、１６６の向きから９０度移動する。もちろん、バレルプレート１２０は、フィルタプレート１６０、１８０と同じ主要な向きの特徴を含み、バレルプレート１２０の取付けタブ１２４、１２６は、コア開口１２８の横軸に対して４５度の角度で延びる。しかしながら、バレルプレート１２０の前面および後面１６１、１６３は同一であるため、バレルプレート１２０を反転させて、右仕様または左仕様の向きの何れかで使用することができる。

フィルタプレート１６０、１８０の詳細な構成は、図４Ａに示される右仕様フィルタプレート１６０に関してここで論じられ、図４Ｂの左仕様フィルタプレート１８０の構造的特徴は、取付けタブ１６４、１６６の向きを除いて同一である。図４Ａのフィルタプレート１６０は、図示の容易さのために、多数の粗いフィルタ流路１３０を含む。非常に多数のより微細なフィルタ流路１３０を有する好ましいフィルタプレート１６０は、図７および８に関して以下で論じられる。最大固体／流体分離効率を達成するために、フィルタ孔径を最小化する一方で、フィルタ空隙率を最大化することが望ましい。孔径を最小化することは、円筒流路をフィルタジャケットに切り込む必要があるため、従来のスクリュープレスでは課題である。この問題は、本発明によるフィルタユニットで対処され、フィルタ孔は、薄いフィルタプレート１６０の前面１６１に単に凹部１３２を切ることによって形成され、フィルタ流路１３０を形成する。凹部１３２は、フィルタプレート厚さのごく一部の深さに切られ、プレートの構造的完全性を維持し、設置または運転中のプレートのそりまたは座屈を防止する。好ましくは、凹部１３２は、最大でプレート厚さの１／３、より好ましくはプレート厚さの１／５、最も好ましくは最大でプレート厚さの１／１０の深さを有する。非常に小さいフィルタ孔を、本発明によるフィルタプレート１６０を用いて、図４および５に示されるような非常に薄いフィルタプレートと非常に浅い凹部１３２とを使用することによって得ることができる。たとえば、フィルタプレートに０．０５インチの幅および０．００１インチの深さのフィルタ凹部または溝を切り込むことによって、わずか０．００００５平方インチの孔径を達成することができる。さらに微細なろ過のために、０．０１インチ幅のフィルタ凹部を使用することができる。例示的なフィルタプレート厚さ／凹部深さ／凹部幅の組合せが表Ｉに記載される。

フィルタプレート１６０の前面１６１への凹部１３２の切り込みは、切断またはエッチングなどの任意の従来のプロセス、たとえばレーザ切断または酸エッチングによって達成できる。１つの実施形態では、フィルタプレート１６０は３１６ステンレス鋼であり、凹部１３２は酸エッチングによって切られる。従来のフォトリソグラフィプロセスは、切られる凹部パターンを前面１６１に画定するために使用することができる。各フィルタプレート１６０は、フィルタプレート１６０がフィルタユニット１００のフィルタブロックにバレルプレート１２０または他のフィルタプレート１６０、１８０と締め付けられるときに、コア開口１２８から収集チャンバ２００への排流路を提供するための、内縁１６５から外縁１６７まで延びる１つまたは複数のフィルタ流路１３０を含む。図に示されるように、各フィルタプレート１６０は好ましくは、複数のフィルタ流路１３０を含み、好ましくは、１つの凹部から他のものへのフォトラッカーの下での酸のアンダーカットによって引き起こされる特に内縁１６５での孔径の過度の公差のない、フォトエッチング処理によって前面１６１に配置できる最大数のフィルタ流路１３０を含む。

レーザ切断または酸エッチングプロセスを使用して生成される表面は一般に、不均一である。これにより、フィルタ流路はかなりの表面粗さの底面を有することになり、それは流路を通る流体流れに干渉することがあり、かつろ液の懸濁粒子または繊維が流路で捕捉されやすくなり、おそらく完全な詰まりとなることがある。この影響を緩和するために、ろ液の粒子が流路で沈殿する可能性を減少させる減摩コーティングを、フィルタ流路に塗布することができる。減摩コーティングは、インクジェット印刷プロセスを使用して流路に吹き付けることができ、またはフィルタプレートの全面をコーティングで上塗りし、その後、フィルタ流路外の任意のコーティングを除去するために研磨することができる。使用されるコーティングの種類に応じて、研磨ステップは省略することができる。フィルタ流路はまた、減摩コーティングの塗布の代わりに、またはそれに加えて電解研磨することができる。電解研磨および減摩コーティングが組み合わせて使用される場合、フィルタ流路はコーティングの塗布前に研磨される。フィルタ流路１３０を形成する凹部１３２の切り込みために適用可能なフォトリソグラフィおよび電解研磨プロセスはよく知られており、本明細書に詳細に記載する必要はない。

各右仕様フィルタプレート１６０は、図３に示されるように、バレルプレート１２０、その他フィルタプレート１６０の後面１６３、または左仕様フィルタプレート１８０の後面１６３に対してその前面１６１で積み重ねられる。フィルタプレートが、フィルタユニット１００の右仕様プレート１６０または左仕様プレート１８０として設置されることは、図３から明らかである。それによって、左および右仕様フィルタプレートとしてのフィルタプレートの向きは、プレートの保持パターンにおける９０度の移動を引き起こすために、ならびにフィルタユニット１００によってろ過される特定の塊が液体／気体分離を必要とする場合、液体が収集チャンバ２００の底部に排出されるための手段および気体が収集チャンバの頂部に流れるための手段を提供するために使用される。中間バレルプレート１２０の有無にかかわらず連続する右仕様プレート１６０（または反対に左仕様プレート１８０）の数は有利なことには、少なくとも０．２５インチ厚に等しいが、モジュールにおけるプレートの全体数に応じて１インチ厚程度の大きさとすることができる。

図３から分かるように、バレルプレート取付けタブ１２４、１２６およびフィルタプレート取付けタブ１６４、１６６はすべて、圧力ジャケット２２０の内壁に取り付けられた位置合わせ隆起部２２３の対の間にぴったり受け入れられるように成形される。

図６および７は、フィルタプレート１６０のみから作られる、本発明による最も基本的なフィルタパックを示す。フィルタプレート１６０の対は、他のフィルタプレートの後面１６３と係合する１つの文書整理係プレート１６０の前面１６１によって、前後に積み重ねられる。コア開口１２８を通して供給される押し出された固体／流体混合物（図示せず）に混入される流体（液体および／または気体）は、存在する分離圧力によって、内縁１６５で、前面１６１の凹部１３２で形成されるフィルタ流路１３０に流れ込むことを強要される（矢印参照）。外縁１６７で、流体はフィルタ流路１３０を出て収集チャンバに入る（図３参照）。したがって、フィルタプレート１６０は液体および非常に小さい粒子をろ過することができ、それらは８の字型に成形されたコア開口１２８を通る押し出された混合物の流れを横切る方向にフィルタ流路１３２を通って移動する。取付けタブ１６４、１６６のうちの１つで終わるフィルタ流路１３０の外側端部からの排水を可能にするために、円弧状凹部１３４が、取付けタブの基部全体で前面１６１に切り込まれ、その凹部１３４は、フィルタ流路１３０と同じ方法で、かつ同じ深さで切ることができるが、かなり大きい幅を有することができる。

概して、より高い圧力能力を用いて、より多くの液体を押出し可能な混合物から搾り取ることができ、または同じ材料乾燥率の場合、単位ろ過領域あたりでより高い生産率を達成することができる。ろ過（固体捕捉）の質は、プレート構造および厚さに応じて制御することができる。ろ過／圧力定格／資本費を、特定バイオマスのろ過要件に応じて最適化することができる。プレート構造を押出し機（シングル、ツイン、またはトリプルスクリュー）に導入して、高圧、高処理量、連続的分離を生じさせることができる。固体／液体分離モジュールは、スクリューのワイプ特性および交差軸方向流れパターンにより、（ツインおよびトリプルスクリューの場合）いくぶん自動清浄式である。プレートパックの長さを特定要件に対して簡単に適合させることができるため、ろ過領域はプロセス要件に応じて柔軟的である。モジュールを使用して、１つの機械内の単一または複数の段階で、並流または向流構成において固体を洗浄することができ、これにより資本費およびエネルギー要件が低減する。液体ろ過の圧力は、必要であれば真空状態からフィルタブロック内圧（２，０００〜３，０００ｐｓｉｇ）をはるかに超えるまで制御することができる。これにより、液体ストリーム（たとえば、高圧下超臨界ＣＯ２、高圧下洗浄用アンモニア液体、または真空を用いた収集チャンバ中の揮発性有機化合物およびアンモニアガスの放出）中のさらなる分離に対して優れたプロセス融通性が提供される。フィルタの目詰まりまたは汚れ落としの場合、高い背圧能力（内側フィルタブロック圧より高い）を使用して、運転中にフィルタを逆流させることができ、それによって、休止時間が最小化される。

本発明による分離モジュールの上昇した空隙率および圧力抵抗により、最大９０％の乾燥部排出物における乾燥塊含量が可能である一方、同時に小さい孔径によって比較的清浄な液体部が得られ、ここで懸濁した固体は１％程度の低さである。本発明による固体／液体分離モジュールは、材料の固体／液体部を分離するために多くの異なる利用において使用できることが容易に理解される。

１つの例示的な実施形態では、フィルタユニット１００は、微細な固体を分離するための０．００００５平方インチの孔径を有するフィルタ孔と、５．７％の空隙率と、２，５００ｐｓｉｇの圧力耐性とを含む。別の例示的な実施形態では、フィルタユニット１００は、０．００５平方インチの孔径を有するフィルタ孔と、２０％の空隙率と、５，０００ｐｓｉｇの圧力耐性とを含む。さらなる例示的な実施形態では、フィルタユニット１００は、０．００００５平方インチの孔径を有するフィルタ孔と、１１．４％の空隙率とを含む。さらに別の例示的な実施形態では、フィルタユニット１００は、０．００５平方インチの孔径を有するフィルタ孔と、２０％の空隙率とを含む。

フィルタ空隙率
フィルタ孔の寸法は、フィルタ凹部の深さ×開口における溝穴の幅である。図４のフィルタプレートでは、孔径は０．００１インチ（凹部の深さ）×０．０１０インチ（開口における溝穴の幅）＝孔あたり０．００００１平方インチである。プレートあたり１４４個の孔があり、プレートあたり合計孔面積＝０．００１４４平方インチの開口面積である。

小型の１つのインチ径のツインスクリュー押出し機を使用する実験的設定において、６００個のこれらのフィルタプレート１６０、１８０が互いに排他的に積み重ねられた。各プレートは０．００５０インチ厚であり、０．８６４正方インチのフィルタの合計開口面積がもたらされた。この空隙率で、実験的プレートのスタックは、２，５００ｐｓｉｇの分離圧力に耐えることができた。１インチ厚のプレート１６０のパックは２００個のフィルタプレートを含み、それぞれ０．００１４４平方インチの開口面積を有するため、パックについては合計０．２８８平方インチの開口面積となる。これは１／４インチ超の直径のパイプに等しく、実験的設定のために使用される小型１インチ径の押出し機において押出し機長さのわずか１インチの距離以内で完全に到達可能である。交互に配置された２００個の右仕様フィルタプレート１６０および左仕様フィルタプレート１８０のスタックが使用された。

任意のバレルプレートが使用される場合、空隙率は、フィルタプレートまたはバレルプレートの厚さを減らすことによって増大させることができる。プレートの厚さを５０％減らすと、フィルタユニットの空隙率は２倍になる。しかしながら、フィルタユニットの強度は、プレート厚さが減少すると常に減少する。これは、プレートの円形中間部分の全直径を増大し、液体流れ経路をわずかに長くするが、開口面積を同じに維持することによって対処することができる。

図７は、図４のものと類似のフィルタプレート１６０を概略的に示すが、より小さい孔径の非常に多数のフィルタ流路を有する。図８の拡大詳細図から分かるように、フィルタ流路１３０は、内縁１６５から外縁１６７にかけて幅がわずかに増大している。図７および８は、フィルタプレートの１つの実施形態を示し、ここで、フィルタ凹部は、全体を通して０．００１インチの深さと、内縁１６５での０．０１インチの幅と、外縁１６７での０．０２インチの幅とを有する。フィルタ流路１３０の全体数は、この例示的なプレートについては１４４個である。

図９に示される変形フィルタプレートでは、押出し機スクリューのインターカレーションまたはかみ合い領域に隣接するフィルタ流路が、この領域で予想される高いバレル圧力に従って、より密に配置されて、より小さい孔径を有する。

フィルタモジュールを製造するためにフィルタプレート１６０、１８０を使用することにより、低コスト製造方法をフィルタプレートの製造に使用できるため、フィルタの低コストの製造が可能になる。フィルタプレート１６０、１８０のフィルタ凹部１３２は、レーザ切断またはエッチングすることができる。フィルタユニットの製造に使用される材料の種類は、異なるプロセス条件に適合させることができる。たとえば、低ｐＨ／腐食性の使用では、チタニウム、高ニッケル、およびモリブデンのような材料を使用することができる。

各フィルタ流路１３０は、フィルタプレート１６０、１８０の前面および後面１６１、１６３の１つの凹部１３２として形成される。フィルタ流路１３０はフィルタプレート１６０の各面に設けることができるが、製造および組立の容易さのために、フィルタプレートの１つの面のみにフィルタ流路１３０を設けることが好ましい。さらに、フィルタブロックの最大空隙率は、フィルタ流路１３０の数を増加させるだけでなく、フィルタプレート厚さを最小化することによっても達成されるため、フィルタプレート１６０、１８０の両側１６１、１６３にフィルタ流路１３０を設けることは、フィルタプレートの構造的完全性を容認できないほど弱めることがある。さらに、両面にフィルタ流路を有するフィルタプレート１６０、１８０（図示せず）は、対向して設置される任意のフィルタ流路１３０の間のクロスフローを防止するために、裏地プレートとして機能する平坦なバレルプレート１２０によって分離される必要がある。これは、分離モジュール２１４の単位長さあたりの、フィルタプレート１６０、１８０の最大数を減少させ、組立てをより困難にする。互いに対向するフィルタプレートの対のうちの一方の各フィルタ流路１３０が整列し、互いに対向するフィルタプレートのうちの他方の１つのフィルタ流路１３０に完全に重なるようにフィルタ流路１３０がフィルタプレートの各側に対称パターンで配置される場合も、互いに対向する両面フィルタプレートのフィルタ流路間のクロスフローは避けられ得る。この対称パターンは、たとえば、図１０に示されるように、コア開口の垂直対称面１２９の各側にミラー配置でフィルタ流路１３０を配置することによって達成される。平坦なバレルプレート１２０（図１０には示されない）を挿入する必要性は、この設計によって除去され、かつ組立ては容易になるが、互いに対向するフィルタプレートの結果として得られるフィルタ流路は、倍の孔径を有し、それによって、粒度に関する分離モジュールの保持能力が減少することがこの設計の欠点である。したがって、孔径を維持する必要がある場合は、やはり、平坦なバレルプレートを挿入しなければならない。

文書整理係流路１３０を形成するフィルタ凹部１３２は、たとえば、前面１６１のレーザ切断または酸エッチングによって生成することができる。フィルタ流路を作成する１つの方法は、よく知られているフォトリソグラフィプロセスを使用することによる前面１６１の酸エッチングである。酸エッチングによって作成されるフィルタ流路の表面粗さは、既知の電解研磨プロセスによって、または減摩コーティングの適用によって低減させてもよい。フィルタ流路１３０は、コア開口１２８に対して略半径方向に、内縁１６５から外縁１６７まで直線的に延びる凹部または溝１３２の形態でもよい。図８に示されるように、フィルタ流路１３０は内縁１６５から外縁１６７へと広くなってもよい。

繊維状固体を含む押出し可能な混合物からの液体の分離は、フィルタ構成に特定の課題を生じさせる。繊維は、フィルタ流路１３０に入って、並列に並ぶことがあり、流体の流路を減少または妨害するだけでなく、逆洗による除去を不可能でないとしても非常に困難にすることがある密栓を流路に生じさせるためである。図１０〜１３に示されるように、この問題は、本発明によるフィルタプレート１６０、１８０の異なる実施形態の基礎を形成する。問題に対処するために、フィルタ流路１３０は、図１０〜１３に示される方向性ゆがみ３００もその長さに沿ったあらゆる点で含み、流路内の任意の直線経路をブロックしてもよい。これは、流路の長手方向の広がりにおけるＳ字形またはＺ字形のカーブを設けることによって、またはフォークもしくは分岐、たとえば、Ｔ字形、Ｖ字形、Ｙ字形、もしくはＵ字形の分岐を流路に含むことによって達成されてもよい。Ｕ字形分岐の形態の例示的なゆがみが図１０〜１２に示される。フィルタ流路１３０内の直線流路または直線状繊維の直線流路を妨げることが方向性ゆがみ３００の目的である。したがって、フィルタ流路１３０内の直線経路をブロックするのに十分である、フィルタ流路１３０の任意の方向性ゆがみ３００は、ゆがみの形状またはフィルタ流路１３０の長手方向の広がりに沿ったゆがみの位置に関係なく、使用することができる。図１０〜１２に示される実施形態では、ゆがみ３００は有利なことには、内縁１６５で流路１３０の端部に配置される。図１０〜１２に示されるＵ字形ゆがみ３００では、フィルタ流路１３０は、フィルタプレート１６０の前面１６１にエッチングされた幅Ａの凹部１３２を含む。図示される０．００１インチ（１ミクロン）の半径の実施形態において、Ｕ字形の分岐は、凹部の幅と等しい半径で反対の方向に凹部１３２を曲げることによって、凹部１３２を対向するブランチ３２０の対に分岐させることによって作成される。次いでブランチ３２０は、同じ半径で凹部の元の方向に曲げ戻され、Ｕ字形の分岐を作成する。内縁１６５とブランチ３２０との間に配置される前面１６１の部分は、フィルタ流路１３０を通る直線流路をブロックする緩衝器３１０を作成する。

図１２に示されるように、フィルタ流路１３０の幅より短い長さを有する短繊維３５０は、ゆがみ３００を通過できてもよいが、流路に詰まるほど長くないため、流路１３０に蓄積して、流路をブロックすることはほとんどない。他方で、流路１３０の幅より大きい長さを有する長繊維３６０は、ゆがみ３００でほとんどが詰まるであろう。ゆがみ３００で詰まる長繊維３６０は、長繊維３６０の全長に応じて、ゆがみ３００の異なる深さおよび角度で詰まるであろう。これは、川の急な方向転換におけるランダムな丸太の渋滞と同様の非平行で略ランダムな向きの繊維３６０の詰まりとなる。詰まった繊維３６０のこの略非平行の向きは、ゆがみにおけるフィルタ流路１３０の完全な閉塞を防止する。同時に、繊維詰まりが、追加のフィルタ層を作成し、通常はフィルタ流路１３０を通過する非常にきめ細かい固体の保持を支援してもよい。

図１３Ａ〜１３Ｅは、フィルタ流路１３０におけるＹ字形、Ｖ字形、Ｔ字形、Ｓ字形、およびＺ字形のゆがみなどの他の種類のゆがみを概略的に示す。図１〜９の例示的な実施形態と同様に、図１０〜１３Ｅの例示的な実施形態のろ過流路１３０は、外縁１６７の方へ、たとえばゆがみ３００から外縁１６７まで広げてもよい。

本発明者らは、高圧で押出し可能な混合物の固体および流体部分を分離する固体／流体分離装置を開発した。本固体／流体分離装置は、材料の固体／流体部を分離するために多くの異なる利用において使用できると考えられる。さらに、本発明の固体／流体分離装置は、従来のろ過装置より非常に小さい孔径を有することができるため、目詰まりしにくいことが予想され、それによって、従来の装置で定期的に必要とされるような逆洗を含むメンテナンスの必要性が減少する。したがって、本開示の固体／流体分離装置は、従来のろ過装置と比較して、少ない休止時間および少ないメンテナンスにより製造能力が向上し、費用が抑制されるプロセスで使用することができる。

記載される固体／流体分離装置では、分離装置内で材料を内部に移送するスクリュー要素がフィルタブロックの内面と非常に近い公差を有することができ、材料をフィルタ表面から連続的に掻き取ることができる。少量の繊維がフィルタ表面に捕捉された場合、繊維は、押出し機要素によってせん断され、より小さい片になり、最終的にフィルタを通過し、液体ストリームとともに放出される。

フィルタプレートの合計数は、押出し可能な混合物に応じて変えることができ、それは全フィルタ面積を制御する。同じ固体／流体分離状態では、より多くのプレート／より多くの表面積が、より小さい孔の場合に必要とされる。孔の寸法が、流体／液体部に移動する固体の量を制御する。各押出し可能な混合物は、所望の最大固体捕捉（液体ろ液中の懸濁された固体の量）を得るために、特定の孔径の必要性を有する可能性がある。

本開示はある実施形態を記載し説明したが、記載したシステム、機器、および方法はこれら特定の実施形態に限定されないことも理解される。むしろ本明細書に記載し説明した特定の実施形態および特徴の機能的または機械的均等物であるすべての実施形態が含まれることが理解される。

実施形態の１つまたはその他を参照してさまざまな特徴を記載したが、さまざまな特徴および実施形態は、本明細書に記載し説明した他の特徴および実施形態と併せて組み合わせてもよく、または使用されてもよいことは理解されよう。

Claims (21)

1. 加圧された固体／流体混合物を分離するための固体／流体分離モジュールにおいて、
   加圧可能な流体収集チャンバを画定するハウジングと、
   圧力下で固体／流体混合物を含むための軸方向のコア開口を画定するバレルであって、フィルタブロックを含む、バレルと
   を備え、
   前記フィルタブロックが、少なくとも前記バレルの軸方向部分を形成し、かつ複数の積層バレルプレートからなり、
   各バレルプレートが、平坦な前面と、平坦な後面と、前記コア開口を画定し、かつ前記前面から前記後面まで延びる内縁と、前記収集チャンバと接触し、かつ前記前面から前記後面まで延びる外縁とを有し、前記バレルプレートが、隣接するフィルタユニットプレートの前面および後面の係合を密閉するためにフィルタユニットに密に積み重ねられて、前記流体収集チャンバから前記コア開口を密閉し、および
   前記バレルプレートの少なくとも１つが、前記前面に凹設されるフィルタ流路を有するフィルタプレートとして構成され、前記フィルタ流路が、前記コア開口から前記収集チャンバまで前記加圧された固体／流体混合物の流体を排出するために前記内縁から前記外縁まで延びることを特徴とする、固体／流体分離モジュール。
2. 請求項１に記載の分離モジュールにおいて、少なくとも２つの隣接するバレルプレートが、それぞれ前記フィルタプレートとして構成されることを特徴とする、分離モジュール。
3. 請求項１または２に記載の分離モジュールにおいて、前記フィルタブロックが、前記バレルの全軸方向部分を形成することを特徴とする、分離モジュール。
4. 請求項１または２に記載の分離モジュールにおいて、各バレルプレートが、前記フィルタプレートとして構成されることを特徴とする、分離モジュール。
5. 請求項３または４に記載の分離モジュールにおいて、各フィルタプレートが複数の前記フィルタ流路を含むことを特徴とする、分離モジュール。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の分離モジュールにおいて、前記フィルタプレートがあらかじめ選択された孔径を有し、および前記フィルタ流路が前記内縁で前記あらかじめ選択された孔径に対応する開口面積を有することを特徴とする、分離モジュール。
7. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の分離モジュールにおいて、前記フィルタブロックがあらかじめ選択されたフィルタ孔径と、あらかじめ選択された空隙率とを有し、各フィルタ流路が前記内縁で前記あらかじめ選択された孔径に対応する開口面積を有し、および各フィルタプレートが前記コア開口と、前記あらかじめ選択された孔径と、前記多数のフィルタ流路との合計表面から計算されるプレート空隙率を有し、前記フィルタブロックが前記あらかじめ選択された空隙率／プレート空隙率と少なくとも等しい多数のフィルタプレートを含むことを特徴とする、分離モジュール。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の分離モジュールにおいて、前記フィルタ流路が前記内縁から離れる方向に広くなることを特徴とする、分離モジュール。
9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載の分離モジュールにおいて、前記収集チャンバが前記フィルタユニットを収容するための圧力ジャケットを有し、上昇された圧力が、入力端部において入力端部プレートによって、かつ出口端部において出口端部プレートによって密閉可能に閉じられ、前記フィルタブロックが、前記入力端部プレートと前記出力端部プレートとの間に挟まれることを特徴とする、分離モジュール。
10. 請求項９に記載の分離モジュールにおいて、前記圧力ジャケットが、液体および気体のための別々のドレンを含むことを特徴とする、分離モジュール。
11. 請求項６に記載の分離モジュールにおいて、前記フィルタブロックが、前後に積み重ねられ、かつ前記入力端部プレートと前記出力端部プレートとの間に挟まれる複数のフィルタプレートからなることを特徴とする、分離モジュール。
12. 加圧可能な固体／流体混合物を分離するための固体／流体分離モジュールであって、押出しバレルと、押出し機ブロックと、前記押出し機バレルにぴったり受け入れられる回転可能な押出し機スクリューとを有するスクリュー押出し機での使用のために構成される、分離モジュールにおいて、
    入力端部で前記押出し機バレルへ、および出口端部で前記押出し機ブロックへ接続可能である加圧可能な流体収集チャンバを画定するハウジングと、
    圧力下で前記加圧された固体／流体混合物を含むための、および前記押出し機バレルに接続可能な軸方向のコア開口を画定するバレルであって、前記ハウジングに取り付けられ、かつフィルタブロックを含む、バレルと
    を備え、
    前記フィルタブロックが、少なくとも前記バレルの軸方向部分を形成し、かつ複数の積層バレルプレートからなり、
    各バレルプレートが、平坦な前面と、平坦な後面と、前記コア開口を画定し、かつ前記前面から前記後面まで延びる内縁と、前記収集チャンバと接触し、かつ前記前面から前記後面まで延びる外縁とを有し、前記バレルプレートが、隣接するフィルタユニットプレートの前面および後面の係合を密閉するためにフィルタユニットに密に積み重ねられて、前記流体収集チャンバから前記コア開口を密閉し、および
    前記バレルプレートの少なくとも１つが、前記前面に凹設されるフィルタ流路を有するフィルタプレートとして構成され、前記フィルタ流路が、前記コア開口から前記収集チャンバまで前記加圧された固体／流体混合物中の流体を排出するために前記内縁から前記外縁まで延びることを特徴とする、固体／流体分離モジュール。
13. 請求項１２に記載の分離モジュールにおいて、前記入口プレート、出口プレート、およびフィルタプレートが、前記押出しバレルと連通するための、前記収集チャンバから密閉されるコア開口を画定し、前記フィルタプレートが、前記コア開口と連通し、かつ前記コア開口から離れて延びる少なくとも１つのフィルタ流路を有し、および前記分離チャンバが、フィルタパックによって分離される、液体を排出するための排出口を有することを特徴とする、分離モジュール。
14. 請求項１乃至１３の何れか１項に記載の分離モジュールにおいて、前記フィルタプレートが、０．００００３平方インチ〜０．００５平方インチの孔径を有する複数のフィルタ流路を含むことを特徴とする、分離モジュール。
15. 請求項１乃至１４の何れか１項に記載の分離モジュールにおいて、前記フィルタブロックが、合計フィルタ表面に対する合計孔面積として計測される５％〜４０％の空隙率を有することを特徴とする、分離モジュール。
16. 請求項１４または１５に記載の分離モジュールにおいて、前記フィルタブロックが、１００ｐｓｉｇ〜５０００ｐｓｉｇの圧力での運転のために構成されることを特徴とする、分離モジュール。
17. 請求項１６に記載の分離モジュールにおいて、前記フィルタブロックが、２５００ｐｓｉｇ〜３０００ｐｓｉｇの圧力での運転のために構成されることを特徴とする、分離モジュール。
18. 請求項１乃至１７の何れか１項に記載の分離モジュールにおいて、前記フィルタ流路が、前記フィルタ流路を通る直線経路をブロックするための方向性ゆがみを含むことを特徴とする、分離モジュール。
19. 請求項１８に記載の分離モジュールにおいて、前記フィルタ流路が、前記コア開口での内側端部と、前記収集チャンバでの外側端部とを有し、および前記ゆがみが、前記内側端部、前記外側端部、またはそれらの間の任意の点に配置されることを特徴とする、分離モジュール。
20. 請求項１９に記載の分離モジュールにおいて、前記ゆがみが、Ｓ字形のカーブ、Ｚ字形のカーブ、またはＴ字形、Ｉ字形、Ｙ字形、もしくはＵ字形の分岐の形態の前記フィルタ流路における分岐もしくはフォークの形態であることを特徴とする、分離モジュール。
21. 請求項１８乃至２０の何れか１項に記載の分離モジュールにおいて、前記フィルタ流路が前記内縁から離れる方向に広くなることを特徴とする、分離モジュール。

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