KR20130132987A

KR20130132987A - 단일의 수렴 측벽 플레이트들을 구비하는 반응기 용기

Info

Publication number: KR20130132987A
Application number: KR1020137024622A
Authority: KR
Inventors: 제리 알. 요한슨
Original assignee: 안드리츠 인코포레이티드
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2012-03-12
Publication date: 2013-12-05
Also published as: KR101504448B1; CN103443354B; EP2689062A1; CN103443354A; CL2013002685A1; MX2013010773A; DK2689062T3; ES2585557T3; BR112013024661A2; EP2689062B1; JP2014508867A; RU2013147643A; CA2827665A1; ZA201306295B; US8821691B2; WO2012134791A1; AU2012238035B2; US20120241668A1; AR085552A1; JP5926364B2

Abstract

반응기 용기는, 상부 입구 및 바닥 배출구; 상기 상부 입구 및 바닥 배출구 사이에 대체로 수직하게 향해진 측벽, 상기 측벽은 용기 내의 내부 흐름 경로의 주변부를 정의함; 상기 측벽의 마주보는 측들 상에 배치된 제1 쌍의 지지 플레이트들, 상기 제1 쌍의 지지 플레이트들은 수렴의 제1 단일 방향으로 상기 흐름 경로의 단면 흐름 영역을 감소시킴; 및 상기 측벽의 마주보는 측들 상에 배치된 제2 쌍의 지지 플레이트들, 상기 제2 쌍의 지지 플레이트들은 수렴의 제2 단일 방향으로 상기 흐름 경로의 단면 흐름 영역을 감소시킴, 상기 제2 단일 방향은 상기 제1 단일 방향에 각이 지게 오프셋되고, 상기 제2 쌍의 지지 플레이트들은 상기 제1 쌍의 지지 플레이트들과 상기 용기의 다른 높이에 있음;을 포함한다.

Description

단일의 수렴 측벽 플레이트들을 구비하는 반응기 용기{REACTOR VESSEL HAVING SINGLE CONVERGENCE SIDEWALL PLATES}

본 출원은 2011년 3월 25일에 출원된 미국 가출원 번호 제61/467,419호의 이익을 주장하며, 전체가 참조로서 포함된다.

본 발명은 바이오매스를 위한 용기들에 관한 것이며 구체적으로 용기 내부에 바이오매스의 과도한 압축을 방지하기 위한 내부 구조들을 구비하는 용기들에 관한 것이다.

반응기 용기들은 펄프, 연료들 또는 화학품들을 생산하기 위해 바이오매스의 탄수화물 또는 리그닌 또는 다른 성분들을 분해하도록 바이오매스를 처리하기 위해 사용된다. 반응기 용기들은 크고, 수직하게 향해지고 가압될 수 있다. 일반적인 반응기 용기는 100 피트(33 meters)보다 큰 높이 및 적어도 30 피트(10 meters)의 직경을 구비할 수 있다. 반응기 용기는 폐쇄된 상부 및 바닥 구역들을 구비하는 원통형일 수 있다. 반응기 용기에 대한 입구는 상부 구역에 있을 수 있고 그것이 반응기 용기에 들어가면서 바이오매스로부터 용액의 일부를 제거하기 위해 상부 분리기 디바이스를 포함할 수 있다. 반응기 용기로부터의 출구는 바닥 구역에 있을 수 있다. 바이오매스는 반응기 용기를 통해 입구로부터 출구로 수직하게 아래로 이동한다. 반응기 용기 내의 바이오매스의 보유 기간(retention period)은 용기 내에서 수행되는 처리에 의존하고 예를 들어 2 내지 6 시간 같이, 몇 시간이 될 수 있다. 용기 내의 압력은 용기의 상부 구역에서, 용기에 증기를 첨가하는 것에 의해 대기압보다 실질적으로 높게 증가시킬 수 있다. 뜨거운 물 또는 증기는 용기 내의 바이오매스에 열 에너지를 추가하기 위해 용기 안으로 주입될 수 있으며 용기 내 바이오매스의 바람직한 온도를 획득할 수 있다.

일년생 식물들로부터의 바이오매스는, 목재 칩들과 비교해서, 낮은 체적 밀도(bulk density) 및 큰 특정 표면 면적을 구비하는 경향이 있다. 낮은 초기 체적 밀도 및 큰 특정 표면에 의해, 일년생 식물 바이오매스는 목재 칩들보다 더 압축 가능한 경향이 있다. 반응기 용기의 바닥에서, 바이오매스는 특히 액체로 포화될 때, 펄프로 만들기(pulping) 위한 반응기 용기 내에 목재 칩들의 압축에 비해 더 압축될 수 있다. 바이오매스의 압축의 높은 수준은 바이오매스의 영역들이 반응기 용기 내에서 정체되고 다른 영역들은 용기 내에서 빨리 이동하는 바이오매스의 기둥들을 형성하는 위험을 증가시키는 경향이 있다.

식물 바이오매스의 높은 압축은 반응기 용기의 하부 부분 내에, 특히, 용기의 바닥에서 배출 디바이스 상에, 상당한 기계적인 부하들을 작용시킬 수 있다. 이러한 높은 기계적인 부하들은 반응기의 바닥 내의 스크래퍼(scraper)를 작동시키기 위해 요구되는 전력을 증가시키는 것에 의해, 배출 디바이스를 작동시키는 데 요구되는 에너지를 증가시킬 수 있다. 만약 초과된다면, 높은 압축은 배출 디바이스의 작동을 정지할 수 있다. 게다가, 높은 압축은 스크래퍼의 암들을 굽히는 것에 의해, 배출 디바이스를 손상시킬 수 있다.

높은 압축은 또한 반응기 용기를 통해 바이오매스의 흐름을 방지할 수 있다. 높은 압축은 반응기를 통해 흐르지 않도록 고체 질량(solid mass) 안으로 바이오매스를 너무 압축한다. 게다가, 압축은 용기를 통해 아래로 흐르지 않도록 용기 내의 바이오매스의 압축된 영역들을 생성할 수 있다.

목재 칩들을 처리하는 큰 반응기 용기들은 일반적으로 종이 제조를 위한 펄프 및 다른 목재-기반의 제품들을 생산하기 위해 잘 알려져 있다. 목재 칩들을 처리하는 반응기 용기 내의 용액 함유량(liquor content)은 상대적으로 높다. 높은 용액 함유량은 균일한 속도로 용기를 통해 아래로 목재 칩들을 이동하는 데 도움이 되고, 빠르게 이동하는 칩들의 기둥(columns)을 및 정체된(stagnate) 칩 흐름의 영역들을 피하는 데 도움이 된다. 그러나, 높은 용액 함유량은 가압되고 가열될 칩들 및 용액의 부피를 증가시키고 용액을 통해 이동하는 칩들의 양을 감소시키는 것과 같은 단점을 가진다.

바이오매스는 종래에 펄프를 만들 때 목재 칩들을 처리하기 위해 사용되는 실질적으로 적은 액체/용액을 구비하여 반응기 용기들을 통해 흐른다. 반응기 용기 내에 낮은 물 함유량을 유지하는 것은 일반적으로 해제된(released) 수크로오스(sugars) 및 바이오매스로부터의 다른 바람직한 성분들, 특히 일년생 식물 바이오매스의 농도를 최대화하기 위해 요구된다. 낮은 액체 함유량, 예를 들어 물 함유량을 유지하는 것은 또한 용기 내의 증기 생성(generation)을 억제하고 반응기 용기 내의 온도를 높이는 데 필요한 에너지의 양을 감소시킨다.

일년생 식물들로부터의 바이오매스는 목재 칩들보다 건조 중량 단위 당 실질적으로 더 많은 액체를 흡수한다. 바이오매스 내의 액체의 높은 흡수는 반응기 용기를 통해 바이오매스의 흐름을 매끄럽게 하기 위해 이용 가능한 유리된 액체(free liquid)의 양을 감소시킨다. 반응기 용기에 첨가된 물 또는 다른 액체를 흡수하면서 일년생 식물 바이오매스는 포화된다. 액체로 포화될 때, 일년생 식물 바이오매스는 액체 포화된 목재와 거의 동일한 습윤 밀도(wet density)를 구비한다. 포화된 바이오매스의 중량은 반응기 용기 내의 중력에 의해 큰 아래로의 힘들을 생성한다.

바이오매스로 채워진 반응기 용기 내의 유리된 액체의 양은 일년생 식물 바이오매스에 의한 액체의 높은 흡수율 및 바이오매스에 대한 물의 낮은 비율에 의해 적은 경향이 있다. 유리된 액체의 적은 양에 의해, 바이오매스로 채워진 반응기 용기 내에서, 그것이 존재하는 범위에서, 액체 높이는 용기 내에서 상대적으로 낮은 높이에 있고 바이오매스의 높이보다 충분히 아래에 있다. 반응기 용기 내의 낮은 높이들에서 바이오매스의 압축 양은 액체 높이 및 바이오매스의 높이 사이에 큰 높이 차이에 의해 큰 경향이 있다. 바이오매스는 낮은 액체 높이에 의해 반응기 용기 내에서 부유하지 않는다. 부유(floating)의 부재는 반응기 용기의 바닥에서 바이오매스를 추가적으로 압축한다.

반응기 용기들은 그것들의 바닥에서 대체로 배출구(discharge)를 구비한다. 배출 디바이스는 스크래퍼, 스크류 컨베이어 또는 반응기로부터 바이오매스의 연속적인 제거를 촉진시키는 다른 디바이스일 수 있다. 반응기 용기의 바닥에서 바이오매스는 용기 내에 유리된 액체가 있다면 액체 상(liquid phase)으로 될 수 있다. 만약 용기 내에 실질적으로 유리된 액체가 없다면, 바이오매스는 용기의 바닥에서 고체 상(solid phase)으로 될 수 있다. 반응기 용기 내의 배출 디바이스는 액체 또는 고체 상 중의 어느 하나로 바이오매스를 배출하기에 적합하게 될 필요가 있다. 배출 디바이스는 또한 반응기 용기의 바닥에서 압축된 바이오매스와 함께 작동할 수 있게 될 필요가 있다.

크게 가압된 반응기 용기 내에 과도한 압축력들을 해제하기 위한 종래의 시도는 미국 공개 특허 출원 20030201080에 개시된 것과 같이, 목재 칩 수직 반응기 용기 내에 흐름 링들(flow rings)을 추가하는 것을 포함한다. 일년생 식물 바이오매스를 처리하는 반응기 용기 내에, 용기 주위에서 연장하는 원뿔형 흐름 링들 상에 물질이 매달릴 수 있도록 압축은 과도할 수 있다. 바이오매스가 높은 제한되지 않는 항복 강도(yield strength) 및 아치형의(arching) 치수들을 나타낼 때, 바이오매스는 반응기 용기 내에서 원뿔형 흐름 링 삽입물들 상에 매달릴 수 있다. 결과는 용기 내의 바이오매스 흐름들의 채널들, 정체된 포켓들(stagnant pockets), 용기 내의 바이오매스의 아치형 구조물들(arches), 반응기 용기를 통해 바이오매스의 흐름의 단속적인(intermittent) 또는 영구적인 정지일 것이다.

일 차원으로 수렴하는 측벽들을 구비하는 반응기 용기들은 반응기 용기를 통해 목재 칩들의 아래로의 흐름을 수월하게 하기 위해 사용되었다. 미국 특허 출원 공보 2003/0089470 및 2001/0047854 그리고 미국 특허 6,199,299 및 5,700,355는 일 차원으로 수렴하는 측벽들을 구비하는 용기들의 예시들을 개시한다. 수렴하는 측벽들은 용기의 단면 영역을 감소시키고 일반적으로 용기의 바닥 배출구 가까이에 사용된다. 단면 영역의 감소는 대체로 연속적인 단면 영역이 용기를 통해 아래로 이동하는 바이오매스의 균일한 흐름 상태들을 촉진하기 위해 바람직한 용기의 상부 높이들에 대하여 적합하지 않을 수 있다.

반응기를 통해 바이오매스의 아래로의 이동을 수월하게 하는, 일년생 식물 바이오매스와 같은, 바이오매스를 처리하기 위한 반응기 용기들에 대하여 요구된다. 특히, 단속적인 또는 영구적인 흐름 정지들을 구비하고, 채널들, 정체된 아치형 구조물들 및 포켓들을 형성하기 위해 압축된 바이오매스의 경향을 감소시키는 반응기 용기들에 대하여 요구된다.

적어도 용기의 주어진 높이를 가로질러, 반응기 용기 내의 바이오매스의 균일한 상태들을 유지하는 것이 일반적으로 요구된다. 예를 들어, 용기 내의 모든 바이오매스를 위해 균일한 아래로의 흐름 속도를 획득하는 것이 바람직할 수있다. 일반적으로 반응기 용기 내의 더 빠른 이동하는 바이오매스의 기둥들 또는 반응기 용기 내의 바이오매스의 정체된 흐름 영역들을 구비하는 것은 바람직하지 않을 수 있다. 유사하게, 반응기 용기 내의 온도는 일반적으로 용기의 각각의 높이를 가로질러 균일하게 되는 것이 바람직하다. 바이오매스의 온도는 바이오매스가 반응기 용기를 통해 아래로 이동하면서 증가하는 것(increasing)와 같이, 다른 높이들 사이에서 변화할 수 있다. 반응기 용기 도처에서 균일한 흐름 및 반응기 용기 내의 각각의 높이에서 균일한 온도는 바이오매스의 균일한 처리 및 반응기 용기로부터 출력되는 균일한 특성들을 구비하는 바이오매스의 흐름을 촉진시킨다.

반응기 용기는 용기의 측벽 상에 단일의 수렴 플레이트들을 구비하는 것으로 생각된다. 플레이트들은 쌍으로 될 수 있고 측벽의 마주보는 측들 상에 대칭으로 배치될 수 있다. 많은 쌍의 플레이트들은 반응기 용기 내에서 다른 높이들에 배치될 수 있다. 각각의 쌍의 플레이트들은 쌍의 플레이트들보다 아래 또는 위로부터 수평 평면 내에 90도 회전하여 향해질 수 있다. 수직하게 인접한 쌍의 지지 플레이트들 사이의 각의 오프셋은 25 내지 90도의 범위 내와 같이, 90도와 다르게 선택될 수 있다. 각의 오프셋 및 용기 내의 다른 높이들에서 쌍의 수렴 플레이트에 의해, 용기를 통해 아래로 바이오매스 흐름 경로의 결과적인 돌출은 중앙에 있는 정사각형, 실질적으로 중앙에 있는 정사각형 또는 실질적으로 직사각형의 개구이다. 수렴 플레이트들은 플레이트들 그 자체에 의한 일시적인 감소를 제외하고, 용기의 전체적인 내부 직경을 감소하거나 증가시키지 않아도 된다.

바이오매스가 반응기 용기를 통해 아래로 이동하면서 플레이트들은 압축의 양을 약간 증가시키고 그런 다음 빨리 해제한다. 플레이트들의 경사(slope)는 플레이트들을 지나 이동하는 바이오매스에 플레이트들에 의해 적용된 압축력을 초래한다. 이러한 압축력은 플레이트의 경사에 의해 수평 성분을 구비한다. 압축력의 수평 성분의 방향은 각각의 플레이트의 외부 표면에 평행한 수평선에 수직한다.

바이오매스가 플레이트들을 지나 이동하면서 압축의 급속한 해제는 용기 내에 걸리고(hang-up) 아치 모양으로 되는 바이오매스의 경향을 감소시킨다. 플레이트들에 의해 형성된 단일의 수렴은 많은-차원의(multi-dimensional) 수렴 디바이스들인 흐름 링들 또는 다른 배치들을 구비하여 달리 발생할 수 있는 걸림(hang-ups)을 최소화한다.

반응기 용기의 다양한 높이들에서 쌍의 플레이트들은 특히 용기의 바닥에서 바이오매스의 압축을 감소시킨다. 압축의 감소는 적거나 없는 유리된 액체를 구비하는 반응기 용기들 내에서 가장 뚜렷하게 될 수 있다. 압축의 감소는 반응기 용기 내의 낮은 높이들에서 채널링(channeling) 또는 흐름 정지(flow stoppage)의 위험을 낮춘다. 압축의 감소는 또한 반응기 용기의 바닥에서 스크래퍼, 스크류 컨베이어 또는 다른 출구 디바이스를 구동하기 위해 요구되는 비틀림력(torsional force)을 감소시킨다. 감소된 비틀림력은 출구 디바이스들을 구동시키기에 필요한 더 작은 모터들 및 기어박스들을 허용하여, 모터 및 기어박스들은 액체로 채워진 반응 용기를 구비하는 반응기 용기를 위해 요구되는 것들보다 크지 않을 수 있다.

반응기 용기는 다음을 포함하는 것으로 생각된다: 상부 입구 및 바닥 배출구; 상부 입구 및 바닥 배출구 사이에 대체로 수직하게 향해진 측벽; 측벽에 의해 정의된 내부 바이오매스 흐름 경로, 바이오매스는 상부 입구를 통해 용기에 들어가고, 흐름 경로를 통해 흐르고 바닥 배출구를 통해 배출됨; 측벽의 마주보는 측들 상에 배치된 제1 쌍의 지지 플레이트들, 제1 쌍의 지지 플레이트들은 수렴의 제1 단일 방향으로 흐름 경로의 단면 흐름 영역을 감소시킴, 및 측벽의 마주보는 측들 상에 배치된 제2 쌍의 지지 플레이트들, 제2 쌍의 지지 플레이트들은 수렴의 제2 단일 방향으로 흐름 경로의 단면 흐름 영역을 감소시키고, 제2 단일 방향은 제1 단일 방향에 대하여 직각이고, 제2 쌍의 지지 플레이트들은 제1 쌍의 지지 플레이트들과 다른 용기의 높이에 있음.

지지 플레이트들은 용기의 직경의 0.75배 및 직경의 1.5배 사이, 예를 들어 직경의 1배 내지 직경의 1.25배의 높이에 의해 분리될 수 있으며, 직경의 1배를 포함한다. 각각의 지지 플레이트들은 평면일 수 있으며, 곧은 트레일링 가장자리를 구비하고 대체로 쌍곡선의 상부 가장자리를 구비할 수 있다. 각각의 지지 플레이트의 상부 가장자리는 측벽에 맞댈 수 있다. 지지 플레이트들의 외부 표면은 10 내지 45도 사이, 20 및 40도 사이, 예를 들어 측벽에 대해 30도의 각도를 형성할 수 있다.

반응기 용기는 다음을 포함하는 것으로 생각된다: 상부 입구 및 바닥 배출구; 상부 입구 및 바닥 배출구 사이에 대체로 수직하게 향해진 측벽, 측벽은 용기 내의 내부 흐름 경로의 주변부를 정의함; 측벽의 마주보는 측들 상에 배치된 제1 쌍의 지지 플레이트들, 제1 쌍의 지지 플레이트들은 수렴의 제1 단일 방향으로 흐름 경로의 단면 흐름 영역을 감소시킴, 측벽의 마주보는 측들 상에 배치된 제2 쌍의 지지 플레이트들, 제2 쌍의 지지 플레이트들은 수렴의 제2 단일 방향으로 흐름 경로의 단면 흐름 영역을 감소시키고, 제2 단일 방향은 제1 단일 방향에 대해 각이 지게 오프셋되고, 제2 쌍의 지지 플레이트들은 제1 쌍의 지지 플레이트들과 다른 용기의 높이에 있음.

방법은 다음을 포함하여 반응기 용기 내에서 바이오매스를 처리하도록 고안된다: 반응기 용기의 상부 입구에 분쇄된 바이오매스를 연속적으로 공급하는 단계; 반응기 용기 내의 액체 높이가 반응기 용기 내의 바이오매스의 상부 높이보다 실질적으로 낮도록 바이오매스에 물 또는 다른 용액을 연속적으로 첨가하는 단계; 반응기 용기 내에 바이오매스를 처리하는 단계; 반응기 용기의 바닥 출구로부터 처리된 바이오매스를 연속적으로 배출하는 단계; 바이오매스가 바이오매스의 상부 높이로부터 바닥 출구로 반응기 용기 내에서 아래로 점차 그리고 연속적으로 흐르면서, 다수의 쌍의 지지 플레이트들 사이에서 바이오매스가 이동하는 단계, (ⅰ) 쌍의 지지 플레이트들은 용기 내의 다른 높이들에 배치되고, (ⅱ) 각각의 쌍의 플레이트들은 아래 방향을 따라 마주보는 플레이트를 향해 내부로 플레이트에 수렴하는 측벽에 대해 경사져서 용기의 측벽에 장착되고, (ⅲ) 각각의 쌍의 플레이트들의 수렴은 수렴의 단일 방향을 따름; 바이오매스가 각각의 쌍의 지지 플레이트들 사이에서 아래로 흐르면서 바이오매스의 압축을 점차 증가시키는 단계; 바이오매스가 각각의 쌍의 지지 플레이트들 상에 하부 가장자리들을 통과하면서 바이오매스에 대한 압축력들의 일부를 급속히 해제하는 단계.

본 명세서 내에 포함되어 있음.

도 1은 용기 내부에 장착된 단일의 수렴 플레이트들의 쌍들을 구비하는 반응기 용기의 수직 축을 따른 단면도이다.
도 2는 도 1에서 라인 2-2를 따라 취해진 반응기 용기의 수직 축을 통한 단면도이다.
도 3은 단일의 수렴 플레이트의 평면도이다.
도 4는 용기의 측벽에 장착된 단일의 수렴 플레이트의 단면도이다.

도 1은 일년생 식물 바이오매스(biomass)와 같은, 바이오매스를 위한 상부 입구(upper inlet; 12)를 구비하는 반응기 용기(reactor vessel; 10)의 수직 평면을 따라 취해진 단면도이다. 도 2는 하향식의 관점(top down viewpoint)으로부터의 용기(vessel; 10)를 수평 평면을 따라 단면도로 도시한다.

용기(10)는 짚(straw) 같은, 일년생 식물 바이오매스(annual plant biomass)를 처리하도록 맞춰질 수 있다. 상부 입구(12)는 상부 분리기(top separator), 스크류 컨베이어(screw conveyor) 또는 반응기 용기 안으로 바이오매스를 이동시키기 위한 다른 이송 메커니즘(transport mechanism)을 포함할 수 있다. 물 또는 깨끗한 용액(clear liquor) 같은 액체가, 액체 입구(14)를 통해 또는 바이오매스의 유입 흐름(incoming flow)과 함께 용기의 상부에 첨가될 수 있다. 증기(steam) 또는 다른 가열된 가스는 예를 들어 열 입구(heat inlet; 16)를 통해, 용기에 첨가될 수 있다. 증기 또는 다른 가스는 또한 예를 들어 10 내지 20 psig 또는 그보다 크게, 대기보다 높은 내부 압력으로 용기 내의 압력을 높이기 위해 첨가될 수 있다.

반응기 용기(10)는 수직 축(13)을 따라 수직하게 향해지고 일정한 직경(D)을 구비하는 것으로 도 1에 도시된다. 반응기 용기는 용기의 전체 길이를 통해 원형 단면을 구비하는 것으로 도 2에 도시된다. 그 대신에, 용기는 전체 또는 부분적으로 타원형, 직사각형 또는 다른 단면 형상인 단면을 구비할 수 있다. 반응기 용기는 용기에 대한 작동적인 요구에 기초된 높이 및 직경(D)을 구비한다. 일반적인 반응기 용기는 적어도 30 피트(10 미터)의 직경 및 100 피트(33 미터)보다 큰 높이를 구비할 수 있다.

도 1에 도시된 용기는 곧은 측면의, 원통형 측벽들(18)을 구비한다. 그 대신에, 용기는 용기의 직경이 상부에서 바닥으로 점차적으로 증가하도록 하나 이상의 다른 높이들(elevations)에서 확대된 부분들(expansions)을 포함할 수 있다. 도 1에는 도시되지 않았으나, 용기는 용기 내의 바이오매스로부터 용액을 추출하기 위해 측벽들 내에 스크린들(screens), 용기의 다양한 높이들에서 물 또는 용액을 첨가하기 위해 관(piping) 및 노즐들을 포함할 수 있다.

용기의 바닥 부분(bottom portion; 31)은 휘젓기 또는 교반 디바이스(stirring or agitation device; 32) 및 출구 포트(outlet port; 34)를 포함할 수 있는 배출 구역(discharge section)을 포함한다. 모터 및 기어박스 어셈블리(motor and gearbox assembly; 33)는 휘젓기 디바이스의 회전 암들(rotating arms)을 구동한다. 물 같은, 액체 주입 노즐(liquid injection nozzle; 36)은 물이 휘젓기 디바이스의 회전하는 암들을 향해 향하도록 지향될 수 있다.

반응기 용기의 바닥 부분(31) 외 모두를 통해 바이오매스 내에 적거나 없는 유리된 액체(free liquid)가 있을 수 있다. 액체 높이(liquid level; 35)는 출구 포트(outlet port; 34) 및 휘젓기 디바이스(32)보다 약간 높을 수 있다.

바이오매스는 그것이 용기를 통해 아래로 흐르면서 실질적으로 포화될 수 있다. 포화된 바이오매스는 바이오매스가 용기의 상부 부분들 내의 바이오매스의 압력에 의해 용기 아래로 이동하면서 매우 압축된다.

압축 및 높은 압력은 바이오매스가 아치형 구조물들(다리들) 및 다른 용기 내의 사실상 고체 영역들을 형성하게 한다. 이러한 아치형 구조물들은 바이오매스의 흐름의 전부 또는 일부를 차단할 수 있다. 아치형 구조물들은 바이오매스가 용기 내의 측면 플레이트들(side plates; 20)에 의해 반응기 용기를 통해 아래로 흐르면서 방해가 되고 부서진다.

단일의 수렴 측면 플레이트들(single convergence side plates; 20)은 용기의 측벽(18)의 내부 표면에, 예를 들어 용접되거나 볼트로 고정되어 장착된다. 플레이트들(20), 예를 들어 플레이트들의 외부 표면은 용기의 측벽(18)과, 예를 들어 30 도의 5개의 각도를 내에서, 실질적으로 30도의 각도를 형성할 수 있다. 플레이트들 및 측벽 사이의 각도는 20 내지 40도 및 10 내지 45도의 범위 내에 있을 수 있다. 측벽에 장착될 때 플레이트의 정점(apex; 24) 및 플레이트의 트레일링 가장자리(trailing edge; 22) 사이에 수직 거리는 용기의 직경(D)의 1/4일 수 있다.

측면 플레이트들은 용기 내의 다양한 높이들에 쌍(pairs)으로 장착될 수 있다. 쌍의 측면 플레이트들은 용기의 마주보는 측들 상에 배치될 수 있어, 플레이트의 트레일링 가장자리(22)가 마주보는 플레이트의 트레일링 가장자리에 평행하다.

한 쌍의 플레이트들의 트레일링 가장자리들(22)은 다음의 낮은 쌍의 플레이트들의 정점(24)으로부터 하나의 직경(D)의 수직 거리에 의해 분리될 수 있다. 다른 수직 거리들은 특정 반응기 용기의 다른 환경들 및 작동 조건들에 따라 각각의 쌍의 플레이트들을 분리할 수 있다.

쌍의 측면 플레이트들 사이에 수직 공간(vertical spacing)을 위한 기준들(criteria)은 용기의 바닥에서 바이오매스의 압축에 의해 동일한 수직 압력에 대해 얻기 위한 것이고 그것이 발생하면 목재 칩들(wood chips)의 상부 높이 가까이에 또는 그보다 위에 액체 높이를 구비하는 액체 용액(liquid solution) 내에 완전히 가라앉은(submerged) 목재 칩들로 용기가 채워진다. 반응기 용기들은 가라앉은 목재 칩들에 의해 수직 압력을 견디도록 일반적으로 설계된다. 일년생 식물 바이오매스를 처리하는 용기를 위한 유사한 수직 압력을 얻기 위해 지지 플레이트들을 구성하는 것에 의해, 목재 칩 용기 내에 사용되는 동일한 휘젓기 및 교반 디바이스(32)가 바이오매스 용기를 위해 사용될 수 있다.

각각의 쌍의 플레이트들(20)은 쌍의 플레이트들보다 바로 위에 또는 아래에 대해 90도 회전하여 용기(10) 내에 향해질 수 있다. 회전의 각도는 그 대신에 45도일 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 정사각형의 단면을 구비하는 유리된 흐름 영역(free flow area; 26)은 용기를 통해 수직하게 연장하고 플레이트들(20)의 각각의 트레일링 가장자리들(22)의 수평 돌출부(horizontal projection)에 의해 정의된다.

도 3은 예시적인 플레이트(20)의 평면도이다. 플레이트는 용기 내에서 바이오매스 흐름의 압축력들(compressive forces)을 견디도록 충분한 구조 강도를 구비하는 다른 물질 또는 강철로 형성될 수 있다. 플레이트는 평면, 예를 들어 편평할 수 있으나, 약간 볼록하거나 오목한 굴곡을 구비할 수 있다. 유사하게, 트레일링 가장자리(22)는 곧을 수 있거나, 볼록하거나 오목한 굴곡(curvature)을 구비할 수 있다. 플레이트는 또한 정점(24)까지 그리고 트레일링 가장자리의 양쪽 코너로부터 연장하는 상부 가장자리(28)를 구비한다. 상부 가장자리(28)는 용기의 측벽에 일치하고 대체로 쌍곡선(hyperbolic line)을 형성할 수 있다. 상부 가장자리(28)는 용기의 측벽에 볼트로 고정되거나 용접될 수 있다.

브라켓(bracket; 30)은 용기 내에 플레이트를 지지하기 위해 플레이트의 내부 측 및 측벽 사이에서 연장할 수 있다. 브라켓은 도 4에 도시된 바와 같이 수평으로 배치될 수 있거나, 대체로 삼각형 형상을 구비할 수 있는 하나 또는 수직 지지 플레이트들의 어셈블리를 포함할 수 있다. 삼각형 지지 플레이트의 베이스는 용기의 측벽(18)에 맞대고 정점은 측면 플레이트(20)의 후면에 맞댄다.

쌍의 마주보는 측면 플레이트들에 의해 형성된 용기 내의 수렴은 일 차원(one dimensional) 수렴이다. 쌍의 플레이트들(20)은 바이오매스 흐름의 단면 영역(cross-sectional area)이 플레이트들에 수직한 방향으로 수렴하게 한다. 수렴은 쌍의 플레이트들에 인접한 영역들에 제한된다. 흐름 영역은 플레이트들에 평행한 방향으로 수렴하지 않는다. 따라서, 수렴은 일 차원 수렴이다. 일 차원 수렴의 이용은 바이오매스가 플레이트들 사이에서 아치를 형성하는 위험을 감소시킨다.

쌍의 측면 플레이트들 사이에 흐름 경로의 수렴은 용기의 수직 축(13)에 대해 중앙에 있을 수 있다. 중앙에 있다는 것은 용기의 측벽 및 쌍의 플레이트들(20)에 의해 정의된 단면 흐름 영역의 중앙이 수직 축과 동축이라는 것을 의미한다. 수렴은 용기의 직경에서 0.05 내지 0.25만큼, 중앙에서 벗어날 수 있다(off-centered). 수렴은 쌍으로 된 측면 플레이트들 중에서 하나가 다른 측면 플레이트보다 짧은, 각각의 쌍의 측면 플레이트들 내에 측면 플레이트들 사이에 다른 각도들을 구비하는 것에 의해 그리고 쌍의 측면 플레이트들에서 측면 플레이트들 중 하나를 제거하는 것에 의해 중앙에서 벗어날 수 있다.

각각의 쌍의 플레이트들을 지나 흐르는 바이오매스의 수렴은 바이오매스 내의 고체 압력을 변화시킨다. 바이오매스가 각각의 쌍의 수렴하는 플레이트들을 흐르면서, 바이오매스에 대한 수직 압력은 수렴하는 플레이트들을 향해 그리고 부분적으로 바이오매스로부터 멀리 수렴하는 쌍의 플레이트들보다 아래로 다시 향해진다. 수렴하는 플레이트들은 바이오매스의 국부적인 지지를 제공한다. 이러한 국부적인 지지는 수렴하는 플레이트들보다 아래에 바이오매스에 대한 수직 압력을 감소시키고, 각각의 쌍의 플레이트들보다 낮은 높이들에서 바이오매스에 대한 수직 압력을 감소시킨다.

쌍의 플레이트들의 국부적인 수렴은 바이오매스의 교량 경향들(bridging tendencies)을 제거하거나 감소하는 아래로 작용하는 수직 고체 압력 내에, 변화하는 수평 성분을 구비하는, 큰 압력 구배(pressure gradient)를 유발한다. 교량 경향들은 용기의 모든 측면들 상에 대칭으로 수렴하는 벽들을 구비하는 종래의 용기들에 존재한다.

각각의 쌍의 플레이트들에 의한 압력 구배는 플레이트 쌍의 일 차원 수렴에 의해 영향을 받는다. 수렴들의 수평 방향은 예를 들어 90로 회전에 의해, 각각의 상의 플레이트들과 변화하고, 바이오매스가 각각의 쌍의 플레이트들을 지나 흐르면서 고체 압력 구배의 방향이 변화한다. 바이오매스 내의 고체 압력 구배의 방향의 변화는 교량들(아치형 구조물들) 및 다른 바이오매스 내의 고체 영역들을 부수기 위한 플레이트들의 능력을 향상시킨다.

각각의 쌍의 수렴하는 플레이트들보다 아래에서, 바이오매스는 플레이트들에 의해 형성된 공간(void) 안으로 수평하게 확장된다. 이러한 확장은 수렴하는 플레이트들에 의해 야기된 압축을 해제한다. 확장은 교량들 및 다른 바이오매스 내에 과도하게 압축된 고체 영역들을 부수는 데 추가적으로 도움이 된다.

쌍의 플레이트들 사이에 단일-차원 수렴의 방향의 변화는 동일한 영역에서 반복적인 축적을 방지하는 데 도움이 된다. 수렴의 수평 방향이 각각의 쌍의 플레이트들과 예를 들어 90도 회전에 의해 변화하므로, 확장의 방향은 각각의 쌍의 플레이트들과 함께 변화한다. 확장의 방향의 변화에 의해 하나의 쌍의 플레이트들을 통해 지속하는 국부적인 압축은 바이오매스가 다음 쌍의 플레이트들을 지나 흐르면서 실현될 것이다.

쌍의 수렴하는 플레이트들은 용기의 바닥에서 수직 압축을 감소시킨다. 수직 압축 압력의 감소 없다면, 바이오매스에 의해 작용된 압력은 용기 바닥에서 휘젓기 디바이스(32)의 스윕-암들(sweep-arms)에 과도한 토크가 걸릴 수 있다. 쌍의 플레이트들에 의해 획득된 용기의 바닥에서 수직 압축의 감소는 휘젓기 디바이스(32)의 스윕-암들을 이동시키는 데 필요한 토크를 감소시킨다. 토크의 감소는 휘젓기 디바이스를 구동시키기 위해 더 작고 덜 비싼 기어 및 모터를 허용하고 휘젓기 디바이스를 구동시키기 위해 필요한 에너지를 감소시킨다.

본 발명은 현재 가장 실질적이고 바람직한 실시예로 고려되는 것과 결합하여 설명되었으나, 본 발명은 개시된 실시예에 국한되지 아니하며, 오히려 첨부된 청구항들의 사상 및 범위 내에 포함되는 다양한 변경들 및 등가 배치들을 포함하도록 의도된다.

10: 반응기 용기
12: 상부 입구
13: 수직 축
14: 액체 입구
16: 열 입구
18: 측벽
20: 측면 플레이트
22: 트레일링 가장자리
24: 정점
28: 상부 가장자리
30: 브라켓
31: 바닥 부분
32: 휘젓기 또는 교반 디바이스
33: 모터 및 기억박스 어셈블리
34: 출구 포트
35: 액체 높이
36: 액체 주입 노즐

Claims

상부 입구 및 바닥 배출구;
상기 상부 입구 및 바닥 배출구 사이에 대체로 수직하게 향해진 측벽, 상기 측벽은 용기 내의 내부 흐름 경로의 주변부를 정의함;
상기 측벽의 마주보는 측들 상에 배치된 제1 쌍의 지지 플레이트들, 상기 제1 쌍의 지지 플레이트들은 수렴의 제1 단일 방향으로 상기 흐름 경로의 단면 흐름 영역을 감소시킴; 및
상기 측벽의 마주보는 측들 상에 배치된 제2 쌍의 지지 플레이트들, 상기 제2 쌍의 지지 플레이트들은 수렴의 제2 단일 방향으로 상기 흐름 경로의 단면 흐름 영역을 감소시킴, 상기 제2 단일 방향은 상기 제1 단일 방향에 각이 지게 오프셋되고, 상기 제2 쌍의 지지 플레이트들은 상기 제1 쌍의 지지 플레이트들과 상기 용기의 다른 높이에 있음;
을 포함하는, 반응기 용기.
제1항에 있어서,
상기 지지 플레이트들은 상기 용기의 직경의 3/4 및 상기 직경의 1.50배 사이의 거리에 의해 분리되는 반응기 용기.
제1항에 있어서,
바이오매스는 상기 상부 입구를 통해 상기 용기에 들어가고, 상기 흐름 경로를 통해 흐르고 상기 바닥 배출구를 통해 배출되는 반응기 용기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 지지 플레이트들은 수직하게 인접한 지지 플레이트의 트레일링 가장자리 및 상기 지지 플레이트들 중의 하나의 정점 사이에 하나의 직경의 수직 거리에 의해 분리되는 반응기 용기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 각각의 지지 플레이트들은 평면이고, 곧은 트레일링 가장자리 및 대체로 쌍곡선의 상부 가장자리를 포함하고, 상기 상부 가장자리는 상기 측벽에 맞대는 반응기 용기.
제5항에 있어서,
상기 각각의 지지 플레이트들은 상기 측벽의 내부 표면 및 상기 플레이트의 외부 표면 사이에 실질적으로 30도의 각도를 형성하는 반응기 용기.
제5항에 있어서,
상기 각각의 지지 플레이트들은 10 내지 45도의 범위로 상기 측벽의 내부 표면 및 상기 플레이트의 외부 표면 사이에 각도를 형성하는 반응기 용기.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
각의 오프셋은 실질적으로 90도의 오프셋인 반응기 용기.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 쌍의 플레이트의 트레일링 가장자리들에 의해 정의된 흐름 기둥은 상기 용기의 수직 축과 동축인 기하학 중심을 구비하는 반응기 용기.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
수직 방향을 따라 순차적인 적어도 두 쌍의 플레이트들의 트레일링 가장자리들에 의해 정의된 흐름 기둥은 상기 용기의 수직 축으로부터 오프셋된 기하학 중심을 구비하는 반응기 용기.
반응기 용기의 상부 입구에 분쇄된 바이오매스를 연속적으로 공급하는 단계;
상기 반응기 용기 내의 액체 높이가 상기 반응기 용기 내의 상기 바이오매스의 상부 높이보다 실질적으로 낮도록 상기 바이오매스에 물 또는 다른 용액을 연속적으로 첨가하는 단계;
상기 반응기 용기 내에 상기 바이오매스를 처리하는 단계;
상기 반응기 용기의 바닥 출구로부터 상기 처리된 바이오매스를 연속적으로 배출하는 단계;
상기 바이오매스가 상기 바이오매스의 상부 높이로부터 상기 바닥 출구로 상기 반응기 용기 내에서 아래로 점차 그리고 연속적으로 흐르면서, 다수의 쌍의 지지 플레이트들 사이에서 상기 바이오매스가 이동하는 단계, (ⅰ) 상기 쌍의 지지 플레이트들은 상기 용기 내의 다른 높이들에 배치되고, (ⅱ) 각각의 쌍의 플레이트들은 아래 방향을 따라 마주보는 플레이트를 향해 내부로 상기 플레이트에 수렴하는 상기 측벽에 대해 경사져서 상기 용기의 측벽에 장착되고, (ⅲ) 각각의 쌍의 플레이트들의 수렴은 상기 수렴의 단일 방향을 따름;
상기 바이오매스가 각각의 쌍의 지지 플레이트들 사이에서 아래로 흐르면서 상기 바이오매스의 압축을 점차 증가시키는 단계; 및
상기 바이오매스가 각각의 쌍의 지지 플레이트들 상에 하부 가장자리들을 통과하면서 상기 바이오매스에 대한 압축력들의 일부를 급속히 해제하는 단계;
를 포함하는 반응기 용기 내에서 바이오매스를 처리하는 방법.
제11항에 있어서,
각각의 쌍의 지지 플레이트들이 상기 용기의 상기 직경의 3/4 및 상기 직경의 1.50배 사이의 거리에 의해 분리되는 방법.
제11항 또는 제12항에 있어서,
인접한 쌍들의 지지 플레이트들은 실질적으로 90도로 오프셋되고, 각각의 쌍의 플레이트들에 의해 상기 바이오매스의 압축의 수평 성분은 한 쌍의 지지 플레이트들 사이에서 다음 쌍의 지지 플레이트들 사이로 상기 바이오매스가 이동하면서 실질적으로 90도만큼 옮겨지는 방법.
제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 지지 플레이트들은 수직하게 인접한 지지 플레이트의 트레일링 가장자리 및 상기 지지 플레이트들 중의 하나의 정점 사이에서 하나의 직경의 수직 거리에 의해 분리되는 방법.
제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 쌍의 지지 플레이트들에 의한 점진적인 압축 및 급속한 해제는 상기 바이오매스 내의 아치형 구조물들의 형성을 억제하는 방법.
제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 액체 높이는 상기 바닥 출구 및 가장 낮은 쌍의 지지 플레이트들의 트레일링 가장자리들에 또는 상기 트레일링 가장자리들보다 아래에 유지되는 방법.
제11항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 바이오매스의 상부 높이는 상기 용기 내의 가장 높은 높이에 쌍의 지지 플레이트들의 정점들보다 높은 방법.
제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용기에 첨가된 액체의 비율은 상기 바이오매스를 포화시키기에 충분한 방법.
제11항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용기의 상부 영역에 증기를 첨가하는 단계를 더 포함하는 방법.
제11항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용기의 바닥에서 상기 바이오매스를 교반하거나 휘젓는 단계를 더 포함하는 방법.