MX2014011920A

MX2014011920A - Prensa extrusora de doble husillo para separacion solido / fluido.

Info

Publication number: MX2014011920A
Application number: MX2014011920A
Authority: MX
Inventors: Richard Romero Lehoux; Christopher Bruce Bradt
Original assignee: Greenfield Specialty Alcohols Inc
Priority date: 2012-04-05
Filing date: 2013-04-05
Publication date: 2015-05-11
Also published as: EP2833986A4; CA2821845A1; PH12014502253A1; CN104334248A; SG11201406102YA; ZA201407288B; JP2015514006A; IL234936A0; AU2013243202A1; AU2013243202B2; CL2014002660A1; UA112793C2; KR20140143824A; US9643110B2; IN2014DN08977A; MX355969B; US20130264264A1; RU2014142310A; NZ700457A; EP2833986A1

Abstract

Se divulga un aparato de separación sólido / líquido que incluye una prensa extrusora combinada con un módulo de separación sólido / fluido para separar fluido de una masa de sólidos comprimida mediante la extrusora a presiones elevadas. La extrusora incluye dos o más husillos de extrusora con un sistema de tramos intercalado por lo menos a lo largo de una parte del cuerpo de extrusora. El módulo de separación forma una prolongación del cuerpo, recibe la masa presurizada y por lo menos una porción de los dobles husillos, e incluye un paquete de filtro que consiste en una placa de filtro y una placa de respaldo. La placa de filtro tiene una ranura de filtro de paso que se extiende lejos de una abertura central y hasta la placa de filtro para dirigir fluido lejos de la abertura central. La placa de respaldo tiene una abertura central conformada y dimensionada igual al cuerpo y define un paso para guiar fluido recogido en la ranura de filtro a una parte exterior del paquete de filtro.

Description

PRENSA EXTRUSORA DE DOBLE HUSILLO PARA SEPARACIÓN SÓLIDO / FLUIDO Campo de la invención La presente invención se refiere a un método para el tratamiento de diferentes tipos de mezclas de sólido / fluido. La presente invención concierne, en términos generales, a un aparato de separación sólido / fluido, en particular dispositivos de prensa de husillo mejorados de una naturaleza sumamente versátil que pueden usarse para la separación de una amplia diversidad de mezclas de sólido / liquido y suspensiones de unas densidades variables, contenidos en sólidos y tipos de sólidos y líquidos.

Antecedentes de la invención Se conocen diversos procesos de tratamiento de alimentación de proceso o de residuo de proceso para la separación sólido / líquido que requieren un tiempo de residencia, una alta presión y una alta temperatura significativos. Por lo general, los líquidos han de separarse de los sólidos tratados en esas condiciones. El equipo de separación líquido / sólido convencional no es satisfactorio para la consecución de unas tasas de separación líquidos / sólidos altas y sólidos con un bajo contenido en líquido.

Por ejemplo, en el pre-tratamiento de biomasa lígnocelulósíca, han de exprimirse azúcares de hemicelulosa hidrolizados, toxinas, inhibidores y / u otros extractos de la fracción de biomasa sólida / celulosa. Es difícil separar de forma efectiva sólidos de liquido bajo el elevado calor y presión que se requieren para el pre-tratamiento de celulosa.

Muchos procesos de biomasa a etanol generan una suspensión de fibras húmedas de la cual han de separarse compuestos disueltos y liquido en diversas etapas de proceso para aislar una porción fibrosa sólida. La separación sólido / liquido se realiza por lo general por filtración y o bien en un funcionamiento por lotes, con prensas de filtro, o bien de manera continua por medio de prensas de husillo.

La separación sólido / liquido también es necesaria en muchos otros procesos comerciales, tal como el procesamiento de alimentos (extracción de aceite), reducción del volumen de corriente de desecho en los procesos de extracción en húmedo, procesos de deshidratación, eliminación de sólidos suspendidos.

Pueden usarse prensas de husillo comerciales para retirar la humedad de una suspensión de sólido / liquido. No obstante, la torta de sólidos restante a la que se han eliminado los líquidos por lo general contiene solo un 40-50 % de sólidos. Este nivel de separación puede ser satisfactorio cuando la etapa de filtración se ve seguida por otra etapa de dilución o de tratamiento, pero no cuando se desea la máxima deshidratación de la suspensión, siendo la humedad restante, de manera predominante, agua. Este contenido en sólidos insatisfactoriamente bajo es debido a la presión máxima relativamente baja que pueden manejar las prensas de husillo convencionales, que es por lo general de no más de aproximadamente 100-150 psig de presión de separación. Pueden usarse dispositivos de husillo modulares (MSD, Modular Screw Device) comerciales combinados con husillos de drenador, que pueden funcionar a unas presiones más altas de hasta 300 psi. No obstante, sus inconvenientes son su complejidad y coste inherente y una limitación de torta de filtro continuada de no más de un 50 % de contenido en sólidos.

Durante la separación sólido / fluido, la cantidad de liquido restante en la fracción de sólidos (torta de sólidos) es dependiente de la cantidad de presión de separación que se aplica, el espesor de la torta de sólidos, y la porosidad del filtro. La porosidad del filtro depende del número y el tamaño de los poros de filtro. Una reducción en la presión, un aumento en el espesor de torta o una disminución en la porosidad del filtro, bajarán todos ellos la eficiencia de la separación y dará como resultado una disminución en el grado de separación liquido / sólido y en el grado definitivo de sequedad de la fracción de sólidos.

Para una porosidad del espesor de torta de filtro y de sólidos particular, la máxima separación se consigue a la más alta presión de separación posible. Para un espesor de torta de sólidos y una presión de separación particulares, la máxima separación es dependiente únicamente del tamaño de poro del filtro.

Unas presiones de separación altas requieren, desafortunadamente, unos medios de filtro resistentes, que son capaces de soportar la presión de separación, haciendo el proceso difícil y el equipo requerido muy costoso. Cuando se requieren unas presiones de separación altas, es necesario que se aumente el espesor de los medios de filtro para soportar esas presiones. No obstante, para mantener la misma porosidad global que un filtro con los medios de filtro más delgados, los medios de filtro más gruesos requieren un tamaño de poro más grande. Esto puede crear un problema, dependiendo de los sólidos a retener, debido a que el tamaño de poro aceptable del filtro está limitado por el tamaño de las fibras y partículas en la fracción de sólidos, estando limitada la claridad de la fracción de líquido únicamente por el tamaño de poro de los medios de filtro. Unos poros que son demasiado grandes permiten recoger una cantidad significativa de partículas suspendidas en la fracción de líquido, reduciendo de ese modo la eficiencia de la separación líquido / sólido. Una porosidad más alta también puede conseguirse mediante la provisión de un número global más alto de poros, pero que o bien debilita los medios de filtro y de este modo baja la presión de funcionamiento máxima, o bien agranda indebidamente la superficie de filtro.

Con el fin de conseguir un equilibrio aceptable entre la eficiencia de la separación y el tamaño del filtro, el equipo de separación sólido / liquido convencional se acciona por lo general por debajo de las presiones deseables y por encima de los diámetros de poro deseables. No obstante, con el tiempo, eso conduce a que los medios de filtro queden obturados con sólidos suspendidos, no solo reduciendo de ese modo la eficiencia de la separación, sino conduciendo finalmente a un fallo del filtro. Este es el caso, en especial, a las altas presiones que se requieren para el pre-tratamiento de celulosa. De este modo, normalmente se requiere un flujo de lavado a contracorriente de liquido para despejar un bloqueo del filtro y restaurar la tasa de separación. Una vez que un filtro ha quedado obturado, es precisa una alta presión para lavar a contracorriente los medios de filtro. Esto es particularmente problemático cuando se trabaja con unos medios de filtro que funcionan a presiones elevadas, por ejemplo por encima de 1000 psig, o con un proceso que ha de ser continuo.

Se conocen prensas de husillo único, doble o triple convencionales, pero tienen unas capacidades de separación inaceptables. La patente de los Estados Unidos US 7,347,140 divulga una prensa de husillo con una envuelta perforada. Las b presiones de funcionamiento de una prensa de husillo de este tipo son bajas, debido a la baja resistencia de la envuelta perforada y la porosidad relativamente baja de la envuelta. La patente de los Estados Unidos US 5,515,776 divulga una prensa sin fin y unas perforaciones de drenaje en la camisa de prensa, cuya área en sección transversal aumenta en el sentido de flujo del liquido drenado. La patente de los Estados Unidos US 7,357,074 se dirige a una prensa de husillo con un alojamiento de deshidratación cónico con una pluralidad de perforaciones para el drenaje de agua a partir de sólidos a granel comprimidos en la prensa. Una vez más, se usa una camisa o envuelta perforada. Tal como puede entenderse fácilmente, cuanto más alto sea el número de perforaciones en el alojamiento, más baja será la resistencia a la presión del alojamiento. Además, taladrar perforaciones en un alojamiento o camisa de prensa está asociado con serios desafíos cuando se desean unas rendijas muy pequeñas para la separación de sólidos finos. De este modo, se desea un medio de filtro mejorado o módulo de deshidratación para una prensa de husillo.

Sumario de la invención Un objeto de la presente invención es obviar o mitigar por lo menos una desventaja de los dispositivos de separación sólido / líquido previos.

Un objeto adicional es la provisión de un método mejorado para la eliminación de líquidos de diversas suspensiones de sólido / líquido diferentes que se obtienen y / o que se procesan en diferentes aplicaciones.

Todavía otro objeto de la invención es la provisión de un dispositivo y método mejorados para la separación de una gran diversidad de diferentes tipos de mezclas de sólido / líquido y suspensiones.

Aún es un aspecto adicional de la invención la provisión de un dispositivo y método mejorados para separar tanto líquidos como gases de las suspensiones de sólido / líquido.

Con el fin de mejorar la separación sólidos / fluido, la invención proporciona un aparato de filtro de alta presión que incluye una prensa extrusora de doble husillo combinada con un módulo de separación sólido / fluido para separar fluido de una masa de sólidos que contiene fluido comprimida mediante la extrusora de doble husillo a unas presiones por encima de 100 psig, preferiblemente por encima de 300 psig. Para un rendimiento máximo, el aparato de filtro es preferiblemente una prensa extrusora de doble husillo, pero también pueden usarse prensas extrusoras de triple husillo con el módulo de separación de acuerdo con la invención.

De acuerdo con el conocimiento convencional, la eficiencia de filtrado de una prensa de filtro puede mejorarse mediante el aumento de la presión de filtración y la porosidad de filtro. No obstante, los medios de filtración usados convencionalmente limitan de manera significativa las presiones y la porosidad que pueden conseguirse. Los inventores, han descubierto de manera sorprendente ahora que la eficiencia de filtrado de una prensa de husillo que incluye el módulo de separación de acuerdo con la presente divulgación puede mejorarse no solo mediante la manipulación de las condiciones de filtración y las propiedades de filtración del módulo, sino que puede mejorarse de manera significati a mediante la sustitución de la unidad de transporte de tipo de husillo, con una prensa extrusora de husillo con dos o más husillos de extrusora con un sistema de tramos intercalado. Mediante el uso de una extrusora de doble husillo para comprimir y transportar la suspensión, pueden conseguirse unos contenidos en sólidos significativamente más altos en la torta de filtro que en las prensas de husillo convencionales, al funcionar a las mismas presiones de filtración y porosidad de filtro. Al mismo tiempo, los inventores de la presente invención descubrieron que unas presiones de separación significativamente más altas y, de este modo, unos contenidos en sólidos mucho más altos en la torta de filtro, pueden conseguirse mediante la combinación de una prensa extrusora de doble husillo con una unidad de separación sólido / liquido de alta presión capaz de funcionar a unas presiones de separación por encima de 300 psig y de hasta 20,000 psig. En una aplicación, la deshidratación de biomasa celulósica pre-tratada en un proceso de biomasa a etanol, se esperan unos contenidos en sólidos muy por encima de un 50 %. Sin quedar limitados la presente teoría, los inventores creen que la capacidad de filtración mejorada de una prensa que incluye una extrusora de doble husillo está causada por el esfuerzo cortante significativo que se produce en una extrusora de múltiples husillos, tal como una extrusora de doble husillo. Se teoriza que el esfuerzo cortante más alto conseguido, fuerza el líquido atrapado a partir de los sólidos en la suspensión, liquido que de lo Contrario no sería separable solo mediante presión. Se espera que este esfuerzo cortante contribuya de manera significativa a una separación sólido / líquido mejorada con cualquier mezcla de sólido / líquido o suspensión en la que por lo menos parte del líquido está confinada por o atrapada por los sólidos.

Las extrusoras de doble husillo se conocen y se usan por lo general en el procesamiento de plásticos y el procesamiento de alimentos (cocción por extrusión), pero no se han usado como en la presente invención para la separación sólido / líquido bajo una presión elevada.

La unidad de extrusora preferida del aparato de separación sólido / líquido de la invención incluye un conjunto de doble husillo que tiene un cuerpo que aloja por lo menos un par de husillos paralelos o no paralelos con un sistema de tramos por lo menos parcialmente intercalado. El sistema de tramos de los husillos está intercalado por lo menos a lo largo de una parte de la longitud del cuerpo de extrusora para definir una holgura estrecha entre el par de husillos y entre los husillos y el cuerpo. Pueden usarse husillos cilindricos, de sección transversal decreciente o cónicos. Pueden usarse husillos cónicos de sección transversal decreciente asi como husillos cónicos no paralelos con un núcleo de sección transversal decreciente. La holgura estrecha crea unas áreas de linea de contacto con esfuerzo cortante aumentado. Las áreas de linea de contacto crean unas zonas de alta presión en el interior del cuerpo que impulsan material hacia delante, mientras que el material se amasa y se somete a esfuerzo cortante.

La extrusora preferida incluye además un módulo de separación de fluido especializado, que permite que se extraigan de manera eficiente fluidos a partir de la mezcla extruida a las presiones de funcionamiento elevadas de una extrusora de husillo.

Se espera que este conjunto proporcione beneficios significativos a diversos procesos, en los que es necesario que se separe el liquido de los sólidos, y el liquido ha de tener una baja contaminación de sólidos suspendidos. También se espera que el conjunto sea ventajoso para los procesos en los que es necesario que se separen los sólidos del liquido en los que los líquidos contienen compuestos disueltos que es necesario retirar a través de lavado o elución y el líquido extraído ha de tener una baja contaminación de sólidos suspendidos.

La capacidad de separación de una prensa de filtro de extrusora de doble husillo de acuerdo con la presente divulgación puede mejorarse mediante el uso de una unidad de filtro con unas propiedades de separación mejoradas tal como se divulga en la solicitud de EE. UU. pendiente junto con la presente US2012-0118517 (USSN13/292,449), que se incorpora en el presente documento en su totalidad. El módulo de separación incluye una unidad de filtro que tiene una porosidad de un 5 % a un 40 % (área de poro total en relación con la superficie de filtro total). Preferiblemente, el módulo soporta unas presiones de funcionamiento de hasta 20,000 psig, más preferiblemente 10,000 psig, lo más preferiblemente 3000 psig a una porosidad de filtro de un 5 a un 40 %, más preferiblemente de un 11 a un 40 %. La unidad de filtro preferiblemente incluye una pluralidad de poros de filtro con un tamaño de poro de 0.00005 a 0.005 pulgadas cuadradas.

Los inventores de la presente invención de la presente solicitud han descubierto adicionalmente de manera sorprendente que la misma construcción básica de una extrusora con dos o más husillos de extrusora y un módulo de separación de acuerdo con una unidad de filtro tal como se ha descrito en lo que antecede puede usarse, sin obstrucción del módulo de separación, para la separación de líquidos de mezclas de sólido / liquido y suspensiones muy diversas previamente no separables por el mismo dispositivo o método fundamental.

En una realización preferida, la unidad de filtro incluye unos poros de filtro que tienen un tamaño de poro de 0.00005 pulgadas cuadradas para la separación de sólidos finos, una porosidad de un 5.7 % y una resistencia a la presión de 2,500 psig. En otra realización, la unidad de filtro incluye unos poros que tienen un tamaño de poro de 0.005 pulgadas cuadradas y una porosidad de un 20 % y una resistencia a la presión de 5,000 psig. En una realización preferida adicional, la unidad de filtro incluye unos poros de un tamaño de poro de 0.00005 pulgadas cuadradas y una porosidad de un 11.4 %. En aún otra una realización preferida, la unidad de filtro incluye unos poros que tienen un tamaño de poro de 0.005 pulgadas cuadradas y una porosidad de un 40 %. En aún otra realización, la unidad de filtro incluye unos poros de un tamaño de poro de 0.00003 pulgadas cuadradas.

Para maximizar la eficiencia de la separación sólido / fluido, es deseable minimizar el tamaño de poro de filtro, a la vez que se maximiza la porosidad de filtro y para funcionar a unas presiones de separación elevadas. La minimización del tamaño de poro es un desafio en las prensas de husillo convencionales debido a la necesidad de cortar unos pasos cilindricos en la camisa de filtro. Este problema se ha abordado ahora por los inventores. En la unidad de filtro de la presente invención, se forman poros de filtro al simplemente cortar una ranura a través de una placa de filtro, lo que puede conseguirse con mucha más facilidad que los orificios de perforación en una camisa de presión. El uso de ranuras también prevé la creación de unos poros de filtro mucho más pequeños mediante el uso de unas placas de filtro relativamente delgadas y unas ranuras relativamente estrechas. Por ejemplo, mediante el uso de una placa de filtro de 0.005 pulgadas de espesor y al cortar una ranura de 0.01 pulgadas de anchura en la placa de filtro, puede conseguirse un tamaño de poro de solo 0.00005 pulgadas cuadradas. Además, con el fin de proporcionar una porosidad relativamente alta a unas presiones de funcionamiento elevadas, se proporciona un módulo de separación para sellar la conexión con una fuente de una masa presurizada de sólidos que contienen liquido, por ejemplo una prensa de husillo.

En un aspecto, el aparato de separación incluye una cámara de recogida presurizable y una unidad de filtro para recibir de forma estanca la masa presurizada. La unidad de filtro tiene un tamaño de poro de filtro previamente seleccionado y una porosidad previamente seleccionada. La unidad de filtro incluye por lo menos una placa de filtro que tiene unas caras frontal y posterior opuestas, una placa de cubierta que se acopla con la cara frontal de la placa de filtro y una placa de respaldo que se acopla con la cara posterior de la placa de filtro. Las placas de cubierta y de respaldo definen una abertura central de paso que está sellada con respecto a la cámara de recogida para recibir la masa presurizada. Las placas de filtro preferiblemente también se extienden hasta la abertura central, pero pueden estar dimensionadas para tener una abertura central ligeramente más grande que la abertura central. La placa de filtro tiene por lo menos una ranura de filtro de paso que se extiende lejos de la abertura central hasta la placa de filtro, estando sellada la ranura de filtro en las caras frontal y posterior por las placas de cubierta y de respaldo para formar un paso de filtro que tiene el tamaño de poro de filtro previamente seleccionado. La placa de respaldo tiene un rebaje para definir junto con la cara posterior un paso de drenaje en comunicación de fluidos con la cámara de recogida y el paso de filtro. Para una porosidad aumentada, la placa de filtro preferiblemente incluye una pluralidad de ranuras de filtro separadas para aumentar la porosidad de la unidad de filtro y el paso de drenaje se encuentra en comunicación de fluidos con la totalidad de las ranuras de filtro. Para aumentar la porosidad de la unidad de filtro aún más, la unidad de filtro preferiblemente incluye múltiples pares de placas de filtro y de respaldo que están dispuestos por detrás de la placa de cubierta en una pila de placas de filtro y de cubierta alternantes, mediante lo cual cada placa de respaldo intercalada entre dos placas de filtro funciona como la placa de respaldo para una y la placa de cubierta para la otra placa de filtro. Al alternar las placas de filtro y de respaldo, se aumenta la capacidad de presión de separación de la unidad de filtro. Mediante el uso de unas placas de respaldo que son más qruesas que las placas de filtro, la capacidad de presión de la unidad de filtro puede mejorarse adicionalmente. De manera similar, mediante el uso de unas placas de respaldo y de filtro que son de un diámetro más grande, puede aumentarse la capacidad de presión de la unidad de filtro.

En una realización, el módulo de separación puede montarse en o integrarse en el cuerpo de una prensa de husillo y la abertura central está dimensionada para recibir de manera ajustada una porción del husillo de extrusora de la prensa. El husillo de extrusora preferiblemente tiene unas tolerancias estrechas con respecto a la abertura central del bloque de filtro para raspar continuamente el material comprimido lejos de la superficie de filtro a la vez que se generan al mismo tiempo una presión de separación significativa. En el caso de que una pequeña cantidad de fibras queden atrapadas sobre la superficie del filtro, estas se someterán a esfuerzo cortante por los elementos de extrusora unas piezas más pequeñas y, por último, pasarán a través del filtro y al exterior con la corriente de liquido como partículas muy finas. Esto proporciona un dispositivo de separación sólido / fluido que prevé la separación de porciones de sólido y de líquido de un material a un entorno de alta presión y, opcionalmente, incluso de alta temperatura.

En otro aspecto, el módulo de separación para separar líquidos o gases de una masa presurizada de sólidos que contienen líquido incluye un alojamiento sellable que tiene una camisa de presión que define una cámara de recogida para líquidos y gases; una salida de líquido y una salida de gas sobre la camisa para drenar respectivamente líquidos y gases a partir de la cámara de recogida; una placa de extremo de entrada que puede afianzarse de manera desmontable a un extremo de entrada de la camisa; una placa de extremo de salida que puede afianzarse de manera desmontable a un extremo de salida de la camisa y por lo menos un paquete de filtro que incluye una placa de filtro y una placa de respaldo, el paquete de filtro intercalado entre las placas de extremo de entrada y de salida; teniendo las placas de filtro y de respaldo una abertura central alineada que está sellada con respecto a la cámara de recogida para recibir la masa presurizada, en el que la placa de filtro incluye por lo menos una ranura de filtro de paso que se extiende desde la abertura central hasta la placa de filtro y la placa de respaldo que define un paso en comunicación de fluidos con la ranura de filtro y la cámara de recogida.

Preferiblemente, el alojamiento sellable tiene dos o más pares de placas de filtro y de respaldo. Preferiblemente, la placa de filtro incluye una pluralidad de ranuras de filtro. Preferiblemente, cada placa de respaldo incluye una hendidura circular en comunicación de fluidos con todas las ranuras de filtro de una placa de filtro adyacente.

Preferiblemente, cada una de las placas de filtro y de respaldo tiene un par de lengüetas de montaje opuestas para la alineación e interconexión de las placas. Cada lengüeta de montaje puede tener un orificio para recibir un perno de sujeción, para la alineación y fijación de manera conjunta de la pila de placas de filtro y de respaldo en un bloque de filtro continuo. Como alternativa, el orificio para el perno de sujeción se omite y la camisa de presión incluye unas crestas sobre una superficie interna para alinear las lengüetas y evitar la rotación de las placas de filtro y de respaldo en relación con la abertura central.

En un aspecto adicional, la presente divulgación proporciona un uso del módulo de separación sólido / fluido tal como se describe para el procesamiento de un material que tiene una porción de sólido, una porción de liquido y una porción de gas, para separar la porción de sólido de las porciones de liquido y de gas.

En un aspecto adicional, la presente invención reside en un proceso para pre-tratar biomasa, en particular biomasa lignocelulósica.

Otros aspectos y características de la presente divulgación serán evidentes para los expertos en la materia tras la revisión de la siguiente descripción de realizaciones específicas en conjunción con las figuras adjuntas.

Breve descripción de los dibujos Para una mejor comprensión de las realizaciones que se describen en el presente documento y para mostrar más claramente cómo pueden ponerse estas en práctica, a continuación se hará referencia, solo a modo de ejemplo, a los dibujos adjuntos que muestran las realizaciones a modo de ejemplo y en los que: la figura 1 muestra una vista esquemática de un sistema de pre-tratamiento de celulosa a modo de ejemplo que incorpora de manera esquemática una extrusora de doble husillo con un módulo de separación de sólido-líquido; la figura la es una vista en alzado lateral parcialmente esquemática de un aparato de separación sólido / fluido a modo de ejemplo de acuerdo con la invención; la figura 2a es una vista en sección horizontal parcial de un aparato a modo de ejemplo tal como se muestra en la figura la, pero que incluye solo un módulo de separación sólido / liquido, por razones de simplicidad; la figura 3a es una vista en sección vertical de un aparato a modo de ejemplo tal como se muestra en la figura la, pero que incluye solo un módulo de separación sólido / liquido, por razones de simplicidad; la figura 4a es una vista en perspectiva del conjunto de doble husillo de extrusión de sección transversal decreciente preferido que se usa en la realización a modo de ejemplo de la figura la; la figura 4b es una vista en planta de un conjunto de doble husillo de extrusión de sección transversal no decreciente, que puede usarse en la realización a modo de ejemplo de la figura la junto con un cuerpo cilindrico la figura 5a ilustra de manera esquemática una realización de un módulo de separación sólido / fluido en una vista en despiece ordenado; la figura 5b muestra una vista en despiece ordenado del módulo de separación sólido / fluido que se muestra en la figura 5a; la figura 6 muestra una placa de filtro (estrellada) del módulo de separación que tiene unas ranuras de filtro estrechas como canales de drenaje; la figura 6a muestra una vista en detalle ampliado de la placa de filtro (estrellada) de la figura 4; la figura 6b muestra una placa de filtro (estrellada) del módulo de separación que tiene unas ranuras de filtro más anchas que la realización de las figuras 6 y 6a; la figura 7 muestra una placa de respaldo a mano derecha de la realización de la figura 3 la figura 8 es una vista en sección transversal de la placa de respaldo de la figura 7, que se toma a lo largo de la linea B-B; la figura 9 es una vista en sección transversal de la placa de respaldo de la figura 7, que se toma a lo largo de la linea A-A; la figura 10 muestra una placa de respaldo a mano izquierda de la realización de la figura 3; la figura 11 es una vista isométrica de un par de placas de filtro y de respaldo de acuerdo con las figuras 6 y 7; la figura 12 es una vista en sección transversal del par de placas de filtro y de respaldo de la figura 11, que se toma a lo largo de la linea C-C; la figura 13 muestra la distribución de tamaños de partícula de las partículas halladas en un filtrado que se obtiene con una realización del módulo de separación; la figura 14 ilustra la susceptibilidad de aplicación de un dispositivo de separación de acuerdo con la invención para la extracción de agua y aceite a partir de materia prima de aceitunas; la figura 15 ilustra la susceptibilidad de aplicación de un dispositivo de separación de acuerdo con la invención para la extracción de solución de sacarosa a partir de materia prima de remolacha azucarera; la figura 16 ilustra la susceptibilidad de aplicación de un dispositivo de separación de acuerdo con la invención para la extracción de aceite y agua a partir de materia prima de semilla de soja macerada; y la figura 17 ilustra la susceptibilidad de aplicación de un dispositivo de separación de acuerdo con la invención para la extracción de agua a partir de materia prima de biomasa lignocelulósica pre-tratada.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas Se apreciará que, por simplicidad y claridad de ilustración, en los casos en los que se considere apropiado, pueden repetirse números de referencia entre las figuras para indicar unos elementos o etapas correspondientes o análogos. Además, se exponen numerosos detalles específicos con el fin de proporcionar una comprensión profunda de las realizaciones a modo de ejemplo que se describen en el presente documento. No obstante, los expertos en la materia entenderán que las realizaciones que se describen en el presente documento pueden ponerse en práctica sin estos detalles específicos. En otros casos, no se han descrito con detalle métodos, procedimientos y componentes bien conocidos con el fin de no complicar las realizaciones que se describen en el presente documento. Además, la presente descripción no ha de considerarse como limitante del alcance de las realizaciones que se describen en el presente documento en modo alguno, sino más bien como que meramente describe la implementación de las diversas realizaciones que se describen en el presente documento.

La unidad de extrusora preferida de la invención incluye un conjunto de doble husillo que tiene unos husillos paralelos o no paralelos con el sistema de tramos de los husillos intercalado por lo menos a lo largo de una parte de la longitud del cuerpo de extrusora para definir una holgura estrecha entre los husillos y los husillos y el cuerpo. También pueden usarse las extrusoras de husillo con más de dos husillos de extrusora. Pueden usarse husillos cilindricos o cónicos de sección transversal decreciente. Se prefieren husillos cónicos de sección transversal decreciente, lo más preferiblemente husillos cónicos no paralelos. La holgura estrecha crea unas áreas de linea de contacto con esfuerzo cortante aumentado. Las áreas de linea de contacto crean unas zonas de alta presión en el interior del cuerpo que impulsan material hacia delante, mientras que el material se amasa y se somete a esfuerzo cortante. También se proporciona una unidad de separación de fluido especializada, que permite que se extraigan fluidos de manera eficiente a partir de la mezcla extruida.

Los inventores desarrollaron un dispositivo de filtración sólido-liquido para su uso con un transportador de prensa de husillo, dispositivo de filtración que puede manejar unas presiones muy altas (de hasta 20,000 psig) y de manera sorprendente fue capaz de generar unos niveles de sólidos a partir de un 50-90 % bien por encima del de cualquier cosa comercialmente disponible o que se aplique en el laboratorio, al combinarse con una prensa extrusora de doble husillo. Además, la porción de liquido extraída contenía pocos sólidos suspendidos, debido al muy pequeño tamaño de poro del dispositivo, que proporciona un beneficio adicional. Este dispositivo es el objeto de la solicitud de patente de los Estados Unidos pendiente junto con la presente US2012-0118517 (USSN13/292,449). Los resultados de la separación y el contenido en sólidos significativamente alto en la torta de filtro fueron muy sorprendentes, debido a que la combinación de una unidad de filtración de alta presión y una prensa extrusora de doble husillo dio como resultado un dispositivo de separación sólido / liquido capaz de desarrollar una torta vírtualmente seca, que era completamente imposible de conseguir hasta la fecha sin etapas de secado subsiguientes. La teoría es que el doble husillo es capaz de someter a esfuerzo cortante por el material con una capa de torta muy delgada a unas presiones que superan con mucho 300 psi a la vez que se permite, al mismo tiempo, al liquido y el agua atrapados y confinados, una trayectoria para que migren al exterior de los sólidos y al exterior del aparato a través del dispositivo de filtro novedoso.

Con el aparato de la invención, se pueden aplicar fuerzas / esfuerzos cortantes significativos a un fluido con que contiene tanto líquidos como sólidos, fuerzas que se aplican en una torta delgada en el interior de un mecanismo de filtración muy resistente y muy fino (resistencia de la unidad de filtración de hasta 20,000 psi, con unos tamaños de poro de hasta 5 mieras a unas temperaturas de hasta 500 °C), lo que permite al mismo tiempo que la liberación de líquido migre al exterior a través de este filtro fino. De este modo, se espera que la combinación de esta unidad de filtro con una prensa extrusora de doble husillo proporcione unos beneficios significativos a un proceso de etanol celulósico y a otros procesos, en especial aquellos que abordan la deshidratación de fluidos no newtonianos que tienen unas características de comportamiento pseudoplástico por esfuerzo cortante o un material viscoplástico que se descompone en componentes sólidos y líquidos separados una vez que se ha impartido un esfuerzo cortante específico al material.

Pasando a continuación a los dibujos, la figura la ilustra de manera esquemática un aparato de separación sólido / fluido 200 a modo de ejemplo de acuerdo con la invención. El aparato incluye una extrusora de doble husillo 210 con unos módulos de cuerpo 212 y unos módulos de separación 214, extrusora 210 que está accionada por un motor 226 a través de una unidad de accionamiento de caja de engranajes intermedia 224, siendo tanto el motor como la caja de engranajes unos componentes convencionales.

Las figuras 2a y 3a ilustran una realización simplificada a modo de ejemplo del aparato que se muestra en la figura la, que incluye solo un único módulo de separación 214. Como es evidente a partir de las figuras 2a y 3a, el aparato 200 incluye en términos generales un cuerpo dividido en secciones 216 que presenta una entrada 218 y una salida 220, con un conjunto de doble husillo especializado 222 en el interior del cuerpo 216; el conjunto 222 está acoplado por medio de la unidad de accionamiento de caja de engranajes 224 con el motor 226. El cuerpo 216 en la realización simplificada a modo de ejemplo que se ilustra está constituido por dos cabezales de cuerpo tubular interconectados extremo con extremo 228, 230, y un módulo de separación 232. Cada cabezal de cuerpo está provisto con una camisa externa 234, 236, para permitir la circulación de medios de enfriamiento o de calentamiento para el control de temperatura del dispositivo de extrusora. El módulo de separación 232 incluye una cámara de presión externa 238. Se observará que el primer cabezal 228 incluye la entrada 218, mientras que el módulo de separación 238 incluye una boquilla 240. La boquilla incluye una abertura central, la anchura de la cual se selecciona para producir la contrapresión deseada en el cuerpo 216 y el módulo de separación 238. La presión en el cuerpo 216 y el módulo de separación 238 también pueden controlarse mediante el ajuste entre los husillos 250, 252 y el cuerpo 216 y la velocidad de rotación del motor 226 y, de este modo, los husillos 250, 252. Cada uno de los cabezales 228-230 también incluye un manguito interno 242, 244 que definen en cooperación una abertura de recepción de conjunto de husillo continuo de sección transversal decreciente 248 en el interior del cuerpo. Esta abertura 248 tiene una forma por lo general "de número ocho" con el fin de dar cabida al conjunto de husillos 222. Tal como se ilustra, la abertura 248 es lo más amplia en el extremo posterior del cabezal 228 y presenta una sección transversal decreciente de manera progresiva y uniforme hasta el extremo del aparato en la salida 220 del cuerpo 216.

El conjunto de husillos 222 incluye unos husillos alargados primero y segundo 250, 252 que se encuentran en una relación uno al lado del otro tal como puede verse del mejor modo en la figura 4a. Si se usa un cuerpo de sección transversal no decreciente de sección transversal constante (que no se muestra), un par de husillos rectos o cilindricos tal como se muestra en la figura 4b pueden usarse como los husillos 250 y 252. Cada uno de los husillos 250, 252 incluye un eje central alargado 254, 256 asi como un sistema de tramos helicoidal que se extiende hacia fuera 258, 260. En los husillos de sección transversal decreciente tal como se muestra en las figuras 2a y 3a, cada uno de los ejes 254, 256 tiene una superficie externa que presenta una sección transversal decreciente de manera progresiva y uniforme a través de un primer ángulo de decrecimiento en sección transversal desde los puntos 262, 264 proximales con respecto a los extremos posteriores de los ejes 254, 256 correspondientes, hasta los puntos delanteros 266, 268 junto a los extremos delanteros de los ejes. Este ángulo de decrecimiento en sección transversal por lo general varia desde aproximadamente 0.5-5°, y más preferiblemente desde aproximadamente 1-2.2°. La realización ilustrada tiene un ángulo de decrecimiento en sección transversal de 1.3424°.

El sistema de tramos 258, 260 (en la realización que se ilustra se usan unos tramos dobles, pero también son una posibilidad los tramos únicos o múltiples) se extiende esencialmente por la plena longitud de los ejes 252, 254 entre los puntos 262, 266 y 264, 268. De este modo, el sistema de tramos 258, 260 avanza desde un extremo posterior junto al punto 262, 264 de una forma continua hasta el punto delantero 266, 268. Además, el sistema de tramos presenta una superficie externa 270, 272 en cada uno de los husillos 250, 252. La geometría del sistema de tramos 258, 260 es tal que la profundidad de tramo disminuye de manera progresiva y uniforme a medida que el sistema de tramos avanza desde el extremo posterior hasta el extremo frontal de los husillos 250, 252. En consecuencia, las superficies externas 270, 272 del sistema de tramos 258, 260 también presentan una sección transversal decreciente de atrás hacia delante de una forma progresiva y uniforme. El segundo ángulo de decrecimiento en sección transversal de la profundidad del sistema de tramos y las superficies exteriores del sistema de tramos puede variar desde 2-6° y en la realización ilustrada es de 3.304°.

Por último, el sistema de tramos 258, 260 está diseñado de tal modo que la anchura de las superficies exteriores 270, 272 del sistema de tramos aumenta de una forma progresiva y uniforme desde el extremo posterior de los husillos hasta los extremos frontales del mismo. Esta configuración se ilustra del mejor modo en las figuras 3a y 4a, en las que se verá que la anchura es relativamente pequeña en los extremos posteriores de los husillos 250, 252, pero aumenta hasta una anchura más amplia en los extremos delanteros de los husillos. Tal como se ha indicado previamente no obstante, la anchura puede ser constante a través de la totalidad de la longitud de los husillos, o podría estrecharse desde los extremos traseros hasta los extremos delanteros de los mismos. Por consiguiente, la relación de la anchura en el extremo delantero o de entrada de cada husillo co respecto a la anchura en el extremo trasero o de salida puede variar desde aproximadamente 0.5 a 5.

Los husillos 250, 252 están orientados preferiblemente de tal modo que sus ejes centrales respectivos se encuentran en un ángulo convergente uno en relación con otro, de tal modo que un ángulo incluido se define por los ejes centrales. Este ángulo incluido puede variar desde aproximadamente 1-8°. El ángulo incluido en la realización ilustrada es 2.3240°. Cuando los husillos 250, 252 están orientados tal como se describe dentro de la abertura de cuerpo 248, el sistema de tramos 258, 260 de los husillos 250, 252 respectivos está intercalado, es decir, cada uno de los sistemas de tramos define un tronco imaginario de un cono entre los extremos posterior y frontal de los husillos correspondientes, y el sistema de tramos 258, 260 se extiende en el interior del tronco imaginario del husillo adyacente. Tal como se muestra, y en virtud de la selección de unos ángulos de decrecimiento en sección transversal primero y segundo apropiados y el ángulo incluido entre los ejes centrales 274, 276, el sistema de tramos presenta una pluralidad de zonas de línea de contacto de holgura estrecha 278 a lo largo de la longitud del conjunto de husillos 222. Estas áreas de linea de contacto presentan una holgura entre los sistemas de tramos 258, 260 que, preferiblemente, es sustancialmente constante a lo largo de la longitud del conjunto de husillos 222. Más en general, si se desea, tales holguras de linea de contacto podrían aumentar o disminuir a lo largo de la longitud del conjunto 222. Además de las áreas de línea de contacto 278, se observará que el conjunto 222 también presenta unos pasadizos de contraflujo de material 280 y unas zonas de amasado 282 entre los husillos 250, 252.

Durante el funcionamiento, se hace que la mezcla que ha de separarse pase al interior, y a través, del dispositivo de extrusora 214. El conjunto de husillos 222 se rota con el fin de rotar conjuntamente los husillos 250, 252, por lo general a una velocidad de desde aproximadamente 20-1,200 rpm. Las presiones en el interior de la extrusora por lo general se encuentran en un máximo inmediatamente junto a la boquilla de salida, y por lo general varían desde aproximadamente 300- 20.000 psig, más preferiblemente desde aproximadamente 1,000- 10.000 psig. Las temperaturas máximas en el interior de la extrusora normalmente varían desde aproximadamente 40-500 °C.

Se crean unas condiciones de extrusión en el interior del dispositivo 214 de tal modo que el producto que emerge del cuerpo de extrusora por lo general tiene un contenido en sólidos más alto que el producto que se alimenta a la extrusora. El contenido en sólidos preferido a conseguir en la producción de biocombustible a partir de biomasa lignocelulósica a conseguir con el dispositivo de separación de la presente divulgación se encuentra por encima de un 50 %.

Durante el paso de la mezcla que puede extruirse a través del cuerpo 216, el conjunto de husillos 222 actúa sobre la mezcla para crear, junto con la boquilla más alejada 240, la presión deseada para la separación. La configuración especifica de los husillos 252, 254 tal como se ha descrito en lo que antecede genera unas condiciones de separación no halladas hasta la fecha con las prensas de husillo convencionales. Es decir, a medida que se hace que la mezcla avance a lo largo de la longitud de los husillos de rotación conjunta 252, 254, esta encuentra continuamente las áreas de linea de contacto de holgura estrecha alternativamente superiores e inferiores 278 que generan unas presiones localizadas relativamente altas que sirven para empujar o "bombear" el material hacia delante; al mismo tiempo, el producto se amasa dentro de las zonas 282 a medida que rotan los husillos, y se permite un contraflujo de material a través de los pasadizos 280. El resultado es una acción de cocción y mezclado / aplicación de esfuerzos cortantes intensos en el interior del cuerpo 216. Además, se ha descubierto que una amplia diversidad de mezclas de sólido / líquido pueden separarse usando el equipo de la invención; simplemente mediante el cambio de la velocidad de rotación del conjunto de husillos 222 y, según sea necesario, las condiciones de temperatura en el interior del cuerpo, lo que quiere decir meramente mediante el cambio de las características operativas del aparato. Este grado de flexibilidad y versatilidad no tiene precedentes en la téenica de la filtración.

Una realización de un módulo de separador sólido / fluido sin membrana 100 de acuerdo con la invención se muestra en las figuras 5 y 5a, módulo que es capaz de soportar unas fuerzas de presión internas muy altas (de hasta 5000 psig). Este módulo de separador sólido / fluido puede usarse con el proceso y aparato que se muestra en la figura 1 a la vez que es capaz de controlar la permeabilidad / porosidad (capacidad de filtración) mediante diversas configuraciones de placa de filtro y espesores de placa según se requiera por el tipo de biomasa / sólidos que se tratan.

Una realización a modo de ejemplo del módulo de separación 214, tal como se ilustra en la figura la, se muestra con más detalle en la figura 5 como el módulo de separación sólido / fluido 100. Este se usa como parte del aparato de separación sólido / líquido de la figura la y se monta entre el cuerpo de extrusora de doble husillo (en lo sucesivo en el presente documento, un cuerpo 500 y un bloque de extrusora 520. El módulo 100 separa fluidos (liquido y / o gas) de una masa de sólidos que contiene liquido comprimida mediante la prensa de husillo, preferiblemente hasta unas presiones por encima de 100 psig. El módulo de separación 100 incluye una cámara de recogida 200 y una unidad de filtro 300 que tiene una porosidad de un 5 % a un 40 % (área de poro total en relación con la superficie de filtro total). Preferiblemente, el módulo 100 soporta unas presiones de funcionamiento de hasta 5000 psig a una porosidad de filtro de un 5 a un 40 %, más preferiblemente de un 11 a un 40 %. La unidad de filtro 300 preferiblemente incluye una pluralidad de poros de filtro con un tamaño de poro de 0.00005 a 0.005 pulgadas cuadradas.

En una realización preferida, la unidad de filtro 300 incluye unos poros de filtro que tienen un tamaño de poro de 0.00005 pulgadas cuadradas para la separación de sólidos finos, una porosidad de un 5.7 % y una resistencia a la presión de 2,500 psig. En otra realización, la unidad de filtro 300 incluye unos poros de filtro que tienen un tamaño de poro de 0.005 pulgadas cuadradas y una porosidad de un 20 % y una resistencia a la presión de 5,000 psig. En una realización preferida adicional, la unidad de filtro 300 incluye unos poros de filtro de un tamaño de poro de 0.00005 pulgadas cuadradas y una porosidad de un 11.4 %. En aún otra realización preferida, la unidad de filtro 300 incluye unos poros de filtro que tienen un tamaño de poro de 0.005 pulgadas cuadradas y una porosidad de un 40 %.

La construcción básica del módulo de separación 100 se muestra en las figuras 5 y 5a. Una cámara de recogida 200, que es capaz de soportar la presión más alta de cualquier componente se usa para separar los fluidos filtrados en gases y liquido. La cámara de recogida se define por una camisa de presión o alojamiento 220 y unas placas de extremo de admisión y de salida 230 y 240. El liquido puede drenarse a partir de la cámara de recogida 200 a través de un drenaje de liquido 221, preferiblemente ubicado en el punto más bajo sobre la camisa de presión 220. La camisa de presión 220 incluye además una pluralidad de crestas de alineación 223 que se extienden en paralelo a un eje longitudinal de la camisa sobre la parte interior de la camisa, para la alineación de las placas de filtro y de respaldo en el interior de la cámara de recogida 200. El gas acumulado en la cámara de recogida 200 puede expulsarse a partir de la cámara a través de un drenaje de gas 222, preferiblemente ubicado en el punto más alto sobre la camisa de presión 220. La cámara de recogida de alta presión 200 está sellada por medio de unas juntas de estanqueidad circulares 250 que están colocadas entre extremos axiales de la camisa de presión 220 y las placas de extremo 230, 240. Esta capacidad de alta presión / alta temperatura prevé el lavado de biomasa con fluidos tal como amoniaco, CO2 y agua que normalmente se encuentran en el estado gaseoso a unas temperaturas de funcionamiento de proceso de 50 a 250 °C. El módulo de separación se sujeta de manera conjunta mediante unos pernos de montaje 225 que se encuentran en el exterior de la camisa de presión 220 para tirar de las placas de extremo 230, 240 de manera conjunta y fijar la camisa de presión 220 y las juntas de estanqueidad circulares 250 entre los mismos. Unos pernos de fijación de unidad de filtro 129 (véase la figura 2) también pueden usarse para fijar de manera conjunta los paquetes de filtro 321, 322 en la unidad de filtro 300. En una realización preferida, los pernos de fijación de unidad de filtro se extienden a través de las placas de extremo 230, 240 y proporcionan para una fijación adicional de manera conjunta del módulo de separación 200. Los pernos de fijación de unidad de filtro 129 también pueden extenderse a través del bloque de extrusora 520 para la sujeción del bloque de extrusora al módulo de separación. No obstante, para minimizar el número de puntos de penetración en el módulo de separación 200 que es necesario sellar de manera fiable para mantener una presión en la cámara de recogida 200, los pernos de sujeción de unidad de filtro 129 se omiten y toda la fijación de manera conjunta de las piezas de la unidad de separación se consigue mediante estructuras de sujeción, tal como los pernos 225, que se encuentran en el exterior de la camisa de presión. Dependiendo de las presiones que se usen, algunos gases pueden separarse directamente en la cámara de recogida 200, o en algunas circunstancias (tal como se muestra en la figura 1) un recipiente de vaporización instantánea separado puede utilizarse para optimizar la eficiencia global del proceso.

La unidad de filtro 300 incluye varios bloques de placa 320 que se montan a partir de una pila de los paquetes de filtro básicos 321, 322 de la invención, la combinación de una placa de filtro 120 colocada contra una placa de respaldo 160, 180, que se describen con más detalle en lo sucesivo con referencia a las figuras 4 a 12. En la realización ilustrada, hay unos paquetes de filtro a mano derecha 321 que incluyen una placa de filtro 120 y una placa de respaldo a mano derecha 160, y unos paquetes de filtro a mano izquierda 322 que incluyen una placa de filtro 120 y una placa de respaldo a mano izquierda 180. No obstante, también son posibles unas realizaciones completamente simétricas que no requieren componentes a mano izquierda y derecha.

En un aspecto, el módulo de separación incluye una cámara de recogida presurizable 200 y una unidad de filtro 300 para recibir de forma estanca la masa presurizada (que no se muestra). La unidad de filtro 300 tiene un tamaño de poro de filtro previamente seleccionado y una porosidad previamente seleccionada. La unidad de filtro 300 incluye por lo menos una placa de filtro 120 que tiene unas caras frontal y posterior opuestas 121, 123, una placa de cubierta 230 que se acopla con la cara frontal 121 de la placa de filtro 120 y una placa de respaldo 160, 180 que se acopla con la cara posterior 123 de la placa de filtro 120. Las placas de filtro, de cubierta y de respaldo (120, 230, 160 / 180) definen una abertura central de paso 128 que está sellada con respecto a la cámara de recogida 200 para recibir la masa presurizada (que no se muestra). La placa de filtro 120 tiene por lo menos una ranura de filtro de paso 132 que se extiende lejos de la abertura central 128 hasta la placa de filtro, estando sellada la ranura de filtro 132 en las caras frontal y posterior 121, 123 por las placas de cubierta y de respaldo 230, 160 / 180, para formar un paso de filtro que tiene el tamaño de poro de filtro previamente seleccionado. La placa de respaldo 160 / 180 tiene un rebaje 164 para definir junto con la cara posterior 123 un paso de drenaje en comunicación de fluidos con la cámara de recogida 200 y la ranura de filtro 132 (véanse las figuras 11 y 12). Para una porosidad aumentada, la placa de filtro 120 preferiblemente incluye una pluralidad de ranuras de filtro 132 separadas y el paso de drenaje 164 se encuentra en comunicación de fluidos con la totalidad de las ranuras de filtro 132. Para aumentar la porosidad de la unidad de filtro aún más, la unidad de filtro preferiblemente incluye múltiples pares de placas de filtro y de respaldo (120, 160 / 180) que están dispuestos por detrás de la placa de cubierta 230 en una pila de placas de filtro y de cubierta alternantes, mediante lo cual cada placa de respaldo 160 / 180 intercalada entre dos placas de filtro 120 funciona como la placa de respaldo para una placa de filtro y como la placa de cubierta para la otra placa de filtro. Al alternar las placas de filtro y de respaldo (120, 160 / 180), se aumenta la capacidad de presión de separación de la unidad de filtro 300. Mediante el uso de unas placas de respaldo 160 / 180 que son más gruesas que las placas de filtro 120, la capacidad de presión de la unidad de filtro 300 puede mejorarse adicionalmente.

En la realización de la figura 5, el módulo de separación 100 está montado en el cuerpo 500 de una prensa de husillo y la abertura central 128 está dimensionada para recibir de manera ajustada una porción del husillo de prensa (que no se muestra). El husillo de prensa de una prensa de husillo por lo general tiene unas tolerancias muy estrechas con respecto a la abertura central 128 del bloque de filtro 300 y raspa continuamente el material comprimido lejos de la superficie de filtro a la vez que se generan al mismo tiempo unas presiones de separación significativas. En el caso de que una pequeña cantidad de fibras queden atrapadas sobre la superficie del filtro, estas se someterán a esfuerzo cortante por los husillos de extrusora unas piezas más pequeñas y, por último, pasarán a través del filtro y al exterior con la corriente de liquido como partículas muy finas. Esto proporciona un dispositivo de separación sólido / fluido que prevé la separación de porciones de sólido y de liquido de un material en un entorno de alta presión y temperatura.

Al hacer que el husillo de extrusora frote los poros de filtro 134 en sentido tangencial, el dispositivo de separación es menos susceptible de obstruirse. Debido a la elevada porosidad y resistencia a la presión del módulo de separación 100 de acuerdo con la invención, es posible un contenido en materia seca en la descarga de porción seca de hasta un 90 %, mientras que al mismo tiempo se consigue una porción de liquido relativamente limpia, debido al pequeño tamaño de poro, siendo los sólidos suspendidos tan poco como un 1 %. Se entenderá fácilmente que el módulo de separación sólido / fluido de acuerdo con la invención puede usarse en muchas aplicaciones diferentes para separar porciones de sólido / fluido de un material.

Al realizar pruebas piloto de manera continua, unas unidades de 100 g de biomasa con un contenido de 40 g de sólidos y 60 g de agua se lavaron con 40 g de agua y a continuación el liquido se exprimió al exterior del filtro usando una fuerza interna de 600 psig a una temperatura de 100 °C para obtener una descarga de biomasa seca (porción de sólidos de la biomasa liquida / sólida) con un contenido de 39 g de sólidos suspendidos y 5 g de agua. El filtrado con un contenido de 95 g de agua estaba relativamente limpio con un contenido de solo 1 g de sólidos suspendidos con un tamaño de partícula medio de 5 mieras y una distribución de partículas según la figura 13.

Además, debido a que el dispositivo de separación sólido / fluido de la presente invención es menos susceptible de obstruirse, hay menos necesidad de mantenimiento como se requiere de manera periódica con los dispositivos de separación conocidos. De este modo, el dispositivo de separación sólido / fluido puede usarse en un proceso con un menor tiempo de parada y un menor mantenimiento dando como resultado una capacidad de producción aumentada y un coste menor.

La figura 6 muestra una placa de filtro fino 120 que tiene una sección media circular 122 que está unida a una primera lengüeta de soporte 124 y una segunda lengüeta de soporte 126. La sección media circular 122 tiene una abertura central con forma de número ocho 128 para recibir de manera ajustada los husillos de prensa de una prensa de doble husillo. La placa de filtro 120 tiene una cara frontal 121 y una cara posterior 123. La abertura central 128 está rodeada por una pluralidad de dedos finos 130 y ranuras de filtro intermedias 132. Para conseguir una eficiencia máxima de la separación sólido / fluido, es deseable minimizar el tamaño de poro de filtro, a la vez que se maximiza el filtro. La minimización del tamaño de poro es un desafio en las prensas de husillo convencionales debido a la necesidad de cortar unos pasos cilindricos en la camisa de filtro. Este problema se aborda con una unidad de filtro de acuerdo con la invención, en la que se forman poros de filtro al simplemente cortar una ranura 132 en una placa de filtro delgada 120. La ranura de filtro 132 se corta a través del pleno espesor de la placa 120 y de este modo se hace referencia a la misma en el presente documento como una ranura de paso. Pueden conseguirse unos poros de filtro muy pequeños con unas placas de filtro 120 de acuerdo con la invención mediante el uso de unas placas de filtro muy delgadas 120 y unas ranuras muy finas 132 tal como se muestra en las figuras 6 y 6a. Por ejemplo, mediante el uso de una placa de filtro de 0.005 pulgadas de espesor y al cortar una ranura de 0.01 pulgadas de anchura en la placa de filtro, puede conseguirse un tamaño de poro de solo 0.00005 pulgadas cuadradas.

Tal como se muestra en la figura 6a, las ranuras muy finas 132 y los dedos finos intermedios 130 están conformados y colocados de tal modo que estos proporcionan unas ranuras de filtro que se extienden a partir de la abertura central 128 hasta la placa de filtro 120 y hacia una porción externa de la sección media 122. Preferiblemente, la totalidad de los extremos de las ranuras de filtro 132 están ubicados en un circulo concéntrico con, y separado hacia dentro con respecto a, un borde externo de la sección media circular 122. Para mejorar el flujo de liquido a través de los canales de drenaje finos, los canales son más estrechos en su extremo interno 134 en la abertura central 128 y se acampanan hacia fuera hasta su extremo externo 136.

La placa de filtro 120 está colocada contra una placa de respaldo tal como se muestra en las figuras 11 y 12. Esto se analizará con más detalle más adelante. En la realización ilustrada, hay dos tipos de placas de respaldo, unas placas de respaldo a mano izquierda 160 tal como se muestra en la figura 7 y unas placas de respaldo a mano derecha 180 tal como se muestra en la figura 10. Las placas de respaldo a mano izquierda y derecha 160, 180 tienen la misma construcción fundamental e incluyen una porción central circular 162, 182 con la abertura central 128 y unas lengüetas de montaje 190, 192 que se extienden a partir de la porción central 162, 182. La única diferencia entre las placas de respaldo a mano izquierda y derecha es la orientación de las lengüetas de montaje 190, 192 en relación con la abertura central 128, con las lengüetas extendiéndose con un ángulo de 45 grados hacia la derecha, en relación con el eje transversal de la abertura central 128 en la placa de respaldo a mano derecha 160 y con un ángulo de 45 grados hacia la izquierda en la placa de respaldo a mano izquierda 180. De ese modo, las placas de respaldo a mano izquierda y derecha se usan para crear un desvio de 90 grados en el patrón de sujeción de las placas y para proporcionar un medio para que se drene el liquido hasta el fondo de la cámara de recogida y gases para que fluya hasta el techo de la cámara de recogida si la biomasa particular requiere una separación liquido / gas en esta fase. El número de placas a mano derecha consecutivas (o, a la inversa, las placas a mano izquierda) con placas de filtro intermedias es por lo general igual a por lo menos 0.25" de espesor pero puede ser tanto como 1" de espesor dependiendo del número global de placas.

La totalidad de las lengüetas de montaje de placa de filtro 124, 126 y las lengüetas de montaje de placa de respaldo 190, 192 están conformadas para recibirse de manera ajustada entre pares de crestas de alineación 223 montados sobre una pared interna de la camisa de presión 220. Cada tipo de placa de respaldo tiene una hendidura periférica maquinada 164 sobre la porción central 162, 182 como es evidente a partir de las figuras 7 a 9 y 10, siendo las secciones transversales a través de la placa de respaldo a mano izquierda 180 idénticas a las de la placa de respaldo a mano derecha 180 que se muestra en las figuras 8 y 9. La hendidura periférica 164 está colocada para corresponderse con los extremos externos 136 de las ranuras de filtro 132 en la placa de filtro 120 (véanse las figuras 4-6), cuando la placa de filtro 120 y la placa de respaldo 160, 180, están colocadas dorso contra dorso con la abertura central 128 en alineación tal como se muestra en las figuras 11 y 12.

Las figuras 11 y 12 ilustran el paquete de filtro más básico de acuerdo con la invención, una placa de filtro 120 y una placa de respaldo 160 que se acopla con la cara posterior 123 de la placa de filtro. La presión de separación presente fuerza que los fluidos (liquido y / o gas) arrastrados en la masa presurizada (que no se ilustra) alimentada a través de la abertura central 128 fluyan al interior de las ranuras de filtro 132 (véanse las flechas). En el extremo 136 de la ranura de filtro, el fluido se redirige para que fluya al interior de la hendidura periférica 164 en la placa de respaldo 160 y sale de la hendidura periférica 164 al interior de la cámara de recogida (véanse las figuras 11, 12 y 3). En ese sentido, la placa de filtro fino 120 puede filtrar liquido y partículas muy pequeñas que se desplazan a través de las ranuras de filtro 132 en una dirección transversal con respecto al flujo de biomasa a través de la abertura central con forma de número ocho 128.

A la inversa, con una configuración de placa de poros más grande, tal como la que se muestra en la figura 6b, que es adecuada para partículas / fibras de biomasa de celulosa más grandes, el factor limitante sobre la porosidad es el espesor de placa de la placa de filtro. Se ha descubierto con la biomasa de celulosa que esta configuración de placa de filtro más gruesa proporciona una buena separación sólido-liquido, a la vez que se minimiza al mismo tiempo el área superficial y el número de placas que se requieren para conseguir la misma separación de liquido con la misma presión interna que con la placa de filtro fino de la figura 6.

Tal como se muestra en la figura 6b, una placa de filtro grueso de poros grandes 140 tiene una sección de filtro media circular 142 que está unida a una primera lengüeta de soporte 144 y una segunda lengüeta de soporte 146. La sección de filtro media circular 142 tiene una abertura central con forma de número ocho 128 que está definida por una pluralidad de dedos más grandes 130 entre las ranuras de filtro 132 que se cortan a través de la placa de filtro 140. Tal como se muestra en la figura 6b, los dedos más grandes 130 están colocados entre los canales de drenaje gruesos 132.

La placa de filtro grueso 140 puede colocarse contra una placa de respaldo, tal como la placa de respaldo a mano izquierda 160 que se muestra en la figura 7 para conseguir un paquete de filtro tal como se muestra en las figuras 11 y 12.

En conjunto, con la capacidad de presión más alta, o bien puede exprimirse más liquido de los sólidos o bien, para la misma sequedad de material, puede conseguirse una tasa de producción más alta por unidad de área de filtración. La calidad de la filtración (captura de sólidos) puede controlarse dependiendo de las configuraciones y espesores de placa. La filtración / capacidad nominal de presión / coste de capital puede optimizarse dependiendo de los requisitos de filtración de la biomasa particular. Las configuraciones de placa pueden instalarse en una extrusora (husillos únicos, dobles o triples) para desarrollar una separación continua de alta presión y de alto rendimiento. El módulo de separación sólido / fluido es auto-limpiante (para husillos dobles y triples) debido a la naturaleza frotadora de los husillos y el patrón de flujo axial transversal. El área de filtración es flexible dependiendo de los requisitos de proceso debido a que la longitud del paquete de placas podría ajustarse a medida fácilmente para los requisitos particulares. El módulo puede usarse para lavar sólidos en una configuración en el sentido de la corriente o a contracorriente en fases únicas o múltiples en una máquina, reduciendo el coste de capital y los requisitos energéticos. La presión del filtrado líquido puede controlarse desde condiciones de vacío hasta una presión incluso más alta que la presión interna de bloque de filtro (de 2,000 a 3,000 psig) si se requiere. Esto proporciona una gran flexibilidad de proceso para separaciones adicionales en la corriente de líquido (ejemplo, CO2 supercrítico bajo alta presión, líquido de amoniaco que se usa para un lavado bajo alta presión, o liberación de gases de amoniaco y de COV en la cámara de filtrado liquido usando vacio). La capacidad de contrapresión alta (más alta que la presión interna de bloque de filtro) puede usarse para retrolavar el filtro durante el funcionamiento en caso de obturación o formación de incrustaciones del filtro, minimizando el tiempo de parada.

Porosidad de filtro fino El tamaño de los poros finos es el espesor de la placa fina x la anchura de la ranura en la abertura central. En la placa de filtro de la figura 6, el tamaño de poro es 0.005" (espesor de la placa) x 0.010" (anchura de la ranura en la abertura) = 0.00005 pulgadas cuadradas por poro. Hay 144 poros por placa para un área de poro total de = 0.0072 pulgadas cuadradas de área abierta por placa.

En una disposición experimental usando una extrusora de doble husillo pequeña, de 1 pulgada de diámetro, esta placa estrellada estaba emparejada con una placa de respaldo de 0.020" de espesor, dando como resultado un área de filtro total de 0.1256 pulgadas cuadradas. Por lo tanto, el área abierta total de este conjunto de las placas experimentales (paquete de filtro) se calculó como 0.0072 / 0.1256 = 5.7 %. A esta porosidad, el par de placas experimentales (placas de respaldo de 0.020" de espesor) fue capaz de soportar una presión de separación de 2,500 psig. Un paquete 1" de espesor de placas experimentales incluía 40 placas de filtro en total x 0.0072 pulgadas cuadradas = 0.288 pulgadas cuadradas de área abierta. Esto es igual a más de un tubo de 0.5" de diámetro, pudiendo conseguirse todo ello dentro de una distancia de solo 1 pulgada de longitud de extrusora en la pequeña extrusora de 1" de diámetro que se usa.

Porosidad de filtro grueso En la placa de filtro grueso experimental que se usa, tal como se muestra en la figura 6b, en términos de la capacidad de filtración y la trayectoria de flujo de liquido, la anchura de las ranuras de filtro era básicamente la misma que el espesor de la placa de filtro, dando como resultado una serie de hendiduras axiales. El área abierta total de un conjunto de placas (placa de filtro grueso + placa de respaldo) es una relación del espesor de placa que en este caso = 0.005 / 0.025 = 20 % o aproximadamente 4 veces el área abierta del sistema de placa de filtro fino. Usando unas placas gruesas en un paquete 1" de espesor de las placas, con 40 placas estrelladas en total, los inventores de la presente invención acabaron con 40 x 0.0209 pulgadas cuadradas de área abierta por placa = 0.837 pulgadas cuadradas de área abierta. Esto es más grande que un tubo de 1" de diámetro, todo ello conseguido dentro de una distancia de 1 pulgada de longitud de extrusora en la pequeña extrusora de 1" de diámetro que se usa.

Para ambos tipos de placas, la porosidad puede aumentarse de manera significativa mediante la disminución del espesor de las placas de respaldo, ala vez que se mantiene la placa de filtro al mismo espesor. Reducir el espesor de placa de respaldo en un 50 % doblará la porosidad de la unidad de filtro. Mientras tanto, la resistencia de la unidad de filtro disminuirá siempre que se disminuya el espesor de placa de respaldo, pero esto puede contrarrestarse mediante el aumento del diámetro global de las placas de respaldo, haciendo la trayectoria de flujo de liquido ligeramente más larga pero manteniendo el área abierta igual.

El uso de las placas de filtro 120 para la fabricación del módulo de filtro prevé una producción de bajo coste del filtro, debido a que pueden usarse métodos de producción de bajo coste. Las placas pueden cortarse con láser, o para una filtración más gruesa las placas pueden estamparse. El coste de equipo global para el pre-tratamiento de biomasa también es más bajo debido a la capacidad de hacer que tengan lugar múltiples etapas de proceso en una única máquina. El módulo de separación sólido / fluido puede dar cabida a una separación de tres fases de manera simultánea.

El tipo de material que se usa para la fabricación de la unidad de filtro puede adaptarse a diferentes condiciones de proceso. Por ejemplo, en aplicaciones de pH bajo / corrosivas pueden usarse materiales como titanio, aleaciones con alto contenido en níquel y en molibdeno.

En particular, los inventores de la presente invención han desarrollado un dispositivo de separación sólido / fluido que separa porciones de sólido y de liquido de un material y es menos susceptible de obstruirse frente a los dispositivos de separación sólido / fluido conocidos. Se contempla que el dispositivo de separación sólido / fluido pueda usarse en muchas aplicaciones diferentes para separar porciones de sólido / fluido de un material. Además, debido a que el dispositivo de separación sólido / fluido de la presente invención es menos susceptible de obstruirse, hay menos necesidad de mantenimiento incluyendo el lavado a contracorriente tal como se requiere de manera periódica con los dispositivos conocidos. De este modo, el dispositivo de separación sólido / fluido puede usarse en un proceso con un menor tiempo de parada y un menor mantenimiento dando como resultado una capacidad de producción aumentada y un coste menor.

En el dispositivo de separación sólido / fluido que se describe, los elementos de husillo que transfer el material internamente en el dispositivo de separación preferiblemente tienen unas tolerancias muy estrechas con respecto a la superficie interna del bloque de filtro y raspan continuamente el material lejos de la superficie de filtro. En el caso de que una pequeña cantidad de fibras queden atrapadas sobre la superficie del filtro, entonces estas se someterán a esfuerzo cortante por los elementos de extrusora poco separados unas piezas más pequeñas y, por último, pasarán a través del filtro y al exterior con la corriente de liquido.

El número total de pares de placas (placas estrelladas y de respaldo) puede variar dependiendo de la biomasa y controla el área de filtro global. Para las mismas condiciones de separación de liquido, más placas / más área superficial se requiere para unos poros más pequeños. El tamaño de los poros controla la cantidad de sólidos que pasan a la porción de liquido. Cada biomasa tiene una necesidad de un determinado tamaño de poro para obtener una determinada captura de sólidos (la cantidad de sólidos suspendidos en el filtrado liquido).

Los siguientes ejemplos exponen una serie de ejecuciones de separación para la separación de varios tipos diferentes de mezcla de sólido / liquido, suspensiones, etc., usando el aparato de separación de extrusora de doble husillo mejorado de la invención. Ha de entenderse, no obstante, que estos ejemplos se proporcionan a modo de ilustración y nada en los mismos debería interpretarse como una limitación sobre el alcance global de la invención.

Ejemplo I Proceso de biocombustible Tal como se muestra en la figura 1, un sistema de pre- tratamiento de etanol celulósico continuo simple 2 de la presente invención consiste en solo tres máquinas. Usándose una primera extrusora 4 como una mezcladora / alimentador de obturación de alta presión continua para biomasa. La extrusora 4 alimenta la biomasa al interior de un reactor vertical 6. El reactor vertical 6 es capaz de tener un largo tiempo de residencia. El reactor vertical 6 alimenta la biomasa al interior de una segunda extrusora 8, preferiblemente una extrusora de doble husillo. El proceso de pre-tratamiento comprende hacer que fluya la biomasa a través de la primera extrusora 4, el reactor vertical 6, y la segunda extrusora 8.

La extrusora 4, que también puede ser una extrusora de doble husillo, se usa para proporcionar una alimentación continua al interior del reactor vertical presurizado 6. El mezclado de diversos compuestos químicos en la extrusora 4 es posible dependiendo del tipo de materia prima. La extrusora 4 tiene una válvula automática, que se cierra tras la pérdida de alimentación para evitar la pérdida de presión en el caso de pérdida de materia prima.

El reactor vertical 6 es capaz de funcionar con diversos compuestos químicos a unas presiones de hasta 350 psig y unas temperaturas de hasta 425 °F (220 °C) dependiendo de la biomasa. Puede hacerse que el tiempo de residencia en el reactor vertical 6 varíe desde unos pocos minutos hasta muchas horas dependiendo de la biomasa.

La biomasa parcialmente tratada se descarga a partir del reactor vertical 6 al interior de la segunda extrusora 8 en una zona de alimentación presurizada 10. En la segunda extrusora 8, la mayor parte de la biomasa sólida se mueve a un extremo de salida (lado derecho en la figura 1), y una pequeña fracción se transporta hacia atrás para crear una junta de estanqueidad de presión sobre los ejes de accionamiento. En la segunda extrusora 8, se generan unas presiones más altas que en el primer reactor, según se requiera por diversas biomasas y el proceso de pre tratamiento se completa mediante dos, tres o más procesos separados dependiendo de la biomasa.

El liquido de lavado (agua, amoniaco u otros) se mueve a contracorriente o en el sentido de la corriente con respecto al flujo de biomasa de sólidos (a la izquierda en la figura 1) de tal modo que la biomasa se lava con el liquido lo más limpio en el extremo de la extrusora. Pueden inyectarse gases o fluidos supercriticos tales como dióxido de carbono en el extremo de salida para mejorar la fuerza explosiva según se requiera dependiendo de la biomasa que se trata. En el extremo de salida pueden usarse diversos husillos de extrusora, y / u otro recipiente de reactor, y / o una válvula de control y / o un orificio rotatorio para crear una junta de estanqueidad dinámica y la fuerza explosiva que se requiere por diferentes tipos de biomasa a diferentes presiones y contenido en materia seca. Tras la expansión explosiva de la biomasa a partir de uno de estos dispositivos en la salida, un cielón u otro dispositivo de separación se usa para recoger tanto los sólidos como cualesquiera gases, que se expulsen.

Tras entrar en la segunda extrusora 8, la mayor parte de la biomasa se transporta hacia delante mientras que una pequeña cantidad se transporta hacia atrás para crear una junta de estanqueidad de presión dinámica para evitar la filtración a partir del reactor vertical 6. La biomasa entra en la fase de proceso 1, tal como se muestra en la figura 1, y se somete a una zona de filtración a contracorriente inicial de una presión más alta y de alta temperatura usando un primer dispositivo de separación sólido / fluido 12 tal como se describirá con más detalle en lo sucesivo con referencia a las figuras 2 a 13. Llegados a este punto, alguna biomasa solo requiere el exprimido de extractos y jarabe de hemicelulosa y puede que no requiera agua de lavado. En el dispositivo de separación sólido / fluido, se extraen jarabe de hemicelulosa liquida y o extractos con un espesor de torta controlado por el uso de diversos elementos de husillo. La permeabilidad, el tamaño de poro, el área de filtro y capacidad nominal de presión se controla mediante el uso de diferentes diseños de placa de filtro, dependiendo del tipo de biomasa que se trata. La presión del liquido y la vaporización instantánea se controlan por el uso de un depósito de vaporización instantánea de presión controlada 16.

Tras salir del primer dispositivo de separación sólido / fluido 12, la biomasa se transporta hacia delante (a la derecha en la figura 1) y se calienta con el uso de vapor de agua / agua a alta presión a partir del área delantera y se aplica presión a través de compresión / transporte con diversos elementos de husillo. En la fase de proceso 2 que se muestra en la figura 1, la biomasa se somete a mezclado / amasado a alta presión con una energía de energía de esfuerzo cortante variable para diversas biomasas para mejorar el pre-tratamiento. Una filtración a contracorriente final de alta presión y de alta temperatura (solo puede exprimir jarabe de hemicelulosa parcial y extractos y sin lavado a contracorriente según se requiera por algunos tipos de biomasa) de hemicelulosa líquida tiene lugar con un espesor de torta controlado por el uso de diversos elementos de husillo. La permeabilidad, el tamaño de poro, el área de filtro y capacidad nominal de presión se controlan mediante la selección de unas placas de filtro de un diseño apropiado en un segundo dispositivo de separación sólido / fluido 14 dependiendo del tipo de biomasa que se trata. La presión del líquido y la vaporización instantánea se controla por el uso de un depósito de vaporización instantánea de presión controlada 16.

En la fase de proceso 3, la biomasa se somete a calor y presión a través de compresión / transporte con diversos elementos de husillo de extrusora diferentes. La energía de esfuerzo cortante se imparte a la biomasa para mejorar la accesibilidad de enzima según se requiera para mejorar el pre-tratamiento de diversas biomasas. Un mezclado / amasado a alta presión de biomasa con una energía de esfuerzo cortante variable para diversas biomasas se usa para mejorar el pre tratamiento. Un ciclo intermedio (o ciclo final, dependiendo de la biomasa) de alta presión y de alta temperatura puede impartirse usando una filtración a contracorriente o en el sentido de la corriente de jarabe de hemicelulosa líquida con un espesor de torta controlado por el uso de diversos elementos de husillo. La permeabilidad, el tamaño de poro, el área de filtro y la capacidad nominal de presión se controlan mediante la selección de unas placas de filtro apropiadas en un tercer separador sólido / fluido 18 para adecuarse a las propiedades de la biomasa. La presión del líquido y la vaporización instantánea se controlan por el uso del depósito de vaporización instantánea de presión controlada 16.

En la fase de proceso 4 que se muestra en la figura 1, la biomasa se somete a calor y presión a través de compresión / transporte con diversos elementos de husillo de extrusora. Un mezclado / amasado a alta presión de biomasa con una energía de esfuerzo cortante variable puede seleccionarse para diversas biomasas. En la fase de proceso 4, la biomasa se mezcla con agua a alta presión u otros fluidos / soluciones para la fase de lavado final. Otros fluidos pueden incluir moléculas, que son un gas a temperatura ambiente tal como CO2 líquido a alta presión, que se volverá supercrítico en el interior de la extrusora debido a una temperatura más alta o amoniaco que será un gas a alta presión.

La biomasa fibrosa sólida se transporta a continuación bajo la presión más alta del sistema a través de la segunda extrusora 8 y una de las alternativas de junta de estanqueidad dinámica y sale bajo una descompresión explosiva controlada de gases comprimidos tal como vapor de agua, amoniaco o fluidos supercríticos en el interior de las fibras en la salida de la extrusora de doble husillo al interior de un dispositivo de separación sólido / gas (cielón u otros). Cuando se usa CO2 líquido a alta presión, la naturaleza supercrítica de este fluido cuando este se calienta por la biomasa permea las partes internas de las fibras sólidas de forma similar a un gas y da como resultado un flujo parcial del fluido aguas arriba contra el perfil de presión de sólidos al igual que con un gas. Este fluido supercrítico en el interior de la fibra ejerce una fuerza explosiva desde dentro de la mayor parte de las fibras muchas veces más grande que un gas estándar tras salir de la extrusora a través de la junta de estanqueidad dinámica, modificando las partículas sólidas de celulosa y aumentando de ese modo la accesibilidad de enzima. También se encuentra en la descarga del doble husillo una válvula de control automático, que se usa para mantener el sistema presurizado en cierta medida en el caso de que se diera una pérdida de alimentación o potencia.

Disposición de extrusora a modo de ejemplo para la realización de pruebas Una disposición de extrusora a modo de ejemplo se usó para establecer que la misma disposición fundamental de un dispositivo de separación de acuerdo con la presente divulgación e incluyendo una extrusora de doble husillo en combinación con un módulo de filtro puede usarse para procesar no solo biomasa lignocelulósica, sino múltiples otras materias primas. Esas otras materias primas tienen unas consistencias muy diferentes de la de la biomasa lignocelulósica y en el pasado se han procesado usando unos dispositivos de separación y disposiciones muy diferentes. El uso con éxito de un único dispositivo de extrusora de doble husillo a modo de ejemplo de acuerdo con la presente divulgación para tales materias primas diversas ilustra la amplia utilidad del concepto de dispositivo de separación de la presente divulgación. La extrusora a modo de ejemplo tenia la disposición básica de extrusora de doble husillo que se ha analizado adicionalmente en lo que antecede. La extrusora incluía un par idéntico de husillos de extrusora cilindricos de 25 mm de diámetro x 1143 mm de longitud de husillo (longitud global, 1290 mm), adquiridos de Harden Industries Ltd. (Guangzhou, China) y un cuerpo compuesto de 11 bloques, 7 de los cuales eran módulos de cuerpo sólido idénticos y 2 eran módulos de filtro, la construcción de los cuales se detallará en lo sucesivo. El módulo de filtro 1 estaba ubicado en el bloque 4 y 5 y el módulo de filtro 2 estaba ubicado en el bloque 8 y 9. Esto quiere decir que el cuerpo tenía una longitud de 11 bloques, siendo cada bloque de una longitud de 4", y cada uno de los módulos de filtro cubrió la longitud de 2 bloques de cuerpo.

La extrusora estaba accionada por un motor eléctrico trifásico de 7.5 CV (Modelo 575 TEFC; totalmente cerrado, enfriado por ventilador), adquirido de Electrozad, (Chatham, Ontario, Canadá) a una velocidad de rotación de 40 rpm, que fue de aproximadamente un 5 % de velocidad máxima. Cada bloque de filtro incluía 480 placas de filtro alternantes con ranuras y placas de respaldo sólidas, lo que quiere decir 240 placas de filtro con ranuras y 240 placas de respaldo sólidas. El espesor de placa de filtro fue de 0.0050" y el espesor de placa de soporte fue de 0.020". Cada placa de filtro incluía múltiples ranuras (22) a una anchura que varía de 0.0150" a 0.163", dando como resultado una anchura abierta total en el núcleo de 1.94" por placa (un 44.6 % de perímetro de abertura central) y con un área abierta total de 0.0097 pulgadas cuadradas por placa. La longitud global de la pila de 480 placas fue de 6" y la longitud global del alojamiento de bloque de filtro que rodea la pila de placas de 8". El área abierta global de cada módulo de filtro fue de 2.328 pulgadas cuadradas para un área abierta total de los módulos de filtro en la extrusora de 4.656 pulgadas cuadradas. La porosidad de cada bloque de filtro fue de un 8.9 %.

Antes del procesamiento de diferentes materias primas en la extrusora, la extrusora a modo de ejemplo se accionó mediante la alimentación de solo agua, con el fin de establecer un valor de referencia para la carga en el motor eléctrico que se requiere para accionar la extrusora en un estado sin carga.

Ejemplo II Materia prima Semillas de soja Se adquirieron semillas de soja localmente (cultivadas en Chatham-Kent, Ontario del Sur, Canadá). El análisis de contenido de las semillas de soja mostró que la materia prima estaba compuesta de un 70.7 % en peso de sólidos y un 29.3 % en peso de líquidos, en forma de un 13.8 % en peso de aceite y un 15.5 % en peso de agua. Las semillas de soja se alimentaron enteras a la extrusora sin pre-procesamiento. La cantidad total de semillas de soja alimentada a la extrusora fue de 1.384 kg de semillas de soja enteras y el tiempo de funcionamiento total de la extrusora fue de una hora. Durante la extrusión de las semillas de soja, la carga de motor fue 8 veces más alta que la linea de referencia establecida con agua. La tasa de alimentación, la tasa de salida de sólidos y la tasa de salida de filtrado con el tiempo se ilustran de manera gráfica en la figura 16. Como es evidente a partir de la gráfica, la salida de filtrado es constante a lo largo de la totalidad de la hora de funcionamiento, indicando de ese modo un grado nulo de obstrucción del bloque de filtro. La salida global de la extrusora fue de un 11.5 % en peso de filtrado, con 5 : 95 % en peso de recuperación igual a través de cada uno de los bloques de filtro N° 1 y N° 2, indicando de ese modo que la tasa de filtración de cada bloque de filtro es independiente del contenido en sólidos relativo de la materia prima y que la tasa de filtración global de la extrusora es directamente proporcional al número de bloques de filtro que se usa. Esto también indica que la tasa de filtración global de la extrusora podría aumentarse fácilmente mediante la sustitución de más bloques de cuerpo con bloques de filtro. La descarga de sólidos global fue de un 88.5 % en peso. El filtrado estaba compuesto de un 55.1 % de aceite, un 0.4 % de sólidos suspendidos y un 44 . 5 % de agua en peso y la descarga de sólidos estaba compuesta de un 8.4 % de aceite, un 79.9 % de sólidos y un 11.7 % de agua en peso. Esto quiere decir que un 46.0 % del aceite entrante en la materia prima de aceite de oliva se recuperó en el filtrado, lo que se traduce en un rendimiento de un 6.3 % de aceite de semilla de soja (p / p) a partir de semilla de soja entrante tal cual se alimenta, o un litro de aceite de semilla de soja por 14.5 kg de materia prima de semilla de soja entrante.

Ejemplo III Materia prima Remolachas azucareras Se adquirieron remolachas azucareras localmente (cultivadas en Chatham-Kent, Ontario del Sur, Canadá). Remolachas azucareras enteras se recibieron directamente procedentes del campo después de la recolección y se almacenaron en un almacén de contención al aire libre. Antes del procesamiento, las remolachas azucareras requirieron un lavado para retirar los residuos (suciedad, piedras, etc.). Se usó un hacha de mano para partir las remolachas azucareras, a continuación estas rodajas de remolacha azucarera se alimentaron a un procesador de alimentos usando una primera pasada con las cuchillas de rejilla, seguida por una segunda pasada con las cuchillas de corte. Esto produjo un tamaño de partícula de ~ 5 mm x 5 mm de biomasa, que era adecuado para alimentarse a la extrusora. El análisis de contenido de las remolachas azucareras mostró que la materia prima estaba compuesta de un 16.9 % en peso de sacarosa, un 1.4 % en peso de otros sólidos solubles, un 1.3 % en peso de sólidos insolubles, y un 80.4 % en peso de agua. La cantidad total de remolachas azucareras alimentada a la extrusora fue de 3.219 kg de remolachas azucareras picadas y el tiempo de funcionamiento total de la extrusora fue de una hora. Durante la extrusión de las remolachas azucareras, la carga de motor fue un 25 % más alta que la linea de referencia establecida con agua. La tasa de alimentación, la tasa de salida de sólidos y la tasa de salida de filtrado con el tiempo se ilustran de manera gráfica en la figura 15. Como es evidente a partir de la gráfica, la salida de filtrado es constante a lo largo de la totalidad de la hora de funcionamiento, indicando de ese modo un grado nulo de obstrucción del bloque de filtro. La salida global de la extrusora fue de un 66.2 % en peso de filtrado, con 40 : 60 de recuperación a través de los módulos de filtro N° 1 y N° 2, indicando de ese modo que la tasa de filtración es dependiente de la presión, pero independiente del contenido en sólidos relativo de la materia prima y que la tasa de filtración global de la extrusora es directamente proporcional al número de bloques de filtro y la presión de separación que se usan. Esto también indica que la tasa de filtración global de la extrusora podría aumentarse mediante la sustitución de más bloques de cuerpo con bloques de filtro y / o mediante el aumento de la velocidad de funcionamiento de la extrusora para aumentar la presión. La descarga de sólidos global fue de un 33.8 % en peso. El filtrado estaba compuesto de un 14.1 % de sacarosa, un 0.8 % de otros sólidos solubles, un 2.6 % de sólidos suspendidos y un 82.5 % de agua en peso y la descarga de sólidos estaba compuesta de un 22.4 % de sacarosa, un 2.4 % de otros sólidos solubles, un 1.7 % de sólidos insolubles y un 73.5 % de agua en peso. Esto quiere decir que un 55.2 % de la sacarosa entrante se recuperó en el filtrado, lo que se traduce en un rendimiento de un 9.3 % de sacarosa (p / p) a partir de materia prima de remolacha azucarera entrante, o un kilogramo de sacarosa por 10.7 kg de materia prima de remolacha azucarera entrante.

Ejemplo IV Materia prima Aceitunas Se adquirieron aceitunas negras sin procesar enteras de un distribuidor dentro de los Estados Unidos; no envasadas en agua o aceite. Las aceitunas recibidas se deshuesaron y se cortaron previamente en rodajas. Estas aceitunas previamente cortadas en rodajas se pre-procesaron adicionalmente usando un procesador de alimentos para generar un tamaño de partícula de ~ 5 mm x 5 mm. El análisis de contenido de la materia prima de aceitunas resultante mostró que la materia prima estaba compuesta de un 19.4 % de sólidos y un 80.6 % en peso de líquidos, dividiéndose en un 27.7 % en peso de aceite y un 52.9 % en peso de agua. La cantidad total de materia prima alimentada a la extrusora fue de 1.458 kg de aceitunas picadas y el tiempo de funcionamiento total de la extrusora fue de una hora. Durante la extrusión de las remolachas azucareras, la carga de motor fue similar a la linea de referencia establecida con agua. La tasa de alimentación, la tasa de salida de sólidos y la tasa de salida de filtrado con el tiempo se ilustran de manera gráfica en la figura 14. Como es evidente a partir de la gráfica, la salida de filtrado es constante a lo largo de la totalidad de la hora de funcionamiento, indicando de ese modo un grado nulo de obstrucción de los módulos de filtro. La salida global de la extrusora fue de un 32.3 % de filtrado, con 20 : 80 de recuperación a través de los módulos de filtro N° 1 y N° 2, indicando de ese modo que la tasa de filtración es fuertemente dependiente de la presión, pero independiente del contenido en sólidos relativo de la materia prima y que la tasa de filtración global de la extrusora es directamente proporcional al número de módulos de filtro y la presión de separación que se usan. Esto también indica que la tasa de filtración global de la extrusora podría aumentarse mediante la sustitución de más bloques de cuerpo con módulos de filtro y / o mediante el aumento de la velocidad de funcionamiento de la extrusora para aumentar la presión. La descarga de sólidos global fue de un 67.7 % en peso. El filtrado estaba compuesto de un 50.9 % de aceite, un 4.1 % de sólidos suspendidos y un 45 % de agua en peso y la descarga de sólidos estaba compuesta de un 16.6 % de aceite, un 26.7 % de sólidos y un 56.6 % de agua en peso. Esto quiere decir que un 59.4 % de aceite entrante se recuperó en el filtrado, lo que se traduce en un rendimiento de un 16.4 % de aceite de oliva (p / p) a partir de materia prima de aceitunas entrante, o un litro de aceite de oliva por 5.5 kg de materia prima de aceitunas entrante. Tal como se ha mencionado en lo que antecede, el aumento del rendimiento puede conseguirse mediante la adición de módulos de filtro, o aumentando la presión de funcionamiento, pero también es posible aumentar la recuperación de aceite a partir de la materia prima mediante el uso de disolventes, por ejemplo hexano, la subida en el nivel de recuperación de aceite, disolvente que puede mezclarse en la materia prima antes de alimentar la misma al interior de la extrusora, o mediante la inyección del disolvente directamente en la extrusora durante el funcionamiento.

Ejemplo V Materia prima pre-hidrolizado de mazorcas de maíz Se obtuvo pre-hidrolizado de mazorcas de maíz por el proceso que se describe en el ejemplo I. El análisis de contenido de la materia prima mostró que el pre-hidrolizado estaba compuesto de un 4.8 % en peso de hemicelulosa, un 6.8 % en peso de celulosa, un 5.4 % en peso de otros sólidos y un 83 % en peso de agua. La cantidad total de materia prima alimentada a la extrusora fue de 7.025 kg y el tiempo de funcionamiento total de la extrusora fue de una hora. Durante la extrusión del pre-hidrolizado, la carga de motor fue un 40 % más alta que la linea de referencia establecida con agua. La tasa de alimentación, la tasa de salida de sólidos y la tasa de salida de filtrado con el tiempo se ilustran de manera gráfica en la figura 17. Como es evidente a partir de la gráfica, la salida de filtrado es constante a lo largo de la totalidad de la hora de funcionamiento, indicando de ese modo un grado nulo de obstrucción de los módulos de filtro. La salida global de la extrusora fue de un 8.0 % de filtrado, con 99 : 1 de recuperación a través de los módulos de filtro N° 1 y N° 2, indicando de ese modo que la tasa de filtración es fuertemente dependiente de la presión y posiblemente dependiente del contenido en sólidos relativo de la materia prima. Se espera que la recuperación de filtrado sea mucho más alta a unas presiones de extrusora más altas (una velocidad de rotación más alta o una configuración de husillo diferente). No obstante, es evidente a partir del flujo de filtrado constante a lo largo de la totalidad de la hora de funcionamiento, que los módulos de filtro no quedaron obstruidos por la materia prima. Esto también indica que la tasa de filtración global de la extrusora podría aumentarse mediante la sustitución de más bloques de cuerpo con módulos de filtro y / o mediante el aumento de la velocidad de funcionamiento de la extrusora para aumentar la presión. La descarga de sólidos global fue de un 92 % en peso. El filtrado estaba compuesto de un 4.8 % de hemicelulosa, un 0.5 % de sólidos suspendidos (60 : 40 de celulosa : otros sólidos) y un 94.4 % de agua en peso, y la descarga de sólidos estaba compuesta de un 4.7 % de hemicelulosa, un 13.3 % de sólidos (56 : 54 de celulosa : otros sólidos) y un 82 % de agua en peso. Esto quiere decir que un 8.7 % de hemicelulosa entrante se recuperó en el filtrado, lo que se traduce en un rendimiento de un kilogramo de azúcares de hemicelulosa por 44.6 kg de materia prima de pre-hidrolizado de mazorcas de maíz entrante. Tal como se ha mencionado en lo que antecede, el aumento del rendimiento puede conseguirse mediante la adición de módulos de filtro, o aumentando la presión de funcionamiento.

Aplicaciones / materias primas adicionales La deshidratación de suspensiones de pulpa y papel, suspensiones de alimentos, pulpa de fruta (producción de sidra) está limitada en la actualidad y se espera que el aparato de separación de extrusora de doble husillo de la invención permita la deshidratación de estas materias primas hasta un nivel de un 50 a un 60 % de materia seca (DM, dry matter) con un uso rentable de la energía. También se espera que el aparato de separación de extrusora de doble husillo de la presente invención permita la formación de gránulos de bioenergía a partir de sólidos de desecho húmedos sin la necesidad de un secado adicional debido a que se espera que este produzca sólidos secos por encima de un 80 % que a continuación pueden pasar directamente a la formación de gránulos y un secado final minoritario, produciendo unos gránulos de bioenergía con una energía muy baja.

A la vista de la versatilidad actualmente observada del aparato de separación de extrusora de doble husillo de la presente invención, se espera que el aparato también sea aplicable para la deshidratación de diversos residuos de explotación minera que son tixotrópicos. Se espera que el agua pueda escurrirse al exterior de estas suspensiones con el aparato de la invención antes de entrar en los depósitos de decantación de residuos. Esto sería ambientalmente ventajoso y ahorraría grandes cantidades de capacidad de almacenamiento. Un ejemplo de esto serían los residuos de proceso de carbonato de sodio sintético Solvay.

A la vista del procesamiento con éxito de semillas de soja y otras materias primas tal como se ha analizado en lo que antecede, se espera que el aparato de separación de extrusora de doble husillo de la presente invención también sea aplicable para la extracción de aceite vegetal a partir de cáñamo, maíz y muchos tipos de nueces y semillas a través de exprimido y prensado, con o sin disolventes.

A la vista del procesamiento con éxito de diversas materias primas tal como se ha analizado en lo que antecede, se espera que el aparato de separación de extrusora de doble husillo de la presente invención también sea aplicable para la deshidratación adicional en una diversidad de aplicaciones de procesamiento de alimentos, tal como el procesamiento de pasta de tomate, de ketchup de tomate, de almidón de patata, zumos y otras pastas o mermeladas.

A pesar de que la presente divulgación ha descrito e ilustrado determinadas realizaciones, también ha de entenderse que el sistema, aparato y método que se describen no se limita a estas realizaciones particulares. Más bien, se entiende que se incluyen todas las realizaciones, que son equivalentes funcionales o mecánicos de las realizaciones y características específicas que se han descrito e ilustrado en el presente documento.

Se entenderá que, a pesar de que diversas características se han descrito con respecto a una u otra de las realizaciones, las diversas características y realizaciones pueden combinarse o usarse en conjunción con otras características y realizaciones tal como se describe y se ilustra en el presente documento.

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un aparato de separación sólido / fluido para separar fluido de una masa de sólidos que contienen fluido, que comprende una prensa extrusora de husillo para presurizar la masa de sólidos que contienen fluido, incluyendo la prensa extrusora un cuerpo con un extremo de entrada y un extremo de salida, y dos o más husillos de extrusora que tienen unos sistemas de tramos intercalados a lo largo de por lo menos parte de su longitud; y una unidad de filtro para separar fluido de la masa presurizada, estando conectada la unidad de filtro con el cuerpo para formar una prolongación del cuerpo y para recibir la masa presurizada y por lo menos una porción de los dobles husillos; incluyendo la unidad de filtro un paquete de filtro que consiste en una placa de filtro y una placa de respaldo, teniendo la placa de filtro una rendija conformada y dimensionada igual a la abertura central y una ranura de filtro de paso que se extiende lejos de la abertura central y hasta la placa de filtro para dirigir fluido lejos de la abertura central, y teniendo también la placa de respaldo una rendija conformada y dimensionada igual a la abertura central y que define un paso para guiar fluido recogido en la ranura de filtro a una parte exterior del paquete de filtro.

2. El aparato de la reivindicación 1, en el que la placa de filtro incluye una pluralidad de ranuras de filtro.

3. El aparato de la reivindicación 1, en el que la unidad de filtro está conectada con el cuerpo hacia el extremo de salida del cuerpo.

4. El aparato de la reivindicación 1, en el que la unidad de filtro tiene una pluralidad de paquetes de filtro apilados dorso contra dorso para formar un bloque de filtro que incluye una pila de placas de filtro y de respaldo alternantes y que define la abertura central.

5. El aparato de la reivindicación 1, en el que la unidad de filtro tiene un tamaño de poro de filtro previamente seleccionado y la ranura de filtro define un área de abertura que se corresponde con el tamaño de poro previamente seleccionado.

6. El aparato de la reivindicación 4, en el que la unidad de filtro tiene un tamaño de poro de filtro previamente seleccionado y una porosidad previamente seleccionada, definiendo cada ranura de filtro un área de abertura que se corresponde con el tamaño de poro previamente seleccionado y teniendo cada paquete de filtro una porosidad que se calcula a partir de una superficie total de la abertura central, el tamaño de poro previamente seleccionado y el número de ranuras de filtro, incluyendo la unidad de filtro un número de paquetes de filtro por lo menos igual a la porosidad / porosidad de paquete de filtro previamente seleccionada.

7. El aparato de la reivindicación 1, en el que la ranura de filtro se ensancha en una dirección lejos de la abertura central.

8. El aparato de la reivindicación 1, en el que la cámara de recogida tiene una camisa de presión para alojar la unidad de filtro, estando cerrada la camisa de presión de forma estanca en un extremo de entrada por una placa de extremo de entrada y en un extremo de salida por una placa de extremo de salida, estando intercalado el paquete de filtro entre las placas de extremo de entrada y de salida.

9. El aparato de la reivindicación 8, en el que la camisa de presión incluye drenajes separados para líquidos y gases.

10. El aparato de la reivindicación 6, en el que la unidad de filtro tiene una pluralidad de paquetes de filtro apilados dorso contra dorso para formar un bloque de filtro que incluye una pila de placas de filtro y de respaldo alternantes intercaladas entre las placas de extremo de entrada y de salida.

11. El aparato de la reivindicación 9, en el que cada placa de filtro incluye una pluralidad de ranuras de filtro.

12. El aparato de la reivindicación 11, en el que la placa de respaldo tiene un rebaje para definir, junto con una cara posterior de la placa de filtro, un paso de drenaje en comunicación de fluidos con la cámara de recogida y la ranura de filtro.

13. Un aparato de separación sólido / fluido, que comprende a. una prensa extrusora de doble husillo que tiene un cuerpo de extrusora, y por lo menos un par de husillos de extrusora rotatorios intercalados que se reciben de manera ajustada en el cuerpo de extrusora; y b. un módulo de separación que comprende c. una cámara de separación presurizable conectadle en un extremo de entrada con el cuerpo de extrusora y que tiene un extremo de salida; y d. por lo menos un paquete de filtro en la cámara de separación que define una abertura central que está sellada con respecto a la cámara de separación para la comunicación con el cuerpo de extrusora, incluyendo el paquete de filtro por lo menos una placa de filtro que tiene una ranura de filtro de paso en comunicación de fluidos con la abertura central y que se extiende hasta la placa de filtro para dirigir fluidos lejos de la abertura central, y por lo menos una placa de respaldo para dirigir fluidos recogidos en la ranura de filtro al interior de la cámara de separación.

14. El aparato de la reivindicación 13, en el que las placas de entrada, de salida, de filtro y de respaldo definen una abertura central que está sellada con respecto a la cámara de recogida, para comunicar con el cuerpo de extrusión, teniendo la placa de filtro por lo menos un paso de filtración que se comunica con y que se extiende lejos de la abertura central, teniendo la placa de respaldo un rebaje para guiar liquido en el paso de filtro al, interior de la cámara de separación, y teniendo la cámara de separación una salida de drenaje para drenar líquidos que se han separado por el paquete de filtro.

15. El aparato de la reivindicación 13, en el que la placa de filtro incluye una pluralidad de ranuras de filtro con un tamaño de poro de 0.00003 a 0.005 pulgadas cuadradas.

16. El aparato de la reivindicación 13, en el que el paquete de filtro tiene una porosidad de un 5 % a un 40 % que se mide como el área de poro total en relación con la superficie de filtro total.

17. El aparato de la reivindicación 15 o 16, en el que el paquete de filtro está construido para un funcionamiento a una presión de 100 a 5000 psig.

18. El aparato de la reivindicación 17, en el que el paquete de filtro está construido para un funcionamiento a una presión de 2500 a 3000 psig.

19. El aparato de la reivindicación 17, en el que el paquete de filtro está construido para un funcionamiento a una presión de 3000 a 21000 psig.