Procedimiento y dispositivo para la hidrólisis de sustratos orgánicos, preferiblemente sólidos.

Dispositivo para la hidrólisis de sustratos orgánicos, preferiblemente sólidos,

en particular de cultivos energéticos y residuos vegetales, con una tolva colectora (1) para recibir los sustratos orgánicos, con un transportador (4') de tornillo para transportar los sustratos orgánicos a una disposición de carga (7) para llenar de manera discontinua un hidrolizador (10) con los sustratos orgánicos, en donde el hidrolizador (10) tiene, en el lado de salida, una disposición (12) de despresurización con un diafragma (13) de presión controlado por válvula y un separador (14) de vapor de agua que está dispuesto antes de un depósito (15) de expansión, caracterizado porque el transportador (4') de tornillo tiene un eje hueco (25) que es alimentado con vapor de agua sobrecalentado procedente del separador (14) de vapor preferiblemente configurado como ciclón, en donde el eje hueco (25) tiene, en una zona (18) de calentamiento en la zona de transporte para el sustrato orgánico, aberturas (26) de salida de vapor para someter directamente al sustrato orgánico a vapor sobrecalentado, así como, en el extremo del eje hueco (25) una abertura (27) de salida controlada por válvula o una válvula (32) de compuerta, para eliminar sustrato que penetra en el eje hueco (25) a través de las aberturas (26) de salida de vapor.

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DESCRIPCIÓN

Procedimiento y dispositivo para la hidrólisis de sustratos orgánicos, preferiblemente sólidos La invención se refiere a un procedimiento y un dispositivo para la hidrólisis de sustratos orgánicos, preferiblemente sólidos, en particular de cultivos energéticos y residuos vegetales, con una tolva colectora para recibir los sustratos orgánicos y con un transportador de tornillo para transportar los sustratos orgánicos a una disposición de carga para llenar de manera discontinua un hidrolizador con los sustratos orgánicos, en donde el hidrolizador tiene, en el lado de salida, una disposición de despresurización con un diafragma de presión controlado por válvula y un separador de vapor de agua que está dispuesto antes de un tanque de expansión.

Los dispositivos y procedimientos de este tipo sirven para el tratamiento previo de sustratos orgánicos, que después del tratamiento en un hidrolizador (un dispositivo para la hidrólisis térmica a presión) son introducidos en un fermentador, por ejemplo, de una instalación de biogás o de biocombustible.

En la hidrólisis térmica a presión se aplica la tecnología llamada "explosión de vapor", que es conocida a partir de instalaciones de biogás o biocombustibles, por ejemplo. La "explosión de vapor" es un proceso técnico en el cual se calienta el material de partida hasta 300º C, preferiblemente de 150º C a 200º C, y se expone a una sobrepresión de 3 bares hasta 20 bares. Después de haber mantenido este estado de presión y temperatura durante un cierto período de tiempo, se despresuriza el sustrato espontáneamente hasta una presión cercana a la atmosférica. Debido a esta despresurización repentina, la sustancia celular se disgrega por completo. Como consecuencia, toda la sustancia orgánica queda disponible en forma licuada para la ulterior elaboración.

La mezcla de sustratos empleada, que inicialmente no es homogénea (por ejemplo, cultivos energéticos, residuos de cosecha, etc.) se transforma así en una pasta homogénea que tiene las siguientes propiedades:

- se libera la celulosa;

- se rompen incrustaciones de los complejos de hemicelulosa-lignina;

- se escinde la hemicelulosa;

- se destruyen levaduras, hongos y otros microorganismos indeseables;

- se esteriliza el sustrato;

- se desestabilizan los materiales fibrosos.

Por tanto, la "explosión de vapor" se encarga en gran medida, antes de un tratamiento ulterior del sustrato, por ejemplo en una instalación de biogás, de los pasos de proceso de hidrólisis y homogeneización. Por tanto, las condiciones de fermentación pueden ser así optimizadas específicamente para los procesos de la acido/acetogénesis y la metanogénesis.

El resultado de este tratamiento previo es un rendimiento de sustrato incrementado y una calidad de producto mejorada, por ejemplo en el caso de una instalación de biogás una mayor tasa de degradación de sustrato con producción incrementada de gas y mejor calidad del gas. Típicamente, el contenido específico de metano (CH4) aumenta, mientras que el contenido perjudicial de sulfuro de hidrógeno (H2S) se reduce.

El documento US 2003/0121851 A1 describe un procedimiento y un dispositivo para tratar residuos orgánicos biológicamente degradables. Antes de llevar el residuo orgánico a la hidrólisis térmica a presión, se añade al sustrato una lejía (KOH) y se somete el sustrato en el hidrolizador a temperaturas de 170º C a 225º C y la presión de vapor correspondiente. Después se lleva a cabo una separación sólido/líquido. Antes del tratamiento, se puede precalentar el sustrato en un depósito mediante vapor de agua reciclado desde el hidrolizador.

Por el documento WO 2008/011839 A2 es conocido, por ejemplo, un dispositivo para la hidrólisis continua y discontinua de sustratos orgánicos. La instalación consta esencialmente de un dispositivo triturador para el sustrato orgánico no homogéneo, desde el cual el sustrato llega a un depósito dosificador para el hidrolizador. Después del tratamiento del sustrato en el hidrolizador, aquél es transportado, a través de un denominado "tubo de sobrepaso" (en inglés, "overshooting") a un tanque de expansión, del cual parten una conducción de gas evacuado hacia un condensador y una conducción de sustrato hacia un fermentador. Los gases evacuados son llevados a un condensador de vapor que está refrigerado por agua, y el condensado así obtenido es devuelto al tanque de expansión. En la conducción de sustrato hacia el fermentador está dispuesto un intercambiador de calor, y el calor residual del mismo es conducido, a través de un circuito de intercambio térmico externo, a un intercambiador dispuesto como dispositivo de precalentamiento, mediante el cual el sustrato alimentado ya es calentado en la zona que sigue al dispositivo triturador.

Por el documento SU 1620487 A1 es conocido un hidrolizador que tiene dos transportadores de tornillo dispuestos concéntricamente en una carcasa cilíndrica, entre los cuales está dispuesto un tambor tamizador. El material orgánico llega por un tubo de alimentación a una cámara anular cilíndrica externa y es comprimido con ayuda del primer transportador de tornillo, siendo inyectado vapor de agua sobrecalentado en la cámara anular externa a través de una conducción. El material pasa después a la cavidad interna, y desde allí es transportado en dirección contraria hacia una abertura de salida por el segundo transportador de tornillo.

Por el documento GB 1 001 891 A1 es conocido un dispositivo transportador con el cual se puede transportar grano

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desde un depósito de almacenamiento a un depósito de recogida, pudiéndose llevar a cabo simultáneamente un tratamiento del grano con un fluido, por ejemplo un gas con pesticidas o fungicidas, o bien aire frío o caliente. El dispositivo de transporte tiene un tornillo de Arquímedes guiado en un tubo, que está dispuesto sobre un eje hueco giratorio. El fluido necesario para el tratamiento es introducido por un extremo en el eje hueco y llega, a través de aberturas de salida en el eje hueco y por medio del tornillo de Arquímedes, al grano transportado, con lo que se realiza un tratamiento uniforme.

Los dispositivos y procedimientos descritos en lo que antecede tienen el inconveniente de que no están optimizados energéticamente y al menos en parte tienen una estructura relativamente compleja.

Finalmente, es conocido por el documento EP 2 177 280 un dispositivo para la hidrólisis discontinua de sustratos orgánicos, que tiene los siguientes componentes:

- un depósito de preacondicionamiento lleno de líquido, para recibir sustratos orgánicos sólidos capaces de flotar, dotado de un agitador mecánico y una disposición distribuidora de vapor de agua configurada como barra de boquillas especial para conseguir un efecto de flotación;

- un transportador de tornillo para tomar el sustrato orgánico de una capa flotante que se forma en la superficie, con una disposición tamizadora integrada y un conducto de recirculación para recircular el filtrado;

- una disposición de alimentación con un depósito a presión (cañón de soplado) con una esclusa de alimentación y un conducto de conexión al hidrolizador adicionalmente controlado por válvula;

- una bomba de transferencia para tomar líquido del depósito de preacondicionamiento y enviarlo al dispositivo de alimentación;

- un hidrolizador dotado de agitador mecánico para llevar a cabo la hidrólisis térmica a presión;

- un dispositivo de despresurización controlado por válvula con un diafragma de presión, un ciclón; y

- un tanque de expansión con un intercambiador de calor integrado.

El dispositivo conocido a partir del documento EP 2 177 280 es adecuado en particular, entre otras cosas, para tratar sustratos y mezclas de sustratos con un cierto contenido de líquido, o bien añadir y mezclar líquido, en donde los componentes sólidos flotantes son separados por lavado o flotación antes de la alimentación al hidrolizador. Resulta un inconveniente el hecho de que, a causa de la captación incontrolada de líquido por la fracción sólida durante el proceso de maceración, no es posible un balance fiable de la aportación de sustrato.

Es misión de la invención optimizar tanto operativa como energéticamente un dispositivo para la hidrólisis de sustratos orgánicos relativamente secos, debiendo estar dimensionada la instalación de manera compacta.

Esta misión se cumple, de acuerdo con la invención, haciendo que el transportador de tornillo tenga un eje hueco al cual se aporta vapor de... [Seguir leyendo]

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1. Dispositivo para la hidrólisis de sustratos orgánicos, preferiblemente sólidos, en particular de cultivos energéticos y residuos vegetales, con una tolva colectora (1) para recibir los sustratos orgánicos, con un transportador (4') de tornillo para transportar los sustratos orgánicos a una disposición de carga (7) para llenar de manera discontinua un hidrolizador (10) con los sustratos orgánicos, en donde el hidrolizador (10) tiene, en el lado de salida, una disposición

(12) de despresurización con un diafragma (13) de presión controlado por válvula y un separador (14) de vapor de agua que está dispuesto antes de un depósito (15) de expansión, caracterizado porque el transportador (4') de tornillo tiene un eje hueco (25) que es alimentado con vapor de agua sobrecalentado procedente del separador (14) de vapor preferiblemente configurado como ciclón, en donde el eje hueco (25) tiene, en una zona (18) de calentamiento en la zona de transporte para el sustrato orgánico, aberturas (26) de salida de vapor para someter directamente al sustrato orgánico a vapor sobrecalentado, así como, en el extremo del eje hueco (25) una abertura

(27) de salida controlada por válvula o una válvula (32) de compuerta, para eliminar sustrato que penetra en el eje hueco (25) a través de las aberturas (26) de salida de vapor.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque la abertura (27) de salida controlada por válvula está dispuesta para descargar vapor sobrecalentado directamente en la tolva colectora (1) en el extremo del eje hueco (25) que se hunde en la tolva colectora (1)

3. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la zona (18) de calentamiento del transportador (4') de tornillo tiene una conexión (19) de circulación a la tolva colectora (1) para el sustrato orgánico, a través de la cual se introduce en la tolva colectora (1) vapor de agua sobrecalentado que sale de la zona (18) de calentamiento.

4. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el transportador (4') de tornillo tiene un diámetro mayor en la zona de la tolva colectora (1) que en la zona (18) de calentamiento, de forma que en la transición a la zona (18) de calentamiento se origina una zona (28) de compactación en la cual el sustrato orgánico transportado es compactado.

5. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque en la disposición (7) de alimentación del hidrolizador (10) desemboca una disposición dosificadora (20) para agua de proceso, que sirve para la hidratación suficiente del sustrato orgánico antes de la entrada al hidrolizador (10) .

6. Dispositivo según la reivindicación 5, caracterizado porque para el calentamiento del agua de proceso está previsto un intercambiador (17) de calor en contacto térmico con el tanque (15) de expansión.

7. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el separador (14) de vapor tiene un cono insertado (31) al cual sigue eventualmente una zona cilíndrica (34) que forma con la pared del depósito una hendidura anular, desembocando tangencialmente la disposición (12) de despresurización en el separador (14) de vapor.

8. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la disposición (7) de carga para el llenado del hidrolizador (10) tiene un depósito (8) a presión que, además de una abertura (9) de carga controlada por válvula hacia el hidrolizador (10) tiene un conducto (11) de conexión controlado por válvula hacia el hidrolizador (10) para producir una igualación de temperatura y presión con el hidrolizador (10) .

9. Dispositivo según la reivindicación 8, caracterizado porque en el depósito (8) a presión de la disposición (7) de carga está dispuesta una espiral (29) de desocupación giratoria, que tiene una tira metálica (33) estrecha y helicoidal que no obstaculiza el proceso de llenado, dispuesta en la pared interna del depósito (8) a presión.

10. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el hidrolizador (10) está conectado a través de una válvula de compuerta con una cámara (30) para sedimento, que sirve para recibir cuerpos extraños descargados desde el hidrolizador (10) .

11. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque la tolva colectora (1) para recibir los sustratos orgánicos está precedida por un silo (21) de almacenamiento con un impulsor (22) de transporte, en donde una derivación (3) de vapor evacuado es conducida desde la tolva colectora (1) al silo (21) de almacenamiento.

12. Procedimiento para la hidrólisis de sustratos orgánicos, preferiblemente sólidos, en particular de cultivos energéticos y residuos vegetales, por medio de hidrólisis térmica a presión (explosión de vapor) , en donde se separa vapor sobrecalentado del sustrato tratado por hidrólisis térmica a presión, inmediatamente después de la descarga de una cantidad parcial por despresurización, y se emplea para calentar los sustratos orgánicos aportados al proceso de hidrólisis, caracterizado porque el valor sobrecalentado separado es inyectado directamente en el eje hueco (25) de un transportador (4') de tornillo, con el cual se aporta el sustrato orgánico a la hidrólisis térmica a presión, en donde el vapor sobrecalentado sale a través de aberturas (26) de salida de vapor del eje hueco (25) al sustrato orgánico y es eliminado del eje hueco (25) , por el accionamiento de una válvula (32) terminal, sustrato que penetra en el eje hueco (25) a través de las aberturas (26) de salida de vapor.

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13. Procedimiento según la reivindicación 12, caracterizado porque el sustrato inicialmente seco capta en el transportador (4') de tornillo el calor de condensación del vapor de agua sobrecalentado y es calentado a temperaturas de 70º C, preferiblemente de 100º C y vaporizado.

14. Procedimiento según la reivindicación 12 o 13, caracterizado porque una parte de la energía calorífica originada en la despresurización del sustrato se emplea para el precalentamiento de agua de proceso que se añade dosificadamente al sustrato, en una cantidad medida, antes de la hidrólisis térmica a presión.