Métodos y dispositivos de bombeo de partículas.

Un aparato para cargar materia en partículas en un reactor presurizado que comprende:

(a) una cámara de carga,

(b) un dispositivo de carga que está situado dentro de la cámara de carga,

(c) una cámara de compuerta con forma de L que tiene una componente vertical superior en comunicación con la cámara de carga y que tiene una componente inferior en comunicación con la entrada o la salida del reactor vertical,

(d) una válvula de pistón de entrada de compuerta que se puede desplazar axialmente a través de la componente vertical de la cámara de compuerta y que está adaptada para obturar la abertura desde la cámara de carga al interior de la componente vertical de la cámara de compuerta,

(e) un dispositivo de descarga que se puede desplazar axialmente dentro de la componente horizontal de la cámara de compuerta, y

(f) una válvula de pistón de salida de compuerta que se puede desplazar axialmente a través de la entrada o salida del reactor vertical y que está adaptada para obturar la abertura desde la componente inferior de la cámara de compuerta en la entrada o salida del reactor.

Métodos y dispositivos de bombeo de partículas Campo de la Invención

La invención se refiere en general a dispositivos y métodos para transferir material en partículas dentro y fuera de reactores presurizados y en particular a dispositivos y medios para suministrar materia prima de biomasa dentro y fuera de reactores hidrotermales presurizados.

Antecedentes

La producción comercial de biometanol y otros productos útiles a partir de biomasa lignocelulósica requiere elevados niveles de producción de materia prima, del orden de 1 a 5 toneladas métricas de materia seca por hora. En los sistemas de conversión de biomasa que confían en el pretratamiento hidrotermal de las materias primas antes de la hidrólisis enzimática, la escala de procesamiento se puede limitar al régimen en el que el material en partículas puede ser alimentado en los reactores de pretratamiento presurizados.

Los sistemas para alimentar biomasa a los reactores presurizados generalmente están incluidos en una de las dos categorías predominantes - allmentadores de tornillo o tapón y allmentadores de compuerta. Los allmentadores de tornillo o tapón con bien conocidos en la Industria de la pulpa y del papel. Éstos utilizan dispositivos de carga tales como tornillos, pistones, y combinaciones de pistones-tornillo para compactar el material en partículas hasta una densidad efectiva suficiente de manera que se forma un sello o tapón a presión impermeable al gas. Este tapón es entonces formado continuamente y cargado en un reactor en contra de las elevadas presiones. Los allmentadores de tornillo o tapón han demostrado cargar eficazmente contra presiones entre 4 y 1 bares. Se han reportado una gran variedad de diferentes planes de allmentadores de tapón. Algunos allmentadores de tornillo-tapón se basan en un tornillo de alimentación muy largo, que permite cargar a una densidad de tapón de biomasa efectiva algo más baja. Los sistemas que se basan en densidad efectiva más elevada a menudo utilizan un dispositivo desintegrador en el lado del reactor presurlzado para separar el tapón de alta densidad. Véanse los ejemplos los documentos US 3.841.465; US 4.186.658; US 4.274.786; US 5.996.77, W23/545, W24/15927, W29/5441.

Los alimentadores de compuerta se basan en un sistema de cierres a presión, al menos uno de los cuales se mantiene cerrado en todo momento. El material en partículas es cargado en una cámara de compuerta a través de una válvula de entrada abierta. La válvula de entrada es después cerrada y el material es descargado en un reactor a alta presión a través de una válvula de salida abierta. Han sido reportados una variedad de sistemas de alimentador de compuerta. Véanse por ejemplo los documentos US 5.95.825; SE 456.645; SE 5.516; WO 1993/1893; W1993/282; W23/13714.

Los alimentadores de compuerta individuales generalmente tienen una capacidad inferior pero proporcionaban un nivel más elevado de seguridad de funcionamiento con relación a los alimentadores de tapón. La biomasa es un material invariablemente heterogéneo. De este modo, incluso un tapón altamente comprimido puede contener canales a través de los cuales puede suceder una liberación de vapor a presión potencialmente explosiva. Proporciona una válvula mecánica contra la presión del reactor en todo momento, reduce enormemente el riesgo de liberación explosiva en los alimentadores de compuerta.

Los alimentadores de tapón de alta densidad generalmente han sido considerados ventajosos respecto a los alimentadores de compuertas en que se pueden escalar fácilmente a una capacidad muy grande. Sin embargo, los alimentadores de tapón también tienen varias desventajas notables. Los alimentadores de tapón funcionan efectivamente a presiones mayores de 1 bares. Son típicamente operados a muy altos niveles de compresión de la materia prima, en parte para reducir al mínimo los peligros ocupacionales. La biomasa típicamente es presurizada a niveles más altos de lo normalmente requerido para obturar contra la presión de reactor. Como consecuencia los alimentadores de tapón generan tremendas fuerzas de fricción entre el tapón y el aparato de alimentación. Esto reduce la eficiencia de energía y también introduce niveles elevados de desgasta y desgarre mecánicos, particularmente y con alimentadores que tienen elevados contenidos de arena y sílice tales como paja de trigo, paja de arroz y restrojo de cereal. La renovación del tornillo de tapón u otro dispositivo de carga en los alimentadores de tapón es un mantenimiento rutinario que puede ser requerido en intervalos tan breves como 1-3 meses. Esto conlleva ineficiencias de producción, así como elevados costes de mantenimiento. Los alimentadores de tapón también requieren típicamente que las materias primas estén sometidas a reducción de tamaño de partícula y lavado extensivo, lo que conlleva etapas de procesado adicionales así como requisitos de energía y costes de funcionamiento incrementados.

Estas desventajas de los alimentadores de tapón se han evitado de manera exitosa en una escala de producción piloto de 1 tonelada métrica de materia seca por hora utilizando el sistema alimentador de cámara de compuerta única descrito en el documento W23/13714. Utilizando este sistema, la biomasa se puede cargar de forma eficiente en contra de presiones mayores de 15 bares. Las materias primas son procesadas con reducción de tamaño de partícula no lavado, primero son divididas en partes predeterminadas, después son cargadas a la fuerza en una cámara de compuerta horizontal por medio de un tornillo pistón o dispositivo similar, cuyo eje está

prácticamente en línea con el eje de la cámara de compuertas.

Henos descubierto una variedad de medios mediante los cuales este sistema de compuerta se puede escalar a una capacidad mayor con seguridad y eficiencia operacional aumentadas.

Además, hemos descubierto que los sistemas de compuertas proporcionan medios mejorados para retirar la 5 biomasa pretratada de los reactores presurizados. Los alimentadores de tapón no proporcionan, por si mismos, medios para retirar la biomasa pretratada. La biomasa tratada previamente, ha sido retirada típicamente utilizando sistemas de explosión de vapor o sistemas de hidrociclón tales como los descritos en el documento WO 29/147512. Los sistemas de hidrociclón anteriormente se vieron ventajosos debido a sus pérdidas de vapor relativamente conservadoras con la retirada de biomasa pretratada. Utilizando salidas de bomba de partícula para 1 retirar la biomasa pretratada, se puede obtener significativas mejoras sobre el rendimiento de la explosión de vapor y los sistemas de hidrociclón. En particular, con relación a los sistemas de hidrociclón, las concentraciones de inhibidor de fermentación futuras en la biomasa pretratada liberada del reactor se pueden reducir en más de un 5%. Con relación a los sistemas de explosión de vapor, se puede reducir tanto el contenido de furfural en la biomasa pretratada liberada como también las pérdidas asociadas con la retirada de la biomasa pretratada.

Estas y otras mejoras se describen aquí con detalle.

Sumario

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 muestra una ilustración esquemática de una realización preferida.

La Figura 2 muestra una vista en ángulo lateral de una realización preferida accionada por cilindros hidráulicos.

La Figura 3 muestra una vista en sección de la realización preferida mostrada en la Figura 2.

La Figura 4 muestra una vista en ángulo lateral de una realización preferida accionada por accionadores eléctricos.

La Figura 5 muestra una vista en sección de la realización mostrada en la Figura 4.

La Figura 6 muestra una adaptación de una realización preferida para la retirada de biomasa pretratada de un reactor presurizado.

Las Figuras 7A, 7B y 7C muestran una Ilustración esquemática de un modo de funcionamiento híbrido tapón/compuerta de la realización mostrada en la Figura 2.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

El sistema alimentador de cámara de única compuerta del documento W23/13714 proporciona una cámara de compuerta horizontal en la que un dispositivo de descarga de tornillo pistón está prácticamente en línea con el eje de 3 la cámara de compuerta. Utilizando este sistema, las válvulas de tipo guillotina son generalmente preferidas como cierres de presión para la entrada y salida de compuerta.

Hemos descrito que las válvulas de pistón se pueden utilizar en la entrada de compuerta mediante la alineación del eje del dispositivo de carga en un ángulo con el eje de la cámara de compuerta, preferiblemente perpendicular. Las válvulas de pistón son ventajosas ya que son menos propensas... [Seguir leyendo]

1. Un aparato para cargar materia en partículas en un reactor presurizado que comprende:

(a) una cámara de carga,

(b) un dispositivo de carga que está situado dentro de la cámara de carga,

(c) una cámara de compuerta con forma de L que tiene una componente vertical superior en comunicación con la cámara de carga y que tiene una componente inferior en comunicación con la entrada o la salida del reactor vertical,

(d) una válvula de pistón de entrada de compuerta que se puede desplazar axialmente a través de la componente vertical de la cámara de compuerta y que está adaptada para obturar la abertura desde la cámara de carga al interior de la componente vertical de la cámara de compuerta,

(e) un dispositivo de descarga que se puede desplazar axialmente dentro de la componente horizontal de la cámara de compuerta, y

(f) una válvula de pistón de salida de compuerta que se puede desplazar axialmente a través de la entrada o salida del reactor vertical y que está adaptada para obturar la abertura desde la componente inferior de la cámara de compuerta en la entrada o salida del reactor.

2. El aparato de la reivindicación 1, en el que el dispositivo de carga es un transportador de tornillo o un tornillo-pistón.

3. El aparato de la reivindicación 1, en el que el dispositivo de descarga es un transportador de tornillo o un tornillo-pistón.

4. El aparato de la reivindicación 1, en el que las válvulas de pistón comprenden además discos giratorios.

5. El aparato de la reivindicación 1, en el que la cámara de carga es un recipiente dentro del cual un dispositivo de carga funciona para cargar a la fuerza la biomasa en la cámara de compuerta y que proporciona un poco más que una contención para el dispositivo de carga.

6. El aparato de la reivindicación 1, que comprende además una chimenea de seguridad.

7. El aparato de la reivindicación 1, que comprende además sensores de nivel de biomasa adaptados para detectar la acumulación de biomasa en la cámara de compuerta.

8. El aparato de la reivindicación 1, que comprende además medios para introducir un rociado de agua fría en la cámara de compuerta.

9. El aparato de la reivindicación 1, en el que la entrada del reactor comprende además medios desintegradores u otros medios para facilitar el calentamiento uniforme de la biomasa cargada dentro del reactor.

1. Un método para cargar materia prima de biomasa en un reactor presurizado que comprende:

(a) ajustar la presión de la cámara de compuerta a una presión de carga que es sustancialmente atmosférica o intermedia ente la presión atmosférica y la presión del reactor.

(b) abrir la válvula de entrada de compuerta

(c) cargar a la fuerza una cantidad de biomasa desde una cámara de carga que está en comunicación con el segmento superior, vertical de una cámara de compuerta con forma de L en la cámara de compuerta a la presión de carga,

(d) cerrar la válvula de entrada de compuerta

(e) ajustar la presión de cámara de compuerta a una presión de descarga que es sustancialmente la presión del reactor o una presión intermedia entre la presión atmosférica y la presión del reactor

(f) descargara la fuerza la biomasa desde segmento superior vertical de la cámara de compuerta hasta un segmento inferior de la cámara de compuerta que está en comunicación con una entrada del reactor vertical, consiguiendo opcionalmente la compresión de la biomasa mientras que la válvula de salida de compuerta está cerrada

(g) abrir la válvula de salida de compuerta, y

(h) descargar a la fuerza la biomasa en la entrada del reactor vertical mientas la cámara de compuerta está equilibrada a la presión de descarga.

11. El método de la reivindicación 1 que además comprende dejar una cantidad de biomasa comprimida dentro de la cámara de carga que es suficiente para proporcionar una obturación efectiva contra la presión de carga durante la duración de un ciclo de abertura de válvula de entrada.

12. El método de la reivindicación 1 que además comprende dejar una cantidad de biomasa comprimida dentro del segmento inferior de la cámara de compuerta que es suficiente para proporcionar una obturación efectiva contra la presión de descarga durante la duración de un ciclo de abertura de válvula de salida.

13. El método de la reivindicación 1 en el que la presión del reactor es de 15 bares por encima de la atmosférica y la presión de carga es 3 bares por encima de la atmosférica.

14. El método de la reivindicación 1 en el que la presión del reactor es 15 bares por encima de la presión atmosférica y la presión de descarga es de 12 bares por encima de la presión atmosférica.

15. El método de la reivindicación 1 en el que la presión de carga está comprendida entre ,3 y 3 bares por encima de la presión atmosférica.

16. El método de la reivindicación 1 en el que la presión de descarga está comprendida entre ,3 y 3 bares de diferencia de presión de la presión del reactor.

17. El método de la reivindicación 1 que además comprende cargar a la fuerza biomasa dentro de la cámara de carga, consiguiendo la compresión de la biomasa mientras la válvula de entrada de compuerta está cerrada.

18. El método de la reivindicación 1 en el que la biomasa es cargada sin comprensión apreciable a través de una válvula de entrada de compuerta abierta.