MX2010009418A - Sistema y metodo para pre-extraccion de hemicelulosa a traves del uso de un proceso de pre-hidrolisis continuo y de pre-tratamiento de explosion de vapor. - Google Patents
Sistema y metodo para pre-extraccion de hemicelulosa a traves del uso de un proceso de pre-hidrolisis continuo y de pre-tratamiento de explosion de vapor.Info
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Abstract
Se ha desarrollado un sistema para pretratar carga de alimentación de biomasa celulósica que incluye: un primer reactor presurizado que recibe la carga de alimentación, en donde la carga de alimentación se somete a hidrólisis en el primer reactor presurizado; un dispositivo de sellado que tiene un primer acoplamiento presurizado a un orificio de descarga de carga de alimentación del primer reactor presurizado, y un segundo acoplamiento presurizado a un segundo reactor presurizado; un drenaje para un líquido que incluye material hemicelulósico disuelto extraído de la carga de alimentación en por lo menos uno del primer reactor presurizado y el dispositivo de sellado y extracción; el segundo ensamble de reactor presurizado recibe la carga de alimentación presurizada del dispositivo de sellado a una presión sustancialmente mayor que la presión en el primer reactor presurizado, en donde las celdas de la carga de alimentación se infunden con agua en el segundo reactor presurizado, y un dispositivo de expansión corriente abajo el segundo ensamble reactor presurizado, en donde el dispositivo de expansión libera rápidamente la presión de la carga de alimentación descargada del segundo reactor presurizado tal que la carga de alimentación se somete a una reacción de explosión de vapor.
Description
SISTEMA Y METODO PARA PRE-EXTRACCION DE
HEMICELULOSA A TRAVES DEL USO DE UN PROCESO DE PRE-HIDRÓLISIS CONTINUO Y DE PRE-TRATAMIENTO DE EXPLOSION
DE VAPOR
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
La presente invención se refiere a un pretratamiento de cargas de alimentación de biomasa celulósica, tal como residuos agrícolas (que incluyen tallos, forraj e y cáscaras), paj as y pastos, residuos de bosques y aserraderos (que incluyen virutas y aclareos triturados). En particular, la invención se refiere a la pre-hidrólisis y pre-tratamiento de explosión de vapor para extraer azúcares de carbono de las cargas de alimentación de biomasa.
Las altas presiones y/o altas temperaturas son típicas en los pre-tratamientos usados para generar alcoholes, por ejemplo etanol, de cargas de alimentación celulósicas. En estos pretratamientos convencionales, algunos azúcares C5 son convertidos a componentes los cuales inhiben la fermentación del alcohol de los azúcares C6 en la etapa de fermentación después del pre-tratamiento. La remoción de estos componentes inhibidores, tales como aldehidos (por ej emplo, HMF, furfural y formaldehído), fenólicos monoméricos (por ej emplo, vainillina y coniferilaldehído), ácidos (por ej emplo, ácido fórmico) y otros inhibidores deben incrementar la producción de alcohol en la etapa de fermentación C6 después del pretratamiento .
BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION
Se ha desarrollado un sistema para pretratar carga de alimentación de biomasa celulósica que incluye: un sistema para pretratar carga de alimentación de biomasa celulósica que comprende: un primer reactor presurizado que recibe la carga de alimentación, en donde la carga de alimentación se somete a la hidrólisis en el primer reactor presurizado; un dispositivo de sellado que tiene un primer acoplamiento presurizado a un orificio de descarga de carga de alimentación del primer reactor presurizado, y un segundo acoplamiento presurizado a un segundo reactor presurizado; un drenaj e para un líquido que incluye material hemicelulósico disuelto extraído de la carga de alimentación en por lo menos uno del primer reactor presurizado y el dispositivo de sellado; el segundo ensamble de reactor presurizado que recibe la carga de alimentación presurizada del dispositivo de sellado a una presión sustancialmente mayor que la presión en el primer reactor presurizado, y un dispositivo de expansión corriente abajo del segundo ensamble de reactor presurizado, en donde el dispositivo de expansión libera rápidamente la presión de la carga de alimentación descargada del segundo reactor presurizado tal que la carga de alimentación se somete a una reacción de explosión de vapor, en donde el primer reactor y el segundo reactor incluyen cada uno una fase de vapor que recibe vapor directo calentando y haciendo reaccionar o calentando la carga de alimentación.
En otra modalidad, el sistema para pretratar carga de alimentación de biomasa celulósica puede comprender: un primer reactor presurizado que recibe la carga de alimentación, en donde la carga de
alimentación se somete a hidrólisis en el primer reactor presurizado a una presión manométrica en un intervalo de 1 .5 barg a 6 barg o superior, y a una temperatura de por lo menos 1 1 0 grados Celsius; un dispositivo de sellado y extracción que tiene un primer acoplamiento presurizado a un orificio de descarga de carga de alimentación del primer reactor presurizado y un segundo acoplamiento presurizado ; una etapa de lavado que introduce un líquido de lavado en la carga de alimentación en por lo menos uno del primer reactor presurizado y el dispositivo de sellado-extracción; un drenaj e para remover un líquido que incluye material hemicelulósico disuelto extraído de la carga de alimentación en por lo menos uno del primer reactor presurizado y el dispositivo de sellado y extracción; el segundo ensamble del reactor presurizado que recibe la carga de alimentación presurizada del dispositivo de sellado y extracción e infundir un vapor y vaho de agua dentro de la carga de alimentación en el segundo reactor presurizado, en donde el ensamble de reactor aplica una presión manométrica a la carga de alimentación en un intervalo de 8 barg a 25.5 barg y el segundo ensamble de reactor presurizado tiene una descarga presurizada acoplada a un conducto de descarga, y un dispositivo de expansión corriente abaj o del segundo ensamble del reactor presurizado, en donde el dispositivo de expansión libera rápidamente la presión de la carga de alimentación descargada del segundo reactor presurizado tal que la carga de alimentación se somete a una reacción de explosión de vapor.
Se ha desarrollado un método que pre-trata carga de alimentación de biomasa celulósi ca que comprende: pretratar la carga de alimentación en un primer reactor presurizado, en donde la carga de
alimentación se somete a hidrólisis en el primer reactor presurizado ; descargar la carga de alimentación del primer reactor presurizado a un dispositivo de sellado presurizado que tiene un primer acoplamiento presurizado a un orificio de descarga de carga de alimentación del primer reactor presurizado; mantener una fase de vapor en el primer reactor presurizado al inyectar vapor dentro del primer reactor presurizado, en donde el vapor inyectado proporciona energía calórica a la carga de alimentación y en el primer reactor presurizado; lavar la carga de alimentación en una región corriente abaj o del primer reactor presurizado o el dispositivo de sellado presurizado; retirar un líquido que incluye material hemicelulósico disuelto extraído de la carga de alimentación de por lo menos uno del primer reactor presurizado y el dispositivo de sellado presurizado ; descargar la carga de alimentación del dispositivo de sellado presurizado a través de un segundo acoplamiento presurizado a un segundo reactor presurizado, en donde la carga de alimentación se mantiene a una presión más alta en el segundo reactor presurizado que en el primer reactor presurizado; en el segundo reactor presurizado, infundir las celdas de la carga de alimentación con el vapor o vaho de agua al inyectar vapor o vaho de agua dentro del segundo reactor presurizado, y liberar rápidamente una presión aplicada a la carga de alimentación para causar que la expansión de vapor en las celdas de l a carga de alimentación y la carga de alimentación se puedan refinar.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS LA FIGURA 1 representa un diagrama esquemático de un flujo
a través de un proceso de los reactores para el pretratamiento de carga de alimentación de biomasa celulósi ca.
La FIGURA 2 representa un sistema de reactor con un primer reactor inclinado con una entrada más baj a que la descarga y un segundo reactor horizontal .
La FIGURA 3 representa un sistema de reactor con un primer reactor inclinado con una entradas más alta que la descarga y un segundo reactor horizontal .
La FIGURA 4 representa un sistema de reactor con un segundo reactor cónico.
La FIGURA 5 representa un sistema de reactor con una pluralidad de separadores de ciclón.
La FIGURA 6 representa un sistema de reactor con un alimentador de tornillo tapón.
La FIGURA 7 representa un sistema de reactor con un primer reactor vertical .
La F IGURA 8 representa un arreglo alternativo de un sistema de reactor con un segundo reactor cónico.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION
La FIGURA 1 muestra un esquema de flujo de un proceso de pretratamiento de carga de alimentación de biomasa celulósica 1 0 que tiene un primer reactor presurizado 12 para hidrolizar y disolver hemicelulosa de la carga de alimentación 1 4. La hemicelulosa se disuelve en un líquido para extraer los azúcares C5 antes de que la carga de alimentación fluya a un segundo reactor presurizado 1 6 para cocer la celulosa restante en la carga de alimentación. Un sello presurizado 1 8 permite un fluj o continuo de la carga de alimentación presurizada directamente desde el primer reactor 12 hasta el segundo reactor 1 6.
La carga de alimentación 1 4 puede ser un material de biomasa celulósica tal como residuos agrícolas (por ej emplo, tallos, forraj e y cáscaras), paj as, pastos y residuos de bosques y aserraderos (por ej emplo, virutas y aclareos triturados) . La carga de alimentación 14 se alimenta a un recipiente de almacenamiento 20 donde la carga de alimentación es mantenida, por lo menos temporalmente, a presión atmosférica. El recipiente de almacenamiento puede proporcionar pretratamiento con vapor para calentar la carga de alimentación. Desde el recipiente de almacenamiento 20, la carga de alimentación es transportada por un transportador 22 a un dispositivo de sellado de presión 24, tal como una válvula giratoria, alimentador de tornillo tapón o un MSD ImpressafinerM R vendido por Andritz Inc. of Glens Falls, Nueva York, EUA. El dispositivo de sellado de presión 24 sirve como un portal de entrada para la carga de alimentación al primer reactor presurizado 12.
En el primer reactor presurizado 12, la carga de alimentación de biomasa celulósica se pre-trata usando hidrólisis, por ej emplo, pre-hidrólisis o auto-hidrólisis, para extraer los azúcares de carbono, preferiblemente azúcares C5 , de la carga de alimentación antes de que entre al segundo reactor presurizado 1 6. El primer reactor presurizado puede ser horizontal, inclinado o vertical . La cocción con hidrólisis en el primer reactor 1 2 puede ser un proceso continuo en el cual la carga de
alimentación entra continuamente, fluye a través y se descarga del reactor 12 hasta el sello presurizado 1 8 y a través del segundo reactor 1 6.
En el primer reactor presurizado 1 2, la hemicelulosa, la cual es principalmente azúcares de carbono 5 (referidos en este documento como "azúcares C5 ", se disuelve y se hidroliza. La hemicelulosa se extrae en un líquido del primer reactor presurizado 1 2 por la vía de un conducto 26 que se extiende desde el reactor 1 2 hasta un tanque o tambor de purga 28.
La hemicelulosa en las maderas blandas es principalmente gluco-manano el cual se disuelve y se hidroliza en el proceso de pre-hidrólisis y auto-hidrólisis del primer reactor 12. La hemicelulosa en, por ejemplo, maderas duras, paj as de cereal y pastos se pueden disolver y se hidrolizan en la solución ácida en el primer reactor 12 (opcionalmente en presencia de un catalizador(es)) en los azúcares C5 de peso molecular bajo, tal como xilosa y arabinosa, y a un cierto grado en azúcares C6 amorfas. Los azúcares C5 y C6 amorfos de peso molecular bajo se disuelven en el reactor 1 2 y se drenan como un licor (líquido) del reactor 1 2 al tubo 26. Ej emplos de subproductos de azúcar C5 que se remueven preferiblemente como licor de la carga de alimentación en el primer reactor 12 incluyen : aldehidos (HMF, furfural y formaldehído), fenólicos monoméricos (vainillina y coniferilaldehído) y ácidos (tal como ácido acético y ácido fórmico). La remoción de estos subproductos de azúcar C5 es deseable ya que ellos, o sus subproductos de reacción, podrían inhibir la fermentación de los azúcares C6 sino se separan en el primer reactor 12 de la carga de alimentación.
En el primer reactor de recipiente presurizado 12, la carga de alimentación se puede procesar en una solución ácida que promueve la pre-hidrólisis o auto-hidrólisis para disolver e hidrolizar la hemicelulosa en la carga de alimentación a azúcares C5 de peso molecular bajo y azúcares C6 amorfos. El reactor 1 2 no se puede llenar con la carga de alimentación para permitir una fase de vapor en el reactor. La fase de vapor proporciona energía calórica para la carga de alimentación y promueve la reacción de hidrólisis en la carga de alimentación que puede estar en cualquiera o tanto la fase de vapor como una fase líquida del reactor. El vapor al reactor 12 se puede suministrar desde una fuente de vapor 13 la cual inyecta el vapor directamente dentro del reactor en una o más posiciones del reactor 12, y preferiblemente cerca de la entrada de la carga de alimentación del reactor. El vapor también se puede inyectar en los transportadores de carga de alimentación 22, 24 inmedi atamente corriente arriba de la entrada del reactor 1 2. La inyección de vapor corriente arriba de la entrada al reactor 1 2 mejora el mezclado del vapor y la carga de alimentación antes de que la mezcla entre al reactor.
La hidrólisis, y particularmente la pre-hidrólisis y auto-hidrólisis, se refiere generalmente a la cocción de la carga de alimentación de la biomasa celulósica a temperaturas de, por ej emplo, entre 1 10 grados Celsius (°C) y 160°C o 1 1 0°C a 1 75 °C a una presión manométrica de 1 .5 bar a 6 bar ( 1 50 a 600 kilopascales) o 1 .5 bar a 1 0 bar ( 1 50 a 1 000 kilopascales), durante aproximadamente diez ( 1 0) minutos a sesenta (60) minutos (min.) y preferiblemente de 20 a 30 minutos. Para promover la hidrólisis y proporcionar presurización, el primer reactor presurizado 12 puede recibir los fluj os de uno o más de un ácido leve, gas de dióxido de azufre (S 02), oxígeno, aire comprimido, amoníaco, agua, vaho de agua, vapor (para calentar y mantener la temperatura) y agentes catalizadores de las fuentes 30, 1 3 de cada uno de estos compuestos. El(los) fluj o(s) recibido(s) 30, 13 se pueden introducir al primer reactor presurizado 12 próximo a donde la carga de alimentación entra al reactor y distal de donde la carga de alimentación sale del primer recipiente presurizado. Como una alternativa para agregar ácidos, el primer reactor 12 puede usar condiciones de auto-hidrólisis tal como al usar los ácidos de madera liberados por la carga de alimentación baj o condiciones de auto-hidrólisis.
La carga de alimentación se puede descargar húmeda o seca del primer reactor 12. El agua o licor de dilución 32 se pueden agregar opcionalmente al primer reactor 12 o al dispositivo de sellado y extracción 1 8. La adición del agua de dilución beneficia la remoción de cualquier sustancia disuelta del dispositivo de sellado y extracción 1 8 , e incrementa la cantidad de azúcares recuperados en las cubiertas que ñuyen a través de los conductos 26 y 48.
Además, una etapa de lavado 1 5 se puede incluir en o inmediatamente corriente abaj o del primer reactor 1 2 y corriente arriba del segundo reactor 1 6 y preferiblemente corriente arriba del dispositivo de sellado y extracción 1 8 para lavar la carga de alimentación con agua de dilución, por ej emplo, para asegurar que la reacción de hidrólisis haya cesado. Por ej emplo, la etapa de lavado se puede localizar en el extremo del flujo del primer reactor 1 2 o en el dispositivo de sellado y extracción 1 8. La etapa de lavado 1 5 introduce agua limpia, tal como de la fuente de agua de dilución 32, a la carga de alimentación en una zona de lavado (véase la Figura 7) cerca de la salida del primer reactor o en el dispositivo de sellado y extracción 1 8. El agua de lavado de la fuente 32 puede tener una temperatura de no más de 1 60 grados Celsius, no más de 140 grados Celsius o no más de 1 1 0 grados Celsius. La temperatura del agua de lavado es más baj a que la temperatura en el primer reactor 1 2 para suprimir la reacción de hidrólisis en la zona de lavado . La zona de lavado extrae el material filtrado 1 7 de la carga de alimentación a través, por ej emplo, del conducto de drenaj e 48.
La etapa de lavado debe ser corriente arriba del proceso de explosión de vapor, tal como corriente arriba de la válvula 34. Es más económico y eficiente lavar la carga de alimentación corriente arriba del proceso de explosión de vapor que lavar la carga de alimentación después del proceso de explosión de vapor. El proceso de explosión de vapor reduce el tamaño de partícula de la carga de alimentación e incrementa de esta manera el área superficial específica de la carga de alimentación. Las partículas pequeñas y el área superficial específica grande resultante incrementar l a dificultad de eliminar el agua y lavar la carga de alimentación. El lavado corriente arriba del proceso de explosión de vapor evita estas dificultades debido a que las partículas de carga de alimentación son relativamente gruesas y tienen una superficie específica más pequeña antes de la explosión de vapor.
Debido a que el lavado de la carga de alimentación con partículas más grande es más eficiente cuando es comparado con el lavado de partículas más pequeñas, el equipo de lavado, tal como zonas de lavado, inyectores de agua, cribas de filtrado y dispositivos de extracción, pueden ser menos incómodos y menos costosos que el equipo de lavado necesario para el lavado corriente abajo del proceso de explosión de vapor. Similarmente, los costos asociados con el lavado, tal como costos para proporcionar líquido de lavado y extraer el material filtrado, es menor si la etapa de lavado está corriente arriba del proceso de explosión de vapor que si l a etapa está corri ente abaj o del proceso.
El tanque de purga 28 recolecta los componentes disueltos tal como los azúcares C5 de la hemicelulosa extraída de la carga de alimentación en el primer reactor 1 2 y el dispositivo de sellado y extracción 1 8 por la vía de los tubos (también referidos como conductos) 26 y 48. La solución líquida de la hemicelulosa disuelta, por ejemplo, azúcares C5 , extraídos del reactor 1 2 se pueden despresurizar a través de una válvula de reducción de presión 49 en el tubo 48 al tanque de purga o en la descarga del tanque de purga 28. Habiéndose separado de la carga de alimentación y almacenados en el tanque 28 , los azúcares C5 en la hemicelulosa se pueden convertir por procesos convencionales a Xilosa para el uso como aditivos alimenticios, biogás por fermentación aeróbica y anaeróbica, metilfurano por compuestos oxigenados de alto octanaj e, y a un azúcar acuoso para l a conversión a alcoholes tal como etanol . La conversión de los azúcares C 5 puede usar microorganismos especiales, por ejemplo, enzimas, para promover la reacción de conversión.
Para cualquiera de los sistemas de reactor en esta descripción, se puede incluir un aparato de lavado opcional entre el primero y segundo reactores para lavar la carga de alimentación. El aparato de lavado puede incluir una salida para un solvente (tal como las soluciones ácidas usadas en el primer reactor, agua, vapor o una combinación de los mismos) se pueden mezclar con la carga de alimentación antes o después de la remoción de la hemicelulosa disuelta. El solvente puede disolver además la hemicelulosa asociada con la carga de alimentación que no se removió después de la primera remoción de los componentes disueltos. El solvente se puede introducir a una temperatura o presión que está abajo de la temperatura o presión del primer reactor. Puesto que la temperatura o presión o ambas están abajo de aquella del primer reactor, el solvente tiene un beneficio adicional de detener la(s) reacción(es) química(s) inducida(s) en la carga de alimentación por el primer reactor. La salida del aparato de lavado que contiene el solvente con hemicelulosa adicional se puede procesar separadamente o se puede combinar con el componente disuelto previamente extraído en el tanque de purga 28. El aparato de lavado puede comprender además orificios y salidas de vapor adicionales para mantener la temperatura y presión del proceso . El aparato de lavado se puede incorporar dentro del primer reactor ( 12), o el dispositivo de extracción de sellado ( 1 8) tal que no se requiere hardware adicional para implementar la etapa de lavado. Por ej emplo, el primer reactor o el dispositivo de extracción de sellado puede incluir un orificio de entrada para el solvente adicional para lavar adicionalmente la carga de alimentación. El solvente se puede remover usando los orificios de remoción de solvente regulares del sistema de reactor tal como los conductos 26 o 48.
Después de la remoción de la hemicelulosa disuelta, la carga de alimentación restante se descarga del primer reactor 12 al dispositivo de sellado o extracción 1 8. La carga de alimentación permanece presurizada y fluye, desde el primer reactor hasta el dispositivo de sellado y extracción 1 8. El dispositivo de sellado y extracción 1 8 transporta la carga de alimentación desde el primer reactor 1 2 hasta el segundo reactor 16. El dispositivo de sellado o extracción 1 8 puede incrementar la presión aplicada a la carga de alimentación a un nivel arriba de la presión en el primer reactor 1 2 y a un nivel adecuado para que una explosión de vapor ocurra después del segundo reactor 1 6. El segundo reactor presurizado 1 6 puede incluir un recipiente de reactor horizontal o cónico.
El dispositivo de sellado y extracción presurizado 1 8 puede ser un (MSD) ImpressafinerM R, un dispositivo de tornillo simil ar a extrusor, o un alimentador de tornillo tapón o una unidad similar la cual comprime la carga de alimentación pre-procesada para extraer los componentes disueltos (principalmente hemicelulosa) la cual se descarga por la vía del conducto 48 a un tanque de purga 28 o un dispositivo similar. El dispositivo de sellado y extracción puede incrementar la presión de la carga de alimentación de la presión manométrica, por ej emplo, 1 .5 bar a 1 0 bar, en la descarga del primer reactor a la presión manométrica en el segundo reactor 16 de 8 bar alrededor de 25 bar.
La carga de alimentación presurizada puede fluir del primer reactor 12 hasta el dispositivo de sellado y extracción 1 8 por la fuerza de gravedad, por el fluj o continuo de la carga de alimentación en el reactor (como se muestra en las Figuras 2 a 6) o por un raspador de descarga o un tornillo de descarga 51 como se muestra en la Figura 7. El dispositivo de extracción 1 8 proporciona un sello presurizado entre el primero y segundo reactores presurizados 12 y 1 6. Debido a que la carga de alimentación se descarga del primer reactor 1 2 bajo presión, el dispositivo de sellado y extracción 1 8 tiene preferiblemente una entrada configurada para recibir la carga de alimentación baj o presión. Por ej emplo, la entrada al dispositivo de sellado y extracción 1 8 se sella a la salida del primer reactor 12 y no libera la presión sobre la carga de alimentación que entra al dispositivo 1 8.
El segundo reactor 1 6 puede ser, por ej emplo, un reactor vertical, horizontal o cónico. Los reactores verticales se muestran en las Figuras 7 y 8 y pueden incluir una sección de fondo para promover el fluj o corriente abajo de la carga de alimentación, tal como una sección en forma de diamante dada a conocer en las patentes de E.U.A Nos. 5 ,61 7975 y 5 ,628 , 873 , las cuales se incorporan a manera de referencia. Los recipientes adecuados para el segundo reactor 1 6 son convencionales y se usan típicamente en los procesos de formación de pulpa de explosión de vapor.
El segundo reactor se opera preferiblemente a una presión más alta que el primer reactor. Del segundo ensamble de reactor (el cual puede incluir un segundo reactor 1 6 o un segundo reactor 1 6 y un dispositivo de descarga de reactor 1 6), la carga de alimentación se descarga a presiones manométricas altas, tal como entre 8 bar a 25.5 bar. El segundo ensamble de reactor puede incluir un dispositivo de descarga 52, tal como un alimentador de tornillo de descarga que mueve la carga de alimentación a un dispositivo de descarga de reactor 36. El proceso 1 0 mantiene la carga de alimentación a una presión manométrica sustancialmente alta, por ejemplo, arriba de 1 .5 bar, del primer reactor 1 2, a través del dispositivo de sellado-extracción 1 8 , el segundo reactor 1 6, el dispositivo de descarga de reactor 36 y la válvula de purga 34.
El segundo reactor 1 6 procesa la carga de alimentación de biomasa celulósica a temperaturas de, por ej emplo, 1 70°C a 230°C durante aproximadamente dos a cinco minutos (o más prolongado), y una presión manométrica de ocho (8) bar a 25.5 bar (800 kilopascales a 2, 550 kilopascales). El segundo reactor 1 6 puede incluir una fase de vapor en la cual el vapor se inyecta directamente dentro del reactor para proporcionar energía calórica para la carga de alimentación. En el segundo reactor 1 6, uno o más de vapor, vaho y agua líquida de las fuentes 53 , 32 se difunden dentro de la estructura interior del material lignocelulósico de la carga de alimentación. Además, las fuentes de vapor, vaho de agua o agua líquida 53 , 32 pueden proporcionar otros líquidos tal como una fuente de líquido de agentes catalizadores que se inyectan dentro del segundo reactor presurizado 1 6.
El agua 32 se puede inyectar directamente dentro del segundo reactor 1 6 o el dispositivo de sellado y extracción 1 8 para proporcionar agua diluida que se infunde en la carga de alimentación. El agua de dilución 32 y las fuentes 53 de vapor, vaho y agentes catalizadores se pueden inyectar dentro del segundo reactor 1 6 en el(los) punto(s) próximo(s) a donde la carga de alimentación entra al reactor.
El vapor o vaho de agua se infunden dentro de la carga de alimentación en el segundo reactor 16. El vapor y el vaho de agua se condensan parcialmente como agua líquida en la estructura microporosa similar a capilar de la estructura interior del material lignocelulósico que se procesa en el segundo reactor.
La presión de la carga de alimentación se reduce notablemente
al pasar a través de una válvula de purga 34 corriente abaj o del segundo ensamble de reactor. La caída de presión a través de la válvula de purga 34 es preferiblemente por lo menos una reducción de diez ( 10) bar en presión. La presión de la carga de alimentación se puede reducir por la válvula de purga 34 a uno o dos barg, en donde cero barg está a presión de aire sustancialmente atmosférica. La caída de presión grande a través de la válvula 34 es adecuada para la formación de pulpa de explosión de vapor. La rápida caída de presión, por ej emplo, "instantánea", convierte a vapor el agua líquida condensada en las celdas del material lignocelulósico de la carga de alimentación. La conversión a vapor del agua en las celdas de la carga de alimentación causa una interrupción masiva, por ejemplo, una "explosión" de las celdas de la carga de alimentación de biomasa celulósica. La interrupción ocurre debido a que el volumen ocupado por el vapor es mucho más grande que el volumen ocupado por el agua en las celdas. La interrupción masiva incluye el estallido de las células individuales de la carga de alimentación y l a ruptura de las fibras a lo largo de la celulosa amorfa, tal como entre los tubos cilindricos y las fibras de la estructura celulósica de la carga de alimentación.
La presión de la carga de alimentación de la descarga del segundo reactor 1 6 puede ser suficiente para la formación de pulpa de explosión de vapor, como se muestra en la Figura 8. Alternativamente, un dispositivo de descarga 36 se puede incluir en el segundo ensamble de reactor para aumentar la presión de la carga de alimentación por arriba de la presión en el segundo reactor. El dispositivo de descarga de reactor 36 puede incrementar además la presión de la carga de alimentación a una
presión adecuada para la formación de pulpa de explosión de vapor, tal como de 8 barg a 25 barg.
El segundo reactor presurizado 16 puede descargar la carga de alimentación baj o una presión alta a un dispositivo de descarga de reactor 36 entre el segundo reactor y la válvula de purga 34. El segundo ensamble de reactor presurizado puede comprende el reactor 1 6 con o sin un dispositivo de descarga de reactor 36. El dispositivo de descarga de reactor 36 puede ser, por ej emplo, uno o más de un raspador o barredor en el orificio de descarga de la carga de alimentación del segundo reactor, un refinador de molino de discos, un refinador de discos de tablero de fibra de densidad media (MDF), un compresor de alta presión de discos o un alimentador de tapón de descarga. Por ej emplo, una modalidad de dispositivo de descarga de reactor 36 puede ser un refinador de un disco que opera a una velocidad rotacional de 1 ,200 revoluciones por minuto (RPM) a 3 ,000 RPM accionado por un motor eléctrico propulsado por 150 caballos de fuerza ( 1 1 0 kilovatios). La modalidad del refinador de molino de discos de dispositivo de descarga de reactor 36 también puede refinar parcialmente la carga de alimentación presurizada antes de que la carga de alimentación se someta al refinado de explosión de vapor al pasar a través de la válvula de purga
34.
Durante la explosión de vapor, las partículas de la carga de alimentación tratadas se separan de la red celulósica de la carga de alimentación. El separador de ciclón tanque de purga 38 incluye una descarga más baj a 39 para las partículas y una descarga de vapor más alta 41 para el vapor, gases no condensable (NCG), gases comprimibles y otros vapores químicos 40. Estos vapores 40, los cuales pueden incluir compuestos orgánicos volátiles (VOCs), se pueden recuperar tal como al hacer pasar los vapores a través de un intercambiador de calor para recuperar la energía calórica en el vapor.
Las partículas separadas de la carga de alimentación tratada descargada del orificio de descarga más baj o 39 del ciclón o tanque de purga 38 es puede enfriar en un dispositivo de enfriamiento 42,. el cual puede incluir una banda o transportador de tornillo . La carga de alimentación tratada se puede procesar por el(los) reactor(es) adicional(es) 44 que puede aplicar tratamientos de ácido o enzimas a la carga de alimentación tratada. La carga de alimentación tratada se descarga finalmente como carga de alimentación pre-tratada 46.
El proceso 1 0 mostrado en la Figura 1 se puede incorporar en varias configuraciones de reactores y otros dispositivos. Las diversas modalidades de estas configuraciones de reactores y otros dispositivos se muestran en la Figura 2 a la Figura 8. Los números de referencia en la Figura 2 a la Figura 8 que son comunes a la Figura 1 se refieren a los dispositivos que realizan la misma función identificada por el número de referencia común en la Figura 1 .
Como se muestra en la FIGURA 2 a la FIGURA 8 , el primer reactor 1 2, por ej emplo, un reactor de pre-hidrólisis, puede ser: inclinado como se muestra en las Figura 2 a la Figura 8 ; arreglados verticalmente como se muestra en la Figura 9, o arreglados sustancialmente horizontales como se muestra en la Figura 1 0.
El primer reactor presurizado 1 2 puede ser un reactor convencional tal como un reactor de tipo pandia que tiene una barrena o tornillo interno para mover la carga de alimentación a través del reactor. La carga de alimentación puede entrar al primer reactor 12 a través de un dispositivo de sellado de presión 24 (en la Figura 1 ) el cual puede ser una válvula giratoria 60 (tal como se muestra en la Figura 2, Figura 4, Figura 5, Figura 7 y Figura 8), un alimentador de criba de tapón 62, por ejemplo, un MSD ImpressafinerM R (tal como se muestra en la Figura 3 y Figura 6) u otro sistema de alimentación que introduce carga de alimentación no presurizada a un reactor presurizado .
La hemicelulosa disuelta descargada del reactor 12 puede drenarse dentro del conducto 26 (como se muestra en la Figura 2, Figura 4, Figura 6 y Figura 7) o drenarse completamente dentro del dispositivo de sellado y extracción presurizado 1 8 (como se muestra en la Figura 3 y Figura 5) . Como se muestra en la Figura 2, Figura 3 , Figura 4 y Figura 5, los primeros reactores inclinados 12 con el extremo inferior 50 opuesto a un extremo superior 54 los cual es descargan la carga de alimentación drenarán la mayoría o todo de la hemicelulosa disuelta, por ej emplo, azúcares C5 como un líquido en un extremo inferior 50 del reactor. El extremo superior 54 de estos primeros reactores inclinados tiene una presión que mantiene el acoplamiento al dispositivo de sellado presurizado 1 8 , el cual puede ser un alimentador de tornillo tapón. El licor adicional que tiene la hemicelulosa disuelta se puede extraer del dispositivo sellado 1 8 y se puede dirigir por la vía de los conductos 48 y 26 a la válvula de reducción 49 y al tanque o tambor de purga 28. Como se muestra en la Figura 3 , el primer reactor 12 se puede inclinar tal que el extremo inferior 56 del recipiente de reactor tiene una presión que mantiene el acoplamiento al dispositivo de sellado presurizado. El extremo inferior 56 de los reactores 12 mostrados en la Figura 3 descarga la carga de alimentación y la totalidad del material de hemicelulosa líquida al dispositivo de sellado de presión 1 8. Un conducto 48 drena la hemicelulosa líquida del dispositivo de sellado y extracción de presión 1 8 y dirige el líquido a la válvula de reducción de presión 49 y el tanque o tambor 28.
La FIGURA 4 a la FIGURA 6 muestran que la carga de alimentación después de pasar a través de la válvula de purga 34 y ser tratada por la explosión de vapor, se puede separar en diferentes fluj os que tiene cada uno un diferente separador de ciclón 382, 384 y 386 y diferentes dispositivos de descarga y reactores adicionales 422, 424, 426. Por ej emplo, una porción de la celulosa de la carga de alimentación se puede retener para ser separada y procesada separadamente para pulpa (papel) o aplicaciones químicas especiales.
El primer reactor inclinado 12 mostrado en la Figura 8 tiene un extremo inferior 56 acoplado al sello presurizado 1 8. El extremo superior 58 del reactor puede tener un conducto de drenaj e opcional 26 que permite que el líquido de hemicelulosa fluya del reactor hasta la válvula de reducción 49 y el tanque 28.
El primer reactor presurizado vertical 12, mostrado en la Figura 7, incluye un barredor y transportador de carga de alimentación 51 que descarga la carga de alimentación del recipiente de reactor y drena el líquido de hemicelulosa al conducto 26 que dirige el líquido a través de la válvula de reducción 49 y al tanque o tambor de purga.
Un beneficio de una modalidad del proceso de pretratamiento de carga de alimentación de biomasa celulósica 10 es que los recipientes de reactor son preferiblemente de secciones transversales constantes o de expansión para permitir una expansión del volumen de flujo de la carga de alimentación o velocidad de fluj o sin preocuparse de variar la carga transversal, acanalado o taponado de los recipientes de reactor. Por ejemplo, cada uno de los recipientes de reactor 1 2, 1 6 puede estar verticalmente orientado, inclinado u horizontal . Similarmente, el flujo de la carga de alimentación de los reactores a través de cada uno de los reactores puede ser hacia abajo, hacia arriba u horizontal dependiendo de la orientación del recipiente de reactor.
Mientras que l a invención se ha descrito en rel ación con lo que se considera actualmente que es la modalidad más práctica y preferida, se debe entender que la invención no se limita a la modalidad dada a conocer, sino por el contrario, se propone para cubrir varias modificaciones y arreglos equivalentes inclui dos dentro del espíritu y alcance de las reivindicaciones anexas.
Claims (28)
1 . Un sistema para pretratar carga de alimentación de biomasa celulósica, caracterizado porque comprende: un primer reactor presurizado que recibe la carga de alimentación, en donde la carga de alimentación se somete a hidrólisis en el primer reactor presurizado ; un dispositivo de sellado que tiene un primer acoplamiento presurizado a un orificio de descarga de carga de alimentación del primer reactor presurizado, y un segundo acoplamiento presurizado a un segundo reactor presurizado; un drenaj e para un líquido que incluye el material hemicelulósico disuelto extraído de la carga de alimentación en por lo menos uno del primer reactor presurizado y el dispositivo de sellado; el segundo ensamble de reactor presurizado que recibe la carga de alimentación presurizada del dispositivo de sellado a una presión sustancialmente mayor que, la presión en el primer reactor presurizado, y un dispositivo de expansión corriente abajo del segundo ensamble de reactor presurizado, en donde el dispositivo de expansión libera rápidamente la presión de la carga de alimentación descargada del segundo reactor presurizado tal que la carga de alimentación se somete a una reacción de explosión de vapor, en donde el primer reactor y el segundo reactor incluyen cada uno una fase de vapor que recibe vapor directo del calentamiento y una fase líquida para hacer reaccionar o calentar la carga de alimentación.
2. El sistema de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el reactor presurizado tiene una región inferior que recibe la carga de alimentación y una región superior que incluye el orificio de descarga de la carga de alimentación, y el drenaj e está en la región más baja que descarga el material hemicelulósico disuelto del primer reactor presurizado.
3. El sistema de conformidad con las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque el primer reactor presurizado está inclinado tal que el orificio de descarga de alimentación está en un extremo inferior del reactor.
4. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 , caracterizado porque el drenaj e para el material hemicelulósico disuelto pasa a través de una válvula de reducción y a un tanque.
5. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque además comprende una fuente de por lo menos uno de ácido leve, gas de dióxido de azufre (S02), oxígeno, aire comprimido, amoníaco, vapor, agua u otro agente catalizador, y la fuente se acopla a una entrada de por lo menos uno del primer reactor presurizado o el segundo reactor presurizado.
6. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el dispositivo de sellado es un alimentador de tornillo presurizado.
7. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque además comprende un dispositivo de descarga de reactor que recibe carga de alimentación del segundo ensamble de reactor presurizado y proporciona la carga de alimentación al dispositivo de expansión.
8. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el segundo ensamble de reactor presurizado incluye un segundo reactor presurizado y un dispositivo de descarga de reactor acoplado a un orificio de descarga de carga de alimentación presurizada del segundo reactor de presión.
9. Un sistema para tratar carga de alimentación de biomasa celulósica, caracterizado porque comprende: un primer reactor presurizado que recibe la carga de alimentación, en donde la carga de alimentación se somete a hidrólisis en el primer reactor presurizado a una presión manométrica en un intervalo de 1 .5 barg a 6 barg, y a una temperatura de por lo menos 1 1 0 grados Celsius; un dispositivo de sellado y extracción que tiene un primer acoplamiento presurizado a un orificio de descarga de carga de alimentación del primer reactor presurizado y un segundo acoplamiento presurizado a un segundo reactor presurizado; una etapa de lavado que introduce un líquido de lavado en la carga de alimentación en por lo menos uno del primer reactor presurizado y el dispositivo de sellado-extracción; un drenaj e para remover un líquido que incluye material hemicelulósico disuelto extraído de la carga de alimentación en por lo menos uno del primer reactor presurizado y el dispositivo de sellado y extracción; el segundo ensamble de reactor presurizado que recibe la carga de alimentación presurizada del di spositivo de sellado y extracción e infunde un vapor o vaho de agua dentro de la carga de alimentación en el segundo reactor presurizado, en donde el ensamble de reactor aplica una presión manométrica a la carga de alimentación en un intervalo de 8 barg a 25.5 barg, y el segundo ensambl e de reactor presurizado tiene una descarga presurizada acoplada a un conducto de descarga, y un dispositivo de expansión corriente abaj o del segundo ensamble de reactor presurizado, en donde el dispositivo de expansión libera rápidamente la presión de la carga de alimentación descargada del segundo reactor presurizado tal que l a carga de alimentación se somete a una reacción de explosión de vapor.
1 0. El sistema de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque el dispositivo de sellado presurizado es un dispositivo de sellado y extracción presurizado e incluye un drenaje de líquido para el material hemi celulósico disuelto del dispositivo de sellado y extracción presurizado.
1 1 . El sistema de conformidad con l as reivindicaciones 9 o 1 0, caracterizado porque el segundo ensamble de reactor presurizado incluye un segundo reactor presurizado y un dispositivo de descarga de reactor acoplado a un orificio de descarga de carga de alimentación presurizada del segundo reactor de presión.
12. El sistema de conformidad con la reivindicación 1 1 , caracterizado porque el dispositivo de descarga de reactor incluye por lo menos uno de un refinador de molino de discos, un refinador de discos de tablero de fibra de densidad baj a (MDF), un compresor de alta presión de discos o un alimentador de tapón de descarga.
1 3. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12 caracterizado porque el dispositivo de expansión reduce la presión de la carga de alimentación por lo menos diez bar.
14. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 1 3 , caracterizado porque el primer reactor presurizado está inclinado tal que un extremo inferior del primer reactor presurizado está opuesto a un extremo del primer reactor presurizado que tiene el orifico de descarga de carga de alimentación, y un drenaj e en el extremo inferior del primer reactor presurizado descarga el material hemicelulósico disuelto del primer reactor presurizado.
El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, caracterizado porque además comprende una fuente de por lo menos uno de un ácido leve, gas de dióxido de azufre (S02), oxígeno, aire comprimido, amoníaco y un agente catalizador, vapor, agua y la fuente se acopla a una entrada de por lo menos uno del primer reactor presurizado y el segundo reactor presurizado .
1 6. El sistema de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 1 5 , caracterizado porque el ensamble de reactor presurizado incluye un segundo reactor presurizado y un dispositivo de descarga de reactor acoplado a un orificio de descarga de carga de alimentación presurizada del segundo reactor de presión.
1 7. Un método para pretratar carga de alimentación de biomasa celulósica, caracterizado porque comprende: pretratar la carga de alimentación en un primer reactor presurizado, en donde la carga de alimentación se somete a hidrólisis en el primer reactor presurizado; descargar la carga de alimentación del primer reactor presurizado a un dispositivo de sellado presurizado que tiene un primer acoplamiento presurizado a un orificio de descarga de carga de alimentación del primer reactor presurizado ; mantener una fase de vapor en el primer reactor presurizado al inyectar vapor dentro del primer reactor presurizado, en donde el vapor inyectado proporciona energía calórica a la carga de alimentación en el primer reactor presurizado ; lavar la carga de alimentación en una región corriente abaj o del primer reactor presurizado o el dispositivo de sellado presurizado; drenar un líquido que incluye material hemicelulósico disuelto extraído de la carga de alimentación de por lo menos uno del primer reactor presurizado y el dispositivo de sellado presurizado ; descargar la carga de alimentación del dispositivo de sellado presurizado a través de un segundo acoplamiento presurizado a un segundo reactor presurizado, en donde la carga de alimentación se mantiene a una presión más alta en el segundo reactor presurizado que en el primer reactor presurizado; descargar la carga de alimentación del dispositivo de sellado presurizado a través de un segundo acoplamiento presurizado a un segundo reactor presurizado, en donde la carga de alimentación se mantiene a una presión más alta en el segundo reactor presurizado que en el primer reactor presurizado; en el segundo reactor presurizado, infundir celdas de la carga de alimentación con vapor o vaho de agua al inyectar vapor o vaho de agua dentro del segundo reactor presurizado, y liberar rápidamente una presión aplicada a la carga de alimentación infundida con agua para causar la expansión de vapor en las celdas de la carga de alimentación y refinar la carga de alimentación.
1 8. El método de conformidad con la reivindicación 1 7, caracterizado porque además comprende una fuente de por lo menos uno de un ácido leve, gas de dióxido de azufre (S02), oxígeno, aire comprimido, amoníaco y un agente catalizador, vapor, agua y la fuente se acopla a una entrada de por lo menos uno del primer reactor presurizado y el segundo reactor presurizado .
1 9. El método de conformidad con la reivindicación 1 7 o 1 8, caracterizado porque la etapa de pretratar la carga de alimentación ocurre en el primer reactor presurizado que tiene una temperatura interna en un intervalo de 1 1 0 grados Celsius a 1 60 grados Celsius, una presión en un intervalo de 1 50 kilopascales a 600 kilopascales, y en donde la carga de alimentación permanece en el primer reactor presurizado durante un período de diez minutos a sesenta minutos .
20. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 7 a 1 9, caracterizado porque la etapa de pretratar la carga de alimentación ocurre en el primer reactor presurizado que tiene una temperatura interna en un intervalo de 1 10 grados Celsius a 1 75 grados Celsius, una presión en un intervalo de 1 50 kilopascales a 1 000 kilopascales, y en donde la carga de alimentación permanece en el primer reactor presurizado durante un período de diez minutos a sesenta minutos.
21 . El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 7 a 20, caracterizado porque la carga de alimentación fluye como una corriente continua a través del primer reactor presurizado, el dispositivo de sellado presurizado, el segundo reactor presurizado y la liberación rápida de la presión corriente abaj o del segundo reactor presurizado .
22. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 7 a 21 , caracterizado porque la rápida liberación de la presión reduce la presión de la carga de alimentación por lo menos diez bar.
23. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 7 a 22 , caracterizado porque la etapa de lavado está entre la etapa de descarga y la etapa de drenaj e y lava el material hemicelulósico disuelto de la carga de alimentación entre el primer reactor presurizado y el segundo reactor presurizado .
24. El método de conformidad con la reivindicación 23 , caracterizado porque la etapa de lavado se realiza a una temperatura abajo de 1 60°C.
25. El método de conformidad con la reivindicación 23 o 24, caracterizado porque la etapa de l avado se realiza a una temperatura abajo de 1 40°C .
26. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 7 a 25, caracterizado porque el proceso es un proceso continuo.
27. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 7 a 26, caracterizado porque la carga de alimentación fluye a través del primero y segundo reactores presurizados como un fluj o continuo.
28. El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 7 a 27, caracterizado porque la inyección del vapor o el vaho de agua dentro del segundo reactor forma una fase de vapor en el segundo reactor presurizado.
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