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Dokumentenidentifikation DE60013447T2 15.09.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0001194226
Titel VORRICHTUNG UND DEREN VERWENDUNG ZUR VORHYDROLYSE VON BIOMASSE
Anmelder RM Materiais Refratarios Ltda., Lorena, BR
Erfinder GARCIA PINATTI, Daltro, Lorena, CEP-S o Paulo, BR;
GUEDES SOARES, Alvaro, Mogi Mirim, CEP-S o Paulo, BR
Vertreter Patentanwälte Isenbruck Bösl Hörschler Wichmann Huhn, 68165 Mannheim
DE-Aktenzeichen 60013447
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 23.06.2000
EP-Aktenzeichen 009400763
WO-Anmeldetag 23.06.2000
PCT-Aktenzeichen PCT/BR00/00065
WO-Veröffentlichungsnummer 0000078446
WO-Veröffentlichungsdatum 28.12.2000
EP-Offenlegungsdatum 10.04.2002
EP date of grant 01.09.2004
Veröffentlichungstag der Übersetzung europäischer Ansprüche 22.04.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.09.2005
IPC-Hauptklasse B01J 19/02
IPC-Nebenklasse B01J 19/28   C13K 1/02   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen Apparat zum Verarbeiten von Materialien, speziell zum Durchführen einer Vorhydrolyse von jeglicher Art von Biomasse (Holz, Bagasse, Stroh, Gras, Gemüserückstände, organischer Abfall, etc.), um kommerzielle Produkte zu erhalten, wie Cellulignin und Zuckerlösungen, Vorhydrolysat-Schichten, enthaltend Xylose, Glucose, Mamose, Galactose, Arabinose, Acetyle, Uronsäuren, etc. Die Erfindung ermöglicht weiterhin Reaktoren herzustellen zum Aufschluss von Mineralien, wie Ilmenit, Anatas, Columbit, Pyrochlor, Zirkon, etc.

Beschreibung des Standes der Technik

Chemische Reaktoren sind Vorrichtungen, die durch eine Vielfalt von Verfahren zum Transformieren von Materialien definiert sind, wie chemische, metallurgische, thermische, biotechnische, pharmazeutische Materialien, etc. Reaktoren sind über drei Kriterien klassifiziert:

  • a) Klassifikation gemäß den Behältern und Flüssen: 1.) Batch-Reaktor; 2.) halbkontinuierlicher Reaktor; 3.) Reaktorbehälter mit kontinuierlichem Mischer – (continous mixing tank reactor, RTMC); 4.) RTMC in Reihe geschaltet; 5.) Rohrreaktor; und 6.) Umlaufreaktor.
  • b) Klassifikation gemäß existierenden Phasen: 1.) Reaktoren für Gasphasen; 2.) Reaktoren für flüssige Phasen; 3.) Reaktoren für flüssige und Gasphasen; 4.) Reaktoren mit festen Katalysatoren; 5.) nicht-katalytische Reaktoren einbeziehend Feststoffe (Gasfeststoff, Flüssigfeststoff und Reaktionen von Gasphasen; 6.) Reaktoren für elektrochemische Verfahren; 7.) Reaktoren für biologische Verfahren; 8.) Reaktoren für photochemische und radiochemische Verfahren. Die nicht-katalytischen Gas-Feststoff- und Flüssig-Feststoff-Reaktoren mit welchen im Wege eines Beispiels der Reaktor dieser Erfindung verglichen werden sollte, sind unten aufgelistet.
  • b.1) nicht-katalytischer Gas-Feststoffreaktor: Retorte (Turm-Typ-Reaktor), Bewegtbettreaktor, Mehrfachbettreaktor, Rotationsofenreaktor, Wirbelschichtreaktor, Umlaufreaktor, Staubkalzinierer (Staubsprühung).
  • b.2) nicht-katalytische Flüssig-Feststoff-Reaktoren: Behälter mit Mischer (Batch, halbkontinuierlich, Kaskade – Prozentsatz der Feststoffe begrenzt durch die Leistung des Mischers), Behälter mit Kreislauf der Flüssigkeiten, rotierende Trommel, Wirbelschicht, Knetmaschine, Tauchpresse-Typ-Reaktor (engl. immersion press type reactor), Förderschnecke (helical conveyor), Wiege-Typ-Reaktor, Rotationsofenreaktor.
  • c) Klassifikation gemäß der Bewegungsbedingung der Feststoffe dargestellt in Tabelle 1. Der Reaktor dieser Erfindung tendiert zu den Merkmalen eines Wirbelschichtreaktors, aber beweglich, mit den folgenden Werten: Reaktionsvorrichtung (Behälter), Bewegung der Feststoffe (durch Schwerkraft), Gas/Flüssig-Feststofffluss (Gegenstrom), Partikeldurchmesser (mm bis cm), Retentionszeit der Feststoffe (Minuten), Retentionszeit des Gases (Sekunden), Wärme- und Stofftransportrate (hoch), Temperaturkontrolle (gut), Ausbeute bezüglich Volumen und Zeit (hoch).

Eine anderes wichtiges Merkmal von Reaktoren sind die Materialien, die zu ihrer Herstellung verwendet werden. Tabelle 2 gibt die Grundmaterialien mit ihren jeweiligen Vorteilen und Nachteilen für hochkorrosive Bedingungen an. Die Strukturmaterialien und diejenigen, die gegen Korrosion beständig sind, sogar wenn sie für die Herstellung von Reaktoren verwendet werden, stellen jeweils einen einzelnen Nachteil dar, welchen diese Erfindung durch Herstellen des Reaktors mit einer Hülle und Struktur, die aus Kohlenstoff-Stahl und einem Mantel aus speziellen Materialien (feuerfest, Superlegierungen, rostfreier Stahl und Kunststoffe, etc.) besteht, eliminiert.

Genauer sind die wesentlichen Biomasse-Reaktoren von den folgenden Typen: Schraub(niedriger Prozentsatz an Volumenbelegung), Turm- (hohes L/S – Flüssig-Feststoffverhältnis (engl. liquid-solid ratio)), Behälter-/Perkolation- (hohes L/S-Verhältnis und ideale Strömung (hohes L/S-Verhältnis). Alle diese Typen von Reaktor haben komplexe Biomassenzuführer- und -auslaufsysteme. Diese Erfindung verdichtet die Biomasse im Reaktor (hohe Rate an Volumenbelegung des Reaktors), verarbeitet die Biomasse mit einem niedrigen L/S-Verhältnis = 2, stellt eine Zufuhr mit einem einfachen schraubenförmigen Zuführer und einen unmittelbaren Auslass zur Verfügung, aufgrund der Tatsache, dass der Reaktor eine große Abdeckung hat und in Reaktoren kleiner Größe und mittlerer Größe geteilt werden kann.

Ein Nachteil der Reaktoren des Standes der Technik ist, dass sie zu Implosion neigen, aufgrund der Tatsache, dass ihre Konstruktion keine perfekte Zusammenpassung (engl. juxtaposition) zwischen der Hülle und dem Mantel erlaubt, und dass es ein Vakuum im Reaktor gibt, welches in den meisten Fällen durch Kondensation von Dampf verursacht wird. Diese Erfindung verhindert die Implosion durch ein Vakuum, das zwischen dem Mantel und der Hülle gehalten wird, so dass es ihnen ermöglicht wird, ordentlich zusammengepasst zu sein.

Ein weiterer Nachteil der herkömmlichen Reaktoren ist die Unmöglichkeit kontinuierlich und präzise eine Mikroleckage im Mantel zu detektieren. Diese Erfindung erlaubt die präzise Detektion von Mikroleckage vor dem Auftreten von Leckage von korrosiven Flüssigkeiten in die Stahlhülle des Reaktors. Dies erlaubt, dass der Reaktor durch sein angemessenes Programmieren von ihm, sogar mit Mikroschäden weiter verwendet wird.

Die Reaktoren, die in hochgradig korrosiven Anwendungen verwendet werden, verwenden keinen Kohlenstoff-Stahl in der Hülle und tendieren dazu, aus teuren, monolithischen Materialien hergestellt zu sein. Durch Ermöglichen des Nachweises von Mikroleckagen, detektiert diese Erfindung die Bedingungen für beschleunigte Korrosion des mikrobondierten Kohlenstoffstahls, und diese Detektion erleichtert die Verwendung davon, welche eine signifikante Reduktion in den Kosten der Herstellung des Reaktors herbeiführt.

Die Reaktoren des Standes der Technik werden aus dicken Materialien gebaut, um eine größere Beständigkeit gegen Korrosion zu erreichen. Daher hat manchmal die Dicke des Metalls in der Konstruktion der Reaktoren ein direktes Verhältnis zur Sicherheit, und die Verwendung von sehr dicken Platten macht ihren Transport in Gebiete, in denen es Rohmaterial für ihre Verwendung gibt, unmöglich. Der Reaktor dieser Erfindung stellt eine perfekte Kontrolle zur Detektion von Schäden bereit und erlaubt es, dass leichtere Materialien verwendet werden, welches das Gesamtgewicht des Reaktors reduziert und folglich seinen Transport erleichtert.

US Pat. 5,338,366 bezieht sich auf ein Verfahren und einen Apparat zur Vorhydrolyse von Biomasse, der, neben anderen Merkmalen, die unterschiedlich zu dieser Erfindung sind, sehr schwer ist und daher in stationärer Position verbleibt, welches es erfordert, dass die Rohbiomasse zu ihm hin transportiert wird. Zusätzlich findet die Vorhydrolyse der Biomasse in verschiedenen Teilen der Ausrüstung statt, welches den Verbrauch an Energie zu ihrer Ausführung erhöht und das Produktionsverfahren teuer macht. Zusätzlich zur Beseitigung dieser Nachteile ermöglicht diese Erfindung eine hohe Konzentration von Zucker in dem Vorhydrolysat, was die Kosten der folgenden Verfahren reduziert, und es ermöglicht, aufgrund des niedrigen Flüssigkeits/Feststoff-Verhältnisses entionisiertes Wasser zu verwenden für die Herstellung eines sauberen katalytischen Cellulignin-Brennstoffes zur Verwendung in Gasturbinen.

US Pat. 5,411,594 beschäftigt sich mit der Hydrolyse von Lignocellulose-Biomasse für die Herstellung einer einzelnen Zuckerlösung und Lignin-Resten. Die gesamte Hydrolyse wird in zwei Schritten (Hemicellulose und Cellulose) in einem kontinuierlichen Reaktor ausgeführt und hat ein L/S-Verhältnis von 5:10 mit einem maximalen Ausstoß von 65 % und aufgrund des hohen L/S-Verhältnisses gibt es ein komplexes Wärmewiedergewinnungssystem. Diese Erfindung führt das gesamte Verfahren aus, da es die Vorhydrolyse von Hemicellulose in einem Batch-Reaktor mit einem L/S-Verhältnis = 2 ausführt und einen Ausstoß von 100 % (maximale Verwendung von Rohmaterial) hat: Wiedergewinnung (Gewinnung, engl. recovery) von Cellulignin 80 % und Vorhydrolysat 20 %. Die Wärmerückgewinnung findet nur statt, wenn das Vorhydrolysat entladen wird, wobei die saure Lösung und das Wasser in dem Heizkessel vorgeheizt werden.

Tabelle 2 – Grundmaterialien die für die Herstellung von Reaktoren verwendet werden

US-A-3 056 664 offenbart einen Apparat zum Umgang mit korrosiven Materialien bei hohen Drücken und Temperaturen. Ein innerer Behälter aus einem Edelmetall oder der Art von Glasware, die als „resin kettle" bekannt ist, wird bereitgestellt, ist aber nicht in der Lage wesentlichem Druck zu widerstehen. Eine doppelwandige, evakuierbare Umhüllung wird bereitgestellt, um den Behälter von den Wänden eines äußeren druckbeständigen Gehäuses, das die Umhüllung und den Behälter umgibt, thermisch zu isolieren.

US-A-4 997 124, auf welchem der Obersatz des vorliegenden Anspruchs 1 basiert, offenbart eine vakuumisolierte, doppelwandige Metallstruktur, welche innere und äußere Hüllen umfasst, die aus einem Metall hergestellt und zusammengeschweißt (engl. seamed together) sind, um eine doppelwandige Struktur auszubilden, mit einem Raum zwischen den Hüllen, wobei der Raum von Luft entleert ist.

Die Erfindung stellt ein Gerät bereit, wie es in Anspruch 1 beansprucht ist. Die Ausführungsform der Erfindung, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, umfasst einen Reaktor oder Heizkessel, der mit einer Technologie gebaut ist, die die Verwendung in hochgradig korrosiven Umgebungen ermöglicht. Die neue Technologie besteht aus dem Einfügen eines Vakuums zwischen der äußeren „Hülle" und dem inneren Mantel, so dass mikrobondierter Kohlenstoff-Stahl für die Hülle und die Struktur des Reaktors verwendet wird, und spezielle Materialien, insbesondere hitzebeständige Metalle (Ti, Zr, Nb, Ta und ihre Legierungen) für den inneren Mantel. Das Vakuum mit dem Mantel aus hitzebeständigem Material erlaubt ferner die Verwendung von hochbeständigem (750 MPa) mikrobondiertem Stahl für die Herstellung der ultraleichten Hülle des „Eierschalen"-Typ-Reaktors, was eine Oszillation bei höheren Frequenzen mit höhergradiger Homogenisierung des Produkts und kürzerer Reaktionszeit davon ermöglicht.

Der zufriedenstellende Vakuum-Level beträgt weniger als 1 mm Hg (1000 &mgr;m), so dass der hitzebeständige Metallmantel keine Implosion erleidet und so dass es möglich ist, einen Heliumleckage-Detektor zu verwenden, der zwischen den Reaktor und die Vakuumpumpe gekoppelt ist, zum Detektieren und Messen von Leckage durch die Mikrorisse der Schweißnähte. Leckage-Raten von 10–4 Ncm3/min. zeigen einen zufriedenstellenden Level an und Leckage-Raten, die 100-mal höher sind (10–2 Ncm3/min.) zeigen an, dass ein Bedarf besteht, die Schweißnahtrisse und solche, die sich während des Betriebs des Reaktors entwickelt haben, zu reparieren. Es ist möglich, den Mantel aus feuerfestem Metall mit hohem Gesamtwert zu erhalten oder vielleicht zu ersetzen zur Wiedergewinnung von diesen Schrottmetallen aufgrund der Herstellung des Kohlenstoffreaktors, die zusammengepasst ist, erhalten durch das Vakuum und ohne Schweißen an die Hülle.

Das Vakuum zwischen der Hülle des Reaktors und dem Mantel erhält den dünnen Mantel aus speziellen Metall, der mit der Stahlhülle zusammengepasst ist, was die Implosion des Reaktors verhindert, sogar wenn es ein Vakuum in ihm, aufgrund der Kondensierung von Dampf oder aus anderen Gründen, gibt. Die Verwendung von Vakuum erlaubt neben anderen Vorteilen auch die kontinuierliche oder intermittierende Detektion von Mikroleckage in dem Mantel des Reaktors durch Injektion von Heliumgas in den Reaktor und Detektieren mit einem Leckdetektor in der Vakuumpumpe.

Aufgrund dieser Eigenschaft wird der Reaktor als „Reaktor vom ausfallsicheren Typ" bezeichnet, mit dessen Hilfe man Mikroleckage in Zeiträumen von Tagen oder Monaten vor dem Auftreten einer Leckage von korrosiven Flüssigkeiten in die Hülle aus Kohlenstoff-Stahl entdeckt und misst. Diese Eigenschaft ermöglicht es einem, den Reaktor sogar mit Mikroschäden zu verwenden und seine Reparatur oder seinen Ersatz nachdem die industrielle Saison oder Aktion beendet worden ist, zu planen (engl. to program). Man sollte die Bedeutung hiervon beachten, die es einem ermöglicht, den Kohlenstoff-Stahl in der Reaktorhülle für hochkorrosive Anwendungen zu verwenden, ohne die eine Leckage und nachfolgende beschleunigte Korrosion des mikrobondierten Kohlenstoff-Stahls nicht erkannt werden würde.

Der dargestellte Apparat erlaubt es, da er leichter ist als diejenigen aus dem Stand der Technik, während seines Hydrolyseverfahrens zu oszillieren, welches es ermöglicht, dass die Grenzschicht der Zucker-gesättigten Flüssigkeit auf der Oberfläche von den Schnitzeln an Biomasse oder partikulärem Material erneuert wird, um so ein homogenes Produkt herbeizuführen. Vorhydrolyse gekoppelt mit Oszillieren und Reinigen des Dampfes sorgt für das Merkmal der katalytischen Verbrennung des Cellulignins.

Die folgenden Merkmale der dargestellten Ausführungsform sind beachtenswert:

Die Verwendung von Kohlenstoff-Stahl in Verfahren, die in hochkorrosiven Medien ausgeführt werden.

Die Fähigkeit, Korrosion des in dem Reaktor verwendeten Kohlenstoff-Stahls zu erkennen.

Die Verhinderung der Implosion des Reaktors, sogar wenn in ihm ein Vakuum besteht.

Detektion von Leckage oder Mikroleckage in Reaktoren.

Die Möglichkeit, Zeitabstände für die Instandhaltung oder Reparatur des Reaktors adäquat zu planen.

Das reduzierte Gewicht des Reaktors und die Möglichkeit, ihn an die Orte zu transportieren, wo die Rohmaterialien vorhanden sind.

Die Reduktion in den Kosten für die Herstellung des Reaktors aufgrund der Möglichkeit, billigere Materialien zu verwenden.

Die Verwendung eines widerstandsfähigeren Stahls als Hülle/äußeren Mantel, um so die Oszillation bei höheren Frequenzen zu ermöglichen, um das Produkt besser zu homogenisieren und seine Reaktionszeit zu verkürzen.

Erfüllen der Anforderungen der CONAMA-Resolution Nr. 20 vom 18. Juni 1986, veröffentlicht in der D.O.U. (Official Gazette) vom 30. Juli 1986, an Waschwasser, was der Erfindung gänzlich ökologische Eigenschaften verleiht.

Lediglich als Beispiel wird nun ein Reaktor beschrieben, der gemäß der Erfindung konstruiert ist, unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen, in welchen:

1 ein Flussdiagramm der Vorhydrolyse von Biomasse mit Massenausgleich zeigt.

2a eine Ausführungsform des Reaktors im Querschnitt und seine Fertigungsdetails zeigt.

2b eine Seitenansicht darstellt, die die Platzierung einer Ausführungsform des Reaktors auf einem Transportkarren zeigt.

2c eine Draufsicht auf eine Ausführungsform des Reaktors mit einem Zuführer ist.

2d eine Rückenansicht einer Ausführungsform des Reaktors auf dem Transportkarren ist.

2e eine Frontalansicht einer Ausführungsform des Reaktors ist, der auf Ständern in dem Biomasselager positioniert ist, zusammen mit dem Cellulignin-Entladekarren.

3e Mikrofotos von Cellulignin (vorhydrolysierter Eukalyptus) zeigt, sowie kristalline Cellulose und in globuläre Form gebrachtes Lignin.

4 eine Graphik ist, die die durchschnittliche spezifische Leistung, die während der Verbrennung eines Cellulignin-Partikels abgestrahlt wird, zeigt.

5 eine Graphik ist, die die elektrische Leitfähigkeit des Verbrennungsplasmas für Gas, Schweröl, Kohle, Teer, und Cellulignin zeigt.

Das Flussdiagramm für die Biomasseverarbeitung ist in 1 gezeigt, wo der dargestellte „Reaktor des ausfallsicheren Typs", der diese Erfindung verkörpert, die Haupteinrichtung ist. Bei der Verarbeitung von Mineralien sind die Schritte ähnlich, nur mit Anpassung der periphären Teile der Einrichtung und einer Einstellung des Massenausgleichs für die jeweilige Art von Mineral. Das Flussdiagramm zeigt die folgende Schritte:

  • 1) Zuführerplattform – über welche die Biomasse (oder das Mineral) entladen wird und gewaschen oder nicht gewaschen wird;
  • 2) Schraubenförmiger Zuführer – verantwortlich für das Zuführen und Kompaktieren der Biomasse in dem Reaktor (auf diese Kompaktierung kann im Falle von Mineralien verzichtet werden);
  • 3) Reaktor der die Erfindung verkörpert, in welchem die Verfahren von Biomassehydrolyse, Mineralienaufschluss oder irgendwelchen anderen chemischen oder thermochemischen Verfahren von irgendwelchen Materialien entwickelt werden;
  • 4) Wärmeaustauscher – welcher drei Funktionen hat, nämlich:

    a) Wiedergewinnung der Wärme während des Auslassens des Vorhydrolysates,

    b) Vorwärmen der Säurelösung, und

    c) Vorwärmen des dampfgenerierenden Wassers in dem Heizkessel;
  • 5) Behälter- oder Waschkarren – in welchem das Cellulignin (oder Mineral) in dem erwünschten Ausmaß gewaschen wird, wobei die Vorwaschlösung als Vorhydrolysat wiedergewonnen wird und die anderen Waschlösungen neutralisiert und in einem Stabilisierungsteich behandelt werden, bevor sie in Flüsse entlassen oder für die Düngung verwendet werden, etc.;
  • 6) Behälter für das Vorhydrolysat, entweder stationär oder auf Karren installiert, – zum Lagern des ersten Produktes;
  • 7) Cellulignin- oder Mineraltrockner – zum Trocknen des zweiten Produktes;
  • 8) Cellulignin- oder Mineralmühle – zum Mahlen des zweiten Produktes;
  • 9) Silo, entweder stationär oder auf Karren installiert – zum Lagern des zweiten Produktes.

Der dargestellte Reaktor definiert eine neue Technologie für das Herstellen von chemischen Reaktoren für Verfahren in hochkorrosiven Umgebungen. 2 stellt einen Reaktor im Detail dar, der gemäß dieser Erfindung gebaut ist und, zusätzlich, alle Komponenten eines gewöhnlichen Reaktors für ein besseres Verständnis zeigt.

Die Bedingungen für innere Korrosion des Reaktors für unterschiedliche Materialien, Temperaturen und Säuregehalt werden in Tabelle 3 gegeben, aus welcher die folgende Schlüsse gezogen werden können: 1) Aufgrund seiner hohen Korrosionsrate kann rostfreier Stahl bei hohen Temperaturen nur für eine sehr kurze Zeitspanne verwendet werden; 2) Es ist möglich, handelübliches Ti für die Bedingungen der Vorhydrolyse von Biomasse (T = 15 °C, 1,5 % H2SO4, 0,62 MPa) zu verwenden, da es ein reaktives Material ist und es durch die in der Hydrolyse selbst erzeugten Zucker passiviert wird; 3) für die Bedingungen der vollständigen Hydrolyse von Biomasse (T = 190 °C, 1,5 % H2SO4, 2.8 MPa) ist es notwendig, NbTi-Legierungen (Beispiel: Nb 44 % Ti) mit einem Schmelzpunkt von T = 1.830 °C zu verwenden, was ein leichteres Schweißen erlaubt als reines Nb, welches einen Schmelzpunkt von T = 2.500 °C hat; 4) für die Bedingungen des Aufschlusses von Mineralien (T = 150 °C, 60 % H2SO4, P = 0.6 MPa) ist es notwendig, eine Nb 40 % Ta-Legierung zu verwenden, deren Korrosionsrate in der Größenordnung von 100 mm/Jahr liegt. Oberhalb 40 % Ta werden die Legierungen sehr teuer aufgrund der Notwendigkeit Thantalit-Mineral anstelle von Columbit in der Herstellung der NbTa-Legierung zu verwenden.

Tabelle 3 – Korrosionsdaten für die Bedingungen von Vorhydrolyse, Hydrolyse von Biomasse und den Auffschluss von Mineralien (mm/Jahr)

Die Details von 2 zeigen das Verfahren des Verschweißens des feuerfesten Metallmantels in situ und zusammengepasst mit der Hülle des Kohlenstoffreaktors, ohne dass der letztere schmilzt oder das feuerfeste Metall kontaminiert. Schutzringe oder Platten aus demselben Metall wie der Mantel werden auf den Schweißnähten der Teile und Ränder platziert. Das Verschweißen wird durch Plasma unter Inertgasschutz (Helium oder Argon) ausgeführt, welches Zwischenraum-Level (C, O, N, H) innerhalb der Normen des Ausgangsmaterials garantiert. Im Hinblick auf die metallurgischen Eigenschaften gibt es ein Wachstum von Körnern in den Schweißzonen, welches die Stärke, im Wesentlichen die Ermüdungsstärke, mindert. Diese Minderung ist hinnehmbar, da der Mantel in einem Druckregime arbeitet und es eine Verstärkung in dem Mantel in Regionen unter Zug-Regime gibt. Die Konstruktion des Reaktors, der eine zweiteilige Struktur mit einer leichten Konizität bei den zylindrischen Teilen zeigt, erlaubt es, dass ein großer Teil der Schweißungen außerhalb der Kohlenstoff-Stahlhülle ausgeführt werden kann und lediglich die Verbindungen zwischen den großen Teilen und den Rändern in situ verschweißt werden. Aufgrund der Leichtigkeit ihn auseinanderzunehmen ist es auch möglich, signifikante Teile des Mantels wiederzugewinnen, sofern es nötig ist, ihn zu ersetzen, was auf diese Weise einen Teil seiner Kosten als Schrott von hohem Wert wiedergewinnt. Die speziellen Metalle ermöglichen die Verwendung von anderen Säuren zusätzlich zu H2SO4 (HCl, HNO3, etc.), vorausgesetzt, dass der wirksame pH ähnlich ist zu den Werten der Lösungen von Tabelle 3.

Ein anderes beachtenswertes Merkmal ist die Verwendung von Elastomer-Ringen (Voton, Silicon, Teflon, und andere), die einen kreisförmigen oder trapezförmigen Querschnitt haben, auf allen Abdeckungen, Verbindungen und der Vakuumdichtung im Mantel. Das Festlegen der Größe der Dichtungsringe folgt den Standards für Druck und Vakuumdichtung. Der Typ von Ring wird in Abhängigkeit von der Temperatur gewählt. Wenn Mineralien oder Biomasse verarbeitet werden, beträgt die Temperatur üblicherweise um 200 °C und der gewählte Ring wird aus Viton hergestellt. Auf der anderen Seite sollte der Ring bei durchschnittlichen Temperaturen aus Teflon/Glasfaser/Kohlenstoff-Faser sein, wobei für hohe Temperaturen der metallische Ring der am meisten empfohlene ist.

Zusätzlich zu Biomasse und Mineralien ist es möglich, jegliche Art von Material in dem „Reaktor des ausfallsicheren Typs" zu verwenden (Polymerisation, Nahrungsmittel, Medikamente, Synthese solcher Produkte, etc.), vorausgesetzt, dass die Bedingungen für die Korrosion des Mantels berücksichtigt werden. Unter sehr aggressiven Bedingungen verwendet man Ta, entweder rein oder mit Platin dotiert. Unter weniger aggressiven Bedingungen erlaubt die „ausfallsichere" Technik die Verwendung von edlen Mänteln niedrigerer Qualität, erwähnt in Tabelle 2 (rostfreie Materialien, Nickellegierungen, Thermoplaste, Elastomere, verstärktes wärmeausgehärtetes Plastik, etc.), vorausgesetzt, dass die Bedingungen von Temperatur, Druck, Korrosion, Abrieb und Stärke des Materials beachtet werden.

Die äußeren Bedingungen für die Korrosion von Kohlenstoff-Stahl sind im Augenblick des Auslassens der Produkte (Cellulignin, Mineralien, etc.) aggressiver. Die Dämpfe wurden im Augenblick des Auslassens kondensiert, ihr pH wurde gemessen und verschiedene Stähle, die mit bitumenartiger Epoxidfarbe lackiert waren, wurden getestet.

Tabelle 4 gibt einen Vergleich der Kosten pro m2 für die Reaktoren an, die mit Ti, Nb ummantelt waren und für monolithische, die aus rostfreiem Stahl und Hastelloy hergestellt sind. Zusätzlich zur technischen Überlegenheit haben sie niedrigere Kosten als die monolithischen Reaktoren.

Tabelle 4 – Kosten der Materialien, die für die Konstruktion des Reaktors/m2 verwendet werden.

Die Hauptmerkmale sind in 2 gezeigt und Tabelle 5 gibt eine Bezugszeichenliste der Teile und Komponenten des Reaktors und des Zuführers an.

Der Reaktorkörper ist hergestellt aus dem zylindrischen Teil 1.1, dem Deckel 1.2, der Einlassdüse 1.3, der Einlassabdeckung 1.4, dem konischen Abschnitt 1.5, dem kreisförmigen oder radialen Gleitring mit Keilen oder Nadeln 1.6, der Auslaufabdeckung mit Träger für die Keile 1.7, den Ventilverbindungen, Messuhren, Zusatzteilen, etc. 1.8, dem Scharnier 1.9, dem Gelenk und Hydraulikzylinder zum Schließen der Abdeckung 1.10, dem hydraulischen Zylinder zum Schließen und Öffnen der Keile 1.11. Die Zweiteiligkeit des Reaktors ist im Detailausschnitt A dargestellt, welches das Zusammensetzen und Auseinandernehmen des Mantels aus speziellem Metall ohne Schweißen oder Aufschweißen der Stahlhülle des Reaktors ermöglicht. Bei kleinen Reaktoren wird die Abdeckung für die Zweiteilung verschoben (engl. displaced), wobei der konische Sektor eliminiert ist (bei sehr kleinen Reaktoren können die Hülle und der Mantel nur durch Zusammenpassen ohne die Notwendigkeit des Schweißens zusammengepasst werden). Der zylindrische Körper ist leicht konisch, um das Zusammensetzen und Auseinandernehmen des Mantels zu erleichtern. Der letztere ist geschweißt, zum großen Teil vor dem Zusammensetzen, die Teile, die in den Detailausschnitten A – F gezeigt sind, bleiben innerhalb der Reaktorhülle zu schweißen. Diese Technologie ist grundlegend, um die Schweißung nahe an dem Stahlkörper des Reaktors (Schmelzpunkt von 1760 °) der speziellen Metalle, die einen hohen Schmelzpunkt (1800 °C – 3100 °C) haben, zu ermöglichen, wodurch ihre Kontamination mit Fe verhindert wird. Das Öffnen und Schließen der Abdeckung wird mit Hilfe von zwei hydraulischen Systemen erreicht, wobei das erste die Keile des Reaktors für die Unterstützung des Innendruckes steuert, was den eingesperrten Druck des Dichtungsringes (o-Ringes) aus Viton der Säurelösungen erhält. Dieser Dichtungsring ermöglicht das wiederholte Öffnen und Schließen während der Bedienungen über Monate oder Jahre.

Das Kippsystem ist hergesellt aus der Struktur 1.12, dem Angelpunkt 1.13 und dem Hydraulikzylinder 1.14. Der letztere wird verwendet, um den Reaktor während des Betriebs des Auslassens des Cellulignins zu kippen und zu schütteln, da es ein Feststoff ist. Das horizontale Bewegungssystem besteht aus einem Karren 1.15 und einem Hydraulikzylinder 1.16. Alternativ kann der Reaktor fixiert sein und der Zuführer kann horizontal bewegt werden. Die fixierte Struktur 1.17 trägt den Reaktor und den Zuführer, und auf diese Weise kann der Reaktor von dem Karren auf die Trägerstützen getrennt werden (siehe 2.d). Das Drehoszillationssystem besteht aus der Kette 1.18 und dem hydraulischen Motor 1.19, der durch die Mikroschalter 1.20 gesteuert wird, welche die Rotation bei vorbestimmten Winkeln umkehren. Die Sicherheit des Drehoszillationssystems ist durch die Länge der Kette gegeben, welche von dem Getriebe des Hydraulikmotors herunterfällt, wenn die Mikroschalter ausfallen.

Der Spezialmetall-Mantel 2.1 und 2.2 wird gemäß den Detailausschnitten A – F hergestellt. Die Hauptbeanspruchungen auf dem Mantel entstehen an der Einlassdüse zu dem Zeitpunkt des Beladens des Reaktors und auf dem zylindrischen Körper aufgrund der Bewegung des Drehoszillationssystems. Die Belastungen sind niedrig und die Lebensdauer des Mantels (länger als 10 Jahre) wird durch Ermüdungsausfall bestimmt. Die Dichtungen sind aus einem Elastomerring auf der Auslassabdeckung 2.3 in der Zweiteilung 2.4, zwischen dem Mantel und der Reaktorhülle 2.5 hergestellt. Der Schutz gegen das Schmelzen des Stahls und die Kontamination der Schweißung aus feuerfestem Metall mit Fe wird durch Opferringe aus feuerfestem Metall 2.6 erreicht.

Der Reaktor hat Verbindungen und Ventile für den Eintritt von Wasser und Säurelösung 3.1, den Eintritt von Dampf 3.2, den Austritt von Dampf 3.3, Vakuum in dem Reaktorkörper 3.4.1, in dem konischen Sektor 3.4.2, in der Abdeckung 3.4.3, zum Auslass von Hydrolysat 3.5, ein Ventil zum Sammeln des Vorhydrolysates für die Analyse 3.6. Der Eintritt von Dämpfen befindet sich am unteren Teil und sie werden durch ein perforiertes Rohr (Siebrohr) verteilt. Der Eintritt von Flüssigkeit (Wasser oder Säurelösung) befindet sich im oberen Teil. Wie man leicht erkennt, stellen die Einlässe für Flüssigkeiten und Dämpfe kein Problem des Verstopfens dar. Der Dampfauslass befindet sich im oberen Teil durch eine perforierte Rohrleitung und der Auslass für das Hydrolysat befindet sich im unteren Teil am konischen Abschnitt, welcher durch ein Siebblech innerhalb des Reaktors geschützt ist, um eine Verstopfung zu vermeiden. Eine gelegentliche Dampfrückführung ist auf der Platte vorgesehen sowie ein Siebrohr zum Entfernen von Verstopfung des Dampfauslasses durch ein Bypass-Ventil zwischen dem Dampfeinlass und -auslass, hinter dem flexiblen Rohr zum Eintritt von Dampf 3.7 und 3.8. Alternativ kann man einen drehbaren Kratzer für die Siebbleche verwenden. Die Verbindungen und Ventile sind an die Einlassträger der flexiblen Rotationsrohre 4 mit festen Rohrleitungen verbunden.

Die flexiblen Rotationsrohre 5 sind aus verschiedenen Einheiten gebildet: Wasser- und Säurelösungseinlass 5.1, Dampfeinlass 5.2, Dampfauslass 5.3, Vakuum 5.4 und andere. Die maximale erlaubte Rotation beträgt = ± 45 °C, so dass keine Flüssigkeit durch den Dampfauslass fließt. Der Level der Säurelösung wird unterhalb der Wasserlinie gehalten (2.d), so dass keine Flüssigkeit ausfließt. Im Falle, dass sich der Dampfauslass unterhalb der Flüssigkeitslinie befindet, greift man auf elektrische Steuerbefehle des Dampfauslassventils 3.3 zurück, um es zu schließen, wann immer die Flüssigkeitsgrenzlinie überschritten wird. Im allgemeinen sind diese elektrischen Steuerkommandos unnötig, da die Oszillationsdrehung von 45° ausreichend ist, um die gesamte Biomasse zu durchnässen, die Flüssigkeit und die Festkörper zu homogenisieren und bevorzugte Wege in der Hydrolyse zu vermeiden. Die Unterstützungen der Auslässe der flexiblen Rotationsrohre 6 sind im oberen Teil des Reaktors platziert.

Die Zwischenrohrleitung 7 ist aus den gleichen Komponenten wie die flexiblen Rotationsrohre 7.17.4 gebildet und verbindet die Auslässe der flexiblen Rotationsrohre mit den Einlässen der flexiblen Kipprohre.

Die flexiblen Kipprohre 8 sind aus den gleichen Komponenten wie die Zwischenrohrleitungen 8.18.4 gebildet und sind so gestaltet, dass sie es einem ermöglichen, den Reaktor mit seiner Stützstruktur zum Auslassen des Cellulignins zu kippen. Die Auslässe der flexiblen Kipprohre sind mit den fixierten Rohrleitungen 9.19.4 verbunden. Die letzteren verbinden die flexiblen Kipprohre mit dem Satz von Ventilrohrleitungen 9.5, welches auf dem Steuerpult, das sich unter dem Zuführer 16 befindet, installiert ist.

Die Vakuumsensoren 10 sind aus vier Einheiten gebildet: Reaktorkörper 10.1, konischer Abschnitt 10.2, Reaktorabdeckung 10.3 und die Rohrleitungen der Vakuumpumpe 10.4. Das Schließen der entsprechenden Ventile und die Beobachtung des Abfallens des Vakuums ermöglicht es einem, eine mögliche Leckage in den Spezialmetallmantel zu bestimmen.

Der Druckmesser 11 ist vom Membran-Typ, um sauren Medien zu widerstehen, und der Temperaturmesser 12 wird durch eine Schutzwelle aus demselben Material wie der Mantel geschützt.

Das Hydrauliksystem 13 betreibt die folgenden Einheiten in dieser Abfolge: hydraulischer Motor des schraubenförmigen Zuführers 14.1, Bewegungshydraulikzylinder 1.16, Hydraulikzylinder der schließenden Abdeckung 1.10, Hydraulikmotor des Oszillationsrotationssystems 1.19, hydraulischer Kippzylinder 1.14, Hydraulikzylinder zum Öffnen der Keile 1.11. Man beachte bitte, dass es keine Gleichzeitigkeit von irgendeinem Betrieb gibt, und dass die höhere Leistung sich durchsetzt, welche diejenige des Hydraulikmotors des schraubenförmigen Zuführers 14.1 ist.

Der Zuführer ist hergestellt aus dem Hydraulikmotor 14.1, einer Halbachse des Propellers 14.2, dem Zuführerpropeller 14.3, dem Zuführergestell 14.4, einer konischen Düse des Zuführers 14.5 und einem Aufsatz 14.6. Der Zuführer sollte den Reaktor in einer Zeit von 10 Minuten füllen. Er ist aus mikrobondiertem Kohlenstoff-Stahl hergestellt, geschützt mit Bitumen-Epoxidfarbe. Der Raum unterhalb des Zuführers wird durch das Steuerpult 16 (Flüssigkeiten, Dämpfe, Messgeräte, elektrisches System, etc.) belegt sowie durch ein Hydrauliksystem 13, eine Vakuumpumpe 15, einen Leckagedetektor 17, Arbeitsgeräte und Arbeitsmittel, etc.

Die fixierte Struktur des Reaktors und des Zuführers finden in einem Standardkarren Platz mit einer Plattform, die sich 960 mm vom Boden 18 entfernt befindet, einer maximalen Höhe der niedrigeren Ausrüstung von 4400 mm und innerhalb der Straßenstandards. Die Ausrüstung wird zu den Biomasseorten transportiert, wo sie mit Hydraulikhebern gehoben wird und auf Balken und Stützen in der erwünschten Verarbeitungshöhe gehalten wird (2.e). Alternativ kann sie auf dem Transportkarren selbst betrieben werden.

Die ergänzenden Ausrüstungsteile des Reaktors sind: Wärmeaustauscher 19, Druckpumpe 20.1 und Auslass für saure Lösung 20.2, Wasser-Entionisierer 21, Heizkessel 22 und Trägerstruktur 23. Die letztere wird auf Standardkarren in der gleichen Weise transportiert, hochgehoben und getragen wie vorher erläutert.

Table 5 – Legende zu den Reaktor- und Zuführer-Teilen A – Erste Struktur (erster Karren) 1Reaktorhülle und -struktur 1.1zylindrischer Körper 1.2Deckel 1.3Einlassdüse 1.4Einlassabdeckung 1.4.1Abdeckung 1.4.2Hydraulikzylinder 1.5konischer Abschnitt 1.6Gleitring mit Keilen 1.7Auslaufabdeckung mit Träger für die Keile 1.8Verbindungen 1.9Scharnier 1.10Gelenke und Hydraulikzylinder – Abdeckungsöffner 1.11Hydraulikzylinder zum Schließen/Öffnen der Keile 1.12Kippstruktur 1.13Kippangelpunkt 1.14Hydraulikzylinder zum Kippen 1.15Transportwagen 1.16Hydraulikzylinder für horizontale Bewegung 1.17feste Struktur für Reaktor und Zuführer 1.18Kette des oszillierenden Rotationssystems 1.19Hydraulikmotor des oszillierenden Rotationssystems 1.20Mikroschalter 2Mantel aus Metallen und speziellen Legierungen 2.1Reaktorkörper 2.2Flansche 2.3Dichtungsring der Auslaufabdeckung (O-Ring) 2.4Dichtungsring der Zweiteilung (O-Ring) 2.5Vakuum-Dichtungsring zwischen Hülle und Mantel 2.6Ti-Ring zum Schutz gegen Fe-Kontamination in der Ti-Schweißung 3Verbindungen und Ventile für Wasser, saure Lösung, Dampf, Vakuum und Vorhydrolysat 3.1Einlass für Wasser und saure Lösung 3.2Dampfeinlass 3.3Dampfauslass 3.4Vakuum 3.4.1Vakuum im Reaktorkörper 3.4.2Vakuum im konischen Abschnitt 3.4.3Vakuum in der Reaktorabdeckung 3.4.4Vakuum in der Vakuumpumpe 3.5Auslauf des Vorhydrolysates 3.6Ventil zum Sammeln des Vorhydrolysates zur Analyse 3.7Dampfrückfuhrventil im Siebblech des Vorhydrolysat-Auslaufrohres 3.8Dampfrückfuhrventil im Siebrohr des Dampfauslasses 4Einlassträger der flexiblen Rotationsrohre 5flexible Rohre für Rotation 5.1Einlass für Wasser und saure Lösung 5.2Dampfeinlass 5.3Dampfauslass 5.4Vakuum 6Träger für den Auslass der flexiblen Rohre 7Zwischenrohr 7.1Einlass für Wasser und saure Lösung 7.2Dampfeinlass 7.3Dampfauslass 7.4Vakuum 8flexible Rohre zum Kippen 8.1Einlass für Dampf und saure Lösung 8.2Dampfeinlass 8.3Dampfauslass 8.4Vakuum 9Rohrleitungen und Ventile für Wasser, saure Lösung, Dampf und Vakuum 9.1Einlass für Dampf und saure Lösung 9.2Dampfeinlass 9.3Dampfauslass 9.4Vakuum 9.5Ventil- und Rohrleitungsaufbau 10Sensoren 10.1im Reaktorkörper 10.2im konischen Abschnitt 10.3in der Reaktorabdeckung 10.4in der Vakuumpumpe 11Druckmesser 12Temperaturmesser 13Hydrauliksysteme 14Zuführer 14.1Hydraulikmotor 14.2Propellerhalbwelle 14.3Zuführerpropeller 14.4Gestell des Zuführers 14.5Düse des konischen Zuführers 14.6Aufsatz 15Vakuumpumpe 16Steuerpult (Flüssigkeiten, Dämpfe, Messuhren, elektrische Systeme, etc.) 17Leckage-Detektor 18Wagen – Kapazität 30t B – zweite Struktur (zweiter Wagen – Abbildungen nicht enthalten) 19Wärmeaustauscher 20Druckpumpe (20.1) für Wasser und saure Lösung (20.2) 21Wasser-Entionisierer 22Heizkessel 23Trägerstruktur für Bauteile 19 bis 22 Verarbeiten der Torhydrolyse von Biomasse und der resultierenden Produkte

Die Torhydrolyse kann in jeder Art von Biomasse ausgeführt werden, wie z.B. Holz und Zuckerrohr-Bagasse und Stroh, Gemüserückstände, Rinden, Gras, organische Teile von Abfall, etc. Das Vorhydrolyseverfahren folgt den folgenden Schritten:

  • 1-Die Biomasse wird in zerhackter Form auf die Zuführerplattform entladen, welche aus einem Förderband oder einem geneigten schraubenförmigen Zuführer gebildet sein kann, wo die Biomasse gewaschen wird, um den anorganischen Anteil (Erde, Aschen, etc.) zu verringern.
  • 2-Die Zuführerplattform entlädt die Biomasse in den schraubenförmigen Zuführer, welcher den Reaktor bis zum Beginn der Kompaktierung füllt, wobei eine Dichte von 300 kg/m3 (Trockenmasse) erreicht wird, welches dreimal der Dichte von weicher Biomasse (Bagasse, Stroh, Gras, Gemüserückstände, Rinden, organischer Anteil von Abfall) entspricht. Der Zuführer bleibt mit dem Reaktor während des Füllungsbetriebs, welcher etwa 10 Minuten dauert, verbunden. Nachdem der Reaktor gefüllt worden ist, wird er von dem Zuführer durch eine horizontale Bewegung der beweglichen Struktur in Bezug auf die fixierte Struktur abgekoppelt. Nach dem Abkoppeln wird die Einlassdüse durch ein Ventil, das durch Hydraulikzylinder gesteuert wird, geschlossen.
  • 3-Nachdem der Reaktor gefüllt worden ist, beginnt der Entgasungsbetrieb durch Einlassen von Dampf, Fluten des Reaktors mit einer Säurelösung (in der Größenordnung von 1,7 % der Biomasse), vorgeheizt auf bis zu 80 °C im Wärmeaustauscher und in dem Flüssigkeits/Feststoffverhältnis – L/S = 2, Heizen und mit Druck beaufschlagen bis zu 160 °C, 0,62 MPa. Diese Tätigkeit hat eine Dauer von 10 Minuten und die Wärme aus dem ausströmenden Dampf wird in dem Wärmeaustauscher durch die Säurelösung der nächsten Reaktion wiedergewonnen. Um diese Wärmewiedergewinnung auszuführen, wird die Größe des Wärmeaustauschers üblicherweise auf zweimal das Volumen der Säurelösung, die für jede Reaktion benötigt wird, festgelegt.
  • 4-Nach Heizen und mit Druck beaufschlagen wird die Vorhydrolyse für einen Zeitraum von 30 Minuten simultan mit der rotierenden Oszillation des Reaktors und Reinigung des Dampfes ausgeführt, um die Temperatur bei nahe 160 °C ± 10 °C zu halten, welches entscheiden ist, um die Eigenschaft einer katalytischen Verbrennung von Cellulignin zu erreichen, da niedrigere Temperaturen die Hemicellulose und die amorphe Cellulose nicht vollständig hydrolysieren und höhere Temperaturen die Umwandlung von kristalliner Cellulose in amorphe Cellulose verursachen, wodurch es schwierig gemacht wird, sie in feine Partikel (f < 250 mm) zu zermahlen. Es sollte die Wichtigkeit der flexiblen Verbindungen beachtet werden, um die Temperatur während der gesamten Zeit der Hydrolyse und der Oszillation des Reaktors beizubehalten, um die Grenzschicht der Flüssigkeit, die mit Zucker gesättigt ist auf der Oberfläche der Schnitzel oder Partikel von Biomasse zu erhalten, wodurch die Hydrolysezeit auf etwa 20–30 Minuten optimiert wird. Die Steuerung der Vorhydrolyse wird durchgeführt durch Verfolgen des Zuckergehalts in dem Vorhydrolysat mit Hilfe eines Refraktometers oder irgendeines anderen Zuckermessgerätes bis zu einem Wert von 9 Brix. Längere Zeiträume der Vorhydrolyse resultieren in einem Abfallen des Zuckergehaltes aufgrund des Zerfalls der Xylose in Furfural und Furfurylalkohol. Die vollständige Kontrolle von Temperatur, Druck, Säuregehalt, Oszillation (Homogenisation) und Reinheit des Dampfes erlaubt eine vollständige Optimierung des Vorhydrolyseverfahrens.
  • 5-Nach der Vorhydrolyse beginnt der Betrieb des Entladens des Vorhydrolysates (Zuckerlösung), welcher auf den stationären Behälter oder Behälter-Karren durch den Wärmeaustauscher gerichtet ist, wodurch seine Energie in dem Vorwärmen der Säurelösung und im Heizkesselwasser wiedergewonnen wird. Die Wiedergewinnung der Wärme aus dem Vorhydrolysat aus dem ausströmenden Dampf (Heizen und Reinigen) und die Verwendung eines niedrigen Flüssigkeits/Feststoffverhältnisses (liquid/solid ratio, L/S = 2) erlaubt es einem, den Verbrauch von Energie bei dieser Erfindung auf Werte von weniger als 6 % der Energie, die in der Ausgangsbiomasse enthalten ist, zu reduzieren. Diese Werte sind deutlich niedriger als die in irgendeiner anderen Biomasseverarbeitung, welche in den meisten Fällen in der Größenordnung von 30 % (Verhältnis L/S = 12) liegen. Der Betrieb des Entladens des Hydrolysats dauert etwa 10 Minuten.
  • 6-Nach dem Entladen des Vorhydrolysates wird die Zuckerwiedergewinnung im Verhältnis L/S = 1 ausgeführt, wobei auf ein Brix > 5 abgezielt wird. Die zweite Fraktion aus dem Vorhydrolysat kann oder kann auch nicht mit der ersten Fraktion (Brix > 9) gemischt werden. Im allgemeinen sollte die erste Fraktion für die Herstellung von Furfural vorgesehen werden (höchste mögliche Konzentration von Zucker) und die zweite Fraktion für die Herstellung von Alkohol (zum Beispiel durch Fermentation mit manipuliertem escherichia coli). Man beachte, dass die zweite Fraktion (5×1S)/(9×1,5S+5×1S) = 0.27 = 27 % des Zuckers enthält, der in den zwei Fraktionen enthalten ist und nicht verloren werden kann. Weiterhin sollte beachtet werden, dass die zwei Fraktionen insgesamt (0,09×1,5S+0,05×1S)/0,25 = 0,925 S = 92,5 % des Zuckers ergeben, der in der Hemicellulose und der amorphen Cellulose enthalten ist. Aufgrund der hohen Wiedergewinnungsrate besteht kein Bedarf für komplexe und teure Verwendung der Zucker aus dem Waschwasser, welches verworfen wird. Diese Erfindung macht die Verwendung von teuren Schraubenpressen zum Extrahieren des Vorhydrolysates und Wiedergewinnen der Zucker überflüssig. Die Zeit für die Zuckerwiedergewinnung liegt in der Größenordnung von 10 Minuten.
  • 7-Nach dem Wiedergewinnen des Zuckers wird das Entladen des Cellulignins durch Öffnen der großen Abdeckung und Kippen des Reaktors bewirkt. Das Cellulignin kann in mechanische Wascher (konische, zylindrische, rotierende Behälter, etc.) entladen werden oder auf Karren, um durch Percolation (Diffusion) gewaschen zu werden. Das Entladen findet in wenigen Minuten statt und es benötigt weniger als 10 Minuten zusammen mit dem Reinigen der Dichtungsringe und der Wiedergewinnung des Reaktors in einer Entladeposition. Der komplette Zyklus dauert etwa 80 Minuten, was 16 Reaktionen pro Tag ermöglicht, mit einem Benutzungsgrad der Maschine von 90 %.
  • 8-Die Waschoperationen können in jeder Art von Wäscher ausgeführt werden. Vorzug wird dem Waschen durch Percolation (Diffusion) auf Karren oder großen Beuteln (engl. big-bags) gegeben, welche einen niedrigeren Verbrauch von Wasser ergeben, was das Cellulignin von Verunreinigungen geschützt hält und es das Entladen auf große Karren (engl. bulk carts) erlaubt. Die Waschwasser erfüllen die Anforderungen der CONAMA-Resolution Nr. 20 vom 18. Juni 1986 (publiziert in der D.O.U. vom 30. Juli 1996 (Brazilian Official Gazette) und können im Prinzip in jeden Wasserlauf entlassen werden. Im Hinblick darauf, der Erfindung vollständig ökologische Eigenschaften zu verleihen, werden die Waschwasser mit Kalkmilch neutralisiert und durch Sterilisationsteiche biologisch behandelt.
  • 9-Es gibt zwei Waschoptionen in dieser Erfindung, nämlich die mit normalen Wasser und mit entionisiertem Wasser. Mit dem ersten Wasser erhält man normales Cellulignin mit normalen Aschengehalt resultierend aus den anorganischen Materialien, die in der Biomasse vorhanden sind und Verunreinigungen aus der Umgebung (hauptsächlich Erde). Das Waschen mit entionisiertem Wasser zielt darauf ab, reines Cellulignin zu erhalten, das als Brennstoff für Gasturbinen verwendet werden kann, deren größte Anforderung der niedrige Anteil von K + Na < 5 ppm ist. Das Vorhydrolyseverfahren ist ein hocheffizientes Verfahren zum Reduzieren von Biomasseaschen, in welchen die anorganischen Materialien mit der H2SO4 reagieren, was in löslichen Sulfaten resultiert, die aus dem Cellulignin in der Vorhydrolyse und in den Waschverfahren gelaugt werden. Die Verwendung von entionisiertem Wasser erhöht die Wascheffizienz deutlich, was die Reduktion des Na + K-Gehaltes bis hinunter zu den von Gasturbinen benötigten Graden erlaubt. Die Verwendung von entionisiertem Wasser ist im Hinblick auf das niedrige Verhältnis von L/S = 2 machbar und preiswert. In konventionellen Verfahren mit einem hohen Verbrauch von Wasser (US = 12) wurde es nie erwogen, entionisiertes Wasser und folglich die Verwendung von Cellulignin als Brennstoff für Gasturbinen zu verwenden.

Das Biomassevorhydrolyse-Verfahren, das durch den Reaktor des ausfallsicheren Typs ausgeübt wird, erzeugt zwei Produkte (zwei Erzeugnisse): Cellulignin und Vorhydrolysat.

CELLULIGNIN

In Bezug auf Cellulignin sollte beachtet werden, dass Holz aus Hemicellulose, Cellulose und Lignin, die in Mikrofibrillen angelegt sind, zusammengesetzt ist. Das Ziel der Vorhydrolyse, die in dem Reaktor des ausfallsicheren Typs ausgeführt wird, ist es, die Hemicellulose und die amorphe Cellulose zu verdauen, welches die Cellulose in ihrer kristallinen Form und das Lignin in der kugelförmigen Form intakt lässt. Alle diese Eigenschaften sind erreicht worden und sind in der Mikrophotographie von 3 dargestellt. Diese Mikrophotographie zeigt das Fraktal der Fasern aus kristalliner Cellulose mit dem kugelförmigen Cellulignin, in welchem die leeren Räume durch Hemicellulose und amorphe Cellulose vor der Vorhydrolyse belegt wurden.

Dieses Ergebnis hat die folgenden Eigenschaften:

a) aufgrund der vollständigen Kontrolle der Prozessparameter des Reaktors vom ausfallsicheren Typ sind die Eigenschaften innerhalb der Masse des Reaktors gleichförmig, was die Herstellung von „homogenen Erzeugnissen" ermöglicht.

b) Aufgrund des Beibehaltens der Kristallinität ist es möglich, das Cellulignin in Partikel kleiner als 250 mm in Hammer-Mühlen, Nadel-Mühlen und ähnlichem zu mahlen, mit einem Energieverbrauch von 12 kWh/t, welches der Bondschen Formel entspricht: W = 10 Wi/= 10 Wi/, worin W = Arbeit in kWht/t, Wi = Rate der Arbeit des Materials, P = Maschengröße, durch welche 80 % des Produktes (in Mikrometern) passiert, F = Maschengröße, durch welche 80 % des zugeführten Materials passiert (in Mikrometern) resultiert in Wi = 15, welches in der gleichen Größenordnung von den meisten mineralischen Materialien (das heißt, kristallinen Materialien) ist. Die Kosten für die Mahlenergie betragen weniger als US $ 1,00/t.

c) Als Ergebnis der hohen Porosität unterzieht sich das Cellulignin der Trocknung durch natürliche Schwerkraft bis zu einem Feuchtigkeitsgehalt von 50 % an Feuchtigkeit, welches teure Schraubpressen für dieses Verfahren überflüssig macht. Das endgültige Trocknen wird in Rotationstrocknern durchgeführt, wodurch eine Feuchtigkeit von weniger als 12 % mit dem gleichen Energieverbrauch desjenigen für das Trocknen von Getreide (750 MJ/t) entspricht, welches durch die nachfolgenden Beispiele illustriert wird:

c.1) Trocknen des Cellulignins: Verbrauch von 0,4 kg/h von GLP (42 MJ/kg an Wärmeleistung) während 10 Stunden, um 224 kg an Cellulignin zu trocknen – (0,4×10×42)/0,224 = 750 MJ/t Cellulignin);

c.2) Trocknen von Reis: Verbrauch von 1/3 Ster (Kubikmeter) an Holz (396 kg/Ster, 10,5 MJ/kg an Wärmeleistung), um 30 Säcke Reis pro Tag zu trocknen, 60 kg/Sack) – (0,33×396×10,5)/1,8 ≅ 760 MJ/t Reis.

Die Kosten zum Trocknen unter Verwendung von edlen Brennstoffen (Holz – US $ 10,00/Ster – US $ 1,80/t an Cellulignin oder GLP – US $ 0,50/kg – US $ 9,00/t an Cellulignin) ist immer sehr teuer und daher sollte man die Restwärme von 125 °C der Heizkessel verwenden. Im Ergebnis sollte das Trocknen und Mahlen immer nahe an der thermoelektrischen Station oder dem Heizkessel unter Verwendung der Restwärme durchgeführt werden;

d) Aufgrund der Globulisierung des Lignins werden die freien Räume für Angriffe auf die Cellulose durch Mikroorganismen oder wiederkäuende Tiere geöffnet und das Cellulignin kann als Volumenbestandteil von Tierfutter mit einer Verdaulichkeit von 58 % verwendet werden, welches vergleichbar ist zu Volumenbestandteilen hoher Qualität (Silage von feuchtem Mais – 61 %, Alfalfa-Silage – 56 %, Grasfutter – 56 %, Haferstroh – 44 % und viel höher als die Verdaulichkeit von natürlichem Gras (35 %).

e) Der größte Anwendungsbereich von Cellulignin ist als Brennstoff für Heizkessel, Gasturbinen und die Erzeugung von Leistung durch Magnetohydrodynamik (MHD). Tabelle 6 gibt ein Beispiel an für die Verwendung von Cellulignin als Brennstoff für Heizkessel im Vergleich zu Heizöl. Die niedrigere Wärmeleistung des Cellulignins (20 MJ/kg) im Vergleich mit derjenigen von Heizöl (41 MJ/kg) wird durch seine Kosten (US $ 40,00/t) ausgeglichen, welche 1/3 niedriger als diejenigen von Öl (US $ 120,00/t) sind. Obwohl zweimal soviel Cellulignin benötigt wird, ist es einem möglich, lediglich das Heizöl in jedem Typ von Heizkessel zu ersetzen, da es ein mit Sauerstoff versehener Brennstoff (29 % an O2) ist und das Einblasen von Luft mit Volumina nahe denjenigen von Heizöl benötigt. Dies bedeutet, dass jeder Öl- oder Gasheizkessel fähig ist, Cellulignin zu verbrennen, wobei die gleiche thermische Leistung mit Anpassungen in der Größenordnung von 15 % an die Brenner und Luftgebläse erreicht wird. Das Cellulignin, das durch entionisiertes Wasser hergestellt wird, erfüllt die Anforderungen für reinen Brennstoff zum Verbrennen in Gasturbinen mit einem Gehalt von Na + K < 5 ppm. Obwohl das reine Cellulignin Werte von < 15 ppm enthält, werden diese Werte durch den reinigenden Zyklon reduziert. Für Teilchen, die kleiner sind als 200 mm ist das Verbrennen davon vom katalytischen Typ wie in 4 gezeigt. Diese Eigenschaft ergibt sich aus zwei Faktoren, wobei der erste eine Folge der großen exponierten Oberfläche (2 m2/g gemessen durch BET – Brunaur, Emmett und Tellen oder die Zahl von Jod 100) ist, im Vergleich zur Oberfläche natürlicher Biomasse (0,4 m2/g) und der zweite eine Folge ist des Mahlens in feine Partikel (f < 250 mm), welches den Eintritt von Carburant-Sauerstoff und den Austritt von Monoxid in die Poren des Cellulignins herbeiführt, ohne Zusammentreffen zwischen den Molekülen, welches den Weg für die katalytische Verbrennung freimacht (Größe der Cellulignin-Partikel < durchschnittlicher freier Weg für das Carburant und die Gase aus der Verbrennung). Alles deutet darauf hin, dass Cellulignin nicht der einzige feste katalytische Brennstoff ist, der in großem Maßstab hergestellt werden kann, wobei seine Brenndauer (< 20 Millisekunden) in der gleichen Größenordnung ist wie diejenige von Erdgas. Gasturbinen benötigen ebenfalls einen absoluten Partikelanteil < 200 ppm und Partikel größer als 5 mm < 8 ppm. Diese Eigenschaften werden mit Hilfe von drei Techniken erreicht: vollständige Verbrennung aufgrund der katalytischen Eigenschaft von Cellulignin, Zyklon, der zwischen dem externen Brenner und der Gasturbine installiert ist, und magnetischer Separator nach dem Mahlen des Cellulignins, um magnetische Kontaminationen, welche von den Mühlen kommen, zu entfernen. Ohne magnetische Separatoren erreicht man Werte < 50 ppm an Gesamtpartikeln und unter Verwendung von magnetischer Separation erreicht man die Anforderung von 8 ppm < 5 mm. Aufgrund der katalytischen Verbrennung ist Cellulignin ein hervorragender Brennstoff für MHD, welcher eine hohe elektrische Leitfähigkeit im Verbrennungsplasma bei hoher Temperatur von 2727 °C (3000 K) erreicht. 5 zeigt die elektrische Leitfähigkeit in der Größenordnung von 70 S/m im Vergleich mit den Werten von 15 S/m für gereinigte mineralische Kohle, 12 S/m für Öl, das aus Petroleum stammt und 8 S/m für Erdgas. Es sollte beachtet werden, dass Holz einen Kohlenstoff-Anteil von 48 % und einen Wasserstoff-Anteil von 6 % hat, welches ein Verhältnis von C/H = 8 ergibt. Die Vorhydrolyse erhöht den Kohlenstoffanteil im Cellulignin auf 66 % und senkt den H-Anteil auf 4.3 %, welches das Verhältnis auf C/H = 15 verdoppelt.

Tabelle 6 – Vergleich von Öl- und Cellulignin-Verbrennung in einem herkömmlichen Heizkessel
Tabelle 7 – hauptsächliche anorganische Verunreinigungen des Eukalyptus und Vorhydrolysates

Dieses Ergebnis ist hochsignifikant, da 5 zeigt, dass die elektrische Leitfähigkeit bei niedrigen Werten von C/H sehr niedrig ist und sich deutlich erhöht bis zu einem C/H = 15, und von dort an sättigt. Während der Verbrennung bildet der Wasserstoff das Hydroxyl OH, welches einen Stoßquerschnitt (engl. shock section) von 400 Å für das Elektron im Verbrennungsplasma hat, welches seine elektrische Leitfähigkeit senkt und seinen Wert nicht beeinflusst bis zu einem H-Gehalt von weniger als 3 %.

f) Zusätzlich zu den Anwendungen als Brennstoff- und Volumenbestandteil für Tierfutter hat das Cellulignin verschiedene Anwendungsbereiche in den folgenden Gebieten: Pyrolyse für die Herstellung von Ölen und Aktivkohle, Herstellung von Kohlenstoffschwarz (unvollständige Verbrennung), Herstellung von Methanol, Celluligninharzen (Agglomeraten, MDF – Medium Density Fiber (Fasern mittlerer Dichte)), Substrat für die Semi-Feststofffermentation (Pilze, Bakterien und Enzyme), etc.

VORHYDROLYSAT

Das Vorhydrolysat ist eine Lösung von Zuckern, die Xylose (80 %), Glucose, Mamose, Galactose, Arabinose, Acetyle, Uransäuren, etc. enthalten. Zusätzlich zu den Zuckern enthält es Schwefelsäure, die im Vorhydrolyseverfahren zugesetzt wurde und anorganische Verunreinigungen, die in Tabelle 7 angegeben sind. Die hohe Kontrolle des Verfahrens im Reaktor des ausfallsicheren Typs erlaubt es einem, eine fast perfekte Vorhydrolyse auszuführen, welches den vollständigen Verdau von allen Produkten, die leicht hydrolysierbar sind, erlaubt, während gleichzeitig der Zerfall der Zucker aufgrund der niedrigen Verfahrenstemperatur (160 °C) verhindert wird. Der Gehalt an löslichen Zuckern (Brix) wird minütlich verfolgt und das Verfahren wird beendet (Beginnen des Entladens, des Herabsetzens des Druckes, des Kühlens) sobald die Brix ein Maximum überschreiten. Das niedrige L/S-Verhältnis = 2 erlaubt es einem, einen Zuckergehalt in der Größenordnung von 10 Brix zu erreichen, ähnlich zu anderen Brühen (Rohr, Mais, etc.). Das Vorhydrolysat hat im allgemeinen einen pH = 1. Die Wiedergewinnung von Zuckern (Typ des Waschens mit L/S = 1) erzeugt ein Vorhydrolysat mit Brix in der Größenordnung von 5 bei einem pH = 1,5, welches mit dem ersteren für die weitere Verarbeitung gemischt oder auch nicht gemischt werden kann.

Das Vorhydrolysat hat drei Hauptanwendungsgebiete: Herstellung von Furfural durch die Zwei-Zustandstechnik (engl. two-state technique) (Dehydrierung von Pentosen), Herstellung von Ethanol (manipuliertes Escherichia coli-Bakterium) und Herstellung von Xylitol (katalytische Hydrogenierung von D. xylose).

Es sollte verstanden werden, dass das Beispiel des Reaktors, der gemeinsam mit den erwähnten Werten beschrieben ist, nur der Veranschaulichung dienen und dass der Umfang der Erfindung so ist wie in den angehängten Ansprüchen definiert.


Anspruch[de]
  1. Ein Apparat umfassend:

    – einen äußere Hülle (1), und eine innere Hülle (2), wobei die innere Hülle (2) auf die äußere Hülle (1) montiert ist;

    – wobei es einen Raum zwischen der inneren Hülle (2) und der äußeren Hülle (1) gibt, und wobei ein Vakuum in dem Raum erzeugt wird, der zwischen der inneren Hülle (2) und der äußeren Hülle (1) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Apparat einen abdichtbaren Behälter zum Verarbeiten von Materialien umfasst, insbesondere zum Durchführen der Vorhydrolyse von einer Biomasse oder zum Durchführen des Aufschlusses eines Minerals, und dadurch gekennzeichnet, dass die innere Hülle (2) ein Mantel ist und dadurch gekennzeichnet, dass eine Implosion verhindert wird durch das Vakuum, das zwischen dem Mantel (2) und der äußeren Hülle (1) so aufrecht erhalten wird, dass es dem Mantel (2) und der äußeren Hülle (1) ermöglicht wird, ordentlich zusammengepasst zu sein.
  2. Der Apparat gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Hülle (1) und der innere Mantel (2) aus Strukturmaterial beziehungsweise korrosionsbeständigem Material hergestellt sind.
  3. Der Apparat gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Hülle (1) und der innere Mantel (2) aus mikrobondiertem Kohlenstoff-Stahl bzw. feuerfestem Metall hergestellt sind, wobei das letztere seine Legierungen einschließt.
  4. Verwendung des Apparates gemäß einem der Ansprüche 1–3 als einen thermochemischen Reaktor für die Vorhydrolyse von Biomasse.
  5. Verwendung des Apparates gemäß einem der Ansprüche 1–3 als einen Reaktor in einem Verfahren zum Mineralienaufschluss.
  6. Verwendung des Apparates gemäß einem der vorherigen Ansprüche als ein Batch-Reaktor.
  7. Der Apparat gemäß einem der Ansprüche 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Hülle (1) und der innere Mantel (2) durch einfache Zusammenpassung zusammengebaut sind, frei von Verschweißen der unterschiedlichen Materialen.
  8. Der Apparat gemäß einem der Ansprüche 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Hülle (2) und der innere Mantel (2) zusammengeschweißt sind und Schutzringe oder -platten aus demselben Metall wie der Mantel auf der Schweißung der Teile und Ränder platziert sind.
  9. Der Apparat oder die Verwendung desselben gemäß einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass er Vorrichtungen zum Detektieren und Überwachen des Vakuums zwischen der äußeren Hülle (1) und dem inneren Mantel (2) umfasst.
  10. Der Apparat gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektions- und Überwachungsvorrichtungen Vakuummikroleckage detektieren, so dass es einem ermöglicht wird, Mikrorisse in dem inneren Mantel (2) zu detektieren.
  11. Verwendung des Apparates gemäß einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion der Mikrorisse in einer kontinuierlichen Weise durchgeführt wird.
  12. Verwendung des Apparates gemäß einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion der Mikrorissen in einer planmäßigen, intermittierenden Weise durchgeführt wird.
  13. Verwendung des Apparates gemäß einem der Ansprüche 9, 10, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass Heliumgas in den Reaktor zur Detektion von Mikrorissen in dem inneren Mantel (2) eingeführt wird.
  14. Der Apparat oder die Verwendung desselben gemäß einem der Ansprüche 9, 10, 11, 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroleckage-Detektoren an die Vakuumleitung gekoppelt sind.
  15. Der Apparat oder die Verwendung davon gemäße einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Mechanismus für eine oszillierende kreisende Bewegung einschließt.
  16. Der Apparat oder die Verwendung davon gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Mechanismus für die oszillierende, kreisende Bewegung es dem Apparat ermöglicht, um seine Hauptachse zu oszillieren.
  17. Der Apparat oder die Verwendung davon gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er einen schraubenförmigen Zuführer zum Zuführen und Verdichten des Produktes umfasst, das in dem Apparat verarbeitet werden soll.
  18. Der Apparat gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der schraubenförmige Zuführer abgekoppelt werden kann, nachdem der Apparat gefüllt worden ist.
  19. Der Apparat gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine große, zu öffnende Abdeckung zum Entladen des verarbeiteten Feststoffmaterials umfasst.
  20. Der Apparat gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Kippmechanismus umfasst, welcher es erlaubt, das verarbeitete Feststoffmaterial zu entladen.
  21. Der Apparat gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Transportwagen umfasst, um seinen Transport dorthin zu gestatten, wo er verwendet werden kann.
Es folgen 6 Blatt Zeichnungen






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