[发明专利]快速混合介质的装置及方法

说明书

本发明是申请日2010年1月12日、发明名称为“快速混合介质的装置及方法”、申请号为201080004377.4的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于处理(加工，processing)，如疏松和混合，至少两种介质如固体例如生物质(biomass)，与液体例如蒸汽，以使第一介质易于有效接收通过第二介质的局部释放而提供的能量和/或质量的方法和装置(设备，apparatus)。

虽然本发明的描述集中于生物质，但是预计本发明总体上可用于控制至少两种介质的混合，其中通过在分散它们中的至少一种介质的同时交叉(交错，crossing)它们的流(stream)。

背景技术

在来源于植物生物质的燃料中，作为石油衍生产物的潜在替代物或补充，乙醇已受到特别关注。由生物质生产乙醇通常通过富含糖或淀粉的生物原材料如谷物、甘蔗或玉米等的发酵工艺获得，该乙醇也称为第一代生物乙醇。

为了最小化生产成本并提高由生物质生产生物乙醇的潜力，使用来自园艺、农业、林业、木材等的低成本副产物形式的木质纤维生物质(lignocellulosic biomass)；由此例如，诸如稻草、玉米秆、林业废料、锯屑和木屑的材料，是至关重要的。由该类生物质生产的乙醇也称为第二代生物乙醇。

木质纤维生物质包含半纤维素和纤维素形式的糖聚合物。在这些糖能够被发酵成乙醇之前，这些糖聚合物必须被分解成其糖单体。分解聚合物的常用方法是利用酶法水解。为了提高生物质对酶的可利用性，木质纤维生物质通常经过热/化学预处理。在热化学方法之后，这样的工艺通常要求生物物质(biological matter)的温度升高至高于其中包含该生物物质的液体的沸点温度的温度。因此，人们经常遇到这样的问题，即对包含生物物质的浆液或浆料加压，以使在保持流体为液体状态的同时温度能够上升至高于液体沸点温度的温度。当在制备用于发酵的生物质范围内考虑这个问题时，包含生物物质的浆液或浆料的温度需要为约140-200℃，以便实施制备工艺，并且这也是在材料中产生足够活化能的问题。

与生物质尤其相关的另一问题是包含生物物质的浆液或浆料的温度的变化率。已经发现，温度的变化率应尽可能高以缩短处于高温的时间，从而减少不希望的化学副反应的量。最理想的是，处于高温的时间应缩短至仅为在期望温度下发生期望反应所花的时间。

要解决的一个尤其相关的问题是避免包含生物物质的浆液或浆料过热(overheating)。这样的过热是指浆液或浆料被加热至高于作为目的的期望温度。这样的过热会导致不希望的副反应发生，使得所制备的浆液或浆料的质量降低。通常过热是通过例如被加热至高于期望反应温度的温度的加热表面而局部地向浆液或浆料施加热量，以便基于温度梯度向浆液或浆料产生热传导的结果。在另一种趋于限制过热问题的情况下，通常使用蒸汽来加热浆液或浆料并作为蒸汽引入到反应器中，且蒸汽的冷凝趋于限制热传递和过热。

然而，这样的蒸汽引入要求较长的加热时间，因为通常要加热的颗粒易于结块(agglomeration)，并因此如果发生这样的结块，则结块颗粒的总体积增加小于结块颗粒的总表面积，即体积与表面积的比值由于结块而减小。

此外，热传输到颗粒中受颗粒表面处的温度梯度控制，并因此一个目的是使该梯度尽可能陡。

由于质量扩散原则上通过相同的措施控制，所以以上考虑对于质量扩散到颗粒中也是相关的。

另一个尤其相关的问题是在许多已知的工艺中，粉碎/碾碎为原材料的颗粒是通过其中所消耗的能量从原材料耗散至周围环境的工艺进行的。这是由于粉碎/碾碎为原材料的颗粒一般在引起处理能量的相关损失的加热工艺的上游进行。

US5590961描述了一种将第一流体注入第二流体中以提供第二流体的快速升温，避免第二流体的功能特性破坏的方法。

US4303470公开了一种用于混合化学品与木浆的方法和装置。在一个实施例中，化学品是通过管道被输送至混合器的转子的氧。反过来，径向通道通过转动体的中心通道将氧输送至外部总管以及浆料。由于没有切割元件、铣削(磨碎)元件和研磨元件，所以该装置的用途仅限于混合化学品与木浆。

US 2006/120212A1公开了一种具有引入管的搅拌和混合装置，包括粉末引入口、设置在该粉末引入口附近下方的至少一个液体引入口、传送粉末及粉末和液体的混合物的进料器、以及以振荡方式转动进料器的振荡转动驱动源。