CN104334248B - 用于固体/流体分离的双螺杆挤出机压机 - Google Patents

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Abstract

披露了一种固体/液体分离设备，该设备包括组合有一个固体/流体分离模块的一个挤出机压机，以用于从经该挤出机以升高压力压缩的固体质量块中分离出流体。该挤出机包括两个或更多挤出机螺杆，这些挤出机螺杆具有至少沿着该挤出机桶的一部分互相***的梯级段。该分离模块形成了该桶的延续部、接纳经加压的质量块以及双螺杆的至少一部分、并且包括由一个过滤板和一个背板组成的一个过滤器组。该过滤板具有一个贯通型过滤器槽缝，该过滤器槽缝背离内芯开口延伸并且进入该过滤板中以用于引导流体离开该内芯开口。该背板具有一个形状和大小与该桶相等的内芯开口并且限定了用于将收集在该过滤器槽缝中的流体引导到该过滤器组外部的一个通道。

Description

用于固体/流体分离的双螺杆挤出机压机
发明领域
本发明涉及一种用于处理不同类型的固体/流体混合物的方法。本发明在广义上针对固体/流体分离设备，尤其是具有高度多用性的改善的螺杆压机装置，这些装置可以用于分离多种多样的液体/固体混合物以及具有不同密度、固体含量和不同固体与液体类型的浆料。
发明背景
已知不同的用于固体/以分离的工艺原料或工艺残渣处理方法，它们要求显著的停留时间、高压力和高温。总体上，液体必须在某些条件下与经处理的固体分离。常规的液体/固体分离设备对于实现高的液体/固体分离率和具有低液体含量的固体而言不是令人满意的。
例如，在木质纤维素生物质的预处理中，必须从固体生物质/纤维素成分中压榨出水解的半纤维素糖类、毒素类、抑制剂类和/或其他提取物。在纤维素预处理所需的高热和高压下从液体中有效地分离出固体是困难的。
许多生物质制乙醇的工艺产生湿的纤维浆料，必须在不同的处理步骤中从该浆料中分离出溶解的化合物和液体以便隔离出一种固体纤维性部分。固体/液体分离通常是通过过滤并且用过滤压机以分批操作进行的、或者通过螺杆压机以连续方式进行的。
固体/液体分离在许多其他的商业过程中也是必须的，例如在食品加工(油抽提)、减少湿法提取工艺中废物流的体积、脱水工艺、悬浮固体去除中。
可以使用商业的螺杆压机来从固体/液体浆料中去除水分。然而，剩余的去液体后的固体饼块一般包含仅40％至50％的固体。这种分离水平在过滤步骤之后跟随有另一个稀释或处理步骤时可能是令人满意的、但在希望实现浆料的最大脱水而剩余的湿气主要是水的情况下不是令人满意的。这种不令人满意的低固体含量是由于常规螺杆压机所能应付的最大压力是相对低的，这个压力一般不超过大约100-150psig的分离压力。可以使用与排液螺杆相组合的商业模块化螺杆装置(MSD)，它们能以高达300psi的更高压力运转。然而，它们的缺点是其固有的成本、复杂性和具有不超过50％固体含量的连续滤饼的局限性。
在固体/流体分离的过程中，固体部分(固体饼块)中剩余的液体的量取决于所施加的分离压力的量、固体饼块的厚度、以及过滤器的孔隙度。过滤器的孔隙度取决于过滤器孔隙的数量和大小。压力的减小、饼块厚度的增加或者过滤器孔隙度的减小都将降低分离效率并且导致液体/固体分离程度降低、并且导致固体部分的最终干度降低。
对于特定的固体饼块厚度和过滤器孔隙度而言，最大分离是在可能的最高分离压力下实现的。对于特定的固体饼块厚度和分离压力而言，最大分离仅仅取决于过滤器的孔隙大小。
不幸的是，高的分离压力要求能够承受住该分离压力的强劲的过滤介质，从而使得此过程是困难的并且使得所需的设备非常昂贵。当需要高的分离压力时，需要增加过滤介质的厚度以便承受住这些压力。然而，为了将总体孔隙度维持得与具有较薄过滤介质的过滤器相同，则较厚的过滤介质要求更大的孔隙大小。这取决于有待截留的固体而可能产生问题，因为过滤器的容许孔隙大小是由固体部分中的纤维和颗粒的大小来限制的，而液体部分的澄清度仅由过滤介质的孔隙大小所限制。太大的空隙允许显著量的悬浮颗粒累积在液体部分中，由此减小了液体/固体分离效率。通过提供更大总数的孔隙也可以实现更高的孔隙度，但这消弱了过滤介质并且因此降低了最大操作压力、或者过度地扩大了过滤表面。
为了实现分离效率与过滤器大小之间的可接受的平衡，常规的固体/液体分离设备通常以小于希望压力的压力且以大于希望孔隙直径的孔隙直径来运行。然而，随着时间过去，这导致过滤介质被悬浮固体所堵塞，由此不仅降低了分离效率、并且最终导致过滤器故障。在纤维预处理所需的高压力下情况尤其是如此。因此，通常需要一个反冲洗液体流来清除该过滤器的堵塞物并且恢复分离速率。一旦过滤器被堵塞，它需要高压力来对过滤介质进行反冲洗。这在以在升高压力下、例如以高于1000psig操作的过滤介质进行工作时或者以连续的过程来工作时是尤其成问题的。
常规的单螺杆、双螺杆或三螺杆压机是已知的、但具有不可接受的分离能力。美国专利US 7,347,140披露了一种带有穿孔外壳的螺杆压机。此类螺杆压机的操作压力低，这是由于该穿孔外壳的强度低并且该外壳的孔隙度相对低。美国专利US 5,515,776披露了一种蜗杆压机以及在压机夹套中的多个排放穿孔，这些穿孔增大了在所排液体的流动方向上的截面积。美国专利US 7,357,074是针对一种带有锥形脱水壳体的螺杆压机，该壳体带有多个穿孔以用于使得水从在压机中被压缩的大体积固体中排出。同样，使用了一种穿孔外壳或夹套。容易理解的是，壳体中穿孔的数目越大，壳体的抗压能力就越低。此外，当需要非常小的孔来分离细小固体时，在壳体或压机夹套中钻出穿孔是与严重的挑战相关联的。因此，所希望的是一种用于螺杆压机的改进的过滤介质或脱水模块。
发明概述
本发明的一个目的是消除或减轻之前的固体/液体分离装置的至少一个缺点。
另一个目的是提供一种用于对在不同应用中获得的和/或加工的各种不同固体/液体浆料进行脱液体化的改进方法。
本发明的又一个目的是提供一种用于分离多种多样不同类型的固体/液体混合物和浆料的改进的装置和方法。
本发明的又另一个方面是提供一种用于从固体/液体浆料中分离出液体和气体两者的改进的装置和方法。
为了改善固体/流体分离，本发明提供了一种高压力过滤器设备，该高压力过滤器设备包括一个与固体/流体分离模块相组合的双螺杆挤出机压机，该分离模块用于从以高于100psig、优选高于300psig的压力被该双螺杆挤出机所压缩的一种包含固体质量块的流体中分离出液体。为了获得最大吞吐量，该过滤器设备优选是一种双螺杆挤出机压机，但也可以将三螺杆挤出机压机与根据本发明的分离模块一起使用。
根据常规技术，压滤机的过滤效率可以通过提高过滤压力和过滤器孔隙度来进行改善。然而，常规使用的过滤介质显著地限制了可实现的压力和孔隙度。诸位发明人现在已经出乎意料地发现，包含根据本发明的分离模块的螺杆压机的过滤效率不仅可以通过操纵该模块的过滤条件和过滤特性来改善、而且可以通过用带有两个或更多带有互相***的梯级段的挤出机螺杆的一种螺杆挤出机压机来替换螺杆型传送单元而显著地改善。通过使用双螺杆挤出机来压缩并传送浆料，与常规螺杆压机相比，当以相同的过滤压力和过滤器孔隙度来操作时，可以实现滤饼中显著更高的固体含量。同时，诸位发明人发现，通过将双螺杆挤出机压机与能够在高于300psig且直至20,000psig的分离压力下操作的高压力固体/液体分离单元进行组合，可以实现显著更高的分离压力并且因此实现高得多的滤饼中固体含量。在一种应用中，在生物质制乙醇工艺中对经预处理的纤维素生物质脱水，远高于50％的固体含量是期望的。不受此理论限制，诸位发明人认为，一种包含双螺杆挤出机的压机的改善的过滤能量是由多螺杆挤出机、例如双螺杆挤出机中产生的显著的剪切力所导致的。理论认为，实现的较高剪切力迫使截住的液体从浆料中的固体中出来，在其他情况下该液体仅通过压力是不可分离的。预期这个剪切力显著地促进了任何固体/液体混合物或浆料中改善的固体/液体分离，在该混合物或浆料中液体的至少一部分被束缚至固体上或者被固体捕捉。
双螺杆挤出机是已知的并且一般用于塑料加工和食品加工(挤压蒸煮)、但尚未如在本发明中这样被用于在升高压力下进行固体/液体分离。
本发明的固体/液体分离设备的优选挤出机单元包括一个双螺杆组件，该双螺杆组件具有一个桶，这个桶容纳了带有至少部分互相***的梯级段的一对平行或不平行的螺杆。这些螺杆的梯级段是至少沿着挤出机桶的长度的一部分互相***的，以便在这一对螺杆之间并且在这些螺杆与该桶之间限定紧密的间隙。可以使用圆柱形的、楔形的、或锥形的螺杆。可以使用楔形的、锥形的螺杆以及带有楔形内芯的不平行锥形螺杆。这个紧密间隙产生了具有增大的剪切力的夹挤区域。这些夹挤区域在桶内产生了多个高压区，这些高压区将材料向前推而同时该材料被揉捏和剪切。
该优选的挤出机进一步包括专门的流体分离模块，该流体分离模块允许在螺杆挤出机的升高的操作压力下从经挤出的混合物中优选提取出流体。
期望这个组件对多种工艺提供显著的益处，在这些工艺中需要将液体与固体分离并且该液体必须具有低的悬浮固体污染。还期望这个组件对于以下多种工艺是有利的：在这些工艺中需要将固体与液体分离，其中这些液体包含需要通过洗涤或洗脱来取出的溶解的化合物并且所提取的液体必须具有低的悬浮固体污染。
根据本披露的双螺杆挤出压滤机的分离能力可以通过使用一个如共同未决的美国申请US 2012-0118517(USSN 13/292,449，该申请的全部内容被结合在此)中所披露的具有改善的分离特性的过滤器单元来进行改善。该分离模块包括一个具有5％至40％的孔隙度(相对于总过滤表面的总孔隙面积)的过滤器单元。优选地，该模块以5％至40％、更优选11％至40％的过滤器孔隙度承受住了直至20,000psig、更优选10,000psig、最优选3000psig的操作压力。该过滤器单元优选地包括多个孔隙大小为0.00005至0.005平方英寸的过滤器孔隙。
本申请的诸位发明人进一步出乎意料地发现，可以使用符合如上描述的过滤器单元的、带有两个或更多挤出机螺杆、以及一个分离模块的同一种基本挤出机结构，来从之前通过同样原理的装置或方法不可分离的非常多样的液体/固体混合物和浆料中分离出液体，而不会堵塞该分离模块。
在一个优选实施例中，该过滤器单元包括用于分离细小固体的具有0.00005平方英寸的孔隙大小的过滤器孔隙、5.7％的孔隙度以及2,500psig的抗压能力。在另一个实施例中，该过滤器单元包括具有0.005平方英寸的孔隙大小的孔隙、以及20％的孔隙度以及5,000psig的抗压能力。在另外一个优选实施例中，该过滤器单元包括具有0.00005平方英寸的孔隙大小的孔隙、以及11.4％的孔隙度。在又另一个优选实施例中，该过滤器单元包括具有0.005平方英寸的孔隙大小的孔隙、以及40％的孔隙度。在还另一个实施例中，该过滤器单元包括具有0.00003平方英寸的孔隙大小的孔隙。
为了使固体/流体分离效率最大化，希望的是将过滤器孔隙大小最小化、而同时过滤器孔隙度最大化并且在升高的分离压力下进行操作。将孔隙大小最小化在常规螺杆压机中是一种挑战，因为需要在过滤器夹套中切出多个圆柱形通道。这个问题现在已经被诸位发明人解决。在本发明的过滤器单元中，过滤器孔隙是通过简单地穿过一个过滤板切出一条槽缝来形成的，这与在压力夹套中钻出孔洞相比可以是容易得多地实现的。使用槽缝还允许通过使用相对薄的过滤板和相对窄的槽缝产生小得多的过滤器孔隙。例如，通过使用0.005英寸厚度的过滤板并且在该过滤板中切出0.01英寸宽的槽缝，可以实现仅0.00005平方英寸的孔隙大小。此外，为了在升高的操作压力下提供相对高的孔隙度，提供了一个分离模块来密封连接到一个加压的包含液体的固体质量块来源上，例如一个螺杆压机上。
一方面，该分离设备包括用一个可加压的收集室和用于密封地接纳该加压的质量块的一个过滤器单元。该过滤器单元具有预选定的过滤器孔隙大小以及预选定的孔隙度。该过滤器单元包括：具有相反的正面和背面的至少一个过滤板、接合该过滤板的正面的一个盖板、以及接合该过滤板的背面的一个背板。这些盖板和背板限定了与该收集室密封隔离的、用于接纳加压的质量块的一个贯通的内芯开口。这些过滤器板优选地还延伸至该内芯开口、但也可以经大小确定以具有略大于该内芯开口的一个中央开口。该过滤板具有背离该内芯开口延伸进入该过滤板之中的至少一个贯通过滤器槽缝，该过滤器槽缝在这些正面和背面处被这些盖板和背板密封，以用于形成一个具有该预选定的过滤器孔隙大小的过滤器通道。该背板具有一个凹陷，以用于与该背面一起限定一个排放通道，该排放通道与该收集室和该过滤器通道是流体连通的。为了获得增大的孔隙度，该过滤板优选地包括多个分开的过滤器槽缝以提高该过滤器单元的孔隙度，并且该排放通道是与所有过滤器槽缝处于流体连通的。为了更进一步地增大该过滤器单元的孔隙度，该过滤器单元优选地包括在具有交替的过滤板和盖板的一个堆叠中安排在盖板后方的多对过滤板和背板，由此每个被夹在两个过滤板之间的背板充当了一个过滤板的背板并且充当了另一个过滤板的盖板。通过使过滤板和背板相交替，该过滤器单元的分离压力能力得到提高。通过使用比过滤板更厚的背板，该过滤器单元的压力能力可以进一步得到提高。类似地，通过使用直径更大的背板和过滤板，该过滤器单元的压力能力可以得到提高。
在一个实施例中，该分离模块可安装到或可整合到螺杆压机的桶中，并且内芯开口经大小确定成恰好接纳该压机的挤出机螺杆的一部分。该挤出机螺杆优选具有与过滤器组块的内芯开口的紧密公差，以便从过滤器表面上连续地刮除被压缩的材料而同时产生显著的分离压力。在少量纤维被捕获在过滤器表面上的情况下，它们将被这些挤出机元件剪切成小片并且最终穿过该过滤器并且作为非常细小的颗粒随着液体流一起出去。这样提供了一种如下的固体/流体分离装置，该分离装置允许在高压并且任选地甚至高温的环境中分离一种材料的固体部分和液体部分。
另一方面，用于从加压的包含液体的固体质量块中分离出液体或气体的分离模块包括：一个可密封的壳体，该壳体具有一个压力夹套，该压力夹套限定了用于液体和气体的收集室；在该夹套上的一个液体出口和一个气体出口，用于分别从该收集室中排出液体和气体；可移除地可固定至该夹套的一个进口端上的一个进口端板；可移除地可固定至该夹套的一个出口端上的一个出口端板以及包含过滤板和背板的至少一个过滤器组，该过滤器组被夹在该进口端板与该出口端板之间；该过滤板和背板具有与该收集室密封隔离以用于接纳加压的质量块的一个对齐的内芯开口，其中该过滤板包括从该内芯开口延伸到该过滤板之中的至少一个贯通的过滤器槽缝，并且该背板限定了与该过滤器槽缝和该收集室处于流体连通的一个通道。
优选地，该可密封的壳体具有两对或更多对的过滤板与背板。优选地，该过滤板包括多个过滤器槽缝。优选地，每个背板包括与相邻过滤板的所有过滤器槽缝处于流体连通的一个圆形凹槽。
优选地，这些过滤板和背板各自具有一对相反的安装接片，以用于这些板的对齐和互连。每个安装接片可以具有用于接纳一个紧固螺栓的孔洞，以用于将过滤板与背板的这个堆叠对齐成连续的过滤器组块并夹紧在一起。替代地，将用于该紧固螺丝的这个孔洞省略，并且该压力夹套包括在内表面上的多个脊以用于将这些接片对齐并且防止过滤板和背板相对于该内芯开口旋转。
另外一个方面，本披露提供了所描述的固体/流体分离模块用于加工一种具有固体部分、液体部分和气体部分的材料从而将固体部分与液体部分和气体部分进行分离的用途。
另外一个方面，本发明在于一种用于对生物质、特别是木质纤维素生物质进行预处理的工艺。
本领域的普通技术人员在结合附图审阅以下对多个特定实施例的描述后将了解本发明的其他方面和特征。
附图的简要说明
为了更好地理解本文描述的这些实施例并且更清楚地显示可以如何实施这些实施例，现仅以举例的方式对这些其中示出了这些示例性实施例的附图加以参照，在附图中：
图1示出了示例性的纤维素预处理***的示意图，该预处理***示意性结合有一个带有固体-液体分离模块的双螺杆挤出机；
图1a是根据本发明的示例性固体/流体分离设备的示意性局部侧视立面图；
图2a是如图1a所示的示意性设备的局部水平剖面视图，但为了清楚起见该图包含仅一个固体/液体分离模块；
图3a是如图1a所示的示意性设备的竖直剖面视图，但为了清楚起见该图包含仅一个固体/液体分离模块；
图4a是在图1a的示例性实施例中使用的优选楔形的双挤出螺杆组的透视图；
图4b是可以在图1a的示例性实施例中与圆柱形桶一起使用的非楔形的双挤出螺杆组的平面视图
图5a示意性地展示了固体/流体分离模块的一个实施例的分解视图；
图5b示出了图5a所示的固体/流体分离模块的一个分解视图；
图6示出了该分离模块的过滤(指形)板，该板具有窄的过滤缝隙作为排放通道；
图6a示出了图4的过滤(指形)板的放大详图；
图6b示出了该分离模块的过滤(指形)板，该板具有比图6和6a的实施例更宽的过滤缝隙；
图7示出了图3的实施例的右边背板
图8是图7的背板沿着线B-B截取的截面视图；
图9是图7的背板沿着线A-A截取的截面视图；
图10示出了图3的实施例的左边背板；
图11是根据图6和图7的一对过滤板与背板的等角视图；
图12是图11的这一对过滤板与背板沿着线C-C截取的截面视图；
图13示出了在用该分离模块的一个实施例获得的滤出物中发现的颗粒的粒度分布；
图14展示了根据本发明的分离装置用于从橄榄原料中提取水和油的可应用性；
图15展示了根据本发明的分离装置用于从糖用甜菜原料中提取蔗糖溶液的可应用性；
图16展示了根据本发明的分离装置用于从浸渍的大豆原料中提取油和水的可应用性；并且
图17展示了根据本发明的分离装置用于从经预处理的木质纤维素生物质原料中提取水的可应用性。
优选实施方式的详细说明
应了解的是，为了展示的简化和清楚，在认为适当时，可以在这些图中重复参考号以指代对应的或类似的要素或步骤。此外，列出了众多的具体细节以便提供对于本文描述的这些示例性实施例的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解的是，可以实施本文描述的这些实施例而无需这些具体细节。在其他情况下，没有对众所周知的方法、程序和组成部分进行详细描述以便不干扰在此描述的这些实施例。此外，本说明不得理解为以任何方式限制在此描述的这些实施例的范围，而是仅描述了在此描述的这些不同实施例的实现方式。
本发明的优选的挤出机单元包括一个双螺杆组件，该双螺杆组件具有多个平行的或不平行的螺杆，其中这些螺杆的梯级段是至少沿着挤出机桶的长度的一部分互相***的，以便在这些螺杆之间以及螺杆与桶之间限定紧密的间隙。还可以使用带有两个以上挤出机螺杆的螺杆挤出机。可以使用圆柱形的或楔形的、锥形的螺杆。优选的是楔形的锥形螺杆，最优选的是不平行的锥形螺杆。这个紧密间隙产生了具有增大的剪切力的夹挤区域。这些夹挤区域在桶内产生了多个高压区，这些高压区将材料向前推而同时该材料被揉捏和剪切。还提供了一个专门的流体分离单元，该流体分离单元允许从经挤出的混合物中有效地提取出流体。
诸位发明人开发了一种与螺杆压机传送机一起使用的固体-液体过滤装置，该过滤装置可以应对非常高的压力(直至20,000psig)并且在与双螺杆挤出机压机组合时出乎意料地能够得到比可商购的或在实验室应用的任何装置的固体含量高出50％至90％的固体含量。此外，所提取的液体部分包含极少的悬浮固体，这是因为该装置的孔径非常小从而提供了额外的益处。这个装置是共同未决的美国专利申请US 2012-0118517(USSN 13/292,449)的主题。分离结果以及滤饼中非常高的固体含量是非常出乎意料的，因为高压过滤单元与双螺杆挤出机压机的这种组合得到的一种固体/液体分离装置能够形成事实上干燥的饼块，而这是迄今为止在没有后续干燥步骤的情况下所完全不能实现的。理论是，双螺杆能够以远超过300psi的压力来剪切具有非常薄的饼块厚度的材料、而同时允许被截住的和束缚的液体和水通过该新颖的过滤器装置从固体中并且从该设备中迁移出来。
利用本发明的设备，人们可以对包含液体和固体两者的一种流体施加显著的剪切力/应力，这些力被施加在一个非常强劲的且非常精细的过滤机构(该过滤单元的强度为直至20,000psi、孔径低至5微米，温度直至500C)内的薄饼块上，同时允许通过这个精细过滤器释放液体而使之迁移出来。因此，预期这种过滤器单元与双螺杆挤出机压机的组合将对纤维素乙醇工艺以及其他工艺提供显著的益处，尤其是涉及对具有剪切稀化特性的非牛顿流体或者一旦被施加特定的剪切应力就破碎成分离的固体和液体组分的粘塑性材料进行脱水的那些工艺。
现在转向附图，图1a示意性地展示了根据本发明的一种示例性的固体流体分离设备200。该设备包括一个双螺杆挤出机210，该双螺杆挤出机带有多个桶模块212以及多个分离模块214，该挤出机210经由一个中间齿轮箱驱动器224被一个马达226驱动，该马达和齿轮箱二者均是常规部件。
图2a和3a展示了图1a中所示设备的一个简化的示例性实施例，该设备仅包括单一的分离模块214。从图2a和3a中很清楚，设备200在广义上包括一个分段式桶216，该桶具有一个入口218和一个出口220，其中一个专门的双螺杆组件222位于桶216内；组件222经由齿轮箱驱动器224联接至马达226。所展示的这个简化的示例性实施例中的桶216是由两个端对端互连的管状桶头部228、230以及一个分离模块232构成的。每个桶头部配备有一个外部夹套234、236，以允许冷却介质或加热介质进行循环而对该挤出机装置进行温度控制。分离模块232包括一个外部压力室238。会观察到，第一头部228包括进口218，而分离模块238包括一个模口240。该模口包括一个中央开口，该中央开口的宽度被选择成用于在桶216中并且在分离模块238中产生希望的背压。桶216和分离模块238中的压力也可以由这些螺杆250、252与桶216之间的配合以及马达226的转速并且因此由螺杆250、252的转速来控制。这些头部228至230各自还包括一个内部套管242、244，这些套管在桶内共同限定了一个楔形的、连续的螺杆组件接纳开口248。这个开口248具有总体上“数字8”的形状以便容纳该螺杆组件222。如所展示的，开口248在头部228的后端处是最宽的并且该设备在桶216的出口220处的末端逐渐均匀成锥。
螺杆组件222包括第一和第二长形螺杆250、252，如图4a中最佳可见，这些螺杆处于并排的关系。如果使用具有恒定截面的非楔形桶(未示出)，则可以使用如图4b所示的一对直的或圆柱形的螺杆作为螺杆250和252。这些螺杆250、252各自包括一个长形的中央轴254、256以及向外延伸的螺旋形梯级段(flighting)258、260。在如图2a和3a所示的楔形螺杆中，轴254、256各自具有一个外表面，该外表面从靠近对应轴254、256的后端的点262、264到邻近于这些轴的前端的前方点266、268的逐渐均匀地呈楔形变化了一个第一锥角。这个锥角一般从约0.5°-5°变化、并且更优选地从约1°-2.2°变化。所展示的实施例具有1.3424°的锥角。
梯级段258、260(在所展示的实施例中使用了两个梯级段，但单个或多个梯级段也是可能的)基本上延伸了这些轴252、254在点262、266与264、268之间的全长。因此，梯级段258、260从邻近于点262、264的一个后端以连续方向前进到前方点266、268。此外，该梯级段在螺杆250、252中的每一者上呈现了一个外表面270、272。梯级段258、260的几何形状是使得随着梯级段从该后端前进至螺杆250、252的前端，梯级段深度逐渐均匀减小。因此，梯级段258、260的外表面270、272也以渐进且均匀的方式从后到前逐渐成锥。梯级段深度和这些梯级段外表面的第二锥角可以在从2°-6°的范围内并且在所展示的实施例中是3.304°。
最后，梯级段258、260被设计成使得，梯级段外表面270、272的宽度以渐进且均匀的方式从这些螺杆的后端到其前端增大。这种构型在图3a和4a中最佳可见，其中将看到，宽度在螺杆250、252的后端处较小、但在这些螺杆的前端处增加成一个较宽的宽度。然而如之前指出的，这个宽度可以是贯穿这些螺杆的长度都恒定的、或者可以是从其后端到其前端变窄的。相应地，每个螺杆的前端或输入端处的宽度与后端或输出端处的宽度之比可以是在从约0.5至5的范围内。
这些螺杆250、252优选地定向成使得它们的相应中心轴线是相对于彼此成一个会聚角度，这样使得这些中心轴线限定了一个夹角。这个夹角可以在从约1°-8°的范围内。在所展示的实施例中，该夹角是2.3240°。当螺杆250、252在桶开孔248内如所描述的那样定向时，相应螺杆250、252的梯级段258、260是互相***的，即，每个梯级段在对应螺杆的后端与前端之间限定了一个假想的截头锥体，并且梯级段258、260延伸进相邻螺杆的假想截头体内。如图所示并且通过选择适当的第一和第二锥角以及中心轴线274、276之间的夹角，该梯级段沿着螺杆组件222的长度提供了多个紧密间隙的夹挤区278。这些夹挤区在梯级段258、260之间提供了一个间隙，该间隙优选地是沿着螺杆组件222的长度基本上恒定的。更一般地，如果希望的话，此夹挤间隙可以沿着组件222的长度而增大或减小。除了在夹挤区域278之外，观察到组件222还在螺杆250、252之间提供了多个材料回流通道280以及揉捏区282。
在操作过程中，使有待分离的混合物进入并穿过挤出机装置214。使螺杆组件222旋转以便使螺杆250、252共同旋转，通常是以从约20至1200rpm的速度。挤出机内的压力通常在恰好邻近于出口模口处为最大、并且通常范围是从约300-20,000psig、更优选是从约1,000-10,000psig。挤出机内的最大温度正常情况下是范围从约40℃-500℃。
在装置214内创造了挤出条件，使得从挤出机桶中出来的产品通常具有比进入挤出机中的产品更高的固体含量。在将用本披露的分离装置来实现的由木质纤维素生物质进行的生物燃料生产中将实现的优选固体含量是在50％以上。
在可挤出的混合物穿过桶216的过程中，螺杆组件222作用于该混合物上，而与最末端的模口240一起产生用于分离的所需压力。以上描述的螺杆252、254的具体构型产生了迄今为止用常规螺杆压机还没有发现的分离条件。也就是，当混合物沿着这些共同旋转的螺杆252、254的长度前进时，它连续地遇到这些交替的上部和下部紧密间隙的夹挤区域278，这些夹挤区域产生了相对高的局部压力，从而起作用来将材料向前推动或“泵送”；同时，当这些螺杆旋转时，产品在这些区282内被揉捏，并且允许材料回流穿过这些通道280。结果是在桶216内得到剧烈的混合/剪切和蒸煮作用。此外，已经发现，使用本发明的设备可以分离多种多样的固体/液体混合物，这是简单地通过改变螺杆组件222的转速并且在必要时改变桶内的温度条件实现的，这意味着仅仅改变该设备的操作特征。灵活程度和多用性程度在过滤领域是空前的。
在图5和5a中示出了根据本发明的无膜式固体/流体分离器模块100的一个实施例，该模块能够承受住非常高的内部压力(直至5000psig)。这个固体/流体分离器模块可以与图1所示的工艺和设备一起使用、而同时能够通过不同过滤板构型和板厚度来根据所处理的生物质/固体的类型的要求来控制通透性/孔隙度(过滤能力)。
如图1a展示的，分离模块214的一个示例性实施例在图5中更详细地示出为固体/流体分离模块100。它被用作图1a的固体/液体分离设备的一部分并且是安装在双螺杆挤出机桶(在此为桶500)与一个挤出机组块520之间。模块100从被该螺杆压机优选地压缩到100psig以上压力的一种含液体的固体质量块中分离出流体(液体和/或气体)。该分离模块100包括一个收集室200和一个具有5％至40％的孔隙度(相对于总过滤表面的总孔隙面积)的过滤器单元300。优选地，该模块100以5％至40％、更优选11％至40％的过滤器孔隙度承受住了直至5000psig的操作压力。该过滤器单元300优选地包括多个孔隙大小为0.00005至0.005平方英寸的过滤器孔隙。
在一个优选实施例中，该过滤器单元300包括用于分离细小固体的具有0.00005平方英寸的孔隙大小的过滤器孔隙、5.7％的孔隙度以及2,500psig的抗压能力。在另一个实施例中，该过滤器单元300包括具有0.005平方英寸的孔隙大小的过滤器孔隙、以及20％的孔隙度以及5,000psig的抗压能力。在另外一个优选实施例中，该过滤器单元300包括具有0.00005平方英寸的过滤器孔隙大小的孔隙、以及11.4％的孔隙度。在又另一个优选实施例中，该过滤器单元300包括具有0.005平方英寸的过滤器孔隙大小的孔隙、以及40％的孔隙度。
在图5和图5a中示出了这种基本构型的分离模块100。使用了一个收集室200来将过滤出的流体分离成气体和液体，该收集室能够承受住任何部件的最高压力。该收集室是由一个压力夹套或壳体220以及摄入和输出端板230和240限定的。液体可以从收集室200穿过液体排放管221排出，该液体排放管优选地位于压力夹套220的最低点处。压力夹套220进一步包括在夹套的内侧上平行于该夹套的纵向轴线延伸的多个对齐脊223，以用于将过滤板和背板在收集室200内对齐。累积在收集室200中的气体可以从该室中通过一个气体排放管222排出，该气体排放管优选地位于压力夹套220的最高点处。这个高压收集室200被位于压力夹套220的轴向端与这些端板230、240之间的多个圆形密封件250密封。这种高压/高温能力允许用氨、CO2和水等流体来洗涤生物质，这些流体在50℃至250℃的工艺操作温度下通常为气态。该分离模块通过位于压力夹套220外部的多个组装螺栓225组装在一起，以用于将这些端板230、240拉到一起并且将压力夹套220和圆形密封件250夹紧在它们之间。还可以使用多个过滤器单元夹紧螺栓129(参见图2)来在过滤器单元300中将这些过滤器组321、322夹紧在一起。在一个优选实施例中，这些过滤器单元夹紧螺栓延伸穿过这些端板230、240并且另外将分离模块200夹紧在一起。这些过滤器单元夹紧螺栓129还可以延伸穿过该挤出机组块520以便将该挤出机组块紧固至该分离模块上。然而，为了最小化该分离模块200中需要被可靠密封以维持收集室200中的压力的穿透点的数量，将这些过滤器单元夹紧螺栓129省略并且通过位于该压力夹套外部的多个紧固结构例如螺栓225来实现将该分离单元的多个零件全部夹紧在一起。取决于所使用的压力，可以就是在收集室200中分离出一些气体，或者在一些情形下(如图1所示)可以利用一个分开的闪蒸器皿来优化此过程的总效率。
过滤器单元300包括由本发明的基本过滤器组321、322(为过滤板120布置抵靠在背板160、180上构成的组合，在下文参照图4至12进行更详细地描述)的堆叠组装而成的若干板组块320。在所展示的实施例中，存在包含过滤板120和右边背板160的多个右边过滤器组321、以及包含过滤板120和左边背板180的多个左边过滤器组322。然而，不需要左边和右边部件的完全对称的实施例也是可能的。
一方面，该分离模块包括一个可加压的收集室200和用于密封地接纳该加压的质量块(未示出)的一个过滤器单元300。该过滤器单元300具有预选的过滤器孔隙大小以及预选的孔隙度。该过滤器单元300包括：具有相反的正面121和背面123的至少一个过滤板120、接合该过滤板120的正面121的一个盖板230、以及接合该过滤板120的背面123的一个背板160、180。这些过滤板、盖板和背板(120，230，160/180)限定了与该收集室200密封隔离的、用于接纳加压的质量块(未示出)的一个贯通内芯开口128。该过滤板120具有背离该内芯开口128延伸进入该过滤板之中的至少一个贯通过滤器槽缝132，该过滤器槽缝132在这些正面121和背面123处被这些盖板230和背板160/180密封，以用于形成一个具有该预选的过滤器孔隙大小的过滤器通道。该背板160/180具有一个凹陷164，以用于与该背面123一起限定一个排放通道，该排放通道与该收集室200和该过滤器槽缝132是流体连通的(参见图11和12)。为了获得增大的孔隙度，该过滤板120优选地包括多个分开的过滤器槽缝132，并且该排放通道164是与所有过滤器槽缝132处于流体连通的。为了更进一步地增大该过滤器单元的孔隙度，该过滤器单元优选地包括在具有交替的过滤板和盖板的一个堆叠中安排在盖板230后方的多对过滤板和背板(120，160/180)，由此每个被夹在两个过滤板120之间的背板充当了一个过滤板的背板160/180并且充当了另一个过滤板的盖板。通过使过滤板和背板(120，160/180)相交替，该过滤器单元300的分离压力能力得到提高。通过使用比过滤板120更厚的背板160/180，该过滤器单元300的压力能力可以进一步得到提高。
在图5的实施例中，该分离模块100被安装到螺杆压机的桶500中，并且内芯开口128经大小确定成恰好接纳该压机螺杆的一部分(未示出)。螺杆压机的压机螺杆一般具有符合过滤器组块300的内芯开口128的紧密公差并且从过滤器表面上连续地刮除被压缩的材料而同时产生显著的分离压力。在少量纤维被捕获在过滤器表面上的情况下，它们将被这些挤出机螺杆剪切成小片并且最终穿过该过滤器并且作为非常细小的颗粒随着液体流一起出去。这样提供了如下的固体/流体分离装置，该分离装置允许在高压高温的环境中分离一种材料的固体部分和液体部分。
通过使挤出机螺杆切向地扫过这些过滤器孔隙134，该分离装置较不易堵塞。由于根据本发明的分离模块100的增大的孔隙度和抗压能力，干部分排出料中直至90％的干物质含量是可能的，而同时由于孔隙大小很小，获得了较清洁的液体部分，其中悬浮固体低至1％。容易理解的是，根据本发明的固体/流体分离模块可以在许多不同的应用中用来分离一种材料的固体部分/流体部分。
在连续基础上进行的小试试验中，用40g的水将100g单位的含有40g固体和60g水的生物质进行洗涤并且然后在100C的温度下使用600psig的内部力将液体挤出过滤器而获得了包含39g悬浮固体和5g水的一种干的生物质排出料(该液体/固体生物质的固体部分)。包含95g水的滤出物是相对清洁的，仅包含1g的具有5微米平均粒径并且如图13的颗粒分布的悬浮固体。
进一步，由于本发明的固体/流体分离装置较不易堵塞，因此对已知分离装置定期需要的维护的需要较少。因此，该固体/流体分离装置能以较少的停工时间和较少的维护而用于一种工艺中，从而得到了提高的生产能力和较少的成本。
图6示出了一种精细过滤板120，该过滤板具有一个圆形中间区段122，该圆形中间区段附接至一个第一支撑接片124和一个第二支撑接片126上。该圆形中间区段122具有一个为数字八的形状的内芯开口128，以便配合地接纳一个双螺杆压机的这些压机螺杆。过滤板120具有一个正面121和一个背面123。内芯开口128被多个细指形件130和多个中间的过滤器槽缝132环绕。为了实现最大的固体/流体分离效率，希望的是将过滤器孔隙大小最小化并且同时将过滤器最大化。将孔隙大小最小化在常规螺杆压机中是一种挑战，因为需要在过滤器夹套中切出多个圆柱形通道。用一种根据本发明的过滤器单元解决了这个问题，该过滤器单元中过滤器孔隙是通过简单地在一个薄的过滤板120中切出一个槽缝132而形成的。过滤器槽缝132是切割穿过板120的全部厚度的并且因此在此称为贯通槽缝。对于根据本发明的过滤板120，通过使用非常薄的过滤板120和如图6和6a中所示的非常细的槽缝132可以实现非常小的孔隙大小。例如，通过使用0.005英寸厚度的过滤板并且在该过滤板中切出0.01英寸宽的槽缝，可以实现仅0.00005平方英寸的孔隙大小。
如图6a所示，这些非常细的槽缝132和中间的指形件130被成形且定位成使得，它们提供了从内芯开口128延伸进入过滤板120中并且朝向中间区段122的外部部分延伸的多个过滤器槽缝。优选地，这些过滤器槽缝132全都位于一个与该圆形中间区段122的外边缘同心的且与该外边缘向内隔开的圆上。为了改善穿过这些细排放通道的液体流动，这些通道在其进入内芯开口128中的内端134处较窄并且向其外端136向外展开。
过滤板120被定位抵靠在一个背板上，如图11和12所示。这将在以下更详细地进行讨论。在所展示的实施例中，存在两种类型的背板：如图7所示的左边背板160和如图10所示的右边背板180。左边背板160和右边背板180具有相同原理的构造并且包括一个圆形的中央部分162、182，该中央部分带有内芯开口128和从中央部分162、182延伸的多个安装接片190、192。左边背板与右边背板之间的仅有差别是这些安装接片190、192相对于内芯开口128的取向，其中右边背板160中这些接片相对于内芯开口128的横向轴线是以45度角延伸到右边并且在左边背板180中是以45度角延伸到左边。左边背板和右边背板由此用于在这些板的保持图案中产生90度的偏移并且用于提供一种供液体排放到该收集室的底部并且供气体流到该收集室的顶部的装置，如果在这个阶段该特定的生物质要求液体/气体分离的话。相继的右边板(或反过来左边板)与中间过滤板的数目通常等于至少0.25英寸厚，但取决于板的总数量也可以多达1英寸厚。
这些过滤板安装接片124、126和背板安装接片190、192全都成形为配合接纳在安装于压力夹套220的内壁上的多对的对齐脊223之间。每种类型的背板具有在中央部分162、182上机加工出的一个***凹槽164，如从图7至9和10中清楚的，穿过左边背板180的截面与图8和9中所示的右边背板180的截面是相同的。该***凹槽164被定位成当过滤板120与背板160、180背靠背地定位而如图11和12所示内芯开口128对齐时与过滤板120中的这些过滤器槽缝132的外端136相对应(参见图4至6)。
图11和图12展示了根据本发明的最基本的过滤器组，即一个过滤板120和一个接合该过滤板的背面123的背板160。存在的分离压力迫使在被供送穿过内芯开口128的经加压的质量块(未展示)中夹带的流体(液体和/或气体)流入这些过滤器槽缝132中(参见箭头)。在过滤器槽缝的末端136处，流体被转向而流入背板160中的***凹槽164中并且离开***凹槽164进入该收集室中(参见图11、12和3)。这样，这个细过滤板120可以过滤出在横向于生物质流过该数字八形状的内芯开口128的方向的一个方向上前行穿过过滤器槽缝132的液体和非常小的颗粒。
反过来对于较大孔隙的板构型，例如图6b中所示适合于较大颗粒/纤维素生物质纤维的板构型，孔隙度的限制因素是过滤板的板厚度。对于纤维素生物质已经发现，这种较粗的过滤板构型提供了良好的固体-液体分离，而同时将为了用于图6的细过滤板相同的内部压力实现相同的液体分离所需要的板的表面积和数量最小化。
如图6b所示，一个较大孔隙的、粗的过滤板140具有一个圆形中间过滤区段142，该圆形中间过滤区段附接至一个第一支撑接片144和一个第二支撑接片146上。该圆形中间过滤区段142具有一个数字八形状的内芯开口128，该内芯开口是由切穿过滤板140而形成的多个过滤器槽缝132之间的多个较大指形件130所限定的。如图6b所示，这些较大的指形件130是定位在多个粗的排放通道132之间的。
这个粗过滤板140是可定位抵靠一个背板的，例如图7所示的左边背板160，以便实现如图11和12所示的过滤器组。
总而言之，利用这种较高的压力能力，可以从固体中挤出更多的液体，或者对于相同的材料干度而言，每单位过滤面积可以实现更高的生产率。过滤品质(固体捕获率)可以根据板构型和厚度进行控制。过滤/压力等级/资本成本可以根据特定生物质的过滤要求进行优化。这些板构型可以安装在一种挤出机(单螺杆、双螺杆或三螺杆)中以获得高压力、高吞吐量、连续的分离。该固体/流体分离模块由于这些螺杆的清扫性质和这种交叉轴向流图案而是自清洁的(对于双螺杆和三螺杆而言)。过滤面积取决于工艺要求而是灵活的，因为板组的长度可以针对具体的要求容易地进行定制。该模块可以用于在一个机器的一个或多个级中以顺流或逆流构型对固体进行洗涤，从而减少资本成本并降低能量要求。可以将液体滤出物的压力从真空条件控制到甚至高于过滤器组块的内部压力(2,000至3,000psig)，如果需要的话。这样对于液体流中的进一步分离提供了大的工艺灵活性(例如，高压下的超临界CO2、用于在高压下洗涤的氨水、或者在液体滤出物室中使用真空进行VOC和氨气的释放)。高的背压能力(高于过滤器组块内部压力)可以用于在操作过程中当过滤器堵塞或结垢时对过滤器进行反冲洗，从而最小化停工时间。
细滤器孔隙度
这些细孔隙的大小是细板的厚度x内芯开口处的槽缝宽度。在图6的过滤板中，孔隙大小为0.005英寸(板的厚度)x 0.010英寸(开口处的槽缝宽度)＝0.00005平方英寸/孔隙。每个板有144个孔隙，总孔隙面积＝0.0072平方英寸开孔面积/板。
在使用小的1英寸直径的双螺杆挤出机的实验装置中，这个指形板与一个0.020英寸厚的背板配对，从而得到了0.1256平方英寸的总过滤面积。因此这一组实验用板(过滤器组)的总开孔面积计算为0.0072/0.1256＝5.7％。以这个孔隙度，这一对实验用板(多个0.020英寸厚的背板)能够承受住2500psig的分离压力。1英寸厚的实验用板组包含总计40个过滤板x 0.0072平方英寸＝0.288平方英寸的开孔面积。这等于超过了0.5英寸直径的管道，全都是在所使用的小的1英寸直径挤出机中仅1英寸挤出机长度的距离之内可实现的。
粗滤器孔隙度
在使用的实验用粗过滤板中，如图6b所示，就过滤能力和液体流动路径而言，这些过滤器槽缝的宽度与过滤板的厚度基本上相同，从而得到一连串的轴向凹槽。一组板(粗过滤板+背板)的总开孔面积是板厚度的一个比率(在此情况下＝0.005/0.025＝20％)或是该细过滤板***的开孔面积的4倍。在1英寸厚度的板组件(总计40个指形板)中使用多个粗板，我们得到了40x 0.0209平方英寸开孔面积/板＝0.837平方英寸的开孔面积。这大于一个1英寸直径的管道，全都是在所使用的小的1英寸直径挤出机中1英寸挤出机长度的距离之内实现的。
对于这两种类型的板，可以通过减小这些背板的厚度而保持过滤板具有相同厚度，来显著增大孔隙度。将背板厚度减小50％将使得过滤器单元的孔隙度加倍。同时，只要背板厚度减小，过滤器单元的强度就将减小，但这可以通过增大这些背板的总直径从而使得液体流动路径略微更长但开孔面积保持不变来加以抵销。
使用过滤板120来制造过滤器模块允许低成本地生产该过滤器，因为可以使用低成本的生产方法。这些板可以进行激光切割，或者对于更粗的过滤而言，可以对这些板进行冲压。用于生物质预处理的总设备成本也较低，因为能够在单一机器中完成多个工艺步骤。该固体/流体分离模块可以同时允许三相分离。
用于制造过滤器单元的这种类型的材料可以针对不同的工艺条件进行适配。例如，在低pH/腐蚀性的应用中，可以使用像钛、高镍和钼的合金等材料。
具体而言，诸位发明人开发了一种固体/流体分离装置，该分离装置分离一种材料的固体部分和液体部分并且与已知的固体/流体分离装置不同的是较不易堵塞。在此考虑到了，该固体/流体分离装置可以在许多不同的应用中用来分离一种材料的固体部分/流体部分。进一步，由于本发明的固体/流体分离装置较不易堵塞，因此对已知装置定期需要的包括反洗在内的维护的需要也较少。因此，该固体/流体分离装置能以较少的停工时间和较少的维护而用于一种工艺中，从而得到了提高的生产能力和较少的成本。
在所描述的固体/流体分离装置中，在该分离装置内部输送材料的这些螺杆元件优选地与该过滤组块的内表面具有非常紧密的公差并且从过滤器表面上连续地刮除材料。在少量纤维被捕获在过滤器表面上的情况下，它们接着将被这些紧密间隔开的挤出机元件剪切成小片并且最终穿过该过滤器并且随着液体流一起出去。
板对(指形板和背板)的总数可以根据生物质而变化并且控制着总过滤面积。对于相同的液体分离条件而言，较小的孔隙需要更多的板/更大表面积。孔隙的大小控制了进入液体部分中的固体的量。每种生物质都需要一定的孔隙大小以获得一定的固体捕获率(液体滤出物中悬浮固体的量)。
下面的实例列出了使用本发明的改进的双螺杆挤出机分离设备来分离若干不同类型的固体/液体混合物、浆料等的一系列分离试验。然而要理解的是，这些实例是以举例方式提供的并且不得将其中的任何内容当成对本发明的总体范围的限制。
实例I
生物燃料工艺
如图1所示，本发明的一种简单的连续纤维素乙醇预处理***2仅由三台机器组成。第一挤出机4用作生物质的连续高压料塞喂进料器/混合物。挤出机4将生物质给送到一个立式反应器6中。这个立式反应器6能够具有长的停留时间。立式反应器6将该生物质给送到一个第二挤出机8中、优选一个双螺杆挤出机中。这个预处理工艺包括使生物质流动穿过该第一挤出机4、立式反应器6、以及第二挤出机8。
挤出机4(也可以是一个双螺杆挤出机)是用于提供进入该加压的立式反应器6中的连续进料。取决于原料的类型，有可能在挤出机4中混合不同的化学物质。挤出机4具有一个自动阀，这个自动阀在出现进料损失时关闭以便防止在原料损失的情况下出现压力损失。
立式反应器6能够取决于该生物质而在高达350psig的压力和高达425°F(220℃)的温度下以不同化学物质运行。取决于该生物质，立式反应器6内的停留时间可以从几分钟变化到好几小时。
经部分处理的生物质从立式反应器6排出而在一个加压的进料区10处进入第二挤出机8中。在第二挤出机8中，大多数固体生物质移动到一个输出端(图1中的右侧)，而小部分被向后传送以在这些驱动轴上产生一种压力密封。在第二挤出机8中，产生了比在第一反应器中更高的压力，如不同生物质所要求的，并且这个预处理工艺取决于该生物质而通过两个、三个、或更多的分开的工艺完成。
洗涤液体(水、氨或其他)与固体生物质的流动顺流或逆流而移动(向图1的左侧)，使得生物质在该挤出机的末端处被最清洁的液体所洗涤。可以在该输出端处注入气体或超临界流体如二氧化碳，以改进取决于被处理的生物质而需要的***力。在该输出端处，可以使用各种挤出机螺杆、和/或另一个反应器器皿、和/或一个控制阀和/或一个旋转孔口来产生动态密封件以及具有不同压力和干物质含量的不同类型生物质所需要的***力。在生物质从这些装置之一的输出端处***式膨胀之后，使用一个旋流器或其他分离装置来收集被喷出的固体和任何气体两者。
在进入第二挤出机8时，大多数生物质被向前传送而少量被向后传送从而产生一种动态的压力密封以便防止从立式反应器6中的泄露。该生物质进入如图1所示的工艺阶段1并且遇到一个使用固体/流体分离装置12的高压、高温初始逆流过滤区，下文将参考图2至13对该分离装置进行更详细的描述。此时，一些生物质仅需要压榨提取物和半纤维素糖浆并且可能不需要洗涤水。在该固体/流体分离装置中，通过使用不同的螺杆元件将液体半纤维素糖浆和或提取物以受控的饼块厚度去除。取决于所处理的生物质类型，通过使用不同的过滤板设计来控制通透性、孔隙大小、过滤面积和压力等级。通过使用一个压力受控的闪蒸罐16来控制液体压力和闪蒸。
在离开该固体/流体分离装置12时，生物质被向前传送(朝图1的右边)并且通过使用来自前方区域的蒸汽/高压水来加热，并且用不同螺杆元件通过压缩/进行传送而得到的压力。在图1所示的工艺阶段2中，生物质受到了针对不同生物质具有可变剪切能量的高压混合/揉捏，以改善预处理。通过使用不同的螺杆元件，液体半纤维素的高压高温的最终逆流过滤(仅可以压榨部分的半纤维素糖浆和提取物并且不能按照某些类型的生物质的需要逆流地洗涤)以受控的滤饼厚度发生。通透性、孔隙大小、过滤面积和压力等级是取决于所处理的生物质类型，通过在第二固体/流体分离装置14中选择适当设计的过滤板来控制的。通过使用一个压力受控的闪蒸罐16来控制液体压力和闪蒸。
在工艺阶段3中，生物质通过用不同螺杆元件压缩/进行传送而受到热量和压力。对生物质施加剪切能量以改善酶的可进入性，如为了改善不同生物质的预处理所需要的。使用对于不同生物质具有可变剪切能量的生物质高压混合/揉捏来改善预处理。通过使用不同的螺杆元件，可以使用液体半纤维素糖浆的逆流或顺流过滤来以受控的饼块厚度进行高压高温的中间循环(或最终循环，这取决于生物质)。通透性、孔隙大小、过滤面积和压力等级是通过在第三固体/流体分离器18中选择适应生物质特性的适当过滤板来控制的。通过使用该压力受控的闪蒸罐16来控制液体压力和闪蒸。
在图1所示的工艺阶段4中，生物质通过用不同螺杆元件压缩/进行传送而受到热量和压力。对于不同的生物质，可选择具有可变剪切能量的生物质高压混合/揉捏。在工艺阶段4中，将生物质与高压水或其他流体/溶液进行混合以进行最终的洗涤阶段。其他流体可以包括在室温下为气体的分子，如高压液态CO2，它们在挤出机内由于更高的温度将变成超临界的，或者是将成为高压气体的氨。
接着该固体纤维性生物质在该***的最高压力下被传送穿过第二挤出机8以及这些动态密封件替代方案之一、并且在该双螺杆挤出机的出口处在这些纤维内的压缩气体(如蒸汽、氨或超临界流体)的受控的***式减压作用下离开而进入一个固体/气体分离装置(旋流器或其他)中。当使用高压液态CO2时，这种流体的超临界性质使得它被生物质加热时像一种气体一样渗透到固体纤维的内部并且导致了该流体对抗固体压力曲线而部分地向上游流动，就像气体那样。纤维内的这种超临界流体在穿过该动态密封而离开挤出机时从大多数纤维内施加了比标准气体大出许多倍的***力，从而对固体纤维素颗粒进行改性并且由此增大了酶的可进入性。而且在该双螺杆的排出口处有一个自动控制阀，该自动控制阀被用来在存在进料或功率损失时保持该***被某种程度地加压。
用于测试的示例性挤出机装备
使用一种示例性挤出机装备来建立了可以使用根据本披露的并且包含双螺杆挤出机与过滤器模块的组合的一种相同原理的分离装置装备以便不仅加工木质纤维素生物质、而且加工许多其他的原料。这些其他原料与木质纤维素生物质非常不同并且在过去是使用非常不同的分离装置和装备来加工的。对于此类多样的原料成功使用根据本披露的单一示例性双螺杆挤出机装置展示了本披露的分离装置概念的广阔实用性。该示例性挤出机具有上文进一步讨论的基本双螺杆挤出机设置。该挤出机包括相同的一对圆柱形挤出机螺杆，这些螺杆具有25mm直径x 1143mm螺杆长度(总长度1290mm)、是购自哈登工业有限公司(Harden Industries Ltd.，中国广州)，并且包括由11个组块构成的桶，其中的7个组块是相同的、固体的桶模块并且2个是过滤器模块，其构造将在下文进行详述。过滤器模块1位于组块4和5中并且过滤器模块2位于组块8和9中。这意味着，这个桶为11个组块长，其中每个组块的长度为4英寸，并且这些过滤器模块各自覆盖了2个桶组块的长度。
该挤出机由一个7.5HP的3相电动机(型号575TEFC；全封闭式风扇冷却)来驱动，该电动机是购自Electrozad公司(加拿大安大略省查塔姆市(Chatham,Ontario,Canada)、转速为40rpm，这是最大速度的约5％。每个过滤器组块包括480个交替的带槽缝的过滤板和固体背板，即，240个带槽缝的过滤板和240个固体背板。过滤板厚度为0.0050英寸，并且支撑板的厚度为0.020英寸。每个过滤板包括宽度从0.0150英寸变化到0.163英寸的多个槽缝(22)，从而得到了每个板1.94英寸的内芯处总开孔宽度(内芯开口周长的44.6％)以及每个板0.0097平方英寸的总开孔面积。480个板构成的这个堆叠的总长度为6英寸，并且环绕这个板堆叠的过滤器组块壳体的总长度为8英寸。每个过滤器模块的总开孔面积为2.328平方英寸，从而使得挤出机中这些过滤器模块的总开孔面积为4.656平方英寸。每个过滤器组块的孔隙度为8.9％。
在挤出机中加工不同的原料之前，通过仅供应水来运行该示例性挤出机，以便建立该电动机上的荷载的基础值，这是在空载条件下运行该挤出机所需要的。
实例II
原料大豆
大豆是在当地获取的(生长在加拿大南安大略省查塔姆肯特市(Chatham-Kent,Southern Ontario,Canada))。对大豆的内容物分析显示，该原料由70.7％/wt的固体和29.3％/wt的液体(为13.8％/wt的油和15.5％/wt的水的形式)构成。将这些大豆全部给送到挤出机中而不经过预加工。给送到该挤出机中的大豆总量为总计1.384kg全大豆并且该挤出机的总运行时间为一小时。在大豆的挤出过程中，电动机负载比用水建立的基线高出8倍。在图16中图解地展示了给送速率、固体输出速率和滤出物输出速率。从这个图表中清楚的是，滤出物输出速率在整个一小时的运行过程中是恒定的，由此表明该过滤器组块堵塞程度为零。挤出机的总输出为11.5％/wt滤出物，其中穿过每个过滤器组块#1和#2具有相同的回收率5:95％/wt，由此表明每个过滤器组块的过滤速率是独立于原料的相对固体含量的、并且该挤出机的总过滤速率是与所使用的过滤器组块的数量成正比的。这还表明，可以通过将更多的桶组块用过滤器组块替换来容易地提高该挤出机的总过滤速率。总固体排出量为88.5％/wt。滤出物由按重量计55.1％的油、0.4％的悬浮固体以及44.5％的水构成，并且固体排出物由按重量计8.4％的油、79.9％的固体以及11.7％的水构成。这意味着，橄榄油原料中进入的油的46.0％被回收在滤出物中，转化为产率是来自进入的原料大豆的6.3％大豆油(w/w)、或每14.5kg进入的原料大豆产出了一升大豆油。
实例III
原料糖用甜菜
糖用甜菜是在当地获取的(生长在加拿大南安大略省查塔姆肯特市(Chatham-Kent,Southern Ontario,Canada))。全部的糖用甜菜直接在收割之后在田野接收并且储存在户外的容纳仓库中。在加工之前，糖用甜菜需要洗涤以去除杂物(灰尘、石子等)。使用手持斧来劈开糖用甜菜，接着将这些糖用甜菜切片给送到一个食品加工机中，第一道次使用格栅刀片、之后的第二道次使用切割刀片。这产生了约5mm x 5mm粒径的生物质，该粒径适合于给送到该挤出机中。对糖用甜菜的内容物分析显示，原料是由16.9％/wt的蔗糖、1.4％/wt的其他可溶固体、1.3％/wt的不溶固体、以及80.4％/wt的水构成的。给送到该挤出机中的糖用甜菜总量为总计3.219kg切碎的糖用甜菜并且该挤出机的总运行时间为一小时。在糖用甜菜的挤出过程中，电动机负载比用水建立的基线高出25％。在图15中图解地展示了给送速率、固体输出速率和滤出物输出速率。从这个图表中清楚的是，滤出物输出速率在整个一小时的运行过程中是恒定的，由此表明该过滤器组块堵塞程度为零。挤出机的总输出为66.2％/wt滤出物，其中穿过过滤器组块#1和#2具有40:60的回收率，由此表明过滤速率是依赖于压力的、但独立于原料的相对固体含量，并且该挤出机的总过滤速率是与所使用的过滤器组块的数量以及分离压力成正比的。这还表明，通过用过滤器组块来替换更多的桶组块和/或通过增大该挤出机的运行速度来提高压力，可以提高该挤出机的总过滤速率。总固体排出量为33.8％/wt。滤出物由按重量计14.1％的蔗糖、0.8％的其他可溶固体、2.6％的悬浮固体以及82.5％的水构成，并且固体排出物由按重量计22.4％的蔗糖、2.4％的其他可溶固体、1.7％的不溶固体以及73.5％的水构成。这意味着，进入蔗糖的55.2％被回收在滤出物中，转化为产率是来自进入的糖用甜菜原料的9.3％蔗糖(w/w)、或每10.7kg进入的糖用甜菜原料产出了一千克蔗糖。
实例IV
原料橄榄
全部的原料黑橄榄是从美国境内的经销商获得的、没有包装在水中或油中。收到的橄榄是去核的并且是预先切片的。将这些预先切片的橄榄使用食品加工机进一步预加工以得到大约5mm x 5mm的粒径。对所得橄榄原料的内容物分析显示，该原料由19.4％/wt的固体和80.6％/wt的液体(分为27.7％/wt的油和52.9％/wt的水)构成。给送到该挤出机中的原料总量为总计1.458kg切碎的橄榄并且该挤出机的总运行时间为一小时。在糖用甜菜的挤出过程中，电动机负载与用水建立的基线相似。在图14中图解地展示了给送速率、固体输出速率和滤出物输出速率。从这个图表中清楚的是，滤出物输出速率在整个一小时的运行过程中是恒定的，由此表明该过滤器模块堵塞程度为零。挤出机的总输出为32.3％/wt滤出物，其中穿过过滤器组块#1和#2具有20:80的回收率，由此表明过滤速率是非常依赖于压力的、但独立于原料的相对固体含量，并且该挤出机的总过滤速率是与所使用的过滤器模块的数量以及分离压力成正比的。这还表明，通过用过滤器模块来替换更多的桶组块和/或通过增大该挤出机的运行速度来提高压力，可以提高该挤出机的总过滤速率。总固体排出量为67.7％/wt。滤出物由按重量计50.9％的油、4.1％的悬浮固体以及45％的水构成，并且固体排出物由按重量计16.6％的油、26.7％的固体以及56.6％的水构成。这意味着，进入的油的59.4％被回收在滤出物中，转化为产率是来自进入的橄榄原料的16.4％橄榄油(w/w)、或每5.5kg进入的橄榄原料产出了一升橄榄油。如以上提到的，提高产率可以通过增加过滤器模块、或提高运行压力来实现，但也可能通过使用溶剂(例如己烷)来提高原料的油回收率，即提高油回收水平，该溶剂可以在给送到挤出机中之前与原料预混、或在运行过程中将该溶剂直接注入挤出机中。
实例V
原料玉米芯预水解物
玉米芯预水解物是通过实例I中描述的工艺获得的。对原料的内容物分析显示，该预水解物是由4.8％/wt的半纤维素、6.8％/wt的纤维素、5.4％/wt的其他固体、以及83％/wt的水构成的。给送到该挤出机中的原料总量为7.025kg并且该挤出机的总运行时间为一小时。在预水解物的挤出过程中，电动机负载比用水建立的基线高出40％。在图17中图解地展示了给送速率、固体输出速率和滤出物输出速率。从这个图表中清楚的是，滤出物输出速率在整个一小时的运行过程中是恒定的，由此表明该过滤器模块堵塞程度为零。挤出机的总输出为8.0％滤出物，其中穿过过滤器模块#1和#2具有99:1的回收率，由此表明过滤速率是非常依赖于压力的并且有可能依赖于原料的相对固体含量。预期滤出物回收率在较高挤出机压力下将高得多(更高的转速或不同的螺杆构型)。然而，从整个一小时运行过程中恒定的滤出物流量清楚地看到，这些过滤器模块没有被原料堵塞。这还表明，通过将更多的桶组块用过滤器模块来替换和/或通过增大该挤出机的运行速度来提高压力，可以提高该挤出机的总过滤速率。总固体排出量为92％/wt。滤出物由按重量计4.8％的半纤维素、0.5％的悬浮固体(60:40的纤维素：其他固体)以及94.4％的水构成，并且固体排出物由按重量计4.7％的半纤维素、13.3％的固体(56:54的纤维素：其他固体)以及82％的水构成。这意味着，进入的半纤维素中的8.7％被回收在滤出物中，转化为产率是每44.6kg进入的玉米芯预水解物原料产出了一千克的半纤维素糖。如以上提到的，提高产率可以通过增加过滤器模块、或提高运行压力来实现。
其他的应用/原料
纸浆和纸的浆料、食品浆料、果浆(苹果汁生产)的脱水目前是受到限制的，并且期望的是本发明的双螺杆挤出机分离设备允许以有成本效益的能量使用将这些原料脱水到50％至60％干物质(DM)的水平。还期望本发明的双螺杆挤出机分离设备允许由潮湿的废物固体形成生物能团粒而不需要额外干燥，因为预期这将产生超过80％的干固体，这些干固体接着直接进行制粒和轻微的最后干燥从而以非常低的能量产生了生物能团粒。
就本发明的双螺杆挤出机分离设备的目前观察到的多样性而言，预期该设备还将适用于对多种触变性的尾矿进行脱水。预期在这些浆料进入尾矿池之前用本发明的设备从浆料中挤出水。这将是对环境有利的并且将节约大量的储存能力。其一个实例是苏威(Solvay)合成苏打灰工艺尾矿。
就以上讨论的大豆和其他原料的成功处理而言，预期本发明的双螺杆挤出机分离设备还将适用于从***、玉米和许多类型的坚果和种子中通过挤压和压制、在使用或不使用溶剂的情况下进行植物油提取。
就以上讨论的各种原料的成功处理而言，预期本发明的双螺杆挤出机分离设备还将适用于在多种多样的食品加工应用中、例如番茄糊、番茄酱、马铃薯淀粉加工、汁液以及其他糊或酱的额外脱水。
虽然本披露已经描述并展示了某些实施例，但还应理解的是，所描述的***、设备和方法不局限于这些具体实施例。而是，应理解，作为已经在此描述和展示的这些具体实施例和特征的所有功能上或机械上的等效物的所有实施例都被包含在内。
应理解的是，虽然关于这些实施例中的一个或另一个描述了多种不同的特征，但这些不同特征和实施例可以与在此描述和展示的其他特征和实施例组合或联合使用。

Claims (18)

1.一种用于从包含流体的固体质量块中分离出流体的固体/流体分离设备，包括
一个用于对该包含流体的固体质量块进行加压的螺杆挤出机压机，该挤出机压机包括带有一个输入端、一个输出端和一个内芯开口的一个桶、以及两个或更多个挤出螺杆，这些挤出螺杆在该内芯开口中并且在其长度的至少一部分上具有多个互相***的梯级段；以及
用于从该加压的质量块中分离出液体的一个过滤器单元，该过滤器单元连接至该桶上以便形成该桶的延续部并且用于接纳该加压的质量块以及这些挤出螺杆的至少一部分；
该过滤器单元包括由一个过滤板和一个背板组成的一个过滤器组，该过滤板具有一个形状和大小与该内芯开口相同的开孔以及一个贯通型过滤器槽缝，该过滤器槽缝背离该内芯开口延伸并且进入该背板中以用于引导流体离开该内芯开口，并且该背板还具有一个形状和大小与该内芯开口相同的开孔并且限定了用于将收集在该过滤器槽缝中的流体引导到该过滤器组外部的一个通道，其中该过滤器槽缝在背离该内芯开口的方向上变宽。
2.如权利要求1所述的固体/流体分离设备，其中，该过滤板包括多个过滤器槽缝。
3.如权利要求1所述的固体/流体分离设备，其中，该过滤器单元连接至该桶上而朝向该桶的输出端。
4.如权利要求1所述的固体/流体分离设备，其中，该过滤器单元具有背靠背地堆叠的多个过滤器组从而形成一个过滤器组块，该过滤器组块包括多个交替的过滤板和背板形成的一个堆叠并且限定了该内芯开口。
5.如权利要求1所述的固体/流体分离设备，其中，该过滤器单元具有预选定的过滤器孔隙大小，并且该过滤器槽缝限定了与该预选定的过滤器孔隙大小相对应的一个开口面积。
6.如权利要求4所述的固体/流体分离设备，其中，该过滤器单元具有一个预选定的过滤器孔隙大小以及一个预选的孔隙度，每个过滤器槽缝限定了与该预选定的过滤器孔隙大小相对应的开口面积并且每个过滤器组具有从该内芯开口的总表面、该预选定的过滤器孔隙大小、以及过滤器槽缝的数目所计算出的一个孔隙度，该过滤器单元包括多个至少与预选定的孔隙度/过滤器组孔隙度相同的过滤器组。
7.如权利要求1所述的固体/流体分离设备，其中，该固体/流体分离设备的分离室具有用于容纳该过滤器单元的一个压力夹套，该压力夹套在一个输入端处被一个输入端板密封地封闭并且在一个输出端处被一个输出端板密封地封闭，该过滤器组被夹在该输入端板与该输出端板之间。
8.如权利要求7所述的固体/流体分离设备，其中，该压力夹套包括用于液体和气体的多个分开的排放管。
9.如权利要求7所述的固体/流体分离设备，其中，该过滤器单元具有背靠背地堆叠的多个过滤器组从而形成一个过滤器组块，该过滤器组块包括被夹在该输入端板与该输出端板之间的多个交替的过滤板和背板形成的一个堆叠。
10.如权利要求8所述的固体/流体分离设备，其中，每个过滤板包括多个过滤器槽缝。
11.如权利要求10所述的固体/流体分离设备，其中该背板具有一个凹陷，以用于与该过滤板的背面一起限定一个排放通道，该排放通道与该分离室和该过滤器槽缝是流体连通的。
12.一种固体/流体分离设备，包括：
a.一个双螺杆挤出机压机，该双螺杆挤出机压机具有一个挤出机桶、以及至少一对匹配性地接纳在该挤出机桶中的可旋转地互相***的挤出机螺杆；以及
b.一个分离模块，该分离模块包括
c.一个可加压的分离室，该分离室在输入端处可连接到该挤出机桶上并且具有一个输出端；以及
d.在该分离室中的至少一个过滤器组，该过滤器组限定了与该分离室密封隔离的一个内芯开口以用于与该挤出机桶相连通，该过滤器组包括至少一个过滤板以及至少一个背板，该至少一个过滤板具有与该内芯开口处于流体连通并且延伸进入该过滤板中以用于引导流体离开该内芯开口的一个贯通型过滤器槽缝，并且该至少一个背板用于将收集在该过滤器槽缝中的流体引导进入该分离室中。
13.如权利要求12所述的固体/流体分离设备，其中，该分离室具有用于容纳该至少一个过滤器组的一个压力夹套，该压力夹套在一个输入端处被一个输入端板密封地封闭并且在一个输出端处被一个输出端板密封地封闭，该过滤器组被夹在该输入端板与该输出端板之间，该输入端、输出端、过滤板和背板限定了与该分离室密封隔离的该内芯开口以用于与该挤出机桶相连通，该过滤板具有与该内芯开口相流体联通并且背离该内芯开口延伸的至少一个过滤器通道，该背板具有用于将该过滤器通道中的液体引导进入该分离室中的一个凹陷，并且该分离室具有用于将该过滤器组所分离的液体排出的一个排放出口。
14.如权利要求12所述的固体/流体分离设备，其中，该过滤板包括多个孔隙大小为0.00003至0.005平方英寸的过滤器孔隙。
15.如权利要求12所述的固体/流体分离设备，其中，该过滤器组具有作为相对于总过滤表面的总孔隙面积而测量的5％至40％的孔隙度。
16.如权利要求14或15所述的固体/流体分离设备，其中，该过滤器组在100至5000psig的压力下进行操作。
17.如权利要求16所述的固体/流体分离设备，其中，该过滤器组在2500至3000psig的压力下进行操作。
18.如权利要求16所述的固体/流体分离设备，其中，该过滤器组在3000至21000psig的压力下进行操作。
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