WO2018137793A1 - Zentrifugenanordnung, entspannungsverfahren zur behandlung eines gemischs - Google Patents

Zentrifugenanordnung, entspannungsverfahren zur behandlung eines gemischs Download PDF

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WO2018137793A1
WO2018137793A1 PCT/EP2017/071188 EP2017071188W WO2018137793A1 WO 2018137793 A1 WO2018137793 A1 WO 2018137793A1 EP 2017071188 W EP2017071188 W EP 2017071188W WO 2018137793 A1 WO2018137793 A1 WO 2018137793A1
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mixture
pressure
centrifuge
tank
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PCT/EP2017/071188
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Ernst Schaltegger
Nikolaus Foidl
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Ferrum Ag
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    • B01D11/028—Flow sheets
    • B01D11/0284—Multistage extraction

Definitions

  • the invention relates to a centrifuge arrangement according to the preamble of independent claim 1 and to a relaxation method for treating a mixture according to the preamble of independent claim 14.
  • centrifuge assemblies and / or centrifuges are widely used in a variety of embodiments and are used in a variety of fields. So come
  • discontinuous centrifuges preferably peeler centrifuges, used in which after separation of a mixture into a solid cake and a liquid phase of the solid cake peeled off by means of a peeling device of the drum wall and by suitable means, e.g. via a slide, to the outside of the drum is discharged.
  • a peeling device of the drum wall and by suitable means, e.g. via a slide, to the outside of the drum is discharged.
  • suitable means e.g. via a slide
  • Helical centrifuges or pusher centrifuges advantageously used.
  • the pusher centrifuges can be one-stage or multi-stage pusher centrifuges, as well as double-pusher centrifuges. All of these types of centrifuge have long been well known to those skilled in the art and are described in detail in, for example, the standard work "Industrial Centrifuges" by Prof. W. Stahl, DRM PRESS. Furthermore, in the near future, the production and production of
  • Biomass mixtures for example, the saccharification or extraction of biomass derivatives for the chemical industry from lignocelluloses, be an integral part of industrial raw material extraction.
  • Biomass is essential to the security of future energy supply as it forms an alternative to fossil fuels. As with other renewable energy sources, the production of bioethanol or biogas and its use in the transport and energy industries has environmental benefits over crude oil based fuels, as the
  • hydrolysis may be necessary, in particular for the biomass, preferably for the cellulose fraction of the biomass, in order to convert it into glucose.
  • This step which can be carried out with the aid of acid and / or enzymatic catalysts, presents a problem because of the chemical stability of the cellulose chain and the protection of the plant tissue by lignin. Due to the structure of the mixture, in particular the biomass, preferably the lignocelluloses, for example, if the carbohydrates of the biomass are not directly accessible to hydrolytic enzymes, one or more pretreatments are necessary to improve the hydrolysis yield.
  • thermo-mechanical stress of the fiber composite of the biomass for subsequent use to provide great penetration and surface area to chemicals or enzymes.
  • the purpose of the pretreatment is therefore to facilitate the penetration and spread of the enzymes and microorganisms.
  • hydrothermal processes appear to be among the most effective for improving the accessibility of mixtures.
  • a steam explosion process is a thermal-mechanical chemical process in which the presence of heat (as vapor), mechanical forces (shear) and chemical processes (hydrolysis) are combined. The result is the change of the mixture,
  • Reheating tank directed to energy recovery.
  • the reactor pressure has dropped to the desired level (typically 2-4 bar)
  • the steam return from the reactor to the preheat tank is turned off.
  • the biomass is then at a low
  • Relief pressure blown to a flash tank typically 1.2 bar.
  • the mixture is from Biomass in a Vorierrczyrungsschhtt preheated in a preheating tank by means of a first and second pressure relief tank steam recirculated. Following the preheated mixture is a
  • Pressure relief tank out wherein between the reactor and the first pressure relief tank, a nozzle is arranged. Through the nozzle there is a rapid pressure relief of the mixture under the reactor pressure in the first pressure relief tank and the mixture is depressurized.
  • a major disadvantage of the known steam explosion and relaxation process or steam explosion process is their constructive and procedurally very complicated structure and the complex implementation of the method, since several reactor vessels with complex pressure generators are necessary.
  • continuous steam explosion apparatus and / or relaxation processes for treating mixtures require a pressure-tight supply to a reactor. In the reactor then again leads and pressure generator are necessary to bring the mixture to be treated with steam 15 to 20 minutes to the required reactor pressure and the required reactor temperature, then to another pressure lock with another
  • centrifuge assembly for performing a relaxation process and a relaxation process for the treatment of a mixture that are structurally and procedurally simple and / or have low flow rates of the mixture and / or have a higher flow rates of the mixture and / or can be controlled and controlled continuously and / or have a reduced energy consumption.
  • the centrifuge assembly comprises a centrifuge with a drum having an inlet opening and a
  • the drum is rotatable about a drum axis such that on an inner side of the drum, in particular an inner
  • Drum shell surface which is deductible under a rotary pressure mixture.
  • the drum can be with a drum shell, which may include in particular the drum shell surface, of the
  • the centrifuge assembly comprises a flash tank, wherein in the flash tank a lower compared to the rotary pressure
  • Tank pressure can be formed.
  • the outlet opening of the drum is arranged on a receiving opening of the flash tank and the mixture deposited under the rotary pressure so with the ejection element via the outlet opening and the receiving opening in the
  • Discharge tank is drained from the drum that the mixture is under the lower tank pressure of the flash tank
  • a mixture is generally to be understood as meaning that the mixture consists of at least two substances, it being possible for the mixture to be a homogeneous or heterogeneous mixture, and for the substances to be solid, liquid or gaseous.
  • Mixture in particular the mixture which can be supplied via the inlet opening, can be a liquid phase and / or a solid phase, wherein the
  • Solid phase in particular may also be a colloidal liquid, and / or a gas phase.
  • the settable mixture which is under rotary pressure may be the solid phase or colloidal
  • the settable mixture which is under the rotary pressure may also comprise portions of the gas phase, which are liquid due to the rotary pressure, or portions of the liquid phase.
  • a substantial proportion of the liquid phase may be separable from the settable mixture due to the rotational pressure.
  • the relaxed mixture present in the expansion vessel essentially comprises fractions of the solid phase, in particular the solids cake, and / or a fraction of liquid phase and / or a fluid which may comprise fractions of the gas and / or liquid phase of the mixture.
  • the mixture can be a biomass, in particular a
  • Biomass mixture of different origin and composition may also comprise a mineral or a rock or a rare earth.
  • a biomass or a biomass mixture for example from lignocelluloses, may preferably be chosen from a mixture
  • the mixture may be mixed with a liquid and / or a solution.
  • Essential to the invention is that the mixture of the drum can be supplied, the mixture due to the rotation of the centrifuge, in particular the drum, and in particular due to the high speed and the high centrifugal force acting on the inside of the drum, quickly to the rotary pressure can be brought, so that the mixture, preferably a biomass, particularly preferably a vapor-saturated biomass, on the inner wall of the drum of a fast, high and efficient
  • the ejection element is the mixture which can be deposited on the inside of the drum under a high rotary pressure in a simple manner via the outlet opening of the drum and the receiving opening in the drum Relaxation tank with the low tank pressure can be guided out of the drum. Due to the rapid pressure change from the high rotational pressure in the centrifuge, in particular the drum, to the low container pressure in the flash tank, the settleable mixture is released explosively. In this case, the proportion of the gaseous phase in the settable mixture, in particular the fractions of the gaseous phase which are due to the rotary pressure in the liquid or solid phase, revert to the gas phase due to the lower vessel pressure, ie the settable mixture relaxes in a very short time Time and will
  • the mixture is a biomass or a biomass mixture, for example lignocelluloses which are mixed with water or another solvent
  • the pressure change from high rotary pressure to low
  • a fluid can be understood as meaning a liquid and / or a gas and / or a mixture of a gas and a liquid and / or a drop, in particular a liquid drop, and / or a gas bubble and / or steam, in particular the fractions of the liquid Mixture, which are relaxed in the expansion tank.
  • the mixture may thus comprise the fluid, in particular the fluid may comprise the gas phase of the mixture.
  • the rotational pressure is caused by the rotation of the centrifuge, in particular the drum, the centrifugal force acting on the inside of the drum.
  • the rotational pressure in particular a high rotational pressure, is to be understood below as meaning a rotational pressure having a rotational pressure range of 1 to 200 bar, preferably 1 to 100 bar, particularly preferably 10 to 100 bar.
  • the container pressure can correspond to the air pressure, preferably the container pressure can be from 1 to 20 bar, preferably from 1 to 10 bar, particularly preferably from 1 to 5 bar.
  • a gas pressure is to be understood as meaning the pressure which results from the fluid portion of the mixture in the centrifuge, in particular in the drum.
  • the gas pressure may correspond to the air pressure, the gas pressure may preferably be from 1 to 20 bar or 1 to 150 bar, preferably 1 to 10 bar or 1 to 75 bar, particularly preferably 1 to 5 bar.
  • the centrifuge may be a vertically or horizontally mounted centrifuge, a continuous or discontinuous centrifuge, in particular a peeler centrifuge, sliding centrifuge, single or multi-stage pusher centrifuge, double pusher centrifuge or vibrating centrifuge or a
  • the drum can be rotatable in a first direction of rotation.
  • the drum may be rotatable at a drum speed of 1 to 10,000 revolutions per minute, preferably 500 to 10,000
  • Revolutions per minute more preferably from 1000 to 4000
  • the drum may be hollow cylindrical, preferably formed as a first hollow cylinder.
  • the drum can also have a round and / or circular and / or elliptical cross section in a radial direction, that is to say orthogonal to the drum axis.
  • the drum may also have a prism-like shape and / or be formed as a prism and in the radial direction have a triangular and / or rectangular and / or polygonal cross-section.
  • the drum may be drivable with a first motor, in particular a frequency-controlled first motor, in order to be able to control with the drum the flow rate and the throughput time of the mixture.
  • the drum can outside, so for example on an outside of the drum, against
  • the drum at the point of discharge of the mixture into the flash tank, may be a weir
  • the drum in particular the outlet opening of the drum, can be sealed, for example with an O-ring seal, on, preferably in, the receiving opening of the expansion tank.
  • the drum may have a first abutment, which at the
  • Receiving opening of the expansion tank can be arranged.
  • the ejection element may have a second counter bearing, which may be arranged on a further receiving opening of the expansion tank.
  • the ejection element can also be sealed, for example with an O-ring seal, on, preferably in, the further receiving opening of the
  • Relaxation container may be arranged.
  • the centrifuge arrangement in particular the centrifuge or the drum can, for example by means of the ejection element, a relaxation means, in particular carbon dioxide (CO2) or other gases under
  • the at least partially or completely supercritical relaxant penetrates the mixture, in particular the solid phase of the mixture, and then the at least partially or completely supercritical expansion agent under the lower container pressure of the flash tank bursts into a gas phase and the mixture can be relaxed by means of the expansion means.
  • the additional advantage is that such a relaxation agent is even easier to recover than, for example, as water vapor.
  • the ejection element in the form of a helical coil is formed with an ejection surface, preferably the ejection element is a screw conveyor, and the ejection element is rotatable in the operating state about an ejection axis, that the mixture with the ejection surface along the ejection axis is movable, or Ejection element is a push floor device and the
  • Push floor device is in the operating state so along the
  • Ausausossachse arranged to move back and forth, that the mixture with the push floor device, preferably with a thrust surface of the
  • the ejection element may preferably be arranged at a small distance from the inside of the drum in the drum.
  • the ejection element can be at least partially disposed at the outlet opening of the drum.
  • the ejection axis may preferably coincide with the drum axis, wherein the ejection axis can also assume a different position from the drum axis.
  • the ejection element can, in particular the
  • Conveying screw be rotatable in the first direction of rotation as the drum and rotatable at an output speed of 0 to 300 rpm difference to the drum speed, preferably 0 to 150 revolutions per
  • the ejection element may be drivable with a second motor, in particular a frequency-controlled second motor, in order to be able to use the ejection element to control the throughput quantity and the throughput time of the mixture.
  • Ejection element in particular when it is designed as a sliding floor device, in the operating state, either an oscillatory
  • the rotation and / or the oscillatory movement of the ejection element can preferably via a push rod or a
  • the mixture is so on a
  • the ejection element comprises a hollow shaft, wherein the hollow shaft preferably has an inlet opening and / or a
  • Outlet opening particularly preferably the hollow shaft circumferentially one or more inlet openings and / or one or more
  • the push rod or a conveyor shaft may preferably be designed as a hollow shaft.
  • the hollow shaft may have a hollow cylindrical shape, and preferably also be designed as a second hollow cylinder.
  • the hollow shaft can also have a round and / or circular and / or elliptical cross section in a radial direction, that is to say orthogonal to the ejection axis.
  • the hollow shaft may also have a prism-like shape and / or be formed as a prism and in the radial direction have a triangular and / or rectangular and / or polygonal cross-section.
  • the settleable mixture in particular the fractions of the gas phase, which is expanded in the expansion tank, can increase the tank pressure, so that the tank pressure can become higher than the gas pressure in the drum.
  • the hollow shaft thus allows with the
  • the ejection element comprises a
  • Discharge container is ejectable.
  • the discharge disc allows a targeted distribution of the mixture to be relaxed in the
  • a cavitation rotor is provided in the drum, the cavitation rotor preferably between the
  • Inlet opening of the drum and the ejection element is arranged, particularly preferably the Kavitationsrotor in the operating state by a Rotor axis is rotatable.
  • the cavitation rotor is rotatable in a second direction of rotation.
  • the first direction of rotation and the second direction of rotation may coincide, wherein preferably the second direction of rotation is opposite to the first direction of rotation.
  • Rotor axis may coincide or take a different position in space.
  • the cavitation rotor can
  • the cavitation rotor can also have a round and / or circular and / or elliptical cross section in a radial direction, that is to say orthogonal to the rotor axis.
  • the cavitation rotor may also have a prism-like shape and / or be formed as a prism and have a triangular and / or rectangular and / or polygonal cross-section in the radial direction.
  • the cavitation rotor may be drivable with a third motor, in particular a frequency-controlled third motor, in order to be able to control the throughput quantity and the throughput time of the mixture with the cavitation rotor.
  • the first engine and the second engine and the third engine may be the same engine or different engines.
  • the drive device may for the first, second and / or third motor, a direct clutch and / or a
  • the mixture is additionally in a very short time, so in 1 to 10 seconds, preferably 3 to 8 seconds, mixed and cavitated, i. mechanical forces act on the mixture and thus ensure better mixing of the mixture.
  • the mixture due to the rotation of the
  • Cavitation rotor in the opposite direction additionally mechanically treated and / or better mixed.
  • the cavitation rotor on an inner circumferential surface has a blind bore, preferably a radially directed blind bore, preferably a plurality of blind holes in a row, particularly preferably several rows of blind holes.
  • Cavitation rotor between two blind holes can be shaped such that the mixture is feasible to the blind holes, in particular is enforceable.
  • the mixture can in radial direction to the rotor axis decreasing direction, ie in an interior of the cavitation rotor again
  • the blind holes can be arranged along the rotor axis, ie axially, and / or radially to the rotor axis, in a row, preferably in a plurality of rows of blind holes.
  • the shape of the blind holes can be adjustable in dependence on a rotor diameter and a rotational speed of the cavitation rotor and an inclination of the blind holes to the rotor axis and the formation of the bore openings of the blind holes.
  • Cavitation rotor between two blind holes may be formed as a needle tip, preferably with an at least partially in the radial direction to
  • the mixture can additionally be pretreated, in particular with the blind holes on the cavitation rotor.
  • the mixture can also be mixed advantageously by means of the blind bore by the mixture is sucked into the blind bore and due to the negative pressure resulting bubbles in the blind holes permanently collapse in and thus cavitate.
  • the drum with the drum speed of 1 to 10,000 revolutions per minute is rotatable or rotatable, preferably with 500 to 10,000 revolutions per minute, more preferably 1 to 4,000 revolutions per minute, especially 2,000 to 4,000
  • Rotational pressure also makes it possible to further heat the mixture and / or to keep a portion of the gas phase of the mixture in the liquid phase.
  • the centrifuge assembly comprises a sieve, preferably a hollow cylindrical sieve with one or more
  • Sieve openings or pores, and / or the sieve is arranged in the drum and the ejection element is arranged in the sieve.
  • a longitudinal groove and / or a transverse grooves may be provided on an outer surface of the screen.
  • Liquid phase of the mixture in particular an excess water to be traceable to the inlet opening or even to outside the centrifuge assembly and, for example, in a heating of the mixture in front of the centrifuge assembly, especially in front of the inlet opening, find use as energy-saving feedback.
  • the screen may be a filter cloth and / or a support fabric and / or a filter screen, in particular, the screen of polypropylene and / or metal and / or of a composite material and / or of a carbon
  • Composite material preferably of a sintered material and / or ceramic and / or sintered metal.
  • the filter cloth and / or the support fabric may be a textile filter cloth and / or a textile support fabric.
  • Support fabric may be disposed between the filter cloth and the inner peripheral surface of the drum shell, thereby preventing the
  • Filter cloth is pulled into the drain hole due to the drum pressure and the drainage hole is blocked by the filter cloth.
  • the sieve in particular the filter sieve, may comprise one or more pores and be another hollow cylinder.
  • the settleable mixture in particular the solid phase or the
  • Solid cake thus be deductible on the screen.
  • the relaxation tank is a
  • the centrifuge arrangement may comprise a condenser, wherein the condenser is preferably arranged on the expansion tank, so that the expanded mixture, in particular the fluid, can be liquefied by means of condensation.
  • the centrifuge assembly may also be another
  • Feed screw include, wherein the further screw conveyor is preferably arranged on the expansion tank, so that the relaxed mixture, in particular the relaxed solid cake, in or on or from the flash tank is feasible.
  • the capacitor makes it possible
  • the fluid in particular gases and vapors and
  • the further screw conveyor which may also be an ejection element, can be arranged on the expansion tank, preferably on the
  • the further screw conveyor makes it possible to carry away the expanded mixture from the centrifuge arrangement, in particular to supply further devices and / or methods, for example hot water leaching, chemical leaching or drying, etc.
  • the centrifuge assembly comprises a
  • Pump preferably a high-pressure solids pump, wherein the pump Preferably at the inlet opening, particularly preferably outside the Tronnnnel is arranged, and / or the centrifuge arrangement a
  • Steam generator includes, wherein the steam generator preferably at the
  • the pump may be a frequency-controlled pump and / or be controllable by a transmission.
  • the pump has the advantage that the mixture, before it can be supplied to the centrifuge, in particular the drum and / or the cavitation rotor via the inlet opening of the drum, can additionally be brought to a pump pressure.
  • the steam generator has the advantage that the mixture, before it can be supplied to the centrifuge, in particular the drum and / or the cavitation rotor via the inlet opening of the drum, additionally a gas, preferably a water vapor, can be supplied.
  • the invention further relates to a relaxation process for treating a mixture in a centrifuge arrangement.
  • the centrifuge assembly includes a centrifuge having a drum, the drum having an inlet opening and an outlet opening. A gas pressure is formed in the drum and the drum is rotated about a drum axis so as to deposit a mixture under a rotary pressure on an inner side of the drum. In n the drum is an ejection element
  • the centrifuge assembly further comprises a
  • Expansion tank wherein in the expansion tank a low container pressure compared to the rotary pressure is formed.
  • outlet opening of the drum is at a receiving opening of the
  • the centrifuge arrangement according to the invention is used in the expansion process, in particular according to one of claims 1 to 13.
  • the relaxation process according to the invention has the above
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the inventive
  • Fig. 2 shows a second embodiment of the inventive
  • Figure 1 shows a schematic representation of a first embodiment of the inventive centrifuge assembly 1 for performing a
  • the centrifuge assembly 1 comprises a
  • Centrifuge 2 with a drum 23, which comprises an inlet opening 21 and an outlet opening 22, and has a hollow cylindrical shape, preferably formed as a first hollow cylinder.
  • a gas pressure can be formed and the drum 23 is rotatable in the operating state about a drum axis T in such a way in a first rotational direction that on an inner side of the drum 23, in particular an inner
  • the centrifuge assembly 1 further comprises a
  • Expansion tank 4 wherein in the expansion tank 4, a lower container pressure can be formed compared to the rotary pressure.
  • Outlet opening 22 of the drum 23 is arranged at a receiving opening 41 of the flash tank 4 and the sedimented mixture so discharged with the ejection element 3 via the outlet opening 22 and the receiving opening 41 in the flash tank 4 from the drum 2, that the mixture under the lower container pressure of the expansion tank 4 can be explosively relaxed.
  • the inventive stripping process for treating a mixture in a centrifuge arrangement 1 can be described as follows.
  • the centrifuge assembly 1 comprises a centrifuge 2 with a drum 23, and the drum 23 an inlet opening 21 and a
  • Ejection element 3 is arranged.
  • a flash tank 4 is provided, wherein in the expansion tank 4 a compared to
  • Rotational pressure low tank pressure is formed.
  • the outlet opening 22 of the drum 23 is so arranged on a receiving opening 41 of the expansion tank 4 and the offset under the rotary pressure mixture so with the ejection element 3 on the
  • Centrifuge assembly 1 according to the invention can be used.
  • the drum 23, in particular the outlet opening 22 of the drum 23, is sealed, for example with an O-ring seal, on, preferably in, the receiving opening 41 of the expansion tank 4.
  • the drum 23 has a first abutment (not shown) which is arranged on the receiving opening 41 of the expansion tank 4.
  • the drum is rotatable at 1 to 10,000 revolutions per minute, preferably at 500 to 10 000 revolutions per minute, more preferably at 1000 to 4000 revolutions per minute, especially at 2000 to 4000
  • the drum can be thermally insulated against heat loss on the outside.
  • the ejection element 3 is in the form of a helical coil with an ejection surface 31, preferably as a screw conveyor 3, 301, is formed.
  • the ejection element 3 has a second abutment (not shown), which is arranged on a further receiving opening 43 of the expansion tank 4.
  • the ejection element is also sealed, for example with a further O-ring seal, on, preferably in, the other
  • Receiving opening 43 of the expansion tank 4 is arranged.
  • the ejection element 3 is in the operating state such a
  • the ejection element 3 can with an output speed of 0 to 300
  • the ejection element 3 also includes a
  • Expansion tank 4 is ejected. Furthermore, this includes
  • Discharge element 3 a hollow shaft 33 which has a hollow cylindrical shape, and preferably at least one inlet opening 34 and / or at least one outlet opening 35 has.
  • the hollow shaft 33 has a plurality of inlet openings 34 and a plurality of outlet openings 35 on the circumference.
  • a cavitation rotor 5 is provided which a
  • the cavitation rotor 5 is preferably between the
  • Inlet opening 21 of the drum 2 and the ejection element 3 is arranged, but may also be arranged at a different location in the drum 2.
  • the cavitation rotor 5 is rotatable about the rotor axis R in the operating state.
  • the cavitation rotor 5 is rotatable in a second direction of rotation, wherein the second direction of rotation is preferably opposite to the first direction of rotation.
  • On an inner circumferential surface 51 of the Kavitationsrotors 5 are one or
  • the blind holes 52 are arranged along the rotor axis R, ie axially, and / or radially to the rotor axis R, in a row, preferably in a plurality of rows of blind holes.
  • the inner mantle surface of the cavitation rotor between two blind bores is shaped such that it is conically or conically shaped, preferably in a direction increasing radially to the rotor axis R, that the mixture is in the direction of the Sackbohrept feasible, in particular forced is, and in radial direction to the rotor axis decreasing direction, ie in an interior of the
  • Kavitationsrotors 5 again ausschleuderbar and / or is movable.
  • the shape of the blind holes 52 depends on a rotor diameter and a
  • a sieve 6 is arranged, preferably a
  • the screen 6 can be designed in particular as a porous inner cylinder.
  • a longitudinal groove and / or a transverse groove may be provided on an outer surface of the screen 6 so that the separated liquid phase of the mixture and / or the recondensed fluid can be returned to the inlet opening 21.
  • the separated liquid phase of the mixture and / or the recondensed fluid can be guided along the lateral surface of the drum 2 and selectively returned via a pressure-holding valve in order to heat during the heating of the insertable
  • a discharge device 44 is also provided, so that the expanded mixture with the discharge device 44 from the flash tank 4 can be discharged.
  • Centrifuge assembly 1 may further include a condenser (not shown) and / or another auger (not shown).
  • the condenser may preferably be arranged on the expansion tank 4, so that the expanded mixture is liquefiable and thus it can be fed to a further fractionation or recycling.
  • the further screw conveyor may preferably be arranged on the expansion tank 4, preferably connected to this.
  • the centrifuge assembly 1 may further comprise a pump (not shown), preferably a high pressure solids pump, the pump preferably at the inlet port 21, particularly preferably outside the drum 23, and / or a steam generator (not shown), wherein the steam generator is preferably arranged at the inlet opening 21, particularly preferably outside the drum 23.
  • FIG. 2 is a schematic representation of a second one
  • FIG. 2 corresponds essentially to Figure 1, which is why only on the
  • the centrifuge 2 of the centrifuge assembly 1 can also be designed as a pusher centrifuge or as a double-acting centrifuge or as a multi-stage pusher centrifuge. As already to Fig. 1
  • the drum 23 is arranged on the expansion tank 4 and the ejection element 3, which is arranged in the drum 23 is a
  • Push floor device 3, 302. The push floor device 3, 302 is in the operating state so along the ejection axis A back and forth arranged that the mixture with the push floor device 3, 302, preferably with a thrust surface 32 of the sliding floor device 3, 302, along the ejection axis A movable is. Again, this includes
  • Ejection element 3 a hollow shaft 33 which has a hollow cylindrical shape, and the hollow shaft 33 has a plurality of inlet openings 34 and a plurality of outlet openings 35 on the circumference.
  • FIG. 3 is a schematic representation of a blind bore of the
  • Cavitation rotor shown. As already described for FIG. 1, one or more blind bores 52 are provided on the inner circumferential surface 51 of the cavitation rotor 5 (see FIG. 1). The inner circumferential surface 51 of the cavitation rotor 5 (see FIG. 1). The inner circumferential surface 51 of the cavitation rotor 5 (see FIG. 1).
  • Cavitation rotor 5 between two blind holes is formed as a needle tip 53, preferably with an at least partially in the radial direction to Rotor axis R (see FIG. 1) conically or conically tapered needle tip 53, so that the mixture with the needle tip 53 to the blind holes 52 is feasible, in particular is enforceable.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zentrifugenanordnung (1) zur Durchführung eines Entspannungsverfahrens, umfassend eine Zentrifuge (2) mit einer Trommel (23), die eine Einlassöffnung (21) und eine Auslassöffnung (22) umfasst. In der Trommel (23) ist ein Gasdruck ausbildbar und die Trommel (23) ist im Betriebszustand derart um eine Trommelachse (T) rotierbar, dass auf einer Innenseite der Trommel (23) ein unter einem Rotationsdruck stehendes Gemisch absetzbar ist. Ausserdem ist in der Trommel (23) ein Ausstosselement (3, 301, 302) angeordnet. In einem Entspannungsbehälter (4) ist ein im Vergleich zum Rotationsdruck niedriger Behälterdruck ausbildbar, wobei die Auslassöffnung (22) der Trommel (23) derart an einer Aufnahmeöffnung (41) des Entspannungsbehälter (4) angeordnet ist und das unter dem Rotationsdruck abgesetzte Gemisch so mit dem Ausstosselement (3, 301, 302) über die Auslassöffnung (22) und die Aufnahmeöffnung (41) in den Entspannungsbehälter (4) aus der Trommel (23) abführbar ist, dass das Gemisch unter dem niedrigeren Behälterdruck des Entspannungsbehälter (4) explosionsartig entspannt werden kann. Die Erfindung betrifft im Weiteren ein Entspannungsverfahren zur Behandlung eines Gemischs in einer Zentrifugenanordnung (1).

Description

Ferrum AG, Industriestrasse 11/13, 5503 Schafisheim, Schweiz
Zentrifugenanordnung, Entspannungsverfahren zur Behandlung eines
Gemischs
Die Erfindung betrifft eine Zentrifugenanordnung gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 und ein Entspannungsverfahren zur Behandlung eines Gemischs gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 14.
Zur Verarbeitung von Gemischen sind Zentrifugenanordnungen und/oder Zentrifugen in den verschiedensten Ausführungsformen weit verbreitet und werden auf den verschiedensten Gebieten eingesetzt. So kommen
beispielsweise zur Trocknung hochreiner pharmazeutischer Produkte diskontinuierlich arbeitende Zentrifugen, bevorzugt Schälzentrifugen, zum Einsatz, bei welchem nach erfolgter Trennung eines Gemischs in einen Feststoffkuchen und eine Flüssigphase der Feststoffkuchen mittels einer Schäleinrichtung von der Trommelwand abgeschält und über geeignete Einrichtungen, z.B. über eine Rutsche, nach aussen aus der Trommel ausgetragen wird. Bei anderen diskontinuierlichen Systemen, bevorzugt aber nicht nur bei Zentrifugen im Labormassstab, kann es sein, das keine automatische Schälvorrichtung vorgesehen ist, sondern die Zentrifuge nach erfolgter Trennung des Gemischs angehalten wird und der abgelagerte Feststoffkuchen manuell aus der Trommel entfernt wird.
Insbesondere dann, wenn kontinuierlich grosse Mengen eines Gemischs getrennt werden sollen, werden kontinuierlich arbeitende
Schneckenzentrifugen oder Schubzentrifugen vorteilhaft eingesetzt. Dabei können die Schubzentrifugen, je nach Anforderung, ein- oder mehrstufige Schubzentrifugen, sowie sogenannte Doppelschubzentrifugen sein. Alle diese Zentrifugentypen sind dem Fachmann seit langem wohl bekannt und sind z.B. in dem Standartwerk "Industrie-Zentrifugen", von Prof. W. Stahl, DRM PRESS, ausführlich beschrieben. Im Weiteren wird in naher Zukunft die Gewinnung und Herstellung von
Rohstoffen aus Gemischen, insbesondere von Biomassen oder
Biomassegemischen, beispielsweise die Verzuckerung oder Gewinnung von Biomasse-Derivaten für die chemische Industrie aus Lignozellulosen, ein wesentlicher Bestandteil der industriellen Rohstoffgewinnung sein.
Beispielsweise trägt die Herstellung von Bioethanol oder Biogas aus
Biomasse wesentlich zur Sicherheit der zukünftigen Energieversorgung bei, da sie eine Alternative zu Treibstoffen aus fossilem Ursprung bildet. Wie bei anderen erneuerbaren Energiequellen weist die Herstellung von Bioethanol oder Biogas und dessen Verwendung in der Transport- und Energiewirtschaft Umweltvorteile gegenüber Treibstoffen auf Rohölbasis auf, da die
Schadstoffemission verringert und der Treibhauseffekt nicht weiter verstärkt wird.
Vor der Weiterverarbeitung in einen Rohstoff kann, insbesondere für die Biomasse, bevorzugt für die Zellulosefraktion der Biomasse, eine Hydrolyse notwendig sein, um sie in Glucose umzuwandeln. Dieser Schritt, der mit Hilfe von Säure- und/oder enzymatischen Katalysatoren durchgeführt werden kann, stellt wegen der chemischen Stabilität der Zellulosekette und des Schutzes des Pflanzengewebes durch Lignin ein Problem dar. Aufgrund der Struktur des Gemischs, insbesondere der Biomasse, bevorzugt der Lignozellulosen, sind die Kohlenhydrate der Biomasse für hydrolytische Enzyme nicht direkt zugänglich, weshalb eine oder mehrere Vorbehandlungen notwendig sind, um die Ausbeute der Hydrolyse zu verbessern. Im Speziellen muss, um eine hocheffiziente chemische oder enzymatische Hydrolyse der Einzelfraktionen zu erreichen, zuerst durch thermo-mechanischen Stress der Faser Verbund der Biomasse aufgetrennt werden, um den anschließend Verwendung findenden Chemikalien oder Enzymen große Penetration und Oberfläche anzubieten. Der Zweck der Vorbehandlung ist es also das Eindringen und die Ausbreitung der Enzyme und Mikroorganismen zu erleichtern.
Von den bekannten Vorbehandlungen scheinen hydrothermische Verfahren zu den wirkungsvollsten zur Verbesserung der Zugänglichkeit von Gemischen zu gehören. Ein Dampfexplosionsverfahren ist ein thermisch-mechanischchemisches Verfahren, bei dem das Vorhandensein von Wärme (als Dampf), mechanischer Kräfte (Scherwirkung) und chemischer Vorgänge (Hydrolyse) kombiniert sind. Das Ergebnis ist die Veränderung des Gemischs,
insbesondere der Mikrofaserpackung innerhalb der Zellwand und das
Zerreissen der Faser, wodurch eine Verbesserung der Zugänglichkeit des Gemischs, beispielsweise der Zellulose für hydrolytische Enzyme bewirkt wird. Die optimalen Bedingungen von Temperatur und die Reaktionszeit hängen von der Art des Gemischs ab. Dampfexplosionsvorrichtungen haben den Zweck Gemische, insbesondere mechanisch vorzerkleinerte Biomasse, mit Hochdruckdampf unter Druck bis in die kleinsten Zwischenräume zu sättigen, um anschließend über ein Ventil das unter hohem Druck stehende Gemisch in einem Auffangbehälter zu entspannen, wobei insbesondere ein durch den Druckunterschied entstehende Gas, bevorzugt Dampf, sich explosionsartig entspannt, bevorzugt das Gas innerhalb der Zellstruktur der Biomasse sich explosionsartig entspannt und dabei den Zellverbund von innen aufreißt.
Bekannte Vorrichtungen sind entweder diskontinuierliche Anlagen, also Batch- Anlagen, oder kontinuierlichen Anlagen. Eine diskontinuierliche Vorrichtung zur Dampfexplosionsbehandlung wurde 1929 von Masonc für die Herstellung von Holzbrettern zum Patent angemeldet (US 1 ,655,618). Sie kombiniert eine thermische Behandlung mit Dampf und den mechanischen Abbau der
Organisation von Biomassen bzw. insbesondere Lignozellulosen. Bei diesem Verfahren werden Holzsplitter in einem senkrechten Stahlzylinder bei einem Druck von 3,5 MPa oder mehr mit Dampf behandelt. Nach Abschluss der Behandlung wird das Material mit schlagartig vom Boden des Zylinders entfernt. Dieses Verfahren kombiniert die Wirkungen von hohen Drücken und Temperaturen und dem abschließenden schlagartigen Druckablassen auf die Lignozellulosen. Die Wirkung dieses Verfahrens ist eine Kombination von physikalischen (Trennung und Zerreissen der Fasern) und chemischen
(Abbau der Polymerisation und Brechen der C-O-C Bindungen) Änderungen.
Heute existieren sehr verschiedene Vorrichtungen zur
Dampfexplosionsbehandlung und Entspannungsverfahren. Aus der WO 96/09882 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt, bei dem das Gemisch in einem Vorerwärmungsreaktor mit Hilfe von rückgeleitetem Dampf aus einem nachgeschalteten Verfahrensschritt vorgewärmt wird, bevor es aus dem Vorerwärmungsreaktor in einen oder mehreren parallelen Reaktoren gepumpt wird. Dem mit dem Gemisch, insbesondere der Biomasse, gefüllten Reaktor wird Heizdampf bei einer vorbestimmten Temperatur und einem vorbestimmten Druck zugeführt und diese für die gewünschte Zeit gehalten. Danach wird der Reaktor entlastet und Dampf wird zurück in den
Wiedererwärmungsbehälter zur Energierückgewinnung geleitet. Wenn der Reaktordruck auf das gewünschten Niveau gesunken ist (typischerweise 2-4 bar), wird der Dampfrücklauf vom Reaktor zum Vorerwärmungstank abgeschaltet. Die Biomasse wird anschließend bei einem niedrigen
Entlastungsdruck zu einem Entspannungsbehälter geblasen (typischerweise 1 ,2 bar).
Die in der US 6,966,989 offenbarte Vorrichtung verwendet, anders als in der WO 96/09882, keinen Vorerwärmungstank aber parallele Reaktoren, die die Funktion des Vorerwärmungstanks übernehmen. Die Funktionsweise ist jedoch sehr ähnlich zu der in der WO 96/09882 offenbarten Vorrichtung bzw. Verfahren.
Aus der WO 201 1/006854 A1 wiederum sind eine Vorrichtung und ein
Verfahren zur Dampfexplosion bekannt. Dabei wird das Gemisch aus Biomasse in einem Vorerwärmungsschhtt in einem Vorerwärmungstank mittels aus einem ersten und zweiten Druckentlastungstank rückgeführtem Dampf vorerwärmt. Im Anschluss wird das vorgeheizte Gemisch einem
Reaktor zugeführt, der mittels der Zugabe von Dampf erhitzt und mit einem Reaktordruck beaufschlagt wird. Abschliessend wird das erwärmte und unter dem Reaktordruck stehende Gemisch aus dem Reaktor in den ersten
Druckentlastungstank geführt, wobei zwischem dem Reaktor und dem ersten Druckentlastungstank eine Düse angeordnet ist. Durch die Düse erfolgt eine schnelle Druckentlastung des unter dem Reaktordruck stehenden Gemischs in den ersten Druckentlastungstank und das Gemisch wird entspannt.
Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Dampfexplosionsvorrichtungen und Entspannungsverfahren bzw. Dampfexplosionsverfahren ist deren konstruktiv und verfahrenstechnisch sehr komplizierter Aufbau sowie die aufwändige Durchführung der Verfahren, da mehrere Reaktorbehälter mit aufwändigen Druckerzeugern notwendig sind. Beispielsweise benötigen kontinuierliche Vorrichtungen zur Dampfexplosion und/oder Entspannungsverfahren zur Behandlung von Gemischen eine druckdichte Zufuhreinrichtung zu einem Reaktor. Im Reaktor sind dann wiederum Zuleitungen und Druckerzeuger notwendig, um das zu behandelnde Gemisch 15 bis 20 Minuten mit Dampf auf den benötigten Reaktordruck und die benötigte Reaktortemperatur zu bringen, um es dann über eine weitere Druckschleuse mit einer weiteren
Fördereinrichtung zu einem Austragungsventil zu transportieren, wo das Gemisch dann in kurzen Abständen in einen Entspannungsbehälter
ausgestoßen wird. Es sind also mindestens vier Druckschleusen vorgesehen, die im 15 bis 20 Minuten Takt semikontinuierlich gleichzeitig geschlossen und geöffnet werden, und zusätzlich noch drei verschiedene Fördereinrichtungen, beispielsweise Transportschnecken notwendig. Ausserdem ist eine
aufwändige Schleusenapparatur notwendig, um Druckdichtheit zu garantieren und Zusatzeinrichtungen, um eine sichere Betätigung der
Dampfdruckschleusen zu gewährleisten. Bei kontinuierlichen Vorrichtungen kommen zusätzlich noch eine aufwändige Zufuhr und Abfuhr des Gemischs sowie der Transport innerhalb der Reaktoren mit hochdruckdichten, drehenden Schnecken und Durchführungen dazu. Ein weiterer Nachteil ist, dass bekannten diskontinuierlichen und kontinuierlichen Vorrichtungen und Verfahren eine hohe Durchsatzzeit bzw. Einwirkzeit von mindestens 15 Minuten aufweisen, insbesondere um die Dampfsaturation des Gemischs, bevorzugt der Biomasse auf Zellebene, zu gewährleisten, sowie die geringe Durchsatzmenge des Gemischs. Die diskontinuierlichen Vorrichtungen zur Dampfexplosion und die Entspannungsverfahren weisen dabei noch längere Durchsatzzeiten bzw. Einwirkzeiten als die kontinuierliche Vorrichtungen und Verfahren auf und sind noch schwieriger zu betreiben. Nicht zu unterschätzen und ein weiterer wesentliche Nachteil sind aufgrund der Komplexität die hohe Störungsanfälligkeit und die hohe Wartungsintensität der Vorrichtungen zur Dampfexplosion und der Entspannungsverfahren. Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Zentrifugenanordnung zur Durchführung eines Entspannungsverfahren und ein Entspannungsverfahren zur Behandlung eines Gemischs vorzuschlagen, die die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile weitgehend vermeidet, insbesondere eine
Zentrifugenanordnung zur Durchführung eines Entspannungsverfahren und ein Entspannungsverfahren zur Behandlung eines Gemisch vorzuschlagen, die konstruktiv und verfahrenstechnisch einfach ausgestaltet sind und/oder geringe Durchsatzzeiten des Gemischs aufweisen und/oder eine höhere Durchsatzmengen des Gemischs aufweisen und/oder stufenlos geregelt und gesteuert werden können und/oder einen reduzierten Energieverbrauch aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch einen Zentrifugenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Entspannungsverfahren zur Behandlung eines Gemischs mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Erfindungsgemäss wird eine Zentrifugenanordnung zur Durchführung eines Entspannungsverfahrens vorgeschlagen. Die Zentrifugenanordnung umfasst eine Zentrifuge mit einer Trommel, die eine Einlassöffnung und eine
Auslassöffnung umfasst, wobei in der Trommel ein Gasdruck ausbildbar ist. Der Trommel ist über die Einlassöffnung ein Gemisch zuführbar. Im
Betriebszustand ist die Trommel derart um eine Trommelachse rotierbar, dass auf einer Innenseite der Trommel, insbesondere einer inneren
Trommel mantelfläche, das unter einem Rotationsdruck stehende Gemisch absetzbar ist. Die Trommel kann sich dabei mit einem Trommelmantel, der insbesondere die Trommelmantelfläche umfassen kann, von der
Einlassöffnung zur Auslassöffnung entlang der Trommelachse erstrecken. Ausserdem ist in der Trommel ein Ausstosselement angeordnet. Weiter umfasst die Zentrifugenanordnung einen Entspannungsbehälter, wobei im Entspannungsbehälter ein im Vergleich zum Rotationsdruck niedriger
Behälterdruck ausbildbar ist. Dabei ist die Auslassöffnung der Trommel derart an einer Aufnahmeöffnung des Entspannungsbehälter angeordnet und das unter dem Rotationsdruck abgesetzte Gemisch so mit dem Ausstosselement über die Auslassöffnung und die Aufnahmeöffnung in den
Entspannungsbehälter aus der Trommel abführbar ist, dass das Gemisch unter dem niedrigeren Behälterdruck des Entspannungsbehälter
explosionsartig entspannt werden kann.
Unter einem Gemisch ist dabei im Folgende im Allgemeinen zu verstehen, dass das Gemisch aus mindestens zwei Stoffen besteht, wobei das Gemisch ein homogenes oder aber heterogenes Gemisch sein kann und die Stoffe den Aggregatzustand fest, flüssig oder gasförmig aufweisen können. Das
Gemisch, insbesondere das über die Einlassöffnung zuführbare Gemisch, kann eine Flüssigphase und/oder eine Feststoffphase, wobei die
Feststoffphase insbesondere auch eine kolloide Flüssigkeit sein kann, und/oder eine Gasphase umfassen. Das unter einem Rotationsdruck stehende absetzbare Gemisch kann die Feststoffphase oder kolloide
Flüssigkeit sein, und wird insbesondere auch Feststoffkuchen genannt. Das unter dem Rotationsdruck stehende absetzbare Gemisch kann aber auch Anteile der Gasphase, die aufgrund des Rotationsdrucks flüssig sind, oder Anteile der Flüssigphase umfassen. Ein wesentlicher Anteil der Flüssigphase kann jedoch aufgrund des Rotationsdrucks vom absetzbaren Gemisch abtrennbar sein. Das im Entspannungsbehälter vorhandene entspannte Gemisch umfasst im wesentlichen Anteile der Feststoffphase, insbesondere den Feststoffkuchen, und/oder einen Anteil Flüssigphase und/oder ein Fluid, das Anteilen der Gas- und/oder Flüssigphase des Gemischs umfassen kann. Bevorzugt kann das Gemisch eine Biomasse, im Speziellen ein
Biomassegemisch verschiedenster Herkunft und Zusammensetzung sein. Das Gemisch kann auch ein Mineral oder ein Gestein oder eine seltene Erde umfassen. Bevorzugt kann hierbei unter einem Gemisch eine Biomasse oder ein Biomassegemisch, beispielsweise aus Lignozellulosen aus
Holzgewächsen oder landwirtschaftliche Abfällen oder Rohmaterialien aus der Vieh- und Landwirtschaft verstanden werden. Das Gemisch kann mit einer Flüssigkeit und/oder einer Lösung vermisch werden. Wesentlich für die Erfindung ist, dass das Gemisch der Trommel zuführbar ist, wobei das Gemisch aufgrund der Drehung der Zentrifuge, insbesondere der Trommel, und insbesondere aufgrund der hohen Drehzahl und der hohen Zentrifugalkraft, die auf die Innenseite der Trommel wirkt, schnell auf den Rotationsdruck gebracht werden kann, sodass das Gemisch, bevorzugt eine Biomasse, besonders bevorzugt eine dampfgesättigte Biomasse, an der Innenwand der Trommel einer schnellen, hohen und effizienten
Druckerhöhung ausgesetzt ist, die das Gemisch weiter erhitzt. Mit dem
Ausstosselement ist das an der Innenseite der Trommel unter einem hohen Rotationsdruck absetzbare Gemisch auf einfach Art und Weise über die Auslassöffnung der Trommel und die Aufnahmeöffnung in den Entspannungsbehälter mit dem niedrigen Behälterdruck aus der Trommel führbar. Aufgrund der schnellen Druckänderung vom hohen Rotationsdruck in der Zentrifuge, insbesondere der Trommel, zum niedrigen Behälterdruck im Entspannungsbehälter wird das absetzbare Gemisch explosionsartig entspannt. Hierbei gehen die unter dem Rotationsdruck stehenden Anteil der Gasphase im absetzbaren Gemisch, insbesondere die Anteile der Gasphase, die aufgrund des Rotationsdrucks in der flüssigen oder festen Phase sind, aufgrund des niedrigeren Behälterdrucks wieder in die Gasphase über, d.h. das absetzbare Gemisch entspannt in sehr kurzer Zeit und wird
explosionsartig auseinandergerissen. Insbesondere wenn das Gemisch eine Biomasse oder ein Biomassegemisch ist, beispielsweise Lignozellulosen die mit Wasser oder einem anderen Lösungsmittels vermischt werden, werden durch die Druckänderung vom hohen Rotationsdruck zum niedrigen
Behälterdruck, der Faserverbund und die Zellwände des Gemisch auf- und auseinandergerissen.
Unter einem Fluid kann im Folgenden eine Flüssigkeit und/oder ein Gas und/oder eine Mischung aus einem Gas und einer Flüssigkeit und/oder einem Tropfen, insbesondere einem Flüssigkeitstropfen, und/oder eine Gasblase und/oder Dampf verstanden werden, insbesondere die Anteile des Gemischs, die im Entspannungsbehälter entspannt werden. Das Gemisch kann also das Fluid umfassen, insbesondere kann das Fluid die Gasphase des Gemischs umfassen.
Der Rotationsdruck wird verursacht durch die Rotation der Zentrifuge, insbesondere der Trommel, wobei die Zentrifugalkraft auf die Innenseite der Trommel wirkt. Unter dem Rotationsdruck, insbesondere einem hohen Rotationsdruck, ist im Folgenden ein Rotationsdruck mit einem mit einem Rotationsdruckbereich von 1 bis 200 bar, bevorzugt 1 bis 100 bar, besonders bevorzugt 10 bis 100 bar zu verstehen. Im Weiteren ist im Folgenden unter einem Behälterdruck, der Druck im
Entspannungsbehälter zu verstehen, der sich bevorzugt aus dem entspannten Gemisch, insbesondere aus einem entspannten Fluidanteil des Gemischs ergibt. Der Behälterdruck kann dem Luftdruck entsprechen, bevorzugt kann der Behälterdruck von 1 bis 20 bar, bevorzugt 1 bis 10 bar, besonders bevorzugt 1 bis 5 bar betragen.
Im Weiteren ist unter einem Gasdruck, der Druck zu verstehen, der sich aus dem Fluidanteil des Gemischs in der Zentrifuge, insbesondere in der Trommel ergibt. Der Gasdruck kann dem Luftdruck entsprechen, bevorzugt kann der Gasdruck von 1 bis 20 bar oder 1 bis 150 bar, bevorzugt 1 bis 10 bar oder 1 bis 75 bar, besonders bevorzugt 1 bis 5 bar betragen.
Die Zentrifuge kann eine vertikal oder horizontal gelagerte Zentrifuge, eine kontinuierlich oder diskontinuierlich arbeitende Zentrifuge, im Speziellen eine Schälzentrifuge, Gleitzentrifuge, ein- oder mehrstufige Schubzentrifuge, Doppelschubzentrifuge oder Schwingzentrifuge oder eine
Schneckenzentrifugen sein. Die Trommel kann in eine erste Drehrichtung rotierbar sein. Die Trommel kann mit einer Trommeldrehzahl von 1 bis 10.000 Umdrehungen pro Minute drehbar sein, bevorzugt mit 500 bis 10.0000
Umdrehungen pro Minute, besonders bevorzugt mit 1000 bis 4000
Umdrehungen pro Minute, im speziellen mit 2000 bis 4000 Umdrehungen pro Minute drehbar sein. Die Trommel kann hohlzylinderförmig sein, bevorzugt als ein erster Hohlzylinder ausgebildet sein. Die Trommel kann aber auch in eine radiale Richtung, also orthogonal zur Trommelachse, einen runden und/oder kreisförmigen und/oder elliptischen Querschnitt aufweisen. Prinzipiell kann die Trommel auch eine prismaartige Form aufweisen und/oder als Prisma ausgebildet sein und in radiale Richtung einen dreieckigen und/oder rechteckigen und/oder polygonförmigen Querschnitt aufweisen. Die Trommel kann mit einem ersten Motor, insbesondere einem frequenzgesteuerten ersten Motor, antreibbar sein, um mit der Trommel die Durchsatzmenge und die Durchsatzzeit des Gemischs steuern zu können. Die Trommel kann außen, also beispielsweise an einer Aussenseite der Trommel, gegen
Wärmeverluste thermisch isoliert sein. Die Trommel kann am Punkt der Einleitung des Gemischs in den Entspannungsbehälter ein Wehr,
insbesondere ein veränderliches Wehr, aufweisen, welche ermöglicht, die Schichtstärke des Gemischs auf der Innenseite der Trommel zu steuern bzw. zu regeln. Die Trommel, insbesondere die Auslassöffnung der Trommel, kann gedichtet, beispielsweise mit einer O-Ring Dichtung, an, bevorzugt in, der Aufnahmeöffnung des Entspannungsbehälters angeordnet sein. Ausserdem kann die Trommel ein erstes Gegenlager aufweisen, das an der
Aufnahmeöffnung des Entspannungsbehälters angeordnet sein kann. Das Ausstosselement kann ein zweites Gegenlager aufweisen, das an einer weiteren Aufnahmeöffnung des Entspannungsbehälters angeordnet sein kann. Das Ausstosselement kann ebenfalls gedichtet, beispielsweise mit einer O-Ring Dichtung, an, bevorzugt in, der weiteren Aufnahmeöffnung des
Entspannungsbehälters angeordnet sein.
Der Zentrifugenanordnung, insbesondere der Zentrifuge oder der Trommel kann, beispielsweise mittels dem Ausstosselement, ein Entspannungsmittel, insbesondere Kohlenstoffdioxid (CO2) oder andere Gase die unter
Normalbedingungen gasförmig sind, beispielsweise Stickstoff, zugeführt werden. Das Entspannungsmittel hat den Effekt, dass bei einem
entsprechendem hohem Rotationsdruck, beispielsweise von 30 bis 200 bar, bevorzugt 50 bis 100 bar, besonders bevorzugt 70 bis 90 bar, also nahezu superkritischem oder superkritischem Druck, das zumindest teilweise oder vollständig superkritische Entspannungsmittel das Gemisch, insbesondere die Feststoffphase des Gemischs, penetriert, und dann das zumindest teilweise oder vollständig superkritische Entspannungsmittel unter dem niedrigeren Behälterdruck des Entspannungsbehälter explosionsartig in eine Gasphase übergeht und das Gemisch mittels dem Entspannungsmittel entspannt werden kann. Der zusätzliche Vorteil ist, dass ein solches Entspannungsmittel noch leichter zurückzugewinnen ist als beispielsweise als Wasserdampf. Die Vorteile der erfindungsgemässen Zentrifugenanordnung und des später erwähnten Entspannungsverfahrens sind:
- geringe Durchsatzzeiten und/oder kurze Aufenthaltszeiten des
Gemischs in der Zentrifugenanordnung, insbesondere in der
Zentrifuge, und/oder
- eine hohe Durchsatzmengen und hohe Verarbeitungskapazität des Gemischs im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen und
Entspannungsverfahren, und/oder
- konstruktiv einfach ausgestaltete Zentrifugenanordnung und/oder verfahrenstechnisch einfach ausgestaltete und/oder mit niedrigen
Herstell kosten verbundenes Entspannungsverfahren, bevorzugt Dampfexplosionsverfahren, insbesondere kontinuierliches
Dampfexplosionsverfahren mit verschiedensten Gemischen, und/oder
- hohe energetische Effizienz aufgrund der Rückführung der Fluide - Die Zentrifugenanordnung weist eine wesentliche kleinere
Vorrichtungsgeometrie mit einer hohen energetischen Effizienz mit geringen Verweilzeiten gegenüber den bekannten Vorrichtungen zur Dampfexplosion auf, insbesondere gegenüber den Reaktoren.
In Ausgestaltung der Erfindung ist das Ausstosselement in Form einer schraubenförmigen Wendel mit einer Ausstossfläche ausgebildet, bevorzugt ist das Ausstosselement eine Förderschnecke, und das Ausstosselement ist im Betriebszustand derart um eine Ausstossachse rotierbar, dass das Gemisch mit der Ausstossfläche entlang der Ausstossachse bewegbar ist, oder das Ausstosselement ist eine Schubbodenvorrichtung und die
Schubbodenvorrichtung ist im Betriebszustand derart entlang der
Ausstossachse hin- und herbewegbar angeordnet, dass das Gemisch mit der Schubbodenvorrichtung, bevorzugt mit einer Schubfläche der
Schubbodenvorrichtung, entlang der Ausstossachse bewegbar ist. Das Ausstosselement kann bevorzugt in einem geringen Abstand zur Innenseite der Trommel in der Trommel angeordnet sein. Das Ausstosselement kann zumindest teilweise an der Auslassöffnung der Trommel angeordnet sein. Die Ausstossachse kann bevorzugt mit der Trommelachse übereinstimmen, wobei die Ausstossachse auch eine von der Trommelachse verschiedene Lage einnehmen kann. Das Ausstosselement kann, insbesondere die
Förderschnecke, in die erste Drehrichtung wie die Trommel rotierbar sein und mit einer Ausstossdrehzahl von 0 bis 300 Umdrehung pro Minute Differenz zur Trommeldrehzahl drehbar sein, bevorzugt 0 bis 150 Umdrehungen pro
Minute, besonders bevorzugt 0 bis 50 Umdrehungen pro Minute,
insbesondere 5 bis 15 oder 0 bis 20 Umdrehungen pro Minute Differenz zur Trommeldrehzahl rotierbar bzw. drehbar sein. Das Ausstosselement kann mit einem zweiten Motor, insbesondere einem frequenzgesteuerten zweiten Motor, antreibbar sein, um mit dem Ausstosselement die Durchsatzmenge und die Durchsatzzeit des Gemischs steuern zu können. Das
Ausstosselement kann, insbesondere wenn es als Schubbodenvorrichtung ausgebildet ist, im Betriebszustand entweder eine oszillatorische
Relativbewegung zwischen der Schubbodenvorrichtung und der in axialer Richtung unbeweglichen Trommel und/oder zwischen einer oder mehrerer eventuell vorhandener weiterer Trommeln ausführen, also hin- und her bewegbar sein. Die Rotation und/oder die oszillatorische Bewegung des Ausstosselements kann bevorzugt über eine Schubstange oder eine
Förderwelle erfolgen. Vorteilhafterweise ist das Gemisch so auf eine
konstruktiv einfache Art und Weise in der Trommel führbar und aus der Trommel in den Entspannungsbehälter bewegbar.
In Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Ausstosselement eine Hohlwelle, wobei die Hohlwelle bevorzugt eine Eintrittsöffnung und/oder eine
Austrittsöffnung aufweist, besonders bevorzugt die Hohlwelle umfangsseitig eine oder mehrere Eintrittsöffnungen und/oder eine oder mehrere
Austrittsöffnungen aufweist. Mittels der Eintrittsöffnungen in der Hohlwelle ist das Fluid aus dem Entspannungsbehälter in die Hohlwelle rückführbar, und/oder mittels der Austrittsöffnungen aus der Hohlwelle in die Trommel rückführbar, bevorzugt wenn der Behälterdruck höher als der Gasdruck ist. Die Schubstange oder eine Förderwelle können bevorzugt als Hohlwelle ausgeführt sein. Die Hohlwelle kann eine hohlzylinderartige Form aufweise, und bevorzugt auch als zweiter Hohlzylinder ausgebildet sein. Die Hohlwelle kann aber auch in eine radiale Richtung, also orthogonal zur Ausstossachse, einen runden und/oder kreisförmigen und/oder elliptischen Querschnitt aufweisen. Prinzipiell kann die Hohlwelle auch eine prismaartige Form aufweisen und/oder als Prisma ausgebildet sein und in radiale Richtung einen dreieckigen und/oder rechteckigen und/oder polygonförmigen Querschnitt aufweisen. Das im Entspannungsbehälter entspannte absetzbare Gemisch, insbesondere die Anteile der Gasphase, können den Behälterdruck erhöhen, sodass der Behälterdruck höher als der Gasdruck in der Trommel werden kann. Vorteilhafterweise ermöglicht die Hohlwelle somit mit der
Eintrittsöffnung und/oder der Austrittsöffnung, dass das Fluid aus dem
Entspannungsbehälter in die Zentrifuge, insbesondere in die Trommel, rückführbar ist, wodurch der Energieverbrauch durch die Rückführung des Fluids, insbesondere aufgrund der grossen Mengen des Fluids, bevorzugt Wasserdampfs, wesentlich geringer ist als bei den bekannten Vorrichtungen und Verfahren. Im Weiteren kann aufgrund dieser Massnahme das Fluid in der Trommel mittels des Rotationsdrucks wieder in die Flüssigphase umgewandelt und/oder rekondensiert und/oder weiterverwendet werden.
In Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Ausstosselement eine
Abwurfscheibe, mit der das Gemisch aus der Trommel in den
Entspannungsbehälter abwerfbar ist. Die Abwurfscheibe ermöglicht eine gezielte Verteilung des zu entspannenden Gemischs im
Entspannungsbehälter.
In Ausgestaltung der Erfindung ist in der Trommel ein Kavitationsrotor vorgesehen ist, wobei der Kavitationsrotor bevorzugt zwischen der
Einlassöffnung der Trommel und dem Ausstosselement angeordnet ist, besonders bevorzugt der Kavitationsrotor im Betriebszustand um eine Rotorachse rotierbar ist. Der Kavitationsrotor ist in eine zweite Drehrichtung rotierbar. Die erste Drehrichtung und die zweite Drehrichtung können übereinstimmen, wobei bevorzugt die zweite Drehrichtung entgegengesetzt zur ersten Drehrichtung ist. Die Trommelachse, Ausstossachse und
Rotorachse können übereinstimmen oder aber auch eine voneinander verschiedene Lage im Raum einnehmen. Der Kavitationsrotor kann
hohlzylinderförmig sein, bevorzugt als ein dritter Hohlzylinder ausgebildet sein. Der Kavitationsrotor kann aber auch in eine radiale Richtung, also orthogonal zur Rotorachse, einen runden und/oder kreisförmigen und/oder elliptischen Querschnitt aufweisen. Prinzipiell kann der Kavitationsrotor auch eine prismaartige Form aufweisen und/oder als Prisma ausgebildet sein und in radiale Richtung einen dreieckigen und/oder rechteckigen und/oder polygonförmigen Querschnitt aufweisen. Der Kavitationsrotor kann mit einem dritten Motor, insbesondere einem frequenzgesteuerten dritten Motor, antreibbar sein, um mit dem Kavitationsrotor die Durchsatzmenge und die Durchsatzzeit des Gemischs steuern zu können. Der erste Motor und der zweite Motor und der dritte Motor können der gleiche Motor oder aber verschiedene Motoren sein. Die Antriebseinrichtung kann für den ersten, zweiten und/oder dritten Motor eine Direktkupplung und/oder eine
Riemenscheiben sein. Vorteilhafterweise kann das Gemisch mit dem
Kavitationsrotor zusätzlich vorbehandelt werden, insbesondere wird das Gemisch zusätzlich in sehr kurzer Zeit, also in 1 bis 10 Sekunden, bevorzugt 3 bis 8 Sekunden, durchmischt und kavitiert, d.h. es wirken mechanische Kräfte auf das Gemisch und sorgen somit für die bessere Durchmischung des Gemischs. Ebenso wird das Gemisch aufgrund der Rotation des
Kavitationsrotors in Gegenrichtung zusätzlich mechanisch Behandelt und/oder besser durchmischt.
In Ausgestaltung der Erfindung weist der Kavitationsrotor an einer inneren Mantelfläche eine Sackbohrung, bevorzugt eine radial gerichtete Sackbohrung auf, bevorzugt mehrere Sackbohrungen in einer Reihe, besonders bevorzugt mehrere Reihen Sackbohrungen. Die innere Manteloberfläche des
Kavitationsrotors zwischen zwei Sackbohrungen kann dabei derart geformt sein, dass das Gemisch zu den Sackbohrungen führbar ist, insbesondere zwangsführbar ist. Das Gemisch kann in radial zur Rotorachse abnehmende Richtung, also in einen Innenraumes des Kavitationsrotors wieder
ausschleuderbar und/oder bewegbar sein. Die Sackbohrungen können entlang der Rotorachse, also axial, und/oder radial zur Rotorachse, in einer Reihe, bevorzugt in mehrerer Reihen Sackbohrungen angeordnet sein. Die Form der Sackbohrungen kann in Abhängigkeit von einem Rotordurchmesser und einer Drehgeschwindigkeit des Kavitationsrotors sowie einer Neigung der Sackbohrungen zur Rotorachse und der Ausformung der Bohrungsöffnungen der Sackbohrungen einstellbar sein. Die innere Mantelfläche des
Kavitationsrotors zwischen zwei Sackbohrungen kann als Nadelspitze geformt sein, bevorzugt mit einer zumindest teilweise in radiale Richtung zur
Rotorachse konisch oder kegelförmig zulaufenden Nadelspitze, sodass das Gemisch mit der Nadelspitze zu den Sackbohrungen führbar ist, insbesondere zwangsführbar ist. Vorteilhafterweise kann das Gemisch insbesondere mit den Sackbohrungen am Kavitationsrotor zusätzlich vorbehandelt werden. Das Gemisch kann ausserdem von Vorteil mittels der Sackbohrung durchmischt werden, indem das Gemisch in die Sackbohrung eingesaugt wird und aufgrund des Unterdruckes entstehende Blasen in den Sackbohrungen permanent in sich zusammenstürzen und damit kavitieren. Beim
Zusammenstürzen werden mechanische Kräfte und/oder Schockwellen mit hoher Temperatur und/oder hohem Kavitationsdruck erzeugt und in das Gemisch, bevorzugt in die Biomasse, besonders bevorzugt in die
dampfgesättigtem Biomasse mit Wasser und/oder Gas eingebracht. Ein weiterer Vorteil ist, dass die gute Durchdringung und Durchmischung des Gemischs, wie bereits erwähnt, in Bruchteilen von Sekunden erfolgt.
In Ausgestaltung der Erfindung ist die Trommel mit der Trommeldrehzahl von 1 bis 10.000 Umdrehungen pro Minute drehbar bzw. rotierbar, bevorzugt mit 500 bis 10.0000 Umdrehungen pro Minute, besonders bevorzugt mit 1 .000 bis 4.000 Umdrehungen pro Minute, im Speziellen mit 2.000 bis 4.000
Umdrehungen pro Minute. Vorteilhafterweise erzeugen die
Trommeldrehzahlen in diesem Bereich sehr hohe Fliehkräfte, insbesondere einen sehr hohen Rotationsdruck, sodass das eingebrachte Gemisch sehr schnell auf den Rotationsdruck gebracht werden kann und das Gemisch lediglich kurze Aufenthaltszeit in der Trommel aufweist. Der hohe
Rotationsdruck ermöglicht es ausserdem das Gemisch weiter zu erhitzen und/oder einen Anteil der Gasphase des Gemischs in der Flüssigphase zu halten.
In Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Zentrifugenanordnung einen Sieb, bevorzugt ein hohlzylinderförmigen Sieb mit einer oder mehreren
Sieböffnungen oder Poren, und/oder das Sieb ist in der Trommel angeordnet und das Ausstosselement ist im Sieb angeordnet. Auf einer Aussenfläche des Siebs kann eine Längsrille und/oder eine Querrillen vorgesehen sein.
Vorteilhafterweise kann so ein unter dem Rotationsdruck stehende
Flüssigphase des Gemischs, insbesondere ein Überschusswasser, zur Einlassöffnung oder auch nach ausserhalb der Zentrifugenanordnung rückführbar sein und beispielsweise bei einer Aufheizung des Gemischs vor der Zentrifugenanordnung, insbesondere vor der Einlassöffnung, als energiesparende Rückführung Verwendung finden.
Das Sieb kann ein Filtertuch und/oder ein Stützgewebe und/oder ein Filtersieb sein, insbesondere kann das Sieb aus Polypropylen und/oder aus Metall und/ oder aus einem Verbundwerkstoff und/oder aus einem Carbon
Verbundwerkstoff, bevorzugt aus einem gesinterten Material und/oder aus Keramik und/oder Sintermetall. Das Filtertuch und/oder das Stützgewebe können ein Textilfiltertuch und/ oder ein Textilstützgewebe sein. Das
Stützgewebe kann zwischen dem Filtertuch und der inneren Umfangsfläche des Trommelmantels angeordnet sein und verhindert dabei, dass das
Filtertuch aufgrund des Trommeldrucks in die Abiaufbohrung eingezogen wird und die Abiaufbohrung durch das Filtertuch verstopft wird. Durch das
Stützgewebe wird somit gewährleistet, dass die abzentrifugierte Flüssigphase des Gemischs sicher aus der Trommel nach aussen abgeführt werden kann. Das Sieb, insbesondere das Filtersieb, kann eine oder mehrere Poren umfassen und ein weiterer Hohlzylinder sein. Vorteilhafterweise kann das absetzbare Gemisch, insbesondere die Feststoffphase oder den
Feststoffkuchen, somit auf dem Sieb absetzbar sein.
In Ausgestaltung der Erfindung ist am Entspannungsbehälter eine
Austragseinrichtung vorgesehen, sodass das entspannte Gemisch mit der Austragseinrichtung aus dem Entspannungsbehälter austragbar ist. Im
Weiteren kann die Zentrifugenanordnung einen Kondensator umfassen, wobei der Kondensator bevorzugt am Entspannungsbehälter angeordnet ist, sodass das entspannte Gemisch, insbesondere das Fluid, mittels Kondensation verflüssigbar ist. Die Zentrifugenanordnung kann auch eine weitere
Förderschnecke umfassen, wobei die weitere Förderschnecke bevorzugt am Entspannungsbehälter angeordnet ist, sodass das entspannte Gemisch, insbesondere der entspannte Feststoffkuchen, im oder am oder aus dem Entspannungsbehälter führbar ist. Der Kondensator ermöglicht es
vorteilhafterweise das Fluid, insbesondere Gase und Dämpfe sowie
mitgerissenen Substanzen mittels Kondensation zu verflüssigen und erlaubt somit das Fluid einer weiteren Fraktionierung oder Rückführung zuzuführen. Die weitere Förderschnecke, die auch ein Ausstosselement sein kann, kann am Entspannungsbehälter angeordnet, bevorzugt an den
Entspannungsbehälter angeschlossenen sein oder auch in diesem
angeordnet sein. Die weitere Förderschnecke ermöglicht es das entspannte Gemisch von der Zentrifugenanordnung wegzuführen, insbesondere weiteren Vorrichtungen und/oder Verfahren, beispielsweise Warmwasser-Auslaugung, chemische Laugung oder Trocknung etc., zuzuführen.
In Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Zentrifugenanordnung eine
Pumpe, bevorzugt eine Hochdruckfeststoffpumpe, wobei die Pumpe bevorzugt an der Einlassöffnung, besonders bevorzugt ausserhalb der Tronnnnel angeordnet ist, und/oder die Zentrifugenanordnung einen
Dampferzeuger umfasst, wobei der Dampferzeuger bevorzugt an der
Einlassöffnung, besonders bevorzugt ausserhalb der Trommel angeordnet ist. Die Pumpe kann eine frequenzgesteuerte Pumpe sein und/oder durch ein Getriebe steuerbar sein. Die Pumpe hat den Vorteil, dass das Gemisch, bevor es der Zentrifuge, insbesondere der Trommel und/oder dem Kavitationsrotor über die Einlassöffnung der Trommel zuführbar ist, zusätzlich auf einen Pumpendruck gebracht werden kann. Der Dampferzeuger hat den Vorteil, dass das Gemisch, bevor es der Zentrifuge, insbesondere der Trommel und/oder dem Kavitationsrotor über die Einlassöffnung der Trommel zuführbar ist, zusätzlich ein Gas, bevorzugt ein Wasserdampf, zugeführt werden kann.
Die Erfindung betrifft weiter ein Entspannungsverfahren zur Behandlung eines Gemischs in einer Zentrifugenanordnung. Die Zentrifugenanordnung umfasst eine Zentrifuge mit einer Trommel, wobei die Trommel eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung aufweist. In der Trommel wird ein Gasdruck ausgebildet und die Trommel wird derart um eine Trommelachse rotiert, dass auf einer Innenseite der Trommel ein unter einem Rotationsdruck stehendes Gemisch abgesetzt wird. In n der Trommel ist ein Ausstosselement
angeordnet. Die Zentrifugenanordnung umfasst weiter einen
Entspannungsbehälter, wobei im Entspannungsbehälter ein im Vergleich zum Rotationsdruck niedriger Behälterdruck ausgebildet wird. Ausserdem wird die Auslassöffnung der Trommel derart an einer Aufnahmeöffnung des
Entspannungsbehälter angeordnet und das unter dem Rotationsdruck abgesetzte Gemisch derart mit dem Ausstosselement über die
Auslassöffnung und die Aufnahmeöffnung in den Entspannungsbehälter geführt, dass das Gemisch unter dem niedrigeren Behälterdruck des
Entspannungsbehälter explosionsartig entspannt wird. In Ausgestaltung der Erfindung wird beim Entspannungsverfahren die erfindungsgemässe Zentrifugenanordnung verwendet, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Das erfindungsgemässe Entspannungsverfahren weist die oben
beschriebenen Vorteile der erfindungsgemassen Zentrifugenanordnung auf.
Weitere vorteilhafte Massnahmen und bevorzugte Verfahrensführungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Im Folgenden wird die Erfindung sowohl in apparativer als auch in
verfahrenstechnischer Hinsicht anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der schematischen
Zeichnung zeigt:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen
Zentrifugenanordnung, und
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen
Zentrifugenanordnung, und
Fig. 3 einen Ausschnitt des Kavitationsrotors mit Sackbohrungen;
Figur 1 zeigt schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Zentrifugenanordnung 1 zur Durchführung eines
Entspannungsverfahrens. Die Zentrifugenanordnung 1 umfasst eine
Zentrifuge 2 mit einer Trommel 23, die eine Einlassöffnung 21 und eine Auslassöffnung 22 umfasst, und eine hohlzylinderförmige Form aufweist, bevorzugt als ein erster Hohlzylinder ausgebildet ist. In der Trommel 23 ist ein Gasdruck ausbildbar und die Trommel 23 ist im Betriebszustand um eine Trommelachse T derart in eine erste Drehrichtung rotierbar, dass auf einer Innenseite der Trommel 23, insbesondere einer inneren
Trommel mantelfläche, ein unter einem Rotationsdruck stehendes Gemisch absetzbar ist. In der Tronnnnel 23 ist ein Ausstosselement 3 angeordnet, wobei das Ausstosselement bevorzugt zumindest teilweise an der Auslassöffnung 22 angeordnet ist. Die Zentrifugenanordnung 1 umfasst weiter einen
Entspannungsbehälter 4, wobei im Entspannungsbehälter 4 ein im Vergleich zum Rotationsdruck niedriger Behälterdruck ausbildbar ist. Die
Auslassöffnung 22 der Trommel 23 ist derart an einer Aufnahmeöffnung 41 des Entspannungsbehälter 4 angeordnet und das unter dem Rotationsdruck abgesetzte Gemisch so mit dem Ausstosselement 3 über die Auslassöffnung 22 und die Aufnahmeöffnung 41 in den Entspannungsbehälter 4 aus der Trommel 2 abführbar, dass das Gemisch unter dem niedrigeren Behälterdruck des Entspannungsbehälter 4 explosionsartig entspannt werden kann. Somit kann aufgrund des schnellen Druckwechsels vom höheren Rotationsdruck zum niedrigeren Behälterdruck das Gemisch, insbesondere das absetzbare Gemisch explosionsartig entspannt werden. Das erfindungsgemässe Entspannungsverfahren zur Behandlung eines Gemischs in einer Zentrifugenanordnung 1 kann wie folgt beschrieben werden. Die Zentrifugenanordnung 1 umfasst eine Zentrifuge 2 mit einer Trommel 23, und die Trommel 23 eine Einlassöffnung 21 und eine
Auslassöffnung 22. In der Trommel 23 wird ein Gasdruck ausgebildet und die Trommel 23 wird derart um die Trommelachse T rotiert, dass auf einer Innenseite der Trommel 23 ein unter einem Rotationsdruck stehendes
Gemisch abgesetzt wird. Ausserdem ist in der Trommel 23 ein
Ausstosselement 3 angeordnet. Im Weiteren ist ein Entspannungsbehälter 4 vorgesehen, wobei im Entspannungsbehälter 4 ein im Vergleich zum
Rotationsdruck niedriger Behälterdruck ausgebildet wird. Ausserdem wird die Auslassöffnung 22 der Trommel 23 derart an einer Aufnahmeöffnung 41 des Entspannungsbehälter 4 angeordnet und das unter dem Rotationsdruck abgesetzte Gemisch derart mit dem Ausstosselement 3 über die
Auslassöffnung 22 und die Aufnahmeöffnung 41 in den Entspannungsbehälter 4 geführt wird, dass das Gemisch unter dem niedrigeren Behälterdruck des Entspannungsbehälter 4 explosionsartig entspannt wird.
Beim erfindungsgemässen Entspannungsverfahren zur Behandlung eines Gemischs in einer Zentrifugenanordnung kann insbesondere die
erfindungsgemässe Zentrifugenanordnung 1 verwendet werden.
Die Trommel 23, insbesondere die Auslassöffnung 22 der Trommel 23, ist gedichtet, beispielsweise mit einer O-Ring Dichtung, an, bevorzugt in, der Aufnahmeöffnung 41 des Entspannungsbehälters 4 angeordnet. Ausserdem weist die Trommel 23 ein erstes Gegenlager (nicht dargestellt) auf, das an der Aufnahmeöffnung 41 des Entspannungsbehälters 4 angeordnet ist. Die
Trommel ist mit 1 bis 10.000 Umdrehungen pro Minute drehbar, bevorzugt mit 500 bis 10.0000 Umdrehungen pro Minute, besonders bevorzugt mit 1000 bis 4000 Umdrehungen pro Minute, im speziellen mit 2000 bis 4000
Umdrehungen pro Minute, drehbar. Ausserdem kann die Trommel gegen Wärmeverluste außen thermisch isoliert sein.
Das Ausstosselement 3 ist in Form einer schraubenförmigen Wendel mit einer Ausstossfläche 31 , bevorzugt als eine Förderschnecke 3, 301 , ausgebildet. Das Ausstosselement 3 weist ein zweites Gegenlager (nicht dargestellt) auf, das an einer weiteren Aufnahmeöffnung 43 des Entspannungsbehälters 4 angeordnet ist. Das Ausstosselement ist ebenfalls gedichtet, beispielsweise mit einer weiteren O-Ring Dichtung, an, bevorzugt in, der weiteren
Aufnahmeöffnung 43 des Entspannungsbehälters 4 angeordnet. Darüber hinaus ist das Ausstosselement 3 im Betriebszustand derart um eine
Ausstossachse A in die erste Drehrichtung rotierbar, dass das Gemisch mit der Ausstossfläche 31 entlang der Ausstossachse A bewegbar ist. Das Ausstosselement 3 kann mit einer Ausstossdrehzahl von 0 bis 300
Umdrehung pro Minute Differenzumdrehung zur Trommeldrehzahl drehbar sein, bevorzugt 0 bis 150 Umdrehungen pro Minute, besonders bevorzugt 0 bis 50 Umdrehungen pro Minute, insbesondere 5 bis 15 oder 0 bis 20 Umdrehungen pro Minute Differenzumdrehung zur Trommeldrehzahl rotierbar bzw. drehbar sein. Das Ausstosselement 3 umfasst ausserdem eine
Abwurfscheibe 36, mit der das Gemisch aus der Trommel 2 in den
Entspannungsbehälter 4 abwerfbar ist. Im Weiteren umfasst das
Ausstosselement 3 eine Hohlwelle 33, die eine hohlzylinderförmige Form aufweist, und bevorzugt mindestens eine Eintrittsöffnung 34 und/oder mindestens eine Austrittsöffnung 35 aufweist. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist die Hohlwelle 33 umfangsseitig mehrere Eintrittsöffnungen 34 und mehrere Austrittsöffnungen 35 auf. Dadurch kann, bevorzugt wenn der Behälterdruck höher als der Gasdruck ist, mittels der Eintrittsöffnungen 34 in der Hohlwelle 33 ein Fluid aus dem Entspannungsbehälter 4 in die Hohlwelle 33 und mittels der Austrittsöffnung 35 aus der Hohlwelle 33 in die Trommel 2 rückgeführt werden. Somit wird vorteilhafterweise das Rückströmen des Fluids vom Entspannungsbehälter 4 in die Zentrifuge 2, bevorzugt die Trommel 23, ermöglicht.
In der Trommel 2 ist ein Kavitationsrotor 5 vorgesehen, der eine
hohlzylinderförmige Form aufweist und bevorzugt als dritter Hohlzylinder ausgebildet ist. Der Kavitationsrotor 5 ist bevorzugt zwischen der
Einlassöffnung 21 der Trommel 2 und dem Ausstosselement 3 angeordnet, kann aber auch an einer anderen Stelle in der Trommel 2 angeordnet sein. Der Kavitationsrotor 5 ist im Betriebszustand um die Rotorachse R rotierbar. Der Kavitationsrotor 5 ist in eine zweite Drehrichtung rotierbar, wobei die zweite Drehrichtung bevorzugt entgegengesetzt zur ersten Drehrichtung ist. An einer inneren Mantelfläche 51 des Kavitationsrotors 5 sind eine bzw.
mehrere Sackbohrung 52 vorgesehen. Die Sackbohrungen 52 sind entlang der Rotorachse R, also axial, und/oder radial zur Rotorachse R, in einer Reihe, bevorzugt in mehrerer Reihen Sackbohrungen angeordnet. Die innere Manteloberfläche des Kavitationsrotors zwischen zwei Sackbohrungen ist derart geformt, bevorzugt in radial zur Rotorachse R zunehmende Richtung konisch oder kegelförmig geformt ist, dass das Gemisch zu den Sackbohrungen führbar, insbesondere zwangsführbar ist, und in radial zur Rotorachse abnehmende Richtung, also in einen Innenraumes des
Kavitationsrotors 5 wieder ausschleuderbar und/oder bewegbar ist. Die Form der Sackbohrungen 52 hängt von einem Rotordurchmesser und einer
Drehgeschwindigkeit des Kavitationsrotors 5 sowie der Neigung der
Sackbohrungen 52 zur Rotorachse R und der Ausformung der
Bohrungsöffnungen der Sackbohrungen 52 ab.
In der Trommel 2 ist ein Sieb 6 angeordnet, bevorzugt ein
hohlzylinderförmiger Sieb 6 mit mehreren Sieböffnungen, und im Sieb 6 ist das Ausstosselement 3 angeordnet. Das Sieb 6 kann dabei insbesondere als ein poröser Innenzylinder ausgebildet sein. Auf einer Aussenfläche des Siebs 6 können ausserdem eine Längsrille und/oder eine Querrillen vorgesehen sein, sodass die abgetrennte Flüssigphase des Gemischs und/oder das rekondensierte Fluid zur Einlassöffnung 21 rückführbar sind. Die abgetrennte Flüssigphase des Gemisch und/oder das rekondensierte Fluid können dabei entlang der Mantelfläche der Trommel 2 geführt und über ein Druckhalteventil gezielt rückgeführt werden, um bei der Aufheizung des einführbaren
Gemischs als energiesparende Rückführung Verwendung zu finden.
Am Entspannungsbehälter 4 ist ausserdem eine Austragseinrichtung 44 vorgesehen ist, sodass das entspannte Gemisch mit der Austragseinrichtung 44 aus dem Entspannungsbehälter 4 austragbar ist. Die
Zentrifugenanordnung 1 kann im Weiteren einen Kondensator (nicht dargestellt) und/oder eine weitere Förderschnecke (nicht dargestellt) umfassen. Der Kondensator kann bevorzugt am Entspannungsbehälter 4 angeordnet sein, sodass das entspannte Gemisch verflüssigbar ist und somit es einer weiteren Fraktionierung oder Rückführung zuführbar ist. Die weitere Förderschnecke kann bevorzugt am Entspannungsbehälter 4 angeordnet sein, bevorzugt an diesen angeschlossen sein. Die Zentrifugenanordnung 1 kann ausserdem eine Pumpe (nicht dargestellt) umfassen, bevorzugt eine Hochdruckfeststoffpumpe, wobei die Pumpe bevorzugt an der Einlassöffnung 21 , besonders bevorzugt ausserhalb der Trommel 23, angeordnet ist, und/oder einen Dampferzeuger (nicht dargestellt) umfassen, wobei der Dampferzeuger bevorzugt an der Einlassöffnung 21 , besonders bevorzugt ausserhalb der Trommel 23, angeordnet ist. In Figur 2 ist eine schematische Darstellung eines zweiten
Ausführungsbeispiels der erfindungsgemassen Zentrifugenanordnung gezeigt. Die Figur 2 entspricht im Wesentlichen Figur 1 , weshalb nur auf die
Unterschiede eingegangen wird. Die Zentrifuge 2 der Zentrifugenanordnung 1 kann auch als eine Schubzentrifuge oder als Doppelschubzentrifuge oder als mehrstufige Schubzentrifuge ausgebildet sein. Wie bereits zu Fig. 1
beschrieben ist die Trommel 23 am Entspannungsbehälter 4 angeordnet und das Ausstosselement 3, das in der Trommel 23 angeordnet ist, ist eine
Schubbodenvorrichtung 3, 302. Die Schubbodenvorrichtung 3, 302 ist im Betriebszustand derart entlang der Ausstossachse A hin- und herbewegbar angeordnet, dass das Gemisch mit der Schubbodenvorrichtung 3, 302, bevorzugt mit einer Schubfläche 32 der Schubbodenvorrichtung 3, 302, entlang der Ausstossachse A bewegbar ist. Auch hier umfasst das
Ausstosselement 3 eine Hohlwelle 33, die eine hohlzylinderförmige Form aufweist, und die Hohlwelle 33 weist umfangsseitig mehrere Eintrittsöffnungen 34 und mehrere Austrittsöffnungen 35 auf. Dadurch kann, bevorzugt wenn der Behälterdruck höher als der Gasdruck ist, das Fluid mittels der
Eintrittsöffnungen 34 in der Hohlwelle 33 aus dem Entspannungsbehälter 4 in die Hohlwelle 33 und mittels der Austrittsöffnung 35 aus der Hohlwelle 33 in die Trommel 2 rückgeführt werden. In Figur 3 ist eine schematische Darstellung einer Sackbohrung des
Kavitationsrotors gezeigt. Wie bereits zu Figur 1 beschrieben, sind an der inneren Mantelfläche 51 des Kavitationsrotors 5 (siehe Fig. 1 ) eine oder mehrere Sackbohrung 52 vorgesehen. Die innere Mantelfläche 51 des
Kavitationsrotors 5 zwischen zwei Sackbohrungen ist als Nadelspitze 53 geformt, bevorzugt mit einer zumindest teilweise in radiale Richtung zur Rotorachse R (siehe Fig. 1 ) konisch oder kegelförmig zulaufenden Nadelspitze 53, sodass das Gemisch mit der Nadelspitze 53 zu den Sackbohrungen 52 führbar ist, insbesondere zwangsführbar ist.

Claims

Patentansprüche:
1 . Zentrifugenanordnung zur Durchführung eines Entspannungsverfahrens, umfassend eine Zentrifuge (2) mit einer Trommel (23), die eine
Einlassöffnung (21 ) und eine Auslassöffnung (22) umfasst, wobei in der Trommel (23) ein Gasdruck ausbildbar ist, und die Trommel (23) im
Betriebszustand um eine Trommelachse (T) derart rotierbar ist, dass auf einer Innenseite der Trommel (23) ein unter einem Rotationsdruck stehendes Gemisch absetzbar ist,
und wobei in der Trommel (23) ein Ausstosselement (3, 301 , 302) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem Entspannungsbehälter (4) ein im Vergleich zum Rotationsdruck niedriger Behälterdruck ausbildbar ist, wobei die Auslassöffnung (22) der Trommel (23) derart an einer Aufnahmeöffnung (41 ) des
Entspannungsbehälter (4) angeordnet ist und das unter dem
Rotationsdruck abgesetzte Gemisch so mit dem Ausstosselement (3, 301 , 302) über die Auslassöffnung (22) und die Aufnahmeöffnung (41 ) in den Entspannungsbehälter (4) aus der Trommel (23) abführbar ist, dass das Gemisch unter dem niedrigeren Behälterdruck des Entspannungsbehälter (4) explosionsartig entspannt werden kann.
2. Zentrifugenanordnung nach Anspruch 1 , wobei das Ausstosselement (3, 301 , 302) in Form einer schraubenförmigen Wendel mit einer
Ausstossfläche (31 ) ausgebildet ist, bevorzugt eine Förderschnecke (3, 301 ) ist, und das Ausstosselement (3, 301 , 302) im Betriebszustand derart um eine Ausstossachse (A) rotierbar ist, dass das Gemisch mit der Ausstossfläche (31 ) entlang der Ausstossachse (A) bewegbar ist, oder das Ausstosselement (3, 301 , 302) eine Schubbodenvorrichtung (3, 302) ist und die Schubbodenvorrichtung (3, 302) im Betriebszustand derart entlang der Ausstossachse (A) hin- und herbewegbar angeordnet ist, dass das Gemisch mit der Schubbodenvorrichtung (3, 302), bevorzugt mit einer Schubfläche (32) der Schubbodenvorrichtung (3, 302), entlang der Ausstossachse (A) bewegbar ist.
3. Zentrifugenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das
Ausstosselement (3, 301 , 302) eine Hohlwelle (33) umfasst, wobei die Hohlwelle (33) bevorzugt eine Eintrittsöffnung (34) und/oder eine
Austrittsöffnung (35) aufweist, besonders bevorzugt die Hohlwelle (33) umfangsseitig eine oder mehrere Eintrittsöffnungen (34) und/oder eine oder mehrere Austrittsöffnungen (35) aufweist.
4. Zentrifugenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mittels der Eintrittsöffnungen (34) in der Hohlwelle (33) ein Fluid aus dem Entspannungsbehälter (4) in die Hohlwelle (33) rückführbar ist, und/oder mittels der Austrittsöffnungen (35) aus der Hohlwelle (33) in die Trommel (23) rückführbar ist, bevorzugt wenn der Behälterdruck höher als der Gasdruck ist.
5. Zentrifugenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Ausstosselement (3, 301 , 302) eine Abwurfscheibe (36) umfasst, mit der das Gemisch aus der Trommel (23) in den Entspannungsbehälter (4) abwerfbar ist.
6. Zentrifugenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in der Trommel (23) ein Kavitationsrotor (5) vorgesehen ist, wobei der
Kavitationsrotor (5) bevorzugt zwischen der Einlassöffnung (21 ) der Trommel (23) und dem Ausstosselement (3, 301 , 302) angeordnet ist, besonders bevorzugt der Kavitationsrotor (5) im Betriebszustand um die Rotorachse (R) rotierbar ist.
7. Zentnfugenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Trommel (23) in eine erste Drehrichtung und/oder der Kavitationsrotor (5) in eine zweite Drehrichtung rotierbar ist, bevorzugt die zweite
Drehrichtung entgegengesetzt zur ersten Drehrichtung ist.
8. Zentrifugenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kavitationsrotor (5) an einer inneren Mantelfläche (51 ) eine
Sackbohrung (52) aufweist, bevorzugt mehrere Sackbohrungen (52) in einer Reihe, besonders bevorzugt mehrere Reihen Sackbohrungen (52) aufweist.
9. Zentrifugenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Trommel (23) mit 1 bis 10.000 Umdrehungen pro Minute drehbar ist, bevorzugt mit 500 bis 10.0000 Umdrehungen pro Minute, besonders bevorzugt mit 1000 bis 4000 Umdrehungen pro Minute, im Speziellen mit 2000 bis 4000 Umdrehungen pro Minute, drehbar ist.
10. Zentrifugenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
umfassend einen Sieb (6), bevorzugt ein hohizylinderformigen Sieb (6) mit einer oder mehreren Sieböffnungen, und/oder das Sieb (6) in der
Trommel (23) angeordnet ist und das Ausstosselement (3, 301 , 302) im Sieb (6) angeordnet ist.
1 1 . Zentrifugenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei auf einer äusseren Mantelfläche des Siebs (6) eine Längsrille und/oder eine Querrillen vorgesehen ist, sodass ein Überschusswasser zur
Einlassöffnung (21 ) rückführbar ist.
12. Zentrifugenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei am Entspannungsbehälter (4) eine Austragseinrichtung (44) vorgesehen ist, sodass das entspannte Gemisch mit der Austragseinrichtung (44) aus dem Entspannungsbehälter (4) austragbar ist und/oder die
Zentrifugenanordnung (1 ) eine Kondensator umfasst, wobei der
Kondensator bevorzugt am Entspannungsbehälter (4) angeordnet ist, sodass das entspannte Gemisch mittels Kondensation verflüssigbar ist, und/oder die Zentrifugenanordnung (1 ) eine weitere Förderschnecke umfasst, wobei die weitere Förderschnecke bevorzugt am
Entspannungsbehälter (4) angeordnet ist, sodass das entspannte
Gemisch führbar ist.
13. Zentrifugenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
umfassend eine Pumpe, bevorzugt eine Hochdruckfeststoffpumpe, wobei die Pumpe bevorzugt an der Einlassöffnung (21 ) angeordnet ist, und/oder die Zentrifugenanordnung einen Dampferzeuger umfasst, wobei der Dampferzeuger bevorzugt an der Einlassöffnung angeordnet ist.
14. Entspannungsverfahren zur Behandlung eines Gemischs in einer
Zentrifugenanordnung, wobei die Zentrifugenanordnung eine Zentrifuge (2) mit einer Trommel (23) umfasst, und die Trommel (23) eine
Einlassöffnung (21 ) und eine Auslassöffnung (22) aufweist, wobei in der Trommel (23) ein Gasdruck ausgebildet wird, und die Trommel (23) derart um eine Trommelachse (T) rotiert wird, dass auf einer Innenseite der Trommel (23) ein unter einem Rotationsdruck stehendes Gemisch abgesetzt wird, und wobei in der Trommel (23) ein Ausstosselement (3, 301 , 302) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem Entspannungsbehälter (4) ein im Vergleich zum Rotationsdruck niedriger Behälterdruck ausgebildet wird, wobei die Auslassöffnung (22) der Trommel (23) derart an einer Aufnahmeöffnung (41 ) des
Entspannungsbehälter (4) angeordnet wird und das unter dem
Rotationsdruck abgesetzte Gemisch derart mit dem Ausstosselement (3, 301 , 302) über die Auslassöffnung (22) und die Aufnahmeöffnung (41 ) in den Entspannungsbehälter (4) geführt wird, dass das Gemisch unter dem niedrigeren Behälterdruck des Entspannungsbehälter (4) explosionsartig entspannt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei eine Zentrifugenanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 verwendet wird.
PCT/EP2017/071188 2017-01-27 2017-08-23 Zentrifugenanordnung, entspannungsverfahren zur behandlung eines gemischs WO2018137793A1 (de)

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