결합식 기화/스트리핑 흡수 모듈{COMBINED VAPORIZING/STRIPPING ABSORPTION MODULE}
본 발명은 대체로 유체 분리(fluid separation)의 기술분야에 관한 것이다.
유체 분리의 기술분야에서 공정 증기(process vapor) 및 이에 수반하는 열의 발생을 흡수하기 위해 LiBr 브라인(brine)과 같은 브라인을 사용하는 것이 알려져 있다. 흡수기에 의해 발생된 열을 증발기(evaporator) 또는 보일러로 운반하여 공정 증기를 생성하기 위해 열 교환 회로 주변에 열-운반 유체를 구동하는 펌프를 사용하는 것이 알려져 있다.
본 발명의 일 태양은 기화(vaporization)에 의해 증기 유동과 감손 액체 유동(depleted flow of liquid)으로 분리가능한 액체 혼합물 유동을 사용하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은, 상기 액체 혼합물 유동의 일부가 기화되어 상기 증기 유동과 상기 감손 액체 유동을 생성하는, 기화 단계와, (i) 증기 유동은 증기로부터 하나 이상의 성분을 발열성으로 흡수하도록(exothermically absorb) 구성된 브라인 유동에 도입되고, (ii) 열이 배출되어, 적어도 열 유동 및 하나 이상의 성분이 강화된(enriched) 브라인 유동을 생성하는, 흡수 단계와, 흡수 단계에서 배출된 열이 전달되어 기화 단계에서의 기화를 일으키는, 열 전달 단계를 포함한다. 기화를 일으키는 열 전달은 기체 상태로부터 액체 상태로의 작동 유체의 상 변화와 관련된다. 흡수 단계에서의 열 배출은 액체 상태로부터 기체 상태로의 작동 유체의 상 변화를 수반한다. 액체 상태에서 작동 유체는 중력, 대류 및 위킹(wicking) 중 하나 이상에 의해서만 유동한다. 기체 상태에서 작동 유체는 확산과 대류 중 하나 이상에 의해서만 유동한다. 본 발명의 다른 태양은 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 기화에 의해 증기 유동과 감손 액체 유동으로 분리가능한 액체 혼합물 유동을 사용한다. 상기 장치는 구조물을 포함하고, 상기 구조물은 사용에 있어서: ● 상기 액체 혼합물이 수용되고 상기 증기 유동과 상기 감손 액체 유동으로 분리되는 제1 체적을 형성하고, ● 상기 감손 유동이 제1 체적을 이탈하게 되는 제1 액체 통로를 형성하고, ● 상기 증기 유동이 제1 체적을 이탈하게 되는 증기 통로를 형성하고, ● 상기 증기 통로가 이어지는 제2 체적을 형성하고, ● 제2 체적 내의 적어도 일부에 배치된 열 및 질량 전달 장치를 포함하고, 열 및 질량 전달 장치는: (i) 증기로부터 하나 이상의 성분을 발열성으로 흡수하도록 구성된 브라인 유동을 수용하고; (ii) 브라인 유동을 증기에 도입하고; (iii) 제2 체적으로부터 열을 배출하여 적어도 열 유동 및 하나 이상의 성분이 강화된 브라인 유동을 생성하고, ● 하나 이상의 성분이 강화된 브라인 유동이 제2 체적을 이탈하게 되는 제2 액체 통로를 형성하고, ● 열 유동을 제1 체적에 전달하여 상기 분리를 제공하는 열 이동 장치를 포함한다. 상기 장치의 사용에 있어서, 제1 체적으로의 열 전달은 기체 상태로부터 액체 상태로의 작동 유체의 상 변화와 관련되고, 제2 체적으로부터의 열 배출은 액체 상태로부터 기체 상태로의 작동 유체의 상 변화를 수반하고, 액체 상태에서 작동 유체는 중력, 대류 및 위킹 중 하나 이상에 의해서만 유동하고, 기체 상태에서 작동 유체는 확산과 대류 중 하나 이상에 의해서만 유동한다. 본 발명의 다른 태양에 따르면, 열 이동 장치와, 열 및 질량 전달 장치의 일부는 하나 이상의 열 파이프에 의해 형성되고, 각각의 상기 하나 이상의 열 파이프는 제2 체적 내에 배치된 열 수용 부분과, 제1 체적 내에 배치된 열 이송 부분을 가짐으로써 상기 열 전달을 제공한다. 본 발명의 다른 태양에 따르면, 하나 이상의 열 파이프가 적층되어(stack), 제1 체적 내에 배치된 열 파이프의 이러한 부분은 사용에 있어서 패키징된 기화 컬럼(packed vaporization column)으로서 작동하고, 제2 체적 내에 배치된 열 파이프의 이러한 부분은 사용에 있어서 패키징된 흡수 컬럼(packed absorption column)으로서 작동하게 된다. 본 발명의 다른 태양에 따르면, 사용에 있어서, 제1 체적을 이탈하는 증기는 제1 체적에 유입하는 액체 혼합물과 실질적인 증기-액체 평형을 이룰 수 있다. 본 발명의 다른 태양에 따르면, 사용에 있어서, 제1 체적을 이탈하는 감손 액체 유동의 온도는 제1 체적에 유입하는 액체 혼합물의 온도보다 더 낮을 수 있다. 본 발명의 다른 태양에 따르면, 사용에 있어서, 제1 체적 내의 압력과 제1 체적에 유입하는 액체 혼합물의 온도는 실질적으로 제1 체적에 전달된 모든 열이 액체 혼합물의 기화를 유발하게 할 수 있다. 본 발명의 다른 태양에 따르면, 구조물은 제2 체적으로부터 이어지는 통기구를 더 형성하고, 사용에 있어서, 증기의 적어도 실질적인 부분은 제2 체적 내에 흡수 될 수 있고, 균형량이 통기구를 통해 제2 체적을 이탈한다. 본 발명의 다른 태양에 따르면, 상기 장치는 열 및 질량 전달 장치에 의해 생성된 브라인 유동을 수용하고, 증기로부터 상기 하나 이상의 성분을 발열성으로 흡수하도록 구성된 브라인 유동 및 생성물 스트림을 생성하기 위한 탈착 장치(desorption apparatus)를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 태양에 따르면, 상기 장치는, 사용에 있어서 (i) 증기의 균형량을 수용하고; (ii) 증기의 균형량을, 하나 이상의 성분을 발열성으로 흡수하여 희석된 브라인을 생성하도록 구성된 2차 브라인 유동에 도입하는, 2차 흡수기를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 태양에 따르면, 탈착 장치는 희석된 브라인을 추가적으로 수용하고 2차 브라인 유동을 추가적으로 생성한다. 본 발명의 다른 태양에 따르면, 사용에 있어서, 제1 체적과 제2 체적 내의 압력은 대기압과 비교했을 때 감소되고, 적어도 증기의 대부분은 제2 체적 내에 흡수되고, 진공 펌프는 장치로부터 비워질 증기의 적어도 비응축성 성분을 위해 제공될 수 있다. 본 발명의 다른 태양에 따르면, 제1 체적은 하나 이상의 제1 공간에 의해 형성되고, 제2 체적은 하나 이상의 제2 공간에 의해 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 태양에 따르면, 각각의 하나 이상의 제1 공간과 각각의 하나 이상의 제2 공간은 각각의 베셀(vessel)에 의해 형성될 수 있고, 파이핑은 증기 통로를 형성할 수 있다. 본 발명의 다른 태양에 따르면, 각각의 하나 이상의 제1 공간과 각각의 하나 이상의 제2 공간은 베셀 내에 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 태양에 따르면, 베셀 외부의 파이핑은 증기 통로를 형성할 수 있다. 본 발명의 다른 태양에 따르면, 베셀은 격벽(bulkhead)에 의해 구획되어 하나 이상의 제1 공간과 하나 이상의 제2 공간을 형성할 수 있고, 격벽 내에 형성된 하나 이상의 개구는 증기 통로를 형성할 수 있다. 상기 장치는 바이오프로덕트(bioproduct) 생산 설비의 부분을 형성할 수 있으며, 이는 본 발명의 다른 태양을 형성한다. 상기 장치에 더하여 상기 설비는, 사용에 있어서 브로스(broth)의 이화작용(catabolism)이 연속적으로 일어나는(take place on a continuous basis) 배열부(arrangement)를 포함한다. 상기 장치는 상기 배열부에 결합되어, 연속적으로 브로스 유동을 배출하고, 배출된 브로스로부터 이화작용 억제자(inhibitor)를 제거하여 억제자 함유 유동과 잔여 유동을 생성하고, 잔여 유동을 배열부로 반송한다. 본 발명의 다른 태양에 따르면, 이화작용은 발효작용(fermentation)이고 억제자는 알코올일 수 있다. 본 발명의 다른 태양에 따르면, 억제자 함유 유동은 브로스 보다 더 높은 농도의 억제자를 가질 수 있다. 본 발명의 다른 태양에 따르면, 사용에 있어서, 독소(toxin) 축적을 피하기 위해 브로스의 추출 스트림(bleed stream)이 배출될 수 있고, 추출 스트림은 배치(batch) 내에서 발효될 수 있으며, 상기 설비는, 배치 발효작용의 생성물을 수용하고, (i) 에탄올이 실질적으로 제거된 전체 스틸리지(stillage)의 스트림과 (ii) 탈착 장치에 공급되고 분리되는 에탄올이 강화된 브라인을 생성하기 위한, 추가 장치를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 태양에 따르면, 사용에 있어서, 배열부로부터 배출된 브로스는 약 28 내지 32℃의 온도 및 약 4 내지 10%의 에탄올 농도를 갖고, 잔여 유동은 배출된 유동보다 약 2 내지 4℃ 낮은 온도 및 배출된 유동보다 약 2 내지 6% 낮은 에탄올 농도를 갖고, 제1 체적 내의 압력은 약 30 내지 100 Torr이다. 본 발명의 다른 태양에 따르면, 사용에 있어서, 배열부로부터 배출된 브로스는 약 30℃의 온도 및 약 7%의 에탄올 농도를 갖고, 잔여 유동은 약 28℃의 온도 및 약 2%의 에탄올 농도를 갖고, 제1 체적 내의 압력은 약 30 Torr이다. 본 발명의 다른 태양에 따르면, 열 파이프는 공통 축에 평행하게 배열되고, 구조물은 공통 축에 법선방향으로 배향된 수평 축을 중심으로 피벗 운동을 하도록 구성될 수 있다. 본 발명의 다른 태양에 따르면, 본 발명의 장치는 바이오프로덕트 생산 설비의 부분을 형성할 수 있으며, 상기 설비는, 사용에 있어서 브로스의 이화작용이 배치 단위(batch basis)로 일어나는 배열부를 포함한다. 이러한 설비에서, 상기 장치는 상기 배열부에 결합되어, 브로스 유동을 배출하고, 배출된 브로스로부터 이화작용 억제자를 제거하여 억제자 함유 유동과 잔여 유동을 생성하고, 잔여 유동을 배열부로 반송한다. 본 발명의 다른 장점, 특징 및 특성은 이하의 상세한 설명과 첨부하는 도면을 참조하여 더욱 명확해질 것이며, 도면은 여기에서 간단히 설명되고, 도면에서 전체에 걸쳐 유사한 참조부호는 유사한 구조물을 지칭한다.
도 1은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 스트리핑/흡수 모듈(stripping/absorption module)의 개략도이다.
도 2는 도 1의 모듈의 예시적 사용의 개략도이다.
도 3은 도 2와 유사한, 도 1의 구조물의 다른 예시적 사용의 도면이다.
도 4는 도 1의 구조물의 다른 예시적 사용을 나타내는 다른 개략도이다.
도 5는 도 1에 따른 2개의 모듈을 채용하는 에탄올 생산 설비의 개략도이다.
도 6은 도 4의 구조물의 간략화된 도면과 조합한, 도 5의 에탄올 생산 설비의 간략화된 개략도이다.
도 7은 도 1의 모듈의 대안 실시예의 개략도이다.
도 8은 도 1의 모듈의 추가 실시예의 개략도이다.
도 9는 도 1의 모듈의 추가 실시예의 단면도이다.
스트리핑/흡수 모듈(SAM)은 도 1에 개략적인 형태로 도시되고, 대체로 참조부호 20으로 지시된다. 이러한 모듈은, 베셀(21), 한 쌍의 격벽(22, 24), 복수의 열 파이프(26) 및 한 쌍의 분배기(distributor: 28, 30)를 포함한다. 베셀(21)은, 예를 들어 30 Torr의 감소된 압력에서 작동하는 데 적합한 견고한 베셀(robust vessel)이다. 격벽의 쌍은 제1 격벽(22)과 제2 격벽(24)을 포함한다. 제1 격벽(22)은 베셀의 기부로부터 상향으로 연장되어 베셀의 상부 밑에서 종결된다. 제2 격벽(24)은 제1 격벽으로부터 이격되게 배치되고, 베셀의 상부로부터 하향으로 연장되어 기부 위에서 종결된다. 이러한 배열을 통해 제1 공간(32)과 제2 공간(34)이 베셀 내부에 형성되며, 상기 공간들은 격벽들(22, 24) 사이의 공간에 의해 형성된 도관(35)에 의해 서로 결합된다. 베셀은 복수의 포트(36 내지 44), 즉, 각 공간의 기부의 하나의 하부 포트(36, 38), 각 공간의 상부에 인접한 하나의 상부 포트(40, 42) 및 제2 공간(34)의 상부 선단의 하나의 최상부 포트(44)에 의해 중간에 끼어들어진다(punctuate). 복수의 열 파이프(26)는 제1 공간(32)으로부터 제2 공간(34)으로 연장되고, 제2 공간(34)으로부터 제1 공간(32)으로 열을 운반한다. 열 파이프(26)는 통상의 구조를 가지며, 따라서 본 명세서에서 상세히 설명하지 않는다. 분배기(28, 30)의 쌍은 각각 제1 및 제2 공간(32, 34)의 상부 포트(40, 42)로부터 연장되고, 열 파이프(26)를 적시도록(wet) 구성된다. 이것으로부터 예시된 SAM의 주요 기능적 특징부는 다음과 같다는 것을 알 수 있다: ● 제1 공간(32); ● 제2 공간(34); ● 제1 공간과 제2 공간을 연결하는 도관(35); ● 하부 포트(36, 38); ● 상부 포트(40, 42); ● 최상부 포트(44); ● 열 파이프(26); 및 ● 분배기(28, 30). 도 2는, 기화에 의해 증기 유동과 감손 액체 유동으로 분리가능한 혼합 액체의 유동을 사용하는 예시적인 분리기 장치의 개략적 실시예이며, 이러한 주요 기능적 특징부가 사용에 있어서 작동하는 방법을 보여준다. 본 명세서에서 모듈(20)은 2차 흡수기(46) 및 탈착 장치(48)와 함께 도시된다는 것을 알 것이다. 먼저 모듈(20)로 돌아가면, 제1 공간(32)은 제1 체적을 형성한다는 것을 이해할 것이다. 이곳에서 혼합 액체의 유동이 수용되고, 부분적으로 전술한 증기 유동과 감손 액체 유동으로 기화된다. 기화가 실행되는 방법은 이하의 열 파이프에 관련된 설명에서 기술된다. 제1 체적의 기부의 하부 포트(42)는 상기 감손 액체 유동이 제1 체적(32)을 이탈하게 되는 제1 액체 통로를 형성한다. 도관(35)은 상기 증기 유동이 제1 체적(32)을 이탈하게 되는 증기 통로를 형성한다. 제2 공간(34)은 증기 통로(35)가 이어지는 제2 체적을 형성한다. 최상부 포트(44)는 통기구(vent)를 형성한다. 분배기(28, 30)와 열 파이프(26)는 함께 열 및 질량 전달 장치와 열 이동 장치를 형성한다. 열 및 질량 전달 장치는 (i) 증기로부터 하나 이상의 성분을 발열성으로 흡수하도록 구성된 브라인 유동을 수용하고; (ii) 브라인 유동을 증기에 도입하고[즉, 브라인이 열 파이프(26) 상으로 제2 체적(34) 내로 분무되거나(spray) 떨어뜨려짐(drop)]; (iii) 제2 체적으로부터 열을 배출시켜, 적어도 하나 이상의 성분이 강화된 브라인 유동과 열 유동을 생성한다. 열 이동 장치는 열 유동을 제1 체적(32)으로 전달하여 상기 분리를 제공하고, 이를 위해 각각의 열 파이프(26)는 제2 체적 내에 배치된 열 수용 부분 및 제1 체적 내에 배치된 열 이송 부분을 갖는다. 예를 들어, 브라인은 40% 내지 70%, 바람직하게는 45% 내지 65%의 브롬화 리튬 질량 농도를 갖는 LiBr 용액일 수 있다. 그러나, 본 기술분야에 공지된 모든 흡수성 유체가 적합할 것이다. 제2 체적(34)의 기부의 하부 포트(38)는, 하나 이상의 성분이 강화된 브라인 유동이 제2 체적(34)을 이탈하게 되는 제2 액체 통로를 형성한다. 열 파이프의 사용으로 인해, 제1 체적 내로의 열의 전달은 작동 유체의 상 변화와 관련되고, 이러한 경우에 물이 기체 상태로부터 액체 상태로 변화하고, 제2 체적으로부터의 열의 배출은 액체 상태로부터 기체 상태로의 작동 유체의 기화를 수반하고, 액체 상태의 작동 유체는 중력과 위킹 중 하나 이상에 의해서만 유동하고, 이러한 기체 상태의 작동 유체는 확산과 대류 중 하나 이상에 의해서만 유동한다는 것을 이해할 것이다. 응용에 따라 물 이외의 작동 유체가 사용될 수 있고 사용될 것이며, 암모니아 및 상용 냉매가 2가지 예시이다. 작동 유체의 선택은 당업자에게 일상적인 문제이며, 따라서 본 명세서에서 설명하지 않는다. 열 파이프(26)는, 제1 체적(32) 내에 배치된 열 파이프의 부분이 사용에 있어서 패키징된 증발 컬럼으로서 작동하고, 제2 체적(34) 내에 배치된 열 파이프의 부분이 사용에 있어서 패키징된 흡수 컬럼으로서 작동되도록 적층된다. 따라서: ● 제1 체적(32)을 이탈하는 증기는 제1 체적(32)에 유입되는 혼합 액체와 실질적으로 증기-액체 평형을 이루고, ● 증기의 적어도 실질적인 부분은 제2 체적(34) 내에 흡수되고, 균형량(balance)이 통기구(44)를 통해 제2 체적을 이탈한다. 2차 흡수기(46)는, (i) 증기의 균형량, 즉, SAM 내에 흡수되지 않은 부분을 수용하고, (ii) 하나 이상의 성분을 발열성으로 흡수하도록 구성된 2차 브라인 유동에 증기의 균형량을 도입한다. 이는 희석된 브라인을 생성하고, 또한 비흡수성(non-absorbable) 기체 및 모든 흡수되지 않은 흡수성 성분으로 구성된 기체 스트림을 생성하며, 후자는 화살표(50)를 따라 2차 흡수기로부터 배기된다. 탈착 장치(48), 즉, 보일러 또는 증류 장치(distillation apparatus)는 열 및 질량 전달 장치에 의해 생성된 브라인 유동과, 2차 흡수기(46)에 의해 생성된 희석된 브라인을 수용하고, ● 증기로부터 적어도 하나 이상의 성분을 발열성으로 흡수하도록 구성된 브라인 유동(52), 및 2차 브라인 유동(54)과, ● 생성물 스트림(56)을 생성한다. 도 3은 도 2의 구조의 변형을 도시하며, 이는 제1 체적과 제2 체적 내의 압력이 대기압에 비해 감소된 환경에서의 사용을 위한 것이다. 이러한 응용에서, 강화된 증기의 적어도 대부분은 제2 체적 내에 흡수되고, 진공 펌프(58)는 증기 내의 비응축성(non-condensable) 성분과 모든 흡수되지 않은 응축성 성분이 장치로부터 배출되도록 제공된다. 이제 도 4로 돌아가면, 사과 주스를 농축하는 데 유용하게 사용될 수 있는 플랜트(plant)를 개략적으로 도시하는 데 동일한 것이 이해될 것이다. 이러한 플랜트는 대체로 도 3의 구조와 유사하며, 즉, 플랜트는 SAM(20), 2차 흡수기(46) 및 진공 펌프(58)를 포함한다는 점에서 유사하지만, 탈착 장치(48)는 증류 장치보다는 2단계 탈착기(two-stage desorber)를 갖는다[이러한 응용의 목적은 혼합 액체를 분류하는 것이 아니고 단지 주스를 농축하는 것이기 때문임]. 2단계 탈착기는 공정의 다양한 부분들 사이에 유리하게 열을 진행시키기 위한 복수의 절약기(economizer: 60)와, 한 쌍의 보일러(62)와, 다양한 펌프(64)를 포함한다. 이러한 시스템의 작동에 대한 예측이 만들어졌으며, 값은 이하의 표 1에 설정된다.
스트림(12)을 통해 공급된 예측된 에너지 입력(125 psig 스트림의 형태)은 증발된 557 Btu/lb 물이다. 이는 단순 증발 효율(대략 1000 Btu/lb)에 유리하게 대비된다. 동시에 설비는 축조하고 작동하는 데 비교적 비싸지 않은 것으로 예측되며, 이는 개략적인 것을 검토해 보면 본 기술분야의 당업자에게 자명할 것이다. 이제 도 5로 돌아가면, 에탄올 생산 설비를 개략적으로 도시하는 데 동일한 것이 이해될 것이며, 다음을 포함하는 것을 알 수 있다: ● 곡물 제분 설비(corn milling facility: 66), 쿠킹/액화 설비(cooking/liquefaction facility: 68) 및 당화 설비(saccharification facility: 70); 이들은 곡물을 취해 그로부터 발효작용에 적합한 공급원료(feedstock)를 생성한다는 점에서 모두 실질적으로 통상적인 것이다; ● 물, 효소(enzyme) 및 효모(yeast)의 유동을 생산하기 위한 효모 조절 설비(yeast conditioning facility: 72); ● 연속 교반 탱크 반응기(continuous stirred tank reactor: CSTR)(76): 이곳에 공급원료, 물 등이 공급되고 발효작용이 연속적으로 일어나며 이곳으로부터 추출 스트림(135)이 배출된다; ● CSTR에 결합된 SAM 장치(20): 연속적으로 발효작용 브로스의 유동을 배출하고, 우선적으로 배출된 브로스로부터 알코올을 제거하여, 강화된 알코올(브라인) 유동(104)과 잔여 유동(131)을 생성하고, 잔여 유동(131)을 CSTR(76)로 반송한다; ● 배치 탱크(batch tank: 78); 배치 내에 추출 스트림(135)을 수용하고 발효시킨다 ● 배치 탱크(78)로부터의 생성물을 수용하도록 결합되어, (i) 에탄올이 실질적으로 제거된 전체 스틸리지의 스트림과 (ii) 에탄올이 강화된 브라인을 생성하는,제2 SAM 장치(20) ● 스틸리지 처리기(stillage processor: 79) ● SAM 장치(20)에 의해 취해지지 않은 흡수가능 성분의 잔여물을 흡수하기 위한 2차 흡수기(46); ● 특히 배치 탱크(78)와 2차 흡수기(46)로부터 트레이스 알코올(trace alcohol)을 추출하고, 비응축성 성분을 스트림(142)을 통해 대기로 배출하기 전에 추출된 트레이스 알코올을 다시 쿠킹 설비(68)로 돌리기 위한 통기구 스크러버(vent scrubber: 74) ● 3단계 탈착기를 생성하도록 배열되어 브라인을 재생하고 농축된 에탄올 스트림을 생성하고, 재생 물 스트림을 생성하는, 3개의 탈착기(84, 82, 80); ● 재생 물 스트림을 응축시키고 이를 곡물 제분 설비(68)에 반송하기 위한 응축기(90) 및 수용기(92); ● 정류기/탈수기 설비(rectifier/dehydration facility: 86); ● 다양한 요소들 사이의 유동을 진행시키기 위한 절약기(60) 및 펌프(64); 및 ● 에탄올 생성물 저장 설비(88). 다양한 유동에 대한 예측되는 작동 조건이 표 2에 표시된다.
본 기술분야의 당업자는 이러한 유동을 고려하여 장치의 작동과 개요를 쉽게 이해할 것이다. 따라서, 간결성을 위해 항목별 상세한 설명이 필요치도 않고 제공되지도 않는다. 그러나, 표 2는 적어도 다음 사항에 대해 주목할 만하다: ● 정류기(86)에 공급된 생성물 스트림은 투과증발(pervaporation) 또는 분자 시브 기술(molecular sieve technique)에 의한 종래의 처리방법에 적합한 농도를 갖는다; ● 계산에 의하면, 고압 탈착기(84)를 위한 고 품질 열 요구사항, 즉, 연료 발생식 열(fuel-generated heat)은 [정류기(86)까지] 생성된 4,717 btu/gallon 에탄올이고; 이는 통상의 에탄올 생산 설비에 유리하게 대조되며, 정류까지의 열 요구사항은 18,000 btu/gallon만큼 높게 될 수 있다. ● CSTR 76으로부터 배출된 브로스는 약 30℃의 온도를 갖고, 잔여 브로스는 약 28℃의 온도를 갖고; 이러한 배열은 브로스가 절대로, 살아있는 효모에 해를 끼칠 수 있는 약 30℃ 위의 온도로 상승되지(또는 과냉되지) 않는다는 점에서 유리하다. 다시, 설비는 축조하기에 비교적 비싸지 않다는 것이 예측되며, 이는 당업자에게 자명할 것이다. 유리한 에너지 및 축조 비용 요구사항은 부분적으로 이하의 사항으로부터 나오지만, 이론적으로 제한되고자 함은 아니다: ● 제1 체적(32) 내의 압력 및 제1 체적(32)에 유입하는 혼합 액체의 온도는, 제1 체적(32)에 전달된 열의 실질적으로 모두가 혼합 액체의 증발을 일으키게 한다; ● 잔여 브로스는 배출된 브로스의 온도보다 낮은 온도를 가짐으로써 CSTR 상의 칠링 하중(chilling load)를 감소시킨다; ● 복수 효과 탈착의 사용; 및 ● 기화와 관련된 비교적 적당한 냉각 하중(refrigeration load)[매우 차가운 냉각수가 풍부히 사용가능하지 않은 영역에서, 즉, 통상의 경우에, 기계적 수단에 의해 제공되어야 함] 도 6은 도 5 구조의 단순화된 변형을 도시하며, 본 발명에 따른 SAM을 사용하여 스틸리지 처리를 위한 유리한 방법에 대한 추가 상세를 제공한다. 간단하게, CSTR(76)은 공급원료(96)를 수용하고, SAM 장치(20)에 공급되는 스트롱 비어(strong beer)(98)를 생산한다. 위크 비어(weak beer: 100)는 이러한 SAM으로부터 CSTR(76)로 다시 진행한다. 추출 스트림(104)은 배치 탱크(78)로 진행한다. 배치 탱크(78)로부터의 스트롱 비어(102)는 자체의 SAM(20)에 공급된다. 배치 탱크(78)로부터의 전체 스틸리지(108)는 원심분리되어(110) 젖은 케익(wet cake: 112)와 얇은 스틸리지(114)를 생성하고, 후자는 또 다른 SAM(20)에 보내져서, 시럽(116)을 생성하며, 시럽은 케익(112)과 함께 DDGS 건조기(118) 내에서 건조된다. 각각의 SAM에 의해 생성된 희석된 브라인(120)은 재생을 위해 스틸(still: 94)에 공급된다. 스틸(94)은 모든 희석된 브라인이 수렴되는 것을 보여주지만, 스틸 장치(94)는 2개의 트레인(train)을 가질 수 있고, 따라서 에탄올 농도가 비교적 높은 브라인 스트림과 비교적 에탄올이 없는 브라인 스트림을 분리되게 유지시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 전술한 예언적 예시에 대한 예측된 유용성이 실험적으로 증명되었다. 실험 결과 각각 7.0" 길이 및 0.25" 직경의 20개의 열 파이프가 수평으로 하나 위에 다른 하나가 오게 장착되어 약 10.0" 높이의 배열을 형성했다. 이러한 조립체는 아크릴의 투명한 시트들 사이에 개재되었다. 2개의 분리된 나란한 챔버(증발기 챔버 및 흡수기 챔버)가 시트들 사이에 형성되었고, 열 파이프는 두 챔버 모두를 통과한다. 증발기 챔버의 상부 부분을 흡수기 챔버의 바닥에 연결하는 데 0.5" ID의 호스가 사용되었다. 각 챔버의 상부에 가공하지 않은(crude) 액체 분배기가 제공되었다. 각 챔버의 상부에 대기로 통기된 2 리터 플라스크가 제공되었고, 유동 제어 밸브를 통해 그 챔버의 액체 분배기에 결합되었다. 각 챔버의 바닥에는 액체 출구 포트가 제공되었고, 수집 플라스크에 결합되었다. 흡수기 챔버의 상부의 통기구는 표준 실험실 진공 펌프에 결합되었고 2개의 디펜스 라인(defense line)이 물과 에탄올 증기로부터 이것을 보호한다. 제1 디펜스 수단은 스트롱 쿨 LiBr 용액(strong cool LiBr solution)으로 부분적으로 충전된 플라스크를 포함하는 2차 흡수기였다. 진공 펌프로의 도중의 기체는 플라스크 내의 용액을 통해 버블링(bubble)되도록 가압되어 흡수성 성분이 스트리핑(stripping)되었다. 디펜스의 제2 단계는 액체 질소 냉간 트랩(liquid nitrogen cold trap)이었다. 2개의 런(run)이 만들어졌다. 각 런에서 측정된 브라인의 양은 버블러 탱크(bubbler tank)와 흡수기 결합식 플라스크 내에 제공되었고, 측정된 비어의 양은 증발기 결합식 플라스크 내에 제공되었으며, 유동 제어 밸브가 개방되었고, 액체가 유닛을 횡단할 때 온도와 압력 측정이 이루어졌다. 공급 플라스크 중 하나 또는 둘 모두가 배수될 때 판독이 종료되었다.
런 1 이러한 시험에서, SAM은 에탄올-물 혼합물로부터 우선적으로 에탄올을 제거하고, 동시에 에탄올 물 혼합물을 냉각할 수 있다는 것이 확인되었다. 또한, 2차 흡수기는 진공 트레인으로부터 잔여 물 및 에탄올 증기를 제거하기에 유용한 방법이라는 것이 나타났다. 이러한 런에서 장치에 대한 열 전달 계수는 33 BTU/hr/ft 2 /℉로 계산되었다.
런 2 또한, 이러한 시험에서, SAM 장치는 에탄올-물 혼합물로부터 우선적으로 에탄올을 제거하고, 동시에 에탄올 물 혼합물을 냉각할 수 있다는 것이 확인되었다. 이러한 런에서 장치에 대한 열 전달 계수는 70 BTU/hr/ft 2 /℉로 계산되었다. 시험 장치 내의 액체 분배 시스템은 열 파이프 표면 영역의 많은 영역이 젖지 않게 남겨두었기 때문에, 이러한 성능은 비교적 유리한 것으로 보인다. 더 완벽한 액체 분배는 전형적으로 150 BTU/hr/ft 2 /℉를 초과하는 상용 시스템에 대한 공개 값과 일치하는 계수를 발생시킬 것으로 예상될 수 있다. 도 1은 개략적 SAM을 도시하지만, 변경이 만들어질 수 있다는 것은 본 기술분야의 당업자에게 자명할 것이다. 도 7은 이러한 가능성 중 하나, 즉, 열 파이프(26)가 공통 축(XX)에 평행하게 배열되고 구조가 공통 축에 법선방향으로 배향된 수평 축(YY)에 대해 피벗 이동되도록 구성된 배열부를 도시한다. 이러한 배열부는 파이프의 열 운반 부분으로부터 액체의 제거를 주기적으로 촉진하는 데 사용될 수 있다는 것이 고려된다. 도 8은 하나 이상의 제1 공간(32A)에 의해 형성된 제1 체적(32)과, 하나 이상의 제2 공간(34A)에 의해 형성된 제2 체적(34)과, 각각의 하나 이상의 제1 공간(32A) 및 각각의 하나 이상의 제2 공간(34A)이 각각의 베셀(130)에 의해 형성되고, 파이핑(132)은 증기 통로(36)를 형성하는, 다른 가능성을 보여준다. 이러한 실시예는 감소된 축조 비용뿐 아니라 열 전달 효율(열 파이프가 짧을수록 일반적으로 더 좋음)의 관점에서도 일부 유용성을 가질 수 있다는 것이 고려된다. 개별 베셀들은, 흡수 작동과 기화 작동 사이에 실질적 차등 압력을 생성하고, 더 큰 온도 차에 부합하는 것을 가능하게 만든다. 더 큰 온도 차는 열 파이프를 통한 더 높은 열 전달을 일으킬 것이며, 이는 자재 비용의 관점에서의 장점, 즉, 더 적은 열 파이프와 더 작은 베셀을 가질 수 있다. 그러나, 심지어 도 1에 개략적으로 도시된 형태의 SAM 장치 내부에도, 예를 들어, 증기 통로 내에 펌프 또는 팬을 삽입(interposition)함으로써, 작은 압력 차가 생성될 수 있다는 것을 알아야 한다. 도 9는 가능한 다른 SAM 구조를 도시하며, 베셀(21)은 수평으로 배향된 원통형 베셀에 의해 형성되고, 증기 통로(35)(화살표 A로 표시됨)는 외부 파이핑(미도시)에 의해 형성되고, 제1 체적(32)과 제2 체적(34)은 수직 분기 벽(140)에 의해 서로 분리된다. 벽은 베셀(21)의 튜브형 벽으로부터 내부로 연장되는 상부 리지(142)와 하부 리지(144)에 의해 형성된다. 고무 시트(148)가 리지들(142 및 144) 사이에 연장되고, 상부 웹(web)(156)과 하부 웹(152)에 의해 서로 고정된 강 시트(steel sheet)들(146 및 150) 사이에 개재된다. 고무 시트(148)는 열 파이프(26)가 실질적으로 밀폐식으로 밀봉되게 통과할 수 있는 구멍을 갖도록 천공되고, 강 시트(146, 150)는 열 파이프가 자유롭게 통과되도록 더 큰 직경의 대응하는 구멍을 갖는다. 이러한 배열부는 비교적 낮은 축조 비용 및 유지보수에 있어서 간단하다는 점에서 유리하다고 믿어지며, 유지보수에 있어서 작업자는 단지 베셀의 일 단부를 제거하고 전체 열 파이프 조립체를 수평으로 밖으로 활주시키면 되지만, 이론적으로 이에 제한되지 않는다. 또한, 필요하다면 더 간단한 축조를 위해 다양한 베어링 또는 롤러(미도시)가 채용될 수 있다. 또한, 단일 분기 벽이 도시되지만, 베셀은 2개의 벽에 의해 세근먼트화될 수 있고, 각각은 그들을 통해 형성된 열 파이프를 가지며, 도 8에 도시된 것과 유사한 기능성을 갖는 구조를 생성한다. 이러한 2개의 벽 실시예(미도시)에서 열 파이프는 각을 이룸으로써, 낙하 유동(drop flow)이 챔버 내에서 앞뒤로 이동할 수 있게 된다. 또한, 도 4 및 도 5에 대한 설명에서 특정 작동 조건이 기술되었으나, 광범위한 변형이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 효모의 생존력이 연속적인 발효작용 하에 유지될 수 있는 에탄올 생산 설비의 경우에, 적어도 이하의 범위가 사용되는 것이 고려된다: ● 발효작용 배열부로부터 배출된 브로스는 약 28 내지 32℃의 온도와 약 4 내지 10%의 에탄올 농도를 가질 수 있다; ● 잔여 브로스는 배출된 브로스의 것보다 약 2 내지 4℃ 더 낮은 온도를 가질 수 있고, 배출된 브로스의 것보다 약 2 내지 4% 더 낮은 에탄올 농도를 가질 수 있다. ● 제1 체적 내의 압력은 약 30 내지 100 Torr일 수 있다. 또한, 도 5의 구조는 에탄올 생산에 유용한 것으로 표시되었지만, 본 기술분야의 당업자는 상기 구조가 다른 분리, 즉, 부탄올과 메탄올을 처리하기 위해(단, 이제 제한되지 않음) 쉽게 수정될 수 있다는 것을 쉽사리 이해할 것이다. 실제로, 도 5의 일반 구조는 흡수에 의한 제거가 가능한 이화작용 억제자를 갖는 모든 이화작용 반응을 위해 사용될 수 있다. 또한, 본 설명은 연속적 생산을 참조하지만, 이것이 반드시 필요한 것은 아니라는 것을 이해해야 한다. 배치 에탄올 작동에서, 브로스는 발효작용이 진행중이고 SAM 장치를 통과하는 동안 배치 탱크로부터 배출되어 에탄올을 배출할 수 있다. 배치로부터 에탄올을 제거함으로써 효모에서 스트레스(stress)를 없애고 사이클 시간을 감소시키며 수득률을 증가시킬 수 있다. 또한, 에탄올과 LiBr 브라인에 있어서 열역학에 따르면 에탄올은 우선적으로 배출되고, 즉, 벌크(bulk)보다 더 높은 농도를 가지지만, 이는 유용성을 위해 반드시 필요한 것은 아니다. 예를 들어, 물 및 다른 성분이 배출되는 수성 시스템(aqueous system)에 있어서, 다른 성분에 우선하여 물이 배출되고, 보상(make-up) 물이 균형 유동(balance flow)에 부가되는 것이 용납되는 경우가 존재할 수 있다. 이러한 추가적인 관점에서, 본 명세서와 첨부하는 청구범위에서 '액체 혼합물(liquid mixture)'는 함께 혼합된 다른 재료를 갖는 액체를 의미하며, 다른 재료는 알코올과 같은 액체일 수 있지만, 특히 사과 주스 농축기 예시에서 증명된 바와 같이 반드시 그러할 필요가 없다는 것을 이해해야 한다. 또한, 2차 흡수기는 SAM 장치와 직렬로 도시되었으나, 반드시 그럴 필요는 없다는 것을 이해할 것이다. 2차 흡수기는 평행으로 배치되거나 일부 상황에서는 전부 생략될 수 있다. 또한, 분배기는 천공된 파이프로서 개략적으로 도시되었으나, 패키징된 컬럼 내에 사용되는 것과 같은 분무기 또는 분배 트레이(distribution tray)가 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 선택된 분배기의 특정 형태는 특히 반응기의 형상에 따라 변화할 것이며, 이는 당업자에게 일상적인 일이다. 본 기술분야의 당업자는 전술한 모든 것에 대한 추가 변형을 쉽게 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 중요하다고 생각되는 첨부하는 청구범위에 의해서만 제한되는 것으로 이해되어야 한다. |
