УСТАНОВКА ДЛЯ ЭКСТРАКЦИИ В СИСТЕМЕ ЖИДКОСТЬ - ТВЕРДОЕ ТЕЛО
APPARATUS FOR EXTRACTION IN LIQUID-SOLID SYSTEM

Изобретение относится к установке для проведения процессов экстракции в системе жидкость - твердое тело применительно к экстракции из растительного сырья. Установка быть использована в пищевой, фармацевтической, косметической и целлюлозно-бумажной промышленности.
Известные полезные модели и изобретения (см. патент РФ №70154, 2007 г., патент РФ №2410148, 2008) содержат рабочие элементы и стадии, позволяющие интенсифицировать процессы в системе жидкость - твердое тело. Данные конструкции создают поля механических колебаний, интенсифицирующие процесс диспергирования и экстракции. Однако в таких аппаратах затрачивается много энергии на циркуляцию, нет условий для разделения твердой фазы от жидкой, отсутствует подогрев среды.
Применительно к экстракции из растительного сырья известны способ и установка периодического действия для выделения дигидрокверцетина из измельченной до размера частиц 5-20 мм древесины лиственницы многоступенчатой экстракцией органическим растворителем (RU 2346941, C07D 311/40, 311/32, B01D 11/02, опубл. 20.02.2009 г.). Недостатком такой установки является сложность конструкции, большие временные затраты на процесс экстракции (не менее 6 час).
Известна установка для экстракции и диспергирования в системе жидкость - твердое тело непрерывного действия (см. патент RU №134435, опубл. 20.11.2013). Установка содержит расположенные последовательно по потоку твердой и жидкой фаз первый двух шнековый аппарат с входами для подачи древесного материала, воды и рециркулируемого экстракта, первый роторно-пульсационный насос, второй двух шнековый аппарат, второй роторно-пульсационный насос, третий шнековый аппарат с выходами для раздельного вывода твердой фазы и экстракта, сборник экстракта с входом и выходом, нагреватели массы, трубопроводы, связывающие шнековые аппараты и роторно-пульсационные насосы, трубопровод, связывающий выход для экстракта третьего шнекового аппарата с входом для этого потока первого двух шнекового аппарата, трубопровод, связывающий выход для экстракта третьего шнекового аппарата с входом сборника экстракта, датчик концентрации содержащихся в экстракте веществ и управляемый затвор, размещенные в трубопроводе между выходом для экстракта третьего шнекового аппарата и входом сборника экстракта, датчик объемной скорости рециркулируемой части экстракта в линии ее подачи в первый шнековый аппарат, управляемый затвор в линии подачи воды в установку, исполнительные средства для регулирования затворов, при этом датчики и исполнительные средства используются в качестве элементов компьютерной системы автоматического управления процессом экстракции. Недостатками установки являются сложность конструкции, стадии экстракции проводятся в различных аппаратах связанных трубопроводами. Шнековые аппараты не эффективно разделяют твердую фазу от жидкой среды. Содержание твердой фазы на выходе из таких аппаратов не превышает 30-40%.
Наиболее близким аналогом заявленного устройства SU 772565 А1, 23.10.1980 (Д2: кол. 3 строка 28 - кол. 4 строка 14, фиг. 1) является аппарат для экстрагирования, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, снабженный коаксиально установленными питающей и циркуляционной трубами, входным и выходным патрубками загрузочного и роторно-пульсационного устройств. Основным недостатком устройства является низкая интенсивность экстракции и разделение твердой фракции в конце процесса.
Новыми техническими результатами от использования предлагаемого изобретения являются интенсификация процесса экстракции в поле механических колебаний, созданных роторно-пульсационным насосом погружного типа в сочетании с пульсациями, создаваемыми поршнем, оснащенным генератором пульсаций. Повышается сухость твердой фазы на выходе за счет эффективного отжима в поршневом разделителе, снабженном генератором пульсаций.
-1
Указанные результаты достигаются тем, что существующая экстракционная установка, содержащая вертикальный цилиндрический корпус, снабженный коаксиально установленными питающей и циркуляционной трубами, входным и выходным патрубками загрузочного и роторно-пульсационного устройств, отличается тем, что разделение твердой фазы осуществляется в питающей трубе, отжим твердой фазы производится поршневым разделителем, снабженным генератором колебаний, с регулируемой частотой в зависимости от исходного сырья в диапазоне от 100 до 3000 с, эффективная экстракция проводится за счет многократной циркуляции массы через питающую трубу шнековый аппарат и роторно-пульсационный насос погружного типа, при этом экстракция и разделение твердой фазы производится под действием механических колебаний, созданных роторно-пульсационным насосом погружного типа и генератором колебаний поршневого разделителя.
Изобретение поясняется чертежом, в котором на фиг. 1 показан общий вид установки для экстракции в системе жидкость - твердое тело.
Согласно изобретению (фиг. 1) установка для экстракции в системе жидкость - твердое тело состоит из питающей трубы 1, трубы для выхода готового экстракта 2, бака для суспензии 3, роторно-пульсационного насоса 4, шнекового аппарата 5, отражающих перегородок 6, торцевого уплотнителя 7, электродвигателя переменного тока 8, станины 9, бака 10, насоса 11, дозатора 12, поршневого разделителя 13, циркуляционной трубы 14, фильтра 15, сборника экстракта 16, нагревателя массы 17, пульта управления 18, генератором колебаний 19
Данная конструкция установки для экстракции в системе жидкость - твердое тело позволяет обеспечить интенсификацию процесса экстракции в поле механических колебаний, созданных роторно-пульсационным насосом погружного типа в сочетании с пульсациями, создаваемыми поршнем, оснащенным генератором пульсаций. Повышается сухость твердой фазы на выходе за счет эффективного отжима в поршневом разделителе, снабженном генератором пульсаций.
Принцип работы поршневого разделителя делится на 3 стадии: режим экстракции (фиг. 2); режим разделения (фиг. 3); режим отжима (фиг. 4).
Поршневой разделитель (фиг. 2 - фиг. 4) состоит из поршня 20, крепления поршня 21, втулки 22, перфорированной трубы 23, штанги 24, крепления штанги 25 и вращающейся рукояти 26. На стадии экстракции вся конструкция поршневого разделителя находится вне питающей трубы экстракционной установки. Среда в аппарате циркулирует по внутреннему замкнутому контуру (питающая труба - шнековый аппарат - роторно-пульсационный насос погружного типа - питающая труба).
На стадии разделения твердой фазы перфорированная труба опускается в питающую трубу (фиг. 3), тем самым при циркуляции среды твердая фаза удерживается внутри перфорированной трубы, закрепленной на штанге 24 креплением 25.
Следующей стадией является отжим твердой фазы (фиг. 4). Разделенная твердая фракция прижимается поршнем 20, закрепленным на втулку 22 креплением 21. Сжатие поршня осуществляется за счет вращающейся рукояти 26, которая закручивается на штангу 24. По всей длине штанги нарезана резьба. Сжатие поршня сопровождается пульсациями давления, создаваемые генератором колебаний.
После отжима чистый экстракт отбирается для дальнейшей обработки. Чистота экстракта определяется особенностями перфорации трубы 23, наличия на ней фильтровальной перегородки.
Конструкцию и размеры рабочих органов данной установки, технологические параметры работы установки будет определять требуемая степень извлечения ценного компонента из твердой фазы.
Ранее проведенные исследования в области экстракции в поле механических колебаний подтверждают эффективность и интенсивность проводимого процесса. Интенсивность процесса экстракции зависит от следующих технологических параметров: гидромодуля, температуры, размеров твердых частиц.
В целях тестирования разрабатываемой установки были проведены предварительные экспериментальные исследования, которые включали в себя:
- определение влияния фракционного состава твердой фазы на степень извлечения;
- определение влияния температуры на степень извлечения;
- определение влияния гидромодуля экстракции на степень извлечения;
- определение влияния кратности обработки.
Для определения влияния фракционного состава твердой фазы на степень извлечения проводились опыты при температуре 80°С. Твердая фаза обрабатывалась в течении 2-х мин. в роторе с шириной прорезей 0,012 м, зазор между ротором и статором - 0,002 м. Результаты экспериментальных исследований представлены в табл. 1.
Результаты проведенных предварительных исследований показывают, что изменение фракционного состава твердой фазы незначительно влияют на степень извлечения для диапазона изменения размеров частиц преобладающих в суспензии 1 до 20 мм.
Следовательно, интенсификация процесса экстракции в системе жидкость - твердое тело не может проводиться за счет увеличения удельной межфазной поверхности. Увеличение степени извлечения и сокращение времени экстракции необходимо обеспечить за счет внутридиффузионных процессов и процессов молярного переноса. Их интенсификация возможна за счет увеличения пульсационного давления на твердые частицы. Также параметрами, значительно влияющими на процесс экстракции, являются температура и гидромодуль. Для эксперимента были взяты образцы опилок из древесины. Результаты экспериментальных данных по влиянию температуры на степень извлечения приведены в таблице 1.
С увеличением температуры при экстракции водорастворимых компонентов из древесины их степень извлечения значительно повышается. При температуре 97°С она достигает 95%.
Таким образом, определено влияние температуры на процесс извлечения водорастворимых компонентов из древесины, как один из важных технологических параметров процесса.
Для изучения влияния гидромодуля на процесс экстракции водорастворимых компонентов из древесины в разработанной установке были проведены экспериментальные исследования при геометрических параметрах, рассчитанных по ранее предложенной методике. Величина зазора между ротором и статором была постоянной. Частота вращения ротора составляла 1500 об/мин.
С увеличением гидромодуля от 4,5 до 11,5 степень извлечения увеличивается в 1,4 раза.
Таким образом, увеличивая гидромодуль экстракции можно достичь высокой степени извлечения, однако в этом случае резко падает концентрация водорастворимых веществ в экстракте. Сравнивая результаты, приведенных ранее исследований, можно сказать, что увеличение степени извлечения водорастворимых компонентов в 1,4 раза, ведет к такому же уменьшению концентрации этих веществ в экстракте, что экономически не выгодно для дальнейшей переработки.
В результате анализа проведенных экспериментальных исследований можно рекомендовать в промышленности оптимальное значение гидромодуля равное 4,5, при котором будет происходит интенсивное извлечение водорастворимых компонентов при высокой концентрации этих веществ в экстракте.
Гидромодуль является одним из важнейших параметров, позволяющих повысить интенсивность процесса экстракции водорастворимых компонентов.
Таким образом, предварительно определены основные технологические параметры, соответствующие высокой степени извлечения из твердой фазы, что подтверждает работоспособность установки.
Работа установки для экстракции в системе жидкость - твердое (фиг. 1) тело осуществляется следующим образом:
Вращающийся ротор создает пульсации скорости и давления в прорезях ротора и статора роторно-пульсационного насоса погружного типа 4. Ротор включает в себя клиновидные лопасти, за счет которых осуществляется перемещение среды в аппарате по циркуляционной трубе. В циркуляционной трубе установлен шнековый аппарат 5. Приводом является электродвигатель переменного тока 8. В баке для суспензии 3 расположена питающая труба 1, внутри которой находится поршневой разделитель 13, снабженный генератором колебаний 19. Для устранения возникновения воронки установлены отражающие перегородки 6. Через дозатор 12 происходит равномерная подача твердой фазы. Вся установка смонтирована на станине 9. Соединение вала и корпуса снабжено торцевым уплотнением 7. Экстракт в виде жидкой фазы непрерывно движется по циркуляционной трубе 14 и попадает в сборник - экстракта 16. Для тонкой очистки экстракта в циркуляционной трубе 14 установлен фильтр 15. Увеличение температуры смеси осуществляется нагревателем массы 17. Охлаждающая жидкость торцевого уплотнения циркулирует за счет насоса 11, находящегося в баке 10. Технологические параметры работы установки регулируются через пульт управления 18. Готовый, насыщенный экстракт отводиться через трубу 2. Заявляемое решение позволит:
1. Обеспечить интенсификацию процесса экстракции в поле механических колебаний. За счет создания пульсации скорости и давления (поле механических колебаний) создаются условия для эффективного и интенсивного процесса экстракции в системе жидкость - твердое тело. Эффективность подтверждается высокой степенью извлечения, соответствующей приемлемым технологическим параметрам.
2. Повысить сухость твердой фазы на выходе за счет эффективного отжима в поршневом разделителе, снабженном генератором пульсаций.