УСТАНОВКА ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ЭФИРНО-МАСЛИЧНОГО СЫРЬЯ

Техническое решение относится к эфиромасличной и пищевой промышленности, в частности установки могут быть использованы для паровой экстракции при приготовлении эфирных масел, гидролатов, жидких экстрактов для косметической, пищевой промышленности и фармацевтики.
Известна установка для переработки зелени пихты, содержащая паровой котел, паропровод, холодильник и флорентийскую склянку [1]. Варочный котел данной установки выполнен в виде двух совмещенных усеченных конусов и размещен внутри корпуса парового котла, образуя воздушную полость между котлами, через которую поступает пар внутрь варочного котла, где размещены рядами патрубки под углом к внутренней боковой поверхности, а парораспределитель выполнен в форме конуса. По всей его поверхности выполнены сквозные отверстия, причем диаметры отверстий увеличиваются по мере сужения конуса, который расширенной частью установлен в нижней части варочного котла и размещен над поверхностью воды в паровом котле. В паровой котел заливается вода и устанавливается на печь. Варочный котел, изготовленный из двух усеченных конусов вставляется в корпус парового котла на упоры, образуя воздушную полость. В варочном котле на патрубках размещается нижняя решетка, на которую укладывается измельченная пихтовая лапка, затем укладываются последовательно остальные решетки с пихтовой зеленью, которая прижимается решеткой с отверстиями, прикрепленной к крышке упорами. Крышка герметизируется с помощью болтов. Печь нагревает воду в паровом котле до образования пара. Пар из парового котла поступает в полость парораспределителя и далее распределяется через отверстия, располагаемые по центральному паропроводу, истекая из которых, пар осуществляет внутренний одновременный нагрев всей массы сырья, находящегося в варочном котле. Дополнительно через воздушную полость пар обогревает стенку варочного котла, через которую прогревается наружная часть зелени пихты, и через патрубки пар, завихряясь, подается в зеленую массу, что увеличивает интенсивность процесса паровой обработки пихтовой зелени. Образовавшиеся в результате отгонки пары воды с частицами эфирного масла движутся вверх и через патрубок по паропроводу поступают в холодильник, где конденсируются. Образовавшийся дистиллят воды и масла стекает из холодильника по трубопроводу в флорентийскую склянку. Здесь он разделяется на масло-сырец и флорентинную воду. Для обеспечения более полной обработки паром нижних слоев зелени, варочный котел выполнен сужением конуса книзу, а парораспределитель - расширением, что позволило уменьшить объем зелени в нижней части и увеличить подачу пара, улучшая тем самым качество обработки нижнего слоя зелени паром.
Недостатком аналога [1] является трудоемкость загрузки сырья (крышка герметизируется посредством болтов, а лапка распределяется вручную по решеткам, решетки устанавливаются вручную), низкая производительность, загрязненность дистиллята за счет капельного уноса при кипении воды в паровом котле, попадание конденсата из варочного котла в паровый котел, приводящее к подгоранию растворенных органических веществ на стенках парового котла и загрязнению эфирного масла продуктами пиролиза, исключающее его применение для медицинской промышленности, косметики. Паровый огневой котел очень сложен для регулирования подачи пара по производительности и не дает возможность получать гидролат с нужным содержанием растворенных душистых веществ и фитонцидов.
В качестве прототипа выбрано устройство для переработки жидких пищевых продуктов и эфиромасличного сырья перегонкой [2]. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее вертикальный корпус с теплозащитным покрытием, размещенную в нем рабочую камеру с крышкой и выпускным патрубком, между стенками которой и теплозащитным покрытием размещена герметичная обогревающая рубашка, нижняя часть которой заполнена водой и снабжена средствами для ее нагревания, холодильную камеру с системой трубопроводов, вход которой сообщен с выпускным патрубком рабочей камеры, сообщенную с выходом системы трубопроводов холодильной камеры через патрубок для отвода конденсата емкость для сбора конденсата с патрубком для его слива с вентилем [2]. Устройство снабжено также сообщенным через входной патрубок с источником водоснабжения водоструйным насосом, соединенным с холодильной камерой посредством выходного патрубка и с емкостью для сбора конденсата посредством патрубка отсоса газов с вентилем. Средства для нагревания обогревающей рубашки выполнены в виде нагревательных элементов и размещены в воде. Верхняя часть обогревающей рубашки соединена с патрубком отсоса газов посредством трубопровода вакуумирования с вентилем, а вход выпускного патрубка рабочей камеры размещен в ее крышке. Требуемый технический результат достигается тем, что устройство, содержащее вертикальный корпус с теплозащитным покрытием, размещенную в нем рабочую камеру с крышкой и выпускным патрубком, между стенками которой и теплозащитным покрытием размещена герметичная обогревающая рубашка, нижняя часть которой заполнена водой и снабжена средствами для ее нагревания. Работает устройство по принципу выпарного аппарата в вакууме или без вакуума, при этом в рабочую камеру пар не подается.
Недостатком прототипа [2] является является отсутствие режима подачи пара в рабочую камеру, что не дает осуществить процесс паровой экстракции, возможна только гидродистилляция, отсутствует флорентийская склянка, которая обеспечивает отделение эфирного масла от гидролата, а значит отделять эфирное масло можно только вручную. Выходной патрубок пара расположен в крышке, что делает операцию по загрузке/выгрузке сырья трудоемкой. При этом рабочая камера обогревается паром через обогревающую рубашку, теплопроводность пара гораздо меньше теплопроводности воды при той же температуре, а значит массообменный процесс испарения тормозится теплообменными процессами на стенке рабочей камеры. Выход готового продукта при гидродистилляции всегда ниже, чем при паровой экстракции.
Задачей технического решения является увеличение производительности устройства для осуществления паровой экстракции, повышения качества готовых продуктов (эфирного масла, гидролатов, экстрактов), степени извлечения эфирного масла из сырья.
Поставленная задача решается благодаря тому, что устройство состоит из рабочей камеры (1), выполненной в виде вертикального корпуса из коррозионностойкого, термостойкого материала, снабженной откидной крышкой (люком) (2) и выпускным патрубком, с теплоизоляцией, подачей пара снизу через парораспределитель (5) с отверстиями для выпуска пара, выполненный в виде вертикально размещенной трубки, от дна рабочей камеры; патрубком для отвода паров эфирных масел (18), расположенным в верхней части рабочей камеры ниже люка; патрубком для отвода жидкого экстракта (12), расположенным в нижней части рабочей камеры, преимущественно в днище, рабочая камера дополнительно оснащена обогревающей рубашкой-парогенератором (3), расположенной между стенками рабочей камеры и теплозащитным покрытием, в которую врезаны патрубки (20) для подачи воды (преимущественно в нижнюю часть рубашки), средств для нагревания рубашки, выполненных в виде блока ТЭНов - нагревательных элементов, размещенных в воде, для энергообеспечения парообразования (6), датчики уровня (7), патрубок для слива жидкости из рубашки при опорожнении (13). Рубашка оснащена дополнительным устройством в виде U-образной неравноплечной трубки (4), размещенной внутри рубашки, верхний конец трубки находится в верхней части рубашки и через него в рабочую камеру попадает пар, а нижний конец присоединен к парораспределителю, а колено неравноплечной трубки (4) выполняет функцию отбойника капель, образующихся при кипении за счет изменения направления движения струи пара во внутреннем канале трубки. В рабочую камеру может размещаться контейнер для сырья либо в виде корзины с центральной пароперераспределяющей трубкой, ручкой для удобного извлечения корзины либо собственно сырье в одноразовой упаковке в виде мешка-овощной сетки, при этом парораспределитель снабжается острым наконечником для протыкания сетки и распределения пара внутри растительной массы Фиг. 1 выноска. Поскольку через рабочую камеру (1) рубашка (3), фактически 1 осуществляющая функцию парогенератора, соединяется с атмосферой через рабочую камеру и конденсор-сепаратор (8, 9), парогенератор отличает безопасность при эксплуатации. Для дополнительного дублирования безопасности в патрубок опорожнения (13) дополнительно врезают аварийный клапан, при этом в случае превышения давления, клапан открывается и вода из рубашки сливается в дренаж. Из рабочей камеры пары воды и эфирного масла попадают в конденсор (8), в котором происходит конденсация пара и эфирных масел, других душистых веществ растений, конденсат стекает в флорентийскую склянку (сепаратор - емкость для сбора конденсата с обновременным разделением на эфирное масло и гидролат) (9), особой конструкции, с патрубком для слива с вентилем, совмещенную верхней стенкой с конденсором. За счет совмещения осуществляется дополнительная конденсация паров в самой флорентийской склянке, конденсат дополнительно охлаждается, что уменьшает потери эфирного масла при испарении, флорентийская склянка снабжена патрубком опорожнения 17 (также выполняющего функцию слива эфирного масла тяжелей воды), парубком для непрерывного слива эфирного масла с плотностью, меньшей плотности воды 16 и патрубком для слива гидролата (15). В парубок подводящий конденсат из конденсора вставлена трубка (10), ограничивающая сечение отводящего патрубка отбора проб для уменьшения потерь готовых продуктов. В состав устройства входит насос, который подает воду из сети или дистиллированную воду из емкости с водой в рубашку. Насос (19) включается и выключается автоматически через ящик управления (11), оснащенном процессором, контакторами, автоматами, аварийной кнопкой и сигнализацией. Ящик управления подключен к сети, к датчикам уровня и поддерживает уровень воды в рубашке, не допускает "сухого хода" и отключает устройство при выходе из строя насоса или ТЭНов. В ящике управления могут размещаться таймер для включения и отключения устройства, а также регулятор мощности для управления мощностью ТЭНов и точной подачей пара в рабочую камеру. Устройство снабжено чехлом из теплоизолирующего термостойкого материала, обеспечивающего энергосбережение. Детали устройства смонтированы на рамной конструкции, которая снабжена колесными опорами (15) для перемещения по помещению, для загрузки в транспортное средство и удобства эксплуатации и поддержания гигиены на рабочем месте, а конденсор-сепаратор выполнен единой конструкцией, закреплен на рамной конструкции болтовым соединением, а входящий патрубок его снабжен разъемом для его съема при транспортировке.
Техническая сущность предложенного технического решения поясняются чертежом Фиг. 1, на котором: 1 - корпус рабочей камеры, 2 - загрузочный откидной люк, 3 - рубашка парогенератор, 4 - U-образная трубка, 5 - парораспределитель, 6 - ТЭНы, 7 - Датчики уровня, 8, 9 - конденсор-сепаратор, 10 - ограничивающая трубка, 11 - ящик управления, 12 - патрубок слива водного экстракта, 13 - Патрубок слива - опорожнения рубашки - парогенератора, 14 - разъем, 15 - патрубок слива гидролата, 16 - Патрубок слива эфирного масла, 17 - патрубок слива эфирного масла с плотностью большей плотности воды, 18 - патрубок отвода паров воды и эфирного масла, 19 - насос, 20 - патрубок подвода воды из насоса.
Описанное выше техническое решение - установка для переработки эфирномасличного сырья функционирует следующим образом: установка подключается к подаче холодной воды, отводу горячей воды шлангами через специальные патрубки и к электрической сети. Включают нагрев через ящик управления, задают режим обработки, открывают люк и помещают в рабочую камеру контейнер с сырьем. Затем закрывают люк. По достижению температуры кипения воды из рубашки в рабочую камеру подается автоматически пар, при этом рабочая камера прогревается кипящей водой, что обеспечивает максимальный тепловой поток. Пар проходя через прогретое сырье конденсируется незначительно, уносит пары эфирных масел в конденсор. Парораспределитель подает пар перпендикулярно выходу пара, что способствует распределению пара по массе растений. Пары воды и эфирных масел выходят из рабочей камеры и конденсируются в конденсоре, при конденсации образуются капли эфирного масла, которые во флорентийской склянке отделяются в виде слоя на гидролате (синонимы: паровой экстракт, флорентийская жидкость, конденсат, эфирная вода). Таким образом, гидролат и эфирное масло разделяются на два слоя. По окончанию процесса устройство выключают, при этом подача пара автоматически прекращается, открывают люк, извлекают отработанный контейнер с сырьем и помещают свежий, и заново включают установку. Периодически жидкую среду (синонимы: водный экстракт, дистиллят) из рабочей камеры сливают. Для очистки устройства проводят подачу пара без контейнера, периодически сливая жидкие фазы.
Предусмотрены следующие отличия установки: откидной люк для загрузки сырья, парораспределитель с отверстиями для выпуска пара подает пар снизу, он выполнен в виде вертикально размещенной трубки от дна рабочей камеры на высоту не долее половины высоты рабочей камеры, патрубок для отвода паров эфирных масел расположен в верхней части рабочей камеры ниже люка но выше верхней части корзины, патрубок для отвода жидкого экстракта расположенный в нижней части рабочей камеры, преимущественно в днище с вентилем, через который периодически выводится экстракт из рабочей камеры, рубашки-парогенератора, в которую врезаны патрубки для подачи воды (преимущественно в нижнюю часть рубашки), с датчиками уровня, рубашка оснащена патрубком для слива жидкости из рубашки при опорожнении для удаления накапливающихся при парообразовании солей, дополнительным устройством в виде U-образной неравноплечной трубки, размещенной внутри рубашки, верхний конец трубки находится в верхней части рубашки и через него в рабочую камеру попадает пар, а нижний конец присоединен к парораспределителю, а колено между ними выполняет функцию отбойника капель, образующихся при кипении за счет изменения направления движения струи пара во внутреннем канале трубки, насос подающий воду из водопроводной сети или дистиллированную воду из емкости с водой, в рубашку, ящик управления, соединенным с датчиками уровня и электронным устройством управления насосом (контактором), поддерживающем уровень воды в рубашке, не допускающим "сухого хода", включающим ТЭНы и отключающим устройство при выходе из строя насоса или ТЭНов, таймером для включения и отключения устройства, а также регулятором мощности для управления мощностью ТЭНов и точной подачей пара в рабочую камеру.
Кроме того, в предложенное устройство помещают контейнер для сырья либо в виде корзины с центральной пароперераспределяющей трубкой, ручкой для удобного извлечения корзины, либо сырье в одноразовой упаковке в виде мешка-овощной сетки, при этом парораспределитель снабжается острым наконечником для протыкания сетки и распределения пара внутри растительной массы, причем корзина преимущественно применяется для зернового сырья, а сетка для веточного, травяного и корневого, а для слеживающихся видов сырья (лепестков) применяют несколько уплощенных корзин, устанавливаемых друг на друга вертикально, для дополнительного дублирования безопасности в патрубок опорожнения дополнительно врезается аварийный клапан, при этом в случае превышения давления, клапан открывается и вода из рубашки сливается в дренаж безопасно без угрозы выброса пара в рабочую зону, конденсор соединен с флорентийской склянкой, совмещенной верхней стенкой с конденсором, патрубком для отбора проб конденсата, что дает возможность контролировать процесс паровой экстракции, обеспечивая воспроизводимость концентрации гидропатов и свойств эфирного масла, в парубок подводящий конденсат из конденсора вставлена трубка, ограничивающая сечение отводящего патрубка для отбора проб и уменьшения потерь готовых масел, а все детали установки смонтированы на рамной конструкции, которая снабжена колесными опорами для удобства транспортирования, а конденсор-сепаратор выполнен единой конструкцией, закреплен на рамной конструкции болтовым соединением, причем входящий патрубок его снабжен разъемом, что позволяет снять конденсор-сепаратор при транспортировки и транспортировать установку в компактном виде без выступающих частей.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно, наличие рубашки-парогенератора обеспечивает прогрев массы сырья до температуры кипения воды, превышающей температуру испарения азеотропной смеси эфирных масел с водой, обеспечивает прогрев биомассы не только паром, но и через стенку парогенератора, U-образная трубка, подводящая пар снизу рабочей камеры из верхней части рубашки-парогенератора идет внутри кипящего слоя воды и в ней не происходит конденсации пара, а капли воды, уносимые паром из объема над зеркалом жидкости не попадают в паровую среду рабочей камеры, что обеспечивает исключение попадания солей из воды в гидролат и эта совокупность признаков отсутствует в прототипе и аналоге, кроме загрузка сырья может осуществляться в овощных сетках, в которых сырье и собирается, что сокращает общее время технологического процесса и этот признак также является новым, установка содержит другие элементы, обеспечивающие работу рубашки - парогенератора: насос, датчики, шкаф управления, а также конденсор-сепаратор, совмещенный в одной конструкции и снабженный трубкой, обеспечивающей полноту отделения эфирного масла, что также отсутствует в признаках аналога и прототипа. Новым является и вся совокупность признаков, обеспечивающих за счет их взаимодействия снижение энергозатрат, трудозатрат и повышение качества гидролатов и эфирного масла.
Таблица 1
Причинно-следственная связь между, совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом
Виды технического результата и их размерность
Показатели фактические или расчетные
Объяснение, за счет чего (отличительный признак и/или их совокупность) стало возможным улучшение показателей предложенного объекта по сравнению с прототипом
прототипа
заявляемого объекта
1
2
3
4
Степень извлечения эфирного масла из сырья, %
До 20
До 99
Пар, поступающий из рубашки-парогенератора в рабочую камеру снижает парциальное давление паров эфирных масел, обеспечивая испарение даже малолетучих веществ. Без подачи пара испаренные эфирные масла остаются в виде пара в рабочей камере. Испарившееся эфирные масла конденсируются с паром в конденсоре, смываются конденсатом и конденсатом же переносятся в сепаратор, где отделяются. Без пара эфирные масла, которых не более 4,8% в сырье конденсируются с малым количеством воды и не выносятся конденсатом, остаются (размазываются) на поверхности аппарата. Без пара сырье сушится, при этом поверхность биомассы сокращаются, поры закрываются и выход последних порций эфирного масла прекращается.
Время перезагрузки сырья
Не менее 5 мин
Не более 1 мин
Откидной люк открывается за 30 с, на крышке нет патрубков, которые надо свинчивать, загрузка осуществляется в сетке или сменной корзине одним движением.
Отделение эфирного масла
Вручную
Автоматически
Полное автоматическое отделение эфирного масла обеспечивается наличим сепаратора, аналога флорентийской склянки, снабженной трубкой для предотвращения уноса капель эфирного масла при колебаниях производительности
Время технологического цикла
От 120 минут до 600 минут
От 20 мин до 120 мин
Теплопередача идет от воды, нагретой до температуры кипения, а не от пара. От пара идет теплопередача только от той части энергии, поступившей в парогенератор, которая перешла в энергию насыщенного пара, и только тогда пар начинает испаряться и конденсироваться на внутренней стенке, тогда как от жидкой воды стенка и рабочая камера прогревается с той же скоростью, с какой нагревается рубашка-парогенератор, биомассе передается все тепло, поступившее с ТЭНов в рубашку-парогенератор.
Анализ научно-технической литературы показал, что до даты подачи заявки отсутствовали устройства для извлечения эфирных масел и гидролатов с указанной совокупностью существенных признаков. Следовательно предложение отвечает требованию новизны. Требуемый технический результат достигается всей вновь введенной совокупностью существенных признаков, которая в литературе не обнаружена. При этом, в конструкции установки использованы стандартные конструктивные элементы, например люк, датчики уровня, насос, клапана и вентиля, блоки ТЭНов и современная автоматика, что позволяет организовать промышленный выпуск, имеется промышленная применимость. Особенности конструкции отдельных элементов и режимы работы установки представлены в описании. Прилагаем фото пилотного образца Фиг.2.
Фиг.2 Фото пилотного образца
Техническое решение позволяет:
ПОВЫСИТЬ ВЫХОД ЭФИРНОГО МАСЛА, УЛУЧШИТЬ КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭФИРНОГО МАСЛА, УМЕНЬШИТЬ СОДЕРЖАНИЕ ПРИМЕСЕЙ, ИСКЛЮЧИТЬ ПОПАДАНИЕ НЕЛЕТУЧИХ СОЛЕЙ В ГИДРОПАТ.
Предполагаемое изобретение отвечает требованию промышленной применимости и предназначено для серийного выпуска.
Технико-экономическое обоснование:
Установка может применяться для малого бизнеса, преимущественно для получения гидролатов и эфирных масел. С учетом компактности требуются минимальные площади под размещение. При заготовке древесины до 50% биомассы идет в лапник, не используется в народном хозяйстве и представляет собой вредный отход. Имеются земельные площади (неудобъя), где растут исключительно травянистые растения из сорняков, например, золототысячник которые являются ценным эфиромасляничным сырьем. Установка с объемом рабочей камеры 7,2 литра и с установленной мощностью 2,4 кВт способна произвести 2,0 л/ч гидролата, до 100 г эфирного масла. Стоимость гидролата от 300 до 500 руб/л, эфирное масло от 12 до 25 руб/г. Всего извлекается не менее 5 кг гидролата. Только от продаж гидролата получается продукции на сумму от 600 руб/ч, соответственно за смену 4800 руб. Эфирные масла и гидролаты являются импортозамещающей продукцией.
Источники информации
1. Пат. RU (11) 2381261 (13) С1 УСТАНОВКА ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ЗЕЛЕНИ ПИХТЫ (51) МПК C11B 9/00 (2006.01) С11В 9/02 (2006.01) Заявка: 2008122726/13, 04.06.2008 (24) Опубликовано: 10.02.2010 (56) Автор(ы): Невзоров Виктор Николаевич (RU), Ярум Андрей Иванович (RU), Самойлов Владимир Александрович (RU), Вохмянин Алексей Васильевич (RU) (73) Патентообладатель(и): Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Красноярский Государственный Аграрный Университет (RU) - аналог
2. Пат. RU 2034911 УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИДКИХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ И ЭФИРОМАСЛИЧНОГО СЫРЬЯ ПЕРЕГОНКОЙ C11B 9/02 Номер заявки: 93011854/13 Дата подачи заявки: 03.03.1993 Дата публикации: 10.05.1995 Заявитель(и): Товарищество с ограниченной ответственностью "Экспресс-М" (RU); Малое предприятие "Бенш" (RU) Автор(ы): Бенш Александр Романович [KG] Патентообладатель(и): Товарищество с ограниченной ответственностью"Экспресс-М" (RU); Малое предприятие "Бенш" (RU) - прототип.