РАЗДЕЛИТЕЛЬ СУСПЕНЗИЙ ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ И РАСТИТЕЛЬНОЙ БИОМАССЫ

Полезная модель предназначена для встраивания в действующие процессы разделения подвергнутых технологической обработке в жидкой среде продуктов переработки древесины и/или растительной биомассы, включая отходы заготовки древесины, т.е. ветки, корни, кору, листья, хвою, плоды и их смеси, опилки и др. нетоварную древесину, а также различные технологические растворы и стоки, в частности, образующиеся при варке древесины в бумажном производстве, при удалении влаги из древесины под воздействием инфракрасного излучения, при осветлении водных растворов растительной биомассы и т.п. Разделяемая исходная жидкая смесь содержит растворенные в жидкости органические и неорганические соединения, в частности, лигнин и/или его производные, частицы нерастворимых компонентов древесины, включая взвешенные в воде частицы целлюлозы и/или ее производные. При этом, в заявленном разделителе суспензий, жидкая смесь делится на две фракции, каждая из которых может быть подвергнута следующему этапу разделения для очистки и/или концентрирования целевых компонентов. При разделении, очистке и/или концентрировании компонентов жидких смесей, состоящих, из частиц целлюлозосодержащего вещества и раствора органических и неорганических соединений, входящих в состав древесины и/или растительной биомассы, включая лигнин и его производные, могут быть выделены жидкие фракции целевых компонентов, непосредственно пригодные для дальнейшего использования при производстве продукции различного назначения, в частности, лигнин и целлюлоза в твердом виде для использования в качестве исходного сырья в гидролизном производстве, пищевой промышленности, при производстве бумажной продукции, древесно-полимерных композитов, пористых плит, пластмассовых изделий и т.п. При этом отделение целлюлозосодержащей фазы от растворенных в жидкости компонентов осуществляют в условиях, близких или превышающих надкритические значения температуры и давления для воды, что исключает выпадение в осадок лигнина и смешение его с целлюлозой.
Разделители суспензий для утилизации продуктов переработки древесины и растительных отходов и получения полупродуктов промышленного назначения в настоящее время актуальны и востребованы. Однако известные разделители суспензий не могут быть встроены в действующие процессы разделения продуктов переработки древесины и/или растительной биомассы, включая различные технологические растворы и стоки, и не обеспечивают эффективное разделение компонентов древесины в жидких средах.
Известен способ (патент РФ №2361871) переработки лигнинуглеводного сырья, в частности, отходов древесной переработки, а именно древесины лиственницы, в частности отходов древесной переработки - комлевой части Сибирской и Даурской лиственницы, с получением флавоноидов, природных смолистых веществ и технических продуктов из древесины.
В описанном способе переработка осуществляется в установке, состоящей из:
- смесителя, обеспечивающего подачу диспергированной древесины, деионизированной воды и органических растворителей в зону гидро-термомеханической обработки смеси компонентов;
- гомогенизатора - роторно-пульсационного устройства - кавитатора, осуществляющего гидро-термомеханическую обработку смеси при температуре и давлении в зоне обработки, которые не превышают критических значений для воды;
- разделительного устройства, известной конструкции, в частности, фильтрационного устройства для разделения полученной пульпы на жидкую и твердую фазы;
- экстрактора, для обработки природных смол органическими растворителями (в т.ч. метилтретбутиловым эфиром, тетрахлорметаном, хлороформом, дихлорэтаном или их смесями), с последующей сушкой и модификацией активированной древесины;
- вакуумного испарителя, для упаривания и сушки реэкстракта полученного продукта - дигидрокверцетина.
Недостатками установки является: невозможность раздельного получения и выделения основных компонентов древесины, составляющих более 60% ее массы, т.е. лигнина и целлюлозы, которые практически не растворимы в органических растворителях и в воде при температуре и давлении, не превышающих критические значения для воды. Кроме того разделение древесины на жидкую и твердую фазы и выделение из твердой фазы природных смол, обработкой высокотоксичными химическими соединениями, требует применения технически сложного химического оборудования и последующих операций по улавливанию и утилизации отходов для соблюдения требований экологии.
Известен разделитель суспензий патент РФ №988351, оп. 15.01.1983, B04C 5/103, предназначенный для концентрирования в жидкой фазе взвешенных частиц «тяжелее воды», содержащий конический сужающийся вниз корпус с расположенными внутри спиральными транспортными перегородками, внешние боковые патрубки для ввода исходной суспензии и вывода осветленной и сгущенной фракции, кольцевую перегородку для разделения фракций, а также ускорители потока в виде входного и выходного тангенциальных патрубков для подачи разгонной жидкости. Исходная суспензия подается в верхнюю часть конического корпуса, стекает по спиральным транспортным перегородкам и закручивается. В результате действия центробежных сил твердые частицы отбрасываются к стенкам корпуса и отводятся через боковой патрубок в нижней части корпуса. Разгонная жидкость под некоторым давлением подается в ускорители потока, увеличивая скорость движения суспензии и повышая степень разделения. Осветленная фракция отсекается кольцевой перегородкой и выводится через патрубок в нижнем торце корпуса.
Эффективность разделителя суспензий обеспечивается конической формой корпуса и ускорителями потока, благодаря которым увеличивается окружная составляющая скорости движения суспензии, и кольцевой перегородкой, чтобы осветленная жидкость не переливалась между смежными спиральными транспортными перегородками.
Как следует из текста описания, разделитель суспензий не предназначен для концентрирования веществ, растворенных в жидкой фазе, а также не предполагает использование в качестве разделителя для двух твердых компонентов, образующих исходную суспензию.
Недостатком описанного разделителя суспензий является неэффективность разделения на жидкие фракции исходной суспензии, состоящей из взвешенных частиц целлюлозы («легче воды»), и смеси, содержащей органические и неорганические вещества, включая растворенный частично или полностью целевой компонент лигнин («тяжелее воды»). Это объясняется тем, что, как следует из текста описания, суспензия в процессе разделения разбавляется разгонной жидкостью, которая отводится вместе с осветленной фракцией через патрубок в нижнем торце корпуса. При разделении вышеуказанной суспензии будет происходить разбавление исходной суспензии разгонной жидкостью, т.е. процесс обратный концентрированию частиц и растворов, и, соответственно, разбавление фракций, в т.ч. фракции содержащей частицы целлюлозы, поступающей через кольцевую перегородку в патрубок в нижнем торце корпуса.
Увеличение окружной составляющей скорости движения суспензии за счет уменьшения диаметра корпуса в нижней части одновременно ведет к повышению турбулентности потока и постепенному сужению зоны разделения суспензии на фракции в объеме каждой последующей нижней спиральной транспортной перегородки, что снижает эффективность процесса отделения взвешенных частиц целлюлозы от растворенного частично или полностью целевого компонента, содержащего лигнин.
Т.е. эффективно сконцентрировать и разделить жидкую суспензию на фракцию, с частицами целлюлозы и фракцию, содержащую растворенный частично или полностью целевой компонент - лигнин, в данном устройстве не представляется возможным.
Известна полезная модель - патент РФ №133263, F24J 3/00, оп. 10.10.2013, относящаяся к теплотехнике, точнее к устройствам нагрева воды и прочих жидкостей. Устройство позволяет нагревать воду и выделять в отдельный поток более нагретую ее часть. Данное устройство близко по конструктивному исполнению к заявляемому разделителю суспензии, и хотя за счет использования магнитов позволяет улавливать взвешенною в воде частицы, но не позволяет решить поставленную перед заявителем задачу - создать устройство для утилизации продуктов переработки древесины, частичное растворение которых в водной среде происходит в диапазоне температур и давлений, близких или превышающих критические значения для воды.
В патенте заявлено вихревое кавитационное устройство нагрева воды, которое содержит рабочий полый цилиндр, входной тангенциальный патрубок, со сквозным отверстием с конфигурацией сопла Лаваля, верхнюю крышку, соединенную на резьбе с цилиндром, причем рабочий цилиндр дополнен внутренним полым цилиндром, вставленным внутрь рабочего цилиндра соосно с ним, герметично соединенный с основанием рабочего цилиндра, со сквозным отверстием, причем этот внутренний цилиндр имеет рабочие зазоры относительно боковой поверхности рабочего цилиндра и относительно верхней крышки, а кавитаторы, размещенные на боковых поверхностях этих цилиндров, выполнены в виде тонкой перфорированной металлической ленты, шероховатой с одной стороны, прочно закрепленной гладкой поверхностью этой ленты на внутренней поверхности рабочего цилиндра. Выходной па-трубок является продолжением внутреннего цилиндра. Для интенсификации нагрева воды цилиндрическая крышка выполнена с перфорированными отверстиями по всему периметру ее горизонтальной поверхности по условию равенства суммарной площади этих отверстий площади отверстия во внутреннем цилиндре, что, по-видимому, позволяет выводить из устройства равные количества горячей и холодной фракций.
Эффективный нагрев воды внутри устройства происходит путем различного нагрева отдельных слоев воды по поперечному сечению рабочей камеры благодаря наличию скоростного вихря воды в рабочей камере, применению двух неподвижных кавитаторов в виде перфорированных пластин и раздельному отводу теплой и холодной воды из рабочей камеры.
Как следует из описания, в устройстве, кроме нагрева, предусмотрено отделение от воды взвешенных частиц, обладающих магнитными свойствами, за счет системы магнитов, не содержащей вращающихся частей.
Недостатком описанной полезной модели является неэффективность отделения взвешенных частиц, не обладающих магнитными свойствами, потому, что, как указано в описании, устройство работает при температуре, не превышающей температуру кипения воды, и при сравнительно невысоком давлении.
При этом «активная кавитация (вспенивание)» водяного потока, которая возникает в рабочем цилиндре, будет вызывать перемешивание взвеси и растворенных компонентов. Кроме того в отверстиях перфорированных пластин кавитаторов будет осаждаться взвешенный компонент, а следовательно будет меняться динамика процесса. Т.е. разделить водную суспензию, содержащую лигнин и целлюлозу в данном устройстве не представляется возможным.
Задачей полезной модели является создание технического решения, позволяющего эффективно разделить суспензию, содержащую продукты переработки древесины, не растворенные и растворенные частично или полностью в частности, два твердых компонента - лигнин и/или его производные и целлюлозу и/или ее производные, находящиеся в жидкой среде с параметрами температур и давлений, близких или превышающих критические значения для воды.
Заявителю неизвестно техническое решение, близкое к заявляемому по назначению и конструктивному выполнению.
Для выполнения поставленной задачи предложен разделитель суспензий продуктов переработки древесины и растительной биомассы, характеризующийся тем, что он выполнен в виде внешнего корпуса с соосно установленным в нем с боковым и торцевым зазорами цилиндрического трубчатого внутреннего корпуса, образующих рабочую камеру, при этом выходное отверстие для вывода целлюлозы и/или ее производных из внутреннего корпуса с установленным в нем запорно-выпускным элементом расположено вне внешнего корпуса, а в противоположных зонах рабочей камеры расположены патрубок для подвода суспензии и патрубок отвода лигнина и/или его производных с установленным в нем запорно-выпускным устройством, а по всей высоте бокового зазора винтообразно расположены спиральные пластинчатые направляющие потока - тарелки, с постоянным и/или переменным шагом зазора.
Кроме того:
- внешний корпус выполнен цилиндрическим.
- внешний корпус выполнен коническим,
- патрубок подвода суспензии расположен тангенциально с полостью рабочей камеры,
- патрубок подвода суспензии расположен параллельно оси разделителя,
- патрубок отвода лигнина и/или его производных расположен перпендикулярно оси разделителя,
- патрубок отвода лигнина и/или его производных расположен параллельно оси разделителя,
- патрубок отвода лигнина и/или его производных расположен тангенциально с полостью рабочей камеры,
- тарелка представляет собой разрезную кольцевую пластину, концы которой расположены разных в плоскостях,
- по внешней и внутренней окружности соседних тарелок установлены кольцевые прокладки,
- торцевое сечение тарелок имеет П-образную форму,
- величина зазора между направляющими потока - тарелками должна быть не больше зазора между внешним и внутренним корпусами.
Заявляемый разделитель может быть использован в процессе переработки отходов древесины, когда их измельчают, смешивают с водой, гомогенизируют и насосом подают на фракционный разделитель с целью выделения целевых компонент. Получаемые жидкие фракции целевых компонентов могут быть использованы непосредственно для смешения с другими веществами с целью получения товарной продукции и изделий. При снижении давления и температуры фракций, выходящих из разделительного устройства, происходит испарение жидкости, а целевые компоненты, с повышенным содержанием целлюлозы и лигнина осаждаются в твердом виде и могут быть использованы как сырье или полупродукты для получения материалов и изделий различного назначения.
На фиг. 1-4 показаны варианты выполнения разделительного устройства, где
1 - внешний корпус
2 - внутренний цилиндрический корпус
3 - боковой зазор рабочей камеры
4 - торцевой фланец
5 - торцевой фланец
6 - патрубок подвода суспензии
7 - патрубок отвода лигнина с запорно-выпускным устройством
8 - входное отверстие внутреннего корпуса
9 - выходное отверстие внутреннего корпуса для выхода целлюлозы с запорно-выпускным устройством
10 - направляющие потока - тарелки.
Разделительное устройство состоит из двух корпусов внешнего 1 и внутреннего 2, соосно расположенного внутри внешнего, с образованием бокового зазора рабочей камеры 3. Внешний корпус может быть выполнен, например, цилиндрическим, как показано на фиг. 1 и 2, или коническим, как показано на фиг. 3 и 4.
При этом внешний корпус 1 снабжен герметизирующими торцевыми фланцами 4 и 5. Для ввода исходной суспензии во внешнем корпусе 1 имеется входной патрубок 6, обеспечивающий подачу исходного потока перпендикулярно, тангенциально или параллельно оси трубчатого устройства. Для регулирования давления и вывода из рабочего пространства целевой фазы, внешний корпус 1 снабжен запорно-выпускным устройством 7. Через фланец 5 во внутреннее рабочее пространство введен и герметично закреплен внутренний корпус 2, выполненный в виде цилиндрического трубчатого элемента, внешний выход которого имеет запорно-выпускное устройство 9, аналогичное устройству 7. Входное отверстие 8 внутреннего корпуса 2 выполнено открытым.
По всей высоте межтрубного бокового зазора 3 винтообразно расположены пластинчатые направляющие потока - тарелки 10, с постоянным и/или переменным шагом зазора, направляющие поток суспензии по винтовой траектории, закручиваемой влево или вправо. Для снижения эффекта турбулизации и стабилизации распределения дисперсных частиц по сечению и в объеме между пластинчатыми направляющими потока 10, величина зазора между пластинами, предпочтительно, не должна превышать размер бокового зазора 3 между цилиндрами 1 и 2.
Разделение смеси, содержащей взвешенные частицы и вещества, растворенные в воде, в условиях близких или превышающих надкритические значения температуры и давления для воды, на компоненты в рабочей камере устройства осуществляется за счет воздействия инерционных сил на водные и/или паровоздушные потоки. Соотношение размеров зазора между корпусами 1 и 2 и величины зазоров между винтообразными пластинчатыми направляющими потока 10, определяются в зависимости от концентрации взвешенных частиц и растворенных компонентов, температуры, давления, скорости отбора жидких фракций, требованиями к чистоте целевых продуктов, производительности установки по целевым компонентам и др. При определенных геометрических параметрах устройства и осуществлении процесса разделения реакционной смеси на компоненты при повышенном давлении, т.е. под давлением, близким или превышающем критическое давление для воды при определенной температуре, возможно осуществлять подачу суспензии, как в нижнюю (фиг. 1, 3), так и в верхнюю (фиг. 2, 4) части разделительного устройства. Это позволяет компактно расположить разделительные устройства при реализации многостадийного процесса.
Коническая конструкция внешнего корпуса 1 позволит формировать такое внутреннее сечение межтрубного бокового зазора 3 (фиг. 3, 4), благодаря которому может быть обеспечено постепенное снижение скорости потока жидкости от входа к выходу из устройства и улучшение условий разделения потоков на выходе из устройства, существенно снижая эффект турбулизации и стабилизируя процесс распределения дисперсных частиц по сечению и в объеме между пластинчатыми направляющими потока 10.
Также возможно использование внешней рубашки (на фигуре не показана), обеспечивающей терморегулирование потока реакционной смеси в межтрубном боковом зазоре 3 устройства, в т.ч. путем циркуляции теплоносителя.
Суспензию подают через патрубок подвода суспензии 6 в разделительное устройство для разделения реакционной массы на части, содержащие целевые компоненты (фиг. 1-4).
Суспензия, при сохранении близких или превышающих критические значения температуры и давления для воды, заполняет боковой зазор 3 и проходит по межтарельчатому пространству, образованному пластинчатыми направляющими потока - тарелками 10. Элементарный фрагмент системы тарелок, направляющих поток, может представлять собой разрезную кольцевую пластину, концы которой расположены в разных плоскостях, по внешней и внутренней окружности пластина опирается на кольцевые прокладки, препятствующие изменению величины зазора между соседними тарелками и регулирующие диаметр зазора между внешним и внутренним корпусом; торцевое сечение тарелок, направляющих поток, может иметь П-образную форму, торцевые бортики которой играют роль ребер жесткости, определяют величину зазора между соседними тарелками и препятствуют изменению величины зазора. В результате закручивания потока жидкости вокруг внутреннего цилиндрического корпуса 2 в тонком слое каждого межтарельчатого пространства возникают инерционные силы, воздействующие на компоненты смеси. Это приводит к постепенному расслоению компонентов в объеме жидкой фазы и концентрированию каждого из них в пространстве около внутренней поверхности корпуса 1 и внешней поверхности цилиндра 2. Водную фракцию с повышенной концентрацией взвешенных частиц целлюлозы, т.е. компонента, характеризующегося меньшим удельным весом, отводят через отверстие 8 и запорно-выпускное устройство 9 корпуса 2. Часть водной смеси, содержащей лигнин, отводят из внешнего слоя потока цилиндра 1 через патрубок отвода лигнина 7 с запорно-выпускным устройством. При этом, для обеспечения более эффективного разделения целевых компонентов, водную целлюлозосодержащую фракцию отводят из внутреннего цилиндра со скоростью равной или превышающей скорость отвода лигнин содержащей водной фазы непосредственно из межтрубного пространства, пропорционально снижая давление за счет отвода соответствующего количества смеси посредством запорно-выпускного устройства.
Получаемые водные фракции целевых компонентов могут быть использованы непосредственно для смешения с другими веществами с целью получения товарной продукции и изделий. При снижении давления и температуры фракций, выходящих из разделительного устройства, ниже критических значений для воды, происходит испарение воды, а целевые компоненты, с повышенным содержанием целлюлозы и лигнина осаждаются в твердом виде и могут быть использованы как сырье для получения материалов и изделий различного назначения.
Геометрические размеры разделительного устройства и его элементов определяются технико-технологическими и экономическими параметрами процесса, в частности, требованиями к чистоте целевых продуктов, температуре, давлению, скорости отбора жидких фракций, производительности установки по целевым компонентам и др.
Таким образом, предложено разделительное устройство, позволяющее разделить водные и/или паровоздушные потоки, содержащие взвешенные частицы целлюлозы, и лигнин, растворенный в условиях надкритических значений температуры и давления для воды, что позволяет использовать лигнин или водный раствор лигнина и/или его производные и целлюлозу и/или ее производные для промышленных целей, устройство легко встраивается в технологические процессы экологически чистой переработки отходов деревоперерабатывающих производств (установок) и целлюлозно-бумажной промышленности.