СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТЖИМА ПРЕССОВАНИЕМ
METHOD AND DEVICE FOR EXPRESSING BY PRESSING

Изобретение относится к способу отжима жидкого экстракта из прессуемого материала, при котором прессуемый материал транспортируют посредством шнекового пресса вдоль пути прессования, нагружают давлением прессования и смешивают, по меньшей мере, с одним экстрагентом, который вместе с экстрактом отводят из прессуемого материала.
Изобретение относится, кроме того, к устройству для отжима жидкого экстракта из прессуемого материала, выполненному в виде шнекового пресса, содержащего подвижно установленный в полом цилиндре шнек и присоединенного, по меньшей мере, к одному подающему устройству для экстрагента, а также, по меньшей мере, к одному сборному устройству для экстракта.
Подобные способы и устройства применяются, например, для отжима масла из масличных семян. Для поддержки процесса отжима уже известно смешивание прессуемого продукта с большим избытком сверхкритического диоксида углерода и растворение масляного экстракта при очень больших давлениях в сверхкритическом диоксиде углерода. Сверхкритическое состояние обозначает при этом, с физической точки зрения, агрегатное состояние на переходе от газообразной фазы к жидкой фазе диоксида углерода. Растворенный в сверхкритическом диоксиде углерода экстракт после его вывода из пресса получают в чистом виде посредством выпаривания диоксида углерода. Выпаренный диоксид углерода либо выпускают в атмосферу, либо заново сжимают и продолжают использовать.
Получение сверхкритического диоксида углерода и обращение с ним, а также необходимые затраты на оборудование для обращения со значительными количествами этого экстрагента приводят к затратам, стоящим на пути множества применений.
Задачей настоящего изобретения является поэтому усовершенствование способа описанного выше рода таким образом, чтобы можно было достичь его высокой эффективности с приемлемыми затратами.
Эта задача решается согласно изобретению за счет того, что экстрагент вводят в прессуемый материал самое большее с массовой долей, вдвое превышающей массу содержащегося в прессуемом материале экстракта.
Другой задачей настоящего изобретения является конструирование устройства описанного выше рода таким образом, чтобы можно было достичь высокой степени экстракции при уменьшенных затратах на оборудование.
Эта задача решается согласно изобретению за счет того, что подающее устройство для экстрагента связано с дозатором, который ограничивает подаваемое количество экстрагента максимум двойным количеством содержащейся в прессуемом материале массы экстракта.
Согласно изобретению было установлено, что не требуется растворять экстракт в экстрагенте и выводить в этом растворенном состоянии из прессуемого материала и высокая степень экстракции достигается уже тогда, когда экстракт лишь разбавляют экстрагентом, т.е. когда экстрагент растворяют в экстракте. Требуемые в соответствии с уровнем техники количества экстрагентов, которые, как правило, далеко превосходят десятикратное массовое количество получаемого экстракта, могут быть за счет этого значительно уменьшены. Расходы и затраты на получение экстрагента, а также на последующее отделение экстрагента от экстракта могут быть за счет этого также значительно снижены.
Уменьшенное количество экстрагента может быть достигнуто за счет того, что массовая доля экстрагента соответствует самое большее массовой доле содержащегося в прессуемом материале экстракта.
Как правило, оказывается достаточным, если экстрагент вводят в прессуемый материал самое большее с массовой долей, составляющей 50% массы содержащегося в прессуемом материале экстракта.
Преобладающее растворение экстрагента в экстракте при малом избытке экстрагента для получения давления газа достигается за счет того, что экстрагент вводят в прессуемый материал самое большее с массовой долей, составляющей 25-35% массы содержащегося в прессуемом материале экстракта.
В частности, при отжиме масел из растительных материалов оказывается предпочтительным, если в прессуемый материал в качестве экстрагента вводят диоксид углерода.
Типичный диапазон давлений определяют за счет того, что экстрагент вводят в прессуемый материал с давлением 100-200 бар.
В частности, экстрагент вводят в прессуемый материал с давлением около 150 бар.
Типичные эксплуатационные условия определяют за счет того, что отжим экстракта после ввода экстрагента осуществляют при температуре 35-60°С.
За счет созданной в результате механического прессования энергии трения температурный диапазон устанавливается, как правило, таким образом, что отжим экстракта после ввода экстрагента осуществляют при температуре 40-45°С.
За счет типичного давления механического прессования обеспечивают давление механического прессования в диапазоне 200-300 бар.
В частности, давление механического прессования создают в диапазоне 250 бар.
Увеличенный выход экстракта может быть достигнут за счет того, что прессуемый материал последовательно подвергают прессованию в несколько этапов.
В частности, оказывается предпочтительным, если прессуемый материал на первом этапе прессования подвергают механическому предварительному прессованию.
Также целесообразно после предварительного прессования прессуемый материал смешивать с экстрагентом и экстрагент, по меньшей мере, частично растворять в экстракте.
Типичное проведение способа происходит таким образом, что после растворения экстрагента в экстракте осуществляют отжим.
Еще более увеличенный выход экстракта может быть достигнут за счет того, что давление на смешанный с экстрагентом экстракт, по меньшей мере, дважды повышают и один раз понижают.
Простую механическую основную конструкцию обеспечивают за счет того, что внутреннее пространство цилиндра разделено на секции, по меньшей мере, двумя расположенными на прессующем шнеке дросселями.
Повышенную растворимость экстрагента в экстракте обеспечивают за счет того, что подающее устройство для экстрагента снабжено нагревателем.
Согласно одному типичному варианту выполнения изобретения предусмотрено, что подающее устройство для экстрагента достигает предела прочности при давлении до 250 бар.
Один типичный вариант выполнения изобретения состоит в том, что для ввода экстрагента в зоне стенки цилиндра расположено присоединение.
Кроме того, в качестве альтернативы или дополнительно возможно также, что прессующий шнек для ввода экстрагента, по меньшей мере, на отдельных участках выполнен полым и с выходными отверстиями.
Примеры осуществления изобретения схематично изображены на чертежах, на которых представляют:
фиг.1 - продольный разрез шнекового пресса с подводом экстрагента и отводом экстракта в схематическом изображении;
фиг.2 - диаграмму для пояснения характеристики давления в прессе по фиг.1 и
фиг.3 - диаграмму для пояснения взаимосвязи температуры и энтропии диоксида углерода.
На фиг.1 изображен шнековый пресс 1, снабженный стенкой 2 полого цилиндра и подвижно установленным внутри цилиндра прессующим шнеком 3. Вдоль, по существу, цилиндрического тела 4 шнека проходит спираль шнека, которая разделена расположенными на теле 4 шнека дросселями 6 на отдельные сегменты 7. Дроссели 6 выполнены в виде утолщений тела 4 шнека и ограничивают вместе со стенкой 2 цилиндра относительно узкие щели 8.
Стенка 2 цилиндра снабжена подводом 9 для материала и отводом 10 для твердого вещества. Что касается направления 11 транспортировки материала, она происходит от подвода 9 к отводу 10. Подвод 9 для материала обычно находится в зоне конца стенки 2 цилиндра, расположенного рядом с приводом 12 шнека. Отвод 10 для твердого вещества находится обычно в зоне обращенного от привода 12 шнека конца стенки 2 цилиндра.
В примере выполнения изобретения по фиг.1 экстрагент подают к шнековому прессу 1 из резервуара 13. Обычно в качестве экстрагента применяют диоксид углерода в жидком или газообразном состоянии. Подвод происходит через охладитель 14, насос 15 высокого давления и нагреватель 16. Обычно отдельные функциональные компоненты отделены друг от друга клапанами 17, 18, 19, 20. В примере по фиг.1 в результате этого возникает последовательная схема из резервуара 13, клапана 17, охладителя 14, клапана 18, насоса 15 высокого давления, клапана 19, нагревателя 16, клапана 20 и присоединения 21 в зоне стенки 2 цилиндра.
Согласно примеру выполнения изобретения по фиг.1 внутреннее пространство 22 цилиндра разделено на секцию 23 предварительного прессования, секцию 24 экструдирования и секцию 25 отжима. Секция 23 предварительного прессования снабжена первичным отводом для механически отжатого экстракта, а в зоне секции 24 экструдирования предусмотрен один или несколько вторичных отводов 27 для смешанного с экстрактом экстрагента или соответственно для растворенного в экстракте экстрагента. Вслед за секцией 24 экструдирования рядом с отводом 10 для твердого вещества расположена секция 28 опорожнения. Присоединение 21 для подвода экстрагента находится обычно непосредственно в направлении 11 транспортировки за первым дросселем 6, отделяющим секцию 23 предварительного прессования от секции 24 экструдирования.
Обычно при применении диоксида углерода в качестве экстрагента резервуар 13 рассчитан на давление до 65 бар при температуре экстрагента 22°С. Охладитель 14 также достигает предела прочности при давлении примерно до 65 бар и осуществляет понижение температуры до 15-18°С. Насос 15 высокого давления повышает давление до диапазона 150-300 бар, причем происходит повышение температуры до 32-50°С. Посредством нагревателя 16 происходит дальнейшее повышение температуры до 60-100°С.
Подача прессуемого материала в зоне подвода 9 происходит обычно при температуре окружающей среды. В секции 23 предварительного прессования происходят механическое повышение давления в диапазоне 150-300 бар и повышение температуры примерно до 60°С. В зоне секции 24 экструдирования поддерживают давление в диапазоне 150-300 бар, а типичная температура лежит в диапазоне 60-100°С. Те же физические параметры имеют место также в зоне секции 25 отжима.
На фиг.2 изображена типичная характеристика давления вдоль направления 11 транспортировки при работе шнекового пресса 1. При этом обозначены как давление твердого вещества, так и давление экстрагента.
Для пояснения физических свойств применяемого в качестве экстрагента диоксида углерода на фиг.3 изображена диаграмма с температурой в зависимости от энтропии, причем отдельные кривые соответствуют определенным нанесенным давлениям. Область между А и В соответствует при этом изобарному переохлаждению, область между В и С - изоэнтропийному сжатию, область между С и D - изобарному нагреву, а область между D и Е - неадиабатному расширению или обезгаживанию.
При сравнении фиг.3 и 1 область А-В следует отнести к охлаждению в зоне охладителя 14, а область В-С соответствует сжатию посредством насоса 15 высокого давления. Кривая С-D соответствует нагреву в зоне нагревателя 16, а область D-Е - протеканию процесса между присоединением 21 и вторичным отводом 27.
На примере применения диоксида углерода в качестве экстрагента, а также исходя из примера выполнения изобретения по фиг.1 способ поясняется ниже более детально. В зоне секции 23 предварительного прессования сначала происходит механическое разрушение прессуемого материала, например обезмасливаемых семян с механическим предварительным обезмасливанием через первичный отвод 26. Первичный отвод 26 может быть образован, например, открытой наружу цедильной корзиной. В направлении 11 транспортировки секция 23 предварительного прессования ограничена дросселем 6, имеющим такую дросселирующую геометрию, что обезмасленное твердое вещество может быть, по существу, газонепроницаемо сжато.
За первым в направлении 11 транспортировки дросселем 6 находится секция впрыска экстрагента, в данном случае диоксида углерода. Для этого предусмотрено присоединение 21. Посредством секции 24 экструдирования образован участок экструдирования в закрытом фильтре. В зоне подачи экстрагента за дросселем 6 твердое вещество сначала снова разрыхляют, и экстрагент растворяется в экстракте или соответственно смешивается с ним. В примере применения для экстракции масла семян за счет растворения диоксида углерода происходят значительное снижение вязкости и, тем самым, заметное разжижение. По достижении растворяющей способности экстракта для экстрагента дополнительно подаваемый диоксид углерода накладывается в качестве давления газа на давление твердого вещества.
В примере выполнения изобретения по фиг.1 секция 24 экструдирования выполнена в виде единого участка между двумя дросселями 6. В принципе, можно также разделить секцию 24 экструдирования дополнительными дросселями на отдельные участки экструдирования и за счет этого осуществлять попеременные повышения и понижения давления.
В зоне секции 25 отжима смешанное с диоксидом углерода текучее масло отводят из внутреннего пространства 22 цилиндра. В принципе, можно выполнить секцию 25 отжима в виде открытой цедильной клетки, так что масло отводят как за счет механического давления прессования, так и дополнительно за счет наложенного на него давления газа нерастворенной в масле доли диоксида углерода. Дополнительный отвод масла происходит за счет радиального падения давления в цедильной корзине посредством выгазовывающегося из масла диоксида углерода. Предпочтительно секцию 25 отжима позиционируют на участке перед последним в направлении 11 транспортировки дросселем 6.
Для обращения с установкой по фиг.1 оказывается предпочтительным хранить в зоне резервуара 13 жидкий диоксид углерода и подавать его к насосу 15 высокого давления при температуре окружающей среды. Насос 15 высокого давления выполнен предпочтительно в виде поршневого насоса. Охладитель 14 служит, по существу, для предотвращения образования пузырьков пара на стороне всасывания насоса 15 высокого давления. Охладитель 14 может быть реализован в виде охлаждаемого холодной водой или рассолом теплообменника.
Для обеспечения подачи диоксида углерода во внутреннее пространство 22 цилиндра в сверхкритическом состоянии осуществляют посредством нагревателя 16 повышение температуры сжатого диоксида углерода.
Высокое давление диоксида углерода при его подаче во внутреннее пространство 22 цилиндра приводит к тому, что вместе с господствующим высоким давлением твердого вещества достигается высокая растворимость диоксида углерода в получаемом масле. Обычно действует такая взаимосвязь, что с возрастанием давления в получаемом экстракте можно растворить больше экстрагента. В частности, подача диоксида углерода с высоким давлением непосредственно за дросселем 6 обеспечивает высокое результирующее общее давление уже в этой зоне. Давление твердого вещества за дросселем 6 сначала низкое, а затем возрастает по фиг.2 вдоль пути транспортировки до следующего дросселя 6. В принципе, друг на друга накладываются изображенные на фиг.2 давления твердого вещества, вызванные вращательным движением экструдирующего шнека 3, а также давление диоксида углерода.
За счет взаимодействия экстракта и растворенного в экстракте экстрагента можно расположить секцию 23 предварительного прессования и секцию 25 отжима вне стенки 2 цилиндра в нормальных условиях окружающей среды и отказаться от устойчивого к высоким давлениям кожуха. Как выходящий из отводов 26, 27 экстракт, так и выходящее из отвода 10 обезмасленное твердое вещество в значительной степени обезгажены и находятся на уровне давления в соответствии с окружающим давлением. Этим обеспечивается крайне простая для пользователя эксплуатация устройства.
Типичный расчет изображенного на фиг.1 устройства может осуществляться таким образом, что к шнековому прессу 1 подают материал в количестве 3000-6000 кг/ч. При обезмасливании семян за счет этого могут быть получены количества масла в диапазоне 600-1200 кг/ч. Из этого количества обычно 200-400 кг/ч масла получают механическим путем в зоне секции 23 предварительного прессования, а 400-800 кг/ч масла отводят в зоне секции 24 экструдирования. Для получения этого количества масла обычно подают диоксид углерода в количестве 80-300 кг/ч. Из этого количества диоксида углерода до 60 кг/ч остается нерастворенным в прессуемом материале, что служит для создания необходимого давления газа.
Согласно другому примеру выполнения изобретения для меньших расходов к шнековому прессу в качестве прессуемого материала подают предварительно разрушенные соевые бобы с содержанием масла 18-20% и содержанием воды около 10%. Температура прессуемого материала на входе составляет 20°С, и предусмотрен расход 100 кг/ч. Жидкий диоксид углерода подают к шнековому прессу 1 в количестве 15 кг/ч при температуре 20°С. В секции 24 экструдирования вдоль пути транспортировки устанавливается температура 35-45°С. Отжатое масло непосредственно после выхода из вторичного отвода 27 имеет температуру около 70°С. За счет комбинации механического отжима, а также растворения экстрагента в экстракте и вытекающего из этого снижения вязкости выходящее из отвода 10 твердое вещество имеет содержание остаточного жира максимум 3 мас.%.