Установка для тепло- массообменной обработки многокомпонентных продуктов
INSTALLATION FOR HEAT- AND MASS EXCHANGE TREATMENT OF MULTICOMPONENT PRODUCTS

Изобретение относится к пищевой промышленности и может быть использовано при переработке отходов пищевых производств.
Известна сушилка с активным гидродинамическим режимом [Патент РФ № 2159403, кл. F 26 В 17/10, 2000г., БИ № 32], содержащая цилиндроконическую камеру с тангенциально установленным патрубком ввода материала, отражатель, установленный с возможностью перемещения в осевом направлении, конфузор для ввода основного потока сушильного агента, по оси камеры в ее цилиндрической части установлена полая вставка, выполненная в виде гиперболоида, верхний срез которого жестко закреплен на цилиндрической поверхности камеры над тангенциально установленным патрубком ввода материала, а между ее нижним срезом и боковой поверхностью камеры предусмотрен кольцевой зазор, и каналы для вывода отработанного сушильного агента, в которой сушка термолабильных материалов осуществляется в закрученном потоке и взвешенном слое с образованием зон его сушки и досушки.
Недостатком конструкции сушилки является невозможность осуществления непрерывного смешивания компонентов смеси и ее последующей сушки.
Известна сушилка для осуществления способа получения пищевой биодобавки из вторичных сырьевых ресурсов пивоваренного производства [Патент РФ № 2204263, кл. А 23 К 1/06, А 23 L 1/30, F 26 В 17/10, опубл. 20.05.2003 г.], содержащая цилиндроконическую камеру с тангенциально установленным патрубком ввода материала, полую вставку в виде чередующихся элементов гиперболической и шарообразной формы, при этом перед последним гиперболическим элементом вставки в районе его сопряжения с шарообразной частью вставки размещен распылитель и каналы для вывода сушильного агента, отражатель, установленный с возможностью перемещения в осевом направлении, конфузор для ввода основного потока сушильного агента.
Недостатком конструкции сушилки является невозможность ее использования для регенерации адсорбента, например, кизельгура, из-за отсутствия в ней устройств для пиролиза органических компонентов из обрабатываемой смеси.
Известна установка для тепловой регенерации отработанного кизельгура [Руденко Е.Ю, Падерова К.М., Антропова Е.Д, Зипаев Д.В., Возможности использования отработанного кизельгура // Пищевая промышленность. - 2011. - № 1. - С. 62-64], включающая в себя последовательно установленные контейнер, смеситель, фильтр-пресс, накопительный силос, электрическую сушилку, циклон, высокотемпературную камеру и силос для хранения.
Недостатками установки являются высокие энергетические и материальные затраты.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является установка [Беме, К. Новый способ термической регенерации кизельгура [Текст] / К. Беме, Р. Майвальд, Ф. Фрайберг, Ф. Хебмюллер // Brauwelt. Мир пива. – 2001. – № 1. – С. 18-21], включающая накопительную емкость с мешалкой, фильтр-пресс, оборудование для гранулирования, печь с кипящим слоем, систему циклонов.
Недостатками установки являются высокие энергетические и материальные затраты из-за отсутствия рециркуляционных контуров и невысокой интенсивности тепло- массообмена.
Технической задачей изобретения является разработка установки, позволяющей расширить функциональные возможности за счет ее работы в режиме сушки или в режиме пиролиза, что позволяет использовать установку во многих отраслях пищевой промышленности, повысить надежность работы, снизить энергетические и материальные затраты за счет осуществления рециркуляции теплоносителя и эффективного использования продуктов тепло-массообменной обработки многокомпонентных продуктов, а также в результате интенсификации тепло- и массообмена.
Техническая задача изобретения достигается тем, что в установке для тепло- массообменной обработки многокомпонентных продуктов, включающей последовательно установленное оборудование для механического отделения влаги, для предварительной подсушки продукта, для теплового воздействия на него в активном гидродинамическом режиме, для сепарирования и улавливания фракций готового продукта, для подготовки теплоносителя, новым является то, что в качестве оборудования для механического отделения влаги используют декантер, в качестве оборудования для предварительной подсушки продукта применяют транспортирующий шнек с электрическими нагревательными элементами, а в качестве оборудования для теплового воздействия на продукт в активном гидродинамическом режиме используют массообменный аппарат, представляющий собой цилиндроконическую камеру с тангенциально установленным патрубком ввода газовзвеси продукта, снабженным инжектором, полую вставку с чередующимися узкими и расширяющимися частями, патрубок для вывода теплоносителя, отражатель, патрубок с конфузором для ввода потока смеси теплоносителя, полученного сжиганием газа, и регенерируемого отработанного теплоносителя, соединенным трубопроводом с патрубком для вывода теплоносителя, в котором установлено оборудование для сепарирования и улавливания фракций готового продукта в виде последовательно размещенных дымососа, циклона, электростатического фильтра, а в качестве оборудования для подготовки теплоносителя используют газовый теплогенератор с горелкой, компрессор с электронагревателем и мембранный генератор, при этом выходной канал мембранного генератора для обедненной кислородом воздушной смеси соединен с инжектором, а выходной канал мембранного генератора для обогащенного кислородом воздуха соединен с горелкой газового теплогенератора, которая в свою очередь имеет патрубок для подачи в нее природного газа, соединенного с параллельной ветвью трубопровода регенерируемого потока отработанного теплоносителя, снабженного конденсатором, при этом патрубок для ввода потока смеси теплоносителя, полученного сжиганием газа, и рециркулируемого отработанного теплоносителя соединен трубопроводом с греющей рубашкой инжектора.
Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей за счет ее работы в режиме сушки или в режиме пиролиза, что позволяет использовать установку во многих отраслях пищевой промышленности, в повышении надежности работы, в снижении энергетических и материальных затрат за счет осуществления рециркуляции теплоносителя и эффективного использования продуктов тепло- массообменной обработки многокомпонентных продуктов, а также в результате интенсификации тепло- и массообмена.
На фиг. 1 изображена схема установки для тепло-массообменной обработки многокомпонентных продуктов, на фиг.2 - разрез по А-А, на фиг. 3 - выносной элемент I.
Установка для тепло- массообменной обработки многокомпонентных продуктов (фиг.1) включает в себя декантер 1, имеющий привод 2, шнековый рабочий орган 3, патрубки 4, 5, 6 соответственно для подачи исходного продукта, удаления воды и частично обезвоженного продукта. При этом патрубок удаления частично обезвоженного продукта 6 соединен при помощи конусообразного питателя 7 с конвейером 8, имеющим нагревательные элементы 9 и транспортирующий шнек 10 с приводом 11. Выходная горловина конвейера 8 в свою очередь соединена конусообразным питателем 12 с входным патрубком 13 инжектора 14, который имеет патрубок для ввода теплоносителя 15, греющую рубашку 16 и выходное сопло 17, которое соединено с тангенциально установленным патрубком ввода газовзвеси продукта 18 (фиг. 2) в цилиндроконическую камеру 19 массообменного аппарата 20, выступающего в качестве оборудования для теплового воздействия на продукт в активном гидродинамическом режиме. Коническая часть камеры 19 в нижней части выполнена в виде конфузора 21, соединенного с патрубком для ввода потока смеси теплоносителя 22, полученного сжиганием газа, и отработанного регенерированного теплоносителя, а в верхней части камера 19 снабжена отражателем (отбойником) 23 и окнами 24 для выхода газовзвеси отработанного продукта в пространство, образованное цилиндрической частью камеры 19 и корпусом 25 массообменного аппарата 20.
Внутри цилиндрической части камеры 19 установлена полая вставка 26 с чередующимися узкими и расширяющимися частями, имеющая на внешней поверхности канал 27 регулируемого сечения для отвода паровой фазы из зоны сушки. Крышка 28 снабжена патрубком для вывода теплоносителя с взвесью готового продукта 29.
В качестве оборудования для подготовки теплоносителя, подаваемого в патрубок 22, используют газовый теплогенератор 30 с горелкой 31 (фиг 3) и газодувкой 32, компрессор 33 с электронагревателем 34, а также и мембранный генератор 35, при этом патрубок 36 мембранного генератора 35 для выхода обедненной кислородом воздушной смеси соединен трубопроводом 37 с входным патрубком 13 инжектора 14, а патрубок 38 мембранного генератора 35 для выхода обогащенного кислородом воздуха соединен трубопроводом 39 с горелкой 31 (фиг. 3) газового теплогенератора 30, которая в свою очередь через газодувку 32 соединена с трубопроводом 40 для подачи в нее природного газа, соединенного ветвью трубопровода 41 рециркулируемого потока отработанного теплоносителя, снабженного конденсатором 42. При этом патрубок 22 для ввода потока смеси теплоносителя, полученного сжиганием газа, и регенерируемого отработанного теплоносителя соединен трубопроводом 42 с греющей рубашкой 16 инжектора 14. Патрубок 29 для вывода теплоносителя соединен с трубопроводом 41 через систему оборудования для сепарирования и улавливания фракций готового продукта, в виде последовательно размещенных дымососа 43, циклона 44 и электростатического фильтра 45. При этом трубопровод 41 на участке между электростатическим фильтром 45 и конденсатором 42 имеет ответвление в виде трубопровода, соединенного через газовый теплогенератор 30 с патрубком 22 ввода теплоносителя в массообменный аппарат 20.
Установка для тепло- массообменной обработки многокомпонентных продуктов работает следующим образом.
В зависимости от требуемых задач установка может работать как в режиме сушки, например пивной дробины или послеспиртовой барды и т.п., так и в режиме пиролиза или выжигания, например при утилизации отходов пищевых предприятий, в частности кизельгурового шлама пивоваренного или масложирового производства.
Многокомпонентный исходный продукт влажностью 80-90 %, например отработанный кизельгуровый шлам после фильтрации, подается через патрубок 4 в декантер 1, где он предварительно обезвоживается от слабосвязанной влаги до влажности 55-70 % механическим способом в поле центробежных сил, создаваемых вращением от привода 2 шнековым рабочим органом 3. Отделенная от продукта вода удаляется через патрубок 5, а частично обезвоженный продукт с влажностью 55-70 % подается при помощи конусообразного питателя 7 в конвейер 8, где благодаря нагреву  элементов 9 выпаривается еще часть влаги до обеспечения сыпучей консистенции продукта. Одновременно шнеком 10, который приводится во вращение с помощью привода 11, продукт транспортируется к выходной горловине конвейера 8, из которой продукт конусообразным питателем 12 подается во входной патрубок 13 инжектора 14. При этом через патрубок 15 в инжектор вводится под напором теплоноситель, при движении которого образуется разрежение, обеспечивающее забор сыпучего продукта из питателя 12 и последующее его смешивание в выходном сопле 17 с теплоносителем с образованием газовзвеси. При этом за счет разрежения происходит испарение части влаги из сыпучего продукта. После этого полученная газовзвесь через тангенциально установленный патрубок 18 (фиг. 2) подается в цилиндроконическую камеру 19 массообменного аппарата 20, где она подсушивается в закрученном потоке до промежуточной влажности, например, 2-6 %. При нагреве частиц продукта до 100-150°С происходит выделение и испарение внешней и свободной влаги. Подсыхаемые частицы продукта опускаются по криволинейной траектории в нижнюю коническую часть 21 цилиндроконической камеры 19, где захватывается потоком теплоносителя, подаваемого через патрубок 22. Процесс сушки продолжается в активном гидродинамическом режиме. В центре потока осуществляется фонтанирование частиц продукта, которые опускаются по периферии, закрученные тангенциальным потоком, при этом ядро фонтана вращается вокруг вертикальной оси. Направление вращения ядра фонтана совпадает с направлением движения тангенциального потока. Высыхая, частицы продукта, например кизельгура, поднимаются вверх и захватываются потоком теплоносителя, скорость которого увеличивается вследствие уменьшения сечения, обусловленного конфигурацией полой вставки 26. По мере движения теплоносителя через полую вставку 26 его скорость падает до скорости витания частиц продукта, например кизельгура, из-за увеличения проходного сечения, обусловленного расширяющейся конфигурацией вставки 6, и образуется взвешенный слой, в котором идет досушка частиц продукта, например кизельгура, до конечной влажности 2-3 %. Далее частицы продукта поднимаются вверх и захватываются потоком теплоносителя, скорость которого увеличивается вследствие уменьшения сечения, обусловленного конфигурацией полой вставки 26. В самой верхней части полой вставки 26 происходит доведение продукта до требуемой кондиции.
При этом установка может работать в двух режимах: в режиме сушки, когда температура теплоносителя невысокая, например, до температуры 200°С в зависимости от термолабильных свойств продукта, и в режиме пиролиза, например, при температуре до 550°С для регенерации кизельгура, путем термического разложения содержащихся в нем органических компонентов с выделением углеводородных газов и паров.
Отражатель 23 отклоняет частицы смеси в радиальном направлении, в результате чего происходит разделение продукта и отработанного теплоносителя, а более тяжелые частицы смеси с наличием в них влаги или органических включений (в режиме пиролиза) возвращаются во взвешенный слой. Причем готовые частицы, освобожденные от влаги и органических веществ, вместе с отработанным теплоносителем удаляются через окна 24, попадают в пространство, образованное цилиндрической частью камеры 19 и кожухом 25, в которой крупнодисперсная фракция при потере скорости оседает в этом пространстве, а отработанный теплоноситель удаляется из пространства, образованного цилиндрической частью камеры 19 и кожухом 25, в трубопровод 41 через патрубок 29 дымососом 43 через систему оборудования для сепарирования и улавливания фракций готового продукта. При этом в циклоне 44 улавливается среднедисперсная фракция продукта, а в электростатическом фильтре 45 его мелкодисперсная фракция. Так как при прохождении через аппарат теплоноситель имеет достаточно высокую температуру, поэтому часть его может быть обратно возвращена для целей термического воздействия на продукт через трубопровод 46 в поток теплоносителя, который создается путем сгорания природного газа в теплогенераторе 30, нагнетаемого в него газодувкой 32 по трубопроводу 40. Причем по трубопроводу 41 к природному газу также подмешивается рециркулируемый теплоноситель в виде горючего газа, полученного в результате газификации органической составляющей продукта в результате сухой его перегонки в полой вставке 26, при работе массообменного аппарата 20 в режиме пиролиза (при температуре 300-550°С в условиях ограниченного доступа кислорода). Предварительно из горючего газа с помощью охлаждающей среды (воды или атмосферного воздуха) удаляется влага.
Теплоноситель, подаваемый под давлением в патрубок 15 инжектора 14 и  служащий для сушки продукта в закрученном потоке в цилиндроконической камере 19 массообменного аппарата 20, создается путем разделения в мембранном генераторе 35 подогретого, например, до 100-136°С в электронагревателе 34 воздуха и нагнетаемого в него компрессором 33 с обеспечением в напорном канале перед полупроницаемой мембраной (например, металлокерамической) до рабочего давления 0,5-4 МПа, под действием которого воздух разделяется на воздушную смесь, обедненную кислородом, и на смесь, обогащенную кислородом.
Повышенное содержание азота в воздушной смеси, обедненной кислородом воздуха, позволяет интенсифицировать процесс обезвоживания влаги из продукта за счет образования ассоциированных групп молекул влаги и азота, где молекулы газа выполняют роль переносчика молекул пара с поверхности испарения в свободное от продукта пространство, а также «бомбардируют» продукт, ослабляя силы взаимодействия между молекулами в местах попадания. Давление в местах столкновений оказывается выше давления окружающей среды, и чем выше скорость испарения, тем выше разница давлений на границе раздела фаз и в среде, при этом увеличивается общее давление среды, следовательно, возрастает значение конвективного тепло- и массопереноса. Кроме этого, данное давление обеспечивает необходимый расход теплоносителя в эжекторе.
Повышенная температура воздуха, например, 100-160°С, подаваемого на полупроницаемую мембрану, обеспечивает высокие показатели эффективности разделения воздуха.
В инжекторе 14 газовзвесь дополнительно подогревается за счет подачи в его греющую рубашку 16 по трубопроводу 42 отбираемого из патрубка 22 теплоносителя.
Обогащенный кислородом воздух после мембранного генератора через патрубок 38 и трубопровод 39 подается в горелку 31 газового теплогенератора 30, где повышенное содержание кислорода смеси катализирует процесс горения и обеспечивает боле высокую эффективность сжигания газа и как следствие более высокую температуру горения.
Установка для тепло- массообменной обработки многокомпонентных продуктов имеет следующие преимущества:
- использование декантера в качестве оборудования для механического отделения влаги позволяет снизить энергозатраты на последующий процесс термической обработки многокомпонентных продуктов за счет меньшего количества влаги, удаляемой в результате фазового превращения;
- применение в качестве оборудования для предварительной подсушки продукта транспортирующего шнека с электрическими нагревательными элементами позволяет снизить влажность продукта до достижения его сыпучего свойства, что обеспечивает возможность ввода продукта в массообменный аппарат;
- использование в качестве оборудования для теплового воздействия на продукт в активном гидродинамическом режиме массообменного аппарата, содержащего цилиндроконическую камеру с тангенциально установленным патрубком ввода газовзвеси продукта, снабженным инжектором, полую вставку с чередующимися узкими и расширяющимися частями, патрубок для вывода теплоносителя, отражатель, патрубок с конфузором для ввода потока смеси теплоносителя, полученного сжиганием газа, и регенерируемого отработанного теплоносителя, позволяет эффективно удалять влагу при одновременном сепарировании сыпучих частиц продукта и обеспечивать работу установки как в режиме сушки, так и в режиме пиролиза;
- установка на выходе из массообменного аппарата последовательно соединенных дымососа, циклона, электростатического фильтра позволяет обеспечить эффективное и надежное сепарирование и улавливания фракций готового продукта;
- использование для подготовки теплоносителя, подаваемого через конфузор в массообменный аппарат, газового теплогенератора с горелкой, а для подготовки теплоносителя, подаваемого через инжектор в массообменный аппарат, компрессора с электронагревателем и мембранного генератора позволяет обеспечить эффективное термическое воздействие на продукт и интенсифицировать процессы тепло- массообмена;
- соединение выходного канала мембранного генератора для обедненной кислородом воздушной смеси с инжектором позволяет интенсифицировать процесс влагоудаления в режиме сушки, а также эффективное и надежное осуществление тепло- массообменных процессов в режиме пиролиза;
- соединение выходного канала мембранного генератора для обогащенного кислородом воздуха с горелкой газового теплогенератора позволяет обеспечить эффективность и интенсификацию процесса горения;
- соединение патрубка для подачи в теплогенератор природного газа с трубопроводом рециркулируемого потока отработанного теплоносителя, снабженного конденсатором, позволяет обеспечить низкие энергозатраты за счет использования получаемого в режиме пиролиза горючего газа для создания теплоносителя.