АППАРАТ ВИХРЕВОГО СЛОЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА БИОДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА

Полезная модель относится к аппаратам для перемешивания жидких сред во вращающемся электромагнитном поле, в частности, к аппаратам вихревого слоя для осуществления процесса метанолиза и получения биодизельного топлива.
Известен вихревой аппарат для приготовления дизельного топлива с улучшенными свойствами. Аппарат выполнен в виде цилиндрического корпуса, в котором установлена цилиндрическая обечайка. В цилиндрической обечайке установлен полый перфорированный барабан, на оси которого установлен полый ротор, через который осуществляется подача исходного сырья для дизельного топлива. Корпус, цилиндрическая обечайка, полый перфорированный барабан и полый ротор установлены на одной оси. На полом роторе установлены конические диски, которые вращаются вместе с ротором и обеспечивают процесс механодеструкции обрабатываемой среды в кольцеобразной периферийной области между ротором и обечайкой. Через отверстия в стенке полого перфорированного барабана, расположенного в кольцеобразной периферийной области осуществляется диспергирование обрабатываемой среды. Обработанная среда выводится из аппарата через кольцевой зазор между корпусом и обечайкой через выходной патрубок. Диаметр обечайки составляет 0,8-0,9 диаметра корпуса, диаметр полого перфорированного барабана - 0,6-0,7 диаметра корпуса, диаметр ротора - 0,1-0,2 диаметра корпуса (См., например, патент РФ №2163979, МПК F02M 31/16, F02M 37/22, В04В 1/08, 2001 г).
Однако такая конструкция аппарата не обеспечивает эффективную организацию реакционного пространства при протекании реакции метанолиза. Это обусловлено тем, что диспергирование обрабатываемой среды осуществляется не по всему объему, а только вблизи стенки полого перфорированного барабана, что приводит к неравномерному распределению реагирующих компонентов по его объему и образованию непрореагировавших остатков исходных компонентов.
Известен аппарат вихревого слоя, содержащий крышки с патрубками подвода и отвода охлаждающей среды, размещенный между крышками индуктор вращающегося электромагнитного поля, имеющий осевой канал, в котором с зазором к стенкам канала установлена реакционная камера в виде трубы, имеющей сменную вставку с ферромагнитными частицами. Аппарат имеет обечайку из немагнитного материала, снабженную кожухом, соединенным с крышками. Кожух и обечайка индуктора выполнены цилиндрическими. Ферромагнитные частицы сменной вставки выполнены в виде стержней различного размера (патент РФ №2342987, B01F 13/08, 2009 г).
Такое конструктивное выполнение аппарата обеспечивает повышение качества обработки поступающей жидкой смеси за счет ее диспергирования по всему объему реакционной камеры ферромагнитными частицами.
Однако, данное конструктивное исполнение не позволяет использовать тепло, передаваемое корпусом индуктора охлаждающей жидкости, и требует дополнительного оборудования для ее подачи в рубашку.
Указанные недостатки также обусловлены конструктивными признаками известного технического решения.
Задачей изобретения является повышение эффективности функционирования аппарата вихревого слоя для производства биодизельного топлива из растительного сырья.
Технический результат заключается в снижении суммарных энергозатрат аппарата вихревого слоя за счет использования предварительно нагретого в кольцеобразной периферийной полости растительного масла, подаваемого в реакционную камеру и рациональной организации реакционного пространства за счет выполнения сменной вставки в виде оси с приварными распределительными решетками из немагнитного металлического материала.
Между отличительными признаками и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.
Технический результат достигается тем, что в аппарате вихревого слоя, содержащим корпус, кольцобразную периферийную полость, штуцеры для подвода и отвода растительного масла, охлаждающего индуктор с индукционными обмотками и помещенной в него реакционной камерой с корпусом из немагнитного материала, с помещенной в него сменной вставкой и крышками, штуцеры для подвода обрабатываемой среды и отбора целевого компонента, теплообменник и статический смеситель для смешения растительного масла и метанола в реакционной камере, разделенной на зоны путем установки сменной вставки, заполненной ферромагнитными частицами и катализатором, используется предварительно нагретое в кольцеобразной периферийной полости растительное масло.
В статическом смесителе установлены диффузоры по направлению движения потоков растительного масла и метанола.
В статическом смесителе установлены диафрагмы по направлению движения смеси растительного масла и метанола.
Сменная вставка выполнена в виде оси с приварными распределительными решетками из немагнитного металлического материала.
2
3
2
3
В качестве катализатора в аппарате вихревого слоя используется гетерогенный основной катализатор состава Na/NaOH/γ-AlO или К/КОН/γ-АlO в виде гранул размером 2-4 мм.
Герметичность прилегания втулок к корпусу реакционной камеры по образующей обеспечивается выполнением их из антифрикционного материала.
Использование предварительно нагретого растительного масла в кольцеобразной периферийной полости позволяет обеспечить его нагрев в теплообменнике до температуры 60-75ºС осуществления реакции метанолиза в реакционной камере при меньших суммарных энергозатратах аппарата вихревого слоя.
Разделение реакционной камеры путем установки сменной вставки на пять чередующихся зон, заполненных ферромагнитными частицами и катализатором, обеспечивает высокую эффективность диспергирования поступающей смеси растительного масла и метанола и исключает необходимость дополнительного внесения катализатора в реакционную камеру.
Использование в статическом смесителе диффузоров по направлению движения потоков растительного масла и метанола и диафрагм по направлению движения смеси растительного масла и метанола обеспечивает получение однородной обрабатываемой среды, поступающей в реакционную камеру аппарата.
Выполнение сменной вставки в виде оси с приварными распределительными решетками из немагнитного металлического материала обеспечивает рациональную организацию реакционного пространства и позволяет исключить унос ферромагнитных частиц и катализатора из реакционной камеры.
2
3
2
3
Использование в качестве катализатора в аппарате вихревого слоя гетерогенного основного катализатора состава Na/NaOH/γ-AlO или К/КОН/γ-АlО в виде гранул размером 2-4 мм обеспечивает достижение выхода реакции переэтерификации и эстерификации растительных масел на уровне 98,5-99,8% от теоретического.
Выполнение втулок из антифрикционного материала обеспечивает возможность уплотнить их соединение и корпусом реакционной камеры по образующей наряду с уплотнением кольцевыми прокладками.
По имеющимся у заявителя сведениям, совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию “новизна”.
Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность полезной модели, может быть многократно использована в производстве различных модификаций аппаратов с вихревым слоем для производства биодизельного топлива с получением технического результата, заключающегося в снижении суммарных энергозатрат аппарата, а также рациональной организации реакционного пространства и повышении эффективности функционирования аппарата вихревого слоя, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию “промышленная применимость”.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется примером конкретного выполнения, где:
На фиг.1 показана схема потоков в аппарате с вихревым слоем.
На фиг.2 показан общий вид корпуса с индуктором электромагнитного поля в разрезе.
На фиг.3 показан общий вид статического смесителя в разрезе.
На представленных чертежах изображены:
1 - корпус с индуктором электромагнитного поля;
2 - статический смеситель;
3 - пластинчатый теплообменник;
4 - корпус реакционной камеры;
5 - индукционные обмотки;
6 - уплотнительная прокладка;
7 - прижимная втулка;
8 - пружина;
9 - втулка;
10 - штуцер;
11 - ось;
12 - распределительная решетка;
13 - ферромагнитные частицы;
14 - гранулы катализатора;
15 - крышка;
16 - оребрение;
17 - клеммный вывод;
18 - уплотнительная прокладка;
19 - болт;
20 - гайка;
21 - шайба;
22 - корпус статического смесителя;
23 - диффузор;
24 - диафрагма;
потоки:
1 - вода;
34 - растительное масло;
35 - метанол;
36 - смесь метанола и растительного масла (обрабатываемая среда);
37 - смесь метиловых эфиров и глицерина (целевой компонент);
А - цилиндрическая полость;
Б - область реакции;
В - кольцеобразная периферийная полость;
Аппарат вихревого слоя для производства биодизельного топлива содержит корпус с индуктором электромагнитного поля 1, статический смеситель 2, теплообменник 3. Корпус с индуктором электромагнитного поля 1 содержит корпус реакционной камеры 4, в виде трубы, установленной с зазором к стенкам обечайки индуктора с индукционными обмотками 5, в верхней и нижней частях реакционной камеры 4 через уплотнительные прокладки 6 установлены прижимная втулка 7 с пружиной и втулка 9 с резьбовыми отверстиями по центру, в которых установлены штуцеры 10. Внутри реакционной камеры установлена цилиндрическая сменная вставка, выполненная в виде оси 11 с приварными распределительными решетками 12 из немагнитного металлического материала, которая заполнена ферромагнитными частицами 13 и гранулами катализатора 14. Прижимная втулка 7 с пружиной 8 и втулка 9 своими торцами примыкают к днищу корпуса 1 и крышке 15, которые примыкают к индуктору электромагнитного поля с оребрением 16 и клеммным выводом 17 через уплотнительные прокладки 18. Герметичность прилегания корпуса реакционной камеры 4 к втулкам 7 и 9 по образующей обеспечивается их выполнением из антифрикционного материала наряду с использованием уплотнительных прокладок 6. Герметичность прилегания крышки 15 к корпусу 1, заполненного охлаждающим растительным маслом обеспечивается усилием прижатия через уплотнительную прокладку 18 посредством резьбового соединения, включающего болт 19, гайку 20, шайбу 21. В верхней и нижней части корпуса выполнены резьбовые отверстия, в которые ввернуты штуцеры 10 с возможностью осевого перемещения.
В корпусе 22 статического смесителя 2 по ходу движения потоков растительного масла и метанола установлены диффузоры 23, по ходу движения смеси растительного масла и метанола установлены диафрагмы 24.
Кольцевые уплотнительные прокладки 6 и 18 изготавливаются из мягкой резины, для обеспечения надежного контакта.
Сборка устройства осуществляется следующим образом. Вначале осуществляется сборка реакционной камеры. На кольцевой канал прижимной втулки 7 устанавливается уплотнительная прокладка 6, на которую устанавливается корпус реакционной камеры 4, так, чтобы его торец упирался в торец прижимной втулки 7, обращенный внутрь корпуса. В корпус реакционной камеры 4 осуществляется установка сменной вставки, состоящей из оси 11 и шести распределительных решеток 12, образующих камеры, заполненные ферромагнитными частицами 13 и гранулированным катализатором 14. Герметизация реакционной камеры 4 осуществляется путем установки втулки 9 в корпус реакционной камеры 4 аналогично описанному выше. С обоих торцов втулок 7 и 9 в резьбовые каналы вворачиваются штуцеры 10.
Далее при снятой крышке 15 в цилиндрическую полость А устанавливается реакционная камера, содержащая область реакции Б наружним кольцевым выступом прижимной втулки 9 с установленной в наружний кольцевой канал уплотнительной прокладкой 6 в центральное отверстие в нижней части корпуса 1 штуцером 10 с установленной в наружном кольцевом канале уплотнительной прокладкой 6. В резьбовые отверстия в днище и обечайке корпуса 5 вворачиваются штуцеры 10. На прижимную втулку 7 одевается пружина 8. Герметизация корпуса с индуктором электромагнитного поля осуществляется посредством созданием усилия прижатия на кольцевые уплотнительные прокладки 18, расположенные между корпусом 1, стенкой кольцевой области В и крышкой 15 резьбовым соединением, включающим болт 19, гайку 20 и шайбу 21, а также за счет создания крышкой 15 через пружину 8 на торец прижимной втулки 7, что исключает разгерметизацию реакционной камеры.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Через верхний центральный штуцер 10 в реакционную камеру в область реакции Б индуктора вихревого электромагнитного поля поступает смесь растительного масла, подогретого в кольцеобразной периферийной полости В, и метанола с мольным соотношением от 1:6 до 1:20 (поток 36), предварительно полученная путем смешения потоков подогретого в теплообменнике водой (поток 1) масла растительного (поток 34) и метанола (поток 35). В реакционной камере осуществляется реакция переэтерификации и эстерификации растительного масла и жирных кислот со спиртом (метанолом). В результате образуется смесь сложных эфиров метанола с жирными кислотами и глицерина (поток 37). Выход реакции составляет не менее 98,5% от теоретического при мольном отношении масла к спирту 1:6 и не менее 99,8% при мольном отношении масла к спирту 1:20. Полученная смесь (поток 37) выводится из камеры через нижний центральный штуцер 10.
Использование предварительно нагретого растительного масла в кольцеобразной периферийной полости корпуса с индуктором электромагнитного поля позволяет снизить суммарные энергозатраты предлагаемого аппарата вихревого слоя на 30%.
Использование сменной вставки, разделяющей реакционную камеру на пять чередующихся зон, заполненных ферромагнитными частицами и катализатором обеспечивает высокую эффективность функционирования аппарата и позволяет сократить длительность реакции в реакционной гамере до 1,5-4,5 с.
Устройство позволяет повысить эффективность функционирования аппарата вихревого слоя для производства биодизельного топлива из растительного сырья.