Установка экстракционная

Полезная модель относится к устройствам для экстракции липидов из клеток микроорганизмов с помощью растворителя (экстрагента), в частности к установкам экстракционным.
Известна установка экстракционная, включающая экстрактор вертикальный с системой подогрева, снабженный декантатором, шлюзовыми затворами с регулируемым приводом и шнеками подачи сырья и выгрузки отработанного материала, причем на валу загрузочного шлюзового затвора по обе стороны от него установлены шестерни конической зубчатой передачи, приводящие во вращение вертикальные валы, входящие внутрь корпуса экстрактора и снабженные пальцами, расположенными по высоте валов в шахматном порядке, (например, патент РФ 106128, МПК B01D 11/00, 2011 г.).
Однако, такая конструкция сложна в изготовлении и недостаточно надежна из-за наличия вращающихся валов внутри корпуса экстрактора.
Известен экстрактор непрерывного действия для виноградных выжимок, содержащий вертикальную разгрузочную и поярусно расположенные и последовательно соединенные экстракционные секции корпуса, по меньшей мере одна из которых снабжена установленным в ней с образованием паровой камеры приводным барабаном с перфорацией в виде сверхзвуковых сопел, на входах в которые установлены завихрители, смонтированные в секциях корпуса приводные шнеки и патрубки подачи пара в каждую экстракционную секцию, экстрагента и отвода мисцеллы и шрота, а также загрузочный бункер (например, патент РФ 2097414, МПК C12G 1/02, B01D 11/02, 1997 г.).
Такая конструкция также сложна в изготовлении и недостаточно надежна из-за наличия движущихся частей, что обусловлено известными признаками технического решения.
Известен центробежный экстрактор, содержащий корпус, ротор с насадкой, выполненной в виде спиральных каналов и устройства для ввода и вывода жидкостей, причем спиральные каналы образованы телескопически соединенными гибкими трубками, с возможностью изменения длины образованного канала, причем проходное сечение его изменяется по радиусу, а спиральные трубки установлены многорядными по высоте ротора, и межтрубное пространство которого заполнено теплоносителем, (например, патент РФ 81091, МПК B01D 11/04, 2009 г.).
Такая конструкция также сложна в изготовлении и недостаточно надежна из-за наличия движущихся элементов, что обусловлено известными признаками технического решения.
Известна установка для экстракции масел из масляничных культур, состоящая из нескольких последовательно соединенных сосудов, нагревательных элементов и элементов охлаждения, обеспечивающих экстракцию масла с последующей регенерацией растворителя (например, патент США 9687754, МПК B01D 11/02, С11В 1/10 2017 г.).
Несмотря на отсутствие движущихся частей в установке, экстрактор не обеспечивает развитую поверхность контакта фаз, требует фильтрования исходной среды для экстракции, а также дополнительных устройств подогрева и охлаждения.
Известна система экстракции неполярных липидов из микроводорослей, находящихся в движущейся проводящей среде, представляющей собой раствор питательных веществ (солей), с помощью наложения внешнего электромагнитного поля. Внешнее электромагнитное поле заставляет клетки микроводорослей выстраиваться вдоль силовых линий, что в итоге приводит к разрушению клеточных стенок и переходу содержимого клеток в раствор, причем неполярные липиды продолжают свободное движение вместе с потоком жидкости и далее собираются на выходе из экстрактора, в то время как полярные липиды, подверженные воздействию электромагнитного поля задерживаются и перемещаются к стенкам камеры экстрактора для последующего удаления (например, патент США 9085745, МПК C11В 1/00, B01D 57/00, 2015 г.).
Однако, такая конструкция обеспечивает недостаточную степень разрушения клеток тех видов микроводорослей, стенки которых включают жесткие компоненты, встроенные в более пластичную полимерную матрицу и способных к преодолению возникающих в результате действия ударно-волновых акустических импульсов, что снижает надежность работы установки. Кроме того, длительное воздействие внешнего электромагнитного поля на трансмембранный потенциал клетки может привести к нарушению процессов ее жизнедеятельности, а нарушение процессов метаболизма может привести к гибели клеток без их разрушения.
Указанные недостатки также обусловлены конструктивными признаками известного технического решения.
Задачей полезной модели является повышение надежности функционирования установки экстракционной.
Решение технической задачи достигается путем обеспечения равномерного температурного поля и концентрации экстрагента и суспензии клеток микроводорослей во внутреннем объеме экстрактора, за счет разделения внутреннего объема экстрактора на верхнюю и нижнюю камеры. В верхней камере за счет тангенциального ввода потока обеспечивается его турбулизация и интенсивное перемешивание, а за счет выполнения верхней камеры достаточной высотой обеспечивается равномерное распределение поступающего потока над трубной решеткой. В нижней камере за счет распределения потока по тонким металлическим трубам обеспечивается поддержание оптимальной температуры (50°С) осуществления процесса экстракции.
Между отличительными признаками и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.
Технический результат достигается тем, что установка экстракционная содержит корпус экстрактора, соединенный с нижней стороны трубой через кран: с одной стороны - через кран подачи исходной смеси со смесителем исходной суспензии и экстрагента, с другой стороны - через кран отсечной, насос - с верхней частью корпуса установки экстракционной, а через кран для отбора - с линией отвода экстракта, содержащего неполярные липиды, причем внутри корпуса установлена верхняя трубная решетка, обеспечивающая разделение внутреннего объема экстрактора на верхнюю часть, образованную внутренней поверхностью крышки экстрактора со штуцером подачи исходной смеси, и нижнюю часть, образованную внутренним пространством труб экстрактора, закрепленных с одной стороны в верхней трубной решетке, с другой стороны - в нижней трубной решетке, установленных в корпусе, со штуцерами подвода и отвода теплоносителя, соединенным с помощью болтовых соединений с крышкой экстрактора и днищем экстрактора со сливным штуцером. В результате в верхней части экстрактора обеспечивается турбулизация входящего потока с обеспечением гидродинамического режима, близкому к идеальному смешению, а в нижней части экстрактора за счет распределения жидкой смеси по трубам обеспечиваются условия, близкие к режиму идеального вытеснения. Требуемое время пребывания смеси в экстракторе обеспечивается путем рециркуляции потока по замкнутому контуру, включающему экстрактор, кран, кран отсечной, насос.
Корпус установки экстракционной выполнен из полимерного материала с низкой теплопроводностью.
В качестве полимерного материала с низкой теплопроводностью используется полиамид шестиблочный.
Трубы установки экстракционной выполнены из металлического полированного материала с высокой теплопроводностью.
В качестве металлического материала с высокой теплопроводностью используется медь.
Ось штуцера подачи исходной смеси смещена в горизонтальной плоскости относительно оси экстрактора на расстояние 0,35 внутреннего диаметра экстрактора.
Отношение высоты цилиндрической части крышки экстрактора к внутреннему диаметру экстрактора лежит в пределах 0,8-0,9.
Длина труб составляет 1,8-2,1 диаметра корпуса экстрактора, их внутренний диаметр составляет 0,03-0,05 диаметра корпуса экстрактора, толщина труб составляет 0,1-0,15 их наружного диаметра.
Организация в верхней части экстрактора гидродинамического режима, близкому к идеальному смешению, позволяет эффективно разделять агломераты клеток и обеспечивать максимальную поверхность контакта экстрагента с клетками микроводоролей. Организация в нижней части экстрактора режима, близкого к идеальному вытеснению обеспечивает оптимальные условия проведения процесса экстрагирования (температура 50°С, однородная смесь, полученная в верхней части экстрактора, с соотношением 1:2 (об.) полярного (этанол) и неполярного (петролейный эфир) экстрагентов) и соотношением биомассы и смеси экстрасенсов 1 (г):20 (мл)).
Выполнение корпуса установки экстракционной из полимерного материала с низкой теплопроводностью обеспечивает теплоизоляцию межтрубного пространства то окружающей среды.
Использование в качестве полимерного материала с низкой теплопроводностью полиамида шестиблочного обеспечивает требуемую теплоизоляцию корпуса при выполнении требований прочности корпуса.
Выполнение труб установки экстракционной из металлического полированного материала с высокой теплопроводностью обеспечивает, с одной стороны, эффективную теплопередачу тепла от теплоносителя к смеси экстрагента и суспензии микроводорослей, с другой стороны - существенное снижение загрязнения как внутренней, так и внешней поверхности труб за счет их полировки и обеспечения минимальной шероховатости.
Использование в качестве металлического материала с высокой теплопроводностью меди обеспечивает высокий коэффициент теплопроводности при относительно низкой стоимости.
Смещение оси штуцера подачи исходной смеси в горизонтальной плоскости относительно оси экстрактора на расстояние 0,35 внутреннего диаметра экстрактора обеспечивает тангенциальный ввод потока и его турбулизацию.
Выполнение цилиндрической части крышки экстрактора с высотой, равной 0,8-0,9 внутреннего диаметра экстрактора обеспечивает равномерное распределение входящего турбулизированного потока по верхней трубной решетке.
Выполнение труб экстрактора длиной 1,8-2,1 диаметра корпуса экстрактора, с внутренним диаметром 0,03-0,05 диаметра корпуса экстрактора, толщиной 0,1-0,15 их наружного диаметра обеспечивает режим идеального вытеснения.
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 установок экстракционных с получением технического результата, заключающегося в повышении надежности установки экстракционной, 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 установке экстракционной.
На фиг. 2 показан трубчатый экстрактор (в разрезе).
На представленных чертежах изображены:
1 - корпус экстрактора;
2 - труба;
3 - кран;
4 - кран подачи исходной смеси;
5 - смеситель;
6 - кран отсечной;
7 - насос;
8 - кран для отбора;
9 - верхняя трубная решетка;
10 - крышка экстрактора;
11 - штуцер подачи исходной смеси;
12 - труба экстрактора;
13 - нижняя трубная решетка;
14 - штуцер подвода теплоносителя;
15 - штуцер отвода теплоносителя;
16 - болтовое соединение;
17 - днище экстрактора;
18 - штуцер сливной.
Потоки:
1 - теплоноситель (вода);
34 - биомасса разрушенных клеток микроводорослей;
35 - экстрагент;
36 - смесь биомассы разрушенных клеток микроводорослей и экстрагента;
37 - экстракт, содержащий неполярные липиды (целевой продукт).
Установка экстракционная содержит корпус экстрактора 1, соединенный с нижней стороны трубой 2 через кран 3: с одной стороны - через кран подачи исходной смеси 4 со смесителем 5, с другой стороны - через кран отсечной 6, насос 7 с верхней частью корпуса установки экстракционной, а через кран для отбора 8 - с линией отвода экстракта, содержащего неполярные липиды, причем внутри корпуса 1 установлена верхняя трубная решетка 9, обеспечивающая разделение внутреннего объема экстрактора на верхнюю часть, образованную внутренней поверхностью крышки экстрактора 10 со штуцером подачи исходной смеси 11 и нижнюю часть, образованную внутренним пространством труб 12, закрепленных с одной стороны в трубной решетке 9, с другой стороны - в нижней трубной решетке 13, установленных в корпусе 1, со штуцерами подвода 14 и отвода 15 теплоносителя, соединенным с помощью болтовых соединений 16 (показаны условно) с крышкой экстрактора 10 и днищем экстрактора 17 со сливным штуцером 18.
Сборка устройства осуществляется в вертикальном положении следующим образом.
Вначале собирается пакет труб путем установки и развальцовки труб 2 в верхнюю 9 и нижнюю 13 трубные решетки. Затем собранный пакет устанавливается внутрь предварительно нагретого корпуса экстрактора 1, с присоединенными неразъемно штуцерами подвода 14 и отвода 15 теплоносителя, внутренний диаметр которого несколько увеличивается за счет объемного расширения. Далее корпус экстрактора 1 с пакетом труб охлаждается на воздухе, в результате чего диаметр корпуса несколько уменьшается до первоначального размера, что обеспечивает посадку трубных решеток в корпусе с натягом. Корпус экстрактора 1 с трубными решетками 9, 13 и трубами 2 в сборе устанавливается на днище экстрактора 17 с присоединенным неразъемно штуцером 18, установленные на вертикальной опоре (условно не показана) таким образом, чтобы обеспечивалась соосность корпуса экстрактора 1 и штуцера 18. Герметизация нижней части экстрактора осуществляется путем болтовых соединений 16 и кольцевой прокладки (условно не показана) между фланцами днища и корпуса экстрактора. Далее на корпус экстрактора 1 сверху устанавливается крышка экстрактора 10 с присоединенным неразъемно штуцером подачи исходной смеси 11 так, чтобы обеспечивалась соосность корпуса экстрактора 1 и крышки экстрактора 10. Герметизация верхней части экстрактора осуществляется путем болтовых соединений 16 и кольцевой прокладки (условно не показана) между фланцами крышки экстрактора и корпуса экстрактора.
После сборки экстрактора осуществляется подключение штуцера сливного 18 через трубу 2, кран 3 к: смесителю 5, в котором осуществляется смешение потоков биомассы разрушенных клеток микроводорослей 34 и экстрагента 35, через кран подачи исходной смеси 4; и к штуцеру подачи исходной смеси 11 трубой 2 через насос 7 и кран отсечной 6. Насос 7 со стороны выхода также подключается к линии целевого продукта трубой 2 через кран для отбора 8.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Перед началом работы осуществляется заполнение экстрактора смесью биомассы микроводорослей и экстрагента через кран подачи исходной смеси 4, кран 3, при закрытом кране отсечном 6, а также заполнение межтрубного пространства теплоносителем через штуцера 14, 15. Далее кран подачи исходной смеси 4 перекрывается, при закрытом кране для отбора 8 включается насос 7 и осуществляется циркуляция смеси по замкнутому контуру: смесь биомассы клеток микроводорослей и экстрагента насосом 7 подается через штуцер подачи исходной смеси 11 тангенциально в крышку экстрактора 10, где за счет турбулизации потока обеспечивается режим идеального перемешивания, и далее поток под действием силы тяжести равномерно распределяется по верхней трубной решетке 9. Далее смесь движется по трубам экстрактора 12, где обеспечиваются оптимальные условия проведения процесса экстракции (50°С), режим идеального вытеснения), после чего поток попадает в днище экстрактора 17, откуда через штуцер сливной 18, открытые: кран 3, кран отсечной 6 возвращается на вход насоса 7. После осуществления процесса экстракции в течение заданного времени (определяемого временем работы насоса 7), открывается кран для отбора 8, насос 7 подает экстракт в линию отвода экстракта, содержащего неполярные липиды. Далее насос 7 отключается, кран для отбора 8 перекрывается и процесс повторяется.
Устройство позволяет повысить надежность функционирования установки экстракционной за счет турбулизации входящего потока с обеспечением в верхней части экстрактора гидродинамического режима, близкого к идеальному смешению, а в нижней части экстрактора, за счет распределения жидкой смеси по трубам, условий, близких к режиму идеального вытеснения, в результате чего достигаются оптимальные условия проведения процесса экстракции.