Устройство для экстракции хвойной массы

 

Использование: в сельском хозяйстве для производства сельскохозяйственных кормов, кормовых добавок и лекарственных продуктов. Сущность изобретения: устройство для экстракции хвойной массы содержит корпус с двумя герметизированными секциями цилиндрической или конической формы, установленными друг на друге и соединенными не менее чем парой трубопроводов для пропуска экстракта и паров, один из которых связывает верхние части секций, а другой нижние. Устройство снабжено возбудителем массы, выполненным в виде источника колебаний (вибратора или пульсирующего насоса), подключенного к верхней секции и не менее чем тремя теплообменниками, расположенными в верхней, средней и нижней частях устройства. Каждая секция выполнена в виде полости с внешней обечайкой, с внешней и с общей промежуточной торцевыми крышками, внутри которой с зазором установлен частично перфорированный съемный стакан для загрузки массы. Теплообменники предусматривают подачу теплоносителя от внешних источников и регулировку подачи. Имеются и другие трубопроводы, патрубки и регулировочные системы Основным экстрагентом является бензин. Устройство позволяет повысить выход продукции и сократить время обработки.10 з. п. ф-лы, 3 ил.

Устройство относится к сельскому хозяйству, а точнее, к получению витаминосодержащих кормопродуктов из зелени и древесины хвойных пород, в основном получаемых из отходов при валке леса. Получаемые продукты обладают ценными питательными и лечебными свойствами, имеют высокое содержание витаминов, что позволяет использовать их не только для производства кормов, но и ряда лекарственных препаратов. Одновременно устройство позволяет выделять смолы, жирные кислоты и эфирные масла, применяемые в народном хозяйстве.

Известны методы и средства для обработки и экстракции хвойной и древесной зелени с выделением жиросодержащих веществ и получения кормопродуктов с применением в качестве экстрагента изопропилового спирта, трихлорэтилена или бензина. Применяемые устройства содержат емкости для загрузки сырья и экстракции, отстойники, нагреватели и оборудование для управлением процессом [1] Применяемые устройства позволяют дефлегмационно-оросительным методом, например, при использовании бензина в достаточно небольших количествах, получать растворы высокой концентрации. Однако применение бензина делает процесс пожароопасным и весьма длительным. Исходное сырье, которое можно использовать для приготовления корма, при пассивной экстракции сохраняет вредные жирорастворимые вещества или требует увеличения времени обработки.

Одним из направлений повышения эффективности экстракции является применение возбудителей, например, механического типа, а также многоцикличность процесса.

Исходя из решаемой задачи и известной совокупности существенных признаков, в качестве прототипа может быть рассмотрено устройство для экстракции, содержащее корпус с соосными секциями цилиндрической или конической формы для размещения растительной массы и жидкого экстракта, перфорированные оболочки для фильтрации, соединительные трубопроводы и патрубки, регулировочные элементы и возбудитель массы [2] В известном устройстве возбудитель массы выполнен в виде мешалок-рыхлителей и конусообразного шнека, которые активно воздействуют на обрабатываемое сырье, что значительно повышает эффективность экстракции и равномерность обработки. Наличие нескольких секций позволяет осуществлять многостадийный циклический процесс, чему способствует специальная система подключения трубопроводов для подачи экстрагента и экстракта в процессе циклической обработки растительного сырья.

Однако известное устройство не позволяет проводить экстракцию хвойной растительной массы с извлечением смол и жирорастворимых продуктов при высокой температуре. Также невозможно и опасно применение на устройствах такого типа огнеопасных экстрагентов типа бензина из-за опасности искрения в движущихся механических частях механизма.

Данное изобретение направлено на создание высокоэффективного унифицированного мобильного экстрактора активного типа и повышение пожаробезопасности при работе с экстрагентами типа бензина, а также на обеспечение возможностей осуществления циклической обработки хвойной растительной массы в различных режимах.

Предложенное устройство для экстракции хвойной массы содержит корпус с соосными секциями цилиндрической или конической формы для размещения растительной массы, жидкого экстрагента и экстракта, перфорированные оболочки для фильтрации, соединительные трубопроводы и патрубки, регулировочные элементы и возбудитель массы, что известно из прототипа. Кроме этого, оно снабжено не менее чем тремя теплообменниками, расположенными в верхней, средней и нижней его частях, и содержит две герметизированные секции, установленные вертикально друг на друге, каждая из которых выполнена в виде полости с внешней обечайкой и с общей внешней и промежуточной торцевыми крышками, внутри которой с зазором установлен частично перфорированный съемный стакан, причем секции соединены не менее чем парой трубопроводов для пропуска экстракта, экстрагента и паров, один из которых связывает верхние части секций, а другой нижние, возбудитель массы выполнен в виде источника колебаний и подключен к стакану верхней из секций, а теплообменники выполнены с возможностью их подключения и регулировки подачи теплоносителя от внешних источников. Указанные общие существенные признаки являются необходимыми и достаточными в общем случае для достижения технического результата.

В частных случаях предполагается, что в устройстве обечайка и стакан верхней из секций выполнены цилиндрической формы, а обечайка и стакан нижней секции выполнены конической формы и обращены раструбом вверх; одна из обечаек и крышек, например верхние, выполнены в виде теплообменников с полостями, подключенными к внешним источникам подачи теплоносителя; перфорированные оболочки могут быть выполнены в виде металлических сеток. Устройство может быть снабжено оросительным кольцом с выходными отверстиями, которое установлено под верхней крышкой над стаканом верхней секции и через соединительный трубопровод подключено к верхней части нижней секции, верхняя крышка выполнена полой в виде теплообменника-конденсатора и подключена к источнику охлаждающей среды, а средний и нижний теплообменники выполнены в виде нагревателей. Возбудитель массы выполнен, в частном случае, в виде воздушного поршневого насоса, выход которого подключен к полости верхней секции, а внутри нее размещена камера переменного объема, например, в виде сильфона, заполненная паровоздушной средой. Возможно выполнение в центре верхней секции по оси съемного цилиндрического стакана трубчатой полости в виде герметичной камеры с открытым нижним торцом, обращенным к промежуточной крышке, внутри которой установлен возбудитель массы. Стакан верхней секции может быть прикреплен к обечайке на регулируемой упругой опоре с возможностью его колебаний, а возбудитель массы установлен с возможностью достижения резонанса системы. При этом промежуточная крышка может быть выполнена съемной в виде мембраны из упругого материала и жестко закреплена по контуру между торцами обечаек. При экстракции верхняя и нижняя секции могут быть частично заполнены бензином в качестве экстрагента, а полости теплообменников подключены к источнику воды или нагретого водяного пара.

Задачей данного устройства является высокоэффективная экстракция, преимущественно, хвойной массы с применением ее возбудителя в условиях повышенной пожароопасности, связанной с использованием огнеопасных экстрагентов типа бензина. Также необходимо обеспечить мобильность и унификацию элементов устройства, возможность быстрой загрузки, разборки, а также перехода от одного режима или цикла к другому.

В общем случае задача решается путем применения двух достаточно унифицированных секций, установленных друг на друга и соединенных не менее чем двумя трубопроводами, обеспечивающими режим свободной циркуляции экстракта и экстрагента по заданной схеме в зависимости от условий нагрева и охлаждения. При этом предлагается наличие возбудителя массы, выполненного в виде источника колебаний и подключенного к загрузочному стакану верхней секции. При этом расположение загрузочного стакана в верхней секции по ее центру над промежуточной крышкой при частичном заполнении экстрагентом способствует развитию динамического активного процесса экстракции, например, в условиях местного резонанса системы и свободной циркуляции экстрагента. Отсутствие в системе открытых движущихся частей решает вопрос пожаробезопасности. Даже при расположении возбудителя массы, например вибратора, внутри секции, частично заполненной бензином, имеется возможность его изоляции дополнительной герметичной оболочкой и газовой полостью из пароводяной среды, которая одновременно может выполнять функцию резонатора за счет изменения давления среды при работе источника колебаний (вибратора). В частных случаях реализации промежуточное днище может быть выполнено в виде упругой мембраны, расположенной, например, непосредственно под возбудителем колебаний или под камерой переменного объема, что наряду с возможностью регулирования упругих опор загрузочного стакана позволяет повышать эффективность динамической экстракции и достигать режимов местного резонанса. В то же время, выполнение нижней секции в виде конической оболочки с отличными от верхней жесткостными характеристиками, в силу изменения линейных размеров и параметров, позволяет, даже в условиях создания резонансных частот возбудителя массы, исключать значительные колебания внешнего корпуса устройства и трубопроводных систем. Таким образом, также повышается безопасность и эффективность работы данного устройства.

Указанная совокупность основных существенных признаков является необходимой и достаточной для его реализации и достижения технического результата. При этом она не следует из известного уровня техники, а лишь соответствует его основным принципам и имеет выраженные отличительные особенности. Частные существенные признаки направлены на оптимизацию предлагаемого устройства с учетом различных особенностей и различий применения в конкретных случаях. Исходя из указанного, можно сделать вывод о соответствии критериям "новизна", "изобретательский уровень" и "промышленная применимость", а также о целесообразности патентования данного изобретения.

На фиг. 1 схематично показан вариант выполнения устройства для экстракции хвойной массы в общем виде, вид сбоку в разрезе; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 сечение Б-Б на фиг. 1.

Устройство для экстракции хвойной массы в представленном варианте содержит разборный герметичный корпус, образованный двумя герметизированными секциями, установленными вертикально друг на друга. Верхняя секция включает внешнюю цилиндрическую обечайку 1, верхнюю съемную торцовую крышку 2 и нижнюю общую промежуточную крышку 3, например, выполненную в виде съемной мембраны из упругого материала (металла). Внутри верхней секции с зазором на упругих регулируемых опорах 4 типа консоли установлен частично перфорированный съемный стакан 5 для размещения (загрузки) обрабатываемой растительной (хвойной) массы, например, в виде измельченных хвойных веток (не показаны). Нижняя секция включает внешнюю коническую обечайку 6, верхнюю промежуточную крышку 3 и внешнюю нижнюю откидную крышку 7. Внутри нижней секции с зазором установлен частично перфорированный съемный стакан 8 для вторичной фильтрации и экстракции, торцовой фланец которого закреплен между торцами верхней и нижней секций. Обе секции соединены между собой не менее чем парой трубопроводов для пропуска экстракта, экстрагента и их паров, причем первый трубопровод 9 связывает верхние части секций, что обеспечивает подачу пара, а другой трубопровод 10 связывает нижние участки секций, например, с пропуском трубопровода по контуру обечаек 1 и 6 для достижения донной поверхности нижних крышек 3 и 7, соответственно. При этом внутренние участки трубопровода 10 целесообразно выполнять гибкими, что позволяет вводить его в донную часть стакана 8, а установку корпуса производить на поверхности с небольшим отклонением оси 11 от вертикали, для обеспечения нижнего положения и возможности стока экстракта и экстрагента в трубопровод 10. В трубопроводах 9 и 10 также предусмотрены отводные патрубки 12 и 13 для подачи или отсоса экстракта, экстрагента и паров при подключении внешних источников, а также регулировочные вентили 14, 15, 16, 17, 18, 19 для регулирования подачи и перекрытия трубопроводов, например, дистанционного типа. Устройство снабжено не менее чем тремя теплообменниками 20, 21, 22, которые расположены в верхней, средней и нижней частях соответственно и выполнены с возможностью их подключения и регулировки подачи теплоносителя от внешних источников. В данном примере теплообменник 20 размещен в полости верхней торцовой крышки 2 и подключен к источнику охлаждающей среды, например, холодной воды, через соединительные патрубки 23, образуя охлаждающую поверхность теплообменника-конденсатора на внутренней поверхности крышки 2, обращенной к стакану 5. Аналогичный теплообменник 21 может быть размещен в средней части установки, а именно, в обечайке 1, выполненной с полостью, которая подключена к внешнему источнику нагретого водяного пара (не показан) с возможностью регулирования подачи и температуры. В этом случае обечайка 1 может содержать теплоизолирующий кожух 24 для уменьшения теплопотерь. В нижней секции располагают теплообменник 22, например, выполненный в виде спирального конического трубопровода, размещенного между обечайкой 6 и стаканом 8, и через вентили 25 связанного с внешним источником нагретого водяного пара (не показан).

Съемные стаканы 5 и 8 имеют перфорацию, например, в виде металлической сетки, которая может охватывать нижние и средние участки их поверхности по типу сита, причем размер ячеек в нижней секции, как правило, меньше, чем в верхней. Дополнительная конусообразная фильтрующая сетка 26 может быть установлена на нижней крышке 7 над сливным патрубком 27 с вентилем 28 при необходимости слива экстракта без осадка.

Другой особенностью данного устройства является наличие возбудителя колебаний массы, который может быть выполнен в виде пульсирующего воздушного или жидкостного насоса 29 и расположен вне корпуса или в виде вибратора 30, например, центробежного типа, установленного непосредственно на стакане 5 в специальной трубчатой герметичной камере 31 с открытым нижним торцом, обращенным к упругой крышке 3, выполненной в виде мембраны. Приводом насоса 29 или вибратора 30 могут быть асинхронные электродвигатели с регулируемой частотой вращения, выполненные в специальном безопасном исполнении с герметизацией корпуса. Если предварительно заполнить полость стакана 5, например, инертным газом в процессе продувки, то будет иметь место образование газового мешка и в камере 31, которая при этом образует камеру переменного объема. Насос 29 может быть соединен с верхней секцией посредством трубопровода 32 и вентиля 33. Возможно выполнение камеры переменного объема и в виде сильфона 34, связанного с вибратором 30. Для фиксации стакана 5 в условиях колебательного процесса могут быть предусмотрены фиксаторы 35, закрепленные на опорах 4, и ограничители наклона 36, установленные на обечайке 1. Общая масса стакана 5 должна не допускать его отрыва от опор 4 в процессе возбуждения колебаний системы. Изменение жесткости опор 4 может быть произведено введением дополнительных прокладок (не показаны). Хвойная масса, предназначенная для экстракции и размещенная в стакане 5 (не показана), может быть закреплена специальной сеткой 37, установленной по верхнему торцу стакана, что исключает ее выпадение при тряске. Между сеткой 37 (над ней) и верхней крышкой 2 установлено оросительное устройство, например, в виде трубчатого кольца 38 с выходными отверстиями, равномерно распределенными по его поверхности, которое через трубопровод 9 подсоединено к внешним источникам экстрагента и к нижней секции. В устройстве предусмотрен дополнительный трубопровод 39 с вентилем 40, например, для отвода и разделения бензина и воды во флорентине (не показана). Следует отметить, что применение бензина 41 в качестве экстрагента, который может быть залит как в нижнюю, так и верхнюю секции, например, через патрубки 12 и 13, требует повышенной осторожности обращения с устройством, надежности соединения и герметизации, что особо важно в условиях задания вибрационных колебаний.

Устройство работает следующим образом.

Предварительно производят сборку, крепление и проверку устройства, исходя из условий технологии и вида применяемого экстрагента, например бензина, как наиболее пожароопасного продукта. Крепление устройства на фундаменте (не показан) производят с небольшим отклонением от вертикали в сторону сливных отверстий трубопровода 10. Измельченные и отсортированные хвойные ветки загружают в предварительно снятый краном съемный стакан 5, по возможности уплотняя массу. Затем закрепляют сверху сетку 37 и устанавливают стакан 5 внутрь обечайки 1 с креплением в пазах регулируемых опор 4 и дополнительным креплением в ограничителях 36 наклона. Далее проверяют крепление вибратора 30 и герметичность торцовой крышки камеры 31 переменного объема. Если технологией предусмотрено заполнение камеры 31, что обеспечивают разгерметизацией ее верхней крышки, то внутрь камеры вводят, например, герметичный сильфон 34. Одновременно проверяют надежность гибкого токоподвода энергии к вибратору 30. Затем герметично устанавливают крышку 2, подключая ее через патрубки 23 к источнику с холодной водой, и проверяют герметичность всего устройства путем подачи воздуха или иного газа под избыточным давлением. В качестве инертного газа можно использовать азот. Утечку газа можно контролировать по уменьшению избыточного давления в системе.

Экстракцию проводят в несколько стадий.

Первичную низкотемпературную экстракцию проводят при температуре 65-75^оС. Для этого через патрубки 12 или 13 при открытых вентилях 14 или 17 и закрытых вентилях 15 или 18 подают бензин БР-1 от внешних источников до достижения верхнего торца стакана 5, после чего вентили 14 и 17 перекрывают, а слив избытка бензина может быть произведен через вентили 15 или 18 и нижний патрубок 27. Нагрев бензина производят за счет теплообменника 21 при подключении его к источнику с горячей водой или паром. Активизацию процесса экстракции проводят или путем включения пульсирующего насоса 29 при его работе в замкнутой системе с периодическим повышением давления в пределах от 1,0 дол 1,5 атмосферной величины (атм.), или путем включения вибратора 30. Частота колебаний насоса составляет от 0,1 до 5 Гц, а вибратора от 1 до 50 Гц и может регулироваться, вплоть до достижения резонанса стакана 5 с хвойной массой, закрепленного на упругих опорах 4 и 36. Характер жидкостных колебаний определяется упругостью камер 31 и 34, уменьшение объема которых под действием избыточного давления насоса 29 приводит к изменению уровня бензина и его циркуляции в объеме хвойной массы. Работа упругой мембранной крышки 3 усиливает колебания жидкости в системе. В целом динамические колебания стакана 5 и жидкости значительно усиливают и ускоряют процесс экстракции. После завершения данного этапа полученный бензиновый экстракт сливают, например, через трубопровод 10 при открытом вентиле 17 и, например, через нижнюю секцию и сливной патрубок 27, для последующей обработки.

Вторичную высокотемпературную экстракцию проводят после заполнения бензином нижней секции до уровня не выше входного патрубка трубопровода 9, через который может быть выполнена заправка. Далее включают паровой нагреватель-теплообменник 22 при открытых вентилях 25 и за счет циркуляции в нем перегретого пара (или воды) доводят температуру бензина до температуры его кипения (около 80^оС), после чего его пары через трубопровод 9 при закрытом вентиле 16 и открытых вентилях 14 и 15 поступают в оросительное кольцо 38, конденсируются на холодной поверхности теплообменника 20, в котором циркулирует холодная вода, орошают слой хвойной массы и, также, конденсируются на нем. Проточное движение паров бензина способствует распространению жидкой фазы по сечению экстрактора и турбулизации потоков на границе раздела фаз, что повышает эффективность системы по сравнению с режимом чистого орошения. По мере увеличения продолжительности процесса повышается концентрация экстракта и уменьшается концентрация жирорастворимых веществ в хвойной массе. Процессу экстракции может способствовать активный динамический процесс, который обеспечивают пульсирующий насос 29 и вибратор 30, рассмотренный выше. Получаемый экстракт через трубопровод 10 при открытых вентилях 17 и 18 самотеком поступает в нижнюю секцию ( в донную ее часть), то есть за счет нагрева и охлаждения теплообменников 22 и 20, соответственно, обеспечивают замкнутый циркуляционный процесс экстракции. Причем трубопровод 10 может быть введен как в промежуток между обечайкой 6 и стаканом 8, так и непосредственно в донную часть стакана 8. С учетом последнего донный осадок может фильтроваться в стакане 8 или на поверхности крышки 7. После завершения процесса или в ходе его может осуществляться разделение бензина и присутствующей в нем воды во флорентине (не показана), которая подключена к верхней секции через трубопровод 39 или 9.

Бензиновый экстракт, собранный в нижней секции или в специальных внешних отстойниках (не показаны), затем охлаждается, например, при подаче в теплообменник 22 холодной воды. При этом имеет место осаждение воскообразных продуктов. Осадок взвешенных частиц оседает, например, на крышке 7 и может быть удален после слива экстракта через патрубок 27 и вентиль 28. Очистка устройства от осадка может быть произведена повторным введением бензина и его нагревом. Очистка устройства и хвойной массы от бензина и его паров может быть произведена острым водяным паром, поданным через трубопроводы 9 или 10 и вентили 12 и 13. Удаление конденсата и остатков воды может быть произведено через сливной патрубок 27 или трубопровод 10. Острый водяной пар подают при температуре до 110-130^оС. Экстракция может продолжаться несколько часов. Устройство допускает применение различных режимов экстракции и технологий, что и определяет в общем случае порядок включения и регулировки элементов.

После завершения экстракции и удаления паров и остатков бензина с помощью острого водяного пара открывают крышку 2 и извлекают стакан 5 с обработанной хвойной массой, которая уже не содержит смол и вредных жирорастворимых веществ и после дальнейшей обработки может быть использована в виде кормовой добавки. Твердые хвойные остатки и продукты экстракции на дне нижней секции удаляют путем снятия крышки 7 и дна стакана 8. Периодически секции разъединяют и снимают промежуточную крышку 3 и стакан 8, производя полную очистку фильтрующих перфорированных поверхностей. Эффективно подвергать обработанную хвойную массу при получении корма дрожжеванию и ферментации с добавлением полученных витаминосодержащих продуктов (см. например, заявку N 9211739/15 тех же авторов, где подробно описан способ производства).

Данное устройство позволяет также использовать другие виды экстрагента, например изопропиловый спирт, другие виды растительной массы, например солому, применять различные режимы обработки, изменять порядок работы в конкретных случаях. Применение возбудителя массы повышает скорость и эффективность процесса, повышает качество корма.

Предложенное устройство прошло опытную экспериментальную апробацию в лабораторных условиях (модельный вариант). Подтверждена высокая эффективность и экономичность, обеспечен достаточно высокий выход продукта, подтверждена возможность безопасного проведения работ. В настоящее время ведутся работы по созданию промышленной установки для экстракции хвойной массы.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭКСТРАКЦИИ ХВОЙНОЙ МАССЫ, содержащее корпус с соосными секциями цилиндрической или конической формы для размещения растительной массы, жидкого экстрагента и экстракта, перфорированные оболочки для фильтрации, соединительные трубопроводы и патрубки, регулировочные элементы и возбудитель массы, отличающееся тем, что оно снабжено не менее чем тремя теплообменниками, расположенными в верхней, средней и нижней его частях, и содержит две герметизированные секции, установленные вертикально одна на другой, каждая из которых выполнена в виде полости с внешней обечайкой, внешней и общей промежуточной торцевыми крышками, внутри которой с зазором установлен частично перфорированный съемный стакан, причем секции соединены не менее чем парой трубопроводов для пропуска экстракта, экстрагента и паров, один из которых связывает верхние части секций, а другой нижние, возбудитель массы выполнен в виде источника колебаний и подключен к верхней из секций, а теплообменники выполнены с возможностью их подключения и регулировки подачи теплоносителя или энергии от внешних источников.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в нем обечайка и стакан верхней из секций выполнены цилиндрической формы, а нижней конической формы и обращены раструбом вверх.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем по крайней мере одна из обечаек и крышек выполнены в виде теплообменников с полостями, подключенными к внешним источникам подачи теплоносителя.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено оросительным кольцом с выходными отверстиями, которое установлено под верхней крышкой над стаканом в верхней секции и через соединительный трубопровод подключено к верхней части нижней секции, верхняя крышка выполнена полой в виде теплообменника-конденсатора и подключена к источнику охлаждающей среды, а средний и нижний теплообменники выполнены в виде нагревателей.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем возбудитель массы выполнен в виде воздушного поршневого насоса, выход которого подключен к полости верхней секции, а внутри нее размещена камера переменного объема, заполненная паром или газовой средой.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем в центре верхней секции по оси съемного цилиндрического стакана выполнена трубчатая полость в виде герметичной камеры с открытым нижним торцом, обращенным к промежуточной крышке, внутри которой установлен возбудитель массы.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем стакан верхней секции прикреплен к обечайке на регулируемой упругой опоре, а возбудитель массы установлен в нем с возможностью достижения резонанса.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем промежуточная крышка выполнена съемной в виде мембраны из упругого материала и жестко закреплена по контуру между торцами обечаек.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что перфорированные оболочки выполнены в виде металлических сеток.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем секции частично заполнены бензином в качестве экстрагента.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем полости теплообменников подключены к источнику воды или нагретого водяного пара.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3