Экстрактор для системы твердое тело - жидкость

 

Изобретение относится к экстракторам для системы твердое тело-жидкость и может быть применено в фармацевтической, биохимической, лесохимической и пищевой отраслях промышленности. Сущность изобретения: в корпусе экстрактора по центру установлен ультразвуковой волновод, соединенный с ультразвуковым преобразователем и представляющий собой каскад концентраторов одинаковой длины с развитой боковой поверхностью. Профиль боковой поверхности концентраторов может быть выполнен цилиндрическим, коноидальным, бочкообразным, а также различными их комбинациями. Предлагаемая конструкция позволяет интенсифицировать процесс экстрагирования в системах твердое тело-жидкость путем увеличения скорости массообмена. 6 ил.

Изобретение относится к экстракторам для системы твердое тело жидкость и может быть применено в фармацевтической, биохимической, лесохимической и пищевой отраслях промышленности.

Известно устройство для взаимодействия между жидкостью и твердым телом, содержащее корпус, в верхней части которого установлен бункер и прикреплен патрубок, в нижней части корпус соединен посредством сильфона с вибрационным насосом и гибким элементом с циркуляционным контуром, который выполнен в виде двух наклонных симметричных относительно вертикальной оси и расположенных под углом 60-90^о между ними трубчатых желобов [1] Недостатками устройства являются сложность изготовления и монтажа, большой жидкостной коэффициент, малая производительность.

Известен также центробежный экстрактор для системы жидкость-жидкость, где с целью интенсификации процесса он снабжен магнитострикционным преобразователем ультразвуковых колебаний, жестко соединенным со стенкой диффузора [2] Однако площадь торцовой поверхности преобразователя, с которой производится излучение незначительна, что приводит к неполному использованию возможности ультразвука для экстракции и низкий КПД его использования. Кроме того, в аппарате отсутствует кавитация.

Наиболее близким устройством к изобретению является вибрационный экстрактор для системы твердое тело-жидкость, включающий вертикальной корпус с устройством ввода фаз, установленным в корпус устройством вывода фаз, штока с закрепленными на нем тарелками с однонаправленными открытыми элементами, содержащими в нижней части вставки, причем устройство вывода фаз выполнено в виде тарелки, закрепленной коаксиально внутри корпуса и снабженной сверху перфорированным обратным конусом, при этом верхние части однонаправленных открытых элементов верхней тарелки образуют обратную коническую поверхность, расположенную выше обратного конуса устройства для вывода фаз, к тому же вставки имеют коноидальную форму профиля [3] Недостатками этого устройства является низкая скорость процесса массообмена, следовательно, и низкая его производительность.

Задачей изобретения является интенсификация экстрагирования для системы твердое тело-жидкость путем увеличения скорости процесса массообмена.

Существенным отличительным признаком предлагаемого устройства является то, что в верхней части корпуса по центру установлен ультразвуковой волновод, соединенный с ультразвуковым преобразователем, представляющий собой каскад концентраторов одинаковой длины с развитой боковой поверхностью. Профиль боковой поверхности единичных концентраторов может быть выполнен цилиндрическим, коноидальным, бочкообразным, а также различными их комбинациями.

Именно наличие волновода, погруженного в среду и выполнение его в виде каскада концентраторов единичной длины с развитой боковой поверхностью и различными профилями, позволяют увеличить скорость процесса массообмена, а, следовательно, и интенсифицировать процесс экстракции.

На фиг. 1 изображена схема экстрактора; на фиг. 2 профиль боковой поверхности концентратора цилиндрической формы; на фиг. 3 то же, коноидальной формы; на фиг. 4 то же, бочкообразной формы; на фиг. 5 то же, в виде комбинации из двух профилей коноидального и бочкообразного; на фиг. 6 то же, из трех профилей цилиндрического, коноидального и бочкообразного.

Устройство состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 с рубашкой термостатирования 2, имеющей патрубки подвода 3 и отвода 4 теплоносителя. В верхней части аппарата имеется патрубок подвода жидкой фазы 5, в нижней патрубок отвода экстракта 6, защищенный с внутренней стороны решеткой 7. По нижней части корпуса 1 и бункера 8 проходит шнек 9 для подачи твердой фазы из бункера 8 в аппарат. В верхней части корпуса по центру установлен ультразвуковой волновод 10, представляющий собой каскад концентраторов одинаковой длины 11 с развитой боковой поверхностью. Волновод выполнен из титана марки ВТ-4, подключен через преобразователь 12 марки ПМС-15А18 к ультразвуковому генератору 13 марки УЗГ-10М. Рабочая частота колебаний 17,8 кГц. В верхней части аппарата установлен патрубок для отвода твердой фазы 14. Вокруг волновода 10 образуются зоны кавитации 15. Профили боковой поверхности единичных концентраторов 11 могут быть выполнены цилиндрическими 16, коноидальными 17, бочкообразными 18, а также их комбинациями (фиг. 5 и 6).

Установка работает следующим образом.

Шнеком 9 твердая фаза из бункера 8 транспортируется в корпус аппарата 1, перемещается вверх, заполняя свободное пространство. Жидкая фаза (экстрагент) подается через патрубок 5, расположенный в верхней части аппарата, таким образом обеспечивается противоток взаимодействующих фаз и непрерывность ведения процесса. Установленный в корпусе по центру волновод 10 возбуждается ультразвуковым преобразователем 12, подключенным к генератору 13 и образует по всей высоте аппарата зоны кавитации 15 за счет своих радиальных (поперечных) колебаний, в которых происходит максимальная интенсификация процесса массообмена между жидкой и твердой фазой. Отработанная твердая фаза непрерывно выводится через патрубок 14, а полученный экстракт через патрубок 6, защищенный от попадания частиц твердой фазы решеткой 7. Постоянную температуру процесса можно поддерживать с помощью рубашки 2, в которую посредством патрубков 3 и 4 подается и выводится теплоноситель с требуемой температурой.

В предлагаемом экстракторе для системы твердое тело-жидкость интенсификация процесса массообмена впервые осуществляется не только за счет энергии излучения преобразователя или с торцовой поверхности волновода за счет его продольных колебаний, но и за счет энергии, излучаемой с боковой поверхности установленного волновода, площадь которой многократно превышает площадь торца. В следствие этого на боковое излучение, вызываемое радиальными (или поперечными) колебаниями, приходится до 90% мощности преобразователя, что значительно повышает КПД всей системы и делает применение ультразвука более эффективным и экономически оправданным. Использование бокового излучения для создания кавитационных зон позволяет конструировать малогабаритные, но высокопроизводительные аппараты.

Под воздействием ультразвуковых колебаний, образующих кавитационные зоны, скорость процесса диффузионного переноса, а, следовательно, и процесса массообмена, возрастает в несколько раз (2-10). Особенно высокий эффект достигается в процессах экстрагирования растительного сырья, применяемого в пищевой, фармацевтической, биохимической и лесохимической промышленности. Например, при получении биологически активных веществ из зелени древесины или при извлечении сахара из сахарной стружки. Связано это со значительным повышением проницаемости клеточных мембран. Дополнительный положительный эффект дает турбулизация процесса по всей высоте аппарата за счет образования и "схлопывания" пузырьков кавитирующей жидкости, что приводит к разрушению равновесного слоя на поверхности раздела фаз и тормозящего диффузию, а также частичное диспергирование твердой фазы, что значительно повышает поверхность контакта.

Различный профиль поверхности единичных концентраторов, которые образуют тело волновода, обусловлен достижением наибольшей площади излучения, которая при равных длинах концентраторов будет больше у коноидального и бочкообразного и несколько меньше у цилиндрического. Цилиндрический концентратор наиболее прост в изготовлении. Коноидальный более экономичен, за счет меньшего расхода материала на его изготовление и он легче по массе. Бочкообразный концентратор имеет наилучшую форму кавитационной зоны. Наиболее оптимальная форма волновода получается при сочетании бочкообразного концентратора с коноидальным и (или цилиндрическим), при этом за счет бочкообразного частично компенсируется кавитационная зона коноидального или цилиндрического, а за счет них уменьшается вес волновода (фиг. 2).

Таким образом в предлагаемом экстракторе для системы твердое тело-жидкость решается задача увеличения скорости процесса массообмена.

Формула изобретения

ЭКСТРАКТОР ДЛЯ СИСТЕМЫ ТВЕРДОЕ ТЕЛО - ЖИДКОСТЬ, включающий цилиндрический корпус с рубашкой, снабженной устройствами ввода и вывода фаз, отличающийся тем, что в верхней части корпуса по центру установлен ультразвуковой волновод, представляющий собой каскад концентраторов одинаковой длины с развитой боковой поверхностью, который через преобразователь подключен к ультразвуковому генератору, при этом профиль боковой поверхности концентраторов может быть выполнен цилиндрическим, коноидальным, бочкообразным или различными их комбинациями.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6