Ультразвуковой массообменный аппарат

Изобретение относится к области пищевой промышленности. Ультразвуковой массообменный аппарат содержит цилиндрический сосуд со сферическим днищем, перемешивающее устройство, расположенное соосно внутри сплошного неподвижного цилиндра в нижней части аппарата, патрубки для загрузки и технического обслуживания, фильтрующий элемент в виде перфорированного цилиндра, установленного на штоке с возможностью возвратно-поступательного движения по оси неподвижного цилиндра с перекрытием части последнего в нижнем положении и коаксиально входящего в сплошной цилиндр в верхнем положении, размещенный в верхней части аппарата, причем нижняя торцевая часть фильтрующего элемента состоит из чередующихся перфорированных и сплошных участков в виде жалюзи, верхние сплошные лепестки которого выполнены подвижными и установлены с возможностью периодического закрывания и открывания торцевой поверхности перфорированного участка фильтрующего элемента. Дополнительно установлены гидродинамические ультразвуковые излучатели, расположенные соосно в верхней части фильтрующего элемента с возможностью перемещения с ним и с его внешней перфорированной стороны, а в качестве перемешивающего устройства применяется осевой насос. Изобретение позволяет повысить степень извлечения целевых компонентов и интенсификации процессов экстракции и фильтрования. 7 ил.

 

Изобретение относится к области пищевой промышленности, в частности к массообменным аппаратам, используемым в мини-заводах при производстве продуктов брожения, растительного масла и др.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является массообменный аппарат (Патент 2211858 (Российская Федерация), МКИ С12С 13/02. Массообменный аппарат / С.Т.Антипов, В.М.Клепиков, С.В.Шахов, А.Г.Небольсин - Заявл. 10.09.2003, №2002113973/13, опубл. в Б.И., 2003, №25), содержащий цилиндрический сосуд со сферическим днищем, перемешивающее устройство в форме пропеллера, расположенное соосно внутри сплошного неподвижного цилиндра в нижней части аппарата, патрубки для загрузки и технического обслуживания, фильтрующий элемент в виде перфорированного цилиндра, установленного на штоке с возможностью возвратно-поступательного движения по оси неподвижного цилиндра с перекрытием части последнего в нижнем положении, при этом в верхнем положении коаксиально входящего в сплошной цилиндр, размещенный в верхней части аппарата, причем над нижней торцевой частью фильтрующего элемента, выполненной перфорированной, расположено устройство в виде жалюзи, сплошные лепестки которого установлены с возможностью периодического закрывания и открывания торцевой части перфорированной поверхности фильтрующего элемента.

Однако недостатками известного массообменного аппарата являются низкая интенсивность процессов экстракции и фильтрования, которые связаны с тем, что при их проведении происходит уплотнение продукта на фильтрующих поверхностях, ведущее к резкому увеличению гидравлического сопротивления и не прохождению экстрагирующей жидкости через слой продукта, что вызывает в свою очередь необходимость изменения направления потока для разрушения плотного слоя продукта.

Технической задачей является повышение степени извлечения целевых компонентов и интенсификация процессов экстракции и фильтрования.

Техническая задача изобретения достигается тем, что в ультразвуковом массообменном аппарате, содержащем цилиндрический сосуд со сферическим днищем, перемешивающее устройство, расположенное соосно внутри сплошного неподвижного цилиндра в нижней части аппарата, патрубки для загрузки и технического обслуживания, фильтрующий элемент в виде перфорированного цилиндра, установленного на штоке с возможностью возвратно-поступательного движения по оси неподвижного цилиндра с перекрытием части последнего в нижнем положении и коаксиально входящего в сплошной цилиндр в верхнем положении, размещенный в верхней части аппарата, причем нижняя торцевая часть фильтрующего элемента состоит из чередующихся перфорированных и сплошных участков в виде жалюзи, верхние сплошные лепестки которого выполнены подвижными и установлены с возможностью периодического закрывания и открывания торцевой поверхности перфорированного участка фильтрующего элемента, новым является то, что в нем дополнительно установлены гидродинамические ультразвуковые излучатели, расположенные соосно в верхней части фильтрующего элемента с возможностью перемещения с ним, а также с его внешней перфорированной стороны, при этом в качестве перемешивающего устройства применяется осевой насос.

Технический результат заключается в повышении степени извлечения целевых компонентов и интенсификации процессов экстракции и фильтрования.

На фиг.1 представлена трехмерная модель ультразвукового массообменного аппарата, на фиг.2 - общий вид ультразвукового массообменного аппарата, на фиг.3-4 - увеличенные фрагменты конструкции ультразвукового массообменного аппарата, на фиг.5 - вид торцевой поверхности фильтрующего элемента при различном положении лепестков жалюзи, на фиг 6 - общий вид осевого насоса, а на фиг.7 - общий вид гидродинамического ультразвукового излучателя.

Ультразвуковой массообменный аппарат (фиг.1, 2), содержащий цилиндрический сосуд 1 со сферическим днищем 2 и рубашкой 3, снабжен перемешивающим устройством 4, в качестве которого применяется осевой насос (фиг.6), присоединенный к нижней части сплошного неподвижного цилиндра 5. Аппарат имеет фильтрующий элемент в виде перфорированного цилиндра 6, установленный на штоке 7 с возможностью возвратно-поступательного движения по оси аппарата с перекрытием части неподвижного цилиндра 5 в нижнем положении, при этом в верхнем положении коаксиально входящий в сплошной цилиндр 8, размещенный в верхней части аппарата на штоке 7. Причем торцы фильтрующего элемента выполнены в виде жалюзи 9, соединенного со штоком 7, имеющим возможность поворота вокруг своей оси. Аппарат снабжен патрубками для подвода теплоносителя 10 в рубашку 3, технологической жидкости 11 внутрь сосуда 1, промывной жидкости 12 и исходного сырья 13 в перфорированный цилиндр 6, а также патрубками для удаления отработанного сырья 14 из перфорированного цилиндра 6, готового продукта 15 и промывной воды 16 из цилиндрического сосуда 1, отработавшего теплоносителя 17 из рубашки 3.

Для интенсификации процессов экстрагирования в верхней части фильтрующего элемента установлены с возможностью перемещения с ним гидродинамические ультразвуковые излучатели 18 (фиг.7).

Гидродинамические ультразвуковые излучатели 18 также установлены с внешней перфорированной стороны фильтрующего элемента для улучшения процесса фильтрации.

Применение в данной конструкции массообменного аппарата осевого насоса в сочетании с гидродинамическими ультразвуковыми излучателями, установленными с внешней стороны фильтрующего элемента, связано с тем, что благодаря воздействию ультразвуковых колебаний не образуется плотный слой продукта, поэтому процесс фильтрации не снижается при обеспечении высокого расхода жидкости насосом, что позволяет не менять направления движения технологической жидкости в обратную сторону.

При этом конструкция осевого насоса (фиг.6) состоит из следующих основных элементов: всасывающего патрубка 19, осевого направляющего 20, корпуса 21, подшипника скольжения 22, напорного патрубка 23, вала 24, втулки 26, лопастей 27, прокладки 28, кольца 29, втулки 30, обтекателя 32, крышки крепления обтекателя 33, опоры 37 и элементов крепления 34, 35, 36.

Использование ультразвуковых излучателей гидродинамического действия (фиг.7) вызвано тем, что в них механическая энергия непосредственно превращается в энергию упругих механических колебаний, и поэтому отпадает необходимость применения радиотехнических генераторов. Кроме того, гидродинамические ультразвуковые излучатели обеспечивают хорошее перемешивание облучаемого вещества, и при их работе все частицы жидкости проходят зону максимального воздействия ультразвука.

Гидродинамические ультразвуковые излучатели (фиг.7) состоят из следующих основных узлов: резонансного колебательного устройства 38, уплотнения 40, соединительной муфты 41, стягивающей гайки 42, направляющей втулки 43, сопла 44, направляющих планок 45 и устройства (не показано), обеспечивающего подачу жидкости в сопло под давлением. При этом излучатель заключен во вторичный резонатор 39 в виде акустического стакана.

В качестве устройства (не показано), обеспечивающего подачу жидкости в сопло ультразвукового излучателя под давлением, можно использовать или жидкостные насосы, или спаренные наполненные жидкостью резервуары с последовательным опорожнением их за счет давления воздуха (или инертного газа). Наиболее часто применяются жидкостные насосы. Хорошие результаты получаются при использовании, например, центробежно-вихревых насосов 2,5-ЦВ-0,8; шестеренчатых ШДМ-100, насоса ЭКН-10. Возможно применение и других видов насосов, дающих ровную непульсирующую струю или имеющих устройство для сглаживания пульсаций. Для получения низких частот (1-6 кГц) используют насосы, обеспечивающие давление жидкости 5-10 атм.

Предложенный аппарат работает следующим образом.

В перфорированный цилиндр 6 (фиг.1, 2) через патрубок 13 загружаются исходные продукты (например, для получения сусла - измельченное зерно или солод, а для получения растительного масла - мятка масличных семян) и подается посредством патрубка 11 подогретая до требуемой температуры технологическая жидкость, служащая экстрагентом (например, для получения сусла - вода, а для получения растительного масла - гексан, бензин и т.п.). Одновременно включается электропривод осевого насоса 4, который обеспечивает подачу технологической жидкости в перфорированный цилиндр 6, в котором находится исходный продукт. Под действием потока исходный продукт распределяется слоем на внутренней поверхности перфорированного цилиндра 6. Благодаря фильтрации технологической жидкости через слой продукта осуществляется процесс извлечения целевых компонентов экстракцией совместно с выщелачиванием из исходного продукта в технологическую жидкость с одновременной ее фильтрацией через перфорированные отверстия цилиндра 6. Температура технологической жидкости при этом поддерживается на уровне допустимой термолабильности продукта или технологического регламента путем подачи теплоносителя через патрубок 10 в рубашку 3. Для поддержания высокой интенсивности процесса экстракции исходный продукт, находящийся в перфорированном цилиндре 6, подвергается адресной ультразвуковой обработке гидродинамическими излучателями 18, установленными соосно в верхней части перфорированного цилиндра 6.

Гидродинамические ультразвуковые излучатели 18 (фиг.7) работают благодаря тому, что шестеренчатый насос (не показан) откачивает жидкость из верхней части аппарата и подает ее под давлением 10-15 атм в сопло излучателя 18.

С целью обеспечения постоянной скорости фильтрации внешняя боковая поверхность перфорированного цилиндра 6 также подвергается воздействию ультразвуковых колебаний, создаваемых излучателями 18, расположенными с его внешней стороны, что позволяет постоянно разрыхлять слой продукта при прохождении через него технологической жидкости с высоким напором, создаваемым осевым насосом 4.

По окончании процесса экстракции обогащенная целевым компонентом технологическая жидкость остается в цилиндрическом сосуде 1, а при помощи штока 7 перфорированный цилиндр 6 поднимается в крайнее верхнее положение коаксиально во внутрь сплошного цилиндра 8, где в результате поворота штока 7 вокруг своей оси происходит закрытие жалюзи 9 и открытие выпускного отверстия (не показано) в перфорированном цилиндре 6. Затем через патрубок 12 подается в перфорированный цилиндр 6 промывочная жидкость для удаления из него отработанного продукта через патрубок 14 за пределы аппарата.

По завершении цикла получения готового продукта (технологической жидкости обогащенной целевым компонентом) через патрубок 12 подаются дезинфицирующий раствор и промывочная жидкость, удаляемые затем через патрубок 16.

Предлагаемый ультразвуковой массообменный аппарат имеет следующие преимущества:

- дополнительно расположенные гидродинамические ультразвуковые излучатели соосно в верхней части фильтрующего элемента позволяют адресно в локальном объеме перфорированного цилиндра осуществлять ультразвуковую обработку исходного продукта, что с одной стороны способствует интенсификации процесса экстракции целевых компонентов из исходного продукта, а с другой стороны обеспечивает рациональное использование энергии гидродинамических излучателей только на обработку исходного продукта, а не всей массы, находящейся в массообменном аппарате;

- дополнительное расположение гидродинамических ультразвуковых излучателей с внешней перфорированной стороны фильтрующего элемента позволяет постоянно разрыхлять слой продукта при прохождении через него технологической жидкости с высоким напором, создаваемым осевым насосом;

- применение ультразвуковых излучателей гидродинамического действия создает хорошие условия для перемешивания, и при их работе все частицы жидкости проходят зону максимального воздействия ультразвука;

- применение в качестве перемешивающего устройства осевого насоса, присоединенного к нижней части сплошного неподвижного цилиндра, обеспечивает хорошие гидродинамические условия для выщелачивания экстрагируемых из исходного продукта целевых компонентов, а также высокую надежность работы ультразвукового массообменного аппарата за счет обеспечения необходимого уровня скорости фильтрации технологической жидкости через слой продукта, расположенного на внутренней перфорированной поверхности фильтрующего элемента.

Ультразвуковой массообменный аппарат, содержащий цилиндрический сосуд со сферическим днищем, перемешивающее устройство, расположенное соосно внутри сплошного неподвижного цилиндра в нижней части аппарата, патрубки для загрузки и технического обслуживания, фильтрующий элемент в виде перфорированного цилиндра, установленного на штоке с возможностью возвратно-поступательного движения по оси неподвижного цилиндра с перекрытием части последнего в нижнем положении и коаксиально входящего в сплошной цилиндр в верхнем положении, размещенный в верней части аппарата, причем нижняя торцевая часть фильтрующего элемента состоит из чередующихся перфорированных и сплошных участков в виде жалюзи, верхние сплошные лепестки которого выполнены подвижными и установлены с возможностью периодического закрывания и открывания торцевой поверхности перфорированного участка фильтрующего элемента, отличающийся тем, что в нем дополнительно установлены гидродинамические ультразвуковые излучатели, расположенные соосно в верхней части фильтрующего элемента с возможностью перемещения с ним, а также с его внешней перфорированной стороны, при этом в качестве перемешивающего устройства применяется осевой насос.