CC BY
40
4,1999
ІМ по-оляю-змаха зебуе-азова-
66.061.002.54
го-кру-
іуктов,
редств
ІЯХ.
этоков.
енного
уровне
ее двух
«іатери-ице за
УНИВЕРСАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЭКСТРАКЦИИ ДВУОКИСЬЮ УГЛЕРОДА
Е.П. КОШЕВОЙ, Х.Р. БЛЯГОЗ, Х.Р. СИЮХОВ,
А.А. СХАЛЯХОВ, В.Ю. ЧУНДЫШКО
Кубанский государственный технологический университет Майкопский государственный технологический институт
Применение экстракции двуокисью углерода С02 сдерживается несовершенством существующего оборудования, которое отличается низкой производительностью, большими трудозатратами и высокими энергоемкостью и стоимостью.
Следует классифицировать известные установки для проведения экстракции: сжиженными газами при докритических параметрах давления и температуры; жидкими газами при давлении выше и температур ниже критических; сжатыми сверх-критическими газами; со смешанными процессами — многостадийные.
Аппаратурное оформление периодического процесса экстракции растительного сырья сжиженными газами впервые в нашей стране было предложено Б.С. Алаевым. Опытно-конструкторские работы, проведенные в НИИ синтетических жирозаменителей ВНИИСЖИМС и в Краснодарском НИИ пищевой промышленности КНИИПП, позволили создать ряд периодических и непрерывно действующих установок для экстракции растительного сырья [1]. В дальнейшем в нашей стране был реализован процесс экстракции сжиженной С02 в производственных условиях [2]. На установках подобного типа в настоящее время экстрагируют до 60 наименований видов растительного сырья: аир, анис, бадьян, базилик эвгенольный, гвоздика, кориандр, лавровый лист, укроп, фенхель, хвоя пихты сибирской, ромашка аптечная и др.
Установка экспериментального завода КНИИПП проста по конструкции, компактна,
удобна в обслуживании. Отсутствие насосов для перекачки растворителя придает ей высокую степень надежности.
Известна попытка [3] создать установку по без-насосной схеме и для сверхкритической экстракции.
Применение компрессоров и насосов в схемах экстракционных установок, что характерно для зарубежных разработок [4-6], позволяет расширить возможности процесса.
Нами с использованием результатов термодинамических расчетов, приведенных в работе [7], разработана универсальная экспериментальная установка для экстракции двуокисью углерода в сжиженном и сжатом состоянии (рисунок), которая предназначена для исследовательских процессных и технологических работ, а также для отработки принципиальных конструкторских решений. Установка должна обеспечивать процесс экстракции как в системе твердое тело—жидкость Т—Ж, так и жидкость—жидкость Ж—Ж. Энергообеспечение осуществляется включенным в схему установки тепловым насосом.
Диапазон режимов работы установки: давление Р — до 300 бар; температура £ — от 20 до 90°С, что обеспечит исследования как в докритической, так и в сверхкритической области.
Схема установки для экстракции газами включает следующие основные элементы: жидкостную экстракционную колонну /; экстрактора для твердофазного материала 2; сепараторы-ловушки <3; дистилляторы рафината и экстракта 6, 7; насосы высокого давления для растворителя и разделяемой смеси И, 12, 13; дроссельные клапаны 4, 5, 17; теплообменники 8, 9, 10; сборники разделяемой смеси и растворителя 16, 18.
Изменение термодинамических параметров С02 при ее движении по циклу обозначено точками с номерами в кружочках. Для характерного режима сверхкритической экстракции расчеты дают следующий вариант термодинамических параметров С02 по отмеченным точкам: 1 — 60 бар, 17°С; 2 — 300 бар, 43°С; 3 — 300 бар, 60°С; 4 — 300 бар, 60 °С; 5 — 60 бар, 22°С; 6 — 60 бар, 40°С; 7 — 60 бар, 40°С.
Работа установки происходит следующим образом. Цикл начинается с точки 1. Сюда подают жидкую С02 из сборника 16 после конденсатора, на который пары С02 поступают из дистиллятора или от внешнего источника при заправке установки в начале работы.
Жидкую С02 берут насосом высокого давления 11 и сжимают (нагнетают по направлению к экстрактору). В результате С02 переходит в точке 2 под высокое давление, при этом возрастает температура (в рассматриваемом случае С02 уже после насоса попадает в сверхкритическое состояние).
На пути к экстрактору С02 проходит через теплообменник 10, где может быть дополнительно подогрета до требуемого температурного режима экстракции (при необходимости проведения процесса экстракции С02 в сжиженном состоянии схема может быть с помощью перекрытия соответствующих вентилей в системе теплового насоса изменена так, чтобы теплообменник стал охладителем).
При прохождении через экстракторы (между точками 3 и 4) термодинамические параметры С02 не изменяются, соответствуя выбранному режиму экстракции.
За экстракторами (после точки 4) установлен дроссельный клапан экстракции 5. При прохождении через клапан термодинамические параметры С02 изменяются (в точке 5 устанавливается Р, равное 60 бар, а температура снижается до 22 °С), что с учетом подогрева в теплообменнике (точка 6) до 40°С позволяет выделить проэкстрагированные вещества из потока С02 в дистилляторе. Освобожденный от проэкстрагированных веществ поток С02 (точка 7) имеет те же термодинамические параметры, соответствующие сверхкритическим условиям. Перед подачей в насос И поток С02 в теплообменнике 7 конденсируется и приобретает термодинамические параметры, соответствующие точке 1 (Р 60 бар и I 17°С).
Результаты расчетов [7] удельных затрат энергии на разных участках рассмотренной схемы при различных температурных режимах экстракции показывают, что суммарные удельные затраты тепла на подогрев в теплообменниках не зависят от температуры в процессе экстракции (очевидно, что дополнительный подогрев перед экстракцией позволяет на эту величину снизить подогрев после экстракции) и составляют около 180 кДж/кг С02. Удельные затраты холода на конденсацию не зависят от температуры в процессе экстракции и составляют около 210 кДж/ кг С02. Также не зависят от температуры в процессе экстракции затраты механической энергии на привод насоса высокого давления 30 кДж/кг С02. С ростом температуры в процессе экстракции (от 40 до 100°С) нарастают затраты механической энергии на привод компрес-
сора холодильной установки (от 30 до 80 кДж/кг С02) и затраты холода в теплообменнике теплового насоса (от 65 до 115 кДж/кг С02).
В случае работы на непрерывной жидкостной экстракционной колонне схема несколько изменяется. Добавленный теплообменник для разделения рафината не повлияет на удельные затраты энергии, та как общее количество С02 перераспределяется между двумя теплообменниками для разделения экстракта и рафината.
Для универсальной установки (при ведении процесса как в системе Т—Ж, так и Ж—Ж, как при сверхкритических, так и докритических режимах) предложена схема, в которой теплообменник 10 до экстракторов в общей схеме энергообеспечения способен подключаться отдельно или к теплу, или к холоду, которые обеспечиваются работой холодильной установки, способной работать в режиме теплового насоса.
Для основных элементов установки приняты следующие размеры: для экстракторов Т—Ж труба диаметром 102x8 и высотой 500 мм, а для жидкостной экстракционной колонны труба диаметром 56x6 и высотой 2000 мм.
Рабочий расход растворителя можно ориентировочно оценить по следующим данным.
Для экстракции Т—Ж (при экстракции хмеля принимается подача 10 кг С02 на 1 кг хмеля и процесс длится 4 ч). Если принять в универсальной установке четыре параллельно работающих экстрактора указанного выше размера (для всех четырех рабочий объем составит Ура6 = 4-0,785-0,0862* *0,5 = 0,0116 м3), то в ней будет обрабатываться количество материала Є = Ура6 ро6 = 0,0116-250 = = 2,9 кг. Таким образом, за весь период экстракции будет подано 29 кг С02 или расход составит 7,25 кг/ч.
Для экстракции в системе Ж—Ж известно [8], что в колонне диаметром 20 мм расход сверхкритической С02 был 2,16 кг/ч (0,6 г/с). В расчете на принимаемую колонну с внутренним диаметром 44 мм этот расход составит 10,45 кг/ч.
Следовательно, насос высокого давления для С02 в установке может быть принят с паспортной производительностью 16 кг/ч на давление до 400 бар и возможностью регулировки его производительности вплоть до самой малой.
Насос для подачи разделяемой смеси может быть меньшей производительности (в 10 и более раз) и если регулировка позволяет менять производительность в широком диапазоне, то он может быть такой же как и для С02.
Принимая округленно расход С02 10 кг/ч, оп-еделим, что тепловой насос должен подавать 86,6-10 = 3866 кДж/ч, что соответствует 1,074 кВт.
С учетом необходимости энергообеспечения в установку включен тепловой насос на основе ФАК-1500 на хладоне 12.
Общая характеристика установки следующая. Все оборудование монтируется на единой раме. Установка включает стапельную емкость для хранения запаса С02 объемом не менее 40 л (углекислотный баллон с уровнемерным стеклом), располагаемую между конденсатором и насосом высокого давления.
Уст
тельні
темпе
Сое двуок: повыи возмо Ж и энерг
1. Мо
сыр
2. Тел дун
В.П. I
Кубане
На> мельч части За> взам •'■-■Vі ся в о повер
ві
такж^
захва|
стями
можи
вуюш
стями
( Д0ЛЖІ ПОКОЯ
одной ' модул
кон
трен
к/кг звого
тной
/1еня-
ения
энер-
деля-
щеле-
,ении как >ежи-нник пече-еплу, ботой в ре-
[НЯТЫ
труба
.идко-
втром
[тиро-
хмеля еля и льной с экс-четы-0862х эаться 250 =
акции г 7,25
ю [8], зхкри-асчете адмет-
я для ртной до 400
зводи-
т быть раз) и зводи-т быть
;ч, оп-давать 1,074
шия в :нове
тощая.
раме. 1я хра-■лекис-1спола-
1С0К0Г0
Установка обеспечивается контрольно-измерительными приборами для измерения давления и температуры, предохранительными клапанами.
ВЫВОД
Совершенствование техники для экстракции двуокисью углерода должно осуществляться путем повышения универсальности как в направлении возможности реализации процесса в системах Г— Ж и Ж—Ж, так и использования автономных энергосберегающих систем энергообеспечения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Молчанов Г.И. Интенсивная обработка лекарственного сырья. — М.: Медицина, 1981.
2. Технология натуральных эфирных масел и синтетических душистых веществ / И.И. Сидоров, Н.А. Турышева и др.
— М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1984.
3. Карамзин В.А., Касьянов Г.И., Цескис А.Л. Исследование процесса экстрагирования ценных компонентов растительного сырья диоксидом углерода / / Хранение и переработка сельхозсырья. — 1998. — № 1. — С. 20-22.
4. Clarke Meiler How Carlton and United made hop extract history / Brew. Quard, 1981. — 110. — P. 13-17.
5. Пат. 4278012 США, МКИ C12 C3/00. Заявл. 14.12.79; Опубл. 14.07.81.
6. Пат. 2388582 Франция, МКИ В01 Д11/02; С12 СЗ/00. Заяв. 28.04078; Опубл. 24.11.78.
7. Sievers U., Eggers R. Heat recovery in supercritical fluid extraction process with separation at subcritical pressure // Chemical Engineering and Processing, 1996, 35. — №4.
— P. 239-246.
8. Sato М., Goto М., Hirose T. Supercritical Fluid Extraction
on Semibatch Mode for the Removal of Terpene in Citrus Oil // Ind. Eng. Chem. Res. — 1996. — 35. —
P. 1906-1911.
Кафедра машин и аппаратов пищевых производств
Поступила 30.10.98
621.926.4
ЗАХВАТ ЧАСТИЦ ПОВЕРХНОСТЯМИ РАБОЧИХ ОРГАНОВ
ИЗМЕЛЬЧАЮЩИХ МАШИН
В.П. БОРОДЯНСКИЙ, А.Г. ТКАЧЕВ
Кубанский государственный технологический университет
Началом процесса разрушения продукта в измельчающих машинах является захват отдельных частиц продукта их рабочими органами.
Захват частицы характеризуется тем, что при взаимодействии с рабочими органами она находится в относительном покое, т.е. не перемещается по поверхности рабочего органа.
В общем случае в измельчающих машинах, а также в других устройствах, где это необходимо, захват частицы осуществляется двумя поверхностями рабочих органов. Условно эти поверхности можно заменить двумя внешними силами, действующими в точках контакта частицы с поверхностями. При этом, по условию захвата, частица должна находиться в состоянии относительного покоя, т.е. эти силы должны быть направлены по одной прямой навстречу друг другу и равны по модулю.
Простым примером силового взаимодействия частицы, находящейся в контакте с поверхностью рабочего органа измельчающей машины, является случай действия сил на тело, находящееся на плоскости (рис. 1).
На тело действует сила Р, направленная под углом а/2 к нормали N (сила трения тела не учитывается). Тело будет находиться в состоянии покоя, если усилие Р будет уравновешиваться реакцией поверхности ^, т.е. они будут лежать на одной прямой и равняться по модулю. Так как реакция есть суммарное усилие от Т7 и /V', то условие равновесия тела будет выполняться пока вектор Р находится в пределах конуса трения, т.е. должно выполняться условие а<2(р.'
На схеме взаимодействия частиц с рабочими органами измельчающих машин (рис. 2) усилие Р (по рис. 1) будет являться реакцией й, второй поверхности, контактирующей с частицей в точке А2, Р1 — реакция первой поверхности в точке А1 (рис. 2).
29
а
а - угол захвата <р - угол трения
