RU16458U1 - Универсальная установка для экстракции двуокисью углерода - Google Patents

Abstract

Универсальная установка для экстракции двуокисью углерода, состоящая из нескольких экстракторов, дроссельных клапанов, испарителей, конденсаторов и накопителей для растворителя и исходного жидкофазного материала, отличающаяся тем, что включает экстрактора для твердофазных материалов и экстракционную колону для жидкофазных материалов, смонтированных на общей раме и соединенных трубопроводами с насосами высокого давления, на линии подачи двуокиси углерода, между экстракторами и насосом высокого давления установлен теплообменник.

Description

Illni Ilill («т ,.. 5У

УНИВЕРСАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЭКСТРАКЦИИ ДВУОКИСЬЮ

УГЛЕРОДА

Полезная модель относится к области переработки твердо- и жидкофазных материалов экстракцией двуокисью углерода (СО2) и может быть использовано в пищевой и смежных отраслях промышленности для переработки пряноароматического, витаминного и лекарственного растительного сырья, а также выделения ценных веществ из растворов на жировой или водной основе методом экстракции СОа, находящейся в до- и сверхкритическом состоянии, с целью получения и последующего применения экстрактов ценнейших, экологически чистых, незаменимых компонентов при производстве изделий пищевых отраслей, фармацевтики, бытовой химии, парфюмерии, косметики.

Известна установка, работающая при докритических термодинамических условиях, для получения СО2-экстрактов из твердофазного материала и способ ее эксплуатации Патент РФ 2099398. Установка содержит каскадно расположенные и соединенные по газовой фазе конденсатор, накопитель жидкой СОа, два или более экстрактора и испаритель. Экстракторы соединены между собой и с испарителем трубопроводами, имеющими запорные клапаны. Испаритель соединен с конденсатором трубопроводом и снабжен трубопроводом с клапаном для выдачи готового СОа-экстракта. Конденсатор соединен трубопроводом с накопителем и тот в свою очередь соединен с экстракторами. Количество экстракторов для каждой конкретной установки определяется в зависимости от заданной производительности, свойств перерабатываемых продуктов и стоимости оборудования.

Работает установка следующим образом. Предварительно установка заполняется из баллонов СОг до достижения во всем контуре, кроме вскрытых при этом экстракторов, заданного равновесного давления. Подготовленное исходное сырье загружают в экстракторы, после чего они герметизируются и открывают клапаны для подключения одного из экстракторов соответственно к накопителю и к испарителю. Жидкая СОа поступает из накопителя по трубопроводам в экстрактор и проходит через находящееся в нём сырье, экстрагируя ценные вещества. Образующаяся при этом мисцелла по трубопроводу сливается в испаритель, где за счет нагревания теплоносителем С02 испаряется и отделяется от остающегося в испарителе С02-экстракта, который периодически, по мере накопления, выдается из испарителя по

трубопроводу путем открытия клапана. Газообразная СО2 поступает по трубопроводу в конденсатор, где конденсируется за счет охлаждения и стекает в накопитель, откуда снова поступает на экстракцию.

Процесс экстракции твердофазного материала двуокисью углерода проводится в установке Патент США 4123559. Этот патент описывает процесс сверхкритической экстракции, который использует сначала сухую, затем, влажную СО2. Например, при двух ступенчатом процессе экстракции пряностей на первой ступени сухое экстрагирование СОа извлекает эфирные масла, которые представляют составные части аромата, и на второй ступени влажное экстрагирование С02 извлекает компоненты привкуса.

Установка включает сосуд, из которого двуокись углерода (сухая) прокачивается насосом через теплообменник в экстрактор, содержащий измельченный твердофазный материал. Мисцелла (раствор экстрактивных веществ в СО2), покидая сосуд, дросселируется через клапан и расширяется до более низкого давления, при этом ее температура регулируется в теплообменнике. Компоненты, осажденные из С02, отделяются в сосуде, и двуокись углерода рециркулирует в экстрактор. Когда желательный уровень экстракции ароматических компонентов достигается, поток СОа отклоняется к увлажнителю прежде, чем он пройдет через измельченный материал в экстракторе; сырая двуокись углерода извлекает желательные компоненты привкуса. Экстрактивные вещества отделяются из мисцеллы или в том же самом сосуде, или в другом сосуде, в зависимости от предназначения получаемого экстракта. В этой же установке процесс экстракции твердофазного материала двуокисью углерода при сверхкритических условиях можно вести в одну ступень.

Известно техническое решение Патент США 3477856 по экстракции жидкой двуокисью углерода (при докритических термодинамических условиях) жидкофазных материалов. В частности, описана технологическая схема установки для экстракции сжиженной СОа ароматических компонентов из фруктового сока. В состав установки входит резервуар, который содержит исходный фруктовый сок; сок подается насосом в верхнюю часть экстракционной колонны. Здесь сок через распьшительное устройство распределяется по сечению колоны. При этом сок входит в контакт со сжиженной СО2, которая вводится в среднюю секцию колоны по трубопроводу

из конденсатора. Сжиженная СО2 (с плотностью приблизительно 0,7 г/см) поднимается в экстракционной колоне, экстрагируя из сока ароматические компоненты, которыми являются сложные эфиры, альдегиды, кетоны и подобные компоненты. Экстракт оставляет колону через регулируемый выпуск в колоне и течет к испарителю, где сжиженная СОз вьшаривается. Газообразная СО2 передается на конденсатор, а сконцентрированный экстракт ароматов выпускается из испарителя. Установка работает непрерывно и потери СО2 пополняются из СО2 - резервуара через клапан когда возникает потребность.

Наиболее близким прототипом является проведение экстракции жидкофазного материала (процесс дезодорации жиров и масел) двуокисью углерода при сверхкритических термодинамических условиях Патент США 4156688. Примеры в патенте показывают, что более 95% пахучих веществ удаляются при обработке СО2 растительного масла при 200 атм и 250-200°С. Сама установка включает емкость с исходным растительным маслом, из которой насосом оно подается в верхнюю часть насадочной экстракционной колоны. Двуокись углерода подается в колону снизу. Мисцелла (раствор в СО2 пахнущих веществ и жирных кислот) выходит сверху колоны и направляется на разделение в адсорбер с активированным углем для удаления пахнущих веществ и жирных кислот. Двуокись углерода компрессором после прохождения адсорбера направляется в колону. Очищенное масло стекает в расширенную нижнюю часть колоны, из которой оно вьшускается по мере накопления.

Данные экстракционные установки и способы эксплуатации, которые можно принять за аналоги, принципиально работоспособны, однако являются специализированными и малоэффективны. По большинству совпадающих признаков с предлагаемой полезной моделью за прототип можно принять установку Патент США 4123 559.

Задачей полезной модели является создание универсальной экстракционной установки для обработки как твердофазных, так и жидкофазных материалов двуокисью углерода, находящейся как при докритических термодинамических условиях, так и при сверхкритических условиях.

экстракции двуокисью углерода состоит из нескольких экстракторов, дроссельных клапанов, испарителей, конденсаторов и накопителей для растворителя и исходного жидкофазного материала, она включает экстрактора для твердофазных материалов и экстракционную колону для жидкофазных материалов, смонтированных на общей раме и соединенных трубопроводами с насосами высокого давления, на линии подачи двуокиси углерода между экстракторами и насосом высокого давления установлен теплообменник с регулируемым температурным режимом.

Использование в установке общих элементов (насосы высокого давления, дроссельный клапан, испарители, конденсаторы и накопители для растворителя и теплового насоса) позволяет использовать их при работе на различных материалах и различных термодинамических режимах, включая в работу в зависимости от вида материала только соответствующие экстрактора, теплообменник, который может работать как нагреватель или как охладитель.

Таким образом, совокупность существенных признаков, изложенных в формуле полезной модели, позволяет достичь желаемый технический результат.

На фиг. 1 изображена схема универсальной установки для экстракции двуокисью углерода.

Установка (фиг. 1) включает следующие основные элементы: жидкостную экстракционную колонну 1; экстрактора для твердофазного материала 2; дроссельные клапана 3, 4, 5, испарители рафината и экстракта 6, 7; теплообменники 8, 9, 10, насосы высокого давления для растворителя и разделяемой смеси 11, 12;;; емкости для исходной смеси 13 и растворителя (жидкой двуокиси углерода) 14, сосудов-разделителей 15, а также компрессора теплового насоса 16. Установка снабжена контрольно - измерительной аппаратурой (на фиг.1) обозначены точки подсоединения измерителей давления и температуры), имеются предохранительные клапаны, фильтры и арматура. Установка смонтирована на общей раме и ее элементы соединены трубопроводами между собой и с насосами высокого давления

Изменение термодинамических параметров СОа 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 °C; 2 - 300 бар, 43 °C; 3 - 300 бар, 60 °C; 4 - 300 бар, 60 °C; 5 - 60 бар, 22 °C; 6 - 60 бар, 40 °C; 7 - 60 бар, 40 °C.

Работа установки происходит следующим образом.

Цикл начинается с точки 1. Сюда подают жидкую СО2 из сборника 14 после конденсатора, на который пары СО2 поступают из испарителя или от внешнего источника при заправке установки в начале работы.

Жидкую СО2 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 рассматриваем случае СО2 уже после насоса попадает в сверхкритическое состояние).

На пути к экстрактору С02 проходит через теплообменник 8, где может быть дополнительно подогрета до требуемого температурного режима экстракции (при необходимости проведения процесса экстракции СО2 в сжиженном состоянии схема может быть с помощью перекрытия соответствующих вентилей в системе теплового насоса изменена так, чтобы теплообменник 8 стал охладителем).

При прохождении через экстрактора (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 СО2 изменяются (в точке 5 устанавливается давление равное 60 бар, а температура снижается до 22 °С), что с учетом подогрева в теплообменнике (точка 6) до 40С позволяет выделить проэкстрагированные вещества из потока СО2 в дистилляторе. Освобожденный от проэкстрагированных веществ поток СО2 (точка 7) имеет те же термодинамические параметры, соответствующие сверхкритическим условиям. Перед подачей в насос 11 поток СО2 в теплообменнике 9 конденсируется и приобретает термодинамические параметры, соответствующие точке 1 (Р 60 бар и t 17 °С).

Результаты расчетов удельных затрат энергии на различных 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 СОа. Удельные затраты холода на конденсацию не зависят от температуры в процессе экстракции и составляет около 210 кДж/кг СО2. Также не зависят от температуры в процессе экстракции затраты механической энергии на привод насоса высокого давления 30 кДж/кг СОа. С ростом температуры в процессе экстракции (от 40 до 100 °С) нарастают затраты механической энергии на привод компрессора холодильной установки (от 30 до 80 кДж/кг СО2) и затраты холода в теплообменнике теплового насоса (от 65 до 115 кДж/кг СО2).

В случае работы на непрерывной жидкостной экстракционной колонне схема несколько изменяется. Добавленный теплообменник для разделения рафината не повлияет на удельные затраты энергии, так как общее количество СОа перераспределяется между двумя теплообменниками для разделения экстракта и рафината.

Для обеспечения универсальности установки (при ведении процесса как в системе «твердое тело - жидкость, так и «жидкость - жидкость, а также как при сверхкритических, так и докритических режимах) в предложенной схеме теплообменник 8 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.

Claims (1)

1. Универсальная установка для экстракции двуокисью углерода, состоящая из нескольких экстракторов, дроссельных клапанов, испарителей, конденсаторов и накопителей для растворителя и исходного жидкофазного материала, отличающаяся тем, что включает экстрактора для твердофазных материалов и экстракционную колону для жидкофазных материалов, смонтированных на общей раме и соединенных трубопроводами с насосами высокого давления, на линии подачи двуокиси углерода, между экстракторами и насосом высокого давления установлен теплообменник.