СЕПАРАТОР ВАКУУМ-ВЫПАРНОГО АППАРАТА, СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МАСЛА ИЗ СОКА ОБЛЕПИХИ (ВАРИАНТЫ), СПОСОБ ГАШЕНИЯ ПЕНЫ И СПОСОБ СЕПАРАЦИИ ПАРА Российский патент 2007 года по МПК C11B1/00 A23C1/12 A23C3/00 B01B1/02 B01D1/30 B01D19/02 

Область техники, к которой относятся изобретения

Изобретения относятся к пищевой промышленности, в частности к устройствам и технологиям извлечения масла облепихи, выпаривания сока растений, сгущения молока, экстрагирования биологически активных веществ (БАВ) с применением вакуум-выпарных аппаратов.

Уровень техники

Известно большое число способов и устройств, получивших применение в пищевой промышленности для извлечения и выпаривания сока растений, сгущения молока, экстрагирования БАВ из жидкого сырья в вакуум-выпарных устройствах.

Сущность процесса выпаривания состоит в испарении воды с поверхности жидкого сырья. Процесс этот длительный. Его ускоряют вакуумированием и интенсификацией подвода теплоты, что может сопровождаться вскипанием, пенообразованием, выбросом значимого количества брызг и соответствующего уноса продукта переработки вместе с паром. В книге "Вакуум-выпарные установки молочной промышленности и их эксплуатация" (П.П., М., 1970, с.81-86) В.В.Страхов рассматривает ряд приемов и устройств для сгущения молока, гашения пены и уменьшения выноса продукта переработки, применяемых в отечественной и зарубежной практике и указывает их недостатки. Он констатирует:

"Имеющиеся способы и устройства для гашения пены в вакуум-аппаратах нуждаются в дальнейшем совершенствовании".

В патенте на изобретение RU 2002423 С1, 1992, авторов Гончар И.Д. и др. (прототип п.1 формулы) описана вакуум-выпарная установка для сгущения жидких пищевых продуктов. Отделение сухого пара от капельно-жидкой части вторичного пара осуществляют путем "организации вихревого течения парожидкостной смеси", то есть используют центробежные силы, действием которых смесь разделяется на пар, направляемый в конденсатор, и жидкую фракцию, возвращаемую в испаритель. При несомненном достоинстве - совмещении сепаратора и испарителя - ее недостатки соответствуют названным В.В.Страховым. Кроме этого, в рамках данной группы изобретений заметим, что "капельная жидкость (молоко и частично сконденсированный вторичный пар) рециркулирует в нижнюю часть корпуса вакуум-испарителя по циркуляционной трубе на повторное упаривание". То есть "капельная жидкость" исключена из процесса сепарации и испарения на время ее реверса.

В патенте на изобретение RU 2224013 С2, 2001, автора Рожкова И.С. (прототип п.3 формулы) описан способ получения облепихового масла из сока. При этом в сок добавляют 7,5 кг подсолнечного масла. В результате было получено 11 кг облепихового масла. Очевидно, что 3,5 кг представляют собой собственное масло облепихи. Подсолнечное масло, являясь экстрагентом, в данном случае обеспечивает и уменьшение пенообразования. Недостатком такого способа извлечения масла из сока является то, что целевой продукт представляет собой смесь подсолнечного масла и масла облепихи.

В патенте на изобретение RU 2243708 С2, 2001, автора Рожкова И.С. (прототип п.5 формулы) описан способ извлечения сока из початков облепихи, в режим которого заложена операция резкого уменьшения давления в камере. Как замечает В.В.Страхов "В этом случае сгущаемый продукт становится перегретым по отношению к новой, более низкой температуре кипения, что вызывает бурное парообразование при самоиспарении и может быть причиной выброса продукта". Однако наблюдения за процессом через прозрачные стенки камеры не зафиксировали пенообразования. Очевидно, что в этом случае при бурном кипении вызванные им вибрации корпуса камеры передаются твердым компонентам початков, вибрация которых разрушает пузырьки пара. Происходит то, что наблюдается при "помешивании" пенящейся кипящей жидкости в быту - пена разрушается.

Пример утилизации энергии перерабатываемого продукта можно увидеть в патенте RU 2048115 C1, 1995, автора И.И.Петухова и др., в котором "паровую фазу продукта конденсируют в теплообменнике потоком жидкого пищевого продукта, подаваемого на обработку". Здесь же "нагрев жидкого пищевого продукта осуществляют путем его инжекционного смешения с паровой фазой продукта". Однако в этом аналоге "путем восстановления статического давления при движении в диффузоре струйного охладителя" достигают гомогенизации жидкой фазы, что указывает на взаимодействие ее структур и позволяет принять этот аналог в качестве прототипа п.6 формулы изобретения.

Важным моментом использования перегрева является энергосбережение. Энергосбережение при выпаривании в режиме перегрева предопределено тем, что за счет увеличения испаряющей поверхности на величину совокупной поверхности пузырьков и капель повышается интенсивность пароотделения.

Раскрытие изобретения

Задачей данной группы изобретений является создание устройства и способов, повышающих эффективность процесса переработки жидких пищевых продуктов, извлечения из них ценных в пищевом и медицинском отношениях компонентов, расширяющих арсенал приемов, способов и устройств гашения пены и сепарации пара в вакуум-выпарных аппаратах.

Поставленная задача достигается совокупностью конструктивных и технологических решений, реализуемых в полости крышки камеры вакуум-выпарного аппарата и его камере.

Задачей изобретения по п.1 является создание сепаратора, в котором применяют и прилипание капель к развитым поверхностям сепарирующего устройства, и изменения скорости и направления движения вторичного пара, и фильтрацию его через подвижные и неподвижные сетки.

Указанная задача решается сочетанием подвижных и неподвижных элементов сепаратора пара.

Подвижные элементы сепаратора задействованы электродвигателем, закрепленным в центре наружной поверхности днища крышки под герметичным колпаком. Полость колпака отверстиями по внутреннему его периметру сообщают с внутренней полостью крышки. Вал двигателя введен в полость крышки, к нему прикреплена втулка с лопастями вентилятора. Верхние и концевые кромки лопастей отогнуты в направлении вращения и повторяют профиль сечения крышки без касания ее. К нижним кромкам лопастей без зазоров крепят круговое кольцо, внутренний диаметр которого от двух до пяти раз меньше внешнего, равного диаметру основания круглого конуса. Вдоль внешнего периметра кругового кольца, на небольшом удалении от края, снизу крепят цилиндрическую сетку.

Неподвижные элементы сепаратора объединены в съемном цилиндре, жестко без зазора закрепленном в обечайке крышки. В нижней части полости цилиндра закреплен круглый конус. К верхней кромке съемного цилиндра без зазора крепят основание перевернутого усеченного круглого конуса, диаметр меньшего сечения которого не превышает диаметра основания круглого конуса. Кромка этого сечения удалена от поверхности круглого конуса. На внешней поверхности круглого конуса крепят круглый сетчатый цилиндр, диаметр которого не меньше внутреннего диаметра кругового кольца. К верхней же кромке съемного цилиндра с зазором по отношению к обечайке и кромке цилиндра крепят основание прямого усеченного круглого конуса. Верхнее сечение этого конуса имеет диаметр, больший внешнего диаметра кругового кольца, а его кромка расположена выше кромки кольца, чем обеспечивается выравнивание статических давлений в промежутке между кромками и во внутренней полости прямого усеченного круглого конуса.

Задачей изобретения по п.2 является предотвращение заброса конденсата с обечайки и вентилятора в окно отводящей пар трубы.

Указанная задача достигается тем, что на внутренней поверхности обечайки от ее верха до верха съемного цилиндра, под острым углом к направлению движения пара нанесены наклонные борозды глубиной до 0,5 мм, а входное окно трубы экранировано тупиковым тоннелем.

Задачей изобретения по п.3 формулы является создание способа извлечения масла облепихи из ее сока при температуре менее 60°С и давлении ниже 2·10⁴ Па в вакуум-выпарном аппарате, при постоянном подводе теплоты до расслоения сухого остатка сока и масла, после чего масло отделяют от сухого остатка известными способами.

Указанная задача достигается ведением процесса испарением с поверхности сока без добавления подсолнечного масла.

Задачей изобретения по п.4 является также создание способа выпаривания продукта, но в режиме перегрева.

Указанная задача достигается тем, что процесс сушки сока ведут понижением давления в камере над соком при интенсивном подводе теплоты.

Задачей изобретения по п.5 является создание способа механического гашения пены у поверхности кипящей жидкости.

Указанная задача достигается тем, что в полости камеры на заданной высоте устанавливают от 1 до 5 сеток, примыкающих своими периметрами к внутренней стенке камеры без зазора.

Задачей изобретения по п.6 является расширение арсенала способов сепарации парожидкостного потока его фильтрации и гашения пены.

Указанная задача достигается тем, что осуществляют встречное движение парожидкостному потоку (в камере, на входе его в сепаратор и в полости неподвижной сетки) капель того же продукта. Эти капли формируются на внешней и внутренней поверхности круглого конуса, перевернутого и прямого усеченного круглого конуса, в кольцевой полости обечайки и на подвижной сетке в результате прилипания к ним витающих капель и конденсации части пара. Падая вниз с кромки круглого конуса, они присоединяют к себе некоторую часть "витающих" капель (частиц продукта) и разрушают часть пены, тем нарушая ее устойчивость. Встречный характер движения капель обеспечивается: действием силы тяжести (противонаправленной парожидкостному потоку в камере); действием центробежной силы на поверхности подвижной сетки; круглой формой периметра основания конуса сепаратора. Очевидно, что частицы продукта более инертны, нежели молекулы пара, потому их концентрация у вершины конуса многократно возрастает, как и вероятность укрупнения и "оседания" в результате столкновения, что по эффекту сопоставимо с тонкой фильтрацией.

Названные признаки сепаратора, способа извлечения масла облепихи, способа гашения пены и признаки способа сепарации (фильтрации) пара являются существенными, составляют совокупность отличительных признаков данной группы изобретений и обеспечивают достижение технического результата, указанного для каждого из них и их совокупности.

Краткое описание чертежа

На чертеже схематически представлен разрез крышки камеры вакуум-аппарата, состоящей из обечайки 1 и ее днища 2, жестко соединенных между собой. Вентилятор 3 представлен втулкой и прикрепленными к ней лопастями. Показан и сам двигатель 4. В нижней части сепаратора показано сечение круглого конуса 5, закрепленного пластинами 6 в полости съемного цилиндра 7. Перевернутый усеченный круглый конус 8 и прямой усеченный круглый конус 9 своими большими сечениями прикреплены к верхней кромке съемного цилиндра. Подвижная сетка 10 прикреплена к круговому кольцу 11, а неподвижная сетка 12 - к внешней поверхности круглого конуса. Колпак двигателя 13 должен соприкасаться с его корпусом. В верхней части обечайки крышки показан отводящий пар патрубок 14.

Осуществление изобретений

Устройства и способы реализуют в следующем порядке: вакуум-аппарат заполняют сырьем, устанавливают сетку(и) гасителя пены, герметизируют, включают вакуум-насос, вентилятор, нагреватель.

Парожидкостная смесь с началом испарения (кипения) устремляется вверх; действием вакуум-насоса устройства и вентилятора поддерживается постепенно уменьшающееся давление над поверхностью сырья до достижения режимного вакуума. При этом образующаяся на поверхности сырья пена разрушается так, что ее уровень не превышает уровень верхней из сеток, установленных в камере. В начале процесса в режиме перегрева центрами парообразования являются воздушные пузырьки, содержащиеся в сырье, что может несколько изменить картину.

Чтобы конкретизировать оценки, примем диаметр обечайки крышки 1 и вакуумной камеры равным 1 метру, производительность вакуум-выпарного аппарата равной 60 кг/час, частоту вращения вала двигателя 4 равной 1400 об/мин (23 об/сек). При температуре 50°С 1 кг сухого пара занимает объем 12040 дм³ (табличное значение). При производительности по пару в 60 кг/час в секунду образуется 1/60 кг пара или 201 дм³. Этот объем пара должен проходить через сечение камеры, площадь которого 79 дм² за одну секунду, из чего следует, что скорость потока пара в камере составит примерно 0,254 м/сек. Близкой по значению является и средняя скорость капель, падающих с кромки круглого конуса 5, потому при встрече с витающими каплями они захватывают их, а войдя во взаимодействие с пеной, - разрушают ее часть.

Вход в сепаратор для пара преграждает внутренняя поверхность круглого конуса 5, диаметр основания которого примем равным 0,9 метра, и внешняя поверхность перевернутого круглого усеченного конуса. Круглый конус прикреплен к съемному цилиндру 7. Соответственно площадь прохода составит 15 дм², и скорость потока пара возрастет до 1,34 м/сек. Далее пар должен изменить направление своего движение под прямым углом. Очевидно, что наиболее массивные капли с внешней и внутренней поверхности перевернутого усеченного круглого конуса 8 стекут на верхнюю кромку круглого конуса 5 и оттуда вместе с каплями внутренней его поверхности - в камеру.

Продолжить свое движение пар сможет, пройдя круговую щель между кромкой перевернутого усеченного круглого конуса 8 и внешней поверхностью круглого конуса 5. Примем высоту этой щели равной 0,5 дм. При этом площадь щели составит примерно 14 дм², а скорость пара возрастет до 1,44 м/сек.

Поток пара не может перемещаться вдоль внутренней поверхности перевернутого усеченного круглого конуса 8, поскольку там область повышенного давления, нагнетаемого через стыковочный зазор между прямым усеченным круглым конусом 9 и перевернутым 8. В области оси вентилятора давление пониженное и потому пар устремляется в эту область через вращающуюся сетку 10.

Примем, что размер ячейки сетки составляет 1·10^-3 м, толщина проволоки сетки 1·10^-4 м, а диаметр сетчатого цилиндра 10 - 0,8 м. При этом линейная скорость любой его точки составит примерно 57,8 м/сек. Это значит, что за 1,73·10^-5 секунды ячейки меняются местами. За это время капля продукта, движущаяся со скоростью 1,44 м/сек, продвинется на 1,44 м/сек · 1,73·10^-5 сек = 2,49·10^-5 м. Толщина проволоки сетки в 1·10^-4 м: 2,49·10^-5 м = 4 раза больше пути, который может пройти капля, а потому она неминуемо будет раздроблена или осядет на рамке ячейки. Шанс "проскочить" сетку имеют лишь капли, в четыре раза меньшие, т.е. размером 6,2·10^-6 м; что примерно в 160 раз меньше ячейки сетки ("шанс" составляет 0,6%). Для сравнения укажем, что диаметр молекулы пара составляет 2,69·10^-10 м, что примерно в 23000 раз меньше размера капли. К тому же их скорость может достигать сотен метров в секунду. Очевидно, что сетка 10 не представляет для пара значимой преграды.

Капли, прилипшие к сетке, начинают двигаться с центростремительным ускорением, в 850 раз большим ускорения свободного падения, и если сила сцепления с сеткой 10 меньше их веса, увеличенного в 850 раз, они покидают сетку, устремляясь навстречу парожидкостной смеси. Сталкиваясь с каплями парожидкостного потока, они, сливаясь или дробя их, изменяют скорость и направление движения части встречных капель, интенсифицируя тем самым сепарацию, как и капли, стекающие с кромки круглого конуса.

Действием подвижной сетки 10 и кругового кольца 11 вентилятора поток раздробленных капель приобретает вращательное движение в полости между подвижной и неподвижной сетками и потому сближается с неподвижной сеткой 12 тангенциально, что способствует оседанию капель на ней. При этом пар совершает второй поворот на 90°. "Прорвавшиеся" через неподвижную сетку капли, по инерции продолжая движение в направлении оси неподвижной сетки, сталкиваясь на встречных курсах, укрупняются и оседают в области вершины конуса 5. При этом, если через подвижную сетку "прорвались" лишь 0,6% "витающих" капель, то в результате их "фокусировки" вдоль оси подвижной сетки концентрация капель возрастет, что делает практически неизбежным слипание и осаждение их на вершину круглого конуса.

Из полости неподвижной сетки 12 с поворотом под прямым углом пар поступает на лопасти вентилятора 3. При этом он претерпевает третий поворот. Действием центробежной силы пар направляется в кольцевую полость обечайки 1, а из нее - во входное окно трубы, отводящей пар 14. Капли продукта под действием вентилятора приобретают значительную скорость и прилипают к стенке полости. Некоторая часть пара конденсируется и смывает частицы продукта. Разбавленная смесь стекает через зазор на внутреннюю поверхность перевернутого усеченного круглого конуса 8, с нее на край круглого конуса 5 сепаратора и, наконец, в камеру. Для предотвращения попадания капель с вентилятора во входное окно трубы оно экранируется. Верх экрана крепится к днищу крышки 2 без зазора, низ экрана простирается до поверхности прямого усеченного круглого конуса 9. При этом образуют тупиковый тоннель.

Полость колпака двигателя 13 сообщается с областью пониженного давления сепаратора, благодаря чему пар, попадающий в нее, не насыщен, а потому при температуре двигателя, большей или равной температуре в камере, он не может конденсироваться. Отверстия, через которые осуществляют сообщение полости колпака и сепаратора, предотвращают выдавливание смазочных материалов в сепаратор через подшипник при изменениях давления.

Мощность двигателя 4 можно оценить по энергии, необходимой для придания пару скорости на выходе его из вентилятора 3. Эта скорость может быть оценена по скорости пара во входном окне пароотводящего патрубка, достаточной для прохождения 1/60 кг пара (201 дм³) за 1 секунду. Примем площадь окна равной 0,01 м². В этом случае скорость пара должна составить 20,1 м/сек. Чтобы придать пару такую скорость, мощность двигателя 4 должна быть не менее 3,4 Вт. Понятно, что приведенная оценка приблизительна, в ней не учтена мощность, необходимая для преодоления сил трения, вращения сетки, ускорения циркулирующего пара и пара, конденсировавшегося при столкновении с лопастями вентилятора 3 и обечайкой кольцевой полости 1 и т.п.

Энергопотребление двигателя следует считать ничтожным, особенно если учесть, что работа вентилятора сопряжена с вибрациями, интенсифицирующими действие гасителя пены, размешенного в камере, а его мощность не превышает мощности серийных отечественных и зарубежных аналогов.

Как показано в прототипе п.3 формулы изобретения, масло облепихи частично отделяется от сухого остатка и может быть слито, но значимая его часть для своего отделения требует дополнительных мероприятий. К таковым можно отнести возврат части дистиллята в камеру, перемешивание и последующее отстаивание, слив, центрифугирование (сепарирование) и другие доступные в конкретных условиях приемы отделения и очистки целевого продукта.

Следует отметить, что получаемое масло облепихи содержит все жирорастворимые БАВ, содержащиеся в соке облепихи. Это обусловлено тем, что при бурном кипении (в режиме перегрева) происходит разрушение клеточных структур, что лишь частично может быть достигнуто при механическом дроблении высушенного сырья. Понижена концентрация БАВ и при испарении без перегрева.

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к технологиям переработки сырья вакуум-выпарным методом. Сепаратор вакуум-выпарного аппарата, совмещенный с камерой, в котором применяют прилипание капель сырья к развитым поверхностям, изменения скорости и направления движения парожидкостного потока, его фильтрацию через металлические сетки. При этом в нем сочетают подвижные и неподвижные элементы устройства. Подвижные элементы сепаратора задействуют электродвигателем, закрепленным в центре наружной поверхности днища под герметичным колпаком, полость которого по внутреннему его периметру отверстиями сообщают с внутренней полостью крышки, вал двигателя вводят в полость крышки, к нему крепят втулку с лопастями вентилятора, верхние и концевые кромки которых отгибают в направлении вращения и повторяют профиль сечения крышки, к нижним кромкам лопастей крепят круговое кольцо, внутренний диаметр которого от двух до пяти раз меньше внешнего, равного диаметру основания круглого конуса, вдоль внешнего периметра кругового кольца на небольшом удалении от края, снизу крепят цилиндрическую сетку. Неподвижные элементы сепаратора крепят в съемном цилиндре, без зазора закрепленном в обечайке крышки, в нижней части цилиндра закреплен круговой конус, к верхней кромке цилиндра без зазора крепят основание перевернутого усеченного кругового конуса, диаметр меньшего сечения которого не превышает диаметр основания кругового конуса, а кромка удалена от его поверхности, на внешней поверхности кругового конуса крепят сетчатый цилиндр диаметром, не меньшим внутреннего диаметра кругового кольца, к верхней кромке цилиндра с зазором относительно обечайки и кромки цилиндра крепят основание прямого усеченного кругового конуса, верхнее сечение которого имеет диаметр, больший внешнего диаметра кругового кольца и располагается выше его верхней кромки. Способ извлечения масла облепихи из сока при температуре менее 60°С, осуществляющийся в вакуум-выпарном аппарате с сепаратором. При этом в первом варианте выпаривание ведут без перегрева и добавления подсолнечного масла, а во втором варианте - выпаривание ведут с перегревом сока и без добавления подсолнечного масла. Способ гашения пены осуществляют в вакуум-выпарном аппарате с сепаратором, при этом в полости емкости с жидкостью на выбранной высоте размещают от 1 до 5 сеток, примыкающих своим периметром к стенкам емкости. Способ сепарации парожидкостного потока осуществляют в вакуум-выпарном аппарате с сепаратором, при этом применяют встречное движение капель. Изобретение позволяет получить масло облепихи из сока, существенно расширить арсенал способов гашения пены, сепарации и фильтрации пара, интенсифицировать процесс испарения. 5 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Сепаратор вакуум-выпарного аппарата, совмещенный с камерой, в котором применяют прилипание капель сырья к развитым поверхностям, изменение скорости и направления движения парожидкостного потока, его фильтрацию через металлические сетки, отличающийся тем, что в нем сочетают подвижные и неподвижные элементы устройства: подвижные элементы сепаратора задействуют электродвигателем, закрепленным в центре наружной поверхности днища под герметичным колпаком, полость которого по внутреннему его периметру отверстиями сообщают с внутренней полостью крышки, вал двигателя вводят в полость крышки, к нему крепят втулку с лопастями вентилятора, верхние и концевые кромки которых отгибают в направлении вращения и повторяют профиль сечения крышки; к нижним кромкам лопастей крепят круговое кольцо, внутренний диаметр которого от двух до пяти раз меньше внешнего, равного диаметру основания круглого конуса; вдоль внешнего периметра кругового кольца на небольшом удалении от края снизу крепят цилиндрическую сетку; неподвижные элементы сепаратора крепят в съемном цилиндре, без зазора закрепленном в обечайке крышки; в нижней части цилиндра закреплен круглый конус; к верхней кромке цилиндра без зазора крепят основание перевернутого усеченного круглого конуса, диаметр меньшего сечения которого не превышает диаметр основания круглого конуса, а кромка удалена от его поверхности; на внешней поверхности круглого конуса крепят сетчатый цилиндр диаметром, не меньшим внутреннего диаметра кругового кольца; к верхней кромке цилиндра с зазором относительно обечайки и кромки цилиндра крепят основание прямого усеченного круглого конуса, верхнее сечение которого имеет диаметр, больший внешнего диаметра кругового кольца, и располагается выше его верхней кромки.2. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что в обечайке от ее верха до верха съемного цилиндра под острым углом к направлению движения пара наносят борозды глубиной до 0,5 мм, а входное окно отводящей пар трубы экранируют тупиковым тоннелем переменного сечения.3. Способ извлечения масла облепихи из сока при температуре менее 60°С, отличающийся тем, что его осуществляют в вакуум-выпарном аппарате с сепаратором по п.1, при этом выпаривание ведут без перегрева и добавления подсолнечного масла.4. Способ извлечения масла облепихи из сока при температуре менее 60°С, отличающийся тем, что его осуществляют в вакуум-выпарном аппарате с сепаратором по п.1, при этом выпаривание ведут с перегревом сока и без добавления подсолнечного масла.5. Способ гашения пены у поверхности кипящей жидкости, отличающийся тем, что его осуществляют в вакуум-выпарном аппарате с сепаратором по п.1, при этом в полости емкости с жидкостью на выбранной высоте размещают от 1 до 5 сеток, примыкающих своим(и) периметром(ами) к стенкам емкости.6. Способ сепарации парожидкостного потока, отличающийся тем, что его осуществляют в вакуум-выпарном аппарате с сепаратором по п.1, при этом применяют встречное движение капель.