способ очистки жиросодержащих субстанций от примесей и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ очистки жиросодержащих субстанций от примесей, включающий смешивание жиросодержащей субстанции (исходного продукта) с водным раствором синтетического полиэлектролита (флокулянта) и водным раствором щелочи (нейтрализующего агента) с последующим отстоем и фильтрацией смеси, отличающийся тем, что смешивание осуществляют в искусственно создаваемых турбулентных потоках в камере-турбулизаторе, оборудованной диффузорными решетками и турбинами, при этом исходный продукт, флокулянт и нейтрализующий агент предварительно переводят в дисперсную фазу на диффузорных решетках камеры-турбулизатора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что смешивание осуществляют в электрическом поле переменной полярности.

3. Устройство для очистки жиросодержащих субстанций от примесей, включающее вертикально расположенный резервуар, соединенный системой снабженных вентилями патрубков с атмосферой, с вакуумным насосом, с сепаратором и/или фильтром, отличающееся тем, что в верхней части резервуара размещают оборудованную диффузорными решетками и турбинами камеру-турбулизатор для поступления в нижнюю часть резервуара исходного продукта, флокулянта и нейтрализующего агента.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что исходный продукт, флокулянт и нейтрализующий агент подают в камеру-турбулизатор под давлением в 1,5 - 3,0 атмосферы через патрубки, снабженные выходными эжекторами.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно имеет насосы-дозаторы для подачи исходного продукта, флокулянта и нейтрализующего агента в камеру-турбулизатор.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно снабжено установленной в резервуаре решеткой с возможностью подачи на нее электрического заряда переменной полярности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области масложировой промышленности, а более конкретно - к способам и устройствам для удаления нежелательных примесей из жиросодержащих субстанций.

Известно, что как в растительных, так и животных жирах содержатся разнообразные примеси - сопутствующие вещества, некоторые из которых ухудшают качество, снижают биологическую ценность жирового сырья и/или затрудняют его технологическую переработку. В частности, в растительных маслах нежелательными примесями являются фосфатиды и свободные жирные кислоты. Традиционными методами удаления этих примесей являются фильтрация с последующим отстаиванием (см. патент РФ N 2155797, опубл. 10.09.2000 г. /1/ и/или гидратация, в результате которой под действием воды фосфатиды теряют растворимость и выпадают в осадок. Примером гидратации, осуществляемой для большей эффективности в электрическом поле, является решение, описанное в заявке на патент РФ N 94023613/13, опубликованной 20.02.1996 г. /2/. Недостатками этих методов являются низкая степень очистки (например, негидратируемые фосфатиды, составляющие значительную долю примесей, остаются в прошедшей обработку маслосодержащей субстанции) и длительность процесса очистки.

Известны также способы очистки растительных масел путем обработки сильными кислотами (см. например, патент РФ N 2062784, опубл. 27.06.1996 г.) /3/. Эти способы не исключают возможности побочной реакции кислот с продуктами окисления масел, не позволяют использовать отделенные примеси в качестве пищевых добавок, и, кроме того, повышенное коррозирующее воздействие кислот на оборудование отражается на стоимости продукции.

Известны также теоретические разработки по использованию синтетических полиэлектролитов (ПЭ) в процессах очистки растительного масла от сопутствующих веществ (см. обзорную информацию выпуск 10 в сборнике "Пищевая промышленность". Серия 20, Масложировая промышленность, ВНИИТЭИАгропром, АгроНИИТЭИПП, Москва, 1960 г. стр. 1-27) /4/. Попытка практической реализации этой теории нашла свое отражение в патенте РФ 2144561, опубл. 20.01.2000 г. /5/, который и был выбран в качестве прототипа. Указанный патент описывает способ очистки жидких растительных масел, включающий смешивание масла с водой, перемешивание его с химическими и нейтрализующими агентами и последующее отделение продуктов взаимодействия от масла. При этом в качестве химического агента используют флокулянт, способствующий очистке масла от фосфатидов, а в качестве нейтрализующего агента, связывающего свободные жирные кислоты, используют щелочной раствор. Перемешивание смеси осуществляют перекачиванием ее из емкости в емкость с образованием встречных потоков и их взаимодействием. Флокулянтами в данном контексте называются растворимые в воде высокомолекулярные вещества, образующие с частицами коллоидов и суспензий и с макромолекулами других полимеров трехмерные структуры (агрегаты, хлопья, комплексы). В литературе /4/ чаще всего флокулянтами называют синтетические полиэлектролиты. Эти структуры при смешивании с обрабатываемым маслом вступают за счет своих функциональных групп во взаимодействие с примесями, например, с трудно отделяемыми фосфатидами, образуя достаточно крупные интегральные комплексы, нерастворимые ни в масле, ни в воде. Такие комплексы, в виде нерастворимых устойчивых хлопьев, легко поддаются сепарации от обрабатываемого продукта. Поскольку использование флокулянта не является новым решением (см. /4/), то сущность прототипа заключается в способе перемешивания смеси, который является достаточно оригинальным и эффективным. Общепринятая в настоящее время теория (см. /4/, стр. 6) свидетельствует, что эффективность флокуляции зависит в первую очередь именно от способа смешения компонентов (наряду с такими факторами, как концентрация и степень полимеризации полимера, значение pH среды и ионная сила раствора). Тем не менее, недостатком прототипа является как раз описанный способ смешивания, который предусматривает перекачивание смеси из емкости в емкость с образованием встречных потоков и их взаимодействием. Для реального производства реализация такого способа с помощью описанного устройства (включающего, по крайней мере, две реакционные емкости и сложную систему патрубков, в которых осуществляется взаимодействие встречных потоков реагентов) не всегда приемлема с точки зрения технической сложности, высокой стоимости и значительных габаритов.

Заявляемый способ направлен на решение вышеотмеченных недостатков, а именно, на снижение стоимости системы смешивания реагентов без снижения ее эффективности и на уменьшение габаритов установки очистки жиросодержащих субстанций (ратификация).

Способ заключается в том, что перемешивание реакционной смеси, содержащей три компонента: жиросодержащая субстанция (исходный продукт), водный раствор синтетического полиэлектролита (флокулянт, например, катионный полиэлектролит) и водный раствор щелочи (нейтрализующий агент, например, на основе калия или натрия), осуществляют без образования и взаимодействия встречных потоков.

Вместо этого все три компонента, растворенные в воде или смешанные с водой, закачивают под давлением (1,5-3,0 атм) в камеру-турбулизатор через систему эжекторов, и в этой камере с помощью диффузоров, диффузорных решеток и иных турбулизаторов потока переводят все компоненты в дисперсную фазу и создают условия для эффективного перемешивания дисперсных частиц исходного продукта, флокулянта и щелочи. При этом при оптимальной концентрации полимера в дисперсной фазе происходит не только адсорбция макромолекул на поверхности частиц дисперсной фазы, но и образуются полимерные мостики между частицами, обеспечивающие максимальный флокулирующий эффект. Такие мостики согласно теоретическим выкладкам (см. /4/, стр. 6), образуются в условиях покрытия полимером 50% от предельно возможной для покрытия поверхности частицы. Для повышения вероятности поверхностного взаимодействия должны соблюдаться два основных условия:

1) оптимальное соотношение компонентов: флокулянта, исходного продукта и щелочи;

2) возможность достаточно продолжительного контакта в системе "коллоидная дисперсия - флокулянт".

Первое условие выполняется за счет подачи всех компонентов через насосы-дозаторы, при этом необходимая концентрация подбирается опытным путем в зависимости от характеристик обрабатываемого исходного продукта.

Второе условие выполняется за счет пропускания всех трех компонентов через камеру-турбулизатор, обеспечивающую не только преобразование потоков жидкостей в дисперсное облако, состоящее из взвешенных в воздухе частиц, но и создающих завихрения, способствующие хаотичному движению и поверхностному взаимодействию дисперсных частиц.

Для более длительного сохранения такой дисперсной фазы смеси компонентов за выходным отверстием камеры-турбулизатора создают область пониженного давления (например, с помощью вакуумного насоса), в которую и перемещается дисперсное облако за счет перепада давлений. Следует отметить, что откачка с помощью вакуумного насоса части воздуха из резервуара позволяет достигнуть еще одной важной цели, а именно, уменьшить воздействие на образовавшуюся смесь кислорода, добиваясь таким образом нужного перекисного числа в конечном продукте (например, в пищевом растительном масле).

Для замедления процесса достижения дисперсным облаком зоны отстоя и дополнительного перемешивания дисперсных частиц между камерой-турбулизатором и отстойной зоной установлена мелкоячеистая решетка (ячейки размером 0,1 - 0,9 см) из химически стойкого и, преимущественно, электропроводного материала (например, из нержавеющей стали).

Поступившая из камеры-турбулизатора смесь под действием силы тяжести опускается, минуя решетку, в зону отстоя (отстойник), где смесь переходит из распыленного (дисперсного) состояния в жидкую фазу, в которой макрокомплексы-хлопья, связавшие примеси (например, фосфатиды), оседают, будучи тяжелее масла, на дно вместе с соапстоком (мылом), образовавшимся за счет реакции щелочи и свободных жирных кислот, т.е. происходит расслоение смеси.

По завершении процесса отстоя верхний слой, т.е. очищенное масло, сливают в тару для реализации, а слой, содержащий осадок, направляют для дальнейшей сепарации.

Устройство для реализации описанного способа состоит из одной емкости (вертикально стоящего резервуара), в верхней части которого располагается камера турбулизатора, снабженная системой диспергирования поступающих в него компонентов, например, с помощью диффузоров, диффузорных решеток, высокоскоростных турбин и т.п. Компоненты - исходный продукт, флокулянт и нейтрализующий агент (каждый в виде водного раствора или смеси с водой) - подают в камеру-турбулизатор под давлением с помощью насосов-дозаторов, соединенных с камерой-турбулизатором патрубками, оканчивающимися эжекторами. Сочетание эжекторов и диффузоров, число и конструкция которых может изменяться в зависимости от характеристик обрабатываемого исходного продукта, обеспечивает наиболее оптимальную степень дисперсии для процесса флокуляции с образованием полимерных мостиков между частицами. При этом насосы-дозаторы позволяют регулировать концентрацию каждого из компонентов, подаваемых в камеру-турбулизатор.

Камера-турбулизатор соединена выходным отверстием с зоной пониженного давления, имеющей снабженный вентилем патрубок, сообщающийся с вакуумным насосом, и второй, снабженный вентилем патрубок, сообщающийся с атмосферой. В процессе поступления в резервуар смеси компонентов вакуумный насос создает в зоне, смежной с камерой-турбулизатором, область пониженного давления, за счет чего сформировавшееся в камере-турбулизаторе дисперсионное облако поступает в зону пониженного давления, не переходя в жидкую фазу. Чем дольше сохраняется "стадия дисперсного облака", тем больше частиц обрабатываемого исходного продукта смогут вступить в поверхностное взаимодействие с полимером-флокулянтом. Именно поэтому нежелательно выносить камеру-турбулизатор в отдельный блок, соединенный патрубками с резервуаром, т.к. в патрубке дисперсное облако преждевременно прекратит свое существование. Усилить взаимное перемещение частиц в дисперсном облаке, повысив, таким образом, вероятность их столкновений, можно также за счет использования их электрических свойств. Поскольку практически все частицы имеют заряд той или иной полярности, то, подав на решетку, сквозь которую дисперсное облако опускается в зону отстоя, электрический ток переменной полярности, можно заставить частицы периодически менять направление своего движения в электрическом поле.

Использование заявленного устройства позволяет ускорить процесс реакции смеси по сравнению с прототипом не менее чем на 20-30%, одновременно значительно уменьшить габариты установки той же производительности.

На фиг. 1 представлена схема установки по очистке жиросодержащих субстанций, реализованная в прототипе, где

1 и 2 - реакционные емкости,

3 - трубопровод,

4 - входной патрубок,

5 - выходной патрубок,

6 - трубопровод,

7 - патрубки,

8 - емкость для нейтрализующего агента,

9 - 24 - вентильно-запорная система,

25 - 26 - патрубки,

27 - мерное стекло,

28 - пробоотборник,

29 - фонарь.

На фиг. 2 представлена схема установки по очистке жиросодержащих субстанций на основе заявляемого способа, где

1 - резервуар,

2 - камера-турбулизатор,

3 - диффузоры и диффузорные решетки,

4 - турбина (турбины),

5 - эжекторы,

6 - выходное отверстие камеры-турбулизатора,

7 - насосы-дозаторы,

8 - вакуумный насос,

9 - патрубок с вентилем,

10 - атмосферный клапан,

11 - зона пониженного давления,

12 - выпускные вентили рафинированного конечного продукта,

13 - выпускные вентили отстойной смеси,

14 - решетка.

Для реализации заявленного способа было изготовлено устройство, изображенное на фиг. 2. Основным элементом устройства является цилиндрический вертикально стоящий резервуар 1, в верхней части которого смонтирована камера-турбулизатор, 2, в которой размещены диффузорные решетки 3 и турбина 4, к камере-турбулизатору с внешней стороны подходят три патрубка, снабженные с внутренней стороны камеры-турбулизатора эжекторами 5, вне резервуара патрубки соединены с насосами-дозаторами 7, подающими в камеру жидкие рабочие компоненты (масло, щелочь, флокулянт). Камера-турбулизатор 2 сообщается с зоной пониженного давления 11 через выходное отверстие 6, при этом между зоной пониженного давления 11 и зоной отстоя в резервуаре 1 размещена решетка 14, выполненная из нержавеющей стали и подсоединенная к источнику знакопеременного тока (на фиг. 2 источник не показан). Такое размещение элементов устройства является наиболее компактным и технологичным, однако возможно также выполнение камеры-турбулизатора 2 в виде отдельного блока, соединяющегося с резервуаром 1 с помощью короткого, широкого патрубка. Часть (верхняя) резервуара 1, образующая зону пониженного давления 11 и прилегающая к камере-турбулизатору 2, снабжена двумя патрубками 9 и 10, один из которых (9) соединен с вакуумным насосом 8, а второй (10) - с атмосферой, при этом патрубки могут перекрываться вентилями для поддержания требуемого давления в зоне пониженного давления 11 и в резервуаре 1.

С помощью вакуумного насоса 8 в резервуаре 1 понижают давление на 0,5-1,5 атм, после чего перекрывают патрубок 9.

Компоненты - исходный продукт, флокулянт и нейтрализующий агент - подаются через насосы-дозаторы 7 в количествах, определяемых рецептурой (в зависимости от характеристик исходного продукта). Насосы создают избыточное давление компонентов, потоки которых, проходя через эжекторы 5, разбиваются на капли, измельчающиеся далее в диффузорных решетках 3 и, частично, на турбине 4. Образовавшееся дисперсное облако, состоящее из частиц реагентов и перемешиваемое за счет турбулентных завихрений, вызванных вращением турбины 4, перетекает через отверстие 6 за счет разницы давлений в зону пониженного давления 11, при этом атмосферный вентиль 10 и вентиль 9 вакуумного насоса 8 перекрыты, что позволяет поддерживать заранее пониженное давление в зоне 11 и находящейся под зоной 11 части резервуара 1. Далее под действием силы тяжести дисперсное облако оседает через решетку 14 в нижнюю часть резервуара 1 (отстойник). После закачки через камеру-турбулизатор 2 полной порции компонентов (порция определяется вместимостью резервуара 1 ниже решетки) открывают атмосферный клапан 10, что позволяет уравнять давление в резервуаре 1 с атмосферным и избежать в дальнейшем вспенивания масла и отстоя при их перекачке в сепараторы.

Отстой смеси, откачка масла через заборные вентили 12 и слив фосфатидов и соапстока через вентиль 13 осуществляются, как в прототипе /5/.

Для повышения удобства в обслуживании элементов камеры-турбулизатора 2 диффузорные решетки 3 и турбина (набор турбин) 4 выполнены в виде съемных кассет, вставляемых в соответствующие пазы крышки камеры-турбулизатора 2, что позволяет их периодически извлекать для промывки или замены засорившихся решеток 3, а также для изменения конфигурации решеток 3 и турбин 4.

Температурные режимы в процессе перемешивания смеси и отстоя выбирались в диапазоне от 40 до 98 градусов Цельсия (нагревательные элементы на фиг. 2 не показаны). При всех режимах отмечалось ускоренное образование нерастворимых хлопьев (агрегатов и комплексов) и сокращался цикл очистки жидких масел по сравнению с прототипом на 20-30%.

Примеры практической реализации заявленного способа и устройства.

Пример 1. В качестве исходного продукта было использовано прессовое кукурузное масло (5 т), смешанное с водой в пропорции 11:1. В качестве флокулянта был использован отечественный синтетический катионный полиэлектролит на основе полидиаллиламиноэтилакрилата (ПДААЭМА) в форме водного 30% раствора в концентрации 80 мг на литр исходного продукта. В качестве нейтрализующего агента использовался 50% водный щелочной раствор в количестве 35 л. Емкость зоны отстоя в резервуаре (зона, ограниченная сверху решеткой) составляла 6 т. Время закачки и смешивания составило 75 мин, время отстоя при 70^oC - 120 мин. Рафинированное кукурузное масло соответствовало требованиям действующего ГОСТ на этот вид продукции.

Пример 2. В качестве исходного продукта был использован растопленный животный (свиной) жир (1 т), смешанный с водой при температуре 98-99^oC в пропорции 8:1. В качестве флокулянта был использован отечественный синтетический катионный полиэлектролит на основе полидиметилдиаллиламмонийхлорида (ПДМДААХ) в форме подогретого до 80^oC водного 30% раствора в концентрации 90 мг на литр исходного продукта. В качестве нейтрализующего агента использовался 50% водный щелочной раствор, подогретый до 80^oC, в количестве 10 л. Емкость зоны отстоя в резервуаре (зона, ограниченная сверху решеткой) составляла 2 т. Время закачки и смешивания составило 18 мин, время отстоя - 2 ч при температуре 80^oC. Очищенный от свободных жирных кислот и продуктов окисления пищевой жир соответствовал требованиям действующего ГОСТ на этот вид продукции.

Пример 3. В качестве исходного продукта было использовано предварительно отфильтрованное минеральное масло (отобранное моторное) в количестве 1 т, подогретое до 80^oC и разбавленное 15 л воды той же температуры. В качестве флокулянта был использован синтетический катионный полиэлектролит на основе полидиметилдиаллиламмонийхлорида (ПДМДААХ) в форме подогретого до 80^oC водного 30% раствора из расчета 100 мг на литр исходного продукта. В качестве нейтрализующего агента использовался 50% водный щелочной раствор, подогретый до 80^oC, в количестве 10 л. Емкость зоны отстоя в резервуаре (зона, ограниченная сверху решеткой) составляла 2 т. Время закачки и смешивания составило 20 мин, время отстоя - 80 мин при температуре 80^oC. Очищенное от продуктов окисления и других жирорастворимых примесей, образовавшихся в процессе эксплуатации, моторное масло после добавления соответствующих присадок было пригодно для повторного использования.