基本信息
- 项目名称：
- 智能连续脂肪提取器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本设计在选择好对应物料的溶剂后，设定蒸馏温度以及选择初步分离方式。设备按照设定运转。溶剂加热后以蒸汽形式逆流进入提取塔对物料进行提取。之后液化。根据之前选择的初步分离管线，进入分离灌进行降温结晶或者回到加热蒸馏装置进行浓缩分离。
- 详细介绍：
- 1 工作原理 本自动化多用途脂肪提取设备主要有溶剂预备系统、恒温连续提取系统、有效成分分离系统、控制系统以及辅助系统组成。该机与同类萃取设备设计相比具有以下亮点： ①溶剂精馏部分。将蒸发罐中溶液蒸发进入精馏塔，去除溶剂蒸汽中杂质后进入提取系统，保证了溶剂进行提取的热量和提取浓度差，设备启动后更快进入正常工作状态。 ②恒温连续提取部分。此部分为高长径比上开口塔形外观，逆流的溶剂蒸汽包含的热量和气相变液相放出的热量可保证无需再加热保障提取温度及溶剂物料始终处于最高提取温度，同时又避免了局部过热、结焦的问题。溶剂蒸汽微压推动系统中液体自发流动，进行循环。被提取物料装填于内衬筒中整体进出提取塔，方便装卸料。 ③通过巧妙设计，实现固-液和液-液两种萃取的初步分离模式多用途兼容。溶剂从提取塔流出后可选择固-液冷却滞留结晶过滤法和液-液蒸馏浓缩法分离溶剂溶质。两种选择都通过回收结晶罐和现有的线路进行，合理整合了设备节约了制造成本。 本设备工作流程如下：将被提取物料装入内衬筒，内衬筒整体装填进入提取塔。在用户正确选择提取所需溶剂种类后，根据工艺要求将该种溶剂（如甲醇、乙醇等一般为物料量的5-10倍）加入蒸发罐内。开启设备，通过系统面板设置好关键部分所需的温度参数等。蒸发罐中溶剂被快速加热至微沸稳定蒸发状态，开始向提取塔稳定提供逆流溶剂蒸汽。溶剂蒸汽不断提供给被提取物料保持提取温度的热量，固-液提取先通入冷却设备换热，之后进入结晶罐滞留结晶；液-液提取则直接回流溶剂溶质进入蒸发罐，提取最终完成后切断提取部分管线，直接蒸馏溶剂，溶剂回收至结晶罐。 2 溶剂预备系统 创新设计了一套设备兼容液-液、固-液两种模式，集约使用加热、冷却罐体和线路的方案，极大地拓宽了设备适用范围的同时使设备集约化，操作更加方便、降低了成本。 2.1 溶剂预热 蒸发罐的加热采用成熟的传统内置电加热棒，工艺目的是满足各种沸点的溶剂加热需求，使系统快速进入稳定的微沸状态并保持，也可以根据需求调节。蒸发罐上部为防止雾沫夹带设置有钢丝网，有效溶剂为体积的70%。蒸发罐溶液的加热气化提供给管线内部微小压力，带动了设备内部整体的气液两相自发重力流动。 2.2 溶剂精馏 蒸发罐上部连接精馏塔，分离杂质与溶剂蒸汽，精馏塔内液相部分回流减少杂质蒸汽。蒸发罐通过精馏塔向提取部分提供逆流溶剂蒸汽。 2.3 溶剂回收 液-液选择蒸馏分离模式线路，切断提取塔与结晶罐高位出口线路，打开精馏塔溶剂蒸汽直通冷却器线路阀门，溶剂蒸汽通过冷却器直接液化与溶质分离进入结晶罐内。 3 恒温连续提取系统 本设计的核心部分，蒸汽逆流进入的提取塔实际上相当于流化床提取，提取程度即对物料的利用程度几乎可以接近极限，装填率为50%-60%,相对提高了提取速度，变相地节约了各种成本支出。 3.1 塔效 即塔体设计对提取效果的影响。可分目的溶质为固、液两种相态进行讨论，本设计针对两种提取模式做出了相应的优化设计。提高塔效首先是洗塔，检查是否塔内有堵塞，其次是检查液体分布情况，然后可考虑重装填料，改变填料颗粒，增加塔板数量应该是最后考虑的。 1)固-液萃取的基本过程是:在浓度差的推动下，固体内的溶质向固体表面扩散在界面上进入液体，然后再向溶剂本体扩散至浓度平衡。 因此在装料进入设备萃取前应经过浸润和破碎物料增大比表面积，帮助固体向界面扩散，在提取时更易进入溶剂。在提取时搅拌物料和提高温度也有同样的效果，但考虑到本设计高长径比塔体加入搅拌设计的难度、搅拌动力消耗大并会使物料颗粒过度破碎导致物料粘结阻碍气、液相溶剂流动等因素，设计中并未加入搅拌设备。逆流蒸汽本身就处于溶剂沸点温度，气相凝结为液相时的放热也会加热物料。本设计持续的新鲜溶剂蒸汽不断逆流进入专门设计的蒸笼式多层隔板内衬筒向塔底液化流出，在保持温度的同时向下带走扩散进入溶剂的溶质保持提取浓度差，降低固体溶质返混。 所以本设计中除选择性、扩散系数等无法改变的溶剂溶质固有性质和用户选择的物料颗粒大小、浸润时间等处理之外，以持续的新鲜溶剂提取最大化了提取时间、级数和溶剂数量，以逆流溶剂蒸汽形式最大化了提取温度降低了返混量，几本可以达到最佳的固-液提取条件。 2)液-液萃取的应用中，单级萃取对给定组分的萃取效率往往很低不能满足工艺要求。工业上一般采用多级错流萃取，料液和各级萃余液都与新鲜的萃取剂接触,可达较高萃取率。但萃取剂用量大，萃取液平均浓度低。鉴于这种方法溶剂消耗过大不适于中小产能的生产、试验需求，所以采取循环蒸馏溶剂的方式以避免使用溶剂的成本过高。同时轴向混合作为重要的液-液萃取影响因素，本设计以合理加大提取塔长径比的方式，减少轴向混合对萃取效率的不利影响。 3.2 附壁效应 所谓附壁效应是当流体（水流或气流）离开本来的流动方向，改为随着凸出的物体流动的倾向。流体与它流过的物体表面之间存在面摩擦，这时流体的流速会减慢。只要物体表面的曲率不是太大，依据流体力学中的伯努利原理，流速的减缓会导致流体被吸附在物体表面上流动。 因萃取过程需要本设计中提取塔外形采用上开口高长径比设计，为了应对所产生的附壁效应和装卸料不便，特别设计了蒸笼式多层筛板内衬装料筒。溶剂向下流动每到一层筛板就被强制从筛孔中流过离开塔壁回到物料中。与塔壁接触的多层筛板同时还会帮助物料散发热量降低温度，有助于纯净的溶剂蒸汽在物料颗粒上液化提取溶质后流走。在重力和蒸汽微压的帮助下，气、液以及临界相的溶剂不断向下冲刷，使得纯净溶剂蒸汽充满整个提取塔。在几种相关现象的相互正面促进作用中，附壁效应被大大降低，避免了普通萃取罐淋洗塔看似流动实际则“一潭死水”的现象，保证了溶剂有效进行提取。 4 有效成分分离系统 有效成分分离部分是特别为系统兼容液-液、液-固两种提取模式，作为可供选择的初步分离和溶剂回收手段而加入的。体现了节约溶剂、方便后续分离的人性化、完整化的设备设计思路。而集约的设备线路设计在完善设备功能的同时最大地节约了成本、抑制了因设备功能增加而引起的设备体积、成本膨胀。 4.1 精密控制结晶 固体溶质分离：固体溶质随溶剂流出提取塔后，若要进行结晶分离，接通结晶分离所需线路、打开或关闭相应各控制阀门即可。通过智能控制冷凝器中冷媒流量对提取后的流出溶剂进行精确冷却，使溶剂在结晶罐中处于最佳结晶温度滞留过滤，并通过优化流入流出结晶罐的方式使溶剂在结晶罐中自搅拌流动提高结晶效果，还可同时选择向结晶罐内加入帮助结晶的试剂或物质等方式。使设备具有了边提取边结晶的功能，直接节省了萃取后再进行结晶的时间和固体溶质在蒸发罐中结晶后的清洗、排渣的后续操作。 4.2 精馏分离浓缩 液体溶质分离：对于因密度差小、结晶效果不佳或分界不明显等并不能通过油水分离器或结晶罐结晶等方式分离的溶质提取，可在直接富集溶质到蒸发罐中后，切断提取部分和结晶罐高位出口管线，变溶剂蒸发罐为溶质蒸馏浓缩罐，之后加热蒸发罐中混合的溶质溶剂，精确控制馏头温度加大蒸馏塔回流比精馏出溶剂蒸汽，变结晶冷却器为精馏冷凝器进行溶剂蒸汽的液化，变结晶罐为溶剂回收罐回收冷凝溶剂。，溶剂从蒸发罐精馏至结晶罐回收同时浓缩了溶质，实现了蒸发罐/浓缩罐、冷却器/冷凝器、结晶罐/溶剂回收罐以及管线设备的集约化、多用途化创新设计。 5 控制系统 数据采集：对各测量点的温度、液位、流速等参数进行自动采集，对阀门、加热器等运行状态进行采集。 自动控制：通过编程或人工的方式完成对数据的全自动或半自动处理，营造需要的提取环境条件，控制完成加热调节功率、流量和阀门开闭等动作。 自动报警：对设备内部产生的如液泛、溶剂短路、冷凝不足、局部温度过高等问题进行报警，同时由系统自动判断进行应急处置。 6 相关量分析 6.1 塔效分析 填料塔的分离效率以等板高度HETP表示。HETP是与一层理论板得传质作用相当的填料层高度。等板高度愈小，说明填料层的传质效率高，完成一定分离任务所需的填料层的总高度可降低。等板高度取决因素有：填料的类型与尺寸、系统的物性、操作条件及设备的尺寸。等板高度的计算，一般都由实验测定，或取设备的经验数据。 6.2 附壁效应 管壁效应与进料位置、流量、方式，管径，管道所选材料的导热系数等因素有关。可以通过材料溶剂互相之间的粘度、曲率数据根据伯努利方程测算对液体流速的影响效果。 7 其它辅助系统 高位储液罐：1，可预存一部分溶剂以防溶剂短路，溶剂短路时循环系统中自动补充溶剂。2，可选择预存调整PH的溶液在提取进行中定量调整PH环境。 油水分离器：可直接简便分离分界面清晰的溶剂溶质。 气液分离器：可解决雾沫夹带等问题。 清洗泵及清洗液槽：可使用对应的酸液、碱液、清水、热水等对设备内部进行清洗消毒，方便多用途应用中更换溶剂溶质，保养设备延长寿命、保证产品质量。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本设备基于智能化、成熟技术以及创新设计思路，运用索式原理，由溶剂预备系统、恒温连续提取系统、有效成分分离系统及控制系统组成，为解决市场多用途使用需求而设计，达到了求实创新的设计目的，设备性价比高，适用于西药、中药、保健品、酿酒、食品、食品添加剂及色素等行业。 设备中所包含的溶剂精馏部分、恒温连续提取部分及实现固-液和液-液初步分离部分是此设备的创新点所在。 本设备的技术关键：持续逆流萃取 主要技术指标：生产性； 提取塔溶剂：8L； 蒸发罐容积：10L 提取温度：＜220℃ 蒸发温度：＜230℃ 设计压力：常压
科学性、先进性
- 本次的创新设计，其科学先进性体现在合理创新地运用索式原理，结合了现有的成熟控温技术。虽采用溶剂萃取法，但和一般的溶剂萃取法又有区别。与工业生产中使用的中药提取罐[1]相比，本设备运用索式原理，使溶剂加热和物料萃取分别处于两个环节中，避免了在工业生产中出现物料在高温下烧焦及粘结等问题；与马祖达等创新设计的全自动锥形动态中药提取器[2]相比，本设备采用连续的流化床提取将固体物料始终维持在新鲜溶剂中浸渍提高了提取效率；与传统实验室提取设备相比，本设备具备了全新的自动控制系统[3]，精确控制有效成分的结晶分离温度。 主要参考文献： [1].胡雄峥.改进中药汁提取罐[J].设备管理与维修.2003.(10):39-40. [2].马祖达，沈永贤.全自动锥形动态中药提取设备的创新设计[J].医药工程设计.2011.32(1):37-42. [3].刘根强，刘翠萍. 中药提取自控系统[J].齐鲁药事.2006.25(12):761-763.
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 设计阶段
技术转让方式
- 成套设备引进和转让
作品可展示的形式
- 照片 录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：将被提取物料装入内衬筒，内衬筒整体装填进入提取塔。在用户正确选择提取所需溶剂种类后，根据工艺要求将该种溶剂（如甲醇、乙醇等一般为物料量的5-10倍）加入蒸发罐内。开启设备，通过系统面板设置好关键部分所需的温度参数等。蒸发罐中溶剂被快速加热至微沸稳定蒸发状态，开始向提取塔稳定提供逆流溶剂蒸汽。溶剂蒸汽不断提供给被提取物料保持提取温度的热量，固-液提取物先通入冷却设备换热，需结晶分离的可选择进入结晶罐滞留结晶；需液-液提取的则经结晶罐直接回流溶剂溶质进入蒸发罐，提取最终完成后切断提取部分管线，直接蒸馏溶剂，溶剂回收至结晶罐。 高效率、创新的外观设计结合现代自控技术使之有很大的推广空间。
同类课题研究水平概述
- 在我国，有很多关于实验室索氏提取器的改进装置，也有不少关于中药提取罐的改进装置，无论什么样的改进装置，节约能源，提高物料的萃取效率，以最小的付出，结合新技术，得到最大的收获，始终是进行创新改进的宗旨。就当前我国的中药提取罐改进这方面而言，能将索式原理运用于工业生产中还很少，虽实质都有采用溶剂法，但在溶剂循环利用方面、溶剂加热和物料萃取的异体环节，做的还比较弱。虽有自动控制环节，但是能用一套装置既实现固-液萃取分离又实现液-液萃取分离实属不多。基于这些着手点，创新设计了自动化多用途脂肪提取器。
