Установка для виробництва льодяних капсул, які наповнені газовими гідратами діоксиду вуглецю

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к установкам для производства ледяных капсул, наполненных газовыми гидратами, которые могут быть использованы, например, для охлаждения и газирования напитков. Известна установка для образования продуктового газированного льда, включающая герметизированный реактор, снабженный охлаждающей рубашкой и патрубками для ввода и вывода под давлением воды и гидратообразующего газа, а также пористый разбрызгиватель для ввода этого газа, расположенный в донной части реактора [Патент США № 4393660, кл. F 25 С 1/18, 19.07.83]. Недостатком известной установки является необходимость дробления газифицированного льда, требующее значительных механических усилий и приводящее к большим потерям гидратообразующего газа. Кроме этого, замораживание газгидратной суспензии в статическом состоянии является длительным процессом и занимает согласно описанию патента 3-4 часа, что ограничивает производительность и повышает энергозатраты. Наиболее близким к заявляемому те хническому решению, принятым в качестве прототипа, является установка для производства ледяных капсул, наполненных газовыми гидратами диоксида углерода, содержащая кристаллизатор, снабженный охлаждающей рубашкой и патрубками для ввода воды и газообразного диоксида углерода, а также соединенные с ним последовательно шнековую отжимную камеру, снабженную торцевой плитой с калибровочными отверстиями, отрезное приспособление и холодильную камеру, снабженную линией отвода газообразного диоксида углерода [Авт. св. СССР № 1458662, кл. F 25 D 3/00,15.02.89]. Недостатком известной установки является низкая объемная производительность кристаллизатора вследствие использования низкооборотной мешалки, установленной на одном валу со шнеком, а также сложность устройства отрезного приспособления поступательного действия, что приводит к повышенным энергозатратам и снижает надежность установки. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования установки для производства ледяных капсул, наполненных газовыми гидратами, в которой использованием вертикальной барботажной колонны в качестве кристаллизатора, а также отрезного приспособления, вращающегося на одном валу со шнеком, обеспечивается повышение объемной производительности и надежности установки и за счет этого снижается стоимость продукта. Поставленная задача решается тем, что в установке для производства ледяных капсул, наполненных газовыми гидратами диоксида углерода, содержащей кристаллизатор, снабженный охлаждающей рубашкой и патрубками для ввода воды и газообразного диоксида углерода, а также соединенные с ним последовательно шнековую отжимную камеру, снабженную торцевой плитой с калибровочными отверстиями, отрезное приспособление и холодильную камеру, снабженную линией отвода газообразного диоксида углерода, согласно изобретению, кристаллизатор выполнен из вертикальной барботажной колонны с коаксиально установленной в ней шнековой отжимной камерой, между которыми в нижней части кристаллизатора размещены сопловые насадки патрубков для тангенциального ввода газообразного диоксида углерода из испарителя, размещенного в охлаждающей рубашке кристаллизатора, причем выход газообразного диоксида углерода из кристаллизатора соединен с конденсатором, охлаждаемым холодильной установкой. При этом шнек в части, выступающей за пределы отжимной камеры, снабжен направляющими лопатками загнутыми вперед и имеющими наружный диаметр, соответствующий внутреннему диаметру кристаллизатора, а внутренняя поверхность отжимной камеры снабжена продольными ребрами. Кроме этого, калибровочные отверстия проходят через торцевую плиту в виде конфузоров, размещены по окружности, концентричной валу шнека, на котором в качестве отрезного приспособления установлен двухлопастный нож с режущими кромками притертыми относительно наружной поверхности торцевой плиты. При этом кристаллизатор снабжен по линии ввода исходной воды регулятором уровня, а по линии ввода исходного диоксида углерода регулятором давления. Кроме этого, линия отвода газообразного диоксида углерода из холодильной камеры соединена со всасом газового эжектора, у которого вход сопла соединен с источником диоксида углерода высокого давления, например баллоном, а выход диффузора соединен через регулятор давления с полостью конденсатора. Выполнение кристаллизатора из вертикальной обработанной колонны с тангенциальным вводом гидратообразующего газа позволяет повысить объемную производительность кристаллизатора за счет увеличения межфазной поверхности между гидратообразующим газом и водой, а также согласовать работу кристаллизатора и отжимной камеры за счет использования направляющих лопаток, загнутых вперед для перемещения гидратов из кристаллизатора в отжимную камеру. Размещение продольных ребер на внутренней поверхности отжимной камеры препятствует вращению гидратной массы, способствуя продвижению ее вдоль оси камеры к торцевой плите и отводу отжатой воды через кольцевой зазор вдоль внутренней поверхности отжимной камеры обратно в кристаллизатор. Размещение калибровочных отверстий в торцовой плите в виде конфузоров вдоль окружности вокруг вала шнека с установкой на этом валу обрезного приспособления в виде двухлопастного ножа упрощает конструкцию и повышает надежность установки. Установка на линии ввода исходной воды регулятора уровня, а на линии ввода исходного диоксида углерода регулятора давления стабилизирует условия работы кристаллизатора, повышая его надежность. Подключение линии отвода газообразного диоксида углерода из холодильной камеры к всасывающему штуцеру газового эжектора, у которого вход сопла соединен с источником высокого давления этого газа, а выход диффузора соединен через регулятор давления с конденсатором, позволяет отказаться от использования откачивающего компрессора, что дополнительно повышает надежность установки. На фиг. 1 представлена схема установки для производства ледяных капсул, наполненных газовыми гидратами; на фиг. 2 и 3 показаны поперечные сечения кристаллизатора А-А и В-В соответственно. Установка содержит кристаллизатор 1, выполненный из вертикальной барботажной колонны и снабженный охлаждающей рубашкой 2 и патрубками с сопловыми насадками 3 и 4 для тангенциального ввода в нижнюю часть кристаллизатора исходной воды и газообразного диоксида углерода из испарителя, размещенного в охлаждающей рубашке 2. В верхней части кристаллизатора установлен сепаратор влаги 5, обеспечивающий отделение капель воды от газообразного диоксида углерода, отводимого из кристаллизатора в полость конденсатора С, охлаждаемого холодильной установкой 7. Вдоль оси кристаллизатора и максимально его поверхности размещена цилиндрическая отжимная камера 8, у которой шнек 9 в части, выступающей за пределы отжимной камеры, снабжен направляющими лопатками 10, загнутыми вперед и имеющими наружный диаметр соответствующий внутреннему диаметру кристаллизатора, а внутренняя поверхность отжимной камеры 8 снабжена продольными ребрами 11 (Фиг. 2) Торцевая плита 12 отжимной камеры 8 снабжена калибровочными отверстиями 13, проходящими через эту плиту в виде конфузоров размещенных вдоль окружности, концентричной валу 14 шнека 9 (фиг. 3). На валу 14 с наружной стороны отжимной камеры установлено отрезное приспособление 15, выполненное в виде двухлопастного ножа, режущие кромки которого притерты относительно наружной поверхности торцевой плиты. В качестве привода вала 16 применяется электродвигатель 16, снабженный редуктором 17. Отжимная камера 8 через калибровочные отверстия 13 сообщается с холодильной камерой 18, снабженной линией отвода газообразного диоксида углерода через эжектор 19 и регулятор давления 20 в полость конденсатора 6. Холодильная камера снабжена съемным приемником 20 для приема и хранения ледяных капсул, наполненных газовыми гидратами. На линии ввода исходной воды от насоса 22 установлен регулятор уровня 23, поддерживающий оптимальное давление в кристаллизаторе 1 в соответствии с фазовой диаграммой Температура гидратообразования в кристаллизаторе 1 поддерживается оптимальной с помощью холодильной установки 7, конденсирующей теплоту гидратовбразования и теплопритоки из окружающей среды. Наружная поверхность кристаллизатора 1, охлаждающей рубашки 2, холодильной камеры 20, приемника 23 и трубопровода, подающего жидкий диоксид углерода из конденсатора 6 в испаритель охлаждающей рубашки 2 снабжена теплоизоляцией. Установка работает следующим образом. С помощью насоса 22 и регулятора уровня 23 в кристаллизаторе 1 поддерживают уровень воды несколько ниже входного сечения отжимной камеры 8 (на 1-2 мм), с тем, чтобы при запуске установку в отсутствие гидратов, вода не заливала отжимную камеру и соединенный с ней приемник 23. При этом, вводом диоксида углерода из баллона 24 через регулятор давления 20 в кристаллизаторе поддерживают давление гидратообразования, равное 15 бар. В условиях отвода теплоты гидратообразования при температуре +1°С с помощью холодильной установки 20 и при интенсивном барботажном перемешивании газгидратной суспензии в кристаллизаторе 1 образуются газовые гидраты диоксида углерода, которые под действием вращающихся по спирали вверх газовых пузырей концентрируются а верхней и центральной зоне кристаллизаторе на уровне входа в отжимную камеру 8. При этом направляющие лопатки 10, выполненные загнутыми вперед, перемещают вращающиеся навстречу газовые гидраты , на вход отжимной камеры 8, где они, попадая под действие шнека 7, перемещаются вниз и уплотняются с отводом воды по кольцевому зазору вдоль внутренней поверхности камеры обратно в кристаллизатор. Гидраты, отжатые от воды, поступают из отжимной камеры 8 в конфузорные калибровочные отверстия 13 торцевой плиты 12, откуда выходят в виде спрессованных пористых поршней, попадающих под лопасти отрезного приспособления 15. Образованные таким образом гид ратные заготовки направляются в холодильную камеру 18 и далее в приемник 23, где поддерживается давление порядка 1-1Л бар путем откачивания газа с помощью эжектора 19 в полость конденсатора 6. При таком давлении гидраты на поверхности пористого поршня оказываются в неравновесном состоянии и разлагаются с выделением газа и воды, что сопровождается поглощением тепла, вызывающим понижение температуры поверхности пористого поршня и ее обледенение. Процесс разложения поверхностного слоя газгидратов в результате адиабатного сброса давления согласно принципу Ле-Шателье направлен в сторону достижения равновесного состояния, что в соответствии с фазовой диаграммой приводит к понижению температуры поверхности при давлении 1-11 бар до-40...-50°С. По мере промерзания поверхности поршня на глубину примерно 1 мм, соответствующую герметичному перекрытию водяных пор поршня ледяной оболочкой и формированию капсулы, большая часть гидратов остается внутри капсулы без разложения. Количество газовых гидратов внутри капсулы может регулироваться изменением диаметра и длины капсулы, например путем смены торцевой плиты, снабженной калибровочными отверстиями заданной геометрии. Полученные ледяные капсулы с газовыми гидратами диоксида углерода можно хранить при атмосферном давлении и температуре 0°С. Ледяные капсулы с дозированным количеством газовых гидратов можно вводить в напиток при атмосферном давлении непосредственно перед укупоркой бутылок или в условиях розлива перед употреблением. По сравнению с прототипом предлагаемая установка по производству ледяных капсул, наполненных газовыми гидратами диоксида углерода, повышает производительность и надежность за счет интенсификации тепломассообмена при образовании газовых гидратов использованием барвотажного кристаллизатора, снабженного патрубками с сопловыми насадками для тангенциального ввода исходных компонентов: воды и газообразного диоксида углерода. Усовершенствование конструкции отрезного приспособления за счет выполнения калибровочных отверстий в виде конфузоров в торцевой плите и размещение их вдоль окружности концентричной валу шнека с установкой на этом валу двухлопастного ножа с режущими кромками, притертыми относительно наружной поверхности торцевой плиты, повышает дополнительно производительность установки и ее надежность.