УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЭКСТРАКЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ ФЛЮИДОВ

Полезная модель относится к области тепло- массообмена, конкретно к экстракционным процессам с использованием сверхкритических флюидов (СКФ).
Известна установка для исследования растворимости веществ в СКФ, разработанная в Institute of Polymer Science and Engineering, Zhejiang University, China (Chunyue Jiang, Qinmin Pan, Zuren Pan Solubility behavior of solids and liquids in compressed gases Journal of Supercritical Fluids 12, 1998, p. 1-9). Недостатком известной установки является невозможность использования сорастворителя в процессе экстракции и ступенчатого снижения давления для разделения экстракта на фракции, а также отсутствие предварительного нагрева СКФ перед подачей в экстракционную ячейку.
2
Наиболее близким к заявленному техническому решению является установка для исследования экстракционных процессов с использованием растворителей в сверхкритическом состоянии (см. патент РФ №133012 опубл. 10.10.2013 г, Бюлт. №28). На фиг. 2 представлена схема установки, содержащая баллон со сжатым газом (СО) (1), холодильник (2), плунжерный насос высокого давления (3), холодильный агрегат (4), емкость для сорастворителя (5), плунжерный насос высокого давления (6), трехходовой вентиль (7), экстракционную ячейку (8), теплообменник (9), электронный измеритель-регулятор 2ТРМ1 (10), сборники экстракта (11а, 11б), термостатическую ванну (12), дроссельные вентили (13). Недостатками данного технического решения являются:
- невозможность поддержания необходимого постоянного давления в первом сборнике экстракта, что не позволяет фракционировать определенные компоненты смеси;
- отсутствие возможности поддержания и контроля точного расхода СКФ, проходящего через исследуемый образец, что не позволяет проводить более качественную экстракцию. Как известно, именно определенный расход СКФ, обеспечивает необходимую степень насыщения сверхкритического растворителя в исследуемом образце.
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является совершенствование устройства для осуществления экстракционных процессов с использованием сверхкритических флюидов, что достигается путем контроля и регулирования расхода СКФ, а также возможность поддержания постоянного давления в первом сборнике экстракта для фракционирования определенных компонентов смеси.
2
Данная задача решается за счет того, что заявленное устройство для осуществления экстракционных процессов с использованием сверхкритических флюидов, содержащее баллон со сжатым газом, холодильник, два плунжерных насоса высокого давления, теплообменник, внутри которого установлена экстракционная ячейка, два сборника экстракта, систему контроля и измерения (КИП), где один плунжерный насос высокого давления всасывающим патрубком соединен с баллоном со сжатым газом (CO) через холодильник, обеспечивающий ожижение газа, а нагнетательным патрубком через трехходовой вентиль с общей магистралью, другой плунжерный насос высокого давления соединен с емкостью для подачи сорастворителя через трехходовой вентиль в общую магистраль, теплообменник, имеющий нагреватель и трубопровод для предварительного нагрева и подачи сверхкритического флюида (СКФ) из общей магистрали в экстракционную ячейку, отличающееся тем, что устройство снабжено редукционным клапаном, клапаном высокого давления, счетчиком газа, при этом экстракционная ячейка соединена с первым сборником экстракта через клапан высокого давления и через редукционный клапан соединена со вторым сборником экстракта, на выходе из которого установлен счетчик газа. Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является достижение более точного расхода СКФ благодаря установке клапана высокого давления, а также прибора учета расхода газа, приводящего объем нагретого газа к объему газа в нормальных условиях, и редукционного клапана, позволяющего поддерживать необходимое постоянное давление в первом сборнике экстракта для фракционирования определенного компонента смеси.
Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 1), где схематически изображен общий вид описываемого устройства.
2
Устройство содержит плунжерный насос высокого давления 3, в который поступает сжатый газ (CO) из баллона 1 через холодильник 2.
Плунжерный насос высокого давления 3 марки «Waters Р50А» обеспечивает фиксированную подачу растворителя под давлением до 60 МПа. Для нормальной работы насоса необходимо обеспечить подачу жидкого диоксида углерода на контуре всасывания.
Сжижение газа происходит в холодильнике 2 и непосредственно в насосе и обеспечивается циркуляцией хладагента в рубашке охлаждения насоса и межтрубном пространстве холодильника. Температура, до которой холодильный агрегат 4 охлаждает хладагент (-15°С), контролируется с помощью хромель-копелевой термопары, установленной в холодильнике.
2
Подача сорастворителя из емкости 5 осуществляется плунжерным насосом высокого давления 6 марки «LIQUPUMP 312/1» через трехходовой вентиль 7 в общую магистраль. Насос 6 позволяет регулировать подачу сорастворителя в диапазоне 0,01-9,99 мл/мин, тем самым устанавливая необходимую концентрацию (2-10%) сорастворителя в сверхкритическом CO.
2
Для предотвращения возврата CO и сорастворителя обратно в насосы используются обратные клапаны.
Экстракционная ячейка 8 представляет собой сосуд высокого давления, разделенный на две части. В одной части осуществляется экстракция твердых веществ, в другой части - экстракция жидких веществ. Ячейка медную трубу, на которую по спирали в специальные пазы уложен нагревательный кабель и трубопровод, где происходит предварительный нагрев подаваемого для экстракции растворителя. Такая конструкция обеспечивает максимальное снижение температурных градиентов внутри ячейки за счет равномерного нагрева самой ячейки и предварительного подогрева подаваемого растворителя. Ячейка снабжена двумя датчиками температуры, один из которых расположен непосредственно на корпусе ячейки, другой - на теплообменнике. Сигналы от датчиков подаются на электронный измеритель-регулятор 10 марки 2ТРМ1, поддерживающий температуру с точностью ±5°C. Поверхность теплообменника покрыта теплоизоляцией.
Сборники экстракта 11а, 11б, внутри которых расположены сменные гильзы для экстракта, размещены в термостатической ванне 12.
Поршневой редукционный клапан 14, выполняющий функцию рестриктора, поддерживает необходимое постоянное давление в первом сборнике экстракта, что позволяет фракционировать определенные компоненты смеси. Редукционный клапан марки PRV 41SS прямого действия, мембранный, с пружинным задатчиком, со сбалансированным по давлению плунжером.
Дроссельный вентиль 13, представляющий собой игольчатый клапан высокого давления марки HIP 60-11HF2-V предназначен для обеспечения точного регулирования расхода СКФ при давлении до 4140 бар и температуре до 232°C. Клапан имеет бесповоротный шток, что увеличивает срок службы наконечника и седла клапана.
Счетчик газа 15 марки СГБМ-1.6 с температурной коррекцией, класса точности 1.5, имеет жидкокристаллический индикатор для указания измеренного объема в кубических метрах и долях кубического метра, а также приводит измеренный объем газа к нормальным условиям. Счетчик газа позволяет контролировать расход СКФ, прошедшего через исследуемый образец.
Устройство работает следующим образом.
Подготовительные работы включают:
- экстракционная ячейка 8 заполняется исследуемым веществом и герметизируется;
- включается регулятор температуры 10. По электронному преобразователю сигнала датчика температуры контролируется достижение заданной температуры в экстракционной ячейке;
- включается холодильный агрегат 4, начинается подача хладагента в холодильник и рубашки охлаждения насосов;
- сборники экстракта 11а и 11б помещаются в термостатическую ванну, где поддерживается необходимая температура.
2
После подготовительных работ открывается запорная арматура на линии всасывания и нагнетания насоса 3 и начинается подача растворителя (CO). При необходимости включается насос 6 для подачи сорастворителя. Смесь диоксида углерода и сорастворителя из насосов проходит по трубопроводу через теплообменник, где нагревается до температуры выше критической. После этого модифицированный сверхкритический флюид поступает в установленную внутри теплообменника экстракционную ячейку, в которую загружено определенное количество исследуемого вещества. Температура экстракционной ячейки поддерживается с помощью электронного измерителя-регулятора, а необходимый расход СКФ, проходящего через исследуемое вещество, регулируется дроссельным вентилем 13 с помощью счетчика газа 15.
а
а
крит
а
б
а
Из экстракционной ячейки модифицированный СКФ, с растворенными в нем веществами, поступает в клапан высокого давления, где происходит падение давления, и растворенные в СКФ вещества осаждаются в сборнике экстракта. При исследовании смесей используются несколько сборников экстракта. В сборнике 11а давление Р, понижается до давления Р<Р, Р поддерживается с помощью редукционного клапана 14, а в сборнике 11б до давления Р<Р. При этом в сборнике 11а выпадают в осадок преимущественно те компоненты смеси, растворимость которых для данного давления самая низкая, в сборнике 11б остальные компоненты. Таким образом, за счет ступенчатого снижения давления достигается разделение экстракта на фракции. Взвешивание исследуемого вещества до и после эксперимента позволяет определить изменение его массы и количество экстрагированных веществ.
На следующих примерах описаны пути достижения технического результата устройством:
Пример 1. Исследование растворимости вещества в не модифицированном растворителе. Исследуемое вещество помещается в ячейку 8, ячейка герметизируется, после чего включается обогрев ячейки. Включается холодильный агрегат 4. Рабочая полость насоса 3 через холодильник 2 заполняется растворителем из баллона 1. Включается насос 3 и растворитель под давлением, превышаемым критическое, подается в ячейку 8, при этом растворитель перед подачей в ячейку нагревается до температуры, превышающей критическую. За счет предварительного нагрева растворителя процесс растворения начинается непосредственно после контакта растворителя с исследуемым веществом. Необходимый расход растворителя, проходящего через исследуемое вещество, регулируется дроссельным вентилем 13 с помощью счетчика газа 15. В ячейке 8 исследуемое вещество растворяется в растворителе и выводится в сборник экстракта 11а, через дроссельный вентиль 13. При этом происходит падение давления до значения ниже критического, растворяющая способность растворителя снижается и растворенное вещество выпадает в осадок, растворитель переходит в газовую фазу и выводится из сборника экстракта через счетчик газа.
Пример 2. Исследование растворимости смеси из двух и более веществ в не модифицированном растворителе и разделение экстракта на составляющие, отличается от примера 1 тем, что в ячейку 8 загружается исследуемая смесь. При этом используются клапан дроссельный вентиль 13 и редукционный клапан 14, а так же два сборника экстракта 11а и 11б. При этом снижение давления до значения ниже критического происходит после редукционного клапана. Давление после дроссельного вентиля поддерживается редукционным клапаном ниже значения в ячейке 8, но выше критического значения. В сборнике экстракта 11а выпадает часть компонентов экстракта, относительная летучесть которых ниже, чем летучесть растворителя при данных параметрах, в сборнике экстракта 11б выпадает в осадок оставшаяся часть компонентов экстракта. Количество и состав компонентов экстракта изменяется в зависимости от параметров растворителя (давление, температура и расход).
Пример 3. Исследование растворимости вещества в растворителе, модифицированном сорастворителем. Отличается от примера 1 тем, что в растворитель добавляется сорастворитель, подаваемый от насоса 6 через трехходовой вентиль 7. В сборнике экстракта 11а выпадает в осадок экстракт исследуемого вещества и сорастворитель. Применение сорастворителя целесообразно при применении неполярного растворителя для экстракции полярных соединений или для увеличения растворяющей способности исходного растворителя.
Пример 4. Исследование растворимости смеси из двух и более веществ в растворителе модифицированном сорастворителем и разделение экстракта на составляющие. Отличается от примеров 1 и 3 тем, что в растворитель добавляется сорастворитель, подаваемый от насоса 6 через трехходовой вентиль 7. Во время исследования используются дроссельный вентиль 13 и редукционный клапан 14, а так же два сборника экстракта 11а и 11б. При этом снижение давления до значения ниже критического происходит после редукционного клапана. Давление после дроссельного вентиля поддерживается редукционным клапаном ниже значения в ячейке 8, но выше критического значения. В сборнике экстракта 11а выпадает часть компонентов экстракта и сорастворителя, относительная летучесть которых ниже, чем летучесть растворителя при данных параметрах, а в сборнике компонентов экстракта и сорастворителя, относительная летучесть которых ниже, чем летучесть растворителя при данных параметрах, а в сборнике экстракта 11б выпадает в осадок оставшаяся часть компонентов экстракта и сорастворителя. Количество и состав компонентов экстракта изменяется в зависимости от параметров растворителя (давление, температура и расход).
Резюмируя можно сказать, что данное устройство отличается от прототипа расширением возможностей осуществления экстракционных процессов с использованием сверхкритических флюидов благодаря достижению более точного расхода СКФ и поддержания необходимого постоянного давления для фракционирования определенного компонента смеси в первом сборнике экстракта.
Технический результат, описанный в примерах 1-4, является ограниченно достижимым при использовании прототипа.