УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ БУТАНОЛА ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ

Полезная модель относится к биотехнологии и направлена, в частности, для выделения бутанола из разбавленных водных растворов и биотехнологических сред.
Традиционные технологии и устройства для выделения бутилового спирта из биотехнологической среды, состоящей в основном из воды сопряжены либо с большими затратами энергии, обусловленными высокой температурой кипения бутанола (118°C), (Сушкова В.И., Яроцкий С.В. Эффективность методов выделения продуктов ацетонобутиловой ферментации. Химия растительного сырья, 2011, №3, с. 5-14.), либо с необходимостью относительно частой замены или восстановления исходных свойств функциональных элементов: мембран или сорбентов, на которых осуществляется выделение бутанола (Шапошник В.А. Мембранная электрохимия. Соросовский Образовательный Журнал, 1999, №2, с.71-77). Из уровня техники известно устройство для выделения органических веществ с помощью первапорационного разделения жидких смесей по патенту РФ на изобретение (RU 2408416, МПК: B01D 61/00, опубл. 10.01.2011 Содержащее два контура, по которым циркулируют растворы органического вещества в воде разной температуры, которые отделены друг от друга двумя селективными по выделяемому органическому веществу мембранами из поли(1-триметилсилил-1-пропин) (ПТМСП), разделенными газовым зазором.
Основным недостатком известного устройства является необходимость замены или восстановления исходных свойств функциональных элементов - мембран.
Наиболее близко к предлагаемой полезной модели, относится устройство по патенту РФ на изобретение (RU 2376079, МПК: B05B 17/06, опубл. 20.12.2009), принятое нами за прототип и состоящее из рабочей емкости с постоянно поддерживаемым уровнем раствора и фокусирующим излучателем ультразвука, генерирующим аэрозоль из поверхностного слоя и обеспечивающее получение микронизированных частиц.
Недостатком прототипа является то, что в данном конструктивном исполнении устройство не пригодно для концентрирования растворов бутанола.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение эффективности метода выделения бутанола (бутилового спирта) из разбавленных водных растворов и упрощение конструкции.
Сущность полезной модели состоит в том, то устройство для выделения бутанола (бутилового спирта) из водных растворов содержит рабочую емкость, с постоянно поддерживаемым уровнем раствора, резервуар, подающий раствор в рабочую емкость, задатчик уровня концентрируемого раствора, ультразвуковой генератор, фокусирующий ультразвук на поверхностный слой раствора, патрубок для подачи воздуха, канал для прохода образовавшейся аэрозоля. Отличие, согласно полезной модели заключается в том, что устройство снабжено гидрозатвором, установленным за резервуаром с концентрируемым раствором и выполненным виде ловушки для аэрозоля с возможностью конденсации аэрозоля в раствор обогащенный бутанолом, при этом в верхней части гидрозатвора размещен патрубок для отвода воздуха, а в нижней части патрубок, снабженный краником для отвода получаемого раствора с более высокой, чем в исходной растворе, концентрацией бутанола.
Технический результат состоит в том, что устройство по предлагаемой полезной модели может использоваться как в лабораторной, так и в промышленной практике, для концентрирования разбавленных растворов бутилового спирта.
Принцип работы заявленной полезной модели основан на известном эффекте поверхностной сорбции.
Реализация процесса сепарирования на предложенном устройстве для выделения бутанола осуществляется посредством ультразвукового генератора, фокусирующего ультразвук на подповерхностный слой жидкости и приводящего к образованию аэрозоля из поверхностного слоя, обогащенного бутанолом. Аэрозоль перемещается по каналу в гидрозатвор, где конденсируется в раствор, с более высокой, чем в исходном растворе, концентрацией бутанола.
Кроме того, заложенный принцип и техническая реализация полезной модели по сравнению с аналогами обеспечивают:
- снижение энергопотребления, так как образование аэрозоля не сопровождается затратой энергии на разрыв практически всех межмолекулярных связей, а нагревание среды не требуется;
- исключение необходимости регенерации фильтров, сорбентов и других функциональных элементов.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых изображено:
на фиг. 1 - схема устройства;
на фиг. 2 - диаграмма проведенных экспериментов (зависимость коэффициента концентрирования бутанола от исходной концентрации раствора).
Предлагаемая полезная модель состоит из рабочей емкости 1 с раствором, подлежащим концентрированию, резервуара 2 связанного с рабочей емкостью 1 через задатчик уровня концентрируемого раствора 3 и постоянно подающим в рабочую емкость 1 концентрируемый раствор, подвергаемый у поверхности действию фокусирования ультразвукового генератора 4, патрубка 5 для подачи воздуха, патрубка 6 для отвода воздуха, канала 7, для перемещения образовавшегося аэрозоля в гидрозатвор 8, выполненный в виде ловушки для аэрозоля, установленный последовательно за резервуаром 2, где аэрозоль трансформируется (путем конденсации) в раствор, и патрубка 9 с краником - для удаления получаемого раствора из гидрозатвора. Устройство работает следующим образом:
Рабочая емкость 1 заполняется раствором, подлежащим концентрированию, постоянно поступающим из резервуара 2 и поддерживаемым на заданном уровне посредством задатчика уровня концентрируемого раствора 3. С помощью фокусирующего ультразвукового генератора 4 в рабочей емкости 1 из поверхностного слоя исходного раствора формируется обогащенный выделяемым веществом аэрозоль. По патрубку 5 в рабочую емкость 1 подается поток воздуха, который уносит образовавшийся аэрозоль через канал 7 в гидрозатвор 8, выполненный в виде ловушки для аэрозоля, где последний обратно конденсируется в раствор, обогащенным бутанолом. По патрубку 6, размещенному в верхнем части гидрозатвора 8, отводят воздух из гидрозатвора, а по патрубку 9 снабженному краником и размещенному в нижней части гидрозатвора 8 отводят полученный раствор с повышенной концентрацией бутанола.
Эффективность устройства подтверждается результатами проведенных на нем экспериментов и выраженных в виде:
с
исх
кон
- диаграммы (фиг. 2), где показана зависимость коэффициента концентрации бутанола (коэффициентом концентрирования К) в исходном растворе С (температура исходного раствора 20°C), и в конечном растворе, полученном обратной трансформацией аэрозоля С.
с
исх
кон
К=С/С
- таблицы оценки степени показателя преломления бутанола (бутилового спирта) в исходном водном растворе и в полученном конденсате.
Из полученных данных следует, что чем выше концентрация раствора бутанола в воде, тем ниже коэффициент концентрирования. Такой характер зависимости не противоречит представлению о поверхностной сорбции, при которой разность концентраций поверхностно активного вещества у поверхности и в объеме, тем больше, чем ниже концентрация этого вещества в объеме.
Таким образом, совокупность отличительных признаков описываемого технического решения обеспечивает достижение указанного результата.
Полезная модель позволяет повысить эффективность метода выделения бутанола из разбавленных водных растворов, а бутанол (бутиловый спирт) использовать в различных отраслях промышленности, например, в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания.