ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ИМПУЛЬСНО-ЦИКЛИЧЕСКИЙ МАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ
HORIZONTAL PULSED-CYCLE MASS EXCHANGER

Изобретение относится к области устройств для осуществления процессов разделения веществ в системах жидкость-жидкость и газ-жидкость методами сорбции, экстракции и хроматографии, и может быть использовано в химической, микробиологической, фармацевтической и других отраслях промышленности для извлечения, разделения, очистки и концентрирования веществ.
Предшествующий уровень техники.
Известны массообменные аппараты для разделения смеси компонентов методами жидкость-жидкостной хроматографии, состоящие из спиральной трубки или цепочки камер, закрепленных на валу обычной или планетарной центрифуги. Разделение смеси компонентов осуществляется путем распределения их между двумя жидкими фазами. Смесь подается с одной из фаз, которая является подвижной фазой и прокачивается через другую (неподвижную) фазу, удерживаемую в свободном состоянии в устройстве с помощью центробежных сил. На выходе из устройства отбираются фракции компонентов (А.Е.Костанян. Журнал «Химическая технология». 2004. №8. С.39).
Недостатком этих аппаратов является их сложность и дороговизна.
Известен также аппарат для экстракционного разделения смеси компонентов, содержащий канал, имеющий спиралевидную форму и пульсатор. Разделение смеси компонентов осуществляется путем распределения их между легкой и тяжелой жидкими фазами, которым с помощью пульсатора сообщается возвратно-поступательное движение в аппарате. При этом одна из фаз удерживается в аппарате, а другая прокачивается через него (патент RU 2304453).
Недостатками этого аппарата является недостаточно высокая эффективность, обусловленная обратным перемешиванием фаз в аппарате при сообщении им возвратно-поступательного движения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является пульсационно-циклический массообменный аппарат, содержащий ряд последовательно соединенных массообменных ячеек, и дозатор для дискретной подачи в аппарат одной из фаз в виде отдельных порций. Аппарат работает следующим образом. Ячейки заполняются одной из фаз (неподвижной фазой) и через нее в циклическом (дискретном) режиме прокачивается вторая (подвижная) фаза. Дискретное прокачивание подвижной фазы осуществляется с помощью дозатора, выполненного в виде клапана и автоматического регулятора. Для удерживания неподвижной фазы в аппарате в свободном состоянии и интенсификации массообмена фазам сообщается возвратно-поступательное движение с помощью пульсатора. Смесь компонентов вводится с подвижной фазой в аппарат, где в результате многократного распределения компонентов между двумя фазами происходит их разделение. На выходе из аппарата отбираются фракции компонентов (патент RU 2342971).
Недостатком известного аппарата является его сложность, связанная с применением специального пульсатора, и недостаточно высокая эффективность проводимого в нем процесса разделения. Последнее связано с тем, что сообщаемое фазам с помощью пульсатора возвратно-поступательное движение вызывает обратное перемешивание между ячейками, что снижает движущую силу процесса массообмена.
Изобретение направлено на изыскание простого и эффективного технического решения массообменного аппарата по сравнению с пульсационно-циклическим массообменным аппаратом.
Технический результат достигается тем, что предложен горизонтальный импульсно-циклический массообменный аппарат, состоящий из рабочей камеры, расположенной с возможностью отклонения от горизонтальной плоскости до 30°, и дозатора для дискретной подачи в камеру одной из фаз в виде отдельных порций, при этом камера содержит поперечные перегородки, образующие ряд последовательно соединенных массообменных ячеек, выполненных с возможностью образования в них границы раздела фаз, перегородки снабжены криволинейными каналами для соединения объема жидкости над образующейся границей раздела фаз одной ячейки с объемом жидкости под границей раздела фаз соседней ячейки.
В одном из предпочтительных вариантов в качестве криволинейных каналов, соединяющих ячейки друг с другом, применяются z-образные каналы.
В другом предпочтительном варианте аппарат содержит ряд рабочих камер, соединенных в форме змеевика.
Целесообразно, чтобы дозатор имел устройства для независимого регулирования скорости, частоты и объема порций подаваемой фазы.
Нами обнаружено, что путем размещения массообменных ячеек в горизонтальной рабочей камере с возможностью образования в них границы раздела фаз, разделения ячеек друг от друга поперечными перегородками и соединения их друг с другом криволинейными, в частности z-образными, каналами, соединяющими объемы жидкостей соседних ячеек, расположенные по разные стороны границы раздела фаз, можно существенно повысить эффективность импульсно-циклического массообменного аппарата. При этом, по сравнению с известным, достигается также заметное упрощение аппарата, поскольку отпадает необходимость применения пульсатора.
Выполнение аппарата в виде змеевика, включающего ряд горизонтальных рабочих камер, и снабжение дозатора устройствами для регулирования скорости, частоты и объема порций подаваемой фазы способствует дополнительному повышению эффективности аппарата.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется прилагаемыми иллюстрациями, на которых:
1 - горизонтальная рабочая камера; 2 - массообменные ячейки; 3 - дозатор; 4 - поперечные перегородки; 5 - криволинейные каналы; 6, 7, 8 - устройства для регулирования частоты, объема и скорости подачи порций подвижной фазы.
Фиг.1 иллюстрирует исполнение предложенного аппарата с одной рабочей камерой, выполненной горизонтально.
Фиг.2 иллюстрирует исполнение предложенного аппарата, состоящего из ряда рабочих камер, соединенных в форме змеевика.
z-образное исполнение каналов обеспечивает соединение объемов соседних ячеек, расположенных по разные стороны границы раздела фаз, что необходимо для достижения интенсивного контакта фаз в массообменных ячейках. Как видно из фиг.2, в аппарате, состоящем из ряда рабочих камер горизонтального исполнения, достигается компактная компоновка рабочих камер предложенного аппарата. Возможно отклонение рабочих камер от горизонтальной плоскости до 30°. При большем отклонении рабочих камер от горизонтальной плоскости возникают сложности выполнения криволинейных, в частности z-образных, каналов, для соединения объема жидкости над образующейся границей раздела фаз одной ячейки с объемом жидкости под границей раздела фаз соседней ячейки.
Аппарат, представленный на фиг.1, можно использовать для осуществления процессов разделения веществ в системах газ-жидкость и жидкость-жидкость, а аппарат, представленный на фиг.2, предпочтительно использовать для процессов разделения веществ в системах жидкость-жидкость.
Патентуемый импульсно-циклический массообменный аппарат в самом общем случае состоит из горизонтальной рабочей камеры 1, в которой расположены массообменные ячейки 2, и дозатора 3 для дискретной подачи в аппарат одной из фаз в виде отдельных порций (импульсов). Ячейки 2 выполнены с возможностью образования в них границы раздела фаз (на фиг.1 и фиг.2 граница раздела фаз показана пунктирной линией), разделены друг от друга размещенными в камере 1 поперечными перегородками 4 и снабжены криволинейными каналами 5 для соединения объема жидкости над образующейся границей раздела фаз одной ячейки с объемом жидкости под границей раздела фаз соседней ячейки.
Дозатор 3 снабжен устройствами для регулирования частоты - 6, объема - 7 и скорости - 8 подачи порций подвижной фазы.
Для повышения эффективности процессов разделения веществ аппарат содержит ряд рабочих камер 1, соединенных в форме змеевика (фиг.2). Массообменные ячейки 2 в камерах 1 могут быть снабжены дополнительными устройствами, способствующими быстрому разделению и образованию границы раздела фаз.
Предложенный аппарат работает следующим образом.
Горизонтальная рабочая камера 1, состоящая из расположенных друг за другом массообменных ячеек 2, заполняется одной из фаз (неподвижной фазой). С помощью дозатора 3 через массообменные ячейки 2 в циклическом режиме в виде отдельных импульсов прокачивается вторая (подвижная) фаза. При этом подвижная фаза через криволинейные каналы 5, соединяющие объемы соседних ячеек, расположенные по разные стороны образовавшейся границы раздела фаз, впрыскивается в объем неподвижной фазы. С помощью устройств для регулирования частоты - 6, объема - 7 и скорости - 8 подачи порций подвижной фазы устанавливаются параметры прокачки, обеспечивающие циклическую ее подачу в форме отдельных импульсов. Этот импульс движения по криволинейным каналам 5 передается из ячейки в ячейку, обеспечивая в них интенсивное перемешивание фаз и высокую скорость межфазного массообмена. В периоды отсутствия подачи порций подвижной фазы происходит разделение фаз в ячейках 2 с образованием в них границы раздела фаз.
Подлежащая разделению смесь компонентов вводится в аппарат с подвижной фазой. Перемещаясь по массообменным ячейкам 2 рабочей камеры 1 (в случае однокамерного аппарата, фиг.1) или ряда соединенных в форме змеевика камер 1 (фиг.2) с потоком подвижной фазы, смесь компонентов многократно и в нестационарном режиме перераспределяется между фазами, благодаря чему компоненты с различными коэффициентами распределения движутся с различной скоростью и разделяются на фракции. Обогащенные фракции отдельных компонентов выводятся из устройства с порциями подвижной фазы.
Таким образом, достигается простота массообменного аппарата и эффективность его использования.