ПУЛЬСАЦИОННО-ЦИКЛИЧЕСКИЙ СПОСОБ ЭКСТРАКЦИОННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСИ КОМПОНЕНТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PULSATING-CYCLIC EXTRACTION SEPARATION OF COMPONENTS MIX AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к области процессов разделения веществ методами жидкость-жидкостной экстракции и хроматографии и устройств для осуществления этих процессов и может быть использовано в химической, микробиологической, фармацевтической и других отраслях промышленности для извлечения, разделения, очистки и концентрирования веществ.
Предшествующий уровень техники
Разделение и очистка веществ методами жидкостной экстракции и хроматографии базируются на различной растворимости отдельных компонентов в двух жидких фазах. Методы жидкостной хроматографии поэтому могут рассматриваться как нестационарные (динамические) варианты исполнения методов жидкостной экстракции.
Известны способы разделения смеси компонентов методами жидкость-жидкостной хроматографии и центробежные устройства для их осуществления, состоящие из спиральной трубки или цепочки камер, закрепленных на валу 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. (Jean-Michel Menet, Didier Thiebaut Countercurrent Chromatography // Chromatographic science series. Volume 82. 1999. Marcel Dekker, Inc. New York. Basel.). Недостатком этих способов является сложность используемых для их реализации центробежных устройств.
Известны также хроматографические способы и устройства для разделения смеси компонентов путем распределения их между легкой и тяжелой жидкими фазами с применением планетарной центрифуги. Устройства выполнены в виде спиральной трубки, намотанной на один или несколько барабанов планетарной центрифуги. Трубку заполняют неподвижной жидкой фазой, через которую прокачивают подвижную фазу. Барабанам с намотанной трубкой с помощью планетарного механизма придают сложное вращательное движение вокруг собственной оси и одновременно вокруг центральной оси центрифуги. Смесь компонентов (пробу) вводят в форме импульса с подвижной фазой в спиральную трубку, где в результате многократного распределения и перераспределения компонентов между двумя жидкими фазами происходит их разделение. На выходе подвижной фазы из устройства отбирают обогащенные фракции отдельных компонентов (А.Е.Костанян. Журнал «Химическая технология». 2004. №8. С.39).
Недостатком этих известных способов и устройств является сложность и дороговизна.
Известен также способ и устройство для экстракционного разделения смеси компонентов путем распределения их между легкой и тяжелой жидкими фазами, которым сообщают движение с периодически изменяющейся скоростью в устройстве, содержащем канал, имеющий спиралевидную форму, и при этом одну из фаз удерживают в устройстве, а другую прокачивают через него. Для удерживания одной из фаз в устройстве фазам с помощью пульсатора сообщают возвратно-поступательное движение в канале (патент RU 2304453).
Недостатками этого известного способа является сложность его технологического оформления, недостатком устройства является недостаточно высокая эффективность, обусловленная обратным перемешиванием жидкостей в канале при сообщении им возвратно-поступательного движения.
Известен также способ пульсационно-циклического экстракционно-хроматографического разделения смеси компонентов путем распределения их между легкой и тяжелой жидкими фазами, которым сообщают движение с периодически изменяющейся скоростью в устройстве, содержащем ряд камер, соединенных в форме змеевика трубками. Фазы прокачивают в чередующейся последовательности в дискретном режиме через устройство в противоположных направлениях, а смесь вводят в промежуточную камеру устройства. Противоточное движение фаз в устройстве обеспечивают с помощью центробежных сил, вращая устройство вокруг его центральной оси или организуя возвратно-поступательное движение фаз в нем с помощью пульсатора. Дискретное прокачивание фаз осуществляют с помощью клапанов и автоматического регулятора, включенных в линии подачи фаз в устройство (патент RU 2342971).
Недостатками и этого известного способа, как и в описанных выше технических решениях, является сложность его технологического оформления, связанная с необходимостью применения центрифуги или специального пульсатора для организации противоточного движения фаз в устройстве.
Известно устройство для пульсационно-циклического экстракционного разделения смеси компонентов, содержащее ряд камер, соединенных в форме змеевика трубками, пульсатор и клапаны (патент RU 2342971). Устройство работает следующим образом. Камеры, соединенные в форме змеевика, заполняются одной из фаз и обе фазы в чередующейся последовательности прокачиваются в противоположных направлениях через устройство в циклическом (дискретном) режиме. Дискретное прокачивание фаз в чередующейся последовательности осуществляется с помощью клапанов и автоматического регулятора. Противоточное движение фаз в устройстве обеспечивается с помощью пульсатора. Смесь компонентов (проба) вводится в одну из промежуточных камер устройства. В результате многократного распределения и перераспределения компонентов между двумя жидкими фазами в камерах происходит их разделение в режиме противотока. На выходе из устройства отбираются фракции компонентов.
Недостатками известного устройства являются его сложность, связанная с необходимостью применения специального пульсатора для организации противоточного движения фаз, и недостаточно высокая эффективность проводимого в нем процесса разделения, обусловленная обратным перемешивание между камерами.
Известен способ пульсационно-циклического экстракционного разделения смеси компонентов, заключающийся в многократном распределении их между легкой и тяжелой жидкими фазами, которым сообщают движение с периодически изменяющейся скоростью в устройстве, содержащем ряд камер, соединенных в форме змеевика трубками. При этом одну из фаз (подвижную) прокачивают через устройство в дискретном режиме, подавая ее отдельными порциями, а другую удерживают в устройстве в свободном состоянии с помощью центробежных сил, вращая устройство вокруг его центральной оси или организуя возвратно-поступательное движение фаз в нем с помощью пульсатора. Дискретное прокачивание подвижной фазы осуществляют с помощью клапана и автоматического регулятора, включенных в линию подачи этой фазы (патент RU 2342970).
Недостатком данного способа, как и в вышеописанных технических решениях, является сложность его технологического оформления, связанная с необходимостью применения центрифуги или специального пульсатора для удерживания одной из фаз в устройстве в свободном состоянии. Кроме того, область его применения ограничена хроматографическими методами разделения смеси компонентов.
Известно устройство для пульсационно-циклического экстракционного разделения смеси компонентов, содержащее ряд камер, соединенных в форме змеевика трубками, пульсатор и клапан, размещенный на патрубке подачи подвижной фазы (патент RU 2342970). Устройство работает следующим образом. Камеры, соединенные в форме змеевика, заполняются одной из фаз и через нее в циклическом (дискретном) режиме прокачивается вторая (подвижная) фаза. Дискретное прокачивание подвижной фазы осуществляется с помощью клапана и автоматического регулятора. Для удерживания неподвижной фазы в устройстве в свободном состоянии фазам сообщается возвратно-поступательное движение с помощью пульсатора. Смесь компонентов (проба) вводится с подвижной фазой в устройство, где в результате многократного распределения и перераспределения компонентов между двумя жидкими фазами происходит их разделение. На выходе из устройства отбираются фракции компонентов.
Недостатком известного устройства является его сложность, связанная с необходимостью применения специального пульсатора для удерживания одной из фаз в свободном состоянии, и недостаточно высокая эффективность проводимого в нем процесса разделения. Последнее связано с тем, что сообщаемое жидким фазам с помощью пульсатора возвратно-поступательное движение вызывает обратное перемешивание между камерами, что снижает движущую силу процесса массообмена.
Изобретение направлено на упрощение технологического оформления и расширение области применения пульсационно-циклического способа экстракционного разделения смеси компонентов, а также на повышение эффективности устройства для пульсационно-циклического экстракционного разделения смеси компонентов.
Раскрытие изобретений
Основной задачей настоящего изобретения было создание простого в технологическом оформлении способа и эффективного устройства для пульсационно-циклического экстракционного разделения смеси компонентов в различных режимах. Например, в режиме обычной жидкостной хроматографии, в режиме противоточной экстракции и в режиме противоточной хроматографии.
Технический результат достигается тем, что пульсационно-циклический способ экстракционного разделения смеси компонентов заключается в многократном распределении их между легкой и тяжелой жидкими фазами, которым сообщают движение с периодически изменяющейся скоростью в устройстве, содержащем ряд камер, соединенных в форме змеевика трубками, для чего, по крайней мере, одну из фаз прокачивают через устройство в дискретном режиме, подавая ее отдельными порциями, при этом по высоте каждой из камер, выполненных в виде колонок, состоящих из расположенных друг над другом секций, проводят многократное периодическое перемешивание и гравитационное разделение фаз, причем, по крайней мере, одну из фаз отдельными порциями периодически транспортируют из конечной по ходу ее движения секции одной колонки в начальную секцию следующей колонки.
В одном из предпочтительных вариантов обе фазы в чередующейся последовательности прокачивают в дискретном режиме через устройство в противоположных направлениях, и при этом фазы отдельными порциями периодически транспортируют из колонки в колонку, подавая их в чередующейся последовательности из конечной по ходу движения каждой фазы секции одной колонки в начальную секцию следующей колонки.
Технический результат достигается тем, что устройство для пульсационно-циклического экстракционного разделения смеси компонентов содержит ряд камер, соединенных в форме змеевика соединительными трубками, и клапаны, при этом камеры выполнены в виде колонок, состоящих из расположенных друг над другом секций.
В частных случаях секции в колонках разделены перфорированными перегородками или снабжены насадкой, способствующей коалесценции капель жидкостей, или сдвинуты относительно друг друга в горизонтальной плоскости и соединены между собой боковыми отверстиями.
Кроме того, входная и выходная части секций могут иметь сужения.
В одном из предпочтительных вариантов колонки соединены дополнительными соединительными трубками, и соединительные трубки снабжены обратными клапанами.
В другом предпочтительном варианте устройство включает дозатор, выполненный с возможностью дискретной подачи жидкости, при этом клапаны размещены в дозаторе, который снабжен штоком и средствами для регулирования частоты, скорости и длины хода штока.
Нами обнаружено, что путем многократного периодического перемешивания и гравитационного разделения фаз по высоте камер, выполненных в виде колонок, состоящих из расположенных друг над другом секций, и периодического транспорта отдельными порциями одной или обеих фаз в чередующейся последовательности из колонки в колонку можно обеспечить удерживание одной из фаз в свободном состоянии или противоток фаз в устройстве для пульсационно-циклического экстракционного разделения смеси компонентов. При этом по сравнению с известным способом существенно упрощается технологическое оформление пульсационно-циклического способа экстракционного разделения смеси компонентов, поскольку отпадает необходимость применения центрифуги или специального пульсатора для удерживания одной из фаз в колонке в свободном состоянии. Кроме того, расширяется область его применения благодаря возможности проведения противоточных процессов разделения.
Выполнение камер в устройстве в виде колонок, состоящих из расположенных друг над другом секций, в сочетании с дозатором для дискретной регулируемой подачи жидкости или жидкостей обеспечивает удерживание одной из фаз в свободном состоянии или противоток двух фаз без использования специального пульсатора.
Выполнение дозатора с клапанами с возможностью дискретной подачи жидкости или жидкостей и снабженного штоком и средствами для регулирования частоты, скорости и длины хода штока в сочетании со специфической формой выполнения камер (в виде колонок, состоящих из расположенных друг над другом секций) обеспечивает циклическое пульсационное перемешивание фаз в камерах без обратного перемешивания между ними.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется описанием конкретных примеров его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг.1 и фиг.2 изображают вариант реализации способа, когда одну из фаз (тяжелую фазу) удерживают в свободном состоянии в устройстве, в котором секции в колонках разделены перфорированными перегородками.
Фиг.3 изображает вариант реализации способа, когда одну из фаз удерживают в свободном состоянии в устройстве, в котором секции в колонках снабжены насадкой, способствующей коалесценции капель жидкостей.
Фиг.4 и фиг.5 изображают вариант реализации способа, когда обе фазы прокачивают в дискретном режиме и в чередующейся последовательности в противоположных направлениях в устройстве, в котором секции в колонках разделены перфорированными перегородками.
Фиг.6 и фиг.7 изображают примеры исполнения предложенного устройства для реализации предложенного способа в режиме хроматографии в варианте, когда устройство снабжено дозатором, и входная и выходная части секций в колонках имеют сужения.
Фиг.8 изображает вариант исполнения предложенного устройства, когда секции колонок сдвинуты относительно друг друга в горизонтальной плоскости и соединены между собой боковыми отверстиями.
Фиг.9 изображает пример исполнения предложенного устройства для реализации предложенного способа в режиме противоточной экстракции и в режиме противоточной хроматографии в варианте, когда устройство снабжено дозатором.
Настоящий способ экстракционного разделения смеси компонентов может быть реализован в предложенном устройстве в режиме обычной жидкостной хроматографии и в режиме противотока двух фаз.
Патентуемое устройство для осуществления предложенного способа в самом общем случае содержит ряд камер, выполненных в виде колонок 1, состоящих из расположенных друг над другом секций 2. Колонки 1 соединены в форме змеевика соединительными трубками 3. Устройство содержит также клапаны 4 и патрубки: 5, 6 - для подвода и 7, 8 - для отвода жидких фаз. В частных случаях секции 2 в колонках 1 могут быть разделены перфорированными перегородками 9 (фиг.9), или снабжены насадкой 10, способствующей коалесценции капель жидкостей (фиг.3), или сдвинуты относительно друг друга в горизонтальной плоскости и соединены между собой боковыми отверстиями 11 (фиг.8). Кроме того, входная и выходная части секций могут иметь сужения 12, как показано на фиг.6. Для реализации противоточных процессов разделения смеси компонентов колонки соединены дополнительными соединительными трубками 13, и соединительные трубки 3 и 13 снабжены обратными клапанами 14, как показано на фиг.9.
В предпочтительном варианте исполнения устройство включает дозатор 15, выполненный с возможностью дискретной подачи жидкости, при этом клапаны 4 размещены в дозаторе, который снабжен штоком 16 и средствами для регулирования частоты 17, скорости 18 и длины хода 19 штока 16.
Предложенное устройство работает следующим образом:
Колонки 1, состоящие из расположенных друг над другом секций 2 и соединенные в форме змеевика соединительными трубками 3, заполняются одной из фаз. С помощью клапанов 4, установленных на патрубках: 5, 6 - для подвода и 7, 8 - для отвода фаз или дозатора 15, в котором размещены клапаны 4, через колонки 1 в пульсационно-циклическом режиме прокачивается вторая фаза (в случае реализации способа в режиме обычной хроматографии) или в противоположных направлениях в чередующейся последовательности прокачиваются обе фазы (в случае осуществления предложенного способа в противоточном режиме). При этом с помощью устройств 17 - для регулирования частоты, 18 - для регулирования скорости и 19 - для регулирования длины хода штока 16 дозатора 15 устанавливаются параметры прокачки, обеспечивающие циклическую подачу жидкостей в форме отдельных импульсов. Этот импульс движения передается из секции в секцию и по трубкам 3 или 13 (соединяющим колонки в форме змеевика) - из колонки в колонку. При этом происходит интенсивное перемешивание фаз в секциях 2 колонок 1, обеспечивающее высокую скорость межфазного массообмена. В период отсутствия подачи жидкости (или жидкостей) осуществляется гравитационное разделение фаз в секциях 2 колонок 1 с образованием границы раздела фаз 20. Скорость разделения фаз в секциях 2 при этом можно повысить, снабдив секции 2 насадкой 10, способствующей коалесценции капель жидкостей.
В случае использования устройства для реализации предложенного способа в режиме обычной хроматографии (фиг.1-фиг.3 и фиг.6-фиг.8) в устройство импульсно вводится подлежащая разделению смесь компонентов. Перемещаясь по секциям 2 колонок 1 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 подвижной фазой по патрубку 7.
В случае использования устройства для реализации противоточных процессов разделения смеси компонентов (фиг.4, фиг.5 и фиг 9) противоточное движение фаз в чередующейся последовательности обеспечивается с помощью обратных клапанов 14. размещенных в соединительных трубках 3 и 13. Подлежащая разделению смесь компонентов вводиться в промежуточную колонку в виде импульса (режим противоточной хроматографии) или с постоянным расходом (режим противоточной экстракции). Перемещаясь по секциям 2 в колонках 1 и из колонки в колонку по трубкам 3 и 13 с потоками фаз, смесь компонентов многократно перераспределяется между фазами, благодаря чему компоненты с различными коэффициентами распределения разделяются на фракции. Обогащенные фракции отдельных компонентов выводят из устройства с отдельными порциями фаз по патрубкам 7 и 8.
Пример 1. Режим обычной хроматографии (фиг.1-фиг.3)
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом: устройство для пульсационно-циклического экстракционного разделения смеси компонентов, содержащее ряд камер, выполненных в виде колонок 1, состоящих из расположенных друг над другом секций 2 и соединенных в форме змеевика соединительными трубками 3, заполняют одной из фаз (неподвижной фазой) и начинают прокачивать через нее в дискретном режиме вторую (подвижной) фазу, подавая ее отдельными порциями по патрубку 5. Дискретное (циклическое) прокачивание подвижной фазы осуществляют с помощью клапана 4 (фиг.1-фиг.3), или дозатора 15 (фиг.6-фиг.8), или иного дозирующего устройства, включенного в линию (патрубок) подачи подвижной фазы 5 и обеспечивающего циклический режим ее подачи в канал с периодически изменяющейся скоростью. При этом жидкостям в колонке сообщается пульсационное движение. Неподвижную фазу удерживают в свободном состоянии в устройстве путем многократного периодического перемешивания и гравитационного разделения фаз в секциях 2 по высоте колонок 1. При этом подвижную фазу отдельными порциями периодически транспортируют из конечной (по ходу движения подвижной фазы) секции одной колонки в начальную (по ходу движения этой фазы) секцию следующей колонки по линиям 3, соединяющим колонки в форме змеевика, таким образом, что под воздействием пульсационного движения только эта фаза перемещается из одной колонки в следующую колонку. Многократное периодическое перемешивание и разделение фаз по высоте колонок 1 осуществляют с помощью, например перфорированных перегородок 9, разделяющих камеры по высоте на ряд секций (фиг.1 и фиг.2), подавая подвижную фазу отдельными порциями в циклическом режиме. Для этой цели можно также использовать вариант устройства с секциями, сдвинутыми относительно друг друга в горизонтальной плоскости и соединенными между собой боковыми отверстиями (фиг.8), или варианты устройства, изображенные на фиг.6 и фиг.7 (входная и выходная части секций в колонках имеют сужения).
При использовании в качестве подвижной фазы легкой фазы ее подают по линии 5 в начальную по ходу движения нижнюю секцию первой камеры (колонки) и выводят по линии 7 из верхней секции последней колонки (фиг.1). Для этого используют вариант устройства, изображенного на фиг.7.
При использовании в качестве подвижной фазы тяжелой фазы ее подают в верхнюю секцию первой (по ходу движения подвижной фазы) колонки и выводят из нижней секции последней колонки. Для этого используют варианты устройства, изображенные на фиг.6 или фиг.8.
Фиг.1 иллюстрирует цикл подачи легкой фазы (ЛФ), перемешивание фаз по высоте колонок и транспорт легкой фазы из конечной (верхней) секции одной колонки в начальную (нижнюю) секцию следующей колонки, фиг.2 - цикл гравитационного разделения фаз по высоте колонок, отсутствие транспорта подвижной фазы между колонками.
После организации дискретно-пульсационного режима прокачивания подвижной фазы и удерживания другой фазы путем многократного периодического перемешивания и гравитационного разделения фаз по высоте колонок 1 в устройство по линии 21 вводят в виде импульса подлежащую разделению смесь компонентов (фиг.1 и фиг.3). Перемещаясь по секциям и колонкам устройства с потоком подвижной фазы, смесь компонентов многократно и в нестационарном режиме перераспределяется между фазами в секциях 2 колонок 1, благодаря чему компоненты с различными коэффициентами распределения движутся с различной скоростью и разделяются на фракции. Обогащенные фракции отдельных компонентов выводят из хроматографического устройства с отдельными порциями подвижной фазой по линии 7.
Пример 2. Режим противотока двух фаз.
В случае реализации противоточного режима экстракционного разделения смеси компонентов предлагаемый способ осуществляют следующим образом (фиг.4 и фиг.5): обе фазы в чередующейся последовательности прокачивают в дискретном режиме в противоположных направлениях через устройство, содержащее ряд камер, выполненных в виде колонок 1, состоящих из расположенных друг над другом секций 2 и соединенных в форме змеевика соединительными трубками 3 и 13. Противоточное движение фаз организуют путем многократного периодического перемешивания и гравитационного разделения фаз в секциях 2 по высоте колонок 1. При этом фазы отдельными порциями периодически транспортируют из колонки в колонку, подавая их в чередующейся последовательности из конечной по ходу движения каждой фазы секции одной колонки в начальную секцию следующей колонки. Дискретную подачу фаз осуществляют с помощью клапанов 4 (фиг.4 и фиг.5) или дозатора 15 (фиг.9). Периодическую транспортировку фаз в чередующейся последовательности из колонки в колонку обеспечивают с помощью обратных клапанов 14, размещенных в соединительных трубках 3 и 13.
По линии 5 подают легкую фазу, а по линии 6 - тяжелую фазу. Фазы подают в чередующейся последовательности отдельными порциями в пульсационно-циклическом режиме. При подаче порции легкой фазы проводят многократное пульсационное перемешивания фаз по высоте колонок 1, передавая ее в виде импульса из секции в секцию. При этом осуществляют диспергирование легкой фазы в объеме тяжелой фазы в каждой секции 2 колонок 1 и транспорт порции легкой фазы по соединительным трубкам (линиям) 3, снабженными обратными клапанами 14, из верхней секции одной колонки в нижнюю секцию следующей колонки (фиг.5). После цикла подачи и транспорта легкой фазы проводят гравитационное разделение фаз по высоте колонок 1 в секциях 2. Затем подают порцию тяжелой фазы и проводят многократное пульсационное перемешивания фаз в секциях 2 по высоте колонок 1, передавая ее в виде импульса из секции в секцию. При этом осуществляют диспергирование тяжелой фазы в объеме легкой фазы в каждой секции 2 колонок 1 и транспорт тяжелой фазы по линиям (соединительным трубкам) 13, снабженными обратными клапанами 14, из нижней секции одной колонки в верхнюю секцию следующей колонки (фиг.4). После цикла подачи и транспорта тяжелой фазы проводят гравитационное разделение фаз по высоте колонок 1 в секциях 2. Затем повторяют цикл подачи легкой фазы и т.д. После организации дискретно-пульсационного противоточного режима движения двух фаз подлежащую разделению смесь компонентов вводят в промежуточную колонку (в промежуточную секцию) в виде импульса (режим противоточной хроматографии) или с постоянным расходом (режим противоточной экстракции). Перемещаясь по устройству с потоками фаз в противоположных направлениях, смесь компонентов многократно перераспределяется между фазами в секциях 2 колонок 1, благодаря чему компоненты с различными коэффициентами распределения разделяются на фракции. Обогащенные фракции отдельных компонентов выводят из устройства с отдельными порциями фаз.
Благодаря новым операциям (многократное периодическое перемешивание и гравитационное разделение фаз по высоте каждой из камер, выполненных в виде колонок, состоящих из расположенных друг над другом секций; периодический транспорт подвижной фазы из конечной секции одной колонки в начальную секцию следующей колонки) одну из фаз удерживают в устройстве в свободном состоянии без применения центрифуги или специального пульсатора, что приводит к значительному упрощению способа.
С помощью дополнительных операций (обе фазы в чередующейся последовательности прокачивают в дискретном режиме через устройство в противоположных направлениях, и при этом фазы отдельными порциями периодически транспортируют из колонки в колонку, подавая их в чередующейся последовательности из конечной по ходу движения каждой фазы секции одной колонки в начальную секцию следующей колонки: легкую фазу из верхней секции одной колонки в нижнюю секцию следующей колонки, и тяжелую фазу - из нижней секции одной колонки в верхнюю секцию следующей колонки) расширяется область применения способа благодаря возможности проведения противоточных процессов разделения.