ЭКСТРАКТОР-ЦЕНТРИФУГА

Изобретение относится к области экстракции и концентрирования примесей и касается конструкций массо- и теплообменных аппаратов центробежного типа, используемых в пробоподготовке при определении содержания загрязнителей в объектах окружающей среды, может быть использовано в промышленности для разделения и концентрирования путем жидкостной и твердофазной экстракции, центробежной жидкостной хроматографии, а также для проведения микробиологических процессов и гетерогенных реакций.
Прототипом является экстрактор - центрифуга, (кн.: Концентрирование следов органических соединений. Проблемы аналитической химии, т.X. - М.: Наука. 1990. с.110, фиг.9), содержащий корпус, внутри которого, внизу, размещен привод, на оси которого смонтирован ротор с крышкой, внутри ротора помещен сменный бюкс с экстракционным стаканом на крышке ротора установлены отсосные трубки с зажимом.
Недостатком является низкая эффективность массообменных процессов и условий эксплуатации, узкая область использования, сложность конструкции, большие габариты.
Задачей полезной модели является увеличение эффективности массообменных процессов, улучшение условий эксплуатации, расширение области использования, упрощение конструкции и уменьшение габаритов.
Поставленная задача достигается тем, что экстрактор-центрифуга, содержащий корпус с закрепленными на нем трубками ввода и вывода контактирующих смесей, ротор, выполненный в виде коаксиально расположенных экстракционного, сепарационного и фильтровального стаканов, экстракционный стакан снабжен мешалкой и съемной крышкой, согласно полезной модели экстракционный, сепарационный и
фильтровальный стаканы выполнены с возможностью придания им не связанных друг с другом угловых скоростей вращения, контактирующие с обрабатывающими смесями, причем экстракционный стакан снабжен сепарационным кольцом с фильтрующими элементами, а трубки вывода установлены подвижно на вращающихся сепарационном и фильтровальном стаканах.
Решение технической задачи позволяет обеспечить высокоэффективное взаимодействие обрабатываемых смесей, оптимизацию процессов экстракции, центрифугирования и разделения, использования аппарата как для жидких, так и твердых проб, как для индивидуальных, так и для потока проб.
Использование индивидуального регулируемого привода для стаканов, фильтровального и сепарационного, обеспечивает возможность регулирования центробежных сил давления по радиусу ротора и размещение фильтрующего элемента на периферии ротора. Что позволяет производить отбор жидких фаз насосными трубками, при меньшем давлении, чем у существующего экстрактора, что в свою очередь позволяет уменьшить распыл растворителя и эмульгирование смесей. Тем самым создается более благоприятный мягкий режим экстракции ротора жидкости из-за значительно меньшей разности скоростей вращения стаканов по сравнению с отбором трубки, установленной на не вращающейся крышке аппарата, что очень важно для разделения легко эмульсирующихся систем.
На фиг.1 представлена принципиальная конструкция одноосного экстрактора, на фиг.2 и 3 - двухосное расположение контактирующих элементов. На фиг.4 предоставлены варианты сборки контактных и насадочных элементов, размещаемых в фильтровальном и сепарационном кольцах:
IV - 1 - фильтровальное кольцо с перфорацией и фильтрующим элементом;
IV - 2 - фильтровальное кольцо с закрепленной на нем отсосной трубкой и фильтрующим элементом;
IV - 3 - сепарационное кольцо с буртиком;
IV - 4 - сепарационное кольцо со сливной трубкой;
IV - 5 - фильтровальное кольцо снабжено твердым сорбентом;
IV - 6 - фильтровальное кольцо снабжено фильтровальной конической трубкой;
IV - 7 - сепарационное кольцо выполнено двухкамерным,
Экстрактор-центрифуга (фиг.1) состоит из ротора, выполненного в виде коаксиально расположенных: сменного экстракционного стакана 1 с поддоном 2, и сепарационным кольцом 3, фильтровального и сепарационного стаканов 19 и 20 с кольцами 4 и 5 соответственно, корпуса аппарата 6, крышки 7, подвижно закрепленных трубок ввода 9, вывода 8 на ней и приводами 11, 12 и 13 мешалки 10, фильтровального и сепарационного стаканов, соответственно. Передача вращения от приводов к контактным элементам аппарата осуществляется при помощи разъемных соединений типа "байонетного" или разъемных муфт, Подшипник 15 состоит из коаксиально-установленных подшипников. Для распыливания поступающих жидкостей в экстракционный стакан 1, вал 18 привода 11 мешалки 17 выполнены полыми.
На фиг.2 и 3 представлены принципиальные конструкции двухосевого экстрактора-центрифуги, в которых экстракционная полость 21 снабжена контактными элементами 20 и выполнена в виде центрифуги, а сепарационные и фильтровальные кольца снабжены экстракционной полостью 22.
На фиг.4 представлены варианты различных контактных элементов как в фильтровальном, так и в сепарационном кольцах, в зависимости от вида обрабатываемых систем и методик пробоподготовки.
Экстрактор·центрифуга (фиг.1) работает следующим образом.
В зависимости от вида обрабатываемой пробы устанавливают соответствующие сменные комплекты ротора: для обработки твердая проба - растворитель - комплект для разделения твердой пробы и растворителя, для
системы жидкость - жидкость - комплект для разделения и вывода обеих фаз и ротора, для проведения многократной экстракции используют комплект для орошения пробы, перемешивания или рециркуляции одной из фаз. Варианты сборки комплектов и соответствующей организации потоков представлены на фиг.4.
1. Обработка твердой фазы и малым объемом растворителя.
Подготовленную пробу с растворителем помещают в экстракционный стакан 1, закрывают сепарационным кольцом 13 и устанавливают в поддон 2, закрывают крышкой 7 и включают привод 11 мешалки 10. По окончании процесса перемешивания выключают привод 11 и включают приводы экстракционного стакана сепарационного и фильтровального стаканов 11, 13 и 14, соответственно. Под действием центробежной силы твердая фаза перемещается по направлению радиуса, образует кольцевой слой, внутренняя поверхность которого устанавливается в виде параболической формы. Жидкая фаза удаляется через радиальные отверстия сепарационного кольца 3 в последующие фильтрующие и сепарационные насадки соответствующих стаканов, проходя последовательно в направлении радиуса через контактные элементы. Очищенный растворитель выводится из аппарата через соответствующие трубки вывода 8. По окончанию работы экстрактора-центрифуги отключают приводы 12, 13 и 14, откидывают крышку 7, вынимают стакан 1, устанавливают следующий, закрывают крышку 7 и прибор готов к работе.
2. Обработка твердой пробы большим количеством растворителя.
Процесс работы аналогичен, а жидкая фаза поступает с определенным расходом из напорной емкости по гибким трубкам через трубку 9 в экстракционный стакан 1. При подаче через валы 18 и 17 мешалки, происходит распыливание растворителя в стакане с одновременным перемешиванием всей смеси. При необходимости уменьшения уноса жидкостью твердой фазы, экстракционному стакану придают вращение, тогда твердая фаза равномерно распределяется по стенкам стакана, жидкая
подвижная фаза в виде пленки или струй омывает твердую фазу, далее процесс аналогично предыдущему.
3. Рециркуляция фаз.
Для процесса осуществления рециркуляции одной или обеих жидких фаз выходные отсосные трубки соответственно присоединяют к входной трубке экстракционного стакана, тогда жидкости вновь будут поступать в экстракционный стакан.
4. Обработка большого объема жидких смесей.
Работа осуществляется при подаче фаз с определенным расходом из напорных емкостей в экстракционный стакан 1. Перемешивание (экстракция) выполняется как с вращающимся экстракционным стаканом, так и неподвижным. В последнем случае фазы перемешиваются мешалкой и по мере заполнения стакана 1 переливаются в фильтровальный стакан 4 самотеком или под действием центробежных сил. В фильтровальном стакане 4 смесь разделяется при помощи мембраны или пористой перегородки. После разделения жидкие фазы выводятся из аппарата при помощи трубок вывода 9. По окончании процесса рабочие поверхности, при необходимости, промывают дистиллированной водой или растворителем при работающем аппарате; без разборки его.
5. Обработка малого объема жидких смесей.
Процесс аналогичен обработке твердой пробы с малым количеством растворителя, а жидкие фазы удаляются автоматически отсосными трубками.
6. Многократная экстракция.
Процесс работы аналогичен обработке пробы с большим объемом растворителя. Жидкая проба непрерывно выводится по мере поступления из напорной емкости с определенным расходом, а твердая или жидкая проба удаляется по окончании процесса.
Таким образом, варьируя сменными элементами и настраивая на заданный рабочий режим экстрактора-центрифуги, обеспечивается возможность обработки проб широкого диапазона физико-химических
параметров, видов и объемов проб, как одиночных, так и потока индивидуальных или однородных проб.
Все вышеизложенные режимы опробованы на экспериментальных образцах экстрактора-центрифуги в методиках анализа загрязнения окружающей среды (почвы, воды, растительности, пищевых продуктов, биообъектах) для целей экологического мониторинга.
По результатам обработки объекта выявлены следующие преимущества экстрактора-центрифуги по сравнению с прототипом.
увеличение эффективности массообменных процессов за счет равномерности загрузки контактных устройств;
- улучшение условий эксплуатации;
- расширение области использования для жидких, твердых индивидуальных проб, так и для потока однородных и разнородных проб;
- упрощение конструкции и уменьшение габаритов, что позволяет использовать его в подвижных аналитических лабораториях.