Аппарат для разделения веществ с помощью жидких мембран

 

Аппарат для разделения веществ с помощью жидких мембран включает соединенные между собой заполненные жидкой мембраной первую и вторую камеры с устройствами для диспергирования соответствующих фаз, а также штуцеры для подачи и отвода фаз, при этом камеры соединены в верхних и нижних частях циркуляционными трубами так, что в каждой камере отверстие нижней трубы расположено выше границы раздела фазы и жидкой мембраны, когда плотность фазы превышает плотность жидкой мембраны, а отверстие верхней трубы расположено ниже границы раздела фазы и жидкой мембраны, когда плотность жидкой мембраны превышает плотность фазы. Аппарат может быть снабжен дополнительными камерами с циркуляционными трубами аналогичной конструкции, размещенными под первой и второй камерами. Размещенные друг под другом камеры разделены между собой перфорированными перегородками. Циркуляционные трубы могут быть расположены горизонтально или наклонно. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области конструкций аппаратов, применяемых для проведения процессов разделения веществ с помощью жидких мембран и может быть использовано в химической, микробиологической и других отраслях промышленности для разделения, извлечения и очистки веществ.

Известны аппараты для разделения веществ с помощью жидких мембран, выполненные в виде двух камер, соединенных между собой общей верхней (или нижней) частью или пористой твердой мембраной (журнал "Теоретические основы химической технологии" 1984, т. 18, N 6, с. 736-738). В первом случае жидкая мембрана заполняет общую часть камер, во втором ею пропитывается пористая твердая мембрана. Переход вещества из фазы рафината, находящейся в одной из камер, в фазу экстракта, находящуюся в другой камере, происходит через "мембранную фазу", которая нерастворима в обеих фазах. Недостатком этих аппаратов является то, что они малопроизводительны и не имеют перспектив для широкого применения в промышленных процессах.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является конструкция аппарата для разделения вещества с помощью жидких мембран, состоящая из двух вертикальных камер, снабженных устройствами для диспергирования в жидкой мембране фазы рафината и фазы экстракта. Камеры соединены фильтрующей гидрофобной пористой перегородкой. Одна из камер снабжена также пульсационным устройством (Журнал "Теоретические основы химической технологии", 1984, т.18, N 6, с. 738, рис. 4).

Обе камеры заполняются жидкой мембраной ("мембранной" фазой). Жидкости, представляющие собой фазы исходного раствора (рафината) и растворителя (экстракта), диспергируются раздельно в обеих камерах и в виде капель движутся в "мембранной" фазе. Под действием пульсаций жидкая мембрана переходит из одной камеры в другую через фильтр, перенося с собой переходящее вещество.

Недостатками известного аппарата являются сложность конструкции (особенно при проведении многоступенчатого процесса), связанная с наличием пульсационного устройства, и низкая надежность, обусловленная изменением поверхностных свойств фильтрующей перегородки в связи с неизбежным присутствием поверхностно-активных веществ в системе.

Задачей изобретения является упрощение конструкции и повышение надежности аппарата для разделения веществ с помощью жидких мембран. Эта задача решается благодаря тому, что в известном аппарате для разделения веществ с помощью жидких мембран, включающем соединенные между собой заполненные жидкой мембраной первую и вторую камеры с устройствами для диспергирования соответствующих фаз, а также штуцеры для подвода и отвода фаз, камеры соединены в верхних и нижних частях циркуляционными трубами так, что в каждой камере отверстие нижней трубы расположено выше границы раздела фазы и жидкой мембраны, когда плотность фазы превышает плотность жидкой мембраны, а отверстие верхней трубы расположено ниже границы раздела фазы и жидкой мембраны, когда плотность жидкой мембраны превышает плотность фазы.

Аппарат снабжен дополнительными камерами с циркуляционными трубами аналогичной конструкции, размещенными под первой и второй камерами; размещенные друг под другом камеры разделены между собой перфорированными перегородками, а циркуляционные трубы расположены наклонно.

Соединением камер в верхних и нижних частях циркуляционными трубами с соответствующим их расположением в зависимости от плотностей фаз достигается естественное движение жидкой мембраны через обе камеры без механического воздействия извне (наложение пульсаций и т.п.) путем ее циркуляции, движущей силой которой служит разность плотностей эмульсий в камерах (эмульсии образуются при дроблении фаз рафината и экстракта в жидкой мембране). Такое решение существенно упрощает конструкцию аппарата (особенно при проведении многоступенчатых процессов) и повышает надежность его работы.

Дополнительное размещение камер с циркуляционными трубами аналогичной конструкции под первой и второй камерами позволяет проводить многоступенчатые процессы разделения веществ с помощью жидких мембран. Наиболее простым и надежным решением при этом оказалось разделение размещенных друг под другом камер с помощью перфорированных перегородок.

Наклонное расположение циркуляционных труб предотвращает смешение фаз рафината и экстракта путем уноса капель циркулирующей между камерами жидкой мембраной.

На фиг. 1 и фиг. 2 схематично изображены два из возможных вариантов исполнения предлагаемого аппарата для разделения веществ с помощью жидких мембран.

На фиг. 1 представлен одноступенчатый аппарат для случая, когда в первой камере граница раздела фазы и жидкой мембраны находится внизу (плотность фазы превышает плотность жидкой мембраны), а во второй камере вверху (плотность жидкой мембраны превышает плотность фазы).

На фиг. 2 изображен многоступенчатый аппарат, представляющий собой ряд дополнительных камер, расположенных под первой и второй камерами и разделенных между собой перфорированными перегородками.

Аппарат состоит из первой камеры 1 и второй камеры 2, снабженных диспергирующими устройствами 3. Камеры 1 и 2 соединены в верхних и нижних частях циркуляционными трубами 4 и 5 и заполнены жидкой мембраной. При этом в случае, когда плотность жидкой мембраны меньше плотности диспергируемой в камере фазы (ρ_ф> ρ_м) отверстие нижней трубы 5 расположено выше границы раздела фаз 6 в камере, как на фиг. 1 в камере 1 и на фиг. 2 в камерах 1 и 2. В случае, когда плотность жидкой мембраны превышает плотность фазы (ρ_ф< ρ_м) отверстие верхней трубы 4 расположено ниже границы раздела 6, как в камере 2 на фиг. 1.

Многоступенчатый аппарат (фиг. 2) снабжен перфорированными перегородками 7, служащими для разделения ступеней и дробления фаз. Перегородки размещены в двух вертикальных колоннах 8. Аппараты имеют штуцеры 9 для подачи и 10 для отвода фаз.

Аппарат работает следующим образом.

Камеры 1 и 2 заполняются жидкой мембраной и через штуцеры 9 и диспергирующие устройства 3 в одну камеру подается фаза рафината, а в другую фаза экстракта. Устройствами 3 фазы рафината и экстракта распределяются в виде капель в объеме жидкой мембраны в камерах 1 и 2. В зависимости от значений плотностей фаз (ρ_ф> ρ_м или ρ_ф< ρ_м) фазы вводятся в камеры 1 и 2 сверху (ρ_ф> ρ_м) или снизу (ρ_ф< ρ_м) и капли соответственно движутся в камерах вниз или вверх, где они коалесцируют на границе раздела фаз и жидкой мембраны 6. Скоалесцировавшие фазы отводятся из аппарата через штуцера 10.

Если одна фаза тяжелее (ρ_ф> ρ_м) а другая легче (ρ_ф< ρ_м) жидкой мембраны, в одной из камер (1) граница раздела фазы и жидкой мембраны 6 размещается внизу, а в другой (2) вверху (фиг. 1). При этом в камере с нижней границей раздела возникает нисходящее, а в другой восходящее движение жидкой мембраны. Благодаря тому, что выходное отверстие нижней трубы 5 находится выше границы раздела фазы и жидкой мембраны 6 в камере 1, где ρ_ф> ρ_м а выходное отверстие верхней трубы 4 расположено ниже границы раздела фазы и жидкой мембраны 6 в камере 2, где ρ_ф< ρ_м циркулирующая через трубы 4 и 5 мембрана не захватывает с собой фазы рафината и экстракта и не происходит из смешение.

Если обе фазы (экстракта и рафината) тяжелее жидкой мембраны (ρ_ф> ρ_м), то границы раздела фазы и жидкой мембраны 6 в обеих камерах находятся внизу, и капли фаз двигаются в камерах сверху вниз (фиг. 2). При этом разность плотностей эмульсий в камерах 1 и 2, служащая движущей силой циркуляции жидкой мембраны через трубы 4 и 5, обеспечивается разной скоростью подачи фаз в камеры. Отверстия нижней трубы 5 расположены выше границы раздела фаз и жидкой мембраны 6 в камерах 1 и 2 (фиг. 2), что, как и в первом случае, препятствует смешению потоков фаз рафината и экстракта. Размещая циркуляционные трубы 4 и 5 наклонно, как показано на фиг. 2, можно полностью исключить капельный захват фаз циркулирующей мембраной.

Если обе фазы легче жидкой мембраны (ρ_ф< ρ_м), то границы раздела находятся в обеих камерах наверху (как в камере 2 на фиг. 1) выше отверстий верхней трубы.

При движении фаз через камеры 1 и 2 аппарата извлекаемое вещество жидкой мембраной, циркулирующей между камерами через соединяющие их циркуляционные трубы 4 и 5, переносится их фазы рафината в фазу экстракта. Для повышения степени извлечения в фазе экстракта может содержаться компонент, химически связывающий переходящее вещество.

Практически полное извлечение вещества из фазы рафината может быть достигнуто в многоступенчатом аппарате (фиг. 2). В таком аппарате жидкая мембрана в соседних ступенях (каждая ступень состоит из двух камер 1 и 2) разделена слоями фаз в камерах 1 и 2, образующими границы раздела 6, которые в зависимости от плотностей контактирующих жидкостей располагаются над или под перфорированными перегородками 7. В первой по ходу движения фаз через аппарат ступени фазы рафината и экстракта дробятся на капли диспергирующими устройствами 3. Во второй и последующей ступенях дробление фаз обеспечивается перфорированными перегородками 7. В каждой ступени происходит дробление фаз на капли и последующая коалесценция их с образованием границы раздела между жидкой мембраной и слоем фазы над или под перфорированной перегородкой.

Предлагаемый аппарат может работать также в циклическом режиме, когда подача фаз рафината и экстракта осуществляется прерывисто и в чередующейся последовательности.

Благодаря простоте конструкции и надежности, достигаемых с помощью описанных технических решений, предлагаемый аппарат позволяет проводить многоступенчатые процессы разделения веществ методом жидких мембран, обеспечивая практически полное извлечение целевого компонента из фазы рафината.

Формула изобретения

1. Аппарат для разделения веществ с помощью жидких мембран, включающий соединенные между собой заполненные жидкой мембраной первую и вторую камеры с устройствами для диспергирования соответствующих фаз, а также штуцеры для подачи и отвода фаз, отличающийся тем, что камеры соединены в верхних и нижних частях циркуляционными трубами так, что в каждой камере отверстие нижней трубы расположено выше границы раздела фазы и жидкой мембраны, когда плотность фазы превышает плотность жидкой мембраны, а отверстие верхней трубы расположено ниже границы раздела фазы и жидкой мембраны, когда плотность жидкой мембраны превышает плотность фазы.

2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что снабжен дополнительными камерами с циркуляционными трубами аналогичной конструкции, размещенными под первой и второй камерами.

3. Аппарат по п. 2, отличающийся тем, что размещенные друг под другом камеры разделены между собой перфорированными перегородками.

4. Аппарат по пп. 1 3, отличающийся тем, что циркуляционные трубы расположены наклонно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2