Способ разделения смесей на фракции и устройство для его осуществления

 

Изобретение может быть использовано в металлургии, нефтепереработке, ликероводочном производстве, при производстве опресненной воды. Сущность изобретения: испарение каждой фракции производят при оптимальной температуре, когда упругость пара фракций, оставшихся в смеси, существенно ниже, причем температуру при этом поддерживают с высокой точностью термостатированием до полного испарения данной фракции, и таким образом последовательно испаряют все остальные фракции. Для ускорения ухода паров фракций над поверхностью смеси создают направленный поток пара или поток газа, нейтральных к смеси и фракциям, а скорость потока варьируют до сверхзвуковой. Этим же потоком обеспечивают начальное обезгаживание смеси. Для интенсивного перемешивания смеси и более интенсивного испарения фракций через толщу смеси продувают с дна тигля пар или газ, нейтральные к смеси и фракциям. Устройство для разделения смеси на фракции дополнительно содержит блок для создания направленного потока газа или пара, сверхзвуковое сопло в блоке, термостат, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, и встроенных в него нагревателей, конденсаторов для каждой из фракций, насоса в зоне торможения направленного потока пара или газа и системой подачи с дна испарителя или газа, нейтральных к смеси и фракциям, а термостат и испаритель выполнены из графита. Изобретение позволяет разделить смеси с высокой чистотой. 2 с. и 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к металлургии, нефтепереработке, ликероводочному производству, парфюмерному производству, производству опресненной воды.

Известен способ разделения смесей веществ на фракции. При этом обеспечивают их свободное испарение при температуре ниже температуры кипения в высоком вакууме (10^-3 - 10⁵ мм рт.ст.). При температуре ниже точки кипения испаряющую поверхность размещают на расстоянии порядка длины свободного пробега молекул фракции от конденсирующей поверхности исходя из того, что молекулярные скорости перегоняемых фракций при заданной температуре отличаются друг от друга, а для уменьшения времени диффузии фракций из смеси к поверхности испарения толщину испаряющей смеси обеспечивают в пределах 0,05 мм за счет ее центрифугирования в конусном или другой формы сосуде, причем конденсацию фракций осуществляют на неподвижной конусной или другой формы поверхности (Большая советская энциклопедия, т. 8, 1972, стр. 315-316).

Однако способ обладает некоторыми недостатками. При фракционировании высокотемпературных смесей этот способ сложен тем, что центрифуга иногда должна работать при высоких температурах, например, при фракционировании сплавов металлов. Кроме того, обеспечение зазора между испаряющей поверхностью и конденсатором порядка длины свободного пробега молекул и атомов при высоких температурах проблематично из-за коробления материала центрифуги, т.к. ее термостатирование по всей поверхности не гарантировано и при этом возможны контакты поверхностей центрифуги и конденсатора. Наличие насоса, обеспечивающего высокий вакуум, неизбежно приведет к откачке части фракций, а при работе с металлами на частях конструкции, имеющих более низкую температуру, неизбежна конденсация фракций до твердого состояния.

Однако это устройство не позволяет перемешивать испоряемую смесь с целью обогащения испаряемого слоя фракцией, испаряемой при данной температуре. Кроме того, отсутствует направленный поток, обеспечивающий повышенный унос испаряемой фракции. Устройство также не предусматривает работу при высоких температурах.

Известно устройство для разделения смесей на фракции, содержащее испаритель, заполненный смесью фракций, нагреватель испарителя, конденсатор и насос в зоне испарения фракций (JP 58159886, кл. C 02 F 1/04, G 21 F 9/08, 22.09.83).

Техническим результатом является разделение фракций смеси с высокой чистотой.

Технический результат по способу достигается тем, что испарение каждой фракции производят при оптимальных температурах, когда упругость пара наиболее летучей фракции существенно превышает упругость пара фракций, оставшихся в смеси, причем температуру смеси с высокой точностью поддерживают в интервале оптимальных температур с помощью ее термостатирования в течение времени, пока данная фракция не испарится полностью, затем температуру термостата повышают до оптимальной для следующей фракции и полного ее испарения и т.д., а для ускорения ухода пара каждой из фракций над поверхностью смеси создают направленный поток пара или газа, нейтрального к смеси и любой из фракций, и затормаживают поток пара или газа в конденсаторе при температуре конденсации выбранной фракции.

Технический результат по способу достигается также тем, что направленный поток пара или газа создают до начала испарения фракций и откачивают остаточный паз из объема над поверхностью смеси при ее обезгаживании.

Технический результат по способу достигается также тем, что направленный поток пара или газа формируют со скоростью, равной или превышающей скорость звука.

Технический результат по способу достигается также тем, что в пределах интервала оптимальных температур для каждой фракции температуру наращивают непрерывно с учетом полного испарения данной фракции при верхнем пределе оптимального интервала температур.

Технический результат по способу достигается также тем, что каждую фракцию направляют в отдельный конденсатор.

Технический результат по способу достигается также тем, что в зоне конденсации любой из фракций обеспечивают откачку газа или пара, формировавших направленный поток, для снижения статического давления в области торможения потока и конденсации фракций.

Технический результат по способу достигается также тем, что для перемешивания смеси через ее толщину продувают пар или газ, нейтральные к смеси и фракциям.

Технический результат по устройству для разделения смесей на фракции достигается тем, что оно дополнительно содержит блок для создания направленного потока пара или газа, выполняющего также роль насоса при запуске, и термостат.

Технический результат по устройству достигается также тем, что оно снабжено сверхзвуковым соплом для формирования направленного потока пара или газа.

Технический результат по устройству достигается также тем, что испаритель размещен внутри термостата, а сам термостат выполнен с возможностью варьирования температуры и заполнен термоустойчивым веществом с высокой теплопроводностью, в котором размещены нагреватели.

Технический результат по устройству достигается также тем, что в зоне торможения направленного потока пара или газа и конденсации фракций размещен насос для снижения статического давления в этой области.

Технический результат по устройству достигается также тем, что для каждой фракции предусмотрен ей предназначенный конденсатор.

Технический результат по устройству достигается также тем, что оно снабжено дополнительно системой подачи с дна тигля пара или газа, нейтральных к смеси и фракциям.

Технический результат по устройству достигается также тем, что испаритель и корпус термостата изготовлены из графита.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен общий вид устройства для разделения фракций из смеси, где 1 - смесь фракций, 2 - испаритель, 3 - блок для формирования направленного потока пара или газа, 4 - направленный поток пара или газа, 5 - термостат, 6 - вещество термостата, 7 - нагреватель термостата, 8 - конденсатор, 9 - насос, 10 - область испарения фракций, 11 - система для подачи с дна тигля пара или газа в объем смеси.

Способ молекулярного разделения фракций и устройство для его осуществления обеспечиваются следующим образом.

В начале работы испаритель 2 загружают смесью фракций 1. Перед началом разделения фракций, т. е. перед разогревом смеси фракций 1 в испарителе 2 формируется направленный поток 4 пара или газа из блока 3 для его формирования. При этом обеспечивается предварительная откачка остаточного газа из области испарения фракций 10 смеси 1. Одновременно запускается насос 9 в зоне затормаживания направленного потока пара или газа 4 и последующей конденсации паров фракций на конденсаторе 8 для снижения статического давления в зоне торможения направленного потока пара или газа 4.

После выхода области испарения фракций 10 над поверхностью смеси 1 на стационарное статическое давление начинают разогрев смеси 1 за счет подачи мощности на нагреватели 7 термостата 5 и соответственно разогрев вещества термостата 6.

При этом начинается обезгаживание смеси 1, т.е. уход из нее растворенных газов. При расплавлении смеси 1, например металлов, этот процесс осуществляют достаточно медленно, т.к. в противном случае может начаться ее кипение за счет ухода растворенных газов, в которых может находиться кислород и азот. При интенсивном испарении легко испаряемых фракций и большом газоотделении на молекулярном уровне могут образовываться тугоплавкие окислы и взрывоопасные азиды фракцией, особенно при использовании данных способа и устройства в металлургии. При установлении квазипостоянного давления в области испарения фракций 10 на нижней границе области оптимальных температур производят вход в область оптимальных температур наиболее летучей фракции. Этот процесс разогрева может проводиться непрерывно в пределах области оптимальной температуры.

В замкнутом объеме, в котором заключены испаритель 2, блок 3 для формирования направленного потока пара или газа 4, конденсатор 8 и насос 9, проводят измерение давления остаточного газа при работе в объеме области испарения фракций 10. Конденсатор 8 в процессе приема направленного потока пара или газа 4 и атомарно-молекулярного потока фракций смеси 1 охлаждают до температуры конденсации фракций.

Конструкция конденсатора 8 предусматривает возможность индивидуального приема различных фракций смеси 1.

Работу по разделению фракций из смеси 1 проводят последовательно вначале для наиболее летучих фракций до их полного испарения из смеси 1, затем повышают оптимальный интервал температур и выделяют фракцию менее летучую до полного испарения и т.д.

Для улучшения парообразования фракций и их выхода из смеси фракций 1 через последнюю при расплавлении с помощью системы 11 с дна тигля 2 продувают нейтральный к смеси и фракциям пар или газ, фактически обеспечивая перемешивание смеси фракций 1.

Формула изобретения

1. Способ разделения смесей на фракции путем испарения при температурах ниже температуры их кипения с последующей конденсацией, отличающийся тем, что испарение каждой фракции производят при оптимальных температурах, когда упругость пара наиболее летучей фракции существенно превышает упругость пара фракций, оставшихся в смеси, причем температуру смеси с высокой точностью поддерживают в интервале оптимальных температур термостатированием в течение времени, пока данная фракция не испарится полностью, затем температуру смеси повышают до оптимальной для следующей фракции и полного ее испарения и так до испарения последней фракции, а для ускорения ухода пара каждой из фракций над поверхностью смеси создают направленный поток пара или газа, нейтральных к смеси и любой из фракций, и тормозят его в конденсаторе при температуре конденсации выбранной фракции.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что направленный поток пара или газа создают до начала испарения фракций и откачивают остаточный газ над поверхностью смеси при ее обезгаживании.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток направленного пара или газа формируют со скоростью, равной или превышающей скорость звука.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в пределах интервала оптимальных температур для каждой фракции температуру наращивают непрерывно с учетом полного испарения данной фракции при верхнем пределе оптимального интервала температур.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждую фракцию направляют в отдельный конденсатор.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в зоне конденсации любой из фракций насосом обеспечивают откачку пара или газа, формировавших направленный поток.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что через толщину смеси продувают пар или газ, нейтральные к смеси и фракциям.

8. Устройство для разделения смесей на фракции, содержащее испаритель, заполненный смесью фракций, нагреватель испарителя, конденсатор и насос в зоне испарения фракций, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит устройство для создания направленного потока пара или газа и термостат.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено сверхзвуковым соплом для формирования направленного потока пара или газа.

10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что испаритель размещен внутри термостата, а сам термостат выполнен с возможностью варьирования температуры и заполнен термоустойчивым веществом с высокой теплопроводностью, в котором размещены нагреватели.

11. Устройство по п.8, отличающееся тем, что в зоне конденсации фракций размещен насос для снижения статического давления в этой области.

12. Устройство по п.8, отличающееся тем, что для каждой фракции предусмотрен ей предназначенный конденсатор.

13. Устройство по п.8, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено системой для подачи с дна испарителя пара или газа, нейтральных к смеси и фракциям.

14. Устройство по п.8, отличающееся тем, что испаритель и корпус термостата изготовлены из графита.

РИСУНКИ

Рисунок 1