Устройство л.и.рабиновича для сепарации из жидкости частиц с электрическим зарядом постоянного тока

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик ()975090 (61) Дополнительное к авт. свиД-ву (22) Заявлено 05.03. 80 (21) 2908892/23-26 сприсоединениемзаявки №(31) М. Кн.з

В 03 С 1/00

Государственный комитет

СССР ио делам изобретений и открытий (23) Приоритет1331 УДЙ 6 28. 16 5 (088. 8) Опубликовано 231182. Бюллетень ¹ 43

Дауа опубликования описания 23.11.82 (72) Автор изобретения

Л. И. Раб и нов ич

С

1 (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО Л. И. РАБИНОВИЧА ДЛЯ СЕПАРАЦИИ

ИЗ ЖИДКОСТИ ЧАСТИЦ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ЗАРЯДОМ

ПОСТОЯННОГО ЗНАКА целью изобретения является повышение эффективности процесса сепарации

15 .из жидкостей частиц с электрическим зарядом постоянного знака и расширение области применения данного устройства.

Поставленная цель достигается тем, 20 что устройство, включающее распыли;тельную форсунку и источник магнитного поля, снабжено верхней камерой, изогнутой s вертикальной плоскости по дуге в пределах от 135 до 210, и соединенной с ней нижней камерой, I выполненной в виде вертикальной шахты, дополнительным источником магнитного поля, установленным на боковых сторонах шахты, форсунка устанозлена на входе в изогнутую камеру, а нижний конец вертикальной шахты

Изобретение относится к сепараци онной технике, к устройствам для отделения взвешенных в жидкости частиц, несущих электрический заряд постоянного знака, только отрицательный или только положительный, и может быть применено в медицине, ветеринарии и медицинской промышленности для исследования и переработки крови, лечения некоторых видов гематологических болезней, очистки жидкостей и культуральных сред в пищевой и микробиологической промышленности, например для ускоренного изготовления ,сухих виноградных вин.

Известно устройство для сепарации из крови человека и животных форменных элементов (лейкоцитов, тромбоцитов, эритроцитов, нейтрофилов и т.д.), на мембранах которых содержится отрицательный поверхностный заряд разной величины, включающее электромагнит, между полюсами которого перемещают взвешенные в жидкой плазме форменные .элементы крови И1 °

Недостатком этого устройства является большое гидродинамическое сопро-. тивление перемещению эЛементов в жидкости при взаимодействии поля магнита и собственного поля элемента.

Известно также устройство для магнитной обработки жидкостей, включающее распылительную форсунку и источник магнитного поля. Распыленную жид. кость перемещают относительно полю сов магнита и тем самым изменяют ее свойства, например увеличивают качество распыла форсунки (2).

Однако известное устройство не повышает эффективности сепарации частиц.

975090 снабжен емкостями отвода сепарируемых частиц.

Кроме того, верхняя камера устройства выполнена с возрастающей в направлении от распылительной Фор, сунки .к вертикальной шахте высотой поперечного сечения при неизменной площади поперечного сечения.

В месте соединения верхней и нижней камер могут быть установлены патрубки отвода сепарируемых частиц, IÎ а е лкости отвода сепарируемых частиц выполнены в виде параллельно расположенных бункеров треугольного сечения, причем нижняя часть всех бункеров снабжена дополнительным !5 узлом ввЬда буферной среды.

На Фиг. 1 изображена общая схема устройства; на фиг, 2 — схема сепаратора; на фиг. 3 — разрез АА на фиг. 2; на Фиг. 4 — узел I на фиг. 2; 2О на Фиг. 5 — разрез Б-Б на фиг. 2; на Фиг, 6 — разрез В-В на Фиг. 2; на Фиг. 7 — разрез Г-Г на .Фиг. 2; на Фиг. 8 — форсунка. устройство состоит иэ сепаратора 1, узлов 2 и 3 ввода жидкости и буферной среды, источника 4 магнитного поля, емкостей 5 отвода сепарируе лых частиц и Форсунки б, выполненной н виде лотка 7 с отверстия ли

8 н его дне 9. При этом узел 2 ввода жидкости подведен к форсуике б над дном 9, а узел 3 — под дном. Корпус сеп †.ратора 1 имеет верхнюю камеру 10, изогнутую н вертикальной плоскости по дуге н пределах от 135 до 210о,. 35 и нижнюю камеру в ниде вертикальной . шахты 11 с полюсами источника 4 магнитного поля на боковых сторонах шахты. Камера 10 и шахта 11 выбраны прямоугольного поперечного сече- 49 ния со сторонами размеров по ширине и по высоте Ь, изменяющимися по ходу потока от форсунки к вертикальной шахте. Размеры а уменьшаются, размеры b возрастают. При этом пло- 45 щадь поперечного сечения верхней камеры 10 остается постоянной. На входе н верхнюю изогнутую камеру 10 установлена форсунка б, другой конец камеры 10 соединен с шахтой 11. Ниж- О ний конец шахты 11 снабжен емкостями 5 отвода сепарируемых частиц. Отверстия 8 в дне 9 лотка форсунки (Фиг. 8) имеют диаметр, соизмеримый фо средним диаметром сепарируемых частиц.

Помимо источника 4 магнитного поля. на боковых стороных шахты 11, над и под камерой 10 по стороне раз-. мером а расположены полюсы источни-. 6О ка 12 магнитного поля. В месте соеди-, нения камеры 10 и шахты 11 (разрез

В-B на Фиг. 2) могут быть расположены четыре или меньшее число патрубков 13-16, соединенные при необходи- 65 мости с отделителем 17 частиц типа

Фильтра, циклона или отстойника, далее с нагнетателем 18 через теплообменник 19 : унлажнители 20 газов с форсункой б и емкостями 5. Все емкости 5 имеют форму бункеров треуголь- ного сечения, они установлены параллельно в один ряд в нижней части шахты 11, к нижней части всех емкостей 5 через дополнительные узлы 21 ввода буферной среды присоединен трубопровод 22 от нагнетателей 18.

Источником буферной газоной среды

Может быть сжатый воздух или специально подобранный газ с заданными свойствами от источника 23. Источник

24 жидкости с сепарируемьми частицами через теплообменник 19 и узел 2 ввода присоединен к форсунке б, От нижней части всех емкостей 5 отходят трубы 25 для отвода оставшейся жидкости через трубопровод 26, например, обратно в источник 24 или для отвода, отдельных фракций частиц по трубкам 27.

Все части устройства могут иметь требуемую термоиэоляцию 28, необходимую запорно-регулирующую арматуру 29. Теплообменники 19 фактически могут быть при необходимости установлены на узлах ввода жидкости и буферной среды для изменения и доведения температуры до требуемой величины. Форсунка б выполнена быстросъемной, вэаимозамеянемой, она может быть одноразового применения для обеспечения стерильности. Источники

4 и 12 магнитного поля выполнены с возможностью изменения знака полюсов, так что направления силовых линий могут быть при необходимости изменены на обратные °

Устройство работает следующим образом.

От источника 24 (сосуд, доннор . и т.д.) жидкость с частицами самотеком или принудительно нагнетателем 18, при необходимости через теплообменник 19, вводят н лоток 7 форсунки б. Одновременно от патрубков 13-16, всех или их части, а также от источника 23 подают нагнетателями 18, при .необходимости через теплобменники 19 и увлажнитель 20, газообразную буферную среду. До ввода в сепаратор ее разделяют на два потока, один из которых вводят н форсунку 6 через узел 3 ввода, второй поток вводят по трубопроводу 22 через, дополнительные узлы 21 в нижнюю часть вертикальной шахты 11 и в еглкости 5 отвода сепарируемых частиц. Лалее жидкость с частицатли распыляют продувкой ее буферной средой.

Для этого в форсунке б через мельчайшие параллельные отверстия 8 газовые потоки в виде тончайших стро975090 го параллельных струек проходят дно

9 лотка 7 и входят в слой жидкости.

Здесь давление газа резко падает, каждая струйка газа увеличивает свой диаметр, поднимается вверх по слою жидкости, резко турбулизируясь, завихряясь. У поверхности происходит разрушение тонких перемычек по жидкости (а, не по частицам, обладающим большей прочностью) . Вверх поднимает,ся факел с начальной шириной 10-30мм, состоящий иэ ультратонких капель жидкости, частиц и их смесей. Подбирая величины диаметра отверстий форсунки, давление газа, высоту слоя жидкости в лотке 7 добиваются того, чтобы основная масса капель аэроэольного факела имела диаметр, равный не более двум средним диаметрам се- арируемых частиц.

Распыленная до нужных кондиций жидкость с частицами образует поток, который перемещают далее по верхней камере 10, причем высота сечения потока увеличивается, ширина соответственно уменьшается, площадь поперечного сечения потока, а следовательно, и скорость потока остаются постоянны-. ми. Поток изгибается в вертикальной плоскости в камере 10 примерно на

180 в магнитном поле источника 12 °

При этом на частицы факела в потоке действует центробежная сила, сила тяжести, сила потока, а также, если частица факела имеет электрический заряд, то при пересечении силовых линий поля возникает Лоренцева сила, направление которой зависит от направления силовых линий поля. Причем поскольку знаки полюсов можно изменять, к частице можно приложить .

Лоренцеву силу требуемого направления. Также поддается регулировке в широких пределах центробежная сила и сила потока путем изменения скорости потока за счет изменения соотношения потоков газа, Используя указанные широкие воэможности регулирования, добиваются того, чтобы в конце верхней камеры 10 сепарируеиые частицы иногда вместе с другиии, несепарируеиыми частицами, но близкими к первым по свойствам, оказались сдвинутыми либо к перефирийным зонам, либо к центральным, в то же время остальные частицы, существенно отличающиеся or сепарируемых, оказались в противоположных зонах. Таким образом, поток аэрозоля в верхней камере 10 как бы подвергается предварительной грубой сортировке на две группы, причем сепарируемые частицы должны находиться только в одной из групп.

Факел в шахте 11 перемещают сверху вниз в потоке той же- буферной газовой среды, но. направленной противоположно, т.е. снизу вверх и перпендикулярно силовым линиям магнитного поля источника 4. Полюса источника можно изменять по знаку, так что на частнцу {Фиг.2) в общем случае наряду с силой, гравитации действует направленная вверх динамическая сила потока, направленная по желанию влево или вправо в зависиt0 мости от знака полюсов Лоренцева сила и сила инерции, направленная сверху вниз. Высота сечения шахты увеличивается при уменьшении ширины сечения. Площадь поперечного сечения может быть постоянной. Скорость

15 восходящего потока выбирают иэ соотношения

С.= (1,2-3,5)хС,, где С вЂ” скорость потока восх дящей

20 буферной среды --. ыахте, м/с;

С - установившаяся скорость

1 свободного падения сепарируеиых частиц в той же не25 подвижной буферной среде, м/с.

Благодаря тому, что С С„ удается быстро погасить кинетическую энергию сепарируемых частиц, приобретен30 ную в верхней камере 10. Укаэанный интервал значений (1,2-3,5) достато- . чен для создания различных эффектов и технологических приемов, диктуемых поставленной задачей. Если, например, сепарируются частицы с высокой парус35 ностью, то выбирают С = (1, 2 -1, 8) х х С, достаточную, чтобы обеспечить очень медленное, очень длительное опускание ("парение") этих частиц

40 в шахте, при котором особенно эффективно действуют на частицы Лоренцева силы. В других случаях, например, когда парусность частиц очень мала, выбирают С = (2,6-3,5)хГ, Этих скоростей достаточно лишь для тормо5 жения частиц и осуществления "мягкой .посадки", исключающей их удар и повреждение в емкостях 5. Однако при .этом все остальные частицы уносятся восходящим потоком.

Возможны и другие схемы технолоk гических процессов, например, когда при выбранной скорости С факел между камерой 10 и шахтой. 11 разделяется, в основном, на три отдельных потока.

Первый иэ них с частицами преобладающей высокой парусностью быстро гасит свою кинетическую энергию в восходящем потоке и затем выводится через патрубки 13-16 (или их часть) в отдепитель 17 ° Второй поток факела с частицами преобладающей малой парусностью перемещают по шахте 11 сверху прямо вниз с небольшим замедлением движения в.восходящем потоке газовой сре»

М ды. Однако время пребывания этих

975090 частиц в шахте невелико и магнитное поле не спевает их заметно отклонить Частицы попадают в средние емкости 5, расположенные в центральной зоне нижней части шахты. Потоки газовой среды в емкостях 5 еще более притормаживают частицы, предотвращая их повреждение от удара ("мягкая по.садка"). Третий поток факела с частицами преобладающей средней величиной парусности как раз и соответствует ранее описанному потоку, для которого специально подбирались оптимальные скорости С восходящего потока, при котором имеет место медленное

"парящее" опускание частиц с длительным действием Лоренцевых сил. Третий поток расположен у боковых стенок вертикальной шахты 11 и, благодаря

Лоренцевым силам, распределяется по емкостям 5, расположенным в крайних зонах шахты согласно величине присущего им электрического заряда. Эти частицы также осуществляют "мягкую посадку" в емкостях 5 благодаря восходящим газовим потокам. Если буферная газообразная среда, предварительно охлаждена в.теплообменнике 19 и увлажнена в увлажнителе 20, то благодаря очень мелким размерам частиц третьего потока факела (сепарируемых частиц), очень большой суммарной поверхности контакта с газом и большой длительности этого контакта по времени, происходит быстрое, интенсивное охлаждение частиц, которое может быть использовано, например, для их криоконсервирования, а увлажнение может предохранитЬ частицы от . их пересыхания в газовой среде.

Сепарируемые частицы могут быть выведены из сепаратора или иэ своих емкостей 5 по трубкам 25 и 27, или из отделителей 17 в зависимости от примененной технологической схемы процесса. Остальные частицы могут быть возвращены по трубопроводу 26 в источник 24 или выведены иэ устройства. Термоизоляция 28 позволяет поддерживать в сепараторе заданную температуру. !

Укаэанные примеры являются лишь небольшой частью различных других возможных комбинаций и режимов. Прй этом возможна особо тонкая сепарация частиц с весьма малыми отличиями

Й уг от друга. Это достигается повтор м или многократным последовательным

r.-.,>÷öåñòâëåíèåì описанного способа на р:-..зных режимах. Тот факт, что все частицы имеют постоянный знак заряда, препятствует их слипанию в факеле,.

Таким образом, в предлагаемом устройстве процесс распыления обеспечивает тонкодисперсный равномерный аэрозольный факел без повреждения, клеток. Для сепарации заданного сорта частиц к ним можно пожеланию приложить не одну, а целый комплекс разнородных сил, влияя на их величину и направление э широких пределах.

Все это позволяет повысить эффективность и избирательную способность процесса сепарации и расширить область применения устройства. Изменение температуры газовой буферной среды поз-.1

10 воляет очень быстро охлацить частицы, например, для криоконсервирования клеток. Противопоток в вертикальной щахте позволяет избежать или смягчить удар частиц о емкости 5 и тем самым избежать их повреждений. Использование в качестве промежуточной буферной среды гаэа, а не жидкости, облегчает отделение этой среды от частиц и их более широкое использова20 ние.

Использование нового физического фактора - парусности — в сочетании с г:ереводом жидкости в состояние аэрозоля позволяет эффективно сепа25 рировать частицы, мало отличающиеся по величине электрического заряда, мало или совсем не отличающихся по массе, но существенно отличающиеся по парусности. Парусность позволяет

3Q ускорить или замедлить скорость движения частиц в магнитном поле и тем самым усилить или ослабить взаимодействие полей, Формула изобретения

1. Устройство для сепарации иэ жидкости частиц с электрическим эа40 рядом постоянного знака, включающее распылительную форсунку и источник магнитного поля, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения эффективности процесса сепарации и ,расширения области применения, онО снабжено верхней камерой, изогнутой в вертикальной плоскости по дуге в пределах от 135 до 210О, и соединенной с ,ней нижней камерой, выполненной в виде вертикальной шахты, дополнитель5О ным источником магнитного поля, установленным на боковых сторонах шах.— ты, форсунка установлена на входе в изогнутую камеру, а нижний конец вертикальной шахты снабжен емкостя55 ми отвода сепарируемых частиц,,2. Устройство по и. 1, о т л ич а ю,щ е е с я тем, что верхняя камера выполнена с возрастающей в направМ1 ленин от распыпительной форсунки к вертикальной шахте высотой поперечного сечения при неизменной площади поперечного сечения.

3. Устройство по п. 1, о т л и ч а65 ю щ е е с я тем, что в месте соеди975090

10 нения верхней и нижней камер установлены патрубки отвода сепарируемых частиц, а емкости отвода сепарируемых частиц выполнены в виде параллельно расположенных бункеров треугольного сечения, причем нижняя часть всех бункеров снабжена дополнительным узлом ввода буферной среды.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Козинец Г, И. и др. Клеточннй злектрофорез — его теоретическое и практическое значение. — "Проблеми гематологии и переливания крови", 1979, 9 2, с. 40

45, 2. Авторское свидетельство СССР

М 544616, кл. С 02 F .1/46, 04.12.74 (прототип).

975090 фиа 6

Составитель О. Симоненко

Редактор И. Николайчук Техред М.Надь КорректорВ.Бутяга

Заказ 8877/8 Тираж 594 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. ужгород, УЛ. Проектная, 4