АППАРАТ ДЛЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЖИДКОСТЕЙ РАЗЛИЧНОЙ ПЛОТНОСТИ Российский патент 1995 года по МПК B01D11/04 

Изобретение относится к аппарату, используемому для взаимодействия жидкостей различной плотности, в частности к жидкостному экстрактору.

Известны некоторые типы жидкостных колонных экстракторов, работающих с подачей дополнительной энергии и обеспечивающих радиальное смешивание между взаимодействующими жидкостями. Один из таких экстракторов имеет вертикальный цилиндрический кожух колонну с центральным вертикальным вращающимся стержнем, на котором послойно закреплены смешивающие элементы, например лопатки или диски. Вращение рассеивает одну из жидкостей во встречном потоке другой жидкости (в непрерывной фазе). В некоторых из таких колонных экстракторах смешивающие зоны (ступени) разделены отстойниками, например, уплотнительными слоями, перфорированными элементами, сетками фильтровальной ткани и т.п.). Теоретическое число ступеней таких смешивающих экстрактов колонного типа равняется 2-7 на метр, а удельная нагрузка равна 20-30 м³/м²ч. Эта группа включает следующие типы экстракторов, известных для специалистов: RDC (роторные диски), OLDSHUERUSTHON, SCHEIBEL, KUHNI, RZE (смешивающая камера), ВТС-RDC (внутренняя отражательная трубка) [1] Изготовлен также экстрактор с эксцентриковым вращающимся стержнем, в котором вращающийся диск установлен асимметрично (например, LUWA-ARD экстрактор). Теоретическое число ступеней в нем равняется 1-3 на метр, а удельная нагрузка 20 м³/м²ч.

Известны некоторые колонные экстракторы, в которых для улучшения эффективности рассеивания для эффективного взаимодействия вместо смешивания используется пульсация. Они включают жидкостные пульсационные и вибрационные экстракционные колонны. В первой из вышеназванных жидкости, находящиеся в противотоке в колонне, пульсируют благодаря действию пульсатора (например, поршневого пульсатора), соединенного с колонной. Радиальное смешивание пульсируемых жидкостей, рассеивание одной жидкости в другой достигается за счет рассеивающих элементов, установленных в колонне. Такими рассеивающими элементами могут быть, например, различные загрузки (Interpack шихта, Pall кольцо, форфоровое седлообразное тело). В данном случае удельная нагрузка равняется 15-25 м³/м²ч, теоретическое число ступеней 4-7 на метр, а скорость пульсации составляет 700-1300 мм/мин [1] Диспергирующими элементами могут быть фильтровальные пластинки, (перфорированные диски), разделяющие вертикальное внутреннее пространство колонны на камеры (стойки). Их поперечное сечение составляет 20-30% удельная нагрузка 30-60 м³/м²ч, теоретическое число ступеней равно 4-7 на метр, тогда как скорость пульсации составляет 700-1500 мм/мин/см [1] В экстракционных колоннах вибрационного типа жидкости контактируют будучи диспергированным за счет вибрации вверх и вниз перфорированного диска или фильтровальных (ситовых) пластинок, натянутых на общую стенку, с помощью внешнего пульсатора. Наиболее известным вибрационным типом экстракционной колонны является КАРР колонна, в которой поперечное сечение дисков составляет 50-60% удельная нагрузка 80-100 м³/м²ч, а теоретическое число ступеней 3-6 на метр [1]
Удельная нагрузка (м³/м²ч) пульсируемой или непульсируемой загруженной экстракционной колонны является приблизительно одинаковой, но пульсация жидкостей предупреждает или по крайней мере значительно снижает гофрирование, часто встречающееся в непульсируемой загруженной колонне, кроме того, он облегчает восстановление поверхности, контактирующей с непрерывной фазой. Диспергирование может быть интенсифицировано пульсацией, а теоретическое число ступеней удвоено. Но недостатком колонн с пульсируемой загрузкой является то, что они чувствительны к изменениям нагрузки и не могут гибко реагировать на колебания. Другой проблемой является то, что случайно находящиеся плотные частицы в жидкости нарушают процесс экстракции, поверхность загрузки и колонны становятся загрязненными, поэтому описанные колонны с пульсируемой загрузкой на могут быть использованы для экстракции жидкостей, содержащих плотные частицы.

Как результат пульсации получены очередные новые контактирующие поверхности и диспергирование может быть интенсифицировано в пульсируемых экстракционных колоннах с фильтровальными пластинками (типа перфорированного диска), в результате теоретическое число ступеней на метр по сравнению с непульсируемой колонной выше, а также даже по сравнению с пульсируемой загруженной колонной теоретическое число ступеней выше примерно на 25-30% В дополнение удельная нагрузка (м³/м²ч) может быть также увеличена пульсацией. Однако недостатком является то, что диапазон удельной нагрузки пульсируемой экстракционной колонны с фильтровальными пластинками узок. Следующим недостатком является то, что, будучи обусловленной значительным диспергированием, в некоторых случаях особенно, если экстрагируемая жидкость содержит плотные частицы, может образовываться медленно оседающая стабильная эмульсия, приводящая к прекращению процесса экстракции. Поскольку фильтровальная пластинка чувствительна к примесям, такие колонны не подходят для экстракции жидкостей, содержащих плотные частицы.

Путем вибрации перфорированных дисков в экстракционной колонне плосковибрационного типа (КАРР) удельная нагрузка (м³/м²ч) колонны (экстрактора) может быть значительно увеличена (до максимального значения среди колонных экстракторов), а также может быть интенсифицировано диспергирование, поэтому теоретическое число ступеней будет предпочтительным. В случае среднего или низкого поверхностного напряжения эти колонны могут быть выгодно использованы. Однако механизм, требуемый для вибрации фильтровальных пластин более сложен и, следовательно, более дорогостоящий, чем используемый для пульсации жидкостей, и степень сложности возрастает с диаметром колонны. Даже в этом случае существует проблема, обусловленная значительным диспергированием, особенно в жидкостях, содержащих плотные частицы, образования медленно оседающей эмульсии, препятствующей процессу экстракции. Такие колонны чувствительны к примесям и не пригодны для экстракции жидкостей, содержащих плотные частицы.

В общих словах было установлено, что конструкция экстракционной колонны, работающей с пульсирующей дополнительной энергией, проще других экстракторов, а стоимость является лишь долей смешивающего или другого типа, например центробежного экстрактора.

Центробежные противоточные экстракторы используются в промышленной ферментации для полной экстракции ферментных жидкостей, содержащих биомассу. Такими устаревшими аппаратами являются экстракторы PODBIELNIAK и ROBATEL. Их удельная мощность приемлема, но теоретическое число ступеней является низким, и вследствие высокой стоимости издержек и работы их применяют все реже и реже.

Согласно другому известному способу (Вестфалиа) большую часть из плотных частиц отфильтровывают из ферментных жидкостей с помощью вакуумного решетчатого барабана, а ферментную жидкость, содержащую малое количество плотных частиц (1-3% ) экстрагируют в два этапа в противоточном саморазгружающемся сепараторе. Стоимость операций (управление, поддержание, использование энергии, запасные части) этого высокостандартного аппарата является высокой.

Недавно использовались противоточные экстракционные декантеры для полной экстракции природных ферментных жидкостей, в которых может быть экстрагирована даже жидкость с высоким (60%) содержанием сухого вещества без предварительного фильтрования. Обращение с этим аппаратом достаточно просто, экстракция эффективна, но стоимость работ очень высока.

Целью изобретения является создание колонного аппарата, пульсирующего взаимодействующие жидкости, главным образом, аппарата, пригодного для экстракции, конструкция которого является простой, стоимость низкой, удельная нагрузка высокой (м³/м²ч) и, кроме того, теоретическое число ступеней на метр и эффективность высоким. Помимо этого, аппарат должен быть пригоден для экономичной и эффективной экстракции ферментных жидкостей, содержащих плотные частицы, без образования эмульсии при эффективном диспергировании и радиальном смешивании в ходе экстракции.

Изобретение основано на том, что, если пульсируемая жидкость подвержена диспергирующему эффекту, вызывающему сдвиг с помощью встроенных элементов, разделяющих колонну на отсеки, а жидкость интенсивно смешана, тогда взаимодействие происходит с благоприятной удельной мощностью подачи, риск засорения и образования эмульсии устранен и жидкость, содержащая плотные частицы, может быть экстрагирована в аппарате. Согласно другому утверждению, срезающедиспергирующий и смешивающий эффект может быть достигнут с помощью дисков, содержащих эластичные язычки, встроенные в колонне, поскольку эти пульсирующие эластичные язычки, размещенные в плоскости дисков, вибрирующих и функционирующих как вибрационный клапан, диспергируют путем срезания и интенсивного радиального смешения жидких фаз в отсеках, однако недостаток образования капель при срезающем эффекте имеет место.

На основе описанных выше утверждений цель изобретения была достигнута на аппарате, имеющем закрытую колонну, выполненную с трубой, подводящей к верхней части, для подачи жидкости с большей плотностью, и трубой, подводящей к нижней части, для подачи жидкости с меньшей плотностью, а также трубой, выступающей в нижней части колонны для слива жидкости большей плотности, и трубой, выступающей из верхней части для слива жидкости меньшей плотности, уровень контроля и приводящий в движение силовой регулирующий механизм соединен с трубопроводом, выводящим жидкость большей плотности, диспергирующие и смешивающие элементы, окружающие отсек снизу и один над другим, расположены в колонне, а пульсатор соединен с нижней частью колонны и характеризуется наличием дисков, образующих диспергирующесмешивающие элементы, указанные диски снабжены эластичными язычками, которые могут вибрировать в плоскости дисков и выходить из плоскости дисков в ходе вибрации, по их периферии находится зазор. Аппарат выполнен из антикоррозионных материалов. Колонна обычно имеет цилиндрическую форму.

Согласно предпочтительному варианту выполнения, данному в качестве примера, зазор, имеющийся вдоль периферии язычков, составляет 0,05-1,0 мм ширины. Разумеется, что зазора нет, когда язычки встают на место.

Согласно другому признаку изобретения язычки расположены в диске в виде зубьев пилы в одну или несколько линий.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения, приведенному в качестве примера, диск выполнен с жесткими пластинами и эластичными пластинами, содержащими эластичные язычки.

Следующий вариант выполнения аппарата отличается наличием упоров под и над эластичными язычками крест-накрест по отношению к их продольному направлению, упоры обычно имеют стержень для изменения расстояния от язычков.

На фиг. 1 показано схематичное вертикальное сечение предпочтительного варианта выполнения аппарата, приведенного в качестве примера; на фиг.2 схематичное вертикальное сечение двух дисков аппарата и отсека, окруженного ими, в увеличенном масштабе; на фиг.3 вид по стрелке А на фиг.2; на фиг.4 выполнение язычков, размещенных в плоскости дисков; на фиг.5 выполнение диска с отверстиями; на фиг.6 вариант выполнения аппарата, представленный в увеличенном масштабе, в котором диски содержат эластичные язычки; на фиг.7 схематичное вертикальное сечение аппарата, пригодного для экстракции ферментной жидкости.

Аппарат имеет колонну 1 с нижней 2 и верхней 3 отстойными камерами. Диаметр средней части цилиндрической колонны 1 меньше, чем диаметр подобных цилиндрических нижней 2 и верхней 3 отстойных камер соответственно, средняя часть колонны в несколько раз выше, чем камеры.

Поршневой пульсатор 4 соединен с нижней отстойной камерой 2, кожух поршня 5 входит в часть трубы 6, закрытой на уровне дна, выступающего из нижней отстойной камеры 2.

Вертикально размещенные диски 7 выполнены в средней части колонны 1, разделяя среднюю часть на отсеки 8. Структурная форма дисков 7 будет описана далее.

Поблизости от точки соединения средней части колонны и нижней отстойной камеры 2 трубопровод 9 подводится под нижний диск 7 в колонну 1 для ввода жидкости меньшей плотности. Над самым верхним диском 7, но ниже отстойной камеры 3 трубопровод 10 входит в колонну 1 для ввода жидкости большей плотности. Трубопровод 11 выходит из нижней отстойной камеры 2 и расположен параллельно вертикальной геометрической оси колонны, а его верхняя часть соединена с соответствующим уровневым контролем и приводящим в движение силовым регулирующим механизмом 12, резервуар 13 которого взаимосвязан с негибким трубопроводом 11 посредством гибкой секции трубопровода 14. Трубопровод 15, используемый для отвода экстракта из аппарата, соединен с резервуаром 13 с помощью подобной гибкой секции 16 трубопровода. Положение днища резервуара по отношению к входному отверстию трубопровода 10 и в связи с этим уровневый контроль и приводящий в движение силовой регулирующий механизм выполнены путем подъема и опускания резервуара. Это возможно благодаря гибким секциям трубопроводов 14 и 16. Трубопровод 17 для отвода раффината выходит из верхней части верхней отстойной камеры 3.

Расположение и способ действия двух дисков 7 в колонне 1, а также структурная форма диска 7 показаны в увеличенном масштабе на фиг.2 и 3. Как ясно показано на фиг.3, диск 7 состоит из двух частей, образованных зазубренными плоскими пластинами и язычками 18 и 19 в виде зубьев пилы, подходящими друг к другу таким образом, что между ними имеется постоянный зигзагообразный зазор 20, ширина которого предпочтительно находится между 0,05 и 1,0 мм. Для ясности, жесткая пластина диска 7, язычки 19 которой не могут эластично смещаться, отмечена штриховкой. С другой стороны, язычки 18 эластичной пластины могут вибрировать под действием внешней силы. Эластичная пластина может быть выполнена из пластмассы, металла, предпочтительно из эластичной кислотоустойчивой стали, пружинной бронзы или подобного гибкого металлического листа. Отмечено, что пары язычков 18 и 19 могут быть установлены в несколько линий в каждом диске 7, главным образом в случае большого диаметра диска. Жесткая пластина может быть выполнена из фарфора. Толщина пластины в основном зависит от типа материала пластины. Во время вибрации язычков 18 свободное поперечное сечение дисков 7 изменяется и их изменчивость была бы желательной даже во время операции. С целью ограничить вибрацию язычков 18 (см. фиг.2) жесткие упоры 21 закреплены поперек продольного направления язычков 18 с обеих сторон дисков 7. Путем изменения их положения может быть изменено свободное поперечное сечение дисков 7. Упоры 21 предпочтительно являются стержнями.

На фиг. 4 сделана попытка показать, что, если обе линии язычков 18 и 19 диска 7 выполнены из эластичного листа, тогда язычки могут быть получены путем механической обработки из единичного листа с помощью очень простой технологии путем разрезания вдоль зигзаговой линии, соответствующей зазору 20.

На фиг. 6 показано, что два упора 21 выполнены под и над диском 7 для диска, содержащего только эластичные язычки 18 по обеим сторонам от вертикальной геометрической оси, поскольку ограничение вибрации колеблющихся эластичных язычков 18 необходимо для обеих линий язычков.

Если необходимо увеличить удельное свободное поперечное сечение диска 7, конец эластичных язычков 18 может быть обрезан по кривой, т.е. язычки 18 являются короче. Диск может иметь круглые отверстия 22, а полукруглые профили имеются в жесткой пластине на конце язычков 18. Отверстия 22 увеличивают удельное свободное поперечное сечение диска 7.

Аппарат работает следующим образом.

Жидкость низкой плотности и жидкость высокой плотности вводят в колонну 1 через трубопровод 9 внизу и трубопровод 10 наверху соответственно. Допускают, что жидкость низкой плотности содержит экстрагируемый активный элемент, а жидкость высокой плотности является одной из экстрагируемых жидкостей. Под влиянием разности плотностей и пульсатора 4 жидкости направляются с помощью механизма контроля уровня и приводящего в движение силового регулирующего механизма в колонну 1 противотоком в направлении гравитации, т.е. жидкость высокой плотности течет вниз, а жидкость низкой плотности поднимается вверх, т. к. последняя, текущая вниз, заставляет первую из вышеназванных подниматься вверх. В ходе противотока эластичные язычки, оставленные в постоянной вибрации за счет пульсирующих жидкостей (т.е. внешней силы), разрывают плотную жидкость на срезающедиспергированные капли, посредством чего фаза диспергирования осуществляется и интенсивное радиальное смешивание имеет место между фазами в отсеках колонны. Образование капель происходит мягко и размер капель становится устойчивым даже визуально. Размер отверстий, образованных в ходе вибрации язычков 18, изменяется автоматически будучи зависимым от скорости пульсации и удельной нагрузки а движение язычков ограничивается упорами 21. Высокие скорости потока в зазорах 20 предупреждают засорение (эта опасность существует в известных экстракторах, когда жидкость содержит твердую фазу).

Разделение жидких фаз в нижней 2 и верхней 3 отстойных камерах колонны 1 происходит только под действием силы тяжести. Жидкость низкой плотности (раффинат), освобожденная от активного ингредиента, покидает верхнюю отстойную камеру 3 через трубопровод 17, тогда как жидкость высокой плотности, включая активный ингредиент (экстракт), покидает колонну 1 через трубопровод 11, выходящий из нижней отстойной камеры 2, и проходит через резервуар 13 механизма контроля уровня и приводящего в движение силового регулирующего механизма 12 через трубопровод 15.

В случае работы аппарата для экстракции природных ферментных жидкостей трубопровод 9 выходит из чана 23 ферментера 24, а в чан помещена соответствующая пропеллерная мешалка 25. Трубопровод 10 использован для подачи растворителя, тогда как жидкости, облегчающие экстракцию, подаются в систему через трубопроводы 26 и 27, входящие затем в трубопровод 9, подводящий натуральную ферментную жидкость.

Аппарат (фиг.7) работает следующим образом.

Природная ферментная жидкость, содержащая биомассу, является фазой низкой плотности, тогда как хлорид метилена, производящий растворитель, т.е. экстрагирующую жидкость, является фазой высокой плотности, таким образом, последняя вводится в колонну 1 сверху, а первая из вышеназванных со дна через трубопроводы 10 и 9. Нагрузка колонны 1 изменяется между 8 и 17 м³/м²ч, оптимальная скорость пульсации составляет 0,6 см/с, отношение растворителя к ферментной жидкости находится между 1:1 и 1:2. За счет действия пульсатора 4 вибрирующие язычки дисков 7 вызывают срезающедиспергирующий и радиально-смешивающий эффект. Эффективность экстракции составляет выше 95% на предлагаемом аппарате и ферментная жидкость может быть экстрагирована даже при существовании опасности образования эмульсии. Вся биомасса выводится с раффинатом в ходе постоянной экстракции, таким образом, экстракт больше не содержит взвешенных плотных частиц. Прекращение операции по техническим причинам не влияет каким-либо значительным образом на экстракцию.

Предлагаемый аппарат обладает высокой нагрузочной способностью, он не чувствителен к изменению нагрузки и высоко эффективен в широком интервале нагрузок, позволяя получать уменьшенное обратное смешение. Теоретическое число дисков на метр (число ступеней) является благоприятным для уменьшения высоты колонны Таким образом, требуемое пространство является малым, требования по уходу и стоимость сборки значительно ниже, чем у известных аппаратов такой же мощности. Время, необходимое для нахождения двух вводимых фаз в объеме аппарата, соответствующих теоретической ступени, очень мало и благоприятно влияет на эффективность экстракции. Энергия, требуемая для работы аппарата (без ротационной части) мала, но стоимостные индексы, связанные с работой и издержками, также являются благоприятными, благодаря простой конструкции. Главным преимуществом является отсутствие образования эмульсии в аппарате в ходе работы, а также благодаря высоким скоростям протекающих жидкостей через зазоры с изменяющейся шириной, окруженные вибрирующими язычками. Нет опасности засорения и простоя даже, если жидкости, содержащие биомассу, могут быть также экстрагированы с помощью предложенного аппарата.

Использование: для взаимодействия жидкостей различной плотности. Сущность изобретения: аппарат имеет колонну 1 с закрытым внутренним пространством. Трубопровод 10 входит в его верхнюю часть для подвода жидкости высокой плотности, а трубопровод 9 входит в его нижнюю часть для подвода жидкости низкой плотности. Трубопроводы 11 и 17 выходят из нижней части для отвода жидкости высокой плотности и из верхней части для отвода жидкости низкой плотности. Диспергирующесмешивающие элементы, окружающие отсеки, находятся ниже и выше один другого в колонне 1. Пульсатор 4 соединен с нижней частью колонны. Диспергирующесмешивающие элементы, образованные дисками 7, имеют эластичные язычки в плоскости дисков, способные вибрировать и двигаться вне плоскости диска во время вибрации, а также зазор, проходящий вдоль периферии язычков. 7 ил.

1. АППАРАТ ДЛЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЖИДКОСТЕЙ РАЗЛИЧНОЙ ПЛОТНОСТИ, в частности, для экстракции жидкостей, содержащий колонну с закрытым пространством, впускные трубопроводы для подвода жидкости высокой плотности в верхнюю часть колонны и подвода жидкости низкой плотности в нижнюю часть колонны, выпускные трубопроводы для отвода жидкости высокой плотности из нижней части колонны и отвода жидкости низкой плотности из верхней части колонны, механизм контроля уровня жидкости, соединенный с выпускным трубопроводом для отвода жидкости высокой плотности, диспергирующе-смешивающие диски, расположенные в колонне ниже и выше один другого и разделяющие колонну на отсеки, и пульсатор, соединенный с нижней частью колонны, отличающийся тем, что диспергирующе-смешивающие диски состоят из по меньшей мере двух частей, отделенных одна от другой по пилообразной линии с образованием зазора, при этом одна часть дисков жесткая, а другая эластичная и имеет язычки, расположенные между выступами жесткой части и установленные с возможностью вибрации относительно плоскости дисков. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что толщина зазора составляет 0,05
1,00 мм.