АППАРАТ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ВЕЩЕСТВ С ПОМОЩЬЮ ЖИДКИХ МЕМБРАН Российский патент 1997 года по МПК B01D61/38 B01D63/00 

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.

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.

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.