МНОГОФАЗОВЫЙ ЭКСТРАКЦИОННЫЙ АППАРАТ Российский патент 2004 года по МПК B01D11/04 

Изобретение касается многофазового экстракционного аппарата с двумя камерами, которые в своих верхних и нижних частях сообщены посредством соединительных каналов. Камеры полностью заполнены фазами и имеют сепараторы. Они оснащены диспергирующими устройствами и патрубками для подачи и отвода фазы отдачи и фазы приема.

Такой аппарат может применяться в химической и гидрометаллургической промышленностях, в микробиологии и других отраслях промышленности для разделения, концентрации и очистки веществ.

Известны аппараты для проведения процессов трехфазной жидкостной экстракции, выполненные в виде двухкамерных систем, причем обе камеры связаны между собой соединительными каналами для циркуляции сплошной фазы. Соединительные каналы выполнены в виде труб, связывающих между собой соответственно верхнюю и нижнюю части камер. Камеры полностью заполнены сплошной фазой, через которую пропускаются две диспергируемые тумановидные фазы, нерастворимые в сплошной фазе. Тем самым осуществляется переход веществ из одной диспергируемой фазы (фазы отдачи) в другую диспергируемую фазу (фазу приема) через образующую экстрагенты сплошную фазу (см., например, патентную заявку Российской Федерации 94 015776/26 от 27.04.1994).

Эти известные аппараты нуждаются в усовершенствовании в отношении их возможностей применения и производительности.

По оснащению и техническому действию они представляют уровень техники следующего поколения и в дальнейшем будут описаны подробнее. Обычный многофазовый экстракционный аппарат состоит из двух камер, заполненных сплошной фазой. Камеры имеют устройства для диспергирования фазы отдачи и фазы приема и связаны между собой соединительными каналами для обеспечения циркуляции сплошной фазы. При этом соединительные каналы связывают верхнюю часть первой камеры с верхней частью второй камеры, а нижнюю часть второй камеры с нижней частью первой камеры. Аппарат оснащен патрубками для подачи и отвода обеих дисперсных фаз и имеет сепараторы, которые расположены в области входных отверстия соединительных каналов. Диспергируемые фазы, фаза отдачи и фаза приема разбиваются в соответствующей камере посредством устройства для диспергирования на капли, которые затем движутся сквозь сплошную фазу в виде тумана. На основе разницы в плотности между дисперсией в первой камере и дисперсией во второй камере осуществляется циркуляция сплошной фазы через нижний и верхний соединительные каналы, так что происходит переход разделяемых веществ из фазы отдачи в одной камере в фазу приема в другой камере. При этом сплошная фаза в первой камере служит в качестве средства экстракции (а во второй камере в качестве фазы очистки).

Недостаток этого известного многофазового экстракционного аппарата заключается в том, что на скорость циркуляции сплошной фазы влияет только разница в плотности между дисперсиями в обеих камерах; уменьшение этой разницы в плотности снижает скорость циркуляции и может привести к пониженной эффективности аппарата.

В основу изобретения положена задача обеспечения эффективности многофазового экстракционного аппарата также в тех случаях, когда различие в плотности жидких смесей в обеих камерах невелико, чтобы оказывать влияние на циркуляцию сплошной фазы.

Эта задача достигается тем, что в многофазовом экстракционном аппарате с, по меньшей мере, двумя камерами, образующими ступени разделения, которые в своих верхних и нижних частях сообщены посредством соединительных каналов и которые оснащены устройствами диспергирования, имеют зоны сепарации, расположенные в области входных отверстий соединительных каналов, и патрубки для подвода и отвода фазы отдачи и фазы приема, согласно изобретению верхняя часть первой камеры сообщена с зоной сепарации в нижней части второй камеры, а верхняя часть второй камеры сообщена с зоной сепарации в нижней части первой камеры.

Дальнейшее развитие изобретения характеризуется тем, что обе камеры образуют ступени разделения, и несколько таких ступеней разделения подключены друг за другом.

Соединение верхней части первой камеры с нижней частью второй камеры, а верхней части второй камеры с нижней частью первой камеры обеспечивает циркуляцию сплошной фазы даже в случае отсутствия между двухфазовыми жидкими смесями в одной и другой камерах разницы в плотности (относительно средней плотности дисперсии в каждой камере). Циркуляция осуществляется автономно по градиентам плотности в одной из камер и посредством передачи импульса от капельного тумана, который вырабатывается в дисперсных устройствах, к молекулам сплошной фазы.

Другое преимущество заключается в том, что обе камеры могут функционировать в прямотоке (одинаковое направление движения сплошной фазы и дисперсной фазы). Использование обеих камер в качестве ступеней разделения и подключение таких ступеней друг за другом в ряд позволяет осуществить оптимальное проведение различных многоступенчатых процессов разделения веществ.

На фиг.1-3 схематически представлены три возможные формы исполнения многофазового экстракционного аппарата, выполненного согласно изобретению, а именно
на фиг. 1 изображен одноступенчатый аппарат с прямотоком фаз через обе камеры;
на фиг. 2 изображен многоступенчатый аппарат, в котором в одном корпусе размещены несколько двухкамерных ступеней разделения, а фазы отдачи и приема проходят при общем подключении ступеней разделения в прямоток;
на фиг. 3 изображен многоступенчатый аппарат, состоящий из нескольких двухкамерных ступеней разделения, и в котором фазы отдачи и приема проходят при общем подключении ступеней разделения в противоток.

Ступень разделения многофазового экстракционного аппарата во всех формах его исполнения состоит из первой камеры 1 и второй камеры 2, обе камеры снабжены установками диспергирования. В верхней и нижней частях камеры 1 и 2 связаны соединительными каналами 4. При этом каналы 4 соединяют верхнюю часть камеры 1 с нижней частью камеры 2, а верхнюю часть камеры 2 - с нижней частью камеры 1. Как показано на фиг.1-3, фазовая граница 5 контактирующих фаз (дисперсной и сплошной фаз) расположена снизу от входных отверстий 6 соединительных каналов 4. Камеры 1 и 2 многофазового экстракционного аппарата имеют сепараторы, в которых находится фазовая граница 5. Аппарат оснащен патрубками 9 и 10 для подвода и патрубками 11 и 12 для отвода фазы отдачи и приема.

Многофазовый экстракционный аппарат работает следующим образом.

Первая камера 1 и вторая камера 2 заполнены сплошной фазой в качестве экстрагента. В камеры через патрубки 9 и 10 и устройства распределения 3 поступают фазы отдачи и приема. Устройства распределения 3 распределяют фазы в тумановидной форме в сплошную фазу. Гомогенное диспергирование дисперсной фазы не является обязательным для проведения процессов разделения веществ. Дисперсная фаза может быть также введена в одну из камер в форме струй или слоев. Ввиду более высокой плотности по сравнению со сплошной фазой капли дисперсной фазы в камерах 1 и 2 движутся вниз и коалесцируют к поверхности фазовой границы 5 в сепараторах 7. При этом капельный туман движется в камерах 1 и 2 в прямотоке с сплошной фазой. Циркуляция сплошной фазы происходит как из-за различия в плотности дисперсий внутри камер, так и путем передачи импульса от дисперсной фазы к сплошной фазе и от энергии потока между дисперсной фазой и сплошной фазой.

Соответствующее изобретению соединение камер 1 и 2 посредством соединительных каналов 4 позволяет использование этих эффектов для ускорения (приведения в действие) сплошной фазы, вследствие чего сплошная фаза циркулирует между камерами 1 и 2 по соединительным каналам 4 через входные отверстия 6, причем входные отверстия расположены поверх фазовой границы 5 в сепараторах 7. Отделяемая компонента, таким образом, переносится из фазы отдачи через сплошную фазу в фазу приема. Фазы отдачи и приема выводятся из многофазового экстракционного аппарата посредством патрубков 11 и 12.

Многофазовый экстракционный аппарат, выполненный в соответствии с фиг.1, может также легко применяться для процессов разделения, при которых дисперсные фазы имеют меньшую плотность, чем сплошная фаза. Для этой цели аппаратура разворачивается на 180 градусов, так что заполняющие патрубки 9, 10 и устройства диспергирования (3) располагаются внизу, а патрубки 11, 12 для отвода фаз отдачи и приема - вверху. В этом случае фазовая граница 5 в сепараторах 7 находится сверху от отверстий соединительных каналов 4.

В многоступенчатом аппарате, выполненном согласно фиг.2 и фиг.3, процессы экстракции и реэкстракции повторяются на каждой ступени разделения. Смотря по тому, как подключены друг за другом ступени разделения, могут быть реализованы различные варианты процесса разделения веществ в зависимости от направленности потоков (прямоток или противоток). При этом следует учесть, что внутри каждой двухкамерной ступени разделения процесс разделения всегда осуществляется в прямотоке с дисперсной и сплошной фазой.

Тем не менее, в зависимости от общего подключения ступеней разделения, можно осуществить по выбору прямоток или противоток дисперсных и сплошной фаз.

Аппарат относится к химической промышленности и используется в качестве многофазового экстракционного аппарата с двумя камерами. Две камеры, образующие ступени разделения, в своих верхних и нижних частях сообщены посредством соединительных каналов и оснащены устройствами диспергирования. Кроме этого, камеры имеют зоны сепарации, расположенные в области входных отверстий соединительных каналов, и патрубки для подвода и отвода фазы отдачи и фазы приема. Верхняя часть первой камеры сообщена с зоной сепарации в нижней части второй камеры, а верхняя часть второй камеры сообщена с зоной сепарации в нижней части первой камеры. Данная конструкция аппарата позволяет обеспечивать эффективную экстракцию. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Многофазовый экстракционный аппарат с, по меньшей мере, двумя камерами (1, 2), образующими ступени разделения, которые в своих верхних и нижних частях сообщены посредством соединительных каналов и которые оснащены устройствами диспергирования (3), имеют зоны сепарации (7), расположенные в области входных отверстий (6) соединительных каналов (4), и патрубки (9, 10, 11, 12) для подвода и отвода фазы отдачи и фазы приема, отличающийся тем, что верхняя часть первой камеры сообщена с зоной сепарации в нижней части второй камеры, а верхняя часть второй камеры сообщена с зоной сепарации в нижней части первой камеры.2. Многофазовый экстракционный аппарат по п.1, отличающийся тем, что несколько ступеней разделения подключены друг за другом.