Термодиффузионная колонна Советский патент 1991 года по МПК B01D17/09 

Изобретение относится к устройствам для разделения жидких смесей, в частности к термодиффузионным колоннам с насадкой, и может быть использовано в области химической и биотехнологии, в особенности для получения высокообогащенных или особо чистых продуктов, выделения индивидуальных компонентов из растворов.

Целью изобретения является снижение удельных энергозатрат на процесс разделения за счет вертикального переноса целевого компонента по длине колонны.

На фиг. 1 изображена схема термодиффузионной колонны с насадкой; на фиг. 2 - показана рабочая камера, заполненная дискретными порциями капиллярно-пористой насадки; на фиг. 3 - графический пример разделения модельной смеси при решении

разделительной задачи в данной колонне и в прототипе.

Термодиффузионная колонна включает рабочую камеру 1, наружный рабочий цилиндр 2, камеру охлаждения 3, наружный цилиндр камеры охлаждения 4, внутренний рабочий цилиндр 5, камеру обогрева 6, патрубки подвода теплоносителя 7, патрубок отвода теплоносителя 8, пробоотборник 9, спираль 10, крышку 11, фланцы 12, трубку отвода теплоносителя 13, отверстие 14, площадку для крепления колонны 15, насадку 16.

Рабочая камера 1 заполнена дискретными порциями капиллярно-пористой насадки 16 с изменением проницаемости по ступенчатому приближению к параболической зависимости.

о ел о

00

о

Математическая зависимость

K KovYir.

где К0 - проницаемость насадки в сечении с исходной концентрацией;

Z - координата вдоль длины колонны;

L - длина колонны,

связывает такой важный параметр колонны как проницаемость насадки К и координату вдоль длины колонны Z (на фиг. 2 пунктирные линии указывают на соответствующие точки в рабочей камере к на графике). Координата возрастает а направлении отбора продукта, и она может быть направлена как вверх, так и вниз. Размерность координаты Z равна размерностм длины.

Из частного случая, приведенного на фиг. 2, следует, что при , т.е. проницаемость равна максимальному значению, выбираемому в известной мере произвольно и определяемого общей теорией термо- диффузжжных колонн.

В колонне это значение соответствует верхней точке, где концентрация смеси равна исходной. Все пространство выше этой точки заполнено исходной смесью и является питающим резервуаром. В нем разделе- ние не происходит. При , что соответствует точке на графике , проницаемость насадки минимальна, а пространство ниже этой точки является резервуаром для накопления целевого продукта.

Колонна работает следующим образом.

Под действием элементарного термодиффузионного эффекта в направлении градиента температуры происходит изменение концентрации смеси в восходящем вдоль стенки внутреннего горячего цилиндра 5 и нисходящим вдоль стенки наружного холодного цилиндра 2 конвективных потоках. В результате образуется вертикальный диффузионный перенос целевого компонента к точке отбора.

При этом за счет уменьшений проницаемости насадки по длине колонны происходит перераспределение вклада насадки в разделительную способность колонны, которая повышается, м вертикальный перенос, который уменьшается, В результате в колонне создается оптимальный режим работы по удельным энергозатратам. Это выражается либо в сокращении длины колонны, а следовательно, и энергозатрат а 1,4 раза при прочих равных условиях, либо в сокращения времени наработки конечного продукта не менее чем 1,4 раза при равных длинах колонн, что также равнозначно снижению удельных энергозатрат.

Последнее утверждение проверено экспериментально на модельной смеси п-геп- тан-бензол с концентрацией бензола 0,48 мол.д. на трех колоннах длиной 0,35 м,

глубиной рабочего зазора 2,52 мм, наружным диаметром рабочей камеры 30 мм. Отбор продукта производился из камеры накопления конечного продукта объемом 5 см3. На противоположном конце колонны

0 поддерживалась исходная концентрация смеси. В качестве насадки в данной колонне использовались стеклянные шарики узких фракций размером от 400-450 мкм до 100- 120 мкм е проницаемостью от 14,0

5 до 1, м2 соответственно. В двух колоннах, выполненных по прототипу, использовались два варианта насадки размером 400-450 мкм и 250-300 мкм. Разность температур в рубашках охлаждения и обогрева

0 составляла 60 К при средней температуре в рабочей камере 323 К.

Кривые а и б на фиг. 3 показывают изменение концентрации бензола в камере накопления конечного продукта с течением

5 времени для насадки 250-300 мкм и 400- 450 мкм соответственно. Кривая в описывает кинетику разделения в данной колонне. Оптимальная степень разделения, которая соответствует стационарному со0 стоянию для кривой б, быстрее достигается в предлагаемой колонне (кривая в). Уменьшение проницаемости в прототипе (кривая а) приводит к снижению скорости роста концентрации при высокой конечной

5 степени разделения, что энергетически невыгодно.

Удельные энергетические затраты для произвольной разделяемой смеси определяются в первую очередь величи0 ной термодиффузионной постоянной, являющейся физической характеристикой смеси. Использование изобретения позволит по меньшей мере в 1,4 раза снизить удельные энергозатраты в каждом конк5 ретном случае.

Формула изобретения Термодиффузионная колонна, содержащая рабочую камеру, образованную двумя вертикальными коаксиальными цилиндра0 ми и заполненную капиллярно-пористой насадкой, и устройство для поддержания градиента температуры в рабочей камере, патрубки ввода и вывода продукта и теплоносителя, отличающаяся тем, что, с

5 целью снижения удельных энергозатрат на процесс разделения за счет вертикального переноса целевого компонента по длине колонны, капиллярно-пористая насадка выполнена из дискретных порций, причем проницаемость каждой последующей порции уменьшается в направлении отбора продукта по следующей зависимости:

/4

16.

где Ко - проницаемость насадки в сечении с исходной концентрацией;

Z - координата вдоль длины колонны;

L - длина колонны.

О 0.2UQA В.Вк/Кь

- 0.2

- ол

-- Q6

0.8

1Ж

Фиг. 2

мол.й.йелзола,0/

Изобретение относится к устройствам для разделения жидких смесей, в частности к термодиффузионным колоннам с насадкой, и может быть использовано в области химической и биотехнологии, в особенности для получения высокообогащенных или особо чистых продуктов выделения индивидуальных компонентов из растворов и позволяет снизить удельные энергозатраты на процесс разделения за счет вертикального переноса целевого компонента подлине колонны. Термодиффузионная колонна содержит рабочую камеру, образованную двумя вертикальными коаксиальными цилиндрами, и устройство для поддержания в рабочей камере градиента температуры. Рабочая камера заполнен капиллярно-пористой насадкой. Капиллярно-пористая насадка выполнена из дискретных порций, проницаемость которых уменьшается в направлении отбора продукта по следующей зависимости: V f -Z/L гДе Ко ПР° ницаемость насадки в сечении с исходной концентрацией,-координата вдоль длины колонны; L - длина колонны. 3 ил.