Способ периодической экстракции Советский патент 1991 года по МПК B01D11/04 

Изобретение относится к химической технологии и может быть использовано как в лабораторных, так и производственных условиях при проведении процесса экстракции в химической и пищевой промышленности,

Цель изобретения - увеличение количества экстрагируемого вещества в единицу времени с единицы плоской границы раздела фаз жидкостей

На фиг.1 представлена схема получения стоячих волн; на фиг.2 - схематическая картина движения частиц одной из жидкостей в стоячей волне; на фиг 3 - схема перемещения частиц в горизонтальной плоскости; на фиг 4 - кривые кинетики процесса экстракции через плоскую границу 7 раздела фаз при низкочастотном вибрационном воздействии и с помощью мешалки.

Способ осуществляют следующим образом.

В емкость заливают две несмешивающиеся жидкости, в одной из которых находится экстрагируемый компонент. Тяжелая жидкость находится у дна сосуда, легкая - над ней, их разделяют четко выраженная плоская межфазная поверхность.

На эту межфазную поверхность воздействуют низкочастотными колебаниями в диапазоне частот 20-40 Гц с амплитудой 0,1-3 мм. С помощью колебаний создают когерентные поверхностно-капиллярные волны, распространяющиеся вдоль границы 1 раздела фаз во взаимно перпендикулярных направлениях. Когерентные волны, распространяющиеся по межфазной поверхности, интерферируют и образуют стоячие поверхностно-капиллярные волны с прао о

ND О О ГО

вильно расположенными узлами, пучностями и четко выраженными ячейками.

При вертикальных колебаниях вибрирующего элемента вдоль оси, перпендикулярной плоскости границы раздела фаз, на межфазной поверхности возникают капиллярные волны по двум перпендикулярным осям X и Y. Волны являются стоячими, если п кратно половине длины поверхностно-капиллярной волны Я/2. При этом

А У:

2 л: (712

(Я1-/)2 где 012 - коэффициент межфазного поверхностного натяжения, Н/м;

pi - плотность 1-й жидкости, кг/м3

р2 - плотность 11-й жидкости, кг/м ;

f - частота колебаний, Гц.

Таким образом, можно подобрать ряд частот, при которых для вибрирующего элемента с заданным на поверхности жидкости образовываются стоячие поверхностно-капиллярные волны, изображенные на фиг.1.

Плюсами обозначены максимумы мгновенной волновой картины, минусами - минимумы; в следующие полпериода максимумы и минимумы меняются местами. При колебаниях возникают узлы двух типов: образованные на пересечении узловых линий по осям X и Y, обозначенные точками, и узлы, образованные сложением максимумов и минимумов по осям X и Y, обозначенные кружочками. Элементарная ячейка, содержащая вихрь, .выделена линиями, В каждой такой ячейке вокруг узлов, обозначенных точками, возникают вихревые движения жидкости. Направления вращения вихрей вокруг каждой оси чередуются, а скорости приблизительно равны. Скорость вращения вихря в каждой ячейке зависит от величины колебательной скорости ш А 2тгтА низкочастотного воздействия.

На фиг.2 схематически представлена картина движения частиц одной из жидкостей в стоячей волне, из которой видно, что в пучностях частицы совершают вертикальные перемещения, в узлах - горизонтальные, а в промежуточных точках - наклонные. Из фиг.З (горизонтальные перемещения частиц) видно, что вдоль оси X и Y частицы совершают колебательное движение по гармоническому закону во взаимно перпендикулярных направлениях. Поэтому траекторией движения этих частиц является окружность. На практике в каждой ячейке вокруг узлов получены вихри. Скорость вращения этих вихрей Qзависит от амплитуды

0

5

0

колебаний А вибрирующего элемента и его частоты.

Таким образом, с помощью количества, размера и скорости вихрей, расположенных в правильном порядке на межфазной поверхности и полученных путем наложения такого рода низкочастотных колебаний на границу раздела фаз, можно управлять изменением двух параметров колебательного движения, а именно амплитуды и частоты.

Влияние вихрей на диффузию можно объяснить следующим образом. Поле скоростей от цепочки вихрей, расположенных вблизи межфазной поверхности . можно задать с помощью комплексного потенциала

jr sn-f(Z-ih) р + i У; x In

sin

(Z + ih)

где Г- циркуляция;

(р- потенциал;

ip- функция тока;

In - расстояние между вихрями;

- координата цепочки вихрей.

Концентрация распределяемого компонента С в квазистационарном приближении удовлетворяет уравнению

АС «эх

rhЈ

ах

dY

D AC.

Решение задачи с граничным условием

1-го ряда при записывается в виде С Со, где а - постоянный коэффициент.

Достоинство концентрации вдоль линии тока означает, что ядра вихрей

являются стоками в поле градиентов концентрации, следовательно, вихри вблизи межфазной поверхности интенсифицируют процесс массопередачи.

Для различных скоростей существуют

нижний и верхний пределы колебательных скоростей низкочастотного воздействия, за пределами которых эффект управляемого вихревого движения в узлах отсутствует. Верхний предел колебательной скорости

обусловлен правильной структурой ячеек поверхностных волн, при этом наблюдается разрыв межфазной поверхности с эффектом фонтанирования и разбрызгивания. Нижний предел колебательной скорости обусловлен тем. что с него наблюдается образование микровихрей в ячейках поверхностно-капиллярных волн.

Пример. Экстракцию проводят со следующей жидкостной системой: тяжелая

фаза - вода, легкая фаза - бензол, в качестве распределяемого компонента выбран 5%-ный спиртовой раствор йода, До опыта раствор йода вводят в водную фазу, при этом она окрашивается в желтый цвет, бензол прозрачен, между водой и бензолом - четко выраженная плоская межфазная поверхность. С помощью низкочастотного вибратора на этой межфазной поверхности создают правильную структуру вихрей внутри ячеек поверхностно-капил лярных волн, распространяющихся во взаимно перпендикулярных направлениях с колебательной скоростью А а) 10,5 ж см/с при частоте Гц и амплитуде А 1,5 мм, Опыт проводят при 20°С. В ходе экстракции водная фаза обесцвечивается, а бензол интенсивно окрашивается в малиновый цвет, что свидетельствует о росте концентрации йода в бензольной среде.

Количественную оценку изменения концентрации во времени проводили фотометрическим способом. Результаты приведены на фиг.4. Кривая 1 описывает кинетику процесса предлагаемым способом, кривая 2 - известным при скорости мешалки 2, равной 520 об/мин. По осям графика отложены: ось абсцисс - время; ось ординат - концентрация йода в бензоле, отнесенная к единице площади раздела фаз. Из фиг.4 видно, что для достижения величины концентрации йода в бензоле, например, ,836 кг/м3-см2 предлагаемым способом необходимо 300 с, а известным способом - 1300 с. Таким образом, количество экстрагируемого продукта в единицу времени с единицы площади для предлагаемого способа.

0.836 10

-9

300

0.279 кг/м3 -см2-с Для известного способа

0,836 10 1300

- 9

0

5

0

5

0

5

V11

0,0643 -10 кг/м1-5 , т.е. процесс в рассматриваемых режимах ускоряется в 4 раза. Изменением величины колебательных скоростей в диапазоне 0.4- 24 см можно изменять скорость процесса экстракции. При воздействии с колебательной скоростью, соответствующей нижнему пределу (А ш 0,4 см /с), не наблюдается образования микровихрей в ячейках. При воздействии с колебательной скоростью, соответствующей верхнему пределу (A w 24 см/с), наблюдается с границы раздела фаз разбрызгивание и фонтанирование,

Формула изобретения Способ периодической экстракции растворенного вещества из одной жидкой фазы в другую через плоскую границу раздела фаз, отличающийся тем. что, с целью увеличения количества экстрагируемого вещества в единицу времени с единицы плоской границы раздела фаз. экстрагирование осуществляют при наложении низкочастотных колебаний,создаваемых элементом коробчатого сечения, установленным на границе раздела фаз, при этом величина колебательных скоростей низкочастотных колебаний составляет 0.4-24.0 см/с

/раница раздела

Фиг /

Изобретение относится к химической технологии и может быть использовано как в лабораторных, так и производственных условиях при проведении процесса экстракции в химической и пищевой промышленности. Изобретение позволяет повысить эффективность массообмена в результате наложения низкочастотных колебаний на плоскую границу фаз в диапазоне скоростей AW = 0,4 - 24 см/с, в результате воздействия колебаний на поверхности создаются когерентные поверхностно-капиллярные волны, распространяющиеся во взаимноперпендикулярных направлениях вдоль поверхности. Таким образом, в процессе массообмена увеличивается количество экстрагируемого продукта в единицу времени с единицы плоской границы раздела фаз за счет наложения на плоскую межфазную границу низкочастотных колебаний. Возникающие микровихри, управляемые с помощью изменения амплитуды и частоты колебаний, ускоряют процесс экстракции. 4 ил.

Фиг 2

фиг.З

С5