Устройство Л.И.Рабиновича для сепарации из жидкости частиц с электрическим зарядом постоянного тока Советский патент 1982 года по МПК B03C1/23 

Изобретение относится к сепарационной технике, к устройствё1М для отделения взвешенных в жидкости частиц, несущих электрический заряд постоянного знака, только отрицательный или только положительный, и может быть применено в медицине, ветеринарии и медицинской промы1членности для исследования и переработки крови, ле«чения некоторых видов гематологических болезней, очистки жидкостей и культуральных сред в пищевой и микробиологической проммоленности, например для ускоренного изготовления Vсухих виноградных вин.

Известно устройство для сепарации из крови человека и животных форменных элементов (лейкоцитов, тромбоцитов, эритроцитов, нейтрофилов и т.д.) на мембранах которых содержится отрицательный поверхностный заряд разной величины, включающее электромагнит, между полюсами которого перемещгиот взваленные в жидкой плазме форменные элементы крови 1.

Недостатком дтого устройства является большое гидродинамическое сопротивление перемещению э 1ёментов в жидкости при взаимодействии поля магнита и собственного поля элемента.

Известно также устройство для нагнитной обработки жидкостей, включающее распылительную форсунку и источник магнитного поля. Распыленную жидкость перемещают относительно полюсов магнита и тем саг-влм изменяют ее свойства, например увеличивают качество распыла форсунки 2.

Однако известное устройство не по10BHiuaeT эффективности сепарации частиц.

i Целью изобретения является повышение эффективности процесса сепарации из жидкостей частиц с электрическим

15 зарядом постоянного знака и расширение области применения данного устройства.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, включающее распыли 20 ;тельную форсунку и источник магнитного поля, снабжено верхней камерой, изогнутой в вертикальной плоскости по дуге в пределах от 135 до 210°, и соединенной с ней нижней камерой,

25 выполненной в виде вертикальной шахты, дополнительным источником магниТного поля, установленкнм на боковых сторонах шахты, форсунка установлена на входе в изогнутую камеру,

30 а нижней конец вертикальной шахты

снабжен емкостями отвода сепарируемых частить

Кроме того, верхняя камера устройства выполнена с возрастающей в направлении от распылительной фор:сунки ;к вертикальной шахте высотой поперечного сечения при неизменной площади поперечного сеченкя.

В месте соединения верхней и нижней камер могут быть установлены патрубки отвода сепарируемых частиц, а емкости отвода сепарируемых частиц выполнены в виде параллельно расположенных бункеров треугольного сечения, причем нижняя часть всех бункеров снабжена дополнительным узлом ввЪда буферной среды.

На фиг, 1 изображена общая схема устройства; на фиг. 2 - схема сепаратора; на фиг. 3 - разрез А -Ана фиг 2; на фиг. 4 - узел I на фиг. 2 на фиг. 5 - разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 6 - разрез В-В на фиг. 2; на фиг. 7 - разрез Г-Г на .фиг. 2; на фиг. 8 - форсунка.

Устройство состоит из сепарато ра 1, узлов 2 и 3 ввода жидкости и буферной среды, источника 4 магнитного поля, емкостей 5 отрода сепарируемых частиц и форсунки б, выполненной в виде лотка 7 с отверстиями 8 в его дне 9. При этом узел 2 ввода жидкости подведен к форсунке 6 над дном 9, а узел 3 - под дном. Корпус сепаратора 1 имеет верхнюю камеру 10 изогнутую в вертикальной плоскости по дуге в пределах -от 135 до 210°, и нижнюю камеру в виде вертикальной шахты 11 с полюсами источника 4 магнитного поля на боковых сторонах шахты. Камера 10 и шахта 11 выбраны прямоугольного поперечного сечения со сторонами размеров по мирине d и по высоте b, изменяющимися по ходу потока от форсунки к вертикаль.ной шахте. Размеры «а уменьшаются, размеры t возрастают. При этом площадь поперечного сечения верхней камеры 10 остается постоянной. На входе в верхнюю изогнутую камеру 10 установлена форсунка б, другой конец камеры 10 соединен с шахтой 11. Нижний конец шахты 11 снабжен емкостями 5 отвода сепарируемых частиц. Отверстия 8 в дне 9 лотка форсунки Сфиг. 8) имеют диаметр, соизмеримый фо средним диаметром сепарируемых астиц. .

I

источника 4 магнит-ного поля на боковых стороных махты 11, над и под камерой 10 по стороне размером, а расположены полюсы источни ка 12 магнитного поля. В месте соединения камеры 10 и шахты 11 (разрез В-В на фиг. 2) могут быть расположены четыре или менычее число патрубков 13-16, соединенные при необходимости с отделителем 17 частиц типа фильтра, циклона или отстойника, далее с нагнетателем 18 через теплообменник 19 и увлажнители 20 газов с форсункой б и емкостями 5. Все емкости 5 имеют форму бункеров треугольного сечения, они установлены параллельно в один ряд в нижней части шахты 11, к нижней части всех емкостей 5 через дополнительные узлы 21

Езода буферной среды присоединен

трубопровод 22 от нагнетателей 18. Источником буферной газовой среды Может быть сжатый воздух или специально подобранный газ с заданными

5 свойствами от источника 23. Источник 24 жидкости с сепарируемыми частицами через теплообменник 19 и узел 2 ввода присоединен к форсунке б. От нижней части всех емкостей 5 отходят

0 трубы 25 для отвода оставшейся жидкости через трубопровод 26, например, обратно в источник 24 или для отвода .отдельных фракций частиц по трубкам 27.

5 Все части устройства могут иметь требуемую термоизоляцию 28, необходимую запорно-регулирующую арматуру 29. Теплообменники 19 фактически могут быть при необходимости устаQ новлены на узлах ввода жидкости и буферной среды для изменения и доведения температуры до требуемой величины. Форсунка б выполнена быстросъемн.ой, взаимозамеянемой, она может

-быть одноразового применения для обеспечения стерильности. Источники 4 и 12 магнитного поля выполнены с .1возможностью изменения знака полюсов, так что направления силовых линий могут быть при необходимости изменены на обратные.

Устройство работает следую1цим образом.

От источника 24 (сосуд, доннор .

5 и т.д.) жидкость с частицами самотеком или принудительно нагнетателем 18, при необходимости через . теплообменник 19, вводят в лоток 7 форсунки б. Одновременно от патрубков 13-16, всех или их части, а также от источника 23 подают нагнетателями 18, при леобходимости через теплобменники 19 и увлажнитель 20, газообразную буферную среду. До ввода в сепаратор ее разделяют на два

5 потока, один из которых вводят в форсунку б через узел 3 ввода, второй поток вводят по трубопроводу 22 .через .дополнительные узлы 21 в нижнюю часть вертикальной г-ихты 11 и .

0 в емкости 5 отвода сепарируег-шх частиц. Далее жидкость с частицами распыляют продувкой ее буферной средой. Для этого в форсунке б через мельчайшие параллельные отверстия 8 га5 аевые потоки в виде тончайших строго параллельных струек проходят дно 9 лотка 7 и входят в слой жидкости. Здесь давление газа резко падает, каждая струйка газа увеличивает сво диаметр, поднимается вверх по слою жидкости, резко турбулизируясь, зайихряясь. У поверхности происходит разрушение тонких перемычек по жидкости (а.не JO частицам, обладающим большей прочностью). Вверх поднимае ;ся факел с начальной шириной 10-30 м состоящий из ультратонких капель жидкости, частиц и их смесей. Подби рая величины диаметра отверстий фор сунки, давление газа, высоту слоя жидкости в лотке 7 добиваются того, чтобы основная масса капель аэрозоль ного факела имела диаметр, равный не болеедвум средним диаметрам се - арируемых частиц. Распыленная до нужных кондиций жидкость с частицс1ми образует поток который перемещают далее по верхней камере 10, причем высота сечения потока увеличивается, ширина соотве ственно уменьшается, площадь попере ного сечения потока, а следовательн и скорость потока остаются постоянн ми. Поток изгибается в вертикальной плоскости в камере 10 примерно на 180 в магнитном поле источника 12. При этом на частицы факела в потоке действует центробежная сила, сила тяжести, сила потока, а также, если частица факела имеет электрический заряд, то при пересечении силовых линий поля возникает Лоренцев а сила направление которой зависит от направления силовых линий поля. Причем поскольку знаки полюсов можно изменять, к частице можно приложить Лоренцеву силу требуемого направления. Также поддается регулировке в широких пределах центробежная сила и сила потока путем изменения скорости потока за счет изменения соотнсмиения потоков газа. Используя Vкaзaнныe широкие возможности регулирования, добиваются того, чтобы в конце верхней 10 сепарируемые частицы иногда вместе с другими, несепарируемыми частицами, но близкими к первым по свойствам, оказались сдвинутыми либо к перефирийным зонам, либо к центргшьным, в то же время остальные частицы, существенно отличающиеся от сепарируемых, оказались в противоположных зонах. Таким образом, поток аэрозоля в верхней камере 10 как бы подвергается предварительной грУбой сор тировке на две группы, причем сепарируемые частицы должны находиться только в одной из групп. Факел в шахте 11 перемещают свер ху вниз в потоке той же буферной газовой среды, но- направленной противоположно, т.е. снизу вверх и перпендикулярно силовыг линиям магнитного поля источника 4. Полюса источника можно изменять по знаку, так что на частицу, (фиг.2) в общем случае наряду с силой, гравитации действует направленная вверх дина ическая сила потока, направленная по желанию влево или вправо в зависимости от знака полюсов Лоренцева сила и сила инерции, направленная сверху вниз. Высота сечения шахты увеличивается при уменьшении ширины сечения. Площадь поцеречногс сечения может быть постоянной. Скорость восходящего потока выбирают из соотношенияС (1,2-3,5)хС , где С - скорость потока восходящей буферной среды , м/с; С - установившаяся скорость свободного ПЕщения сепариpyei HX частиц в той же неподвижной буферной среде, м/с. Благодаря тому, что С С-, удается быстро погасить кинетическую энергию сепарируемых частиц, приобретенную в верхней камере 10. Указанный интервал значений (1,2-3,5) достаточен для создания различных эффектов и технологических приемов, диктуем1-ах поставленной задачей. Если, например, сепарируются частицы с высокой парусностью, то выбиршот С (1,2 -1,8)х X С, достаточную, чтобы обеспечить очень медленное, очень длительное опускание (парение) этих частиц в шахте, при котором особенно эффективно действуют на частицы Лоренцева силы. В других случаях, например, когда парусностьчастиц очень мала, выбирают С (2,6-3,5)xC;i. Этих скоростей достаточно лишь для торможения частиц и осущес гвления мягкой посадки, исключаимдей их удар и повреждение в емкостях 5. Однако при этом все остальные частицы уносят-ся восходящим потоком. Возможны и другие схемы технологических процессов, например, когда при выбранной скорости С факел между камерой 10 и ыахтой 11 разделяется, в основном, на три отдельных потока. Первый из них с частицами преобладающей высокой парусностью быстро гасит свою кинетическую энергию в восходящем потоке и затем выводится через патрубки 13-16 (или их часть) в отдепитель 17. Второй поток факела с частицами преоблсщающей малой парусностью перемещают по шахте 11 сверху прямо вниз с небольвшм замедлением движения в.восходящем потоке газовой среды. Однако время пребывания этих

частиц в шахте невелико и магнитное поле не успевает их заметно отклонить Частицы попадают в средние емкости 5, расположенные в центральной зоне нижней части иахты. Потоки газовой среды в емкостях 5 еще более притормаживают части1и 1, предотвращая их повреждение от удара (мягкая посадка). Третий поток факела с частицами преобладающей средней величиной парусности как раз и соответствует ранее описанному потоку, ,цля которого специально подбирались оптимальные скорости С восходящего потока, при котором имеет место медленное парящее опускание частиц с длительным действием Лоренцевых сил. Третий поток расположен у боковых стенок вертикальной шахты.11 и, благодаря Лоренцевым силам, распределяется, по емкостям 5, расположенным в крайних зонах шахты согласно величине присущего им электрического заряда. Эти частицы также осуществляют мягкую посадку в емкостях 5 благодаря восходящим газов1Ф1 потокам. Если буферная газообразная среда, предварительно охлаждена в.теплообменнике 19 и увлажнена в увлажнителе 2Л), то благодаря очень мелким размерам частиц третьего потока факела (сепарируег их частиц), очень большой суммарной поверхности контакта с газом и большой длительности этого контакта по времени, происходит быстрое, интенсивное охлаждение частиц, которое может быть использовано, например, для их криоконсервирования, а увлажнение может предохранить частицы от их пересыхания в газовой среде.

Сепарируемые частицы могут быть выведены из сепаратора или из своих емкостей 5 по тр$бкам 25 и 27, или из отделителей 17 в зависимости от примененной технологической схемы процесса. Остальные частицы могут быть возвращены по трубопроводу 26 в источник 24 или выведены из устройства. Термоизоляция 28 позволяет поддерживать в сепараторе заданную температуру.

Указанные примеры являются лишь небольшой частью различных Д1ругих возможных комбинаций и реж.имов. При этом возможна особо тонкая сепарация частиц с весьма малыми отличиями друг от друга. Это достигается повто там или многократным последовательны осуществлением описанного спороба на разных режимах. Тот факт, что все частицы имеют постоянный знак заряда, препятствует их слипанию в факеле,,,

Таким образом, в предлагаемом устройстве процесс распыления обеспечивает тонкодисперсный равномерный аэрозольный факел без повреждения

J клеток. Для сепарг1ции заданного сорта частиц к ним можно по желанию приложить не одну, а целый комплекс разнородных сил, влияя на их величину и направление в широких пределах.

5 Все это позволяет повысить эффективность и избирательную способность процесса сепарации и расширить област применения устройства. Изменение темШературы газовой буферной среды поз-а

10 воляет очень быстро охладить частицы например, для криоконсервирования клеток. Противопоток в вертикальной щахте позволяет избежать или смягчи ь удар частиц о емкости 5 и тем

5 самым избежать их повреждений. Использование в качестве промежуточной буферной среды газа, а не жидкости, облегчает отделение этой среды от час;тиц и их более широкое использование.

Использование нового физического фактора - парусности - в сочетании с г:ереводом жидкости в состояние аэрозоля позволяет эффективно сепарировать частицы, мало отличающиеся по величине электрического заряда, мало или совсем не отличающихся по массе, но существенно отличающиеся по парусности. Парусность позволяет

30 ускорить или замедлить скорость движения частиц в магнитном поле и тем усилить или ослабить взаимодействие полей.

Формула изобретения

1. Устройство для сепарации из жидкости частиц с электрическим задд рядом постоянного знака, включающее распылительную форсунку и источник магнитного поля, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности процесса сепарации и .расширения области применения, оно снабжено верхней камерой, изогнутой ; в вертикальной плоскости по дуге в пределах от 135 до 210°, и соединенной с ,ней нижней камерой, выполненной в ви. :де вертикальной шахты, дополнительным источником магнитного поля, установленным на боковых сторонах шахты, форсунка установлена на входе в изогнутую камеру, а нижний конец вертикальной шахты снабжен емкостями отвода сепарируемых частиц.

.2. Устройство по п. 1, о т л ичаю.щееся тем, что верхняя камера выполнена с возрастающей в направб« Ленин от распьтительной форсунки к вертикальной шахте высотой поперечного сечения п|эи неизменной площади поперечного сечения.

3. Устройство по п. 1, о т л и ч а651 ю щ е е с я ем, что в месте соединения верхней и нижней камер установлены патрубки отвода сепарируемых частиц, а емкости отвода сепарируемых частиц выполнены в виде параллельно расположённых бункеров треугольного сечения, причем нижняя часть всех бункеров снабжена дополнительным узлом ввода буферной среды.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Козинец Г. И. и др. Клеточный электрофорез - его теоретическое и практическое значение. - Проблемн

гематологии и переливания крови, 1979, № 2, с. 40 45.

2.Авторское свидетельство СССР 544616, кл. С 02 F 1/46, 04.12.74 (прототип).

.J

П

Фиъ.

-Б JL- Г Фиг. 8