Способ разделения смесей и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к химической технологии, может быть использовано для разделения смесей веществ в химической, нефтяной и других отраслях промышленности и позволяет увеличить эффективность процесса разделения смеси на составляющие ее компоненты. Для этого применяют корпускулярное ИК-излучение с поддержанием толщины разделяемой смеси 0,1-5 мм с длиной волны 0,3-100 мкм. Устройство для реализации способа содержит лампы-излучатели 1, работающие в диапазоне 0,3-100 мкм длин волн, окруженные отражающим корпускулярное излучение этого диапазона экраном 2, рабочую зону 3, заключенную в прозрачный для электромагнитных волн этого диапазона кожух 4, к которому подсоединены патрубки подвода 5 и отвода 6 разделяемой смеси, входной 7 и выходной 8 патрубки газа-носителя, подложку 9, термостатируемую с помощью подводящих 10 и отводящих 11 теплоноситель патрубков. Все патрубки могут быть снабжены встроенными регуляторами 12. Между кожухом 4 и лампой-излучателем располагается активный светофильтр 13. Кожух 4 обеспечивает необходимый гидродинамический режим в зоне и изолированность от ламп-излучателей. Для защиты от попадания пыли и других вредных примесей на входе газа-носителя устройство может содержать фильтр 14, 2 с. и 4 з. п. ф-лы, 6 ил. (С (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 В 01 D 17 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (;Ь

ЬР 3

Ю

С0 фиг. 1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4458222/26 (22) 13.06.88 (46) 15.02.91. Бюл. № 6 (71) Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова (72) В. А. Онайко, В. В. Максимов и В. А. Малюсов (53) 66.066.6 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 447542, кл. F 26 В 3/28, 1972. (54) СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСЕЙ И

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУШЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к химической технологии, может быть использовано для разделения смесей веществ в химической, нефтяной и других отраслях промышленности и позволяет увеличить эффективность процесса разделения смеси на составляющие ее компоненты. Для этого применяют корпускулярное ИК-излучение с поддержанием толщины разделяемой смеси О,1 — 5 мм с дли„„SU 1627210 A 1

2 ной волны 0,3 — 100 мкм. Устройство для реализации способа содержит лампы-излучатели 1, работающие в диапазоне 0,3 — 100 мкм длин волн, окруженные отражающим корпускулярное излучение этого диапазона экраном 2, рабочую зону 3, заключенную в прозрачный для электромагнитных волн этого диапазона кожух 4, к которому подсоединены патрубки подвода 5 и отвода 6 разделяемой смеси, входной 7 и выходной 8 патрубки газа-носителя, подложку 9, термостатируемую с помощью подводящих 10 и отводящих 11 теплоноситель патрубков. Все патрубки могут быть снабжены встроенными регуляторами 12. Между кожухом 4 и лампой-излучателем располагается активный светофильтр 13. Кожух 4 обеспечивает необходимый гидродинамический режим в зоне и изолированность от ламп-излучателей.

Для защиты от попадания пыли и других вредных примесей на входе газа-носителя устройство может содержать фильтр 14, 2 с. и 4 з. п. ф-лы, 6 ил.

1627210

Изобретение относится к процессам и аппаратам химической технологии и может быть использовано для разделения смесей веществ в химической, нефтяной и других отраслях промышленности. 5

Целью изобретения является повышение эффект и в иост и ра з дел е ни я.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, общий вид; на фиг. 2 — вариант выполнения устройства; на фиг. 3 — сечение А — А на фиг. 2; на фиг. 4 — график

10 зависимости коэффициента разделения от длины волны перпендикулярного излучения; на фиг. 5 — график зависимости коэффициента разделения от разности температур и подложки; на фиг. 6 — график зави- 15 симости коэффициента разделения от толшины слоя смеси на подложке.

Устройство содержит источник излучения, выполненный в виде ламп- излучателей 1, работающих в диапазоне 0,3 — 100 мкм волн, окруженных отражающим корпускулярное излучение этого диапазона экраном 2, рабочую зону 3, заключенную в прозрачный для электромагнитных волн этого диапазона кожух 4, к которому подсоединены патрубки подвода 5 и отвода 6 разделяемой сме- 25 си, входной 7 и выходной 8 патрубки газа-носителя, подложку 9, термостатируемую с помощью подводящих 10 и отводящих 11 теплоноситель патрубков. Все патрубки могут быть снабжены встроенными регуляторами 12. Между кожухом 4 и иэ- ЗО лу кителем располагается активный светофильтр 13. 1лн защиты от попадания пыли и других вредных примесей на входе газа-носителя устройство может содержать фильтр 14.

К выходному патрубку газа-носителя под- 35 соединены ловушки 15 разделенных веществ.

Кожу. 4 обеспечивает также необходимый гидродинамический режим в зоне и изолированность ламг-излучателей.

Усгройство мож T быть выполнено с плос- 4р кой подложкой и с расположением лампиэлучагелей над рабочей зоной 3 (см. фиг. ), а также с цилиндрической подложкой, цилиндрическими стенками корпуса и осевым расположением лампизлучателей l (см. фиг. 2 и 3). По- 45 слелнее выполнение устройства предпочтительней, поскольку в нем повышаются удельные энергетические показатели процессов разделения, так как в изображенном на фиг. 1 устройстве только часть энергии корпуску. ярного из. Учения поглощается 50 смесью. Это объясняется испусканием лампами-излучателями корпускулярного излучения по всем направлениям и расположением разделяемой смеси только в узкой области пространства.

Способ осуществляется следующим образом.

Предварительно определяют спектр погюшения каждого компонента смеси, выводят на заданный температурный режим подложку 9, на которую затем порциями или непрерывно через патрубок 5 подают смесь веществ. Затем включают лампы-излучатели 1. Смесь веществ под действием корпускулярного излучения разделяется на два потока, один иэ которых выходит в патрубок 6, а другой — в патрубок 8.

Фактором, определяющим эффективность разделения, является диапазон длин волн корпускулярного излучения, активно воздействующего на компоненты смеси. Область

ИК-излучения, используемая в настоящее время, например, для сушки покрытий, как показал опыт, не включает в себя часть активного спектра, поэтому диапазон излучения должен быть расширен до 0,3—

100 мкм. Нижняя граница этого диапазона обусловлена разрушающим воздействием на молекулярную структуру выделяемого компонента (фиг. 4). Верхняя граница ограничена невозможностью селективного воздействия на компоненты корпускулярного излучения с длиной волны более 100 мкм.

Наиболее предпочтительный диапазон излучения выбирается на основе сравнительного излучения предварительно полученного спектра поглощения каждого компонента смеси.

В предложенном устройстве воздействие именно этим спектром излучения достигается с помощью подходящей температуры нити накала лампы и активного фильтра.

Важное значение для достижения цели изобретения имеют режимные параметры про. цесса разделения: соотношение тепловых потоков, толщина слоя смеси на подложке, температура подложки и скорость прокачки компонентов смеси.

В результате проведенных экспериментов установлено, что от разделяемой смеси необходимо отводить тепло в количестве, равном а=а — Qí — qt. где Q> — поглощенная энергия излучения;

Q» — теплота конденсации;

Ъ вЂ” теплота, обусловленная разностью температур газообразного и твердого компонента смеси.

Если отвести тепла меньше, чем Q, то смесь начнет прогреваться. В результате такого прогрева нарушится неравновесное температурное состояние компонентов смеси, что вызовет снижение эффективности разделения, т. к. в этом случае условия разделения будут приближаться к условиям разделения при простом нагревании. Если тепла отводить больше, чем Q, то отделяемому компоненту не хватит энергии для выхода из состава смеси.

Это положение иллюстрируется графиком, изображенным на фиг. 5, на котором по оси абсцисс отложено значение ко1627210

50 эффициента разделения смеси нафталиндифенил состава 50/50 в зависимости от разности температур вещества и подложки (что прямо пропорционально отводимому теплу) . При нулевой разности температур коэффициент разделения равен равновесному коэффициенту разделения этих веществ.

С увеличением количества отведенного тепла наблюдается увеличение коэффициента разделения. Наконец, при определенном значении отводи мого тепла процесс разделения практически прекращается и график обрывается.

Так как эффективность разделения зависит от эффективности отвода тепла от разделяемой смеси, то важную роль играет выбор толщины разделяемой смеси. Согласно экспериментальным данным и теоретическим расчетам, толщина смеси на подложке должна находиться в пределах 0,!в

5 мм. Если толщина разделяемой смеси будет меньше 0,1 мм, то эффективность поглощения излучения смесью значительно уменьшится — излучение начнет в заметных количествах проходить через вещество и взаимодействовать непосредственно с термостатируемой подложкой. Если толщина смеси будет больше 5 мм, то практически для всех материалов на такой толщине происходит выравнивание температур компонентов смеси и эффективность разделения снижается, доходя до равновесной.

Например, при разделении под действием корпускулярного излучения диапазона

0,3 — 100 мкм, излучаемого лампой КГ220—

500 — 1, коэффициент разделения смеси нафталин-дифенил состава 50/50 изменяется в зависимости от толщины смеси на подложке в 4 раза, что наглядно видно на фиг. 6. (Предварительное излучение полученных спектров поглощения компонентов данной смеси показало, что они не разрушаются в данном диапазоне излучения при применении данного вида излучателя, что обусловлено нелинейной характеристикой последнего. Это обстоятельство позволило в данном случае использовать весь указанный диапазон длин волн). При толщине смеси

5 мм коэффициент разделения достигает равновесного значения, а при толщине смеси 0,1 мм график обрывается, т. к. уже большая доля излучения не участвует в процессе разделения: непосредственно нагревает не смесь, а термостатируемую подложку.

Для повышения эффективности разделения смеси веществ по предлагаемому методу важную роль играет абсолютная температура подложки, которая выбирается минимально возможной для проведения разделения смеси. Температура подложки выбирается равной или чуть больше температуры, вычисляемой на основе известного уравнения теплопроводимости с заданным значениями Q, теплофизических свойств и толщины слоя смеси.

Б î

>5

30 . с

M J

Эффективность разделения смеси повышается, если осуществлять постоянный отбор отделяемого от смеси компонента.

Для осуществления отбора при меняется прокачка нейтрального газа-носителя через реактор, который уносит отделенный компонент смеси.

При организации непрерывного процесса необходимо осуществлять непрерывную прокачку через реактор исходной смеси и газаносителя, удаляющего выделенный из смеси компонент.

Для повышения селективности воздействия корпускулярного излучения применяется активный фильтр, представляющий собой один или несколько смешанных компонентов разделяемой смеси. Такой фильтр поглощает часть корпускулярного излучения той длины волны, которая действует на невыделяемую часть компонентов смеси и пропускает то излучение, которое действует на выделяемые компоненты смеси, способствуя тем самым созданию неравновесных энергетических условий в разделяемой смеси.

Например, проводя разделение смеси нафталина и дифенила состава 50/50 согласно предлагаемому способу, но, поместив между кожухом и излучателем активный фильтр, состоящий из нафталина, получим коэффициент разделения смеси в два раза выше, чем без фильтра.

Пример I. Смешивая 2 г нафталина и 2 г дифенила в жидком состоянии, получали гомогенную смесь (50/50), которую заливали на подложку с температурой 10, поддерживаемую с помощью термостата. Затем включали вакуумный насос, обеспечивая тем самым продувку газомносителем (в данном случае воздухом ), Включали лампы-излучатели, обеспечивая температуру смеси на уровне 80 С. Испаряемая часть смеси уносилась газом-носителем и оседала на холодных поверхностях ловушки. После отключения установки в ловушке оказалось 0,42 г веществ. Хроматографический анализ показал, что в этом веществе доля нафталина составляет 93,8О, а дифенила — 6,2Я. Следовательно, коэффициент разделения равен 15,13.

Пример 2. Разделение проводилось соглас— но примеру I, но между разделяемой смесью и излучателями располагали фильтр, представляющий собой залитый в кварцевую кювету дифенил. При этом температура смеси упала до 65 С, а коэффициент раздеяения возрос до 21.

Пример 3. Смешивали 2,45 г толуола и

1,05 г этанола (состав 70/30). Смесь заливали на термостатируемую при 30 С подложку. Вакуумным насосом обеспечивали продувку воздухом (газом-носителем). Далее включали источник излучения. При этом температура смеси составила 100 С. После того как в холодной ловушке собралось

1627210 достаточное (визуальная оценка) количество веществ, излучение выключили. Изьятую из ловушки каплю исследовали на рефрактометре и по тарировочному графику определили, что она содержит 96% толуола.

Таким образом, коэффициент разделения составил 10,3.

Формула изобретения

i. Способ разделения смесей на состав ляющие компоненты, включающий воздействие на смесь, находящуюся на подложке, корпускулярным излучением с последующим возбуждением отдельных энергетических уровней компонентов, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности процесса разделения, предварительно определяют спектр поглощения каждого компонента смеси, воздействие на смесь осуществляют излучением с длиной волны 0,3—

IO0 мкм, а толщину слоя на подложке поддерживают от О,1 до 5 мм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что между раздеЛяемой смесью и источником излучения пропускают активный фильтр, состоящий из одного или нескольких компонентов смеси.

3. Устройство для разделения смесей на составляющие компоненты, содержащее

5 подложку и лампы-излучатели, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности процесса разделения, оно снабжено прозрачным для применяемого диапазона волн кожухом с патрубками подвода и отвода разделяемой смеси, прикрепленным к подложке и размещенным между подложкой и лампами-излучателями.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что кожух снабжен входным и выходным па трубка м и газа - нос ител я.

1Á 5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что оно снабжено пылеулавливающим фильтром и ловушкой разделенных веществ, установленными во входном и выходном патрубках газа-носителя соответственно.

6. Устройство по пп. 3 и 4, отличающееся тем, что подложка и стенки кожуха выполнены в виде вертикальных цилиндрических поверхностей, при этом кожух расположен коаксиально внутри подложки, а лампы-излучатели — по их оси.

1627210

18

/б

4Ч

К

16

Ю

Ю

6

Ч

2 о <а го Ю ев sn «o 7о во и ьТ=7в-7л

Риг,5

Ю

4Ч И

6

lj г о z 3 а,г ип1

Уи2. б

Составитель А. Никитин

Редактор М. Ыиткина Техред А. Кравчук Корректор Л. Бескид

Заказ 299 Тираж 429 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

1 13035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат «Патент>, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101