Способ периодической экстракции

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з В 01 О 11/04

ГОСУДАРСТВЕ ННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4499604/26 (22) 11.07,88 (46) 15.07.91. Бюл. ¹ 26 (71) Московский институт химического машиностроения (72) Г.А.Кардашев, А.B.Ñàëoñèí, С.Г.Манукян, А.B.Соловьев, В.И.Митронов и Г.Я.Рудов (53) 66.061.5 (088.8) (56) Ягодин П.А., Коган С.3. Основы жидкостной экстракции. М, . Химия, 1981, с.163. (54) СПОСОБ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ЭКСТРАКЦИИ (57) Изобретение относится к химической технологии и может быть использовано как в лабораторных, так и производственных условиях при проведении процесса экстракции в химической и пищевой промышленИзобретение относится к химической технологии и может быть использовано как в лабораторных, так и производственных условиях при проведении процесса экстракции в химической и пищевой промышлекности, Цель изобретения — увеличение количества зкстрагируемого 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 зкстракции через плоскую границу 7 раздела фаз при низкочастотном вибрационном воздействии и с помощью мешалки, „„рЦ „„1662602 А1 ности. Изобретение позволяет повысить эффективность массообмена в результате наложения низкочастотных колебаний на плоскую границу фаз в диапазоне скоростей

А в =0,4 — 24 см/с, в результате воздействия колебаний на поверхности создаются когерентные поверхностно-капиллярные волны, распространяющиеся во взаимно перпендикулярных направлениях вдоль поверхности. Таким образом, .в процессе массообмена увеличивается количество зкстрагируемого продукта в единицу времени с единицы плоской границы раздела фаз за счет наложения на плоскую межфазную гра ницу низкочастотных колебаний. Возникающие микровихри, управляемые с помощью изменения амплитуды и частоты колебаний, ускоряют процесс зкстракции, 4 ил.

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 пра1бб2602 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 Х и У, Волны являются стоячими, если и кратно половине длины поверхностно-капиллярной волны Я/2. При этом

А (р1 — р ) f где 012 — коэффициент межфазного поверхностного натяжения, Н/м, р1 — плотность -й жидкости, кг/м з, pz — плотность I I-й жидкости, кг/м;

5.

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 пол периода максимумы и минимумы меняются местами.

При колебаниях возникают узлы двух типов: образованные на пересечении узловых линий по осям X и У, обозначенные точками, и узлы, образованные сложением максимумов и минимумов по осям Х и У, обозначенные кружочками, Элементарная ячейка, содержащая вихрь, выделена линиями, B 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 в А = 2.тгтА 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 u 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 вра щения этих вихрей Рзависит от амплитуды колебаний А вибрирующего элемента и его частоты.

Таким образом, с помощью количества. размера и скорости вихрей, расположенных

5 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 обьяснить следующим образом. Поле скоро стей от цепочки вихрей, расположенных вблизи межфазной поверхности Y=O, можно задать с помощью комплексного потенциала

sn —,(Z — ih) и

p+ I gr — x In

sin (Z+ i h) 20 — — и дС вЂ” ВЛС дУ дХ дХ дУ

Решение задачи с граничным условием

1-ro ряда С=С, при У=О записывается в виде

С= at/)+ Со, где а — постоянный коэффициент.

Даст чинство концентрации вдоль линии тока означает, что ядра вихрей

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

Для различных скоростей существуют

45 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 1ем. что с него наблюдается образование микровихрей в ячейках поверхностно-капиллярных волн.

Пример, Экстракцию проводят со следующей жидкостной системой: тяжелая где à — циркуляция;

p — потенциал; ф — функция тока;

In — расстояние между вихрями;

Zo=ih — координата цепочки вихрей.

Концентрация распределяемого компонента С в квазистационарном приближении удовлетворяет уравнению

ЗО

1662602 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-капиллярных волн, распространяющихся во взаимно перпендикулярных направлениях с колебательной скоростью А в =10,5 л см/с при частоте

f=35 Гц и амплитуде А= 1,5 мм, Опыт проводят при 20 С. В ходе экстракции водная фаза обесцвечивается, а бенэол 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, С=0,836 10 кгlм .см предлагаемым способом необходимо 300 с, а известным спо,собом — 1300 с. Таким образом, количество экстрагируемого продукта в единицу времени с единицы площади для предлагаемого способа.

С«о 0,836 10

= 0,279 10 кгlм .см с, Для известного способа

С«о 0,836 . 10

1300 г2

= 0,0643 10 кг/м см с, т.е. процесс в рассматриваемых режимах ускоряется в 4 раза. Изменением величины колебательных скоростей в диапазоне 0.424 см можно изменять скорость процесса экстракции, При воздействии с колебательной скоростью, соответствующей нижнему пределу (А в=0,4 см/с), не наблюдается образования микровихрей в ячейках. Пр«« воздействии с колебательной скоростью, соответствующей верхнему пределу (А о> =24 см/с), наблюдается с границы раздела фаз разбрызгивание и фонтанирование, Формула изобр .тения

Способ периодической экстракции растворенного вещества из одной жидкой фазы в другую через плоскую границу раздела фаз, отличающийся тем, что, с целью

3р увеличения количества экстрагируемого вещества в единицу времени с единицы плоской границы раздела фаз, экстрагирование осуществляют при наложении низкочастотных колебаний, создаваемых элементом ко35 робчатого се «ения, установленным ««В границе раздела фаз, при этом величина колебательных скоростей низкочастотных колебаний составляет 0,4 — 24.0 см/с.

1662602

1662602

Составитель А.Миронов

Техред M,Ìoðãåíòàë Корректор О.Обручар

Редактор А.Огар

Заказ б82 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ C:ÃCÐ

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1О1 ») с» » ф

С )