Установка для исследования экстракционных процессов с использованием растворителей в сверхкритическом состоянии
Изобретение относится к области тепло- массообмена, конкретно к экстракционным процессам с использованием сверхкритических флюидов (СКФ). Установка для исследования экстракционных процессов с использованием растворителей в сверхкритическом состоянии, содержит баллон со сжатым газом, холодильник, два плунжерных насоса высокого давления, теплообменник, внутри которого установлена экстракционная ячейка, два сборника экстракта, дроссельный вентиль, систему контроля и измерения (КИП). Один плунжерный насос, имеющий компенсационный поршень, всасывающим патрубком соединен с баллоном со сжатым газом (СО2) через холодильник, который обеспечивает ожижение газа, а нагнетательным патрубком с общей магистралью, другой плунжерный насос высокого давления, соединен с емкостью для подачи сорастворителя через трехходовой вентиль в общую магистраль. Теплообменник, имеет по внешней поверхности два специальных паза по спирали, где уложены нагреватель и трубопровод для предварительного нагрева и подачи СКФ из магистрали в экстракционную ячейку, которая соединена с двумя сборниками экстракта через дроссельные вентили для ступенчатого снижения давления. Технический результат - расширение возможностей установки для исследования экстракционных процессов с использованием растворителя в сверхкритическом состоянии при более высоких рабочих давлениях (до 60 МПа) и достижение равномерности подачи фиксированного значения концентрации сорастворителя, благодаря устранению пульсаций потока сорастворителя.
Изобретение относится к области тепло- массообмена, конкретно к экстракционным процессам с использованием сверхкритических флюидов (СКФ).
Известна установка для исследования растворимости веществ в СКФ, разработанная в Institute of Polymer Science and Engineering, Zhejiang University, China (Chunyue Jiang, Qinmin Pan, Zuren Pan Solubility behavior of solids and liquids in compressed gases Journal of Supercritical Fluids 12, 1998, p.1-9). Недостатком известной установки является невозможность использования сорастворителя в процессе экстракции и ступенчатого снижения давления для разделения экстракта на фракции, а также отсутствие предварительного нагрева СКФ перед подачей в экстракционную ячейку.
Известна другая установка для исследования процессов экстракции и растворимости веществ в сверхкритических флюидах (СКФ), разработанная ООО «Металлокрит» (патент РФ 
99340 опубл. 20.11.2010). На фиг.2 представлена схема установки, содержащая баллон со сжатым газом (СO2) (1), холодильник (2), плунжерный насос высокого давления (3), холодильный агрегат (4), емкость для сорастворителя (5), шприцевой насос высокого давления (6), трехходовой вентиль (7), экстракционную ячейку (8), теплообменник (9), электронный измеритель-регулятор 2ТРМ1 (10), сборники экстракта (11а, 11б), термостатическую ванну (12), дроссельные вентили (13).
Одним из недостатков известной установки является ограниченный диапазон достигаемых давлений основного растворителя (до 40 МПа), что не позволяет проводить более качественную экстракцию при более высоких давлениях с использованием растворителя в сверхкритическом состоянии. Как известно, плотность, а, следовательно, и растворяющая способность СКФ сильно зависят от давления, так как с повышением давления увеличивается взаимодействие между флюидом и растворенным в нем веществом, поэтому варьированием давления в системе можно изменять растворяющую способность. Исходя из этого, практический интерес представляют случаи, когда растворяющую способность флюида можно регулировать с помощью давления как можно в большем диапазоне.
Другим недостатком известной установки является сложность поддержания шприцевым насосом фиксированного значения концентрации сорастворителя, из-за образующихся при высоких давлениях пульсаций потока сорастворителя.
Задачей изобретения является расширение возможностей установки для исследования экстракционных процессов, с использованием растворителя в сверхкритическом состоянии, и устранение пульсаций потока сорастворителя с целью достижения равномерной ее подачи.
Решение указанной задачи достигается тем, что заявленное устройство снабжено двумя плунжерными насосами высокого давления, теплообменником, внутри которого установлена экстракционная ячейка, двумя сборниками экстракта, системой контроля и измерения, где один плунжерный насос высокого давления, имеющий компенсационный поршень, всасывающим патрубком соединен с баллоном со сжатым газом (СO2) через холодильник, обеспечивающий ожижение газа, а нагнетательным патрубком с общей магистралью, другой плунжерный насос высокого давления соединен с емкостью для подачи сорастворителя через трехходовой вентиль в общую магистраль, теплообменник, имеющий по внешней поверхности два специальных паза по спирали, где уложены нагреватель и трубопровод для предварительного нагрева и подачи СКФ из магистрали в экстракционную ячейку, которая соединена с двумя сборниками экстракта через дроссельные вентили для ступенчатого снижения давления, КИП подключена к экстракционной ячейке, насосам высокого давления, холодильнику и термостатической ванне. Изложенная сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1), где схематически изображен общий вид описываемого устройства.
Устройство содержит плунжерный насос высокого давления 3, в который поступает сжатый газ (СO2 ) из баллона 1 через холодильник 2.
Плунжерный насос высокого давления 3 марки «Waters Р50А» обеспечивает фиксированную скорость подачи растворителя в сверхкритическом состоянии в пределах 1-50 г/мин под давлением до 60 МПа. Для нормальной работы насоса необходимо обеспечить подачу жидкого диоксида углерода на контуре всасывания.
Сжижение газа происходит в холодильнике 2 и непосредственно в насосе и обеспечивается циркуляцией хладоагента в рубашке охлаждения насоса и межтрубном пространстве холодильника. Температура, до которой холодильный агрегат 4 охлаждает хладоагент (-15°С) контролируется с помощью хромель-копелевой термопары, установленной в холодильнике.
Подача сорастворителя из емкости 5 осуществляется плунжерным насосом высокого давления 6 марки «LIQUPUMP 312/1» через трехходовой вентиль 7 в общую магистраль. Насос 6 позволяет регулировать подачу сорастворителя в диапазоне 0,01-9,99 мл/мин, тем самым устанавливая необходимую концентрацию (2-10%) модификатора в сверхкритическом СО2.
Конструктивной особенностью насосов 3 и 6 является наличие в них двух насосных головок, плунжеры которых, работая последовательно, сглаживают пульсацию потока растворителя и сорастворителя, благодаря этому достигается высокая степень равномерности их подачи.
Для предотвращения возврата СO2 и сорастворителя обратно в насосы используются обратные клапаны.
Экстракционная ячейка 8 представляет собой сосуд высокого давления, разделенный на две части. В одной части осуществляется экстракция твердых веществ, в другой части - экстракция жидких веществ. Ячейка установлена в теплообменник 9, представляющий собой толстостенную медную трубу, на которую по спирали в специальные пазы уложен нагревательный кабель и трубопровод, где происходит предварительный нагрев подаваемого для экстракции растворителя. Такая конструкция обеспечивает максимальное снижение температурных градиентов внутри ячейки за счет равномерного нагрева самой ячейки и предварительного подогрева подаваемого растворителя. Ячейка снабжена двумя датчиками температуры, один из которых расположен непосредственно на корпусе ячейки, другой - на теплообменнике. Сигналы от датчиков подаются на электронный измеритель-регулятор 2ТРМ1 10, поддерживающий температуру с точностью ±25°С. Поверхность теплообменника покрыта теплоизоляцией.
Сборники экстракта, представляющие собой сосуды высокого давления 11a, 11б, внутри которых расположены сменные гильзы для экстракта, размещены в термостатической ванне 12.
Дроссельные вентили 13, выполняющие функции рестриктора, позволяют фракционировать смеси путем изменения давления.
Предполагаемое устройство работает следующим образом.
Подготовительные работы включают:
- экстракционная ячейка 8 заполняется исследуемым веществом и герметизируется;
- включается регулятор температуры 10. По электронному преобразователю сигнала датчика температуры контролируется достижение заданной температуры в экстракционной ячейке;
- включается холодильный агрегат 4, начинается подача хладоагента в холодильник и рубашки охлаждения насосов;
- сборники экстракта 11а и 11б помещаются в термостатическую ванну, где устанавливается необходимая температура.
После подготовительных работ открывается запорная арматура на линии всасывания и нагнетания насоса 3 и начинается подача растворителя (СO2). При необходимости включается насос 6 для подачи сорастворителя. Смесь диоксида углерода и сорастворителя из насосов проходит по трубопроводу через теплообменник, где нагревается до температуры выше критической. После этого модифицированный сверхкритический флюид поступает в установленную внутри теплообменника экстракционную ячейку, в которую загружено определенное количество исследуемого вещества. Температура экстракционной ячейки поддерживается с помощью электронного измерителя-регулятора.
Из экстракционной ячейки модифицированный СКФ, с растворенными в нем веществами, поступает в дроссельный вентиль, где происходит падение давления, и растворенные в СКФ вещества осаждаются в сборнике экстракта. При исследовании смесей используются несколько сборников экстракта. В сборнике 11а давление Ра понижается до давления Ра<Ркрит, а в сборнике 11б до давления Рб<Ра. При этом в сборнике 11а выпадают в осадок преимущественно те компоненты смеси, растворимость которых для данного давления самая низкая, в сборнике 11б остальные компоненты. Таким образом, за счет ступенчатого снижения давления достигается разделение экстракта на фракции. Взвешивание исследуемого вещества до и после эксперимента позволяет определить изменение его массы и количество экстрагированных веществ. Массовый расход растворителя в течение всего процесса экстракции поддерживается в диапазоне 2,0÷2,5 г/мин.
На следующих примерах описаны пути достижения технического результата устройством:
Пример 1. Исследование растворимости вещества в немодифицированном растворителе. Исследуемое вещество помещается в ячейку 9, ячейка герметизируется, после чего включается обогрев ячейки. Включается холодильный агрегат 4. Рабочая полость насоса 3 через холодильник 2 заполняется растворителем из баллона 1. Включается насос 3 и растворитель под давлением, превышаемым критическое, подается в ячейку 9, при этом растворитель перед подачей в ячейку нагревается до температуры превышающей критическую. За счет предварительного нагрева растворителя процесс растворения начинается непосредственно после контакта растворителя с исследуемым веществом. В ячейке 9 исследуемое вещество растворяется в растворителе и выводится в сборник экстракта 11а через дросселирующее устройство 13, при этом происходит падение давления до значения ниже критического, растворяющая способность растворителя снижается и растворенное вещество выпадает в осадок, растворитель переходит в газовую фазу и выводится из ячейки.
Пример 2. Исследование растворимости смеси из двух и более веществ в немодифицированном растворителе и разделения экстракта на составляющие. Отличается от примера 1 тем, что в ячейку 9 загружается исследуемая смесь, используется два дросселирующих устройства 13 и два сепаратора 11а и 11б, при этом снижение давления до значения ниже критического происходит после второго дросселирующего устройства, давление после первого дросселирующего устройства ниже значения в ячейке 9, но выше критического значения. В сборнике экстракта 11а выпадает часть компонентов экстракта, относительная летучесть которых ниже, чем летучесть растворителя при данных параметрах, в сборнике экстракта 11б выпадает в осадок оставшаяся часть компонентов экстракта. Количество и состав компонентов экстракта изменяется в зависимости от параметров растворителя (давление, температура).
Пример 3. Исследование растворимости вещества в растворителе, модифицированным сорастворителем. Отличается от примера 1 тем, что в растворитель добавляется сорастворитель, подаваемый от насоса 6 через трехходовой вентиль 7. В сборнике экстракта 11а выпадает в осадок экстракт исследуемого вещества и сорастворитель. Применение сорастворителя целесообразно при применении неполярного растворителя для экстракции полярных соединений или для увеличения растворяющей способности исходного растворителя.
Пример 4. Исследование растворимости смеси из двух и более веществ в растворителе модифицированном сорастворителем и разделения экстракта на составляющие. Отличается от примеров 1 и 3 тем, что в растворитель добавляется сорастворитель, подаваемый от насоса 6 через трехходовой вентиль 7, а так же используется два дросселирующих устройства 13 и два сепаратора 11а и 11б, при этом снижение давления до значения ниже критического происходит после второго дросселирующего устройства, давление после первого дросселирующего устройства ниже значения в ячейке 9, но выше критического значения. В сборнике экстракта 11а выпадает часть компонентов экстракта и сорастворителя, относительная летучесть которых ниже, чем летучесть растворителя при данных параметрах, в сборнике экстракта 11б выпадает в осадок оставшаяся часть компонентов экстракта и сорастворителя. Количество и состав компонентов экстракта изменяется в зависимости от параметров растворителя (давление, температура).
Резюмируя можно сказать, что данная установка выгодно отличается от прототипа расширением возможностей исследования экстракционных процессов с использованием растворителей в сверхкритическом состоянии (до 60 МПа) и равномерностью подачи фиксированного значения концентрации сорастворителя, благодаря устранению пульсаций потока сорастворителя.
Технический результат, описанный в примерах 1-4, является ограниченно достижимым при использовании прототипа.
Установка для исследования экстракционных процессов с использованием растворителей в сверхкритическом состоянии, содержащая баллон со сжатым газом, холодильник, два насоса высокого давления, экстракционную ячейку, дроссельный вентиль, сборник экстракта, систему контроля и измерения (КИП), отличающаяся тем, что устройство снабжено двумя плунжерными насосами высокого давления, теплообменником, внутри которого установлена экстракционная ячейка, двумя сборниками экстракта, где один плунжерный насос высокого давления, имеющий компенсационный поршень, всасывающим патрубком соединен с баллоном со сжатым газом (CO2) через холодильник, обеспечивающий ожижение газа, а нагнетательным патрубком - с общей магистралью, другой плунжерный насос высокого давления соединен с емкостью для подачи сорастворителя через трехходовой вентиль в общую магистраль, теплообменник, имеющий нагреватель и трубопровод для предварительного нагрева и подачи сверхкритического флюида (СКФ) из магистрали в экстракционную ячейку, которая соединена с двумя сборниками экстракта через дроссельные вентили для ступенчатого снижения давления.
