способ разделения дисперсных систем

Формула изобретения

СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ, заключающийся в центробежном центрифугировании компонентов в сепараторе и электролитическом воздействии на них, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности процесса разделения, расширения диапазона поддающихся сепарации веществ и их комбинаций, электролитическое воздействие осуществляют переменным током с параметрами, сообщающими энергию активации ассоциатам системы и уменьшающими негативное влияние электроповерхностных явлений, при этом временной интервал воздействия амплитудно-частотных характеристик тока не менее времени релаксации ионной атмосферы ассоциатов системы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химической промышленности, а более конкретно к тем ее областям, где по условиям технологии требуется обеспечить процессы разделения жидких многокомпонентных систем.

Цель изобретения повышение эффективности разделения, расширения диапазона поддающихся сепараций веществ и их комбинаций.

Раствор как механическая смесь компонентов, обладающих в общем случае различными плотностями, представляет собой физико-химическую систему, открытую для разделяющего фактора центробежных сил инерции.

В связи с неуничтожимостью массы молекул различных взаиморастворяющихся веществ любая система раствора теоретически всегда (разные плотности) считается открытой для разделяющего фактора поля центробежных сил. Однако на ионном и молекулярном уровнях взаимодействие растворенного вещества и растворителя определяется в большей степени влиянием сил электромагнитной природы. Таким образом, чтобы разделить раствор на составляющие его исходные компоненты, необходимо совместно решить двойную задачу: резко ослабить объединяющее влияние сил электромагнитного поля и одновременно существенно усилить разделяющее воздействие фактора центробежных сил инерции. Те же выводы, полученные выше применительно к растворам, относятся и к неоднородным мелкодисперсным и сверхмелкодисперсным системам, подлежащим центрифугированию.

Согласно предложенному способу центробежное разделение компонентов в ультрацентрифуге совмещено, т.е. производится параллельно под непосредственным воздействием переменного тока (электромагнитного фактора) строго заданных параметров. Величина напряженности электромагнитного поля, создаваемого током и подведенного, в частности, к раствору, достаточно для сообщения энергии активации сольварированному (гидратированному) комплексу ионов растворенного вещества и выполняет задачу резкого ослабления межионных и межмолекулярных электромагнитных взаимодействий. В условиях конкретного физико-химического состава, когда эти взаимодействия током ослаблены, а ионы растворенного вещества и растворителя под воздействием приложенного внешнего электромагнитного поля удалены друг от друга действием мощного фактора центробежного поля, начинает изменять пространственную ориентацию и статистическую функцию распределения компонентов раствора вдоль вектора действия центробежной силы в соответствии с их исходными плотностями (молекулярными массами).

В отличие от постоянного, выбранный переменный характер подводимого к раствору внешнего электромагнитного поля предпочтительнее. Он предотвращает нежелательные концентрации вблизи токовых электродов ионов одинаковой полярности, но разной атомной массы, принадлежащих различным компонентам раствора и способных исказить пространственную картину распределения продуктов сепарации. Переменный характер поля сообщает ионам и молекулам раствора колебательные движения относительно друг друга и увеличивает статистическую вероятность их избирательного разделения вдоль вектора центробежного поля в соответствии с их массой, т.е. выполняет функции ионного вибросита. В этих целях направление силовых линий электромагнитного поля назначено под некоторым углом к плоскости действия вектора центробежной силы и составляет в разных областях системы раствора зоны геометрического смещения векторов от 0 до 90^о. Частота подводимого током поля является наиболее интересной физической характеристикой и определяется конкретными молекулярно-кинетическими свойствами, участвующих в растворении веществ, их граничными концентрациями в разных областях системы раствора, величиной центробежной силы, конструктивными параметрами сепаратора, скоростью подвода и удаления ингредиентов, другими эксплуатационными факторами, и подбирается в границах оптимального диапазона опытно-расчетным путем. Выбор конкретной частоты учитывает факторы времени релаксации ионной атмосферы и электрофоретического эффекта.

Интенсификация процесса сепарации, расширение диапазона разделяемых компонентов в сторону сверхмелкодисперсности, вплоть до растворов должны усилить течение сопутствующих тепловых эффектов (нагрев, охлаждение). Действительно, если многокомпонентую, в частности двухкомпонентную комбинацию веществ, находящуюся в данный момент в условиях термодинамического равновесия, открыть для разделяющего фактора центробежных сил инерции, то в системе возникнут условия, благоприятные для смещения константы равновесия в сторону исходных продуктов. Различие концентраций, например, раствора, в разных точках (областях) системы определится, как функция величины возмущающей силы центробежной силы инерции на фоне действия дополнительных физических факторов и времени приложения силы к системе. Условия термодинамического равновесия при этом будут нарушены, и система сместится в сторону уменьшения энтропии, что должно привести к возникновению термохимического процесса (эффекта).

В химической промышленности центробежное центрифугирование применяют для различных целей, в том числе для разделения составов (растворы, суспензии) с растворимой твердой фазой (сульфаты аммония, натрия и железа, глауберова соль, хлористый натрий, поташ, бура). Наличие растворимой твердой фазы в растворе приводит к возникновению серьезных сопутствующих энергетических эффектов. Так, для процесса сепарации состава с сульфатом аммония температура процесса равна 100^оС, хлорида натрия 80-90^оС. Растворимые вещества, например хлористый натрий, не являются препятствием для выделения их центрифугированием, тоже относится к другим солям. Основания и кислоты разделяются центрифугированием с большим трудом, здесь в основном и состоит сфера применения предлагаемого объекта, интенсифицирующего благодаря дополнительным физическим факторам, процессы разрушения ассоциаций молекул и ионов.

Уточняя вопрос о возможных энергетических эффектах, которые могут явиться следствием интенсификации процесса сепарации на фоне действия дополнительных физических факторов, нужно отметить их величину, особенно при разделении растворов, и мер по их компенсации. Значительное охлаждение или нагрев объема системы, подвергнутой сепарации, вызовут потребность в принудительном интенсивном теплообменном процессе, призванном компенсировать течение этих проявлений. Обеспечение дополнительного теплообменного процесса усложняет конструктивную схему сепарации, является негативным, но принципиально неустранимым следствием данной технологической схемы. Конструктивно заявленный объект должен быть дополнен развитыми поверхностями теплообмена и источниками движения промежуточного теплоносителя (охладителя). Этот недостаток частично можно скомпенсировать, если организовать утилизацию отходящего бросового тепла или холода для технологических или бытовых нужд. Любую незначительную разницу температур можно использовать в качестве номинального термодинамического условия для работы низкопотенциальной тепловой машины, например газовой турбины с фреоновым или аммиачным циклом.

Воздействие электромагнитной активации переменным током обеспечит дополнительный суммарный каталитический эффект, который для электромагнитной активации может быть описан как известный электрохимикам процесс электролиза, проводящего в поле (на фоне) действия центробежных сил. Электроактивация производится переменным током с параметрами, благоприятствующими уменьшению негативных влияний электроповерхностных явлений и достаточных для сообщения энергии активации различным физико-химическим ассоциатам системы.

Мощностные и амплитудно-частотные характеристики электроактивации обеспечивают достаточный энергетический уровень и временной интервал для перестройки (релаксации) ионной атмосферы ассоциатов системы и благоприятного для сепарации течения электрокинетического эффекта.

В целях недопущения однозначной избирательной концентрации ионов одного знака, но разных молекулярных масс в районе одного электрода, выбран вариант переменного тока. Частота тока в каждом конкретном случае жидкой системы будет различной. Она будет также определяться величиной времени релаксации ионной атмосферы и не должна по временным параметрам быть меньше этого физического показателя. Мощностные параметры электровоздействия выбирают достаточными для сообщения энергии активации ассоциатам системы, т.е. амплитудно-частотные и мощностные показатели конкретны для каждой системы, они направлены на преодоление негативного влияния электроповерхностных явлений и блокируют их. Параметры электроактивации рассчитываются конкретно и с учетом электрофорического эффекта. Процесс сепарации и сопровождающего его теплообмена обеспечивается синхронной работой механической, электрической, ультразвуковой, гидравлической и аэродинамической частями устройства. Под воздействием электроактивации система, поданная в поле центробежных сил, разделяется на легкую и тяжелую фазы. Легкая концентрируется в верхней части центрифуги вблизи оси, тяжелая отбрасывается на периферию и оседает вниз. Процесс разделения сопровождается энергетическим эффектом и теплообменом через стенки сепаратора. Продукт теплообмена газообразный теплоноситель направляется на бытовые, технологические нужды или служит рабочим теплом турбины, работающей по замкнутому газовому циклу.

Предложенный способ позволяет интенсифицировать процессы разделения жидких систем в сепараторах. Появляется возможность подвергать сепарации более широкий спектр систем, в том числе некоторые растворы солей, кислот и оснований. Повышается выход конечного продукта для разделяемых взвесей, суспензий и прочих средне- и мелкодисперсных систем. Эти качества позволят работать с более бедными составами, что в условиях сырьевого кризиса и недостатка высококонцентрированного сырья положительно отразится на работе химической промышленности и экономике страны в целом.