CS255257B1 - Zařízení pro styk pevné a kapalné féze v odstředivém poli - Google Patents

Abstract

Řeší se zařízení pro styk pevné a kapalné fáze v odstředivém poli, které je použitelné při intenzifikaci některých fyzikálních, chemických nebo biotechnologických, např. fermentačních, pochodech. Zařízení sestává z nádoby s kapalným "reakčnim" médiem a tělesem, dna, příp. víka, á obsahuje výstupní otvory pro kapalné médium. Kapalné médium je nasáváno nebo dávkováno na dno dutého rotoru otvorem nebo přívodem ve dnu rotoru, s výhodou centrálním. Podstata spočívá v tom, že v dutině rotoru je uložena pevná fáze, s výhodou - reakční činidlo průlinčité konsistence. Pevnou fázi může tvořit například náplň vestavby zcela nebo zčásti vestavbu vyplňující. Vlivem odstředivých sil a tlaku uvnitř rotoru kapalné médium proniká vrstvami pevné fáze, čímž dochází k "reakci“ pevné fáze s kapalinou, potom je opět nasávána vstupním otvorem ve dnu do rotoru a celý cyklus se stále opakuje. Zároveň dochází k velmi účinnému míchání média. Hlavní výhodou zařízení podle vynálezu je intenzifikace "reakčního" procesu za přispění odstředivých sil. Použití je zejména pro chemisorpci, adsorpci, výměna iontů,, chromatografie, fermentaoe, katalyzace apod.

Description

(54) Zařízení pro styk pevné a kapalné féze v odstředivém poli

Řeší se zařízení pro styk pevné a kapalné fáze v odstředivém poli, které je použitelné při intenzifikaci některých fyzikálních, chemických nebo biotechnologických, např. fermentačních, pochodech. Zařízení sestává z nádoby s kapalným reakčnim médiem a tělesem, dna, příp. víka, á obsahuje výstupní otvory pro kapalné médium. Kapalné médium je nasáváno nebo dávkováno na dno dutého rotoru otvorem nebo přívodem ve dnu rotoru, s výhodou centrálním. Podstata spočívá v tom, že v dutině rotoru je uložena pevná fáze, s výhodou - reakční činidlo průlinčité konsistence. Pevnou fázi může tvořit například náplň vestavby zcela nebo zčásti vestavbu vyplňující.

Vlivem odstředivých sil a tlaku uvnitř rotoru kapalné médium proniká vrstvami pevné fáze, čímž dochází k reakci“ pevné fáze s kapalinou, potom je opět nasávána vstupním otvorem ve dnu do rotoru a celý cyklus se stále opakuje. Zároveň dochází k velmi účinnému míchání média. Hlavní výhodou zařízení podle vynálezu je intenzifikace reakčního procesu za přispění odstředivých sil. Použití je zejména pro chemisorpci, adsorpci, výměna iontů,, chromatografie, fermentaoe, katalyzace apod.

Vynález se týká zařízení pro styk pevné a kapalné fáze v odstředivém poli.

Při některých pochodech, zejména fyzikálních nebo chemických, je třeba, aby tekutina proudila vrstvou porézního, zrnitého nebo podobného materiálu. Je známo, že vrstvy těchto materiálů podstatně zvětšují povrch styku mezi kapalnou a pevnou fázi v daném objemu zařízení, čímž podstatně urychlují uvedené pochody. Na rozdíl od odstředivek, zejména filtračních, nejedná se o pouhé dělení pevné fáze od kapalné, ale o příslušný chemický, fyzikální nebo podobný proces následkem interakce obou fází.

K nejběžnějším případům využití jevů patří fyzikální adsorbce, chemisorbce (nebo opačný pochod desorbce), katalytické reakce (nosič s aktivní vrstvou) apod.

V poslední době nabývají význam biologie a biotechnologie, které využívají styku kapalné fáze s aktivovanými pevnými nosiči na basi makroporézních polymerů a kopolymerů, hydrofilních past nebo gelů, ionexů. Patří sem i systém chromatografie (plynná, kapalinová, papírová,* gelová, tlaková apod).

U všech těchto a řady dalších pochodů se vyžaduje, aby tekuté médium, např. kapalné, pronikalo, prosakovalo, prolínalo nebo proudilo skrze vrstvu pevného reakčního činidla, aby se dosáhlo požadované změny, přičemž takovou změnou je obvykle výměna nebo změna některé hmotové složky mezi tekutinou a pevnou fází.

Nejjednodušším případem je adsorpce, při které se míchá sypký, např. zrnitý sorbent za daných podmínek (teplota, tlak, pH...) s kapalným médiem po určitou dobu v chemickém reaktoru. Po skončení reakce je nutno přečerpat suspenzi s reakčním činidlem, tj. zbývajícím sorbentem, do kololisu, tj. do dalšího zařízení, kde se adsorbens obsahující adsorbát oddělí od zbývající kapaliny.

Nevýhodou dosavadního způsobu je, že reakčni médium musí projít třemi zařízeními, tj. chemickým reaktorem, čerpadlem a kalolisem, což jsou nákladná zařízení. To rovněž vylučuje, aby celý proces byl kontinuální a dále to zvyšuje časovou náročnost. Provozní náklady (včetně pracovních sil) jsou vysoké a produktivita práce je nízká.

Některé tyto nevýhody odstraňuje zařízení podle vynálezu, určené pro styk pevné a kapalné fáze v odstředivém poli, obsahující nádobu s kapalným reakčním médiem a těleso, které má tvar dutého rotoru, který se otáčí s výhodou uvnitř média. Dutý rotor sestává z pláště, dna, příp. víka, a obsahuje výstupní otvory a dále vstupní otvor nebo otvory, příp. vstupní přívod, s výhodou centrální pro vstup média na dno rotoru.

Podstatou zařízení podle vynálezu je, že v dutině rotoru je uložena pevná fáze s výhodou reakčni činidlo průlinčité konsistence.

Pevnou fázi(tj. obecně reakčni činidlo) tvoří bud sypký, ale tekoucí kusovitý, např. zrnitý materiál, volně vsypaný do dutiny rotoru, nebo náplň vestavby zcela nebo zčásti vyplňující objem vestavby. V prvém případě je vhodné, aby vstupní otvor ve dnu dutého rotoru byl zakryt průlinčitou, s výhodou perforovanou nebo porézní deskou. Tato deska zabraňuje propadu sypkého materiálu při nízkých otáčkách rotoru nebo při jeho zastavení, příp. změně otáček při reakci.

Pevná fáze, příp. vestavba, její konstrukční díly, např. přepážky, ve kterých je pevná fáze fixována, nemusí mít vždy průlinčitou konsistenci. Může se jednat např. o vrstvy (desky), jejichž hmotou kapalina sice nemůže prostupovat, ale mezi kterými jsou uspořádány kanálky nebo mezery, kterými pod vlivem odstředivých sil může kapalina proudit, příp. cirkulovat, tedy být ve styku alespoň s jejich styčným povrchem.

Naproti tomu může být i pevnou fází látka pastovitá, gelová, suspenze apod., nebo jakákoliv jiná hmota, skrze kterou prochází tekutá fáze (kapalina či plyn), přičemž průchodnost umožňuje pórovitost takové hmoty za zvýšeného odstředivého tlaku.

Dutinou se rozumí uvnitř rotoru, tj. obklopený vnějším pláštěm, dnem příp. víkem apod. Dutina rotoru může být vyplněna reakčnim činidlem zcela nebo částečně. Může to být sypký (tekoucí) materiál s částicemi libovolného tvaru nebo frakce (pohyblivé lože), např. tvaru šupinek, vloček, kuliček, destiček, sám osobě reagující nebo mající jen aktivní povrch, tj. na nosiči apod. Nebo náplň rotoru může být pevně fixována pomoci vestavby bud v celém jejím objemu, nebo jako náplň jen některých objemových dílů vestavby (komůrek, buněk, kanálů, prostor apod). Mohou to být i aktivně působící membrány nebo fólie (pevné lože).

Otáčející se rotor naplněný pevnou fází, může být bud zcela nebo částečně potopen pod hladinou média.

Konstrukce zařízení podle vynálezu je založena na účincích odstředivého pole. O podobný princip se opírá i vynález podle AO č. 228 221 o názvu Zařízení pro fermentace zejména viskozních aerobních médií, které má jen funkce hydromechanické nebo hydrodynamické povahy (míchání, homogenizace, rozstřikování kapaliny, čerpání kapaliny vzhůru, odstředování, sušení, apod). Liší se především tím, že dutina rotoru není vyplněna aktivní hmotou, která ovlivňuje reakění děje v reakčnl nádobě.

Funkce zařízení podle vynálezu spočívá v tom, že otáčející se rotor s aktivní náplní nasává vstupním otvorem (s výhodou uprostřed dna rotoru) kapalné médium do nitra rotoru a zde vlivem odstředivých sil je zvedáno vzhůru, přičemž přechází spirálovou drahou do tvaru hladinového kapalinového paraboloidu. Silové pole způsobuje, že kapalné médium postupně prostupuje aktivní hmotu v dutině rotoru, čímž dochází k interakci obou fází, např. ke katalytické chemické reakci, kdy konsistence pevné fáze se nemění. Cyklus prostupování kapalného média hmotou pevné fáze (náplně) se stále opakuje bud s novým, nebo již dříve protékajícím kapalným médiem.

Podle umístěni výstupních otvorů v rotoru (v plášti dnu, příp. víku) dochází k vějířovitému rozstřiku vystupujícího média pod jeho hladinou nebo nad jeho hladinou. Rozstřik média nad hladinou je výhodný, zejména je-li žádoucí též styk s plynným, např. vzdušným prostředím z důvodu aerace, ohřívání, chlazení, styku s reakčními nebo inertními plyny (Nj, C0₂, NH^,

H₂ apod.), parou apod.

Zařízení podle vynálezu může být uzpůsobeno bud pro periodický nebo kontinuální děj.

Výhodou zařízení podle vynálezu je tedy zejména, že v jedné r.eakčni nádobě může být uskutečněna ne jedna operace, ale dvě nebo více operací bud současně, nebo postupně za sebou (AO č. 228 350).

Tak např. zařízení podle vynálezu umožňuje, aby za stálého míchání pomoci vnějšího pláště rotoru (AO č. 228 350) , probíhala katalytická reakce na povrchu zrnitého katalyzátoru uloženého v dutině rotoru, přičemž po skončení chemické reakce není třeba již dalšího zařízení, např. filtrační odstředivky k oddělení katalyzátoru od kapalného média, takže odpadá tato operace.

Jinou výhodou zařízení podle vynálezu např. oproti sloupovým kolonám naplněných katalyzátorem nebo soi;bentem, kterými kapalné médium protéká pouze vlivem gravitačního zrychlení, a to pouze jedenkrát, je, že styk obou fází se opakuje v pravidelných cyklech mnohokrát za sebou a vlivem odstředivého zrychlení je prosazení několikrát vyšší než u gravitačního zrychlení.

Průtok média skrz pevnou fázi lze zvýšit a regulovat počtem otáček rotoru. Tím se zvýší i odstředivý tlak a dojde i. ke zvýšení průtoku kapalné fáze pevnou fází. To umožňuje úsporu katalyzátoru co do množství, zvýšení reakční rychlosti, snížení reakční doby a celkové zvýšení produktivity práce, úsporu provozních a investičních nákladů (menší aparatury). Vzhledem k citovaným autorským osvědčením je zařízení podle vfcefunkční a má univerzální charakter. Umožňuje reakce při stálém míchání média a při vhodném uspořádání, aniž by se použil investiční celek, může být toto zařízení použito zároveň k čerpání média vzhůru, odpěňování média, rostřikování, odstřeSování, sprayovému sušení (AO č. 229 281) apod.

Dále jsou uvedeny schematicky na přiloženém výkresu v nárysu příklady zařízení pro styk pevné a kapalné fáze v odstředivém poli podle vynálezu.

Obr. 1 znázorňuje reakční nádobu, ve které je zcela ponořen pod hladinou kapalného média dutý rotor s náplni volně vsypaného reakčního činidla (pohyblivé lože), na obr. 2 dutý rotor s vnitřní perforovanou přepážkou ve tvaru svislé trubice, přičemž reakční činidlo je vloženo do mezery mezi touto přepážkou a vnitřní stěnou pláště rotoru a rotor svojí horní částí, kde jsou umístěny výstupní otvory, vyčnívá nad hladinu média.

Obr. 3 znázorňuje podle vynálezu, u kterého v dutině rotoru je uložena vestavba tvořící komůrky s perforovanými svislými nebo vodorovnými stěnami, ve.kterých je uložena pevná fáze.

Nej jednodušší případ zařízení podle vynálezu je schematicky znázorněn v nárysném řezu na obr. 1. Jedná se o dutý rotor 2 se sypanou pevnou fází zrnitého reakčního činidla uvnitř rotoru 2·

Zařízeni tvoří reakční nádoba 2 s víkem 21 a se zarážkami 2, které jsou posunovatelné ve svislém směru. V ní je zcela pod hladinou-kapalného média potopen dutý rotor 2 se svislou hnanou hřídelí 10, spojenou s elektromotorem 13, který má regulátor otáček, přičemž hřídel 10 prochází ložiskem 20 ve víku 21 nádoby 2Dutý rotor 2 sestává z pláště 5, odnímatelného víka J5 a dna £, ve kterém je centrální otvor 16 pro vstup kapalného média na dno 2 dutého rotoru 3, který je zakryt sítkem 12.

V horní části pláště 5 rotoru 2 jsou uspořádány v řadách vedle sebe výstupními otvory 17, přičemž v některých jsou vsazeny trysky 2·

Do dutiny rotoru 2 3^e vložena tekutá sypká pevná fáze 14 zrnité konsistence, která tvoří reakční činidlo, se specifickou hmotností větší než kapalná fáze 15 v reakční nádobě 1.

Jakmile se rotor 2 začne v nádobě 2 otáčet dostatečnou úhlovou rychlostí, tvoří se působením odstředivých sil uvnitř rotoru 2 hladinový kapalinový paraboloid, který má dvě fáze (vrstvy) vnější pevnou .14, zrnitou a vnitřní kapalnou 25· Průměr zrnitých částic přesahuje průměr výstupních otvorů 17, příp. trysek 2 ^v horní části pláště 2 rotoru 2· Výška kapalinového paraboloidu se mění se změnou úhlové rychlosti.

Kapalná fáze 15 Začíná nepřetržitě proudit a cirkulovat skrz pevnou fázi 14 v celé parabolické styčné ploše skrz fázové rozhraní, které se nachází zhruba uprostřed tohoto paraboloidu vytvořeného v dutém rotoru 2· Tím dochází k žádoucí interakci mezi oběma fázemi 14 a 15. Kapalné médium, které prošlo pevnou zrnitou fází 14 parabolického tvaru přiléhající pod vlivem odstředivých sil k vnitřní stěně pláště 2« opouští rotor 2 výstupními otvory 17, příp. tryskami 9, a pod odstředivým tlakem tryská pod hladinou zpět do kapalného média. Kapalné médium a reakční činidlo následkem této interakce mění svou podstatu nebo složení,

Na obr. 2 je znázorněno zařízení podle vynálezu s. vnitřní perforovanou přepážkou 7_ se vstupními otvory 2 v dolní části přepážky 7_. Do mezery vytvořené mezi přepážkou 7 a vnitřní stěnou pláště 2 rotoru 3 je vložena a potřebným způsobem zhutněna náplň, tj. pevné fáze 14 (reakční činidlo).

Dutý rotor 2 ³ trubkovým nástavcem 25 je potopen jen částečně dolní částí do kapalného média, takže horní část rotoru 3, kde se v plášti 2 nacházejí výstupní otvory 17, vyčnívá nad hladinu kapalného média. Hřídel 10 je upevněna na víku 2 ^a pomocí vzpěry 11 k přepážce 2 a je druhým koncem otočně uložena ve dnu reakční nádoby 2·

Jinak jsou uspořádání i funkce podobné jako u zařízení podle obr. 1 s tím roztílem, že kapalné médium po interakci s pevnou průlinčitou fází 14 je vějiřoVitě rozstřikováno výstupními otvory 27.» umístěnými nad hladinou média, do prostoru nad touto hladinou a nikoliv přímo do kapalného média reakční nádoby 2·

Prostor nad hladinou je naplněn vzduchem, který se nepřetržitě vyměňuje, takže dochází zároveň k aeraci kapalného média, která je žádoucí pro danou reakci, např. pro aerobní fermentací kvasničních mikroorganismů. Kapičky rozstřikované fáze 15 dopadají zpět na hladinu kapalného média, nebo stékají do kapalného média po vnitřní stěně nádoby 1, případně po vestavbě nebo zarážkách umístěných v prostoru nad hladinou média v podobě tenkého filmu.

Další alternativa zařízení podle vynálezu je znázorněna na obr. 3, též v nárysu. Liší se od předchozí na obr. 2 v tom, že pevná fáze 14 vyplňuje vestavbu 22, která má tvar prstence, jehož výška je nižší než výška pláště 2 rotoru 2< přičemž vestavba 22 je uzavřena víčkem 18 s výstupními otvory 27 a dnem 19 se vstupními otvory 2· Hřídel 10 hnaná elektromotorem 13 je otočně uložena v nosném rámu 28 v ložisku 20. Zařízení není zcela .potopeno v kapalném médiu a rotor 3 nemá víko 2» takže kapalná fáze 25., která prošla celým sloupcem 5, vystupuje z rotoru 2 přímo přes horní okraj dutého rotoru 2 ^ve tvaru kapalného věnce, který se jakoby převaluje přes tento okraj.

Vestavba 22 sestává z perforovaných svislých a vodorovných desek (stěn) sestavených tak, aby tvořily samostatné duté komůrky 25' které zároveň tvoří nosnou kostru 24 vestavby 22. Vestavba 22 dá se vyjmout z rotoru 2 ^a znovu naplnit reakčním činidlem např. konsistence průlinčité pasty nebo polopasty. Jinak funkce je podobná jako u zařízení podle obr. 2. Kapalné médium v kalové nádrži 26 vstupuje na dno £ otáčejícího se rotoru 2 ^a potom postupně do jednotlivých komůrek 23 vestavby 25· Těmito komůrkami 23 naplněnými pevnou fází 14 a výstupními otvory 27 ve víku 18 proudí kapalné médium vlivem odstředivých sil přes horní okraj rotoru 3 na hladinu kalové nádrže 22' ^kde 3^{e v} tenké vrstvě rozptylováno po hladině.

Využití této formy je výhodné např. pro čištění odpadních vod v rybnících nebo nádržích, zejména při kontinuálním průtoku.

Claims (3)

PŘEDMfiT VYNALEZU

1. Zařízení pro styk pevné a kapalné fáze v odstředivém poli, obsahující nádobu s kapalným reakčním médiem a těleso, které má tvar dutého rotoru, který se otáčí s výhodou uvnitř média, přičemž rotor sestává z pláště, dna, příp. vlka, a obsahuje výstupní otvory a dále vstupní otvory, příp. vstupní přívod s výhodou centrální pro vstup média na dno rotoru, vyznačené tím, že v dutině rotoru (3) je uložena pevná fáze (14) , s výhodou reakční činidlo průlinčité konsistence.

2. Zařízeni podle bodu 1, vyznačené tím, že pevnou fázi (14) tvoří náplň vestavby (12) zcela nebo zčásti vyplňující objem vestavby (22).

3. Zařízení podle bodu 1, vyznačené tím, že vstupní otvor (16) ve dnu (4) dutého rotoru (3) je zakryt průlinčitou deskou (12), s výhodou perforovanou nebo porézní.