Analytický hydrocyklón
Oblast techniky
Předkládané technické řešení se týká analytického hydrocyklónu uzpůsobeného pro analytické filtrace, který umožňuje odběr vzorku čistého filtrátu, aniž by byl ovlivněn hlavní proud analyzovaného média.
Dosavadní stav techniky
Při analýze vzorků, zejména vzorků v komplexních matricích, v průtokových systémech nebo v systémech, kde hraje významnou roli časová konstanta dějů, které mají být měřeny, je velkým problémem kontinuální odběr filtrovaného vzorku. Známým způsobem odstranění hrubých nečistot je předřazení filtru. Toto řešení má však významné nevýhody spočívající v jeho následujících vlastnostech:
1) Filtrační zařízení vnáší do systému velký mrtvý objem a z toho vyplývá, že vzniká velké časové zpoždění mezi aktuálním měřením koncentrace vzorku a aktuální koncentrací v měřeném objektu, například v bioreaktoru.
2) Další nevýhodou klasického filtruje to, že v důsledku usazování filtračního koláče na jeho povrchu se mění průtok filtrem. Znamená to, že se mění dopravní zpoždění a hydrodynamické vlastnosti v okolí senzoru. Ve většině měření (například měření teploty, koncentrace a dalších parametrů) je odezva senzoru dána přestupem tepla nebo hmoty. Jak přestup tepla, tak přestup hmoty podstatně závisí na hydrodynamice v okolí senzoru. Zejména elektrochemické senzory jsou extrémně citlivé na stabilitu průtoku. Poněkud méně citlivé na stabilitu průtoku jsou optické senzory.
Uvedené nevýhody si vynucují, aby senzory byly umístěny přímo v proudu měřené kapaliny nebo v měřeném objektu. To ale klade velmi silné požadavky na konstrukci senzorů a je to velkou překážkou jejich miniaturizace. V případě sledování dějů v bioreaktorech se přidávají faktory, kladoucí další dodatečné požadavky na senzory. Jsou to zejména: intenzivní míchání bioreaktoru, komplexní matrice látky, která je v bioreaktoru a která může obsahovat i abrazivní částice. Významná je i zvýšená teplota v bioreaktoru. Ve většině případů je pro použití senzorů v bioreaktorech nutná jejich sterilita a jejich konstrukce z materiálů, které nemohou obsah bioreaktoru kontaminovat. Tyto skutečnosti vedou k tomu, že použité senzory musí být velmi robustní. Jsou proto velké a drahé.
Známým řešením uvedených nevýhod jsou dvojkompartmentové filtrační jednotky. V jedné části vysokou rychlostí obíhá vzorek a vrací se zpět do místa měření. V části systému omývá filtrační membránu a na její druhé straně je odvod filtrátu s tím, že rozměry této části mohou být významně minimalizovány. Tím lze zajistit, že se významně zmenší mrtvý objem zařízení a současně se může umístit senzor do těsné blízkosti filtračního zařízení. Dvojkompartmentové filtrační jednotky jsou komplikovaná zařízení, obyčejně je potřeba využívat relativně velkou plochu membrány tak, aby změny její plochy v důsledku interakce s měřeným médiem případně její zanášení nebo její mechanická degradace v důsledku abrazivních částic, které prochází po jejím povrchu, se minimálně projevovaly na průtoku filtrátu zařízením.
Je také známo zařízení, které odstraňuje mechanické nečistoty, zejména hrubší nečistoty z tekutin, s tím, že jejich podíl je relativně malý. Jsou to tzv. hydrocyklóny. Tento princip se používá i pro odstranění částic ze vzduchu. Tekutina (kapalina, vzduch) proudí velkou rychlostí po povrchu kužele. Jak se snižuje jeho poloměr, zvyšuje se v důsledku zákona zachování energie rychlost tekutiny proudící po vnitřním povrchu kužele. Odstředivou silou se částice natlačují na povrch
- 1 CZ 34785 UI a hromadí se v odpadu, který je na dně kužele hydrocyklónu. Tekutina zbavená hrubých nečistot je odváděna středem hydrocyklónu. Hydrocyklóny jsou komerčně dostupné např. pro čistění vody v domácnosti a lze je kombinovat do baterií, které obsahují několik hydrocyklónů.
Všechny uvedené známé principy hledají řešení, které dosahuje maximální efektivnosti odstranění nežádoucích částic ze zpracovávané látky. Snaží se dosáhnout maximální účinnosti ve smyslu, aby byl dosažen maximální průtok filtrátu a nežádoucí částice nebo látky byly odváděny takovým způsobem, aby se minimálně snížil průtok filtrátu. Je zřejmé z této principiální funkce, že jsou tato zařízení nevhodná pro úpravu vzorku pro analýzu. Pro analýzu vzorku je nutno z jeho složité matrice odebrat malé množství velmi čistého vzorku s minimálním ovlivněním hlavního proudu vzorku.
Rozdíl mezi analytickým a technickým filtrem je na obr. 1. Na obr. 1A je schematicky znázorněna funkce technického filtru. Jeho optimální funkce je charakterizována následujícími požadavky pro filtrát (o), které jsou uspořádány podle priorit:
1. Výstupní tok filtrátu je maximální (Qoi = max) - maximální účinnost
2. Koncentrace filtrované látky ve výstupním toku filtrátu je přibližně stejná jako ve vstupním toku neboje vyšší - filtr látku zakoncetrovává. (Coi~ Cn nebo Coi > Cn)
3. Zpoždění toku látky ve filtru není důležité
4. Látka, která se filtruje se může objevit i v odpadu, pokud to zvýší účinnost filtrace a sníží náklady na filtraci (C02 ~ 0)
Na obr. 1B je schematicky znázorněna funkce analytického filtru. Jeho optimální fúnkce je charakterizována požadavky pro filtrát (o), které jsou uspořádány podle priorit:
1. Výstupní tok retenátu je maximální (Q02 = max), účinnost není významná
2. Koncentrace filtrované látky ve výstupním toku filtrátu stejná jako ve vstupním toku (Coi= Qi)
3. Doba setrvání filtrované látky ve filtru je minimální
4. Mrtvý objem filtru je minimální
5. Nejsou kladeny žádné požadavky na retenát z hlediska filtrace. Z hlediska technologie procesuje požadavek, aby vracející se retenát neovlivňoval sledovaný proces. To je zajištěno první podmínkou a výběrem materiálů použitých pro filtr.
Na obr. 2 je uveden obecně známý společný princip filtrace pro hydrocyklóny a průtokové odstředivky. Všechna výše uvedená řešení se vyznačují využitím principu odstředivé síly pro oddělení filtrátu a retenátu. Ve známých řešeních je použit jak princip průtokové odstředivky, tak hydrocyklónu, případně jejich kombinace. V případě průtokové odstředivky (obr. 2A) je tekuté medium přiváděno přívodem 2,1, který ústí v ose otáčení odstředivky. Otáčením nádoby 2,4 odstředivky vzniká odstředivá síla, která dělí tekuté medium na filtrát (o) a retenát (+). Retenát je odváděn trubicí 2,2. která těsně přiléhá k plášti nádoby odstředivky a filtrát je odváděn trubicí 2,3. jejíž ústí je umístěno blíže k ose otáčení nádoby odstředivky.
V hydrocyklónu na obr. 2B je rotace kapaliny a tím působení odstředivé síly způsobeno tangenciálním umístěním přívodu 2,1 tekutého media. Částice s vyšší hustotou se koncentrují na stěnách hydrocyklónu a jsou odváděny výstupem v jeho dolní části trubicí 2,2. Filtrát je odváděn trubicí 2,3 v horní části hydrocyklónu.
Cílem předkládaného technického řešení je poskytnout hydrocyklón vhodný pro analytickou filtraci, tedy umožňující odebrat malé množství velmi čistého vzorku (bez kontaminace filtrovanými nečistotami) a s minimálním ovlivněním hlavního proudu vzorku.
-2 CZ 34785 UI
Podstata technického řešení
Předkládané technické řešení se týká analytického hydrocyklónu pro analytické filtrace, který umožňuje odběr vzorku čistého filtrátu, aniž by byl ovlivněn hlavní proud filtrovaného média. To zajišťuje posuvný člen, vložený do těla hydrocyklónu. Vhodnou volbou zasunutí posuvného členu lze dosáhnout samovolného odběru vzorku pro následnou analýzu.
Předmětem předkládaného technického řešení je analytický hydrocyklón, obsahující tělo ve tvaru válce nebo kužele (s výhodou ve tvaru kužele), které je na jednom konci opatřené víkem, s výhodou válcovým, s tangenciálním přívodem pro tekuté medium, a na opačném konci je opatřeno výstupem tekutého media. Tělo a víko jsou hermeticky rozebíratelně spojené. Rozebíratelnost umožňuje čištění zařízení v případě usazení nečistot. Uhel a stěn těla hydrocyklónu je v rozmezí od 0° (válcový separátor či odstředivka) do 150° (kuželový hydrocyklón).
Analytický hydrocyklón podle předkládaného technického řešení dále obsahuje posuvný člen pro odběr filtrátu z proudu tekutého média. Posuvný člen je umístěn v ose analytického hydrocyklónu a jeho polohu lze nastavit pomocí stavěči matice a závitu na jeho těle. Nastavením polohy posuvného členu vzhledem k plášti analytického hydrocyklónu (míry zasunutí posuvného členu směrem k výstupu tekutého média) lze nastavit tlak tak, aby byl dosažen optimální tok vzorku (filtrátu) pro jeho analýzu.
Posuvný člen se skládá z vodící tyče opatřené závitem, pomocí kterého se nastavuje poloha posuvného členu vzhledem k vnitřním stěnám pláště analytického hydrocyklónu, a těla posuvného členu, které zajišťuje vhodné hydrodynamické podmínky pro odvádění filtrátu. Tělem i vodící tyčí posuvného členu (v jejich ose) prochází kapilára pro odvádění filtrátu pro analýzu. Tělo posuvného členu je alespoň z části tvořeno částí ve tvaru komolého kužele, z jehož menší podstavy vychází kapilára pro odběr vzorku. Průměr menší podstavy tohoto komolého kužele je D2, průměr větší podstavy komolého kužele je D3, výška komolého kužele je V2 a vrcholový úhel je γ. Tělo posuvného členu je svou větší podstavou napojeno na vodící tyč, s výhodou jsou vodící tyč i tělo posuvného členu vyrobené nerozebiratelně z jednoho kusu materiálu. Minimální velikost D2 odpovídá průměru výstupu tekutého média a maximální velikost D2 je menší než D3. Maximální velikost D3 je menší než průměr D4 vnitřní části analytického hydrocyklónu v místě jeho uzavření víkem.
V jednom provedení je tělo posuvného členu tvořeno válcovou částí o průměru D3 a výšce V3, na kterou navazuje svou větší podstavou (o průměru D3) část ve tvaru komolého kužele, přičemž vodící tyč je připojena k opačné podstavě válcové části, než ke které je připojena část ve tvaru komolého kužele.
S výhodou odpovídá součet výšek V2 a V3 (výška komolého kužele a výška válcové části těla posuvného členu) alespoň polovině výšky těla hydrocyklónu.
V jednom provedení obsahuje tělo posuvného členu dále kuželový konec o průměru podstavy Dl, výšce Vi a vrcholovém úhlu γ, přičemž tento kuželový konec je svou podstavou umístěný na menší podstavě komolého kužele těla posuvného členu. Kapilára pro odběr analyzovaného vzorku neprochází kuželovým koncem, ale je vyústěna do alespoň jednoho otvoru mezi podstavou kuželového konce (o průměru Dl) a menší podstavou komolého kužele (o průměru D2). Tento alespoň jeden otvor spojuje vnější okolí posuvného členu s vnitřkem kapiláry a za vhodných podmínek je vzorek pro analýzu samovolně nasáván do kapiláry a odváděn uvnitř posuvného členu k analyzátoru. Velikost podstavy kuželového konce je větší nebo rovna menší podstavě komolého kužele (s výhodou je Div rozmezí od D2 do 2xD2) a menší nebo rovna velikosti větší podstavy komolého kužele (s výhodou je Dl < D3).
Uhel γ je v rozmezí od a/2 do a.
-3 CZ 34785 UI
Výška VI kuželového konce je v rozmezí od 0 (provedení, které neobsahuje kuželový konec) do V2/2.
S výhodou je kapilára vyústěna do čtyř otvorů, rovnoměrně rozmístěných po obvodu menší podstavy komolého kužele.
Komolý rotační kužel je s výhodou připojen ke kuželovému konci tak, aby vzniklo odsazení o velikosti a. Vzdálenost a je dána rozdílem průměru podstav Dl a D2 komolého kužele a hodnota parametru a leží s výhodou v rozmezí 0 až 0,5 D1.
V jednom provedení je mezikruží podstavy kuželového konce posuvného členu, které přesahuje připojení komolého kužele posuvného členu (tedy mezikruží, kde R = Dl/2 a r = D2/2), zkosené pod úhlem β od roviny podstavy kuželového konce směrem k jeho vrcholu, přičemž úhel β je v rozmezí od γ/2 do 90°. Různým úhlem zkosení lze dále optimalizovat parametry posuvného členu pro odběr filtrátu pro analýzu (zvyšovat/snižovat průtok filtrátu kapilárou). Výhodně je úhel β v rozmezí od 5 do 90°, výhodněji v rozmezí od 15 do 75°, ještě výhodněji v rozmezí od 30 do 60°.
Volbou parametrů kuželového konce i těla posuvného členu a volbou míry zasunutí posuvného členu do výstupu filtrátu lze nastavit tlakové parametry tak, aby filtrát samovolně vstupoval do ústí kapiláry, umístěné v posuvném členu, a vytékal kapilárou směrem k analyzátoru. Tekuté medium, které je separováno/filtrováno, vstupuje do zařízení tangenciálním vstupem a vystupuje výstupem v dolní části hydrocyklónu, kde je rovněž odebírán vzorek pro analýzu pomocí výše popsaného posuvného členu.
V jednom provedení je úhel (a) stěn těla hydrocyklónu jev rozmezí od 20° do 130°, s výhodou v rozmezí od 20° do 100°, výhodněji v rozmezí od 20° do 95°, nej výhodněji v rozmezí od 30° do 45°.
V jednom provedení je vrcholový úhel (γ) posuvného členu v rozmezí od 10° do 120°, s výhodou v rozmezí od 15° do 100°, výhodněji v rozmezí od 25° do 90°, nej výhodněji v rozmezí od 30° do 45°, přičemž s výhodou se volí úhel γ tak, aby platilo γ = a.
Ve výhodném provedení analytického hydrocyklónu podle předkládaného technického řešení obsahuje tělo posuvného členu dutinu, která obklopuje procházející kapiláru. Dutina může být naplněna vzduchem, inertním plynem nebo kapalinou, například vodou nebo olejem.
S výhodou je dutina dále opatřena vstupem a výstupem pro temperující kapalinu, typicky vodu nebo olej. Temperující kapalina je vedena trubicí do dutiny posuvného členu, výhodně blíže kuželovému konci, než je umístěn výstup pro temperující kapalinu. Vzorek filtrátu procházející kapilárou směrem k analyzátoru je tak během průchodu dutinou temperován na požadovanou teplotu.
Vzniklá dutina může být s výhodou použita např. pro temperaci odebíraného vzorku nebo umístění vhodného senzoru. Temperaci lze stabilizovat vlastnosti vzorku. Umístěním senzoru lze významně snížit dopravní zpoždění mezi místem odběru vzorku a místem jeho analýzy.
V jednom provedení může být v kapiláře umístěn alespoň jeden senzor pro analýzu odebraného filtrátu. S výhodou je tento senzor vybraný ze skupiny zahrnující mikrodialyzační sondu, elektrochemický senzor, detekující např. glukózu, laktát nebo peroxid vodíku, vodivostní senzor, iontově selektivní elektrody pro stanovení např. Na+, K+, Ca2+, Cl’, teplotní senzor, senzor kyslíku nebo vhodné optické senzory (např. turbidita).
Typickým materiálem těla a víka hydrocyklónu je nerezová ocel nebo vhodný plast, např. polyetylén, polypropylen nebo polyetherketon (PEEK).
-4 CZ 34785 UI
V jednom provedení analytického hydrocyklónu podle předkládaného technického řešení je vodící tyč posuvného členu na jednom konci, který prochází otvorem ve víku hydrocyklónu, ve tvaru válce a je opatřena závitem a sním kompatibilní maticí pro nastavení svislé polohy posuvného členu v těle hydrocyklónu. Otáčením matice se nastavuje poloha kuželového konce posuvného členu v těle hydrocyklónu vůči výstupu media a stěnám těla hydrocyklónu.
V jednom provedení může být vodící tyč těla posuvného členu uvnitř těla hydrocyklónu opatřena na vnější straně pružinou, která spolu se závitem a maticí pomáhá fixaci svislé polohy posuvného členu.
V jednom provedení obsahuje analytický hydrocyklón podle předkládaného technického řešení dále pouzdro umístěné v otvoru v ose válcového víka hydrocyklónu. Vodící tyč posuvného členu, která prochází víkem hydrocyklónu je v tomto provedení tvaru válce a je kluzně vedena v uvedeném pouzdru, s výhodou je tato část posuvného členu v pouzdru utěsněna těsnicím „O“ kroužkem, který zajišťuje hermetičnost celého zařízení.
Objasnění výkresů
Obr. 1: Schematické znázornění principu technického filtru (A) a analytického filtru (B) ze stavu techniky.
Obr. 2: Schematické znázornění průtokové odstředivky (A) a hydrocyklónu (B), přičemž 2,1 značí přívod tekutého média, 2,2 je trubice pro odvod retenátu, 2,3 je trubice pro odvod filtrátu, 2.4 je nádoba odstředivky. (Odstředivka se otáčí, jak označuje šipka.)
Obr. 3: Analytický hydrocyklón podle technického řešení, kde 3,3 je tělo hydrocyklónu; 3.5 je válcové víko; 3,1 je posuvný člen; 3,9 je tangenciální přívod tekutého media; 3,10 výstup tekutého media; 3,11 tělo posuvného členu; 3,12 kuželový konec posuvného členu; 3,2 otvor pro odběr vzorku zbaveného nečistot; 3,4 kapilára pro odvod vzorku; 3,6 pouzdro umožňující vertikální nastavení posuvného členu 3,1; 3.7 je matice; 3,8 je pružina; 3,14 O-kroužek; 3,15 je vodící tyč posuvného členu; a je úhel stěn hydrocyklónu.
Obr. 4: Detail posuvného členu 3,1, obsahující tělo 3,11, kuželový konec 3,12, otvor 32, kapiláru 3,4. dutinu 5. β značí úhel zkosení kuželového konce a χ je jeho vrcholový úhel. VI označuje výšku kuželového konce 3,12. Dl průměr jeho podstavy, a značí odsazení kuželového konce 3,12.
Obr. 5: Posuvný člen s kapilárou 3,4, opatřený dutinou 5, vstupem 5,1 a výstupem 52 pro temperující kapalinu. VI označuje výšku kuželového konce 3,12. Dl průměr jeho podstavy. V2 označuje výšku komolého kužele, přičemž odsazení a je určeno komolým kuželem, jehož menší podstava má průměr D2 a větší podstava má průměr D3. Na komolý kužel těla posuvného členu 3,1 navazuje jeho válcová část o průměru D3 a výšce V3.
Obr. 6: Schematické znázornění posuvného členu, obsahujícího kapiláru 3,4, dutinu 5 se vstupem 5,1 a výstupem 52 pro temperující kapalinu, senzor 6, vodiče 6,1 elektrického výstupního signálu senzoru 6 a příklady dvou typů vložených senzorů (A - mikrodialyzační sonda, přičemž od vstupu 62 perfúzátu je tekutina vedena přes aktivní membránu k výstupu 6,3 dialyzátu; B - elektrochemický senzor 6,4 připravený sítotiskem).
Obr. 7: Detail konce posuvného členu 3,1, kdy VI = 0 a posuvný člen tedy neobsahuje kuželový konec 3,12, konec posuvného členu má tvar komolého rotačního kužele, jehož menší podstava o průměru D2 odpovídá ústí kapiláry 3,4. procházející vertikálně celým posuvným členem směrem k analyzátoru. Výška komolého kužele je V2. kolem kapiláry 3,4 je dutina 5. Uhel χ značí vrcholový úhel komolého kužele. Válcová část těla posuvného členu má průměr D3.
- 5 CZ 34785 UI
Příklady uskutečnění technického řešení
Příklad 1: Možnosti konstrukce analytického hydrocyklónu
Analytický hydrocyklón dle předkládaného technického řešení je schematicky znázorněn na obr. 3. Do těla 3,3 hydrocyklónu je vložen posuvný člen 3,1, který umožňuje odebírat minimální množství media zbaveného nečistot z hlavního proudu tekutého media otvory 3,2, umístěnými v jeho kuželovém konci 3,12. Kapilárou 3,4 je vzorek odváděn k vhodnému analyzátoru. Tělo 3,11 posuvného členu 3,1 je opatřeno komolým rotačním kuželem, který je připojen ke kuželovému konci 3,12 tak, aby vzniklo odsazení o velikosti a (obr. 4). Vzdálenost a je dána rozdílem poloviny průměrů podstav a Dl a D2 komolého kužele (obr. 5). Hodnota parametru a leží s výhodou v rozmezí 0 až 0,5 Dl, kde Dl je průměr podstavy odsazeného kuželového konce 3,12. Volbou parametru a a zasunutí posuvného členu 3,1 do výstupu 3,10 lze nastavit tlakové parametry tak, aby filtrát samovolně vytékal kapilárou 3,4. napojenou na otvory 3,2 v kuželovém konci 3,12. Tekuté medium, které je separováno/filtrováno, vstupuje do zařízení tangenciálním přívodem 3,9 a vystupuje výstupem 3,10 v dolní části hydrocyklónu. Uhel a stěn hydrocyklónu je v rozmezí od 0° (válcový separátor, příp. odstředivka) do 150°. Hydrodynamické podmínky v analytickém hydrocyklónu se kromě volby parametru a_nastavují hloubkou zasunutí posuvného členu 3,1. Jeho horní část je kluzně vedena v pouzdru 3,6, v němž je umístěn těsnící „O“ kroužek 3,14, který zajišťuje hermetičnost celého zařízení. Posuvný člen 3,1 je na konci opatřen závitem, na němž je matice 3/7, jejímž otáčením se nastavuje vertikální poloha kuželové části posuvného členu 3,1 v těle 3,3 hydrocyklónu. Fixaci polohy zajišťuje pružina 3,8. Plášť analytického hydrocyklónu se skládá ze dvou částí - těla 3,3 s výstupem 3,10 pro tekuté médium, a víka 3,5 s tangenciálním přívodem 3,9 tekutého media a otvorem pro zasunutí posuvného členu 3,1. Obě části jsou hermeticky, ale rozebíratelně, spojeny. To umožňuje čištění zařízení v případě usazení nečistot.
Detail posuvného členu 3,1 je na obr. 4. Pro funkci je důležité nastavit geometrické rozměry tak, aby zařízení optimálně pracovalo jako analytický separátor/filtr. Kromě parametrů a a Pije možno volit i úhel β. pod nímž nasedá kuželový konec 3,12 posuvného členu 3,1 na tělo 3,11. S výhodou je velikost úhlu β v rozmezí od γ/2 do 90°. Dle matrice použitého tekutého media je v některých případech vhodné použít odlišný vrcholový úhel χ kuželového konce 3,12 posuvného členu, který leží v rozmezí a/2 až a.
S výhodou řešení analytického hydrocyklónu umožňuje minimalizovat jeho mrtvý objem a snížit dobu nutnou pro přípravu vzorku pro analýzu. Jednou z možností je spojení temperace vzorku ajeho filtrace/separace jak je ukázáno na obr. 5. Temperující tekutina vstupuje do dutiny 5 posuvného členu vstupem 5,1 a vystupuje výstupem 52. Uvnitř dutiny 5 posuvného členu je ve styku s výstupní kovovou kapilárou odvádějící vzorek k analýze a temperuje jej.
Vnitřní část kapiláry 3,4 pro odběr vzorku filtrátu z hydrocyklónu může být opatřena senzory 6 pro analýzu vzorku přímo uvnitř kapiláry, jak je ukázáno na obr. 6. Na obr. 6 jsou schematicky znázorněny vodiče 6,1 elektrického výstupního signálu senzoru a příklady dvou typů vložených senzorů. Na obr. 6A je jako detekční prvek vložena mikrodialyzační sonda, přičemž od vstupu 62 perfúzátu je tekutina vedena přes aktivní membránu k výstupu 6,3 dialyzátu. Analýzou dialyzátu je stanovena koncentrace analyzované látky. Na obr. 6B je příklad, kdy je do výstupního proudu vzorku vložen elektrochemický senzor 6,4 připravený sítotiskem.
Příklad 2: Analytický hydrocyklón s posuvným členem bez kuželového konce
Byl zkonstruován analytický hydrocyklón dle Příkladu 1. Materiálem těla 3,3 hydrocyklónu byla nerezová ocel, maximální průtok média hydrocyklónem byl 1000 ml/min. Analytický hydrocyklón byl vysoký 105 mm. Maximální průměr víka byl 50 mm.
-6CZ 34785 UI
Vstupní médium bylo do tangenciálního přívodu 3,9 hydrocyklónu čerpáno pomocí čerpadla. Posuvný člen 3,1 nebyl opatřen na konci kuželovou částí (viz obr. 7). Toto uspořádání je konstrukčně jednodušší, avšak vyžaduje, aby byl vzorek odebírán pomocí čerpadla. (V místě odběru vzorkuje podtlak.)
Uhel a stěn hydrocyklónu byl 30°. Výška V2 komolého kužele posuvného členu 3,1 byla 42 mm. Vrcholový úhel γ byl 30°, vnější průměr kapiláry 34, odpovídající průměru menší podstavy D2 komolého kužele, byl 6 mm. Vnitřní průměr kapiláry 3,4 byl 1 mm. Průměr větší podstavy D3 komolého kužele byl 17 mm.
Horní část posuvného členu 3,1 byla kluzně vedena v pouzdru 3,6. v němž byl rovněž umístěn těsnící „O“ kroužek 3,14. který zajišťoval hermetičnost celého zařízení. Posuvný člen 3,1 byl na vnějším konci opatřen závitem M16 v délce 15 mm, kompatibilním s aretační M16 maticí 3/7 o průměru 20 mm, jejímž otáčením se nastavila vertikální poloha posuvného členu 3,1 v těle 3,3 hydrocyklónu. Fixaci polohy zajišťovala pružina 3,8. umístěná uvnitř těla 3,3 hydrocyklónu, po vnějším obvodu vodící tyče 3,15.
Vnitřní průměr vstupu 3,9 byl 8,5 mm a výstup 3,10 měl průměr 6 mm.
Temperace vzorku byla prováděna v dutině 5 posuvného členu 3,1. Temperující tekutina (voda) vstupovala do dutiny 5 posuvného členu vstupem 5,1 a vystupovala výstupem 5,2. Uvnitř dutiny 5 posuvného členu byla ve styku s vnějším povrchem výstupní kovové kapiláry 3,4. odvádějící vzorek k analýze a temperovala jej. Kapilára byla připojena k analyzátoru (mimo tělo hydrocyklónu), v tomto konkrétním příkladu byl jako analyzátor použit detektor glukózy.
Při průtoku 1000 ml/min a maximálního vysunutí posuvného členu do horní polohy je průtok kapilárou 3,4 1 ml/min. (Analytický hydrocyklón odebírá 0,1 % objemu protékajícího media k analýze.) Zasunutím posuvného členu 3,1 do nižší polohy lze tento průtok zvýšit.
Příklad 3: Analytický hydrocyklón s posuvným členem obsahujícím kuželový konec
Tento hydrocyklón byl zkonstruován analogicky jako hydrocyklón v Příkladu 2, s tím rozdílem, že posuvný člen 3,1 obsahoval kuželový konec 3,12. Tento kuželový konec 3,12 měl průměr podstavy D1 o velikosti 10 mm, výšku VI 17,5 mm a byl odsazen od komolého kužele o vzdálenost a = 2,5 mm. Otvory 3,2 pro odběr vzorku k analýze byly čtyři a měly průměr 1 mm. Uhel β byl 45° a vrcholový úhel i kuželového konce 3,12 posuvného členu byl stejný jako úhel stěn hydrocyklónu, tedy 30°.
V tomto provedení byl do kapiláry 3,4 v temperovaném místě (tedy v místě, kde kapilára 34 procházela dutinou 5 posuvného členu) umístěn elektrochemický senzor 64 koncentrace glukózy, připravený sítotiskem.
Příklad 4: Použití hydrocyklónu dle Příkladu 3
Při výrobě piva je důležitým technologickým krokem měření koncentrace sacharidů v průběhu mutování (štěpení škrobů vařením) a kvašení (přeměna zkvasitelných cukrů na alkohol). Rmutování trvá 30 minut až 3 hod. Medium obsahuje hrubé částice. Při vzniku nižších cukrů se mění viskozita a medium se stává „lepivé“. Jeho filtrace je obtížná. Pro řízení technologického procesu je nutná rychlá příprava vzorku. V případě kvašení je nutno měřit dlouhodobě. Zde činí problém postupné zanášení filtrů. Pro obě operace lze s výhodou využít analytický hydrocyklón dle předkládaného technického řešení.
Zařízení mělo stejné uspořádání jako analytický hydrocyklón v Příkladu 3. Bylo zkonstruováno pro průtok 1 1/min. Kapilára 3.4 analytického hydrocyklónu obsahovala senzor glukózy.
-7 CZ 34785 UI
Na rozdíl od známých řešení hydrocyklónů, která provádí technickou separaci, nečistoty vychází výstupem 3,10 a tekutina zbavená nečistot odchází středním otvorem výstupu. Vložením posuvného členu 3,1 je hydrodynamika odlišná. Probíhá analytické odstranění nečistot, tekuté medium vystupuje výstupem 3,10 a pouze 0,1 až 1 % čistého media je odváděno k analýze.
V tomto uspořádání byla analyzována koncentrace glukózy v médiu v průběhu mutování piva. Hrubé částice byly z analyzovaného vzorku odděleny a pouze čisté médium bylo vedeno kapilárou 3,4 k analyzátoru. V Tabulce 1 jsou uvedeny výsledky měření průtoku analytu vzhledem k průtoku vzorku. Hydrocyklón byl navržen pro průtok vzorku lOOOml/min. V souhlase ίο s teoretickým návrhem analytu začal samovolně vytékat pro průtoky nad 1000 ml/min. Časové zpoždění je menší než 1 min.