RU133012U1

RU133012U1 - INSTALLATION FOR RESEARCH OF EXTRACTION PROCESSES USING SOLVENTS IN SUPER CRITICAL CONDITION

Info

Publication number: RU133012U1
Application number: RU2013117145/05U
Authority: RU
Inventors: Айрат Адиевич Сагдеев; Рустам Аминович Каюмов; Альбина Талгатовна Галимова; Камиль Айратович Сагдеев; Рустам Фаилович Галлямов; Вячеслав Зиновьевич Кузьмин; Нафис Хайдарович Сахапов; Марат Рифович Хазипов
Original assignee: Айрат Адиевич Сагдеев
Priority date: 2013-04-15
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2013-10-10

Abstract

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 (CO) 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.Installation for research of extraction processes using solvents in a supercritical state, containing a compressed gas cylinder, a refrigerator, two high pressure pumps, an extraction cell, a throttle valve, an extract collector, a control and measurement system (IIT), characterized in that the device is equipped with two plunger high pressure pumps, a heat exchanger inside which an extraction cell is installed, two extract collectors, where one high pressure plunger pump with compensation the piston, with a suction pipe, is connected to a cylinder with compressed gas (CO) through a refrigerator providing gas liquefaction, and a discharge pipe is connected to a common line, another high-pressure plunger pump is connected to a container for supplying a cosolvent through a three-way valve to a common line, a heat exchanger having a heater and a pipeline for preheating and supplying supercritical fluid (SCF) from the line to the extraction cell, which is connected to two extract collectors through throttle valves for stepwise pressure reduction.

Description

Изобретение относится к области тепло- массообмена, конкретно к экстракционным процессам с использованием сверхкритических флюидов (СКФ).The invention relates to the field of heat and mass transfer, specifically to extraction processes using supercritical fluids (GFR).

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.A known setup for studying the solubility of substances in GFR developed at the 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). A disadvantage of the known installation is the inability to use a co-solvent in the extraction process and stepwise pressure reduction to separate the extract into fractions, as well as the lack of preheating of the GFR before being fed into the extraction cell.

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).There is another setting for studying the processes of extraction and solubility of substances in supercritical fluids (GFR), developed by LLC Metallokrit (RF patent No. 99340 publ. 20.11.2010). Figure 2 presents the installation diagram containing a cylinder with compressed gas (CO ₂ ) (1), a refrigerator (2), a high pressure plunger pump (3), a refrigeration unit (4), a co-solvent tank (5), a high pressure syringe pump pressure (6), three-way valve (7), extraction cell (8), heat exchanger (9), electronic meter-controller 2TPM1 (10), extract collectors (11a, 11b), thermostatic bath (12), butterfly valves (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.One of the disadvantages of the known installation is the limited range of achievable pressures of the main solvent (up to 40 MPa), which does not allow for better extraction at higher pressures using a solvent in the supercritical state. As is known, the density, and, consequently, the dissolving ability of GFR is strongly dependent on pressure, since the interaction between the fluid and the substance dissolved in it increases with increasing pressure, therefore, by varying the pressure in the system, the dissolving ability can be changed. Based on this, of practical interest are cases where the solubility of the fluid can be controlled by pressure in the largest possible range.

Другим недостатком известной установки является сложность поддержания шприцевым насосом фиксированного значения концентрации сорастворителя, из-за образующихся при высоких давлениях пульсаций потока сорастворителя.Another disadvantage of the known installation is the difficulty of maintaining a fixed concentration of the co-solvent with a syringe pump, due to pulsations of the co-solvent flowing at high pressures.

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.The objective of the invention is to expand the capabilities of the installation for the study of extraction processes, using a solvent in the supercritical state, and eliminating the pulsations of the co-solvent flow in order to achieve its uniform supply.

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.The solution to this problem is achieved by the fact that the claimed device is equipped with two high-pressure plunger pumps, a heat exchanger, inside which an extraction cell is installed, two extract collectors, a monitoring and measurement system, where one high-pressure plunger pump having a compensation piston is connected to the cylinder with a suction pipe compressed gas (CO ₂ ) through a refrigerator providing gas liquefaction, and with a discharge pipe with a common line, another high-pressure plunger pump with a container for supplying a co-solvent through a three-way valve to the common line, a heat exchanger having two special grooves in a spiral along the outer surface, where a heater and a pipe are placed for preheating and supplying GFR from the line to the extraction cell, which is connected to two extract collectors via throttle valves for stepwise pressure reduction; instrumentation connected to the extraction cell, high pressure pumps, refrigerator and thermostatic bath. The essence of the invention is illustrated by the drawing (figure 1), which schematically shows a General view of the described device.

Устройство содержит плунжерный насос высокого давления 3, в который поступает сжатый газ (СO₂) из баллона 1 через холодильник 2.The device contains a high pressure plunger pump 3, which receives compressed gas (CO ₂ ) from the cylinder 1 through the refrigerator 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.Waters P50A high-pressure plunger pump 3 of the brand provides a fixed solvent feed rate in the supercritical state within 1-50 g / min under pressure up to 60 MPa. For normal operation of the pump, it is necessary to supply liquid carbon dioxide to the suction circuit.

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.Gas liquefaction occurs in the refrigerator 2 and directly in the pump and is provided by the circulation of the refrigerant in the pump cooling jacket and the annulus of the refrigerator. The temperature to which the refrigeration unit 4 cools the refrigerant (-15 ° C) is controlled using a chromel-kopel thermocouple installed in the refrigerator.

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.Co-solvent is supplied from tank 5 by a high-pressure plunger pump 6 of the LIQUPUMP 312/1 brand through a three-way valve 7 to the common line. Pump 6 allows you to adjust the flow of co-solvent in the range of 0.01-9.99 ml / min, thereby setting the required concentration (2-10%) of the modifier in supercritical CO ₂ .

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.The design feature of pumps 3 and 6 is the presence of two pump heads in them, the plungers of which, working in sequence, smooth out the pulsations of the flow of solvent and co-solvent, due to this a high degree of uniformity of their supply is achieved.

Для предотвращения возврата СO₂ и сорастворителя обратно в насосы используются обратные клапаны.Check valves are used to prevent the return of CO ₂ and the co-solvent back to the pumps.

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.The extraction cell 8 is a pressure vessel, divided into two parts. In one part, the extraction of solids, in the other part, the extraction of liquid substances. The cell is installed in a heat exchanger 9, which is a thick-walled copper pipe, onto which a heating cable and a pipe are laid in special grooves in a spiral, where the preliminary heating of the solvent supplied for extraction takes place. This design provides the maximum reduction in temperature gradients inside the cell due to uniform heating of the cell itself and preheating of the supplied solvent. The cell is equipped with two temperature sensors, one of which is located directly on the cell body, the other on the heat exchanger. The signals from the sensors are fed to an electronic meter-controller 2ТРМ1 10, which maintains the temperature with an accuracy of ± 25 ° С. The surface of the heat exchanger is covered with thermal insulation.

Сборники экстракта, представляющие собой сосуды высокого давления 11a, 11б, внутри которых расположены сменные гильзы для экстракта, размещены в термостатической ванне 12.The collections of the extract, which are pressure vessels 11a, 11b, inside of which there are replaceable sleeves for the extract, are placed in a thermostatic bath 12.

Дроссельные вентили 13, выполняющие функции рестриктора, позволяют фракционировать смеси путем изменения давления.Throttle valves 13, acting as a restrictor, allow fractionation of the mixture by changing the pressure.

Предполагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.

Подготовительные работы включают:Preparatory work includes:

- экстракционная ячейка 8 заполняется исследуемым веществом и герметизируется;- the extraction cell 8 is filled with the test substance and is sealed;

- включается регулятор температуры 10. По электронному преобразователю сигнала датчика температуры контролируется достижение заданной температуры в экстракционной ячейке;- the temperature regulator 10 is turned on. The achievement of the set temperature in the extraction cell is controlled by the electronic converter of the temperature sensor signal;

- включается холодильный агрегат 4, начинается подача хладоагента в холодильник и рубашки охлаждения насосов;- the refrigeration unit 4 is turned on, the supply of refrigerant to the refrigerator and the pump cooling jacket begins;

- сборники экстракта 11а и 11б помещаются в термостатическую ванну, где устанавливается необходимая температура.- collections of extract 11a and 11b are placed in a thermostatic bath, where the required temperature is set.

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.After the preparatory work, the shutoff valves on the suction and discharge lines of the pump 3 open and the solvent supply (CO ₂ ) begins. If necessary, the pump 6 is turned on to supply the co-solvent. The mixture of carbon dioxide and cosolvent from the pumps passes through the pipeline through a heat exchanger, where it is heated to a temperature above critical. After that, the modified supercritical fluid enters the extraction cell installed inside the heat exchanger, into which a certain amount of the test substance is loaded. The temperature of the extraction cell is maintained using an electronic meter-controller.

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 Р_а понижается до давления Р_а<Р_крит, а в сборнике 11б до давления Р_б<Р_а. 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.From the extraction cell, the modified GFR, with the substances dissolved in it, enters the throttle valve, where a pressure drop occurs, and the substances dissolved in the GFR are deposited in the extract tank. In the study of mixtures, several collections of extracts are used. In the collector 11a, the pressure P _a decreases to a pressure P _a <P _crit , and in the collector 11 _b to a pressure P _b <P _a . At the same time, mainly those mixture components whose solubility for the given pressure is the lowest are precipitated in the collector 11a; the remaining components in the collector 11b. Thus, due to the stepwise pressure reduction, the separation of the extract into fractions is achieved. Weighing the test substance before and after the experiment allows you to determine the change in its mass and the amount of extracted substances. The mass flow rate of the solvent during the entire extraction process is maintained in the range of 2.0 ÷ 2.5 g / min.

На следующих примерах описаны пути достижения технического результата устройством:The following examples describe how to achieve a technical result with the device:

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.Example 1. The study of the solubility of a substance in an unmodified solvent. The test substance is placed in cell 9, the cell is sealed, and then the cell heating is turned on. The refrigeration unit 4 is turned on. The working cavity of the pump 3 is filled through the refrigerator 2 with the solvent from the cylinder 1. The pump 3 is turned on and the solvent is supplied to the cell 9 under a pressure exceeding the critical pressure, while the solvent is heated to a temperature exceeding the critical temperature before being fed into the cell. Due to the preliminary heating of the solvent, the dissolution process begins immediately after the contact of the solvent with the test substance. In cell 9, the test substance is dissolved in a solvent and discharged into the collection of extract 11a through a throttling device 13, when this occurs, the pressure drops to below critical level, the solvent capacity of the solvent decreases and the dissolved substance precipitates, the solvent passes into the gas phase and is removed from the cell.

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).Example 2. The study of the solubility of a mixture of two or more substances in an unmodified solvent and separation of the extract into components. It differs from example 1 in that the test mixture is loaded into cell 9, two throttling devices 13 and two separators 11a and 11b are used, while pressure drops to below critical value after the second throttling device, pressure after the first throttling device is lower than the value in cell 9 but above the critical value. In the collection of extract 11a, a part of the components of the extract falls out, the relative volatility of which is lower than the volatility of the solvent at these parameters, in the collection of extract 11b, the remaining part of the components of the extract precipitates. The amount and composition of the components of the extract varies depending on the parameters of the solvent (pressure, temperature).

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.Example 3. The study of the solubility of a substance in a solvent, a modified co-solvent. It differs from Example 1 in that a co-solvent is added to the solvent, supplied from the pump 6 through a three-way valve 7. In the collection of extract 11a, the extract of the test substance and the co-solvent precipitate. The use of a co-solvent is advisable when using a non-polar solvent for the extraction of polar compounds or to increase the dissolving ability of the starting solvent.

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).Example 4. The study of the solubility of a mixture of two or more substances in a solvent modified with a co-solvent and separation of the extract into components. It differs from examples 1 and 3 in that a co-solvent supplied from pump 6 through a three-way valve 7 is added to the solvent, as well as two throttling devices 13 and two separators 11a and 11b are used, while a decrease in pressure to a value below critical occurs after the second throttling devices, the pressure after the first throttling device is below the value in cell 9, but above the critical value. In the collection of extract 11a, a part of the components of the extract and co-solvent falls out, the relative volatility of which is lower than the volatility of the solvent at these parameters, in the collection of extract 11b, the rest of the components of the extract and co-solvent precipitate. The amount and composition of the components of the extract varies depending on the parameters of the solvent (pressure, temperature).

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.Summarizing, we can say that this installation compares favorably with the prototype in the extension of the possibilities for studying extraction processes using solvents in the supercritical state (up to 60 MPa) and uniformity in the supply of a fixed concentration of cosolvent due to the elimination of pulsations of the co-solvent flow.

Технический результат, описанный в примерах 1-4, является ограниченно достижимым при использовании прототипа.The technical result described in examples 1-4 is limited achievable when using the prototype.

Claims

Installation for research of extraction processes using solvents in a supercritical state, containing a compressed gas cylinder, a refrigerator, two high pressure pumps, an extraction cell, a throttle valve, an extract collector, a control and measurement system (IIT), characterized in that the device is equipped with two plunger high pressure pumps, a heat exchanger, inside which an extraction cell is installed, two extract collectors, where one high pressure plunger pump with compensation the piston, with a suction pipe, is connected to a cylinder with compressed gas (CO ₂ ) through a refrigerator providing gas liquefaction, and a discharge pipe is connected to a common line, another high-pressure plunger pump is connected to a container for supplying a cosolvent through a three-way valve to a common line, a heat exchanger, having a heater and a pipeline for preheating and supplying supercritical fluid (SCF) from the line to the extraction cell, which is connected to two extract collectors through throttle valves and a stepped pressure reduction.