Автореферат (Экстракционно-хроматографическое разделение жидких смесей в противоточно-циклическом режиме контакта фаз)

2Общая характеристика работыАктуальность работы. Разделение смесей на отдельные компоненты иливыделение и очистка целевого компонента из смеси является одной из основныхтехнологических операций в производствах химической, фармацевтической и другихродственных отраслях промышленности. Жидкостная экстракция и жидкостнаяхроматография занимают заметное место в ряду этих процессов. Жидкостнаяэкстракция применяется в технологии основного органического синтеза (например впроизводстве капролактама), в гидрометаллургии, нефтехимии, при переработкеотработанного ядерного топлива и в ряде других химических технологий. Жидкостнаяхроматография кроме применения в аналитических целях в последнее время все болеешироко используется в промышленных масштабах для выделения и очистки продуктовв биотехнологии и при производстве лекарственных препаратов.

В отличии от методовклассической хроматографии в жидкостной хроматографии без твердого носителя такназываемая неподвижная фаза является подвижной, поскольку она не закреплена нанеподвижном твердом носителе, а удерживается в хроматографическом устройстве всвободном (подвижном) состоянии с помощью центробежных сил или сил вязкости иповерхностногонатяжения.Посвоейприродетакиепроцессыжидкостнойхроматографии близки к процессам жидкостной экстракции. В основе обоих процессовразделения лежит разное распределение компонентов жидкой смеси между двумяфазами.

Основным отличием хроматографии от жидкостной экстракции является то,что хроматографические процессы, как правило, проводятся в периодическом,нестационарном режиме, а процессы жидкостной экстракции – в непрерывномстационарном режиме; хроматографические методы позволяют разделить в однойтехнологической операции многокомпонентные смеси, а процессы жидкостнойэкстракции обычно обеспечивают разделение только бинарных смесей в течение однойоперации.

Благодаря подвижности обеих фаз в процессах жидкостной хроматографиибез твердого носителя появляется возможность создания новых более эффективныхпротивоточных экстракционно-хроматографических методов разделения, сочетающихпреимуществапроцессовхроматографииипротивоточнойэкстракции.Дляпрактической реализации новых методов необходимо разработать их теоретическиеосновы.3Цель работы: разработка теоретических основ противоточно-циклическихэкстракционно-хроматографических процессов разделения жидких смесей.Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:1) Разработка и анализ математических моделей для различных условийпроведения процесса разделения:•при кратковременной (импульсной), долговременной и периодической подачеразделяемой смеси в экстракционно-хроматографическое устройство;•при подаче разделяемой смеси с одним из потоков фаз в экстракционно-хроматографическое устройство и при подаче разделяемой смеси отельным потоком всреднюю часть экстракционно-хроматографической установки.2) Экспериментальная проверка полученных теоретических зависимостей налабораторной установке, работающей в противоточно-циклическом режиме контактафаз.Методы исследования.

При выполнении диссертационной работы использованыфундаментальные положения теории жидкостной экстракции и классической теориихроматографии; экспериментальные методы жидкостной экстракции и жидкостьжидкостной хроматографии; методы математического моделирования.Научная новизна. В работе получен ряд важных, принципиально новых научныхрезультатов:1. Разработана математическая модель нового метода экстракционного разделениясмеси компонентов в противоточно-циклическом режиме с постоянной и переменнойпродолжительностьюполупериодовдвиженияфаз:полученыаналитическиезависимости для моделирования и расчёта процесса для условий импульсной подачисмеси, и условий, когда смесь в течении определенного времени подается с потокомодной из фаз в первом цикле процесса.

Сопоставлением эксперимента и теорииустановлено хорошее согласие между ними.2. Проведенанализматематическоймоделиэкстракционно-хроматографического разделения смеси компонентов в противоточно-циклическомрежиме при периодической подаче смеси в течении определенного времени с потокомодной из фаз в каждом цикле процесса. Теоретически и экспериментально показано,что такой режим обеспечивает не только повышение производительности, но иселективности процесса разделения.43. Разработана математическая модель экстракционно-хроматографическогоразделения смеси компонентов в противоточно-циклическом режиме при импульсной ипротяженнойвовремениподачесмесивсреднюючастьэкстракционно-хроматографической установки: проведен анализ модели, получены аналитическиезависимости для моделирования и расчета процесса.

Экспериментально подтвержденаадекватность математической моделиреальному процессу разделения смесейфармацевтических продуктов.4. На основепроведенияновых экспериментальных данных подтверждена возможностьпроцессовэкстракционно-хроматографическогоразделениясмесикомпонентов в противоточно-циклическом режиме на многоколоночной установке симпульсной подачей потоков фаз.Практическая значимость работы.1.

Предложен новый метод разделения смесей компонентов в противоточноциклическом режиме с регулируемой продолжительностью циклов, позволяющийзначительно повысить эффективность работы экстракционных установок. Разработанапрограмма для компьютерного моделирования и расчета таких процессов разделения.2. Показанавозможностьработымногоколоночныхэкстракционно-хроматографических установок в противоточно-циклическом режиме контакта фаз, чтомногократно повышает эффективность разделения компонентов смесей.Работа выполнялась в рамках гранта РФФИ (проект № 15-03-02940 «Разработка иисследованиевысокоэффективныхпротивоточно-циклическихпроцессовмногоступенчатой экстракции»), молодежного гранта РФФИ (проект №12-03-31398мол_а) и программы фундаментальных исследований Президиума РАН №9 (проект«Разработка новых методов циклической жидкость-жидкостной хроматографии»).Положения, выносимые на защиту- Математическая модель нового метода экстракционного разделения смесикомпонентов в противоточно-циклическом режиме с постоянной и переменнойпродолжительностью полупериодов движения фаз- Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессовразделениясмесикомпонентоввпротивоточно-циклическомрежимеприпериодической подаче смеси в течении определенного времени с потоком одной из фазв каждом цикле процесса5- Математическая модель экстракционно-хроматографического разделения смесикомпонентов в противоточно-циклическом режиме при подаче смеси в среднюю частьэкстракционно-хроматографической установкиАпробация работы.

Основные положения и результаты работы доложены иобсуждены на следующих Российских и международных конференциях:7thInternational symposium on countercurrent cromatography (г. Гуанчжоу, 6-8 августа 2012 г.Китай); Новые подходы в химической технологии минерального сырья. Применениеэкстракции и сорбции» (г. Санкт-Петербург, 3–6 июня 2013 г.); III Международнойконференции по химии и химической технологии (г.

Ереван, 16–20 сентября 2013 г.);Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в томчисле 3 статьи в журналах, включенных в глобальные индексы цитирования Scopus иWeb of Science, 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, тезисы 3-х докладов наРоссийских и международных научных конференциях, патент РФ.Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения,четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на106 страницах, содержит 32 рисунка, 4 таблицы и библиографию из 161 наименования.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цельработы и задачи исследования.В первой главе приведен литературный обзор, посвященный циклическимпроцессам противоточной жидкостной экстракции и методам и аппаратуре жидкостнойхроматографиясосвободнойнеподвижнойфазой.Освещеныпринципыпротивоточных циклических процессов жидкостной хроматографии со свободнойнеподвижной фазой.Вторая глава посвящена разработке и исследованию процессов разделениясмесейкомпонентоввпротивоточно-циклическомрежимеспеременнойпродолжительностью циклов.

Для реализации таких процессов и выбора оптимальныхусловий для конкретных задач разделения жидких смесей необходимо иметь ихматематическое описание. Для этого в работе использована модифицированная модельравновесных ступеней,учитывающая влияние продольного перемешивания имассообмена на процесс разделения. Рассмотрено два режима подачи в аппаратразделяемой смеси: 1) кратковременный (импульсный) ввод смеси и 2) длительный6ввод смеси, когда подлежащая разделению смесь компонентов вводится с одной из фазв течении определенного времени, не превышающего продолжительность стадиидвижения этой фазы в начальном цикле процесса.

На рис. 1 показана схема моделипроцесса, каждый цикл которого состоит из двух стадий: стадия движения потокалегкой фазы (FU ) и стадия движения потока тяжелой фазы (FL ). (Результаты полученыи опубликованы совместно с А.Е. Костаняном и О.Н.Шишиловым [3, 5]).QFUFLПервый циклCтадия движения легкой фазы: продолжительность – τ1U012kk-1k+1nFUCтадия движения тяжелой фазы: продолжительность – τ1L012kk-1k+1nFLЦикл j: j=2,3,…….Cтадия движения легкой фазы: продолжительность – τjUFUFL012kk-1k+1nFUCтадия движения тяжелой фазы: продолжительность – τjL012kk-1k+1nFLРис. 1. Схема модели противоточно-циклического режима с переменнойпродолжительностью циклов.Для условий, когда компонент в виде импульса подается в начало системыпоследовательно соединенных равновесных ступеней (в ступень с номером ноль),математическая модель процесса (согласно рис. 1) представлена следующей системойуравнений в безразмерных переменных:Стадия движения потока легкой фазы1 dX 0 X0a dt(1)1 dX k X k 1  X k ; k = 1, 2, .

. , na dtСтадия движения потока тяжелой фазы1 dYk Yk 1  Yk ;aK D dtk = 0,1, 2, . . , n-1(2)71 dYn YnaK D dtНачальные условия:t  0 : X (0,0) N a ; X (k ,0)  0 k=1,2,……n1  S  SK Dt  0 : X j (k )  Y j 1 (k , t( j 1) L ) K D ; j = 2,3,4,………t  0 : Y j (k )  X j (k , t jU ) K D ; j =1,2,3,………(3)(4)(5)В уравнениях (1) – (5) приняты следующие обозначения:t jU   jU FU V –продолжительность стадии движения потока легкой фазы вцикле j в безразмерных единицах времени.t jL   jL FL V – продолжительность стадии движения потока тяжелой фазы вцикле j в безразмерных единицах времени.tFU – безразмерное время в полупериоде движения легкой фазы;tFLVX V– то же в полупериоде движения тяжелой фазы;yx, Y  – безразмерные концентрации компонента в фазах;xxxQ– средняя концентрация в аппарате;VaNVLV; S L;1  S  SK DVL  VU VV = VU + VL – общий объем, занимаемый фазами в аппарате.Для упрощения математических выкладок принято, что каждый цикл процессаначинается со времени=0, (t=0).Решением уравнений модели получены расчётные зависимости для выходныхпрофилей концентрации в фазах для отдельных циклов процесса.Стадия движения потока легкой фазы (первая стадия)1 – ый цикл:8выходной профиль концентраций:X1 (t ) x1 (n, ) a n1 nt exp( at )xn!(6)Распределение концентраций в аппарате после первой стадии первого циклаx1 (k , 1U ) a k 1 kX 1 (k , t1U ) t1U exp( at 1U )xk!; k = 0,1, 2, .