Автореферат (Экстракционно-хроматографическое разделение жидких смесей в противоточно-циклическом режиме контакта фаз), страница 2

. , n(7)y1 (k , 1U ) K D X 1 (k , t1U )xY1 (k , t1U ) Цикл j: j=2,3,…….выходной профиль концентраций:(at )n iX j (t )  e X j 1 (i, t( j 1) L )i  0 ( n  i )! atn(8)Распределение концентраций в аппарате после первой стадии:X j (k , t jU )  e at jUk(at jU ) k ii 0(k  i)!X j 1 (i, t( j 1) L )(9)Y j (k , t jU )  K D X j (k , t jU )где t jU   jU FU V иt( j 1) L   ( j 1) L FL VСтадия движения потока тяжелой фазы (вторая стадия)Цикл j: j=1,2,3,…….выходной профиль концентраций:Y j (t )  Y j (0, t )  K D e  K D atn( K D at )iX j (i, t jU )i!i 0(10)Распределение концентраций в аппарате после второй стадии:Y j (k , t jL )  K DeX j (k , t jL )  K D at jLnik( K D at jL )i  k(i  k )!X j (i, t jU )(11)Y j (k , t jL )KD9гдеt jL   jL FL VПолученные уравнения позволяют провести анализ и моделирование процессапротивоточно-циклической экстракции с переменной продолжительностью циклов приимпульсной подаче смеси в начало аппарата.

Подставив в них значенияt jU  const  tU и t jL  const  t L , можно получить зависимости для условийпостоянной продолжительности циклов.Для условий, когда компонент вводится с легкой фазой в течении определенноговремени, не превышающего продолжительность стадии движения этой фазы вначальном цикле процесса  s   1U , уравнения (1) для первой стадии первого циклапринимают вид:0  t  ts :1 dX 0 XS  X0a dt(12)1 dX k X k 1  X k ; k = 1, 2, .

. , na dt(13)t  ts :1 dX 0 X0a dt(14)1 dX k X k 1  X k ; k = 1, 2, . . , na dt(15)Поскольку подача питания происходит лишь в первом цикле, уравнения (2)остаются в силе. В уравнениях (12)–(15) принято:xFQ xs FU s ,t s  s U , где xs – концентрация в потоке питания (в легкой фазе).VVVРешение системы уравнений (12) – (15) получено в следующем виде:Первый цикл:Стадия движения потока легкой фазыkx(ts , k ) 1 (ats )k  at s 1  e xts k! 0(16)10X 1 (t ) x1 (t , n)  a (t t s ) n [a(t  ts )]n i x(ts , i)e0 (n  i)! xxX1 (k , t1U ) (17)x1(k , t1U ) a(t1U ts ) k [a(t1U  ts )]k i x(ts , i)e0 (k  i)! xx(18)Уравнение (16) описывает распределение концентраций в системе равновесныхступеней в конце периода подачи питания, а уравнение (18) – распределениеконцентраций в системе в конце стадии движения потоком легкой фазы.

Уравнение(17) описывает выходные концентрации в легкой фазе после завершения подачипитания.Стадия движения потока тяжелой фазы:Y1 (k , t ) ny1 (k , t1L )( K at )ik K DeKDat1L  D 1L X1 (i, t1U )x(i  k )!i k(19)( K D at )iX 1 (i, t1U )i!i 0nY1 (t )  Y1 (0, t )  K D e  K Dat (20)Уравнения (19) и (20) описывают распределение концентраций в системе в концепериода движения потоком тяжелой фазы и выходные концентрации в тяжелой фазе.Уравнения для второго и последующих цикловформально идентичныуравнениям, полученным для импульсной подачи пробы. Эти уравнения должныиспользоваться в связке с зависимостями (16) – (20).Полученные уравнения позволяют моделировать распределение компонента вэкстракционно-хроматографическом устройстве после обоих стадий и выходные егоконцентрации для любого цикла процесса. Вычисления можно проводить настандартном ПК при помощи математических программ, таких как, например,MathCAD.

Разработанная математическая модель содержит много параметров,позволяющих определить условия и режим процесса для разделения смесей различногосостава с использованием различного типа экстракционно-хроматографическихустройств.Следуетотметитьособуюрольпараметраts,определяющуюпроизводительность процесса разделения.Для удобства проведения численных исследований и моделирования процессовразделения жидких смесей на основании приведенных выше зависимостей разработана11расчетная программа. Примеры применения программы и ее описание приведены вдиссертации.Рассмотрены различные варианты процессов разделения:1.Компонентысмесиполностьювыводятсяизустройствавтечениеопределенного цикла.

2. Компоненты смеси выводятся частями в различных циклахпроцесса.Для 1-го случая также возможны 2 варианта:1. Смесь перемещается вперед и назад вдоль колонки с потоками фаз до тех пор,пока полностью не разделится. Все компоненты смеси выводятся в виде отдельныхфракций с одной из фаз. Пример такого процесса, когда разделение бинарной смесиосуществляется в течение одного цикла, показан на рис. 2 (А); 2.

Индивидуальныекомпоненты смеси выводятся в различных полупериодах определенного цикла. На рис.2 (В) показан процесс разделения трехкомпонентной смеси в течение одного цикла:компонент 1 выходит в первом полупериоде с легкой фазой, а компоненты 2 и 3выходят в следующем полупериоде с тяжелой фазой.Рис. 2. Схема процесса, когда компоненты смеси полностью выводятся изустройства в течение одного цикла: (А) – компоненты смеси выводятся в видеотдельных фракций с одной из фаз. (В) – Индивидуальные компоненты смесивыводятся в различных полупериодах цикла.12В диссертации приведены примеры моделирования процесса разделения смесей сиспользованием программы.

На рис. 3 показаны результаты сравнения противоточноциклического процесса разделения бинарной смеси (KD1 = 0.3, KD2 = 0.6) в аппарате сэффективностью N = 200 и обычного процесса элюентной хроматографии в аппарате сэффективностью N = 1000. Как видно, использование противоточно-циклическогорежима с управляемой длительностью циклов в 5 раз повышает эффективностьпроцесса разделения смеси.Рис.

3. Сравнение противоточно-циклического и обычного процессов:KD1 = 0.3,KD2 = 0.6; S=0.5Экспериментальную проверку теоретической модели противоточно-циклическогорежима с переменной продолжительностью циклов проводили на созданной влаборатории химии и технологии экстракции ИОНХ РАН установке с импульснойподачей растворителей. Установка состоит из 4 колонок по 26 (расположенных повысоте каждой колонки) ячеек с общим объемом 119 мл, соединенных при помощикапилляров из PTFE. Особенностью данного устройства является импульсная подачаподвижной фазы, за счет которой происходит как продвижение ее из ячейки в ячейкупо колонкам, так и дробление на мелкие капли в ячейках. Попеременную подачу фазпроизводили при помощи дозирующего устройства в виде плунжерного насоса собратными клапанами.

При помощи контроллера, подключенного к ПК, производилинастройку параметров работы насоса, а именно: длину хода штока, регулирующуюобъем впрыска, скорость хода штока, регулирующую интенсивность впрыска, и паузумежду впрысками для того, чтобы успела образоваться граница раздела фаз. В качестверазделяемых компонентов использовали аспирин, кофеин, кумарин, салициловую13кислоту, а в качестве растворителей – двухфазную систему гексан-метанол-этилацетатвода в объемном соотношении 1:1:1:1.

Для всех компонентов разделяемой смесипредварительнобылиэкспериментальноврежимеобычнойхроматографииустановлены коэффициенты распределения KD и число теоретических тарелок N. Этипараметрыбыли использованыдля моделированияпротивоточно-циклическихэкстракционно-хроматографических процессов разделения на экспериментальнойустановке. При расчетах брали среднюю для обоих полупериодов процесса величинуN.Исследованияпоказали,чторезультатыэкспериментаичисленногомоделирования хорошо согласуются между собой. На рис.

4 показано сравнениесмоделированного (А) и экспериментального (В) разделения аспирина и кумарина за 2цикла. Процесс продолжительностью t1L=0.5 начинался с подачи тяжелой фазы, этастадия не показана на рисунке, так как в за это время не вышел ни один компонент;далее во втором полупериоде продолжительностью t1U=0.3 начался выход кумарина(примерно 20%); и наконец, оба компонента полностью выводились в первомполупериоде второго цикла с тяжелой фазой.Рис.

4. Расчетные (А) и экспериментальные (В) данные по разделениюаспирина (1) (KD=0.5; N=61) и кумарина 2 - (KD=1.31; N=60) за 2 цикла.14На рисунке 5 показано сравнение данных расчетного (А) и экспериментального(В) разделения кофеина, аспирина и кумарина за 2 цикла.Рис. 5. Расчетные (А) и экспериментальные (В) данные по разделениюкофеина (1) (KD=0.13; N=80), кумарина (2) (KD=1.31; N=60) и аспирина (3) (KD=0.5;N=61) за 2 цикла.В третьей главе работы проведен анализ математической модели экстракционнохроматографического разделения смеси компонентов в противоточно-циклическом15режиме при периодической подаче смеси в течении определенного времени  s (ts) спотоком одной из фаз в каждом цикле процесса (рис. 6).Рис. 6. Схема противоточно-циклического процесса с периодической подачейразделяемой смесиДанный процесс можно реализовать в двух вариантах:1) Продолжительность полупериодов движения фаз сохраняется постоянной вовсех циклах процесса: jx = x = const;  jy = y = const; t jx = t x = const; t jy = t y = const.

Притаких условиях проведения процесса через некоторое количество циклов достигаетсяквазистационарное состояние: распределение концентраций, устанавливающееся ваппарате (каскаде ступеней) в конце каждого полупериода, а также профили выходныхконцентраций в фазах становятся постоянными. Этот режим процесса, отличаетсявысокойпроизводительностью.Втакомрежимеможноразделятьимногокомпонентные смеси.2) Продолжительность полупериодов движения фаз меняется (регулируется) отцикла к циклу.

Процесс является нестационарным, и в таком режиме можно не толькоразделять смеси, но и проводить концентрирование целевых компонентов.В работе рассматривается первый стационарный вариант процесса. Процессначинается с подачи раствора смеси в фазе растворителя «х». Используя зависимости,приведенные в работе, проведено численное исследование процесса (результатыполучены и опубликованы совместно с А.Е. Костаняном [2]).16На рис. 7 приведен пример математического моделирования процесса разделениябинарной смеси при различной длительности ее подачи в систему.Рис. 7. Моделирование стационарного процесса разделения бинарной смесикомпонентов с KD1=0.5 и KD2=1. Условия процесса: N=100; S=0.7: A–ts=0.1; tx=0.7;ty=0.9. Процесс выходит на стационарный режим после 3-го цикла.