УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ ЖИДКИХ СРЕД
TWO-COMPONENT FLUID SEPARATOR

Изобретение относится к оборудованию для разделения многокомпонентных жидких сред в поле действия центробежных и вихревых подъемных сил и может быть использовано в пищевой, микробиологической, нефтехимической, фармацевтической и других отраслях промышленности.
Известна центрифуга для разделения жидкой многофазной среды, включающая установленный на валу ротор, состоящий из вертикально расположенной конусообразной сплошной обечайки с крышкой, обращенной большим основанием вниз, и связанного с ней цилиндрического основания, средство отвода твердой фракции, размещенную внутри ротора по его оси фильтрующую обечайку с торцевыми дисками и отводным патрубком фильтрата и распложенную по оси ротора неподвижную трубу (SU 1630851 A, B04B 1/10, 28.02.91). Торцовый нижний диск фильтрующей обечайки прикреплен к основанию ротора с образованием зоны отвода фильтрата. Фильтрующая обечайка вращается с ротором. В верхней части конусообразной обечайки расположена камера для буферной жидкости, отделенная от полости ротора поршневой заслонкой, при этом в боковой стенке камеры для буферной жидкости выполнены радиальные калиброванные отверстия. При помощи подачи и отвода буферной жидкости изменяется объем полости внутри обечайки и изменяется давление среды, что создает обратный ток фильтрата через фильтрующую обечайку и обеспечивает регенерацию ее фильтрующей поверхности.
Известна центрифуга для разделения многокомпонентной жидкой среды, содержащая корпус с патрубками подвода суспензии и отвода фильтрата и осадка, установленный на вертикальном валу конусообразный ротор с днищем и крышкой и размещенный внутри него на днище цилиндрический мембранный фильтр с расположенным на его торце диском, снабженный электромагнитным устройством для регенерации фильтрующей поверхности (SU 1611449 A1, B04B 1/10, 07.12.90). Недостаток этой центрифуги заключается в том, что она обеспечивает разделение среды лишь на две фракции (твердую и жидкую) и в ней невозможна саморегенерация мембранного фильтра. Наличие электромагнитного устройства усложняет ее конструкцию.
Общим недостатком данных центрифуг является использование только для разделения твердой и многокомпонентной жидкой фазы. Отверстия фильтрующей обечайки забиваются осадком, для удаления которого необходима периодичная регенерация ее фильтрующей поверхности, что уменьшает производительность центрифуги, качество разделяемых жидких фаз на фракции невозможно. Центрифуги относятся к классу аппаратов периодического действия и в ней не обеспечена возможность саморегенерации мембранного фильтра.
Ближайшим техническим решением к предложенному является устройство для разделения двухкомпонентных жидких сред, включающее корпус с питающей трубой и установленный в нем вертикально на валу цилиндроконический ротор с основанием и крышкой, внутри которого размещена неподвижная камера с каналом отвода 1-ой фракции, размещенным в основании ротора, и каналом отвода 2-ой фракции. Внутри ротора размещены неподвижно мембранные фильтры с патрубками отвода фильтрата и легкой фракции (RU 2155102 C1, B04B 1/10, 27.08.2000).
Общим недостатком данных центрифуг является использование только для разделения твердой и многокомпонентной жидкой фазы. При их использовании производительность центрифуги значительно снижается. Конструкции сложны и громоздки.
Технический результат изобретения заключается в увеличении производительности центрифуги, способности выделить из жидкой неоднородной среды более легкую фракцию, например нефть из воды, упрощение конструкции.
Поставленная задача решается за счет использования устройства для разделения двухкомпонентных жидких сред, включающего корпус с питающей трубой, и установленный в нем вертикально на валу цилиндрический ротор с основанием и крышкой, внутри которого размещена камера с каналом отвода 1-ой фракции, размещенным в основании ротора, и каналом отвода 2-ой фракции, при этом в нижней части корпуса между основанием ротора и днищем корпуса расположена камера первой сепарации, по оси которой выполнен трубопровод 1-ой фракции с входным отверстием, верхняя часть трубопровода, открытая по торцу, расположена внутри ротора и содержит внутри трубопровод 2-ой фракции с нижним каналом выхода в полость ротора, верхняя часть трубопровода 2-ой фракции, являющаяся выходным каналом для 2-ой фракции, герметично закреплена в крышках ротора и корпуса, при этом в крышке корпусу расположен канал для отвода 1-ой фракции.
Предлагаемая конструкция поясняется схемой продольного разреза, приведенной на рис.1а. На рис.1б указаны схемы движения потоков.
Устройство состоит:
1 - основной канал отвода 1-ой фракции, 2 - верхняя часть трубопровода, 3 - канал отвода 1-ой фракции, 4 - входное отверстие трубопровода, 5 - питающая трубка, 6 - трубопровод, 7 - трубопровод 2-ой фракции, 8 - герметичное уплотнение, 9 - корпус, 10 - цилиндрический ротор, 11 - вал, 12 - обратный клапан, 13 - выходной канал для 2-ой фракции, 14 - основание, 15 - крышка, 16 - камера, 17 - канал отвода 2-ой фракции.
В предлагаемой конструкции жидкость, состоящая из двух компонентов, заходит по питающей трубке 5 в нижнюю часть корпуса 9, проходя между корпусом 9 и вращающимся валом 11, жидкость приобретает круговое движение, что способствует начальному разделению на легкую и тяжелую фракции. При этом жидкость с большей частью легкой фракции приближается к входному отверстие трубопровода 4, а жидкость с большей частью тяжелой фракции приближается внутренней стенке корпуса 9.
Попадая в входное отверстие трубопровода 4, жидкость по трубопроводу 6 поступает через верхнюю часть трубопровода 2 в камеру 16, где происходит вторая сепарация, позволяющая за счет центробежных сил вращения самой жидкости и кольцевого вращения «А» получить более тщательное отделение легкой фракции. Легкая фракция стремится занять место на стыке основания 14 и трубопровода 6. На рис.1б справа от оси штриховыми линиями обозначены края отделенной фракции по мере ее накопления и соответственно смещение кольцевого вращения «А». Располагая датчики, чувствительные к легкой фракции жидкости, на этих элементах конструкции, процесс разделения становится более эффективным и, как следствие, менее энергоемким. Функция датчиков состоит в определении состава и объема сепарированной легкой фракции жидкости, находящийся вблизи канала отвода 2-ой фракции 17. Полученная информация позволяет принять или отложить решение о извлечении порции 2-ой фракции. Датчики, проводники питания датчиков монтируются (не показаны) в поверхности трубопровода 6 и основания 14, соприкасающихся с камерой 16, а также вала 11. Датчики, проводники питания датчиков не выступают за геометрические размеры конструкции. Существует ряд технических решений для снятия информации с датчиков, находящихся на подвижном объекте. В данном патенте они не рассматриваются так же, как и факт конфигурации установки датчиков. Вполне очевидно, что для принятия решения надо иметь достоверную информацию о процессе сепарации.
Часть жидкости, не вовлеченной в кольцевое вращение «А», выходит из камеры 16 через канал отвода 1-ой фракции 3 в зону первой ступени сепарации ниже основания 14, где разветвляется на два направления: к внутренней стенке корпуса 9 и к входному отверстию трубопровода 4. Последнее создает дополнительное благоприятное условие для вовлечения легких фракций жидкости в циркуляционный процесс по контуру: входное отверстие трубопровода 4, трубопровод 6, верхняя часть трубопровода 2, камера 16, канал отвода 1-ой фракции 3. Все механические элементы этого контура вращаются с одинаковой угловой скоростью, что дает уверенное отстаивание отделенной фракции.
При создании данной конструкции основная проблема состояла в получении компромисса между осуществлением постоянного протока жидкости с вытекающими отсюда неравномерностью движения и созданием камеры, в которой все элементы, в том числе и жидкость, двигаются с одинаковой угловой скоростью, что позволяет эффективнее отделять легкую фракцию от тяжелой при малых затратах. Часть жидкости, содержащая большей частью тяжелую фракцию, удаляется под действием центробежных сил с внутренней поверхности корпуса 9 через основной канал отвода 1-ой фракции 1. Обратный клапан 12 является обязательным элементом конструкции. Он может устанавливаться, как показано на рис.1, в выходном канале для 2-ой фракции 13 либо на трубопроводе 2-ой фракции 7 и предназначен отсекать разрежение давления, возникающее при вращении ротора. Получая информацию от первичных датчиков, установленных на основании 14 и/или на трубопроводе 6, или используя предварительно известную информацию о величине концентрации легкой фракции в разделяемой жидкости, характере ее поведения во времени, производится отбор легкой фракции через выходной канал для 2-ой фракции 13. Отбор производится путем создания более сильного разрежения давления, чем разрежение, создаваемое ротором. На трубопроводе 2-ой фракции 7 установлен обратный клапан 12.
Предложенная конструкция обеспечивает высокую производительность, позволяет уменьшить габариты устройства и снизить его энерго- и металлоемкость. Устройство позволяет повысить чистоту разделения сред.