ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ЭКСТРАКТОР С УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ ДЕЭМУЛЬГИРОВАНИЯ
CENTRIFUGAL EXTRACTOR WITH DEVICE FOR DEMULSIFICATION

Изобретение относится к конструкциям центробежных экстракторов для системы жидкость-жидкость в технологии очистки и разделения эмульсий не смешивающихся жидкостей в урановой и радиохимической промышленности, в процессах гидрометаллургии, в химической, фармацевтической и пищевой промышленности, в технологии разделения эмульсий нефти.
В технологии очистки растворов способом экстракции в системе жидкость-жидкость известно множество типов оборудования, наиболее интенсивными из которых являются центробежные экстракторы. Принято считать, что экстрактор тем совершеннее, чем меньше рабочий объем ступени при заданной производительности и эффективности массопередачи, то есть чем больше коэффициент использования объема. Поэтому для уменьшения размеров аппарата и для повышения эффективности работы экстракторов камеру разделения центробежного экстрактора присоединяют к камере смешивания, при этом эмульсия диспергированных жидкостей незамедлительно поступает из камеры смешивания в камеру разделения.
Для интенсификации массообмена стараются получить максимально возможную поверхность раздела фаз перерабатываемых жидкостей, применяя мешалки, сочлененные с ротором (камерой разделения) и скоростью вращения равной скорости вращения ротора (до 3000 об/мин). Тонкость диспергирования жидкостей ограничивает образование трудно разделяющихся эмульсий, что, в свою очередь, снижает производительность центробежного экстрактора или делает невозможным его применение. Для снижения эмульсионного уноса применяют отбойные (отражающие) диски [1. Кузнецов Г.И., Пушков А.А., Косогоров А.В. Центробежные экстракторы ЦЭНТРЭК. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2000. С. 24, 40].
Этот прием широко используется в конструировании центробежных экстракторов в РФ и за рубежом [Кузнецов Г.И., Пушков А.А., Косогоров А.В. Центробежные экстракторы ЦЭНТРЭК. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2000. 214 с.; Пат. РФ №1732524, опубл. 30.11.1994; Пат. РФ №2393906, опубл. 10.07.2010; Warburton J.L. Spectroscopic methods of process monitoring for safeguards of used nuclear fuel separations. University of Nevada, Las Vegas. December 2011. P. 40; Solvent extraction equipment evaluation study. Part 2. Work shop proceedings. Battelle pacific northwest laboratories. BNWL-2186. Pt 2. January 1977. P. 20; Georg F.V. et al. Designing and demonstration of the UREX+ process using spent nuclear fuel. Atalante 2004. Advances for future nuclear fuel cycles. International conference nimes, France. June 21-24, 2004. P. 16.]
3
3
Недостатком такого конструктивного решения является то, что отбойный диск, по сути, является диафрагмой, установленной на пути потока. Известно, что за диафрагмой образуется область пониженного давления - это приводит к завихрениям в потоке и его турбулизации. На практике эта особенность конструкции приводит к тому, что производительность центробежного экстрактора снижается из-за взаимного уноса фаз, поскольку фактически снижается путь движения капли в линейном режиме после дополнительной турбулизации за диафрагмой (отбойным диском). Так, практически не удается достигнуть производительности, например, указанной в [1. Кузнецов Г.И., Пушков А.А., Косогоров А.В. Центробежные экстракторы ЦЭНТРЭК. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2000. 27, табл. 1. 4 с.] для экстрактора ЭЦ320. При аффинаже азотнокислого уранила в системе с раствором 30% ТБФ в РЭД-2 при 1500 об/мин ротора (камеры разделения) экстрактора, на существующем центробежном ЭЦТ320 возможно работать с удовлетворительным разделением фаз только на производительности 7,0-7,5 м/час, при проектной 10 м/час.
Из уровня техники известны конструкции центробежных экстракторов, позволяющие преодолеть указанный недостаток, но характеризующиеся сложностью изготовления или низкой эффективностью разделения эмульсий водной и органической фаз [Пат. РФ №2524756, опубл. 02.10.2012; Пат. РФ №2295377, опубл. 25.03.2005; Пат. РФ №2086288, опубл. 25.02.1991; Пат. РФ №2085249, опубл. 20.11.1995; Пат. РФ №2081666, опубл. 15.04.1992; Пат. РФ №2064321, опубл. 17.09.1993; Пат. РФ №2060778, опубл. 11.04.1994; Пат. РФ №2047321, опубл. 01.10.1992; Пат. США 4,857,040, опубл. 15.08.1989].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является центробежный экстрактор с отбойным диском [Кузнецов Г.И., Пушков А.А., Косогоров А.В. Центробежные экстракторы ЦЭНТРЭК. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2000. С. 47. рисунок 1.29] и конусным ротором, принятый в качестве прототипа. Экстрактор имеет типовое устройство, а камера разделения снабжена отбойным диском и совмещена со смесительной камерой, откуда лопастным транспортным устройством (ЛТУ) эмульсия жидкостей вбрасывается в камеру разделения. Граница раздела фаз, образованная в верхней части ротора не смешивающимися потоками органической и водной фаз имеет пульсирующую поверхность из-за изменения скорости водной фазы, вызванную изменением сечения потока из-за конусности ротора. Пульсация поверхности раздела фаз затрудняет разделение остатков эмульсии.
Данный экстрактор обладает теми же недостатками, что и предыдущие, оборудованные отбойными дисками и не имеющие устройства стабилизации скорости водной фазы. Эмульсия, полученная в камере смешивания, передается ЛТУ в камеру разделения, частично бьется об отбойный диск, что дополнительно измельчает частицы жидкостей, частично огибает отбойный диск, создавая циркуляционные токи за диском, изменяющие направление движения частиц от направления их движения в поле центробежных сил - легкой фазы к центру, тяжелой к периферии камеры. Следовательно, более половины высоты камеры не работает на разделение эмульсии на составляющие - легкую и тяжелую жидкости (макрофазы).
Технической задачей изобретения является создание конструкции разделительной камеры позволяющей в значительной мере устранить взаимный эмульсионный унос фаз с увеличением производительности экстрактора.
Указанная цель достигается тем, что в центробежном экстракторе, содержащем корпус с камерой смешивания с мешалкой, камерой разделения (ротором), лопастным транспортным устройством, приводом, патрубками ввода и отвода легкой и тяжелой фаз, в камере разделения (роторе) дополнительно установлен стабилизатор скорости тяжелой фазы в форме цилиндра, а вместо отбойного диска установлена насадка из гофрированной сетки.
На фиг. показана схема экстрактора (общий вид).
Центробежный экстрактор (см. фиг.) состоит из корпуса 1 с камерой смешивания 2, камерой разделения (ротором) 3, лопастным транспортным устройством (ЛТУ) 4, приводом 5. Камера смешивания 2 снабжена патрубками 6 и 7 ввода водной и органической фаз соответственно, мешалкой 8 и отражающими перегородками 9. Камера разделения 3 содержит насадку 10 из гофрированной сетки, уложенной слоями в противофазе гофр, и стабилизатор 11 скорости тяжелой фазы в форме цилиндра, а также патрубки 12 и 13 отвода соответственно легкой и тяжелой фаз из экстрактора.
Работа заявляемого центробежного экстрактора осуществляется следующим образом.
Эмульсии водной (тяжелой) фазы и органической (легкой) фазы, например, в процессе аффинажной переработки растворов уранил-нитрата - содовый раствор и регенерируемый трибутилфосфат, поступают в камеру смешивания 2 центробежного экстрактора, где под действием мешалки 8, вращающейся со скорость 1500 об/мин, диспергируются, образуя тонкую эмульсию.
ЛТУ 4 подхватывает эмульсию и вбрасывает ее внутрь камеры разделения 3. Камера разделения 3 в зоне поступления эмульсии заполнена насадкой 10 из гофрированной сетки, изготовленной из смачиваемого металла или пластика, устойчивого в среде перерабатываемых жидкостей. Поток из ЛТУ 4 входит в насадку 10, его скорость снижается обратно пропорционально увеличению площади сечения камеры разделения 3. На микрокапли эмульсии в этот момент действует сила от восходящего потока (определяемого линейной скоростью, зависящей от общего расхода эмульсии) и центробежная сила, получаемая от вращающегося ротора.
Микрокапли контактируют с гофрированной сеткой насадки 10.
Толщину проволоки (волокон) сетки, высоту гофр сетки насадки выбирают из условия минимизации веса насадки для снижения вибраций ротора. Минимальные значения величины ячейки сетки могут быть определены по величине сопротивления насадки, препятствующей достижению заданной производительности. Максимальная величина ячейки сетки и высота слоя насадки может быть определена по эффективности разделения эмульсии.
Полярность (гидрофильность или гидрофобность) поверхности материала гофрированной сетки предпочтительно аналогична полярности перерабатываемых растворов. Вещества с одинаковой полярностью эффективно взаимодействуют при контакте, и, следовательно, микрокапли эмульсии с большей скоростью обволакивают структурные элементы насадки и коалессциуют в макрофазу, которая легко отделяется от сопутствующей макрофазы в центробежном поле камеры разделения.
Гофрированная сетка изготовлена из коррозионностойкой проволоки (или волокон полимера).
Высота насадки составляет 1/4-2/3 высоты камеры разделения Уменьшение высоты насадки снижает эффективность коалесценции микрокапель эмульсии. Увеличение высоты насадки снижает производительность экстрактора за счет увеличения сопротивления слоя насадки потоку разделяемой эмульсии.
Гофры сетки образуют пространственную ячеистую структуру, стороны ячеек, состоят из проволоки (волокон) смачиваемого материала, микрокапли обеих фаз на смачиваемой поверхности проволоки (волокнах) коалесцируют, обволакивают проволоку, и при отрыве жидкости от проволоки образуются крупные капли, которые сливаются в макрофазу и эффективно отделяются в центробежном поле.
В центробежных экстракторах с конической камерой разделения тяжелая фаза движется с переменной скоростью из-за увеличения диаметра ротора, что приводит к возмущениям, волнам и турбулентности на границе раздела фаз. Для исключения этого явления (и повышения эффективности разделения эмульсии) перед выходом тяжелой фазы из экстрактора установлен стабилизатор 11 скорости тяжелой фазы в форме цилиндра. Восходящие потоки водной и органической фаз, содержащие некоторую часть не разделившейся эмульсии, входят в зону, где стабилизатор 11 скорости движения водной фазы придает цилиндричность камере разделения 3. Цилиндрическая внутренняя поверхность камеры разделения 3 исключает пульсации поверхности границы раздела фаз, что обеспечивает более глубокое разделение макрофаз.
В таблице приведены результаты работы центробежного экстрактора, взятого за прототип, и заявляемого центробежного экстрактора.
Таким образом, экспериментально подтверждено, что заявляемый центробежный экстрактор с насадкой из гофрированной сетки и стабилизатором скорости водной фазы позволяет увеличить скорость распада эмульсии и работать на производительности, по крайней мере, в два раза больше, чем аналогичный центробежный экстрактор, оборудованный отбойным диском.
При применении насадки из гофрированной сетки увеличивается полезное время разделения эмульсии (т.к. устранены удар потока об отбойный диск и завихрения жидкости за диском) и используется эффект коалесценции микрокапель в крупные капли (макрофазу) на поверхности материала гофрированной сетки, а стабилизатор скорости водной (тяжелой) фазы исключает пульсации поверхности раздела фаз, что увеличивает качество разделения макрофаз.