ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ЭКСТРАКТОР

Полезная модель относится к массообменным аппаратам химической технологии для проведения процесса жидкостной экстракции, в частности к центробежным экстракторам для использования преимущественно в химической, радиохимической, гидрометаллургической и фармацевтической отраслях промышленности.
Известен центробежный экстрактор (авторское свидетельство SU №548291 А1, МПК B01D 11/04, опубл. 28.02.1977), содержащий корпус со смесительной камерой с входными патрубками и камерами сбора разделенных фаз с выходными патрубками, привод, ротор с мешалкой и транспортирующим устройством, выполненным в виде профилированных желобов, преимущественно цилиндрической формы, размещенных на нижнем торце ротора и установленных под углом к оси его вращения. Желоба образуют несколько черпаков с заостренными кромками нижних торцов.
Недостатком экстрактора является трудоемкость выполнения профилированных желобов при вальцовке тонкостенной обечайки на нижнем торце ротора и ограничение их поперечного сечения, обусловленное технологией изготовления, что снижает производительность устройства и удорожает конструкцию.
Известен центробежный экстрактор (см. книгу: Кузнецов Г.И., Пушков А.А., Косогоров А.В. «Центробежные экстракторы ЦЭНТРЭК», РХТУ им. Д.И. Менделеева. - М., 2000 г., с. 28, рис. 1.13, с. 33), содержащий корпус со смесительной камерой с входными патрубками и камерами сбора разделенных фаз с выходными патрубками, привод, закрепленный на приводном валу ротор с крышкой с переливной кромкой, диском с переточными отверстиями, разделительной камерой, каналами с переливной кромкой, мешалкой и транспортирующим устройством. Устройство выполнено с использованием шнека в виде соприкасающихся без зазора многозаходной винтовой и цилиндрической обечаек, образующих в нижней части несколько черпаков, транспортирующих эмульсию при вращении и заглублении ниже ее свободной поверхности снизу из смесительной камеры вверх внутрь ротора.
Недостатком экстрактора является трудоемкость и материалоемкость выполнения винтовой обечайки шнека при изготовлении ее из цилиндрической заготовки, например, методом точения на токарном станке, что удорожает конструкцию.
Наиболее близким по совокупности технических признаков к предложенному является принятый за прототип центробежный экстрактор (патент на изобретение RU 2064321 С1, МПК B01D 11/04, опубл. 27.07.1996), содержащий корпус с размещенными в нем смесительной камерой с входными патрубками и камерами сбора разделенных фаз с выходными патрубками, привод, закрепленный на приводным валу ротор с крышкой с переливной кромкой, диском с переточными отверстиями, разделительной камерой, каналами с переливной кромкой, мешалкой и транспортирующим устройством, выполненным в виде установленных на нижнем фланце ротора и развернутых под углом к оси его вращения профилированных желобов в виде изогнутых трубок. Трубки установлены с возможностью разворота, их входной торец размещен в приосевой зоне ротора, а выходной - в периферийной.
Недостатком экстрактора является малая производительность транспортирующего устройства, обусловленная заглублением в жидкость протяженной по радиусу выступающей ниже фланца части трубок, что провоцирует образование воронки на свободной поверхности жидкости и препятствует подводу эмульсии к входному торцу трубок, размещенному на минимальном радиусе.
Заявляемая полезная модель обеспечивает достижение технического результата в аспекте увеличения производительности транспортирующего устройства и экстрактора.
Технический результат достигается в заявленном центробежном экстракторе, содержащем корпус с размещенными в нем смесительной камерой с входными патрубками и камерами сбора разделенных фаз с выходными патрубками, привод, закрепленный на приводным валу ротор с крышкой с переливной кромкой, диском с переточными отверстиями, разделительной камерой, каналами с переливной кромкой, мешалкой и транспортирующим устройством, выполненным в виде размещенных на нижнем фланце ротора под углом к оси его вращения профилированных желобов в виде изогнутых трубок, за счет того, что ось трубок изогнута по цилиндрической винтовой линии - спирали, входной торец трубок размещен в плоскости оси вращения ротора, а трубки жестко закреплены в отверстии фланца аксиально симметрично этой оси по радиусу и азимутальному углу. Кроме того, ось спирали совпадает с осью вращения ротора, а диаметр D окружности проекции спирали на плоскость, перпендикулярную ее оси, угол α наклона к этой плоскости прямой линии, касательной к спирали, шаг Н спирали, наружный диаметр d трубок и их количество N удовлетворяют соотношениям: π×D×sin(α)/(N×d)≥1 и α=arctg(H/(π×D)).
Максимальные радиусы выступающей ниже фланца части трубок и их входного торца одинаковы, что уменьшает образование воронки в зоне транспортирующего устройства и увеличивает производительность его и экстрактора.
На представленной фиг. 1 схематично изображен предлагаемый центробежный экстрактор в разрезе, на фиг. 2 схематично изображена в увеличенном масштабе аксонометрическая проекция транспортирующего устройства в сборе и деталях.
Заявленный центробежный экстрактор (фиг. 1 и 2) содержит корпус 1 с размещенными в нем смесительной камерой 2 с входными патрубками 3 и камерами сбора разделенных тяжелой 4 и легкой 5 фаз с выходными патрубками 6, на съемном фланце 7 подшипниковой опоры 8 которого закреплен привод 9. В опоре 8 установлен приводной вал 10 с закрепленным на нем ротором 11, например, конусной формы, крышкой 12 с концентричного валу переливной кромкой 13, диском 14 с переточными отверстиями 15, разделительной камерой 16, каналами 17 с переливной кромкой 18, мешалкой 19 с лопастями 20, и транспортирующим устройством 21. Устройство 21 выполнено в виде закрепленных, например, с помощью сварки, в отверстии нижнего фланца 22 аксиально симметрично относительно оси вращения ротора 11 под углом к ней профилированных желобов в форме, например, четырех трубок 23, изогнутых по цилиндрической винтовой линии - спирали с заостренным входным торцом 24 и выходным торцом 25. Трубки 23 выполняют функцию насоса погружного типа, транспортирующего при вращении эмульсию из смесительной камеры 2 сквозь отверстия этих трубок внутрь ротора 11. В приосевой зоне трубок 23 закреплена, например, с помощью сварки, втулка 26 с отверстием 27 для крепления мешалки 19. Внутренняя кромка входного торца 24 трубок 23 снабжена округлой фаской, заостряющей наружную кромку, для увеличения производительности.
Ось спирали совпадает с осью вращения ротора 11, что в максимальной мере способствует подводу эмульсии к входному торцу 24 трубок 23 в смесительной камере 2, увеличивая производительность транспортирующего устройства 21 и экстрактора. Ориентация входного торца 24 трубок 23 в плоскости оси вращения ротора 11 навстречу набегающему потоку жидкости и заостренность его наружной кромки увеличивает динамическое давление в сечении этого торца и, следовательно, расход жидкости через каждую трубку. Диаметр D окружности проекции спирали на плоскость, перпендикулярной ее оси, угол α наклона к этой плоскости прямой линии, касательной к спирали, наружный диаметр d трубок 23 и их количество N удовлетворяют соотношению π×D×sin(α)/(N×d)≥1. Для цилиндрической спирали с шагом Н угол α=arctg(H/(π×D)). Указанное соотношение обеспечивает для предложенной конфигурации трубок 23 их максимально плотную упаковку до соприкосновения друг с другом без увеличения габаритного диаметра D+d выступающей ниже фланца 22 части и, следовательно, максимальную производительность транспортирующего устройства 21. Вальцовка трубок указанной формы производится, например, на токарном станке путем навивки длинной заготовки прямой трубки в спиральную канавку с заданными профилем и шагом на цилиндрическом стержне диаметром D-d, с последующим отрезанием ее спиральных элементов заданной длины и их сборкой, что упрощает изготовление транспортирующего устройства 21.
В смесительной камере 2 закреплены вертикальные пластины 28 с радиальным зазором с транспортирующим устройством 21 для уменьшения жидкостной воронки в зоне его вращения и увеличения его производительности. В разделительной камере 16 для предотвращения перемешивания эмульсии и увеличения скорости ее расслаивания на составные фазы установлены лопасти 29 аксиально симметрично относительно оси вращения ротора, закрепленные в кольце 30, в резьбовое отверстие которого крепится мешалка 19, прижимая, таким образом, фланец 22 устройства 21 к ротору 11. Вращающий момент передается от привода 9 к валу 10 с помощью муфты 31.
Центробежный экстрактор работает следующим образом. После включения привода 9 и начала вращения ротора 11 исходные растворы по входным патрубкам 3 подают в смесительную камеру 2, где они перемешиваются мешалкой 19 с лопастями 20 для осуществления массопередачи распределяющегося компонента, и образовавшаяся эмульсия подается транспортирующим устройством 21 внутрь вращающегося ротора 11. В процессе транспортировки эмульсии в разделительной камере 16 снизу-вверх и ее расслаивания между лопастями 29 она приобретает форму кольцевого эмульсионного слоя плотно упакованных капель дисперсной фазы различной формы и объема, разделенных тонким слоем сплошной фазы. С уменьшением толщины этого слоя за счет центробежной силы коалесценция капель ускоряется и образуется второй сплошной слой полностью скоалесцированных капель первоначально дисперсной фазы. Таким образом, в верхней части разделительной камеры 16 в зоне диска 14 образуются три радиально соприкасающихся кольцевых слоя - двух очищенных друг от друга чистых разделенных фаз в приосевой и периферийной зонах разделительной камеры и эмульсионного слоя между ними.
Легкая фаза через переливные кромки 18 по каналам 17 выводится из ротора 11 в камеру 5 сбора легкой фазы, и по выходным патрубкам 6 наружу экстрактора. Тяжелая фаза через переточные отверстия 15 транспортируется к оси вращения вала 10 к переливной кромке 13 и выводится из ротора 11 в направлении к периферии в камеру 4 сбора тяжелой фазы и по выходным патрубкам 6 наружу экстрактора.
С увеличением расходов исходных растворов увеличивается заглубление транспортирующего устройства 21 под уровень свободной поверхности объема эмульсии в смесительной камере 2 и появляется несепарационный заброс-унос эмульсии непосредственно из смесительной камеры по наружной поверхности ротора 11 в камеру сбора 5 легкой фазы, что ухудшает качество получаемых продуктов и в итоге уменьшает производительность экстрактора. Таким образом, предложенная конструкция транспортирующего устройства 21 обеспечивает его максимальную производительность при минимальном заглублении под уровень свободной поверхности объема эмульсии в смесительной камере 2 за счет максимально плотной упаковки трубок 23, оптимальной ориентации их входного торца 24 и минимального габаритного диаметра D+d той их части, которая выступает ниже фланца 22.
Изготовленное и испытанное предложенное транспортирующее устройство с двумя трубками увеличило производительность экстрактора в 1,5 раза по сравнению с прототипом при прочих равных условиях.
Таким образом, для достижения заявленного технического результата предложено обеспечивающее его достижение техническое решение, совокупность конструктивных признаков которого неизвестна из настоящего уровня техники, обладает новизной по сравнению с выбранным прототипом, технически выполнимо и промышленно применимо, что соответствует критериям, характеризующим полезную модель.