ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ЭКСТРАКТОР

Полезная модель относится к конструкциям центробежных экстракторов для проведения экстракционного процесса в системе жидкость-жидкость, в особенности к центробежным экстракторам с плавной регулировкой радиального положения эмульсионного слоя во вращающемся роторе, обеспечивающей достижение максимальной производительности технологического процесса без его остановки, в том числе в многоступенчатом экстракционном аппарате, и может быть использована в гидрометаллургической, радиохимической, фармацевтической и других отраслях промышленности.
Известен центробежный экстрактор (авторское свидетельство SU №1825641 А1, МПК B01D 11/04, опубл. 07.07.1993), включающий привод, подшипниковую опору, ротор, смесительную камеру, карманы сбора фаз, транспортирующее устройство, регулируемый гидрозатвор, состоящий из неподвижного диска с отверстиями и подвижного, кинематически связанного со штоком, крышку. Экстрактор снабжен отбойными диском, а шток установлен на нем эксцентрично оси ротора, при этом его кинематическая связь с подвижным диском выполнена в виде зубчатого зацепления, шестерня которого установлена на штоке, а на отбойном диске установлены упоры, фиксирующие подвижный диск, а в крышке аппарата выполнено герметизирующее отверстие ввода инструмента привода штока.
Недостатком экстрактора является сложность выполнения зубчатого зацепления шестерни штока с подвижным диском и необходимость остановки вращения ротора и технологического процесса для регулировки гидрозатвора и установки оптимального радиального положения эмульсионного слоя в роторе.
Известен центробежный экстрактор (патент на полезную модель RU №147410 U1, МПК B01D 11/04, опубл. 10.11.2014), содержащий корпус, на съемной крышке которого установлен привод с валом, жестко связанным с ротором, внутренние стенки ротора образуют разделительную камеру, в которой со стороны приводного вала размещен механизм вывода легкой и тяжелой фаз, выполненный в виде кольцевой перегородки, жестко закрепленной на роторе, сквозные переливные отверстия, сквозные периферийные радиальные переточные отверстия для вывода отделенной легкой фазы и сквозные переточные отверстия для вывода отделенной тяжелой фазы этого механизма сообщены соответственно с карманами для сбора разделенных легкой и тяжелой фаз, которые выполнены в корпусе и сообщены соответственно с выходными патрубками, при этом зазорообразующий элемент механизма жестко закреплен на штоке, который установлен соосно приводному валу с возможностью продольного перемещения и фиксации, а часть корпуса под ротором служит смесительной камерой, которая через лопастный транспортирующий механизм связана с разделительной камерой и имеет лопастную мешалку и входные патрубки. Переливное отверстие вывода легкой фазы выполнено в нижнем фигурном элементе со стороны разделительной камеры для сообщения с переточными отверстиями вывода легкой фазы, а зазорообразующий элемент, диаметр которого больше диаметра переливного отверстия, закреплен на штоке в разделительной камере и установлен между нижним фигурным элементом и донной частью разделительной камеры. Продольно перемещающийся шток установлен в разделительной камере с возможностью поворота вокруг своей оси, при этом в его зазорообразующем элементе и в нижнем фигурном элементе с переливным отверстием для легкой фазы выполнены секторные пазы, частично перекрывающиеся при повороте.
Недостатком экстрактора является сложность установки осевого перемещения и поворота штока с зазорообразующим элементом с последующим их закреплением и необходимость остановки вращения ротора и технологического процесса для плавной регулировки диаметра свободной поверхности отделенной легкой фазы и установки оптимального радиального положения эмульсионного слоя в роторе.
Наиболее близким по совокупности технических признаков и достигаемому техническому результату к предложению заявителя является центробежный экстрактор (патент на полезную модель RU №135523 U1, МПК B01D 11/04, опубл 20.12.2013), содержащий корпус и размещенные в нем смесительную камеру с входными патрубками, камеры сбора разделенных тяжелой и легкой фаз с выходными патрубками и размещенную между ними разделительную камеру, образованную стенкой ротора, жестко закрепленного на приводном валу, и диском, жестко закрепленным на том же валу с зазором относительно стенки ротора, на входе в разделительную камеру размещен механизм подачи смеси из смесительной камеры, на выходе из ротора с зазором относительно диска разделительной камеры жестко закреплена крышка с отверстием, соосным приводному валу, а в корпусе со стороны привода через зазор от крышки соосно валу по резьбе сочленен кольцевой фигурный зазорообразующий элемент, который связан с механизмом регулирования его положения в виде приводного элемента, установленного в отверстии корпуса, и фиксатора в виде прижимной гайки, разделительная камера при этом через трубки в стенке ротора связана с камерой сбора легкой фазы. Резьба сочленения кольцевого фигурного зазорообразующего элемента с корпусом выполнена между корпусом и внутренней стенкой этого элемента и имеет направление вращения, противоположное направлению вращения вала привода ротора, при этом приводной элемент механизма регулирования связан с зазорообразующим элементом через зубчатую передачу в виде двух, находящихся в зацеплении, цилиндрических прямозубых шестерен, одна из которых – ведомая - выполнена на внешней стенке зазорообразующего элемента, а другая - ведущая - на приводном элементе, при этом фиксатор выполнен в виде разрезной цанги, размещенной на нем между корпусом и прижимной гайкой, а в отверстии корпуса между приводным элементом и стенкой размещена герметичная втулка из фторопласта. На свободном конце приводного элемента механизма регулирования положения и фиксации зазорообразующего элемента закреплена рукоять, а на корпусе в зоне рукояти - лимб.
Недостатком центробежного экстрактора является сложность выполнения зубчатой передачи в виде двух сочленяющихся шестерен и возможность соприкосновения вращающегося ротора с неподвижным зазорообразующим элементом, что усложняет и удорожает конструкцию и снижает ее надежность.
Сущность предлагаемого технического решения состоит в упрощении и удешевлении конструкции зазорообразующего элемента и механизма его регулирования и повышении надежности и срока эксплуатации центробежного экстрактора.
Указанный технический результат достигается в предложенном центробежном экстракторе, содержащем привод, подшипниковую опору с фланцем и установленным в ней приводным валом, корпус со смесительной камерой с входными патрубками и камерами сбора разделенных тяжелой и легкой фаз с выходными патрубками, закрепленные жестко на приводном валу крышку с соосным приводному валу переливным отверстием, диск с переточными отверстиями и ротор, образованную диском с ротором разделительную камеру, на входе в которую размещен механизм подачи смеси фаз из смесительной камеры, а на выходе сообщающуюся через трубки в стенке ротора с камерой сбора легкой фазы и через переточные отверстия диска с гидрозатвором, образованным диском с крышкой, сообщающимся через переливное отверстие крышки с камерой сбора тяжелой фазы, а в корпусе со стороны привода через зазор с крышкой соосно приводному валу сочленен кольцевой зазорообразующий элемент, связанный с механизмом регулирования его положения, включающим приводной элемент, установленный в отверстии фланца подшипниковой опоры, и фиксатор, за счет того, что поверхность переливного отверстия в крышке выполнена цилиндрической, зазорообразующий элемент выполнен в форме размещенных с зазором друг с другом с возможностью относительного поворота подвижного и неподвижного колец, закрепленных соответственно на подвижной втулке и неподвижной втулке, закрепленной жестко на фланце подшипниковой опоры, наружные торцы колец размещены в гидрозатворе внутри переливного отверстия крышки с зазором с его цилиндрической поверхностью и на них выполнены перекрывающие друг друга в направлении оси приводного вала секторные пазы с подобными выступами, а механизм регулирования выполнен в виде кулисной передачи поворота от приводного элемента к подвижной втулке в виде находящихся в зацеплении кулисы, закрепленной на подвижной втулке, кривошипа, закрепленного на приводном элементе, и установленного на кривошипе с возможностью поворота ползуна, сочлененного с кулисой в качестве подвижной направляющей. Кроме того, кулиса выполнена в виде стержня, а в ползуне выполнено отверстие, в котором размещен с зазором стержень. Подвижное кольцо расположено между диском и неподвижным кольцом, а неподвижная втулка размещена снаружи подвижной втулки и в ней выполнен секторный паз, в котором размещен с зазором стержень. Секторные пазы и выступы на обоих кольцах размещены аксиально симметрично и с одинаковым количеством, а секторные выступы одного из колец превышают по азимутальному углу ответные секторные пазы другого кольца.
Плавный поворот во вращающемся роторе подвижного кольца с втулкой с использованием приводного элемента и кулисной передачи относительно аналогичных неподвижных кольца с втулкой изменяет открытое для протока тяжелой фазы сечение совпадающей части секторных пазов в переливном отверстии крышки, гидравлическое сопротивление гидрозатвора и радиальное положение эмульсионного слоя в роторе. По сравнению с прототипом упрощена и удешевлена конструкция предложенных зазорообразующего элемента и механизма его регулирования и исключена возможность контакта зазорообразующего элемента с вращающимся ротором, что увеличивает надежность и срок эксплуатации центробежного экстрактора.
Таким образом, заявленная полезная модель является техническим решением поставленной задачи, сущность которого выражается в новой совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного заявителем нового технического результата, что предопределяет ее соответствие критериям патентоспособности.
На фиг. 1 схематично изображен предложенный центробежный экстрактор в разрезе, на фиг. 2 схематично изображено сечение А-А фиг. 1 с видом зазорообразующего элемента и механизма его регулирования в увеличенном масштабе.
Центробежный экстрактор включает корпус 1 со смесительной камерой 2 с входными патрубками 3, камерами 4 и 5 сбора разделенных тяжелой и легкой фаз с выходными патрубками 6, подшипниковую опору 7 с фланцем 8 и приводным валом 9, сочленяющимся с приводом 10 через муфту 11. На приводном валу 9 жестко закреплены диск 12 с переточными отверстиями 13, ротор 14, образующий с диском 12 разделительную камеру 15, с пластинами 16 и размещенным на ее входе механизмом 17 подачи смеси и на выходе - трубками 18 вывода разделенной легкой фазы с переливными отверстиями 19, сообщающимися с камерой 5, мешалка 20, крышка 21, образующая с диском 12 гидрозатвор 22, с соосным приводном валу 9 переливным отверстием 23 с цилиндрической поверхностью для вывода разделенной тяжелой фазы, сообщающимся с камерой 4. Пластины 16 предотвращают уменьшение угловой скорости эмульсии в роторе 14 и разгораживают объем разделительной камеры 15 на несколько, например 4, секций, в каждой из которых размещена трубка 18. На фланце 8 концентрично приводном валу 9 между приводом 10 и через кольцевой зазор 24 с крышкой 21 размещен кольцевой зазорообразующий элемент, выполненный в форме размещенных с зазором друг с другом подвижного 25 и неподвижного 26 колец, закрепленных соответственно на подвижной 27 и неподвижной 28 втулках. Неподвижная втулка 28 жестко закреплена на фланце 8, а внутри нее с возможностью поворота установлена подвижная втулка 27.
1
1
2
2
1
1
3
1
Наружные торцы подвижного 25 и неподвижного 26 колец размещены внутри переливного отверстия 23 с зазором 24 с его цилиндрической поверхностью и на них выполнены перекрывающие друг друга в направлении оси приводного вала 9 секторные пазы 29 (Фиг. 2) с подобными секторными выступами 30 (Фиг. 2), одинаковыми по количеству N и симметрично размещенными по азимутальному углу, например по N=3 паза и N=3 выступа в каждом кольце. Азимутальный угол ϕ паза 29 подвижного кольца 25, равный ϕ=π/N=60°, меньше азимутального угла ϕ выступа 30 неподвижного кольца 26 на небольшую величину, например Δϕ=4°, что приводит к ϕ=ϕ+Δϕ=64°. При этом азимутальный угол выступа подвижного кольца 25 тоже равен ϕ=60° и превышает азимутальный угол паза неподвижного кольца 26, равный ϕ=ϕ-Δϕ=56°. Радиальный размер секторных пазов 29 на обоих кольцах существенно больше, например в 10-50 раз, аналогичной величины для кольцевого зазора 24, который устанавливается минимально возможным, например равным 0,2-0,5 мм, что необходимо для предотвращения касания колец с вращающейся вместе с ротором 14 крышкой 21, как при регулировке, так и в закрепленном состоянии.
Подвижная втулка 27 связана с механизмом кулисной передачи ее ограниченного по азимутальному углу поворота вокруг оси приводного вала 9, включающим приводной элемент в виде штока 31, связанного с подвижной втулкой 27 через находящиеся в зацеплении кулисы - стержня 32, закрепленного на подвижной втулке 27, кривошипа - пластины 33, закрепленной на штоке 31, и установленного на пластине 33 с возможностью поворота ползуна 34 в виде цилиндра с диаметральным отверстием, в котором размещен с зазором стержень 32. В неподвижной втулке 28 выполнен секторный паз 35 (Фиг. 2), в котором размещен с зазором стержень 32. Шток 31 установлен в отверстии фланца 8 герметично с возможностью поворота и фиксации за счет установки на нем в отверстии фланца 8 герметизирующей втулки 36, охватывающей шток 31 по скользящей посадке, например из фторопласта и цангового зажима 37, а снаружи корпуса 1 - накидной гайки 38 и рукояти 39. Цанговый зажим 37 с взаимодействующей с ним накидной гайкой 38 образуют фиксатор механизма регулирования положения зазорообразующего элемента и вместе с рукоятью 39 доступны для манипуляций снаружи корпуса 1. На наружной поверхности фланца 8 в зоне рукояти 39 закреплен лимб 40 с угловыми делениями для контроля угла поворота штока 31, при котором ползун 34 перемещается по дуге окружности 41 (фиг. 2), а стержень 32, подвижные втулка 27 и кольцо 25 поворачиваются на ограниченный азимутальный угол вокруг оси приводного вала 9. Привод 10 и подшипниковая опора 7 с фланцем 8, приводным валом 9, ротором 14 и зазорообразующим элементом с механизмом регулирования его положения объединены в единый выемной узел, который при необходимости его ремонта и замены может быть извлечен из корпуса 1, в том числе и дистанционно, с минимальной потерей времени на остановку производственного процесса.
Центробежный экстрактор работает следующим образом.
После включения вращения привода 10 исходные растворы по входным патрубкам 3 подают в смесительную камеру 2, где они перемешиваются мешалкой 20 для осуществления массопередачи компонентов смеси, и образовавшаяся эмульсия подается механизмом 17 подачи смеси фаз во вращающийся ротор 14. Под действием центробежной силы за счет разности плотностей фаз эмульсия в разделительной камере 15 между пластинами 16 расслаивается на составные фазы с образованием трех кольцевых слоев: слоя чистой легкой фазы в приосевой зоне, слоя чистой тяжелой фазы в периферийной зоне и расположенного между ними эмульсионного слоя. Легкая фаза через переливное отверстие 19 по трубке 18 выводится из ротора 14 в камеру сбора 5 и по патрубку 6 наружу центробежного экстрактора. Тяжелая фаза через переточные отверстия 13 поступает в гидрозатвор 22, транспортируется в приосевую зону к переливному отверстию 23 и выводится из ротора 14 в периферийном направлении через зазор 24 в камеру сбора 4 и по патрубку 6 наружу центробежного экстрактора.
При увеличении расходов исходных растворов радиальный размер эмульсионного слоя в роторе 14 увеличивается, и появляются взаимные уносы фаз, ухудшающие технологические показатели процесса, что предопределяет необходимость их целенаправленной регулировки. К аналогичному результату приводит и изменение плотности и вязкости как исходных растворов, так и разделенных фаз в межступенчатых перетоках многоступенчатого экстракционного аппарата - каскада центробежных экстракторов в противоточном многоступенчатом процессе. Радиальное положение эмульсионного слоя в роторе 14 зависит от давления тяжелой фазы в гидрозатворе 22 и, следовательно, от величины ее бьефа над переливным отверстием 23, который в свою очередь зависит от гидравлического сопротивления ее потоку в суммарном сечении постоянного сечения зазора 24 и изменяемого сечения совпадающей части секторных пазов 29. Например, при уменьшении совпадающей части секторных пазов 29 гидравлическое сопротивление потоку тяжелой фазы возрастает, что приводит к увеличению ее бьефа над переливным отверстием 23 и давления тяжелой фазы в гидрозатворе 22. В результате этого эмульсионный слой в роторе 14 смещается в приосевом направлении к переливному отверстию 19 трубки 18, что приводит к увеличению уноса тяжелой фазы с легкой при одновременном уменьшении уноса легкой фазы с тяжелой. Для этого снаружи корпуса 1 ослабляют гайку 38, освобождая цанговый зажим 37, и плавно поворачивают в нужном направлении на заданный угол рукоятью 39 шток 31. В результате этого стержень 32, подвижные втулка 27 и кольцо 25 поворачиваются на ограниченный азимутальный угол вокруг оси приводного вала 9, а сечение совпадающей части секторных пазов 29 уменьшается, после чего закрепляют гайкой 38 цанговый зажим 37, фиксирующий шток 31. Для смещения эмульсионного слоя в роторе 14 в периферийном направлении и обратного относительно предыдущего перераспределения взаимных уносов фаз увеличивают сечение совпадающей части секторных пазов 29, поворачивая шток 31 в обратном направлении.
4
1
1
4
3
На фиг. 2 представлено среднее положение подвижного кольца 25, стержня 32 и пластины 33, при котором площадь совпадающей части секторных пазов 29 составляет половину от максимальной. При повороте штока 31 на угол ϕ=(π-ϕ)/2=60° по часовой стрелке ползун 34 перемещается по траектории 41 в крайнее (на фиг. 2 верхнее) положение, а стержень 32 с подвижными втулкой 27 и кольцом 25 поворачиваются против часовой стрелки на угол ϕ/2=30°. В результате секторные пазы 29 полностью перекрываются, площадь их совпадающей части уменьшается до нуля и для протока тяжелой фазы остается только зазор 24 с минимальной площадью сечения. При этом выступы подвижного кольца 25 надежно перекрывают с небольшим перехлестом меньшие по азимутальному углу пазы неподвижного кольца 26. При повороте штока 31 против часовой стрелки на угол ϕ ползун 34 перемещается по траектории 41 в другое крайнее (на фиг. 2 нижнее) положение, в результате чего площадь совпадающей части секторных пазов 29 увеличивается до максимальной величины, соответствующей азимутальному углу ϕ паза неподвижного кольца 26.
Выполнение поверхности переливного отверстия 23 крышки 21 цилиндрической обеспечивает уменьшение зазора 24 с торцами колец 25 и 26 до минимальной конструктивно допустимой величины, что обеспечивает увеличение диапазона регулировки сечения для протока тяжелой фазы на выходе гидрозатвора при полном исключении возможности соприкосновения неподвижных и вращающихся деталей центробежного экстрактора. Выполнение механизма регулирования в виде кулисной передачи поворота от штока 31 к подвижной втулке 27 упрощает его конструкцию по сравнению с зубчатой шестеренчатой передачей прототипа. Выполнение зазорообразующего элемента в предложенном виде упрощает его конструкцию по сравнению с шестеренчатым его видом в прототипе. Размещение подвижного кольца 25 между диском 12 и неподвижным кольцом 26 и, соответственно, неподвижной втулки 28 снаружи подвижной втулки 27 обеспечивает самопроизвольный прижим подвижного кольца 25 к неподвижному кольцу 26 в направлении оси приводного вала 9 давлением протекающей сквозь их пазы тяжелой фазы, что уменьшает зазор между плоскостями колец вплоть до их соприкосновения и увеличивает диапазон регулировки радиального положения эмульсионного слоя во вращающемся роторе 14. В итоге предложенная совокупность существенных признаков обеспечивает возможность целенаправленного изменения взаимных уносов фаз до таких допустимых значений, при которых производительность технологического процесса достигает максимальной величины без его остановки при заданных допустимых величинах его технологических показателей.
Таким образом, заявлено техническое решение, обеспечивающее достижение нового технического результата, заключающегося в упрощении и удешевлении конструкции зазорообразующего элемента и механизма его регулирования и повышении надежности и срока эксплуатации центробежного экстрактора, совокупность 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.