МАЯТНИКОВАЯ ЦЕНТРИФУГА

Предлагаемое техническое решение относится к области очистки в фильтрующих центрифугах на полупроницаемых мембранах методом ультрафильтрации и микрофильтрации и может найти применение в химической, нефтехимической, атомной, микробиологической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки сточных вод.
Известен мембранный аппарат, включающий кожух со штуцерами для отвода продукта, корпус с двумя кольцевыми щелями и присоединенный к трубчатой мембране, полый шток конусом, к которому крепится подвижный вал с насаженными на него лопастями и делящий мембранный канал на четыре сектора, при этом в трех секторах находится сетка, крепящаяся к лопастям на некотором расстоянии о мембраны, а в четвертом секторе установлены диски (Пат. №2530100 РФ, B01D 63/06, 2014).
К причинам, препятствующим достижения заданного технического результата относится сложность создания повышенного избыточного давления в трубчатой мембране, под действием которого происходит разделение очищаемого раствора на пермеат и ретант, что снижает производительность в мембранном аппарате, так как трубчатая мембрана не вращается и над ней в растворе не создается дополнительное центробежное давление.
Известно центробежное распределительное устройство для жидкости, включающее вращающийся распределитель, установленный на опоре, жестко закрепленный на каркасе с отверстием для орошающей жидкости, снабженный по периферии внутренней части радиальными лопатками и расположенными по внешнему контуру наклоненными лопатками, установленными с возможностью изменения угла наклона к основанию распределителя, при этом распределитель выполнен в виде вложенных один в другой усеченных конусов, жестко соединенных кольцевыми перфорированными дисками, причем отверстия для орошающей жидкости на внутреннем конусе расположены выше наружного усеченного конуса, а наружный усеченный конус выполнен с отверстиями по всей поверхности и снабжен жестко закрепленным центральным распределителем в виде перфорированного перевернутого стакана с жестко закрепленной на нем опорой (Пат. №63474 РФ B01D 53/18, B01D 53/24, B01D 3/30, 2015).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невозможность проводить ультрафильтрацию в центробежном поле вращающего распределителя из-за отсутствия на поверхности усеченных конусов полупроницаемых мембран, что потребует многократного рецикла очищаемой жидкости, подаваемой на внутреннюю поверхность усеченных конусов вращающегося распределителя, что значительно снижает производительность устройства.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип относится маятниковая центрифуга периодического действия типа ФМБ (фильтрующая маятниковая с нижней выгрузкой осадка через днище ротора), состоящая из перфорированного ротора, закрепленного на валу, крышек кожуха, блокировочного механизма, трех опорных колонн, расположенных в горизонтальной плоскости под углом 120° одна относительно другой. Вращение ротора обеспечивает электродвигатель через шкивы. Вал крепится в подшипниках, установленных в корпусе на днище, а колонны крепятся на опорной плите [Машины и аппараты химических производств: учебник для вузов / А.С. Тимонин, Б.Г. Балдин, В.Я. Борщев, Ю.Г. Гусев и др. / под общей редакцией А.С. Тимонина. - Калуга: Издательство «Ноосфера», 2014, с. 343].
К причинам препятствующим достижению заданного технического результата относится невозможность проводить ультрафильтрацию в центробежном поле что требует многократного рецикла по очищаемой жидкости через осадок, образующийся на боковой стенке перфорированного ротора из уловленных частиц дисперсной фазы, который снижает производительность по очистке жидкости на молекулярном уровне.
Техническим результатом является повышение производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что в маятниковой центрифуге периодического действия, состоящей из закрепленного на валу перфорированного ротора, кожуха с крышкой и днищем, блокировочного механизма, трех опорных колонн с пружинами, закрепленных на опорной плите и расположенных в горизонтальной плоскости под углом 120° одна относительно другой, электродвигателя, обеспечивающего через шкивы вращение ротора, установленных на днище кожуха подшипников, в которых крепится вал, причем под общей крышкой ротора осесимметрично с ротором установлен дополнительный перфорированный ротор большего диаметра, на внутренней боковой стенке которого закреплена полупроницаемая мембрана, а между обоими роторами также осесимметрично на крышке ротора закрелена цилиндрическая перегородка с отверстиями в нижней части для прохода фильтрата, при этом в крышке ротора между цилиндрической перегородкой и дополнительным ротором выполнено отверстие, а над крышкой ротора на боковой стенке кожуха закреплена кольцевая перегородка и установлен патрубок для отвода ретанта.
Установка под общей крышкой ротора осесимметрично с ротором дополнительного перфорированного ротора большего диаметра позволяет использовать его для создания дополнительного избыточного давления на его боковых стенках, большего чем центробежное давление, создаваемое в роторе, а увеличение центробежного давления как движущей силы процесса центробежной ультрафильтрации способствует повышению производительности.
Закрепление на внутренней боковой стенке дополнительного ротора полупроницаемой мембраны позволяет улавливать на ней как при ультрафильтрации растворенные в очищаемой жидкости молекулы растворенных веществ, что повышает производительность маятниковой фильтрующей центрифуги, так как отпадает необходимость улавливать эти молекулы в осадке уловленных дисперсных частиц на боковой поверхности перфорированного ротора при многократном рецикле очищаемой жидкости через этот ротор, либо улавливать эти молекулы дополнительно в ультрафильтрационном аппарате, создавая давление в нем специальным насосом.
Установка на крышке ротора цилиндрической перегородки с отверстиями в нижней ее части позволяет получаемый фильтрат после фильтрации исходной очищаемой жидкости, прошедшей через перфорированный ротор, направлять в нижнюю часть дополнительного ротора с полупроницаемой мембраной и заставлять фильтрат двигаться сверху вниз вдоль полупроницаемой мембраны, через которую проходит пермеат за счет центробежного давления на боковых стенках дополнительного ротора, что способствует повышению производительности при центробежной ультрафильтрации.
Выполнение в крышке ротора между кольцевой перегородкой и дополнительным ротором отверстия позволяет отводить ретант (концентрированный раствор фильтрации) кольцевого зазора между боковыми стенками дополнительного ротора и кольцевой перегородки в верхнюю часть кожуха, без его накапливания в этом кольцевом зазоре, что также способствует росту производительности.
Закрепление кольцевой перегородки на боковой стенке кожуха над крышкой ротора и установка на этой стенке патрубка для отвода ретанта позволяет непрерывно отводить ретант (концентрированный раствор фильтрата) из центрифуги без ее остановки и очистки, что приводит к повышению производительности центрифуги.
На фиг. 1 изображена схема в разрезе общего вида предлагаемой конструкции маятниковой фильтрующей центрифуги периодического действия, на фиг. 2-увеличенный фрагмент конструкции с боковыми стенками перфорированного ротора и перфорированного цилиндра, цилиндрической перегородки и перегородкой на боковой стенке кожуха.
Маятниковая фильтрующая центрифуга периодического действия состоит из перфорированного ротора 1 с крышкой 2 и днищем 3, закрепленным на валу 4, кожуха 5 с крышкой 6 и днищем 7, блокировочного механизма 8, трех опорных колонн 9 с пружинами 10, расположенных в горизонтальной плоскости под углом 120° одна относительно другой, электродвигателя 11, обеспечивающего вращение перфорированного ротора 1 через шкивы 12 и 13, подшипников 14, в которых крепится вал 4 и установленных на днище 7 кожуха 5.
Осесимметрично с перфорированным ротором 1 с его внешней стороны установлен дополнительный ротор 15, на внутренней боковой стенке которого закреплена полупроницаемая мембрана 16. Между перфорированным ротором 1 и дополнительным ротором 15 также осесимметрично с ними на крышке 2 перфорированного ротора 1 установлена цилиндрическая перегородка 17 с отверстиями 18 в нижней части для прохода фильтрата. В крышке 2 ротора 1 выполнено отверстие 19 для отвода ретанта, а над крышкой 2 ротора 1 на боковой стенке кожуха 5 закреплена перегородка 20 и установлен патрубок 21 для отвода ретанта. Для отвода пермеата из кожуха 5 установлен патрубок 22.
Маятниковая фильтрующая центрифуга периодического действия работает следующим образом.
Очищаемую жидкость подают в центральное отверстие крышки 6 внутрь перфорированного ротора 1, который приводят во вращение с угловой скоростью - электродвигателем 11 через шкивы 12 и 13 и вал 4, на котором перфорированный 1 ротор закреплен. Под действием центробежной силы очищаемая жидкость прижимается к боковой стенке перфорированного ротора 1 под действием центробежного давления фильтруется через его отверстия с образованием осадка на внутренней стенке перфорированного ротора 1. Очищенный от частиц дисперсной фазы фильтрат центробежной силой прижимается к кольцевой перегородке 17 и выходит с нее через отверстие 18. Этот фильтрат центробежной силой прижимается к поверхности полупроницаемой мембраны 16 закрепленной на боковой поверхности дополнительного ротора 15. Под действием центробежного давления идет процесс ультрафильтрации на полупроницаемой мембране 16 с образованием, то есть очищенного от молекул растворенных в очищаемой жидкости веществ, пермеата. Этот пермеат выводится из кожуха 5 через патрубок 22, а концентрированный раствор фильтрата, то есть ретант, через отверстие 19 в крышке 2 ротора 1 попадает на поверхность перегородки 20 и по патрубку 21 выводится из центрифуги.
Так как перфорированный роторы 1 и дополнительный ротор 15 маятниковой фильтрующей центрифуги подвешены в трех опорных колоннах 9 на пружинах 10, то их вращение сопровождается вибрацией, разрыхляющей осадок на внутренней поверхности перфорированного ротора 1 и снижающей концентрационную поляризацию в фильтрате при его ультрафильтрации через полупроницаемую мембрану 16.
Для периодической выгрузке осадка, образующегося при фильтровании на боковой стенке перфорированного ротора 1, подачу очищаемой жидкости прекращают, электродвигатель выключают и после остановки вращения ротора 1 и дополнительного ротора 15 проводят вручную выгрузку осадка, как это и было в конструкции маятниковой фильтрующей центрифуге периодического действия, принятой за прототип.
Однако, полупроницаемая мембрана 16 такой очистки не требует, так как весь фильтрат в виде ретанта с внутренней поверхности под действием центробежной силы выходит в отверстие 19 и далее по патрубку 21 из кожуха 5, то есть отпадает необходимость в дополнительных затратах времени.
Таким образом, осесимметричная установка с внешней стороны префорированного ротора 1 и дополнительного ротора 15 с закреплением на его внутренней боковой стенке полупроницаемой мембраны 16, а также установка между перфорированным ротором 1 и дополнительного ротора 15 также осесимметрично им кольцевой перегородки 17 с отверстиями 18 в нижней части для прохода фильтрата, выполнение в крышке ротора 1 между кольцевой перегородкой 17 и дополнительным ротором 15 отверстия 19 для отвода ретанта из кольцевого канала между вращающимися боковыми поверхностями дополнительного ротора 15 с полупроницаемой мембраной 16 и кольцевой перегородкой 17 и закрепление перегородки 20 и патрубка 21 на боковой стенке кожуха 5 над крышкой 2 перфорированного ротора 1 для отвода ретанта из кожуха 5 позволяет удалять из очищаемой жидкости не только частицы дисперсной фазы, но и молекулы растворенных в ней веществ, что расширяет функциональные возможности центрифуги без увеличения затрат времени на остановку и регенерацию рабочих фильтрующих поверхностей маятниковой фильтрующей центрифуги периодического действия, что способствует увеличению ее производительности.