УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ТВЕРДЫХ ОСАДКОВ И ВЗВЕСЕЙ ИЗ ЖИДКИХ СРЕД

Полезная модель относится к устройствам для очистки различных жидкостей (например, расплавов солей, водных растворов, масел) от твердых осадков и взвесей и может быть использовано, в частности, в атомной энергетике при переработке ядерного топлива пирохимическим осадительным способом в расплавленных солях.
Наиболее эффективно очистка жидкостей, содержащих грубодисперсные осадки и тонкие взвеси, осуществляется с помощью осадительных центрифуг.
Известна центрифуга, которая содержит привод, подшипниковый узел, опорную плиту, реактор, шнековый насос, погружаемый в объем суспензии в реакторе, и ротор, закрепленный на валу и расположенный вне реактора, и соединенный с насосом посредством трубопровода с многоходовым краном (Киряков С.И., Шевелин Б.П., Абдульманова В.А. и др. Создание специальных центрифуг и сепараторов. // Труды Свердловского научно-исследовательского института химического машиностроения. - Москва, 1993, - с.52-54). При работе центрифуги суспензия из реактора шнековым насосом по трубопроводу прокачивается через внутреннюю полость вращающегося ротора, где частицы твердой фазы осаждаются, а осветленная жидкость возвращается снова в реактор. По окончании осветления жидкости она выводится шнековым насосом из реактора через многоходовой кран, а осадок из ротора сбрасывается путем быстрого торможения ротора снова в реактор и разувоживается небольшим количеством жидкости. Образовавшаяся пульпа шнековым насосом перегружается через многоходовой кран в другую центрифугу, в которой производятся отжим и термическая сушка осадка с последующей выгрузкой из центрифуги путем среза его ножом.
Недостатками известной центрифуги являются сложность ее конструкции, длительность процесса очистки жидкостей с применением этого оборудования и отсутствие возможности производить очистку жидкостей, не допускающих транспортировку их по трубопроводам (например, расплавов солей), без установки дополнительных устройств.
Указанные недостатки обусловлены необходимостью проведения длительных операций, таких как отвод жидкости из реактора, перегрузка продукта в другую центрифугу для освобождения от захваченной жидкости, что снижает производительность и создает значительные сложности в условиях дистанционного управления процессом.
Сложность конструкции оборудования обусловлена наличием большого количества исполнительных органов, таких как шнековый насос, ротор, расположенный вне реактора, передающие суспензию трубопроводы с многоходовым краном. Дополнительные сложности возникают при извлечении осадков и взвесей из расплавленных солей в условиях дистанционного обслуживания, например при переработке облученного ядерного топлива пирохимическим осадительным методом в защитных камерах. В этом случае требуются дополнительные устройства для обеспечения нагрева ротора, расположенного вне реактора, и передающих расплав трубопроводов до температуры плавления солей (до 1000°C) для исключения замораживания солевого расплава.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для извлечения твердых осадков и взвесей, состоящее из привода, подшипникового узла, опорной плиты, вала, ротора, закрепленного консольно на валу, и неподвижного цилиндра, закрепленного на опорной плите (патент РФ №2236307 МПК B04B 1/00, 11/04, 15/12, G21C 19/42, 2004 г.) Это устройство принято за прототип.
Ротор прототипа имеет форму цилиндра с заглушенным верхним торцом и сужением в нижней части в виде усеченного конуса с центральным отверстием. В стенке ротора выполнены отверстия, расположенные в верхней цилиндрической части или на верхнем торце на расстоянии от оси вращения большем, чем радиус центрального отверстия.
Неподвижный цилиндр установлен коаксиально с ротором, образуя с ним зазор. Нижняя часть цилиндра выполнена в виде усеченного конуса, на боковой цилиндрической поверхности цилиндра выполнены отверстия для перетока жидкости.
При работе ротор и нижний конец неподвижного цилиндра погружают через отверстие в крышке реактора в жидкость, содержащую осадки и взвеси. Устройство фиксируют на крышке реактора с помощью опорной плиты. При этом располагают ротор в непосредственной близости от осадков на расстоянии не более 10-15 мм. При вращении ротора жидкость, находящаяся внутри него, под действием центробежных сил непрерывно выбрасывается через окна ротора в зазор между стенками ротора и неподвижного цилиндра. Внутри ротора образуется разрежение, благодаря которому в ротор через нижнее отверстие также непрерывно всасывается жидкость из нижней части реактора, захватывая с собой донные осадки и взвеси. Таким образом осуществляется непрерывная циркуляция жидкости через полость ротора в направлении снизу вверх. Под действием центробежных сил внутри ротора осуществляется расслоение твердой и жидкой фаз и осаждение твердой фазы на стенках ротора. Осветленная жидкость, выбрасываемая из ротора, разделяется далее на два потока, один из которых устремляется вниз по зазору между стенками ротора и неподвижного цилиндра, а второй проходит через окна неподвижного цилиндра и также устремляется вниз через полость реактора. Оба нисходящих потока жидкости объединяются в нижней части реактора, взмучивают донный осадок, и вновь всасываются в ротор. При этом исключается появление застойных зон в реакторе и обеспечивается циркуляция всего объема жидкости через ротор.
Недостатком рассматриваемого устройства-прототипа является то, что поток жидкости через полость ротора, где происходит разделение жидкой и твердой фаз, и суммарный поток жидкости вне ротора, протекающий по зазору между стенками ротора и неподвижного цилиндра и через полость реактора, обеспечивающий перемешивание жидкости со взмучиванием осадка, одинаковы по величине. При этом для каждого конкретного случая, определяемого свойствами жидкости и конструктивными параметрами устройства, осуществление процесса разделения фаз возможно только до определенного значения величины потока жидкости через ротор, а осуществление эффективного перемешивания, при котором происходит взмучивание осадка, наоборот, начинается только при какой-то минимально необходимой для этого интенсивности потока жидкости. То есть для одного процесса, разделения твердой и жидкой фаз, существует ограничение величины циркуляционного потока жидкости по максимуму, а для другого процесса, перемешивания со взмучиванием осадка - по минимуму.
На практике не всегда удается соотнести конструктивные параметры ротора и реактора таким образом, чтобы перекрывались области осуществления обоих процессов (разделения фаз и взмучивания осадка) по величине циркуляционного потока. Относительно интенсивный поток может хорошо взмучивать осадок, но взвешенные вещества при этом не будут успевать оседать в роторе или будет происходить их вторичный унос с внутренней стенки ротора, а при относительно небольшом потоке, наоборот, будет происходить качественное осветление жидкости в роторе от взвешенных частиц, но при этом интенсивность потока будет недостаточна для взмучивания осадка.
Например, такой случай возможен, когда очистку жидкости от взвесей и донных осадков необходимо осуществлять в реакторе достаточно большого диаметра с необходимостью применения по каким-либо ограничениям относительно небольшого ротора, не способного обеспечить интенсивность циркуляционного потока, достаточную для взмучивания донного осадка. Так, создаваемое нами устройство для извлечения диоксидов тяжелых металлов из расплава солей должно создавать для взмучивания донного осадка с учетом конструктивных параметров реактора и свойств расплава циркуляционный поток величиной около 5000 л/ч. Для эффективной же центробежной очистки расплава от взвесей расчетная величина потока через ротор, параметры которого были выбраны с учетом конструктивных и технологических ограничений, составляет всего 64 л/ч.
Этого противоречия лишена заявляемая полезная модель.
Заявляемое устройство для извлечения твердых осадков и взвесей из жидких сред, как и прототип, содержит привод, подшипниковый узел, опорную плиту, закрепленный на валу ротор в форме полого цилиндра с сужением в виде усеченного конуса с центральным отверстием в нижней части и окнами в верхнем торце, выполненными на расстоянии от оси вращения большем, чем радиус нижнего центрального отверстия, и. установленный снаружи ротора коаксиально с ним неподвижный цилиндр, закрепленный на опорной плите, на боковой поверхности которого выполнены отверстия.
Отличается заявляемое устройство от прототипа тем, что на наружной боковой поверхности ротора выполнена винтовая спираль, направление навивки которой совпадает с направлением вращения ротора. За счет этого создается дополнительный циркуляционный поток жидкости снаружи ротора, способствующий взмучиванию донного осадка и не снижающий эффективность центробежной очистки жидкости от взвесей в роторе, а также относительно небольшой по величине поток через полость ротора, оптимальный для осаждения на стенку ротора взвешенных в жидкости частиц. Кроме того, для улучшения всасывания жидкости ротором и спиралью в нижнем центральном отверстии неподвижного цилиндра возможна установка одного или нескольких радиальных ребер.
На прилагаемом к заявке чертеже схематично изображено заявляемое устройство для извлечения твердых осадков и взвесей из жидких сред, а также показаны реактор с крышкой и направление потоков жидкости во время работы.
Устройство состоит из привода 1, подшипникового узла 2, опорной плиты 3, вала 4, ротора 5, закрепленного консольно на валу 4, и неподвижного цилиндра 6, закрепленного на опорной плите 3.
Ротор 5 имеет форму цилиндра с заглушенным верхним торцом и сужением в нижней части в виде усеченного конуса 7 с центральным отверстием 8. На верхнем торце ротора 5 выполнены окна 9, расположенные на расстоянии от оси вращения большем, чем радиус центрального отверстия 8. Па наружной боковой поверхности ротора 5 выполнена винтовая спираль 10, направление навивки которой совпадает с направлением вращения ротора 5.
Неподвижный цилиндр установлен коаксиалыю с ротором 5, образуя с ним зазор 11. На боковой цилиндрической поверхности цилиндра 6 выполнены отверстия 12 для перетока жидкости. В нижнем центральном отверстии неподвижного цилиндра 6 возможна установка одного или нескольких радиальных ребер 13.
При работе ротор 5 и нижний конец неподвижного цилиндра 6 погружают через отверстие в крышке реактора в жидкость, содержащую осадки и взвеси. Устройство фиксируют на крышке реактора с помощью опорной плиты 3. При этом располагают ротор 5 в непосредственной близости от осадков на расстоянии не более 10-15 мм.
Работа устройства по заявляемому техническому решению в части процессов, происходящих внутри ротора 5, аналогична работе устройства-прототипа.
При вращении ротора 5 жидкость, находящаяся внутри него, под действием центробежных сил непрерывно выбрасывается через окна 9 ротора 5 в зазор 11 между стенками ротора 5 и неподвижного цилиндра 6. Внутри ротора 5 образуется разрежение, благодаря которому в ротор 5 через нижнее отверстие 8 также непрерывно всасывается жидкость из нижней части реактора, захватывая с собой донные осадки и взвеси. Таким образом осуществляется непрерывная циркуляция жидкости через полость ротора 5 в направлении снизу вверх. Под действием центробежных сил внутри ротора 5 осуществляется расслоение твердой и жидкой фаз и осаждение твердой фазы на стенках ротора 5.
Одновременно жидкость из нижней части реактора всасывается винтовой спиралью 10, поднимается по зазору 11 до отверстий 12 и объединяется здесь с потоком жидкости, циркулирующим через ротор 5. Объединенный поток переливается через отверстия 12 в объем реактора, опускается вниз, взмучивая со дна осадок, затем одна часть объединенного потока вновь поступает через отверстие 8 в ротор 5, другая - в зазор 11. Соотношение этих частей объединенного потока определяется параметрами устройства - геометрическими размерами и частотой вращения ротора.
Итак, техническим преимуществом заявляемой полезной модели является то, что одновременно обеспечивается и интенсивный поток в полости реактора, необходимый для взмучивания осадка со дна реактора, и относительно небольшой по величине поток через полость ротора 5, оптимальный для осаждения на стенку ротора 5 взвешенных в жидкости частиц.