УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ ИЗ СУСПЕНЗИЙ

Изобретение относится к процессам разделения суспензий с различным содержанием твердой фазы, как с целью получения порошковых материалов (осадков), так и для очистки жидкостей, и может быть использовано, в частности, в процессе переработки ядерного топлива пирохимическим способом.
Известно устройство: отстойная центрифуга (Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Издательство «Химия», М., 1971 г. с.222). В простейшем виде она представляет собой вертикальный или горизонтальный цилиндрический ротор, который крепится на валу с приводом от электродвигателя. Ротор помещается в соосный цилиндрический кожух со съемной крышкой. Суспензия для разделения подается в ротор центрифуги через трубопровод. Под действием центробежных сил суспензия разделяется на осадок и жидкость, называемую фугатом. Осадок остается в роторе и периодически (скребком, поршнем) или непрерывно (шнеком, инерционной или вибрационной выгрузкой) удаляется из него. Жидкость удаляется в процессе работы из ротора непрерывно. Таким образом, действие силы тяжести заменяют действием центробежной силы. Приведенная конструкция центрифуги предназначена для разделения суспензии из ее потока. Для коррозионных сред и высокотемпературных процессов, в которых существует необходимость извлечения твердых частиц из суспензии, находящейся в емкости (тигле) со специфической газовой атмосферой, данное устройство не применимо.
Известно устройство (Патент РФ №2083878, БИ №19 от 10.07.97 г., Кл. F 04 D 1/14, В 04 В 1/08) «Вертикальный динамический насос» для подачи рабочих и смазочно-охлаждающих жидкостей при одновременной их очистке.
Сущность изобретения в следующем: Устройство содержит установленный на валу полый ротор в виде усеченного конуса, обращенного меньшим основанием вниз. Насос снабжен неподвижным кожухом, расположенным эквидистантно снаружи ротора с образованием кольцевой полости между ними, неподвижным сепарирующим узлом, монтированным снаружи кожуха, вращающимся сепарирующим узлом, связанным с ротором и установленным в его внутренней полости и отводом. Кожух снабжен основным и дополнительным напорными патрубками. Меньшее основание кожуха выполнено открытым, а верхнее - глухим. Дополнительный напорный патрубок служит для сообщения внутренней полости ротора с входом неподвижного сепарирующего узла, а выход последнего по очищенной жидкости сообщен с входом ротора. Неподвижный сепарирующий узел выполнен в виде двух коаксиальных обечаек, в зазоре между которыми размещена спиральная направляющая. Вращающийся сепарирующий узел выполнен в виде пакета конических тарелок, закрепленных на перфорированной трубке, установленной со стороны большего основания ротора по его оси. Большие основания тарелок обращены вниз и расположены ниже верхнего дополнительного ряда выходных отверстий, а полость трубки сообщена с выходными отверстиями ротора посредством отвода.
Многоступенчатая сепарация частиц механических примесей позволяет повысить эффективность очистки жидкости. Однако, при этом конструкция устройства достаточно сложная, как по форме, так и по количеству составляющих устройство деталей. Выполнить ее из коррозионно-стойких материалов, например, коррозионно-стойкого графитового материала, невозможно. Таким образом, данное устройство также не применимо для коррозионных сред и высокотемпературных процессов.
Близким по конструкции к предлагаемому устройству является устройство по заявке 2002121786/12(022651) «Способ и устройство для извлечения твердых осадков и взвесей из жидких сред» (БИ №11 2004 г. стр.108). Оно содержит привод, подшипниковый узел, полый ротор, соединенный с валом, неподвижный цилиндр, закрепленный на опорном фланце крышки аппарата. Ротор и цилиндр имеют в нижней части сужение в виде усеченного конуса. В верхней цилиндрической части они имеют в своих стенках отверстия для перетока жидкости. По оси ротора в нижней его части есть отверстие для входа жидкости с твердой фазой (суспензии), которое располагают в непосредственной близости от осадка на дне тигля аппарата. Внутри ротора могут быть установлены радиальные перегородки и, ниже отверстий, кольцевая перегородка. Назначение этих перегородок улучшить осаждение твердой фазы. При работе устройства ротор погружен в жидкость. Причем уровень жидкости, если твердая фаза находится в виде осадка на дне аппарата, или суспензии, если частицы твердой фазы распределены в жидкости, должен быть выше боковых отверстий. При вращении ротора его форма: усеченный конус-цилиндр, позволяет создать циркуляцию жидкости (насосный эффект). Циркуляция направлена снизу вверх: от осевого отверстия в усеченном конусе до боковых отверстий вверху цилиндрической части. Вместе с потоком жидкости твердые частицы перемещают во внутреннюю полость ротора, в котором под действием центробежных сил осуществляют их осаждение на внутренней стенке ротора. Для более эффективного отжима осажденного слоя от захваченной жидкости, внутренняя стенка ротора может быть выполнена в виде расширяющегося к верху конуса с углом до 10°. Для извлечения твердой фазы ротор во вращающимся состоянии поднимают из жидкости и перемещают в контейнер. Контейнер для последующего транспортирования или хранения осадка может содержать легколетучую жидкость для отмывки осадки от захваченной из аппарата жидкости.
3
Для того чтобы поднять со дна крупные твердые частицы с размером более 80-100 мкм и с разностью плотности между ними и жидкостью составляющей более 5-7 г/см, требуется значительные циркуляционные скорости жидкости. Значение вертикальной составляющей линейной скорости движения жидкости должно превышать скорость осаждения частиц в этой жидкости. Увеличение скорости вращения ротора или увеличение его диаметра с целью увеличения скорости циркуляции жидкости в пирохимической технологии переработке ядерного топлива технически представляет трудность. Это связано с тем, что диаметр аппарата, в котором используется данное устройство, ограничен в размере по требованиям ядерной безопасности, а также со свойствами жидкой среды, которая представляет собой расплав солей (хлоридов щелочных металлов).
В то же время для сбора мелкодисперсных твердых частиц с размерами менее 5-10 мкм гладкая цилиндрическая внутренняя стенка ротора малоэффективна. Частицы, которые требуется осадить на внутренней стенке ротора, уносятся циркуляционным потоком жидкости через боковые отверстия в верхней части. Снижение скорости вращения ротора с целью снижения скорости циркуляции жидкости (для уменьшения уноса) одновременно приводит к значительному снижению центробежной силы и, соответственно, разделительной способности устройства. Величина центробежной силы пропорционально квадрату угловой скорости вращения ротора (Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Издательство «Химия», М., 1971 г. с.224). Горизонтальная кольцевая перегородка несколько ниже боковых отверстий повышает задерживающую способность ротора. Однако, для мелкодисперсных частиц с малой разностью плотностей по отношению к жидкости, этой конструктивной особенности устройства не достаточно.
Целью изобретения является повышение эффективности (степени) извлечения из суспензии как крупнодисперсных частиц твердой фазы с относительно большой разностью плотностей по отношению к жидкости, так и мелкодисперсных частиц с малой разностью плотностей.
Поставленная цель может быть достигнута следующим образом. Для сбора крупнодисперсных относительно тяжелых частиц твердой фазы со дна тигля аппарата необходимо увеличить скорость циркуляции суспензии через устройство, а для мелкодисперсных частиц повысить их удерживающую способность в устройстве.
Это реализовано в устройстве для извлечения твердой фазы из суспензий. Устройство содержит ротор, имеющий сужение в нижней его части с осевыми отверстиями для входа суспензии и отверстия в цилиндрической части для перетока жидкости, привод вращения ротора, подшипниковый узел, причем ротор выполнен составным, по крайней мере, из двух обечаек, расположенных коаксиально относительно друг друга и установленных с возможностью независимого их вращения, а отверстия в цилиндрической части обечайки меньшего диаметра расположены тангенциально. Направление вращения обечайки меньшего диаметра выбирают таким, чтобы при обтекании тангенциальных отверстий жидкостью появился эффект эжекции жидкости из внутренней полости этой обечайки. Это позволяет дополнительно увеличить скорость циркуляции суспензии. Направление вращения обечаек может быть как согласованным, то есть в одну сторону, так в противоположные стороны. Причем вращение в противоположные стороны также увеличивает скорость циркуляции суспензии. Увеличение скорости циркуляции суспензии позволяет производить извлечение из нее крупнодисперсных частиц твердой фазы с относительно большой разностью плотностей по отношению к жидкости.
Для увеличения удерживающей способности мелкодисперсных частиц внутренняя поверхность обечайки меньшего диаметра выполнена в виде повторяющихся кольцевых впадин и выступов различной формы и размера (например, впадины и выступы в продольном сечении в виде треугольников). Кроме того, форма внутренней поверхности этой обечайки может иметь вид эллипсоида или может быть составной из двух частей эллиптического параболоида. Такая форма поверхности позволяет улучшить условия осаждения частиц.
Для сбора мелкодисперсных частиц твердой фазы угловая скорость вращения наружной обечайки ниже по отношению к скорости вращения внутренней обечайки. Для этого случая также на внешней обечайке может отсутствовать сужение, то есть она приобретает форму гладкого цилиндра.
Новые существенные признаки заявляемого изобретения в научной и технической литературе не обнаружены, предложенные решения не следуют явным образом из уровня техники, а совокупность признаков обеспечивает новые свойства, что позволяет сделать вывод, что заявляемое решение соответствует критерию изобретательский уровень.
На фиг.1 схематично представлено устройство для извлечения твердой фазы из суспензий, установленное на аппарате с крышкой и направление потоков жидкости во время работы устройства.
На фиг.2 представлено продольное сечение обечайки меньшего диаметра с цилиндрической внутренней поверхностью. Диаметр осевого отверстия для входа суспензии обозначен как dl.
На фиг.3 представлено поперечное сечение обечайки меньшего диаметра с тангенциальными выходными для жидкости отверстиями и направлением ее вращения относительно оси. Эти отверстия распложены на утолщении стенки с внутренним диаметром d2.
На фиг.4 представлено продольное сечение обечайки меньшего диаметра с внутренней поверхностью в виде периодических кольцевых выступов в форме треугольников.
На фиг.5 представлено продольное сечение обечайки меньшего диаметра с внутренней поверхностью в виде части эллипсоида.
Устройство состоит из привода 1 с редукторами 2, подшипникового узла 3, опорного фланца 4, вала 5, составного ротора, состоящего из двух обечаек: меньшего диаметра 6 и внешней - 7, соединенных с приводом (1) раздельно. Верхняя часть обечайки меньшего диаметра (6) выполнена с отверстиями 8 для протока жидкости, расположенными тангенциально. Эти отверстия расположены на диаметре d2 (см. фиг.3), который для обеспечения насосного эффекта должен быть больше d1 (см. фиг.2). То есть d2>d1. На нижней части обеих обечаек ротора имеется сужение (до диаметра d1 на обечайке меньшего диаметра), которое может быть выполнено, например, в виде усеченных конусов 9. Для сбора мелкодисперсных частиц конусная часть (сужение) на внешней обечайке может отсутствовать. Этот вариант показан пунктирной линией. То есть внешняя обечайка в этом случае представляет собой гладкий цилиндр, нижняя кромка 10 которого находится на уровне перехода цилиндр-конус внутренней обечайки, или частично закрывает ее конус. Между обечайками (6, 7) создан кольцевой зазор 11. Боковая стенка внешней обечайки ротора также выполнена с отверстиями 12, которые могут быть расположены как тангенциально, так и перпендикулярно к оси при незначительной толщине стенки. Устройство установлено на крышке 13 аппарата с тиглем 14.
Последовательность работы с устройством следующая. Устройство в сборе устанавливают на крышке аппарата на опорный фланец 4. Подвижные обечайки 6 и 7 ротора погружены в жидкость (расплав) так, что верхние отверстия в них находятся под уровнем жидкости. Вращение на составной ротор передают от электродвигателей 1 через редукторы 2. Вращение наружной обечайки и обечайки меньшего диаметра раздельное. Это позволяет устанавливать угловую скорость их вращения независимо. Направление вращения обечайки меньшего диаметра должно быть такое, чтобы вектор направления движения жидкости, обтекающей эту обечайку, образовывал острые углы с осями отверстий для перетока жидкости. Это обеспечит эффект эжекции жидкости и, соответственно, увеличение скорости ее циркуляции.
После проведения операции сбора твердой фазы, устройство поднимают, не останавливая вращения ротора, и перемещают таким образом, чтобы ротор был помещен в контейнер с целью выгрузки осадка.
3
3
3
Устройство предварительно испытано на водной суспензии с различной плотностью твердых частиц, значение которой выбрали из диапазона 1,05-11 г/см. Значения размеров частиц суспензий были заданы в диапазоне от 1-3 мкм до 1 мм. Таким образом, разность плотности жидкой среды и твердой фазы составила 0,1-10 г/см. Критерием отбора твердой фазы из суспензии являлась эффективность отбора. Под достаточной эффективностью отбора понимали извлечение: не менее 95% по массе для мелкодисперсных частиц с низкой плотностью и около 100% для частиц с плотностью более 1,2 г/см и размером более 20 мкм. Были найдены диапазоны угловой скорости вращения ротора. Для обечайки меньшего диаметра в диапазоне 400-1000 об/мин, а для внешней - в диапазоне 100-400 об/мин.
В дальнейшем найденные технологические параметры были применены для отбора различных твердых частиц из реальных солевых расплавов хлоридов щелочных металлов в процессе переработки ядерного топлива по пирохимической технологии. Предлагаемое устройство показало при этом высокую эффективность.