СМЕСИТЕЛЬНО-ОТСТОЙНЫЙ ЭКСТРАКТОР

Полезная модель относится к устройствам для осуществления процесса противоточной жидкостно-жидкостной экстракции, в частности к конструкциям смесительно-отстойных экстракторов, и может быть использовано в химической, нефтехимической, металлургической и других отраслях промышленности.
Экстракторы по принципу организации процесса бывают непрерывного и периодического действия. В зависимости от способа контакта фаз экстракторы можно разделить на три группы: ступенчатые, или секционные, дифференциально-контактные и смесительно-отстойные.
К старейшим экстракционным аппаратам относятся горизонтальные смесители-отстойники. Они состоят из ряда ступеней, причем каждая включает смесительную и отстойную камеры.
Для непрерывно действующих горизонтальных смесителей-отстойников с механическим перемешиванием характерны следующие достоинства:
- высокая эффективность ступеней, которая может приближаться к эффективности равновесной ступени;
- гибкость конструкции, позволяющей в случае необходимости легко изменять число
ступеней аппарата;
- пригодность для работы в широких пределах изменения физических свойств и объемного соотношения фаз.
Известен смесительно-отстойный экстрактор, каждая ступень которого состоит из корпуса 1, смесительной камеры 2 со смесительно-транспортирующим устройством 3, отстойной камеры 4 с гидрозатвором 5, каналов 6 и 7 ввода жидкостей и каналов 8 и 9 вывода. В отстойной камере в зонах отделившихся фаз размещены по всей длине и ширине отстойной камеры вставки, выполненные в виде параллельных свободно расположенных нитей. В зоне легкой фазы нити 10 закреплены своими верхними концами в верхней стенке корпуса. Нити выполнены из материала, плотность которого больше плотности легкой жидкости. Нити 11, расположенные в зоне тяжелой фазы, выполнены из материала, плотность которого меньше плотности жидкости тяжелой фазы.
Экстрактор работает следующим образом. Легкая и тяжелая жидкие фазы поступают по каналам 6 и 7 в смесительную камеру 2, где перемешиваются и передаются в отстойную камеру. В отстойной камере поступившая эмульсия располагается в средней зоне и расслаивается на фазы. Легкая фаза всплывает и размещается вверху, двигаясь к выходному патрубку 8. Тяжелая фаза оседает вниз, двигается к гидрозатвору 5 и далее к выходному патрубку 9. При движении отделившихся фаз через насадки из нитей мелкие капли другой фазы наталкиваются на нити, оседают на них, сливаются с уже осевшими ранее, затем укрупнившись, стекают вниз (тяжелой фазы) или всплывают вверх (легкой фазы) и соединяются с основной массой своей фазы.
Поскольку нити насадки закреплены лишь одним концом, то под воздействием потока движущейся жидкости они хаотически колеблются. Колебание нитей способствует облегчению стекания осевших на них капель. Нитевидная насадка способствует практически полному извлечению из разделившихся фаз эмульсии мелких капель, которые при отсутствии насадки уносятся потоком фазы, загрязняя тем самым готовый продукт (А.С. №1628309 опубл. 28.02.1994 г.).
К недостаткам экстрактора можно отнести низкую производительность процесса экстракции, т.к. такой способ коалесценции капель требует значительного времени, т.к. скорости потоков недостаточны. Кроме того, в конструкции экстрактора не предусмотрены устройства для снижения объема застойных зон расслаивающейся эмульсии в камере отстаивания (расслаивания).
Известен смесительно-отстойный экстрактор для смешивания водного раствора с раствором органического экстрагента, избирательно переводящим ионы меди в органическую фазу, и последующего разделения образующейся жидкостной смеси, состоящей из обедненного медью водного раствора и насыщенного медью эмульгированной фазы органического экстрагента, содержащий смесительную и отстойную камеры, причем смесительная камера содержит переливную перегородку, а отстойная камера снабжена электродами - катодом и анодом, выполненными в виде перфорированной поверхности соответственно из нержавеющей стали и титана с покрытием из смеси оксидов рутения и титана, располагаемыми горизонтально на дне камеры (ПМ 132074, опубл. 10.09.2013 г.).
Работает установка следующим образом. Водный раствор, содержащий ионы меди, и раствор органического экстрагента поступают одновременно в смесительную камеру экстрактора через соответствующие патрубки. Под действием импеллера обеспечивается смешение водного раствора с раствором органическим экстрагентом, переводящим избирательно ионы меди в органическую фазу, и образование жидкостной смеси, состоящей из обедненного медью водного раствора и насыщенного медью эмульгированной фазы органического экстрагента. Жидкостная смесь переливается через перегородку в отстойную камеру, в которой происходит процесс отстаивания (разделение обедненного медью водного раствора и насыщенного медью эмульгированной фазы органического экстрагента за счет разницы их удельного веса).
К недостаткам экстрактора следует отнести то, что ускорение разделения легкой и тяжелой фазы происходит за счет электролиза, а это повышает взрывоопасность производства из-за образования таких газов как водород и кислород, а также требует дополнительных затрат электроэнергии на осуществление процесса электролиза, а также затрат на чистку электродов.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является смесительно-отстойный экстрактор, корпус которого содержит внешнюю или внутреннюю смесительную камеру с перемешивающим устройством, отстойную камеру, имеющую основание, боковые стенки, переднюю и заднюю торцовые крышки, и переточный канал, соединяющий смесительную камеру с отстойной, которая снабжена переливным порогом для вывода легкой фазы, гидрозатвором для вывода тяжелой фазы и транспортирующим устройством, установленным по длине отстойной камеры, причем транспортирующее устройство выполнено в виде набора расположенных соосно идентичных элементов, которые установлены один внутри другого так, что наружный элемент охватывает все остальные элементы, а стенки элементов отстоят друг от друга на одинаковом расстоянии, отстойная камера дополнительно снабжена основной поперечной перегородкой с отверстием, которая размещена рядом с задней торцовой стенкой, при этом верхняя кромка перегородки расположена ниже уровня верхней кромки переливного порога, а транспортирующее устройство плотно установлено в отверстии основной поперечной перегородки. Целесообразно также, чтобы отстойная камеры была снабжена дополнительными поперечными перегородками.
Наличие дополнительных поперечных перегородок позволяет создать ступенчато меняющийся по высоте слой эмульсии в отстойной камере. Наличие участков эмульсионного слоя с большей высотой, удельная нагрузка в которых выше, способствует интенсификации процесса расслаивания эмульсии в основном объеме отстойной камеры.
Выполнение транспортирующего устройства в виде набора расположенных соосно идентичных элементов, которые установлены один внутри другого так, что наружный элемент охватывает все остальные элементы, обеспечивает разделение исходного объема эмульсии на ряд замкнутых тонких слоев и способствует ламинаризации разделенных потоков эмульсии. Это активизирует процессы коалесценции и расслаивания и способствует в итоге повышению удельной объемной производительности экстрактора.
Смесительно-отстойный экстрактор работает следующим образом. Легкая фаза через патрубок 15 и тяжелая фаза через патрубок 14 подаются в предкамеру 3, из которой они поступают в смесительную камеру 1. Эмульсия, сформированная перемешивающим устройством 2, из смесительной камеры 1 поступает в переточной канал 16, из которого через входные отверстия 23 элементов 21 и 22 подается в каналы 25 и 26 транспортирующего устройства 17 и движется по направлению к выходным отверстиям 24 элементов 21 и 22. Деление потока эмульсии на тонкие слои и общая ламинаризация потока способствует интенсивному предварительному расслоению и укрупнению эмульсии. В транспортирующем устройстве 17 расслоившаяся легкая фаза поднимается кверху и движется в верхней части каналов 25 и 26, а тяжелая фаза стекает вниз и движется в нижней части этих каналов. Раз-деленные легкая и тяжелая фазы из каналов 25 и 26 через выходные отверстия 24 поступают в зону эмульсии 37, ограниченную задней торцовой стенкой 8, боковыми стенками 6 и основной поперечной перегородкой 27 отстойной камеры 4, движутся в верхнем и нижнем направлении, образуя соответственно восходящие и нисходящие суммарные потоки разделенных фаз, которые не пересекаются между собой. Суммарный поток легкой фазы поступает в слой, находящийся выше верхней кромки 28 основной поперечной перегородки 27 и выводится в основной объем легкой фазы отстойной камеры 4. Суммарный поток тяжелой фазы поступает в слой, находящийся ниже нижней кромки 29 основной поперечной пере-городки 27 и далее через зазор 30 в основной объем тяжелой фазы отстойной камеры 4. Укрупненная эмульсия из зоны 37, переливаясь через верхнюю 28 и нижнюю 29 кромки основной поперечной перегородки 27, поступает в основной объем отстойной камеры 4, где распределяется относительно границы раздела фаз (ГРФ) отстойной камеры в виде эмульсионного слоя. В этом слое происходит окончательное расслаивание эмульсии. При наличии дополнительных поперечных перегородок 36 эмульсия из зоны 37, переливаясь через верхние и нижние кромки основной 27 и дополнительных 36 поперечных перегородок, последовательно поступает в эмульсионные слои, ограниченные соседними перегородками и боковыми стенками 6 отстойной камеры 4 и движутся по направлению к передней торце-вой стенке 7 отстойной камеры 4. Тяжелая фаза выводится из отстойной камеры 4 через гидрозатвор 12 и патрубок 13, а легкая фаза через переливной порог 9 и патрубок 11. (Патент РФ №2038111, опубликован 27.06.1995 г.).
Несмотря на то, что прототип обладает рядом преимуществ, по сравнению с вышеописанными аналогами, интенсифицирует процесс отстаивания эмульсии и интенсивность работы коалесцирующих насадок, он не лишен некоторых недостатков. К ним можно отнести конструктивную сложность экстрактора, большие габаритные размеры и необходимость создания свободного места для его обслуживания, что не всегда можно обеспечить. Кроме того, в прямоугольной камере отстаивания не исключена возможность образования застойных зон эмульсии, приводящей к снижению производительности экстрактора.
Техническая задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании такой конструкции экстрактора, чтобы в нем были устранены недостатки прототипа, в части его габаритов, улучшение условий его эксплуатации при одновременной интенсификации процессов расслаивания эмульсий.
Технический результат достигается за счет того, что в известный смесительно-отстойный экстрактор, содержащий корпус, имеющий основание, переднюю и заднюю торцовые крышки, включающий смесительную камеру с перемешивающим устройством, предварительную камеру, соединенную с патрубками ввода легкой и тяжелой фазы, камеру отстаивания, которая снабжена переливным порогом соединяющим ее со смесительной камерой, дополнительные поперечные перегородки камеры отстаивания, верхняя кромка которых расположена ниже уровня верхней кромки переливного порога, нижняя кромка дополнительных поперечных перегородок образует зазор с основанием камеры отстаивания; в камере отстаивания также размещены коалесцирующие насадки, причем корпус снабжен патрубками ввода и вывода легкой и тяжелой фаз и рабочими патрубками, внесены изменения, а именно, экстрактор дополнительно содержит:
- устройство регулирования рециркуляции;
- дополнительную камеру смешения, расположенную по центру камеры отстаивания ниже дополнительных перегородок, соединяющую предварительную камеру с транспортирующим устройством, размещенным в камере смешения;
- патрубки ввода и вывода легкой и тяжелой фазы расположены на передней торцевой крышке корпуса;
- верхняя часть корпуса выполнена прямоугольной, а днище цилиндрическим, причем верхние крышки корпуса выполнена разъемной.
Кроме того:
- в качестве перемешивающего устройства использована турбинная мешалка полуоткрытого типа, установленная на вертикальном валу транспортирующего устройства, снабженного приводом с редуктором, размещенным на верхней крышке корпуса;
- дополнительная камера смешения выполнена разъемной из нескольких трубчатых элементов, причем центральный элемент гермитично вставлен в первый и последний элементы;
- в каждой отдельной секции камеры отстаивания могут быть размещены коалесцирующие насадки, например, тонкослойных пластин.
о
в
о
в
Регулируемое устройство рециркуляции эмульсии, причем рециркуляция может осуществляться по водной и органической фазы. По водной, когда соотношение органической и водной фазы в пользу органической, до доведения соотношения V:V=1:1, обеспечивающее создание в ней устойчивой «прямой эмульсии». Рециркуляция по органической фазе необходима при соотношении органической и водной фаз в пользу водной, при этом надо в камере смешения организовать соотношение фаз V:V=1:2, обеспечивающее создание концентрированной «прямой эмульсии».
Для контроля процесса отстаивания фаз необходимо поддерживать границу раздела фаз на определенном (заданном) уровне, который контролируется указателем уровня.
Введение дополнительной трубчатой камеры смешения, соединяющую предварительную камеру ввода водной и органической фазы с основной камерой смешения позволяет увеличить скорость исходных потоков и интенсифицировать процесс смешения за счет достижения турбулентности потоков.
Размещение патрубков ввода и вывода органической и водной фаз, а также некоторых рабочих патрубков на передней торцевой крышке, выполненной разъемный с корпусом камеры отстаивания, обеспечивает обслуживание экстрактора с одной стороны и позволяет сократить рабочие площади, а размещение их по высоте обеспечивает простоту противоточной внешней обвязки и подвода коммуникаций.
Корпус смесительно-отстойного экстрактора - комбинированный, ящичный, со съемной крышкой и с полуцилиндрическим днищем. Такой корпус экстрактора прост в изготовлении, имеет меньшую материалоемкость, исключает застойные зоны органической и водной фаз в камере отстаивания, упрощает процесс очистки экстрактора от твердых осадков, которые могут образовываться при осуществлении процесса жидкостной экстракции.
Выбор конструкции транспортирующего и перемешивающего устройства позволяет оптимизировать процесс образования эмульсии и в зависимости от требуемой производительности и соотношения органической и водной фаз регулировать скорость мешалки.
Для увеличения площади расслаивания эмульсии в камере отстаивания или увеличения времени контакта фаз в каждой секции камеры расслаивания размещены коалесцирующей насадки, например, тонкослойные пластины, что позволяет уменьшить габариты экстрактора в 5-10 раз.
Для лучшего понимания технической сущности полезной модели, ниже приведены следующие иллюстрации (фигуры 1-3).
На фиг. 1 показан внешний вид экстрактора, на фиг. 2 приведен эскиз экстрактора (виды спереди, слева и сверху), а на фиг. 3 вид A-A.
На фиг. 1 показаны: верхняя разъемная крышка 2 корпуса 1, крепление 3 электропривода 4 с редуктором 5 транспортирующего устройства (внутри корпуса).
На фиг. 2 приведен ящично-полуцилиндрический корпус 1 экстрактора, камера 6 смешения, расположенная у задней торцевой крышки 7, камера 8 отстаивания (расслаивания) эмульсии, устройство рециркуляции 9, размещенное у передней торцевой крышки 10, дополнительная трубчатая камера 11 смешения, соединенная с предварительной камерой 12 и транспортирующим устройством 13, включающий вал 14, соединенный с электроприводом 4 с редуктором 5, турбинной мешалкой 15, установленная на валу 14, патрубки 16 и 17 ввода водной и органической фаз, основная перегородка 18, образующая канал перелива 19 эмульсии в отстойную камеру 8, дополнительные перегородки 20, патрубки 21 и 22 вывода водной и органической фазы, указатель 23 уровня раздела фаз, рабочие патрубки 24 и 25 отбора проб и аварийного опорожнения экстрактора, устройство 26 для заполнения исходными растворами.
Фиг. 3 является информативной, т.к. на ней указаны позиции приведенные на фиг. 2, но она позволяет понять месторасположение отдельных элементов экстрактора. Номера позиций соответствует, указанным на фиг. 2. На ней показаны: корпус 1 экстрактора, камера 6 смешения, камера 8 отстаивания (расслаивания), устройство 9 рециркуляции, дополнительная камера смешения 11, предварительная камера 12 ввода водной и органической фаз, транспортирующее устройство 13, дополнительные поперечные перегородки 20 и патрубки 16, 21, 22 - ввода водной фазы, вывода водной и органической фаз соответственно.
Экстрактор работает следующим образом.
Органическая и водная фазы поступают в экстрактор через устройство 17 входа органической фазы и устройство 16 входа водной фазы соответственно, и, далее, они поступают в предварительную камеру 12. Из предварительной камеры 12 обе фазы перемешивающим устройством 13 через дополнительную трубчатую камеру 11 смешения закачиваются в камеру 6 смешения.
Проходя через турбинную мешалку 15, одна из фаз диспергируется в другой, образуя эмульсию. В зависимости от соотношения фаз на входе и фазы, окружающей турбинную мешалку 15, могут диспергироваться или органическая, или водная фаза.
Для образования требуемого типа эмульсии и нужной ее концентрации в экстракторе предусмотрено устройство 9 рециркуляции из камеры 8 отстаивания (расслаивания) в предварительную камеру 12.
Из камеры 6 смешения эмульсия, уже в равновесном состоянии, поступает на границу раздела фаз (ГРФ) через канал перелива 19 в 1-ую часть камеры 8 расслаивания, ограниченную корпусом 1 экстрактора, основной перегородкой 18 и дополнительной перегородкой 20, где распределяется относительно границы раздела фаз камеры 8 расслаивания в виде эмульсионного слоя и происходит предварительное расслоение и укрупнение эмульсии. Дополнительная перегородка 20 делит поток эмульсии на два, что способствует ламинаризации потока и интенсификации процесса расслаивания эмульсии.
Укрупненный поток эмульсии поступает в следующую секцию камеры 8 расслаивания, где происходит основной процесс расслаивания эмульсии, и двигается в сторону патрубков 21 и 22 вывода водной и органической фаз.
Таким образом, органическая (легкая) фаза, находящаяся выше верхней кромки дополнительной перегородки 20, поступает в следующую секцию камеры 8 расслаивания, ограниченную корпусом 1 экстрактора и двумя дополнительными перегородками 20. Водная (тяжелая) фаза поступает в слой, находящийся ниже нижней кромки дополнительной перегородки 20 и далее поступает в следующую часть камеры 8 расслаивания, ограниченную днищем корпуса 1 экстрактора и двумя дополнительными перегородками 20.
Разделенные легкая и тяжелая фазы двигаются в следующую секцию камеры 8 расслаивания, ограниченную днищем корпуса 1 экстрактора, дополнительной перегородкой 20 и передней торцевой крышкой 10, где происходит окончательное разделение и осветление фаз.
Это происходит следующим образом. Органическая (легкая) фаза, находящаяся выше верхней кромки дополнительной перегородки 20, поступает в следующую часть камеры 8 расслаивания, ограниченную корпусом 1 экстрактора, дополнительной перегородкой 20 и передней торцевой крышкой 10. Водная (тяжелая) фаза поступает в слой, находящийся ниже нижней кромки дополнительной перегородки 20 и далее поступает в следующую часть камеры 8 расслаивания, ограниченную корпусом 1 экстрактора, дополнительной перегородкой 20 и передней торцевой крышкой 10. Осветленные органическая (легкая) фаза и водная (тяжелая) фаза образуют соответственно восходящие и нисходящие потоки разделенных фаз, не пересекающиеся между собой.
Осветленная органическая фаза через патрубок 22 вывода органической фазы поступает внутрь его, а далее выводится из экстрактора.
Осветленная водная фаза через патрубок 21 выхода водной фазы также выводится из экстрактора.
Граница раздела фаз регулируется с помощью положения патрубка 21 вывода водной фазы, представляющее собой гидрозатвор. Опуская или поднимая это патрубок 21 можно соответственно поднимать или снижать границу раздела фаз в камере 8 расслаивания.
Для заполнения экстрактора исходными растворами в период пуско-наладочных мероприятий предусмотрено устройство 26 для заполнения исходными растворами, соединенной с трубчатой камерой 11 смешения.
Для изменения соотношения органической и водной фаз в камере 6 смешения предусмотрено устройство 9 рециркуляции, представляющее собой гидрозатвор. Изменяя положение этого устройства можно направить часть водной фазы в камеру 6 смешения через предварительную камеру 12 и дополнительную трубчатую камеру 11 смешения.
С целью интенсификации процесса расслаивания эмульсии камеры 8 расслаивания экстрактора может быть снабжена коалисцирующими насадками, например, в виде тонкослойных пластин (на фиг. 2 и 3 не показано).
Полезная модель обладает рядом преимуществ: малые габариты, большую производительность за счет ускорения процесса расслаивания эмульсии, предотвращение образования застойных зон и значительное удобство эксплуатации, т.к. все основные узлы обслуживания находятся на передней крышке экстрактора.
В настоящее время, разработана техническая документация, изготовлен опытный образец, который находится на испытании на одном из химических предприятий России.