ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ЭКСТРАКТОР

Полезная модель относится к центробежной экстракционной аппаратуре для систем жидкость - жидкость, в частности к многоступенчатым (многосекционным) жидкостным экстракторам.
Полезная модель может быть использована во многих отраслях промышленности: в первую очередь в радиохимической, а также в химической, металлургической, пищевой, фармацевтической и т.д.
Основным преимуществом многоступенчатых центробежных экстракторов является минимизация числа приводов и иной технической оснастки в экстракционной установке. Это особенно важно, когда экстракционная схема состоит из нескольких десятков или сотен ступеней. Да еще при этом в технологическом процессе экстракционной переработки участвуют радиоактивные, токсичные, химически агрессивные и т.п. продукты, что обязывает разработчиков экстракционного оборудования решать проблемы обеспечения безопасности в условиях дистанционного управления и процессом, и оборудованием. Это особенно актуально в современных условиях, когда на переработку в радиохимическое производство поступает уже облученное ядерное топливо, содержащее наряду с ураном высокоактивный и высокотоксичный элемент - плутоний, извлечение которого из смешанного топлива в процессе экстракции должно быть максимальным.
Указанные обстоятельства определяют и особый подход к конструированию центробежного экстрактора с целью создания аппарата, отвечающего условиям радиационной безопасности при одновременном достижении заданной производительности, удобной эксплуатации и ремонтопригодности.
Рассмотрим и проанализируем, как данные задачи решены в известных из уровня техники аналогичных заявляемому устройствах.
Известен ряд центробежных экстракторов (см. авт. свид. СССР 349214, №553770, патент РФ №2325209; рекламный материал фирмы «ROUSSELET ROBATEL» о многоступенчатом центробежном экстракторе (см. приложение 7), выбранные в качестве аналогов заявляемого аппарата по конструкции. Все они являются многоступенчатыми аппаратами. Каждый экстрактор содержит привод, корпус (кожух), расположенный по оси корпуса ротор с кольцевыми перегородками, делящими внутреннее пространство ротора на камеры смешения и разделения, камеру(ы) вывода тяжелой фазы, неподвижный распределитель фаз с каналами для прохождения фаз и перемешивающие устройства.
Следует согласиться с мнением создателей этих технических решений, что использование последних может быть эффективным либо в производстве косметической и парфюмерной продукции (экстракторы «ROBATEL»), либо «для проведения массообменных процессов в системах жидкость-жидкость, включая нестабильные жидкости, способные к неуправляемому разложению» (по патенту РФ №2325209), или с целью «интенсификации процесса» благодаря тому, что «фазы в каждой смесительно-отстойной зоне движутся прямотоком при общем противоточном движении по аппарату» (по авт. свид. СССР №349214). Ни в одном из этих технических решений не ставилась задача перерабатывать жидкие радиоактивные среды, а потому отсутствовала проблема по обеспечению безопасности при работе экстрактора, его герметичности и ремонтопригодности в условиях дистанционного обслуживания.
Кроме того, большим препятствием к применению указанных экстракторов в радиохимическом производстве является расположение привода с двигателем в нижней части экстрактора. В случае отказа в работе приводного агрегата придется прекращать технологический процесс экстракции, демонтировать и удалять из защитной камеры весь аппарат, что негативно скажется и на производительности, и на соблюдении безопасности.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является центробежный экстрактор (см. авт. свид. СССР №731987, кл. B01D 11/04, 1977), содержащий привод (на чертеже не показан, но условно обозначен стрелкой вращения), подшипниковую опору с подшипниками, «цилиндрический корпус с переточными каналами, ротор, расположенный по оси корпуса, кольцевые перегородки, делящие ротор на камеры смешения, расслаивания и отбора фаз, распределитель фаз с патрубками для ввода и вывода фаз, мешалки», при этом экстрактор «снабжен установленным на распределителе с возможностью поступательного перемещения кронштейном, на котором закреплены мешалки, и коробчатыми ловушками, закрепленными на мешалках и патрубках, а распределитель размещен в корпусе эксцентрично по отношению к ротору.».
Из описания конструкции и работы экстрактора-прототипа следует, что в аппарате осуществляется противоток взаимодействующих растворов, что положительно сказывается на извлечении экстрагентом необходимого продукта из перерабатываемого раствора.
Более того, по утверждению авторов изобретения «…конструкция многоступенчатого экстрактора позволяет обеспечить дистанционный монтаж-демонтаж ротора» благодаря тому, что в заявленной совокупности существенных признаков имеется новый конструктивный признак - «а распределитель размещен в корпусе эксцентрично по отношению к ротору», что «позволяет осуществить дистанционный монтаж и демонтаж ротора 1» путем смещения его в сторону эксцентриситета, выхода напорных и подводящих патрубков из межкольцевых пространств, после чего ротор с закрепленным в подшипниках кронштейном с мешалками поднимают вверх. При этом кронштейн выходит из зацепления с распределителем.
Однако следует отметить, что такое техническое решение задачи дистанционного монтажа-демонтажа, свидетельствующего о возможной переработке в экстракторе-прототипе радиоактивных жидких сред, несомненно потребует увеличения внутренних размеров аппарата. В радиохимических производствах недопустимо вольное обращение с размерами технологического оборудования по условиям обеспечения ядерной безопасности.
Следует отметить, что в экстракторе-прототипе не обеспечивается необходимая герметичность. Судя по чертежу в описании изобретения по авт. свид. СССР №731987, обеспечение герметичности экстрактора доверено обычному сальниковому уплотнению. Однако в условиях работы аппарата с радиоактивными жидкими средами, являющимися весьма агрессивными, герметизацию таким уплотнением не обеспечить, а значит неизбежны протечки из аппарата радиоактивных, токсичных, агрессивных и других вредных жидкостей, что недопустимо. Таким образом, анализ конструкции экстрактора-прототипа показал, что он не отвечает требованиям, предъявляемым к технологическому оборудованию, используемому в радиохимическом и других вредных производствах.
Следует отметить и такой недостаток в конструкции экстрактора-прототипа - это имеющиеся в его роторе протяженные переточные каналы, по которым тяжелая фаза поднимается от ступени к ступени снизу вверх по экстрактору. При наличии в исходных растворах твердых примесей или образующиеся в результате взаимодействия в экстракторе исходных жидких сред твердые примеси в камерах разделения естественно переходят в тяжелую фазу, а потому неизбежно осаждение твердых примесей на стенках каналов и камер разделения, что влечет за собой сужение проходных сечений переточных каналов и уменьшение свободного пространства в камерах разделения, возрастание гидравлических сопротивлений и, как следствие, разбалансировку процесса экстракции, что сопровождается вибрацией аппарата. Возникает необходимость в прерывании работы аппарата для его разборки в целом, отмывки и очистки от осадка. В условиях дистанционного обслуживания процесса экстракции, когда в переработке находятся радиоактивные, токсичные или химически агрессивнее жидкие среды, этот уже рассматривается как аварийная ситуация.
В центробежном экстракторе по настоящей заявке недостатки известных центробежных экстракторов исключены благодаря заявляемой совокупности существенных признаков.
Центробежный экстрактор, как и прототип, содержит привод, подшипниковую опору с подшипниками, цилиндрический корпус, расположенный по его оси ротор с кольцевыми перегородками, делящими внутреннее пространство ротора на камеры смешения и камеры разделения, камеры вывода легкой фаз и размещенную в верхней части корпуса камеру вывода тяжелой фазы, распределитель фаз, имеющий каналы для их прохождения, и мешалки.
В отличие от прототипа в заявленном центробежном экстракторе дно корпуса снабжено патрубками подачи легкой и тяжелой фаз, сообщенными через каналы в дне корпуса с каналами для прохождения фаз в распределителе, низ которого соединен с дном корпуса, а верх - с герметизирующей перегородкой, соединенной с камерой вывода тяжелой фазы и размещенной между ведущей и ведомой полумуфтами магнитной муфты, которой снабжен экстрактор, причем ведущая полумуфта соединена с валом привода, ведомая полумуфта соединена с ротором, при этом неподвижные втулки подшипников и опорное кольцо нижнего подшипника связаны с распределителем, а подвижные втулки подшипников связаны с ротором.
Кроме того, в соответствии с п.2 формулы полезной модели в распределителе экстрактора может быть выполнен канал, сообщенный с источником смывного раствора, с отходящими от него сопловыми отверстиями, выходящими на наружную поверхность распределителя.
Заявляемая полезная модель соответствует всем критериям патентоспособности.
Она является новой, так как заявленная совокупность ее существенных признаков неизвестна из уровня техники, доказательством чего является отсутствие отличительных признаков заявленного центробежного экстрактора в центробежных экстракторах, являющихся самыми ближайшими его аналогами по технической сущности.
Полезная модель промышленно применима, так как она может быть использована в промышленности. Заявляемая полезная модель характеризуется конкретными признаками, каждый из которых воспроизводим при изготовлении и не противоречит применению центробежного экстрактора в промышленных условиях. Вся совокупность существенных признаков изобретения признак в отдельности направлены на достижение ожидаемого технического результата - безаварийная работа многоступенчатого экстрактора при дистанционном обслуживании его, что обеспечит и заданную производительность по извлекаемому продукту, и ядерную безопасность.
При реализации полезной модели по п.1 с привлечением к ней признаков зависимого п.2 формулы изобретения создаются наиболее оптимальные условия для удаления осевших твердых примесей в камерах смешения и разделения с помощью конструктивных признаков зависимого пункта, причем для этого не потребуется разборка аппарата в целом, как в прототипе, а только его остановка на время промывки.
На чертежах представлено одно из конкретных исполнений заявляемого центробежного экстрактора, имеющего четыре экстракционных ступени: на фиг.1 - общий вид экстрактора в разрезе А-А (см. фиг.4), на фиг.2 - общий вид экстрактора в разрезе Б-Б (см. фиг.4), на фиг.3 - общий вид экстрактора в разрезе В-В (см. фиг.4), на фиг.4 - разрез Г-Г (см. фиг.1), на фиг.5 - место I в увеличенном масштабе.
Центробежный экстрактор содержит привод 1, подшипниковую опору, состоящую из верхнего 2 и нижнего 3 подшипников скольжения, цилиндрический корпус 4, расположенный по его оси ротор 5 с кольцевыми перегородками 6 и 7, делящими внутреннее пространство ротора 5, соответственно, на камеры смешения 8 и камеры разделения (расслаивания) 9. В каждой из четырех ступеней экстрактора имеется камера 10 для вывода легкой фазы, а в верхней части корпуса 4 размещена камера 11 для вывода тяжелой фазы, снабженная патрубком 12. Внутри ротора 5 установлен распределитель 13 фаз, имеющий каналы 14 (см. фиг.2 и фиг.4), 15 (см. фиг.1 и фиг.4), 16 см. фиг.2) - для прохождения легкой фазы, канал 17 (см. фиг.1 и фиг.4) - для прохождения тяжелой фазы, канал 18 (см. фиг.2, фиг.4, фиг.5) - для прохождения смывного раствора, канал 19 (см. фиг.3 и фиг.4) - для сдувки образующихся в процессе экстракции газов. Имеющиеся в экстракторе мешалки представляют собой закрепленные на распределителе 13 неподвижные кольца 20.
Каждая ступень экстрактора включает кольцевые перегородки 6 и 7, камеру смешения 8, камеру разделения 9, камеру 10 для вывода легкой фазы, мешалку 20 и гидрозатвор 21.
Дно 22 корпуса 4 по его окружности снабжено: патрубком 23, сообщенным через канал 24 в дне 22 с каналом 17 в распределителе 13; патрубком 25, сообщенным через канал 26 в дне 22 с каналом 15 в распределителе 13; патрубком 27, сообщенным через канал 28 в дне 22 с каналом 14 в распределителе 13; патрубком 29, сообщенным через канал 30 в дне 22 с каналом 18 в распределителе 13. Выполненные в распределителе каналы 16, 31 и 32 предназначены для транспортирования легкой фазы из ступени в ступень.
Низ 33 распределителя 13 соединен по конической посадке с дном 22 корпуса 4, а верх 34 распределителя 13 связан с дном 35 герметизирующей перегородки, имеющей тонкостенную обечайку 36 с фланцем 37, соединенным с верхней частью 38 корпуса 4 и с фланцем 39. Тонкостенная обечайка 36 размещена между ведущей 40 и ведомой 41 полумуфтами магнитной муфты, которой снабжен экстрактор. Ведущая полумуфта 40 соединена с валом 42 привода 1, ведомая полумуфта 41 связана с ротором 5 через его крышку 43, при этом подвижная втулка 44 подшипника скольжения 2 сопряжена с крышкой 43 ротора 5, а неподвижная втулка 45 подшипника скольжения 3 сопряжена с верхом 34 распределителя 13. Подвижная втулка 46 нижнего подшипника скольжения 3 сопряжена с ротором 5, а неподвижная втулка 47 и опорное кольцо 48 подшипника скольжения 3 сопряжены с распределителем 13. В распределителе 13 выполнены сопла 49 (см. фиг 5), отходящие от канала 18 и выходящие на поверхность распределителя 13, при этом канал 18 сообщен с источником смывного раствора (на чертежах не показан). Канал 19 посредством отверстий 50 сообщен с полостью каждой ступени центробежного экстрактора.
Центробежный экстрактор работает следующим образом.
Через патрубок 23 и каналы 24 и 17 в камеру смешения 8 в первой снизу ступени экстрактора подается тяжелая фаза. Включается привод 1 экстрактора. Ведущая магнитная полумуфта 40, закрепленная на валу 42 привода 1, передает через неподвижную герметизирующую перегородку, а конкретно через тонкостенную обечайку 36, крутящий момент ведомой магнитной полумуфте 41, жестко связанной с ротором 5. Ротор 5 начинает вращаться с частотой вращения привода 1, тяжелая фаза последовательно заполняет камеры смешения 8 и камеры разделения 9 всех ступеней экстрактора, проходит по каналам неподвижной втулки 45 подшипника скольжения 2, по кольцевому зазору между неподвижной тонкостенной обечайкой 36 и ведомой магнитной полумуфтой 41, поступает в камеру 11 корпуса 4 и через патрубок 12 выводится из экстрактора. После заполнения тяжелой фазой всех камер ротора через патрубок 25 каналы 26 и 15 в камеру смешения 8 четвертой снизу ступени экстрактора подается легкая фаза (экстрагент). В эту же камеру смешения 8 из камеры разделения 9 третьей снизу ступени экстрактора, переливаясь через кольцевую перегородку 7, поступает тяжелая фаза. Тяжелая и легкая фазы перемешиваются с помощью мешалки 20 в виде закрепленного на распределителе 13 неподвижного диска, и образовавшаяся эмульсия, переливаясь через кольцевую перегородку 6, поступает в камеру разделения 9 четвертой снизу ступени экстрактора. Здесь эмульсия, двигаясь снизу вверх, разделяется вновь на тяжелую и легкую фазы. Тяжелая фаза под действием центробежной силы стремится к периферийной части вращающегося ротора 5, проходит через кольцевой зазор, образованный гидрозатвором 21 и внутренней стенкой ротора 5 и выводится из экстрактора, как было описано выше. Легкая фаза отжимается к центральной части ротора, проходит через зазор между гидрозатвором 21 и стенкой камеры 10 вывода легкой фазы и переливается в нее. Из камеры 10 легкая фаза по каналу 32 передается в камеру смешения 8 третьей снизу ступени экстрактора, в которую также поступает тяжелая фаза из камеры разделения 9 второй снизу ступени экстрактора, переливаясь через кольцевую перегородку 7.
Под действием лопаток 51, закрепленных на кольцевой перегородке 7, фазы движутся на периферию ротора 5, далее движутся к центру между кольцевой перегородкой 6 и мешалкой 20 и переливаются через кольцевую перегородку 6 в камеру разделения 9 третьей снизу ступени экстрактора. Проходя снизу вверх по камере разделения 9, фазы вновь разделяются вследствие разной плотности: тяжелая, пройдя гидрозатвор 21, переливается через кольцевую перегородку 7 в камеру смешения 8 четвертой снизу ступени экстрактора, а легкая фаза (так же как описано для процесса в камере разделения 9 четвертой снизу ступени экстрактора) переливается в камеру вывода 10 легкой фазы третьей снизу ступени экстрактора, а из нее по каналу 16 в распределителе 13 поступает в камеру смешения 8 второй снизу ступени. В эту же камеру, переливаясь через перегородку 7, поступает тяжелая фаза из камеры разделения 9 первой снизу ступени экстрактора. Здесь фазы перемешиваются под действием лопаток 51, закрепленных на кольцевой перегородке 7, и мешалки 20 и, переливаясь через перегородку 6, в виде эмульсии поступают в камеру разделения 9 второй снизу ступени экстрактора. В этой же камере эмульсия, двигаясь снизу вверх, разделяется на фазы: тяжелая фаза через гидрозатвор 21 и кольцевую перегородку 7 переливается в камеру смешения 8 третьей снизу ступени экстрактора, а легкая переливается в камеру вывода 10 легкой фазы второй снизу ступени экстрактора и по каналу 31 в распределителе 13 поступает в камеру смешения 8 первой снизу ступени экстрактора. В эту же камеру извне по патрубку 23, каналу 24 в дне 22 корпуса 5 экстрактора и каналу 17 в распределителе 13 подается тяжелая фаза. Фазы перемешиваются с помощью лопаток 51 и мешалки 20, и образовавшаяся эмульсия через перегородку 6 переливается в камеру разделения 9 первой снизу ступени. Двигаясь снизу вверх по камере 9, эмульсия разделяется на тяжелую и легкую фазы. Тяжелая фаза под действием центробежного поля движется к периферии ротора 5, проходит через гидрозатвор 21 и, переливаясь через кольцевую перегородку 7, поступает в камеру смешения 8 второй ступени экстрактора. Легкая фаза отжимается к центру ротора 5, переливается в камеру вывода 10 легкой фазы первой снизу ступени ротора, а из нее по каналу 14 в распределителе 13, каналу 28 в дне 22 корпуса 4 и патрубку 27 выводится из экстрактора.
Из приведенного выше описания сложной конструкции заявляемого многоступенчатого центробежного экстрактора следует и весьма сложная работа объединенных между собой конструктивных элементов. И важное значение в этом тщательно отработанном устройстве принадлежит устройству, обеспечивающему одновременно и движение всего, что должно вращаться в экстракторе, и герметичность аппарата в целом. Это единый узел в верхней части экстрактора, состоящий из магнитной муфты с ведущей 40 и ведомой 41 полумуфтами, обеспечивающими вращение ротора, и из размещенной между ними тонкостеннй обечайки 36, обеспечивающей герметичность аппарата, исключая какие-то бы ни было протечки жидких сред.
Экстракция - процесс долговременный, и с течением времени на внутренних стенках ротора 5 может накопиться осадок из твердых частиц, поступивших в экстрактор вместе с тяжелой фазой или с экстрагентом (легкой фазой). С заданной периодичностью или в связи с появлением повышенной вибрации корпуса 4 производится промывка ротора 5. Промывной раствор под давлением подают по патрубку 29, каналу 30 в дне корпуса, каналу 18 в распределителе 13 в сопла 49 (см. фиг.5), выполненные в стенке распределителя 13 по всей высоте ротора 5 (см. фиг.2). Струи промывного раствора ударяют в цилиндрическую стенку ротора 5 при медленном вращении последнего, смывая твердый осадок. Образовавшиеся при промывке суспензия и в процессе экстракции газ удаляют из ротора 5 через отверстия 51 и канал 19, выполненные в распределителе 13.
Использование в промышленном производстве заявляемого центробежного экстрактора обеспечит:
- высокую производительность и высокую эффективность переработки жидких радиоактивных отходов;
- герметичность центробежного многоступенчатого экстрактора, что не достигалось подобными аппаратами в мире;
- упрощение обслуживания и ремонтопригодность аппарата.