ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ЭКСТРАКТОР

Полезная модель относится к конструкциям центробежных экстракторов для проведения массообменного процесса в системе жидкость-жидкость, в особенности к герметичным центробежным экстракторам для работы с химически агрессивными растворами, содержащими радиоактивные, делящиеся и ядовитые вещества, а также содержащие или образующие при контактировании твердую фазу в виде осадка, для применения преимущественно в химической, гидрометаллургической, радиохимической, фармацевтической отраслях промышленности, в частности в процессах, допускающих только дистанционное обслуживание оборудования.
Известен центробежный экстрактор (патент на изобретение RU 2566137 С2, МПК B01D 11/04, опубликован 27.04.2015), содержащий привод, подшипниковую опору, корпус со смесительной камерой и камерами вывода легкой и тяжелой фаз, ротор с камерой разделения, транспортирующим устройством, трубками для вывода легкой фазы, гидрозатвором с каналами для отвода тяжелой фазы, в котором все детали, контактирующие с перерабатываемыми растворами, изготовлены из химически-стойких полимерных материалов, а все металлические детали экстрактора и заэкстракторное пространство изолированы от агрессивных компонентов перерабатываемой жидкой среды комплексом лабиринтных уплотнений.
Недостаток экстрактора заключается в отсутствии герметичности по зазору в лабиринтном уплотнении и подшипниках опоры и возможности перерабатывать растворы с примесью твердой фазы в связи с отсутствием механизма ее вывода из ротора.
Известен центробежный экстрактор (см. книга: Кузнецов Г.И., Пушков А.А., Косогоров А.В. «Центробежные экстракторы ЦЭНТРЭК», РХТУ им. Д.И. Менделеева. - М., 2000 г., с. 47, рис. 1.29), содержащий корпус с размещенными в нем смесительной камерой с входными патрубками и камерами сбора разделенных фаз с выходными патрубками, на съемном фланце подшипниковой опоры которого закреплены кожух электропривода со статором, патрубок подшипниковой опоры и крышка корпуса, и установленный в опоре приводной вал, на котором закреплены ротор электропривода, диск с переточными отверстиями, конический ротор-сепаратор, образующий с диском камеру разделения, с размещенными в ней сепарационной насадкой и трубками с переливными кромками, с установленными снаружи мешалкой и транспортирующим устройством, и крышка ротора с концентричной валу переливной кромкой, образующая с диском гидрозатвор, в котором размещен закрепленный на фланце активатор.
Недостатком экстрактора является подверженность статора и ротора электропривода воздействию паров перерабатываемых химически агрессивных растворов, что приводит к их разрушению и уменьшает срок эксплуатации экстрактора.
Известен центробежный экстрактор (патент на полезную модель RU 96498 U1, МПК B01D 11/04, опубликован 10.08.2010), содержащий привод, подшипниковую опору, корпус со смесительной камерой и камерами вывода фаз, ротор с диском с переточными отверстиями, камерой разделения, транспортирующим устройством, гидрозатвором с размещенным в нем активатором и трубками для вывода легкой фазы, магнитную муфту, ведущая полумуфта которой закреплена на валу привода, ведомая полумуфта жестко соединена с ротором, и между полумуфтами размещена герметизирующая перегородка-экран, соединенная жестко с корпусом и связанная с ротором через соединенный с дном перегородки-экрана подшипник скольжения подшипниковой опоры, при этом полость гидрозатвора сообщена с зазором между герметизирующей перегородкой-экраном и ведомой полумуфтой.
Недостаток экстрактора заключается в малой механической надежности входящей в состав перегородки-экрана тонкостенной обечайки, на которой как на неподвижном полом валу установлен снаружи и вращается ротор, и отсутствии возможности перерабатывать растворы с примесью твердой фазы, которая, транспортируясь с тяжелой фазой через подшипники, разрушает их. Кроме того, производительность экстрактора мала как при малом сечении трубок вывода легкой фазы, которое увеличивает толщину ее бьефа над переливной кромкой, так и при большом их сечении, которое уменьшает объем разделительной камеры, что предопределяет необходимость оптимизации сечения трубок для достижения максимальной производительности.
Наиболее близким по совокупности технических признаков и достигаемому техническому результату к предложению заявителя является центробежный экстрактор (патент US 20040112800 А1, МПК В03В 5/60, опубликован 17.06.2004), содержащий корпус со смесительной камерой и камерами вывода фаз, подшипниковую опору с фланцем, патрубком и крышкой подшипниковой опоры, установленный в подшипниковой опоре вал с закрепленным на нем ротором-сепаратором с камерой разделения, устройством вывода фаз и транспортирующим устройством, электродвигатель с кожухом, статором, закрепленным в кожухе, и ротором электродвигателя, закрепленным на валу и установленным с кольцевым зазором соосно со статором, размещенные в кольцевом зазоре перегородку-экран трубчатой формы, закрепленную герметично в кожухе, и чехол, закрепленный герметично на роторе электродвигателя. Перегородка-экран и чехол выполнены из немагнитного антикоррозионного материала, по предпочтительному варианту описания, например, из немагнитной нержавеющей стали SUS 304 толщиной ~ 0,3 мм, и герметизируются на элементах ротора и статора электродвигателя по контуру прилегания с помощью сварки.
Недостаток экстрактора заключается в том, что выполнение перегородки-экрана и чехла из металла увеличивает температуру их нагревания индукционными токами, инициируемыми переменным магнитным полем статора, что увеличивает их термическую деформацию, приводящую к короблению тонкого листа в периодически повторяющихся циклах нагрева в рабочем режиме и охлаждения в режиме остановки. Это провоцирует их механическое разрушение при возможном контакте неподвижного статора с вращающимся ротором, что в итоге уменьшает механическую надежность и срок службы. Одна из основных технических характеристик центробежного экстрактора - производительность, пропорционально влияющая на выпуск продукции, существенно зависит от устройства вывода фаз из ротора-сепаратора, примеры выполнения которого в тексте описания, формуле и на чертеже предложенного прототипа отсутствуют.
Сущность предлагаемого технического решения состоит в повышении выпуска продукции, достигаемого в совокупности временного и производительного факторов, связанных причинно-следственной связью с обобщенным результатом - выпуском продукции, за счет увеличения срока службы, надежности и производительности центробежного экстрактора.
Технический результат достигается в заявленном центробежном экстракторе, содержащем корпус со смесительной камерой и камерами вывода фаз, подшипниковую опору с фланцем, патрубком и крышкой подшипниковой опоры, установленный в подшипниковой опоре вал с закрепленным на нем ротором-сепаратором с камерой разделения, устройством вывода фаз и транспортирующим устройством, электродвигатель с кожухом, статором, закрепленным в кожухе, и ротором электродвигателя, закрепленным на валу и установленным с кольцевым зазором соосно со статором, размещенные в кольцевом зазоре и выполненные из инертного к фазам материала перегородку-экран трубчатой формы, закрепленную герметично в кожухе, и слой защитного покрытия, закрепленный герметично на роторе электродвигателя, за счет того, что перегородка-экран и слой защитного покрытия выполнены из неметаллического материала, а устройство вывода фаз выполнено в виде размещенных в роторе-сепараторе диска с переточными отверстиями, закрепленного на валу, крышки ротора-сепаратора с кольцевой переливной кромкой для вывода тяжелой фазы, закрепленной на диске, и трубками с переливными кромками для вывода легкой фазы, закрепленными в стенке ротора-сепаратора, причем количество N трубок, диаметр d их переливных кромок и диаметр D переливной кромки крышки ротора-сепаратора удовлетворяют соотношению 1<N×d/D<2.
Выполнение перегородки-экрана и слоя защитного покрытия из неметаллического материала уменьшает температуру их нагревания индукционными токами, инициируемыми переменным магнитным полем статора, что уменьшает их термическую деформацию, предотвращая их механическое разрушение при возможном контакте неподвижного статора с вращающимся ротором, и увеличивает механическую надежность и срок службы. Указанный интервал соотношения переливов фаз в устройстве их вывода из ротора-сепаратора позволяет достичь максимальной производительности экстрактора за счет оптимизации конкурирующего воздействия на нее диаметра трубок и объема камеры разделения.
Таким образом, заявленная полезная модель является техническим решением поставленной задачи, сущность которого выражается в новой совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного заявителем нового технического результата - повышения выпуска продукции, что предопределяет ее соответствие критериям патентоспособности.
На представленной фиг. 1 схематично изображен предлагаемый центробежный экстрактор в разрезе в варианте 1 исполнения, на фиг. 2 схематично изображен в разрезе другой его вариант 2, на фиг. 3 схематично изображен в разрезе другой его вариант 3.
Заявленный центробежный экстрактор (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3) содержит корпус 1 с размещенными в нем смесительной камерой 2 с входными патрубками 3 и камерами вывода разделенных тяжелой 4 и легкой 5 фаз с выходными патрубками 6, на съемном фланце 7 подшипниковой опоры закреплены кожух 8 электродвигателя со статором 9, патрубок 10 и крышка 11 подшипниковой опоры, и установленный в опоре вал 12, на котором закреплены ротор 13 электродвигателя, диск 14 с переточными отверстиями 15, конический ротор-сепаратор 16, образующий с диском 14 камеру разделения 17, с размещенными в ней сепарационной насадкой в форме радиальных пластин 18 и трубками 19 для вывода легкой фазы с переливными кромками 20, с установленными снаружи мешалкой 21 с лопастями 22 и транспортирующим устройством 23, и крышка 24 ротора-сепаратора 16 с концентричной валу 12 переливной кромкой 25, образующая с диском 14 гидрозатвор 26 тяжелой фазы, в котором размещен закрепленный на фланце 7 активатор 27. В зазоре 28 между статором и ротором электродвигателя размещена закрепленная в опоре защитная герметичная перегородка-экран 29, на наружной поверхности ротора электродвигателя закреплен защитный герметичный слой защитного покрытия. Количество N (безразмерная величина) трубок 19, диаметр d (размерность в метрах) их переливных кромок 20 и диаметр D (размерность в метрах) переливной кромки 25 крышки 24 удовлетворяют безразмерному соотношению 1<N×d/D<2.
В смесительной камере 2 с радиальным зазором с транспортирующим устройством 23 закреплены вертикальные пластины 31 для увеличения его производительности. Пластины 18 закреплены кольцом 32 симметрично по азимутальному углу и разгораживают камеру разделения 17 на несколько, например, N=4 отдельных секций, в каждой из которых размещена трубка 19. Переливные кромки 20 трубок 19 и кромка 25 крышки 24 сообщаются с камерами 5 и 4 вывода фаз. Транспортирующее устройство 23 выполнено в форме нескольких, например, 4 профилированных ковшов с желобами, расположенными под углом к валу 12 симметрично по азимутальному углу, и выполняет функцию насоса-заборника погружного типа, транспортирующего при вращении эмульсию из смесительной камеры 2 внутрь ротора-сепаратора 16.
Перегородка-экран 29 и слой 30 выполнены из инертного к растворам неметаллического материала, например фторполимера, углепластика или фторлонового покрытия. Это не только защищает статор 9 и ротор 13 электродвигателя от воздействия агрессивных фаз и их паров, но и уменьшает потери мощности при передаче сквозь перегородку-экран 29 и слой 30 генерируемого статором 9 переменного магнитного поля, а также вредный их нагрев индуцируемыми вихревыми токами Фуко. Слой 30 выполнен, например, в виде фторлонового покрытия, которое при нанесении на сталь или алюминий при толщине слоя ~ 0,5 мм допускает длительную эксплуатацию при температурах до 250°С. Остальные элементы центробежного экстрактора, контактирующие с перерабатываемыми фазами и их парами, изготовлены из инертных к ним металлов, например нержавеющей стали, циркония, титана, или могут быть защищены, например, фторлоновым покрытием, или могут быть изготовлены полностью из неметаллов, например фторопласта или углепластика, если это допустимо по прочностным свойствам.
В подшипниковой опоре используются подшипники скольжения, например, из силицированного графита, которые в процессе работы автоматически смазываются не содержащим осадка насыщенным паром перерабатываемых фаз. Съемный фланец 7 с патрубком 10, кожухом 8 и ротором-сепаратором 16 объединены в единый выемной узел и установлены с возможностью дистанционного извлечения их из корпуса и замены на аналогичные.
В варианте исполнения 1 на фиг. 1 перегородка-экран 29 выполнена в форме тонкостенной трубы, кожух 8 закреплен между фланцем 7 и патрубком 10 с помощью дистанционирующих шпилек 33, в зоне торцов перегородки-экрана 29 установлены втулки 34 кольцевого уплотнения 35, например, из фторопластового уплотнительного материала, с возможностью перемещения вдоль шпилек, фланец и опора снабжены цилиндрическими выступами 36, размещенными внутри перегородки-экрана 29 для исключения ее деформации от радиальных усилий уплотнения, а крышка 11 закреплена герметично на патрубке 10. На кожухе 8 закреплен штуцер 37 для вывода наружу экстрактора проводов обмотки статора 9. Втулки 34 стягиваются с кожухом 8 с помощью болтов 38 и снабжены сдвинутыми относительно них по азимутальному углу вырезами 39, в которых с зазором размещены шпильки 33. В верхней части кожуха 8 закреплена втулка уплотнения 40 для обеспечения сборки-разборки опоры.
В варианте исполнения 2 на фиг. 2 перегородка-экран 29 выполнена в форме тонкостенного стакана с фланцем, крышка 11 снабжена энергоразъемом 41 и штуцером 37 для вывода наружу экстрактора проводов обмотки статора 9, а ротор 13 закреплен на валу 12 консольно вне подшипников патрубка 10, что увеличивает его вибрацию, но упрощает конструкцию. При этом крышка 11 и энергоразъем 41 со штуцером 37 могут быть и негерметичными и сообщаться с атмосферой.
В варианте исполнения 3 на фиг. 3 в отличие от варианта исполнения 2 на фиг. 2 фланец 7 выполнен в форме единой детали с патрубком 10 так, что этот патрубок вместе с подшипниками размещен внутри ротора-сепаратора 16, что уменьшает высоту экстрактора и выступ консоли закрепления диска 14 на валу 12 от ближайшего подшипника и, следовательно, вибрацию ротора-сепаратора 16 с сохранением остальных свойств.
Таким образом, в трех вариантах исполнения статор и ротор электродвигателя изолированы от разрушающего воздействия перерабатываемых фаз и их паров за счет использования перегородки-экрана 29 и слоя защитного покрытия 30. Герметичность экстрактора обеспечивается за счет применения только неподвижных фланцевых и кольцевых уплотнений всех его сборочных узлов, контактирующих с фазами и их парами.
Центробежный экстрактор работает следующим образом. После подключения обмотки статора 9 к электропитанию и начала вращения ротора-сепаратора 16 исходные растворы по входным патрубкам 3 подают в смесительную камеру 2, где они перемешиваются мешалкой 21 для осуществления массопередачи распределяющегося компонента, и образовавшаяся эмульсия подается транспортирующим устройством 23 внутрь вращающегося ротора-сепаратора 16. В процессе транспортировки эмульсии снизу-вверх и ее расслаивания в каждой секции камеры разделения 17 между продольными лопастями 18 она приобретает форму кольцевого эмульсионного слоя плотно упакованных капель дисперсной фазы различной формы и объема, разделенных тонким слоем сплошной фазы. С уменьшением толщины этого слоя за счет центробежной силы коалесценция капель ускоряется и образуется второй сплошной слой полностью скоалесцированных капель первоначально дисперсной фазы. Таким образом, в верхней части камеры разделения 17 в зоне диска 14 образуются три радиально соприкасающихся кольцевых слоя - двух очищенных друг от друга чистых разделенных фаз в приосевой и периферийной зонах камеры разделения 17 и эмульсионного слоя между ними. Легкая фаза через переливные кромки 20 по трубкам 19 выводится из ротора-сепаратора 16 в камеру 5 вывода легкой фазы и по выходным патрубкам 6 наружу экстрактора. Тяжелая фаза через переточные отверстия 15 поступает в гидрозатвор 26, транспортируется к оси вращения вала 12 к переливной кромке 25 и выводится из ротора-сепаратора 16 в направлении к периферии в камеру 4 вывода тяжелой фазы и по выходным патрубкам 6 наружу экстрактора. Осадок, присутствующий во входных растворах или образующийся при их контактировании, за счет центробежной силы транспортируется по конической поверхности ротора-сепаратора 16 к переточным отверстиям 15, взмучивается неподвижным активатором 27, выполняющим функцию скребка, и выводится далее с потоком тяжелой фазы через переливную кромку 25 из ротора-сепаратора 16.
2/3
Радиальное положение эмульсионного слоя в камере разделения 17 и взаимные уносы фаз, ухудшающие качество получаемых продуктов, зависят в том числе и от толщины бьефов обеих фаз над соответствующими переливными кромками 20 и 25. Для кольцевого перелива диаметром D при отсутствии сужения струи за ним толщина h бьефа перед ним изменяется с расходом Q жидкости примерно как h~Q/D, а свободная поверхность эмульсии во вращающемся вокруг вертикальной оси ротора-сепаратора приобретает форму параболоида вращения с высотой, пропорциональной квадрату радиуса. Поэтому для заданного расхода легкой фазы с уменьшением диаметра кромок 20 толщина ее бьефа возрастает настолько, что радиус свободной поверхности эмульсии в роторе-сепараторе 16 становится сравнимым с радиусом транспортирующего устройства 23. Это приводит к его повышенному заглублению под уровень свободной поверхности объема эмульсии в смесительной камере 2 и появлению несепарационного заброса - уноса эмульсии непосредственно из смесительной камеры, минуя ротор-сепаратор 16, в камеру вывода 5 легкой фазы, что в итоге уменьшает производительность экстрактора при заданных требованиях к допустимому загрязнению разделенных фаз взаимными уносами.
Легкая фаза при переливе через кромки 20 транспортируется с сужением сечения струи в отличие от тяжелой фазы, которая при переливе через кромку 25 транспортируется с увеличением сечения струи, в результате чего высота бьефа легкой фазы при прочих равных условиях будет больше, чем для тяжелой фазы. Поэтому при сравнимых расходах легкой и тяжелой фаз для уменьшения влияния разницы высот этих бьефов на радиальное положение эмульсионного слоя в камере разделения 17 необходимо обеспечить и сравнимую длину этих переливных кромок, что предопределяет нижнюю оценку приведенного соотношения N×d/D>1. Производительность экстрактора увеличивается с возрастанием времени сепарации эмульсии в камере разделения 17 и объема эмульсии в ней, который в свою очередь уменьшается с возрастанием сечения трубок 19 и диаметра d их переливных кромок 20. Экспериментально установлено, что для обеспечения максимальной производительности при сравнимых в общем случае расходах легкой и тяжелой фаз соотношение N×d/D~1,5 является примерно оптимальным, поэтому увеличивать суммарную длину переливных кромок 20 свыше N×d/D>2 нецелесообразно.
Использование в качестве электродвигателя, например, асинхронного с короткозамкнутым ротором, позволяет воспользоваться технологией нанесения на ротор электродвигателя тонкого слоя защитного покрытия 30, например, в виде фторлонового покрытия.
Таким образом, для достижения указанного технического результата - повышения выпуска продукции, заявлено техническое решение, совокупность существенных признаков которого не известна из настоящего уровня техники, обладает новизной по сравнению с выбранным прототипом, технически выполнимо и промышленно применимо, что соответствует критериям, характеризующим полезную модель.