ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ЭКСТРАКТОР

Полезная модель относится к жидкостной экстракции, а именно к конструкциям центробежных экстракторов для системы жидкость-жидкость, преимущественно в составе многоступенчатого аппарата для проведения противоточного экстракционного процесса, в частности с использованием жидкостей, содержащих или образующих при контактировании осадки, и может быть использована в гидрометаллургической, химической, фармацевтической и других отраслях промышленности.
Из уровня техники известен центробежный экстрактор (см. Авторское свидетельство СССР №955580, SU, А, МПК B01D 11/04, опубликован 23.08.1988, Бюл. 31), содержащий корпус с карманами для сбора разделенных фаз, смесительную камеру с перемешивающим устройством, установленным на валу, камеру разделения и устройства для ввода фаз, в нижней части смесительной камеры которого установлена перегородка с центральным отверстием цилиндроконической формы, основание конуса которого направлено вверх. Перемешивающее устройство выполнено в виде диска с конусообразными лопастями, нижние кромки которых параллельны кромкам отверстия, и установлено с возможностью вертикального перемещения.
Недостатком указанного центробежного экстрактора является низкая производительность, обусловленная тем, что ввод растворов в донную зону смесительной камеры через вертикальные подводящие патрубки в направлении снизу вверх увеличивает гидравлическое сопротивление в каналах транспортировки растворов, как в корпусе экстрактора, так и в трубопроводах межступенчатых перетоков при объединении нескольких экстракторов в многоступенчатый аппарат для проведения противоточного экстракционного процесса, что приводит к переполнению карманов растворами и появлению не сепарационных взаимных уносов фаз.
Наиболее близким к предложению заявителя по совокупности технических признаков и достигаемому техническому результату является центробежный экстрактор (см. Авторское свидетельство СССР №1156293, SU, А1, МПК B01D 11/04, опубликован 23.11.1990, Бюл. 43), содержащий корпус с кольцевыми коллекторами для сбора фаз и вводными-выводными патрубками, узел ротора с приводом и мешалкой и камеру смешения, в котором под коллекторами установлен кольцевой распределитель, разделенный радиальными перегородками на две отборные камеры, сообщающиеся с коллекторами, и две приемные камеры, сообщающиеся со смесительной камерой, и кольцевой концентрической перегородкой, установленной в камере смешения с помощью радиальных перемычек, верхняя кромка которой расположена выше дна распределителя, а нижняя кромка выполнена с внутренней отбортовкой. Кольцевые коллекторы выполнены в виде трех концентрических обечаек с дном, снабженным сливными отверстиями, с закрепленным на наружной обечайке посадочным фланцем. Вводные патрубки закреплены перпендикулярно цилиндрической стенке распределителя, а выводные - тангенциально. На посадочном фланце закреплен соосно корпусу съемный фланец узла ротора с приводом, включающим, соосные ротору приводной вал, камеру разделения с сепарационной насадкой, устройство вывода разделенных фаз, сообщающееся с коллекторами, мешалку и транспортирующее устройство, размещенные в камере смешения.
Недостатком данного центробежного экстрактора является несоосность вводных и выводных патрубков, что усложняет соединение соседних экстракторов по стыкам патрубков в многоступенчатый аппарат для проведения противоточного экстракционного процесса. Это вынуждает изготавливать и использовать дополнительные изогнутые трубопроводы межступенчатых перетоков и увеличивает гидравлическое сопротивление в переточных каналах, что в итоге уменьшает производительность за счет переполнения коллекторов растворами, а также усложняет и удорожает конструкцию. Отверстия в дне распределителя, через которые приемные камеры сообщаются с камерой смешения, также увеличивают гидравлическое сопротивление в каналах транспортировки растворов в корпусе. Размещение ребер в кольцевой концентрической перегородке по всей ее высоте и без зазора с ней увеличивает объем застойных зон в камере смешения, что уменьшает эффективность массопередачи целевого компонента в эмульсии фаз. Закрепление выводных патрубков тангенциально цилиндрической стенке распределителя в ее отверстиях усложняет изготовление их прилегающих кромок и затрудняет последующую герметизацию их стыка, например, с помощью сварки, с последующим контролем сварного шва в труднодоступном месте с острым углом прилегающих поверхностей.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является упрощение конструкции центробежного экстрактора, повышение его производительности и эффективности массопередачи.
Техническим результатом, достигаемым заявляемой полезной моделью, является упрощение конструкции и повышение производительности центробежного экстрактора за счет уменьшения гидравлического сопротивления в каналах транспортировки растворов в корпусе и его вводных и выводных патрубках в том числе путем исключения отверстий в дне распределителя и необходимости применения вспомогательных переточных трубопроводов межступенчатых перетоков при объединении нескольких ступеней в один многоступенчатый аппарат, а также повышение эффективности массопередачи за счет исключения застойных зон в камере смешения.
1
2
1
2
т
л
т
л
Технический результат достигается тем, что заявлен центробежный экстрактор, содержащий корпус с двумя кольцевыми коллекторами для сбора тяжелой и легкой фаз с дном коллекторов, снабженным сливными отверстиями, размещенным под коллекторами распределителем с дном и наружной стенкой, образующими вместе с дном коллекторов и радиальными перегородками четыре размещенные вокруг вертикальной оси корпуса проточные камеры, две из которых отборные камеры размещены диаметрально противоположно, сообщаются с коллекторами через сливные отверстия и снабжены выводными патрубками, а другие две приемные камеры размещены между отборными камерами, снабжены вводными патрубками и сообщаются с размещенной под ними камерой смешения с дном, в которой установлена с зазором с помощью радиальных перемычек концентрическая кольцевая перегородка с ребрами, и закрепленный на посадочном фланце соосно корпусу съемный фланец узла ротора с приводом, включающим соосные ротору приводной вал, камеру разделения с сепарационной насадкой, устройство вывода разделенных фаз, сообщающееся с коллекторами, мешалку и транспортирующее устройство размещенные в камере смешения, в котором на нижней кромке кольцевой перегородки без зазора с ней и с зазором с дном камеры смешения закреплено кольцо, снабженное соосным ротору отверстием с диаметром, не меньшим диаметра мешалки, размещенной выше отверстия кольца с зазором с ним, вводные и выводные патрубки выполнены в виде труб, оси и диаметры которых совпадают для тяжелой входной и выходной фаз и легкой входной и выходной фаз, и эти две оси патрубков тяжелой и легкой фаз размещены параллельно друг другу по разные стороны от перпендикулярной им вертикальной оси корпуса, верхняя кромка кольцевой перегородки расположена выше дна коллекторов, а высота H размещения над отверстием в кольце дна распределителя больше высоты Н размещения транспортирующего устройства в соотношении H/H>ρ/ρ>1, где ρ и ρ - плотности тяжелой и легкой фаз соответственно.
Наружная стенка распределителя в зоне вводных и выводных патрубков выполнена плоской и расположена перпендикулярно их осям. Мешалка снабжена изогнутыми лопастями, например, турбинного или пропеллерного типа, формирующими при ее вращении принудительный отвод эмульсии фаз от отверстия кольца внутри кольцевой перегородки в направлении к периферии или вверх соответственно, уменьшающий давление эмульсии фаз в нем. Ребра кольцевой перегородки размещены в зоне транспортирующего устройства с радиальным зазором с ней.
Предложенная ориентация и конструкция максимально коротких вводных и выводных патрубков, геометрия их закрепления на стенке распределителя, исключение отверстий дна распределителя в зоне приемных камер, а также обеспечение мешалкой дополнительного разряжения в отверстии кольца уменьшают гидравлическое сопротивление в каналах транспортировки растворов в корпусе и его вводных и выводных патрубках, что увеличивает производительность экстрактора, а также упрощает конструкцию отдельного экстрактора и соединение патрубков соседних экстракторов при их сборке последовательно на одном уровне в многоступенчатый аппарат. Предложенное размещение ребер в кольцевой перегородке уменьшает объем застойных зон и способствует гомогенизации эмульсии в объеме камеры смешения, что увеличивает эффективность массопередачи целевого компонента.
Таким образом, заявленная полезная модель центробежного экстрактора позволяет упростить его конструкцию и увеличить его производительность и эффективность массопередачи.
На представленной фиг. 1 схематично изображен предлагаемый центробежный экстрактор полностью в ломаном разрезе А-А фиг. 3, на фиг. 2 схематично изображен разрез Б-Б фиг. 1, на фиг. 3 схематично изображен разрез В-В фиг. 1.
Заявленный центробежный экстрактор (фиг. 1-3) содержит корпус 1 с посадочным фланцем 2 и двумя кольцевыми коллекторами 3 и 4 для сбора тяжелой и легкой фаз соответственно, в виде трех концентрических обечаек с дном 5 коллекторов, снабженным сливными отверстиями 6 и 7, размещенным под коллекторами распределителем 8 с дном 9 и наружной стенкой 10, образующими вместе с дном 5 коллекторов и радиальными перегородками 11 четыре размещенные вокруг вертикальной оси корпуса 1 и изолированные друг от друга проточные камеры, две из которых 12 и 13 отборные камеры размещены диаметрально противоположно, сообщаются с коллекторами 3 и 4 через сливные отверстия 6 и 7 и снабжены выводными патрубками 14 и 15, а другие две приемные камеры 16 и 17 размещены между отборными камерами, снабжены вводными патрубками 18 и 19 и сообщаются с размещенной под ними камерой смешения 20 с дном 21, в которой установлена с зазором 22 с помощью радиальных перемычек 23 концентрическая кольцевая перегородка 24 с ребрами 25.
На посадочном фланце 2 соосно корпусу 1 закреплен съемный фланец 26 узла ротора 27, например конической формы, с приводом 28, например электродвигателем, включающим, соосные ротору 27, приводной вал 29, камеру разделения 30 с сепарационной насадкой, например, в виде радиальных пластин 31, устройство вывода разделенных фаз, например, в виде трубок 32 с переливом 33 для вывода легкой фазы в коллектор 4, диска 34, жестко закрепленного на валу 29, с переточными отверстиями 35, крышкой 36 с переливом 37 для вывода тяжелой фазы в коллектор 3, образующими гидрозатвор 38 с размещенным в нем неподвижным активатором 39, жестко закрепленным на фланце 26. Приводной вал 29 размещен в подшипниковой опоре 40 и сочленяется муфтой 41 с валом 42 привода 28, закрепленного проставкой 43 на опоре 40. В нижней части ротора 27 закреплены транспортирующее устройство 44, например, в виде черпаков, и лопастная мешалка 45, размещенные в камере смешения 20.
На нижней кромке кольцевой перегородки 24 без зазора с ней и с зазором 46 с дном 21 камеры смешения 20 закреплено, например сваркой, кольцо 47, снабженное соосным ротору 27 отверстием 48 с диаметром, не меньшим диаметра мешалки 45, размещенной выше отверстия 48 с зазором 49 с кольцом 47. Вводные 18 и 19 (фиг.2-3) и выводные 14 и 15 патрубки выполнены в виде труб, оси и диаметры которых совпадают для тяжелой входной 18 в направлении стрелки Г и выходной 14 в направлении стрелки Д фаз и легкой входной 19 в направлении стрелки Е и выходной 15 в направлении стрелки Ж фаз, и эти две оси патрубков тяжелой и легкой фаз размещены параллельно друг другу по разные стороны от перпендикулярной им вертикальной оси корпуса 1, например, на одинаковых расстояниях L (фиг.2).
1
2
1
2
т
л
т
л
3
4
3
5
3
Высота H (фиг. 1) размещения над отверстием 48 в кольце 47 дна 9 распределителя 8 больше высоты Н размещения транспортирующего устройства 44 в соотношении H/H>ρ/ρ>1, где ρ и ρ - плотности тяжелой и легкой фаз соответственно, например в единицах г/см, а верхняя кромка кольцевой перегородки 24 расположена на высоте Н от дна 21 камеры смешения 20 выше дна 5 коллекторов 3 и 4, расположенного на высоте Н<Н. Наружная стенка 10 (фиг. 2-3) распределителя 8 в зоне вводных 18 и 19 и выводных 14 и 15 патрубков выполнена плоской и расположена перпендикулярно их осям, все патрубки размещены на одной высоте Н (фиг. 1) от дна 21 камеры смешения 20 в горизонтальной плоскости, а диаметр D (фиг. 3) и длина всех четырех вводных и выводных патрубков также одинаковы.
Азимутальный угол ϕ (фиг. 2-3) секторов распределителя 8, в которых размещены отборные камеры 12 и 13, не меньше прямого угла - 90°, например, 120°. Мешалка 45 снабжена изогнутыми лопастями, например, турбинного или пропеллерного типа, формирующими при ее вращении принудительный отвод эмульсии фаз от отверстия 48 кольца 47 внутри кольцевой перегородки 24, аналогично рабочему колесу центробежного насоса, в направлении к периферии или вверх соответственно, уменьшая давление эмульсии фаз в нем. Ребра 25 кольцевой перегородки 24 размещены в зоне транспортирующего устройства 44 с радиальным зазором 50 с ней. Камера смешения 20 снабжена жестко закрепленными на ее наружной стенке, например, с помощью сварки и размещенными в горизонтальной плоскости крепежными кронштейнами 51 с отверстиями 52, например, в количестве 4 штук.
Центробежный экстрактор работает следующим образом. После запуска привода 28 исходные растворы по вводным патрубкам 18 тяжелой фазы и 19 легкой фазы подают в приемные камеры 16 и 17, откуда они под действием силы веса сливаются в зазор 22, транспортируются по зазору 46 через отверстие 48 к мешалке 45 в смесительной камере 20, где они перемешиваются для осуществления массопередачи целевого компонента, и образовавшаяся эмульсия подается транспортирующим устройством 44 внутрь вращающегося ротора 27. В процессе транспортировки эмульсии снизу-вверх в роторе 27 и ее расслаивания в разделительной камере 30 между пластинами 31 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 роторе 27 под диском 34 образуются три радиально соприкасающихся кольцевых слоя - двух очищенных друг от друга чистых разделенных фаз в приосевой и периферийной зонах ротора и эмульсионного слоя между ними.
Легкая фаза через перелив 33 выводится по трубке 32 из ротора 27 в коллектор 4 сбора легкой фазы, сливается через отверстие 7 в отборную камеру 13 и выводится наружу экстрактора по выходному патрубку 15 или в совмещенный с ним входной патрубок легкой фазы соседнего экстрактора. Тяжелая фаза через переточное отверстие 35 поступает в гидрозатвор 38, транспортируется к оси вращения вала 29 к переливному отверстию 37, выводится из ротора 27 в направлении к периферии в коллектор 3 сбора тяжелой фазы, сливается через отверстие 6 в отборную камеру 12 и выводится наружу экстрактора по выходному патрубку 14 или в совмещенный с ним входной патрубок тяжелой фазы соседнего экстрактора. Осадок за счет центробежной силы транспортируется по конической поверхности ротора 27 к переточному отверстию 35, взмучивается неподвижным активатором 39 и выводится далее с потоком тяжелой фазы через переливное отверстие 37 из ротора 27 и далее по выходному патрубку 14 наружу экстрактора. Таким образом, закрепление последовательно нескольких соседних экстракторов в многоступенчатый аппарат с помощью крепежных кронштейнов на одной горизонтальной плоскости и герметизация стыков их соответствующих совмещенных патрубков для одноименных фаз, например, сваркой, позволяет осуществить в нем экстракционный противоточный процесс.
Экспериментально установлено, что примененная в прототипе отбортовка нижней кромки кольцевой перегородки 24 в виде ее загиба к оси под прямым углом к образующей до образования отверстия заданного малого диаметра не может быть выполнена, в связи с появлением гофров на поверхности отбортовки или разрыва материала перегородки, что предопределяет необходимость ее замены на вспомогательное кольцо 47 с отверстием 48. Для обеспечения мешалкой 45 кроме перемешивания еще и разряжения в отверстии 48 кольца 47 необходимо обеспечить примерное равенство их диаметров. Однако, при одновременном уменьшении диаметров мешалки 45 и отверстия 48 увеличивается гидравлическое сопротивление отверстия 48, а при одновременном увеличении их диаметров уменьшается размер капель дисперсной фазы в эмульсии, что в обоих случаях приводит к уменьшению производительности. Экспериментально установлено, что величина их диаметров имеет промежуточное значение, например, равное 30% от диаметра перегородки 24, который в свою очередь примерно равен диаметру, на котором размещены переточные отверстия 35 диска 34.
Выполнение вводных 18 и 19 и выводных 14 и1 5 патрубков в виде труб, оси и диаметры которых совпадают для тяжелой входной и выходной фаз и легкой входной и выходной фаз и размещение их параллельно друг другу по разные стороны от перпендикулярной им вертикальной оси корпуса 1 упрощает соединение соседних ступеней в многоступенчатый аппарат. Выполнение наружной стенки 10 распределителя 8 в зоне вводных 18 и 19 и выводных 14 и 15 патрубков плоской и расположение ее перпендикулярно их осям упрощает закрепление всех патрубков, например, сваркой, и контроль сварного шва. Выполнение диаметра D и длины всех четырех вводных 18 и 19 и выводных 14 и 15 патрубков одинаковыми и размещение их осей на одинаковом расстоянии от оси корпуса на одной высоте позволяет сделать их максимально короткими, уменьшает их гидравлическое сопротивление и упрощает изготовление и сборку экстракторов в многоступенчатый аппарат.
3
4
Размещение над дном 21 на высоте Н верхней кромки кольцевой перегородки 24 большим высоты Р дна 5 коллекторов предотвращает возможное перетекание входных фаз через эту кромку сверху при большом расходе фаз и заполнении ими всего сечения вводных патрубков 18 и 19 и уменьшение в связи с этим эффективности массообмена.
1
2
1
2
т
л
т
л
Размещение над отверстием 48 в кольце 47 на высоте H дна 9 распределителя 8 большим высоты Н размещения транспортирующего устройства 44 в соотношении H/H>ρ/ρ>1, где ρ и ρ - плотности тяжелой и легкой фаз соответственно, необходимо для обеспечения транспортировки легкой фазы под действием силы веса из приемной камеры 17 через отверстие 48.
Экспериментально установлено, что обе фазы, в особенности легкая фаза, в кольцевых коллекторах 3 и 4 вспениваются и в процессе последующей транспортировки постепенно освобождаются от диспергированного воздуха. Для предотвращения переполнения коллекторов 3 и 4 вспененными фазами сечение сливных отверстий 6 и 7 необходимо увеличивать, например, за счет увеличения свыше 90° азимутального угла ϕ секторов распределителя 8, в которых размещены отборные камеры 12 и 13. Однако при этом одновременно уменьшается сечение приемных камер 16 и 17 и увеличивается их гидравлическое сопротивление, что в итоге предопределяет выбор промежуточного значения, например, ϕ=120°.
Мешалка 45 снабжена изогнутыми лопастями, например, турбинного или пропеллерного типа, формирующими при ее вращении принудительный отвод эмульсии фаз от отверстия 48 кольца 47 внутри кольцевой перегородки 24, аналогично рабочему колесу центробежного насоса, в направлении к периферии или вверх соответственно, уменьшающий давление эмульсии фаз в нем, что облегчает опорожнение приемных камер 16 и 17. Пропеллерный тип мешалки 45 обеспечивает возникновение под транспортирующим устройством 44 фонтанирующей в виде возвышения поверхности эмульсии, что уменьшает его заглубление и предотвращает возникновение несепарационного уноса эмульсии по наружной поверхности ротора 27 в коллектор 4 легкой фазы.
Размещение ребер 25 кольцевой перегородки 24 в зоне транспортирующего устройства 44 с радиальным зазором 50 с ней устраняет застойные зоны и образование воронки под ним, и способствует гомогенизации эмульсии в объеме камеры смешения 20, что увеличивает его производительность и эффективность массопередачи целевого компонента в эмульсии.
Жесткое закрепление на наружной стенке камеры смешения 20 в зоне ее дна 21 крепежных кронштейнов 51 с отверстиями 52, размещенными в горизонтальной плоскости, позволяет надежно закрепить экстрактор или многоступенчатый аппарат на месте монтажа от возможного самопроизвольного перемещения в процессе работы за счет вибраций от вращения ротора 27.
Экспериментально установлено, что примененное в прототипе закрепление ротора 27 большого размера непосредственно на валу 42 привода 28 приводит к его поломке, так как его вал и подшипники не выдерживают больших радиальных и осевых нагрузок от вращения заполненного растворами ротора 27. Это предопределяет необходимость использовать подшипниковую опору 40.
Полезная модель промышленно применима, так как в настоящее время она прошла стендовые испытания, подтвердившие достижение нового технического результата - упрощение конструкции и увеличение производительности и эффективности массопередачи. Конкретные конструктивные признаки заявленного экстрактора реально осуществимы и не противоречат применению в промышленных условиях.
Таким образом, заявлено техническое решение указанной выше задачи, совокупность признаков которого неизвестна из настоящего уровня техники, обладает новизной по сравнению с выбранным прототипом, технически выполнимо и промышленно применимо, что соответствует критериям, характеризующим полезную модель.