ЭКСТРАКТОР ПРОТИВОТОЧНЫХ ПОТОКОВ ФАЗ РАЗНОЙ ПЛОТНОСТИ
EXTRACTOR OF DIFFERENT-DENSITY PHASE COUNTERSTREAM FLOWS

Изобретение относится к гидрометаллургическому, химическому, нефтяному и пищевому производству и предназначено для повышения эффективности извлечения полезных веществ из смеси растворов и снижения производственных затрат на извлечение полезных веществ на единицу произведенной продукции, преимущественно в гидрометаллургии. Эффективность в аппарате достигается за счет равномерного распределения фаз в поперечном сечении колонны.
Передача полезных веществ из одной жидкости в другую при экстракции осуществляется хаотическим перемешиванием механическими или пульсационными мешалками. Хаотическое перемешивание высоту этой зоны увеличивает до образования продольного перемешивания и снижения эффективности массообмена. Для ограничения высоты ступени в колоннах малого диаметра ее перекрывают кольцевыми перегородками. Смотри, например, пат. №791025 Великобритании, 1958 г., в котором мешалки заключены в пространство, ограниченное неподвижными кольцевыми перегородками, поддерживаемыми с помощью тяг, при этом ступени образуются кольцами статоров, закрепленных на обечайке колонны.
Массообмен и передача веществ в таких колоннах достигается длительным перемешиванием фаз и большим расходом энергии. Для снижения высоты колонн, повышения эффективности передачи веществ и сокращения времени перемешивания фаз в колоннах применяют горизонтальные тарелки, которые выполнены с формированием горизонтальных потоков. Среди них широко применяются тарелки КРИМЗ, которые создают движение потоков в колонне лопатками, выполненными с отклонением от горизонтальной поверхности на 20°-45°, по концентрическим окружностям (см. авторское свидетельство №175489 СССР, МПК В01D 11/04 1961).
Данные тарелки в процессе вертикального возвратно поступательного движения жидкости в колонне создают движущиеся по концентрическим окружностям потоки в слоях, причем потоки, в соседних тарелках, движутся в противоположные стороны.
Однако в силу инерции, разных по плотности жидкостей и действия естественных сил подъема и опускания одной жидкости в другой, основная цель создания горизонтальных потоков не достигается, они не увеличивают скорость передачи веществ из фазы в фазу, а высота колонн для семиступенчатого экстрактора остается 11-12 метров. При этом колонны с горизонтальным действием на жидкость работают с большими затратами внешней энергии.
Известен пульсационный колонный экстрактор со стабилизацией соотношения потоков фаз, который содержит корпус с патрубками подачи и выдачи растворов, разделенный на секции размещения диспергаторов и на секции разделения фаз. Секции разделения фаз снабжены стабилизаторами соотношения потоков фаз, выполненными из двух параллельно расположенных перфорированных перегородок и установленных между ними соединением концов с краями отверстий конусных труб, с обеспечением движения по трубам движущихся противотоком фаз с направлением от отверстий с большим сечением к отверстиям с меньшим сечением (см. заявку РФ №2004127864/15, МПК В01D 11/04 от 16.09.2004, БИПМ от №5 от 20.02.2006).
Стабилизатор в данном экстракторе выполняет функции распределителя фаз. Он перед входом фаз в конусные трубы равномерно распределяет их по сечению колонны и выдает их струями перед диспергаторами, между концами конусных труб и диспергаторами, в среду, которая также хаотически перемешивается с вторичной смесью, что нарушает последовательность движения легкой фазы вверх, а тяжелой вниз. При этом вторичная дисперсия, которая сверху и снизу поступает в диспергаторы обратными потоками, нарушает процесс массообмена, снижает эффективность ступеней.
Пульсационный колонный экстрактор ближе всего отражает сущность заявленного изобретения, он принят за прототип.
Технической задачей настоящего изобретения является устранение образования вторичных дисперсий из двух разных по плотности фаз на границах входа их в диспергаторы. Устранение активного хаотического перемешивания, при вводе фаз в диспергаторы, устранение повторного их диспергирования, достижение упорядоченного движение фаз во всех зонах колонны, повышение извлечения вещества и эффективности массообменного процесса в экстракторе.
Настоящая, техническая задача решается тем, что распределители фаз в экстракторе выполнены из кольцевых, тонких, концентрически установленных по оси колонны, перегородок, или конического исполнения, с прямой и обратной конусностью, через одну перегородку, или цилиндрического - с загибом в них концов на 25°-45°, одних - к центру, других - от центра, с образованием между двумя соседними коническими или цилиндрическими перегородками, большего и меньшего диаметра, кольцевых каналов с зазорами в торцах, - в торце затекания фаз большего размера, в торце выдачи фаз меньшего размера.
Экстрактор противоточных потоков фаз разной плотности содержит вертикальный корпус, к верхнему торцу которого с помощью фланцев установлена крышка с возвратно-поступательным механизмом и с патрубками подачи исходной тяжелой фазы (водный раствор) и выдачи легкой фазы (экстрагент). Возвратно-поступательный механизм с электродвигателем снабжен системой регулирования частоты и амплитуды диспергирования фаз. К нижнему торцу аналогично установлено дно и патрубки подачи легкой фазы и выдачи тяжелой фазы.
Сущность заявленного изобретения поясняется схематическими чертежами, где на фиг.1 изображена ступень экстрактора с коническими кольцевыми перегородками в разрезе и на фиг.2 ее поперечное сечение по А-А. На фиг.3 изображена ступень экстрактора с цилиндрическими кольцевыми перегородками в разрезе и на фиг.4 ее поперечное сечение по Б-Б.
Ступень экстрактора содержит корпус 1, секцию с диспергатором 2 фаз, который укреплен на вертикальном штоке 3. Шток в корпусе экстрактора внизу установлен на пружину, а вверху присоединен к механизму возвратно-поступательных движений с электродвигателем (не показаны). Диспергаторы состоят из проволочных сит, диаметр проволок которых возвратно-поступательным движением обеспечивает раздельное образование капель, оптимального, равного размера.
Между секциями диспергаторов по высоте корпуса размещены распределители потоков фаз, которые выполнены из тонких кольцевых перегородок, установленных концентрически по центральной оси колонны с минимальным (от 3 мм) расстоянием одна от другой. Между ними образованы кольцевые каналы раздельного движения фаз с условием легкой фазы вверх, тяжелой - вниз.
Кольцевые перегородки распределителей выполнены или конусными 4, с чередованием их размещения с прямой и обратной конусностью, или цилиндрическими 5, с загибом одних торцевых концов на 25°-45°, к центру, других - от центра, по направлению движения потоков фаз. Перегородки распределителя образуют кольцевые каналы с зазорами в торцах: в одном для затекания фаз с большим размером зазоров 6, в другом для выдачи фаз - с меньшим размером зазоров 7. Смещение перегородок от центральной оси корпуса экстрактора ограничивается поперечными связями 8, которые выполнены с распорками 9, устанавливаемыми между концами перегородок, в зазорах выхода фаз из кольцевых камер. Размер сечений камер секций ступени выполнен в зависимости от отношения объемов перерабатываемых жидкостей и их физического состояния.
Работа экстрактора противоточных потоков разных плотностей фаз описана на примере экстракции. Во время работы возвратно-поступательный механизм через вертикальный шток 3 непрерывно осуществляет в возвратно-поступательное движение диспергатора 2 с амплитудой 3-10 мм. В колонну через патрубок в верхнем конце колонны подается исходная тяжелая фаза, которая содержит полезные вещества, через патрубок в нижнем конце колонны подается легкая фаза. Патрубки подачи фаз внутри снабжены распределителями потоков по сечению колонны.
В колонне тяжелая фаза через кольцевые большие проемы стенок опускается вниз и через меньшие проемы выходит снизу в зону диспергаторов на диспергирование. В зоне перед диспергированием она создает умеренный скоростной напор и не допускает движения через данное кольцевое сечение движения легкой фазы вверх.
Легкая фаза одновременно через большие проемы 6 кольцевых каналов снизу поднимается вверх и через меньшие проемы 7 вверху поступает в зону диспергаторов на диспергирование и также в этом кольцевом сечении создает умеренный напор и не допускает движения в данном сечении движения тяжелой фазы вниз.
В секциях распределения фаз комплектом цилиндрических тонких перегородок, расположенных по площади поперечного сечения, обе фазы кольцевыми перегородками равномерно распределяются по площади поперечного сечения колонны и в зоне размещения диспергаторов движутся на диспергирование, где их скорость движения замедляется.
Разделенная легкая фаза от тяжелой непрерывно поступает с равномерным распределением по площади сечения колонны в диспергатор снизу. Сверху, в этот же диспергатор, непрерывно поступает отделенная от легкой фазы тяжелая фаза, аналогично - сверху.
В диспергаторе обе фазы (регулируемыми параметрами частоты 10-40 кол./в мин и амплитуды 3-10 мм) возвратно-поступательным движением разрушаются в капли, определяемые размером отверстий в ситах и системой регулирования частоты и амплитуды.
Регулированием частоты возвратно-поступательных движений и размера амплитуды легко улучшают работу экстрактора и качество процесса. Капли разнородных жидкостей во время образования и движения в присутствии равномерного их распределения по площади сечения сталкиваются, интенсивно контактируют своими поверхностями друг с другом. В результате активно осуществляется передача вещества из одной жидкости в другую. Таким образом, массообмен полезного вещества из фазы в другую фазу переводится в более спокойных условиях при развитой контактной поверхности без хаотического перемешивания фаз в этой зоне и других зонах колонны.
Тяжелая фаза, достигшая последней ступени внизу, освободившаяся от полезного вещества и от легкой фазы, через патрубок в нижнем конце колонны сливается в емкость по назначению. Легкая фаза, достигшая последней ступени вверху, накопив полезные вещества и освободившись от тяжелой фазы, сливается в емкость для проведения обратного процесса.
Отсутствие подвижных элементов в реакционной зоне и скоростных потоков фаз в экстракторе резко уменьшат хаотическое перемешивание и движение потоков фаз по высоте. Противоточное движение фаз осуществляется естественной силой, возникающей от разности плотностей фаз. В реакционной зоне экстрактора создаются умеренные скорости потоков, которые за счет исключения хаотического перемешивания резко уменьшают высоту массообменных ступеней и экстракционных колонн в целом, что повышает эффективность полезной высоты колонн и снижает материальные и трудовые затраты производства на извлечение полезных веществ.
Распределители фаз и другие элементы экстрактора имеют простую конструкцию и могут изготовляться в любой мастерской, что значительно снижает затраты производителя на его изготовление.