МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ СМЕСИТЕЛЬНО-ОТСТОЙНЫЙ ЭКСТРАКТОР

МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ СМЕСИТЕЛЬНО-ОТСТОЙНЫИ
ЭКСТРАКТОР
Полезная модель относится к экстракционной технике, а именно к конструкциям экстракционных аппаратов смесительно-отстойного типа, и может быть использована, преимущественно, в радиохимии для разделения и экстракционной очистки таких делящихся материалов, как уран и плутоний, а также в экстракционных технологиях химической промыщленности и других отраслей народного хозяйства.
В связи со специфическими особенностями радиохимии к оборудованию отрасли предъявляются повыщенные требования. Аппараты, как правило, размещаются в герметичных камерах (боксах) или в специальных помещениях (каньонах), обеспечивающих защиту обслуживающего персонала и окружающей среды (в частности, за счет необходимой толщины стенок) от воздействия радиоактивных и высокотоксичных перерабатываемых материалов.
Кроме того, при работе с делящимися материалами должна обеспечиваться ядерная безопасность - исключение возможности возникновения в аппарате самоподдерживающейся цепной реакции, что достигается путем ограничения геометрических параметров аппарата и находящегося в аппарате делящегося материала: объема (при любой форме и неограниченных линейных размерах), высоты слоя (при любом объеме и неограниченных горизонтальных размерах) или диаметра кругового цилиндра (при неограниченной его длине). Ограничивается также минимальное допустимое расстояние между аппаратами или его отдельными элементами (оно может быть уменьщено за счет применения нейтронопоглощающих вставок) и от аппарата до стенок помещения.
В результате выполнения всех требований оказывается, что на каждую единицу технологического оборудования радиохимического предприятия приходятся значительные производственные площади и связанные с этим больщие капитальные затраты. Поэтому очень важно так сконструировать аппарат, чтобы без уменьшения его производительности и ущерба для технологического процесса свести к минимуму необходимую производственную площадь (или объем рабочего помещения) и снизить, следовательно, капитальные и эксплуатационные материальные затраты.
Рассмотрим известные из уровня техники решения, аналогичные заявляемому, и проанализируем их конструктивное исполнение с точки зрения уменьщения габаритов многоступенчатого экстрактора типа смеситель-отстойник.
Так известен многоступенчатый экстрактор для жидкостной экстракции (см. авт. свид. СССР №963145, кл. B01D11/04, 1981), содержащий корпус, каждая секция которого разделена перегородками на смесительную, отстойную камеры и предкамеры, пульсационные смесительно-транспортирующие устройства, устройства для ввода и вывода реагентов, при этом смесительно-транспортирующее устройство установлено в предкамере и снабжено патрубком, соBOlDll/04
единяющим его с реакционной камерой, которая разделена вертикальными лабиринтными перегородками на секции.
Данное конструктивное исполнение средства производства позволяет повысить производительность экстрактора за счет получения укрупненной эмульсии.
Однако использование его в радиохимии для переработки делящихся материалов экономически нецелесообразно. Последовательное горизонтальное, друг за другом, расположение предкамеры, камеры смешения и камеры отстоя при ограничении в соответствии с требованиями ядерной безопасности ширины ступени обусловливает значительное увеличение ее длины, а вместе с этим (принимая во внимание расстояние между последовательно расположенными ступенями) и площади, необходимой для размещения аппарата.
Еще большее увеличение занимаемой аппаратом площади будет при ограничении его высоты. При этом затраты на увеличение площади не удается скомпенсировать за счет уменьщения высоты помещения, поскольку размеры последнего зависят не столько от высоты аппарата, сколько от размеров вспомогательного оборудования и приспособлений, используемых при эксплуатации аппарата.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и принятым в качестве прототипа является многоступенчатый экстрактор типа смеситель-отстойник (см. авт. свид. СССР №610536, кл. B01D11/04, 1976), каждая ступень которого включает камеру отстоя и отделенную от нее перегородкой камеру смещения, снабженную предкамерой и перемешивающим устройством, например, пульсационного типа, при этом отстойные камеры двух первых ступеней экстрактора снабжены сетчатыми съемными ловущками, каждая из которых снабжена откидной дверкой и выполнена в виде камеры, повторяющей форму камеры отстоя.
Однако использование данного экстрактора в радиохимии для переработки делящихся материалов экономически нецелесообразно. В нем, как и в экстракторе, рассмотренном выще основные конструктивные элементы: предкамера, камера смещения и отстойная камера расположены в ступени последовательно, друг за другом. Такое конструктивное исполнение экстрактора предполагает при ограничении в соответствии с требованиями ядерной безопасности ширины или высоты значительное увеличение длины каждой ступени и площади аппарата в целом. Капитальные и эксплуатационные затраты, обусловленные стоимостью необходимой для размещения экстрактора производственной площади, являются неоправданно большими, особенно если учесть ограниченные ядерной безопасностью минимальные расстояния до стен каньона, а также повышенную толщину стен и перекрытий, исполняющих роль биологической защиты.
Для того, чтобы сократить необходимые для размещения экстрактора производственные площади и связанные с этим капитальные и эксплуатационные затраты, авторы заявляемой полезной модели предлагают новое конструктивное исполнение многоступенчатого смесительно-отстойного экстрактора, каждая ступень которого содержит отстойную камеру, отделенную от нее смесительную камеру, снабженную предкамерой и пульсационным перемешивающим устройством, и устройства для ввода и вывода реагентов.
Новизна заключается в том, что смесительная камера, выполненная в виде вертикального цилиндра, снабжена пульсационной камерой, размещенной под расположенными в нижней части смесительной камеры предкамерой и пульсационным перемешивающим устройством, при этом последнее выполнено в виде эжекторов, сопла которых сообщены с полостью пульсационной камеры.
Охарактеризованный формулой полезной модели по настоящей заявке многоступенчатый экстрактор исключает вышеперечисленные недостатки экстрактора-прототипа, то есть связанную с выполнением требований ядерной безопасности необходимость увеличения длины ступени и, следовательно, занимаемой многоступенчатым аппаратом производственной площади.
Усоверщенствование конструкции экстрактора в соответствии с совокупностью существенных признаков, а особенно признаков отличительной части формулы полезной модели, позволяет сохранить необходимый рабочий объем аппарата и непосредственно зависящую от него заданную производительность за счет увеличения высоты экстрактора, но не за счет увеличения производственных площадей (по приведенным выще причинам высота рабочего помещения при этом праьстически не увеличивается).
Заявляемая полезная модель соответствует всем критериям патентоспособности.
Она является новой, так как на данный момент заявителем не обнаружено ни одного известного из уровня техники рещения, характеризующегося такой же совокупностью существенных признаков.
Полезная модель промыщленно применима, так как она характеризуется конкретными конструктивными признаками, каждый из которых воспроизводим и не противоречит применению экстрактора в целом в промыщленных условиях. Вся совокупность признаков и каждый признак в отдельности направлены на достижение ожидаемого технического результата - уменьщение занимаемой экстрактором производственной площади.
На фиг.1 представлена в разрезе одна из ступеней заявляемого многоступенчатого смесительно-отстойного экстрактора, на фиг.2 - вид экстрактора в
плане (показаны три ступени). Стрелками 1 и  показано движение
легкой и тяжелой фаз соответственно.
Как правило, легкой фазой является органический экстрагент. Однако, в экстракционной технологии может использоваться органический экстрагент, плотность которого превыщает плотность водных растворов, тогда он является тяжелой фазой , а водные растворы - легкой.
Для уменьщения длины экстракционного аппарата между ступенями установлены нейтронопоглощающие вставки (на чертеже условно показаны пунктиром).
Смесительная камера 2, выполненная в виде вертикального цилиндра, снабжена пульсационной камерой 5, размещенной под расположенными в нижней части смесительной камеры 2 предкамерой 3 и пульсационным перемешивающим устройством 4, при этом последнее выполнено в виде эжекторов (на чертеже показан один эжектор), сопла 6 которых сообщены с полостью пульсационной камеры 5.
В верхней части смесительной камеры 2 установлен стакан 7 с зазором 8 между ним и внутренней стенкой камеры 2.
Устройства для ввода и вывода реагентов имеют следующее назначение:
-патрубки 9 и 10 предназначены для ввода в предкамеру 3 легкой и тяжелой фаз соответственно;
-пульсопровод 11 - для сообщения пульсационной камеры с источником пульсаций (на чертеже не показан);
-труба 12 - для перетока эмульсии из смесительной камеры 2 в отстойную камеру 1;
-трубка 13 служит для вывода легкой фазы из отстойной камеры 1, причем положением верхнего торца трубки 13 определяется уровень налива фаз в отстойной камере 1;
-трубка 14, отделенная от полости отстойной камеры 1 гидрозатвором 15, служит для вывода из нее тяжелой фазы, причем верхний торец трубки 14 выполнен регулируемым по высоте, что позволяет устанавливать заданное положение границы раздела фаз в отстойной камере 1 в зависимости от значений их плотности;
-труба 16 служит для сообщения отстойной 1 и смесительной 2 камер между собой (по газовой фазе), а патрубок 17 - для сообщения их со сдувкой.
Для исключения обратного перелива эмульсии из отстойной камеры 1 в смесительную камеру 2 верхний торец стакана 7 расположен выще верхнего торца трубки 13.
Многоступенчатый смесительно-отстойный экстрактор работает следующим образом.
Экстрагирование целевого компонента осуществляется при противоточном движении водной и органической фаз между ступенями аппарата.
Водная фаза (исходный раствор целевого компонента) поступает в предкамеру последней по ходу органической фазы экстракционной ступени аппарата, проходит последовательно все его ступени и выводится из отстойной камеры первой ступени в виде рафината.
Органическая фаза (экстрагент) поступает в предкамеру первой экстракционной ступени аппарата, проходит последовательно все его ступени, контактируя в каждой ступени с водной фазой и экстрагируя из нее целевой компонент, и выводится из отстойной камеры последней ступени в виде экстракта.
При этом в каждой экстракционной ступени достигаются равновесные концентрации целевого компонента в водной и органической фазах, а полнота его извлечения из водной фазы и насыщение органического экстрагента обеспечиваются необходимым количеством ступеней в составе аппарата.
Перемешивание фаз в ступенях, необходимое для осуществления процесса массопередачи, а также транспортировка фаз между ступенями аппарата происходит с помощью перемешивающего устройства.
Под действием импульса (повышенного давления в пульсопроводе) находящаяся в пульсопроводе 11 тяжелая (водная или органическая) фаза, поступает в полость пульсационной камеры 5 и далее в сопла 6 перемешивающего устройства 4. Истечение ее из сопел 6 происходит со скоростью, достаточной для получения в перемещивающем устройстве 4 эжекционного эффекта, в результате чего происходит подсасывание легкой и тяжелой фаз из предкамеры 3 и их интенсивное перемещивание, необходимое для осуществления процесса массопередачи.
В это время в предкамере 3 снижается уровень, и в нее по патрубкам 9 и 10 поступают соответственно легкая и тяжелая фазы из отстойных камер соседних ступеней.
Образующаяся в перемешивающем устройстве 4 эмульсия поднимается в смесительной камере 2 до верхнего торца стакана 7, переливается в зазор 8 и из него по трубе 12 перетекает в отстойную камеру 1, где происходит ее разделение на легкую и тяжелую фазы.
Избыток легкой и тяжелой фаз (соответствующий производительности аппарата за один импульс), образующийся при поступлении порции эмульсии из смесительной камеры 2, вытесняется из отстойной камеры 1: легкой - через трубку 13 и патрубок 9 в предкамеру 3 последующей по ходу легкой фазы ступени, тяжелой - через трубку 14 и патрубок 10 в предкамеру 3 предыдущей по ходу легкой фазы ступени.
При сбросе давления в пульсопроводе легкая и тяжелая фазы (кроме порции, поступившей в отстойную камеру 1 во время импульса) под действием гидростатического напора стекают из стакана 7 через эжекторы 4 и сопла 6 обратно в предкамеру 3 и пульсационную камеру 5, обусловливая снижение уровня жидкости в стакане 7 и повышение его в предкамере 3 перед следующим импульсом.
Использование заявляемого многоступенчатого смесительно-отстойного экстрактор а позволит сократить занимаемые производственные площади, так как конструктивное исполнение предусматривает уменьщение габаритов аппарата ядерно-безопасной геометрии при сохранении заданной производительности, и, как следствие, сокращение капитальных и эксплуатационных затрат за счет уменьшения объема дорогостоящих защитных сооружений.